(Luận văn thạc sĩ) một số vấn đề khoa học trong nghiên cứu mô phỏng và tính toán chất lượng nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN HỒNG PHONG MỘT SỐ VẤN ĐỀ KHOA HỌC TRONG NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG VÀ TÍNH TỐN CHẤT LƯỢNG NƯỚC Ngành: Cơ học kỹ thuật Chuyên ngành: Cơ học kỹ thuật Mã số: 60 52 02 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Trần Thu Hà Hà Nội - 2012 MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG MÔ HÌNH TÍNH TỐN MƠ PHỎNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC 1.1 Tổng quan kết nước mơ hình tính tốn mơ chất lượng nước 1.2 Mơ hình lan truyền nhiễm chiều 1.3 Thuật tốn giải hệ phương trình dịng chảy chiều 1.4 Thuật tốn giải phương trình truyền tải khuyếch tán chiều 10 1.5 Phát triển mơ hình truyền tải đa chất 11 1.6 Hiệu chỉnh số tính tốn thuật toán 13 CHƯƠNG CÁC TÍNH TỐN KIỂM ĐỊNH CHẤT LƯỢNG MƠ HÌNH 14 2.1 Kiểm tra thuật giải số cho toán thủy lực chiều .14 2.2 Kiểm tra thuật giải số cho toán lan truyền chất 19 3.1 Số liệu địa hình thơng số đo đạc 25 3.2 Các kết tính tốn mơ 29 KẾT LUẬN 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO .38 PHỤ LỤC 40 DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ Bảng 3.1: Số liệu đo đạc tiêu nhiễm sử dụng mơ hình Bảng 3.2: So sánh kết tính tốn vị trí có điểm đo đạc Hình 1.1: Lưới khơng cấu trúc dạng tam giác Hình 1.2: Quan hệ phần tử miền Hình 2.1: Cấu trúc lưới tính sử dụng tốn mẫu Hình 2.2 : So sánh mực nước tính tốn nghiệm xác theo chiều dài kênh Hình 2.3: Sai số tuyệt đối mực nước nghiệm xác tính tốn theo chiều dài kênh Hình 2.4: Cao độ đáy kênh dẫn tốn mẫu thủy lực Hình 2.5: So sánh mực nước tính tốn nghiệm xác theo chiều dài kênh Hình 2.6: Sai số tuyệt đối mực nước nghiệm xác tính tốn theo chiều dài kênh Hình 2.7: Cao độ đáy kênh tốn mẫu thủy lực Hình 2.8: So sánh mực nước tính tốn nghiệm xác theo chiều dài kênh Hình 2.9: Sai số tuyệt đối mực nước nghiệm xác tính tốn theo chiều dài kênh Hình 2.10: Điều kiện đầu tốn mẫu Hình 2.11: So sánh nghiệm tính tốn nghiệm xác tốn mẫu Hình 2.12: Phân bố chất ô nhiễm dọc kênh thời điểm 1000s Hình 2.13: So sánh kết tính tốn nghiệm xác tốn mẫu Hình 2.14: Kết tính tốn so sánh với nghiệm xác tốn mẫu tương ứng với hệ số k khác Hình 2.15: Sai số tương đối (%) toán mẫu tương ứng với giá trị khác hệ số k Hình 3.1: Bản đồ địa hình khu vực hồ Thanh Nhàn Hình 3.2: Xử lý số liệu địa hình lưới khơng cấu trúc Hình 3.3a: Kết tính trường vận tốc Hình 3.3b: Vị trí điểm đo nồng độ nhiễm Hình 3.4: Kết tính BOD Hình 3.5: Kết tính COD Hình 3.6: Kết tính NH3 Hình 3.7: Kết tính PO4 Hình 3.8: Kết tính SO4 Hình 3.9: Kết tính NO3 25 35 14 15 15 16 16 17 17 18 18 20 21 22 22 23 24 26 28 29 29 30 31 32 33 34 35 MỞ ĐẦU Sự phát triển nhanh chóng kinh tế sản xuất tiêu dùng gây sức ép trực tiếp gián tiếp lên mức độ ô nhiễm môi trường sống Đặc biệt thành phố lớn, nơi tập trung khu sản xuất tiêu dùng sản phẩm công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ phục vụ sống dân cư Tình trạng nhiễm mơi trường nói chung nhiễm môi trường nước từ trước đến xuất nhiều nơi diễn nghiêm