Nghiên cứu tổng quan về các mô hình chất lượng nước mặt

Trao đổi, Tin tức & Sự kiện Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 16 - năm 2017 105 NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH CHẤT LƯỢNG NƯỚC MẶT Nguyễn Thị Thủy1; Nguyễn Thành Luân2 1Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội 2Phòng Thí nghiệm Trọng điểm Quốc gia về Động lực học Sông biển Tóm tắt Mô hình chất lượng nước mặt có thể xem là công cụ hữu ích để mô phỏng và dự báo mức độ, sự phân bố và sự nguy hại của các chất ô nhiễm trong môi trường nước. Kết quả từ mô hình theo các kịch bản ô nhiễm khác nhau là những cơ sở khoa học trong việc đánh giá tác động môi trường, từ đó có thể đưa ra những giải pháp cũng như hỗ trợ các cơ quan quản lý môi trường để đưa ra các quyết định đúng đắn, hợp lý. Kết quả mô hình ảnh hưởng đến tính hợp lý, tính khoa học của các dự án xây dựng và của các biện pháp kiểm soát ô nhiễm của chính quyền. Bài báo này xem xét sự phát triển, phân loại và sự chuẩn hóa của mô hình chất lượng nước mặt. Kết quả của nghiên cứu có thể giúp các cơ quan quản lý môi trường đảm bảo tính nhất quán trong việc lựa chọn áp dụng mô hình chất lượng nước phù hợp cho các mục đích cụ thể. Từ khóa: Mô hình toán, chất lượng nước, phân loại mô hình, chuẩn hóa mô hình. Abstract Surface water quality models can be seen as a useful tool to simulate and forecast the levels, distributions, and risks of chemical pollutants in water environment. The modelling results under different pollution scenarios are scientific bases in environmental impact assessment and may provide solutions as well as supports for environmental management agencies to make right decisions. The modelling results will impact the reasonability and scientificity of the construction projects and pollution control measures of the government. This study reviewed the development, classification and standardization of surface water quality models. The research results can help the environmental management agencies ensure the consistency in application of water quality models for the specified purposes. Keywords: Numerical modeling, water quality, models classification, model standardization 1. Đặt vấn đề Chất lượng nước là một chủ đề nghiên cứu rộng và rất phức tạp. Thông thường để định nghĩa khái niệm chất lượng nước thường đề cập tới một vài thông số như vật lý, hóa học và sinh học. Sự suy giảm chất lượng nước mặt, nước dưới đất và nước vùng cửa sông, ven biển chủ yếu bị ảnh hưởng bởi cấu tạo địa chất, thạch học và các phản ứng hóa học diễn ra trong phạm vi lưu vực hoặc tầng chứa nước. Thêm vào đó, chất lượng nước cũng bị ảnh hưởng bởi các hoạt động nhân sinh do việc đưa vào môi trường nước các nguồn thải công nghiệp, sinh hoạt, chăn nuôi. Trong quá khứ, các nhà lý chất lượng nước chủ yếu dựa vào các định hướng chính sách và ít dựa trên các căn cứ khoa học, dẫn đến yêu cầu khách quan cần phải xây dựng các mô hình chất lượng nước để đưa ra được các phân tích, đánh giá khoa học, chính xác. Hầu hết các mô hình đều nhằm giải quyết các vấn đề chất lượng nước trong điều kiện kinh tế xã hội và môi trường cụ thể. Các mô hình chất lượng nước có thể được phân loại theo: 1) Dạng tiếp cận (dựa trên