Cơ sở lý thuyết của mô hình QUAl2K

Mở Đầu Vấn đề quản lý lưu vực sông hiện nay đang là vấn đề vô cùng cần thiết và cấp bách, trên thế giới hiện nay để có thể quản lý được tốt người ta dùng rất nhiều các mô hình tính toán, dưới đây là một trong số đó, QUAL2K, đây là phần mềm mô hình của EPA’s cục bảo vệ môi trường Mỹ. chúng ta sẽ nghiên cứu mô hình này để xem chúng hữu ích và độ chính xác như thế nào để có thể đưa ra các cách giải quyết chính xác. Phần 1 Cơ sở lý thuyết của mô hình QUAl2K. Cơ sở của phương pháp là hệ phương trình thủy lực, ổn định một chiều. Hệ phương trình thủy lực Saint – Venant một chiều từ hệ phương trình tính được cân bằng thủy lực. Hệ phương trình phát tán Từ đó ta tìm được phương trình cơ bản của mô hình: 1.Giới Thiệu a. giới thiệu về qual2e QUAL2E cho phép mô phỏng nhiều nhánh sông, một hệ thống sông một chiều. Bước đầu tiên trong mô hình là phân chia hệ thống sông thành các đoạn sông, đó là một đoạn sông của hệ thống với tính chất thủy lực đồng nhất. Mỗi đoạn sông lại được phân chia thành các phần tử tính toán có độ dài bằng nhau. Tất cả các đoạn sông phải bao gồm số phần tử tính toán phải là một số nguyên. Có 7 loại khác nhau của phần tử tính toán. 1. Phần tử đầu nguồn 2. phần tử chuẩn 3. phần tử ngược dòng từ một chỗ nối 4. phần tử nối 5. phần tử cuối trong hệ thống 6. phần tử vào 7. phần tử ra. Tính chất thủy lực, hằng số tốc độ phản ứng, điều kiện ban đầu và dữ liệu để tính toán các phần tử cũng giống như trong một đoạn sông. Giới hạn mô hình QUAL2E sẽ phác họa một chương trình chung, tuy nhiên, chắc chắn giới hạn chiều sẽ bắt buộc trong quá trình chạy, các giới hạn đó là: • Đoạn sông : max 25 • Phần tử tính toán : 20% số đoạn sông hoặc tổng bằng 250 • Phần tử nguồn : max 7 • Phần tử nối : max 6 • Phần tử vào và ra : max25. Mục đích đầu tiên của mô hình chất lượng nước là tạo ra công cụ có khả năng mô phỏng tính chất thủy lực và chất lượng nước. Mô tả công thức Công thức cơ bản được giải bởi QUAL2E là một chiều, phát tán dọc trục, công thức vận chuyển khối lượng bao gồm bình lưu, phát tán, pha loãng, thành phần phản ứng, và sự tác động qua lại giữa chúng, nguồn sông và lắng đọng. Công thức có thể được viết như sau: (II – 1). Trong đó: M : Khối lượng (M) x: distance (L) t: thời gian (T) C: nồng độ (ML3) Ax : diện tích mặt cắt ngang (L2) DL hệ số phát tán (L2T1) : tốc độ trung bình (LT1) S: nguồn sông hoặc lắng đọng (MT1). Bởi vì M = V.C, chúng ta có thể viết:

Báo Cáo thực tập tốt nghiệp Mở Đầu Vấn đề quản lý lưu vực sông hiện nay đang là vấn đề vô cùng cần thiết và cấp bách, trên thế giới hiện nay để có thể quản lý được tốt người ta dùng rất nhiều các mô hình tính toán, dưới đây là một trong số đó, QUAL2K, đây là phần mềm mô hình của EPA’s cục bảo vệ môi trường Mỹ. chúng ta sẽ nghiên cứu mô hình này để xem chúng hữu ích và độ chính xác như thế nào để có thể đưa ra các cách giải quyết chính xác. Phần 1 Cơ sở lý thuyết của mô hình QUAl2K. Cơ sở của phương pháp là hệ phương trình thủy lực, ổn định một chiều. Hệ phương trình thủy lực Saint – Venant một chiều từ hệ phương trình tính được cân bằng thủy lực. Hệ phương trình phát tán ( . ) ( . ) j j j j j C div u C div D gradC R t σ σ → + = + Từ đó ta tìm được phương trình cơ bản của mô hình: ( . ) ( . ) j j x j L j C C u C D R t x x x σ σ σ σ σ σ σ σ + = + 1.Giới Thiệu a. giới thiệu về qual2e QUAL2E cho phép mô phỏng nhiều nhánh sông, một hệ thống sông một chiều. Bước đầu tiên trong mô hình là phân chia hệ thống sông thành các đoạn sông, đó là một đoạn sông của hệ thống với tính chất thủy lực đồng nhất. Mỗi đoạn sông lại được phân chia thành các phần tử tính toán có độ dài bằng nhau. Tất cả các đoạn sông phải bao gồm số phần tử tính toán phải là một số nguyên. Có 7 loại khác nhau của phần tử tính toán. 1. Phần tử đầu nguồn 2. phần tử chuẩn 3. phần tử ngược dòng từ một chỗ nối 4. phần tử nối 5. phần tử cuối trong hệ thống 6. phần tử vào 7. phần tử ra. Bùi Ngọc Hiếu_QLMT_K48 1 Báo Cáo thực tập tốt nghiệp Tính chất thủy lực, hằng số tốc độ phản ứng, điều kiện ban đầu và dữ liệu để tính toán các phần tử cũng giống như trong một đoạn sông. Giới hạn mô hình QUAL2E sẽ phác họa một chương trình chung, tuy nhiên, chắc chắn giới hạn chiều sẽ bắt buộc trong quá trình chạy, các giới hạn đó là: • Đoạn sông : max 25 • Phần tử tính toán : ≤ 20% số đoạn sông hoặc tổng bằng 250 • Phần tử nguồn : max 7 • Phần tử nối : max 6 • Phần tử vào và ra : max25. Mục đích đầu tiên của mô hình chất lượng nước là tạo ra công cụ có khả năng mô phỏng tính chất thủy lực và chất lượng nước. Mô tả công thức Công thức cơ bản được giải bởi QUAL2E là một chiều, phát tán dọc trục, công thức vận chuyển khối lượng bao gồm bình lưu, phát tán, pha loãng, thành phần phản ứng, và sự tác động qua lại giữa chúng, nguồn sông và lắng đọng. Công thức có thể được viết như sau: ( ) ( ) ( ) x L x x C A D A cu M dc x dx dx A dx S t x x dt σ σ σ σ σ σ σ σ = − + + (II – 1). Trong đó: M : Khối lượng (M) x: distance (L) t: thời gian (T) C: nồng độ (ML -3 ) A x : diện tích mặt cắt ngang (L 2 ) D L hệ số phát tán (L 2 T -1 ) u : tốc độ trung bình (LT -1 ) S: nguồn sông hoặc lắng đọng (MT -1 ). Bởi vì M = V.C, chúng ta có thể viết: ( ) . M VC C V V C t t t t σ σ σ σ σ σ σ σ = = + Trong đó V = A x .dx thể tích phát tán (L 3 ). Nếu chúng ta coi dòng chảy là ổn định, 0 Q t σ σ = , thì 0 V t σ σ = và công thức II – 2a trở thành. Bùi Ngọc Hiếu_QLMT_K48 2 Báo Cáo thực tập tốt nghiệp . M C V t t σ σ σ σ = (II – 2b) Tính chất thủy lực QUAL2K có tính đến cân bằng thủy lực, với điều kiện dòng chảy ổn định, một chiều, cân bằng thủy lực có thể viết như sau: ( ) ( ) i x i Q Q x σ σ = . b. Mô hình QUAL2K QUAL2K ( hoặc Q2K) là một mô hình về chất lượng nước của sông và dòng chảy nó được cải tiến từ cho mô hình QUAL2E (Q2E) do (Brown and Barnwell 1987). Q2K tương tự như Q2E với những đặc điểm sau: • Một chiều. Lòng sông là những nguồn nước trộn lẫn theo chiều dọc và chiều sâu. • Nhánh