Đề tài Nghiên cứu chất lượng nước và thủy động lực học Hồ Tây, Hà Nội bằng mô hình toán và khảo sát hiện trường

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2013. ISBN 978-604-82-0066-4 NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG NƯỚC VÀ THỦY ĐỘNG LỰC HỌC HỒ TÂY, HÀ NỘI BẰNG MÔ HÌNH TOÁN VÀ KHẢO SÁT HIỆN TRƯỜNG Nguyễn Mạnh Đức(1), Hoàng Thị Ngọc Anh(1), Nguyễn Lê Trung(1), Nguyễn Thái Bình(2), Dương Hải Thuận(3), Vũ Đức Toàn(3) và Nguyễn Trung Việt(3) (1)Sinh viên Trường Đại học Thủy lợi (2)Kỹ sư, Viện Kỹ thuật công trình, Trường Đại học Thủy lợi (3)Giảng viên, Trường Đại học Thủy lợi, email: nguyentrungviet@wru.vn 1. GIỚI THIỆU Các hồ nước ngọt có vai trò quan trọng đối với thủ đô Hà Nội, không chỉ tạo cảnh quan mà còn góp phần điều hòa môi trường sinh thái. Tuy nhiên dưới tác động của gia tăng dân số, hệ thống xử lí nước thải không theo kịp đã ảnh hưởng đến chất lượng nước trong các hồ trong thành phố Hà Nội [1]. Để cải thiện và nâng cao môi trường sinh thái tại các hồ này, bài toán nghiên cứu về chất lượng nước được đặt ra. Tính đến thời điểm hiện tại, có nhiều nghiên cứu được đưa ra và đề ra một số giải pháp nhằm cải thiện sinh thái của hồ [2,3,4]. Tuy nhiên, phần lớn các nghiên cứu mới chỉ xét đến các yếu tố chất lượng nước mà chưa kể đến mối tương quan giữa sinh thái và động lực học [3,4]. Bài toán chất lượng nước kết hợp với động lực dòng chảy đã được thực hiện nhiều trên thế giới và là xu hướng chung hiện nay. Trong những năm gần đây, một số tác giả đã bắt đầu tiến hành bài toán tổng hợp đối với hồ Tây, tuy nhiên, có một số hạn chế trong số liệu đầu vào bài toán: các số liệu đa phần là giả định và có giá trị không đổi [2]. Với mục đích nghiên cứu quy luật biến đổi của nước trong hồ thông qua mô hình động lực dòng chảy kết hợp với ứng dụng mã nguồn mở FVCOM (Finite Volume Coastal Ocean Model), nghiên cứu được thực hiện với mục tiêu ban đầu là tiếp cận và ứng dụngmô hình FVCOM, từ đó có thể mô phỏng nhằm làm sáng tỏ chế độ dòng chảy và đưa ra bức tranh tổng thể về động lực và chất lượng nước của hồ Tây. Kết quả thu được từ nghiên cứu này có thể phục vụ các nghiên cứu trong thời gian tới, 2. KHU VỰC NGHIÊN CỨU Hồ Tây là hồ nước ngọt thuộc địa phận quận Tây Hồ, thành phố Hà Nội. Nằm ở phía Tây Bắc của thủ đô Hà Nội. Phía Đông Nam của hồ Tây nối liền với hồ Trúc Bạch. Quanh hồ là các khu dân sinh với mật độ dân cư đông đúc. Hồ Tây nằm trong khu vực nội thành, do vậy hồ chịu điều kiện khí tượng thủy văn của Hà Nội. Hồ Tây là hồ nước nông, nơi sâu nhất từ 2m đến 2,3m vào mùa khô. Có dung tích chứa lớn và nằm ở vị trí quan trọng, hồ Tây có khả năng tiêu thoát lượng nước mặt dư thừa ở các khu vực lân cận, tránh ngập úng trong mùa mưa bão. Ngoài ra, với cảnh quan đẹp và các khu di tích nổi tiếng, nơi đây trở thành điểm đến thu hút người dân trong và ngoài nước với các hoạt động văn hoá du lịch diễn ra thường xuyên. Ven hồ là sự đan xen giữa truyền thống như di tích đền chùa có lịch sử lâu đời như Trấn Quốc, phủ Tây Hồ, làng cổ Nghi Tàm, Trích Sài, Võng Thị và hiện đại như công viên nước Hồ Tây, nhà hàng