nền tảng vật lý, khái niệm hoặc thực nghiệm), 2) Loại chất ô nhiễm (chất dinh dưỡng, Trao đổi, Tin tức & Sự kiện Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 16 - năm 2017 106 trầm tích, muối), 3) Khu vực áp dụng (lưu vực, nước dưới đất, hệ thống sông, nước ven biển, khu vực hòa trộn), 4) Bản chất (xác định hoặc ngẫu nhiên), 5) Trạng thái phân tích (trạng thái bền hoặc mô phỏng động lực), 6) Phân tích không gian (tập trung, phân bố), 7) Chiều tính toán (mô hình 1 chiều - 1D, 2D, 3D), 8) Yêu cầu dữ liệu (mô hình với cơ sở dữ liệu lớn, các mô hình với yêu cầu cơ sở dữ liệu tối thiểu (minimum requirements models - MIR) [5]. Khó có thể tổng quan hết được toàn bộ các mô hình chất lượng nước dựa theo các tiêu chí trên. Do đó, mục đích của bài báo này nhằm tổng quan các mô hình chất lượng nước điển hình đang được sử dụng rộng rãi và xem xét sự phát triển của chúng theo ba mức độ: phạm vi áp dụng, mức độ chính xác và sự chuẩn hóa cũng như phương pháp được sử dụng trong các mô hình khác nhau. Bài báo cho phép các nhà nghiên cứu, cơ quan quản lý môi trường định hướng, lựa chọn mô hình chất lượng nước phù hợp, đảm bảo tính nhất quán trong từng trường hợp cụ thể. 2. Sự phát triển của các mô hình chất lượng nước mặt Các mô hình chất lượng nước đã trải qua một quá trình phát triển lâu dài kể từ khi Streeter và Phelps xây dựng mô hình chất lượng nước đầu tiên (mô hình S - P) để kiểm soát ô nhiễm nước sông ở bang Ohio của Mỹ [3]. Các mô hình chất lượng nước có bước tiến lớn từ việc chỉ mô phỏng 1 yếu tố chất lượng nước đến nhiều yếu tố, từ mô hình trạng thái bền tới mô hình động lực, từ mô hình nguồn điểm đến mô hình kết hợp giữa nguồn điểm và nguồn diện và từ mô hình không chiều tới mô hình một chiều, hai chiều, và ba chiều. Hơn 100 mô hình chất lượng nước đã được phát triển cho tới ngày nay. Tuy nhiên, mỗi mô hình chất lượng nước lại có các điều kiện áp dụng riêng. Nhìn chung, các mô hình chất lượng nước đã trải qua ba giai đoạn phát triển quan trọng từ năm 1925 đến nay. 2.1. Giai đoạn đầu tiên (1925 - 1965) Chất lượng nước nhận được nhiều sự quan tâm của cộng đồng ở giai đoạn này. Các mô hình chất lượng nước tập trung vào sự tương tác giữa các thành phần chất lượng khác nhau trong các hệ thống sông khi bị tác động bởi sự ô nhiễm từ các nguồn thải điểm từ công nghiệp và dân sinh [1]. Trong quá trình dịch chuyển thủy động lực học, nhu cầu oxy của trầm tích, sự quang hợp và hô hấp của tảo được xem như các số liệu đầu vào của mô hình, trong khi các nguồn ô nhiễm diện chỉ đóng vai trò như tải lượng nền. Vào thời kỳ đầu của giai đoạn này, mô hình quan hệ BOD - DO dạng tuyến tính đơn giản được phát triển để dự báo chất lượng nước đồng thời các mô hình một chiều bắt đầu được sử dụng để giải quyết các vấn đề ô nhiễm trên các sông và cửa sông. Sau đó, hầu hết các hướng nghiên cứu đã thay đổi và đi xa hơn so với mô hình ban đầu của Streeter - Phelps (các mô hình S - P). Ví dụ, Thomas Jr cho rằng BOD có thể bị giảm đi mà không có sự tiêu thụ oxy do sự lắng đọng và keo tụ của trầm tích, tốc độ giảm BOD tỉ lệ với hàm lượng BOD còn lại; do đó, hệ số keo tụ được đưa thêm vào mô hình trạng thái bền S - P để phân biệt hai cách thức suy giảm hàm lượng BOD kể trên [6]. O’Connor phân chia thông số BOD thành BOD carbon hóa và BOD nitrit hóa, đồng thời bổ sung các ảnh hưởng của hiện tượng phân tán vào phương trình của Thomas [4]. Dobbins - Camp cũng bổ sung hai hệ số vào phương trình Thomas, bao gồm tốc độ thay đổi BOD do sự giải phóng của trầm tích và dòng chảy bề mặt và tốc độ thay đổi DO do sự quang hợp và hô hấp của tảo. 2.2. Giai đoạn phát triển (1965 - 1995) Từ năm 1965 đến 1970, các mô hình chất lượng nước được phân chia thành 6 dạng và phát triển nhanh chóng dựa trên các nghiên cứu sâu hơn về các hệ số đa chiều trong các mô hình BOD - DO. Mô hình một chiều được cải tiến thành mô Trao đổi, Tin tức & Sự kiện Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 16 - năm 2017 107 hình hai chiều để mô phỏng chất lượng nước hồ và vịnh. Các mô hình phi tuyến được phát triển trong suốt thời kỳ từ năm 1970 tới 1975. Những mô hình này gồm chu trình N và P, hệ thực vật phù du và động vật nổi, tập trung vào mối liên hệ giữa tốc độ phát triển của sinh vật và các chất dinh dưỡng, ánh sáng mặt trời và nhiệt độ, thực vật phù du và tốc độ phát triển của động vật nổi [7]. Phương pháp sai phân hữu hạn và phương pháp phần tử hữu hạn được áp dụng cho các mô hình các mô hình một hoặc hai chiều do các mối liên hệ phi tuyến trong mô hình. Sau năm 1975, số lượng các biến số ổn định trong các mô hình tăng lên đáng kể, các mô hình ba chiều cũng được phát triển trong giai đoạn này, mô hình thủy động lực học và ảnh hưởng của trầm tích được đưa vào mô hình chất lượng nước. Trong khi đó, các mô hình chất lượng nước được kết hợp với các mô hình lưu vực sông coi đầu vào nguồn ô nhiễm diện như là một biến của mô hình. Do đó các chính sách về quản lý chất lượng nước đã thay đổi đáng kể khi các mô hình tập trung vào mô phỏng các điều kiện ràng buộc và xem xét các nguồn ô nhiễm diện theo lưu vực sông. Các mô hình chất lượng nước điển hình gồm có các mô hình QUAL, mô hình MIKE11 và các mô hình WASP đã được phát triển và ứng dụng ở giai đoạn này. Bên cạnh đó, mô hình OTIS một chiều cũng được phát triển bởi Cục khảo sát địa chất Hoa Kỳ (USGS) để mô phỏng chất lượng nước. 2.3. Giai đoạn nghiên cứu chuyên sâu (sau năm 1995) Các nguồn ô nhiễm diện giảm đi do sự kiểm soát chặt chẽ ở các quốc gia phát triển. Tuy nhiên, sự ảnh hưởng tới chất lượng nguồn nước của các hợp chất độc hại bị tích tụ trong khí quyển như các hợp chất hữu cơ, kim loại nặng, và các hợp chất của Nito lại ngày một tăng. Mặc dù các chất dinh dưỡng và các chất hóa học độc hại lắng đọng lại trên bề mặt nước đã được tính đến trong phạm vi mô hình, tuy nhiên các chất này không chỉ lắng đọng trực tiếp trên mặt nước mà còn có thể bị lắng đọng lại trên bề mặt lưu vực và được vận chuyển vào sông tạo ra một nguồn chất gây ô nhiễm nghiêm trọng. Từ khía cạnh quản lý, mô hình ô nhiễm không khí đã được phát triển để đưa các diễn biến này vào trong mô hình, cho thấy sự lắng đọng các chất thải độc hại trong khí quyển tĩnh hoặc động có thể ảnh hưởng tới chất lượng nước tại lưu vực [8]. Do đó, ở thời kỳ này, một số các mô hình ô nhiễm không khí được tích hợp vào các mô hình chất lượng nước để đánh giá trực tiếp sự đóng góp của hiện tượng lắng đọng chất ô nhiễm trong khí quyển [10]. Ngoại trừ các