Xử lý song song và mô phỏng dòng chảy có truyền tải vật chất trên mạng kênh sông

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM [ \ L Luuaậnän vvaănênT Toốtát nngghhiieệpäp C Caaoo hhoọcïc XỬ LÝ SONG SONG VÀ MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY CÓ TRUYỀN TẢI VẬT CHẤT TRÊN MẠNG KÊNH SÔNG NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hướng dẫn luận văn TS Trần văn Lăng GV Cao học CNTT, ĐH Bách khoa – Phân viện trưởng Phân viện CNTT TPHCM GS TSKH Nguyễn n Niên Chủ tịch Hội Thủy khí Việt nam – Chủ tịch Hội Đồng Khoa Học Viện Nghiên cứu Thủy lợi Miền Nam Học viên thực hiện: Từ Tuyết Hồng TP HỒ CHÍ MINH 2002 Lời cảm ơn Để có kết bước đầu này, trước hết em xin cảm ơn Thầy giáo, Cô giáo –giảng dạy Cao học - khoa Công nghệ thông tin – trường Đại học Bách khoa truyền đạt trang bị cho em kiến thức quý báu thời gian em học trường Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Giáo sư Tiến só khoa học Nguyễn Ân Niên tận tình hướng dẫn giúp đỡ em hoàn thành luận văn Em xin chân thành ghi ơn Tiến só Trần Văn Lăng dẫn dắt, giúp đỡ tận tình bước đường học tập nghiên cứu lónh vực chuyên ngành Xin ghi lòng tình thương yêu cảm kính từ gia đình người thân động viên, tạo điều kiện để tiếp bước đường khoa học Xin chân thành cảm ơn bạn đồng nghiệp động viên, giúp đỡ thời gian học trường trình hoàn thành luận văn Tháng 8-2002 Học viên: Từ Tuyết Hồng LỜI NÓI ĐẦU Trong 40 năm qua, toán mô dòng chảy chiều có truyền tải chất ô nhiễm truyền phèn, mặn phù sa thu hút nhiều quan tâm nghiên cứu nhà khoa học nước nước Nhiều phương pháp số xuất phát từ sai phân hữu hạn, phần tử hữu hạn phương pháp thể tích hữu hạn phát triển ứng dụng khắp nơi khu vực Nam Trung Nam Trong năm qua, nhà khoa học có nỗ lực lớn việc áp dụng thành tựu công nghệ thông tin để giải toán để mô dòng chảy có truyền tải vật chất mạng kênh sông nhằm giải toán ô nhiễm thuộc khu vực sông Đồng nai, Sài gòn, khu vực Cần giờ, vùng chịu ảnh hưởng phèn-mặn ven biển Nam đồng sông Cửu long Tuy vậy, theo nhà khoa học trước, có nhiều vấn đề về: giải thuật tính toán, kỹ thuật mô phỏng, hệ sở liệu,… chưa giải thỏa đáng cần quan tâm nghiên cứu để bảo vệ vùng kinh tế trọng điểm nước Các công trình nước vấn đề dòng chảy lan truyền chất đồng sông Cửu long xác định thêm nhiều đặc trưng dòng chảy, xâm nhập mặn, lan truyền chua phèn đồng Nam góp phần đáng kể cho nghiên cứu ứng dụng sau Với khối lượng tính toán lớn toán truyền tải vật chất mạng kênh sông, nghiên cứu cần đến kỹ thuật tính toán xử lý song song, mô định lượng không thiết kế hệ sở liệu công cụ đồ họa để mô diễn biến loại dòng chảy Trong năm qua, có nhiều công trình sử dụng công cụ GIS, kỹ thuật viễn thám xử lý ảnh vệ tinh để hổ trợ giải toán Nghiên cứu sử dụng kết nghiên cứu việc cần thiết Nối tiếp công trình nhà khoa học trước, đề tài nghiên cứu ứng dụng đặt ra, mang tên: “Xử lý song song mô dòng chảy có truyền