1.GIỚI THIỆU CHUNG

Hồ Tây là một hồ đô thị lớn nhất của Việt Nam, được hình thành từ những năm 1450 gắn với việc trị thuỷ sông Hồng và phát triển hệ thống thuỷ nông đồng bằng Bắc Bộ của cha ông ta [1]. Sau khi kè bờ, hồ có diện tích 527,517 ha, chu vi 18,9 km, dung tích khoảng 13.380.000 m³. Độ sâu trung bình của hồ khoảng 1,5 đến 2 m, tối đa 3đến 4 m, phụ thuộc từng mùa [2].

Hồ Tây có vai trò chính là hồ cảnh quan du lịch, điều hòa khí hậu cho khu vựcvà bảo tồn hệ sinh vật đặc trưng. Tuy nhiên do ở vị trí có địa hình cao (từ +7,5m đến +9,5m), khả năng điều tiết nước mưa của hồ hạn chế [2]. Với mực nước cao và dung tích lớn, Hồ Tây cũng nênđược xem xét để làm nguồn nước bổ sung để tạo dòng chảy, tăng cường làm sạch và đảm bảo cảnh quan cho các kênh hồ nội thành về mùa khô. Ngoài ra hồ còn đóng vai trò tham gia bổ cập nước ngầm cho một số công trình cấp nước nhỏ trong khu vực. Do đặc điểm như vậy, chất lượng nước Hồ Tây cần đảm bảo các quy định loại A2 của QCVN 08-MT:2015/BTNMT về chất lượng nước mặt.

Hình 1. Bản đồ hồ Tây từ Google earth ngày 4 tháng 2 năm 2018

Nằm ở một trong những khu vực tập trung và phát triển nhất của Hà Nội với tốc độ đô thị hóa và xây dựng mạnh, hồ Tây hiện nay đang bị ô nhiễm do việc tiếp nhận trực tiếpnước thải chứa các chất ô nhiễm chưa được xử lý xả vào. Nhà máy xử lý nước thải (XLNT) tập trung khu vực Hồ Tây có công suất 15.000 m³/ngày hoạt động từ năm 2014, tuy nhiên hiện nay chỉ mới thu gom được 7000 đến 10000 m³/ngày để xử lý đến mức A của QCVN 14:2008/BTNMT, sau đó xả về tuyến mương Xuân La - Xuân Đỉnh [3].

Trong những năm gần đây hồ Tây lại đối mặt với sự hạ thấp mực nước do sự bốc hơi trực tiếp từ bề mặt và thẩm thấu vào đất do hạ thấp tầng nước ngầm mạch nông. Sự hạ thấp này là do diện tích mặt phủ không thấm nước mưa khu vực xung quanh tăng lên từ quá trình đô thị hóa. Vì vậy, bổ cập nước sạch cho hồ Tây là cần thiết để tăng cường quá trình tự làm sạch cũng như đảm bảo mực nước cảnh quan, duy trì các điều kiện sinh thái cho hồ.

Mục tiêu của nghiên cứu này là đề xuất các giải pháp bổ cập nước cho hồ Tây trên quan điểm tăng cường quá trình tự làm sạch kết hợp với bảo đảm mực nước cảnh quan sinh thái cho hồ. Các giải pháp đưa ra để phân tích là các giải pháp thực tế và khả thi trong bối cảnh quản lý thoát nước mưa và nước thải hiện nay tại lưu vực Hồ Tây.

2.MÔ HÌNH QUÁ TRÌNH TỰ LÀM SẠCH NGUỒN NƯỚC ỨNG DỤNG ĐỂ NGHIÊN CỨU BỔ CẬP VÀ PHA LOÃNG NƯỚC HỒ TÂY

Tự làm sạch là tổ hợp các quá trình tự nhiên như: thuỷ động học, sinh học, hoá học, hoá lý... diễn ra trong sông hồ bị nhiễm bẩnsau khi tiếp nhận nước thải nhằm phục hồi trạng thái ban đầu. Hai quá trình cơ bản của tự làm sạch là: pha loãng nước thải với nước nguồn và chuyển hoá chất bẩn theo thời gian trong nguồn nước. Để dự báo ô nhiễm chất hữu cơ trong hồ Tây, mô hình được sử dụng là mô hình quá trình tự làm sạch theo BOD. Chất hữu cơ dễ oxy hóa sinh hóa (thông số BOD) là chất ô nhiễm đặc trưng nguồn gốc từ nước thải sinh hoạt khi vào nguồn nước, sự phân hủy của nó sẽ làm thay đổi chế độ oxy, yếu tố sinh thái tới hạn của vực nước mặt. Vì vậy thông số BOD thường được sử dụng trong các mô hình tính toán quá trình tự làm sạch và dự báo ô nhiễm sông hồ đô thị [4, 5]. Khi đề cập đến sự pha loãng nước thải trong hồ, biểu thức xác định nồng độ chất bẩn lớn nhất theo BOD₅ tại điểm tính toán như sau[6]:

