Nghiên cứu tính toán và dự báo ô nhiễm nước mặt vùng hạ lưu sông Hàn bằng mô hình toán thuỷ lực

1 BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRẦN VĂN THANH THIỆN NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN VÀ DỰ BÁO Ơ NHIỄM NƯỚC MẶT VÙNG HẠ LƯU SƠNG HÀN BẰNG MƠ HÌNH TỐN THUỶ LỰC Chuyên nghành: Thuỷ lợi Mã số: 60.62.27 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: GS.TS NGUYỄN THẾ HÙNG Đà Nẵng - 2010 2 Cơng trình hồn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Nguyễn Thế Hùng Phản biện 1: PSG.TS Trần Cát Phản biện 2: TS. Nguyễn Văn Minh Luận văn được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ kỹ thuật tại Đại học Đà Nẵng, vào ngày 29 tháng 07 năm 2010. Cĩ thể tìm hiểu tại: - Trung tâm Thơng tin Tư liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng 3 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hệ thống Sơng Hàn (Gồm sơng Hàn- sơng Cẩm Lệ và sơng Vĩnh Điện) là nguồn cung cấp nước chủ yếu cho mọi hoạt động sản xuất cũng như nhu cầu sinh hoạt của người dân thành phố Đà Nẵng và các vùng phụ cận. Nhưng, hệ thống sơng nĩi trên thường xuyên bị tác động tiêu cực do các loại hình hoạt động sản xuất gây ra, trong đĩ vấn đề lan truyền ơ nhiễm là một trong những vấn đề bức thiết. Nhằm đáp ứng một phần nhu cầu trên, việc chọn đề tài: “Nghiên cứu tính tốn và dự báo ơ nhiễm nước mặt vùng hạ lưu sơng Hàn bằng mơ hình tốn thuỷ lực” là cần thiết. 2. Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu, áp dụng mơ hình tốn thủy lực, để tính tốn dự báo sự ảnh hưởng ơ nhiễm nước mặt ở hạ lưu sơng Hàn, để cĩ biện pháp xử lý, khắc phục thích hợp nhằm đảm bảo được nhiệm vụ kiểm sốt ơ nhiễm ở vùng hạ lưu sơng Hàn. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Ảnh hưởng ơ nhiễm hạ lưu sơng Hàn; - Phạm vi nghiên cứu: Lưu vực hạ lưu sơng Hàn (Đoạn từ cửa sơng đến Cầu Đỏ). 4. Nội dung nghiên cứu: - Điều tra khảo sát thực địa: xác định độ ơ nhiễm dọc sơng, xác định lưu lượng dịng chảy thượng nguồn; mực nước triều vùng hạ lưu vào các thời gian tiêu biểu của từng tháng. - Nghiên cứu áp dụng mơ hình tốn thuỷ lực để tính tốn (mơ hình tốn thủy lực HES-RAC), dự báo ơ nhiễm với các điều kiện biên là số liệu đã thu thập và đo đạc được. Kết quả là đưa ra sự phân bố ơ nhiễm theo khơng gian và thời gian; nhận xét và kiến nghị. 5. Phương pháp nghiên cứu: 5.1 Cách tiếp cận: Sử dụng phương pháp tiếp cận lịch sử: Trên nền tảng hệ thống lý thuyết đã được xây dựng khá lâu và phát triển tương đối hồn thiện, luận văn kế thừa và ứng dụng hệ thống này kết hợp lựa chọn mơ hình tốn phù hợp với lý thuyết và điều kiện tự nhiên của khu vực nghiên cứu. 5.2 Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp thống kê tổng hợp 4 Phương pháp mơ hình tốn thuỷ lực 5.3 Kỹ thuật sẽ sử dụng: Nghiên cứu hiện trạng khai thác sử dụng nguồn nước từ sơng Hàn của các ngành kinh tế và tìm hiểu quy hoạch phát triển của các ngành liên quan đến sơng Hàn. Trên cơ sở tính tốn, phân tích để đề xuất giải pháp xử lý tình hình ơ nhiễm và kiến nghị điều chỉnh để quy hoạch hợp lý hơn. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 6.1 Đối với lĩnh vực khoa học: Sản phẩm của đề tài sẽ là cơng cụ rất cần thiết gĩp phần làm cơ sở khoa học để triển khai phương án khai thác các cơng trình dân sinh, kinh tế nhưng vẫn kiểm sốt tình hình diễn biến ơ nhiễm ở hạ lưu sơng Hàn. 6.2 Đối với lĩnh vực xã hội: Cơ sở để dự báo và đề ra các biện pháp xử lý, khắc phục ảnh hưởng do ơ nhiễm gây nên, nhằm đảm bảo vấn đề mơi trường và cuộc sống ổn định của người dân vùng hạ lưu sơng Hàn 7. Cấu trúc của luận văn Luận văn được xây dựng theo cấu trúc gồm cĩ 4 chương: MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1 : Đặc điểm điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu CHƯƠNG 2 : Tổng quan các phương pháp tính tốn ơ nhiễm nước mặt CHƯƠNG 3 : Cơ sở lý thuyết mơ hình tính tốn ơ nhiễm nước mặt CHƯƠNG 4 : Tính tốn và dự báo diễn biến ơ nhiễm nước mặt sơng Hàn KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC CHƯƠNG 1 ĐẶC ĐIỂM ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN KHU VỰC NGHIÊN CỨU 1.1. Đặc điểm điều kiện tự nhiên 1.1.1. Vị trí địa lý Thành phố Đà Nẵng cĩ diện tích là 1.248,4 km2, nằm trong khu vực từ 15015’15” đến 16013’15” Vĩ độ Bắc và 107049’00” đến 108020’18” Kinh độ Đơng, thuộc vùng duyên hải miền Trung, là cửa ngõ quốc tế thứ 3 của nước ta. Tuy diện tích chỉ bằng 0,38% diện tích của cả nước nhưng Đà Nẵng cĩ gần như hầu hết các đặc điểm tự nhiên của cả nước ta : 1.1.2. Đặc điểm địa hình 5 1.1.2.1. Địa hình bĩc mịn tổng hợp: 1.1.2.2. Địa hình Karst: 1.1.2.3. Địa hình tích tụ do hỗn hợp sơng - biển: 1.1.2.4. Địa hình tích tụ do hỗn hợp biển - đầm lầy: 1.1.2.5. Địa hình tích tụ do biển: 1.1.2.6. Địa hình do giĩ tái tích tụ cát biển: 1.1.3. Đặc điểm khí tượng 1.1.3.1. Đặc trưng khí tượng, khí hậu a. Khí hậu: Khí hậu thành phố Đà Nẵng là khí hậu nhiệt đới giĩ mùa với lượng bức xạ dồi dào, nắng nhiều, nền nhiệt độ cao và lượng mưa phong phú. Tuy nhiên sự phân bố khí hậu về khơng gian và thời gian hết sức phức tạp . Về cơ bản thành phố