Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

Trang 1 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp em xin cảm ơn sự hƣớng dẫn nhiệt tình của thầy giáo Phạm Phú Song Toàn là giảng viên chuyên ngành môi trƣờng khoa công nghệ hóa học. Cảm ơn các thầy cô trong khoa Công nghệ hóa học, trƣờng cao đẳng Công Nghệ, thành phố Đà Nẵng đã tận tình chỉ dậy trong suốt quá trình học tập. Mặc dù đã rất cố gắn nhƣng trong quá trình thực hiện đồ án còn nhiều bỡ ngỡ, do chƣa có nhiều kinh nghiệm nên không tránh khỏi những sai sót. Vì vậy, em rất mong nhận đƣợc sự góp ý của các thầy, cô giáo. Em xin chân thành cảm ơn! Đà Nẵng tháng 06 năm 2011 Sinh viên thực hiện Đoàn Ngọc Tùng Trang 2 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước MỤC LỤC PHẦN I. MỞ ĐẦU 6 PHẦN II. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƢỜNG 7 CHƢƠNG 1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 7 1.1. Các định nghĩa và khái niệm cơ bản 7 1.1.1. Định nghĩa mô hình 7 1.1.2. Mục tiêu thành lập mô hình: 8 1.1.3. Đặc trƣng cơ bản của một mô hình: 9 1.2. Mô hình môi trƣờng 12 CHƢƠNG 2. PHÂN LOẠI VÀ TIẾN TRÌNH MÔ HÌNH 13 2.1. Phân loại mô hình 13 2.1.1. Mục đích phân loại mô hình 13 2.1.2. Các nhóm mô hình 13 2.2. Tiến trình vận hành mô hình 14 2.2.1. Thu thập dữ liệu 15 2.2.2. Mô hình khái niệm 15 2.2.3. Mô hình giải tích hoặc mô hình số 16 2.2.4 Hiệu chỉnh mô hình 16 2.2.5. Kiểm nghiệm mô hình 17 2.2.6. Tiên đoán hoặc tối ƣu 17 2.3. Tiêu chuẩn chọn lựa mô hình 18 2.3.1. Khái niệm 18 2.3.2. Mô hình "tốt nhất" 19 2.3.3. Chọn mô hình theo cấu trúc và giá trị vào/ra 19 2.3.4. Chọn mô hình theo vấn đề thực tế 20 2.3.5. Đánh giá lại việc chọn lựa 22 CHƢƠNG 3. HIỆU CHỈNH CÁC THÔNG SỐ MÔ HÌNH 23 3.1. Khái quát vấn đề 23 Trang 3 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước 3.2. Các bƣớc trong tiến trình hiệu chỉnh 25 3.2.1. Bƣớc xác định thông tin quan trọng 26 3.2.2. Bƣớc chọn tiêu chuẩn mô hình 26 3.2.3. Bƣớc hiệu chỉnh mô hình 27 CHƢƠNG 4. THỂ HIỆN MÔ HÌNH 29 4.1. Kiểm nghiệm và định trị mô hình 29 4.2. Nghiên cứu kiểm nghiệm 29 4.2.1. Mục tiêu 29 4.2.2. Hàm mục tiêu 30 4.2.3. Các trị số thống kê dùng cho kiểm nghiệm 30 4.3. Vấn đề kiểm nghiệm mô hình 35 4.3.1. Các vấn đề thƣờng gặp 35 4.3.2. Hậu kiểm việc phê chuẩn và kiểm nghiệm mô hình 36 CHƢƠNG 5. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƢỜNG 37 5.1. Sơ đồ phát triển và ứng dụng mô hình 37 5.2. Xu thế phát triển mô hình hóa môi trƣờng theo quy mô không gian 37 PHÂ ̀ N III. MÔ HÌNH HÓA CHẤT LƢỢNG NƢỚC VÀ ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HÓA CHẤT LƢỢNG NƢỚC 39 CHƢƠNG 6. CHẤT LƢỢNG NƢỚC VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG NGUỒN NƢỚC 39 6.1. Nguồn nuớc và phân loại nguồn nƣớc 39 6.1.1. Sự hình thành chất lƣợng và thành phần tính chất nguồn nƣớc 39 6.1.2. Phân loại nguồn nƣớc 42 6.2. Chất lƣợng nguồn nƣớc và đánh giá chất lƣợng nguồn nƣớc 42 6.2.1. Chất lƣợng nguồn nƣớc 42 6.2.2. Đánh giá chất lƣợng nguồn nƣớc 43 6.3. Các nguồn gây ô nhiễm môi trƣờng nƣớc 49 6.3.1. Nƣớc thải sinh hoạt từ các khu dân cƣ 49 6.3.2. Nƣớc thải công nghiệp 51 Trang 4 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước 6.3.3. Nƣớc mƣa chảy tràn 52 6.3.4. Các hoạt động từ tàu thuyền 52 6.3.5. Các nguyên nhân khác 52 CHƢƠNG 7. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MÔ HÌNH CHẤT LƢỢNG NƢỚC 53 7.1. Các phƣơng trình cơ bản 53 7.2. Hệ số khuếch tán rối 54 7.3. Sự chuyển hoá các chất trong dòng chảy 58 7.3.1. Chu trình nitơ trong nguồn nƣớc và quá trình nitrat hóa 58 7.3.2. Sự phân hủy các chất hữu cơ 61 7.3.3. Cân bằng oxy trong dòng chảy 64 CHƢƠNG 8. THIẾT LẬP MÔ HÌNH CHẤT LƢỢNG NƢỚC, MÔ HÌNH DO&BOD 67 8.1. Các bƣớc thực hiện xây dựng mô hình chất lƣợng nƣớc 67 8.1.1. Bƣớc đầu 67 8.1.2. Bƣớc tiếp theo 67 8.2. Lựa chọn mô hình chất lƣợng nƣớc 68 8.2.1. Lựa chọn mô hình 68 8.2.2. Sự phát triển lý thuyết của vấn đề 70 8.3. Các phƣơng pháp số tính toán sự lan truyền các chất ô nhiễm trong dòng chảy 70 8.3.1. Các phƣơng pháp số trong nghiên cứu mô hình thủy lực 70 8.3.2. Phƣơng pháp số giải bài toán lan truyền chất 72 8.4. Các mô hình BOD & D (DO) trong dòng chảy 73 8.4.1. Phƣơng trình cơ bản 73 8.4.2. Phƣơng trình cổ điển Streeter-Phelps 74 8.4.3. Các nghiên cứu phát triển trên cơ sở phƣơng trình Streeter-Phelps 75 CHƢƠNG 9. XÂY DỰNG MÔ HÌNH LAN TRUYỀN VÀ CHUYỂN HÓA CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG DÒNG CHẢY 79 Trang 5 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước 9.1. Phƣơng trình sự lan truyền chất trong dòng chảy 79 9.2. Tính toán sự lan truyền các chất ô nhiễm trong dòng chảy sông 81 9.2.1. Các phƣơng trình toán của mô hình 82 9.2.2.Tính toán sự lan truyền chất trong dòng chảy 83 9.3. Trình tự thiết lập mô hình chất lƣợng nƣớc 86 CHƢƠNG 10. GIỚI THIỆU CÁC PHẦN MỀM MÔ PHỎNG CHẤT LƢỢNG NGUỒN NƢỚC. MÔ HÌNH QUAL 2K 88 10.1. Mô hình HSPF (Hydrological Simulation Program Fortran (USEPA) (1984) 88 10.2. Mô hình SWMM (Storm Water Management Model ) 89 10.3. Mô hình WAPS (USEPA) 93 10.4. Hệ thống MIKE 96 10.5. Mô hình WQRRS (Water quality for River ) 98 10.6. Mô hình QUAL2K (QUAL2E) 99 10.6.1 Giới thiệu 99 10.6.2. Sự chia ra từng đoạn và tính chất thủy lực 100 Trang 6 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước PHẦN I. MỞ ĐẦU Hiện nay, ô nhiễm môi trƣờng đang là vấn đề báo động song hành với sự phát triển kinh tế xã hội, đặc biệt tại các quốc gia đang phát triển. Tại nhiều nơi, chất lƣợng nƣớc, đất, không khí suy giảm nhanh chóng vƣợt qua khả năng tự làm sạch của tự nhiên. Là sinh viên ngành công nghệ kỹ thuật môi trƣờng, em luôn mong ƣớc đƣợc góp một chút sức lực làm cho môi trƣờng sống ngày càng trong sạch, hạn chế đƣợc mức độ ô nhiễm, hành tinh của chúng ta ngày càng xanh đẹp hơn. Qua 3 năm học tập và nghiên cứu tại Trƣờng cao đẳng Công nghệ Đà Nẵng, em đã đƣợc các thầy, cô truyền đạt cho những kiến thức cả về lý thuyết và thực hành, để chúng em áp dụng những kiến thức đó vào thực tế và làm quen công việc độc lập của ngƣời kỹ sƣ trong tƣơng lai, chính vì lý do đó mà em đã đƣợc nhận đề tài tốt nghiệp rất thực tế đó là: "Tìm hiểu về mô hình hóa chất lƣợng nƣớc". Mục tiêu của đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lƣợng môi trƣờng nƣớc. Mô hình hóa môi trƣờng nói chung và mô hình hóa chất lƣợng môi trƣờng nƣớc.  