ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
PHẠM SÓNG BIỂN
ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE 11 TRONG QUẢN LÝ

NƯỚC SÔNG NHUỆ, ĐOẠN CHẢY QUA ĐỊA PHẬN

THÀNH PHỐ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội - Năm 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

biệt các thầy cô trong bộ môn Công nghệ Môi Trường đã dạy dỗ và truyền đạt cho em
những kiến thức chuyên nghành hữu ích trong suốt quá trình học tập tại Trường Đại
Học Khoa Học Tự Nhiên, Đại Học Quốc Gia Hà Nội.
Em cũng xin giử lời cảm ơn tới các chuyên viên phòng Nghiên cứu Dự Báo Môi
Trường-Trung tâm Nghiên cứu Môi trường-Viện Khoa Học Khí Tượng Thủy Văn Và
Biến đổi khí hậu đã tận tình giúp đỡ em trong quá trình thu thập số liệu đo đạc, tài liệu
và cài đặt chạy mô hình MIKE 11.
Em xin dành lời cảm ơn tới bố mẹ, những người thân trong gia đình và bạn bè
đã động viên tạo điều kiện tốt nhất để em hoàn thành luận văn thạc sĩ.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, Ngày 15 tháng 1 năm 2015 Phạm Sóng Biển
ii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC HÌNH iv

DANH MỤC BẢNG v


Khái quát về điều kiện tự nhiên, kinh tế-xã hội lưu vực sông Nhuệ 12

1.2.2.

Những nghiên cứu chất lượng nước trên lưu vực nghiên cứu 23

1.2.3.

Tổng quan tình hình sử dụng các mô hình trong tính toán chất lượng
nước 24

1.2.4.

Những nghiên cứu chất lượng nước sử dụng mô hình MIKE 11 29

Chương 2 -

MỤC TIÊU – NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 32

2.1.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 32

2.2.

Mục tiêu nghiên cứu 32

2.3.



Phân đoạn sông Nhuệ chảy qua thành phố Hà Nội 38

40

40

3.1.2.

Mô phỏng, kiểm định chất lượng nước sông Nhuệ 40

3.2.

Dự báo diễn biến chất lượng nước sông Nhuệ đoạn chảy qua thành phố Hà Nội
đến năm 2015 và năm 2020 47

3.2.1.

Cơ sở dự báo nguồn thải 48

3.2.2.

Kết quả dự báo 58

3.3.

Đề xuất giải pháp cải thiện chất lượng nước sông Nhuệ 62

KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ 67



Hình 7. Sơ đồ mạng lưới thủy lực 42

Hình 8. Mô phỏng, kiểm định nồng độ DO với số liệu thực đo sông Nhuệ, tháng
3/2008 44

Hình 9. Mô phỏng, kiểm định nồng độ BOD với số liệu thực đo sông Nhuệ, tháng
3/2008 45

Hình 10. Mô phỏng, kiểm định nồng độ T-N với số liệu thực đo sông Nhuệ, tháng
3/2008 45

Hình 11. Dự báo nồng độ BOD năm 2015 59

Hình 12. Dự báo nồng độ DO năm 2015 59

Hình 13. Dự báo nồng độ N năm 2015 60
Hình 14. Dự báo nồng độ BOD năm 2020 61

Hình 15. Dự báo nồng độ DO năm 2020 61

Hình 16. Dự báo nồng độ N tổng năm 2020 62

Bảng 14. Dự cáo các nguồn thải vào sông Nhuệ năm 2020 57

Bảng 15. Bảng số liệu lưu lượng mực nước 71

Bảng 16. Giá trị nguồn thả theo đoạn sông 88

Bảng 17. Dự báo các nguồn thải vào sông Nhuệ vào năm 2015 90

Bảng 18. Dự cáo các nguồn thải vào sông Nhuệ năm 2020 91

Bảng 19. Dự báo lưu lượng nước thải sinh hoạt của thành phố Hà Nội theo thời gian . 92

Bảng 20. Tải lượng ô nhiễm nước thải sinh hoạt tính cho một người trong ngày đêm . 93

