Giáo trình Mô hình hóa trong quản lý và nghiên cứu môi trường

MỤC LỤC CHƯƠNG I MƠ HÌNH HĨA, NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VÀ PHÂN LOẠI 1.1 Giới thiệu chung mơ hình hóa 1.2 Những khái niệm 11 1.2 Các khái niệm 11 1.2.1.1 Hệ thống 11 1.2 1.2 Động thái 11 1.2 1.3 Mơ hình 11 1.2 1.4 Mơ hình hóa 12 1.2.2 Mục đích, ý nghĩa, tính ưu việt bất cập mơ hình hóa 12 1.2.2.1 Mục đích mơ hình hóa 12 1.2 2.2 Ý nghĩa nghiên cứu mơ hình hóa 14 1.2.2.3 Tính ưu việt mơ hình hóa 14 1.2.2.4 Bất cập mơ hình hóa 15 1.3 CÁC LOẠI MÔ HÌNH 16 1.3 Phân loại chung 16 1.3.1.1 Mơ hình lý thuyết (ý tưởng) 16 1.3 1.2 Mơ hình chứng minh tương tác 16 1.3 1.3 Mơ hình tốn học thống kê 16 1.3 1.4 Mơ hình minh họa trực quan 17 1.3 Phân loại theo cặp 17 CHƯƠNG II XÂY DỰNG MƠ HÌNH 19 Cấu trúc mô hình phương tiện mơ tả mơ hình 19 2 Xây dựng mơ hình 21 2 Mô tả hệ thống xác định vấn đề 22 2 Xác định ma trận liền kề 23 2 Thiết lập biểu đồ lý thuyết 24 2 Thiết lập cơng thức tốn 24 2 Chuyển tải vào máy tính kiểm tra độ xác 25 2 Phân tích độ nhạy cho mơ hình 25 2 Phân tích độ nhạy cho mơ hình lớn 26 2 Hiệu chỉnh mô hình 26 2 Áp dụng mô hình diện rộng 27 2 10 Đánh giá mơ hình 28 2 11 Áp dụng mơ hình hóa tốn cụ thể 28 CHƯƠNG III MỘT SỐ MƠ HÌNH CỤ THỂ 30 3.1 Mơ hình nhiễm khơng khí 30 3.1.1 Các điều kiện ảnh hưởng đến phát tán khí khí 31 3.1.1.1 Sự ảnh hưởng lượng phát thải lên phát tán chất khí 31 3.1.1.2 Ảnh hưởng độ ổn định khí lên phát tán chất khí 31 3.1.1.3 Ảnh hưởng tính khí lên phát tán chúng 31 3.1.1.4 Ảnh hưởng chiều cao phát thải lên phát tán khí 32 3.1.1.5 Ảnh hưởng trạng thái vật lý chất ô nhiễm lên phát tán 33 3.1.1.6 Ảnh hưởng tốc độ khói độ cao miệng ống khói lên phát tán 33 3.1.1.7 Ảnh hưởng bề mặt đệm lên phát tán chất khí 33 3.1.1.8 Ảnh hưởng thay đổi hướng gió lên phạm vi ô nhiễm 33 3.1.2 Độ ổn định khí phân bố hàm lượng chất ô nhiễm 33 3.1.2.1 Khí khơng ổn định biến thiên nhiệt độ môi trường (Tmt) > biến thiên nhiệt độ khối khí (Tkk) 33 3.1.2.2 Khí trung tính Tmt = Tkk 34 3.1.2.3 Khí ổn định < Tmt < Tkk 35 3.1.2.4 Khí ổn định Tmt < < Tkk 35 3.1.2.5 Hình dạng luồng khói phụ thuộc vào cấp ổn định khác 36 3.1.3 Phương trình mô tả truyền tải khuếch tán chất ô nhiễm 38 3.1.4 Mơ hình GAUSS tính tốn lan truyền chất nhiễm khơng khí 39 3.1.4.1 Tính tốn hệ số phân tán theo phương đứng phương ngang 41 3.1.4.2 Các cơng thức thực tế tính σу σz 41 3.1.4.3 Chiều cao hiệu ống khói 42 3.1.5 Mô hình berliand tính tốn lan truyền chất nhiễm khí 44 3.1.5.1 Sự phân bố chất nhiễm phương trình tốn học 44 3.1.5.2 Đối với khí bụi nhẹ: 44 3.1.5.3 Đối với bụi nặng cỡ hạt đồng chất: 45 3.1.5.4 Khuyếch tán chất ô nhiễm từ nguồn điểm cao điều kiện không gió: 46 3.2 Mơ hình nhiễm nước 46 3.2.1 Một số kiến thức liên quan tới mơ hình hóa chất lượng nước 46 3.2.2 Giới thiệu mơ hình QUAL2K: 48 3.2.2.1 Phân đoạn thủy lực: 49 a Phân đoạn: 49 b Cân nước: 50 c Đặc trưng thủy lực: 51 d Thời gian diễn toán: 56 e Phân tán theo chiều dòng chảy: 56 f Cân nhiệt: 57 3.2.2.2 Thành phần mơ hình phương trình cân thành phần chất lượng nước: 58 a Thành phần mơ hình: 58 b Phương trình cân thành phần chất lượng nước: 59 3.3 Một số mơ hình khác 60 3.1 Mơ hình xói mịn nước 60 3.3.1.1 Tổng quan mơ hình xói mịn nước 60 3.3.1.2 Mơ hình xói mịn đất nước tính theo phương trình đất phổ dụng Wischmeier and Smith (1978), Foster et al (1982) 61 3.3.1.3 Kết hợp RUSLE với hệ thống thơng tin địa lý phân tích khơng gian xây dựng đồ xói mịn đất 70 3.3.2 Mơ hình nhiễm phân tán từ nơng nghiệp AGNPS 71 3.3.3 Mơ hình xói mịn LISEM 76 3.3.4 Mơ hình lan truyền thấm sâu chất hóa học LEACHM 78 Mơ hình đơn giản lan