tải vật chất mạng kênh sông” Qua thực đề tài, nội dung kết nghiên cứu trình bày thành chương Chương 1: Giới thiệu mục tiêu, yêu cầu, nội dung nghiên cứu đề tài toán truyền tải chất mạng kênh sông Những nghiên cứu phát triển đề tài trình bày chương tiếp sau kết trình bày chương cuối Chương 2: Thiết lập mô hình toán cho toán dòng chảy lan truyền ô nhiễm chiều mạng kênh sông Bằng cách sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn, chương rời rạc hóa mô hình lan truyền chất chiều hệ phương trình tuyến tính ba đường chéo Mô hình toán trình truy đuổi để khử giải ẩn cho tính toán thành phần thủy lực trình bày chương Các giải pháp trình bày hướng đến song song hóa việc giải toán Chương 3: Theo phương pháp số giải toán truyền tải chất chiều nêu chương hai Chương trình bày chiến lược phân ly liệu giải thuật giải song song toán Chương 4: Trình bày hệ sở liệu thiết kế xây dựng cho chương trình tính toán mô trình truyền tải chất chiều mạng kênh sông Chương 5: Chương trình bày nội dung chương trình máy tính thực đề tài Chương trình bao gồm chức tính toán, kết xuất mô trình truyền tải chất ô nhiễm chiều mạng kênh sông Một số ảnh mô kết cho mạng kênh sông Đồng Nai-Sài gòn gồm 321 nhánh, 192 nút, 919 mặt cắt trình bày cuối chương Chương 6: Trình bày số kết tính toán song song kết chung đề tài Tháng 8-2002 Từ Tuyết Hồng Chương GIỚI THIỆU 1.1 Giới thiệu a Để đẩy mạnh sản xuất nông nghiệp, nhiều năm qua toán đánh giá dự báo trình lan truyền phèn mặn vốn vấn đề nóng bỏng hai đồng Bắc Nam Trên mạng lưới kênh mương thủy lợi chằng chịt nối liền với nhiều nhánh sông liên thông với nhiều cửa đổ biển đồng sông Cửu long, chế độ thủy triều vùng biển Đông biển Tây nhân tố tác động mạnh đến trình xâm nhập mặn mạng kênh sông [9,11,15,34] Gần nửa đồng Nam đất có chứa nhiều axít sunphuric, mùa khô trình oxýt hóa đất hình thành ổ phèn gần mặt đất Đến mùa mưa phèn theo nước mưa chảy tràn đồng ruộng đến nhánh kênh sông làm ngập phèn vùng đất rộng lớn làm ảnh hưởng lớn đến nguồn nước dùng cho sinh hoạt sản xuất [1,16,18,26,31] Phần lớn thành phố tập trung vùng hạ lưu hay nằm ven bờ sông Do trình đô thị hóa công nghiệp hóa, phần lớn nước thải sản xuất sinh hoạt chưa xử lý xả trực tiếp vào nhánh khác mạng kênh sông gây ô nhiễm đến nguồn nước môi trường sinh thái [32,33,35,36,37] Nhiều toán khác ô nhiễm mạng kênh sông như: toán phú dưỡng, lan truyền dư lượng thuốc trừ sâu, lan truyền độc tố làm ảnh hưởng đến môi trường sống,… đặt cho nhà khoa học nghiên cứu có tính chất tổng hợp sâu sắc nhằm bảo vệ môi trường phát triển bền vững [24,25] b Chế độ chảy dòng nước nhân tố chủ lực để truyền tải chất hòa tan gây ô nhiễm mạng kênh sông Vì thế, để đánh giá dự báo trình lan truyền ô nhiễm mạng kênh sông trước hết phải việc xem xét chế độ dòng chảy mạng kênh sông xét Những chất gây ô nhiễm –gọi tắt chất ô nhiễm, xét loại hóa chất pha trộn nước mà không phản ứng với nước