Tìm hiểu mô hình hóa chất lượng nước

Header Page of 145 GVHD: Phạm Phú Song Toàn Trang SVTH: Đoàn Ngọc Tùng LỜI CẢM ƠN Trong trình thực đồ án tốt nghiệp em xin cảm ơn hƣớng dẫn nhiệt tình thầy giáo Phạm Phú Song Toàn giảng viên chuyên ngành môi trƣờng khoa công nghệ hóa học Cảm ơn thầy cô khoa Công nghệ hóa học, trƣờng cao đẳng Công Nghệ, thành phố Đà Nẵng tận tình dậy suốt trình học tập Mặc dù cố gắn nhƣng trình thực đồ án nhiều bỡ ngỡ, chƣa có nhiều kinh nghiệm nên không tránh khỏi sai sót Vì vậy, em mong nhận đƣợc góp ý thầy, cô giáo Em xin chân thành cảm ơn! Đà Nẵng tháng 06 năm 2011 Sinh viên thực Đoàn Ngọc Tùng Footer Page of 145 Đề tài: Tìm hiểu mô hình hóa chất lượng nước Header Page of 145 GVHD: Phạm Phú Song Toàn Trang SVTH: Đoàn Ngọc Tùng MỤC LỤC PHẦN I MỞ ĐẦU PHẦN II TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƢỜNG CHƢƠNG CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 Các định nghĩa khái niệm 1.1.1 Định nghĩa mô hình 1.1.2 Mục tiêu thành lập mô hình: 1.1.3 Đặc trƣng mô hình: 1.2 Mô hình môi trƣờng 12 CHƢƠNG 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 liệu 15 2.2.2 Mô hình khái niệm 15 2.2.3 Mô hình giải tích 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 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 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 HIỆU CHỈNH CÁC THÔNG SỐ MÔ HÌNH 23 3.1 Khái quát vấn đề 23 Footer Page of 145 Đề tài: Tìm hiểu mô hình hóa chất lượng nước Header Page of 145 GVHD: Phạm Phú Song Toàn Trang SVTH: Đoàn Ngọc Tùng 3.2 Các bƣớc 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 THỂ HIỆN MÔ HÌNH 29 4.1 Kiểm nghiệm 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 kiểm nghiệm mô hình 36 CHƢƠNG ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƢỜNG 37 5.1 Sơ đồ phát triển ứng dụng mô hình 37 5.2 Xu phát triển mô hình hóa môi trƣờng theo quy mô không gian 37 PHẦN III MÔ HÌNH HÓA CHẤT LƢỢNG NƢỚC VÀ ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HÓA CHẤT LƢỢNG NƢỚC 39 CHƢƠNG CHẤT LƢỢNG NƢỚC VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG NGUỒN NƢỚC 39 6.1 Nguồn nuớc phân loại nguồn nƣớc 39 6.1.1 Sự hình thành chất lƣợng thành phần tính chất nguồn nƣớc 39 6.1.2 Phân loại nguồn nƣớc 42 6.2 Chất lƣợng nguồn nƣớc 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 khu dân cƣ 49 6.3.2 Nƣớc thải công nghiệp 51 Footer Page of 145 Đề tài: Tìm hiểu mô hình hóa chất lượng nước Header Page of 145 GVHD: Phạm Phú Song Toàn Trang SVTH: Đoàn Ngọc Tùng 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 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MÔ HÌNH CHẤT LƢỢNG NƢỚC 53 7.1 Các phƣơng trình 53 7.2 Hệ số khuếch tán rối 54 7.3 Sự chuyển hoá chất dòng chảy 58 7.3.1 Chu trình nitơ nguồn nƣớc trình nitrat hóa 58 7.3.2 Sự phân hủy chất hữu 61 7.3.3 Cân oxy dòng chảy 64 CHƢƠNG THIẾT LẬP MÔ HÌNH CHẤT LƢỢNG NƢỚC, MÔ HÌNH DO&BOD 67 8.1 Các bƣớc thực xây dựng mô hình chất lƣợng nƣớc 67 8.1.1 Bƣớc đầu 67 8.1.2 Bƣớc 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 vấn đề 70 8.3 Các phƣơng pháp số tính toán lan truyền chất ô nhiễm dòng chảy 70 8.3.1 Các phƣơng pháp số nghiên cứu mô hình thủy lực 70 8.3.2 Phƣơng pháp số giải toán