BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA DỰ ĐOÁN
DIỄN BIẾN CHẤT LƯỢNG NƯỚC SÔNG CẦU ĐOẠN
CHẢY QUA TỈNH THÁI NGUYÊN VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI
PHÁP QUẢN LÝ PHÙ HỢP
CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

NGUYỄN TƯỜNG KHƯƠNG DUY

HÀ NỘI, NĂM 2018


BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA DỰ ĐOÁN
DIỄN BIẾN CHẤT LƯỢNG NƯỚC SÔNG CẦU ĐOẠN
CHẢY QUA TỈNH THÁI NGUYÊN VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI
PHÁP QUẢN LÝ PHÙ HỢP
NGUYỄN TƯỜNG KHƯƠNG DUY
CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG
MÃ SỐ: 60440301
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1
PGS.TS. HOÀNG ANH HUY
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 2
TS. PHẠM THỊ MAI THẢO


giải quyết các vấn đề nghiên cứu và ủng hộ, động viên, hỗ trợ để em có thể
hoàn thành luận văn của mình.
Em xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Trung tâm Quan trắc môi trường Tổng cục Môi trường đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong quá trình học
tập và công tác. Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới toàn thể bạn bè đồng
nghiệp tại phòng Hệ thống Quan trắc môi trường, phòng Hệ thống thông tin
báo cáo môi trường và Phòng Thí nghiệm môi trường đã động viên, giúp đỡ
em trong quá trình thực hiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn chính quyền địa phương, lãnh đạo các công ty, xí
nghiệp, các phòng ban chuyên môn trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên đã
nhiệt tình cộng tác và giúp đỡ em trong quá trình điều tra, khảo sát và thu
thập số liệu tại hiện trường. Đặc biệt, chân thành cảm ơn Ủy ban nhân dân
tỉnh Thái Nguyên, Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Thái Nguyên, Trung tâm
Tư vấn và Công nghệ Môi trường – Tổng cục Môi trường đã tạo điều kiện
cho phép em được tiếp cận và trích dẫn nguồn tư liệu, số liệu khổng lồ từ
các báo cáo cần thiết phục vụ cho công tác hoàn thành Luận văn.
Cuối cùng, em xin tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè những người đã
quan tâm, ủng hộ em hoàn thành công việc học tập và nghiên cứu một cách
tốt nhất.
Hà Nội, tháng

năm 2018

Học viên

Nguyễn Tường Khương Duy
ii


MỤC LỤC


2.2.4. Phương pháp ứng dụng mô hình hóa........................................................... 41
2.2.5. Phương pháp dự báo diễn biến ....................................................................
48
2.2.6. Phương pháp xử lý số liệu và viết báo cáo .................................................. 48

CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................. 50
3.1. Kết quả khảo sát chất lượng nước lưu vực sông Cầu đoạn chảy qua tỉnh Thái
Nguyên
50

.......................................................................................................................
3


3.2. Vị trí nguồn thải và dữ liệu đầu vào mô hình ..................................................... 54
3.3. Kết quả ứng dụng mô hình Mike 11 ................................................................... 62
3.3.1. Dự báo sự thay đổi chất lượng nước sông Cầu đoạn chảy qua tỉnh Thái
Nguyên
năm
66

2020....................................................................................................................

3.3.2. Dự báo sự thay đổi chất lượng nước sông Cầu đoạn chảy qua tỉnh Thái
Nguyên
năm
69

2030....................................................................................................................