truyền hóa chất đất 79 Mơ hình Nleach_2D 81 3.5.1 Giới thiệu mơ hình mơ hình 81 3.5 1 Mơ hình cân nước 81 3.5.1.2 Mơ hình cân đạm 82 3.5.2 Mơ hình cân đạm ruộng lúa có tầng đế cày 84 3.5.3 Phát triển Nleach thành mơ hình mơ không gian 85 3 Mơ hình MIKE11 86 3.6.1 Mô tả sơ lược MIKE 11 87 3.6.2 Thuật tốn mơ hình thuỷ lực MIKE 11: 90 DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Phân loại mơ hình (theo cặp) 17 Bảng 2: Kết tính tốn cân nước chất ô nhiễm Cadmium 29 Bảng 3: Cơng thức tính δ z(x), δ y(x) cho vùng thống mở (nơng thơn) 42 Bảng 4: Cơng thức tính δ z(x), δ y(x) chođiều kiện thành phố 42 Bảng 5: Giá trị điển hình hệ số mũ phương pháp Rating curves 54 Bảng 6: Hệ số nhám Manning cho bề mặt kênh hở (Chow et al 1988) 55 Bảng 7: Các biến trạng thái mô hình Q2K 59 Bảng 8: Độ gồ ghề mặt đất điều kiện khác 68 Bảng 9: Giá trị P cho ruộng bậc thang canh tác theo đường đồng mức độ dốc 70 DANH MỤC HÌNH Hình 1: Lịch sử tiến trình phát triển loại mơ hình sinh thái mơi trường 10 Hình 2: Ví dụ cấu trúc biểu đồ Forrester cho mơ hình hệ thống nơng nghiệp có nhiều biến trạng thái hệ thống nông nghiệp (Haefner, 2005) 19 Hình 3: Các thành phần biểu đồ Forrester 20 Hình 4: Biểu đồ tổng quát trình tự xây dựng mơ hình theo Jøgensnen Bendoricchio (2001) 22 Hình 5: Một hệ sinh thái đơn giản biểu diễn chu trình bon hợp phần sinh thái 23 Hình 6: Biểu đồ Forrester cho mơ hình hệ sinh thái hươu-cỏ (theo hệ thống hình 5) Các đường liền biểu thị đường biến đổi C Đường chấm biểu thị mối quan hệ cấp tốc độ đầu vào đầu (ý nghĩa biểu tượng xem hình 3) 24 Hình 7: Ví dụ phân tích độ nhạy ảnh hưởng hàm lượng đạm ban đầu đến thay đổi hàm lượng đạm đất theo thời gian 26 Hình 8: Kết hiệu chỉnh mơ hình mơ hàm lượng đạm đất trồng bắp cải (kết tính tốn khớp với hàm lượng đạm đo đất) 27 Hình 9: Biểu đồ lý thuyết mô tả thành phần hệ thống mối quan hệ thành phần 29 Hình 10: Sơ đồ chùm phân tán chất nhiễm khơng khí sử dụng nhiều mơ hình phân tán khơng khí 31 Hình 11 Một số hiệu ứng từ phát thải nguồn cao với đám khói có hình dáng khác thời điểm khác (a), phát tán liên tục luồng chất khí khơng khí (b), phát tán dịng chất nặng khí với qũy đạo đặc biệt đám mây (c) 32 Hình 12 Khí khơng ổn định siêu đoạn nhiệt Trong trường hợp chưa bão hòa (bên trái), nâng lên cao, khối khí chưa bão hịa mức nóng nhiệt độ khơng khí xung quanh nhẹ Trong trường hợp khối khí khỏi vị trí ban đầu với gia tốc cụ thể Trong trường hợp bão hòa (bên phải) Khi nâng lên cao, khối khí bão hịa mức nóng nhiệt độ khơng khí xung quanh Trong trường hợp khối khí khỏi vị trí ban đầu Nguồn: Bùi Tá Long (2008) 34 Hình 13 Khí ổn định “dưới đoạn nhiệt” với khối khí chưa bão hịa (bên trái) bão hòa (bên phải), nâng lên cao khối khí lạnh nặng khơng khí xung quanh Trong trường hợp khối khí có xu hướng quay trở lại vị trí ban đầu Nguồn: Bùi Tá Long (2008) 35 Hình 14: Các trạng thái môi trường tác động đến phân bố dải khói không gian 36 Hình 15 Luồng khói bị hạn chế biên lẫn biên “mắc bẫy” (trapping) – nghịch nhiệt bên bên ống khói 37 Hình 16 Sơ đồ mơ hình khuếch tán Gauss 41 Hình 17 Độ nâng vệt khói chiều cao hiệu ống khói 43 Hình 18 Sự phân bố dải khói nồng độ chất nhiễm 44 Hình 19 Biểu đồ trình lan truyền 48 Hình 20: Sự phân đoạn mơ hình Q2K 50 Hình 21: Cân nước đoạn sơng 50 Hình 22: Đập đỉnh nhọn 52 Hình 23: Kênh hình thang 54 Hình 24: Cột nước 56 Hình 25: Cân nhiệt 58 Hình 26: Độ gồ ghề với khoảng cách độ cao với bề mặt (Hội bảo vệ đất nước Hoa Kỳ, 1993) 68 Hình 27: Sơ đồ xây dựng đồ xói mịn đất từ đồ đầu vào, số liệu thuộc tính dựa mơ hình RUSLE 70 Hình 28: Mơ hình AGNPS chạy kết hợp với phần mềm GIS mô q trình