Đà Nẵng cĩ 2 vùng khí hậu là: vùng đồng bằng ven biển và vùng trung du, miền núi. b. Lượng mưa: Lượng mưa bình quân nhiều năm: Lượng mưa bình quân nhiều năm của một số nơi khu vực Đà Nẵng - Quảng Nam thuộc lưu vực sơng Vu Gia: 2.185 mm. c. Đặc điểm bức xạ và nắng: Đà nẵng cĩ lượng bức xạ và số giờ nắng dồi dào. d. Đặc điểm bốc hơi và tình hình khơ hạn : Lượng nước bốc hơi trung bình năm tại thành phố là 1.048 mm,vùng núi phụ cận từ 800 - 1000mm. Lượng nước bốc hơi mạnh trong thời kì giĩ Tây Nam khơ nĩng, ít nhất trong thời kì mùa mưa. e. Đặc điểm nhiệt độ khơng khí: Chế độ nhiệt ở Đà Nẳng là đặc trưng quan trọng của loại hình nhiệt đới giĩ mùa, cĩ nền nhiệt độ cao và khá đồng đều quanh năm. g. Đặc điểm giĩ bão: Hướng giĩ tại Đà Nẵng tương đối phân tán, hầu như các hướng đều cĩ giĩ. 1.1.4 Đặc điểm thuỷ văn 1.1.4.1 Đặc điểm thuỷ văn: a. Mạng lưới sơng suối : Trên địa bàn thành phố Đà Nẵng cĩ 2 sơng chính là sơng Cu Đê và sơng Hàn. Sơng Hàn: chiều dài 5,262km, là hợp lưu của sơng Cầu Đỏ - Cẩm Lệ và sơng Vĩnh Điện. b. Dịng chảy năm: Sự phân bố dịng chảy trong năm khơng đều, phần lớn lượng dịng chảy tập trung trong mùa mưa lũ. c. Chế độ thuỷ triều: Vùng biển Đà Nẵng cĩ chế độ bán nhật triều khơng đều, trung bình mỗi tháng cĩ 3 ngày theo chế độ nhật triều, tháng nhiều nhất cĩ 8 ngày, tháng ít nhất chỉ cĩ 1 ngày nhật triều. 1.2. Tình hình dân sinh kinh tế, xã hội và khai thác sử dụng nước mặt 6 1.2.1. Dân sinh: 1.2.1.1. Về hành chính : Thành phố Đà Nẵng là thành phố trực thuộc Trung ương cĩ 8 quận huyện. 1.2.1.2. Về dân số : Dân số trung bình tồn thành phố năm 2007 là 806.744 người. 1.2.2. Kinh tế: Nhịp độ tăng trưởng kinh tế theo GDP bình quân thời kì 2000-2007 là 12,5% trong đĩ cơng nghiệp tăng 17,63%, nơng nghiệp tăng 4,8% và dịch vụ tăng 8,5% . 1.2.3. Tình hình khai thác sử dụng nước mặt: Nước chủ yếu được sử dụng để cấp nước sinh hoạt. CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN Ơ NHIỄM NƯỚC MẶT 2.1 Tổng quan về nghiên cứu ơ nhiễm nước mặt: 2.1.1 Tổng quan: 2.1.1.1 Mơ hình tổng hợp địa lý Nội dung phương pháp của nhĩm này là dựa trên các số liệu khảo sát, quan trắc, phân tích diễn biến quá trình lan truyền ơ nhiễm theo khơng gian và thời gian ứng với các điều kiện cực trị, trung bình. 2.1.1.2 Mơ hình tất định Trong nghiên cứu quá trình thủy động lực học thường gặp ba loại mơ hình: Mơ hình vật lý, mơ hình tương tự điện và mơ hình tốn học. Các quá trình thủy lực thường được biểu diễn bằng các phương trình động lực và phương trình liên tục ở dạng các phương trình vi phân đạo hàm riêng cùng với các điều kiện biên, điều kiện ban đầu. Để mơ phỏng quá trình truyền chất (độ mặn, độ nhiễm bẩn,.v.v..) phải giải các phương trình truyền tải - khuyếch tán bao gồm các thành phần đối lưu, khuyếch tán, nguồn bổ sung, nguồn tiêu tán để tìm ra sự phân bố nồng độ trong dịng chảy. 2.1.2. Các phương trình mơ tả tốn học: - Hệ phương trình Saint - Venant một chiều. - Phương trình bảo tồn lượng chất ơ nhiễm (khuyếch tán - đối lưu). 2.1.2.1. Quá trình thủy lực: Hệ phương trình Saint - Venant do kỹ sư Saint - Venant: 0=− ∂ ∂ + ∂ ∂ q tx Q ω (2.1) 0.0 =+ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ J x v g v t v gx Z αα (2.2) 7 Những giả thiết cơ bản khi xây dựng và sử dụng hệ phương trình này bao gồm: - Chất lỏng khơng nén được. - Dịng chảy là một chiều, độ sâu và vận tốc chỉ thay đổi theo chiều dọc lịng dẫn. Xem vận tốc khơng đổi và mặt nước nằm ngang tại mặt cắt ngang bất kỳ thẳng gĩc với dịng chảy. - Dịng chảy thay đổi chậm theo lịng dẫn để cho áp suất thủy tĩnh chiếm ưu thế và gia tốc theo chiều thẳng đứng được bỏ qua. - Độ dốc đáy của lịng dẫn nhỏ và đáy cố định. - Độ cong của đường dịng nhỏ, áp lực trong dịng chảy phân bố thủy tĩnh. - Luật cản ở mặt và đáy giống luật cản của dịng dừng. 2.1.2.2. Quá trình ơ nhiễm: Quá trình ơ nhiễm: dựa trên định luật bảo tồn vật chất mà phương trình cơ bản thể hiện các quá trình đối lưu và khuyếch tán cĩ dạng: v C qS x SAD xx QS t SA =      ∂ ∂ ∂ ∂ − ∂ ∂ + ∂ ∂ )()( (2.3) Trong đĩ: + S: Nồng độ chất hịa tan cần tính + A: Diện tích mặt cắt ngang dịng chảy + AC: Diện tích mặt cắt ngang kể cả khu chứa + D: Hệ số khuyếch tán + q: Lưu lượng bổ sung hoặc lấy đi dọc đường tính cho một đơn vị chiều dài dịng chảy + Sv: Nồng độ của nguồn bổ sung dọc đường + x: Chiều dài dọc theo sơng + t: Thời gian Phương trình trên được biến đổi và kết hợp với phương trình liên tục thành dạng: ( ) C v CC A SSq x SAD xAx S A Q t S − =      ∂ ∂ ∂ ∂ − ∂ ∂ + ∂ ∂ 1 (2.4) Các giả thiết cơ bản của mơ hình này là các đặc trưng dịng chảy và mật độ nước đồng nhất trên mặt cắt ngang. Một số nhà nghiên cứu đã đưa ra một số cơng thức để tính hệ số khuyếch tán như sau: - Hệ số khuyếch tán được biểu diễn theo bán kính thủy lực và trị tuyệt đối của tốc độ dịng chảy, được đưa ra bởi Cunge cĩ dạng: URKD ..