nghiên cứu mô hình mô hình QUAl2K về Vấn đề quản lý lưu vực sông hiện nay

Mở ĐầuVấn 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,

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

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 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

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:

Ax : diện tích mặt cắt ngang (L2)

DL hệ số phát tán (L2T-1)

u: tốc độ trung bình (LT-1)S: nguồn sông hoặc lắng đọng (MT-1)

Trong đó V = Ax.dx thể tích phát tán (L3) Nếu chúng ta coi dòng chảy là ổn định, Q 0

t



V t



b Mô hình QUAL2KQUAL2K ( 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 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

bước có bao nhiêu mô hình có thể cài đặt lên máy tính của bạn và

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

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 chuyểnđến 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

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

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

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

1 2 3 4 5 6

8 7

Non-point withdrawal Non-point

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

19 18 17 16

19 18 17 16

1

5 4 3 2 1

5 4 3 2

20

28 27 26 21

29

20

28 27 26 21

29

12

15 14 13 12

15 14 13 8

7

6

8 7 6

9

11 10 9

11 10

24 23 22

25

HW#1 HW#2

Figure 7 QUAL2K segmentation scheme for (a) a river with tributaries The Q2K

reach representation in (b) illustrates the reach, headwater and tributary

numbering schemes.

Cuối cùng một mô hình đoạn sông có thể chia thêm một dãy các phần tử có khoảng cách bằng nhau Trong bức tranh thứ 8 chỉ

rõ số phần tử mong muốn

n = 4

Figure 8 If desired, any model reach can be further subdivided into a

series of n equal-length elements.

Tóm lại thuật ngữ được sử 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 dòng chảy.

Như đã đã được miêu tả ở phần trước, đơn vị cơ bản của mô hình Q2K là phần tử Một dòng chảy ổn định cân bằng là phương tiện cho mỗi mô hình phần tử

i out i in i

Q = −1+ , − , [1]

Trong đó Q i là lượng chảy ra từ phần tử i vào phần tử xuôi dòng i + 1 [m3/d], Q i–1 là lượng chảy vào từ phần tử ngược dòng i – 1 [m 3/d], Q in,i là tổng lượng chảy vào trong phần tử từ điểm nguồn và không phải điểm nguồn [m3/d], và Q out,ilà tổng lượng chảy ra từ phần tử đó đến điểm chảy ra và không phải điểm chảy

ra [m3/d] Vì vậy, lượng chảy ra xuôi dòng chỉ là sự chênh lệch giữa lượng vào và nguồn nước tăng thêm trừ đi lượng chảy ra mất mát

i i + 1

i−1

Q in,i Q out,i

Figure 9 Element flow balance.

Tổng lượng chảy vào từ nguồn tính toán như sau

j

j ps i

Q

1

, 1

,

Trong đó Q ps,i,j là lượng chảy vào từ điểm nguồn thứ j đến phần tử i, psi tổng số điểm nguồn đến phần tử i, Q nps,i,jlà lượng chảy vào từ điểm không phải điểm nguồn chảy tới phần tử i, và npsi là tổng số điểm không phải điểm nguồn chảy vào phần tử i

Tổng lượng chảy ra từ các nguồn chảy ra được tính toán như sau:

j

j pa i

Q

1

, 1

,

Trong đó Q pa,i,j là lượng chảy ra ở điểm chảy ra thứ j từ phần

tử i, pai tổng số điểm chảy ra từ phần tử i, Q npa,i,jlà lượng chảy ra

ở các điểm là không phải điểm chảy ra thứ j từ phần tử i, và npai tổng số các điểm là không phải các điểm chảy ra từ phần tử i.Các điểm không phải là điểm nguồn và không phải điểm chảy

ra sẽ được mô hình như đường nguồn Nhìn bức tranh10, các điểm là không phải điểm nguồn hoặc không phải điểm chảy ra được phân ranh giới bởi điểm bắt đầu và điểm kết thúc dài đến hàng kilomet Nó chảy phân bố từ mỗi phần tử , theo chiều dài và chiều rộng

• Nếu chiều rộng và chiều cao của đập được nhập vào, đập nước sẽ được chọn làm phương tiện tính toán.

• Nếu chiều rộng và chiều cao của đập bằng 0 và hệ số đường cong ( a và  ) được nhập vào Phương tiện rating

curves được chọn làm phương tiện tính toán

• Nếu không có quy định trước là mét Q2K sử dụng công thức Manning

3.2.1 Đập nước

Bức tranh 11 cho thấy có bao nhiêu đập nước được miêu tả trong Q2K Chú ý một cái đập nước chỉ có thể xảy ra ở điểm 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 bề mặt của phần tử i và phần tử i +1

Figure 11 A sharp-crested weir occurring at the boundary between two

83

Trong đó Qi là lượng chảy ra từ phần tử ngược dòng của đập,

m3/s, Bw, Hh là mét Công thức 4 có thể được làm sang tỏ như sau:

3 / 2

83

Và có thể tính độ hạ thấp trên đập

1 1

Chú ý độ hạ thấp có thể sử dụng để tính toán lượng Oxy và

CO2 di chuyển qua đập ( xem trang 55 và 60)

Tại các khu vực mặt cắt ngang, chiều sâu, bề mặt và thể tích phần tử i có thể được tính toán như sau

i i i

c B H

A, = [8]

i c

i i A

Q U

,

= [9]

i i i

A, = ∆

i i i

i B H x

Trong đó Bi độ rộng của phần tử i, ∆xi chiều dài của phần tử i Chú ý nhiều đoạn sông với nhiều đập, đoạn sông với chiều rộng được nhập vào Giá trị được nhập vào cột AA ( nhãn "Bottom Width") của Reach Worksheet.

