Mô hình hóa nhiệt độ hồ kín nội đô

Bài viết Mô hình hóa nhiệt độ hồ kín nội đô trình bày nghiên cứu về mô hình hóa nhiệt độ cho một hồ kín, nhỏ nội đô sử dụng mô hình số trị EFDC. Đối tượng nghiên cứu là hồ Cự Chính thuộc quận Thanh Xuân, Hà Nội.

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020 ISBN: 978-604-82-3869-8 MƠ HÌNH HĨA NHIỆT ĐỘ HỒ KÍN NỘI ĐƠ Nghiêm Tiến Lam1, Bùi Quốc Lập2 Khoa Cơng trình, Trường Đại học Thủy lợi, email: lam.n.t@tlu.edu.vn Khoa Hóa Mơi trường, Đại học Thủy lợi GIỚI THIỆU Các hồ nước thị có vai trò quan trong việc cải tạo điều kiện vi khí hậu tạo vẻ đẹp cảnh quan thị Ngồi ra, số hồ cịn gắn với giá trị văn hóa lịch sử Đặc điểm chung đa số hồ nội nơng kín, trao đổi nước với bên Đối với hồ nước kín thị, động lực học nhiệt độ nước phụ thuộc chủ yếu vào tác động khí tượng xạ mặt trời gió Nhiệt độ nước hồ đặc tính vật lý quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến khả hịa tan ơ-xy nước chi phối nhiều q trình sinh hóa sinh lý hồ [3] Bài báo trình bày nghiên cứu mơ hình hóa nhiệt độ cho hồ kín, nhỏ nội sử dụng mơ hình số trị EFDC Đối tượng nghiên cứu hồ Cự Chính thuộc quận Thanh Xn, Hà Nội Đây hồ nhỏ, nơng, có diện tích mặt nước khoảng 4000 m², độ sâu nước từ 1,5 - 1,7 m Hồ có trao đổi nước với bên kè bờ chắn nước thải xung quanh hồ thu gom vào hệ thống riêng biệt [1] CƠ SỞ MƠ HÌNH TRUYỀN NHIỆT Mơ hình EFDC mơ hình số trị mơ q trình thủy động lực học, vận chuyển bùn cát, chất ô nhiễm chất lượng nước cho thể nước mặt [2] Mô hình EFDC giải tốn lan truyền nhiệt dựa phương trình chuyển tải khuếch tán nhiệt nước sau: T   uT    vT    wT      t x y z   T    T    T   D D  D S x  x x  y  y y  z  z z  H (1) Trong đó: T - nhiệt độ nước (°C); t thời gian (s); x,y,z - biến không gian (m); u,v,w - thành phần vận tốc theo phương x,y,z (m); Dx,Dy,Dz - hệ số khuếch tán rối theo phương x,y,z (m²/s); SH - trao đổi nhiệt với bên (°C/s) Sự trao đổi nhiệt hồ với bên chủ yếu trao đổi nhiệt nước với khơng khí với đáy Trao đổi nhiệt nước khơng khí bao gồm thơng lượng nhiệt đến xạ sóng ngắn từ Mặt Trời xạ sóng dài từ khí quyển; thơng lượng nhiệt xạ sóng dài từ thể nước, nhiệt cảm truyền nhiệt nước khơng khí, nhiệt ẩn bốc Trao đổi nhiệt nước khơng khí tính tốn phụ thuộc vào vị trí địa lý hồ, thời gian, nhiệt độ nước hồ đặc trưng khí tượng nhiệt độ khơng khí, bốc hơi, tốc độ gió, độ che phủ mây Trao đổi nhiệt nước đáy phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ nước đáy, hệ số truyền nhiệt nước đáy độ sâu lớp bùn cát tham gia vào trình trao đổi nhiệt MƠ HÌNH HỒ CỰ CHÍNH Mơ hình lan truyền nhiệt cho hồ Cự Chính thiết lập dựa số liệu nhiệt độ nước 16 lần đo đạc hồ Cự Chính thời gian từ 17/04/2017 đến 08/03/2018 Số liệu đầu vào mô hình chủ yếu số liệu khí tượng thực đo trạm Láng, Hà Đông sân bay Nội Bài năm 2017 2018 không trạm có đầy đủ số liệu đồng Trong đó, lượng mưa sử dụng số liệu thực đo trạm Láng, nhiệt độ khơng khí, 298 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020 ISBN: 978-604-82-3869-8 khí áp gió sử dụng số liệu thực đo trạm Hà Đơng, độ ẩm khơng khí độ che phủ mây sử dụng số liệu thực đo sân bay Nội Bài Hình biểu diễn số liệu nhiệt độ khơng khí vận tốc gió sử dụng cho mơ hình Hình biểu thị hoa gió Từ hình hình thấy vận tốc gió khu vực yếu, phần lớn gió tây nam với vận tốc m/s thời kỳ mùa hè gió bắc với vận tốc khoảng m/s thời kỳ mùa đông Bảng Các thông số mơ hình Thơng số mơ hình truyền nhiệt Giá trị Hệ số suy giảm ánh sáng, WQKEB (1/m) 0.86 Hệ số truyền nhiệt đối lưu, RCHC (W/m²/°C) 18.98 Hệ số trao đổi nhiệt với đáy, HTBED2 (W/m²/°C) 218.64 Độ dày lớp đáy