Đề tài Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

) Hay: (9.3) Trong dòng chảy tự nhiên, các giá trị (Q,A,x) là các hàm số thay đổi liên tục theo thời gian cũng nhƣ không gian theo chiều dòng chảy. Với giả thiết rằng trên đoạn sông chúng ta đang xét có sự bổ sung thêm hoặc lấy bớt đi các chất bởi một nguyên nhân cơ học nào đó ( nguồn thải, hoặc các điểm lấy nƣớc...) từ (2.7) ta có phƣơng trình tổng quát mô tả sự lan truyền các chất ô nhiễm trên dòng chảy mà chúng ta cần xem xét và tính toán. (9.4) Trang 81 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước Trong đó : -Sự thay đổi nồng độ các chất ô nhiễm theo thời gian do các quá trình vật lý, hóa học và sinh học trong dòng chảy. E -Hệ số phân tán dọc theo chiều dòng chảy,m2/s. Q -Lƣu lƣợng dòng chảy, m3/s. A -Diện tích mặt cắt ƣớt, m2. Từ phƣơng trình (2.8) trên các đoạn dòng chảy sông, cửa sông phƣơng trình toán học mô tả quá trình lan truyền chất trong dòng chảy một chiều là: (9.5) Trong đó : C - Nồng độ các chất ô nhiễm (mg/l) K - Hằng số tốc độ chuyển hóa các chất ô nhiễm trong quá trình lan truyền (ngày-1). A - Diện tích mặt cắt ƣớt (m2) . 9.2. Tính toán sự lan truyền các chất ô nhiễm trong dòng chảy sông Cơ sở toán học của mô hình mô phỏng chất lƣợng nƣớc gồm hai bài toán : Bài toán thủy động lực một chiều vận chuyển vật chất các chất ô nhiễm dựa trên cơ sở phƣơng trình bảo toàn khối lƣợng và động lƣợng và bài toán chuyển hóa các chất ô nhiễm trong dòng chảy dựa trên cơ sở phƣơng trình cân bằng vật chất. Các giả thiết khithiết lập mô hình toán học sự lan truyền các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học theo BOD &DO đƣợc coi nhƣ là một hệ thống vận chuyển, tải -khuếch tán một chiều các phản ứng sinh hóa xảy ra trong thủy vực dòng chảy là phản ứng bậc một. Trang 82 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước 9.2.1. Các phƣơng trình toán của mô hình Bài toán thủy động học một chiều Các phƣơng trình thủy động học một chiều là các phƣơng trình vi phân đạo hàm riêng phi tuyến mô tả các quá trình chảy trong kênh hở do Saint-Vennant đề xuất. Dựa trên cơ sở định luật bảo toàn khối lƣợng và động lƣợng dựa trên cơ sở một số giả thiết sau : • Trong khuôn khổ lý thuyết nƣớc nông, coi áp lực phân bố là thủy tĩnh, tức áp lực tăng tuyến tính với chiều sâu cột nƣớc. • Mật độ nƣớc là hằng số, không phụ thuộc vào nồng độ vật chất và độ muối.Từ đó dẫn đến sự bảo toàn khối lƣợng và thể tích tƣơng đƣơng. • Ảnh hƣởng của ma sát và quá trình chảy rối có thể biểu thị • Lực cản của đáy sông là nhỏ và có thể bỏ qua. Bài toán thủy động lực một chiều trong dòng chảy đƣợc viết nhƣ sau : (9.6) Trong đó : A -Diện tích mặt cắt ƣớt, L2. T - Thời gian,T. Q - Lƣu lƣợng dòng chảy, L3.T-1. g - Gia tốc trọng trƣờng, L.T-2. q - Lƣu lƣợng dòng gia nhập và lấy đi trên mmột đơn vị chiều dài dòng chảy, L3.L-1T-1 n - Hệ số maning's. R - Bán kính thuỷ lực, L Trang 83 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước Bài toán lan truyền chất hữu cơ trong dòng chảy (9.7) Trong đó : Ex -Hệ số phân tán dọc dòng chảy (m2/s) L -Nồng độ chất hữu cơ theo BOD (mg/l) LBS -Nồng độ các chất hữu cơ theo BOD trong dòng gia nhập q(mg/l) 9.2.2.Tính toán sự lan truyền chất trong dòng chảy Phƣơng pháp số bài toán dòng chảy không dừng một chiều: Giải hệ phƣơng trình Saint-Venant bằng phƣơng pháp sai phân hữu hạn sơ đồ ẩn 4 điểm Preissman. Trang 84 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước Hàm liên tục f (x,t) , các đạo hàm theo thời gian t và theo không gian x của hàm f (x,t) đƣợc xấp xỉ bằng các biểu thức sai phân theo sơ đồ ẩn 4 điểm Preisman trong hình 2.6 nhƣ sau : (9.8) (9.9) Trong đó : fj n -Giá trị của f tại điểm (x, t=n) Δt,Δx -Bƣớc thời gian và kích thƣớc của mắt lƣới sai phân θ -Trọng số cân bằng dao động trong khoảng từ 0.5 -1.0 Sơ đồ ẩn 4 điểm Preisman có các ƣu điểm sau : -Luôn ổn định với trọng số θ > 0.5 -Xấp xỉ tốt theo định luật bảo toàn. -Cho kết quả đồng thời của hai biến số tại một điểm đồng thời của lƣới tính. Các nghiên cứu cho thấy trọng số θ đóng một vai trò rất quan trọng trong quan điểm tính toán. Khi θ < 0.5 thì sơ đồ đó là không ổn định vô điều kiện. Khi θ= 0.5 thì sơ đồ ổn định không bền vững và cho độ chính xác bậc hai. θ > 0.5 thì sơ đồ ổn định vô điều kiện. Trong thực tế tính toán dòng không ổn định trong dòng chảy sông, để sơ đồ tính ổn định vô điều kiện thƣờng chọn θ =0.7 Sơ đồ Preismann cho phép thiết lập lƣới tính mền dẻo với bƣớc lƣới Δx không đều theo chiều không gian dòng chảy trong khi độ chính xác của phép xấp xỉ không bị ảnh hƣởng. Hai biến số Q, Z đƣợc tính đồng thời tại cùng một điểm của lƣới tính do đó dễ dàng kiểm nghiệm và hiệu chỉnh mô hình tính toán. Bƣớc thời gian tính toán Δt là một trong những thông số quan trọng của bài toán. Vì các mô hình dùng phƣơng pháp sai phân ẩn nên về nguyên tắc không hạn chế bởi điều kiện Courant-Friedrich-Levy nhƣ với các sơ đồ hiện. Trang 85 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước Bài toán lan truyền chất ô nhiễm trong dòng chảy: Sau khi xác định đƣợc các yếu tố đặc trƣng về dòng chảy : lƣu lƣợng, vận tốc và diện tích mặt cắt ƣớt của đoạn sông cần tính toán, xác định hay giải bài toán lan truyền chất trên dòng chảy. Việc tính toán tùy thuộc mục đích, yêu cầu bài toán lan truyền chất đƣợc giải cho hai trƣờng hợp tƣơng ứng với hai trạng thái của dòng chảy : trạng thái ổn