trọng Bên cạnh việc nhiễm sơng ngịi nhiễm nguồn nước hồ chứa đô thị nguồn nước thải sinh hoạt sản xuất đáng lo ngại chúng ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe phận không nhỏ dân cư sinh sống quanh hồ ảnh hưởng cảnh quan đô thị Do đặc điểm địa hình lịng hồ quy mơ diện tích lịng hồ nhỏ lịng sơng nhiều nên mơ hình chiều khơng cịn phù hợp để nghiên cứu đánh giá q trình nhiễm hồ Do mơ hình dịng chảy hai chiều lan truyền chất ô nhiễm hai chiều cần sử dụng để tính tốn q trình lan truyền nhiễm lịng hồ từ nguồn thải Mơ hình tính tốn truyền tải chất nhiễm PGS Hoàng Văn Lai cộng bắt đầu phát triển từ nghiên cứu chương trình nghiên cứu Viện học Từ kết nghiên cứu ban đầu mơ hình, học viên lựa chọn hướng nghiên cứu với hy vọng đạt bước tiến thêm việc tìm hiểu, phát triển đánh giá chất lượng mơ hình, sau bước đầu ứng dụng để mơ lan truyền chất ô nhiễm khu vực cụ thể với số tiêu nhiễm Bố cục luận văn gồm phần mở đầu, phần kết luận chương chính: Chương 1: MƠ HÌNH TÍNH TỐN MƠ PHỎNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC Chương 2: CÁC TÍNH TỐN KIỂM ĐỊNH CHẤT LƯỢNG MƠ HÌNH Chương 3: THỬ NGHIỆM MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC HỒ THANH NHÀN CHƯƠNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN MƠ PHỎNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC 1.1 Tổng quan kết nước mơ hình tính tốn mơ chất lượng nước 1.1.1 Các nghiên cứu giới Trên giới, việc nghiên cứu mô chất lượng nước quan tâm ys đến từ sớm đạt nhiều thành tựu Không dừng lại mức nghiên cứu, có nhiều mơ hình phát triển thành sản phẩm phần mềm thương mại ví dụ Mike viện thủy lực Đan Mạch (DHI) Một số mơ hình khác tiếng liệt kê sau: - Mơ hình WASP (Water Quality Analysis Simulation Program 7) phát triển từ mơ hình (WASP – Di Toro, 1983; Connolly vaf Winfield, 1984; Ambrose, R.B, 1988) Mơ hình cho phép tính toán 1, 2, chiều với nhiều thành phần chất nhiễm Mơ hình WASP liên kết với mơ hình thủy động lực vận chuyển trầm tích để tính tốn trường dịng chảy, nhiệt độ, độ muối thơng lượng trầm tích - Mơ hình QUAL2K (hay Q2K) (River and Stream Water Quality Model) phát triển từ mơ hình QUAL2E (hay Q2E (Brown Barnwell 1987)) Đây mơ hình mô chất lượng nước suối sông chiều Mơ hình tính tốn chu trình Nitơ thơng qua chu trình chuyển hóa nitơ để biểu diễn hợp chất cacbon, loại cacbon hữu không sống - Bộ phần mềm MIKE (DHI) phát triển môi trường đồ họa hệ điều hành Windows bao gồm nhiều modul tính tốn có tính tốn chất lượng nước MIKE tích hợp tốt với hệ thống thông tin đồ địa lý (GIS) nhiều đề tài nghiên cứu nước chọn để sử dụng cơng cụ hỗ trợ tính toán 1.1.2 Các nghiên cứu nước Ở nước gần có nhiều nghiên cứu quan tâm đến việc sử dụng mơ hình để mơ tính tốn chất lượng nước Các đề tài nghiên cứu chia làm hai hướng: - Hướng nghiên cứu thứ sử dụng mơ hình phần mềm nước ngồi để mơ tính tốn số yếu tố chất lượng nước khu vực cụ thể Hướng thiên nghiên cứu ứng dụng mơ hình tác động chất nhiễm đến khu vực nghiên cứu để phục vụ nhu cầu nghiên cứu, đánh giá tổn thất ô nhiễm hoạch định sách phát triển địa phương Ví dụ chương trình hợp tác với Cơ quan hợp