Quản lý lưu vực sông bằng mô hình QUAL2K

Mở Đầu Vấn đề quản lý lưu vực sông hiện nay đang là vấn đề vô cùng cần thiết và cấp bách, trên thế giới hiện nay để có thể quản lý được tốt người ta dùng rất nhiều các mô hình tính toán, dưới đây là một trong số đó, QUAL2K, đây là phần mềm mô hình của EPA’s cục bảo vệ môi trường Mỹ. chúng ta sẽ nghiên cứu mô hình này để xem chúng hữu ích và độ chính xác như thế nào để có thể đưa ra các cách giải quyết chính xác. Mục Lục Phần 1 Cơ sở lý thuyết của mô hình QUAl2K…………1 Giới thiệu……………………………………………...1 Giới thiệu về Qual2E………………………………….1 Giới thiệu về Qual2K…………………………………3 2. Bắt đầu chương trình…………………………………..4 3.Sự chia ra từng đoạn và tính chất thủy lực của đoạn sông…………………………………………………........9 3.1 Cân bằng dòng chảy………………………………….12 3.2 tính chất thủy lực……………………………………..14 3.2.1 Đập nước……………………………………………14 3.2.2 Hệ số đường cong…………………………………..16 3.2.3 Công thức manning…………………………………17 3.2.4 Thác nước…………………………………………..18 3.3 Travel Time…………………………………………..19 3.4 Phát tán dọc trục………………………………………19 4. Nhiệt độ mô hình……………………………………….20 4.1 Dòng nhiệt bề mặt…………………………………….21 4.1.1 Bức xạ mặt trời……………………………………..22 4.1.2 Bức xạ sóng dài trong không khí…………………...25 4.1.3 Bức xạ sóng dài trong nước…………………………26 4.1.4 Độ dẫn và sự đối lưu………………………………..26 4.1.5 Sự bốc hơi và sự cô đặc…………………………….27 4.2 Sự vận chuyển nước – trầm tích………………………27 Phần 2 Tổng quan về lưu vực sông……………………….28 1. Giới thiệu chung……………………………………….28 2.Các số liệu cần thiết để phục vụ cho việc mô phỏng……29 Phần 3 Kết luận……………………………………………32 Phần 1 Cơ sở lý thuyết của mô hình QUAl2K. Cơ sở của phương pháp là hệ phương trình thủy lực, ổn định một chiều. Hệ phương trình thủy lực Saint – Venant một chiều từ hệ phương trình tính được cân bằng thủy lực. Hệ phương trình phát tán
Từ đó ta tìm được phương trình cơ bản của mô hình:
1.Giới Thiệu a. giới thiệu về qual2e QUAL2E cho phép mô phỏng nhiều nhánh sông, một hệ thống sông một chiều. Bước đầu tiên trong mô hình là phân chia hệ thống sông thành các đoạn sông, đó là một đoạn sông của hệ thống với tính chất thủy lực đồng nhất. Mỗi đoạn sông lại được phân chia thành các phần tử tính toán có độ dài bằng nhau. Tất cả các đoạn sông phải bao gồm số phần tử tính toán phải là một số nguyên. Có 7 loại khác nhau của phần tử tính toán. Phần tử đầu nguồn phần tử chuẩn phần tử ngược dòng từ một chỗ nối phần tử nối phần tử cuối trong hệ thống phần tử vào phần tử ra. Tính chất thủy lực, hằng số tốc độ phản ứng, điều kiện ban đầu và dữ liệu để tính toán các phần tử cũng giống như trong một đoạn sông. Giới hạn mô hình QUAL2E sẽ phác họa một chương trình chung, tuy nhiên, chắc chắn giới hạn chiều sẽ bắt buộc trong quá trình chạy, các giới hạn đó là: Đoạn sông : max 25 Phần tử tính toán :
20% số đoạn sông hoặc tổng bằng 250 Phần tử nguồn : max 7 Phần tử nối : max 6 Phần tử vào và ra : max25. Mục đích đầu tiên của mô hình chất lượng nước là tạo ra công cụ có khả năng mô phỏng tính chất thủy lực và chất lượng nước. Mô tả công thức Công thức cơ bản được giải bởi QUAL2E là một chiều, phát tán dọc trục, công thức vận chuyển khối lượng bao gồm bình lưu, phát tán, pha loãng, thành phần phản ứng, và sự tác động qua lại giữa chúng, nguồn sông và lắng đọng. Công thức có thể được viết như sau:
(II – 1). Trong đó: M : Khối lượng (M) x: distance (L) t: thời gian (T) C: nồng độ (ML-3) Ax : diện tích mặt cắt ngang (L2) DL hệ số phát tán (L2T-1)
: tốc độ trung bình (LT-1) S: nguồn sông hoặc lắng đọng (MT-1). Bởi vì M = V.C, chúng ta có thể viết:
Trong đó V = Ax.dx thể tích phát tán (L3). Nếu chúng ta coi dòng chảy là ổn định,
, thì
và công thức II – 2a trở thành.
(II – 2b) Tính chất thủy lực QUAL2K có tính đến cân bằng thủy lực, với điều kiện dòng chảy ổn định, một chiều, cân bằng thủy lực có thể viết như sau:
. b. Mô hình QUAL2K QUAL2K ( hoặc Q2K) là một mô hình về chất lượng nước của sông và dòng chảy nó được cải tiến từ cho mô hình QUAL2E (Q2E) do (Brown and Barnwell 1987). Q2K tương tự như Q2E với những đặc điểm sau: Một chiều. Lòng sông là những nguồn nước trộn lẫn theo chiều dọc và chiều sâu. Nhánh sông. Hệ thống có thể bao gồm một sông chính với các sông nhánh. Diel heat budget. Khối nhiệt và nhiệt độ được mô phỏng như một công thức khí tượng học trên một mức độ thời gian. Tính chất thủy lực là ổn định. Đồng nhất, dòng chảy ổn định được mô phỏng Động học chất lượng nước diel. Chất lượng nước thay đổi mô phỏng theo các mức độ thời gian. Nhiệt và khối lượng đầu vào. Điểm và không điểm chịu tải và nước chảy ra đều được mô phỏng. QUAL2K còn bao gồm các phần tử mới: Phần mềm môi trường và giao diện. Q2K là một công cụ trong môi trường Microsoft Windows. Số lượng tính toán dùng chương trình Fortran 90. Excel được sử dụng để hiển thị đồ thị trên giao diện cho người sử dụng. Tất cả các giao diện này có tác dụng là chương trình trong Microsoft Office dùng ngôn ngữ: Công cụ Visual Basic( VBA). Mô hình chia nhỏ. Q2E chia hệ thống thành các đoạn sông gồm các phần tử có khoảng cách bằng nhau. Q2K phân chia hệ thống thành các đoạn sông và các phần tử. Thêm vào đó, khối lượng và các dòng chảy ra có thể vào nhiều phần tử. Sự hình thành cacbon BOD. Q2K sử dụng 2 dạng Cacbon BOD tượng trưng carbon hữu cơ. Hai dạng đó là dạng oxy hóa chậm (slow CBOD) và dạng oxy hóa nhanh (fast CBOD). Sự thiếu Oxy(Anoxia). Q2K điều chỉnh lượng thiếu Oxy bởi sự làm giảm phản ứng oxy hóa đến không với mức oxy thấp. Thêm vào đó, quá trình khử Nito như là mô hình phản ứng bậc 1 làm cho nồng độ oxy xuống thấp. Tác động qua lại giữa nước và trầm tích. Nước và trầm tích chảy mạnh làm hòa tan Oxy và dinh dưỡng có thể mô phỏng bên trong hơn là bắt buộc. Do đó lượng oxy (SOD) và dòng chảy dinh dưỡng được mô phỏng như một công thức ổn định về vật chất hữu cơ, phản ứng trong trầm tích, và nồng độ ở dạng hòa tan sẽ làm nước quá bão hòa. Tảo dưới nước. Mô hình hiện mô phỏng gắn liền với tảo dưới nước. Tảo này có thể thay đổi hóa học lượng pháp. Sự tiêu hủy ánh sáng. Sự tiêu hủy ánh sáng được tính toán như một công thức của tảo, chất rắn vô cơ và các vật vụn. pH. Cả tính kiềm và tổng cacbon vô cơ đều có thể mô phỏng. pH của các dòng sông được tính toán cơ bản dựa trên hai lượng