nước di chuyển hóa chất 76 Hình 29: Biểu đồ biểu diễn chế xói mịn LISEM (Hessel et al., 2002) 77 Hình 30: Mơ hướng dịng chảy mơ hình xói mịn lưu vực 77 Hình 31: Các hợp phần đường phát triển LEACHM (Hutson, 2003) 79 Hình 32: Biểu đồ biểu diễn lan truyền chất hóa học đất 79 Hình 33: Phân bố hàm lượng đạm đất theo chiều sâu lúc ban đầu, sau 40, 80 100 ngày 80 Hình 34 Hàm lượng đạm khống đo tính tốn độ sâu khác đất trồng lúa trường hợp khơng có mơ đun tầng đế cày (trái) có mơ đun tầng đế cày (phải) 84 Hình 35 Biểu đồ lý thuyết mơ tả động thái độ ẩm đất đạm đất đó; R lượng mưa; Irri, nước tưới; Fert, phân bón, SW(1), hàm lượng nước đất (trong tầng đất); L(1a), tốc độ dòng chảy vào theo phương chéo; N, hàm lượng đạm; P, tốc độ thấm sâu; U, tốc độ hút nước đạm; T, nhiệt độ; Ra, ánh sáng; GR, trồng phát triển; ks, độ dẫn nước; L(1b), dòng chảy theo phương chéo ngang; POR, độ rỗng 85 Hình 36 Kết mơ mơ hình Nleach khơng gian hàm lượng đạm khoáng (mg l–1) xã Vân Hội, huyện Tam Dương ngày tháng năm 2004 (a) ngày 26 tháng năm 2005 (b); dòng đạm chảy nghiêng tích lũy (kg ha–1 năm–1) năm 2004 (c) năm 2005 (d); kết mô tổng lượng đạm thấm sâu (kg ha–1 năm–1) năm 2004 (e), năm 2005 (f) 86 Hình 37: Mơ tả phương trình liên tục 90 Hình 38: Mơ tả phương trình động lượng 90 Hình 39: Nhánh sơng với điểm lưới xen kẽ 93 Hình 40: Cấu hình điểm lưới xung quanh điểm mà ba nhánh gặp 93 Hình 41: Cấu hình điểm lưới điểm mẫu hoàn chỉnh 94 Hình 42: Ma trận nhánh trước khử 95 Hình 43: Ma trận nhánh sau khử 96 Hình 44: Điểm ba nhánh với giới hạn phương trình liên tục 97 CHƯƠNG I MƠ HÌNH HĨA, NHỮNG KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÔ HÌNH HĨA Vào năm nghìn chín trăm năm mươi, nhà kỹ thuật bỏ nhiều công sức vào việc nghiên cứu hệ thống động thái phức tạp Những thành công họ thu hút nhiều nhà sinh học việc áp dụng kỹ thuật tương tự chun mơn Xu hướng đặc trưng từ: Hệ thống, Mơ hình Mơ hình hóa (De wit, 2006) Mơ hình phát triển từ lâu theo nhu cầu nghiên cứu tìm kiếm giải pháp kỹ thuật tối ưu cho sản xuất Mơ hình phát triển từ đơn giản phức tạp, từ mơ hình đơn mơ hình tích hợp ngày Theo Jøgensen Bendoricchio (2001) mơ hình mơ hình cân ơxy nước (mơ hình Streeter-Phelps) mơ hình chuỗi thức ăn (mơ hình LotkaVolterra) phát triển vào năm 1920 Vào năm 1950, 1960 phát triển mạnh mơ hình động thái dân số, mơ hình nước phức tạp hơn, mơ hình gọi mơ hình hệ thứ hai Các mơ hình sinh thái môi trường phát triển sử dụng rộng rãi năm 1970 Trong số mơ hình phú dưỡng nguồn nước phát triển phức tạp hơn, mơ hình thuộc hệ thứ ba Đến năm 1970 nhà sinh thái học đưa nhiều nghiên cứu định lượng vào giải vấn đề sinh thái mơi trường, vấn đề quản lý môi trường cần đánh giá lại Những kết nghiên cứu định lượng từ đến vô quan trọng cho chất lượng mơ hình sinh thái Quan trọng phát triển cao cơng nghệ máy tính ngày phát triển Những mơ hình phát triển giai đoạn từ 1970 đến 1980 coi hệ thứ tư với đặc trưng sinh thái sâu vào thực đơn giản hóa Rất nhiều mơ hình đánh giá chấp nhận rộng rãi cho nghiên cứu phát triển sản xuất Tầm quan trọng việc sử dụng mô hình cơng tác quản lý mơi trường khẳng định Sự phát triển kinh tế xã hội tác động mạnh vào môi trường Năng lượng chất ô nhiễm phát thải, xả thải vào môi trường sinh thái, hàm lượng chất ô nhiễm cao, phát triển nhanh chóng lồi có hại dẫn tới làm thay đổi cấu trúc sinh thái hủy hoại môi trường Một hệ sinh thái phức tạp Chính việc tiên đốn tác động lên mơi trường nhiệm vụ nặng nề Chính lý biến mơ hình trở thành cơng cụ có ích mơ hình tranh phản ánh thực tế Với kiến thức môi trường sinh thái đầy đủ hồn chỉnh, rút đặc trưng hệ sinh thái liên