Nghiên cứu xây dựng các mô hình toán phục vụ dự báo một số vấn đề môi trường nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN DƯƠNG THỊ THÚY NGA NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CÁC MÔ HÌNH TOÁN PHỤC VỤ DỰ BÁO MỘT SỐ VẤN ĐỀ MÔI TRƯỜNG NƯỚC Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số chuyên ngành: 62.48.01.01 Phản biện 1: PGS.TS. Lê Quang Toại Phản biện 2: PGS.TS. Trần Vĩnh Phước Phản biện 3: TS. Nguyễn Quốc Lân Phản biện độc lập 1: PGS.TS. Trần Vĩnh Phước Phản biện độc lập 2: TS. Lê Thị Quỳnh Hà NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. Nguyễn Kỳ Phùng 2. TS. Hồ Bảo Quốc THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NĂM 2012 1 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5 DANH MỤC CÁC BẢNG 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, CÁC ĐỒ THỊ 7 MỞ ĐẦU 9 TỔNG QUAN 12 Chƣơng 1. MÔ HÌNH THỦY LỰC 28 1.1. Tình hình nghiên cứu mô hình thủy lực hiện nay 28 1.2. Mô hình thủy lực 28 1.2.1. Mô hình toán học 28 1.2.1.1. Sơ lược các phương pháp giải hệ phương trình Saint-Venant 28 1.2.1.2. Hệ phương trình thủy lực 30 1.2.2. Lưới sai phân 34 1.2.3. Phương pháp tính 34 1.2.3.1. Nửa bước đầu 34 1.2.3.2. Nửa bước sau 36 1.3. Điểm cải tiến của luận án 39 1.3.1. Điều kiện ban đầu và điều kiện biên 40 1.3.2. Biên cứng di động (Biên động đường bờ) 43 1.3.2.1. Đối với bài toán thông thường, không xử lý biên cứng di động 43 1.3.2.2. Đối với bài toán có giải quyết biên cứng di động 43 1.3.3. Phương pháp tính lưới lồng 47 1.3.3.1. Đối với bài toán sử dụng một lưới cho cả vùng tính 47 1.3.3.2. Đối với bài toán sử dụng nhiều lưới có độ phân giải khác nhau cho một vùng tính 47 1.4. Tóm tắt chương 51 Chƣơng 2. MÔ HÌNH LAN TRUYỀN CHẤT 52 2 2.1. Tình hình nghiên cứu mô hình lan truyền chất hiện nay 52 2.2. Mô hình lan truyền chất 52 2.2.1. Mô hình toán học 52 2.2.2. Lưới sai phân 53 2.2.3. Điều kiện ban đầu và điều kiện biên 53 2.2.4. Phương pháp tính 54 2.2.4.1. Giải nồng độ C cho nửa bước thời gian đầu 54 2.2.4.2. Giải nồng độ C cho nửa bước thời gian sau 55 2.2.4.3. Xử lý biên 56 2.3. Điểm cải tiến của luận án 58 2.4. Tóm tắt chương 59 Chƣơng 3. MÔ HÌNH BỒI, XÓI 60 3.1. Tình hình nghiên cứu của mô hình bồi, xói hiện nay 60 3.2. Mô hình chuyển tải phù sa 60 3.2.1. Phương trình chuyển tải phù sa 60 3.2.2. Điều kiện ban đầu và điều kiện biên 63 3.2.3. Phương pháp giải 64 3.2.4. Xử lý biên 65 3.3. Mô hình bồi, xói đáy 66 3.3.1. Phương trình liên tục bùn cát đáy 66 3.3.2. Sai phân phương trình bồi, xói đáy 66 3.4. Điểm cải tiến của luận án 68 3.5. Tóm tắt chương 72 Chƣơng 4. XÂY DỰNG ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN VÀ DỰ BÁO DIỄN BIẾN MÔI TRƢỜNG NƢỚC 73 4.1. Quy trình xây dựng ứng dụng 73 4.1.1. Quy trình tính toán 74 4.1.2. Giải thuật tính toán 76 4.1.3. Độ phức tạp của thuật toán 91 3 4.1.4. Cấu trúc dữ liệu 93 4.1.5. Các màn hình chính của chương trình tính toán và dự báo diễn biến môi trường 94 4.2. Bộ dữ liệu của mô hình 98 4.2.1. Mô tả bộ dữ liệu tính toán và kiểm định 98 4.2.2. Hiệu chỉnh dữ liệu 98 4.2.3. Tham số điều khiển 100 4.3. Kiểm định mô hình 101 4.3.1. Kiểm định mô hình thủy lực 101 4.3.1.1. Kiểm tra mô hình bằng lời giải giải tích 101 4.3.1.2. Kiểm tra trên kênh chữ U 104 4.3.1.3. Kiểm tra với dữ liệu thực đo 109 4.3.2. Kiểm tra mô hình lan truyền chất 113 4.3.3. Kiểm tra mô hình chuyển tải phù sa 114 4.4. Kết quả tính toán trên biển Cà Mau 116 4.4.1. Kết quả tính toán dòng chảy trên biển 116 4.4.1.1. Thông số tính toán 116 4.4.1.2. Kết quả khi tính biên cứng di động 119 4.4.1.3. Kết quả khi sử dụng lưới lồng 124 4.4.2. Kết quả tính toán sự lan truyền chất 127 4.4.2.1. Thông số tính toán 127 4.4.2.2. Kết quả tính toán 128 4.4.3. Kết quả tính toán sự chuyển tải phù sa và sự bồi-xói đáy 132 4.4.3.1. Thông số tính toán 132 4.4.3.2. Kết quả tính toán 133 Chƣơng 5. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 138 5.1. Kết quả 138 5.1.1. Các công việc nghiên cứu khoa học đã tiến hành 138 5.1.2. Số liệu nghiên cứu và thực nghiệm 139 4 5.2. Bàn luận 141 Chƣơng 6. KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 144 6.1. Kết luận 144 6.2. Hướng phát triển 145 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 147 TÀI LIỆU THAM KHẢO 149 5 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa C : Nồng độ các chất cần tính, thường có đơn vị mg/l C h : Hệ số Chezy (C h = 63) E x : Hệ số khuếch tán theo phương x [m 2 /s] E y : Hệ số khuếch tán theo phương y [m 2 /s] f: Tham số Coriolis = 2  sin  với  : vĩ độ địa lý g: Gia tốc trọng lực [m/s 2 ] h: Độ sâu tính từ mực nước tĩnh đến đáy [m] H: Độ sâu tương đối [m], K : Tổng hệ số có liên quan đến nồng độ C như hệ số phản ứng, hệ số lắng đọng,…[1/day] K x , K y : Hệ số phân tán [m 2 /s]. P 1 : Tổng nguồn thải từ bên ngoài Q: Lưu lượng nước [m 3 /s] S: Thành phần nguồn/lắng, mô tả sự bốc lên hay lắng xuống của hạt [g/m 2 .s] u, v: Thành phần của véc-tơ vận tốc dòng chảy trung bình theo độ sâu trong hệ tọa độ vuông góc Oxy [m/s]. U: Vận tốc dòng chảy [m/s] W: Diện tích mặt cắt ướt [m 2 ]  : Độ dâng mực nước [m]  : Vận tốc góc của sự quay trái đất [1/s]  : Khối lượng riêng chất lỏng [kg/m 3 ] x  , y  : Ứng suất tiếp gió bề mặt theo phương x và phương y f x (t), f y (t): Lưu lượng từ sông đổ ra Hh   6 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 4.1. Tiêu chuẩn đánh giá tương quan giữa số liệu thực đo và tính toán 110 Bảng 4.2. Kết quả tính toán hệ số N 2 và R 2 112 Bảng 4.3. Đặc điểm sóng tại biên phía Đông (biển Đông) 117 Bảng 4.4. Đặc điểm sóng tại biên phía Tây (vịnh Thái Lan) 118 Bảng 4.5. Bảng phân tích cấp hạt theo đường kính hạt (đơn vị: mm) 132 7 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, CÁC ĐỒ THỊ Hình 0.1. Bản đồ khu vực nghiên cứu 11 Hình 1.1: Minh họa độ sâu và độ dâng mực nước 33 Hình 1.2. Lưới sai phân của mô hình thủy lực 34 Hình 1.3. Ví dụ về biên rắn theo phương ngang 45 Hình 1.4. Ví dụ về biên lỏng theo chiều thẳng đứng 46 Hình 1.5: Sơ đồ thể hiện lưới lồng 49 Hình 2.1. Lưới sai phân cho mô hình lan truyền chất 53 Hình 3.1: Lớp đáy nhiều thành phần 69 Hình 4.1. Hình minh họa địa hình có đảo và cách xác định biên trái-biên phải, biên trên-biên dưới. 76 Hình 4.2. Màn hình chính 94 Hình 4.3. Màn hình nhập dữ liệu tính dòng chảy 95 Hình 4.4. Màn hình nhập dữ liệu biên cho mô hình thủy lực 95 Hình 4.5. Màn hình nhập thông số tính toán sự lan truyền chất 96 Hình 4.6. Màn hình nhập thông số tính toán sự bồi, xói đáy 96 Hình 4.7. Màn hình mô phỏng kết quả tính toán 97 Hình 4.8. Lưới tính cho kênh hình chữ nhật 102 Hình 4.9. Kết quả mực nước dòng chảy 103 Hình 4.10. Kết quả vận tốc 104 Hình 4.11. Minh họa lưới tính kênh chữ U 106 Hình 4.12. Trường vận tốc của kênh U (được vẽ với mật độ thưa) 107 Hình 4.13. Trường vận tốc của kênh U (được vẽ với mật độ dày hơn) 107 Hình 4.14. Đường đẳng mực nước (tính bằng m so với mặt thoáng yên lặng của kênh sâu 10m) thể hiện trên mặt phẳng 2 chiều. 108 Hình 4.15. Đường đẳng mực nước (tính bằng m so với mặt thoáng yên lặng của kênh sâu 10m) thể hiện trong không gian 3 chiều 108 Hình 4.16. Phân bố vận tốc theo thí nghiệm của Shukry 109 8 Hình 4.17. Phân bố mực nước theo thí nghiệm của Shukry 109 Hình 4.18. Mực nước tại cửa Bảy Háp 111 Hình 4.19. Mực nước tại vịnh Thái Lan 111 Hình 4.20. Vận tốc dòng chảy tại cửa Bảy Háp 112 Hình 4.21. Vận tốc dòng chảy tại cửa vịnh Thái Lan 112 Hình 4.22: So sánh kết quả lan truyền giữa lời giải giải tích và kết quả mô hình 113 (a): sau 1giờ tính toán; (b): sau 3 giờ tính toán; (c): sau 5 giờ tính toán 113 Hình 4.23. Sự chuyển tải phù sa khi thủy triều lên, xuống do mô hình tính toán 115 Hình 4.24. Ảnh viễn thám sự chuyển tải phù sa khi thủy triều lên, xuống (chụp năm 2003) 115 Hình 4.25. Địa hình đáy vùng biển Cà Mau 117 Hình 4.26. Vị trí đặt lưới mịn trong vùng tính 119 Hình 4.27. Vị trí ghi nhận độ dâng mực nước tại biên cứng di động 120 Hình 4.28. Độ dâng mực nước tại gần biên cứng di động (điểm P) 121 Hình 4.29. Sự thay đổi diện tích bề mặt nước khi tính toán biên cứng di động 122 Hình 4.30. Biên cứng di động do ảnh hưởng của thủy triều 123 Hình 4.31. Dòng chảy khi không tính lưới lồng 125 Hình 4.32. Dòng chảy khi có tính lưới lồng 126 Hình 4.33. Sự lan truyền DO khi không tính lưới lồng 128 Hình 4.34. Sự lan truyền DO khi có tính lưới lồng 129 Hình 4.35. Sự lan truyền BOD khi không tính lưới lồng 130 Hình 4.36. Sự lan truyền BOD khi có tính lưới lồng 131 Hình 4.37. Sự chuyển tải phù sa khi không tính lưới lồng 133 Hình 4.38. Sự chuyển tải phù sa khi có tính lưới lồng 134 Hình 4.39. Sự thay đổi địa hình đáy khi không tính lưới lồng 136 Hình 4.40. Sự thay đổi địa hình đáy khi không tính lưới lồng 137 Hình 5.1. Thời gian tính DO, BOD 140 Hình 5.2. Thời gian tính sự bồi, xói đáy 141 9 MỞ ĐẦU  Lý do chọn đề tài Trong các nghiên cứu ứng dụng của công nghệ thông tin, việc giải quyết các bài toán về mô hình toán thủy văn (MHTTV) luôn là một yêu cầu rất cần thiết. MHTTV là sự mô phỏng các quá trình, hiện tượng thủy văn – sự vận động rất phức tạp của nước trong tự nhiên dưới dạng các phương trình toán học, lôgíc và giải chúng trên các máy tính điện tử. MHTTV có khả năng xem xét những diễn biến của hiện tượng thủy văn từ vi mô đến vĩ mô. Hiện nay có nhiều phương pháp để giải quyết bài toán MHTTV. Trong số đó, phương pháp mô hình toán đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới, thu được những kết quả tương đối khả quan. Phương pháp này có ưu điểm là cho ta tính toán nhiều phương án, thí nghiệm số trị nhanh và giá thành rẻ hơn các phương pháp khác như: điều tra khảo sát hiện trường, phân tích sử dụng công nghệ viễn thám GIS, phóng xạ hạt nhân, mô hình vật lý. Đối với các bài toán mô hình hóa trong Môi trường, tốc độ tính toán luôn là một vấn đề nan giải. Với một vùng sông, biển rộng hàng trăm ngàn km 2 , việc tính toán các giá trị trên toàn vùng nghiên cứu như vận tốc dòng chảy, độ dâng mực nước, nồng độ các chất ô nhiễm theo thời gian,… phải tốn rất nhiều thời gian, hàng nhiều giờ, thậm chí nhiều ngày. Bên cạnh đó, để đạt độ chính xác cao, cần phải có những mô hình toán đáng tin cậy để đảm bảo kết quả tính toán tương ứng với kết quả đo đạc trong thực tế. Nhu cầu xây dựng các MHTTV để giải quyết các vấn đề môi trường như nghiên cứu dòng chảy trên sông, biển, tính toán chất lượng nước, tính toán vết dầu loang, sự bồi xói ở cửa sông,…. là rất cần thiết. Ở Việt Nam hầu như các cơ quan quản lý môi trường đều phải sử dụng các phần mềm của nước ngoài với giá thành rất cao. Do vậy, một yêu cầu luôn được đặt ra cho các nhà khoa học là phải nghiên cứu và xây dựng các MHTTV tốt, đảm bảo độ chính xác cao và tốc độ tính toán đáp ứng yêu cầu thực tế. [...]... chọn đề tài Nghiên cứu xây dựng các mô hình toán phục vụ dự báo một số vấn đề môi trường nước để nghiên cứu một số mô hình toán nhằm cải tiến tốc độ tính toán cũng như độ chính xác khi giải quyết các bài toán trong Môi trường  Mục đích của luận án Trước nhu cầu cần phải có những MHTTV tốt áp dụng cho vùng biển nước nông, tác giả thực hiện luận án với mục đích nghiên cứu và cải tiến một số mô hình toán. .. tốc độ tính toán như tính dòng chảy, sự lan truyền chất trên biển và sự bồi-xói đáy tại cửa sông Từ các nghiên cứu và cải tiến này, tác giả sẽ xây dựng giải thuật tính toán trong trường hợp tổng quát cho địa hình bất kỳ, tính toán thử nghiệm và kiểm tra độ tin cậy của các mô hình Từ đó, tác giả sẽ xây dựng công cụ tính toán và dự báo diễn biến môi trường nước phục vụ công tác quản lý môi trường  Đối... Nghiên cứu cách nhúng các phần mềm, thư viện tiện ích phục vụ công việc mô phỏng các diễn biến môi trường 27 Chƣơng 1 MÔ HÌNH THỦY LỰC 1.1 Tình hình nghiên cứu mô hình thủy lực hiện nay Khi tính toán mô hình hóa, chúng ta luôn gặp phải hai vấn đề quan trọng và khó giải quyết là độ chính xác chưa cao và tốc độ tính toán chậm Các mô hình hiện nay thường sử dụng phương pháp sai phân để giải bài toán mô. .. khác nhau  CÁC NGHIÊN CỨU TRƢỚC ĐÂY VÀ MỘT SỐ VẤN ĐỀ TỒN TẠI CẦN ĐƢỢC GIẢI QUYẾT Hầu hết các nghiên cứu trên thế giới và ở Việt Nam đã tìm ra được các mô hình toán phù hợp để giải các bài toán về mô hình hóa Tuy nhiên, để đạt độ chính xác cao và có được tốc độ tính toán nhanh thì c ần phải giải quyết từng bài toán nhỏ trong tổng thể Các nghiên cứu trước đây vẫn chưa giải quyết tốt các vấn đề này  NHỮNG... nghiên cứu phương pháp tính điều kiện biên, biên cứng di động, hệ số phân hủy, phân chia các lớp trầm tích đáy, tính toán bằng lưới lồng để áp dụng vào các mô hình nhằm nâng cao chất lượng cũng như tốc độ tính toán của các mô hình  PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Để thực hiện các mục tiêu đề ra, tác giả sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau: - Nghiên cứu các mô hình toán hiện có trên thế giới để giải quyết các. .. giải bài toán mô hình hóa Với sự phức tạp của các mô hình toán học và của cách giải bài toán bằng phương pháp sai phân (để tương ứng với các hiện tượng thiên nhiên), các kết quả tính toán của các mô hình này thường có nhiều sai số Đối với bài toán thủy lực, các nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam đã giới thiệu được mô hình toán phù hợp để tính toán dòng chảy trên biển Tuy nhiên, vấn đề độ chính xác... cho thấy các mô hình này đáng tin cậy Do các mô hình toán ở đây được giải quyết với các điều kiện tự nhiên tổng quát nên có thể được áp dụng trên vùng biển bất kỳ Công cụ tính toán và dự báo diễn biến môi trường giúp các nhà quản lý giám sát, dự báo và có biện pháp xử lý kịp thời khi có sự cố xảy ra, phục vụ tốt cho kinh tế, quốc phòng, sản xuất và đời sống 11 TỔNG QUAN  TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN... 3 )Mô hình NAM Mô hình NAM [15] là một hệ thống mô hình hóa hoàn lưu Đại dương ba chiều bao gồm các chương trình tạo lưới và cách đóng kín có tính đến sóng vỡ bề mặt Hệ thống còn có các chương trình xử lý số liệu cho phép áp dụng NAM trong dự báo Các mô hình số trị của hoàn lưu Đại dương đòi hỏi một bộ các điểm lưới rời rạc bao phủ miền vật lý, trong đó vấn đề chính của tạo lưới là bản đồ số hóa các. .. Research Model) Hướng nghiên cứu này phù hợp với các nghiên cứu biển và cả nghiên cứu tương tác biển-khí quyển Mỗi mô hình có những ưu thế riêng, sự khác biệt là ở chỗ sử dụng các phương pháp tính, các thuật giải và cách xử lý các tham số khác nhau 12 A/ Loại mô hình có phƣơng thẳng đứng rời rạc hóa theo tọa độ địa lý theo hƣớng phân lớp 1) Mô hình BSH Các toán tử của hệ thống mô hình BSH được thiết... thuật về mô hình Để đạt mục tiêu của dự án, các chuyên gia Nauy sẽ tổ chức tập huấn cho các nhà nghiên cứu, cao học và nghiên cứu sinh thuộc dự án về mô hình hóa tại Việt Nam như mô hình hóa các quá trình biến đổi sinh lý hóa trong Đại dương, mô hình vật lý, mô hình sinh thái v.v… 4) Mô hình IMR Mô hình này dựa trên các phương trình nguyên thủy ba chiều, phụ thuộc vào thời gian, gió và sự truyền mật độ