ở trên. Mầm bệnh. Một đặc điểm chung của giống bệnh sẽ được mô phỏng. việc thủ tiêu mầm bệnh được xác định như một công thức của nhiệt độ, ánh sáng, ổn định. Tính chất động lực đặc trưng của đoạn sông. Q2K cho phép bạn chỉ rõ nhiều tính chất động lực trên một đoạn sông đặc trưng cơ bản. Đập và thác nước, tính chất thủy lực của đập nước sẽ ảnh hưởng đến đập và thác nước mà sự vận chuyển là rất rõ ràng. 2. Bắt đầu chương trình. Ngay dưới đây sẽ cho thấy dạng chương trình như thế nào, Excel sẽ phục vụ cho các giao diện của QUAL2K. Tất cả các đầu vào và đầu ra của mô hình sẽ được thực hiện bằng công cụ trong Excel, tất cả các công thức trong Excel dùng ngôn ngữ: Visual Basic for Applications (VBA). Tất cả các công thức tính toán bằng công cụ Fortran 90 được thi hành mau lệ. Tiếp sau đây là các bước có bao nhiêu mô hình có thể cài đặt lên máy tính của bạn và sử dụng chúng để làm mô phỏng . Bước 1: copy the file, Q2Kv2_07.zip đến đường dẫn (ví dụ, C:\) khi file được giải nén nó sẽ cho các file sau : file Excel (Q2KMasterv2_07.xls), và một file chạy (Q2KFortran2_07.exe). Đầu tiên trên giao diện của Q2K cho phép bạn chạy Q2K và biểu lộ kết quả của nó. Thứ hai là Fortran có thể thực hiện được công việc thực tế tính toán mô hình. Sẽ có hai file trong đường dẫn giống nhau để mô hình có thể chạy chính xác. Chú ý sau khi bạn chạy mô hình, một số file sẽ tự động được tạo ra bởi Fortran có thể trao đổi thông tin với Excel. Chú ý không xóa file .Zip. Nếu một vài lý do, bạn sửa Q2k, bạn có thể sử dụng file zip để cài đặt lại mô hình. Bước 2: tạo ra file theo đường dẫn C:\Q2Kv2_07 gọi là file dữ liệu Datafiles. Bước 3: mở Excel và chắc chắn macro security ở mức trung bình (tranh 1) có thể yêu cầu sử dụng : Tools ( Macro ( Security. Chắc chắn mức medium sẽ được chọn
Figure 1 The Excel Macro Security Level dialogue box. In order to run Q2K, the Medium level of security should be selected. Mở Q2KMasterFortranv2_07.xls. Khi bạn làm việc với nó hộp thoại Macro Security sẽ hiện ra như sau:
Figure 2 The Excel Macro security dialogue box. In order to run Q2K, the Enable Macros button must be selected. Kích vào nút Enable Macros. Bước 5 : Trên QUAL2K Worksheet di chuyển đến cột 10 và vào đường dẫn đến DataFiles, C:\QUAL2K\DataFiles xem bức tranh thứ 3.
Figure 3 The QUAL2K Worksheet showing the entry of the file path into cell B10. Bước 6 : Kích vào nút Run Fortran . Nếu chương trình làm việc không chính xác Có hai lý do cơ bản làm chương trình làm việc không chính xác. Đầu tiên bạn phải sử dụng một phiên bản cũ của Microsoft Office mặc dù Excel phiên bản cũ có thể làm việc được. Q2K không làm việc với các phiên bản quá cũ. Thứ hai bạn đã tạo ra một số lỗi trong công cụ ở các bước trước. Một lỗi thường gặp bạn vẫn mơ hồ về đường dẫn bạn vào cột 10 giả sử bạn vẫn không biết đường dẫn C:\Q2KFortranv2_07\DataFles bạn sẽ nhận được một lỗi như sau :
Figure 4 An error message that will occur if you type the incorrect file path into cell B10 on the QUAL2K Worksheet. Nếu xảy ra kích Ok cho chạy và quay trở lại QUAL2K Worksheet tại đó bạn phải vào đúng đường dẫn. Nếu chương trình làm việc chính xác Q2K bắt đầu thi hành một cửa sổ mở ra cho thấy Fortran tính toán (tranh 5).
Figure 5 This window is displayed showing the progress of the model computations as executed in Fortran. It allows you to follow the progress of a model run. Chương trình sẽ mô phỏng sông chính với hai nhánh sông. Nếu chương trình làm việc chính xác hộp thoại sau đây sẽ xuất hiện nếu bạn chạy thành công.
Ấn Ok, tiếp theo hộp thoại sau sẽ xuất hiện.
Hộp thoại trên sẽ cho phép bạn chọn phần của hệ thống bạn muốn vẽ đồ thị. Như đã thấy, nó mặc định là sông chính. Ấn Ok và nhìn thấy thời gian chạy của sông chính. Chú ý tất cả các đồ thị đều được cập nhật khi nhấn OK. Ngắt một lúc bạn nhìn thấy đồ thị của một nhánh sông, bạn nhấn nút dưới bên trái bị che khuất.


Nguyên nhân là do đồ thị hộp thoại được chọn xuất hiện. Kéo xuống bạn có thể chọn một nhánh khác. Bước 7: Trên QUAL2K Worksheet click nút Open Old File. Mở đường dẫn C:\Q2Kv2_07\DataFiles. Bạn nhìn thấy một file mới được tạo ra với tên chỉ rõ ở cột 9 (trong trường hợp trên bức tranh thứ 3 là Bogus062807.q2k). click nút hủy bỏ cacel quay trở lại Q2K. Chú ý trong thời gian Q2K chạy. Một file dữ liệu sẽ được tạo ra với tên file chỉ rõ trong cột 9 trên QUAL2K Worksheet (Figure 3). Chương trình tự động thêm vào phần mở rộng .q2k cho tên file. Từ đó nó sẽ đè lên phiên bản của file trước, chắc chắn tạo ra sự thay đổi tên file khi bạn làm một ứng dụng mới. Bây giờ bạn có thể chạy thành công Q2K trên máy tính của bạn, trang tiếp theo là các tài liệu khoa học làm nền tảng cho mô hình. 3. Sự chia ra từng đoạn và tính chất thủy lực Mô hình miêu tả một dòng sông như một dãy các đoạn sông. Nó tượng trưng cho quãng sông có tính chất thủy lực giống nhau ( ví dụ độ dốc, độ rộng đáy dưới ) như được miêu tả bởi bức tranh thứ 6, số các đoạn sông tăng theo thứ tự bắt đầu từ thượng nguồn của đoạn sông chính. Chú ý cả các điểm nguồn và không phải điểm nguồn cũng như các điểm chảy ra và các điểm không chảy ra có thể có bất kỳ vị trí nào theo suốt chiều dài của sông.
Figure 6 QUAL2K segmentation scheme for a river with no tributaries. Hệ thống gồm các sông nhánh (hình7). Số lượng các đoạn sông được đánh số bắt đầu từ đoạn 1 và tăng dần ở thượng nguồn của con sông chính. Khi đến chỗ nối với một nhánh sông là một đoạn sông số thứ tự tiếp tục được đánh từ thượng nguồn từ nhánh sông này. Quan sát cả thượng nguồn và các nhánh sông các số là liên tiếp nhau theo một dãy sắp xếp tương tự đến các đoạn sông. Chú ý các nhánh sông lớn của hệ thống đều được quy về như một đoạn sông. Đặc biệt thực tế này rất quan trọng bởi vì phần mềm cung cấp đồ thị của đầu ra mô hình trên một đoạn sông cơ bản. Phần mềm tạo ra các đồ thị riêng biệt trên hệ thống sông chính cũng như các sông nhánh.
Figure 7 QUAL2K segmentation scheme for (a) a river with tributaries. The Q2K reach representation in (b) illustrates the reach, headwater and tributary numbering schemes. Cuối cùng một mô hình đoạn sông có thể chia thêm một dãy các phần tử có khoảng cách bằng nhau. Trong bức tranh thứ 8 chỉ rõ số phần tử mong muốn.
