Hà Nội, Thứ Bảy Ngày 23/11/2019

Dự báo chất lượng nước Sông Tô Lịch bằng mô hình Qual2K

Mtđt, 13:17 03/04/2019

Dùng mô hình Qual2K tính toán dự báo chất lượng nước sông theo các kịch bản thu gom xử lý nước thải và bổ cập nước sạch cho sông

Tóm tắt:

Sông Tô Lịch là sông thoát nước chính và là khung sinh thái cảnh quan của trung tâm thành phố Hà Nội, đang bị ô nhiễm nặng do nước thải sinh hoạt xả vào. Dùng mô hình Qual2K tính toán dự báo chất lượng nước sông theo các kịch bản thu gom xử lý nước thải và bổ cập nước sạch cho sông thấy rằng: Để mùa khô chất lượng nước trên toàn chiều dài sông ở mức B1 QCVN 08-MT:2015/BTNMT và đảm bảo dòng chảy sinh thái, tất cả nguồn nước thải tập trung và phân tán cần phải được thu gom và xử lý đến mức B theo QCTĐHN 02:2014/BTNMT, trong đó BOD5 phải ≤20 mg/l, trước khi xả vào sông và bổ cập lượng nước sạch từ sông Hồng Q=5 m3/s.

I. GIỚI THIỆU CHUNG

Sông Tô Lịch chảy qua khu vực 6 quận trung tâm rồi cùng với các sông Kim Ngưu, sông Lừ và sông Sét tạo ra hệ thống thoát nước chính và là khung sinh thái cảnh quan cho thành phố Hà Nội. Sông tiếp nhận nước thải và nước mưa từ lưu vực rộng 77,5 km2, sau đó xả từ cống Thanh Liệt ra sông Nhuệ tại vị trí Cầu Bươu (Hà Đông [1]).

Hiện tại, nguồn chính bổ cập nước cho các sông thoát nước đô thị là nước thải vào mùa khô và nước mưa vào mùa mưa. Vào mùa khô, sông Tô Lịch tiếp nhận hầu hết nước thải trong khu vực nội thành cũ. Hầu hết đây là nước thải sinh hoạt xử lý sơ bộ bằng bể tự hoại và một phần là nước thải các cơ sở dịch vụ, sản xuất chưa đảm bảo quy chuẩn môi trường xả trực tiếp ra sông. Dòng chính của sông tiếp nhận lượng nước thải khoảng 300.000m3/ngày, chưa kể lượng nước thải của sông Lừ và sông Kim Ngưu đổ vào [2]. Lưu lượng trung bình về mùa khô từ 3 đến 8m3/s, thay đổi theo từng đoạn sông. Trong những năm gần đây, quá trình đô thị hóa nhanh chóng đã gây ô nhiễm trầm trọng cho sông. Đánh giá hiện trạng cũng như dự báo diễn biến chất lượng nước sông Tô Lịch là việc cần thiết để bảo vệ môi trường nước cũng như quản lý nguồn tài nguyên nước sông này.

Theo Quy hoạch thoát nước thủ đô Hà Nội, nước thải lưu vực sông Tô Lịch sẽ được thu gom đưa về nhà máy XLNT Yên Xá (lưu vực S2) công suất 270.000 m3/ngày và nhà máy XLNT Phú Đô (lưu vực S3) công suất 84.000 m3/ngày. Nước thải sau khi xử lý đảm bảo quy chuẩn môi trường sẽ được xả trở lại cho sông Nhuệ và sông Tô Lịch. Ngoài ra để thau rửa và pha loãng cho sông, một lượng nước sạch Q=5m3/s từ sông Hồng sẽ bổ cập cho sông Tô Lịch vào mùa khô [1]. Tuy nhiên một lượng nước thải phi tập trung không thu gom được dọc hai bờ sông Tô Lịch có thể gây ô nhiễm cục bộ, phân tán cho môi trường nước sông [3]. Vì vậy cần thiết phải đánh giá chất lượng nước sông Tô Lịch theo các phương án thu gom xử lý nước thải và bổ cập nước sạch làm cơ sở để xây dựng giải pháp tổng hợp bảo vệ môi trường nước lưu vực sông.