mô hình kinh điển như QUAL 2K, WASP 6, QUASAR, SWAT và MIKE 21 và MIKE 3, các mô hình chất lượng nước khác cũng được phát triển để mô phỏng các điều kiện môi trường nước trong các trường hợp phức tạp. Ví dụ, Whitehead và cộng sự đã phát triển mô hình Nito tích hợp đa phân bố (INCA) dựa trên các ảnh hưởng của khí quyển với số liệu đầu vào là Nito đất, sử dụng đất, và thủy văn. Gần đây, Fan và cộng sự đã tích hợp mô hình chất lượng nước QUAL 2K và mô hình HEC-RAS để mô phỏng tác động của thủy triều ảnh hưởng lên sự phân bố chất lượng nguồn nước [2]. Đối với sự tích hợp các nguồn ô nhiễm phân tán và tập trung, Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (USEPA) đã phát triển hệ thống phân tích môi trường đa mục tiêu (BASINS), đem lại khả năng đánh giá số lượng lớn các nguồn ô nhiễm diện và điểm một cách nhanh chóng. Trong đó, USEPA cũng đề xuất mô hình EFDC nên được sử dụng như một công cụ hữu hiệu nhất cho quản lý chất lượng nước. Trong số các mô hình chất lượng nước mặt, các mô hình mô hình Streeter - Phelps, QUASAR, QUAL, WASP, CE-QUAL-W 2, BASINS, MIKE, EFDC đã được áp dụng rộng rãi trên phạm vi toàn cầu. Gần đây, Kannel và cộng sự đã khẳng định, các mô hình phổ biến như QUAL2EU, WASP7, và Trao đổi, Tin tức & Sự kiện Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 16 - năm 2017 108 QUASAR là phù hợp nhất để mô phỏng oxy hòa tan dọc các sông, suối [10] Nhìn chung, tại các quốc gia phát triển, đặc biệt Hoa Kỳ và các nước châu Âu đã phát triển và cải tiến mô hình chất lượng nước mặt tốt hơn so với các nước khác. Một vài mô hình chất lượng nước mặt cũng được thiết lập tại một số trường đại học và các viện nghiên cứu ở Trung Quốc trong các năm qua, tuy nhiên các mô hình này hiện vẫn chưa được sử dụng rộng rãi so với các mô hình MIKE, EFDC và WASP [1]. 3. Phân loại mô hình chất lượng nước Các mô hình chất lượng nước được phân loại dựa trên các loại chất ô nhiễm khác nhau, bản chất của nguồn ô nhiễm (tập trung hoặc phân tán), và đặc điểm của sông như hình thái, thủy lực và sinh thái học. Các mô hình này dự đoán các thay đổi trong nồng độ chất ô nhiễm của một đoạn sông đã biết, kết hợp với khả năng hòa trộn của sông do các phản ứng vật lý, hóa học và sinh học xảy ra trong cùng hệ thống. Tùy thuộc vào mục đích, các mô hình chất lượng nước nhìn chung có thể được phân loại thành các mô hình mô phỏng (để dự đoán các thay đổi trong chất lượng nước do ô nhiễm) và các mô hình tối ưu (để phân bổ tối ưu các nguồn tài nguyên) Hình 1. Hình 1. Các dạng mô hình chất lượng nước Các mô hình tối ưu có thể được phân loại chi tiết hơn thành mô hình quy hoạch tuyến tính, mô hình quy hoạch phi tuyến và mô hình quy hoạch động. Mô hình vật lý được thiết lập để thu được các kết quả liên quan đến hệ thực theo một tỷ lệ nhất định, trong khi mô hình toán dựa trên các phương trình toán học để mô phỏng chất lượng nước. Các mô hình toán cũng có thể được phân loại chi tiết hơn dựa trên cơ sở mô tả các quá trình mô phỏng theo phương pháp thống kê hoặc kinh nghiệm hoặc cơ học; theo loại dữ liệu gồm hồi quy và ngẫu nhiên; phân loại theo giải pháp mô hình gồm mô hình số học và mô hình phân tích; phân loai theo mức độ biểu diễn chia làm mô hình phân bố và mô hình tập trung. 