lan truyền chất 72 8.4 Các mô hình BOD & D (DO) dòng chảy 73 8.4.1 Phƣơng trình 73 8.4.2 Phƣơng trình cổ điển Streeter-Phelps 74 8.4.3 Các nghiên cứu phát triển sở phƣơng trình Streeter-Phelps 75 CHƢƠNG XÂY DỰNG MÔ HÌNH LAN TRUYỀN VÀ CHUYỂN HÓA CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG DÒNG CHẢY 79 Footer Page of 145 Đề tài: Tìm hiểu mô hình hóa chất lượng nước Header Page of 145 GVHD: Phạm Phú Song Toàn Trang SVTH: Đoàn Ngọc Tùng 9.1 Phƣơng trình lan truyền chất dòng chảy 79 9.2 Tính toán lan truyền chất ô nhiễm dòng chảy sông 81 9.2.1 Các phƣơng trình toán mô hình 82 9.2.2.Tính toán lan truyền chất 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 đoạn tính chất thủy lực 100 Footer Page of 145 Đề tài: Tìm hiểu mô hình hóa chất lượng nước Header Page of 145 GVHD: Phạm Phú Song Toàn Trang SVTH: Đoàn Ngọc Tùng PHẦN I MỞ ĐẦU Hiện nay, ô nhiễm môi trƣờng vấn đề báo động song hành với phát triển kinh tế xã hội, đặc biệt quốc gia phát triển Tại nhiều nơi, chất lƣợng nƣớc, đất, không khí suy giảm nhanh chóng vƣợt qua khả tự làm tự nhiên Là sinh viên ngành công nghệ kỹ thuật môi trƣờng, em mong ƣớc đƣợc góp chút sức lực làm cho môi trƣờng sống ngày sạch, hạn chế đƣợc mức độ ô nhiễm, hành tinh ngày xanh đẹp Qua năm học tập nghiên cứu Trƣờng cao đẳng Công nghệ Đà Nẵng, em đƣợc thầy, cô truyền đạt cho kiến thức lý thuyết thực hành, để chúng em áp dụng kiến thức vào thực tế làm quen công việc độc lập ngƣời kỹ sƣ tƣơng lai, lý mà em đƣợc nhận đề tài tốt nghiệp thực tế là: "Tìm hiểu mô hình hóa chất lƣợng nƣớc" Mục tiêu đề tài: Tìm hiểu mô hình hóa chất lƣợng môi trƣờng nƣớc Mô hình hóa môi trƣờng nói chung mô hình hóa chất lƣợng môi trƣờng nƣớc  Nhiệm vụ: Thu thập thông tin từ giáo trình, sách báo mạng internet nguồn khác Nghiên cứu mô hình hóa môi trƣờng sâu vào mô hình xác định chất lƣợng nƣớc  Ý nghĩa thực tế vấn đề liên quan: Việc ứng dụng mô hình hóa vào lĩnh vực môi trƣờng ý nghĩa Nghiên cứu đề tài giúp em hiểu sâu phƣơng pháp đánh giá dự đoán xu hƣớng ô nhiễm môi trƣờng Bên cạnh đề tài liên quan đến số lĩnh vực khác nhƣ: biến đổi khí hậu toàn cầu, mô hình hóa chất lƣợng không khí… Footer Page of 145 Đề tài: Tìm hiểu mô hình hóa chất lượng nước Header Page of 145 GVHD: Phạm Phú Song Toàn Trang SVTH: Đoàn Ngọc Tùng PHẦN II TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƢỜNG CHƢƠNG CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1 Các định nghĩa khái niệm 1.1.1 Định nghĩa mô hình • Mô hình cấu trúc mô tả hình ảnh đƣợc tối giản hóa theo đặc điểm diễn biến đối tƣợng, tƣợng, khái niệm hệ thống • Mô hình hình ảnh vật thể đƣợc thu nhỏ phóng đại, làm gọn phƣơng trình toán học, công thức vật lý, phần mềm tin học để mô tả trạng thực tế mang tính điển hình • Mô hình hoá khoa học cách mô phỏng, giản lƣợc thông số thực tế nhƣng diễn tả đƣợc tính chất thành phần mô hình Mô hình không hoàn toàn vật thể thực nhƣng giúp cho hiểu rõ hệ thống thực tế • Mô hình hóa môi trƣờng ngành khoa học mô tƣợng lan truyền chất ô nhiễm dự báo thay đổi môi trƣờng theo không gian thời gian Ví dụ 1.1: Để thể thay đổi lƣợng nƣớc hồ chứa ngƣời ta đƣa hình ảnh nhƣ hình 1.2 Biết kích thƣớc hình học hồ chứa, lƣu lƣợng vào, lƣu lƣợng