không làm ảnh hưởng đáng kể đến khối lượng riêng nước Do trình truyền tải chất nước làm ảnh hưởng đến chế độ chảy dòng nước nên xét đến chất mà lan truyền không Bài toán lan truyền ô nhiễm làm ảnh hưởng đến vận tốc dòng – người ta gọi chất thụ động (passive pollutant) Để tránh phức tạp không lường hết phân hóa chất hòa tan bên dòng nước, chất hòa tan xét chất bảo toàn (conservative pollutant) nghóa tổng khối lượng chất không thay đổi theo thời gian chúng tồn bên dòng nước Muối chất thế, chất thải phóng xạ chất không bảo toàn Mức độ ô nhiễm môi trường nước đặc trưng tỉ số khối lượng chất ô nhiễm có đơn vị thể tích nước - đại lượng gọi nồng độ Khi cần, gọi xác nồng độ thể tích để phân biệt với nồng độ khối tính khối lượng chất ô nhiễm đơn vị khối lượng nước Thuật ngữ nồng độ ô nhiễm điểm dùng để định khối lượng chất ô nhiễm thể tích bé điểm lớn nhiều so với kích thước phân tử c Trong môi trường nước theo diễn biến dòng chảy, phân bố theo không gian chất ô nhiễm bảo toàn thụ động phức tạp biến đổi liên tục theo thời gian Để nghiên cứu phân bố trường nồng độ ô nhiễm, người ta giả thiết có hai nguyên nhân gây biến thiên [19]: • Sự vận động vó mô chất lỏng - gồm nước chất ô nhiễm, làm di chuyển phân tử chất lỏng Ở thường xảy pha trộn túy học phân tử chất lỏng Sự truyền tải vó mô gọi truyền tải đối lưu xác định thông lượng đối lưu hàm vận tốc dòng nồng độ chất truyền tải • Sự truyền tải mức phân tử nước phân tử chất hòa tan từ nơi đến nơi khác môi trường nước gây tượng khuếch tán phân tử (molecular diffusion) làm thay đổi trường nồng độ chất ô nhiễm Một yếu tố khác góp phần làm thay đổi trường nồng độ chất ô nhiễm có nguyên nhân từ chuyển động rối dòng chảy Chuyển động rối gây khuếch tán chất ô nhiễm rối từ có tượng khuếch tán rối (turbulent diffusion) Khuếch tán rối >>> khuếch tán phân tử Trong toán lan truyền chất chiều, pha trộn lan truyền chất chủ yếu xem xét dọc chiều dòng chảy Từ biểu hiện tượng khuếch tán vừa nêu đánh giá cách tổng hòa dọc theo chiều dài dòng tham số hóa hệ số phân tán (dispersion coefficient) chất ô nhiễm [17,19,24] Chương1: Mở đầu Bài toán lan truyền ô nhiễm Mô hình Giải thuật cho Bài toán Khi mô hình hóa kênh sông, yếu tố thủy lực (hydraulic) thủy văn (hydrologic) như: lưu lượng, vận tốc, độ phân tán, chế độ thủy triều, mưa, với đặc trưng hình dáng (geometry) như: độ sâu, độ rộng, độ dốc,… cần biết Khi phản ánh cách tổng quan sông, tham số thường cho giá trị trung bình thống kê Tuy nhiên, xét đến trình lan truyền chất ô nhiễm, nhiều tham số thủy lực cần đến phải xác định theo vị trí dòng theo thời điểm Do vậy, người ta phải sử dụng mô hình thủy lực để đánh giá tham số thủy lực Trong trường hợp dòng chảy chiều kênh sông, hệ phương trình Saint-Venant chiều thường sử dụng phổ biến truyền thống Hệ phương trình Saint-Venant với điều kiện ban đầu dòng chảy bên nhánh điều kiện cho biên nhánh kênh sông yếu tố để lập