Đề tài Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán và GIS đánh giá chất lượng nước sông Vàm Cỏ phục vụ công tác quản lý môi trường Huyện Cần Đước – tỉnh Long An

LỜI CÁM ƠN ii TÓM TẮT Huyện Cần Đước thuộc địa phận tỉnh Long An nằm ở phía hạ lưu của lưu vực sông Vàm Cỏ hiện đang hứng chịu ô nhiễm từ các hoạt động công nghiệp và sinh hoạt đô thị của tất cả địa bàn phía thượng lưu và có xu hướng diễn biến xấu đi về chất lượng nước, ảnh hưởng đến đời sống và đe dọa trực tiếp đến nhu cầu cấp nước của người dân sống dọc lưu vực sông. Đứng trước tình hình trên, việc thực hiện một chương trình nghiên cứu bài bản, thực sự nghiêm túc, có cơ sở khoa học và thực tiễn để xác định được các nguyên nhân gây ô nhiễm là hết sức cần thiết. Để có thể đề xuất các giải pháp tổng hợp và khả thi để bảo vệ nguồn nước sông Vàm Cỏ Đông phục vụ an toàn cho cấp nước đồng thời phục vụ cho các mục đích quản lý môi trường địa bàn Huyện Cần Đước cũng như phát triển bền vững trên toàn lưu vực sông cần phải áp dụng nhiều phương pháp khác nhau trong đó có phương pháp mô hình hóa và GIS. Đề tài đã bước đầu ứng dụng QUAL2K và MIKE 11 để mô phỏng chất lượng nước sông Vàm Cỏ Đông và đề xuất một số biện pháp quản lý lưu vực sông hợp lý hơn trong thời gian tới. Tính toán được thực hiện dựa trên theo các kịch bản phát triển kinh tế xã hội khác nhau cho phép làm sáng tỏ vai trò khác nhau của các vị trí thải, yếu tố thuỷ văn từ đó có thể đưa ra các biện pháp ngăn ngừa ở tầm vĩ mô. So sánh bước đầu kết quả tính toán bằng mô hình và số liệu thực cho thấy hai mô hình cho độ tin cậy khá cao, nhất là khi ứng dụng cho vùng sông chịu ảnh hưởng mạnh của triều. Kết quả này sẽ được áp dụng trong việc tính toán lan truyền chất ô nhiễm cho sông Vàm Cỏ Đông nhằm phục vụ giám sát và quản lý môi trường nước sông. iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ENVIM ENVironmental Information Management software – phần mềm quản lý môi trường ENVIMAP (ENVironmental Information Management and Air Pollution estimation) GIS Geographic Information System – Hệ thống thông tin địa lý HTTTMT Hệ thống thông tin môi trường BQL Ban quản lý KTTĐPN Vùng kinh tế trọng điểm phía Nam KCN Khu công nghiệp CSSX Cơ sở sản xuất KKT Khu kinh tế iv DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2-1. Các module cơ bản trong khối xử lý bản đồ số trong ENVIM ...............................23 Bảng 2-2. Mô tả các chức năng quản lý các đối tượng thông tin địa lý trong ENVIM............24 Bảng 3-1. Các đơn vị hành chính của huyện Cần Đước (năm 2006). .....................................31 Bảng 3-2. Phân loại và thống kê diện tích các loại đất của huyện...........................................40 Bảng 3-3. Thống kê tình hình sử dụng đất đến năm 2005 và quy hoạch sử dụng đất đến năm 2010, định hướng đến năm 2020 tại huyện Cần Đước............................................................46 Bảng 3-4. Các vị trí lấy mẫu quan trắc trên sông Vàm Cỏ Đông. ...........................................64 Bảng 3-5. : Các vị trí lấy mẫu quan trắc nước thải từ 10 KCN và 3 vị trí gần chợ cá Tân An. 73 Bảng 3-6. Chỉ tiêu và phưong pháp lấy mẫu được áp dụng ....................................................87 Bảng 4-1. Danh mục các nguồn thải đổ vào Sông Vàm Cỏ Đông ........................................100 Bảng 4-2. Các khu dân sống dọc theo Sông Vàm Cỏ Đông .................................................104 Bảng 4-3. Danh sách nhà máy, khu công nghiệp xả thải xuống sông Vàm Cỏ Đông ............105 Bảng 4-4. Danh mục các vị trí được lựa chọn trên sông Vàm Cỏ Đông ...............................106 Bảng 4-5. Thông số chất lượng nước thượng nguồn ............................................................107 Bảng 4-6. Thông số tỷ lệ thất thoát và bị phân hủy ..............................................................108 Bảng 4-7. Tải trọng chất bẩn (hệ số phát thải chất ô nhiễm) tính theo đầu người..................108 Bảng 4-8. Hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm trên bể tự hoại hoặc công trình tương tự ...........109 Bảng 4-9. Chi tiết kịch bản 1 và 2 .......................................................................................110 Bảng 4-10. Chi tiết kịch bản 3 và 4......................................................................................111 Bảng 4-11. Các kịch bản phát triển kinh tế xã hội lưu vực sông Vàm Cỏ Đông ...................111 Bảng 4-12. Mức thải trung bình công nghiệp (m3/ha.ngày)..................................................112 Bảng 4-13. Nồng độ chất thải công nghiệp ..........................................................................112 Bảng 4-14. Lưu lượng thải kênh rạch ..................................................................................120 Bảng 4-15. Số liệu nguồn thải kênh rạch .............................................................................121 Bảng 4-16. Danh sách điểm nhạy cảm.................................................................................139 v DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2-1. Xu thế phát triển công nghệ GIS hiện tại và tương lai gần .....................................16 Hình 2-2. Công nghệ tích hợp ENVIM..................................................................................18 Hình 2-3. Mô hình lý luận của ENVIM .................................................................................19 Hình 2-4. Sơ đồ hoạt động Khối Môi trường trong công nghệ ENVIM..................................21 Hình 2-5. Sơ đồ tích hợp mô hình toán môi trường trong ENVIM .........................................25 Hình 2-6. Tạo lớp bờ sông bằng phần mềm Mapinfo.............................................................27 Hình 2-7. Các bước chuyển đổi dữ liệu không gian sang format của ENVIM ........................28 Hình 2-8. Xây dựng kịch bản tính toán cho QUAL2K ...........................................................29 Hình 2-9. Dữ liệu môi trường kết hợp mô hình toán và dữ liệu không gian thể hiện chất lượng nước......................................................................................................................................29 Hình 3-1. Bản đồ địa giới hành chính huyện Cần Đước, Long An .........................................33 Hình 3-2. Sơ đồ các điểm lấy mẫu quan trắc trên Sông Vàm Cỏ ............................................66 Hình 3-3. Đồ thị thể hiện diễn biến độ pH trên Sông Vàm Cỏ Đông ......................................67 Hình 3-4. Đồ thị thể hiện diễn biến hàm lượng DO trên Sông Vàm Cỏ Đông ........................68 Hình 3-5. Đồ thị thể hiện diễn biến hàm lượng SS trên Sông Vàm Cỏ Đông..........................68 Hình 3-6. Đồ thị thể hiện diễn biến hàm lượng BOD trên Sông Vàm Cỏ Đông......................70 Hình 3-7. Đồ thị thể hiện diễn biến hàm lượng COD trên Sông Vàm Cỏ Đông......................71 Hình 3-8. Sơ đồ các vị trí lấy mẫu quan trắc KCN – Chợ trên địa bàn Tỉnh Long An ............74 Hình 3-9. Đồ thị thể hiện diễn biến độ pH khu vực KCN – chợ tỉnh Long An .......................75 Hình 3-10. Đồ thị thể hiện diễn biến độ pH khu vực KCN – chợ tỉnh Long An......................75 Hình 3-11. Đồ thị thể hiện diễn biến độ pH khu vực KCN – chợ tỉnh Long An......................76 Hình 3-12. Đồ thị thể hiện diễn biến COD khu vực KCN – chợ tỉnh Long An ......................77 Hình 3-13. Đồ thị thể hiện diễn biến tổng Nitơ khu vực KCN – chợ tỉnh Long An ................78 Hình 3-14. Đồ thị thể hiện diễn biến tổng Photpho khu vực KCN – chợ tỉnh Long An ..........78 Hình 3-15. Tóm tắt các bước thực hiện Luận văn ..................................................................84 Hình 3-16. Sơ đồ lấy mẫu trên lưu vực sông Vàm Cỏ Đông, tại Cần Đước............................87 Hình 3-17. Giao diện của Google Earth.................................................................................89 Hình 3-18. Ảnh vệ tinh khu vực sông Vàm Cỏ Đông............................................................90 Hình 3-19. Các bước kết nối dữ liệu không gian với QUAL2K .............................................94 Hình 3-20. Các lớp bản đồ nền Tỉnh Long An .......................................................................95 vi Hình 3-21. Các lớp bản