ra, xác định dao động mực nƣớc hồ Hình 1.1 Mô hình thể thay đổi khối lƣợng nƣớc hồ chứa Ví dụ : Nhà khoa học Meadown cộng (1972) tìm đƣợc mối quan hệ gia tăng dân số, việc sản xuất lƣơng thực, sản xuất công nghiệp, nguồn tài Footer Page of 145 Đề tài: Tìm hiểu mô hình hóa chất lượng nước Header Page of 145 GVHD: Phạm Phú Song Toàn Trang SVTH: Đoàn Ngọc Tùng nguyên mức độ ô nhiễm có quan hệ với Nhóm nghiên cứu đƣa mô hình dự báo giới nhƣ hình 1.3 Hình 1.2 Mô hình dự báo tình hình giới đến năm 2100 1.1.2 Mục tiêu thành lập mô hình Diễn biến mô trƣờng phức tạp thực tế liên quan đến nhiều lĩnh vực khoa học khác (hình 1.3) Do nhu cầu hiểu rõ chất tự nhiên việc thực tế, nhà khoa học tìm cách đơn giản hóa nhƣng vấn đề phức tạp mức làm đƣợc nhƣng không xa rời thực tế để có sở giải thuật tìm hƣớng vấn đề tính toán khả xảy tƣơng lai Hình 1.3 Đƣờng chất gây ô nhiễm vòng tuần hoàn nƣớc Footer Page of 145 Đề tài: Tìm hiểu mô hình hóa chất lượng nước Header Page of 145 GVHD: Phạm Phú Song Toàn Trang SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Có mục tiêu thực mô hình: • Tạo sở lý luận: - Mô hình giúp ta dễ diễn tả hình ảnh kiện hệ thống; - Mô hình mang tính đại diện đặc điểm thể; - Mô hình giúp ta sở đánh giá tính biến động cách logic có tác động bên vào từ • Tiết kiệm chi phí nhân lực: - Mô hình giúp ta thêm số liệu cần thiết; - Mô hình giúp giảm chi phí lấy mẫu; - Mô hình đƣợc thử nghiệm với thay đổi theo ý muốn 1.1.3 Đặc trƣng mô hình Một cách tổng quát, tất mô hình phải có thành tố nhƣ hình 1.5: Hình 1.4 Ba thành tố mô hình • Thông tin vào: bao gồm dạng sở liệu đƣa vào để mô hình xử lý • Tiến trình xử lý thông tin: bao gồm trình tiếp nhận liệu vào, tính toán, phân tích, đánh giá xuất liệu • Thông tin ra: thể dạng đồ thị, biểu bảng, báo cáo đánh giá kết Trong điều kiện chƣa thể giải toàn toán phức tạp tự nhiên, ngƣời ta chia tƣợng thực tế thành mảng đề tài khác phần chia đƣợc xem nhƣ toán riêng rẽ có mô hình tƣơng ứng Ví dụ chia diễn biến dòng chảy trình chu trình nƣớc thành đề tài nhỏ nhƣ hình 1.6 Footer Page of 145 Đề tài: Tìm hiểu mô hình hóa chất lượng nước Header Page 10 of 145 GVHD: Phạm Phú Song Toàn Trang 10 SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Hình 1.5: Chia vấn đề lớn thành vấn đề riêng rẽ Một mô hình cần thể đặc trƣng sau: - Mô hình cần đƣợc tối giản với số giả định đặt - Điều kiện biên điều kiện ban đầu cần định danh; - Mức độ khả ứng dụng mô hình xác lập đƣợc Mô hình thƣờng áp dụng theo kiểu khung khái quát theo ngành khoa học tính toán, mang tên 3A, viết tắt từ chữ Application (ứng dụng), Algorithm (thuật toán), Architecture (kiến trúc) theo hình vẽ 1.7 sau: Footer Page 10 of 145 Đề tài: Tìm hiểu mô hình hóa chất lượng nước Header Page 101 of 145 GVHD: Phạm Phú Song Toàn Trang 101 SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Chú ý điểm nguồn điểm nguồn nhƣ điểm chảy điểm không chảy có vị trí theo suốt chiều dài sông Headwater boundary Point source Point withdrawal Point source Non-point source Point withdrawal Non-point withdrawal Point source Downstream boundary Figure QUAL2K segmentation scheme for a river with no tributaries Hệ thống gồm sông nhánh (hình2) Số lƣợng đoạn sông đƣợc