nên toán biên xác định thủy lực dòng chảy [4,9,21] Đối với mạng gồm nhiều nhánh kênh sông gặp hợp lưu, toán cho nhánh mạng ghép lại với điều kiện cân nước hợp lưu từ thiết lập toán thủy lực cho dòng chảy chiều mạng kênh sông [9,15,34] Một lời giải thủy lực dòng chảy mạng kênh sông xác định theo thời điểm theo vị trí định trước nhánh mạng, sử dụng toán biên lan truyền chất chiều giải trường nồng độ chất ô nhiễm theo thời điểm vị trí định Việc thiết lập giải hai toán vừa nêu phương pháp số thích hợp thực kinh qua nhiều thử nghiệm nước [9,11,17,18,24,26,37] nhiều nơi khác giới [23,24] Trong nội dung luận văn phương pháp thể tích hữu hạn giải toán truyền tải khuếch tán - đối lưu [12,22] trình bày cách giải số song hành với phương pháp đường đặc trưng sử dụng nhiều [4,17,23,26,37] Những nội dung trình bày chương Trong việc giải số toán lan truyền ô nhiễm chiều mạng kênh sông, nhiều kỹ thuật tính toán cần đến giải thuật xử lý song song gặp mạng có quy mô lớn như: mạng kênh sông Sài gòn, Đồng nai, Cần giờ, mạng kênh sông thuộc đồng sông Cửu long Để giải song song cho toán, đề tài tập trung vận dụng phương pháp xử lý song song vào giải vấn đề như: Chương1: Mở đầu Bài toán lan truyền ô nhiễm - Phân bố liệu để giải song song toán, - Song song hóa trình truy đuổi kép để khử ẩn mạng kênh sông, - Giải song song hệ phương trình tuyến tính có ma trận thưa, không đối xứng, - Song song hóa trình truy đuổi để giải ẩn mạng kênh sông, - Giải song song trường nồng độ chất ô nhiễm vị trí thời gian định Những nội dung trình bày chương 3 Ô nhiễm hữu mạng kênh-sông Sài gòn a Mạng kênh sông Sài gòn, nước ô nhiễm thải vào kênh rạch có nguồn gốc từ nước thải sinh hoạt nước thải công nghiệp Theo tính toán Công ty Thoát nước Đô thị với số liệu năm 1995 Viện Quy Hoạch xây dựng thành phố, lượng nước thải (m3/ngày-đêm) từ hệ kênh sau [37]: Danh mục kênh Nước thải từ Nước thải từ Công nghiệp Sinh hoạt Tổng cộng Tham Lương, Bến Cát, Vàm Thuật 20.453 35.880 56.333 Nhiêu Lộc – Thị Nghè 5.726 130.194 125.920 Tân Hóa – Lò Gốm 7.830 58.520 66.350 Bến Nghé 3.281 66.303 69.584 Kênh Đôi – Tàu Hủ 7.56 125.526 133.102 44.866 416.423 461.289 Tổng Cộng Tỷ Lệ 10% 90% 100% Lượng nước thải kênh hệ cho thấy nước thải sinh hoạt chiếm đại đa số tổng lượng nước thải hàng ngày Theo thống kê năm 1999, tổng lượng nước thải từ tỉnh lân cận quận huyện TP Hồ Chí Minh thải vào mạng kênh sông Sài gòn lên đến 449144 m3/ngày-đêm có 10% lượng nước thải từ khu công nghiệp Theo dự báo gần Trung tâm Bảo vệ Môi trường thành phố lượng nước thải lên đến 1587880 m3/ngày-đêm [37 ] Theo phân tích tính toán kênh thành phố Hồ chí Minh từ Công ty Thoát nước Đô thị, nước thải có thành phần chủ yếu sau (m3/ ngày-đêm): Chương1: Mở đầu Bài toán lan truyền ô nhiễm Thành phần gây ô nhiễm Kênh Tham Lương Kênh Nhiêu Lộc Thị Nghè Kênh Tân Hóa Lò Gốm Kênh Bến Nghé Sài Gòn Kênh Đôi & Tẻ Sinh học 744 2798 40 2268 