Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019. ISBN: 978-604-82-2981-8

ỨNG DỤNG MƠ HÌNH MIKE 21 DỰ BÁO CHẤT LƯỢNG NƯỚC
CHO HỒ ĐẠI LẢI, TP VĨNH YÊN, TỈNH VĨNH PHÚC
Trần Tuấn Thạch1, Lê Văn Chín1, Nguyễn Thị Hằng Nga1
1
Trường Đại học Thủy lợi, email:

1. GIỚI THIỆU CHUNG

Tài nguyên nước mặt gồm: sông, suối, ao,
hồ,… là nguồn cung cấp nước chủ yếu cho
các hoạt động của con người. Tuy nhiên, các
nguồn nước này đang đối mặt với nguy cơ ô
nhiễm chất hữu cơ do nước thải từ các hoạt
động như canh tác, nước thải sinh hoạt, và
nước thải chăn ni. Dịng nước thải đổ vào
các hồ thủy lợi phục vụ cho tưới có chứa
nhiều các chất dinh dưỡng gồm các hợp chất
Ni tơ (N) và Phốt pho (P) hòa tan có thể gây
ra tình trạng phú dưỡng trong hồ. Hiện tượng
này xảy không những tác động xuất đến môi
trường sống của vi sinh vật trong hệ sinh thái
lòng hồ mà còn gây suy giảm chất lượng
nước sinh hoạt và nước tưới. Vì vậy, cơng tác
giám sát và dự báo chất lượng nước đóng vai
trị đặc biệt quan trọng về mặt đánh giá và
khôi phục môi trường chất lượng nước. Phân
tích đánh giá sự thay đổi chất lượng nước của
hồ có thể tiến hành thơng qua quan trắc tại
hiện trường và ứng dụng mơ hình dự báo chất

lượng nước. Hiện nay, có nhiều mơ hình sinh
thái hai chiều (Ecolab) được xây dựng để dự
báo chất lượng nước hồ như mô hình CEQUAL-W2I, mơ hình MIKE 21 FM,… Các
mơ hình này được ứng dụng rộng rãi và kiểm
chứng để mô phỏng chất lượng nước với độ
chính xác cao. Ở Việt Nam, mơ hình tốn đã
được ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn nhằm
dự báo dòng chảy và đặc biệt là chất lượng
nước của các hệ thống sông lớn, các vùng
ven biển 1. Tuy nhiên, hầu như chưa có
nhiều nghiên cứu dự báo sự thay đổi của chất
lượng nước của các hồ chứa.

Trong nghiên cứu này, tác giả giới thiệu
ứng dụng của mơ hình MIKE 21 FM để mơ
phỏng dự báo sự thay đổi chất lượng nước
mặt của hồ Đại Lải có chức năng phục vụ đa
mục tiêu cho tưới, sinh hoạt và du lịch. Phạm
vi quan trắc và tính tốn dự báo chất lượng
nước là hệ thống thủy lợi hồ Đại Lải, thành
phố Vĩnh Yên tỉnh Vĩnh Phúc.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Trong nghiên cứu này, mơ hình MIKE 21
được ứng dụng để mô phỏng chất lượng nước
của hồ Đại Lải. Mô hình MIKE 21 được tích
hợp các mơ đun bao gồm: mô đun thủy lực,
khuyếch tán (AD), chất lượng nước (Ecolab),
mô đun vận chuyển bùn cát (sediment
transportation. Mô đun thủy lực trong MIKE

21 được xây dựng dự trên các phương trình
tổng hợp theo phương dịng chảy để đảm bảo
tính liên tục và bảo tồn động lượng (hệ
phương trình Saint Venant). Hệ phương trình
cơ bản của mơ đun thủy động lực trong mơ
hình được mơ phỏng 1.
a) Mơ đun thủy lực HD Mơ đun thủy lực
Phương trình liên tục:
h hu hv


 hS
t x
y

(3.1)

b) Mô đun chất lượng nước ECOlab:
Sự thay đổi chất lượng nước trong mơ đun
ECOlab có thể được mơ tả bằng các phương
trình truyền tải của vật chất khơng bảo tồn,
có dạng
c
c
c
 2c
 2c
 u  v  Dx 2 2  Dy 2 2  Sc  Pc (3.2)
t
x

y
 z
 z

311


Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019. ISBN: 978-604-82-2981-8

Phương trình truyền tải có thể được viết lại
theo công thức
c
 ADC  PC
t

(3.3)