quan đến vấn đề ô nhiễm qua nghiên cứu để hình thành nên tảng mơ hình mơi trường Từ kết mơ hình hóa sử dụng để lựa chọn kỹ thuật môi trường phù hợp cho giải pháp vấn đề môi trường đặc biệt, hay cho việc xây dựng luật khung giúp giảm thiểu hay kiểm sốt nhiễm  Mơ  hình  Streeter-­‐Phelps   Mơ  hình  Lotka-­‐Volterrs   Mơ  hình  động  thái  dân  số Những  mơ  hình  trong  mơi   trường  nước   Mơ  hình  về  phú  dưỡng   Mơ  hình  phức  tạp  về  nước     Các  thủ  tục  mơ  hình  hóa    xác  định,  Hồn  thiện    phương  trình  cân  bằng  và   phát  triển  nhiều  mơ  hình   sinh  thái  hơn     Mơ  hình  về  chất  độc  hại    sinh  thái   Nhiều  nghiên  cứu  cụ  thể   hơn,  kết  hợp  đánh  giá,  dự   báo   Các  mô  hình  động  thái  cấu   trúc,  những  hạn  chế  trong   sinh  thái,  các  cơng  cụ  tốn   học  mới,  kể  cả  các  phương   `ện  phổ  biến  kiến  thức   (Jørgensen and Bendoricchio, 2001) Hình 1: Lịch sử tiến trình phát triển loại mơ hình sinh thái mơi trường Ứng dụng mơ hình mơi trường trở nên phổ biến, muốn hiểu vận hành hệ thống phức tạp hệ sinh thái Thật không đơn giản để khảo sát nhiều thành phần tác động hệ sinh thái mà khơng sử dụng mơ công cụ tổng hợp Tác động qua lại lẫn hệ thống có lẽ khơng thiết tổng tác động riêng rẽ Mỗi hệ sinh thái có cấu trúc tổng mối quan hệ riêng Việc nghiên hệ sinh thái yêu cầu phải mô tả hệ thống môi quan hệ hệ sinh thái Việc đưa giải pháp phải dựa nguyên tắc phân tích hệ thống sử dụng mơ hình hóa cơng cụ hỗ trợ đắc lực q trình phân tích định Do đó, khơng có ngạc nhiên mơ hình mơi trường sử dụng ngày nhiều sinh thái học nói riêng mơi trường nói chung, cơng cụ để hiểu tính chất hệ sinh thái Ứng dụng phản ánh rõ ràng 10 3.5.3 Phát triển Nleach thành mơ hình mơ khơng gian Hình 35 Biểu đồ lý thuyết mơ tả động thái độ ẩm đất đạm đất đó; R lượng mưa; Irri, nước tưới; Fert, phân bón, SW(1), hàm lượng nước đất (trong tầng đất); L(1a), tốc độ dòng chảy vào theo phương chéo; N, hàm lượng đạm; P, tốc độ thấm sâu; U, tốc độ hút nước đạm; T, nhiệt độ; Ra, ánh sáng; GR, trồng phát triển; ks, độ dẫn nước; L(1b), dòng chảy theo phương chéo ngang; POR, độ rỗng Từ thuật tốn mơ hình trên, phát triển phần mềm hệ thống thông tin địa lý cách đưa thuật tốn dịng vận chuyển vật chất theo chiều dốc Từ mơ hình thẳng đứng chuyển sang mơ hình khơng gian mơ hình thêm q trình dòng chảy tràn bề mặt từ cell cao sang cell thấp (dựa vào độ độ cao số đồ hướng dòng chảy) dòng chảy xiên theo chiều sườn dốc Biểu đồ lý thuyết mơ hình biểu diễn hình 35 85 Hình 36 Kết mơ mơ hình Nleach khơng gian hàm lượng đạm khoáng (mg l–1) xã Vân Hội, huyện Tam Dương ngày tháng năm 2004 (a) ngày 26 tháng năm 2005 (b); dòng đạm chảy nghiêng tích lũy (kg ha–1 năm–1) năm 2004 (c) năm 2005 (d); kết mô tổng lượng đạm thấm sâu (kg ha–1 năm–1) năm 2004 (e), năm 2005 (f) Mơ hình MIKE11 Sự công bố đời MIKE 11 phiên (năm 1997) mở kỷ nguyên cho việc ứng dụng rộng rãi công cụ lập mơ hình thuỷ động lực cho sơng kênh dẫn MIKE 11 phần hệ phần mềm DHI dựa khái niệm MIKE Zero, bao gồm Giao diện Người dùng đồ hoạ tích hợp Windows, thích hợp với tiêu chuẩn rút cho phần mềm dựa Windows Tuy nhiên, phần tính toán trọng tâm biết đến kiểm chứng hệ MIKE 11 trước đây- phiên ‘Cổ điển’ (‘Classic’ version)- cịn trì MIKE 11 ứng dụng 32-bit thực sự, đảm bảo tốc độ tính tốn nhanh tốc hoạt số so với phiên MIKE 11 trước Ứng dụng MIKE 11, ta trả lời câu hỏi như: 86 • Trong trường hợp có lũ mức lũ vượt - vị trí xảy lũ? • Gợi ý biện pháp kiểm sốt lũ? • Tác động mơi trường lâu dài bị ảnh hưởng thay đổi chất gây nhiễm? • Phù sa lắng đâu hệ thống sông- biến hình lịng dẫn thay đổi tổng thể nào? • Hàm lượng cao chất nhiễm số vị trí - ví dụ sau có nhiễm nặng từ lưu vực vùng đô thị, CSO (kết hợp lưu lượng xả từ đường cống) nhà máy công nghiệp? 