3.2.2 Hệ số đường cong

Phương trình lũy thừa có thể sử dụng mối liên quan giá trị trung bình của chiều dọc và chiều sâu của phần tử trong một đoạn sông

Trong đó a, b, α , β là hệ số kinh nghiệm được xác định từ sự

phán tán dọc trục và sự phát tán theo giai đoạn ứng với hệ số đường cong Giá trị của chiều dọc và chiều sâu có thể được dùng

để xác định diện tích mặt cắt ngang và chiều rộng bởi

A s = ∆

x BH

Số mũ b và β được đặc trưng trong bảng 1 chú ý tổng của b

và β phải kém hơn hoặc bằng 1 Nếu đây không phải là trường

hợp mà chiều rộng sẽ giảm với sự gia tăng dòng chảy Nếu tổng của chúng bằng 1 kênh sông là hình chữ nhật

Table 1 Typical values for the exponents of rating curves used to determine velocity and depth from flow (Barnwell et al 1989).

value

Range

b aQ

cầu chiều dọc và α cân bằng với yêu cầu chiều sâu

Mỗi phần tử trong đoạn sông riêng biệt có thể lý tưởng hóa như một hình thang ( trang 12) Với điều kiện dòng chảy ổn định công thức manning có thể sử dụng thể hiện mối quan hệ giữa dòng chảy và chiều sâu.

3 / 2

3 / 5 2 / 1 0

P

A n

S

Trong đó Q là lưu lượng dòng chảy [m3/s], S0 độ dốc đáy sông [m/m] , n là hệ số gồ ghề, Ac diện tích mặt cắt ngang [m2] và P là chu vi thấm ướt [m]

Figure 12 Trapezoidal channel.

Diện tích mặt cắt ngang của một lòng sông hình thang được tính toán như sau

[B s s H]H

A c = 0 + 0 5 ( s1+ s2) [15]

Trong đó B0 là chiều rộng đáy sông [m], ss1 và ss2 là hai độ dốc cạnh xem hình 12, [m/m], và H là chiều sâu của phần tử [m].Chu vi thấm ướt được tính như sau

1

2 1

=B H s s H s s

Sau khi biến đổi các công thức 16, 15 và 14 có thể tính toán

sự lặp lại của chiều sâu (Chapra and Canale 2006),

10 / 3

5 / 2 2 2 1

2 1 1 0

5 / 3

) (

5 0

1 1

) (

−

−

−

+ +

s k s

k k

H s s B

S

s H s

H B Qn

Trong đó k = 1, 2, …n n là số lần lặp Ban đầu ước chừng

H0 = 0 được dùng Phương pháp kết thúc khi đánh giá sai số bên dưới nhỏ hơn 0.001% Đánh giá sai số được tính như sau

% 100

a H

H H

Diện tích mặt cắt ngang được xác định bởi công thức 15 và vận tốc có thể xác định từ công thức sau,

c A Q

U = [19]

Giá trị trung bình của chiều rộng phần tử B[m] có thể tính toán như sau:

B1 = 0 + ( s1+ s2)

Diện tích bề mặt và thể tích của phần tử có thể được tính toán như sau:

x B

A s = 1∆

x BH

Đề xuất giá trị hệ số manning cho trong bảng 2, n đặc trưng cho giá trị dòng chảy và chiều sâu (Gordon et al 1992) Chiều sâu giảm trong chiều dòng chảy thấp, liên quan đến sự dao động thường xuyên được tăng lên Giá trị của hệ số manning đã được công bố từ 0.015 của lòng sông nhẵn nhịu đến 0.15 các lòng sông

gồ ghề nó miêu tả tình trạng dòng chảy có khả năng tạo thành bãi ngầm (Rosgen, 1996) Điều kiện tới hạn của độ sâu ước lượng chất lượng nước đại thể là kém hơn bãi ngầm sâu và nó liên quan đến tính chất gồ ghề của độ cao

Table 2 The Manning roughness coefficient for various open channel surfaces (from Chow et al 1988).

3.2.3 Thác nước

Trong phần 3.2.1 sự chảy của nước trên đập được tính toán, giá trị cần được tính toán tăng dần xảy ra trong một vài trường hợp Thêm vào các đập , sự chảy xuống có thể hầu như xảy ra trong các thác nước Chú ý thác nước chỉ có thể xảy ra tại điểm cuối của đoạn sông

Hi

Hdelev2i

elev1i+1

Figure 13 A waterfall occurring at the boundary between two reaches.

Qual2k sẽ tính toán dòng chảy trong trường hợp độ cao so với mực nước biển rất dốc trong ranh giới giữa hai đoạn sông , công thức 7 dùng để tính toán sự hạ thấp dòng chảy Chú ý sự hạ thấp này chỉ tính toán khi độ cao so với mực nước biển xuôi dòng kết thúc ở đoạn sông là lớn hơn điểm bắt đầu của đoạn sông xuôi dòng tiếp theo nghĩa là elev2 i > elev1 i+1

3.3Travel Time (Thời gian di chuyển)Thời gian lưu của mỗi phần tử được tính toán như sau:

k

k k

∑

=

= j

k k j

t

1 , τ [22].Trong đó t t,j là thời gian di động

3.4 Phát tán dọc trụcHai lựa chọn được sử dụng để xác định sự phát tán dọc trục một ranh giới giữa hai phần tử Đầu tiên, người sử dụng chỉ đánh giá, giá trị nhập vào trên Reach Worksheet Nếu người sử dụng không nhập giá trị, một công thức bên trong sẽ được dùng tính