Bảng 21. Danh sách các khu công nghiệp đổ vào sông Nhuệ năm 2010 93

Bảng 22. Giá trị quan trắc nước mặt sông Nhuệ t3 năm 2008 94
vi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

con sông như vậy. Theo số liệu quan trắc trong nhiều năm gần đây, chất lượng nước
sông Nhuệ ngày càng xuống cấp nghiêm trọng tại nhiều điểm quan trắc, nồng độ oxy
hòa tan khá thấp không đạt quy chuẩn B1, nồng độ COD và BOD
5
vượt tiêu chuẩn tới
37,1 và 54,1 lần, các hợp chất chứa Nitơ (NH
4
+
, NO
2
-
, NO
3
-
) khá cao đều vượt quy
chuẩn chất lượng nước mặt QCVN 08/2008 BTNMT với mục đích sử dụng cho tưới
tiêu B1. Xuất phát từ thực tế trên đã đặt ra nhu cầu cấp thiết cần những nghiên cứu dự
báo chất lượng nước là cơ sở phục vụ công tác quản lý môi trường tổng thể, giúp cân
bằng giữa quá trình phát triển kinh tế xã hội và môi trường nước sông.
Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ và tin học ngày càng nhiều ứng
dụng mô hình được sử dụng trong nghiên cứu mô phỏng, dự báo chất lượng nước. Một
ưu điểm không thể phủ nhận của việc sử dụng mô hình một cách phù hợp là tiết kiệm
kinh phí, hiệu quả cao, chính xác nhất là các nghiên cứu trong một khu vực rộng lớn
như lưu vực sông.
Mô hình MIKE 11 với rất nhiều ưu điểm như: là một bộ phần mềm tích hợp đa
tính năng, đã được kiểm nghiệm thực tế, cho phép tính toán thủy lực và chất lượng
nước với độ chính xác cao, giao diện thân thiện, dễ sử dụng, có ứng dụng kỹ thuật GIS,
có một kỹ thuật mới với độ chính xác cao, đang ngày càng trở nên hiệu quả trong
nghiên cứu dự báo.Vì vậy đề tài “ Ứng dụng mô hình MIKE 11 trong quản lý nước
sông Nhuệ, đoạn chảy qua địa phận thành phố Hà Nội”, là cấp thiết.

các phương trình tổng hợp theo phương dòng chảy để đảm bảo tính liên tục và bảo toàn
của động lượng (hệ phương trình Saint Venant).
Đặc trưng cơ bản của hệ thống mô hình MIKE11 là cấu trúc mô đun tổng hợp
với nhiều loại mô đun được thêm vào để mô phỏng các hiện tượng liên quan đến hệ
thống sông. Ngoài các mô đun thủy lực MIKE 11 còn có các mô đun bổ sung đối với
- Thủy văn
- Tải-khuyếch tán
-Các mô hình chất lượng nước
-Vận chuyển bùn cát dính
-Vận chuyển bùn cát không dính
a.Hệ phương trình Saint Venant
Phương trình cơ bản của mô hình để tính toán cho trường hợp dòng không ổn
định là hệ phương trình bao gồm phương trình liên tục và phương trình động lượng (hệ
phương trình Saint Venant) với các giả thiết :
-Dòng chảy là dòng một chiều, độ sâu và vận tốc chỉ thay đổi theo chiều dọc của
lòng dẫn.
-Dòng chảy thay đổi từ từ dọc theo lòng dẫn để áp suất thủy tĩnh chiếm ưu thế,
gia tốc theo chiều thẳng đứng được bỏ qua.
-Trục của lòng dẫn được coi như một lòng thẳng.
-Độ dốc đáy lòng dẫn nhỏ và đáy lòng dẫn cố định, bỏ qua hiện tượng xói và
bồi.
-Có thể áp dụng hệ số sức cản của dòng chảy rối đều, ổn định cho dòng không
ổn định để mô tả các tác động của lực cản.
4
-Chất lỏng không nén được và có khối lượng không đổi trong toàn dòng chảy.
Phương trình liên tục


+


)
q: Lưu lượng nhập lưu trên một đơn vị chiều dài dọc sông (m
2
/s)
C: Hệ số Chezy
α : Hệ số sửa chữa động lượng
R : Bán kính thủy lực (m)
b.Phương pháp giải hệ phương trình Saint Venant
Hệ phương trình Saint Venant là một hệ gồm hai phương trình vi phân đạo hàm
riêng phi tuyến tính bậc nhất. Trong trường hợp tổng quát hệ phương trình dạng này
không giải được bằng phương pháp giải tích mà phải giải bằng phương pháp gần đúng
(phương pháp số hóa). MIKE 11 cũng dùng phương pháp này để giải hệ phương trình
Saint Venant với lược đồ sai phân hữu hạn 6 điểm bằng sơ đồ ẩn Abbott-Inoescu.