BTNMT

Bộ Tài nguyên và Môi trường

Cv
Ecolab

Hệ số dòng chảy năm
Mô đun sinh thái

EPA

United States Environmental Protection Agency

FDI

Foreign Direct Investment

GDP

Gross Domestic Product

HD

Mô đun thủy động lực học

LVS

Lưu vực sông


Hình 2.6: Mạng lưới mặt cắt trên đoạn sông nghiên cứu ........................................................44
Hình 2.7: Mặt cắt một vị trí trên đoạn sông nghiên cứu
..........................................................44
Hình 2.8: Một số hệ số nhám có thể áp dụng trên đoạn sông nghiên cứu
...............................45
Hình 2.9: Lưu lượng biên trên tại điểm Trạm thủy văn Gia Bảy ............................................46
Hình 2.10: Mô hình mô phỏng Module Ecolab .......................................................................46
Hình 2.11: Dữ liệu biên thủy lực .............................................................................................47
Hình 2.12: Các bước ứng dụng mô hình MIKE11 trên đoạn sông ..........................................48
Hình 3.1: Diễn biến DO trên đoạn sông nghiên cứu ...............................................................51
Hình 3.2: Diễn biến BOD5 trên đoạn sông nghiên cứu ...........................................................51
Hình 3.3: Diễn biến NH4+ trên đoạn sông nghiên cứu.............................................................52
Hình 3.4: Diễn biến NO3- trên đoạn sông nghiên cứu .............................................................53
Hình 3.5: Diễn biến PO43- trên đoạn sông nghiên cứu.............................................................53
Hình 3.6: Diễn biến Coliform trên đoạn sông nghiên cứu.......................................................54
Hình 3.7: Kết quả hiệu chỉnh mô hình chất lượng nước – Thông số DO ................................62
Hình 3.8: Kết quả hiệu chỉnh mô hình chất lượng nước – Thông số BOD5 ............................62
Hình 3.9: Kết quả hiệu chỉnh mô hình chất lượng nước – Thông số NH4+ .............................63
Hình 3.10: Kết quả hiệu chỉnh mô hình chất lượng nước – Thông số NO3- ............................63
Hình 3.11: Kết quả hiệu chỉnh mô hình chất lượng nước – Thông số PO43- ...........................64
Hình 3.12: Kết quả hiệu chỉnh mô hình chất lượng nước – Thông số Coliform .....................64
Hình 3.13: Giá trị DO ..............................................................................................................66
Hình 3.14: Giá trị NH4+ ...........................................................................................................66
Hình 3.15: Giá trị NO3- ............................................................................................................67
Hình 3.16: Giá trị BOD5 ..........................................................................................................67
Hình 3.17: Giá trị PO43- ...........................................................................................................67
Hình 3.18: Giá trị Coliform .....................................................................................................68
Hình 3.19: Giá trị DO ..............................................................................................................69
Hình 3.20: Giá trị NH4+ ...........................................................................................................70
Hình 3.21: Giá trị NO3- ............................................................................................................70

MỞ ĐẦU
Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật ngày nay dẫn tới sự phát
triển nhanh chóng của sản xuất hàng hóa và quá trình đô thị hóa trên thế giới.
Quá trình phát triển kinh tế xã hội một mặt không ngừng tạo ra các vấn đề về
suy thoái môi trường toàn cầu, đặc biệt ở các nước đang phát triển. Vì
vậy, việc bảo vệ môi trường đang trở thành một vấn đề bức thiết của toàn xã
hội. Trong đó, vấn đề bảo vệ môi trường nước chiếm một vị trí quan trọng.
Lưu vực sông Cầu là một trong những lưu vực sông chính và quan trọng
nhất trong hệ thống sông Thái Bình, có diện tích lưu vực khoảng 6.030 km2,
với chiều dài lưu vực trên 288 km bao gồm toàn bộ hay một phần lãnh thổ
của các tỉnh: Bắc Kạn, Thái Nguyên, Bắc Ninh, Bắc Giang, Vĩnh Phúc,
Hải Dương và Hà Nội. Trong đó vị trí của tỉnh Thái Nguyên đối với khu vực
này tương đối quan trọng. Thái Nguyên là tỉnh có khu gang thép đầu tiên của
cả nước và là địa phương có nhiều cơ sở công nghiệp quan trọng. Mặc
khác, trong xu thế phát triển kinh tế - xã hội của tỉnh trong những năm gần
đây, dưới tác động của các yếu tố tự nhiên và hoạt động của con người, môi
trường nước LVS Cầu đoạn chảy qua tỉnh đang dần có hiện tượng ô nhiễm
nguồn nước, nhiều vấn đề môi trường đã và đang diễn ra rất phức tạp. Chất
lượng nước ở đoạn sông chịu tác động nhiều từ các hoạt động của con người.
Do vậy, để có cơ sở đề xuất các giải pháp quản lý, giải pháp kỹ thuật nhằm
bảo vệ chất lượng nước sông Cầu đoạn chảy qua địa bàn tỉnh Thái Nguyên,
phục vụ an toàn cho cấp nước đồng thời phục vụ cho các mục đích phát
triển bền vững trên toàn lưu vực cần phải áp dụng nhiều phương pháp khác
nhau như mô hình hóa và kết hợp với đo đạc thực địa để lấy số liệu.
Trước lý do đó đề tài: “Ứng dụng phương pháp mô hình hóa dự đoán
diễn biến chất lượng nước sông Cầu đoạn chảy qua tỉnh Thái Nguyên và đề
xuất giải pháp quản lý phù hợp” được đưa ra nhằm phục vụ công tác