                                 ( 1 )

Trong đó: L_ng –BOD₅ của hồ trong vùng không tiếp nhận nước bổ cập; L₀ - BOD₅ của nước bổ cập; L_bs- BOD₅ bổ sung do các quá trình sinh hoá khác diễn ra trong sông hồ như: phú dưỡng, xác sinh vật chết, lên men cặn đáy, cuốn trôi chất bẩn từ trên bờ xuống hồ,...; n - số lần pha loãng nước bổ cập với nước hồ; K₁ – hệ số tiêu thụ ô xy, đặc trưng cho sự phân huỷ sinh hóa chất hữu cơ trong hồ (theo logarit thập phân), ngày^-1; t- thời gian nước lưu lại trong hồ, ngày.

Thông thường trong quá trình tự làm sạch nguồn nước, sự pha loãng nước sông hồ với nước bổ cập được tính toán riêng rẽ theo thông số hàm lượng chất rắn lơ lửng (SS) [7]. Số lần pha loãng n theo SS được xác định như sau: 

                                                                   (2)

Trong đó: C₀ vàC_ng là SS trong nước bổ cập và trong nước sông hồ trước khi tiếp nhận nước thải bổ cập; C_x,ylà SS tại vị trí tính toán có tọa độ x, y.

Số lần pha loãng chung n theo biểu thức (2) bao gồm hai thành phần: số lần pha loãng ban đầu n_đ phụ thuộc vào cấu tạo miệng xả và cách xả (bổ cập) nước và số lần pha loãng cơ bản n_c, phụ thuộc chế độ thuỷ động học của nguồn nước. Các mối quan hệ này được biểu diễn như sau: n=n_đ.n_c

Hệ số K₁ là đại lượng thực nghiệm phụ thuộc vào điều kiện sinh thái và chế độ thủy văn của vực nước mặt. Đối với các hồ đô thị khu vực đồng bằng Bắc bộ (ĐBBB), K₁ phụ thuộc vào các yếu tố như: thời gian nước lưu lại trong hồ, hàm lượng chất bẩn (BOD₅) xả vào,... và xác định theo biểu thức sau đây [8]: K₁= 0,229 t ^-0,656, ngày^-1. Trong hồ Tây, do thời gian lưu thuỷ lực lớn, hệ số K₁ có thể được chọn với giá trị nhỏ, bằng 0,01ngày^-1[9].

Phụ thuộc vào vị trí, cấu tạo và thời gian nước lưu lại trong hồ, hàm lượng chất ô nhiễm bổ sung tính theo BOD₅ L_bs của các hồ nội thành ĐBBB dao động từ 2,5 đến 4,5 mg/l [10]. Hồ Tây là hồ lớn nên L_bsđược chọn bằng 2,5 mg/l.

Các đại lượng K₁ và L_bs đã được kiểm chuẩn trong nhiều tính toán đánh giá chất lượng nước hồ đô thị khu vực ĐBBB [8] nên mô hình (1) đảm bảo độ tin cậy trong việc ứng dụng để tính toán đánh giá chất lượng nước hồ Tây theo thông số BOD₅.

Khi xả liên tục nước thải vào hồ với lưu lượng và nồng độ chất bẩn ổn định theo thời gian (có trạm bơm và trạm XLNT), quá trình lan truyền chất bẩn bền vững (thường dùng thông số SS để tính toán) trong hồ được biểu diễn bằng phương trình:

                                              (3)

Trong đó: D_y - hệ số khuếch tán rối theo phương y, xác định bằng HV_x/200 và H là chiều sâu trung bình của hồ tại vị trí xả nước thải, m.