3.6.1 Mô tả sơ lược MIKE 11 MIKE 11 gói phần mềm kỹ thuật chun mơn để mơ lưu lượng, chất lượng nước vận chuyển bùn cát cửa sông, sông, hệ thống tưới, kênh dẫn vật thể nước khác MIKE 11 công cụ lập mơ hình động lực, chiều thân thiện với người sử dụng nhằm phân tích chi tiết, thiết kế, quản lý vận hành cho sông hệ thống kênh dẫn đơn giản phức tạp Với môi trường đặc biệt thân thiện với người sử dụng, linh hoạt tốc độ, MIKE 11 cung cấp môi trường thiết kế hữu hiệu kỹ thuật công trình, tài nguyên nước, quản lý chất lượng nước ứng dụng quy hoạch Mơ-đun mơ hình thủy động lực (HD) phần trọng tâm hệ thống lập mơ hình MIKE 11 hình thành sở cho hầu hết mô-đun bao gồm Dự báo lũ, Tải khuyếch tán, Chất lượng nước mô-đun vận chuyển bùn lắng khơng có cố kết Mơ-đun MIKE 11 HD giải phương trình tổng hợp theo phương đứng để đảm bảo tính liên tục động lượng (momentum), nghĩa phương trình Saint Venant Các ứng dụng liên quan đến mơ-đun MIKE 11 HD bao gồm: • Dự báo lũ vận hành hồ chứa • Các phương pháp mơ kiểm sốt lũ • Vận hành hệ thống tưới tiêu bề mặt • Thiết kế hệ thống kênh dẫn • Nghiên cứu sóng triều dâng nước mưa sông cửa sông • Đặc trưng hệ thống lập mô hình MIKE 11 cấu trúc mơ-đun tổng hợp với nhiều loại mô-đun thêm vào mô tượng liên quan đến hệ thống sơng 87 Ngồi mô-đun HD mô tả trên, MIKE bao gồm mơ-đun bổ sung đối với: • Thủy văn • Tải khuyếch tán • Các mơ hình cho nhiều vấn đề Chất lượng nước • Vận chuyển bùn cát có cố kết (có tính dính) • Vận chuyển bùn cát khơng có cố kết (khơng có tính dính) Thế hệ MIKE 11 kết hợp đặc tính kinh nghiệm từ MIKE 11 ‘Classic’, giao diện người sử dụng dựa sở tính hữu hiệu Windows bao gồm tiện ích chỉnh sửa sơ đồ (graphical editing facilities) tăng tốc độ tính tốn cách tận dụng tối đa cơng nghệ 32- bit Về đầu vào/ chỉnh sửa, đặc tính MIKE 11 bao gồm: • Nhập liệu/ chỉnh sửa đồ • Nhiều dạng liệu đầu vào/ chỉnh sửa mang tính mơ • Tiện ích copy dán (paste) để nhập (hoặc xuất) trực tiếp, ví dụ từ chương trình trang bảng tính (spreadsheet programs) • Bảng số liệu tổng hợp (tabular) cửa sổ sơ đồ (graphical windows) • Nhập liệu mạng sơng địa hình từ ASCII text files • Thiết kế cho người sử dụng xác định cho tất cửa sổ sơ đồ (màu sắc, cài đặt font, đường, dạng điểm vạch dấu, v.v ) Về đầu ra, có tính trình bày báo cáo tiên tiến, bao gồm: • Màu đồ mặt phẳng ngang cho hệ thống liệu kết • Trình bày kết hình động sơ đồ mặt ngang, dọc chuỗi thời gian • Thể kết hình động đồng thời • Trình bày chuỗi thời gian mở rộng • Tiện ích copy dán (paste) để xuất bảng kết trình bày đồ vào ứng dụng khác (trang bảng tính, word dạng khác) Khái qt mơ hình tốn dịng chảy : Mơ hình tốn cách thức tìm đáp số phơng trình Vật lý - Tốn biểu đạt đắn quy luật biến đổi tượng tự nhiên Thông thường, chất vật lý tượng tự nhiên diễn phức tạp, khó suy đốn, số thơng số mang tính thực nghiệm, đa số thường phải đa hệ phương trình vi phân dạng sai phân tìm lời giải gần 88 Trong kỹ thuật khai thác tài nguyên nước, lập mơ hình tốn tìm lời giải số cho hệ phương trình Thuỷ động lực học dịng chảy hệ thống sông, kênh vùng ngập nước Hệ phương trình Saint Venant viết dạng thực hành cho tốn chiều khơng gian, tức quy luật diễn biến độ cao mặt nước lưu lượng dịng chảy dọc theo chiều dài dịng sơng kênh theo thời gian Đối với hệ phương trình Saint Venant, ta cần xác định cho thơng số thực nghiệm biểu đạt đắn tượng, đáp số mô q trình dịng chảy xảy dự báo diễn biến tương lai theo biện pháp cải tạo với độ tin cậy cao, xây dựng