Đánh giá chất lượng nước Hồ Tây (Hà Nội) dựa vào sự phú dưỡng bằng mô hình toán học

ủy vực nước chảy: dòng sông, dòng suối. + Thủy vực nước đứng: các hồ tự nhiên, hồ chứa, ao, đầm . Mỗi kiểu thủy vực đều có những nhóm sinh vật đặc trưng, chúng tương tác với nhau và với môi trường tạo nên vòng tuần hoàn vật chất và biến đổi của năng lượng theo phương thức riêng của mình để cho những sản phẩm sinh học độc đáo mà con người có thể thu được, thỏa mãn nhu cầu sống của mình. Tài nguyên sinh vật nước rất đa dạng và phong phú. Tuy là nguồn có khả năng tái tạo, song chúng không phải là vô tận, khi sự tác động của con người vượt quá giới hạn thích nghi của chúng (đánh bắt quá mức, hủy hoại và làm ô nhiễm môi trường nước bởi nhiều hình thức). Trong các hệ sinh thái thủy vực nói chung và hệ sinh thái thủy vực nước đứng nói riêng thì hệ sinh thái hồ có ý nghĩa vô cùng quan trọng. Bên cạnh các chức năng là cấp nước, tưới tiêu cho nông nghiệp, du lịch - giải trí, thủy điện và phòng hộ thì hồ còn chứa nhiều nguồn tài nguyên phong phú, đó là một “ngân hàng gen” rất đa dạng, quý hiếm cần phải được bảo vệ. Do vị trí địa lý, kinh tế xã hội quan trọng của thủ đô Hà Nội nên các hồ ở Hà Nội còn có vai trò lớn hơn nhiều, trong đó đặc biệt là Hồ Tây đã được xếp vào danh sách các hồ cần được bảo vệ trên thế giới. Hệ thống hồ Hà Nội cũng được coi như lá phổi xanh của thành phố, là “nhà máy” điều hòa khí hậu tiểu khu vực. Chúng ta đều biết rằng, chất lượng nước là hàm của các nhân tố vật lý, hóa học, sinh học và nhiều nhân tố khác. Theo quan điểm hiện nay, việc nghiên cứu chất lượng nước trong các hệ sinh thái hồ không chỉ dừng lại ở việc khảo sát, phân tích các số liệu về hóa, lý và sinh học mà cách tiếp cận toán học là một hướng nghiên cứu, là cách để quản lý rất hiệu quả. Các nghiên cứu về Hồ Tây đã được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước tham gia, đặc biệt là sau ngày miền Bắc được hoàn toàn giải phóng (1954), trong đó các nghiên cứu tập trung chủ yếu về “Đa dạng sinh học” và chất lượng nước hồ cũng như sự phú dưỡng của hồ. Trên thế giới, cách tiếp cận toán học trong sinh thái học đã ra đời từ những năm 1920, trong giai đoạn này do thiếu công cụ xử lý nên mô hình giới hạn ở dạng tuyến tính với trạng thái tương đối ổn định (mô hình Streeter và Phelps đánh giá hàm lượng DO và BOD). Đến năm 1960, công cụ máy tính ra đời cho phép tính toán và xử lý các vấn đề được dễ dàng và nhanh chóng, do vậy mô hình được phát triển rất đa dạng, nhanh chóng. Thêm vào đó, mô hình không những đánh giá được chất lượng nước mà còn đề cập đến hiệu quả kinh tế trong việc kiểm soát chất lượng nước (mô hình của Thomann và Sobal năm 1964; mô hình Ravell năm 1967). Trong giai đoạn 1970 – 1977, vai trò khả năng tự làm sạch của nguồn nước được các nhà mô hình học tập trung nghiên cứu, mở ra một hướng mới cho lịch sử phát triển mô hình sinh thái, như mô hình của Chen, 1970 và mô hình Chen – Orlop, 1975. Từ năm 1977, các mô hình tập trung nghiên cứu sự chu chuyển của các chất độc trong nước, các mô hình này đã bao quát được các quá trình sinh lý, sinh hóa có liên quan đến xích, lưới thức ăn (mô hình của Muller, mô hình Jorgensen . . .). Nghiên cứu về mô hình toán sinh thái chất lượng nước hồ ở Việt Nam, đánh giá sự phú dưỡng là hướng mới mẻ và bắt đầu được quan tâm vào đầu năm 1990. Việc nghiên cứu chất lượng nước hồ theo quan điểm toán học là công việc hết sức cần thiết nhằm tìm ra công cụ đánh giá, dự báo tình trạng chất lượng nước và sinh thái của hồ. Trên cơ sở đó đề xuất chiến lược quy hoạch, bảo vệ và sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên vô cùng quý giá này. Theo hướng nghiên cứu đó, chúng tôi thực hiện đề tài: “Đánh giá chất lượng nước Hồ Tây (Hà Nội) dựa vào sự phú dưỡng bằng mô hình toán học”. Đề tài bao gồm các công việc sau: 1. Phân tích các tài liệu liên quan đến chất lượng nước Hồ Tây. 2. Sử dụng mô hình Vollenweider để xác định hàm lượng P cho phép đổ vào hồ hàng năm. 3. Đánh giá và dự báo chất lượng nước dựa vào tình trạng phú dưỡng của Hồ Tây theo thông số hóa học (Photpho, Nitơ) bằng mô hình Vollenweider, mô hình kinh nghiệm và mô hình Jorgensen. 