5081 Hữu 45961 129474 62470 65750 125211 Vô 8433 2533 2791 1209 1834 21 21 517 35 375 1175 1095 532 322 604 Kim loaïi nặng Ít ô nhiễm Một thống kê khác từ ENTEC Viện Quy hoạch Xây dựng Thành phố Hồ Chí Minh xác nhận nước thải từ sinh hoạt Thành phố chiếm 80% tổng lượng nước thải, thành phần chủ yếu chất thải hữu Như vậy, dạng ô nhiễm chủ yếu mạng kênh sông Sài gòn hữu Từ người ta đề nghị dùng tiêu BOD: nhu cầu oxy sinh hóa (Biochemical Oxygen Demand) DO: lượng oxy phân giải (Dissolved Oxygen) để đánh giá mức độ ô nhiễm nước mạng kênh sông Sài gòn b Như trình bày đây, dòng chảy với tốc độ lớn yếu tố định truyền tải chất thải hữu ô nhiễm xa, nhờ làm kênh sông thêm thông thoáng Theo nghóa rõ ràng rằng: vận tốc dòng chảy lớn trình tự làm kênh sông xảy tốt Thực tế, mạng kênh sông Sài Gòn, Đồng Nai kênh rạch nội thành bị ảnh hưởng chế độ bán nhật triều Biển Đông Trong ngày có hai lần thủy triều lên xuống Khi triều xuống nước thải bẩn chuyển xuống hạ lưu đoạn pha loãng phần, trình dịch chuyển xa gần phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy Khi triều lên lượng nước thải chưa pha loãng hết lại bị đẩy ngược trở lại tạo thành khu vực bùng nhùng nước thải, dòng nước chảy yếu Như thủy triều tác động có hai mặt xấu tốt đến trình tự làm mạng kênh sông Tại Nam có hai mùa rõ rệt: mùa mưa mùa khô Về mùa mưa lưu lượng nước thượng nguồn nhiều, vận tốc dòng chảy lớn nên khả di chuyển pha loãng nước thải tốt Về mùa khô lưu lượng thượng nguồn kiệt dần thường kiệt vào khoảng tháng tư Ngoài lưu lượng xả hai hồ Trị An (khoảng 220m3/s) hồ Dầu Tiếng (khoảng 20m3/s), sông Sài Gòn – Đồng Nai lưu lượng triều vào lúc nước lớn Tại Nhà Bè: Chương1: Mở đầu Bài toán lan truyền ô nhiễm tháng ba, lưu lượng từ 15000-20000m3/s vào tháng tư chừng 10000m3/s ; Phú An khoảng 2000m3/s Song, với nhu cầu phát triển công nghiệp, nông nghiệp dân sinh ngày gia tăng, lượng nước lấy từ mạng kênh sông Sài Gòn – Đồng Nai nhỏ Do chế độ thủy triều đóng vai trò chủ đạo, trình chuyển tải nước thải phụ thuộc vào chênh lệch mức nước triều ngày Theo dõi mức nước triều Vũng Tàu vào mùa khô cho thấy rằng: mức nước chân triều cao xảy vào tháng ba tháng tư Đó khoảng thời gian mà trình thoát nước thải hạ lưu bị cản trở mạnh Nhận xét cho thấy: mô hình tính toán thủy lực thiếu thành phần quán tính phải tính đến nguồn nước gia nhập bị lấy dọc theo dòng nước, phải ý đến nguồn nước thải xả vào mạng kênh sông c Nước thải bẩn thường đổ kênh sông qua miệng cống ngầm Cần phải điều tra vị trí điểm xả quan trọng Khi tính toán ta ghép chung điểm xả nhỏ không quan trọng lại với miễn chúng không nằm cách xa Trong tính toán tải lượng ô nhiễm, cần phân biệt trường hợp: - Ô nhiễm công nghiệp: Phải điều tra tổng lượng nước thải chất lượng nước thải ngày đêm nhà máy vị trí xả nhà máy xí nghiệp có nguồn ô nhiễm quan trọng - Ô nhiễm nước thải sinh hoạt: Phải tính tổng lượng nước thải, chất lượng nước