4. Chuẩn hóa các mô hình chất lượng nước mặt Để sử dụng các mô hình mô phỏng và dự báo chất lượng nước trong các Trao đổi, Tin tức & Sự kiện Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 16 - năm 2017 109 báo cáo quan trọng (ví dụ, báo cáo đánh giá tác động môi trường nước) cần đảm bảo chúng đã được chuẩn hóa, sẵn có và đáng tin cậy. Do vậy, các cơ quan quản lý môi trường cần lập danh sách các mô hình chất lượng nước để đảm bảo tính nhất quán. Các mô hình này có thể được phổ biến, điều chỉnh và chuẩn hóa thông qua các chỉ số đánh giá và hệ thống tiêu chuẩn quốc gia, hoặc bằng cách xuất bản các bài báo, tổ chức các hội thảo, hoặc trao đổi làm việc cộng đồng địa phương. Ví dụ, USEPA giữ vai trò tổ chức các hội thảo khoa học thường niên để xác nhận và cập nhật các mô hình quản lý [9]. Hội đồng châu Âu tổ chức các hội thảo thường niên để đánh giá tính nhất quán của các mô hình chất lượng nước. Ngoài ra, các mô hình được chuẩn hóa có thể được tải miễn phí và có mã nguồn mở. Các viện nghiên cứu chuyên sâu về các mô hình chất lượng nước đã và đang được xây dựng để tiến hành nhiều nghiên cứu để điều chỉnh và chuẩn hóa các mô hình chất lượng nước ở một số khu vực hoặc quốc gia trên thế giới. Các nhà khoa học đã đề xuất một số mô hình dự báo dựa trên các yêu cầu quản lý môi trường. So với các quốc gia khác, hầu hết các mô hình môi trường nước đều được chuẩn hóa ở Mỹ. Các trung tâm nghiên cứu về nước trực thuộc USEPA tập trung vào các nghiên cứu liên quan tới công tác quản lý và bảo vệ tài nguyên nước, các nguyên lý và các phương pháp được áp dụng trong thực tiễn, các mô hình toán, các công cụ tính toán, và cơ sở dữ liệu. Trong khi đó, USEPA cũng cung cấp cơ sở lý thuyết, quy trình áp dụng mô hình cho một số dự án cụ thể và kèm theo những lưu ý trong quá trình áp dụng cho các đơn vị có nhu cầu. Bên cạnh đó, quá trình này cũng luôn được cải tiến kèm theo việc liên tục đánh giá mức độ tin cậy của các mô hình. Bên cạnh đó, USEPA cũng cho phép tập đoàn Tetra Tech Inc thực hiện dự án đánh giá khả năng mô phỏng, tính hiệu dụng và phạm vi sử dụng của hơn 60 mô hình. Đến năm 2009, USEPA đã xuất bản được các hướng dẫn cải tiến, đánh giá và ứng dụng các mô hình môi trường. Bên cạnh bộ tài liệu hướng dẫn, hội đồng kiểm soát mô hình hóa môi trường của USEPA cũng cung cấp các nền tảng mô hình trên website. Cục khảo sát địa chất Hoa Kỳ, cơ quan quản lý tình trạng khẩn cấp liên bang và công binh lục quân Hoa Kỳ cũng phát triển các mô hình chất lượng nước cùng các hướng dẫn chi tiết. Tương tự, Viện nghiên cứu chuyên sâu về sự phát triển và đánh giá mô hình được thành lập bởi Cơ quan môi trường Liên hiệp Anh (UKEA) đã giúp UKEA hoàn thiện khung cơ chế đánh giá tác động của sự ô nhiễm đất tới nước dưới đất và nước mặt, từ đó đề xuất các giải pháp phù hợp, cũng như kiến nghị các phương pháp và các mô hình dự báo chất lượng nước mặt. Nhóm thanh tra ô nhiễm của Her Majesty ở Anh (HerMajesty’s Inspectorate of Pollution - HMIP) đã đề xuất 54 mô hình chất lượng nước mặt và các điều kiện áp dụng cho sự đánh giá ô nhiễm sông, hồ, cửa sông và biển. Aspinwall và Company đã đề xuất 11 mô hình áp dụng cho các điều kiện khác nhau bao gồm 1 mô hình một chiều, 4 mô hình hai