4. Đề xuất một số biện pháp bảo vệ, quản lý chất lượng nước Hồ Tây. Hy vọng rằng đề tài này sẽ đóng góp một phần nhỏ vào công việc quản lý, bảo tồn và phát triển bền vững Hồ Tây. Chương 1. Tổng quan tài liệu 1.1. Các mô hình chất lượng nước 1.1.1. Các giai đoạn phát triển của mô hình Hiện nay, việc đô thị hóa ngày càng tăng và sự phát triển của toàn cầu hóa trong phát triển kinh tế – xã hội của thế giới đã có ảnh hưởng không nhỏ đến môi trường. Có thể thấy những chất ô nhiễm thải ra các hệ sinh thái gây tăng trưởng đột biến ở tảo hay vi khuẩn, đe dọa các loài và ảnh hưởng đến cấu trúc của cả hệ sinh thái. Hệ sinh thái là một hệ vô cùng phức tạp với các thành phần và mối tương tác đa dạng. Chính vì thế, nhờ có sự phát triển như vũ bão của máy tính cùng với các phương pháp toán học, người ta đã sử dụng mô hình như một phương pháp để đánh giá chất lượng nước, mức độ ô nhiễm cũng như xem xét các mối quan hệ của các thành phần trong hệ sinh thái. Có thể thấy một số đặc điểm gây ảnh hưởng đến việc phát triển các mô hình chất lượng nước hiện nay, đó chính là[9]: + Sức ép kinh tế: ở thời kỳ này, những khuyến khích các giải pháp hiệu quả được phát triển hơn bao giờ hết. Ngày nay, rất cần các mô hình để nhằm tránh những hình phạt nặng nề liên quan đến những quyết định sai lầm. + Các nước đang phát triển bắt đầu nhận thấy tầm quan trọng của phát triển bền vững: bảo vệ môi trường đi đôi với phát triển kinh tế. Như vậy các mô hình hiệu quả kinh tế sẽ cung cấp những công cụ để kiểm soát ô nhiễm và duy trì chất lượng cuộc sống trong khi vẫn phát triển kinh tế. + Sự phát triển vượt bậc của phần cứng và phần mềm máy tính đã cho phép xây dựng được nhiều công cụ hiệu quả phục vụ cho việc ra quyết định. Ngày nay các mô hình 2 chiều, 3 chiều được tính toán nhanh hơn, hiệu quả và chính xác hơn. + Đã có rất nhiều nghiên cứu về các tác động và ảnh hưởng phức tạp trong quá trình trao đổi chất ở trong nước, và kết hợp với rất nhiều yếu tố khác như thủy lực, trao đổi bùn. . . Tùy theo cách nhìn nhận vấn đề và việc phụ thuộc vào sự phát triển của phần cứng cũng như phần mềm của máy tính, Chapra chia các giai đoạn phát triển mô hình đánh giá chất lượng nước như sau: Giai đoạn 1: 1925 – 1960 (Streeter & Phelps) Trong thời kỳ này, hầu hết các mô hình đều tập trung vào các vấn đề về nguồn thải. Mô hình đầu tiên do Streeter & Phelps phát triển vào năm 1925 cho sông Ohio. Sau đó, đã được nhiều tác giả khác phát triển tiếp như Velz (năm 1938, 1974), O, Connor (năm 1960, 1967). Trong giai đoạn này, O, Connor cũng đã xây dựng mô hình cho vi khuẩn (bacteria). Một đặc điểm quan trọng của thời kỳ này là do chưa có các hệ thống máy tính nên thường thường, các mô hình chỉ bao gồm động học tuyến tính với các phân bố hình học đơn giản và các dòng ổn định. BOD, DO là các tham số được mô hình hóa, mô hình 1 chiều, áp dụng cho sông và cửa sông. Giai đoạn 2: 1960 – 1970 (máy tính) Vào giai đoạn này, do các hệ thống máy tính lớn phát triển nên các mô hình đã phức tạp hơn với các mô hình số, ví dụ mô hình của Thomann (1963). Ngoài oxy, các yếu tố khác đã được chú ý phân tích với những hình học động học phức tạp kết hợp với việc mô phỏng theo thời gian. Đã bắt đầu tính toán các mô hình 2 chiều cho cửa sông và vịnh. Cũng trong thời kỳ này, người ta đã xem xét lưu vực như một hệ thống. Các mô hình đã đưa ra nhiều lựa chọn khác nhau