định và trạng thái động lực. Bài toán ổn định: Với giả thiết chế độ dòng chảy ổn định, hoặc đƣợc coi nhƣ là ổn định trong khoảng thời gian (chu kỳ triều) mà chúng ta cần xem xét, phƣơng trình vi phân 2.9 đƣợc viết cho nồng độ các chất hữu cơ trong dòng chảy nhƣ sau: (9.10) (9.11) Trong đó : u - Vận tốc trung bình của dòng chảy trong một chu kỳ triều,m/s. E - Hệ số phân tán dọc dòng chảy trên đoạn sông tính toán,m2/s. Giải phƣơng trình vi phân bậc 2 (2.32) và (2.33) bằng phƣơng pháp tích phân với các điều kiện biên ta có kết quả : 2.35 , 2.36 và 2.37 L = Lo tại x = 0 ta có : (9.12) L = Lo tại x = 0 ta có : Trang 86 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước (9.14) Nồng độ chất hữu cơ ban đầu Lo đƣợc xác định trên cơ sở cân bằng vật chất tại đoạn sông có nguồn thải. Với các giả thiết và lý luận tƣơng tự cân bằng vật chất trên đoạn sông hình 2.1 ta có : (9.15) Tƣơng tự với sự thiếu hụt oxy ta có: (9.16) Trong đó: ka - Hằng số tốc độ hòa tan oxy, ngày -1 kd - Hằng số tốc độ phân hủy các chợp chất hữu cơ, ngày -1 Q - Lƣu lƣợng dòng chảy,m3/s D - Độ thiếu hụt oxy trong dòng chảy,mg/l. L - Nồng độ các chất hữu cơ theo BOD,mg/l E - Hệ số phân tán các chất ô nhiễm trên đoạn sông,m2/s. W -Tốc độ phát thải chất ô nhiễm từ các nguồn thải vào đoạn sông, mg/s. 9.3. Trình tự thiết lập mô hình chất lƣợng nƣớc Trình tự tiến hành xây dựng mô hình chất lƣợng nƣớc cho dòng chảy sông theo chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học đƣợc tiến hành theo các bƣớc sau : Trang 87 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước Mô hình thủy lực: -Xác định các yếu tố ảnh hƣởng đến chế độ thủy lực của dòng chảy. -Phân đoạn dòng chảy, xác định các điểm cần tính toán trên lƣới tính sai phân. -Giải hệ phƣơng trình, tính toán các thông số : +Lƣu lƣợng dòng chảy trung bình tại các đoạn sông cần tính toán. + Vận tốc dòng chảy trung bình trên các đoạn sông. Các đoạn sông chịu ảnh hƣởng của triều vận tốc đƣợc lấy theo giá trị trung bình cho một chu kỳ triều. +Diện tích mặt cắt ƣớt đƣợc xác định bằng các số liệu thực đo làm cơ sở cho các số liệu hiệu chỉnh mô hình thuỷ lực. Mô hình lan truyền chất dễ phân hủy sinh học: -Xác định các đặc trƣng cơ bản của quá trình lan truyền chất trên các đoạn sông cần tính toán. Các yếu tố đặc trƣng cơ bản bao gồm : Hệ số phân tán trên các vùng sông có chế độ thuỷ lực đặc trƣng : dòng chảy ổn định tƣơng đối, dòng chảy thay đổi chậm dần và dòng chảy chịu ảnh hƣởng của triều. Hằng số tốc độ phân huỷ, chuyển hoá các chất hữu cơ trong dòng chảy. -Xác định vị trí các nguồn thải, nồng độ các chất hữu cơ bổ sung trên các đoạn sông. - Giải phƣơng trình vi phân bằng phƣơng pháp sai phân. Trang 88 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước CHƢƠNG 10. GIỚI THIỆU CÁC PHẦN MỀM MÔ PHỎNG CHẤT LƢỢNG NGUỒN NƢỚC. MÔ HÌNH QUAL 2K Mô hình lƣu vực sông: MIKE BASIN, MIKE SHE, MITSIM, REBASIN. Mô hình thuỷ văn: HSPF, SSARR, NAM, TANK, AR, ARIMA, SWMM. Mô hình thuỷ lực: VRSAP(GS. Nguyễn Nhƣ Khuê), MIKE11, MIKE 11 GIS, MIKE21, MIKE FLOOD, ISIS, SOBEK, WENDY, TELEMAC-2D. Hệ thống thông tin địa lý GIS: MAPINFO, ArcView... Mô hình chất lƣợng nƣớc: QUAL2E, QUAL2K, MIKE BASIN-WQ, MIKE 11 WQ, MIKE EcoLab, WAPS. 10.1. Mô hình HSPF (Hydrological Simulation Program Fortran (USEPA) (1984) Mô hình HSPF (Chƣơng trình Fortran mô phỏng thủy văn) EPA Hoa Kỳ là một chƣơng trình mô phỏng của thủy văn lƣu vực sông và chất lƣợng nƣớc cho cả hai thông thƣờng và các chất ô nhiễm hữu cơ độc hại. Mô phỏng trong không gian 2 chiều ở trạng thái động lực với các thông số chất lƣợng nƣớc: các chất hoà tan, SS, DO, các chất dinh dƣỡng và các loại vi khuẩn chỉ thị. Dự báo xu thế thay đổi chất lƣợng nƣớc trong dòng chảy sau các trận mƣa và các thông tin về việc thu nƣớc ở các kênh. Mô hình HSPF sử dụng thông tin nhƣ lịch sử thời gian của lƣợng mƣa, nhiệt độ và độ bức xạ mặt trời, mặt đất nhƣ đặc điểm sử dụng các mẫu đất; và thực tiễn quản lý đất đai để mô phỏng các quá trình xảy ra trong lƣu vực. Kết quả của mô phỏng này là một lịch sử thời gian của số lƣợng và chất lƣợng của dòng chảy từ một hoặc nông nghiệp đô thị lƣu vực sông. Lƣu lƣợng, tải trầm tích, và các chất dinh dƣỡng và thuốc trừ sâu nồng độ đƣợc dự đoán. HSPF bao gồm một hệ thống cơ sở dữ liệu quản lý nội bộ để xử lý một lƣợng lớn mô phỏng đầu vào và đầu ra. HSPF bao gồm mã nguồn, phiên bản thực thi của hƣớng dẫn sử dụng, và hỗ trợ kỹ thuật. HSPF, thủy văn mô phỏng theo chƣơng trình Fortran, là một máy tính của EPA có thể mô phỏng mô hình thủy văn lƣu vực sông và chất lƣợng nƣớc liên quan cho cả hai truyền thống và độc chất ô nhiễm hữu cơ trên bề mặt đất không thấm nƣớc và thấm nƣớc và trong các suối và hỗn hợp cũng impoundments. Mô hình kết hợp các lƣu vực sông HSPF quy mô nông nghiệp Dòng chảy Model (ARM) và Trang 89 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước Non-điểm Nguồn (NPS) mô hình thành một khuôn khổ quy mô phân tích lƣu vực bao gồm vận chuyển chất gây ô nhiễm và chuyển đổi trong dòng kênh. Mô hình HSPF bao gồm một tập các module đƣợc sắp xếp theo một cấu trúc phân cấp, trong đó cho phép mô phỏng liên tục của một loạt các thủy văn và các quy trình chất lƣợng nƣớc. Kinh nghiệm với các mô hình tinh vi cho thấy rằng có rất nhiều nỗ lực của con ngƣời đƣợc kết hợp với quản lý dữ liệu. Điều này thực tế, thƣờng bị bỏ qua bởi các nhà xây dựng mô hình, có nghĩa