= (2.5) - Hệ số khuyếch tán phân bố theo độ mặn con triều cĩ dạng: ( ) ∫−= x VdxhgD 0 0 5.0 9,0.26 α (2.6) 8 - Phương pháp đơn giản nhất để tính hệ số khuyếch tán là áp dụng phương trình (2.3) ở trạng thái ổn định bình quân chu kỳ triều, khi đĩ: x S SUfD ∂ ∂ = (2.7) Ngồi ra, một số tác giả khi phân tích sự phân bố độ mặn con triều đã sử dụng các cơng thức kinh nghiệm (2.8), (2.9): 5 4/1 4 2 321 A x SA x SA x SSARUADx +      ∂ ∂ +      ∂ ∂ + ∂ ∂ += (2.8) Thatcher và Harleman (1971) đã cải tiến cơng thức của Taylor và đưa ra cơng thức: x SKRUnKD ∂ ∂ += 2 6/1 1 (2.9) 2.2. Giới thiệu một số mơ hình tốn tính ảnh hưởng truyền mặn, ơ nhiễm: 2.2.1. Mơ hình động lực cửa sơng: Mơ hình động lực cửa sơng thường sử dụng là mơ hình Orlob, lấy theo tên của Tiến sĩ Gerald T.Orlob. Sử dụng hệ phương trình thủy động (2.10):       ∂ ∂ −− ∂ ∂ −= ∂ ∂ + ∂ ∂ −= ∂ ∂ x ZgUUk x UU t U B Lq x Q Bt Z .1 (2.10) 2.2.2. Mơ hình đối lưu khơng thủy triều: Arons và Stommel (1951) đã đề xuất mơ hình trong đĩ các số hạng đều được lấy trùng bình hĩa trong một chu kỳ triều.         ∂ ∂ ∂ ∂ = ∂ ∂ + ∂ ∂ x SAE xAx SfU t S 1 . (2.11) O’connor (1965) cũng xây dựng mơ hình tương tự như trên nhưng lấy cho thời điểm triều dừng:       ∂ ∂ ∂ ∂ = ∂ ∂ + ∂ ∂ x S EA xAx SfU t S s ss s ss 1 . (2.12) 2.2.3. Mơ hình thời gian thủy triều: Mơ hình thời gian thủy triều do Lee và Harleman đề xuất năm 1971. Thatcher và Harleman đã cải tiến phương pháp của Lee và Harleman, với hệ số khuyếch tán được thể hiện dưới dạng: rE x SKtxE + ∂ ∂ = 0 0 ),( (2.13) 9 2.2.4. Mơ hình Saflow của Delft Hydraulics: Mơ hình Saflow của Delft Hydraulics. ( ) C v CC A SSq x SAD xAx S A Q t S − =      ∂ ∂ ∂ ∂ − ∂ ∂ + ∂ ∂ 1 (2.14) 5 4/1 4 2 321 A x SA x SA x SSARUADx +      ∂ ∂ +      ∂ ∂ + ∂ ∂ += (2.15) và phương trình cân bằng mặn (2.16): 0 t AS)( =+−      ∂ ∂ − ∂ ∂ + ∂ ∂ TBSC x SAsDQS x pLLα (2.16) 2.2.5. Mơ hình Aquasea của Vatnaskil Consulting Engineers Aquasea là một mơ hình tốn hai chiều ngang, để giải bài tốn dịng chảy mặt và bài tốn truyền tải dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn Galerkin. Phương trình liên tục: ( ) ( ) Q t vH y uH x = ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ η (2.17) Phương trình động lượng theo phương x và y: ( ) ( )0x2/1222 WW uuH Q H k uvu HC gfv x g y u v x u u t −−++−+ ∂ ∂ −= ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ η ( ) ( )0y2/1222 WW vvH Q H k vvu HC gfu x g y v v x v u t −−++−− ∂ ∂ −= ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ η Mơ hình khuyếch tán, truyền tải. Aquasea được thiết kế để giải bài tốn truyền tải chất và nhiệt như sau: ( ) ( ) 0QcSHctHcuxy cHD yx cHD x yx −+∂ ∂ = ∂ ∂ −      ∂ ∂ ∂ ∂ +      ∂ ∂ ∂ ∂ (2.18) Biến đổi phương trình này và kết hợp phương trình liên tục được phương trình: ( )ccQS t cH t cHu y cHD yx cHD x yx −−+∂ ∂ = ∂ ∂ −      ∂ ∂ ∂ ∂ +      ∂ ∂ ∂ ∂ 0 (2.19) 2.2.6. Những nghiên cứu về mơ hình tính tốn xâm nhập mặn, ơ nhiễm và ứng dụng ở Việt Nam: Những nghiên cứu về tính tốn xâm nhập mặn, lan truyền chất ơ nhiễm ở Việt Nam cĩ thể phân làm hai xu hướng chính: 2.2.6.1. Phương pháp phân rã bài tốn ơ nhiễm: - Năm 1987, Phĩ Giáo sư Nguyễn Tất Đắc đã xây dựng nên mơ hình FWQ87. Trong mơ hình này, tác giả đã tách phương trình khuyếch tán đối lưu thành hai phương trình: Phương trình đối lưu, tải thuần túy: 10 011 = ∂ ∂ + ∂ ∂ x SU t S (2.20) và phương trình khuyếch tán: ϕσ +− ∂ ∂ = ∂ ∂ 22 2 2 2 S x SK t S (2.21) Phương trình đối lưu được giải bằng phương pháp đặc trưng, phương trình khuyếch tán được giải bằng sơ đồ sai phân 6 điểm. - Năm 1991, Giáo sư Tiến sĩ Nguyễn Thế Hùng đã xây dựng một chương trình tính tốn xâm nhập mặn, ơ nhiễm áp dụng phương pháp phân rã, tách phương trình khuyếch tán đối lưu thành hai phương trình là phương trình đối lưu thuần túy (giải theo phương pháp Lagrange) và phương trình khuyếch tán (giải theo sơ đồ sai phân trọng số). Chương trình này đã được áp dụng trong việc giải quyết bài tốn truyền triều và ơ nhiễm trên sơng. 2.2.6.2 Phương pháp sai phân bài tốn truyền mặn, lan truyền chất ơ nhiễm: Năm 1992, Phĩ Giáo sư (PGS.) Nguyễn Như Khuê khi xây dựng chương trình VRSAP đã sử dụng 3 phương pháp giải hệ phương trình mặn, lan truyền chất ơ nhiễm như sau: - Phương pháp sai phân ẩn theo sơ đồ 6 điểm và gắn với mơ hình TIDAL lập thành mơ hình MEKSAL. - Sơ đồ 6 điểm và cách sai phân tương tự như Lê Hữu Tý đã áp dụng trong mơ hình TIDAL và gắn với mơ hình VRSAP. - Phương pháp phân rã trong đĩ tính riêng quá trình tải và quá trình khuyếch tán theo hai bước tính kế tiếp. Phương pháp này phối hợp hai mơ hình TIDAL và VRSAP. 