Các mô hình chất lượng nước là công cụ hỗ trợ mạnh cho việc quản lý nguồn nước và ngày càng được sử dụng rộng rãi trên thế giới. Do đó, ứng dụng các mô hình chất lượng nước để kiểm soát ô nhiễm nước sông Tô Lịch là phù hợp, ngoài ra nó còn cung cấp cơ sở khoa học tin cậy cho các chiến lược quản lý tài nguyên nước trong tương lai. Qual2K là mô hình chất lượng nước dòng chảy sông, đây là một phiên bản mới và công năng cao của mô hình Qual. Qual2K đã được áp dụng rộng rãi để đánh giá chất lượng nước mặt và cũng để dự báo các tác động của việc xả nước thải đô thị lên chế độ oxy trong sông nhiệt đới [4, 5].

Trong nghiên cứu này, mô hình chất lượng nước Qual2K được áp dụng để tính toán và dự báo chất lượng nước sông Tô Lịch theo các kịch bản thu gom, xử lý nước thải trên lưu vực và bổ cập nước sạch pha loãng với nước sông.

2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu và công cụ tính toán

Đối tượng nghiên cứu là sông Tô Lịch. Theo quan điểm của phần mềm Qual2K, bước đầu tiên trong việc mô hình hoá một hệ thống sông là chia hệ thống sông này thành các đoạn sông, các đoạn sông này là một phần dòng chảy có đặc tính thuỷ lực tương đối đồng nhất (độ dốc, độ rộng đáy dưới,..) [6]. Dựa vào chiều dài sông 14 km, các điều kiện địa hình, chế độ dòng chảy và các nguồn xả thải vào sông Tô Lịch mà dòng sông nghiên cứu được chia thành 14 phân đoạn tương ứng, có chiều dài từ 1km (hình 1). Đoạn đầu tiên: mương (cống) Thụy Khuê sau Cống Đọ đến cống Bưởi và đoạn cuối cùng tại điểm hợp lưu từ sông Kim Ngưu chảy sang đến điểm xả sông Tô Lịch vào sông Nhuệ.

Hình 1. Phân đoạn tính toán sông Tô Lịch.

Phần mềm Qual2K được áp dụng để tính toán quá trình truyền tải các chất ô nhiễm hòa tan theo hướng từ thượng lưu đến hạ lưu và sự lan tỏa của chúng trong dòng chảy. Qual2K mô phỏng được 15 thông số bao gồm: độ dẫn điện (EC), chất rắn vô cơ lơ lửng (TSS), oxy hòa tan (DO), chất hữu cơ phân hủy sinh học nhanh (BOD5), nitơ hữu cơ, nitơ amoni (NH4-N), nitơ nitrat (NO3-N), phospho hữu cơ, phospho vô cơ (PO4-P),... Tuy nhiên đối với sông Tô Lịch khi nguồn thải chính xả vào là nước thải sinh hoạt thì các thông số lựa chọn để dự báo là TSS, BOD5 và NH4-N. Chất lượng nước sông được đánh giá theo các mức chất lượng nước của QCVN 08-MT:2015/BTNMT- Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt [7].

a. Các số liệu đầu vào mô hình

Các số liệu phục vụ cho việc mô phỏng bằng mô hình được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu khác nhau và được mô tả thông qua các bảng tổng hợp dưới đây từ các nguồn số liệu của đề tài và của các dự án liên quan:

- Số liệu thủy văn: Sử dụng kết quả quan trắc thủy trí Hà Nội [8] và số liệu mặt cắt ngang sông theo thiết kế bản vẽ thi công cải tạo sông Tô Lịch [9] được tổng hợp trong bảng 1.