đánh số đoạn tăng dần thƣợng nguồn sông Khi đến chỗ nối với nhánh sông đoạn sông số thứ tự tiếp tục đƣợc đánh từ thƣợng nguồn từ nhánh sông Quan sát thƣợng nguồn nhánh sông số liên dãy xếp tƣơng tự đến đoạn sông Chú ý nhánh sông lớn hệ thống đƣợc quy nhƣ đoạn sông Đặc biệt thực tế quan trọng phần mềm cung cấp đồ thị đầu mô hình đoạn sông Phần mềm tạo đồ thị riêng biệt hệ thống sông nhƣ sông nhánh Footer Page 101 of 145 Đề tài: Tìm hiểu mô hình hóa chất lượng nước Header Page 102 of 145 GVHD: Phạm Phú Song Toàn Trang 102 SVTH: Đoàn Ngọc Tùng HW#1 HW#2 ib r 11 T 10 HW#3 Tr ib 13 12 14 15 16 17 18 HW#4 22 19 Tr ib 23 20 24 21 25 26 Main stem 27 28 29 (a) A river with tributaries (b) Q2K reach representation Figure QUAL2K segmentation scheme for (a) a river with tributaries The Q2K reach representation in (b) illustrates the reach, headwater and tributary numbering schemes Cuối mô hình đoạn sông chia thêm dãy phần tử có khoảng cách Trong tranh thứ rõ số phần tử mong muốn n=4 Reach Elements Figure If desired, any model reach can be further subdivided into a series of n equal-length elements Footer Page 102 of 145 Đề tài: Tìm hiểu mô hình hóa chất lượng nước Header Page 103 of 145 GVHD: Phạm Phú Song Toàn Trang 103 SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Cân dòng chảy: Nhƣ đã đƣợc miêu tả phần trƣớc, đơn vị mô hình Q2K phần tử Một dòng chảy ổn định cân phƣơng tiện cho mô hình phần tử Qi  Qi 1  Qin,i  Qout,i [1] Trong Qi lƣợng chảy từ phần tử i vào phần tử xuôi dòng i + [m3/d], Qi–1 lƣợng chảy vào từ phần tử ngƣợc dòng i – [m3/d], Qin,i tổng lƣợng chảy vào phần tử từ điểm nguồn điểm nguồn [m3/d], Qout,i tổng lƣợng chảy từ phần tử đến điểm chảy điểm chảy [m3/d] Vì vậy, lƣợng chảy xuôi dòng chênh lệch lƣợng vào nguồn nƣớc tăng thêm trừ lƣợng chảy mát Qin,i i1 Qout,i Qi1 Qi i i+1 Figure Element flow balance Tổng lƣợng chảy vào từ nguồn tính toán nhƣ sau Qin ,i  Trong Qps,i,j psi npsi  Q ps,i, j   Qnps,i, j [2] j 1 j 1 lƣợng chảy vào từ điểm nguồn thứ j đến phần tử i, psi tổng số điểm nguồn đến phần tử i, Qnps,i,j lƣợng chảy vào từ điểm điểm nguồn chảy tới phần tử i, npsi tổng số điểm điểm nguồn chảy vào phần tử i Tổng lƣợng chảy từ nguồn chảy đƣợc tính toán nhƣ sau: Footer Page 103 of 145 Đề tài: Tìm hiểu mô hình hóa chất lượng nước Header Page 104 of 145 GVHD: Phạm Phú Song Toàn Trang 104 SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Qout,i  pai Q pa,i , j npai Q  j 1 j 1 npa,i , j [3] Trong Qpa,i,j lƣợng chảy điểm chảy thứ j từ phần tử i, pai tổng số điểm chảy từ phần tử i, Qnpa,i,j lƣợng chảy điểm điểm chảy thứ j từ phần tử i, npai tổng số điểm điểm chảy từ phần tử i Các điểm điểm nguồn điểm chảy đƣợc mô hình nhƣ đƣờng nguồn Nhìn tranh 5, điểm điểm nguồn điểm chảy đƣợc phân ranh giới điểm bắt đầu điểm kết thúc dài đến hàng kilomet Nó chảy phân bố từ phần tử , theo chiều dài chiều rộng Qnpt 25% 25% 50% 1 start end Figure The manner in which non-point source flow is distributed to an element Tính chất thủy lực học: Một lƣợng chảy phần tử đƣợc tính toán, chiều rộng chiều sâu đƣợc tính toán theo cách sau : weirs, rating curves, and công thức Manning Chƣơng trình lựa chọn cách trên: Nếu chiều rộng chiều cao