5

Hình 1. Sơ đồ hữu hạn sai phân 6 điểm ẩn Abbott Hình 2. Sơ đồ sai phân 6 điểm ẩn Abbott trong mặt phẳng x-t

Trong phương trình liên tục, ta có
=>
Sai phân hóa phương trình trên tại các bước thời gian thứ (n +1/2), ta thu được
các phương trình sai phân A h
b
t t

h h
h
t t




 
6
Với b trong phương trình được tính theo công thức :

trong đó:
A
oj
: Diện tích mặt phân cách giữa 2 điểm lưới j-1 và điểm lưới j
A
o+1
: Diện tích mặt phân cách giữa 2 điểm lưới j và điểm lưới j+1
Δ2x
j
: Khoảng cách giữa hai điểm lưới j-1và j+1
Thế vào các phương trình sai phân, rút gọn các hệ số sẽ thu được phương trình:

Với phương trình động lượng, sai phân hoá phương trình với α, β, γ là hàm của
b và δ, ngoài ra nó còn phụ thuộc vào giá trị Q và h tại bước thời gian n và giá trị Q tại
bước thời gian n+1/2.
Với phương trình động lượng, sai phân hoá phương trình

  
1
n n
j j
Q Q
Q
t t




 
1/ 2 1/ 2
2 2
2
1 1
2
n n
j j
j
Q Q
Q
A A
A
x x
 

 
 
   

Thế vào các phương trình sai phân và rút gọn các hệ số, thu được phương trình
động lượng viết dưới dạng

trong đó

Từ đó, khi viết các phương trình này với đầy đủ các bước thời gian sẽ thu được
một ma trận tính toán. Để tìm nghiệm của bài toán phải sử dụng công cụ toán học để
giải các ma trận này.
Tính ổn định của phương pháp sai phân hữu hạn để giải hệ phương trình Saint
Venant được bảo đảm khi các điều kiện sau được thoả mãn:
Số liệu địa hình phải tốt, giá trị cho phép tối đa với ∆x (dx-max) được lựa chọn
trên cơ sở này.
Bước thời gian ∆t cần thiết đủ nhỏ để điều kiện ổn định Courant được thoả mãn.
Tuy nhiên, khi giải hệ phương trình Saint Venant với sơ đồ ẩn thì điều kiện ổn định
Courant không nhất thiết phải thoả mãn[2].
1.1.2. Mô đun truyền tải-khuyếch tán(AD)
Mô đun truyền tải-khuyếch tán (AD) được dùng để mô phỏng vận chuyển một
chiều của chất huyền phù hoặc hòa tan (phân hủy) trong các lòng dẫn hở dựa trên
1 1 1
1 1
n n n
j j j j j j j
h Q h
   
  
 
  



+


-


(AD


) = -AKC + C
2
q
Trong đó:
A: Diện tích mặt cắt (m
2
)
C: Nồng độ (kg/m
3
)
D: Hệ số khuyếch tán
q: Lưu lượng nhập lưu trên 1 đơn vị chiều dài dọc sông (m
2
/s)
K: Hệ số phân hủy sinh học, K chỉ được dùng khi các hiện tượng hay quá trình
xem xét có liên quan đến các phản ứng sinh hóa.
C
2
: Nồng độ nguồn thải (kg/m

Trong đó a, b là hằng số do người dùng xác định
Phương pháp giải phương trình truyền tải-khuyếch tán
Phương trình truyền chất thường được giải theo phương pháp số với sơ đồ sai
phân ẩn trung tâm. Sơ đồ sai phân hữu hạn này được xây dựng bằng cách xem xét
lượng dòng chảy vào một thể tích kiểm tra xung quanh nút điểm j. Các giới hạn biên
của thể tích kiểm tra này là đáy sông, bề mặt nước và hai mặt cắt tại hai điểm j-1/2 và
j+1/2.

Hình 3. Sơ đồ sai phân
Phương trình liên tục

Trong đó:
1/ 2 1 1/ 2
1/ 2 1/2 1/ 2 1/ 2 1/2
1/ 2 1/2
n n n n
j j j j
n n n n n n
j j q j j
V C V C
T T q C V KC
t t
  
    
 
    
 
10
C: Nồng độ (mg/l)
V: Thể tích (m3)

T Q C A D
x
 

  
   

 

1 / 2
1 / 2
n
j
Q


1 / 2
1 / 2
n
j
A D


*
1 / 2
j
C

*
1 / 2

 
  