Nhiệm vụ: Thu thập thông tin từ giáo trình, sách báo và mạng internet và các nguồn khác. Nghiên cứu về mô hình hóa môi trƣờng và đi sâu vào mô hình xác định chất lƣợng nƣớc.  Ý nghĩa thực tế và các vấn đề liên quan: Việc ứng dụng mô hình hóa vào lĩnh vực môi trƣờng là hết sức ý nghĩa. Nghiên cứu đề tài này giúp em hiểu sâu hơn về phƣơng pháp đánh giá và dự đoán xu hƣớng ô nhiễm môi trƣờng. Bên cạnh đó đề tài này còn liên quan đến một số lĩnh vực khác nhƣ: biến đổi khí hậu toàn cầu, mô hình hóa chất lƣợng không khí… Trang 7 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước PHẦN II. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƢỜNG CHƢƠNG 1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1. Các định nghĩa và khái niệm cơ bản 1.1.1. Định nghĩa mô hình • Mô hình là một cấu trúc mô tả hình ảnh đã đƣợc tối giản hóa theo đặc điểm hoặc diễn biến của một đối tƣợng, một hiện tƣợng, một khái niệm hoặc một hệ thống. • Mô hình có thể là một hình ảnh hoặc một vật thể đƣợc thu nhỏ hoặc phóng đại, hoặc chỉ làm gọn bằng một phƣơng trình toán học, một công thức vật lý, một phần mềm tin học để mô tả một hiện trạng thực tế mang tính điển hình. • Mô hình hoá là một khoa học về cách mô phỏng, giản lƣợc các thông số thực tế nhƣng vẫn diễn tả đƣợc tính chất của từng thành phần trong mô hình. Mô hình không hoàn toàn là một vật thể hiện thực nhƣng nó giúp cho chúng ta. hiểu rõ hơn hệ thống thực tế. • Mô hình hóa môi trƣờng là ngành khoa học mô phỏng hiện tƣợng lan truyền chất ô nhiễm và các dự báo thay đổi môi trƣờng theo không gian và thời gian. Ví dụ 1.1: Để thể hiện sự thay đổi lƣợng nƣớc trong một hồ chứa ngƣời ta đƣa ra hình ảnh nhƣ hình 1.2. Biết kích thƣớc hình học của hồ chứa, lƣu lƣợng vào, lƣu lƣợng ra, chúng ta có thể xác định dao động mực nƣớc trong hồ. Hình 1.1. Mô hình thể hiện sự thay đổi khối lƣợng nƣớc trong hồ chứa Ví dụ : Nhà khoa học Meadown và các cộng sự (1972) đã tìm đƣợc mối quan hệ giữa sự gia tăng dân số, việc sản xuất lƣơng thực, sản xuất công nghiệp, nguồn tài Trang 8 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước nguyên và mức độ ô nhiễm đều có những quan hệ với nhau. Nhóm nghiên cứu đã đƣa ra mô hình dự báo thế giới nhƣ hình 1.3. Hình 1.2. Mô hình dự báo tình hình thế giới đến năm 2100 1.1.2. Mục tiêu thành lập mô hình Diễn biến mô trƣờng rất phức tạp trong thực tế và liên quan đến nhiều lĩnh vực khoa học khác (hình 1.3). Do nhu cầu hiểu rõ hơn bản chất tự nhiên của sự việc trong thực tế, các nhà khoa học mới tìm cách đơn giản hóa nhƣng vấn đề phức tạp ở mức có thể làm đƣợc nhƣng không quá xa rời thực tế để có cơ sở giải thuật tìm hƣớng ra của vấn đề và tính toán những khả năng xảy ra trong tƣơng lai. Hình 1.3. Đƣờng đi của các chất gây ô nhiễm trong vòng tuần hoàn nƣớc Trang 9 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước Có 3 mục tiêu khi thực hiện một mô hình: • Tạo cơ sở lý luận: - Mô hình giúp ta dễ diễn tả hình ảnh sự kiện hoặc hệ thống; - Mô hình mang tính đại diện các đặc điểm cơ bản nhất của sự thể; - Mô hình giúp ta cơ sở đánh giá tính biến động một cách logic khi có tác động bên ngoài vào hoặc từ trong ra. • Tiết kiệm chi phí và nhân lực: - Mô hình giúp ta thêm số liệu cần thiết; - Mô hình giúp giảm chi phí lấy mẫu; - Mô