đập đƣợc nhập vào, đập nƣớc đƣợc chọn làm phƣơng tiện tính toán Footer Page 104 of 145 Đề tài: Tìm hiểu mô hình hóa chất lượng nước Header Page 105 of 145 GVHD: Phạm Phú Song Toàn Trang 105 SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Nếu chiều rộng chiều cao đập hệ số đƣờng cong ( a  ) đƣợc nhập vào Phƣơng tiện rating curves đƣợc chọn làm phƣơng tiện tính toán Nếu quy định trƣớc mét Q2K sử dụng công thức Manning Đập nƣớc: Bức tranh cho thấy có đập nƣớc đƣợc miêu tả Q2K Chú ý đập nƣớc xảy điểm cuối phần tử đơn đoạn sông, tranh cho thấy thông số sau H i chiều sâu phần tử ngƣợc dòng đập nƣớc [m], Hi+1 chiều sâu phần tử xuôi dòng đập [m], elev2 i độ cao so với mực nƣớc biển điểm cuối phần tử ngƣợc dòng [m], elev1 i+1 độ cao so với mực nƣớc biển điểm đầu phần tử xuôi dòng H w độ cao đập elev2 i , Hd độ hạ thấp độ cao mực nƣớc bề mặt phần tử i phần tử i +1 (a) Side (b) Cross-section Bw Hi Hd Hw Hh Hi Hw Hi+1 elev2i elev1i+1 elev2i elev1i+1 Figure A sharp-crested weir occurring at the boundary between two reaches Hh độ cao đỉnh bên đập [m], Bw chiều rộng đập [m] Chú ý chiều rộng đập khác với chiều rộng phần tử, Bi Đây dạng đập Hh/Hw < 0.4, dòng chảy có liên quan đến đầu nguồn (Finnemore and Franzini 2002) Qi  1.83Bw H h3 / [4] Trong Qi lƣợng chảy từ phần tử ngƣợc dòng đập, m3/s, Bw, Hh mét Công thức đƣợc làm sang tỏ nhƣ sau: Footer Page 105 of 145 Đề tài: Tìm hiểu mô hình hóa chất lượng nước Header Page 106 of 145 GVHD: Phạm Phú Song Toàn Trang 106 SVTH: Đoàn Ngọc Tùng  Qi H h    1.83B w    2/3 [5] Kết sử dụng để tính toán chiều sâu phần tử I, H i  H w  H h [6] Và tính độ hạ thấp đập H d  elev2i  H i  elev1i 1  H i 1 [7] Chú ý độ hạ thấp sử dụng để tính toán lƣợng Oxy CO2 di chuyển qua đập Tại khu vực mặt cắt ngang, chiều sâu, bề mặt thể tích phần tử i đƣợc tính toán nhƣ sau Ac,i  Bi H i [8] Ui  Qi Ac ,i [9] As ,i  Bi xi Vi  Bi H i xi Trong Bi độ rộng phần tử i, ∆xi chiều dài phần tử i Chú ý nhiều đoạn sông với nhiều đập, đoạn sông với chiều rộng đƣợc nhập vào Giá trị đƣợc nhập vào cột AA ( nhãn "Bottom Width") Reach Worksheet Hệ số đƣờng cong: Phƣơng trình lũy thừa sử dụng mối liên quan giá trị trung bình chiều dọc chiều sâu phần tử đoạn sông U  aQ b [10] H  Q  [11] Footer Page 106 of 145 Đề tài: Tìm hiểu mô hình hóa chất lượng nước Header Page 107 of 145 GVHD: Phạm Phú Song Toàn Trang 107 SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Trong a, b,  ,  hệ số kinh nghiệm đƣợc xác định từ phán tán dọc trục phát tán theo giai đoạn ứng với hệ số đƣờng cong Giá trị chiều dọc chiều sâu đƣợc dùng để xác định diện tích mặt cắt ngang chiều rộng Q [12] U A B  c [13] H Ac  Diện tích bề mặt thể tích tính nhƣ sau As  Bx V  BHx Số mũ b  đƣợc đặc trƣng bảng ý tổng b  phải Nếu trƣờng hợp mà chiều rộng giảm với gia tăng dòng chảy Nếu tổng chúng kênh sông hình chữ nhật Table Typical values for the exponents of rating curves used to determine velocity and depth from flow (Barnwell et al 1989) Equation Exponent U  aQb b  H  Q  Typical value 0.43 0.45 Range 0.40.6 0.30.5 Trong số ứng dụng, bạn phải rõ giá trị số chiều dọc chiều sâu không làm thay đổi dòng chảy Nó làm đặt b  xếp a cân với yêu cầu chiều dọc α cân với yêu cầu chiều sâu