- Mô đun truyền tải khuếch tán (AD)
ADC 

c*  c tt (t  t )  ctt (t )
t

(3.4)

- Mô đun sinh thái (Ecolab):
Trong dự báo chất lượng nước hồ Đại Lải,
tác giả chọn cụ thể mơ hình sinh thái WQ
with nutrients (21/3, đây là mơ hình mơ
phỏng diễn biến q trình thay đổi hàm lượng

theo thời gian do các phản ứng sinh hóa của
các thông số chất dinh dưỡng gồm (NO3-;
NH4+), nhiệt độ (Temperature), Oxy hịa tan
(DO) và nhu cầu Oxy sinh hóa (BOD).
c) Dữ liệu mơ hình

Đơng Câu), ĐL 14 (Nhà nghỉ lão thành cách
mạng), và ĐL13 (khu vực sân golf).
Các vị trí quan trắc chất lượng nước dùng
để hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình ĐL11 (vị
trí lấy nước vào nhà máy nước sạch), ĐL12
(Đảo Ngọc).
Điều kiện biên dòng chảy vào hồ Đại Lải
từ hồ Thanh Cao Và Hồ Đông Câu được tính
từ mơ hình MIKE Nam 11.
Điều kiện ban đầu thủy lực cho mơ hình
bằng cách chạy trước mơ hình một khoảng
thời gian nhất định để ổn định mơ hình và lấy
giá trị mực nước ban đầu theo kết quả tính
tốn [1]. Vị trí kiểm tra mực nước được đo tại
trước cống Số 1 (ĐL1) (Hình 1). Điều kiện
ban đầu về nồng độ các chất được xác định từ
số liệu quan trắc đợt 1 tại các nguồn thải đổ
vào hồ (ĐL9, ĐL10, và ĐL13, ĐL14).

Số liệu đầu vào mơ hình trong tính tốn
bao gồm các số liệu về khí tượng (lượng
mưa), thủy văn theo dự báo thời tiết trong
thời đoạn ngắn (7 ngày), và chất lượng nước
được quan trắc. Số liệu độ sâu và đường bờ

của khu vực nghiên cứu được số hóa từ các
bản đồ và DEM được tải từ ảnh vệ tinh.

Hồ Thanh Cao

Hồ Đơng Câu

Hồ Đại Lải

ĐL10

Hình 2. Sơ đồ mạng mô phỏng
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
ĐL14

Quan trắc và dự báo chất lượng nước được
thực hiện năm đầu tiên (2019) cho hệ thống
thủy lợi hồ Đại Lải, do vậy tài liệu quan trắc
và dự báo chưa đủ dài để có thể đánh giá một
cách chính xác nhất về mơ hình.

ĐL12

ĐL13
ĐL9
ĐL11

a) Kết quả hiệu chỉnh mơ hình
ĐL1


Hình 1. Vị trí các nguồn thải và vị trí đo đạc
kiểm định, hiệu chỉnh mơ hình
Khu vực Hồ Đại Lải có 4 nguồn thải đổ
vào gồm: ĐL9 (Hồ Thanh Cao), ĐL10 (Hồ

Trong nghiên cứu, tác giả sử dụng kết quả
quan trắc tại 2 điểm đo ĐL11 (Điểm lấy nước
vào nhà máy nước sạch) và ĐL 12 (Vị trí gần
đảo Ngọc) trong các đợt từ 2 (15/2/2019) đến
đợt 5 (26/3/2019) để hiệu chỉnh cho mơ hình
chất lượng nước.

312


Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019. ISBN: 978-604-82-2981-8

tương quan R2 khá cao, và độ lệch bình quân
RMSE tương đối thấp. Tuy nhiên, tại một số
thời điểm mơ hình dự báo có độ lệch tương
đối so với kết quả thực đo tại ĐL11 đặc biệt
là vào tháng 3 đến tháng 5 khi nhiệt độ bắt
đầu tăng lên. Quá trình tăng nhiệt dẫn đến sự
phát triển mạnh của tảo xanh, làm cho q
trình sinh hóa thay đổi theo do phytoplankton
tiêu thụ mạnh Nitơ để xây dựng sinh khối.
Tuy nhiêu điều này chưa được đề cập trong
nghiên cứu này.