là một mô hình thành công toàn diện phải bao gồm một thành phần quản lý dữ liệu âm thanh. Các phần mềm HSPF đƣợc lên kế hoạch quản lý xung quanh một loạt hệ điều hành thời gian trên các nguyên tắc truy cập trực tiếp. Các module mô phỏng vẽ đầu vào từ một Series thời gian Store và có khả năng viết ra cho nó. Bởi vì những yêu cầu chuyển số hƣớng dẫn rất từ ngƣời dùng, các vấn đề nói trên đƣợc giảm thiểu. Hệ thống HSPF đƣợc thiết kế để mô phỏng khác nhau và các module tiện ích có thể đƣợc gọi thuận tiện, hoặc là cá nhân hoặc song song. Một tiếp cận từ trên xuống nhấn mạnh thiết kế cấu trúc đã đƣợc theo sau. Trƣớc tiên, các khuôn khổ tổng thể và hệ thống quản lý chuỗi thời gian đƣợc thiết kế. Sau đó, công việc tiến triển ra các cấu trúc từ, cấp cao nhất chung nhất, một trong những chi tiết nhất thấp nhất. Mỗi cấp đƣợc lên kế hoạch trƣớc khi mã đã đƣợc bằng văn bản. cấu trúc dữ liệu thống nhất, số liệu logic, và quy ƣớc lập trình đƣợc sử dụng trong suốt. Modules đƣợc tách theo chức năng nhƣ vậy đó, càng nhiều càng tốt, họ chỉ có những hoạt động đó là duy nhất cho họ. Cấu trúc thiết kế đã làm cho hệ thống tƣơng đối dễ dàng mở rộng để ngƣời dùng có thể thêm các module của riêng mình với ít sự gián đoạn tƣơng đối của các mã hiện có. 10.2. Mô hình SWMM (Storm Water Management Model ) Storm mô hình quản lý nƣớc (SWMM) Trang 90 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước Storm của EPA mô hình quản lý nƣớc (SWMM) lần đầu tiên đƣợc phát triển vào năm 1971, và từ đó đã trải qua một số nâng cấp lớn. Nó tiếp tục đƣợc sử dụng rộng rãi trên khắp thế giới để phân tích, lập kế hoạch và thiết kế liên quan đến dòng chảy nƣớc mƣa, cống kết hợp, hệ thống cống vệ sinh, và các hệ thống thoát nƣớc khác trong khu vực thành thị, với nhiều ứng dụng trong khu vực không phải đô thị là tốt. Điều này nhằm mục đích thuỷ văn đô thị nói chung và phần mềm hệ thống thủy lực vận chuyển là một lƣợng mƣa-dòng chảy mô hình mô phỏng năng động sử dụng cho các sự kiện đơn lẻ hoặc dài hạn mô phỏng (liên tục) về số lƣợng và chất lƣợng nƣớc thải từ các khu vực chủ yếu là đô thị. Các thành phần dòng chảy của SWMM hoạt động trên một bộ sƣu tập của các khu vực subcatchment nhận đƣợc lƣợng mƣa và tạo ra các dòng chảy và gây ô nhiễm tải. Các phần định tuyến của dòng chảy này SWMM vận chuyển thông qua một hệ thống đƣờng ống, kênh, xử lý các thiết bị lƣu trữ /, máy bơm, và điều chỉnh. SWMM theo dõi số lƣợng và chất lƣợng của dòng chảy tạo ra trong mỗi subcatchment, và tốc độ dòng chảy, độ sâu dòng chảy, và chất lƣợng của nƣớc trong mỗi ống và kênh trong một khoảng thời gian mô phỏng bao gồm các bƣớc sau nhiều thời gian. EPA gần đây đã mở rộng SWMM 5 đến mô hình một cách rõ ràng hiệu suất thủy văn của các loại cụ thể của phát triển tác động thấp (LID) điều khiển, chẳng hạn nhƣ vỉa hè xốp, sinh học lƣu giữ các khu vực (ví dụ nhƣ, vƣờn mƣa, mái nhà màu xanh lá cây, và trồng đƣờng phố), thùng mƣa, xâm nhập chiến hào, và Swales dƣỡng. Các mô hình cập nhật cho phép các kỹ sƣ và các nhà hoạch định chính xác Trang 91 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước đại diện cho bất kỳ sự kết hợp của các điều khiển LID trong một khu vực nghiên cứu để xác định hiệu quả của họ trong việc quản lý nƣớc mƣa và thoát nƣớc tràn kết hợp. Chạy trên Windows, SWMM 5 cung cấp một môi trƣờng tích hợp để chỉnh sửa dữ liệu đầu vào nghiên cứu khu vực, chạy mô phỏng chất lƣợng thủy văn, thủy lực và nƣớc, và xem kết quả trong một loạt các định dạng. Chúng bao gồm màu khu vực thoát nƣớc đƣợc mã hóa và hệ thống vận chuyển bản đồ, đồ thị chuỗi thời gian và các bảng, ô hồ sơ, và phân tích tần số thống kê. SWMM 5 đƣợc sản xuất trong một nỗ lực phát triển doanh với CDM, Inc, một tƣ vấn toàn cầu, kỹ thuật, xây dựng, và công ty hoạt động. Khả năng: SWMM tài khoản cho các tiến trình thủy văn khác nhau mà tạo ra dòng chảy từ các khu vực đô thị. Chúng bao gồm:  Thời gian thay đổi lƣợng mƣa  Bốc hơi nƣớc đọng trên bề mặt  Tuyết tích lũy và tan chảy  Lƣợng mƣa đánh chặn từ lƣu trữ trầm cảm  Lƣợng mƣa thấm vào lớp đất không bão hòa  Thấm nƣớc thâm nhập vào các lớp nƣớc ngầm  Giao lƣu giữa các nƣớc ngầm và hệ thống thoát nƣớc  Hồ phi tuyến đƣờng bộ định tuyến của dòng chảy Dòng chảy giảm thấp tác động thông qua phát triển (LID) điều khiển. Không gian biến đổi trong tất cả các quá trình này đƣợc thực hiện bằng cách chia một vùng nghiên cứu vào một bộ sƣu tập nhỏ hơn, khu vực subcatchment đồng nhất, mỗi có chứa phần riêng của mình và không thấm nƣớc tiểu thấm nƣớc, khu vực. dòng chảy Overland có thể đƣợc chuyển giữa các tiểu vùng, giữa subcatchments, hoặc giữa các điểm nhập cảnh của một hệ thống thoát nƣớc. SWMM cũng chứa một tập hợp các khả năng linh hoạt của mô hình thủy lực đƣợc sử dụng để định tuyến dòng chảy và luồng vốn bên ngoài thông qua mạng lƣới Trang 92 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước hệ thống thoát nƣớc của đƣờng ống, kênh, xử lý lƣu trữ đơn vị / và cấu trúc phân. Chúng bao gồm các khả năng:  Xử lý mạng lƣới thoát nƣớc có kích thƣớc không giới hạn  Sử dụng nhiều loại ống dẫn khép kín và hình dạng tiêu chuẩn mở cũng nhƣ các kênh tự nhiên  Mô hình đặc biệt yếu tố nhƣ dung lƣợng / đơn vị điều trị, ngăn dòng chảy, máy bơm, weirs, và lỗ  Áp dụng các dòng chảy bên ngoài và đầu vào chất lƣợng nƣớc từ dòng chảy bề mặt, giao lƣu dƣới đất, xâm nhập phụ thuộc vào lƣợng mƣa / lƣu