Công thức manning: Mỗi phần tử đoạn sông riêng biệt lý tƣởng hóa nhƣ hình thang Với điều kiện dòng chảy ổn định công thức manning sử dụng thể mối quan hệ dòng chảy chiều sâu Footer Page 107 of 145 Đề tài: Tìm hiểu mô hình hóa chất lượng nước Header Page 108 of 145 GVHD: Phạm Phú Song Toàn Trang 108 SVTH: Đoàn Ngọc Tùng S 01 / Ac5 / Q [14] n P2/3 Trong Q lƣu lƣợng dòng chảy [m3/s], S0 độ dốc đáy sông [m/m] , n hệ số gồ ghề, Ac diện tích mặt cắt ngang [m2] P chu vi thấm ƣớt [m] S0 B1 H ss1 ss2 B0 Q, U Figure Trapezoidal channel Diện tích mặt cắt ngang lòng sông hình thang đƣợc tính toán nhƣ sau Ac  B0  0.5(s s1  s s )H H [15] Trong B0 chiều rộng đáy sông [m], ss1 ss2 hai độ dốc cạnh xem hình 7, [m/m], H chiều sâu phần tử [m] Chu vi thấm ƣớt đƣợc tính nhƣ sau P  B0  H s s21   H s s22  [16] Sau biến đổi công thức 16, 15 14 tính toán lặp lại chiều sâu (Chapra and Canale 2006), (Qn) /  B0  H k 1 s s21   H k 1 s s22     Hk  / 10 S B0  0.5( s s1  s s ) H k 1  2/5 [17] Trong k = 1, 2, …n n số lần lặp Ban đầu ƣớc chừng H0 = đƣợc dùng Phƣơng pháp kết thúc đánh giá sai số bên dƣới nhỏ 0.001% Đánh giá sai số đƣợc tính nhƣ sau a  Footer Page 108 of 145 H k 1  H k  100% [18] H k 1 Đề tài: Tìm hiểu mô hình hóa chất lượng nước Header Page 109 of 145 GVHD: Phạm Phú Song Toàn Trang 109 SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Diện tích mặt cắt ngang đƣợc xác định công thức 15 vận tốc xác định từ công thức sau, U  Q [19] Ac Giá trị trung bình chiều rộng phần tử B[m] tính toán nhƣ sau: B Ac [20] H Chiều rộng bên B1[m] thể đƣợc tính toán nhƣ sau B1  B0  (s s1  s s ) H Diện tích bề mặt thể tích phần tử đƣợc tính toán nhƣ sau: As  B1 x V  BHx Đề xuất giá trị hệ số manning cho bảng 2, n đặc trƣng cho giá trị dòng chảy chiều sâu (Gordon et al 1992) Chiều sâu giảm chiều dòng chảy thấp, liên quan đến dao động thƣờng xuyên đƣợc tăng lên Giá trị hệ số manning đƣợc công bố từ 0.015 lòng sông nhẵn nhịu đến 0.15 lòng sông gồ ghề miêu tả tình trạng dòng chảy có khả tạo thành bãi ngầm (Rosgen, 1996) Điều kiện tới hạn độ sâu ƣớc lƣợng chất lƣợng nƣớc đại thể bãi ngầm sâu liên quan đến tính chất gồ ghề độ cao Footer Page 109 of 145 Đề tài: Tìm hiểu mô hình hóa chất lượng nước Header Page 110 of 145 GVHD: Phạm Phú Song Toàn Trang 110 SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Table The Manning roughness coefficient for various open channel surfaces (from Chow et al 1988) MATERIAL Man-made channels Concrete Gravel bottom with sides: Concrete mortared stone Riprap Natural stream channels Clean, straight Clean, winding and some weeds Weeds and pools, winding Mountain streams with boulders Heavy brush, timber n 0.012 0.020 0.023 0.033 0.025-0.04 0.03-0.05 0.05 0.04-0.10 0.05-0.20 Thác nƣớc: Trong phần đập nƣớc chảy nƣớc đập đƣợc tính toán, giá trị cần đƣợc tính toán tăng dần xảy vài trƣờng hợp Thêm vào đập, chảy xuống hầu nhƣ xảy thác nƣớc Chú ý thác nƣớc xảy điểm cuối đoạn sông Hi elev2i Hd Hi+1 elev1i+1 Figure A waterfall occurring at the boundary between two reaches Qual2k tính toán dòng chảy trƣờng hợp độ cao so với mực nƣớc biển dốc ranh giới hai đoạn sông , công thức dùng để tính toán hạ thấp dòng chảy Footer Page 110 of 145 Đề