11
này người ta cũng sử dụng các phương pháp toán học như trên. Bằng sự trợ giúp của
máy tính, việc giải các phương trình và ma trận trở nên nhanh hơn rất nhiều[2].
1.1.3. Mô đun sinh thái (Ecolab)
Mô đun sinh thái (Ecolab) trong mô hình MIKE 11 giải quyết khía cạnh chất
lượng nước trong sông tại những vùng bị ảnh hưởng bởi các hoạt động dân sinh kinh
tế.v.v. Mô đun này phải được đi kèm với mô đun tải - khuyếch tán (AD), điều này có
nghĩa là mô đun chất lượng nước giải quyết các quá trình biến đổi sinh học của các hợp
chất trong sông còn mô đun tải - khuyếch tán (AD) được dùng để mô phỏng quá trình
truyền tải - khuyếch tán của các hợp chất đó[4].
Nước là môi trường sống và phát triển của rất nhiều loài động thực vật thủy sinh
cũng như các vi sinh vật sống trong nước. Chúng luôn luôn có sự tương tác qua lại với
môi trường. Do đó trong môi trường nước xảy ra rất nhiều các quá trình trao đổi phức
tạp như sự hô hấp và phân hủy của các loại động thực vật, quá trình hấp thụ nhiệt.v.v.
Các quá trình này đều được mô hình hoá và đưa vào mô đun chất lượng nước. Có thể
tác động vào các quá trình này thông qua các hệ số hiển thị trong trình duyệt của mô
đun chất lượng nước có trong mô hình.
Mô đun sinh thái tính toán tới 13 thông số chất lượng nước với 6 cấp độ khác
nhau, mô phỏng và biểu diễn những quá trình chuyển hóa giữa các hợp phần có liên
quan tới các quá trình. Cụ thể như sau:
Tính toán lượng oxy hoà tan trong nước (Dissolved Oxygen – DO): bao gồm các quá
trình tương tác với ôxy khí quyển trên bề mặt, quá trình hô hấp và quang hợp của sinh
vật dưới nước, tiêu thụ ôxy trong quá trình chuyển hoá ammonia thành nitrate, nhu cầu
ôxy đáy;
Tính toán nhu cầu ôxy sinh hoá (Biological Oxygen Demand – BOD): có thể
tính toán được các hợp phần BOD riêng rẽ, đó là BOD lơ lửng, BOD dạng hòa tan
trong nước và BOD trong lớp bùn đáy. Mô hình còn cho phép tính toán các quá trình
12

0
30' kinh độ Đông, với tổng diện tích tự nhiên là
7665 km
2
, bao gồm một phần thủ đô Hà Nội, Hoà Bình, Hà Nam, Nam Định, Ninh
Bình. Giới hạn của lưu vực như sau:
13
- Phía Bắc và Đông Bắc được bao bởi đê sông Hồng từ ngã ba Trung Hà tới cửa
Ba Lạt với tổng chiều dài khoảng 242 km.
- Phía Tây Bắc giáp sông Đà từ Ngòi Lát tới Trung Hà với chiều dài khoảng 33
km.
- Phía Tây và Tây Nam là đường phân lưu giữa lưu vực sông Hồng và lưu vực
sông Mã bởi dãy núi Ba Vì, Cúc Phương – Tam Điệp, kết thúc tại núi Mai An Tiêm
(nơi có sông Tống gặp sông Cầu Hội) và tiếp theo là sông Càn dài 10 km rồi đổ ra biển
tại cửa Càn.
- Phía Đông và Đông Nam là biển Đông có chiều dài khoảng 95 km từ cửa Ba
Lạt tới cửa Càn.
- Sông bắt nguồn từ cống Liên Mạc (21
0
05’27” vĩ độ Bắc, 105
0
46’12” kinh độ
Đông) lấy nước từ sông Hồng trong địa phận huyện Từ Liêm (thành phố Hà Nội) và
điểm kết thúc là cống Phủ Lý khi hợp lưu với sông Đáy gần thành phố Phủ Lý
(20
0
32’42” vĩ độ Bắc, 105
0
54’32” kinh độ Đông).
- Lưu vực sông Nhuệ dài 74 km tính từ nguồn là cống Liên Mạc về đến cống