lƣợng, thời tiết khô vệ sinh dòng chảy, và dòng ngƣời dùng định nghĩa  Hoặc sử dụng sóng động học hoặc lƣu lƣợng sóng đầy đủ các phƣơng pháp định tuyến động  Nhiều mô hình chế độ dòng chảy, chẳng hạn nhƣ tù túng, surcharging, đảo ngƣợc dòng chảy, và bề mặt ponding  Áp dụng các quy tắc kiểm soát ngƣời dùng định nghĩa năng động để mô phỏng hoạt động của máy bơm, mở lỗ, và mức đỉnh đập Ngoài các mô hình thế hệ và vận chuyển của các dòng chảy, SWMM cũng có thể ƣớc tính sản xuất vật nặng gây ô nhiễm liên quan đến dòng chảy này. Các quy trình sau đây có thể đƣợc mô hình cho bất kỳ số lƣợng các thành phần ngƣời dùng định nghĩa chất lƣợng nƣớc:  Thời tiết khô chất ô nhiễm tích tụ trong đất khác nhau sử dụng  Washoff chất gây ô nhiễm từ đất cụ thể sử dụng trong các sự kiện bão  Đóng góp trực tiếp của mƣa đọng  Giảm trong thời tiết khô tích tụ do làm sạch đƣờng phố  Giảm tải lƣợng washoff do BMP  Nhập cảnh của dòng chảy thời tiết khô vệ sinh và ngƣời sử dụng các nguồn vốn bên ngoài quy định tại điểm bất kỳ trong hệ thống thoát nƣớc  Định tuyến của các thành phần chất lƣợng nƣớc thông qua hệ thống thoát nƣớc Trang 93 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước  Giảm nồng độ cấu thành thông qua điều trị tại các đơn vị lƣu trữ hoặc bằng quá trình tự nhiên trong đƣờng ống và kênh Ứng dụng: Kể từ khi thành lập, SWMM đã đƣợc sử dụng trong hàng ngàn nghiên cứu thoát nƣớc và nƣớc mƣa trên khắp thế giới. ứng dụng điển hình bao gồm:  Thiết kế và kích thƣớc của các thành phần hệ thống thoát nƣớc để kiểm soát lũ lụt  Kích thƣớc của các cơ sở giam giữ và phụ trợ của họ đối với kiểm soát lũ lụt và bảo vệ chất lƣợng nƣớc  Lập bản đồ ngập lụt đồng bằng của các hệ thống kênh tự nhiên (SWMM 5 là một mô hình FEMA chấp thuận cho các nghiên cứu NFPI)  Thiết kế chiến lƣợc kiểm soát để giảm thiểu tràn thoát nƣớc kết hợp  Đánh giá tác động của dòng chảy và xâm nhập vào hệ thống thoát nƣớc vệ sinh tràn  Tạo ra các điểm không gây ô nhiễm nguồn chất thải tải trọng cho các nghiên cứu phân phối tải trọng  Kiểm soát dòng chảy bằng cách sử dụng trang web thấp tác động thực tiễn phát triển Đánh giá hiệu quả của BMP để giảm tải trọng gây ô nhiễm thời tiết ẩm ƣớt. 10.3. Mô hình WAPS (USEPA) Chƣơng trình mô phỏng phân tích chất lƣợng nƣớc. (WASP7), một phụ kiện của bản gốc WASP (Di Toro et al, 1983;. Connolly và Winfield, 1984; Ambrose, RB và cộng sự, 1988.). Mô hình này giúp ngƣời dùng hiểu và dự đoán phản ứng chất lƣợng nƣớc đến hiện tƣợng thiên nhiên và ô nhiễm nhân tạo cho các quyết định quản lý các ô nhiễm. WASP là một khoang-mô hình năng động, chƣơng trình cho các hệ thống thuỷ sản, bao gồm cả cột cả hai nƣớc và các benthos cơ bản. WASP cho phép ngƣời dùng điều tra 1, 2, và 3 hệ thống chiều, và một loạt các loại chất gây ô nhiễm. Các biến trạng thái cho các module nhất định đƣợc đƣa ra trong bảng dƣới Trang 94 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước đây. Thời gian thay đổi quy trình của advection, phân tán, điểm và tải khối lƣợng khuếch tán và trao đổi ranh giới đƣợc thể hiện trong mô hình. WASP cũng có thể đƣợc liên kết với các mô hình vận tải thủy động lực và trầm tích có thể cung cấp dòng chảy, vận tốc nhiệt độ sâu, độ mặn và các thông lƣợng trầm tích. WASP đã đƣợc sử dụng để kiểm tra hiện tƣợng phú dƣỡng của Tampa Bay, FL, tải phốt pho đến hồ Okeechobee, FL; hiện tƣợng phú dƣỡng của sông Neuse cửa sông, NC; hiện tƣợng phú dƣỡng Coosa sông và hồ chứa, AL; PCB ô nhiễm của Great Lakes, hiện tƣợng phú dƣỡng của các cửa sông Potomac , kepone ô nhiễm của sông James cửa sông, ô nhiễm hữu cơ dễ bay hơi của cửa sông Delaware, và ô nhiễm kim loại nặng của sông sâu, Bắc Carolina, thủy ngân trong các sông Savannah, GA. Các tiền xử lý dữ liệu cho phép cho sự phát triển nhanh chóng của các bộ dữ liệu đầu vào. Khả năng mang lại cho dữ liệu vào các mô hình đơn giản là cắt và dán hoặc truy vấn từ cơ sở dữ liệu. tiền xử lý này cung cấp mô tả chi tiết của tất cả các thông số và hằng số mô hình động học. Khi liên kết với các mô hình thủy động lực WASP nó cũng đơn giản nhƣ chỉ đến tập tin liên kết thủy động lực.  Nhập chuỗi thời gian từ WRDB, bảng tính, văn bản tập tin  Tự động nhập thông tin giao diện mô hình thủy động lực  Multi-session có khả năng  Thời gian chạy chẩn đoán The Post-Bộ xử lý (MOVEM) cung cấp một phƣơng pháp hiệu quả để xem xét lại mô hình dự đoán và so sánh chúng với các trƣờng dữ liệu để hiệu chuẩn. MOVEM có khả năng hiển thị kết quả từ tất cả các mô hình WASP cũng nhƣ những ngƣời khác. MOVEM cho phép xây dựng mô hình để hiển thị các kết quả trong hai định dạng đồ họa: 1. Không gian Grid. một hai chiều màn biểu diễn của mô hình mạng đƣợc hiển thị trong một cửa sổ nơi mà các mô hình mạng là màu tô bóng dựa trên sự tập trung dự đoán. Trang 95 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước 2. x / Plots y - tạo ra một x / lô dòng y của các kết quả mô hình dự báo và / hoặc quan sát thấy trong một cửa sổ. Không có giới hạn về số lƣợng x / y lô, lƣới không gian hoặc thậm chí kết quả mô hình các tập tin ngƣời dùng có thể sử dụng trong một phiên. cửa sổ riêng biệt đƣợc tạo ra cho mỗi lƣới không gian hoặc x / lô y đƣợc tạo ra bởi ngƣời sử dụng. Thông tin Model WASP Phiên bản hiện tại 7.41 Ngày phát hành Ngày 7 tháng 6 năm 2010 Hệ điều hành Windows 95/98/ME/2000/XP Đối tƣợng dự định Kỹ sƣ môi trƣờng / Các nhà khoa học, các cơ quan pháp quy Từ khóa thuỷ sinh học, đánh giá, tuân thủ, xả, hiệu ứng môi trƣờng, thủy văn, kim loại, NPS liên quan, NPDES, điểm nguồn (s),, bề mặt thử nghiệm nƣớc / phân tích, TMDL liên quan Phƣơng tiện truyền thông Nƣớc mặt Các loại chất gây ô nhiễm Thông thƣờng các chất ô nhiễm (nitơ, phốt pho, oxy hoà tan, BOD, nhu cầu oxy trầm tích, tảo, bám), Hóa chất hữu cơ, kim loại, thủy ngân, tác nhân gây bệnh, nhiệt độ WASP - Mỹ EPA Mô hình chất lƣợng nƣớc WASP5/DYNHYD5 - Phân tích chất lƣợng nƣớc Chƣơng trình mô phỏng, EPA Hoa Kỳ là một khuôn khổ tổng quát mô hình mô phỏng số phận gây ô nhiễm trong vùng nƣớc bề mặt. Dựa trên các mô hình ngăn cách tiếp cận linh hoạt, WASP5 có thể do áp dụng trong một, hai, hoặc ba chiều. WASP5 đƣợc thiết kế để cho phép dễ dàng thay thế thói quen viết của ngƣời dùng vào cấu trúc chƣơng trình. Vấn đề đã đƣợc nghiên cứu bao gồm nhu cầu oxy sinh hóa, năng động oxy hòa tan, các chất dinh dƣỡng, Trang 96 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước nhiễm khuẩn và chuyển động hóa chất độc hại. Mô hình DYNHYD5 là một mô hình thủy động lực đơn giản mà mô phỏng các chu kỳ biến thủy triều, gió và các nguồn vốn không ổn định. Nó tạo ra một tập tin đầu ra có thể liên kết với WASP5 để cung cấp các dòng chảy và khối lƣợng cho các mô hình chất lƣợng nƣớc. WASP5 bao gồm mã nguồn, phiên bản thực thi của hƣớng dẫn sử dụng, và hỗ trợ kỹ thuật. 10.4. Hệ thống MIKE Xuất xứ mô hình MIKE: Viện Thuỷ lực Đan Mạch (DHI). Đặc tính nổi bật: Mô hình toán vật lý thông số phân bổ mô phỏng hệ thống tổng hợp dòng chảy mặt- dòng chảy ngầm lƣu vực sông. Mô phỏng biến đổi về lƣợng và chất hệ thống tài nguyên nƣớc. Bao gồm dòng chảy trong lòng dẫn, dòng chảy tràn bề mặt, dòng chảy ngầm tầng không áp, dòng chảy ngầm tầng có áp, dòng chảy tầng ngầm chuyển tiếp giữa tầng có áp và tầng không áp, bốc thoát hơi từ tầng thảm phủ, truyền chất, vận chuyển bùn cát. Ứng dụng thực tiễn: Đã đƣợc ứng dụng tính toán rộng rãi trên phạm vi toàn thế giới. Ở Việt Nam MIKE SHE đƣợc ứng dụng mô phỏng dòng hệ thống dòng chảy ngầm mặt lƣu vực sông Srêpôk Trong những năm 1990, viện thủy lực Đan mạch đã thiết lập hệ thống mô hình chất lƣợng nƣớc cho kênh, sông. Hệ thống này có thể tính toán sự lan truyền chất ô nhiễm trong dòng chảy từ các nguồn khác nhau vào các lƣu vực khác nhau. Tùy thuộc đối tƣợng nghiên cứu, yêu cầu tính toán các thông số chất lƣợng nƣớc trong dòng chảy sông, cửa sông, hồ hay biển mà áp dụng các phiên bản khác nhau nhƣ MIKE 11, MIKE 21, MIKE 3, MIKE SHE, MIKE MOUSE và MIKE BASIN. Giới thiệu mô hình Mike 11: Mô hình Mike 11 là 1 phần mềm kỹ thuật chuyên dụng do Viện thủy lực Đan Mạch (DHI) xây dựng và phát triển trong khoảng 20 năm trở lại đây, đƣợc ứng dụng để mô phỏng chế độ thủy lực, chất lƣợng nƣớc và vận chuyển bùn cát vùng cửa sông, trong sông, lòng dẫn, kênh dẫn, Mike 11 co nhiều module có các khả năng và nhiệm vụ nhau nhƣ : module mƣa dòng chảy (RR), module thủy động lực Trang 97 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước học (HD), module tải-khuếch tán (AD), module sinh thái (Ecolab),; tùy theo mục đích mà kết hợp sử dụng các module một cách hợp lý và khoa học. Trong nghiên cứu của mình, tôi sử dụng các module: module thủy lực (HD), module tải-khuếch tán (AD), module sinh thái (Ecolab) để mô phỏng chất lƣợng nƣớc sông. Module thủy lực (HD-Hydrodynamics) Module thủy lực đƣợc xây dựng trên cơ sở hệ phƣơng trình Saint-Venant một chiều cho trƣờng hợp dòng không ổn định , gồm 2 phƣơng trình sau: Phƣơng trình liên tục: Phƣơng trình động lƣợng: Đây là hệ 2 phƣơng trình vi phân đạo hàm riêng phi tuyến bậc nhất, đƣợc giải bằng phƣơng pháp số với lƣợc đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn (Abbott-Inoescu). Module tải-khuếch tán (AD-Avection Dispersion Module tải-khuếch tán đƣợc dùng để mo phỏng sự vận chuyển 1 chiều của chất huyền phù hoặc hòa tan (phân hủy) trong các lòng dẫn hở với giả thiết các chất này hòa tan trộn lẫn. Quá trình này đƣợc biểu diễn qua phƣơng trình sau: Trong đó : A: diện tích mặt cắt (m2) C: nồng độ (kg/m3) D:hệ số khuếch tán (m2/s) q: lƣu lƣợng nhập lƣu trên 1 đơn vị chiều dài dọc sông(m2/s) K: hệ số phân hủy sinh học (ngày-1) Phƣơng trình này đƣợc giải bằng phƣơng pháp số với sơ đồ sai phân ẩn trung tâm. Module sinh thái (Ecolab) Trang 98 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước Module sinh thái có quan hệ chặt chẽ với module tải-khuếch tán, góp phần mô phỏng các quá trình biến đổi sinh-hóa xảy ra trong môi trƣờng nƣớc nhƣ : Mối quan hệ giữa BOD/DO Các nhân tố ảnh hƣởng đến độ Oxy hòa tan (to, dòng chảy,) Quá trình Nitrat hóa Ảnh hƣởng của thực vật đáy Sự khuấy động và lắng đọng của bùn cát Ngoài ra còn có các mô hình MIKE khác: MIKE BASIN, MIKE SHE, MIKE11, MIKE 11 GIS, MIKE 11 WQ, MIKE EcoLab, MIKE BASIN-WQ, MIKE21, MIKE FLOOD, MIKE 3. 