Figure 8 If desired, any model reach can be further subdivided into a series of n equal-length elements. Tóm lại thuật ngữ được sử dụng miêu tả cách tổ chức địa hình dòng sông theo Q2K. Đoạn sông. Độ dài của con sông với tính chất thủy lực giống nhau. Phần tử. Đơn vị cơ bản của mô hình tính toán cái mà được chia nhỏ bằng nhau của một đoạn sông. Khúc sông. Một tập hợp các đoạn sông tượng trưng cho một một nhánh của hệ thống nó bao gồm nhánh chính như mỗi sông nhánh. Thượng nguồn. Ranh giới bên trên của một mô hình đoạn sông. 3.1.Cân bằng dòng chảy. Như đã đã được miêu tả ở phần trước, đơn vị cơ bản của mô hình Q2K là phần tử. Một dòng chảy ổn định cân bằng là phương tiện cho mỗi mô hình phần tử.
[1] Trong đó Qi là lượng chảy ra từ phần tử i vào phần tử xuôi dòng i + 1 [m3/d], Qi–1 là lượng chảy vào từ phần tử ngược dòng i – 1 [m3/d], Qin,i là tổng lượng chảy vào trong phần tử từ điểm nguồn và không phải điểm nguồn [m3/d], và Qout,i là tổng lượng chảy ra từ phần tử đó đến điểm chảy ra và không phải điểm chảy ra [m3/d]. Vì vậy, lượng chảy ra xuôi dòng chỉ là sự chênh lệch giữa lượng vào và nguồn nước tăng thêm trừ đi lượng chảy ra mất mát.
Figure 9 Element flow balance. Tổng lượng chảy vào từ nguồn tính toán như sau.
[2] Trong đó Qps,i,j là lượng chảy vào từ điểm nguồn thứ j đến phần tử i, psi tổng số điểm nguồn đến phần tử i, Qnps,i,j là lượng chảy vào từ điểm không phải điểm nguồn chảy tới phần tử i, và npsi là tổng số điểm không phải điểm nguồn chảy vào phần tử i. Tổng lượng chảy ra từ các nguồn chảy ra được tính toán như sau:
[3] Trong đó Qpa,i,j là lượng chảy ra ở điểm chảy ra thứ j từ phần tử i, pai tổng số điểm chảy ra từ phần tử i, Qnpa,i,j là lượng chảy ra ở các điểm là không phải điểm chảy ra thứ j từ phần tử i, và npai tổng số các điểm là không phải các điểm chảy ra từ phần tử i. Các điểm không phải là điểm nguồn và không phải điểm chảy ra sẽ được mô hình như đường nguồn. Nhìn bức tranh10, các điểm là không phải điểm nguồn hoặc không phải điểm chảy ra được phân ranh giới bởi điểm bắt đầu và điểm kết thúc dài đến hàng kilomet. Nó chảy phân bố từ mỗi phần tử , theo chiều dài và chiều rộng.
Figure 10 The manner in which non-point source flow is distributed to an element. 3.2 Tính chất thủy lực Một lượng chảy ra của mỗi phần tử sẽ được tính toán, chiều rộng và chiều sâu sẽ được tính toán bởi một theo 3 cách sau : weirs, rating curves, and công thức Manning . Chương trình lựa chọn giữa các cách trên: Nếu chiều rộng và chiều cao của đập được nhập vào, đập nước sẽ được chọn làm phương tiện tính toán. Nếu chiều rộng và chiều cao của đập bằng 0 và hệ số đường cong ( a và
) được nhập vào. Phương tiện rating curves được chọn làm phương tiện tính toán. Nếu không có quy định trước là mét. Q2K sử dụng công thức Manning. 3.2.1 Đập nước Bức tranh 11 cho thấy có bao nhiêu đập nước được miêu tả trong Q2K. Chú ý một cái đập nước chỉ có thể xảy ra ở điểm cuối của một phần tử đơn của một đoạn sông, bức tranh 11 cho thấy các thông số sau Hi là chiều sâu của phần tử ngược dòng của đập nước [m], Hi+1 là chiều sâu của phần tử xuôi dòng của đập [m], elev2i độ cao so với mực nước biển điểm cuối của phần tử ngược dòng [m], elev1i+1 độ cao so với mực nước biển điểm đầu của phần tử xuôi dòng. Hw độ cao của đập trên elev2i , Hd là độ hạ thấp giữa độ cao mực nước của bề mặt của phần tử i và phần tử i +1
Figure 11 A sharp-crested weir occurring at the boundary between two reaches. Hh là độ cao ở đỉnh bên trên đập [m], Bw là chiều rộng của đập [m]. Chú ý là chiều rộng của đập khác với chiều rộng của phần tử, Bi Đây là một dạng đập trong đó Hh/Hw < 0.4, dòng chảy có liên quan đến đầu nguồn (Finnemore and Franzini 2002)
[4] Trong đó Qi là lượng chảy ra từ phần tử ngược dòng của đập, m3/s, Bw, Hh là mét. Công thức 4 có thể được làm sang tỏ như sau:
[5] Kết quả có thể sử dụng để tính toán chiều sâu của phần tử i,
[6] Và có thể tính độ hạ thấp trên đập
[7] Chú ý độ hạ thấp có thể sử dụng để tính toán lượng Oxy và CO2 di chuyển qua đập ( xem trang 55 và 60). Tại các khu vực mặt cắt ngang, chiều sâu, diện tích bề mặt và thể tích phần tử i có thể được tính toán như sau.
[8]
[9]

Trong đó Bi độ rộng của phần tử i, ∆xi chiều dài của phần tử i. Chú ý nhiều đoạn sông với nhiều đập, đoạn sông với chiều rộng được nhập vào. Giá trị được nhập vào cột AA ( nhãn "Bottom Width") của Reach Worksheet. Hệ số đường cong Phương trình lũy thừa có thể sử dụng mối liên quan giá trị trung bình của chiều dọc và chiều sâu của phần tử trong một đoạn sông.
[10]
[11] Trong đó a, b,
,
là hệ số kinh nghiệm được xác định từ sự phán tán dọc trục và sự phát tán theo giai đoạn ứng với hệ số đường cong. Giá trị của chiều dọc và chiều sâu có thể được dùng để xác định diện tích mặt cắt ngang và chiều rộng bởi
[12]
[13] Diện tích bề mặt và thể tích có thể tính như sau

Số mũ b và
được đặc trưng trong bảng 1 chú ý tổng của b và
phải kém hơn hoặc bằng 1. Nếu đây không phải là trường hợp mà chiều rộng sẽ giảm với sự gia tăng dòng chảy. Nếu tổng của chúng bằng 1 kênh sông là hình chữ nhật. Table 1 Typical values for the exponents of rating curves used to determine velocity and depth from flow (Barnwell et al. 1989). Equation  Exponent  Typical value  Range  
 b  0.43  0.40.6  
   0.45  0.30.5   Trong một số ứng dụng, bạn phải chỉ rõ giá trị hằng số của chiều dọc và chiều sâu không làm thay đổi dòng chảy. Nó có thể làm bởi sự sắp đặt b và
bằng 0 và sắp xếp a cân bằng với yêu cầu chiều dọc và α cân bằng với yêu cầu chiều sâu. 3.2.3 Công thức manning. Mỗi phần tử trong đoạn sông riêng biệt có thể lý tưởng hóa như một hình thang ( trang 12). Với điều kiện dòng chảy ổn định công thức manning có thể sử dụng thể hiện mối quan hệ giữa dòng chảy và chiều sâu.
[14] Trong đó Q là lưu lượng dòng chảy [m3/s], S0 độ dốc đáy sông [m/m] , n là hệ số gồ ghề, Ac diện tích mặt cắt ngang [m2] và P là chu vi thấm ướt [m].
Figure 12 Trapezoidal channel. Diện tích mặt cắt ngang của một lòng sông hình thang được tính toán như sau.
[15] Trong đó B0 là chiều rộng đáy sông [m], ss1 và ss2 là hai độ dốc cạnh xem hình 12, [m/m], và H là chiều sâu của phần tử [m]. Chu vi thấm ướt được tính như sau.