sông. Hệ thống có thể bao gồm một sông chính với các sông nhánh. • Diel heat budget. Khối nhiệt và nhiệt độ được mô phỏng như một công thức khí tượng học trên một mức độ thời gian. • Tính chất thủy lực là ổn định. Đồng nhất, dòng chảy ổn định được mô phỏng • Động học chất lượng nước diel. Chất lượng nước thay đổi mô phỏng theo các mức độ thời gian. • Nhiệt và khối lượng đầu vào. Điểm và không điểm chịu tải và nước chảy ra đều được mô phỏng. QUAL2K còn bao gồm các phần tử mới: • Phần mềm môi trường và giao diện. Q2K là một công cụ trong môi trường Microsoft Windows. Số lượng tính toán dùng chương trình Fortran 90. Excel được sử dụng để hiển thị đồ thị trên giao diện cho người sử dụng. Tất cả các giao diện này có tác dụng là chương 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 lượng và các dòng chảy ra có thể vào nhiều phần tử. • Sự hình thành cacbon BOD. Q2K sử dụng 2 dạng Cacbon BOD tượng trưng carbon hữu cơ. Hai dạng đó là dạng Bùi Ngọc Hiếu_QLMT_K48 3 Báo Cáo thực tập tốt nghiệp oxy hóa chậm (slow CBOD) và dạng oxy hóa nhanh (fast CBOD). • Sự thiếu Oxy(Anoxia). Q2K điều chỉnh lượng thiếu Oxy bởi sự làm giảm phản ứng oxy hóa đến không với mức oxy thấp. Thêm vào đó, quá trình khử Nito như là mô hình phản ứng bậc 1 làm cho nồng độ oxy xuống thấp. • Tác động qua lại giữa nước và trầm tích. Nước và trầm tích chảy mạnh làm hòa tan Oxy và dinh dưỡng có thể mô phỏng bên trong hơn là bắt buộc. Do đó lượng oxy (SOD) và dòng chảy dinh dưỡng được mô phỏng như một công thức ổn định về vật chất hữu cơ, phản ứng trong trầm tích, và nồng độ ở dạng hòa tan sẽ làm nước quá bão hòa. • Tảo dưới nước. Mô hình hiện mô phỏng gắn liền với tảo dưới nước. Tảo này có thể thay đổi hóa học lượng pháp. • Sự tiêu hủy ánh sáng. Sự tiêu hủy ánh sáng được tính toán như một công thức của tảo, chất rắn vô cơ và các vật vụn. • pH. Cả tính kiềm và tổng cacbon vô cơ đều có thể mô phỏng. pH của các dòng sông được tính toán cơ bản dựa trên hai lượng ở trên. • Mầm bệnh. Một đặc điểm chung của giống bệnh sẽ được mô phỏng. việc thủ tiêu mầm bệnh được xác định như một công thức của nhiệt độ, ánh sáng, ổn định. • Tính chất động lực đặc trưng của đoạn sông. Q2K cho phép bạn chỉ rõ nhiều tính chất động lực trên một đoạn sông đặc trưng cơ bản. • Đập và thác nước, tính chất thủy lực của đập nước sẽ ảnh hưởng đến đập và thác nước mà sự vận chuyển là rất rõ ràng. 2. Bắt đầu chương trình. Ngay dưới đây sẽ cho thấy dạng chương trình như thế nào, Excel sẽ phục vụ cho các giao diện của QUAL2K. Tất cả các đầu vào và đầu ra của mô hình sẽ được thực hiện bằng công cụ trong Excel, tất cả các công thức trong Excel dùng ngôn ngữ: Visual Basic for Applications (VBA). Tất cả các công thức tính toán bằng công cụ Fortran 90 được thi hành mau lệ. Tiếp sau đây là các bước có bao nhiêu mô hình có thể cài đặt lên máy tính của bạn và sử dụng chúng để làm mô phỏng . Bước 1: copy the file, Q2Kv2_07.zip đến đường dẫn (ví dụ, C:\) khi file được giải nén nó sẽ cho các file sau : file Excel (Q2KMasterv2_07.xls), và một file chạy (Q2KFortran2_07.exe). Đầu Bùi Ngọc Hiếu_QLMT_K48 4 Báo Cáo thực tập tốt nghiệp tiên trên giao diện của Q2K cho phép bạn chạy Q2K và biểu lộ kết quả của nó. Thứ hai là Fortran có thể thực hiện được công việc thực tế tính toán mô hình. Sẽ có hai file trong đường dẫn giống nhau để mô hình có thể chạy chính xác. Chú ý sau khi bạn chạy mô hình, một số file sẽ tự động được tạo ra bởi Fortran có thể trao đổi thông tin với Excel. Chú ý không xóa file .Zip. Nếu một vài lý do, bạn sửa Q2k, bạn có thể sử dụng file zip để cài đặt lại mô hình. Bước 2: tạo ra file theo đường dẫn C:\Q2Kv2_07 gọi là file dữ liệu Datafiles. Bước 3: mở Excel và chắc chắn macro security ở mức trung bình (tranh 1) có thể yêu cầu sử dụng : Tools → Macro → Security. Chắc chắn mức medium sẽ được chọn Figure 1 The Excel Macro Security Level dialogue box. In order to run Q2K, the Medium level of security should be selected. Mở Q2KMasterFortranv2_07.xls. Khi bạn làm việc với nó hộp thoại Macro Security sẽ hiện ra như sau: Bùi Ngọc Hiếu_QLMT_K48 5 Báo Cáo thực tập tốt nghiệp Figure 2 The Excel Macro security dialogue box. In order to run Q2K, the Enable Macros button must be selected. Kích vào nút Enable Macros. Bước 5 : Trên QUAL2K Worksheet di chuyển đến cột 10 và vào đường dẫn đến DataFiles, C:\QUAL2K\DataFiles xem bức tranh thứ 3. Figure 3 The QUAL2K Worksheet showing the entry of the file path into cell B10. Bước 6 : Kích vào nút Run Fortran . Nếu chương trình làm việc không chính xác Có hai lý do cơ bản làm chương trình làm việc không chính xác. Đầu tiên bạn phải sử dụng một phiên bản cũ của Microsoft Bùi Ngọc Hiếu_QLMT_K48 6 Báo Cáo thực tập tốt nghiệp Office mặc dù Excel phiên bản cũ có thể làm việc được. Q2K không làm việc với các phiên bản quá cũ. Thứ hai bạn đã tạo ra một số lỗi trong công cụ ở các bước trước. Một lỗi thường gặp bạn vẫn mơ hồ về đường dẫn bạn vào cột 10 giả sử bạn vẫn không biết đường dẫn C:\Q2KFortranv2_07\DataFles bạn sẽ nhận được một lỗi như sau : Figure 4 An error message that will occur if you type the incorrect file path into cell B10 on the QUAL2K Worksheet. Nếu xảy ra kích Ok cho chạy và quay trở lại QUAL2K Worksheet tại đó bạn phải vào đúng đường dẫn. Nếu chương trình làm việc chính xác Q2K bắt đầu thi hành một cửa sổ mở ra cho thấy Fortran tính toán (tranh 5). Figure 5 This window is displayed showing the progress of the model computations as executed in Fortran. It allows you to follow the progress of a model run. Chương trình sẽ mô phỏng sông chính với hai nhánh sông. Nếu chương trình làm việc chính xác hộp thoại sau đây sẽ xuất hiện nếu bạn chạy thành công. Bùi Ngọc Hiếu_QLMT_K48 7 Báo Cáo thực tập tốt nghiệp Ấn Ok, tiếp theo hộp thoại sau sẽ xuất hiện. Hộp thoại trên sẽ cho phép bạn chọn phần của hệ thống bạn muốn vẽ đồ thị. Như đã thấy, nó mặc định là sông chính. Ấn Ok và nhìn thấy thời gian chạy của sông chính. Chú ý tất cả