tài: Tìm hiểu mô hình hóa chất lượng nước Header Page 111 of 145 GVHD: Phạm Phú Song Toàn Trang 111 SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Chú ý hạ thấp tính toán độ cao so với mực nƣớc biển xuôi dòng kết thúc đoạn sông lớn điểm bắt đầu đoạn sông xuôi dòng nghĩa elev2i > elev1i+1 Travel Time (Thời gian di chuyển): Thời gian lƣu phần tử đƣợc tính toán nhƣ sau: k  Vk Qk (1) Trong  k thời gian lƣu phần tử thứ k [d] Vk thể tích phần tử thứ k [m3], Ac,kxk, Ac,k diện tích mặt cắt ngang phần tử thứ k[m2], xk độ dài phần tử thứ k[m] Thời gian tích lũy để xác định thời gian di chuyển khắp chiều dài đoạn sông, ví dụ thời gian di chuyển từ đầu nguồn đến cuối nguồn phần tử thứ j đoạn sông đƣợc tính toán nhƣ sau: tt, j  j  k 1 k [22] Trong tt,j thời gian di động Phát tán dọc trục: Hai lựa chọn đƣợc sử dụng để xác định phát tán dọc trục ranh giới hai phần tử Đầu tiên, ngƣời sử dụng đánh giá, giá trị nhập vào Reach Worksheet Nếu ngƣời sử dụng không nhập giá trị, công thức bên đƣợc dùng tính toán phát tán tính chất thủy lực lòng sông (Fischer et al 1979), E p ,i U i2 Bi2  0.011 [23] H iU i* Phát tán dọc trục phần tử i phần tử i+1 [m2/s], Ui vận tốc [m/s], B i chiều rộng [m], Hi giá trị trung bình chiều sâu [m] U i* vận tốc cắt [m/s] Nó đƣợc tính nhƣ sau: U i*  gH i S i [24] Trong g gia tốc trọng trƣờng [= 9.81 m/s2] S độ dốc lòng sông [không thứ nguyên] Sau tính toán Ep,i, số phát tán tính nhƣ sau: E n,i  Footer Page 111 of 145 U i xi [25] Đề tài: Tìm hiểu mô hình hóa chất lượng nước Header Page 112 of 145 GVHD: Phạm Phú Song Toàn Trang 112 SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Độ phát tán mô hình Ei ( giá trị đƣợc sử dụng tính toán mô hình) Nếu En,i  Ep,i, độ phát tán mô hình, Ei Ep,i  En,i Nếu En,i > Ep,i, độ phát tán mô hình Trong số trƣờng hợp dƣới đây, kết độ phát tán mô hình lớn độ phát tán vật lý Nhƣ vậy, trộn lẫn phát tán cao thực tế, Chú ý dòng sông chảy ổn định, tập trung độ dốc không đáng kể Nếu khác quan trọng, lựa chọn phần tử có chiều dài nhỏ số phát tán mô hình trở thành nhỏ số phát tán vật lý Nhiệt độ mô hình Nhƣ hình 9, cân nhiệt cần tính toán trao đổi nhiệt từ phần tử gần kề, tải xuống, dòng chảy ra, không khí trầm tích Một cân nhiệt đƣợc viết với phần tử i, nhƣ sau: Qout,i dTi Qi 1 Qi Ei'1 Ei' Ti1  Ti   Ti1  Ti   Ti 1  Ti  Ti  dt Vi Vi Vi Vi Vi J a ,i  m  J s ,i  m   m3           w C pwVi  106 cm   w C pw H i  100 cm   w C pw H i  100 cm  W h ,i [26] Trong đó: Ti -Nhiệt độ phần tử i, [0C], t -Thời gian [d], E’I -Hệ số phát tán lớn phần tử i phần tử i+1 [m3/d], Wh,i -Mạng nhiệt từ điểm nguồn điểm nguồn phần tử i[cal/d] w -Tỷ trọng nƣớc [g/m3], Cpw -Nhiệt dung riêng nƣớc [cal/(g oC)], Ja,i -Dòng chảy nhiệt không khí nƣớc [cal/(cm2 d)], Js,i -Dòng chảy nhiệt nƣớc trầm tích [cal/(cm2 d)] heat load atmospheric transfer inflow dispersion heat withdrawal outflow i dispersion sediment-water transfer sediment Figure Heat balance for an element Hệ số phát tán tính toán nhƣ sau: Footer Page 112 of 145 Đề tài: Tìm hiểu mô hình hóa chất lượng nước Header Page 113 of 145 GVHD: Phạm Phú Song Toàn Ei'  Trang 113 SVTH: Đoàn Ngọc Tùng xi Ei Ac,i  xi 1  / [27] Chú ý hai loại điều kiện biên đƣợc sử dụng đến