bởi nhiều nhà khoa học (như Thomann & Sobal vào năm 1964; Deiniger năm 1965; Ravelle năm 1967. . .). Giai đoạn 3: 1970 – 1977 (sinh thái) Vào những năm 70, người ta bắt đầu quan tâm đến vấn đề môi trường. Và vấn đề ô nhiễm trong thời kỳ này là sự phú dưỡng với việc đưa vào mô hình các mô hình sinh thái. Nhiều tác giả xây dựng mô hình mắt xích chất hữu cơ - thức ăn như Chen (1970), Di Toro (1971), Orlob & Chen (1975). Do có những phát triển vượt bậc trong khoa học máy tính mà người ta có thể đưa vào những mô hình phi tuyến, phản hồi, 3 chiều. Một đặc điểm nữa của thời kỳ này là việc kiểm soát các nguồn thải, các vấn đề về sự phú dưỡng. Giai đoạn 4: 1977 – đến nay (chất độc): Trong thời kỳ này, người ta tập trung đến vai trò của các chất thải rắn gây ô nhiễm, ví dụ như các công trình của Thomann & Di Toro (1983), Chapra & Reckhow (1983), O, Connor (1988). Việc xem xét các quá trình lắng đọng và tái lơ lửng của các hạt chất độc đã cho ta thấy quá trình cơ học chủ yếu kiểm soát sự di chuyển và sự trao đổi của chúng trong nước. Mục đích cơ bản của việc kiểm soát chất lượng nước là dự đoán là dự đoán các loại vấn đề liên quan đến chất lượng nước được dùng với mục đích khác nhau và áp dụng những biện pháp để điều chỉnh những tham số có thể kiểm soát được nhằm đạt được tiêu chuẩn đề ra. Theo Thomann( 1987) thì sơ đồ kiểm soát chất lượng nước được thể hiện như trong Hình 1. Sức khỏe cộng đồng và các tiêu chuẩn chất lượng nước. Mục đích sử dụng. Nồng độ chất lượng nước (thực tế, mong muốn). Hệ thống thủy sinh (sông, hồ …) Nguồn thải vào: điểm, diện. Trao đổi, vận chuyển. Kiểm soát môi trường. Hình 1. Sơ đồ kiểm soát chất lượng nước (Nguồn: [9]). Một điều hiển nhiên là chúng ta đang còn ở xa mức phát triển mà ở đó chỉ cần có mô hình trong việc giải quyết các vấn đề môi trường. Như vậy, mô hình không bao giờ được dùng như một công cụ quyết định, mà chỉ nên dùng để hỗ trợ việc ra quyết định mà thôi. Và khi đó, các kết quả của mô hình sẽ được xem xét như những yếu tố quan trọng để lựa chọn các quyết định. 1.1.2. Các thành phần của mô hình hóa Mô hình có thể bao gồm các thành phần sau: Các biến ngoại vi: là những yếu tố bên ngoài tác động lên hệ sinh thái, ví dụ như nhiệt độ, gió, các chất thải đổ vào hệ sinh thái, các chính sách đánh bắt thủy sản . . . Trong mô hình, những biến ngoại vi này sẽ được dùng để tính toán, dự báo những thay đổi của hệ sinh thái khi những biến ngoại vi thay đổi theo thời gian. Các biến trạng thái: là các biến biểu diễn trạng thái của hệ sinh thái, ví dụ như nồng độ BOD, DO, phytoplankton, các chất dinh dưỡng . . . Việc lựa chọn các biến trạng thái quyết định độ phức tạp của mô hình. Như vậy, trong mô hình, người ta sẽ dự báo tính toán các biến trạng thái khi các biến ngoại vi thay đổi. Xác định vấn đề Lý thuyết tổng quát. Số liệu đo thực địa (quan trắc). Xây dựng mô hình về mặt lý thuyết. Các phương trình tính toán. Hiệu chỉnh mô hình Các phương trình tính toán. Kết quả tính toán. Số liệu phòng thí nghiệm. Hình 2. Sơ đồ các bước mô hình hóa (Nguồn: [9]) Các phương trình toán học: các quá trình hóa học, sinh học, vật lý trong hệ sinh thái được biểu diễn dưới dạng các phương trình toán học. Hay nói một cách khác, các phương trình toán học chính là biểu diễn mối quan hệ giữa các biến ngoại vi và các biến trạng thái. Các tham số: các tham số tham gia vào các phương trình toán học, biểu thị sự khác nhau của các hệ sinh thái khác nhau, ví dụ tốc độ nitrat hóa, tốc độ tăng trưởng của phytoplankton. Một điều cần chú ý là trên thực tế chỉ có một số ít tham số được biết chính xác, còn đối với tuyệt đại đa số, cần phải hiệu chỉnh tham số cho phù hợp với điều kiện cụ thể của từng hệ sinh thái. Các hằng số: các hằng số là thành phần không thể tách rời của mô