Các điều kiện biên như là đáy, mặt và bờ hồ có giới hạn, không tiếp nhận chất bẩn lan truyền () và Ruffel M.A. đã giải bài toán này bằng trong điều kiện dòng chảy trong hồ chủ yếu do gió hướng dọc theo bờ hồ với vận tốc ≤5,5m/s để xác định số lần pha loãng nước thải trong vùng ô nhiễm lớn nhất [6]:

- Số lần pha loãng ban đầu khi xả nước thải tầng nước mặt xác định theo (4a) và tầng nước đáy theo (4b):

 (4a )                    (4b)

- Số lần pha loãng cơ bản khi xả nước thải ven bờ:

      (5)

và khi xả nước thải xa bờ:

     (6)

Trong đó: X- khoảng cách tính từ điểm xả nước thải đến điểm tính toán, m;

Các bước tính toán Dx của biểu thức (5) và (6) xác định như sau: khi xả (bổ cập) nước ven bờ: Dx = 6,53H^1,167 và khi xả (bổ cập) nước xa bờ: Dx = 4,41H^1,,167.

Trong trường hợp bổ sung nước vào hồ bằng áp lực, cống xả nước được đặt ngập, vận tốc nước thải tại miệng xả v_o > 2m/s. Giữa chiều sâu đặt cống xả H và đường kính miệng xả d₀ có tỷ lệ : H / d₀ / 30. Theo Lapsop N.N.,1977 [7], số lần pha loãng trong trường hợp này được xác định theo biểu thức sau:

                         (7)

trong đó: A- hằng số, nếu xả nước tập trung A=1 và xả nước phân tán A = 0,74 (L/l₁ + 2,1)^{- 0,4}; L- khoảng cách từ miệng xả đến điểm tính toán, m; l₁-khoảng cách giữa các điểm xả phân tán.

P- đại lượng đặc trưng cho chế độ thuỷ động học trong hồ, xác định như sau:

                  (8)

Trong đó: V_TB - vận tốc trung bình dòng chảy trong hồ, m/s; V₀- vận tốc nước bổ cậptại miệng xả (/2m/s).

S-hệ số phụ thuộc độ sâu của hồ:

              (9)

Theo Lapsop N.N., 1977, khi xả vào vực nước tĩnh với phân phối nước phân tán với điều kiện nêu trong (7), (8) và (9), chế độ thủy động học của nguồn nước ít biến động [7] do đó nguy cơ sốc sinh thái đối với hệ thủy sinh trong hồ được hạn chế.

3.CÁC DỮ LIỆU TÍNH TOÁN

Chất lượng nước hồ Tây được dự báo theo các kịch bản của Quy hoạch Thoát nước Thủ đô Hà Nội đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050 [11], Quy hoạch thoát nước Hà nội do JICA lập năm 1995[12] và Báo cáo nghiên cứu tiền khả thi dự án đầu tư nâng cao chất lượng nước hồ Tây do Công ty tư vấn đầu tư xây dựng giao thông công chính và Tổ hợp kỹ thuật - môi trường Viên (áo) lập năm 1999 [13] như sau:

-Phương án 1: Nước thải khu vực xung quanh hồ chưa được thu gom xử lý và xả trực tiếp vào hồ như hiện nay. Tổng lưu lượng nước thải là 23.400 m³/ngày, bao gồm 8000 m³/ngày ven hồ chưa được thu gom và 15.400 m³/ngày từ lưu vực thoát nước đường Phan Đình Phùng đổ vào do tuyến cống Thụy Khuê đang thi công [3].

-Phương án 2: Toàn bộ nước thải lưu vực hồ Tây được thu gom xử lý đạt mức A theo QCTĐHN 02:2014/BTNMT tại nhà máy XLNT Hồ Tây và nhà máy XLNT Hồ Trúc Bạch là 26.409 m³/ngày sau đó xả trở lại vào hồ Tây. Nước thải xử lý sinh học hoàn toàn với BOD₅sau xử lý là 20 mg/L[3].

-Phương án 3: Nước thải được thu gom và xử lý sau đó xả ra sông Tô Lịch, nước sông Hồng bổ cập với lưu lượng dự kiến khoảng 1m³/s (trung bình 80.000 m³/ngày với thời gian hoạt động 260 ngày nắng/năm và đảm bảo chu kỳ trao đổi nước trên 1,5 lần/năm) cho hồ. Nước thải lưu vực hồ Trúc Bạch công suất 2400 m³/ngày được xử lý đảm bảo mức A theo QCTĐHN 02:2014/BTNMT sau đó xả ra hồ Tây qua cống ngang đường Thanh niên.

Tổng hợp các dữ liệu để tính toán dự báo được nêu trong bảng 1.

