đ ánh giá và dự báo chất lợng nớc hồ tây bằng mô hình toán học Ngô Quang Dự Bộ môn Kỹ thuật môi trờng Trờng Đại Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bi viết ny trình by tóm tắt kết quả nghiên cứu đánh giá chất lợng nớc Hồ Tây bằng mô hình toán học. Trên cơ sở đó đề xuất chiến lợc quy hoạch, bảo vệ v sử dụng hợp lý nguồn ti nguyên quý giá ny đặc biệt l quản lý chất lợng nớc. Summary: This paper briefs on the study results of an evaluation of the water quality of the West Lake by mathematical modelling. Based on the findings, a strategy on protection and sensible use of this valuable resource, especially water quality management, is put forward. I. Đặt vấn đề Hồ Tây là hệ sinh thái hồ nớc ngọt điển hình của đồng bằng Bắc Bộ, có vị trí, vai trò, giá trị rất quan trọng với sự phát triển kinh tế - xã hội của thủ đô Hà Nội, là 1 trong 4 hồ của Việt Nam đợc xếp vào danh sách những hồ nớc ngọt cần đợc bảo vệ trên thế giới. Hồ Tây đợc coi nh nhà máy điều hoà khí hậu tiểu khu vực. CT 2 Tuy nhiên, cùng với tốc độ phát triển mạnh mẽ và sâu sắc của quá trình đô thị hoá, công nghiệp hoá, thì hệ thống sông, hồ của thủ đô Hà Nội đã và đang phải đối mặt với vấn đề ô nhiễm môi trờng và Hồ Tây cũng không tránh khỏi. Hiện tại hồ đang bị ảnh hởng nghiêm trọng do các quá trình đó, tại nhiều khu vực tình trạng nớc thải, rác thải ô nhiễm đổ vào hồ ngày càng nhiều và cha có sự kiểm soát chặt chẽ, dẫn tới vợt quá khả năng tự làm sạch của hồ đã làm cho hồ Tây ngày càng bị suy thoái. Do vậy cần phải có những nghiên cứu, biện pháp quản lý và công nghệ phù hợp nhằm giảm thiểu xu thế suy thoái môi trờng đồng thời có chiến lợc khai thác một cách hiệu quả và bền vững nguồn tài nguyên hồ phục vụ cho sự phát triển bền vững. Để thực hiện nghiên cứu này, chúng tôi đã sử dụng một số phơng pháp sau đây: Phơng pháp kế thừa, thống kê, phân tích, tổng hợp và đánh giá; phơng pháp thực nghiệm; phơng pháp mô hình toán (phơng pháp mô phỏng) và phơng pháp xử lý số liệu. II. Nội dung v kết quả nghiên cứu 1. Mô hình cân bằng nớc 1.1. Khái quát về mô hình Phơng trình cân bằng nớc đợc viết dới dạng phơng trình vi phân nh sau: = dt dV dòng vào dòng ra tích luỹ hay r0eiP Q)QQ()QQ( dt dV ++= trong đó : V - thể tích của hồ (m 3 ); Q P : lu lợng nớc ma (m 3 /ngày); Q e : lu lợng nớc bốc hơi (m 3 /ngày); Q i : lu lợng các nguồn thải cung cấp vào hồ (m 3 /ngày); Q o : lu lợng nớc ra khỏi hồ (m 3 /ngày); Q r : lu lợng nớc trầm tích trong hồ (m 3 /ngày). Nếu ta xét trong khoảng thời gian (dt) nhỏ, khi đó thể tích hồ không thay đổi nhiều, do vậy 0 dt dV = . Từ phơng trình tổng quát suy ra Q r = (Q P + Q i ) (Q e + Q o ) 1.2. Kết quả mô phỏng mô hình Trên cơ sở những số liệu về điều kiện tự nhiên và đặc điểm của hồ Tây, ta dễ dàng tính đợc: Q p = 4,5 x 10 -3 x 5260000 = 23267 m 3 /ngày Q e = 4,35 x 10 -3 x 5260000 = 22880 m 3 /ngày CT 2 Q i = từ 3197 đến 6998 m 3 /ngày, trung bình là 5097 m 3 /ngày[5]. Và Q r = Q o + Q e - Q p - Q i = 24820 m 3 /ngày với t = 0,5 năm. Cân bằng nớc Hồ Tây mô phỏng lu lợng các dòng chảy vào, ra và tích luỹ trong hồ. Nó ảnh hởng và tác động trực tiếp tới cân bằng của các chỉ tiêu chất lợng nớc hồ, các yêu tố dinh dỡng trong hồ. 2. Xác định tải lợng của Photpho hồ Tây theo mô hình Vollenweider 2.1. Phơng trình xác định hm lợng P tổng số Theo Vollenweider nồng độ P tổng số trong hồ có thể tính bằng công thức sau: )1(Q L P Ws + = ở đó: W s Z q = và A J L = trong đó: P: nồng độ Photpho tổng số (g/m 3 ); L: tải lợng đơn vị photphat bề mặt trong một năm (gP/năm); Q s : tải lợng thuỷ lực bề mặt (m 3 /m 2 .năm); w : thời gian lu thuỷ vực của nớc trong hồ (năm); J: tổng lợng Photpho vào hồ hàng năm (g/năm); A: diện tích mặt hồ (m 2 ); Z: độ sâu trung bình (m). 2.2. Các phơng trình biểu diễn mối quan hệ giữa nồng độ P tổng số v hm lợng chlorophyll A, độ trong v nhu cầu tiêu thụ ôxy bề mặt đáy hồ. Nghiên cứu chất lợng nớc hồ Tây giai đoạn gần đây áp dụng phơng pháp thực nghiệm và hồi quy toán học đã xác định đợc một số quan hệ sau: Mối quan hệ giữa nồng độ P và hàm lợng Chlorophyll A (mg/m 3 ) trong hồ: ChlA = 295 x C p 0,66 (dạng tổng quát ChlA = a.C p b ) Mối quan hệ giữa hàm lợng Chlorophyll A (mg/m 3 ) với độ trong (S): S = 6,5 x ChlA -0,474 (dạng tổng quát S = a.ChlA b ) Mối quan hệ giữa tốc độ tiêu thụ oxy ở đáy hồ (D: gO 2 /m 2 .ngày) và nồng độ P tổng số (Chapa và Canale, 1991): D = 0,086 x C p 0,4789 (dạng tổng quát D = a.C p b ) 2.3. Phơng trình về sự thay đổi nồng độ P theo thời gian Sử dụng phép phân tích tơng quan và hồi quy chúng tôi đã xác định mối quan hệ giữa nồng độ Photpho tổng số biến thiên theo thời gian trong giai đoạn gần đây: Y = a x t 3 + b x t 2 + c x t + d Y: hàm lợng P tổng số; t: thời gian (năm) và a, b, c, d là các hằng số. 3. Mô hình trao đổi Photpho ở Hồ Tây theo Jorgensen CT 2 Chúng tôi áp dụng mô hình trao đổi Photpho của Jorgensen để mô phỏng cho hệ sinh thái hồ Tây bao gồm các biến trạng thái sau PS: Photpho ho tan trong nớc; PC: Photpho trong tảo; PD: Photpho trong các mảnh vụn; PiN: Photpho trong kẽ nớc của trầm tích; PB: Photpho có khả năng giải phóng từ nền đáy thông qua các quá trình sinh học v PE: Photpho có khả năng trao đổi ở nền đáy . Các mối quan hệ giữa chúng đợc mô phỏng bằng sơ đồ dới đây (hình 1), ở đó mỗi một mũi tên là một quá trình và mỗi một quá trình và đợc biểu diễn bằng những phơng trình toán học. Các quá trình chính trao đổi Photpho đợc mô phỏng gồm có: Quá trình hấp thụ Photpho ho tan (PS) của thực vật nổi: (UP) Quá trình Tảo chết đi tạo thnh mùn (INPUT 6) Quá trình lắng đọng của xác Tảo tạo thnh lớp cặn đáy (INPUT5) Quá trình lắng đọng của các mảnh vụn tạo thnh lớp cặn đáy (INPUT 7) Quá trình phân giải Photpho trong các mảnh vụn thnh Photpho ho tan (INPUT 2) Quá trình khoáng hoá vô cơ PE ở nền đáy (OUTPUT2) Quá trình khuyếch tán Photpho ho tan trong kẽ nớc vo cột nớc (OUTPUT5) Quá trình PE bị phân giải v giải phóng bởi các quá trình sinh học (OUTPUT4) Quá trình Photpho đợc phân giải qua quá trình sinh học (PB) đợc giải phóng vo cột nớc thông qua hoạt động của sinh vật (QBIO) Quá trình PB đợc giải phóng vo cột nớc thông qua quá trình hoá học (QDSORP.AB) PS P C PD PE PI Pzoo UP )1 F 1 ( CA PC.CF.Z f PC.SA PE.KE QDIFF CA P C .CF.F P fish f PC.SA QDSORP f DP.SA QBIO Ngun th i F2.P2 F3.P3 Ma F4.P4 Lu vực SA.PC KP.DP Đ iều khiển sinh trởn g của Tảo CA PC.CZ.Z PB Hình 1. Sơ đồ các quá trình chu chuyển của Photpho trong các thnh phần Sử dụng phần mềm Stella II, chúng tôi đã mô phỏng và tính toán sự biến thiên của từng thành phần Photpho theo thời gian (hình 2), kết quả đợc trình bày trong hình 3 và 4 với giá trị thông số cha hiệu chỉnh và sau khi hiệu chỉnh. Hình 2. Cấu trúc mô hình trao đổi Photpho ở Hồ Tây theo Jorgensen (mô phỏng bằng chơng trình Stella II) CT 2 PS PC PiN PE PD UP QDIFF INPUT2 INPUT6 INPUT5 INPUT7 OUTPUT2 PB QSED QDSORP QBIO INPUT1 OUTPUT1 PD PS Ipn Cpp Ipl T D FT4 DB T KDP10 T DMU Q D DB FT6 V AE He1 PS KE20 LUL FP2 KE AI FP1 DMU D KP FT2 PD PC OUTPUT3 UPmax SA SD SVD D D Q V FPAmax FT2 AB FP1 PHYT He2 D DMU FPAmin FT2 FPA DB SA T SVS MA CT 2 ng số có sự biến thiên theo thời gian để kết quả mô phỏng đợc gần với thực tế hơn. Kết quả chạy mô hình với số liệu cha hiệu chỉnh: Do một số giá trị thông số trong mô hình đợc sử dụng là giá trị cố định nên có sự sai lệch giữa kết quả mô phỏng và giá trị thực tế (hình 3), do vậy cần có sự hiệu chỉnh những giá trị thô th so sỏnh kt qu mụ phng v thc t ca PO4 trong h 0 2 4 6 8 10 12 14 123456 789101112 Th i gian (thỏng) nng PO4 (mg/l) PO4, mụ phng PO4, thc t Hình 3. Đồ thị v biểu đồ biến thiên hm lợng Photpho khi cha hiệu chỉnh Sau khi hiệu chỉnh số liệu kết quả chạy đợc thể hiện trong sơ đồ dới đây, kết quả cho thấy giá trị mô phỏng và giá trị thực tế có sai số không lớn, do vậy có thể áp dụng phơng pháp mô phỏng để đánh giá và dự báo sự biến thiên hàm lợng Photpho theo thời gian (hình 4). 15:13 25/04/200 7 0.00 3.00 6.00 9.00 12.0 0 Months 5: 0.00 0.00 0.00 0.00 1: 1: 1: 2: 2: 2: 3: 3: 3: 4: 4: 4: 5: 5: 0.00 0.05 0.10 0.10 0.20 0.50 1.00 0.03 0.05 0.25 0.50 1: PB 2: PC 3: PS 4: PD 5: PiN 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 4 4 4 4 5 5 5 5 Graph 1 th so sỏnh kt qu mụ phng PO4 v thc t H Tõy 0.5 2 2.5 3 N O4 (mg/l ) PO4, mụ phng 1.5 P 1 ng PO4, thc t 0 123456789101112 Thi gian (thỏng) Hình 4. Đồ thị v biểu đồ biến thiên hm lợng Photpho khi hiệu chỉnh số liệu 4. Thảo luận Một trong những nhợc điểm của mô hình hoá là lợng thông tin, số liệu cần cho mô hình là tơng đối nhiều. Số liệu càng nhiều và càng chính xác thì độ tin cậy của mô hình càng cao, do vậy vấn đề đảm bảo thông tin phải đợc coi trọng. Do vậy phải xây dựng đợc hệ thống và chơng trình quan trắc ở hồ Tây bao gồm (cần phải tuỳ thuộc vào mục đích nghiên cứu mà có những thay đổi): thông số quan trắc, tần suất quan trắc v địa điểm quan trắc. Để áp ứng yêu cầu phân tích và dự báo thì quan trắc số liệu phải đảm bảo tính liên tục, thống nhất về địa điểm v đảm bảo về phơng pháp. Cần có một chơng trình nghiên cứu quy hoạch tổng thể và chi tiết về sử dụng, khai thác và quản lý khu vực hệ sinh thái hồ Tây phục o phát triển bền vững. vụ ch CT 2 Hiện tại ô hình có số biến ả thu đợc là đáng tin cậy. III. Kết luận Các thông số chất lợng nớc của hồ trong những năm qua cho thấy hồ đang ở mức ô nhiễm nhẹ, một vài chỉ tiêu đã vợt quá giới hạn cho phép nh Nitơrat, Coliform, và có xu hớng ngày càng tăng. Ô nhiễm ở hồ Tây mang tính cục bộ rõ rệt, khu vực ven hồ và gần các cống thải có mức độ ô nhiễm nặng hơn. Các nguồn thải chính của Photpho vào hồ Tây là từ các cống thải, lu vực và từ khí quyển, nhng quan trọng nhất là khoảng 90% lợng Photpho là từ các cống thải xung quanh đổ trực tiếp xuống hồ mà cha qua xử lý. Bằng m h của Vollenveider đã cho thấy lợng Photp o thải vào hồ c phát triển (OECD) về mức độ dinh dỡng của các hồ nớc ngọt nhiệt đới thì hiện tại hồ Tây đợc xếp vào dạng dỡng, lợng Photpho có xu hớng tăng lên theo thời gian, do đó đã gây ra hiện [1]. H rần Đức Hạ. Chất lợng nớc sông hồ và bảo vệ môi trờng nớc. NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2004. on. Thiết lập mô hình kiểm soát chất lợng nớc hệ thống hồ đô thị thuộc đồng bằng sông Hồng. Luận án tiến sĩ kỹ thuật, Trờng Đại học Xây dựng Hà Nội, 2005. n học mô phỏng hệ sinh thái hồ (lấy hồ Tây làm ví dụ). Hội thả có nhiều mô hình mô phỏng chất lợng nớc của nhiều tác giả, mỗi m trạng thái và có điều kiện biên khác nhau nên sẽ có hiệu quả khác nhau. Đề tài đã kết hợp mô hình tính tải lợng Photpho của Vollenweider và mô hình của Jorgensen đã mô phỏng đợc hầu hết các biến trạng thái và các quá trình xảy ra trong hệ sinh thái hồ, do vậy kết qu ô hìn h đã vợt quá tải lợng cho phép, theo tiêu chuẩn của tổ chức các nớ hồ giàu dinh tợng sự phát triển mạnh mẽ gây mất cân bằng của các loài thực vật nổi. Kết quả mô phỏng sự trao đổi Photpho theo mô hình Jorgensen ở hồ Tây cho thấy hồ đang ở trong tình trạng giàu dinh dỡng, do vậy hiện tợng phú dỡng xảy ra là điều không thể tránh khỏi, nếu không có biện pháp can thiệp kịp thời thì hậu quả của nó sẽ làm suy giảm vai trò, chức năng của hồ, thậm chí có thể dẫn đến con đờng suy vong, đó quả thật là một thảm kịch mà chúng ta không hề mong muốn nhng có thể sẽ xảy ra. Tài liệu tham khảo ồ Thanh Hải, Nguyễn Khắc Đỗ. Các nguồn dinh dỡng ngoại lai từ vùng lu vực đến hồ Tây. Tuyển tập các công trình nghiên cứu Sinh thái và Tài nguyên Sinh vật. Nhà xuất bản Nông nghiệp Hà Nội, 2001. [2]. Lu Lan Hơng, Ngô Quang Dự, Trơng Tuấn Anh. Đánh giá sự phú dỡng hồ Tây, Hà Nội bằng mô hình toán tính tải lợng và hàm lợng Phốt pho. Tuyển tập công trình "Những vấn đề nghiên cứu cơ bản trong khoa học sự sống 2005. NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2005. [3]. Nguyễn Xuân Nguyên, T [4]. Nguyễn Đức T [5]. Hong Dơng Tùng. Sử dụng công cụ toán học đánh giá khả năng chịu tải ô nhiễm của Hồ Tây để xây dựng kế hoạch bảo vệ và phát triển Hồ Tây trong tơng lai. Luận án Tiến sĩ kỹ thuật, trờng Đại học Bách khoa Hà Nội, 2004. [6]. Phạm Hùng Việt, Ngô Quang Dự. Mô hình toá o toàn quốc về Môi trờng và Phát triển bền vững. NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2004. [7]. Steven C. Chapra. Surface Water-Quality Modeling. The McGraw-Hill Companies, Inc, 1997. [8]. Jorgensen. S.E. Application of Ecological Modelling in Evironment Management, part A. Elsevier Scientific Publishing Company, Amsterdam, 1983 Ă . đ ánh giá và dự báo chất lợng nớc hồ tây bằng mô hình toán học Ngô Quang Dự Bộ môn Kỹ thuật môi trờng Trờng Đại Giao thông Vận tải Tóm tắt:. (hình 2), kết quả đợc trình bày trong hình 3 và 4 với giá trị thông số cha hiệu chỉnh và sau khi hiệu chỉnh. Hình 2. Cấu trúc mô hình trao đổi Photpho ở Hồ Tây theo Jorgensen (mô phỏng bằng. Đức Hạ. Chất lợng nớc sông hồ và bảo vệ môi trờng nớc. NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2004. on. Thiết lập mô hình kiểm soát chất lợng nớc hệ thống hồ đô thị thuộc đồng bằng sông Hồng. Luận