nổi, khách sạn quốc tế 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐO ĐẠC, KHẢO SÁT CHẤT LƯỢNG NƯỚC Ở HỒ TÂY Trong nghiên cứu này có 49 điểm khảo sát, bao gồm các điểm gần bờ và xa bờ hồ Tây. Các điểm đo và lấy mẫu được xác định vị trí bằng máy GPS Garmin 72H. Các thông số chất lượng nước như: nồng độ ôxy hòa tan (DO), nhiệt độ của nước (0C), độ đục, độ dẫn điện, và độ pH tại hiện trường được đo bởi máy WQC – 24 Portable Water Quality Me- ter. Các mẫu được đưa về xử lý ngay tại phòng thí nghiệm hóa nước Đại học Thủy Lợi. Kết quả phân tích mẫu nước được thể hiện ở hình 1. giúp cho công tác quản lý và xử lý các khu vực ô nhiễm tập trung trong hồ cũng như cải tạo chất lượng hồ phục vụ đời sống dân sinh. 183 P3 P5 P8 P12 P15 P16 P17 P18 P19 P20 P25 P26 P29 0 10 20 30 40 50 m g/ l (NH4)+ (NO2)- (NO3)- (PO4)3- (NH4)+(B1) (NO2)-(B1) (NO3)-(B1) (PO4)3-(B1) Điểm lấy mẫu P3 P5 P8 P12 P15 P16 P17 P18 P19 P20 P25 P26 P29 0 10 20 30 40 50 m g/ l DO COD BOD5 DO(B1) COD(B1) BOD5(B1) Điểm lấy mẫu Hình 1. Kết quả phân tích mẫu nước hồ Tây Hình 1 miêu tả kết quả phân tích mẫu chất lượng nước tại 13 điểm, so sánh với tiêu chuẩn B1 có thể thấy tại thời điểm khảo sát, hàm lượng các chất hữu cơ và vô cơ trong nước hồ khu vực lấy mẫu tương đối cao, nhiều điểm không đạt tới giới hạn trong cột B1. Gần như tại tất cả các điểm lấy mẫu, nồng độ các chất có chứa NH4+, NO2- và PO43- đều cao quá tiêu chuẩn B1. Có thể thấy rõ nhất tại các vị trí gần bờ các giá trị đo được vượt chuẩn gấp 2, 3 lần, thậm chí có 1 số điểm vượt gấp 10 lần như điểm. Quan sát trực tiếp tại khu vực khảo sát, các khu vực trên có nhà hàng, quán bar có cống xả thải trực tiếp ra hồ hoặc có nơi như khách sạn Intercontinential đang được xây dựng. Nước hồ tại những vị trí đó có màu xanh đậm, có mùi tanh nồng và có váng. Như vậy các hợp chất có chứa Nitrogen (N) và Phosphorus (P) có dư lượng khá lớn, đây là điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của các loại tảo. 4. MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG CHO HỒ TÂY Trong nghiên cứu này, chế độ thủy động lực học của hồ Tây được mô phỏng bằng bộ chương trình The Unstructured Grid Finite Volume Coastal Ocean Model (FVCOM). FVCOM là một bộ chương trình mã nguồn mở được phát triển bởi Đại học Massachusetts – Dartmouth (UMASS-D), xây dựng dựa trên lưới tính toán phi cấu trúc và các hệ phương trình liên quan và đã được ứng dụng thành công trong nhiều bài toán cửa sông và ven biển trên thế giới [8, 9]. Các phương trình cơ sở sử dụng trong mô hình FVCOM và được miêu tả trong hệ toạ độ sigma, trình bày chi tiết ở [5]. Mô hình được thiết lập và mô phỏng cho giai đoạn từ 15/09/2013 đến 30/09/2013. Từ kết quả tính toán mô hình, nghiên cứu thu được một số kết quả như sau: Hình 2. Kết quả mô phỏng trường dòng chảy tương ứng tại lớp 0.5m và 1m lúc 12h ngày 29/9/2013 184 TÀI LIỆU THAM KHẢO Kết quả tính toán cho thấy diễn biến mực nước phù hợp với điều kiện gió. Hình 2a cho thấy hướng di chuyển của nước trên bề mặt ứng với chiều của gió tại thời điểm tính. Từ đó có thể thấy ảnh hưởng của gió lên dòng chảy khá