tác Quốc tế Nhật Bản - JICA Viện Tài nguyên Môi trường biển – Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam sử dụng phần mềm chuyên dụng CABARET LOICZ (Mỹ) để đánh giá mức độ tích tụ khuếch tán vật chất số điểm thuộc vịnh Hạ Long Một số nghiên cứu khác sử dụng mơ hình eco Lab MIKE1 - Hướng nghiên cứu thứ hai vào xây dựng mơ hình thuật tốn riêng học tập giải pháp công bố tạp chí khoa học quốc tế để giải tốn lan truyền nhiễm với hay nhiều chất nhiễm Đánh giá hiệu tính tốn mơ hình tiến hành thử nghiệm với khu vực nghiên cứu cụ thể Ví dụ mơ hình tính tốn chất lượng nước cho vùng biển Quảng Ninh-Hải Phịng xây dựng mơ hình thủy lực hai chiều CHB-2D phòng Cơ học biển (Viện học)[5] Ngồi cịn kể đến mơ hình khác nghiên cứu phát triển HydroGIS TS Nguyễn Hữu Nhân, SALBOD GS.TS Nguyễn Tất Đắc vv Mơ hình tính tốn lan truyền chất ô nhiễm phòng thủy tin học (Viện Cơ học) theo hướng học tập xây dựng mơ hình để giải tốn lan truyền chất nhiễm với phạm vi ứng dụng lan truyền ô nhiễm đoạn sơng nhiễm hồ chứa Mơ hình xây dựng mơ hình thủy lực IMECH_2DUSZ đề tài cấp Bộ: “Áp dụng tính tốn song song việc kết nối mơ hình thuỷ văn mơ hình thuỷ lực phục vụ dự báo kiểm sốt lũ lụt lưu vực sơng Hồng”[1] Đây mơ hình thuỷ lực sử dụng hệ phương trình Saint Venant 2D đầy đủ để mô tả chuyển động nước miền chiều giải phương pháp FVM (Finite Volume Method) lưới không cấu trúc Mơ hình học viên lựa chọn để nghiên cứu đánh giá tiếp tục phát triển Phạm Tiến Đạt(2009), luận văn thạc sĩ "Sử dụng mơ hình eco lab đánh giá số đặc trưng môi trường khu vực nuôi trồng thủy sản" 1.2 Mơ hình lan truyền nhiễm chiều Mơ hình lan truyền chất gây nhiễm chiều bao gồm mơ hình thủy lực chiều mơ hình truyền tải khuyếch tán vật chất chiều Hệ phương trình S Venant 2D mơ tả định luật bảo toàn khối lượng động lượng nước chiều Hệ phương trình thiết lập từ hệ phương trình Navier - Stock cách trung bình hóa theo chiều sâu điều kiện áp suất tuân theo quy luật thuỷ tĩnh Nếu bỏ qua thành phần nhớt rối, ảnh hưởng gió ảnh hưởng lực Coriolis, hệ phương trình S Venant 2D viết dạng sau([1]-[2]) Phương trình liên tục: z    uh  vh   t x y (1) Phương trình động lượng theo hướng x: u u u h gu(u  v )1 / u v  g   gS 0, x t x y x K x2 h / (2) Phương trình động lượng theo hướng y: v v v h gv(u  v )1 / u v  g   gS 0, y t x y y K y2 h / (3) Phương trình truyền tải khuyếch tán vật chất ([3],[4]): Ci  C  Ci    uCi  vCi  f i  D( i  ) t x y x y Trong phương trình trên: z – mực nước, h độ sâu dòng chảy u,v – vận tốc g – gia tốc trọng trường Kx, Ky – hệ số Strickler lực cản đáy Ci – nồng độ tiêu ô nhiễm thứ i fi – thành phần nguồn So,x,So,y – độ dốc đáy D – Hệ số khuyếch tán (4) Theo lý thuyết đường đặc trưng, số điều kiện biên cho hệ phương trình S.venant (1)(3) phụ thuộc vào vận tốc un số Froude - Fr theo hướng pháp tuyến điểm biên un = unx + vny Fr  un / c, c  gh Có loại điều kiện biên sau: Biên có dịng chảy vào miền (inflow): un  0, dịng chảy có chiều ngược với pháp tuyến - Trạng thái chảy êm: un > c: cần cho điều kiện biên - Trạng thái chảy xiết: un  c: cần cho điều kiện biên Biên có dịng chảy khỏi miền (outflow): un  0, dòng chảy theo chiều pháp tuyến - Trạng thái chảy êm: un < c: cần cho điều kiện biên - Trạng thái chảy xiết: un  c : không cần cho điều kiện biên Đối với phương trình truyền tải khuyếch tán vật chất cần cho điều kiện biên vào điều kiện biên Ví dụ tốn thủy lực có dịng chảy vào êm, cần cho điều kiện biên vào điều kiện biên ra, để tốn ổn định giảm sai số điều kiện biên vào thường chọn vận tốc điều kiện biên chọn cao trình mực nước Với tốn truyền tải khuyếch tán điều kiện biên vào thường chọn nồng độ tiêu ô nhiễm điều kiện biên đạo hàm nồng độ tiêu ô nhiễm 1.3 Thuật tốn giải hệ phương trình dịng chảy chiều Hệ phương trình Saint – Venant 2D (1) - (3) giải số theo phương pháp khối hữu hạn (FVM - Finite Volume Method) lưới không cấu trúc dạng tam giác cho đoạn sông hồ chứa Lưới tam giác mơ tả tốt dịng chảy miền có địa hình phức tạp (cả biên đáy) Trong phương pháp khối hữu hạn, miền tính tốn D chia nhỏ thành khối có hình học đơn giản Si dạng tam giác khối tạo thành lưới phủ kín miền tính tốn Các tham số để mô tả lưới nút lưới liên kết nút lưới để tạo thành khối Trên hình phần lưới khơng cấu trúc Tính khơng cấu trúc lưới thể qua việc đánh số nút lưới đánh số khối lưới không cần theo quy luật Hình 1.1: Lưới khơng cấu trúc dạng tam giác Việc chia miền D thành phần tử Si cần đảm bảo điều kiện sau: N 1) D   S i i 1 2) Si  Sj =  3) Si  S j = , Si không nằm cạnh Sj Mi,j, Si nằm cạnh Sj, Mi,j cạnh chung phần tử Hình 1.2: Quan hệ phần tử miền Ở ta dùng ký hiệu lý thuyết tập hợp  hợp,  giao,  tập rỗng S i phủ Si, đỉnh phần tử nằm hai đầu cạnh, khơng có đỉnh phần tử nằm cạnh phần tử khác Tính khơng cấu trúc lưới thể qua việc đánh số nút k đánh số phân tử phần tử không theo quy luật Những lưới đánh số nút (hoặc phần tử) theo số i, j, i theo chiều x, j theo chiều y thường phải liền kề có trật tự gọi lưới có cấu trúc Lưới khơng cấu trúc nút, phần tử đánh số số khơng có điều kiện ràng buộc cho số Trong chia lưới miền D, phần tử khơng bắt buộc có cấu trúc hình học tam giác tứ giác Thí dụ miền D chia lưới gồm tam giác tứ giác Tính chất hình học phần tử khơng tn theo nguyên tắc Tuy nhiên đa giác phải đa giác lồi Để đảm bảo kết tính tốn tốt độ dài cạnh đa giác khơng khác q nhiều Vì vậy, đa giác chỗ miền nhỏ, chỗ khác to, phụ thuộc vào tính chất miền, từ chỗ nhỏ sang chỗ to có q trình thay đổi khơng q đột ngột Cần lưu ý mơ hình sử dụng nhiều thơng số hình học khoảng cách, diện tích 43 stop goto 1000 1003 pause 'fvarea not run in close points (up)' stop goto 1000 1004 pause 'err nriordt' stop goto 1000 1000 continue end function !================================================== Đoạn chương trình Sử dụng cơng thức tính diện tích phần tử tam giác qua giá trị tích vector !=================================================================== real*8 function fvarea(xfvord,yfvord,fvtype,mtype,nriord) !9/1/02 cal, area of convect volune implicit none integer mtype,fvtype,nriord,nriordt !25/1 aid (19/3#left) real*8 xfvord(mtype),yfvord(mtype),xfvordt(mtype),yfvordt(mtype) integer i,j real*8 nx,ny real*8 x1,y1,x2,y2,r1,r2,r3,r4,eps,phi if(fvtype