hình, ví dụ như trọng lượng phân tử, hằng số khí . . . Các hằng số có giá trị không đổi trong các hệ sinh thái và đương nhiên không cần phải hiệu chỉnh chúng. Mô hình hóa là một quá trình phức tạp, từ việc xác định rõ phạm vi bài toán cần giải quyết đến việc xác định số liệu đầu vào cho mô hình, với các tham số cụ thể. Các bước mô hình hóa được Thomann thể hiện qua Hình 2 ở trên. Hiện nay, cùng với nhiều phương pháp khác như thống kê, tối ưu . . . trên thế giới đã dùng tương đối phổ biến các mô hình mô phỏng để tính toán, xem xét các diễn biến thay đổi môi trường hồ qua thời gian, đặc biệt là tại các nước châu Âu (Đan Mạch, Hà Lan, Anh, Đức . . .), các nước Bắc Mỹ (Mỹ, Canada) và Nhật Bản. Ví dụ, từ năm 1973 một số nhà nghiên cứu người Mỹ đã dùng mô hình để đánh giá chất lượng nước của hồ Ontario, trong đó nhiều hệ số lần đầu tiên được đem ra xem xét và đánh giá, vẫn còn có giá trị tới tận ngày nay [10]. 1.1.3. Một số mô hình chất lượng nước trên thế giới Ngày nay, mô hình chất lượng nước với các cân bằng các chất dinh dưỡng được rất nhiều tác giả xây dựng và phát triển. Dưới đây là một số mô hình chất lượng nước đang được ứng dụng rộng rãi trên thế giới hiện nay. QUAL2E: do Cục Bảo vệ Môi trương Mỹ (EPA) phát triển. Mô hình cho phép mô phỏng các phản ứng chính của chu trình các chất hữu cơ, sản xuất tảo, nhu cầu bùn và cacbon, thông khí và những tác động của chúng đến cân bằng oxy hòa tan (DO). Người ta thường dùng để lập quy hoạch về chất lượng nước, tính tổng tải lượng tối đa hàng ngày (total maximun daily loads, TMDL) và có thể kết hợp với quan trắc tại thực tế để xác định tầm quan trọng và chất lượng nước của các nguồn diện. AQUATOX: của EPA, là mô hình mô phỏng hệ sinh thái nước ngọt. Nó có thể đưa ra dự báo phân tích về các chất ô nhiễm như các chất hữu cơ và các chất độc hữu cơ, những ảnh hưởng của chúng đến hệ sinh thái như cá, ĐVKXS, hệ thực vật. Là công cụ tốt cho các nhà sinh thái học, là mô hình đánh giá chất lượng nước và cho việc quan tâm đến đánh giá hệ thống sinh thái thủy vực nói chung cũng như thủy vực nước đứng nói riêng, cụ thể là hồ. CORMIX: của EPA. Đây là mô hình cho các vùng hỗn hợp đánh giá ảnh hưởng của các nguồn điểm đến chất lượng nước bề mặt hoặc dưới bề mặt. MIKE: do Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) phát triển và được thương mại hóa. Mô hình gồm các module sau đây: - Thủy lực (HD = HyDranlics) - Đối lưu khuếch tán (DC = Diffuse Convection). - Chất lượng nước (WQ = Water Quality). Mô hình tính toán cho các mức sau đây: - BOD (Biochemical Oxygen Demand) và DO (Dissolved Oxygen). - BOD với sự trao đổi với tầng lắng đọng và DO. - BOD, DO và quá trình nitrat hóa. - BOD với sự trao đổi với tầng lắng đọng; DO; quá trình nitrat hóa và khử nitrat. - BOD, DO bao gồm nhu cầu oxy chậm. - Bao gồm tất cả các quá trình trên. Các biến trạng thái của mô hình gồm: nhiệt độ, oxy (O2), amoni(NH4+), nitrat (NO3-), BOD, BOD lơ lửng và BOD đáy. Các quá trình được xem xét trong mô hình: - Hấp thụ bức xạ mặt trời. (imbibe the solar radiation). - Thông khí. (ventilating). - Quang hợp. (photosynthesic). - Hô hấp. (breath). - Phân hủy chất hữu cơ.(disintegrate organic substance). - Lơ lửng. (hanging) - Lắng đọng. (accumulation). - Hô hấp ở tầng đáy. (breath at the bottom stratum) - Nitrat hóa. (nitrification) - Amoni trong phân hủy các chất hữu cơ.(NH4+in disintegrate organic substance) - Hấp thụ Nitơ do thực vật. (imbibe nitrogen by plants) - Hấp thụ Nitơ do vi khuẩn.(imbibe nitrogen by bacteria) - Khử Nitrat. (denitrate) BASINS: của EPA nhằm trợ giúp đánh giá, kiểm tra hệ thống dữ liệu thông tin môi trường, giúp các hệ thống phân tích môi trường, và phân tích các phương án quản lý. Điểm nổi bật của BASINS là đã đưa vào cách tiếp cận mới dựa trên nền tảng lưu vực sông, có kết hợp quản lý dữ liệu không gian. Mô hình BASINS có thể dùng cho các mục đích sau: - Mô phỏng các điều kiện của lưu vực và đánh giá hiện trạng chất lượng nước. - Mô phỏng các tác động của việc thay đổi sử dụng đất có tính toán đến sự cân bằng nước. - Mô phỏng các kịch bản nguồn ô nhiễm điểm và diện. - Xây dựng và phát triển cách quản lý của cả lưu vực rất hiệu quả. Các nhóm tham số của mô hình BASINS: - Phú dưỡng: Photpho, Nitơ. - BOD, DO, thuốc trừ sâu, bảo vệ thực vật. - Bùn. Mô hình Vollenweider: là một trong những mô hình kinh điển, đơn giản cho phép đánh giá hiệu quả khả năng gây phú dưỡng của hàm lượng muối Photpho. Khi biết các thông số như tốc độ dòng chảy vào hồ, độ sâu, diện tích của hồ . . . có thể xác định được tải lượng Photpho cho phép xâm nhập vào hồ hàng năm. Và nếu giá trị này vượt quá giá trị cực đại cho phép thì hồ sẽ ở trong tình trạng phú dưỡng. Qua bảng 1 dưới đây ta có thể thấy được sự phức tạp của các mô hình chất lượng nước. Bảng 1. Một số mô hình chất lượng nước (Nguồn: [9]). Các mô hình hiện đang được sử dụng ở trên thế giới Số các biến trạng thái Các chất dinh dưỡng Phân đoạn Số chiều (D) hay tầng (L) của mô hình Các hằng số tỷ lượng (CS) hay chu trình dinh dưỡng độc lập (NC) Hiệu chỉnh (C) và/hoặc kiểm tra (V) Volenweider 1 P, N 1 1L CS C + V Imboden 2 P 1 1D CS C + V O, Melia 2 P 1 1D CS C Larsen 3 P 1 1L CS C Lorenzen 2 P 1 1L CS C + V Thomann1 8 P, N, C 1 3L CS C + V Thomann2 10 P, N, C 1 7L CS C + V Thomann3 15 P, N, C 7 7L CS C + V Chen & Oriob 15 P, N, C 67 7L CS C Patten 33 P, N, C 1 1L CS C Di Toro 7 P, N 7 1L CS C + V Biermann 14 P, N, Si 1 1L NC C Canale 25 P, N, Si 1 2L NC C Jorgensen 17 P, N, C 1 2L NC C + V Clean 40 P, N, C, Si 28 9L CS C + V Nyholm 7 P, N 3 2L NC C + V Mô hình kinh nghiệm và mô hình Jorgensen: có thể dùng để đánh giá sự phú dưỡng của hồ. Dựa vào các phương trình cơ bản của mô hình kinh nghiệm và mô hình Jorgensen, đặc biệt lưu ý đến hệ số xuất dinh dưỡng, ta có thể tính toán được tổng lượng Photpho, Nitơ mà các nguồn cung cấp cho hồ, từ đó so sánh với tải lượng Photpho cực đại cho phép đổ vào hồ sẽ đánh giá được tình trạng phú dưỡng của hồ. Cả hai mô hình này nhìn chung có sự tính toán giống nhau, nhưng điểm khác biệt quan trọng nhất giữa hai mô hình này là ở giá trị của hệ số xuất dinh dưỡng. WASP 6: do EPA phát triển nhằm đánh giá và mô phỏng chất lượng nước hồ kết hợp với tính toán thủy lực một chiều. Trong mô hình rất nhiều biến đặc trưng cho chất lượng đã được tính toán. Đây là một mô hình tương đối phổ biến trong những năm vừa qua và liên tục được hoàn thiện. DELFT 3D: của Viện Nghiên cứu Thủy lực Hà Lan cho phép kết hợp giữa mô hình thủy lực 1, 2, 3 chiều với mô hình chất lượng nước. Ưu điểm của mô hình này là việc kết hợp giữa các module tính toán phức tạp để đưa ra những kết quả tính mô phỏng cho nhiều chất và nhiều quá trình tham gia. MÔ HìNH CLEAN: là một tập hợp 28 phương trình vi phân thuộc 9 tiểu mô hình, bao gồm các tiểu mô hình về thực vật cỡ lớn, phytoplankton, zooplankton, sinh vật đáy (benthos), cá, quan hệ dinh dưỡng, sự phân hủy, cân bằng nước hồ và chu trình vật chất của hồ. Mỗi tiểu mô hình tập trung vào một thành phần riêng của HST, lấy đó làm đối tượng chính trong mối tương quan với những đối tượng khác. Nhiều tiểu mô hình là sự đơn giản hóa của mô hình các quá trình rộng hơn. Hiện nay, mô hình CLEAN ngày càng được hoàn thiện và sử dụng rộng rãi. Qua khảo sát và đánh giá các mô hình sẵn có và hiện đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới có thể có một số nhận xét sau đây: + Các mô hình đều là các mô hình động có thể dùng để phân tích sự thay đổi của chất lượng nước tại các quần thể chứa nước như ao, hồ, sông, suối, cửa sông và dải