Luận án Tiến sĩ phát triển mô hình toán mô phỏng quá trình phú dưỡng hồ tĩnh nông - Ứng dụng cho hồ Cự Chính, Hà Nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI TẠ ĐĂNG THUẦN NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH PHÚ DƯỠNG Ở CÁC VÙNG NƯỚC TĨNH NÔNG, ỨNG DỤNG CHO HỒ CỰ CHÍNH-HÀ NỘI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI TẠ ĐĂNG THUẦN NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH PHÚ DƯỠNG Ở CÁC VÙNG NƯỚC TĨNH NÔNG, ỨNG DỤNG CHO HỒ CỰ CHÍNH-HÀ NỘI Chuyên ngành: Môi trường Đất và Nước Mã số: 9.03 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS BÙI QUỐC LẬP HÀ NỘI, NĂM 2019 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Tạ Đăng Thuần i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, NCS xin gửi lời cảm ơn tới Trường Đại học Thủy Lợi đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho NCS trong thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án.

Với lòng biết ơn sâu sắc, NCS xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Bùi Quốc Lập, người đã dành thời gian, tâm sức tận tình hướng dẫn NCS trong suốt quá trình thực hiện bản luận án này. NCS xin cảm ơn các Thầy Cô ở Khoa Môi trường đặc biệt là các Thầy Cô trong bộ môn Quản lý môi trường, Phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học - Trường Đại học Thủy Lợi, Viện Công nghệ môi trường, Viện Hóa học các hợp chất hữu cơ thiên nhiên - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam và nhiều chuyên gia đã giúp đỡ NCS trong quá trình thực hiện và hoàn thiện luận án. NCS xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu - Trường Đại học Sư Phạm kỹ thuật Hưng Yên, Lãnh đạo Khoa Công nghệ hóa học và Môi trường, cũng như bạn bè đồng nghiệp đã ủng hộ và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp NCS hoàn thành luận án. Một số thí nghiệm cũng như kinh phí hoàn thiện luận án được hỗ trợ từ nguồn học bổng chính phủ theo đề án 911.

Cuối cùng, NCS xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã động viên, ủng hộ NCS trong suốt quá trình làm luận án. ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH. vi DANH MỤC BẢNG. viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ.

ix MỞ ĐẦU. Tính cấp thiết của đề tài. Mục tiêu nghiên cứu. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .1 Đối tượng nghiên cứu .2 Phạm vi nghiên cứu.

Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu.1 Cách tiếp cận .2 Phương pháp nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án.1 Ý nghĩa khoa học .2 Ý nghĩa thực tiễn. Những đóng góp mới của luận án. Cấu trúc của luận án .5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.1 Tổng quan về phú dưỡng .1 Khái niệm, cơ chế hình thành phú dưỡng .2 Nguyên nhân gây phú dưỡng.3 Phương pháp đánh giá phú dưỡng hồ .2 Tình hình nghiên cứu, phát triển mô hình phú dưỡng hồ .1 Tình hình nghiên cứu, phát triển mô hình phú dưỡng hồ trên thế giới .2 Tình hình nghiên cứu, phát triển mô hình phú dưỡng hồ ở Việt Nam .3 Những vấn đề cần giải quyết .3 Tổng quan phạm vi nghiên cứu .1 Tổng quan hồ Hà Nội .2 Hiện tượng phú dưỡng hồ Hà Nội .2 Tổng quan khu vực nghiên cứu hồ Cự Chính .4 Kết luận chương 1 .33 iii CHƯƠNG 2 PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH TOÁN MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH PHÚ DƯỠNG TRONG HỒ TĨNH NÔNG .1 Các bước phát triển mô hình toán mô phỏng phú dưỡng hồ .2 Cơ sở lý thuyết phát triển mô hình phú dưỡng .1 Các yếu tố ảnh hưởng đến phú dưỡng .2 Các giả thiết trong phát triển mô hình phú dưỡng hồ.3 Các quá trình mô phỏng trong phát triển mô hình phú dưỡng .4 Phương trình mô phỏng quá trình phú dưỡng trong hồ .5 Phương trình mô phỏng phú dưỡng hồ cải tiến .3 Phương pháp giải phương trình .1 Phương pháp Runge-Kutta giải PTVPT .2 Phương pháp đánh giá mô hình .3 Phần mềm Matlab .4 Lấy mẫu, đo đạc thực nghiệm .1 Đo đạc, tính toán dữ liệu biến ngoại sinh .2 Đo đạc, phân tích chất lượng nước .5 Ứng dụng mô hình phú dưỡng phát triển ở hồ Cự Chính-Hà Nội .1 Sơ đồ khối của chương trình lập trình mô hình .2 Thiết lập mô hình.3 Số liệu hiệu chỉnh mô hình .4 Số liệu kiểm định mô hình .5 Các kịch bản mô phỏng của mô hình .6 Kết luận chương 2 .84 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .1 Kết quả phân tích chất lượng nước và đánh giá phú dưỡng .1 Giá trị thông số chất lượng nước và mối liên hệ giữa chúng .2 Đánh giá mức độ phú dưỡng .3 Quần xã thực vật nổi.2 Kết quả phát triển mô hình mô phỏng quá trình phú dưỡng .1 Giá trị, khoảng giá trị các tham số của mô hình .2 Phân tích độ nhạy .3 Hiệu chỉnh mô hình .4 Kết quả kiểm định mô hình .5 Kết quả mô phỏng sự phát triển tảo sử dụng các hàm giới hạn .6 Nhận xét mô hình phát triển .3 Kết quả tính toán mô hình theo các kịch bản mô phỏng .4 Kết luận chương 3 .149 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.