đồ nền Huyện Cần Đước. .................................................................95 Hình 3-22. Trang mở đầu phần mềm kết nối dữ liệu không gian với QUAL2K .....................96 Hình 3-23. Dữ liệu không gian đã được tích hợp với QUAL2K thông qua ENVIM ..............96 Hình 3-24. Sơ đồ tự động hóa tính toán lưu lượng và nồng độ chất ô nhiễm do sinh hoạt ......97 Hình 3-25. Sơ đồ tự động hóa tính toán lưu lượng và nồng độ chất ô nhiễm do nguồn công nghiệp ...................................................................................................................................97 Hình 3-26. Sơ đồ tự động hóa tính toán lưu lượng và nồng độ chất ô nhiễm do nguồn phân tán .............................................................................................................................................98 Hình 3-27. Sơ đồ tự động hóa tính toán lưu lượng và nồng độ chất ô nhiễm do kênh rạch .....98 Hình 4-1. Vị trí các nguồn thải trên sông Vàm Cỏ Đông trong phạm vi xem xét của đề tài .100 Hình 4-2. Giao diện vận hành mô hình trong ENVIMQ2K..................................................128 Hình 4-3. Giao diện lựa chọn nguồn thải để tính toán ..........................................................128 Hình 4-4. Bảng tổng hợp kết quả tính toán ..........................................................................129 Hình 4-5. Thông tin khu công nghiệp tương ứng với kịch bản 1 ..........................................129 Hình 4-6. Thông tin kênh rạch tương ứng với kịch bản 1.....................................................130 Hình 4-7. Thông tin khu dân cư tương ứng với kịch bản 1...................................................130 Hình 4-8. Kết quả xuất ra của mô hình ENVIMQ2K ...........................................................131 Hình 4-9. Bản đồ phân bố Chất rắn lơ lửng (mg/l) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 1)............132 Hình 4-10. Bản đồ phân bố BOD5 (mg/l) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 1)..........................132 Hình 4-11.Bản đồ phân bố Chất rắn lơ lửng (mg/l) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 2)...........133 Hình 4-12. Bản đồ phân bố BOD5 (mg/l) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 2)..........................133 Hình 4-13. Bản đồ phân bố DO (mg/l) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 2) .............................134 Hình 4-14. Bản đồ phân bố Nitơ hữu cơ (mg/l) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 2) ................134 Hình 4-15.Bản đồ phân bố Chất rắn lơ lửng (mg/l) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 3)...........135 Hình 4-16. Bản đồ phân bố BOD5 (mg/l) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 3)..........................135 Hình 4-17. Bản đồ phân bố DO (mg/l) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 3) .............................136 Hình 4-18. Bản đồ phân bố Nitơ hữu cơ (mg/l) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 3) ................136 Hình 4-19. Bản đồ phân bố Chất rắn lơ lửng (mg/l) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 4)..........137 Hình 4-20. Bản đồ phân bố BOD5 (mg/l) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 4)..........................137 Hình 4-21. Bản đồ phân bố DO (mg/l) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 4) .............................138 Hình 4-22. Bản đồ phân bố Nitơ hữu cơ (mg/l) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 4) ................138 Hình 4-23. Nồng độ BOD tại điểm nhạy cảm vào mùa khô theo kịch bản...........................140 vii Hình 4-24. Nồng độ BOD tại điểm nhạy cảm vào mùa mưa theo kịch bản...........................140 Hình 4-25. Nồng độ TSS tại điểm nhạy cảm vào mùa khô theo kịch bản ............................140 Hình 4-26. Nồng độ TSS tại điểm nhạy cảm vào mùa mưa theo kịch bản ............................140 Hình 4-27. Nồng độ DO tại điểm nhạy cảm vào mùa khô theo kịch bản .............................140 Hình 4-28. Nồng độ DO tại điểm nhạy cảm vào mùa mưa theo kịch bản .............................140 viii MỤC LỤC CHƯƠNG 1................................................................................................................ 