ven biển. + Phương trình của các mô hình đều dựa trên nguyên tắc cơ bản là bảo toàn khối. Nguyên tắc này yêu cầu khối của mỗi thành phần chất lượng nước đang nghiên cứu phải được tính bằng cách này hay cách khác. Mô hình sẽ theo dõi mỗi thành phần chất lượng nước từ một điểm vào theo không gian đến điểm cuối cùng khi ra khỏi hệ thống nước trong khi phải bảo toàn khối về không gian và về thời gian. + Các mô hình có thể đa dạng từ đơn giản đến phức tạp. Có một số mô thình được phát triển trong thời gian gần đây nên đã kết hợp được nhiều thành phần, làm cho mô hình ngày càng dễ sử dụng. + Một vài mô hình (chủ yếu là của Cục Môi trường Mỹ) đã được lưu trên trang Web để phổ biến rộng rãi cho tất cả mọi người hiểu biết và sử dụng. Có thể dễ dàng nhận thấy rằng những mô hình này về mặt cơ sở khoa học rất chặt chẽ và tường minh, tuy nhiên ít được cập nhật và nâng cấp về cách thể hiện trên máy tính, do vậy việc sử dụng hoàn toàn không dễ dàng. Một số mô hình còn chạy trên môi trường DOS của máy tính nên gây khó khăn cho người sử dụng. + MIKE, DELFT 3D, phần mềm mô phỏng STELLA đã được nhiều nơi ứng dụng cho các công trình nghiên cứu thực tế. Ngoài cơ sở khoa học vững chắc và minh bạch, chúng dễ dàng sử dụng hơn do thường xuyên được nâng cấp từ môi trường DOS lên môi trường WINDOWS với những giao diện thân thiện cho người dùng (vào số liệu, in kết quả). Thực tế đã kiểm nghiệm một số mô hình này rất phù hợp với các bài toán phức tạp, nhiều thành phần. 1.2. Chất lượng nước hồ, các vấn đề ô nhiễm nước hồ và khả năng chịu tải của hồ 1.2.1. Chất lượng nước hồ Chúng ta đều biết rằng chất lượng nước hồ được đánh giá thông qua một hệ các thông số lý, hóa sinh của nước hồ. Các thông số đó được quy định cụ thể đối với từng quốc gia dưới dạng tiêu chuẩn môi trường nước (ví dụ như tiêu chuẩn chất lượng nước mặt ở Việt Nam là theo TCVN). Để đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế, các tiêu chuẩn này thay đổi tùy theo mục đích sử dụng của hồ. Như vậy, quản lý môi trường nước chính là nhằm kiểm soát chất lượng nước hồ để đảm bảo các thông số chất lượng nước luôn luôn phải thấp và nhỏ hơn các tiêu chuẩn quy định. Một số các thông số chỉ thị chất lượng nước: Tính chất vật lý cảm quang của nước (màu, mùi vị . . .). Tính chất vật lý của nước: nhiệt độ (t0), cặn lơ lửng, độ dẫn điện, độ đục. Chỉ số Hiđrô pH để biết được môi trường của nước (kiềm, axit, trung tính). Các thông số DO, BOD, COD. Các chất dinh dưỡng: - Nitơ: nitơ trong hồ tồn tại dưới dạng nitơ hữu cơ (N – HC), amoni (NH4+), nitrit (NO2-), nitrat (NO3-) và nitơ tự do. - Phot pho: tồn tại chủ yếu trong các muối photphat (PO43-; HPO42-; H2PO4-), hoặc các muối photphit (PO33-) hay photpho hữu cơ (P – HC) và photpho tự do. Photpho là một trong những nguyên nhân chính gây ra sự phú dưỡng, làm bùng nổ sự phát triển của tảo, gây ảnh hưởng có hại, đặc biệt là đối với cá . - Lưu huỳnh: tồn tại dưới dạng các muối sunfua (S2-) hay hiđrosunfua (H2S) , các muối sunfit (SO32-), các muối sunfat (SO42-), hay lưu huỳnh hữu cơ (S – HC) và lưu huỳnh tự do. Các kim loại nặng: tồn tại chủ yếu dưới dạng ion dương (cation) bao gồm: Bari (Ba2+), Cadimi (Cd 2+), Crom (Cr2+; Cr3+), đồng (Cu2+), chì (Pb2+; Pb4+), thủy ngân (Hg2+), niken (Ni2+), kẽm (Zn2+), mangan (Mn6+; Mn7+), bạc (Ag+), sắt (Fe2+; Fe3+), thiếc (Sn4+) . . . Do kim loại nặng không phân rã nên chúng tích tụ trong các chuỗi thức ăn của HST. Nguồn gốc hữu cơ: cacbon hiđro (CH), dầu mỡ, thuốc trừ sâu, phenol (C6H5OH), protein, các chất hoạt động bề mặt . . . Sinh học: các động vật, thực vật, sinh vật nguyên sinh, vi khuẩn. 