- Số liệu các nguồn thải: Sử dụng các số liệu thống kê các nguồn thải điểm đồng thời có tính đến lượng nước thải phát sinh vào các thời điểm tương ứng theo kịch bản xây dựng trong tương lai. Theo kết quả khảo sát hiện trạng hệ thống cống xả ra sông Tô Lịch do đề tài 01C-09/01-2016-3 thực hiện, tổng số lượng cống nước thải ra sông là 336 cống có đường kính khác nhau từ 300mm đến hơn 3000mm. Trong đó số cống có đường kính >1000m là 51 cống chiếm 15% tổng số lượng, cống có đường kính 600–1000mm là 112 cống chiếm 33% tổng số lượng, cống có đường kính <600mm chiếm chiếm tỷ lệ lớn nhất là 52% (173 cống). Ngoài ra trên dọc hai bờ sông còn có trên 400 cống xả đường kính dưới 300mm với tổng lượng nước thải nhỏ, khoảng 7.000-10.000 m3/ngày, xả không thường xuyên ra sông Tô Lịch [3]. Nồng độ trung bình các chất ô nhiễm trong nước thải tại cống xả lớn dọc hai bờ sông Tô Lịch vào mùa khô năm 2017-2018 được tổng hợp từ các số liệu quan trắc của Trung tâm Quan trắc và Phân tích Tài nguyên Môi trường Hà Nội [10]. Số liệu quan trắc nước sông Tô Lịch, từ năm 2010 đến 2017 và của Đề tài 01C-09/01-2016 thực hiện.

- Số liệu chất lượng nước sông tại các phân đoạn từ điểm 1 đến điểm 14 theo số liệu khảo sát của đề tài vào mùa khô năm 2017-2018 được tổng hợp từ các số liệu quan trắc của Trung tâm Quan trắc và Phân tích Tài nguyên Môi trường Hà Nội [10] và của Đề tài 01C-09/01-2016-3 thực hiện.

  • Chất lượng nước sông Hồng tại vị trí cống Liên Mạc (dùng để pha loãng cho sông Tô Lịch) lấy theo số liệu quan trắc thường xuyên năm 2017-2018 của Viện Khoa học và Kỹ thuật môi trường [11].

- Hệ số K1 là hằng số tốc độ phản ứng bậc 1 oxy hóa sinh hóa các chất hữu cơ trong hỗn hợp nước thải và nước sông Tô Lịch, đặc trưng cho khả năng tự làm sạch theo BOD trong nước sông phụ thuộc vào các yếu tố nhiệt độ, vận tốc dòng chảy và các yếu tố môi trường khác, nên là đại lượng thực nghiệm. Từ các quan hệ giữa hệ số K1 và thời gian dòng chảy trên các đoạn sông Tô Lịch về mùa khô tiến hành xử lý số liệu bằng phần mềm Excel thấy được mối quan hệ này theo biểu thức [12,13]:

K1 = 18,657e-7.511t, ngày-1 với R² = 0,9305

Do về mùa khô sông Tô Lịch có vận tốc dòng chảy tương đối chậm (0,2-0,3 m/s) nên hệ số K1 coi như là không đổi trên cả dòng sông. Lấy t là thời gian trung bình theo tính toán mô hình để giá trị xác định hệ số K1.

- Kiểm chuẩn mô hình tính toán theo số liệu thực đo của Đề tài 01C-09/01-2016-3 kết hợp số liệu quan trắc của Trung tâm Quan trắc và Phân tích Tài nguyên Môi trường Hà Nội [10].

3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN, DỰ BÁO VÀ THẢO LUẬN

Sau khi nhập số liệu và chạy mô hình tính toán cho từng kịch bản, thu được kết quả là những biểu đồ nồng độ các chất ô nhiễm theo chiều dài sông với các thông số chính sau: Vận tốc, TSS, chất hữu cơ phân hủy nhanh (BODf tương đương BOD5), NH4+‑N.

a. Kịch bản 1 (KB1):

Nước thải tất cả các tuyến cống dọc hai bờ sông Tô Lịch không được thu gom và xử lý như hiện nay. Ước tính hàng ngày có khoảng 300.000 m3 nước thải chưa qua xử lý thải trực tiếp ra sông Tô Lịch, bên cạnh đó còn có khoảng 55.000 m3 từ sông Lừ đoạn Cống Dậu và 60.000 m3 từ sông Kim Ngưu đoạn Cầu Tó bổ cập vào sông. Ngoài ra nước sông Tô Lịch không được pha loãng từ nguồn nước sông Hồng. Số liệu thực tế về điều kiện khí hậu, thời tiết hiện nay và các điều kiện thủy văn sông Tô Lịch theo bảng 1. Như vậy, tính toán xác định nồng độ các chất ô nhiễm trong kịch bản này cũng chính là phương án kiểm chuẩn mô hình Qual2K cho trường hợp sông Tô Lịch về mùa khô.