các đồ thị đều được cập nhật khi nhấn OK. Ngắt một lúc bạn nhìn thấy đồ thị của một nhánh sông, bạn nhấn nút dưới bên trái bị che khuất. Bùi Ngọc Hiếu_QLMT_K48 8 Báo Cáo thực tập tốt nghiệp Nguyên nhân là do đồ thị hộp thoại được chọn xuất hiện. Kéo xuống bạn có thể chọn một nhánh khác. Bước 7: Trên QUAL2K Worksheet click nút Open Old File. Mở đường dẫn C:\Q2Kv2_07\DataFiles. Bạn nhìn thấy một file mới được tạo ra với tên chỉ rõ ở cột 9 (trong trường hợp trên bức tranh thứ 3 là Bogus062807.q2k). click nút hủy bỏ cacel quay trở lại Q2K. Chú ý trong thời gian Q2K chạy. Một file dữ liệu sẽ được tạo ra với tên file chỉ rõ trong cột 9 trên QUAL2K Worksheet (Figure 3). Chương trình tự động thêm vào phần mở rộng .q2k cho tên file. Từ đó nó sẽ đè lên phiên bản của file trước, chắc chắn tạo ra sự thay đổi tên file khi bạn làm một ứng dụng mới. Bây giờ bạn có thể chạy thành công Q2K trên máy tính của bạn, trang tiếp theo là các tài liệu khoa học làm nền tảng cho mô hình. 3. Sự chia ra từng đoạn và tính chất thủy lực Mô hình miêu tả một dòng sông như một dãy các đoạn sông. Nó tượng trưng cho quãng sông có tính chất thủy lực giống nhau ( ví dụ độ dốc, độ rộng đáy dưới ) như được miêu tả bởi bức tranh thứ 6, số các đoạn sông tăng theo thứ tự bắt đầu từ thượng nguồn của đoạn sông chính. Chú ý cả các điểm nguồn và không phải điểm nguồn cũng như các điểm chảy ra và các điểm không chảy ra có thể có bất kỳ vị trí nào theo suốt chiều dài của sông. Bùi Ngọc Hiếu_QLMT_K48 9 Báo Cáo thực tập tốt nghiệp 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 6 QUAL2K segmentation scheme for a river with no tributaries. Hệ thống gồm các sông nhánh (hình7). Số lượng các đoạn sông được đánh số bắt đầu từ đoạn 1 và tăng dần ở thượng nguồn của con sông chính. Khi đến chỗ nối với một nhánh sông là một đoạn sông số thứ tự tiếp tục được đánh từ thượng nguồn từ nhánh sông này. Quan sát cả thượng nguồn và các nhánh sông các số là liên tiếp nhau theo một dãy sắp xếp tương tự đến các đoạn sông. Chú ý các nhánh sông lớn của hệ thống đều được quy về như 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 như các sông nhánh. Bùi Ngọc Hiếu_QLMT_K48 10 [...]... các phát tán có thể tính như sau: E n,i = U i ∆xi [25] 2 Độ phát tán của mô hình là Ei ( giá trị này sẽ được 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 trường hợp dưới đây, kết quả độ phát tán của mô hình là lớn hơn độ phát tán vật lý Như vậy, thì sự trộn lẫn phát tán sẽ cao hơn thực tế, Chú ý dòng... dụng miêu tả cách tổ chức địa hình dòng sông theo Q2K Đoạn sông Độ dài của con sông với tính chất thủy lực giống nhau Phần tử Đơn vị cơ bản của mô hình tính toán cái mà được chia nhỏ bằng nhau của một đoạn sông Khúc sông Một tập hợp các đoạn sông tượng trưng cho một một nhánh của hệ thống nó bao gồm nhánh chính như mỗi sông nhánh Thượng nguồn Ranh giới bên trên của một mô hình đoạn sông 3.1.Cân bằng... cuối của một phần tử đơn của một đoạn sông, bức tranh 11 cho thấy các