10.5. Mô hình WQRRS (Water quality for River ) WQRRS (water quality for river or reservoir system) có thể dự đoán khá chính xác sự thay đổi của nhiệt độ và ô xy hòa tan trong những điều kiện khác nhau. Ghép nối mô hình Qual II với mô hình tính toán sự lan truyền chất ô nhiễm trong các hồ chứa nƣớc. Tính toán 1, 2 chiều cho hệ thống sông - hồ ở trạng thái động lực với số liệu đầu ra là chất lƣợng nƣớc sông làm số liệu đầu vào cho mô hình chất lƣợng nƣớc hồ. Trang 99 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước 10.6. Mô hình QUAL2K (QUAL2E) Model QUAL2K Phiên bản hiện tại 2.11b8 Ngày phát hành Tháng 1 năm 2009 Hệ điều hành Windows ME/2000/XP / MS Office 2000 hoặc cao hơn Đối tƣợng dự định Kỹ sƣ môi trƣờng / Các nhà khoa học, các cơ quan pháp quy Từ khóa thuỷ sinh học, đánh giá, tuân thủ, xả, hiệu ứng môi trƣờng, thủy văn, NPS liên quan, NPDES, điểm nguồn (s),, bề mặt thử nghiệm nƣớc / phân tích, TMDL liên quan Phƣơng tiện truyền thông Nƣớc mặt Các loại chất gây ô nhiễm Thông thƣờng các chất ô nhiễm (nitơ, phốt pho, oxy hoà tan, BOD, nhu cầu oxy trầm tích, tảo), pH, bám, tác nhân gây bệnh 10.6.1 Giới thiệu QUAL2K ( hoặc Q2K) là một mô hình về chất lƣợng nƣớc của sông và dòng chảy nó đƣợc cải tiến từ cho mô hình QUAL2E (Q2E) do (Brown and Barnwell 1987). Q2K tƣơng tự nhƣ Q2E với những đặc điểm sau: Một chiều: Lòng sông là những nguồn nƣớc trộn lẫn theo chiều dọc và chiều sâu. Nhánh sông: Hệ thống có thể bao gồm một sông chính với các sông nhánh. Khối nhiệt và nhiệt độ đƣợc mô phỏng nhƣ một công thức khí tƣợng học trên một mức độ thời gian. Tính chất thủy lực là ổn định: đồng nhất, dòng chảy ổn định đƣợc mô phỏng Động học chất lƣợng nƣớc: chất lƣợng nƣớc thay đổi mô phỏng theo các mức độ thời gian. Trang 100 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước Nhiệt và khối lƣợng đầu vào: điểm và không điểm chịu tải và nƣớc chảy ra đều đƣợc mô phỏng. QUAL2K còn bao gồm các phần tử mới: Phần mềm môi trƣờng và giao diện. Q2K là một công cụ trong môi trƣờng Microsoft Windows. Số lƣợng tính toán dùng chƣơng trình Fortran 90. Excel đƣợc sử dụng để hiển thị đồ thị trên giao diện cho ngƣời sử dụng. Tất cả các giao diện này có tác dụng là chƣơng 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 lƣợng và các dòng chảy ra có thể vào nhiều phần tử. Sự hình thành cacbon BOD. Q2K sử dụng 2 dạng Cacbon BOD tƣợng trƣng 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 lƣợng thiếu Oxy bởi sự làm giảm phản ứng oxy hóa đến không với mức oxy thấp. Thêm vào đó, quá trình khử Nito nhƣ là mô hình phản ứng bậc 1 làm cho nồng độ oxy xuống thấp. Tác động qua lại giữa nƣớc và trầm tích. Nƣớc và trầm tích chảy mạnh làm hòa tan Oxy và dinh dƣỡng có thể mô phỏng bên trong hơn là bắt buộc. Do đó lƣợng oxy (SOD) và dòng chảy dinh dƣỡng đƣợc mô phỏng nhƣ một công thức ổn định về vật chất hữu cơ, phản ứng trong trầm tích, và nồng độ ở dạng hòa tan sẽ làm nƣớc quá bão hòa. 10.6.2. Sự chia ra từng đoạn và tính chất thủy lực Mô hình miêu tả một dòng sông nhƣ một dãy các đoạn sông. Nó tƣợng trƣng cho quãng sông có tính chất thủy lực giống nhau ( ví dụ độ dốc, độ rộng đáy dƣới ) nhƣ đƣợc miêu tả bởi bức tranh thứ 1, số các đoạn sông tăng theo thứ tự bắt đầu từ thƣợng nguồn của đoạn sông chính. Trang 101 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước Chú ý cả các điểm nguồn và không phải điểm nguồn cũng nhƣ các điểm chảy ra và các điểm không chảy ra có thể có bất kỳ vị trí nào theo suốt chiều dài của sông. 1 2 3 4 5 6 8 7 Non-point withdrawal Non-point source Point source Point source Point withdrawal Point withdrawal Headwater boundary Downstream boundary Point source Figure 1 QUAL2K segmentation scheme for a river with no tributaries. Hệ thống gồm các sông nhánh (hình2). Số lƣợng các đoạn sông đƣợc đánh số bắt đầu từ đoạn 1 và tăng dần ở thƣợng nguồn của con sông chính. Khi đến chỗ nối với một nhánh sông là một đoạn sông số thứ tự tiếp tục đƣợc đánh từ thƣợng nguồn từ nhánh sông này. Quan sát cả thƣợng nguồn và các nhánh sông các số là liên tiếp nhau theo một dãy sắp xếp tƣơng tự đến các đoạn sông. Chú ý các nhánh sông lớn của hệ thống đều đƣợc quy về nhƣ 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 nhƣ các sông nhánh. Trang 102 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước 19 18 17 16 1 5 4 3 2 20 28 27 26 21 29 12 15 14 13 8 7 6 9 11 10 24 23 22 25 HW#1 HW#2 HW#3 HW#4 (a) A river with tributaries (b) Q2K reach representation M a in s te m Trib 1 Tr ib 2 Trib 3 Figure 2 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 3 chỉ rõ số phần tử mong muốn. n = 4 Reach Elements Figure 3 If desired, any model reach can be further subdivided into a series of n equal-length elements. Trang 103 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước Cân bằng dòng chảy: Nhƣ đã đã đƣợc miêu tả ở phần trƣớc, đơn vị cơ bản của mô hình Q2K là phần tử. Một dòng chảy ổn định cân bằng là phƣơng tiện cho mỗi mô hình phần tử. ioutiinii QQQQ ,,1   [1] Trong đó Qi là lƣợng chảy ra từ phần tử i vào phần tử xuôi dòng i + 1 [m 3 /d], Qi–1 là lƣợng chảy vào từ phần tử ngƣợc dòng i – 1 [m 3 /d], Qin,i là tổng lƣợng chảy vào trong phần tử từ điểm nguồn và không phải điểm nguồn [m3/d], và Qout,i là tổng lƣợng chảy ra từ phần tử đó đến điểm chảy ra và không phải điểm chảy ra [m 3/d]. Vì vậy, lƣợng chảy ra xuôi dòng chỉ là sự chênh lệch giữa lƣợng vào và nguồn nƣớc tăng thêm trừ đi lƣợng chảy ra mất mát. i i + 1i  1 Qi1 Qi Qin,i Qout,i Figure 4 Element flow balance. Tổng lƣợng chảy vào từ nguồn tính toán nhƣ sau.    npsi j jinps psi j jipsiin QQQ 1 ,, 1 ,,, [2] Trong đó Qps,i,j là lƣợng chảy vào từ điểm nguồn thứ j đến phần tử i, psi tổng số điểm nguồn đến phần tử i, Qnps,i,j là lƣợng 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 lƣợng chảy ra từ các nguồn chảy ra đƣợc tính toán nhƣ sau: Trang 104 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước    npai j