2.3. Đề xuất mơ hình tốn tính ảnh hưởng quá trình truyền mặn, ơ nhiễm trên sơng Hàn: Mơ hình HECRAS 4.0 được xây dựng mang tính trực quan cao, giao diện hiện đại, dễ tiếp cận sử dụng. Mơ hình cĩ tính linh hoạt cao, việc mở rộng và phát triển sơ đồ hệ thống đơn giản và mơ tả khá chi tiết các cơng trình trên hệ thống cĩ ảnh hưởng đến kết quả đến bài tốn. Dữ liệu đầu vào cĩ thể nhập trực tiếp vào chương trình hoặc chuẩn hĩa dưới dạng các file liên kết và tương tác được, nên rất thuận tiện cho việc nhập số liệu đầu vào. Thuật tốn xây dựng cho mơ hình sử dụng sơ đồ sai phân ẩn nên chương trình luơn ổn định và hội tụ. Lưới sơng được chia đoạn một cách đơn giản, linh hoạt, cĩ thể thay đổi tuỳ theo mức độ phức tạp của địa hình hệ thống. Bước thời gian khơng cần phải chia quá nhỏ cũng cho ra được kết quả tin cậy nên tốc độ tính tốn nhanh. Phần mềm nầy miễn phí, đã được sử dụng rộng rãi trong việc học 11 tập, nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều đơn vị tại Việt Nam; vì vậy, tác giả lựa chọn chương trình HECRAS 4.0 để tính tốn việc lan truyền mặn cũng như các chất ơ nhiễm trên sơng Hàn trong luận văn của mình. CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT MƠ HÌNH TÍNH TỐN Ơ NHIỄM NƯỚC MẶT 3.1 Mơ hình tốn của chương trình Hec-Ras 4.0 Mơ hình tốn sử dụng lược đồ sai phân ẩn bốn điểm nút (Hình 3.1) để sai phân hố hệ phương trình chuyển động dịng khơng ổn định Saint - Venant và phương trình truyền tải. Lược đồ sai phân sử dụng trong mơ hình Hec-ras 4.0 ƒj = ƒ nj (3.1) ∆ƒj = ƒ 1+nj - ƒ nj (3.2) ƒ 1+nj = ƒ nj +∆ƒj (3.3) Hình 3.1 Lược đồ sai phân 4 điểm nút 12 Các dạng sai phân ẩn: - Đạo hàm theo thời gian: t ff t f t f jj ∆ ∆+∆ = ∆ ∆ ≈ ∂ ∂ + )(5,0 1 (3.4) - Đạo hàm theo khơng gian: x fffj x f x f jjjj ∆ ∆−∆+− = ∆ ∆ ≈ ∂ ∂ ++ )()( 11 θ (3.5) - Giá trị hàm : ( ) ( )11 5,05,0 ++ ∆+∆++=≈ jjjj ffffff θ (3.6) 3.1.1. Mơ hình dịng chảy: 3.1.1.1. Phương trình liên tục: Phương trình liên tục mơ tả định luật bảo tồn khối lượng cho hệ một chiều sau khi biến đổi và rút gọn cĩ dạng: 0=− ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ lq x Q t S t A (3.7) Trong đĩ : x : Khoảng cách dọc theo kênh , m t : Thời gian, s Q : Lưu lượng, m3/s A : Diện tích mặt cắt ngang, m2 S : Lượng trữ, m3 ql : Lưu lượng chảy vào trên một đơn vị chiều dài, m2/s Phương trình trên cĩ thể được viết cho lịng dẫn và bãi c c c c q t A x Q = ∂ ∂ + ∂ ∂ (3.8) và lff f f qq t S t A x Q += ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ (3.9) Các chỉ số dưới c và f biểu thị dịng chính và dịng bãi, qc, qf lần lượt là dịng chảy bên trên một đơn vị chiều dài lịng dẫn, bãi và ql là lượng trao đổi nước giữa lịng dẫn và bãi. 13 Hai phương trình (3.8) và (3.9) được xấp xỉ bằng cách sử dụng sơ đồ sai phân ẩn, thay các phương trình (3.4) đến (3.6) vào : f c c c q t A x Q − = ∆ ∆ + ∆ ∆ (3.10) −− += ∆ ∆ + ∆ ∆ + ∆ ∆ fc tt qq t S t A x Q 1 (3.11) Sự trao đổi khối lượng thì bằng nhau nhưng khác dấu, do đĩ : ∆xc qc = -qf ∆xƒ (3.12) Thay vào phương trình (3.10) và (3.11) : 0=−∆ ∆ ∆ +∆ ∆ ∆ +∆ ∆ ∆ +∆ lff f c c Qx t S x t A x t AQ (3.13) Trong đĩ : lQ : Lưu lượng trung bình dịng chảy bên 3.1.1.2 Phương trình động lượng : Phương trình động lượng xuất phát từ định luật biến thiên động lượng viết dưới dạng định luật 2 Newton, sau khi biến đổi rút gọn cĩ dạng: 0 )( =      + ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ fS x z gA x VQ t Q (3.14) Trong đĩ : g : Gia tốc trọng trường Sf : Độ dốc thủy lực V : Vận tốc Phương trình trên cĩ thể được viết cho dịng chính và bãi : ( ) ffc c c c ccc MS x zgA x QV t Q =      + ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ (3.15) ( ) cff f f f fff MS x zgA x QV t Q =         + ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ (3.16) Dạng sai phân của các phương trình (3.15) và (3.16) là : ( ) ffc c c c ccc MS x zAg x QV t Q =      + ∆ ∆ + ∆ ∆ + ∆ ∆ (3.17) 14 ( ) cff f f f fff MS x zAg x QV t Q =         + ∆ ∆ + ∆ ∆ + ∆ ∆ (3.18) Sự trao đổi năng lượng phải bằng nhau nhưng khác dấu : ∆xc Mc = - ∆xf Mf Cộng hai phương trình trên và sắp xếp lại ta được : ( ) ( ) ( ) ( ) 0..... =∆+∆+∆++∆+∆+ ∆ ∆+∆∆ ffffcfccfcffcc ffcc xSAgxSAgzAAgQVQV t xQxQ (3.19) Hai thơng số cuối cùng là lực ma sát do bờ tác dụng lên chất lỏng. Thành phần lực này cĩ thể viết lại dưới dạng tương đương : ffffcfcccf xSAgxSAgxSAg ∆+∆=∆ ...... (3.20) Vậy thơng số đối lưu cĩ thể được viết lại thơng qua việc xác định hệ số phân bố lưu tốc : ( ) ( ) vQ QvQv Av AvAv ffccffcc . .. . .. 2 22 + = + =β (3.21) Do đĩ : ( ) ( ) ( )ffcc QvQvQv .... ∆+∆=∆ β (3.22) Dạng cuối cùng của phương trình động lượng là : ( ) ( ) 0.. . . =      + ∆ ∆ + ∆ ∆ + ∆∆ ∆+∆∆ f ccc ffcc S x zAg x Qv xt xQxQ β (3.23) 3.1.1.3 Thành phần lực tác dụng thêm vào Xét một đoạn vi phân dx, độ dốc thủy lực cĩ thể được biểu thị thơng qua: dx dhS lh = (3.24) Độ dốc thủy lực trong phương trình (3.23) sẽ cĩ thêm thơng số này : ( ) 0=      ++ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ hf SS x zgA x VQ t Q (3.25) 3.1.1.4 Động lượng thêm vào của dịng chảy bên : Động lượng đi vào : x vQM lll ∆= .ξ (3.26) Động lượng đi vào được cộng thêm vào vế phải phương trình (3.25), vậy 15 ( ) ( ) c ll hf ccc ffcc x vQSS x zAg x Qv xt xQxQ ∆ =      ++ ∆ ∆ + ∆ ∆ + ∆∆ ∆+∆∆ ... . . ξβ (3.27) Phương trình (3.27) chỉ sử dụng tại vị trí nối dịng trong mơ hình hình cây. 3.1.2. Phương trình lan truyền chất ơ nhiễm: 3.1.2.1. Các giả thiết: 3.1.2.2. Phương trình tải khuếch tán một chiều cĩ dạng: )(12 2 qSSq x S x AD Ax SD x S u t S −+ ∂ ∂ ∂ ∂ + ∂ ∂ = ∂ ∂ + ∂ ∂ (3.28) Trong đĩ: S: Nồng độ chất ơ nhiễm (Nồng độ chất mặn, BOD, COD …), Kg/m3 D: Hệ số khuếch tán, m2/s A: Diện tích mặt cắt ngang, m2 Sq: Nồng độ chất ơ nhiễm bổ sung, Kg/m3 U: Vận tốc trung bình trên mặt cắt ngang, m/s q: Lưu lượng đơn vị qua mặt cắt ngang. Đặt )1( ε+= uU với x AD Q ∂ ∂ −= 1 ε phương trình (3.28) trở thành: )(2 2 qSSq x SD x SU t S −+ ∂ ∂ = ∂ ∂ + ∂ ∂ (3.29) 3.1.2.3. Điều kiện biên và điều kiện ban đầu: - Điều kiện biên: tStS =),0( LStLS =),( - Điều kiện biên tại chỗ hợp dịng: ∑∑ = RjNi i v i QSSQ (3.30) - Điều kiện ban đầu: 0)0,( SxS = 3.2 Phương hướng giải hệ phương trình chuyển động chảy khơng ổn định trong Hec-ras 3.2.1. Giải phương trình thủy lực 3.2.1.1 Tuyến tính hĩa phương trình sai phân hữu hạn. 16 Nếu nhĩm các ẩn số của phương trình về phía vế trái, ta thu được hệ phương trình tuyến tính: CQ1j ∆Qj + CZ1j ∆Zj + CQ2j ∆Qj+1 + CZ2j ∆Zj+1 = CBj (3.31) MQ1j ∆Qj + MZ1j ∆Zj + MQ2j ∆Qj+1 + MZ2j ∆Zj+1 = MBj (3.32) 3.2.1.2 Hệ số phân phối dịng chảy Cần phải xác định sự phân phối lưu lượng giữa dịng chính và bãi. Phần dịng chảy trong sơng được xác định như sau : fjcj cj j QQ Q + =φ (3.33) Fread (1976) giả thiết rằng độ dốc thủy lực giữa dịng chính và bãi là tương tự nhau, do đĩ sự phân phối lưu lượng được xác định qua mơ đun dịng chảy theo cơng thức: fjcj cj j KK K + =φ (3.34) 3.2.1.3 Chiều dài dịng chảy tương đương f ffffcfcc e SA xSAxSA x ∆+∆ =∆ (3.35) ∆xc được xác định : ( ) ( ) 1 11 + ++ + ∆++∆+ =∆ jj fjfjfjcjcjcj e AA xAAxAA x (3.36) 3.2.1.4 Điều kiện biên a. Điều kiện biên phía trong (cho kết nối nhánh ) Phương trình liên tục về lưu lượng : 0 1 =∑ = igt l l QS (3.37) Phương trình (3.37) viết dưới dang sai phân: 1 1 − = ∑ l l MUmi ∆Qi + MUQm ∆QK = MUBm (3.38) Phương trình liên tục về mực nước : 17 ZK = ZC (3.39) Dạng sai phân của phương trình (3.39) MUZm ∆zK - MUm ∆zc = MUBm (3.40) Theo Hình 3.4, Hec-Ras sử dụng phương pháp sau để áp dụng những phương trình điều kiện biên kết nối các nhánh với nhau: b Điều kiện biên thượng lưu Phương trình với nhánh m : k n k n k QQQ −=∆ +1 (3.41) Trong đĩ k là nút thượng lưu của nhánh m Dạng sai phân hữu hạn của phương trình (3.41) là: MUQm ∆Qk = MUBm (3.42) c Điều kiện biên hạ lưu Tại bước thời gian (n +1)∆t, điều kiện biên cho bởi đường quá trình mực nước cĩ dạng : n N n NN zzz −=∆ +1 (3.43) Dạng sai phân hữu hạn của phương trình (3.43) CDZm ∆ZN = CDBm (3.44) 3.2.1.5 Điều kiện ban đầu 3.2.1.6 Tính tốn đối với các cơng trình trên sơng a. Tính tốn thủy lực đối với dịng chảy qua cầu Bước 1: Cần bằng mực nước từ mặt cắt (2) đến mặt cắt hạ lưu cầu (BD), phương tính tốn cân bằng mực nước như sau: xfpBDpBD BD BDBD BDBD WFYAAg QYA gA QYA −+−+=+ 2 2 22 22 2 . ββ (3.45) Bước 2: Cân bằng mơmen từ mặt cắt hạ lưu (BD) đến mặt cắt thượng lưu (BU) Phương trình cân bằng như sau xf BD BDBD BDBD BU BUBU BUBU WFAg QYA gA QYA −++=+ . 22 ββ (3.46) Bước 3: Cân bằng mơmen từ mặt cắt (BU) đến mặt mặt cắt (3) 18 Phương trình cân bằng như sau xf pBU DpBUpBU BU BUBU BUBU WFgA QA CYA Ag QYA Ag QYA −++−+=+ 2 3 2 3 2 3 2 33 33 2 1 .. ββ (3.47) b Tính tốn thủy lực đối với dịng chảy bên Phương trình sau đây được suy ra từ phương trình chuẩn bằng cách lấy tích phân phương trình chuẩn của cống: dxyyCdQ wws 2/3)( −= (3.48) ( ) dxCxaCxaCdQ wwwsws 2/3−−+= (3.49) ( )( ) dxCCxaaCdQ wwswws 2/3−+−= (3.50) Giả thiết a1= aws – aw và C1 = Cws - Cw ( ) ( ) ] 212/511 1 2/32 1 2 1 11 5 2 x x x x x x Cxa a CdxCxaCdQ +=+=∫ ∫ (3.51) ( ) ( )( )2/51112/5121 1 21 5 2 CxaCxa a CQ xx +−+=− (3.52) Phương trình Hager tính tốn hệ số lưu lượng như sau: ( )               − − +−      −− − = 5,0 0 5,0 0 )1(31 23 1 5 3 Wy yS Wy gCC β (3.53) 3.2.2. Giải phương trình lan truyền chất Để mơ tả quá trình lan truyền chất, cĩ thể sử dụng phương trình dạng viết gọn như sau: 2 2 x SD x SU t S ∂ ∂ = ∂ ∂ + ∂ ∂ (3.54) Cĩ thể giải phương trình này bằng nhiều phương pháp. Ở đây sử dụng phương pháp sai phân. Các tốn tử sai phân L1 và L2 được ký hiệu theo quy ước sau: t SSL ∂ ∂ =1 ; x SSL ∂ ∂ =2 3.2.2.1 Sơ đồ sai phân trung tâm Sử dụng sơ đồ sai phân trung tâm xấp xỉ các tồn tử sai phân L2S và L1S như sau: 19 )])(1()([)( 1111111112 ninininiii ssssxxSL −++−++−−+ −−+−−= θθ (3. 55) )())(21()([1 11111111 hininininini SSSSSStSL − + − + + + + −+−−+−∆ = ααα (3.56) Ở đây α gọi là hệ số phân tách. Khai triển Taylor các số hạng trong (3.55) và (3.56) quanh điểm xi, tn và ký hiệu xi+1 – xi-1 = δ ta cĩ: ..... !3 )( 2 )( 2 )( 2 1 + ∆ ++ ∆ = ∂ ∂ − tSStS t SSL ttttxtt αδ (3.57) .......)( !3 )( 2 )( 2 2 2 +∆+∆+=∂ ∂ − tSUtSUSU x SUSUL ttxtxxx θθδ (3.58) 3.2.2.2 Tiêu chuẩn đánh giá sơ đồ số a. Khuếch tán từ nguồn cĩ cường độ đơn vị dt XdK 2 2 1 = 3.59) b. Một số tiêu chuẩn đánh giá sơ đồ số - Bảo tồn khối lượng ∫= b a dxtxSM ),( - Bảo tồn vận tốc đối lưu số được biểu diễn qua giá trị trung bình: ∫= b a M dx txxSS ),( - Hệ số khuếch tán số bằng khơng, hệ số này biểu diễn qua phương sai của đại lượng qui tâm (Mơ men trung tâm bậc 2) ∫ −= b a M dx txSSxS ),()( 22 3.2.2.3 Đánh giá tính xấp xỉ của sơ đồ sai phân trên cơ sở các tiêu chuẩn bảo tồn Sơ đồ (3.55) và (3.56) áp dụng cho phương trình tải thuần túy với lưới khơng gian được chia đều với bước ∆x đưa đến hệ sai phân sau: 11 ' 1 '' 1 )()( +−+− −+++=++ iiiiii SCFGSSCHFSGSHS (3.60) Trong đĩ: F = 2α + Cθ 20 H = 2α - Cθ ; x tUC ∆ ∆ = (Số Courant) (3.61) G = 2(1 - 2α) Si’ là nồng độ tại xi và t + ∆t, Si là nồng độ tại xi, t với xi ∈[ 0,L] và i = 0, 1 …, N Xét đáp ứng của (3.60) với xung đơn vị đặt tại x = 0, khi đĩ điều kiện biên và điều kiện đầu như sau: Điều kiện đầu : S(0,0) =1 , S(xi , 0) = 0 với i = 1, 2 … , N Điều kiện biên : S(0,0) =1 , S’(0 , t) = 0 , S’(N , t) = 0 với t > 0 (3.62) Sử dụng (3.60) với các điều kiện (3.62) cĩ thể viết lại dưới dạng:          =+ =++ =++ +=+ −− −−− 0 0 ................................. 