[16] Sau khi biến đổi các công thức 16, 15 và 14 có thể tính toán sự lặp lại của chiều sâu (Chapra and Canale 2006),
[17] Trong đó k = 1, 2, …n. n là số lần lặp. Ban đầu ước chừng H0 = 0 được dùng. Phương pháp kết thúc khi đánh giá sai số bên dưới nhỏ hơn 0.001%. Đánh giá sai số được tính như sau.
[18] Diện tích mặt cắt ngang được xác định bởi công thức 15 và vận tốc có thể xác định từ công thức sau,
[19] Giá trị trung bình của chiều rộng phần tử B[m] có thể tính toán như sau:
[20] Chiều rộng bên trên B1[m] thể được tính toán như sau.
Diện tích bề mặt và thể tích của phần tử có thể được tính toán như sau:

Đề xuất giá trị hệ số manning cho trong bảng 2, n đặc trưng cho giá trị dòng chảy và chiều sâu (Gordon et al. 1992). Chiều sâu giảm trong chiều dòng chảy thấp, liên quan đến sự dao động thường xuyên được tăng lên. Giá trị của hệ số manning đã được công bố từ 0.015 của lòng sông nhẵn nhịu đến 0.15 các lòng sông gồ ghề nó miêu tả tình trạng dòng chảy có khả năng tạo thành bãi ngầm (Rosgen, 1996). Điều kiện tới hạn của độ sâu ước lượng chất lượng nước đại thể là kém hơn bãi ngầm sâu và nó liên quan đến tính chất gồ ghề của độ cao. Table 2 The Manning roughness coefficient for various open channel surfaces (from Chow et al. 1988). MATERIAL  n   Man-made channels    Concrete  0.012   Gravel bottom with sides:    Concrete  0.020   mortared stone  0.023   Riprap  0.033   Natural stream channels    Clean, straight  0.025-0.04   Clean, winding and some weeds  0.03-0.05   Weeds and pools, winding  0.05   Mountain streams with boulders  0.04-0.10   Heavy brush, timber  0.05-0.20   Thác nước Trong phần 3.2.1 sự chảy của nước trên đập được tính toán, giá trị cần được tính toán tăng dần xảy ra trong một vài trường hợp. Thêm vào các đập , sự chảy xuống có thể hầu như xảy ra trong các thác nước. Chú ý thác nước chỉ có thể xảy ra tại điểm cuối của đoạn sông.
Figure 13 A waterfall occurring at the boundary between two reaches. Qual2k sẽ tính toán dòng chảy trong trường hợp độ cao so với mực nước biển rất dốc trong ranh giới giữa hai đoạn sông , công thức 7 dùng để tính toán sự hạ thấp dòng chảy. Chú ý sự hạ thấp này chỉ tính toán khi độ cao so với mực nước biển xuôi dòng kết thúc ở đoạn sông là lớn hơn điểm bắt đầu của đoạn sông xuôi dòng tiếp theo nghĩa là elev2i > elev1i+1. 3.3Travel Time (Thời gian di chuyển) Thời gian lưu của mỗi phần tử được tính toán như sau:
(21) Trong đó k là thời gian lưu của phần tử thứ k [d]. Vk là thể tích của phần tử thứ k [m3], Ac,k(xk, Ac,k diện tích mặt cắt ngang của phần tử thứ k[m2], (xk là độ dài của phần tử thứ k[m]. Thời gian tích lũy để xác định thời gian di chuyển khắp chiều dài của mỗi đoạn sông, ví dụ thời gian di chuyển từ đầu nguồn đến cuối nguồn của phần tử thứ j trong một đoạn sông được tính toán như sau.
[22]. Trong đó tt,j là thời gian di động. 3.4 Phát tán dọc trục Hai lựa chọn được sử dụng để xác định sự phát tán dọc trục cho ranh giới giữa hai phần tử. Đầu tiên, người sử dụng có thể đánh giá, giá trị nhập vào trên Reach Worksheet. Nếu người sử dụng không nhập giá trị, một công thức bên trong sẽ được dùng tính toán phát tán cơ bản tính chất thủy lực lòng sông (Fischer et al. 1979),
[23]. Trong đó Ep,i là hệ số phát tán dọc trục giữa phần tử i và phần tử i+1 [m2/s], Ui vận tốc [m/s], Bi chiều rộng [m], Hi giá trị trung bình chiều sâu [m] và Ui* vận tốc cắt [m/s]. Nó cơ bản được tính như sau.
[24]. Trong đó g là gia tốc trọng trường [= 9.81 m/s2] và S là độ dốc lòng sông [không thứ nguyên]. Sau khi tính toán Ep,i, số các phát tán có thể tính như sau:
[25]. Độ phát tán của mô hình là Ei ( giá trị này sẽ được sử dụng tính toán trong mô hình). Nếu En,i ( Ep,i, độ phát tán của mô hình, Ei = Ep,i ( En,i. Nếu En,i > Ep,i, độ phát tán mô hình bằng Ei = 0. Trong một số trường hợp dưới đây, kết quả độ phát tán của mô hình là lớn hơn độ phát tán vật lý. Như vậy, thì sự trộn lẫn phát tán sẽ cao hơn thực tế, Chú ý dòng sông chảy ổn định, tập trung độ dốc là không đáng kể. Nếu sự khác nhau là quan trọng, chỉ lựa chọn các phần tử có chiều dài nhỏ hơn số phát tán mô hình trở thành nhỏ hơn số phát tán vật lý. Nhiệt độ của mô hình. Như hình 14, cân bằng nhiệt cần tính toán sự trao đổi nhiệt từ các phần tử gần kề, tải xuống, dòng chảy ra, không khí và trầm tích. Một cân bằng nhiệt có thể được viết với phần tử i, như sau:
[26]. Trong đó Ti nhiệt độ phần tử i, [0C], t thời gian [d], E’I hệ số phát tán lớn giữa phần tử i và phần tử i+1 [m3/d], Wh,i mạng nhiệt từ các điểm nguồn và không phải điểm nguồn trong phần tử i[cal/d] (w tỷ trọng của nước [g/m3], Cpw nhiệt dung riêng của nước [cal/(g oC)], Ja,i dòng chảy nhiệt giữa không khí và nước [cal/(cm2 d)], Js,i dòng chảy nhiệt giữa nước và trầm tích [cal/(cm2 d)].
Figure 14 Heat balance for an element. Hệ số phát tán có thể tính toán như sau:
[27]. Chú ý hai loại điều kiện biên được sử dụng đến điểm cuối cùng của dòng chảy xuôi dòng của sông, (1) điều kiện phát tán và (2) điều kiện xuôi dòng chảy, cơ hội lựa chọn tạo ra trên Downstream Worksheet. Mạng nhiệt từ nguồn được tính toán như sau (recall Eq. 2)
[28]. Tps,i,j là nhiệt độ của điểm nguồn thứ j đối với phần tử i[0C] và Tnps,i,j là nhiệt độ của điểm không phải điểm nguồn đối với phần tử i[0C]. 4.1 Dòng nhiệt bề mặt Như được miêu tả ở hình 15, sự thay đổi nhiệt độ bề mặt là một mô hình như là một sự kết hợp 5 quá trình.
[29]. I(0) là bức xạ mặt trời sóng ngắn trong bề mặt nước, Jan là bức xạ sóng dài trong không khí, Jbr phản xạ sóng dài từ nước, Jc là độ dẫn điện, và Je là sự bốc hơi. Tất cả các dòng chảy đều biểu diễn bằng cal/cm2/d.
Figure 15 The components of surface heat exchange. 4.1.1 Bức xạ mặt trời. Mô hình tính toán số lượng lớn các bức xạ mặt trời vào nước tại một đường vĩ độ (Lat) và kinh độ (Llm) đặc biệt trên bè mặt trái đất. Số lượng là một công thức của bức xạ ở tầng trên của khí quyển trái đất, cái mà sự vận chuyển không khí là rất yếu, không khí rất loãng, mây bao phủ, sự phản xạ, bóng tối.
[30]. Trong đó I(0) là bức xạ mặt trời trong bề mặt nước [cal/cm2/d], I0 bức xạ ngoài khí quyển ( tầng trên của khí quyển trái đất), [cal/cm2/d], at không khí loãng, ac mây mỏng, Rs suất phản chiếu (phản xạ nhỏ), Sf hệ số hiệu quả bóng tối bởi sinh vật và địa hình). Sự phát xạ ngoài khí quyển được đánh giá như sau:
[31]. W0 là hằng số mặt trời [1367 W/m2 or 2823 cal/cm2/d], r là bán kính tiêu chuẩn của quỹ đạo trái đất ( tỷ lệ giữa khoảng cách trái đất – mặt trời thực tế tới khoảng cách trái đất – mặt trời trung bình), và α là độ cao của mặt trời [radians], nó có thể tính toán như sau.
[32]. Trong đó ( là độ nghiêng của mặt trời [radians], Lat quỹ tích các đường vĩ độ [radians],
là góc giờ địa phương của mặt trời [radians]. Và góc giờ của địa phương tính bằng radian được cho bởi.
[33]. Trong đó:
[34]. Trong đó trueSolarTime là thời gian mặt trời xác định từ vị trí thực tế của mặt trời trong bầu trời [minutes], localTime là thời gian địa phương [thời gian chuẩn của địa phương], Llm kinh độ của địa phương, timezone đới thời gian của địa phương liên quan đến giờ chuẩn căn cứ theo kinh tuyến (GMT). Ví dụ như -8h ở đới Thái Bình Dương là giờ chuẩn, thời gian địa phương ở các đới được chọn trên QUAL2K Worksheet. Giá trị eqtime tượng trưng cho sự khác nhau giữa thời gian mặt trời chính xác và thời gian mặt trời trung bình. QUAL2K tính toán độ nghiêng của mặt trời, múi giờ, độ cao mặt trời và bán kính tiêu chuẩn ( khoảng cách giữa trái đất và mặt trời), thời gian lúc mặt trời mọc và lúc mặt trời lặn sử dụng bởi thuật toán Meeus (1999) như là một công cụ bởi nhánh nghiên cứu bức xạ bề mặt NOAA’s. NOAA sẽ xác định vị trí mặt trời dựa vào QUAL2K bao gồm một điều chỉnh tác động của khúc xạ khí quyển. Đây là phương pháp tính toán rất thành công được sử dụng để xác định vị trí mặt trời, mặt trời mọc, mặt trời lặn trong phụ lục B. Chu kỳ sáng [h] được tính toán như sau:
[35]. Trong đó tss là thời gian mặt trời lặn [h], tsr là thời gian mặt trời mọc [h]. Sự làm loãng khí quyển. Sự khác nhau của nhiều phương thức để đánh giá phân bố làm loãng khí quyển từ một bầu trời sạch (at). Hai phương thức có thể tìm được trong QUAL2K đánh giá at ( chú ý mô hình bức xạ mặt trời được chọn trên Light and Heat Worksheet của QUAL2K). 1, Bras (mặc định) Phương pháp Bras (1990) tính toán at như sau:
[36]. Trong đó nfac là hệ số mật độ không khí biến đổi từ xấp xỉ 2 ở chỗ bầu trời sạch đến 4 hoặc 5 khu vực thành thị nhiều sương mù. Hệ số phân tán phân tử a1 tính toán như sau:
[37]. Trong đó m là khối lượng khí nhìn thấy được, tính toán như sau:
[38]. (d là độ cao trong mức độ từ đường chân trời = ( ( (180o/(). 2. Ryan and Stolzenbach Mô hình The Ryan and Stolzenbach (1972) tính toán at từ góc nâng của mặt đất và độ cao mặt trời bằng :
[39]. Trong đó atc hệ số truyền không khí (0.7 đến 0.91, giá trị tiêu biểu xấp xỉ 0.8), và elev là độ cao mặt đất tính bằng mét. Phép đo nhằm xác định bức xạ mặt trời có thể áp dụng ở một vài nơi. Ví dụ NOAA’s nghiên cứu suất phản chiếu bề mặt (ISIS) có dữ liệu thay đổi từ Mỹ. ( Chọn cả hai mô hình bức xạ mặt trời Bras or Ryan-Stolzenbach với hệ số mật độ không khí thích hợp hoặc hệ số truyền không khí một công cụ đặc biệt để lý tưởng hóa so sánh với bức xạ mặt trời trước đó với giá trị được cân nhắc ở từng địa phương. Sự suy giảm mây: sự giảm bức xạ mặt trời làm suy giảm mây được tính toán với
[40]. CL là hệ số bao phủ bầu trời bởi mây. Reflectivity. Reflectivity được tính toán như sau:
[41]. Trong đó A và B là hai hệ số liên quan đến bao phủ mây ( bảng 3). Table 3 Coefficients used to calculate reflectivity based on cloud cover. Cloudiness  Clear  Scattered  Broken  Overcast   CL  0  0.1-0.5  0.5-0.9  1.0   Coefficients  A  B  A  B  A  B  A  B    1.18  (0.77  2.20  (0.97  0.95  (0.75  0.35  (0.45   Shade. Shade là một biến vào của mô hình QUAL2K. Shade được định nghĩa như phần nhỏ của bức xạ mặt trời ngăn chặn bởi khối địa hình và sinh vật. Một Excel/ chương trình VBA tên là shade.xls có thể dùng được từ Washington Department of Ecology. Đánh giá shade từ địa hình và sinh vật ven sông (Ecology 2003). Giá trị vào tích hợp hằng giờ đánh giá shade mỗi đoạn sông vào Shade Worksheet của QUAL2K. 4.1.2 Bức xạ sóng dài trong không khí. Bức xạ sóng dài từ không khí xuống trái đất là một khoảng rộng trong cân bằng nhiệt bề mặt. Dòng chảy có thể tính toán sử dụng Stefan-Boltzmann.
[42]. Trong đó ( là hằng số Stefan-Boltzmann =11.7x10-8 cal/(cm2 d K4), Tair nhiệt độ khí quyển [0C], εsky hệ số phát xạ không khí [không thứ nguyên], RL hệ số phản xạ sóng dài [không thứ nguyên]. Độ phát xạ là tỷ số giữa bức xạ sóng dài từ một vật đối với bức xạ phát ra từ một vật hoàn toàn trong khoảng nhiệt độ như nhau. Suất phản chiếu nói chung là nhỏ và được cho là bằng 0.03. Mô hình bức xạ sóng dài không khí sẽ được chọn trên Light and Heat Worksheet Qual2k. Ba phương pháp lựa chọn có thể sử dụng trong qual2k tượng trưng cho hệ số phát xạ ((sky): Brunt ( mặc định ). Công thức Brunt’s là một mô hình kinh nghiệm thường được sử dụng trong mô hình chất lượng nước (Thomann and Mueller 1987),
Trong đó Aa và Ab là hệ số kinh nghiệm. Giá trị Aa có thể xác định gián tiếp từ 0.5 đến 0.7 và giá trị Ab có thể xác định gián tiếp từ 0.031 đến 0.076 mmHg-0.5 tùy thuộc vào độ rộng của không khí. QUAL2K sử dụng một mặc định khoảng ở giữa Aa = 0.6 cùng với một giá trị Ab = 0.031 mmHg-0.5 nếu phương pháp Brunt được chọn trên Light and Heat Worksheet. Brutsaert. Công thức Brutsaert là công thức vật lý cơ bản thay thế choc ho các nguồn kinh nghiệm và cho thấy kết quả rất tốt trên một khoảng không khí rộng của nhiệt độ không khí và độ ẩm tại đường vĩ tuyến giữa trong điều kiện giá lạnh (Brutsaert, 1982).
Trong đó eair là áp suất khí quyển [mmHg], Ta nhiệt độ khí quyển 0K, hệ số 1.333224 chuyển áp suất hơi từ mmHg sang milibars, áp suất hơi nước được tính toán như sau [mmHg] được tính toán bởi (Raudkivi 1979):
[43]. Trong đó Td là nhiệt độ điểm sương [0C] Koberg Koberg (1964) gián tiếp đưa ra A0 trong công thức Brunt’s phụ thuộc vào cả nhiệt độ không khí và tỷ số của bức xạ mặt trời với bức xạ không khí sạch (Rsc), nhìn tranh 16, có sự hiện diện của một dãy đường cong A0 tăng thêm với Tair và làm giảm với Rsc với Ab là hằng số. 0.0263 millibars(0.5 (about 0.031 mmHg(0.5). Tiếp theo đa thức được sử dụng trong Qual2k cung cấp một xấp xỉ liên tục của đường cong Koberg’s .