chiều, và 6 mô hình ba chiều. Ở Hàn Quốc, Bộ Môi trường đã đưa ra một kế hoạch tổng thể cho công tác quản lý môi trường nước vào năm 2006, Bộ này đưa ra 6 mô hình dự báo chất lượng nước, trong đó mô hình QUAL2E và EFDC được sử dụng rộng rãi. Các mô hình MIKE và TUFLOW cũng được ứng dụng rộng rãi để dự báo chất lượng nước bề mặt ở Australia. Bộ mô hình MIKE được ứng dụng ở Đan Mạch để giải quyết các vấn đề về sinh thái, và hóa học môi trường. Ở Trung Quốc, mô hình chất lượng nước DELFT 3D được sử dụng để mô phỏng chất lượng môi trường nước ở Hongkong từ những năm 1970 và hiện đã trở thành mô hình chuẩn của Cơ quan môi trường Hồng Kông. Cục bảo vệ môi trường Đài Loan đã ban hành văn bản hướng dẫn các phương pháp đánh giá tác động môi trường và đưa ra danh sách các mô hình Trao đổi, Tin tức & Sự kiện Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 16 - năm 2017 110 chất lượng nước với những điều kiện áp dụng khác nhau. Tuy nhiên, hầu hết các mô hình như các mô hình MIKE, mô hình EFDC, và mô hình Deft 3D được áp dụng để mô phỏng chất lượng môi trường nước ở các viện nghiên cứu môi trường. Hiện nay, có các báo cáo đã chỉ ra sự khác biệt giữa các kết quả giữa các mô hình khác nhau, cũng như tính phù hợp và độ nhạy thông số của những mô hình này. Vai trò của việc chuẩn hóa các mô hình chất lượng nước mặt là: (1) Nghiên cứu các mô hình chất lượng nước đang được sử dụng để đánh giá hiện trạng môi trường. Hiểu rõ các cơ chế của mô hình, các điều kiện và phạm vi áp dụng phù hợp, các thông số mô hình, tính ổn định, và các khác biệt trong kết quả mô hình. (2) Xây dựng cơ sở dữ liệu và các kịch bản cho các mô hình thông qua thực nghiệm, đo đạc và hoạt động quan trắc. (3) So sánh kết quả trong các mô hình khác nhau nhằm giải quyết, phân tích các dữ liệu đầu vào và đầu ra, các phương trình, các nguyên lý và các phương pháp tính toán của các mô hình dựa trên việc nghiên cứu một số kịch bản sẵn có. (4) Cung cấp các chỉ số sàng lọc và các phương pháp thẩm định cho các mô hình. Thiết lập hệ thống thẩm định cho mô hình và chuẩn hóa các hình thức dữ liệu đầu vào và đầu ra. Chuẩn hóa một số các mô hình và lập danh sách các mô hình đã chuẩn hóa từ đó giải quyết các bài toán quản lý môi trường tại mỗi quốc gia. (5) Đưa ra các phương pháp hiệu chỉnh và kiểm định, quản lý truy cập các mã nguồn, đề xuất ý nghĩa của các thông số trong mô hình và đề nghị các khoảng giá trị cho các thông số theo từng vùng. (6) Cung cấp giao diện sử dụng mô hình bằng ngôn ngữ quen thuộc và xuất bản sổ tay sử dụng mô hình gồm dữ liệu đầu vào mô hình (truy cập dữ liệu, xử lý số liệu), cấu trúc mô hình, hiệu chỉnh mô hình, kiểm định mô hình, đánh giá các thông số và kết quả đầu ra của mô hình. 5. Xu hướng phát triển mô hình chất lượng nước Cùng với sự phát triển của các mô hình chất lượng nước, công tác quản lý chất lượng nước cũng sẽ ngày một được cải thiện, tuy nhiên vẫn còn nhiều thách thức. Các mô hình luôn cần bộ số liệu đầu vào lớn và ổn định, các số liệu cần đảm bảo độ chính xác, tính đại diện, và có tính hệ thống. Các mô hình không mô phỏng cơ chế ô nhiễm và cũng không chỉ ra sự xâm nhập của các chất ô nhiễm trong quá trình vận động, do đó có thể có khoảng cách lớn giữa thực tế và kết q