trầm tích lục nguyên, cacbonat; chỉ một vài khối núi có độ cao trên 1000m được cấu
tạo bởi đá trầm tích phun trào như khối núi Ba Vì có đỉnh cao 1296m, khối núi Viên
Nam có đỉnh cao 1031m và cấu tạo bởi đá xâm nhập granit như khối núi Đồi Thơi
(Kim Bôi - Hoà Bình) có đỉnh cao 1198m. Địa hình núi trong khu vực cũng có sự phân
dị và mang những đặc trưng hình thái khác nhau.Địa hình đồi được tách ra với địa hình
núi và đồng bằng bởi độ chênh cao <100m, độ phân cắt sâu từ 15 - 100m. Trong phạm
vi lưu vực sông Đáy - Nhuệ, địa hình đồi chỉ chiếm khoảng 10% diện tích có độ cao
phần lớn dưới 200m, phân bố chuyển tiếp từ vùng núi xuồng đồng bằng. Theo đặc
điểm hình thái, có thể chia thành 2 khu vực: Vùng đồi phía Bắc và vùng đồi phía Nam.
Vùng đồng bằng
Diện tích vùng đồng bằng chiếm khoảng 60% lãnh thổ, địa hình khá bằng phẳng
có độ cao <20m và thấp dần từ Tây sang Đông, từ Tây Bắc xuống Đông Nam. Bề mặt
đồng bằng lại bị chia cắt bởi hệ thống sông và kênh mương chằng chịt. Có thể chia
đồng bằng thành 4 khu vực có đặc điểm khác nhau: Vùng đồng bằng phía Bắc, Vùng
đồng bằng trung tâm, Vùng đồng bằng phía Nam, Vùng đồng bằng thung lũng.
Bề mặt lưu vực có hướng dốc thay đổi, đầu nguồn hệ thống sông hướng Bắc - Nam;
trung và hạ nguồn hướng Tây Bắc - Đông Nam.Thượng lưu hệ thống sông uốn khúc,
quanh co, hẹp và dốc, nhiều thác ghềnh, nước chảy xiết, là nguy cơ tạo nên các hiện
15
tượng xói lở, lũ quét Trung lưu và hạ lưu lòng sông được mở rộng, dòng sông chảy
chậm, khả năng thoát nước kém dẫn đến tình trạng ngập lũ mỗi khi xuất hiện mưa lớn.
-Địa hình khu vực nghiên cứu chủ yếu là vùng đồng bằng nhờ phù sa bồi đắp (chiếm
4/5 diện tích tự nhiên toàn khu vực), độ cao địa hình giảm dần theo hướng từ Bắc
xuống Nam, từ Tây sang Đông với độ cao trung bình từ +5 đến +20m so với mực nước
biển. Phía Tây Bắc là vùng núi Ba Vì là thượng nguồn của sông Tích (một nhánh của
sông Đáy), phía Đông là khu vực nội thành thành phố Hà Nội, với mật độ dân cư và
các công trình dày đặc, cũng là khu vực thường xuyên xảy ra ngập lụt khi mưa lớn.
Phía Tây Nam là khu vực các huyện Ứng Hòa, Phú Xuyên, Thường Tín đây là vùng
trũng nhất.Ngoài địa hình đồng bằng thì khu vực nghiên cứu cũng có một dạng địa
hình là địa hình đồi núi. Phần diện tích đồi núi phần lớn thuộc các huyện Ba Vì, Quốc

cực tiểu thường xảy ra vào tháng II (5,2 kcal/cm
2
/tháng).
Số giờ nắng hàng năm dao động trong khoảng từ 1300 đến 1700 giờ. Theo tài
liệu thống kê số liệu từ năm 2005 – 2009, tại hai trạm Láng thuộc nội thành và Sơn Tây
của cục thống kê thành phố Hà Nội trong niên giám thống kê Hà Nội năm 2009 cho
thấy: trung bình một năm tại trạm Láng có số giờ nắng 1338,6 giờ và tại trạm 14
Sơn Tây là 1341,9 giờ. Nhiều nhất là vào các tháng mùa hè đặc biệt là tháng VII tháng
có nhiệt độ cao nhất trong năm trung bình 165,4 giờ đối với Láng và 175,6 giờ đối với
Sơn Tây. Còn vào các tháng mùa đông (II - III) có nhiều ngày âm u mưa phùn nên số
giờ nắng trung bình một năm là ít khoảng 42,7 giờ đối với Láng; 40,9 giờ đối với Sơn
Tây.
Nhiệt độ
Nhiệt độ không khí cao nhất tuyệt đối tới 42,8°C, thấp nhất tuyệt đối chỉ 2,7°C,
trung bình năm dao động trong khoảng 23 - 24°C với cơ chế hoàn lưu gió đã tạo ra sự
phân hóa rõ rệt theo hai mùa:
- Mùa nóng từ tháng V-X, có nhiệt độ trung bình tháng từ 24,0°C đến 29,3°C.
Tháng có nhiệt độ trung bình cao nhất là tháng VII.
- Mùa lạnh từ tháng XI-IV, có nhiệt độ trung bình tháng từ 16,6°C đến 21,6°C