0 ' 1 ' 2 ' 1 ' 2 ' 3 ' 321 ' 2 ' 1 NN NNN GSHS FSGSHS FSGSHS CHFSGS (3.63) Hệ (3.63) là hệ phương trình 3 đường chéo, cĩ thể giải đơn giản bằng phương pháp truy đuổi sau: ' 1 ' −−− = iNiiN SpS Trong đĩ pi là các hệ số truy đuổi xác định như sau : G Hp −=1 ; ).( )( 2 ' 1 − + + = NpFG CHS ; )(1 FpG Hp i i + −=+ ; ).( )( 2 ' 1 − + + = NpFG CHS ; i=1,2,3 …, N-3 (3.64) Để bảo tồn khối lượng : S1’ = 1 và ta cĩ hai điều kiện: H = 0 hay 2α = C. θ (3.65) S1’ = 1 hay 2(1-2α) = C Để bảo đảm ổn định tính tốn 0,5 ≤ θ ≤ 1, với giá trị này của θ, từ (3.65) cĩ: Với θ = 0,5 : C = 1 và α = 0,25 Với θ = 1 : C = 2/3 và α = 1/3 (3.66) Với θ = 2/3 : C = 6/7 và α = 2/7 21 Dễ thấy trong trường hợp này vị trí trung bình của phân bố là X =∆x , và vận tốc đối lưu t x t X ∆ ∆ = ∆ , điều kiện bảo tồn vận tốc đối lưu cho: t xU ∆ ∆ = hay 1== ∆ ∆ C x tU Cĩ nghĩa là vận tốc đối lưu chỉ được bảo tồn khi số Courant bằng đơn vị. Cuối cùng phương sai của phân bố nồng độ mặn trong trường hợp này là: X 2 = ∆x2 - ∆x2 = 0 Như vậy trong trường hợp hệ số Courant=1, cĩ thể đạt được bảo tồn khối lượng, bảo tồn vận tốc đối lưu và khơng cĩ khuếch tán số (α=0,25 , θ=0,5). Lưu ý rằng ta xem p1=0 , tức là nồng độ chưa lan tới biên dưới. Nếu p1 khác 0 thì bài tốn trở nên phức tạp. Xét trường hợp đoạn L chia làm 3 đoạn, từ (3.64) ta cĩ: GS1’ + FS2’ = H + C HS1’ + GS2’ = 0 Từ hai phương trình này suy ra: FHG CHGS − + = 2 ' 1 )( ; FHG CHHS − +− = 2 ' 2 )( Để nồng độ dương phải cĩ H ≤ 0 , khối lượng của phân bố này sẽ là: FHG CHHCM − +− = 2 ))(( (3.67) Vị trí trung bình: ∑ = − ∆− =∆= 2 1 ' )2()..(1 i i HG xHG xSi M X (3.68) Phương sai: ∑ = − ∆− =−∆= 2 1 222'22 .. 1 i i HG GHxXxSi M X (3.69) Để bảo tồn vận tốc đối lưu từ (3.68) ta cĩ: G – 2H = (G – H)C (3.70) Và để bảo tồn khối lượng từ (3.67) ta suy ra: (C – H)(H + C) = G2 – FH (3.71) CHƯƠNG 4 TÍNH TỐN VÀ DỰ BÁO Ơ NHIỄM VÙNG 22 HẠ LƯU SƠNG HÀN 4.1. Các số liệu được sử dụng, điều kiện biên 4.1.1. Giới hạn tính tốn - Chỉ tính tốn ơ nhiễm vùng hạ lưu sơng Hàn trong trường hợp biên lưu lượng thay đổi. - Tính tốn ơ nhiễm vùng hạ lưu sơng Hàn trong trường hợp cĩ cơng trình dân sinh kinh tế xã hội trên tuyến sơng 4.1.2. Số liệu sử dụng tính tốn - Bản đồ UTM của thành phố Đà Nẵng , tỉ lệ 1/50.000 - Tài liệu khảo sát địa hình sơng Hàn (mặt cắt ngang, mặt cắt dọc, bình đồ tỉ lệ 1/2000) - Tài liệu Quy hoạch thốt nước thành phố Đà Nẵng do Viện Quy hoạch Đà Nẵng lập năm 2005 - Sử dụng tài liệu quan trắc nhiều năm ở các trạm Thủy văn để tính tốn các đặc trưng dịng chảy, đặc biệt là các đặc trưng dịng chảy mùa cạn phục vụ nghiên cứu bài tốn lan truyền chất - Sử dụng tài liệu 2 đợt đo đạt, khảo sát năm 2005 của Trung tâm Khí tượng Thủy văn miền Trung, cụ thể: 4.1.3. Sơ đồ tính tốn Dựa vào bản đồ tỉ lệ 1/50.000 và tài liệu địa hình, tác giả khoanh vùng khu vực nghiên cứu, và thành lập sơ đồ tính tốn thủy lực duỗi thẳng hệ thống sơng Hàn. Xét khả năng ảnh hưởng của triều và khả năng xâm nhập mặn, tồn mạng được chia thành 30 nút, 29 đoạn. Sơ đồ tính tốn bao gồm: 4.1.3.1 Biên trên (Biên lưu lượng): - Trên sơng Cẩm Lệ lấy biên lưu lượng dịng chảy mùa kiệt trên Cầu Đỏ, nút gần biên lưu lượng tương ứng là nút số 19 - Trên sơng Vĩnh Điện lấy biên lưu lượng dịng chảy mùa kiệt trên cầu Vĩnh Điện, tương ứng nút số 29 4.1.3.2 Biên dưới (Biên mực nước triều, mặn, ngọt, ơ nhiễm): Do quá trình triều biến đổi khơng sai khác nhiều giữa các thời kỳ trong năm nên cĩ thể lấy chung biên mực nước triều và biên mặn chung cho cả năm. Lấy biên mực nước tại thời điểm tính tốn từ 1/4/2005 đến 31/5/2005. Biên mặn tại cửa sơng Hàn cĩ giá trị 32 0/00 , ứng với nút số 1; biên ngọt bằng 0 tại nút 20 và nút 30. 4.1.3.3 Các điểm lấy đi, bổ sung lưu lượng dọc sơng Hàn: Bao gồm các nhà máy nước, các cửa xả nước thải sinh hoạt của thành phố, lưu lượng của sơng Cẩm Lệ và sơng Vĩnh Điện đổ vào sơng Hàn . 23 4.2 Nội dung tính tốn: 4.2.1 Tính tốn các thơng số địa hình: Số liệu các mặt cắt đặc trưng được xác định trên cơ sở số liệu đo đạc 30 mặt cắt ngang trên các bản đồ địa hình UTM 1/50.000 của khu vực. 4.2.2 Tính tốn thủy văn: Kế thừa các tài liệu thiết kế các cơng trình thượng nguồn sơng Hàn, trên lưu vực hệ thống sơng Vu Gia - Thu Bồn tính cho lưu lượng trong mùa kiệt. 4.2.3 Tính tốn lan truyền mặn và ơ nhiễm: Sử dụng mơ hình HEC-RAS 4.0 tính tốn thủy lực và ơ nhiễm cho hạ lưu sơng Hàn ứng với các đặc điểm như sau: - Phục vụ hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình: Do điều kiện khơng cĩ quá trình lưu lượng với thời đoạn ngắn (giờ hoặc ngày) nên quá trình biên được tạo ra dựa vào biến đổi lưu lượng theo tần suất chọn tính tốn các tháng mùa kiệt. Thực tế và qua tài liệu quan trắc nhiều năm trong mùa cạn lưu lượng các sơng tương đối ổn định. Với điều kiện nghiên cứu của đề tài đã chọn kiểu tạo biên lưu lượng như trên. - Biên triều và mặn: Do sự biến đổi khá điều hịa của triều, biên mực nước và mặn được chuẩn bị chung cho các năm. Lấy biên mực nước tại cửa sơng, biên mặn tại cửa sơng là hằng số mặn và bằng 320/00 4.3 Kết quả tính tốn Thời đoạn tính tốn là 2 tháng, bước tính thực hiện trong từng giờ một để xây dựng các bảng tra cứu chứa các giá trị độ mặn của 30 điểm trên hệ thống. 