Bảng 1. Các dữ liệu dự báo ô nhiễm nước hồ Tây theo BOD

Dự báo được xem xét trong tình huống ít thuận lợi nhất cho quá trình tự làm sạch: trong mùa khô khi điều kiệnpha loãng nước thải trong hồ hạn chế và nước thải xả tập trung vào một vị trí ven hồ ở tầng nước mặt.

4.KẾT QUẢ TÍNH TOÁN

Kết quả tính toán xác định BOD₅ trong nước hồ sau khi xả nước thải theo 3 phương án đã nêu được thể hiện trên hình 2.

Hình 2. Biểu đồ lan truyền và chuyển hoá chất bẩn hữu cơ (BOD₅) trong hồ Tây sau khi xả nước thải theo các phương án khác nhau.

Theo kết quả tính toán thấy rằng nếu giữ nguyên tình trạng thoát nước như hiện nay, khả năng tự làm sạch của hồ Tây không đảm bảo được cho hồ có chất lượng nước loại A2 theo QCVN 08-MT:205/BTNMT(BOD₅ <6mg/l). Theo phương án 2, sau 400 m cách miệng xả nước thải BOD trong hồ mới có thể duy trì mứcnhỏ hơn 6,0 mg/l. Đối với phương án 3 khoảng cách này giảm xuống 350 m. Trong phần lớn vực nước, chất lượng nước hồ theo BOD₅ theo các phương án 2 và phương án 3 hầu như không thay đổi. So với hiện nay, tình trạng ô nhiễm hữu cơ sẽ được cải thiện đi rất nhiều (theo số liệu phân tích ngày 20/8/2018 của Viện Khoa học và Kỹ thuật môi trường, BOD₅ của nước vùng giữa hồ vị trí X: 2335470 Y: 542692là 17,5 mg/l)[15]. Trong trường hợp cải thiện chất lượng nước hồ Tây theo phương án 2 và 3, nước hồ Tây đảm bảo BOD₅ dưới 6 mg/l tại vị trí cách bờ 350÷400m và dưới 4 mg/l (tương đương mức A1 theo QCVN 08-MT:2015/BTNMT) tại vị trí cách bờ 800 m đối với phương án 2 và 750m đối với phương án 3 như hình 2. Như vậy hồ Tây với tổng dung tích nước 13.380.000 m³ có khả năng tự làm sạch lớn, khi bổ cập lượng nước thải sinh hoạt 26.409 m³/ngày đã được xử lý đến mức A của QCTĐHN 02:2014/BTNMT (phương án 2) thì nước ở vùng giữa hồ luôn đảm bảo mức A2 của QCVN 08-MT:2015/BTNMT. Tuy nhiên sự bổ cập của nước thải sau xử lý này chỉ tương đương với lượng bốc hơi trung bình hàng ngày về mùa khô từ bề mặt hồ Tây là 5 mm/ngày [2].

Trong trường hợp bổ cập nước sông Hồng vào hồ Tây với lưu lượng 1m³/s và chất lượng nước như trong bảng 1 mực nước hồ Tây luôn duy trì được cao độ +6,20 m và phần lớn diện tích hồ có chất lượng nước mức A2 của QCVN 08-MT:2015/BTNMT. Trung bình mỗi ngày bổ sung được thêm một lớp nước 15,6 mm cho hồ Tây.

Do nước sông Hồng hiện nay có hàm lượng phù sa giảm rõ rệt, Dương Thanh Lượng, 2018, tính toán và cho thấy: với việc đưa trực tiếp nước sông Hồng (SS là 57,7 mg/L) Q=80.000 m³/ngày bổ cập cho hồ Tây thì chiều cao lớp phù sa lắng trong hồ 1 năm không lớn, là 0,21 mm [14].Nước tràn từ hồ Tây qua cống Đọ và cống Thụy Khuê có thể bổ cập, thau rửa cho sông Tô Lịch. Tuy nhiên để tránh tình trạng sốc sinh thái tại vùng cấp nước từ sông Hồng vào hồ Tây, nước bổ cập cần được phân phối phân tán. Hình thức phân phối nước phân tán được nêu trên hình 3. Tính toán bổ cập nước phân tán vào hồ theo biểu thức (7), (8) và (9) với điều kiện ống cấp nước được đặt ngập, vận tốc nước thải tại miệng xả v_o > 2m/s. Giữa chiều sâu đặt ống H và đường kính miệng xả d₀ có tỷ lệ: H / d₀/30 [7].

Với hình thức xả phân tán nước thải có BOD₅≤20 mg/L, hồ Tây có thể tiếp nhận được lượng nước thải 22.000 m³/ngày từ nhà máy XLNT Hồ Tây. Đây cũng là nguồn bổ sung góp phần duy trì mực nước cần thiết trong hồ Tây.