Trong đó:


Đoạn của đa thức trên là điểm mẫu của đường cong Koberg’s. Chú ý giới hạn trên 0.735 quy định là A0.
Figure 16 The points are sampled from Koberg’s family of curves for determining the value of the Aa constant in Brunt’s equation for atmospheric longwave radiation (Koberg, 1964). The lines are the functional representation used in Q2K. 4.1.3 Bức xạ sóng dài trong nước Bức xạ quay trở lại bề mặt nước miêu tả bởi Stefan-Boltzmann.
[45]. ε độ phát xạ của nước (=0.97), T là nhiệt độ của nước [0C]. 4.1.4 Độ dẫn và sự đối lưu Độ dẫn là sự vận chuyển nhiệt từ mô hình đến mô hình khi nhiệt độ khác nhau của vật chất đem lại sự tiếp xúc. Sự đối lưu là sự vận chuyển nhiệt xảy ra với sự chuyển động của chất lỏng. Cả hai đều có thể xảy ra trên bề mặt không khí – nước và có thể miêu tả bởi:
[46]. Trong đó c1 là hệ số Bowen's (= 0.47 mmHg/oC). f(Uw), phụ thuộc vào sự vận chuyển tốc độ gió trên bề mặt nước tại đó Uw tốc độ gió ổn định trên bề mặt nước. 4.1.5 Sự bốc hơi và sự cô đặc Sự mất nhiệt làm bốc hơi có thể miêu tả bởi Dalton’s
[49]. es áp suất hơi nước bão hòa tại bề mặt nước [mmHg], eair áp suất hơi nước [mmHg], áp suất hơi nước bão hòa có thể tính toán như sau:
[50]. 4.2 Sự vận chuyển nước – trầm tích. Một cân bằng nhiệt dưới đáy trầm tích một phần tử nước i có thể được viết như sau:
[51] Ts,i nhiệt độ đáy trầm tích dưới phàn tử i[0C] , Js,I dòng chảy nhiệt nước – trầm tích [cal/(cm2 d)], khối lượng riêng của trầm tích [g/cm3], Cps nhiệt dung riêng của trầm tích [cal/(g oC)], Hsed,I là độ dày của lớp trầm tích [cm]. Dòng chảy từ trầm tích đến nước có thể tính toán như sau:
[52] Table 4 Thermal properties for natural sediments and the materials that comprise natural sediments.
Cấu trúc mô hình. Thành phần và cân bằng khối chung. Cấu trúc mô hình được cho thấy trong bảng 5. Table 5 Model state variables Variable  Symbol  Units*   Conductivity  s  (mhos   Inorganic suspended solids  mi  mgD/L   Dissolved oxygen  o  mgO2/L   Slowly reacting CBOD  cs  mgO2/L   Fast reacting CBOD  cf  mgO2/L   Organic nitrogen  no  (gN/L   Ammonia nitrogen  na  (gN/L   Nitrate nitrogen  nn  (gN/L   Organic phosphorus  po  (gP/L   Inorganic phosphorus  pi  (gP/L   Phytoplankton  ap  (gA/L   Detritus  mo  mgD/L   Pathogen  X  cfu/100 mL   Alkalinity  Alk  mgCaCO3/L   Total inorganic carbon  cT  mole/L   Bottom algae biomass  ab  mgA/m2   Bottom algae nitrogen  INb  mgN/m2   Bottom algae phosphorus  IPb  mgP/m2   mg/L ( g/m3; Mặc dù tất cả, nhưng tảo dưới đáy có thể thay đổi, cân bằng khối chung một thành phần trong một phần tử có thể được viết như sau:
[53].
Figure 17 Mass balance. Độ rộng bên ngoài tính toán như sau:
[54]. Trong đó cps,i,j là nồng độ điểm nguồn thứ j đối với phần tử i, [mg/L or (g/L], và cnps,i,j nồng độ tại điểm không phải điểm nguồn đối với phần tử i, [mg/L or (g/L]. Đối với tảo dưới đáy sự vận chuyển và loading terms có thể bỏ đi.
[55].
[56].
[57]. Trong đó Sb,i lòng sông bị lắng xuống của sinh khối tảo dưới đáy do phản ứng [mgA/m2/d], SbN,I lòng sông bị lắng xuống nitrogen tảo dưới đáy do phản ứng [mgN/m2/d], SbP,i lòng sông bị lắng xuống của sinh khối phosphorus do phản ứng [mgP/m2/d].
Figure 18 Model kinetics and mass transfer processes. The state variables are defined in Table 5. Kinetic processes are dissolution (ds), hydrolysis (h), oxidation (ox), nitrification (n), denitrification (dn), photosynthesis (p), respiration (r), excretion (e), death (d), respiration/excretion (rx). Mass transfer processes are reaeration (re), settling (s), sediment oxygen demand (SOD), sediment exchange (se), and sediment inorganic carbon flux (cf). 5.2 Phản ứng cơ bản. 5.2.1 Phản ứng sinh hóa. Công thức hóa học sau đây được sử dụng để miêu tả phản ứng sinh khối lớn cần vị trí trong mô hình (Stumm and Morgan 1996): Sự quang hợp và sự hô hấp ở thực vật. Amoni như chất nền:
[58] Nitrate as substrate:
[59] Nitrification:
[60]. Denitrification:
[61]. Chú ý một số phản ứng được thêm vào sử dụng trong mô hình rất phức tạp với sự mô phỏng pH và ammonia. Vấn đề này sẽ được thảo luận trong các tài liệu sau: 5.2.2 Hóa học lượng pháp của vật chất hữu cơ. Mô hình yêu cầu phải có Stoichiometry của vật chất hữu cơ chỉ rõ bởi người sử dụng. Mô tả theo một đề xuất như là một xấp xỉ đầu tiên (Redfield et al. 1963, Chapra 1997),
[62]. Trong đó gX là khối lượng của phần tử X[g], mgY là khối lượng của phần tử Y[mg]. Với D, C, N, P và A là trọng lượng khô của carbon, nitrogen, phosphorus, and chlorophyll, a tương ứng. Chú ý số lượng của chất diệp lục a có thể thay đổi xấp xỉ từ 500-2000 mgA, (Laws and Chalup 1990, Chapra 1997). Kết hợp các giá trị trên có thể xác định tỷ số hóa học lượng pháp như sau:
[63]. Ví dụ như khối lượng của vật vụn ( trọng lượng khô tính bằng gam hay gD) phân hủy đến khi chấm dứt của một đơn vị khối lượng của thực vật ( trong milligrams of chlorophyll a or mgA) có thể tính như sau:
. 5.2.2.1 Sự phát sinh và sự tiêu thụ Oxy. Mô hình yêu cầu sự phát sinh và tiêu hủy oxy là bắt buộc. Nếu ammonia là chất nền theo tỷ số (based on Eq. 58) có thể sử dụng để xác định số gam oxy phát sinh thay thế cho mỗi gam vật chất thực vật đó là kết quả của sự quang hợp.
[64]. Nếu nitrat là chất nền tỷ lệ theo (based on Eq. 59) được áp dụng.
[65]. Chú ý công thức 58 hầu như được sử dụng cho hóa học lượng pháp số lượng Oxy tiêu thụ cho thực vật hô hấp. Sự nitrat hóa theo tỷ lệ công thức 60.
[66]. 5.2.2.2 Sử dụng CBOD để khử nitơ Miêu tả bởi công thức 61, CNOD được sử dụng để khử nitơ.
[67]. 5.2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng Nhiệt độ ảnh hưởng đến phản ứng được xác định đầu tiên sử dụng trong mô hình được miêu tả bởi:
[68]. Trong đó k(T) hằng số tốc độ phản ứng ở nhiệt độ T(0C),
là hệ số nhiệt độ của phản ứng. 5.3 Biến số hỗn hợp. Thêm vào đó là các biến số thay đổi của mô hình, Q2K sẽ trình bày vài biến số hỗn hợp được tính toán như sau: Tổng cacbon hữu cơ (mgC/L):
[69]. Tổng Nitrogen ((gN/L):
[70]. Tổng Phosphorus ((gP/L):
[71]. Tổng Kjeldahl Nitrogen ((gN/L):
[72]. Tổng chất rắn lơ lửng.