thông số sau Hi là chiều sâu của phần tử ngược dòng của đập nước [m], Hi+1 là chiều sâu của phần tử xuôi dòng của đập [m], elev2i độ cao so với mực nước biển điểm cuối của phần tử ngược dòng [m], elev1i+1 độ cao so với mực nước biển điểm đầu của phần tử xuôi dòng Hw độ cao của đập trên elev2i , Hd là độ hạ thấp giữa độ cao mực nước của. .. + 4H + → 5CO 2 + 2N 2 +7H 2 O [61] Chú ý một số phản ứng được thêm vào sử dụng trong mô hình rất phức tạp với sự mô phỏng pH và ammonia Vấn đề này sẽ được thảo luận trong các tài liệu sau: 5.2.2 Hóa học lượng pháp của vật chất hữu cơ Mô hình yêu cầu phải có Stoichiometry của vật chất hữu cơ chỉ rõ bởi người sử dụng Mô tả theo một đề xuất như là một xấp xỉ đầu tiên (Redfield et al 1963, Chapra 1997),... thiết để phục vụ cho việc mô phỏng Để có thể mô phỏng mô hình chất lượng nước sông cũng như đưa các biện pháp quản lý môi trường hữu hiệu cần phải có những số liệu, các dữ liệu cần thiết phục vụ cho việc mô phỏng • Số liệu thủy lực bao gồm số liệu địa hình và thủy văn • Số liệu phát tán ô nhiễm bao gồm các thông số gây ô nhiễm cảu các nhà máy và khu dân cư Về địa hình, thủy văn của lưu vực: Nằm trải dài... quản lý lưu vực sông đang là vấn đề rất phức tạp, trên đây chỉ là các thông số quan trắc thực tế đưa ra, để kiểm chứng mô hình cần có các số liệu đầy đủ mới cho thấy được sự sai lệch là không đáng kể qua đó cho các nhà quyết định, quản lý có cách giải quyết vấn đề này Bản báo cáo này còn nhiều thiếu sót, chưa có số liệu đầy đủ và lý thuyết mô hình chưa đầy đủ, phần quá trình xử lý dữ liệu, kiểm chứng mô. .. Shade là một biến vào của mô hình QUAL2K Shade được định nghĩa như phần nhỏ của bức xạ mặt trời ngăn chặn bởi khối địa hình và sinh vật Một Excel/ chương trình VBA tên là shade.xls có thể dùng được từ Washington Department of Ecology Đánh giá shade từ địa hình và sinh vật ven sông (Ecology 2003) Giá trị vào tích hợp hằng giờ đánh giá shade mỗi đoạn sông vào Shade Worksheet của QUAL2K 4.1.2 Bức xạ sóng... mặt nước miêu tả bởi Stefan-Boltzmann J br = εσ ( T + 273) [45] 4 ε độ phát xạ của nước (=0.97), T là nhiệt độ của nước [0C] 4.1.4 Độ dẫn và sự đối lưu Độ dẫn là sự vận chuyển nhiệt từ mô hình đến mô hình khi nhiệt độ khác nhau của vật chất đem lại sự tiếp xúc Sự đối lưu là sự vận chuyển nhiệt xảy ra với sự chuyển động của chất lỏng Cả Bùi Ngọc Hiếu_QLMT_K48 26 Báo Cáo thực tập tốt nghiệp hai đều có... như nhau Suất phản chiếu nói chung là nhỏ và được cho là bằng 0.03 Mô hình bức xạ sóng dài không khí sẽ được chọn trên Light and Heat Worksheet Qual2k Ba phương pháp lựa chọn có thể sử dụng trong qual2k tượng trưng cho hệ số phát xạ (εsky): 1 Brunt ( mặc định ) Công thức Brunt’s là một mô hình kinh nghiệm thường được sử dụng trong mô hình chất lượng nước (Thomann and Mueller 1987), ε clear = Aa + Ab... 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 3 Nhiệt độ của mô hình Như hình 14, 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 được viết với