Tuy nhiên kết hợp giữa cấp nước từ nguồn sông Hồng về mùa khô công suất Q=1 m³/s, bổ sung nước sau xử lý đạt mức A theo các quy chuẩn môi trường về xả thải và phân phối nước phân tán như hình 3 là một giải pháp phù hợp nhất để đảm bảo chất lượng mức A2 theo QCVN 08-MT:2015/BTNMT cho hồ Tây cũng như đảm bảo mực nước cảnh quan trong hồ và một phần nước sạch từ hồ Tây qua cống Thụy Khuê thau rửa, pha loãng nước thải trong sông Tô Lịch.

5. KẾT LUẬN

1. Hồ Tây hiện nay không đáp ứng yêu cầu chất lượng nước mặt loại A2 về chỉ tiêu chất hữu cơ (tính toán theo phương án 1). Xu thế ô nhiễm của hồ đang tăng lên nếu không có các biện pháp bảo vệ nguồn nước phù hợp.

2.Sau khi xử lý toàn bộ nước thải trên lưu vựcđạt mức A theo các quy chuẩn môi trường (BOD₅≤20 mg/L) với hình thức xả phân tán vào hồ Tây, chất lượng nước hồ cách bờ tối đa 350 m đạt mức A2 theo QCVN 08-MT:2015/BTNMT. Như vậy nhờ vào khả năng tự làm sạch của hồ, nước thải sau xử lý của nhà máy XLNT Hồ Tây và nhà máy XLNT Hồ Trúc Bạch đạt mức A của QCTĐHN 02:2014/BTNMT có thể xả trực tiếp ra hồ Tây.

3. Để đảm bảo mực nước cảnh quan và các điều kiện sinh thái của hồ Tây cũng như sử dụng nước hồ pha loãng nước thải trong sông Tô Lịch, kết hợp cấp nước sông Hồng về mùa khô công suất khoảng 1m³/s và bổ cập nước thải sau xử lý đạt mức A của nhà máy XLNT Hồ Tây và nhà máy XLNT hồ Trúc Bạch với hình thức phân phối nước phân tán là giải pháp phù hợp, có ý nghĩa kinh tế và môi trường cao.

------------------------------

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Trần Quốc Vượng, Nguyễn Trần Đản, Nguyễn Từ Chi. Nghìn xưa văn hiến. Nhà xuất bản Kim Đồng, 2014.

2. Ban Quản lý dự án Đầu tư xây dựng công trình cấp nước, thoát nước và môi trường thành phố Hà Nội. Dự án "Nạo vét bùn, bổ cập nước, xây dựng cột phun nước cho hồ Tây”. Hà Nội, tháng 1/2018.

3. Công ty Cổ phần đầu tư xây dựng và thương mại Phú Điền. Báo cáo đánh giá tác động môi trường Dự án đầu tư xây dựng bổ sung hoàn thiện hệ thống thu gom nước thải xung quanh hồ Tây, hồ Trúc Bạch và hạ tầng kỹ thuật xung quanh hồ Đầm Bảy, hồ Quảng Bá. Hà Nội, 2018.

4. Asít K. Biswas.Water Resources, Environmental Planning, Management and Development, McGraw-Hill,1996;

5. Trần Đức Hạ. Hồ đô thị: Quản lý kỹ thuật và kiểm soát ô nhiễm. Nhà xuất bản Xây dựng, 2016.

6. Rodziller I.D. Dự báo chất lượng nước nguồn tiếp nhận nước thải, Moscơva, 1984 (tiếng Nga).

7. Lapsop N.N. Tính toán các cống xả nước thải. Nhà xuất bản Xây dựng Lenigrad, 1977 (tiếng Nga).

8. Trần Đức Hạ. Báo cáo đề tài NCKH Hoàn thiện mô hình kiểm soát ô nhiễm nước sông hồ trong quá trình đô thị hoá (mã số B2000-34-63), Hà nội , 2000.

9. Trần Đức Hạ. Ứng dụng mô hình phú dưỡng để dự báo chất lượng nước hồ Tây. Hội thảo Việt Nam – Canada về Bảo vệ môi trường nước Hà Nội, Trung tâm Kỹ thuật môi trường đô thị và khu công nghiệp (CEETIA), 1997.

 TRẦN ĐỨC HẠ 

Viện Nghiên cứu Cấp thoát nước và Môi trường