jinpa pai j jipaio QQQ 1 ,, 1 ,,ut, [3] Trong đó Qpa,i,j là lƣợng 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 lƣợng 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 đƣợc mô hình nhƣ đƣờng nguồn. Nhìn bức tranh 5, các điểm là không phải điểm nguồn hoặc không phải điểm chảy ra đƣợc 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. Qnpt 25% 25% 50% start end 1 1 2 Figure 5 The manner in which non-point source flow is distributed to an element. Tính chất thủy lực học: Một lƣợng chảy ra của mỗi phần tử sẽ đƣợc tính toán, chiều rộng và chiều sâu sẽ đƣợc tính toán bởi một theo 3 cách sau : weirs, rating curves, and công thức Manning . Chƣơng trình lựa chọn giữa các cách trên: Nếu chiều rộng và chiều cao của đập đƣợc nhập vào, đập nƣớc sẽ đƣợc chọn làm phƣơng tiện tính toán. Trang 105 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước Nếu chiều rộng và chiều cao của đập bằng 0 và hệ số đƣờng cong ( a và  ) đƣợc nhập vào. Phƣơng tiện rating curves đƣợc chọn làm phƣơng tiện tính toán. Nếu không có quy định trƣớc là mét. Q2K sử dụng công thức Manning. Đập nƣớc: Bức tranh 6 cho thấy có bao nhiêu đập nƣớc đƣợc miêu tả trong Q2K. Chú ý một cái đập nƣớc chỉ có thể xảy ra ở điểm cuối của một phần tử đơn của một đoạn sông, bức tranh 6 cho thấy các thông số sau Hi là chiều sâu của phần tử ngƣợc dòng của đập nƣớc [m], Hi+1 là chiều sâu của phần tử xuôi dòng của đập [m], elev2i độ cao so với mực nƣớc biển điểm cuối của phần tử ngƣợc dòng [m], elev1i+1 độ cao so với mực nƣớc biển điểm đầu của phần tử xuôi dòng. Hw độ cao của đập trên elev2i , Hd là độ hạ thấp giữa độ cao mực nƣớc của bề mặt của phần tử i và phần tử i +1 Hi+1 Hw Hi Bw Hd (a) Side (b) Cross-section Hw Hi Hh elev2i elev1i+1 elev2i elev1i+1 Figure 6 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) 2/383.1 hwi HBQ  [4] Trong đó Qi là lƣợng chảy ra từ phần tử ngƣợc dòng của đập, m 3 /s, Bw, Hh là mét. Công thức 4 có thể đƣợc làm sang tỏ nhƣ sau: Trang 106 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước 3/2 83.1          w i h B Q H [5] Kết quả có thể sử dụng để tính toán chiều sâu của phần tử I, hwi HHH  [6] Và có thể tính độ hạ thấp trên đập 1112   iiiid HelevHelevH [7] Chú ý độ hạ thấp có thể sử dụng để tính toán lƣợng Oxy và CO2 di chuyển qua đập. Tại các khu vực mặt cắt ngang, chiều sâu, bề mặt và thể tích phần tử i có thể đƣợc tính toán nhƣ sau. iiic HBA , [8] ic i i A Q U ,  [9] iiis xBA , iiii xHBV  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 đƣợc nhập vào. Giá trị đƣợc nhập vào cột AA ( nhãn "Bottom Width") của Reach Worksheet. Hệ số đƣờng cong: Phƣơng 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. baQU  [10] QH  [11] Trang 107 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước Trong đó a, b,  ,  là hệ số kinh nghiệm đƣợc xác định từ sự phán tán dọc trục và sự phát tán theo giai đoạn ứng với hệ số đƣờng cong. Giá trị của chiều dọc và chiều sâu có thể đƣợc dùng để xác định diện tích mặt cắt ngang và chiều rộng bởi U Q Ac  [12] H A B c [13] Diện tích bề mặt và thể tích có thể tính nhƣ sau xBAs  xBHV  Số mũ b và  đƣợc đặc trƣng trong bảng 1 chú ý tổng của b và  phải kém hơn hoặc bằng 1. Nếu đây không phải là trƣờng 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 baQU  b 0.43 0.40.6 QH   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. Công thức manning: Mỗi phần tử trong đoạn sông riêng biệt có thể lý tƣởng hóa nhƣ một hình thang. 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. Trang 108 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước 3/2 3/52/1 0 P A n S Q c [14] Trong đó Q là lƣu lƣợng dòng chảy [m3/s], S0 độ dốc đáy sông [m/m] , n là hệ số gồ ghề, Ac diện tích mặt cắt ngang [m 2] và P là chu vi thấm ƣớt [m]. Q, UB0 1 1 ss1 ss2 H S0 B1 Figure 7 Trapezoidal channel. Diện tích mặt cắt ngang của một lòng sông hình thang đƣợc tính toán nhƣ sau.  HHssBA ssc )(5.0 210  [15] Trong đó B0 là chiều rộng đáy sông [m], ss1 và ss2 là hai độ dốc cạnh xem hình 7, [m/m], và H là chiều sâu của phần tử [m]. Chu vi thấm ƣớt đƣợc tính nhƣ sau. 11 22 2 10  ss sHsHBP [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),  1210 10/3 5/2 2 21 2 110 5/3 )(5.0 11)(           kss sksk k HssBS sHsHBQn H [17] Trong đó k = 1, 2, n. n là số lần lặp. Ban đầu ƣớc chừng H0 = 0 đƣợc dùng. Phƣơng pháp kết thúc khi đánh giá sai số bên dƣới nhỏ hơn 0.001%. Đánh giá sai số đƣợc tính nhƣ sau. %100 1 1      k kk a H HH  [18] Trang 109 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước Diện tích mặt cắt ngang đƣợc xác định bởi công thức 15 và vận tốc có thể xác định từ công thức sau, cA Q U  [19] Giá trị trung bình của chiều rộng phần tử B[m] có thể tính toán nhƣ sau: H A B c [20] Chiều rộng bên trên B1[m] thể đƣợc tính toán nhƣ sau. HssBB ss )( 2101  Diện tích bề mặt và thể tích của phần tử có thể đƣợc tính toán nhƣ sau: xBAs  1 xBHV  Đề xuất giá trị hệ số manning cho trong bảng 2, n đặc trƣng 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 thƣờng xuyên đƣợc tăng lên. Giá trị của hệ số manning đã đƣợc 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 ƣớc lƣợng chất lƣợng nƣớc đại thể là kém hơn bãi ngầm sâu và nó liên quan đến tính chất gồ ghề của độ cao. Trang 110 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước 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 nƣớc: Trong phần đập nƣớc sự chảy của