thải vị trí xả khu vực dân cư Việc tính tải lượng chất lượng nước sinh hoạt dựa số trung bình có số liệu xác Để tính tổng lượng nước thải dựa số liệu cấp nước sau trừ lương tiêu hao Chất lượng nước thải tính trung bình, ví dụ người ngày thải 40g BOD Đối với điểm xả, ta dựa vào sơ đồ phân bố dân cư để xác định điểm thải khối lượng thải Khi có số nguồn thải với tải lượng nồng độ khác ta dùng công thức sau để tính tải lượng nồng độ tương đương: Tải lượng tương đương: Q = Σ qi Nồng độ tương đương: lượng thành phần với qi tải lượng thành phần C = Σ qi Ci /Q với Ci nồng độ tải - Ô nhiễm hoạt động nông nghiệp dạng khác: Các hoạt động nông nghiệp bao gồm lấy nước tưới thải nước tiêu, chủ yếu ảnh hưởng tới chế độ thủy lực, việc ô nhiễm hữu hoạt động chưa quan trọng khó xác định Chương1: Mở đầu Bài toán lan truyền ô nhiễm 61 Hình 5.14b: Cửa sổ thông báo chạy chương trình tính Các thông báo hiển thị theo tiến trình làm việc chương trình tính toán (hình 5.14b) bao goàm: Đọc liệu tổng quát toán Quản lý vùng nhớ cấp phát cho chương trình tính Đọc tải liệu đối tượng thủy lực Đọc tải điều kiện biên thủy lực chất ô nhiễm Đọc tải điều kiện đầu cho toán Thực tính toán , bước lặp hiển thị hộp thoại Ghi liệu kết thủy lực tập tin Ghi liệu kết nồng độ chất ô nhiễm tập tin Giải phóng vùng nhớ, đóng tập tin, chuẩn bị thoát khỏi hệ thống Toàn file kết sinh từ chương trình tính toán kiểm tra qua việc chọn lệnh File information menu Project Chương 5: Mô trình lan truyền chất chiều Bài toán lan truyền ô nhiễm 62 Hình 5.15: Các file xuất chương trình tính toán Trong hộp thoại kết FAST data files in project, thông tin tập tin liệu trình bày gồm trường: tên file (Filename), thao tác thực file (Ex), kích thước file (Filesise), ngày tạo lập (Created date) ngày cập nhật sau (Last modified date) Bằng cách doubleclick lên dòng tương ứng với file, mở file Microsoft Word (nếu Ex=w) Microsoft Excel (nếu Ex=E) xóa file (nếu Ex=D) Như thế, in xử lý file thuận tiện 5.4 Mô địa hình liệu toán Địa hình mô Địa hình mô chương trình hệ thống mạng kênh sông vùng hạ lưu sông Sài Gòn-Đồng Nai với liệu lưu trữ trình phần chương Mạng kênh sông mô gồm 321 nhánh sông, 919 mặt cắt, 192 hợp lưu hiển thị dạng lưới dạng phủ kín màu Mạng kênh sông phóng to thu nhỏ, di chuyển tịnh tiến giao diện giúp người sử dụng xem rõ phần tử hệ Chương 5: Mô trình lan truyền chất chiều Bài toán lan truyền ô nhiễm 63 thống kênh sông mà quan tâm Chương trình mô dòng nước chảy kênh sông Truy cập liệu hình đồ họa Khi trỏ chuột vào điểm ảnh, thông tin vắn tắt cho phần tử ảnh hiển thị trạng thái nằm cạnh cửa sổ chương trình (hình 5.16) Hình 5.16: Thông tin vắn tắt hiển thị trạng thái rê chuột trỏ đến phần tử ảnh mô Hình 5.17: Nhánh 27 ảnh mô mạng kênh sông tương ứng với thông tin nhánh hiển thị cửa sổ thông tin nhánh Chương 5: Mô trình lan truyền chất chiều Bài toán lan truyền ô nhiễm 64 Hình 5.18: Kích lên