Các kết quả tính toán nêu trên các biểu đồ hình 2, hình 3, hình 4 và hình 5 cho thấy:

- Vận tốc dòng chảy trên sông thấp trong khoảng 0,2–0,35 m/s, phù hợp với sông Tô Lịch, thấp nhất tại điểm cách thượng lưu 4km và cao nhất tại điểm cách thượng lưu 1km. Nguyên nhân là do đoạn thượng lưu sông Tô Lịch có chiều rộng nhỏ (4,5m) và lưu lượng đầu vào khá lớn. Đoạn trung lưu của sông tuy lưu lượng lớn lên do sự bổ cập nước thải từ các tuyến cống đổ ra nhưng chiều rộng sông tăng lên 22m nên vận tốc dòng chảy giảm.

- Hàm lượng TSS trong khoảng từ 60–100 mg/l phù hợp với thông số hàm lượng cặn theo số liệu quan trắc của Trung tâm Quan trắc và Phân tích Tài nguyên Môi trường Hà Nội giai đoạn 2010–2017 [10]. Hàm lượng cặn đều vượt qua mức B1 – QCVN 08-MT:2015/BTNMT [7].

- Nồng độ BOD5 nằm trong khoảng 90–110 mg/l và đều vượt quá mức B1 – QCVN 08:2015/BTNMT. BOD5 có xu hướng giảm dần ở cuối dòng do khả năng tự làm sạch của sông tăng lên.

- NH4-N: Nồng độ NH4-N nằm trong khoảng 40–50 mg/l và đều vượt hàng trăm lần so với mức B1 – QCVN 08-MT:2015/BTNMT. Amoni hầu như không thay đổi trong sông Tô Lịch do không có quá trình nitrat hóa trong đó.

b.Kịch bản 2 (KB2):

Theo dự án tiếp nước cho sông Tô Lịch, một trạm bơm nước sông công suất Q = 5 m3/s sẽ bơm nước sông Hồng (từ cống Liên Mạc) về pha loãng vào làm sạch sông, tuy nhiên tình trạng thu gom và xử lý nước thải (XLNT) vẫn theo như KB1. Kết quả tính toán dự báo chất lượng nước sông thể hiện trên các biểu đồ hình 6, hình 7, hình 8 và hình 9.

Các kết quả tính toán dự báo nêu trên cho thấy:

- Do bổ cập nước từ sông Hồng với lưu lượng 5m3/s vào đầu sông nên tốc độ của dòng chảy tăng (0,3-0,7) m/s, đảm bảo yêu cầu dòng chảy sinh thái và khả năng làm sạch sông tăng lên rõ rệt.

- Do được pha loãng từ nguồn nước bổ cập nên hàm lượng TSS trong sông giảm chỉ còn khoảng từ 70–90 mg/l. Tuy nhiên TSS vẫn vượt mức B1 – QCVN 08-MT:2015/BTNMT.

- Giá trị BOD5 nằm trong khoảng 5–45 mg/l. Tuy hàm lượng vượt quá mức B1 – QCVN 08:2015/BTNMT nhưng đã giảm gần 50% so với KB1.

- Nồng độ NH4-N nằm trong khoảng 0,22 –23 mg/l. Tuy hàm lượng đã giảm nhưng vẫn vượt hàng trăm lần so với mức B1 – QCVN 08:2015/BTNMT.

c. Kịch bản 3 (KB3)

Theo Quy hoạch thoát nước Hà Nội, các nhà máy XLNT, đặc biệt là hệ thống XLNT Yên Xá, có hệ thống cống gom chạy dọc sông Tô Lịch và sông Lừ, và xử lý đạt mức B theo QCTĐHN 02:2014/BTNMT [14]. Tuy nhiên nước thải phân tán lưu lượng nhỏ (chủ yếu từ các điểm xả không thường xuyên D≤300mm dọc hai bờ sông), ước tính khoảng 10.000 m3/ngày còn chưa được thu gom xử lý. Kết quả tính toán dự báo trạng thái chất lượng nước sông Tô Lịch trong trường hợp này được thể hiện trên các hình 10, hình 11, hình 12 và hình 13.