nƣớc trên đập đƣợc tính toán, giá trị cần đƣợc tính toán tăng dần xảy ra trong một vài trƣờng hợp. Thêm vào các đập, sự chảy xuống có thể hầu nhƣ xảy ra trong các thác nƣớc. Chú ý thác nƣớc chỉ có thể xảy ra tại điểm cuối của đoạn sông. Hi+1 Hi Hd elev2i elev1i+1 Figure 8 A waterfall occurring at the boundary between two reaches. Qual2k sẽ tính toán dòng chảy trong trƣờng hợp độ cao so với mực nƣớc biển rất dốc trong ranh giới giữa hai đoạn sông , công thức 7 dùng để tính toán sự hạ thấp dòng chảy. Trang 111 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước Chú ý sự hạ thấp này chỉ tính toán khi độ cao so với mực nƣớc 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. Travel Time (Thời gian di chuyển): Thời gian lƣu của mỗi phần tử đƣợc tính toán nhƣ sau: k k k Q V  (1) Trong đó  k là thời gian lƣu 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[m 2 ], 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 đƣợc tính toán nhƣ sau:    j k kjtt 1 ,  [22] Trong đó tt,j là thời gian di động. Phát tán dọc trục: Hai lựa chọn đƣợc sử dụng để xác định sự phát tán dọc trục một ranh giới giữa hai phần tử. Đầu tiên, ngƣời sử dụng chỉ đánh giá, giá trị nhập vào trên Reach Worksheet. Nếu ngƣời sử dụng không nhập giá trị, một công thức bên trong sẽ đƣợc dùng tính toán phát tán cơ bản tính chất thủy lực lòng sông (Fischer et al. 1979), * 22 , 011.0 ii ii ip UH BU E  [23]. 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 đƣợc tính nhƣ sau: iii SgHU  * [24]. Trong đó g là gia tốc trọng trƣờng [= 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 nhƣ sau: 2 , ii in xU E   [25]. Trang 112 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước Độ phát tán của mô hình là Ei ( giá trị này sẽ đƣợc 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 0. Trong một số trƣờng hợp dƣới đây, kết quả độ phát tán của mô hình là lớn hơn độ phát tán vật lý. Nhƣ 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. Nhƣ hình 9, 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 đƣợc viết với phần tử i, nhƣ sau:                               cm 100 m cm 100 m cm 10 m ,, 36 3 , 1 ' 1 ' 1, 1 1 ipww is ipww ia ipww ih ii i i ii i i i i iout i i i i i ii HC J HC J VC W TT V E TT V E T V Q T V Q T V Q dt dT  [26]. Trong đó: Ti -Nhiệt độ phần tử i, [ 0 C], t -Thời gian [d], E’I -Hệ số phát tán lớn giữa phần tử i và phần tử i+1 [m 3 /d], Wh,i -Mạng nhiệt từ các điểm nguồn và không phải điểm nguồn trong phần tử i[cal/d] w -Tỷ trọng của nƣớc [g/m 3 ], Cpw -Nhiệt dung riêng của nƣớc [cal/(g o C)], Ja,i -Dòng chảy nhiệt giữa không khí và nƣớc [cal/(cm 2 d)], Js,i -Dòng chảy nhiệt giữa nƣớc và trầm tích [cal/(cm 2 d)]. i inflow outflow dispersion dispersion heat load heat withdrawal atmospheric transfer sediment-water transfer sediment Figure 9 Heat balance for an element. Hệ số phát tán có thể tính toán nhƣ sau: Trang 113 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước   2/1 ,'   ii ici i xx AE E [27]. Chú ý hai loại điều kiện biên đƣợc 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 đƣợc tính toán nhƣ sau (recall Eq. 2)            npsi j jnpsijinps psi j jpsijipspih TQTQCW 1 ,,, 1 ,,,,  [28]. Tps,i,j là nhiệt độ của điểm nguồn thứ j đối với phần tử i[ 0 C] và Tnps,i,j là nhiệt độ của điểm không phải điểm nguồn đối với phần tử i[0C]. Dòng nhiệt bề mặt: Nhƣ đƣợc miêu tả ở hình 10, sự thay đổi nhiệt độ bề mặt là một mô hình nhƣ là một sự kết hợp 5 quá trình. ecbranh JJJJIJ  )0( [29]. I(0) -là bức xạ mặt trời sóng ngắn trong bề mặt nƣớc, Jan -là bức xạ sóng dài trong không khí, Jbr -phản xạ sóng dài từ nƣớc, Jc -là độ dẫn điện, Je -là sự bốc hơi. Tất cả các dòng chảy đều biểu diễn bằng cal/cm2/d. air-water interface solar shortwave radiation atmospheric longwave radiation water longwave radiation conduction and convection evaporation and condensation radiation terms non-radiation terms net absorbed radiation water-dependent terms Figure 1 The components of surface heat exchange. Bức xạ mặt trời: Mô hình tính toán số lƣợng lớn các bức xạ mặt trời vào nƣớc tại một đƣờng vĩ độ (Lat) và kinh độ (Llm) đặc biệt trên bè mặt trái đất. Trang 114 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước Số lƣợng 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. nattenuation attenuatio radiation shading reflection cloud catmospheri strialextraterre )1( )1( )0( 0 fsct SRaaII  [30]. Trong đó: I(0) -Là bức xạ mặt trời trong bề mặt nƣớc [cal/cm2/d], I0 -Bức xạ ngoài khí quyển ( tầng trên của khí quyển trái đất), [cal/cm 2 /d], at -Không khí loãng, ac -Mây mỏng, Rs -Suất phản chiếu (phản xạ nhỏ), Sf -Hệ số hiệu quả bóng tối ( trở ngại nhỏ của sinh vật) Trang 115 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. La Anh Tuấn. Mô hình hóa môi trường. Trƣờng Đại học Cần Thơ. 2008 2. TSKH Bùi Tá Long. Nội dung bài giản điện tử. Đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh 3. Jerald L. Schnoor. Environmental Modeling. 1996. 4. A.James. An Introduction to water quality modeling. 1996. 5. Mervin D.Palmer. Water quality modeling. A guide to effective practice. 2001. 6. Linfield C.Brow and Thomas O.Branwel. The enhanced stream water quality. 7. Qual2E and Qual2E-uncas: Documentation and user manual. 1987. 8. Steve C. Chapra. Sufrace water-quality modeling. 1997. 9. Khoa kỹ thuật biển, trƣờng đại học Thủy Lợi. Mô hình hóa môi trường. 10. 11.