hình có thể đƣợc thử nghiệm với các thay đổi theo ý muốn. 1.1.3. Đặc trƣng cơ bản của một mô hình Một cách tổng quát, tất cả các mô hình phải có 3 thành tố chính nhƣ hình 1.5: Hình 1.4. Ba thành tố chính của một mô hình • Thông tin vào: bao gồm các dạng cơ sở dữ liệu đƣa vào để mô hình xử lý • Tiến trình xử lý thông tin: bao gồm quá trình tiếp nhận dữ liệu vào, tính toán, phân tích, đánh giá và xuất dữ liệu. • Thông tin ra: thể hiện ở dạng đồ thị, biểu bảng, báo cáo đánh giá kết quả. Trong điều kiện chƣa thể giải quyết toàn bộ bài toán phức tạp của tự nhiên, ngƣời ta có thể chia hiện tƣợng thực tế thành các mảng đề tài khác nhau và mỗi phần chia đƣợc xem nhƣ một bài toán riêng rẽ và có mô hình tƣơng ứng của nó. Ví dụ chúng ta có thể chia các diễn biến dòng chảy quá trình trong một chu trình nƣớc thành từng đề tài nhỏ hơn nhƣ hình 1.6. Trang 10 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước Hình 1.5: Chia vấn đề lớn thành từng vấn đề riêng rẽ Một mô hình cần thể hiện các đặc trƣng sau: - Mô hình cần đƣợc tối giản với một số giả định đặt ra - Điều kiện biên hoặc điều kiện ban đầu cần định danh; - Mức độ khả năng ứng dụng của mô hình có thể xác lập đƣợc. Mô hình thƣờng áp dụng theo kiểu khung khái quát theo ngành khoa học tính toán, mang tên là 3A, viết tắt từ 3 chữ Application (ứng dụng), Algorithm (thuật toán), và Architecture (kiến trúc) theo hình vẽ 1.7 sau: [...]... thông số mô hình Một số sách hƣớng dẫn mô hình có thể cho khuyến cáo hoặc một số mô hình có thể tạo ra tiến trình tự động hiệu chỉnh để có một kết quả tốt nhất có thể đạt đƣợc Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước Trang 29 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng CHƢƠNG 4 THỂ HIỆN MÔ HÌNH 4.1 Kiểm nghiệm và định trị mô hình Để đánh giá và hiểu rõ hơn giá trị ý nghĩa của một mô hình qua... tiên đoán của mô hình (Grayson and Bloschl, 2000) Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước Trang 19 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng 2.3.2 Mô hình "tốt nhất" • Các phƣơng pháp mục tiêu tổng thể để chọn mô hình “tốt nhất” thật ra chƣa đƣợc phát triển, do vậy việc chọn mô hình cũng là một phần “nghệ thuật” của ngƣời nghiên cứu mô hình (Woolhiser and Brakensiek, 1982) • Mô hình “tốt nhất”... nghiệm, …) Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước Trang 13 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng CHƢƠNG 2 PHÂN LOẠI VÀ TIẾN TRÌNH MÔ HÌNH 2.1 Phân loại mô hình 2.1.1 Mục đích phân loại mô hình Có nhiều cách phân loại mô hình môi trƣờng, việc phân loại có thể dựa vào đặc điểm tính toán, cách mô phỏng, phƣơng pháp vận hành, phép so sánh hoặc dựa vào giả định Việc phân loại mô hình nhằm: -... model) - Mô hình số (numerical model) - Mô hình giải tích (analysis model) - Mô hình xác định (deterministic model) - Mô hình khái niệm (conceptual model) - Mô hình ngẫu nhiên (stochatic model) - Mô hình tham số (parametric model) - Mô hình ổn định (steady-state model) - Mô hình bất ổn định (unsteady-state model) - Mô hình dựa vào các giả định sinh hóa (biochemical assumption model) - Mô hình đánh giá... biến số trong mô hình và cho ra kết quả dƣới dạng số hoặc đồ thị Đây là