37
TẠP CHÍ KHOA HỌC, ðại học Huế, Số 65, 2011

ÁP DỤNG MÔ HÌNH QUAL2K
ðÁNH GIÁ DIỄN BIẾN CHẤT LƯỢNG NƯỚC DÒNG CHÍNH SÔNG HƯƠNG
Nguyễn Bắc Giang
Trường ðại học Khoa học, ðại học Huế
TÓM TẮT
Bài báo giới thiệu mô hình một chiều (Qual2K) tính toán lan truyền chất trong sông và
ứng dụng ñể nghiên cứu mô phỏng diễn biến chất lượng nước (CLN) cho Sông Hương. Bài báo
cũng trình bày các bước cơ bản ứng dụng mô hình cho một ñối tượng cụ thể. Ngoài ra, ñã tiến
hành kiểm ñịnh mô hình với giá trị sai số nhỏ hơn 30%. Từ kết quả này ñã tiến hành dự báo sự
thay ñổi chất lượng nước theo thời gian vào năm 2010 và 2020.
Từ khóa: Qual2K, sông Hương.

1. Mở ñầu
Gần ñây việc ứng dụng mô hình ñể mô phỏng chất lượng nước (CLN) ñã trở nên
phổ biến ở nhiều quốc gia trên thế giới. Các mô hình CLN ñược xem là một trong
những công cụ hỗ trợ ñắc lực cho công tác quản lý CLN, giúp ñánh giá và dự báo về sự
biến ñổi CLN trong tương lai.
Trong số các mô hình CLN ñang ñược áp dụng, Qual2K là mô hình CLN sông
tổng hợp, ñơn giản và miễn phí ñược áp dụng phổ biến nhiều nơi trên thế giới. Mô hình
Qual2K ñã ñược áp dụng trong mô phỏng DO của sông Blackstone (Mỹ); ñánh giá CLN
chảy qua ñập Gavins Point trên sông Missouri (Mỹ); tính toán tác ñộng của nước thải
công nghiệp và ñô thị ñến DO sông Sava (Slovenia); ñánh giá CLN sông Sungai
Selangor (Malaysia)[6].
Hiện nay, các số liệu quan trắc CLN sông Hương khá ñồng bộ và ñầy ñủ, tuy
nhiên việc tổng hợp các số liệu này và sử dụng các mô hình ñể mô phỏng và dự báo xu
thế biến ñổi CLN phục vụ cho mục ñích quản lý CLN sông Hương vẫn chưa ñược quan

dx
x
x
C
DA
t
M
x
x
x
+×+
∂
××∂
−
∂
∂
∂
×∂
=
∂
∂
).(.
)(
)(
1
(1.1)
(I) (II) (III) (IV) (V)
Trong ñó, M: khối lượng chất t: thời gian
x: khoảng cách C: nồng ñộ chất
A


Nguồn thải
phân tán
Dòng ra

Các ñoạn
19

18

17

16

19

18

17

16

1

5

4

3


26

21

29

12

15

14

13

12

15

14

13

8

7

6

8


nước 3

Ngu
ồn
nước 4

Dòng
chính
Nguồn

nước 1
39
ñoạn sông. Mỗi ñoạn sông lại ñược chia thành 7 phần tử tính toán như: phần tử thượng
nguồn; phần tử chuẩn; phần tử cận nối tiếp; phần tử nối tiếp; phần tử cuối cùng; phần tử
nước ñi vào; phần tử nước ñi ra,… Trong mỗi ñoạn sông sẽ chứa ñựng các dữ liệu liên
quan ñến mô hình như: thủy lực, hằng số tốc ñộ phản ứng,…
Các công thức, phương trình, mô hình cơ bản ñược sử dụng ñể tính toán trong
mô hình Qual2K như: phương trình cân bằng lưu lượng; phương trình Manning; thời
gian di chuyển; mô hình nhiệt ñộ; mô hình thành phần (Thực vật phù du; CBOD dễ
phân hủy – BOD
5
; Các hợp chất nitơ; Các hợp chất photpho; ôxy hòa tan).
Sau khi nhập các số liệu ở các Worksheet, bao gồm dữ liệu ñầu vào (CLN, lưu
lượng nước, hệ số nhám, nhiệt ñộ, các nguồn thải, thủy lực, ), Qual2K sẽ tính toán trên
nền của MS Excel và cho kết quả tính toán, mô phỏng ở các Worksheet dưới dạng biểu
ñồ hoặc dữ liệu.
2.3. Phạm vi ứng dụng của mô hình Qual2K


(5)(6)(7)(8)

(9)