1.2.2. Vấn đề ô nhiễm nước hồ Hồ là một HST đặc biệt, có vai trò rất quan trọng đối với đời sống con người. Tuy vậy, không ít hồ trên thế giới đã và đang bị ô nhiễm nghiêm trọng và vấn đề ô nhiễm nước hồ chủ yếu liên quan đến việc sử dụng không hợp lý hoặc khai thác hồ quá mức. Ta cũng có thể thấy có rất nhiều nguyên nhân gây ra ô nhiễm hồ như đổ bừa bãi các chất thải rắn vào hồ; thải vào hồ nước thải chứa các chất hữu cơ và kim loại nặng từ các nơi ô nhiễm điểm và diện, đặc biệt là từ các hoạt động nông nghiệp; bồi lắng do xói mòn, chuyển đổi mục đích sử dụng trong lưu vực hồ; thay đổi khí hậu và đặc biệt là sự lỏng lẻo và thiếu phối hợp trong quản lý lưu vực hồ . . . Sự ô nhiễm thể hiện ở những điểm cơ bản sau: Giảm chỉ số pH do ô nhiễm H2SO4, HNO3 từ khí quyển, nước mưa và từ nước thải vào trong hồ, làm môi trường nước hồ chuyển dịch về tính axit, chua. Tăng hàm lượng các ion Ca2+; Mg2+; Si4+ . . . do nước mưa hòa tan, phong hóa các quặng Cabonat (CO32-). Tăng hàm lượng các ion kim loại nặng (Pb; Cd; Hg; Zn; Cu; . . ) gây ô nhiễm kim loại nặng; tăng các anion (PO43-; PO33-; NO3-; NO2- . . .) gây phú dưỡng. Tăng hàm lượng các muối. Giảm độ trong, đồng thời làm tăng độ đục của nước. Làm giảm nồng độ oxy hòa tan trong nước (DO), đồng thời làm tăng hàm lượng các chất chứa P; N gây ra sự nở hoa của tảo. Khi photpho, nitơ được cung cấp vào hồ với lượng lớn hàm lượng cực đại cho phép và bị dư thừa so với nhu cầu sinh thái thì sẽ dẫn đến việc phát triển bùng nổ quá mức không kiểm soát được của tảo, đó chính là sự phú dưỡng hay hiện tượng tảo nở hoa, gây nguy cơ phá vỡ trạng thái cân bằng của HST hồ. Sự tích tụ bùn lắng do trong một thời gian dài không được nạo vét, đồng thời các hoạt động thải các chất thải vào hồ và hàm lượng cao các chất hữu cơ trong hồ cũng là một trong những nguyên nhân gây nên sự phú dưỡng. 1.2.3. Khả năng chịu tải của hồ Khả năng chịu tải của hồ là khả năng tiếp nhận chất thải tối đa mà vẫn đảm bảo yêu cầu chất lượng nước hồ đối với mục tiêu sử dụng nước, hay nói một cách khác là khả năng tiếp nhận tới mức cao nhất có thể của hồ mà vẫn không làm mất cân bằng HST hồ. Khả năng chịu tải của hồ phụ thuộc vào [10]: - Khả năng tự làm sạch của hồ: hồ có thể phục hồi tình trạng sau một khoảng thời gian nhất định. - Các biện pháp công nghệ do chính con người thực hiện. Ta có thể dễ dàng nhận thấy rằng, những hợp chất đổ xuống hồ cơ bản bao gồm những hợp chất có khả năng dễ phân hủy và những hợp chất khó phân hủy (như kim loại nặng, các chất hữu cơ mà các sinh vật phân hủy rất khó phân hủy chúng . . .). Đối với những loại chất khó phân hủy, do chúng không phân rã nên được tích tụ dần dần trong chuỗi thức ăn, ảnh hưởng đến HST của hồ. Vì vậy, trong chừng mực nào đó, khả năng tự làm sạch của hồ liên quan chủ yếu đến khả năng tự điều chỉnh đối với những chất có khả năng phân hủy trong điều kiện tự nhiên. Còn đối với các chất khó phân hủy, để giảm thiểu ô nhiễm hồ, cần phải có tác động của chính con người. Trong thủy vực nói chung và trong thủy vực nước đứng nói riêng, cụ thể là hồ, khả năng tự làm sạch thể hiện qua chu trình sinh vật cho phép tự điều chỉnh trong một mức độ có thể trong điều kiện môi trường cụ thể. Trong điều kiện ít chất hữu cơ, sẽ tồn tại một lượng nhỏ chất dinh dưỡng nhằm duy trì sự sống sao cho mặc dù có nhiều loại sinh vật nhưng mỗi loại chỉ có một số ít về số lượng. Trong điều kiện nhiều chất hữu cơ thì hàm lượng oxy hòa tan trong nước hồ (DO) sẽ bị giảm đi và các điều kiện sinh sống sẽ không phù hợp với nhiều loại động, thực vật cấp cao. Khi đó, cac bacteria sẽ hoạt động mạnh mẽ, nhu cầu oxy sẽ giảm và sự sống lại được khôi phục dần dần. Quá trình tự làm sạch cơ bản sẽ bao gồm: - Bùn hóa với sự hỗ trợ của sự kết bông sinh học hoặc cơ học. Các chất rắn trầm tích sẽ tạo ra trầm tích đáy và nếu là chất hữu cơ sẽ bị phân hủy trong điều kiện hiếm khí, và nếu là tái lơ lửng do dòng chảy thì có thể