điểm cuối dòng chảy xuôi dòng sông, (1) điều kiện phát tán (2) điều kiện xuôi dòng chảy, hội lựa chọn tạo Downstream Worksheet Mạng nhiệt từ nguồn đƣợc tính toán nhƣ sau (recall Eq 2) npsi  psi   Wh,i  C p  Q ps,i, j T psi , j   j 1  Qnps,i, jTnpsi, j  [28]  j 1 Tps,i,j nhiệt độ điểm nguồn thứ j phần tử i[ C] Tnps,i,j nhiệt độ điểm điểm nguồn phần tử i[0C] Dòng nhiệt bề mặt: Nhƣ đƣợc miêu tả hình 10, thay đổi nhiệt độ bề mặt mô hình nhƣ kết hợp trình J h  I (0)  J an  J br  J c  J e [29] I(0) -là xạ mặt trời sóng ngắn bề mặt nƣớc, Jan -là xạ sóng dài không khí, Jbr -phản xạ sóng dài từ nƣớc, Jc -là độ dẫn điện, Je -là bốc Tất dòng chảy biểu diễn cal/cm2/d non-radiation terms radiation terms air-water interface solar shortwave radiation atmospheric longwave radiation net absorbed radiation water longwave radiation conduction and convection evaporation and condensation water-dependent terms Figure The components of surface heat exchange Bức xạ mặt trời: Mô hình tính toán số lƣợng lớn xạ mặt trời vào nƣớc đƣờng vĩ độ (Lat) kinh độ (Llm) đặc biệt bè mặt trái đất Footer Page 113 of 145 Đề tài: Tìm hiểu mô hình hóa chất lượng nước Header Page 114 of 145 GVHD: Phạm Phú Song Toàn Trang 114 SVTH: Đoàn Ngọc Tùng Số lƣợng công thức xạ tầng khí trái đất, mà vận chuyển không khí yếu, không khí loãng, mây bao phủ, phản xạ, bóng tối I (0)  I0 at ac (1  Rs ) extraterrestrial atmospheric cloud reflection radiation attenuation attenuation (1  S f ) shading [30] Trong đó: I(0) -Là xạ mặt trời bề mặt nƣớc [cal/cm2/d], I0 -Bức xạ khí ( tầng khí trái đất), [cal/cm2/d], at -Không khí loãng, ac -Mây mỏng, Rs -Suất phản chiếu (phản xạ nhỏ), Sf -Hệ số hiệu bóng tối ( trở ngại nhỏ sinh vật) Footer Page 114 of 145 Đề tài: Tìm hiểu mô hình hóa chất lượng nước Header Page 115 of 145 GVHD: Phạm Phú Song Toàn Trang 115 SVTH: Đoàn Ngọc Tùng TÀI LIỆU THAM KHẢO La Anh Tuấn Mô hình hóa môi trường Trƣờng Đại học Cần Thơ 2008 TSKH Bùi Tá Long Nội dung giản điện tử Đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh Jerald L Schnoor Environmental Modeling 1996 A.James An Introduction to water quality modeling 1996 Mervin D.Palmer Water quality modeling A guide to effective practice 2001 Linfield C.Brow and Thomas O.Branwel The enhanced stream water quality Qual2E and Qual2E-uncas: Documentation and user manual 1987 Steve C Chapra Sufrace water-quality modeling 1997 Khoa kỹ thuật biển, trƣờng đại học Thủy Lợi Mô hình hóa môi trường 10 http://environment-safety.com 11 http://nuoc.com.vn Footer Page 115 of 145 Đề tài: Tìm hiểu mô hình hóa chất lượng nước ... nghiệp thực tế là: "Tìm hiểu mô hình hóa chất lƣợng nƣớc" Mục tiêu đề tài: Tìm hiểu mô hình hóa chất lƣợng môi trƣờng nƣớc Mô hình hóa môi trƣờng nói chung mô hình hóa chất lƣợng môi trƣờng nƣớc... dụng mô hình 37 5.2 Xu phát triển mô hình hóa môi trƣờng theo quy mô không gian 37 PHẦN III MÔ HÌNH HÓA CHẤT LƢỢNG NƢỚC VÀ ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HÓA CHẤT LƢỢNG NƢỚC 39 CHƢƠNG CHẤT... hành mô hình Tất phần mềm mô hình thƣờng đƣợc vận hành thử nghiệm theo tiến trình tổng quát nhƣ hình 2.1 sau: Hình 2.1 Tiến trình mô hình Footer Page 14 of 145 Đề tài: Tìm hiểu mô hình hóa chất lượng