Các kết quả tính toán dự báo theo KB3 cho thấy:

- Do vẫn được bơm nước từ sông Hồng (5m3/s) nên vận tốc gần như không thay đổi so với KB2 (0,3-0,7 m/s).

- Nhờ được pha loãng bởi nước sạch từ sông Hồng, đồng thời hầu hết nước thải trong lưu vực được thu gom về các nhà máy XLNT nên hàm lượng TSS trong sông giảm xuống chỉ còn 55-75 mg/l, tuy nhiên vẫn vượt mức B1 – QCVN 08-MT:2015/BTNMT.

- Hàm lượng BOD5 cũng được giảm nhiều ở cuối đoạn sông do được nhà máy Yên Xá thu gom và xử lý nên giá trị nằm trong khoảng 5–23 mg/l (giảm gần 50% so KB1), tuy nhiên vẫn vượt quá mức B1 – QCVN 08-MT:2015/BTNMT.

- Nồng độ NH4 nằm trong khoảng 0,22 –11 mg/l, đã giảm so với các KB1 và KB2 nhưng vẫn vượt mức B1 – QCVN 08-MT:2015/BTNMT.

d. Kịch bản 4 (KB4):

Tất cả nước thải trong lưu vực (xả thải tập trung và phân tán ra sông Lừ và sông Tô Lịch) đều được thu gom và xử lý đạt mức B theo QCTĐHN 02:2014/BTNMT [14], trong đó liên quan đến chế độ oxy thì BOD5 phải ≤20 mg/l. Sông Tô Lịch được bổ cập nước sông Hồng Q=5m3/s vào mùa khô. Kết quả tính toán dự báo trạng thái chất lượng nước sông Tô Lịch trong trường hợp này được thể hiện trên các hình 14, hình 15, hình 16 và hình 17.

Các kết quả tính toán dự báo theo KB4 cho thấy:

- Do vẫn được bơm nước từ sông Hồng (5m3/s) nên vận tốc gần như không thay đổi so với KB2 và KB3 (0,3-0,7) m/s.

- So với KB3, TSS dọc sông đã giảm (ở mức 50-70 mg/l) do không có nước thải phân tán bổ cập suốt chiều dài sông. TSS đoạn cuối dòng xấp xỉ đạt mức B1 – QCVN 08-MT:2015/BTNMT.

- Hàm lượng BOD5 nằm trong khoảng 5–18 mg/l. Hàm lượng BOD5 đoạn dọc sông đã đạt mức B1 – QCVN 08-MT:2015/BTNMT. Tuy nhiên cuối đoạn có nước từ sông Kim Ngưu chảy vào nên hàm lượng BOD lại tăng lên vượt mức B1.

- Nồng độ NH4 –N nằm trong khoảng 0,22–5,5 mg/l. Hàm lượng đã giảm nhưng nhiều điểm thượng lưu vẫn vượt mức B1 – QCVN 08-MT:2015/BTNMT.

e. Tổng hợp kết quả

4. KẾT LUẬN

Sau khi mô phỏng chất lượng nước sông Tô Lịch về mùa khô theo các kịch bản khác nhau, thấy rằng:

1. Nước sông Tô Lịch hiện nay ô nhiễm trầm trọng ở mức B2 theo QCVN 08-MT:2015/BTNMT trạng thái α-mezosaprobe ở hầu hết vị trí theo chiều dài dòng chảy sông.

2. Nếu được bổ cập nước sạch từ sông Hồng Q=5 m3/s về mùa khô, các chất ô nhiễm trong nước sông được pha loãng tuy nhiên chất lượng nước sông Tô Lịch theo các thông số TSS, BOD5 và NH4-N vẫn vượt ngưỡng cho phép B1 theo QCVN 08-MT:2015/BTNMT.