quy hoạch khai thác tài nguyên nước, thiết kế công trình cải tạo, dự báo vận hành hệ thống Thuỷ lợi Còn Thuỷ văn, việc khai thác phương trình khơng đờng tìm lời giải toán học, mà lấy mối quan hệ từ chuỗi số liệu thực đo, xây dựng hệ đáp số riêng cho đoạn sông, lưu vực Phương pháp tính tốn dự báo Thuỷ văn thực chất cách giải bán thực nghiệm hệ phương trình Thuỷ động lực học Như vậy, Thuỷ lực học Thuỷ văn học gặp nhiều mặt Nó xây dựng trử thành hệ thống Mơ hình tổng hợp địa lỹ, khí hậu thời tiết dòng chảy Khái quát hệ phương trình Saint - Venant : Là hệ phương trình thuỷ động lực học viết cho dòng chảy chiều lịng dẫn hở, bao gồm : + Phương trình liên tục: ∂Q ∂A + =q ∂x ∂t + Phương trình động lượng: (111) (112) Trong đó: B: Chiều rộng mặt nước thời đoạn tính tốn (m) h: Cao trình mực nước thời đoạn tính tốn (m) t: Thời gian tính tốn (giây) Q: Lưu lượng dịng chảy qua mặt cắt (m3/s) X: Khơng gian (dọc theo dịng chảy) (m) β: Hệ số phân bố lưu tốc không mặt cắt 89 h(t+dt) thời điểm t + dt h(t) thời điểm t Q dx Hình 37: Mơ tả phương trình liên tục A: Diện tích mặt cắt ướt (m2) q: Lưu lượng nhập dọc theo đơn vị chiều dài (m2/s) C: Hệ số Chezy, tính theo công thức: C = Ry n n: Hệ số nhám R: Bán kính thuỷ lực (m) Y: Hệ số, theo Maning y=1/6 g: Gia tốc trọng trường = 9,81 m/s2 α: Hệ số động h Q h Q h Q h Phương trình động lượng Phương trình liên tục Hình 38: Mơ tả phương trình động lượng 3.6.2 Thuật tốn mơ hình thuỷ lực MIKE 11: MIKE11 chương trình tính thuỷ lực mạng lưới sơng kênh áp dụng với chế động sóng động lực hoàn toàn cấp độ cao.Trong chế độ MIKE 11 có khả tính tốn với : • Dịng nhanh 90 • Lưu lượng thuỷ triều • Hiệu nước đọng thay đổi nhanh • Sóng lũ • Lịng dẫn dốc - Phương pháp sai phân hố, tuyến tính hố : Từ hệ phương trình Saint Venant, ta có hai phương trình viết theo Q h : (113) (114) Giải hệ phương trình vi phân theo phương pháp sai phân hữu hạn điểm ẩn (Abbott-Ionescu 6-point) xác định giá trị lưu lượng, mực nước đoạn sông, mặt cắt ngang mạng sông thời điểm khoảng thời gian nghiên cứu Xét đoạn sông dài 2*Δx thời gian Δt • Phương trình liên tục sai phân hoá bước thời gian n+1/2 sau : Trong : Ao,j : diện tích khống chế hai điểm lưới j-1 j Ao,j+1 : diện tích khống chế hai điểm lưới j j+1 2Δx : Khoảng cách hai điểm j-1 j+1 Thế vào phương trình (113) ta phương trình 91 (Q nj++11 + Q nj+1 ) − Q nj−+11 + Q nj−1 + * Δx Hay Ao, j + Ao, j +1 h nj+1 − h nj 2Δx Δt α j Q nj−+11 + β j h nj+1 + γ j Q nj++11 = δ j n n Trong : α,β,γ = f (bs,δ) = f ( Q , h , Q n+1/2 = qj (115) ) • Phương trình động lượng sai phân hố bước thời gian n+1/2 sau : Trong tính gần với : Q ≈ θQ nj+1Q nj − (θ − 1)Q nj Q nj Thay vào phương trình (114) ta phương trình có dạng : α j h nj−+11 + β j Q nj+1 + γ j h nj++11 = δ j (116) Trong : αj = f(A) βj = f(Qjn, Δt, Δx, C, A, R ) γj = f(A) n+ n+ δj = f( A, θ, Δx, Δt, α, q, v, Q j −1 , h nj−1 , Q nj , h nj+1 , Q j +1 ) Như vậy, nhờ phương pháp sai phân hố tuyến tính hố , ta biến đổi hai phương trình Saint-Venant (113) (114) thành hai phương trình đại số bậc (115) (116) Ứng dụng phương pháp tính tốn cho mạng lưới sơng kênh tồn hệ thống mạng lưới : 92 MIKE 11 nhánh ma trận giao điểm Các điểm tính tốn Trong MIKE 11, phương trình the Saint Venant giải cách dùng chương trình sai phân hữu hạn điểm (implicit 6-point finite-difference scheme) với tên gọi Abbott-Ionescu Trong chương trình này, cấp độ/mực nước lưu lượng xả dọc theo nhánh sơng tính hệ thống điểm lưới xen kẽ trình bày hình 39 hj-4 h (mực nước) Q (lưu lợng xả) Qj-3 hj-2 Qj-1 hj Qj+1 hj+2 hj+4 Qj+3 Hình 39: Nhánh sơng với điểm lưới xen kẽ MIKE 11 giải nhiều nhánh điểm mà