trao đổi nhiệt, DABEDT (m) 5.4 Nhiệt độ đáy ban đầu, TBEDIT (°C) 27 Nhiệt độ khơng khí (°C) Vận tốc gió (m/s) Bảng Chỉ tiêu đánh giá mơ hình Chỉ tiêu đánh giá Giá trị Sai số trung bình, ME -0.12°C Sai số tương đối, RME -0.45% Sai số quân phương, RMSE 0.97°C Sai số quân phương tương đối, RRMSE 7.07% Chỉ số Nash-Sutcliffe, NSE 94.55% Hình Số liệu nhiệt độ khơng khí vận tốc gió From 2017-04-01 to 2018-04-01 N NN E E EN WN W N E N W W NN Calm 3.00% ES E % 10 W WS 5% Hình So sánh nhiệt độ nước hồ kết mơ hình số liệu thực đo % 15 E SS S SS W 17383 records used Direction is coming from SE SW % 20 Wind Speed (m/s) 8.0 - 10.8 5.5 - 8.0 3.3 - 5.5 1.5 - 3.3 0.5 - 1.5 Hình Hoa gió thời kỳ tính tốn Do hồ nơng kín nước nội nên q trình hiệu chỉnh mơ hình thực với việc mơ hình hồ lưới có kích thước 200 m × 200 m, độ sâu 1,6 m, giả thiết hồ hoà trộn hoàn toàn Bộ thơng số mơ hình lan truyền nhiệt xác định thơng qua q trình hiệu chỉnh mơ bảng Các tiêu đánh giá mơ hình so với số liệu bảng Thông qua kết bảng bảng thấy mơ hình lưới lớp nước hồ Cự Chính phù hợp với số liệu thực đo Điều cho thấy thủy động lực hồ yếu khơng có trao đổi nước với bên ngồi Tác động xạ mặt trời đóng vai trò quan trọng việc cung cấp ánh sáng lượng cho hồ Ánh sáng truyền đến hầu hết độ sâu nước hồ, giúp cho tảo có đủ ánh sáng để phát triển khoảng độ sâu nước Ngoài ra, trao đổi nhiệt nước đáy bùn cát ảnh hưởng lớn đến q trình điều hịa nhiệt độ nước hồ 299 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020 ISBN: 978-604-82-3869-8 Nhiệt độ (°C) Hình so sánh nhiệt độ nước tính tốn mơ hình so với số liệu thực đo Kết tính tốn mơ hình cho thấy nhiệt độ nước hồ có dao động đáng kể theo chu kỳ ngày đêm Trong thời kỳ mùa hè, dao động nhiệt độ ngày đêm hồ đến 2°C (hình 4) Trong thời kỳ mùa đông, dao động nhiệt độ ngày đêm hồ nhỏ hơn, vào khoảng 1°C (hình 5) Nhiệt độ (°C) Hình Dao động ngày đêm nhiệt độ nước hồ thời kỳ mùa hè KẾT LUẬN Bài báo trình bày kết mơ hình hóa nhiệt độ cho hồ nước nội đô Với hồ nội nơng kín nước, mơ hình hóa hồ lưới lớp nước động lực hồ yếu xạ mặt trời có khả truyền nhiệt cho phần lớn độ sâu nước hồ Trao đổi nhiệt nước hồ đáy bùn cát đóng vai trị quan trọng điều hòa nhiệt độ nước hồ Việc ứng dụng mơ hình số trị EFDC cho thấy phù hợp tốt kết mô với giá trị thực đo mô tả chi tiết trình biến đổi nhiệt độ nước hồ theo thời gian, đặc biệt dao động nhiệt độ ngày đêm Các kết sở quan trọng để tiếp tục mơ phát triển tảo, q trình phú dưỡng chất lượng nước hồ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tạ Đăng Thuần, Bùi Quốc Lập 2019 Phân tích biến đổi theo mùa yếu tố ảnh hưởng tới sinh trưởng tảo hồ nội Hà Nội sử dụng mơ hình phú dưỡng Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Thủy lợi Môi trường, Số 64 (3/2019), tr.60-68 [2] DSI, LLC 2020 EFDC+ Theory version 8.5 Edmonds, WA, USA [3] Zhen-Gang Ji 2017 Hydrodynamics and water quality: modeling rivers, lakes, and estuaries 2nd edt., Wiley Hình Dao động ngày đêm nhiệt độ nước hồ thời kỳ mùa đông 300 ... mơ hình hóa nhiệt độ cho hồ nước nội Với hồ nội nơng kín nước, mơ hình hóa hồ lưới lớp nước động lực hồ yếu xạ mặt trời có khả truyền nhiệt cho phần lớn độ sâu nước hồ Trao đổi nhiệt nước hồ. .. động nhiệt độ ngày đêm hồ đến 2°C (hình 4) Trong thời kỳ mùa đông, dao động nhiệt độ ngày đêm hồ nhỏ hơn, vào khoảng 1°C (hình 5) Nhiệt độ (°C) Hình Dao động ngày đêm nhiệt độ nước hồ thời kỳ... (°C) Hình so sánh nhiệt độ nước tính tốn mơ hình so với số liệu thực đo Kết tính tốn mơ hình cho thấy nhiệt độ nước hồ có dao động đáng kể theo chu kỳ ngày đêm Trong thời kỳ mùa hè, dao động nhiệt