(10)
(11)
(3)

(12)
(13)

(14)

(15)

(16)(17)


20,26 (13) MG
22,12 (14)
24,76 (15)
26,29 (16)
Ngã Ba Sình 28,58 (17) MI
Ghi chú :(*) các ñiểm quan trắc CLN sông Hương thực tế.
3.2.2. Kiểm ñịnh và hiệu chỉnh mô hình
Các nhóm số liệu ñầu vào dùng ñể hiệu chỉnh, kiểm nghiệm mô hình bao gồm:
- Lưu lượng dòng chảy: sử dụng lưu lượng nước tự nhiên của sông Hương (chưa
có sự ñiều tiết của 2 hồ chứa). 41
- Các thông số thủy lực: vận tốc dòng chảy, diện tích mặt cắt ngang, ñộ dốc, ñộ
sâu dòng chảy,
- Các hệ số tốc ñộ thông khí, hằng số tốc ñộ phân hủy các chất hữu cơ; tốc ñộ
chuyển hóa nitơ và photpho,
- Các thông số CLN các tháng mùa khô (tháng 5), mùa mưa (tháng 11) của năm
2003 và năm 2007.
- Các thông số về nguồn thải: nồng ñộ, tải lượng và tính toán lưu lượng của các
nguồn thải sinh hoạt, ñô thị và công nghiệp,
3.2.3.Mô phỏng chất lượng nước vào các năm 2010 và 2020
Các trường hợp mô phỏng:
- Năm 2010: chỉ có hồ Bình ðiền tham gia ñiều tiết dòng chảy.
- Năm 2020: cả hai hồ chứa Bình ðiền và hồ Tả Trạch cùng ñiều tiết dòng chảy.
Các số liệu ñầu vào:
- Số liệu thủy văn: ñến năm 2010 có tính ñến sự ñiều tiết cùa hồ Bình ðiền và
năm 2020 có sự ñiều tiết của hồ Tả Trạch.
- Số liệu CLN: sử dụng kết quả quan trắc CLN từ năm 2003 ∼ 2007 [5, 6].
- Số liệu các nguồn thải: sử dụng các số liệu thống kê các nguồn thải ñiểm và

BOD (Mô phỏng)
DO (Mô phỏng)
DO(Thực ño)
BOD (Thực ño)

0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 10 20 30 40
Khoang cach
NH4 (Mô phỏng)
NO3 (Mô phỏng)
PO4 (Mô phỏng)
NH4 (Thực ño)
NO3 (Thực ño)
PO4 (Thực ño)
(
µ
µ
µ
µ
g/L)


100
120
140
0 10 20 30 40
Khoang cach
(
µ
µ
µ
µ
g/L)
NH4 (Mô phỏng)
NO3 (Mô phỏng)
PO4 (Mô phỏng)
NH4 (Thực ño)
NO3 (Thực ño)
PO4 (Thực ño)

Hình 4. Phân bố nồng ñộ DO, BOD, NH
4
-N, NO
3
-N và PO
4
-P giữa giá trị thực ño và mô phỏng
cho mùa mưa năm 2003
0
1
2
3

NH4 (Thực ño)
NO3 (Thực ño)
PO4 (Thực ño)

Hình 5. Phân bố nồng ñộ DO, BOD, NH
4
-N, NO
3
-N và PO
4
-P giữa giá trị thực ño và mô phỏng
cho mùa khô năm 2007
Kho
ảng cách
Kho
ảng cách
Kho
ảng cách
Kho
ảng cách
Kho
ảng cách
Kho
ảng cách 43
0
1
2

NH4 (Mô phỏng)
NO3 (Mô phỏng)
PO4 (Mô phỏng)
NH4 (Thực ño)
NO3 (Thực ño)
PO4 (Thực ño)

Hình 6. Phân bố nồng ñộ DO, BOD, NH
4
-N, NO
3
-N và PO
4
-P giữa giá trị thực ño và mô phỏng
cho mùa mưa năm 2007
Sau khi áp dụng phương pháp thử sai, sai số giữa giá trị thực ño và kết quả mô
phỏng là ± 30%, ñây là mức sai số có thể chấp nhận ñược. ðiều này cho thấy, các hệ số
và thông số ñầu vào mô hình phù hợp với ñiều kiện thực tế của dòng chảy sông Hương.
Ngoài ra, các kết quả tính toán cho thấy, tất cả các ñường phân bố các thông số: BOD,
DO, NO
3
-N, NH
4
-N, PO
4
-P theo khoảng cách ñều phản ánh ñúng giữa kết quả thực ño
và kết quả tính toán.
4.2. Kết quả mô phỏng chất lượng nước vào các năm 2010 và 2020
4.2.1.Các kết quả ñầu ra của mô hình
Các thông số chất lượng nước bao gồm DO, BOD, NH