[73]. Cuối cùng là cacbon BOD, (mgO2/L):
[74]. 5.4 Mối liên hệ biến số mô hình và dữ liệu. Tất cả cacbon BOD chậm và nhanh (cs và cf), tồn tại một liên quan không phức tạp giữa các giá trị mô hình và phép đo chất lượng nước. Tiếp theo là những đặc điểm chung. Chúng tôi cùng thảo luận vấn đề liên quan đến nhiều vấn đề khó của phép đo CBOD. Non-CBOD Variables and Data Tiếp theo là phép đo cần so sánh giá trị non – BOD với hiệu suất của mô hình. TEMP = temperature (oC) TKN = total kjeldahl nitrogen ((gN/L) or TN = total nitrogen ((gN/L) NH4 = ammonium nitrogen ((gN/L) NO2 = nitrite nitrogen ((gN/L) NO3 = nitrate nitrogen ((gN/L) CHLA = chlorophyll a ((gA/L) TP = total phosphorus ((gP/L) SRP = soluble reactive phosphorus ((gP/L) TSS = total suspended solids (mgD/L) VSS = volatile suspended solids (mgD/L) TOC = total organic carbon (mgC/L) DOC = dissolved organic carbon (mgC/L) DO = dissolved oxygen (mgO2/L) PH = pH ALK = alkalinity (mgCaCO3/L) COND = specific conductance ((mhos) Giá trị của phép đo có thể liên hệ với phép đo như sau. s = COND mi = TSS – VSS or TSS – rdc (TOC – DOC) o = DO no = TKN – NH4 – rna CHLA or no = TN – NO2 – NO3 – NH4 – rna CHLA na = NH4 nn = NO2 + NO3 po = TP – SRP – rpa CHLA pi = SRP ap = CHLA mo = VSS – rda CHLA or rdc (TOC – DOC) – rda CHLA pH = PH Alk = ALK cacbon BOD Giải thích phép đo trong nước thiên nhiên rất phức tạp bởi ba nhân tố. Lọc chống lại không lọc. Nếu mẫu không được lọc. Giá trị Bod phản ánh sự oxy hóa của cả sự phân hủy vad các hạt cacbon hữu cơ. Từ Q2K phân biệt giữa sự phân hủy (cs và cf) và hạt (m0 và a0) hữu cơ, chỉ một phép đo không lọc không cung cấp cơ bản và chính xác phân biệt các dạng riêng lẻ. Thêm vào đó một thành phần của BOD, phytoplankton (a0) có thể thêm sự phát sinh Oxy qua sự quang hợp. Nitrogenous BOD. Tiếp theo với sự oxy hóa của cacbon hữu cơ (CBOD). Sự nitart hóa hầu như sẽ góp phần làm mất oxy (NBOD), như vậy nếu mẫu bao gồm biến đổi nito, sự nitrat hóa là không ngăn chặn được, phép đo bao gồm cả hai loại BOD. Thời gian Incubation, trong thời gian ngắn, thường là 5 ngày, BOD là loại điển hình. Bởi vìQ2K sử dụng CBOD cuối cùng, trong 5 ngày BOD chuyển thành BOD cuối cùng, cao nhất trong một độ nhạy nhất định. Chúng tôi dề nghì theo như cách đo CBOD trong một loại tính toán trên nhân tố và kết quả được đo là thích hợp với Qual2k. Cách lọc: Mẫu phải được lọc trước khi làm để phân hủy riêng từ cacbon hữu cơ. Sự ngăn chặn khi lọc. Lọc có thể ngăn chặn bởi nó có thể ngăn chặn các chất hóa học như TCMP (2-chloro-6-(trichloro methyl) pyridine. Phép đo đúng sẽ phản ánh BOD. Trong trường hợp ngăn chặn không được. Giá trị phép đo có thể đúng cho nitơ bởi hiệu của lượng oxy tương đương sẽ làm giảm nito (= ron ( TKN) trong mẫu. Tuy nhiên như với tất cả sự điều chỉnh cơ bản khác nhau, sự hiệu chỉnh phải đưa ra các lỗi chính xác. Incubation time. Mô hình CBOD tối đa là cơ bản, như vậy thì hai sự gần đúng có thể làm được. (1) sử dụng thời gian đủ dài như vậy giá trị cuối cùng có thể đo được, hoặc (2) sử dụng phép đo trong 5 ngày và ngoại suy kết quả cuối cùng. Phương pháp cuối cùng thường tính toán với công thức:
[75]. Trong đó CBODFNU là CBOD phân hủy đến cùng [mgO2/L], CBODFN5 là CBOD phân hủy trong 5 ngày, [mgO2/L] và k1 là hệ số phân hủy trong chai, [/d]. Ngoài ra cần chú ý xem xét sự tiêu hủy thời gian, lợi ích từ việc sử dụng phép đo 5 ngày với ngoại suy, đúng hơn là biểu diễn thời gian dài hơn nữa CBOD. Mặc dù phép ngoại suy đưa vào vài lỗi, giá trị trong 5 ngày có thể có lợi nó yêu cầu giảm đến mức tối thiểu tác động của sự nitrat hóa, ngang bằng khi ngăn chặn có thể bắt đầu sử dụng trên cấu trúc thời gian dài. Nếu tất cả sự chuẩn bị trên có thể thi hành kết quả sẽ phù hợp với biến số mô hình bởi: cf + cs = CBODFNU . CBOD nhanh chống lại với CBOD chậm. Câu hỏi cuối cùng liên quan đến sự phân biệt giữa CBOD chậm và CBOD nhanh. Mặc dù chúng tôi tin tưởng ở đó sự hiện hành không đơn lẻ, đơn lẻ, khả thi và tiết kiệm trả lời cho vấn đề. Chúng tôi nghĩ rằng nên lựa chọn theo 2 cách tốt nhất sau đây: Lựa chọn 1: Miêu tả tất cả sự phân hủy, cacbon hữu cơ có thể oxy hóa với một lưu vực đơn lẻ ( CBOD nhanh). Mô hình bao gồm các thông số CBOD chậm. Nếu không có CBOD chậm đầu vào được nhập vào thì kết quả rất thiếu chính xác từ mô hình. Trong trường hợp đó. cf = CBODFNU cs = 0 Lựa chọn 2: Sử dụng CBOD cuối cùng, phép đo các phần tử nhỏ, nhanh và tính toán CBOD chậm bởi sự khác nhau với một phép đo DOC. Trong trường hợp này: cf = CBODFNU cs = rocDOC – CBODFNU lựa chọn thứ hai làm việc rất thích hợp với hệ thống trong đó hai loại dễ thấy của CBOD được hiện diện. Ví dụ nước thải sông nhánh và cacbon bản địa từ chuỗi thức ăn dưới nước phải xem xét CBOD nhanh. Trái lại, nước thải công nghiệp như thực phầm và nhà máy giấy phát thải hoặc DOC từ lưu vực sông cần phải được xem xét lại trong các phần BOD chậm, trong trường hợp này sự thủy phân bao gồm cả nhanh và chậm được xét bằng không, chắc chắn hai dạng độc lập. Trong cả hai sự lựa chọn CBODFNU có thể mỗi phép đo được sử dụng trực tiếp theo thời gian hoặc tính toán bởi phép ngoại suy với công thức 7.5. Trong cả hai hoàn cảnh thời gian từ một vài tuần đến một tháng ( ví dụ từ 20 – 30 ngày CBOD) là một thời kỳ ổn định để oxy hóa nhanh chóng cacbon hữu cơ. Chúng tôi có cơ sở để tỷ số chai lọ chất thải chuyển hóa từ cacbon hữu cơ từ 0.05 đến 0.3/d. Trên hình 19 đề ra tỷ lệ phải oxy hóa nhanh chóng CBOD sử dụng từ 20 đến 30 ngày.