nhánh gặp điểm hình thành mực nước tính Cấu hình điểm lưới xung quanh điểm mà ba nhánh gặp thể hình 40: Tuyến trung tâm Bờ sơng Hướng dịng chảy H Nhánh B hB,n-2 Nhánh A hA,n-2 QA,n-1 hX,j Mực nước điểm j nhánh X QX,j Lưu lượng dòng chảy điểm j nhánh X QB,n-1 hA,n hB,n H hC,1 QC,2 Mực nước điểm Nhánh C hC,3 Hình 40: Cấu hình điểm lưới xung quanh điểm mà ba nhánh gặp 93 Điểm có mực nước Điểm lưới có mực nước Điểm lưới có lưu lượng xả Hình 41: Cấu hình điểm lưới điểm mẫu hồn chỉnh Cấu hình điểm lưới điểm mẫu hoàn chỉnh thể hình 41 Cần lu ý điểm biên, ta lập điểm, theo ta tính mực nước Ma trận nhánh Trong điểm lưới, mối quan hệ biến số Zj (cả mực nước hj hay lưu lượng xả Qj) điểm điểm lân cận thể cách dùng phương trình tuyến tính sau: α j Znj−+11 + β j Znj+1 + γ j Znj++11 = δ j (117) Chỉ số bên phương trình (117) (và phương trình đây) biểu thị vị trí dọc theo nhánh, số bên (nếu có) khoảng cách thời gian Các hệ số α, β, γ δ phương trình (117) điểm h tính sai phân xấp xỉ phương trình liên tục (continuity equation) điểm Q cách dùng sai phân xấp xỉ phương trình động lượng (hoặc trờng hợp có kết cấu điểm Q sử dụng cấu trúc thuật toán thực Tại tất điểm lưới dọc theo phương trình nhánh (117) lập Giả sử nhánh có điểm lưới n; n số lẻ, điểm lưới đầu cuối nhánh luôn điểm h Điều làm cho phương trình tuyến tính n có ẩn số n+2 Hai ẩn số thừa phương trình đặt điểm đầu điểm cuối h., Zj-1 Zj+1 biến thành mực nước điểm, theo phần cuối nhánh ngược nhánh xi dịng nối với Phần mơ tả phương trình tuyến tính: 94 α1Hnus+1 + β1h1n +1 + γ 1Qn2+1 = δ1 α 2h1n +1 + β 2Qn2+1 + γ 2hn3+1 = δ2 α Qn2+1 + β 3hn3+1 + γ Qn4+1 = δ3 α 4hn3+1 + β Qn4+1 + γ 4hn5+1 = δ4 α Qn4+1 + β 5hn5+1 + γ Qn6+1 = δ5 ! ! ! ! ! ! ! α n − Qnn +−13 + βn − 2hnn +−12 + γ n − Qnn +−11 = δn−2 α n −1hnn +−12 + βn −1Qnn +−11 + γ n −1hnn +1 = δn −1 α n Qnn +−11 + + γ nHnds+1 = δn βnhnn +1 (118) Hus phương trình đầu Hds phương trình cuối mực nước giao điểm ngược dịng xi dịng Trong MIKE 11 mực nước tương thích ứng dụng điểm, nghĩa mực nước điểm đầu nhánh với mực nước điểm, theo phần cuối dịng ngược nhánh nối với Nói cách khác, h1=Hus Điều nghĩa α1 = -1, β1 = 1, γ1 = δ1 = Tương tự, điểm lưới cuối với hn=Hds αn = 0, βn = 1, γn = -1 δn = Trong Hình 40, điều tương ứng với H=hA,n=hB,n=hC,1 Nếu ta liên hệ với hệ thống nhánh với mực nước biên phần cuối ta biết Hus Hds Chỉ lại ẩn số n phương trình n, ta giải chúng cách dùng kỹ thuật khử chuẩn (standard elimination technique) Tuy nhiên, MIKE 11 xử lý nhiều nhánh, nên ta phải áp dụng phương pháp khác Để giải thích vấn đề này, phương trình trình bày ma trận hình 42 Hình 42: Ma trận nhánh trước khử 95 Dùng kỹ thuật khử chuẩn ta chuyển ma trận hình 42 thành ma trận hình 43 Hình 43: Ma trận nhánh sau khử Từ ma trận hình 43, ta thấy điểm lưới nào, biến số Z (mực nước lưu lượng dòng chảy) thể dạng hàm số mực nước điểm thượng lưu hạ lưu: (119) Znj+1 = c j − a jHnus+1 − b jHnds+1 Tuy nhiên, MIKE 11 hoạt động với nhánh phân chia điểm điểm biên bên nhánh nối bên Ta cần phải biết mực nước tất điểm nối trước giải ma trận hình 43 theo phương trình (113) Ma trận giao điểm Trong giao điểm, phương trình liên tục bao gồm điểm xung quanh h Q tạo lập: Bờ sông Đường tuyến trung tâm hạn phương Giới trình liên tục Nhánh B hB,n-2 Nhánh A hA,n-2 Hướng dòng chảy QB,n-1 QA,n-1 hA,n hB,n H hC,1 96 QC,2 Nhánh C hC,3 Hình 44: Điểm ba nhánh với giới hạn phương trình liên tục Hình 44 cho ta cận cảnh điểm lưới xung quanh điểm Phương trình liên tục xung quanh điểm là: (120) (121) Với: AFl QI Δt Khu vực lũ lụt giới hạn phương trình liên tục Tổng dịng vào Biến thời gian Trong phương trình (121) QA,n-1, QB,n-1 QC,2 vào lúc mức thời gian n+1 thay theo phương trình (119), ta có phương trình sau đây: (122) Với: H HA,us HB,us HC,ds Mực nước giao điểm thực tế Mực nước điểm cuối thượng lưu nhánh A Mực nước điểm cuối thượng lưu nhánh C Mực nước điểm cuối hạ lưu nhánh C Một phương trình tương tự với phương trình (122) đặt điểm, làm phương trình N có ẩn số N (N số lượng giao điểm) Trong phương trình này, mực nước điểm trở thành hàm số tuyến mực nước điểm mà điểm nối với cách trực tiếp 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO Addiscott, T.M., 1990 Measurement of nitrate leaching: A review of methods In: Calviet R (Ed.), Nitrates-Agriculture-Eau INRA (Institut National de Recherches Agronomique), Paris-Grignon, France, pp 157-168 Allen, R G., Pereira, L S., Raes, D and Smith, M., 1998 Crop Evapotranspiration: Guidelines for Computing Crop Water Requirements FAO Irrigation and Drainage Papers No 56 Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome, Italy Chowdary, V M., Rao, N H and Sarma, P B S., 2004 A coupled soil water and nitrogen balance model for flooded rice fields in India Agriculture, Ecosystems & Environment 103, 425-441 El-Sadek, A., Feyen, J., Radwan, M and El Quosy, D., 2003 Modeling water discharge and nitrate leaching using DRAINMOD-GIS technology at small catchment scale Irrigation and Drainage 52, 363-381 Ersahin, S and Rustu Karaman, M., 2001 Estimating potential nitrate leaching in nitrogen fertilized and irrigated tomato using the computer model NLEAP Agricultural Water Management 51, 1-12 Granlund, K., Rekolainen, S., Gronroos, J., Nikander, A and Laine, Y., 2000 Estimation of the impact of fertilisztion rate on nitrate leaching in Finland using a mathematical simulation model Agriculture, Ecosystems & Environment 80, 1-13 Izadi, B., Ashraf, M S., Studer, D., McCann, I and King, B., 1996 A simple model for the prediction of nitrate concentration in the potato root zone Agricultural Water Management 30, 41-56 Mai Văn Trịnh Herman Van Keulen, 2009, Mơ hình NLEACH2D để tính tốn rửa trơi đạm vùng nơng nghiệp thâm canh, Tạp chí Nơng nghiệp Phát triển Nơng thôntháng 12 năm 2009, trang 3-8 Molz, F J and Remson, I., 1970 Extraction term models of soil moisture use by transpiring plants Water Resources Research 6, 1346-1356 10 Molz, F J., 1981 Simulation of plant-water uptake In: Iskandar, I K (Ed.), Modeling Wastewater Renovation by Land Application Wiley, New York, 69-91 11 Radcliffe, D E., Gupte, S M and Box, J E., 1998 Solute transport at the pedon and polypedon scales Nutrient Cycling in Agroecosystems 50, 77-84 12 Van Keulen, H and Seligman, N G., 1987 Simulation of water use, nitrogen nutrition and growth of a spring wheat crop Simulation Monographs, Pudoc, Wageningen, the Netherlands 98 13 Yang, H S., 1996 Modelling organic matter mineralization and exploring options for organic matter management in arable farming in northern China PhD thesis Wageningen Agricultural University, Wageningen, the Netherlands 159 pp 99 ... trọng việc sử dụng mơ hình cơng tác quản lý môi trường khẳng định Sự phát triển kinh tế xã hội tác động mạnh vào môi trường Năng lượng chất ô nhiễm phát thải, xả thải vào môi trường sinh thái, hàm... mơ hình xói mịn đất, mơ hình phát triển trồng, mơ hình nhiễm…) 1.2.2.2 Ý nghĩa nghiên cứu mơ hình hóa Nghiên cứu mơ hình hóa với mục đích khái niệm hệ thống thực, hệ thống, mơ hình mơ hình hóa. .. phân bố mơ hình tập trung - Mơ hình giới mơ hình đầu vào đầu Bảng 1: Phân loại mơ hình (theo cặp) Loại mơ hình Đặc tính Mơ hình nghiên cứu Sử dụng dụng cụ cho nghiên cứu Mơ hình quản lý Sử dụng