(a)
(b)
Hình 9 (a, b). Kết quả mô phỏng DO và BOD mùa mưa năm 2010
(a)
(b) 46
(c)
Hình 10 (a, b, c). Kết quả mô phỏng NH
4
-N, NO
3
-N và PO
4
-P mùa mưa năm 2010
(a)
(b)
Hình 11 (a, b). Kết quả mô phỏng DO và BOD mùa khô năm 2020 47
(a)
(b)
(c)
Hình 12 (a, b, c). Kết quả mô phỏng NH
4
-N, NO
3
-N và PO

3
-N và PO
4
-P ở một số ñiểm ñã vượt quy chuẩn loại
A, còn lại vẫn nằm trong giới hạn cho phép.
Nhìn chung, CLN sông Hương vào các thời ñiểm 2010 và 2020 sẽ bị suy giảm
theo thời gian. Qua kết quả mô phỏng CLN cho các năm 2010 và 2020 cho thấy tất cả
các ñường phân bố các chất ô nhiễm ñều phù hợp với thực tế. Chứng tỏ các hệ số ñã
ñược tính toán xác ñịnh phù hợp với ñiều kiện của sông Hương và có thể sử dụng các hệ
số này ñể dự báo diễn biến CLN cho các năm sau.
4.3. ðánh giá tổng hợp diễn biến CLN
Diễn biến CLN sông Hương sau khi mô phỏng ñược trình bày lần lượt ở các
hình từ 15 ñến 18.
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
9.00
MC
(Ngã Ba
Tuần)
MD ME MF MG MH
(Ngã Ba
Sình)
Vị trí

Hình 15. Diễn biến DO và BOD mùa khô qua các năm
0.00
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00
120.00
140.00
MC
(Ngã Ba
Tuần)
MD ME MF MG MH
(Ngã Ba
Sình)
Vị trí
N H4+ (ug/l)
Năm 2003
Năm 2007
Năm 2010
Năm 2020

0.00
2000.00
4000.00
6000.00
8000.00
10000.00
12000.00
14000.00

7.00
8.00
9.00
MC
(Ngã Ba
Tuần)
MD ME MF MG MH
(Ngã Ba
Sình)
Vị trí
DO (Mg/L)
Năm 2003
Năm 2007
Năm 2010
Năm 2020

0.00
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00
120.00
140.00
160.00
180.00
200.00
MC
(Ngã Ba
Tuần)

Năm 2003
Năm 2007
Năm 2010
Năm 2020

0.00
2000.00
4000.00
6000.00
8000.00
10000.00
12000.00
14000.00
16000.00
18000.00
MC
(Ngã Ba
Tuần)
MD ME MF MG MH
(Ngã Ba
Sình)
Vị trí
NO3- (ug/L)
Năm 2003
Năm 2007
Năm 2010
Năm 2020

Hình 18. Diễn biến NH
4

-N và PO
4
-P vượt quy chuẩn cho phép 1 lần. 51
Từ các kết quả mô phỏng qua các năm 2003, 2007, 2010, 2020, cho phép nhận
ñịnh như sau:
+ CLN sông Hương có xu hướng giảm dần theo thời gian, cụ thể là nồng ñộ các
thông số BOD, NH
4
-N, NO
3
-N và PO
4
-P tăng dần (ngoại trừ DO giảm)
+ CLN sông Hương giảm khi chảy ngang khu vực thành phố Huế (nhất là ñoạn
từ Kim Long ñến ðông Ba).
Kết quả chạy mô hình về sự phân bố nồng ñộ các chất hữu cơ và các chất dinh
dưỡng với các mốc thời gian khác nhau cho kết quả phù hợp với quy luật phân bố,
chuyển hóa các chất trong dòng chảy sông Hương.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Economopoulos, A.P. Assessment of Sources of Air, Water, and Land pollution, A guide
to Rapid Source Inventory Techniques and their use in Formulating Environmental
Control Strategies, Part 1: Rapid Inventory Techniques in Environmental Pollution,
WHO, 1993.
[2]. Ban Quản lý Dự án Sông Hương, Báo cáo kết quả ñề tài - Khảo sát tình hình hiện
trạng các cống thải hai bờ sông Hương ñoạn qua trung tâm thành phố Huế, Huế, 2007.
[3]. Trung tâm tư vấn và phát triển Khoa học & Công nghệ Thừa Thiên Huế, Báo cáo kết