Bảng 1. So sánh kết quả quan trắc

và mô phỏng từ mơ hình tại vị trí ĐL11
R2
0.92
0.85
0.92
0.93

Chỉ tiêu
DO
NO3NH4+
BOD5

NO3-

DO

0.35

7
6

0.3

5

0.25

4

0.2


(mg/l)

(mg/l)

RMSE (mg/l)
0.11
0.06
0.08
0.91

3

0.15

2

0.1

1

0.05

0

Đợt 2

Đợt 3

Đợt 4


0

Đợt 5

Đợt quan trắc

NH4
0.7

12

0.6

10

0.5

Đợt 3

Đợt 4

Đợt 5

Đợt quan trắc

8

0.4


(mg/l)

(mg/l)

Đợt 2

0.3

6
4

0.2

2

0.1
0

Đợt 2

Đợt 3

Đợt 4

0

Đợt 5

Đợt quan trắc


Đợt 2

Đợt 3

Đợt 4

Đợt 5

Đợt quan trắc

Hình 3. So sánh DO, NO3-, NH4+, và BOD5
giữa tính tốn và quan trắc tại vị trí ĐL11
b) Kết quả kiểm định mơ hình
Kết quả quan trắc từ đợt 6 (9/4/2019) đến
đợt 9 (25/9/2019) dùng để kiểm định mô hình
chất lượng nước.
Bảng 2. So sánh kết quả quan trắc
và mơ phỏng từ mơ hình tại vị trí ĐL11
R2
0.71
0.91
0.68
0.85

Chỉ tiêu
DO
NO3NH4+
BOD5

RMSE (mg/l)

0.41
0.13
0.11
5.01

NO3-

DO

1.4

8

1.2
1
(mg/l)

(mg/l)

6
4

0.6

5. TÀI LIỆU THAM KHẢO

0.2
0

Đợt 6


Đợt 7

Đợt 8

0

Đợt 9

Đợt quan trắc

NH4

Đợt 6

Đợt 7

Đợt 8

Đợt 9

Đợt quan trắc

BOD5

0.35

12

0.3


10

0.25

8
(mg/l)

0.2
0.15
0.1
0

6
4
2

0.05

Đợt 6

Đợt 7

Đợt 8

Đợt 9

Đợt quan trắc

Dự báo chất lượng nước cho hồ chứa là

một nhiệm vụ rất quan trọng trong công tác
giám sát chất lượng môi trường nước. Trong
nghiên cứu này, tác giả đã ứng dụng mơ hình
MIKE 21 FM để dự báo chất lượng nước cho
hồ Đại Lải. Kết quả dự báo có độ chính xác
cao đối với số liệu thực đo về hàm lượng DO.
Kết quả dự báo BOD5 và NH4+, và NO3- so
với số liệu thực đo chính xác ở hầu hết các
đợt. Tuy nhiên, một số đợt đo 7 và 8 kết quả
dự báo còn lệch so với quan trắc. Sai số này
có thể gây ra bởi vì mơ hình chưa tính đến
tác động của các loại tảo (được định lượng
bởi hàm lượng Chl.a). Trong tháng 3 đến
tháng 5 (Đợt 7 đến đợt 8), tảo phát triển khá
mạnh 2 trong điều kiện nhiệt độ thích hợp
và tảo sẽ tiêu thụ một lượng lớn NO3-, tuy
nhiên trong mơ hình chưa đề cập đến quá
trình này. Trong nghiên cứu tiếp theo, tác giả
có thể đưa thêm hàm lượng Chl.a như là một
thơng số trong mơ hình.

0.8
0.4

2

(mg/l)

4. KẾT LUẬN


BOD5

0

Đợt 6

Đợt 7

Đợt 8

Đợt 9

Đợt quan trắc

Hình 4. So sánh DO, NO3-, NH4+, và BOD5
giữa tính tốn và quan trắc tại vị trí ĐL 11
Từ kết quả (Bảng 1 và 2, và Hình 3 và 4)
có thể thấy mơ hình cho kết quả dự báo khá
tốt so với số liệu quan trắc với chỉ số hệ số

[1] Trần Hồng Thái (2017), Ứng dụng mô hình
MIKE 21 FM mơ phỏng chất lượng nước khu
vực ven biển Đình Vũ, Science & Technology
Development, Vol 20, No.T4-2017.
[2] Trần Tuấn Thạch, Harada M, Hiramatsu K,
Tabata T (2018) Estimation of water quality
dynamics under long-term anoxic state in
organically polluted reservoir by field
observations and improved ecosystem
model.PWE, />

313