4.3.1. Kết quả tính tốn các thơng số địa hình: Các thơng số địa hình, cao độ mực nước triều được quy đổi về hệ cao tọa độ VN2000. Các số liệu mặt cắt ngang, số liệu mực nước thực đo sơng được thể hiện ở phụ lục. Khoảng cách ở hai nút liên tiếp, độ cao đáy mặt cắt ngang (Zđ), cao độ mực nước (Zmn), cùng diện tích tương ứng với Zmn là F0 cũng được tính tốn và cho kết quả cụ thể trong chuơng trình. 4.3.2 Kết quả quan trắc, thu thập số liệu thuỷ văn: Dịng chảy mùa cạn: Theo tài liệu quan trắc của Trạm Khí tượng thủy văn khu vực Miền Trung lưu lượng xả cơ bản vào mùa kiệt như sau: - Sơng Vĩnh Điện: 25,4 m3/s - Sơng Cẩm Lệ: 30,1 m3/s Các điểm lấy nước: Theo quy hoạch cấp nước của thành phố Đà Nẵng đến năm 2010 do Viện Quy hoạch Đà Nẵng lập các điểm lấy nước như sau: - Nhà máy nước Cầu Đỏ: 1,39 m3/s - Nhà máy nước Sân Bay: 0,35 m3/s 4.3.3. Kết quả tính tốn ơ nhiễm: 4.3.3.1. Hiệu chỉnh mơ hình tính tốn: Bước 1: Hiệu chỉnh mặt cắt đặc trưng của đoạn sơng Bước 2: Hiệu chỉnh theo hệ số tổng hợp 24 4.3.3.2. Kết quả tính tốn: Phân bố độ mặn trên sơng Hàn - 5.00 10.00 15.00 20.00 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Mặt Cắt Đ ộ M ặn S (% o ) Hình 4.3 Kết quả tính tốn lan truyền ơ nhiễm 4.4. Tính tốn lan truyền ơ nhiễm trên sơng Hàn Cĩ nhiều phương pháp tính tốn khác nhau đối với ơ nhiễm BOD. Tùy tình hình thực tế chọn phương pháp tính tốn phù hợp nhất. 4.4.1. Lưu lượng nước thải 4.4.1.1. Nước thải sinh hoạt: Qsh (m3/ngđ) Cơng thức tính: 1000 0NxQQ sh = (4.1) βFxnxN = (4.2) 4.4.1.2. Nước thải khu cơng nghiệp: Qcn (m3/ngđ) Cơng thức tính: Qcn = F x q (m3/ngđ) (4.3) 4.4.1.3. Bệnh viện - Lưu lượng nước thải trung bình ngày: 1000 0bxqQbvng = (m3/ngđ) (4.4) 4.4.1.4. Trường học: Phân bố độ mặn trên sơng Hàn 25 1000 trtr ng nxFxqQ = (m3/ng.đ) (4.5) 4.4.1.5. Cơng trình thương mại hàng hố : - Lưu lượng trung bình ngày: )/( 3 . ngmPmQ tnhhngtb ×= (4.6) 4.4.1.6. Cơng trình cơng cộng và cơ quan hành chính - Lưu lượng trung bình ngày: )( 1000 3ngm FPqQ ccccngcc ××= (4.7) 4.4.1.7. Cơng trình thương mại dịch vụ : Lưu lượng trung bình ngày: )/( 3 . ngmPmQ dvngtb ×= (4.8) 4.4.1.8. Cơng trình cảng : - Tiêu chuẩn thải nước: 4 (m3/ha.ngđ) - Lưu lượng trung bình ngày: )/( 3 . ngmPmQ ccangngtb ×= (4.9) 4.4.2. Tải lượng ơ nhiễm BOD (kg/ngày) Tải lượng BOD )( BOCCQ ×=∑ (kg/ngày.đêm) (4.10) 4.4.3. Đánh giá các nguồn thải trong khu vực 4.4.3.1. Tổng kết lưu lượng nước thải và tải lượng ơ nhiễm 4.4.3.2. Đánh giá các nguồn ơ nhiễm Cĩ thể thấy trong tất cả các loại nguồn thải thì nước thải sinh hoạt là nguồn thải cĩ độ ảnh hưởng quan trọng nhất cả về lưu lượng cũng như tải lượng ơ nhiễm. Hiện trạng chất lượng nước theo các kết quả thực đo cho thấy chủ yếu vẫn là ơ nhiễm hữu cơ BOD. 4.4.4. Mơ tả sơ đồ tính tốn Mạng lưới tính tốn bao gồm sơng Hàn, sơng Cẩm Lệ và sơng Vĩnh Điện. Tồn bộ mạng lưới tính tốn được mơ hình hĩa về 8 mặt cắt đặc trưng trên các sơng. 4.4.5. Phương án tính tốn: chia làm 3 phương án thể hiện ở bảng 4.5 Bảng 4.5 Các phương án tính tốn Phương án Ký hiệu Chú thích 26 Hiện trạng HTr Phương án này xem xét mơ hình hiện trạng để hiệu chỉnh mơ hình cho phù hợp với chất lượng nước sơng Hàn Năm 2012 PA 2012 Phương án khi các trạm Xử lý nước thải đi vào hoạt động hết cơng suất, ổn định Năm 2020 PA 2020 Phương án tính đến quy hoạch phát triển của TP Đà Nẵng đến năm 2020 4.4.5.1 Số liệu thủy văn, thủy lực a. Biên trên (Biên lưu lượng): Trên sơng Cẩm Lệ lấy biên lưu lượng dịng chảy mùa kiệt trên Cầu Đỏ, nút số 19. Trên sơng Vĩnh Điện lấy biên lưu lượng dịng chảy mùa kiệt trên cầu Vĩnh Điện, nút số 29 b. Biên dưới (Biên mực nước): Lấy biên mực nước tại thời điểm tính tốn từ 1/4/2005 đến 31/5/2005. Giá trị BOD tại các biên như sau: - Sơng Cẩm Lệ và Vĩnh Điện giá trị BOD được xem như ổn định và cĩ giá trị vào khoảng 1,5mg/l - Giá trị BOD tại biên hạ lưu được đo liên tục từ 1/4/2005 đến 31/5/2005 được thể hiện ở Phụ lục 4.2 Lưu lượng nước thải và nồng độ chất ơ nhiễm BOD tại các mặt cắt là tổng hợp của nhiều nguồn thì được tính theo cơng thức sau: - Lưu lượng nguồn thải Q= Q1+Q2+.... Qn (4.11) - Nồng độ chất ơ nhiễm BOD: ∑ ∑ = n i n ii BOD Q CQ C (4.12) 4.4.5.2 Các phương án tính tốn a. Phương án hiện trạng (HTr): mục tiêu của phương án là xem xét hiệu chỉnh mơ hình phù hợp với hiện trạng sơng Hàn. b. Phương án đến năm 2012 (PA-2012): c. Phương án đến năm 2020 (PB-2020): 4.4.6. Kết quả tính tốn bằng mơ hình Hec-ras 4.0 4.4.6.1. Kết quả hiệu chỉnh mơ hình tính tốn: 27 Biểu đồ kết quả hiệu chỉnh mơ hình 4,60 3,50 4,80 5,52 6,35 7,30 4,32 3,24 4,27 5,02 5,90 6,86 - 2,00 4,00 6,00 8,00 CL1 VĐ1 SH1 SH2 SH3 SH4 Vị trí