phần cốt lõi, quan trọng nhất và là phần phức tạp nhất trong tiến trình thực hiện mô hình hóa 2.2.4 Hiệu chỉnh mô hình Hiệu chỉnh (calibration) là tiến trình mà trong đó các thông số và biến số của mô hình đƣợc điều chỉnh để kết quả ra của mô hình phù hợp với thực tế quan sát Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước Trang 17... yêu cầu: Mô hình trọn gói (là mô hình đƣợc thiết kế cho tổng thể các trƣờng hợp) thƣờng dễ sử dụng nhƣng thiếu tính mềm dẻo và bị hạn chế sử dụng Loại mô hình trọn gói thƣờng đƣợc sử dụng khi gặp các tình huống ít có hơn số tình huống dự kiến ban đầu mà ngƣời phát triển mô hình nghĩ ra Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước Trang 21 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Mô hình theo... tiêu trị trung bình phải tối thiểu hóa (tiến đến trị 0): ii) Phƣơng sai (variance) Vx: Mô hình đƣợc xem là tốt khi hàm mục tiêu của phƣơng sai là tối thiểu hóa: iii) Độ lệch chuẩn (standard deviation) Sx: Mô hình đƣợc xem là tốt khi hàm mục tiêu của độ lệch chuẩn là tối thiểu hóa: iv) Hệ số biến động (variance deviation) CVx: Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước Trang 32 GVHD: Phạm Phú Song... của dữ liệu Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước Trang 20 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng nhập vào quan trọng hơn là mức chính xác của dự báo do mô hình tạo ra (Hillel, 1986) • Tính đơn giản của mô hình: Mô hình cần đƣợc tối giản nhằm giảm bớt các biến số và thông số để mô tả các tiến trình Càng ít các thông số để điều chỉnh thì càng dễ cho ngƣời sử dụng Mô hình cũng cần tạo... nhanh chóng và ít tốn kém Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước Trang 16 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng • Mô hình khái niệm là một công cụ kỹ thuật cho các lập trình viên hiểu vấn đề phải giải quyết mà không cần phải là một chuyên gia môi trƣờng • Mô hình khái niệm tạo thuận lợi cho việc diễn giải trong thuyết minh, biểu bảng, đề thị Hình 2.2 Mô hình khái niệm diễn tả quan hệ... model) Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước Trang 14 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng - Mô hình dự báo (forecast model) - v.v… Một mô hình có thể phân loại theo quy mô ứng dụng: • Theo không gian (spatial): ở một vùng nhỏ hay một khu vực lớn • Theo thời gian (temporal): ngắn hạn hay dài hạn • Theo giá trị mô hình (model validity): cho giới hạn độ chính xác của mô hình • Theo giá . " ;Tìm hiểu về mô hình hóa chất lƣợng nƣớc". Mục tiêu của đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lƣợng môi trƣờng nƣớc. Mô hình hóa môi trƣờng nói chung và mô hình hóa chất lƣợng môi. tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước PHẦN II. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƢỜNG CHƢƠNG 1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1. Các định nghĩa và khái niệm cơ bản 1.1.1. Định nghĩa mô hình. phát triển mô hình hóa môi trƣờng theo quy mô không gian 37 PHÂ ̀ N III. MÔ HÌNH HÓA CHẤT LƢỢNG NƢỚC VÀ ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HÓA CHẤT LƢỢNG NƢỚC 39 CHƢƠNG 6. CHẤT LƢỢNG NƢỚC VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG