Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 417 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MIKE 11 TRONG TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC APPLICATED RESEARCH OF MIKE 11 SOFTWARE IN CALCULATING AND SIMULATION WATER QUALITY SVTH: Nguyễn Dương Quang Chánh Lớp 05MT, Trường Đại học Bách khoa GVHD: TS. Trần Văn Quang Khoa Môi Trường, Trường Đại học Bách khoa TÓM TẮT Nghiên cứu ứng dụng phần mềm Mike 11 trong tính toán mô phỏng chất lượng nước sông, thực hiện băng cách mô phỏng các tình huống giả định ở điều kiện ổn định và không ổn định, đưa ra kết quả đánh giá và so sánh với cách tính bằng phương trình Streeter-Phelps mở rộng. ABSTRACT This report is about the applicated research of Mike 11 software in simulating the river water quality, done by simulation of supposed situations in static and dynamic conditions, making assessments and comparisons with the ways calculated by modified Streeter-Phelps equation. 1. Mở đầu Ngày nay, quá trình đô thị hóa và phát triển công nghệ đã đem lại những lợi ích to lớn cho con người, tuy nhiên mặt trái của nó là gây ra những tác động tiêu cực đến môi trường sống của chúng ta. Các chất ô nhiễm đưa vào môi trường ngày càng nhiều làm tổn hại các hệ sinh thái-gây tổn hại đến cấu trúc hệ sinh thái và tàn phá các sinh vật, đặc biệt là môi trường nước. Một nhiệm vụ quan trọng đặt ra là chúng ta phải dự đoán sự biến đổi của môi trường dưới sự tác động của các yếu tố khác nhau. Do vậy, mô hình hóa môi trường sẽ giúp đưa ra những dự báo trước, từ đó đưa ra những biện pháp quản lý và biện pháp kỹ thuật thích hợp. Hiện nay trên thế giới có rất nhiều phầm mềm tính toán mô phỏng chất lượng nước đang được sử dụng. Mục tiêu của đề tài nhằm nghiên cứu áp dụng phần mềm Mike 11 để : Mô phỏng tính toán chất lượng nước sông thông qua việc chạy thử nghiệm với các thông số giả định trong điều kiện ổn định (static) và không ổn định (dynamic). So sánh kết quả chạy bằng Mike 11 với kết quả tính toán theo phương trình Streeter-Phelps mở rộng. 2. Nội dung 2.1. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp mô hình toán để tính toán mô phỏng chất lượng nước thảy đổi trên các tình huống giả định. Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 418 2.2. 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, được ứng dụng để mô phỏng chế độ thủy lực, chất lượng nước 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 như : module mưa dòng chảy (RR), module thủy động lực 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 lượng nước sông. 2.2.1. Module thủy lực (HD-Hydrodynamics) Module thủy lực được xây dựng trên cơ sở hệ phương trình Saint-Venant một chiều cho trường hợp dòng không ổn định , gồm 2 phương trình sau Phương trình liên tục 0q t A x Q Phương trình động lượng: 0 2 2 ARC QgQ x h gA x A Q t Q Đây là hệ 2 phương trình vi phân đạo hàm riêng phi tuyến bậc nhất, được giải bằng phương pháp số với lược đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn (Abbott-Inoescu). 2.2.2. Module tải-khuếch tán (AD-Avection Dispersion Module tải-khuếch tán được 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 được biểu diễn qua phương trình sau: qCAKC x x C AD x QC t AC 2 Trong đó : A: diện tích mặt cắt (m 2 ) C: nồng độ (kg/m 3 ) D:hệ số khuếch tán (m 2 /s) q: lưu lượng nhập lưu trên 1 đơn vị chiều dài dọc sông(m 2 /s) K: hệ số phân hủy sinh học (ngày -1 ) Phương trình này được giải bằng phương pháp số với sơ đồ sai phân ẩn trung tâm. 2.2.3. Module sinh thái (Ecolab) 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 trường nước như : Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 419 Mối quan hệ giữa BOD/DO Các nhân tố ảnh hưởng đến độ Oxy hòa tan (t o , dòng chảy,…) Quá trình Nitrat hóa Ảnh hưởng của thực vật đáy Sự khuấy động và lắng đọng của bùn cát 2.3. Mô phỏng các trường hợp giả định 2.3.1. Trường hợp điều kiện ổn định (Static) Nhập dữ liệu đầu vào : Dòng sông dài 150Km, rộng 200m với diện tích các mặt cắt trung bình A=200m 2 , sâu trung bình 2m, dòng chảy đều; nguồn thải vào đều ở Km70. Chạy chương trình ở các kich bản khác nhau, trong mỗi kịch bản khai báo với các số liệu thay đổi Lưu lượng dòng sông, nồng độ ban đầu (BOD, DO, t o ) Lưu lượng nguồn thải, nồng độ thải (BOD, DO, t o ) Hệ số khuếch tán rường hợp có 2 nguồn thải Các tham số khác: Hệ sô phân hủy K d = 0.15 (ngày -1 ) Hệ số nạp khí (tốc độ hòa tan oxy qua mặt thoáng) K d = 0.2 (ngày -1 ) Kết quả thu được là các đường biểu diễn BOD, DO theo khoảng cách 0.0 10000.0 20000.0 30000.0 40000.0 50000.0 60000.0 70000.0 80000.0 90000.0 100000.0 110000.0 120000.0 130000.0 140000.0 150000.0 [m] -1.0 -0.9 -0.8 -0.7 -0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 6.0 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 7.0 7.1 7.2 [mg/l] Minimum DO khi Nguon thai BOD 300 DO khi Nguon thai BOD 1000 DO khi Nguon thai BOD 1500 0.0 10000.0 20000.0 30000.0 40000.0 50000.0 60000.0 70000.0 80000.0 90000.0 100000.0 110000.0 120000.0 130000.0 140000.0 150000.0 [m] -1.0 -0.9 -0.8 -0.7 -0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 22.0 24.0 26.0 [mg/l] Maximum SONG10KM 0 - 150000 BOD 300 BOD 1000 BOD 1500 Hình 2.1. Sự biến đổi DO,BOD theo khoảng cách với BOD(nguồn thải)300-1000-1500 Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 420 0.0 10000.0 20000.0 30000.0 40000.0 50000.0 60000.0 70000.0 80000.0 90000.0 100000.0 110000.0 120000.0 130000.0 140000.0 150000.0 [m] -1.0 -0.9 -0.8 -0.7 -0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 6.80 6.85 6.90 6.95 7.00 7.05 7.10 7.15 [mg/l] Minimum DO khi E=100 DO khi E=200 DO khi E=300 0.0 10000.0 20000.0 30000.0 40000.0 50000.0 60000.0 70000.0 80000.0 90000.0 100000.0 110000.0 120000.0 130000.0 140000.0 150000.0 [m] -1.0 -0.9 -0.8 -0.7 -0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 [mg/l] Maximum DO khi E=100 DO khi E=200 DO khi E=300 Hình 2.2. Sự biến đổi DO,BOD theo khoảng cách với hệ số khuếch tán thay đổi 0.0 10000.0 20000.0 30000.0 40000.0 50000.0 60000.0 70000.0 80000.0 90000.0 100000.0 110000.0 120000.0 130000.0 140000.0 150000.0 [m] -1.0 -0.9 -0.8 -0.7 -0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 6.70 6.75 6.80 6.85 6.90 6.95 7.00 7.05 7.10 7.15 [mg/l] Minimum DO khi Lluong song 2 m3/ngd DO khi Lluong song 1 m3/ngd DO khi Lluong song 4 m3/ngd 0.0 10000.0 20000.0 30000.0 40000.0 50000.0 60000.0 70000.0 80000.0 90000.0 100000.0 110000.0 120000.0 130000.0 140000.0 150000.0 [m] -1.0 -0.9 -0.8 -0.7 -0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 [mg/l] Maximum BOD khi Lluong song 2 m3/ngd BOD khi Lluong song 4 m3/ngd BOD khi Lluong song 1 m3/ngd Hình 2.3. Sự biến đổi DO, BOD theo khoảng cách với lưu lượng(dòng sông) thay đổi 0.0 10000.0 20000.0 30000.0 40000.0 50000.0 60000.0 70000.0 80000.0 90000.0 100000.0 110000.0 120000.0 130000.0 140000.0 150000.0 [m] -1.0 -0.9 -0.8 -0.7 -0.6 -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 [mg/l] Maximum BOD Hình 2.4. Sự biến đổi BOD theo khoảng cách khi có 2 nguồn thải đồng thời Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 421 Hình 2.5. Sự biến đổi BOD so sánh với tính toán theo Streeter-Phelps mở rộng 2.3.2. Trường hợp điều kiện không ổn định (Dynamic) Khai báo nguồn thải vào đột ngột (không liên tục) , các khai báo khác tương tự như trên. Kết quả đạt được là các đương biểu diễn sự thay đổi BOD,DO theo khoảng cách và thời gian. 0.0 1000.0 2000.0 3000.0 4000.0 5000.0 6000.0 7000.0 8000.0 9000.0 10000.0 [m] -2.0 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 6.96 6.98 7.00 7.02 7.04 7.06 7.08 7.10 7.12 7.14 7.16 7.18 2-1-2010 01:34:59 0.0 1000.0 2000.0 3000.0 4000.0 5000.0 6000.0 7000.0 8000.0 9000.0 10000.0 [m] -2.0 -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 45.0 50.0 55.0 60.0 65.0 70.0 2-1-2010 01:34:59 Hình 2.6. Sự biến đổi DO,BOD theo khoảng cách và thời gian khi có nguồn thải không ổn định 3. Kết luận và kiến nghị 3.1. Kết luận Khả năng mô phỏng của mô hình Mike 11 rất tốt, có độ chính xác và hợp lý so với thực tiễn; Có khả năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều tình huống sự cố môi trường, hỗ trợ tốt cho công tác quản lý lưu vực sông và quản lý nguồn thải. 3.2. Kiến nghị Tiếp tục được nghiên cứu sâu thêm về mô hình Mike và cơ sở lý thuyết để có thể áp dụng tốt trong các bài toán thực tế đặt ra. Tiến hành xây dựng nguồn dữ liệu thực tế về các dòng sông, nguồn thải (đo đạc, số hóa dữ liệu, bản đồ,…) phục vụ cho công tác mô phỏng dòng chảy. Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 422 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Văn Quang (2001), Giáo trình mô hình chất lượng nước, Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng. [2] DHI software (2007), Mike User Guide. [3] DHI software (2007), Mike Reference Manual. . có rất nhiều phầm mềm tính toán mô phỏng chất lượng nước đang được sử dụng. Mục tiêu của đề tài nhằm nghiên cứu áp dụng phần mềm Mike 11 để : Mô phỏng tính toán chất lượng nước sông thông qua. nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 417 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MIKE 11 TRONG TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC APPLICATED RESEARCH OF MIKE 11 SOFTWARE. Trần Văn Quang Khoa Môi Trường, Trường Đại học Bách khoa TÓM TẮT Nghiên cứu ứng dụng phần mềm Mike 11 trong tính toán mô phỏng chất lượng nước sông, thực hiện băng cách mô phỏng các tình huống