1


qua tỉnh Thái Nguyên.
- Ứng dụng mô hình Mike 11 tính toán dự báo ô nhiễm nước mặt sông
Cầu, cụ thể sử dụng mô hình Mike 11 để mô phỏng dự báo 06 yếu tố: DO,
NH4+, NO3-, BOD5, PO43- và Coliform.
- Đề xuất giải pháp quản lý chất lượng môi trường.
3


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN
1.1. Mô hình hóa chất lượng nước
Mô hình hóa là phương pháp nghiên cứu bằng thực nghiệm trên mô
hình của một hiện tượng (quá trình, sự vật,…) thay vì nghiên cứu trực tiếp
hiện tượng ấy ở dạng tự nhiên (thực địa). Quá trình mô hình hóa bao gồm hai
phần là chế tạo mô hình và tiến hành thực nghiệm trên mô hình ấy.
Mô hình hóa chất lượng nước là phương pháp sử dụng các phần mềm
tính toán các chỉ tiêu phản ánh chất lượng nước. Các chỉ tiêu bao gồm: các chỉ
tiêu vật lý, hóa học và các thành phần sinh học của nguồn nước trên cơ sở giải
các phương trình toán học mô tả mối quan hệ giữa các chỉ tiêu phản ánh
chất lượng nước cũng như các quá trình có liên quan đến nó.
a. Phân loại mô hình chất lượng nước và phạm vi ứng dụng
Các mô hình chất lượng nước được chia thành 2 loại: Mô hình tính toán
sự lan truyền, phân bố các chất ô nhiễm trong dòng chảy; Mô hình mô phỏng
sự hình thành chất lượng nước và xu thế biến đổi chất lượng nguồn nước.
Mô hình tính toán sự lan truyền, phân bố các chất ô nhiễm trong dòng
chảy
Mô phỏng sự biến đổi các chỉ tiêu chất lượng nước theo thời gian trong
không gian của dòng chảy. Việc thiết lập mô hình dựa trên cơ sở giải phương
trình tải và tải-phân tán các chất ô nhiễm trong dòng chảy. Các yếu tố
đặc trưng về dòng chảy được xác định từ các mô hình thủy lực, các số liệu
thống kê hoặc đo thực nghiệm như các mô hình Qual I, II; Stream I, II;... Loại

nhiều khó khăn trong thực tế và đòi hỏi một khoảng thời gian dài do việc dự
báo các thông tin ban đầu có độ tin cậy thấp.
b. Mục đích của phương pháp mô hình hóa
– Làm sáng tỏ vấn đề: chúng ta có thể đưa ra được các lỗi của hệ
thống từ việc tiếp cận trực quan đồ họa hơn là từ các dạng trình bày
nguyên thủy. Hơn nữa, việc mô hình hoá giúp chúng ta dễ dàng hiểu được
cách thức hoạt động của vấn đề.


– Mô phỏng được hình ảnh tương tự: hình thức trình bày của mô hình
có thể đưa ra được một hình ảnh giả lập như hoạt động thực sự của hệ thống
thực tế, giúp cho người tiếp cận cảm thấy thuận tiện khi làm việc với mô hình.
– Gia tăng khả năng duy trì hệ thống: các ký hiệu trực quan có thể cải
tiến khả năng duy trì hệ thống. Thay đổi các vị trí được xác định và việc xác
nhận trực quan trên mô hình các thay đổi đó sẽ giúp làm giảm đi số lượng lỗi.
Do đó, có thể tạo ra các thay đổi nhanh hơn và các lỗi được kiểm soát
hoặc xảy ra ít hơn.
– Làm đơn giản hóa vấn đề: mô hình hoá có thể biểu diễn vấn đề ở
nhiều mức, từ mức tổng quát đến mức chi tiết do đó sẽ càng đơn giản hoá
việc hiểu.
1.2. Các nghiên cứu ứng dụng mô hình chất lượng nước trên thế giới
a. Bộ phần mềm mô hình Streeter – Phelps mở rộng
Được áp dụng để đánh giá chất lượng nước cho sông Oreto, Ý (Giorgio
Mannina, 2010). Mô hình tích hợp các quá trình lý hóa và sinh học phù hợp để
mô hình hóa chất lượng nguồn nước.
Ưu điểm của mô hình là có thể áp dụng được để đánh giá chất
lượng nước đối với những con sông nhỏ, thiếu dữ liệu. Nhược điểm là do
thuật toán của mô hình đơn giản nên không thể mô phỏng trong trường hợp
có quá nhiều dữ liệu đầu vào, hơn nữa số lượng mẫu cũng như các chỉ tiêu
chất lượng nước mà mô hình có thể đánh giá là rất hạn chế.