sử dụng nhiều hơn oxy trong nước. - Oxy hóa hóa học, luôn luôn đảm bảo cân bằng giữa oxy sử dụng bởi COD và lượng oxy cung cấp qua các quá trình hóa học, các phản ứng oxy hóa khử. - Phân hủy các vi trùng do môi trường không phù hợp trong nước. - Oxy hóa sinh học, để tránh được ô nhiễm trầm trọng, cần phải duy trì các điều kiện hiếu khí, có nghĩa rằng phải luôn luôn cung cấp oxy và đảm bảo cân bằng giữa oxy sử dụng bởi BOD và lượng oxy được cung cấp qua thoáng khí. 1.3. Sự phú dưỡng của hồ 1.3.1. Một số khái quát về sự phú dưỡng của hồ Năm 1919, Nauman đã đưa ra khái niệm nghèo dưỡng (oligotrophy) và giàu dưỡng (eutrophy) để phân biệt giữa hồ nghèo dưỡng-chứa ít tảo trôi nổi (plantonic alage) và hồ giàu dưỡng-chứa nhiều Phytoplankton. Trong thập kỷ 70, sự phú dưỡng (eutrophication) của hệ thống hồ ở Châu Âu và Bắc Mỹ đã trở thành một hiện tượng phổ biến, như là hậu quả của đô thị hóa và việc sử dụng phân bón nông nghiệp bừa bãi [14]. Khái niệm về sự phú dưỡng ngày càng định hình rõ nét. 1.3.1.1. Định nghĩa về sự phú dưỡng Về sự phú dưỡng hiện nay có khá nhiều định nghĩa, một trong số những định nghĩa đó là: Định nghĩa 1: Sự phú dưỡng là những biến đổi về mặt vật lý, hóa học, sinh học xảy ra trong ao, hồ tự nhiên, cửa sông hay hồ chứa khi chúng nhận được lượng dinh dưỡng quá giàu (chủ yếu là muối Nitơ và Photpho) từ sự xói mòn tự nhiên hay từ các dòng nước mặt của các vùng xung quanh đổ vào. ở đó, tảo phát triển cực thịnh gây hiện tượng nở hoa, còn các nhóm động vật khác thì bị hủy diệt [2]. Định nghĩa 2: Sự phú dưỡng là quá trình già đi của hồ, qua đó các hồ cạn dần, trở thành đất khô do sự tích tụ bùn và chất hữu cơ. Sự màu mỡ chất dinh dưỡng đóng vai trò trong quá trình phú dưỡng, vì nó gây nên sự tăng trưởng bùng nổ của tảo và thực vật thủy sinh. Quá trình này diễn ra trong tự nhiên nhưng có thể được tăng cường mạnh bởi hoạt động của con người ở lưu vực sông, hồ [19]. Tuy vậy, trong những thập kỷ gần đây, do hàm lượng dinh dưỡng mà hồ nhận được chủ yếu bắt nguồn từ các hoạt động của con người, khái niệm phú dưỡng được hiểu ngầm là sự giàu dưỡng nhân tạo. 1.3.1.2. Nguyên nhân phú dưỡng của hồ Khi nghiên cứu về môi trường và hệ sinh thái hồ, trong tổng lượng các nguồn dinh dưỡng vào hồ, nguồn dinh dưỡng tiềm năng chủ yếu là nguồn Photpho và Nitơ luôn được lưu tâm nhiều nhất. Hai chất dinh dưỡng này là cơ sở vật chất ban đầu của chu trình thức ăn tự nhiên trong thủy vực, là xuất phát điểm quyết định chất lượng môi trường nước và trầm tích đáy. Các nguồn dinh dưỡng tiềm năng đến hồ bao gồm : 1. Nguồn dinh dưỡng nội tại (external sources) 2. Nguồn dinh dưỡng ngoại lai (internal sources) Nguồn ngoại lai được phân biệt bởi: - Nguồn dinh dưỡng điểm (point sources) bao gồm nước thải công nghiệp, nước thải sinh hoạt. Bản chất của các dạng này khá giống nhau, do đó có thể quản lý cũng như định lượng khá dễ dàng nhờ những phương pháp đặc biệt. - Nguồn dinh dưỡng phân tán (diffuse sources) là nguồn không có vị trí cụ thể. Nhiều hoạt động ở khu vực xung quanh hồ đã cung cấp dinh dưỡng cho hồ, bao gồm: dòng chảy qua phân bón ở các cánh đồng, các loại hố rác và hệ thống nước thải sinh hoạt, nước thải chăn nuôi, sự lắng đọng các chất từ không khí. Quản lý sự bổ sung dinh dưỡng hồ từ nguồn này khó hơn nhiều so với nguồn dinh dưỡng điểm [3]. Trong khi phần lớn lượng muối Photpho có nguồn gốc từ các hoạt động nông nghiệp và dân sinh ở khu vực quanh hồ, nguồn muối Nitơ chủ yếu bắt nguồn từ hoạt động nông nghiệp và giao thông. Chẳng hạn, Nitơ kết tủa từ dạng khí (được thải ra từ các phương tiện giao thông) chính là yếu tố gây phú dưỡng quan trọng nhất của biển Baltic và các vực nước nội địa ở khu vực lân cận [20]. Mặc dù hồ phú dưỡng thường chịu ảnh hưởng của cả lượng muối Photp._.