3. Để đảm bảo về mùa khô chất lượng nước ở trên toàn chiều dài sông ở mức B1 QCVN 08-MT:2015/BTNMT và vận tốc dòng chảy 0,3÷0,7 m/s (yêu cầu dòng chảy sinh thái sông nội đô), tất cả nguồn nước thải tập trung (các điểm xả có D>300mm) và phi tập trung (các điểm xả phân tán có D≤300mm) cần phải được thu gom và xử lý đến mức B theo QCTĐHN 02:2014/BTNMT- Quy chuẩn kỹ thuật về nước thải công nghiệp trên địa bàn Thủ đô Hà Nội, trong đó BOD5 phải ≤20 mg/l và bổ cập lượng nước sạch từ sông Hồng Q=5 m3/s.

LỜI CẢM ƠN:

Cảm ơn Sở Khoa học và Công nghệ Hà Nội cấp kinh phí và tạo điều kiện cho các tác giả thực hiện đề tài NCKH: Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật tổng hợp để bảo vệ môi trường nước sông nội đô Thành phố Hà Nội (mã số: 01C-09/01-2016-3), mà một trong những nội dung của đề tài trình bày trong bài báo này.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Quyết địnhsố 725/2013/QĐ-TTg ngày 10/5/2013 của Thủ tướng chính phủ Phê duyệt quy hoạch thoát nước Thủ đô Hà Nội đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050.

2. Ban quản lý dự án thoát nước Hà Nội (2013). Báo cáo Dự án đầu tư Hệ thống xử lý nước thải Yên Xá thành phố Hà Nội.

3. Trần Đức Hạ, Nguyễn Bá Liêm (2015). Xử lý tại chỗ nguồn nước thải không thu gom được vào hệ thống thoát nước tập trung trên lưu vực sông Tô Lịch. Tạp chí “Môi trường”, số 5/2015, trang 39-53.

4. Chapra, S.C. and Pelletier, G.J (2003). QUAL 2K: A modeling framework for simulating river and stream water quality. Documentation and users manual. Civil and Environmental Engineering Dept., Tufts University, Medford, MA.

5. Shanahan, P. et al, (1998). River water quality modeling. Proplem of the art. Water Science and Technology, 38(11), 245-252.

6. User Manual Qual2k. 2008.

7. QCVN 08-MT:2015/BTNMT- Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt.

8. Công ty TNHH Thoát nước Hà Nội (2018). Số liệu thủy trí sông hồ thoát nước Hà Nội năm 2017-2018.

9. Ban quản lý dự án Giao thông công chính Hà Nội (2001). Hồ sơ bản vẽ thi công cải tạo sông Tô Lịch.

10. Trung tâm Quan trắc và Phân tích Tài nguyên Môi trường Hà Nội (2017). Kết quả quan trắc chất lượng nước sông Tô Lịch Hà Nội, giai đoạn 2010-2017.

11. Viện Khoa học và Kỹ thuật môi trường (2018). Số liệu quan trắc môi trường nước thành phố Hà Nội năm 2017 và 2018.

12. Trần Đức Hạ, Đinh Viết Cường, Trần Đức Minh Hải (2016). Dự báo chất lượng nước sông Tô Lịch sau khi tiếp nhận nước thải của các nhà máy xử lý nước thải tập trung. Tạp chí ”Cấp thoát nước Việt Nam” ISSN 1859-3623, Số 6 (110), 38-41.

13. Trần Đức Hạ (2015). Xây dựng mô hình tính toán chất lượng nước sông mương thoát nước đô thị. Tạp chí Khoa học công nghệ Xây dựng (ĐHXD) ISSN 1859-2996. Số 25 (9-2015), 80-85.

14. QCTĐHN 02:2014/BTNMT- Quy chuẩn kỹ thuật về nước thải công nghiệp trên địa bàn Thủ đô Hà Nội.

PGS.TS Trần Đức Hạ, TS Lê Việt Hưng,

ThS Trần Đức Minh Hải, KS Nguyễn Đức Quyền

Trường Đại học Xây dựng

Loading...
Bạn đang đọc bài viết Dự báo chất lượng nước Sông Tô Lịch bằng mô hình Qual2K tại chuyên mục Nghiên cứu – Trao đổi. Thông tin phản ánh, liên hệ đường dây nóng : 0913 385 005 - 0917 681 188 Hoặc email: bandientu.mtdt@gmail.com
Tin cùng chuyên mục Nghiên cứu – Trao đổi