lớn. Gió gây nên ứng suất lên bề mặt tiếp xúc, kéo nước dồn về phía Đông Nam của hồ. Thực tế khó có thể thấy được bằng mắt thường sự thay đổi này do chênh lệch mực nước chỉ vài centimet. Khi xuống lớp nước phía dưới, ảnh hưởng đó có xu hướng giảm dần, qua quan sát kết quả tính toán, các véc tơ vận tốc ổn định hơn trên mặt, các xoáy nước được hình thành hai bên bờ Đông Bắc và Tây Nam theo hướng của gió. [1]. Hoàng Cao Liêm (2013). Đô thị hóa ở Việt Nam: Thực trạng và giải pháp. Tạp chí Kinh tế và Dự báo, số 11/2013, tr.60. [2]. Nguyễn Tất Thắng (2011). Mô phỏng, tính toán dòng chảy và quá trình truyền tải, khuếch tán nước thải ô nhiễm trong hồ. Tạp chí Khoa học về trái đất, số 33(3), tr.369-376. [3]. Nguyễn Thị Thu Thủy (2012). Diễn biến đa dạng thành phần loài sinh vật của hệ sinh thái hồ Tây. Luận văn thạc sỹ khoa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. [4]. Nguyễn Thị Hưởng (2011). Đánh giá diễn biến chất lượng nước các hồ Hà Nội giai đoạn 2006-2010. Luận văn thạc sỹ khoa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. 5. KẾT LUẬN [5]. FVCOM User Manual (2013). 4th Edition; SMAST/UMASSD-13-0701. Trong nghiên cứu này, một số kết quả khảo sát hiện trường bằng các thiết bị của Phòng thí nghiệm Hóa nước, Trường Đại học Thủy lợi bước đầu cho thấy bức tranh về các đặc trưng về chất lượng nước tại hồ Tây khá thấp và có nguy cơ bị suy thoái môi trường. Mô hình toán hiện đại ba chiều bằng PP PTHH, lưới linh hoạt phi cấu trúc cũng được sử dụng trong nghiên cứu này nhằm bước đầu mô phỏng chế độ thủy động lực ở hồ Tây. [6]. Lê Quang Đạo (2008). Chất lượng nước Hồ Tây sử dụng mô hình EFDC đánh giá chất lượng nước và đề xuất một số giải pháp quản lý. Luận văn thạc sỹ khoa học, Trung tâm Nghiên cứu Tài nguyên và Môi trường. [7]. Martin R. Perrow, Adrian J.D. Jowitt, Julia H. Stansfield, Geoff L. Phillips (1999). The practical importance of the interactions between fish, zoo- plankton and macrophytes in shallow lake restora- tion. Hydrobiologia, Volume 395-396, Issue 0 , pp. 199-210. Tuy nhiên, do giới hạn về thời gian, hạn chế bởi các số liệu đo đạc đã cũ về lưu lượng và chất lượng các cống thải và các thông số về gió, nhiệt độ trực tiếp tại hồ nên chưa thể hiệu chỉnh cũng như kiểm chứng được các số liệu tính toán. Bên cạnh đó, vẫn còn khó khăn và hạn chế vì chưa có bộ số liệu một cách đồng bộ và liên tục về mực nước, các tham số quan trọng của chất lượng nước nhằm hiệu chỉnh và kiểm định mô hình. Hướng nghiên cứu tiếp theo của các tác giả là sẽ sử dụng các thiết bị hiện đại và đồng bộ để khảo sát hiện trường và mô phỏng chi tiết theo cấu trúc không gian bằng mô hình FVCOM. [8]. Tian R.C, Chen C., StokesburyK.D.E., Roths- childB.J., CowlesG.W., Xu Q., Hu S., HarrisB.P., MarinoM.C.(2009). Modeling the connectivity be- tween sea scallop populations in the Middle Atlantic Bight and over Georges Bank. Mar. Ecol. Prog. Ser. 380:147-160. [9]. Zheng, L.Y. and R.H. Weisberg (2010). Rookery Bay and Naples Bay circulation simulations: Appli- cations to tides and fresh water inflow regulation. Ecological Modelling, 7, 986-996. 185