Kết quả đạt được của luận án. Những đóng góp mới của luận án. Những hạn chế và định hướng nghiên cứu tiếp theo .152 DANH MỤC CÁC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ .153 TÀI LIỆU THAM KHẢO .166 v DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Mô hình cân bằng phốt pho: (a) mô tả quá trình lắng là tổn thất một chiều tới trầm tích và (b) bao gồm quá trình trao đổi của trầm tích với cột nước .2 Phân chia động học trong mô hình dinh dưỡng, chuỗi thức ăn .3 Bản đồ khu vực nghiên cứu .1 Các bước phát triển mô hình toán mô phỏng quá trình phú dưỡng.2 Sơ đồ mô hình mô phỏng phú dưỡng trong hồ tĩnh nông .3 Sơ đồ thuật giải di truyền .4 Giao diện công cụ GA trong Matlab .5 Sơ đồ khối của chương trình.6 Tổng quan dữ liệu đầu vào, đầu ra của mô hình phú dưỡng hồ .7 Nhiệt độ nước trung bình ngày thời đoạn hiệu chỉnh mô hình .8 Cường độ bức xạ mặt trời trung bình ngày thời đoạn hiệu chỉnh mô hình .9 Lượng mưa ngày trong thời đoạn hiệu chỉnh mô hình .10 Nồng độ chất dinh dưỡng trong nước mưa thời đoạn hiệu chỉnh mô hình .11 Nhiệt độ nước trung bình ngày thời đoạn kiểm định mô hình .12 Cường độ bức xạ mặt trời trung bình ngày kiểm định mô hình .13 Lượng mưa ngày trong thời đoạn kiểm định mô hình .14 Nồng độ chất dinh dưỡng trong nước mưa thời đoạn kiểm định mô hình.1 Biểu đồ các chỉ tiêu hóa lý ở hồ Cự Chính (a.2 Sự biến đổi giá trị các thông số chất dinh dưỡng ở hồ Cự Chính a.3 Giá trị TN/TP theo thời gian quan trắc (TN/TP<4,5: Nitơ là chất dinh dưỡng giới hạn, 4,5 ≤TN/TP ≤ 6: Nitơ, phốt pho là chất dinh dưỡng giới hạn, TN/TP>6: Phốt pho là chất dinh dưỡng giới hạn) .4 Biểu đồ tỷ lệ TN/TP theo mùa ở hồ Cự Chính .5 Trạng thái phú dưỡng hồ theo chỉ số dinh dưỡng Carlson TSI (<40, nghèo dinh dưỡng; 40-50: trung dưỡng; 50-70: phú dưỡng; >70: siêu phú dưỡng .6 Tỷ lệ phần trăm của các nhóm thực vật nổi ở hồ Cự Chính .7 Biến động mật độ tế bào thực vật nổi tại hồ Cự Chính .8 Biến động mật độ tế bào vi khuẩn lam tại hồ Cự Chính.9 Biến động mật độ tế bào tảo lục tại hồ Cự Chính .10 Biểu đồ thể hiện mối liên hệ giữa nồng độ DIN+DIP, DO với mật độ tế bào 101 Hình 3.11 Biểu đồ thể hiện mối liên hệ giữa nhiệt độ nước và mật độ tế bào thực vật nổi .12 Biểu đồ thể hiện mối liên hệ giữa cường độ bức xạ mặt trời và mật độ tế bào thực vật nổi.13 Quá trình tối ưu tham số của mô hình phú dưỡng hồ .14 Kết quả biểu thị tối ưu giá trị 15 tham số bằng GA .15 Phân bố tần suất xuất hiện của 15 tham số được tối ưu bởi GA .16 Các giá trị hàm mục tiêu nhỏ nhất khi tối ưu bằng GA .17 Kết quả biểu thị tối ưu giá trị 53 tham số trước khi điều chỉnh bằng GA .18 Kết quả biểu thị tối ưu giá trị 53 tham số sau khi điều chỉnh bằng GA .19 Kết quả so sánh giá trị mô phỏng và thực đo của các biến trạng thái mô hình (a,b,c nồng độ sinh khối tảo lục, vi khuẩn lam và tảo silic; d.Nồng độ sinh khối ĐVPD) .20 Kết quả so sánh giá trị mô phỏng và thực đo của các biến trạng thái của mô hình (a,b,c nồng độ sinh khối tảo lục, vi khuẩn lam và tảo silic; d. nồng độ sinh khối ĐVPD) .21 Hàm giới hạn của chất dinh dưỡng đối với sự phát triển của các nhóm thực vật nổi (a.Vi khuẩn lam, c.Giá trị tổng hợp) .22 Sự thay đổi theo mùa các biến thành phần, toàn phần của DIP .23 Hàm giới hạn cường độ bức xạ mặt trời với sự phát triển của thực vật nổi.24 Hàm giới hạn của nhiệt độ nước đối với sự phát triển của các nhóm thực vật nổi .25 Tích 3 hàm giới hạn với sự phát triển của các nhóm thực vật nổi.26 Kết quả so sánh giữa giá trị ban đầu với kịch bản mô phỏng của nồng độ sinh khối thực vật nổi .27 Kết quả so sánh giữa giá trị ban đầu với kịch bản mô phỏng của nồng độ oxy hòa tan trong hồ .28 Kết quả so sánh giữa giá trị ban đầu với kịch bản mô phỏng của nồng độ DIP trong hồ.

147 vii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Phân loại mức độ dinh dưỡng hồ theo phương pháp Hakanson [21] .2 Tổng quan về mô hình phú dưỡng hồ [24] .3 Một số hồ nội đô Hà Nội không có nguồn thải tập trung đổ trực tiếp [68] .4 Nhiệt độ trung bình tháng tại trạm Láng từ năm 2002-2018 (oC) [76].5 Số giờ nắng trung bình tháng tại trạm Láng từ năm 2002-2018 (giờ) [76] .6 Độ ẩm tương đối trung bình tháng tại trạm Láng từ năm 2002-2018 (%) [76].7 Lượng mưa trung bình tháng tại trạm Láng từ năm 2002-2018 (mm) [76] .1 Tỷ lệ TN/TP cho điều kiện hạn chế khác nhau ở vùng nước ngọt [12].2 Các tham số của mô hình .3 Tiêu chí đánh giá chất lượng cho các chỉ số sai số [122] .