1 1. MỞ ĐẦU............................................................................................................. 1 1.1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ................................................................. 1 1.2. TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI.............................................................................. 4 1.3. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI............................................................................. 4 1.4. CÁC NỘI DUNG THỰC HIỆN .................................................................... 4 CHƯƠNG 2................................................................................................................ 6 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU................................................................................... 6 2.1. CÁC MÔ HÌNH CHẤT LƯỢNG NƯỚC...................................................... 6 2.2. XỬ LÝ DỮ LIỆU KHÔNG GIAN VÀ VẤN ĐỀ LIÊN QUAN .................. 12 2.3. CÔNG NGHỆ LIÊN KẾT MÔ HÌNH MÔI TRƯỜNG VỚI GIS ................ 17 2.4. TÍCH HỢP DỮ LIỆU KHÔNG GIAN VỚI MÔ HÌNH QUAL2K .............. 27 CHƯƠNG 3.............................................................................................................. 31 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................................... 31 3.1. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN HUYỆN CẦN ĐƯỚC............ 31 3.2. TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KIỆN KINH TẾ XÃ HỘI HUYỆN CẦN ĐƯỚC 54 3.3. HIỆN TRẠNG MÔI TRƯỜNG NƯỚC LƯU VỰC SÔNG VÀM CỎ - HUYỆN CẦN ĐƯỚC TRONG NHỮNG NĂM GẦN ĐÂY.................................. 63 3.4. HIỆN TRẠNG CÔNG TÁC QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG NƯỚC MẶT SÔNG VÀM CỎ - HUYỆN CẦN ĐƯỚC ......................................................................... 79 3.5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU................................................................ 83 CHƯƠNG 4.............................................................................................................. 99 ix 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN................................................ 99 4.1. MÔ TẢ KỊCH BẢN ...................................................................................100 4.2. KẾT QUẢ CHẠY MÔ HÌNH QUAL2K ....................................................131 4.3. THẢO LUẬN.............................................................................................141 CHƯƠNG 5.............................................................................................................144 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .........................................................................144 1 CHƯƠNG 1 1. MỞ ĐẦU 1.1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Huyện Cần Đước cách Tp. Hồ Chí Minh 30 km về phía Nam và cách Thị xã Tân An 45 km về phía Đông, nằm kẹp giữa sông Vàm Cỏ và sông Rạch Cát tiếp giáp với cửa Soài Rạp thông ra biển Đông và nằm trong vùng kinh tế trọng điểm phía Nam của tỉnh, liền kề với những KCN lớn của Tp. Hồ Chí Minh và Long An như : KCN Bến Lức, KCN Soài Rạp, KCN Hiệp Phước,… Ở một vị trí như vậy, huyện Cần Đước có những lợi thế như sau : Huyện Cần Đước là cửa ngõ giao thông giữa Tp. Hồ Chí Minh với các tỉnh miền Đông Nam Bộ và miền Tây Nam Bộ, với sự giao lưu thuận tiện bằng các tuyến giao thông quan trọng như quốc lộ 50, tỉnh lộ 826, 835 chạy qua, cộng với hệ thống giao thông đường thủy qua kênh Nước mặn, sông Vàm Cỏ, cửa Soài Rạp và sông Nhà Bè. Trong tương lai sẽ xây dựng tuyến đường tắt quốc lộ 50 Cần Đước (Long An) – Chợ Gạo (Tiền Giang) là trục giao thông quan trọng cho phát triển kinh tế của huyện. Hệ thống Sông Vàm Cỏ đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển kinh tế xã hội, lưu thông vận chuyển hàng hóa trên địa bàn Huyện Cần Đước. Người dân sống trên lưu vực chủ yếu dựa vào các nghề truyền thống như nông nghiệp, tiểu thủ công nghiệp, chăn nuôi gia súc, gia cầm, nuôi trồng thủy sản, dệt nhuộm và phát triển công nghiệp. Vì vậy việc khai thác và sử dụng nguồn nước trên địa bàn đều ảnh hưởng đến môi trường xung quanh khu vực. Hiện nay sông Vàm Cỏ đang được quan tâm đặc biệt bởi những diễn biến có xu hướng xấu đi về chất lượng nước của dòng sông đe dọa nghiêm trọng đến đời sống xã 2 hội và trước hết đe dọa trực tiếp về nhu cầu cấp nước cho cụm dân cư thuộc tỉnh Long An, giáp giới với thành phố Hồ Chí Minh. Đã có nhiều đề tài khoa học các cấp, nhiều Luận văn đại học, cao học nghiên cứu về con sông này. Kết quả của các nghiên cứu trên cho thấy đã đến lúc cần phải thực hiện một chương trình nghiên cứu bài bản và thực sự nghiêm túc, có cơ sở khoa học và thực tiễn xác định chính xác được các nguyên nhân gây ô nhiễm và mục tiêu cuối cùng cần phải đạt được là xây dựng kịch bản phát triển bền vững cho lưu vực sông Vàm Cỏ. Để có thể đề xuất các giải pháp tổng hợp và khả thi để bảo vệ nguồn nước sông Vàm Cỏ phục vụ an toàn cho cấp nước đồng thời phục vụ cho các mục đích phát triển bền vững trên toàn lưu vực sông cần phải áp dụng nhiều phương pháp khác nhau như mô hình hóa, GIS, kết hợp với đo đạc thực địa để lấy số liệu. Tính phức tạp của bài toán ở đây là ở chỗ sông Vàm Cỏ trải rất dài và đi qua nhiều cụm dân cư, các khu công nghiệp cũng như có nhiều nguồn kênh rạch đổ vào do vậy từng phương pháp riêng rẽ ở trên dù có mạnh tới đâu cũng không thể cho một bức tranh tổng thể. Chính vì vậy nghiên cứu kết hợp GIS, mô hình toán và các dữ liệu thu thập được thành một công nghệ tích hợp giúp các nhà quản lý có thể ra được các quyết định có cơ sở vẫn còn là một bài toán cần nghiên cứu trong khuôn khổ bài toán bảo vệ môi trường và phát triển bền vững đối với sông Vàm Cỏ. Trước tình hình đó đề tài “Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán và GIS đánh giá chất lượng nước sông Vàm Cỏ phục vụ công tác quản lý môi trường Huyện Cần Đước – tỉnh Long An” được đưa ra nhằm ứng dụng phương pháp tích hợp mô hình, GIS vào cơ sở dữ liệu (CSDL) môi trường phục vụ công tác quản lý môi trường trong việc đánh giá và dự báo ô nhiễm nước sông trong thời gian sắp tới. Các vấn đề thể hiện tính cấp thiết của đề tài bao gồm: a. Đáp ứng trước nhu cầu phát triển kinh tế xã hội 3 - Tốc độ phát triển vượt bậc của các tỉnh thuộc khu vực giáp ranh với Tp. Hồ Chí Minh như Long An. - Mức độ công nghiệp hóa, đô thị hóa tại các tỉnh trong lưu vực Sông Vàm Cỏ ngày càng nhanh chóng. - Trang bị, nâng cấp hạ tầng cơ sở lưu trữ thông tin trước nhu cầu phát triển vượt bậc của thế giới. - Đảm bảo mức độ tin cậy của thông tin, dữ liệu trong việc hỗ trợ công tác xây dựng chính sách, quyết định liên quan đến môi trường. b. Để phát triển bền vững cần phải lưu ý giải quyết các bài toán sau đối với sông Vàm Cỏ 1. Xác định chính xác về các nguyên nhân gây ô nhiễm đặc thù nguồn nước sông Vàm Cỏ ảnh hưởng trực tiếp đến mục đích cấp nước. Việc ô nhiễm này rõ ràng liên quan chặt chẽ đến việc xả thải nước thải sinh hoạt từ khu dân cư và từ nước thải của hoạt động công nghiệp dọc sông Vàm Cỏ, từ nuôi trồng thủy sản trên sông… Từ đó cho thấy, việc xử lý nước thải từ nguồn đạt tiêu chuẩn quy định có ý nghĩa quyết định đến việc bảo vệ chất lượng của nguồn tiếp nhận - sông Vàm Cỏ. 2. Về lâu dài cần đánh giá được hiện trạng và dự báo diễn biến ô nhiễm nước sông Vàm Cỏ trong những năm tới đến 2015 và định hướng đến 2020 - để làm việc này cần thiết điều tra, khảo sát đồng bộ về nguồn xả nước thải, tải lượng nước thải vào sông Vàm Cỏ. 3. Đánh giá quá trình phát triển kinh tế - xã hội trên lưu vực sông Sài Gòn tác động và ảnh hưởng đến chất lượng nước sông Vàm Cỏ, điều chỉnh hợp lý kế hoạch phát triển kinh tế - xã hội trong những năm tới. 4 4. Ứng dụng mô hình toán quản lý chất lượng nước sông Vàm Cỏ với các mô hình toán lựa chọn thích hợp trong điều kiện cụ thể của sông Vàm Cỏ (như QUAL2K, MIKE...) 1.2. TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI 1. Kết hợp giữa hệ thống thông tin môi trường và dữ liệu môi trường để nâng cao hiệu quả quản lý môi trường.