B O D (m g/ l) Hiện Trạng Mơ Hình Hình 4.4 Biểu đồ kết quả hiệu chỉnh mơ hình 4.4.6.2. Kết quả tính tốn cho các trường hợp Biểu đồ dự báo chất lượng nước sơng Hàn đến năm 2020 - 5,000 10,000 15,000 20,000 25,000 30,000 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Mặt cắt BO D (m g/ l) HTr-2010 PA-2012 PB-2020 TCVN 5942-1995 Biểu đồ dự báo chất lượng nước sơng Cầu Đỏ đến năm 2020 - 2,000 4,000 6,000 8,000 10,000 12,000 20 19 18 17 16 15 14 13 Mặt cắt BO D (m g/ l) HTr-2010 PA-2012 PB-2020 TCVN 5942-1995 28 Biểu đồ dự báo chất lượng nước sơng Vĩnh Điện đến năm 2020 - 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 Mặt cắt BO D (m g/ l) HTr-2010 PA-2012 PB-2020 TCVN 5942-1995 Hình 4.5 Biểu đồ dự báo chất lượng nước đến năm 2020 4.4.6.3. Nhận xét: Đối với Sơng Hàn: tình trạng ơ nhiễm trên sơng Hàn ở thời điểm hiện trạng khi các Trạm xử lý nước thải chưa đi vào hoạt động là khá cao. Mức độ ơ nhiễm giảm dần về phía thượng lưu sơng Hàn. Đối với sơng Cẩm Lệ: tình trạng ơ nhiễm ảnh hưởng khơng đáng kể vì sơng nằm cách xa các khu cơng nghiệp, mật độ dân cư và các khu hoạt động sản xuất cũng thưa hơn so với sơng Hàn. Đối với sơng Vĩnh Điện: mức độ ảnh hưởng ơ nhiễm rất ít vì sơng nằm khá xa so với các khu cơng nghiệp, hoạt động sản xuất và mật độ dân số cũng thấp so với sơng Hàn. KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ 1. Kết luận: Luận văn đưa ra đánh giá tình hình địa lý tự nhiên khu vực, chế độ thủy văn trên lưu vực sơng và chế độ thủy triều vùng cửa sơng Hàn. Trên cơ sở áp dụng chương trình HECRAS 4.0 luận văn cũng đã xử lý các số liệu thủy văn, địa hình, tính tốn dịng chảy các sơng chảy qua thành phố Đà Nẵng, đặc biệt là dịng chảy mùa kiệt. Kết quả tính tốn này, ngồi phần phục vụ việc chọn biên lưu lượng giải quyết bài tốn xâm nhập mặn, lan truyền chất ơ nhiễm, đã chỉ ra khả năng quy hoạch sử dụng nguồn nước của thành phố Đà Nẵng trong tương lai. Nguồn cấp nước cho khu vực phía Nam thành phố Đà Nẵng bao gồm các sơng: Túy Loan, Yên, Quá Giáng, La Thọ và Vĩnh Điện. Nguồn cấp nước cho khu vực dân sinh và cơng nghiệp ở phía Bắc thành phố hiện nay chủ yếu từ nguồn nước ngầm, cấp nước trong tương lai sẽ xây dựng nhà máy nước trên sơng Cu Đê. Kết quả tính tốn lan truyền chất của luận văn với điều kiện biên cho thấy diễn biến mặn trên các sơng cĩ khác nhau. 29 Trên sơng Hàn tại cầu Thuận Phước vào mùa cạn hàng năm cĩ độ mặn khá lớn, độ mặn lớn nhất cĩ thể lên đến 15-200/00. Độ mặn giảm dần từ cầu Thuận Phước đến cầu Nguyễn Văn Trỗi. Phía thượng lưu sơng Hàn gồm 2 nhánh sơng với đặc điểm lan truyền mặn như sau: Sơng Vĩnh Điện cĩ độ dốc nhỏ, nước mặn ít cĩ khả năng xâm nhập vào sâu. Diễn biến mặn tính tốn cho từng giờ trong ngày cho thấy những giờ triều cường ranh giới mặn lan truyền ảnh hưởng khơng đáng kể. Vì vậy, trên sơng này ít bị ảnh hưởng mặn trong các tháng mùa cạn. Sơng Cẩm Lệ, diễn biến mặn về phía thượng lưu giảm nhanh hơn do độ dốc sơng lớn hơn sơng Vĩnh Điện. Mặt khác, lượng dịng chảy mùa cạn từ thượng lưu cũng cao hơn nhiều. Với kết quả tính tốn trên, ranh giới mặn ở cửa sơng ảnh hưởng khơng đáng kể tại đầu nhánh sơng Cẩm Lệ đến sơng Cầu Đỏ. Độ mặn là hàm số phức tạp chịu ảnh hưởng của nhiều nhân tố và biến đổi liên tục theo thời gian. Kết quả tính tốn trên là đánh giá bước đầu về bức tranh xâm nhập mặn và lan truyền chất ơ nhiễm các sơng chảy qua thành phố Đà Nẵng. Trong tính tốn chỉ mới xét đến ảnh hưởng lấy nước sinh hoạt tại nhà máy nước Cầu Đỏ và nhà máy nước Sân Bay đối với sơng Hàn. Mức độ ơ nhiễm chất BOD là đáng kể khi chưa cĩ các Trạm xử lý nước thải. Vì vậy, cần sớm triển khai xây dựng và đưa vào vận hành các Trạm xử lý chất thải để giảm thiểu mức độ ơ nhiễm BOD nĩi riêng và chất ơ nhiễm sinh học nĩi chung. Ở thời điểm năm 2020, mức độ ơ nhiễm BOD tăng lên đáng kể. Vì vậy, cần bổ sung xây dựng thêm các Trạm xử lý nước thải hoặc cần nâng cấp các Trạm đã cĩ để đảm bảo xử lý một cách triệt để ơ nhiễm sinh học mơi trường. 2. Kiến nghị: Trong thời gian tới cần nghiên cứu khảo sát kỹ và đồng bộ hơn các biên của bài tốn, trong đĩ cĩ tính đến ảnh hưởng của một số cơng trình xây dựng trên tuyến như: đập dâng An Trạch trên sơng Yên, các nhà máy nước xây dựng trên sơng Cu Đê, nhà máy nước Sân Bay, nhà máy nước Cẩm Đại trên sơng Cẩm Lệ. Cần lập các trạm đo mực nước, triều thường xuyên, nồng độ ơ nhiễm và các chỉ tiêu mơi trường khác ở hạ lưu sơng Hàn nhằm cĩ đầy đủ số liệu trong một khoảng thời gian dài để phục vụ cho các giai đoạn quy hoạch, phát triển và các nghiên cứu sau này. Trên cơ sở đánh giá diễn biến ơ nhiễm ở hạ lưu sơng Hàn, giúp việc nghiên cứu thay đổi hay loại bỏ một số hạng mục cơng trình dọc hai bờ sơng Hàn một khi nhiệm vụ của nĩ đã thay đổi hoặc khơng cịn tác dụng. Áp dụng kết quả của đề tài cho thiết kế và tính tốn các cơng trình thủy lợi, các cơng trình hạ tầng các khu dân cư dọc vùng hạ lưu sơng Hàn trong tương lai. Một phần nội dung đề tài cũng cĩ thể tham khảo để tính tốn quy hoạch một cách hợp lý các cơng trình cấp nước, xử lý nước thải, các cơng trình chống ngập lụt cho thành phố trong tương lai.