Figure 19 Progression of CBOD test for various levels of the bottle decomposition rate. Thêm vào đó, chúng tôi tin tưởng rằng xem xét CBOD trong thời gian dài kiểm tả ở 300C đúng hơn là thường ở nhiệt độ 200C. Lựa chọn ở 200C bắt đầu từ nhiệt độ trung bình hằng ngày của thiết bị xử lý nước và nước thải trong nhiệt độ đới mùa hè là xấp xỉ 200C. Nếu phép đo CBOD có dụng ý được sử dụng để điều chỉnh để đánh giá thiết bị xử lý tạo ra các hướng tiêu chuẩn hóa kiểm tra trong một nhiệt độ đặc biệt. Và với mục đích như vậy, 200C là nhiệt độ thích hợp được chọn. Tuy nhiên, với mục đích là phép đo một CBOD cuối cùng, mọi quá trình nhanh chóng không làm hại đến tính đúng đắn của phép đo dường như rất có ích. Vi khuẩn hoại sinh sẽ phân hủy cacbon hữu cơ không sống trong nước thiên nhiên và nước cống phát triển nhất ở nhiệt độ từ 200C – 400C. Như vậy, nhiệt độ 300C là không đủ cao tập hợp vi khuẩn thay thế cho nhiệt độ của cơ thể không đúng kiểu của nước thiên nhiên và nước cống. Lợi ích của việc tốc độ oxy hóa cao kết quả phân tích ngắn hơn thời gian của phép đo CBOD. Q10 ( 2 là một giá trị xấp xỉ cho phân hủy vi khuẩn, BOD trong 20 ngày ở 300C tương đương với BOD trong 30 ngày ở 200C. Phản ứng cơ bản. Mối liên hệ toán học miêu tả các phản ứng cơ bản và sự tập trung của mô hình có thể thay đổi (bảng 5) có mặt trong đoạn tiếp theo. Bảo toàn vật chất Định nghĩa bởi, bảo toàn vật chất lệ thuộc vào phản ứng Ss = 0 [76]. sự quang hợp (a0) Hấp thụ ánh sáng làm tăng quá trình quang hợp. Chúng qua đường hô hấp, chết, seetling
[77]. 5.5.2.1 sự quang hợp Thực vật quang hợp tính toán như sau:
[78]. Trong đó (p là tỷ lệ quang hợp thực vật [/d] là một công thức của nhiệt độ, dinh dưỡng và ánh sáng.
[79]. Trong đó kgp(T) là tốc độ quang hợp lớn nhất ở nhiệt độ T[/d], (Np nhân tố làm loãng dinh dưỡng ở thực vật [không thứ nguyên giữa 0 và 1], và (Lp hệ số làm loãng ánh sang [không thứ nguyên giữa 0 và 1]. Giới hạn dinh dưỡng Công thức Michaelis-Menten được sử dụng để miêu tả giới hạn sự phát triển đối với nitơ hữu cơ, photpho, cacbon hữu cơ, giá trị nhỏ nhất dùng để tính toán nhân tố làm loãng dinh dưỡng.
[80]. Trong đó ksNp hằng số bán bão hòa nitơ [(gN/L] ksPp là hằng số bán bão hòa photpho, [(gP/L], ksCp hằng số bán bão hòa cacbon hữu cơ, [mole/L], [H2CO3*] nồng độ carbon dioxide hòa tan [mole/L], [HCO3(] nồng độ bicarbonate [mole/L]. Giới hạn ánh sáng. Giả sử ánh sáng mỏng xuyên qua dòng nước chảy theo quy luật Beer-Lambert.
[81]. Trong đó PAR(z) bức xạ ánh sáng có thể ở độ sâu z dưới bề mặt nước [ly/d], và ke là hệ số tiêu hủy ánh sang [m-1]. PAR trong nước là một phần cố định của bức xạ mặt trời (Szeicz 1984, Baker and Frouin 1987): PAR(0) = 0.47 I(0) Hệ số phân hủy liên qua đến biến số mô hình:
[82]. Trong đó keb hệ số nền tính toán phân hủy trong nước và màu [/m], (i, (o, (p, and (pn, là hệ số bất biết bởi tác động của chất rắn vô cơ lơ lửng, [L/mgD/m], tính chất của vật chất hữu cơ [L/mgD/m], và chất diệp lục tương ứng [L/(gA/m and (L/(gA)2/3/m]. Đề xuất giá trị cho hệ số xem trong bảng 6. Table 6 Suggested values for light extinction coefficients Symbol  Value  Reference   (i  0.052  Di Toro (1978)   (o  0.174  Di Toro (1978)   (p  0.0088  Riley (1956)   (pn  0.054  Riley (1956)   Mô hình sử dụng tính chất tác động của ánh sáng trên sự quang hợp.
Figure 20 The three models used for phytoplankton and bottom algae photosynthetic light dependence. The plot shows growth attenuation versus PAR intensity [ly/d]. Bán bão hòa (Michaelis-Menten) mô hình ánh sáng (Baly 1935):
[83]. Trong đó FLp sự quang hợp làm loãng ánh sáng và KLp thông số ánh sáng quang hợp trong trường hợp mô hình bán bão hòa, thông số ánh sáng là hệ số bán bão hòa [ly/d]. Công thức có thể kết hợp với quy luật Beer-Lambert và tích phân trên toàn bộ độ sâu nước H [m], hệ số làm loãng ánh sáng:
[84]. Công thức smith’s (1936).
[85]. Trong đó KLp thông số quang hợp quang hợp smith’s [ly/d]; PAR chiếm 70,7% giá trị lớn nhất. Công thức có thể kết hợp với quy luật Beer-Lambert và tích phân trên toàn bộ độ sâu của nước:
[86]. Công thức Steele’s (1962).
[87]. Trong đó KLp Sự phát triển của thực vật là tốt nhất [ly/d]. Công thức có thể với quy luật lambert – beer và tích phân trên toàn bộ chiều sâu của nước:
[88]. Sự thiệt hại Sự hô hấp: sự hô hấp của thực vật tiêu biểu cho tốc độ phản ứng bậc 1 làm nồng độ Oxy giảm xuống thấp:
[89]. Trong đó krp(T) là hệ số hô hấp của thực vật phụ thuộc vào nhiệt độ/tốc độ thải ra [/d] và Foxp hệ số làm loãng oxy[không thứ nguyên] hệ số này cho bởi công thức 119 đến 121 với nhu cầu ôxy được miêu tả bởi thông số Ksop. Sự chết: thực vật chất được miêu tả bởi phản ứng bậc 1:
[90]. Trong đó kdp(T) tốc độ chết của thực vật phụ thuộc vào nhiệt độ [/d]. Sự lắng xuống: sự lắng xuống của thực vật miêu tả bởi công thức:
[91]. Trong đó va là vận tốc lắng [m/d]. Tảo đáy (ab). Sự gia tăng của tảo. Chúng mất qua đường hô hấp và chết:
[92]. 5.5.3.1 Thực vật. Hai đặc trưng có thể sử dụng cho mô hình tảo đáy. Đầu tiên cơ bản là nhiệt độ chính xác bằng không tốc độ làm loãng bởi giới hạn dinh dưỡng và ánh sáng. (McIntyre 1973, Rutherford et al. 1999),
[93]. Trong đó Cgb(T) tốc độ lớn nhất phụ thuộc vào nhiệt độ [mgA/(m2 d)], (Nb nhân tố dinh dưỡng của tảo [không thứ nguyên giữa 0 và 1] và (Lb hệ số làm loãng ánh sáng của tảo [không thứ nguyên giữa 0 và 1]. Thứ hai là sử dụng mô hình bậc 1,
[94]. Trong trường hợp này, Cgb(T) tốc độ phản ứng bậc 1 lớn nhất phụ thuộc vào nhiệt độ [1/d], và (Sb nhân tố giới hạn làm loãng tảo. Ảnh hưởng của nhiệt độ. Tốc độ phản ứng bậc 1, một mô hình Arrhenius được dùng cho việc xác định số lượng ảnh hưởng của nhiệt độ đến thức vật,
[95]. Giới hạn dinh dưỡng. Ảnh hưởng của giới hạn dinh dưỡng đến thực vật đáy là một mô hình trong một cách khác hơn là thực vật. Hơn nữa phụ thuộc vào nồng độ dinh dưỡng bên ngoài, tỷ lệ này phụ thuộc vào nguồn dinh dưỡng trong tế bào sử dụng một công thức cơ bản bởi Droop (1974),