Là mô hình hệ thống chuyên nghiên cứu vùng pha trộn nước thải
dùng để phân tích, dự báo và thiết kế các miệng xả nước thải vào nguồn nước
tự nhiên. Mô hình này được các chuyên gia thuộc trường Đại học Cornell
(Mỹ) xây dựng trong thời gian từ 1985 đến 1995. Mô hình cho phép mô tả
quá trình pha trộn nước thải ở gần miệng xả cũng như xa miệng xả.
Nhược điểm của mô hình CORMIX là chỉ cho phép mô phỏng chất
lượng nước đối với nguồn thải điểm (là nguồn thải xác định được vị trí xả
thải), không mô phỏng được nguồn thải dạng diện.
e. Mô hình MASTER


Do Viện Thuỷ lực Delft Hà Lan lập ra từ năm 1988 theo đơn đặt hàng
của Ban thư kí Mekong để mô phỏng chuyển động của nước trên hạ lưu
Mekong từ Chiang Sean ra đến biển và sự lan truyền mặn từ các cửa sông và


biển trong nội đồng. Đây là mô hình được xây dựng trên hệ phương
trình Saint-Venant đầy đủ và những phương trình truyền mặn. Đây là một
mô hình tốt về học thuật đối với bài toán dòng không ổn định trong hệ thống
kênh hở.
1.3. Các nghiên cứu ứng dụng mô hình chất lượng nước trong nước có
liên quan
a. Mô hình VRSAP
Là mô hình thủy lực khởi đầu cho quá trình áp dụng mô hình toán để giải
quyết các bài toán thủy lực kênh hở ở Việt Nam trên các mạng máy lớn (main
frame) trước kia. Trong quá trình áp dụng, VRSAP được cải tiến, phát triển
liên tục và được thêm phần tính mặn vào năm 1988 dựa trên thuật toán
sai phân trung tâm tương tự thuật toán của MEKSAL.
Phần mềm VRSAP đã được sử dụng rộng rãi tính lũ kiệt, đặc biệt là
trong tính toán qui hoạch lũ cho Đồng bằng sông Cửu Long phía Việt Nam và

với công cụ GIS. Phần tính lan truyền chất trong các một số các mô hình của
Việt Nam có nhiều ưu điểm về mặt thuật toán và đặc biệt là có thể chủ
động cải biên khi cần cập nhật.
1.4. Kết quả nghiên cứu, ứng dụng mô hình MIKE 11 để đánh giá chất
lượng nước trên thế giới và ở Việt Nam
1.4.1. Trên thế giới
- Tại Anh, mô hình Mike 11 được áp dụng cho dự án “Đánh giá phương
án quản lý tài nguyên nước sông Stour, vùng Kent” (John, A.Cox, Upton, &
Simons). Thời gian lựa chọn để chạy mô hình từ 01/02/2007 – 30/06/2007
nhằm phục vụ đánh giá các phương án quản lý tài nguyên nước.
Kết quả mô phỏng của mô hình cho kết quả tính toán khá phù hợp với
dữ liệu thực đo. Sau khi mô phỏng mô hình, tiến hành chạy 09 kịch bản
khác nhau với những giả thiết khác nhau về lưu lượng dòng chảy trên sông
mà không có sự giả định về sự biến đổi chất lượng nước. Kết quả mô phỏng
các kịch bản là căn cứ để cơ quan chính quyền có các phương án quản lý
nguồn nước sông Stour [32].


- Tại Bỉ, mô hình Mike 11 được áp dụng cho nghiên cứu “Mô hình hóa
oxy hòa tan và nhu cầu oxy sinh hóa trong nước sông” của nhóm tác giả M.


Radwan năm 2003 [29]. Nhóm tác giả đã ứng dụng mô hình Mike 11 để mô
phỏng hai chỉ tiêu chất lượng nước là DO và BOD ở sông Dender vùng
Flanders, bị ô nhiễm do sản xuất nông nghiệp.
Nghiên cứu này thực hiện nhằm phục vụ công tác quy hoạch và quản lý
tài nguyên nước, bao gồm các nội dung: (1) mô tả hiện trạng dòng chảy và
chất lượng nước, (2) dự báo các kịch bản biến đổi chất lượng nước.
Dữ liệu sử dụng cho mô hình bao gồm dữ liệu về khí tượng (mưa, nhiệt
độ), thủy văn (mực nước, lưu lượng) theo giờ, chuỗi thời gian mô phỏng là 8