nút 23 ảnh cửa sổ thông tin nút 23 hiển thị Nếu phần tử trỏ nhánh, mặt cắt hợp lưu, kích chuột nhận cửa sổ thông tin chi tiết ứng với nhánh, mặt cắt hợp lưu Trong cửa sổ thông tin này, kích chuột để duyệt qua thông tin thủy lực phần tử địa hình tương ứng với thông tin thủy lực hiển thị ảnh mô Hình 5.17-5.18 minh họa chức thông tin địa hình chương trình mô Mô kết Hình 5.23 : Dãõy màu mô Kết từ chương trình tính toán cho ta lưu lượng, mực nước, vận tốc dòng chảy, nồng độ BOD, DO tất mặt cắt Để mô lan truyền ô nhiễm mạng kênh sông, ta cần xác định thêm nồng độ phần tử mặt cắt toàn mạng kênh sông Việc thực phép nội suy theo tổ hợp lồi cho nồng độ phần tử chắn dọc theo dòng Công thức nội suy sau: Chương 5: Mô trình lan truyền chất chiều Bài toán lan truyền ô nhiễm 65 i ⎞ i ⎛ C i = ⎜1 − C j+1 ⎟C j + n +1 ⎝ n +1⎠ đó, j số mặt cắt i số phần tử hai mặt cắt liên tiếp j , j +1 đánh số từ mặt cắt j n số phần tử chia dọc theo dòng thuộc đoạn sông nằm hai mặt cắt liên tiếp j , j+1 Chương trình thiết kế mô cho nồng độ BOD, nồng độ DO vận tốc dòng chảy Dưới trình bày kết mô cho nồng độ chất ô nhiễm vùng hạ lưu sông Đồng Nai-Sài gòn Chương trình tính toán cho xuất kết ngày Các hình 5.18 –5.22 trình bày kết cách ngày cho nồng độ DO Dãy màu mô dùng có 50 giá trị màu gồm màu xếp từ nhạt đến đậm (hình 5.23) Từ trái sang phải, màu dãy màu mô dùng để mô tương ứng giá trị từ nhỏ đến lớn đại lượng cần mô Các giá trị hiển thị trạng thái nằm phía cửa sổ chương trình rê chuột trỏ vào phần tử ảnh mô (hình 5.20) Chương 5: Mô trình lan truyền chất chiều Bài toán lan truyền ô nhiễm 66 Hình 5.20: Mô nồng độ DO ngày 01/1/2001 Hình 5.21: Mô nồng độ DO ngày 08/1/2001 Chương 5: Mô trình lan truyền chất chiều Bài toán lan truyền ô nhiễm 67 Hình 5.22: Mô nồng độ DO ngày 16/1/2001 Hình 5.23: Mô nồng độ DO ngày 24/1/2001 Chương 5: Mô trình lan truyền chất chiều Bài toán lan truyền ô nhiễm 68 Hình 5.20: Mô nồng độ DO ngày 01/1/2001 Hình 5.20: Mô nồng độ DO ngày 08/1/2001 Hình 5.20: Mô nồng độ DO ngày 16/1/2001 Hình 5.21: Mô nồng độ DO ngày 24/1/2001 Hình 5.22: Mô nồng độ DO ngày 31/1/2001 Dải màu mô Các màu từ trái sang phải dùng môphỏng giá trị từ nhỏ đến lớn Chương 5: Mô trình lan truyền chất chiều Chương KẾT LUẬN 6.1 Một số kết quả: Mục tiêu, yêu cầu, nội dung phạm vi nghiên cứu luận văn toán lan truyền chất mạng kênh sông trình bày chương thứ Qua thực xây dựng sở lý thuyết, rời rạc hóa hệ phương trình lan truyền chất, ứng dụng kỹ thuật lập trình song song đồ họa vào thiết lập chương trình giải toán, mô địa hình nồng độ chất ô nhiễm mạng kênh sông, kết đạt sau: Chương trình tính toán song song Chương trình tính toán song song viết ngôn ngữ C++, biên dịch chạy hệ điều hành LINUX, bao gồm file: chương trình master fastm (224577 bytes) chương trình slave fasts (217293 bytes) Các hình 6.1 - 6.4 trình bày kết thực tính toán ô nhiễm cho mạng kênh sông gồm 321 nhánh, 919 mặt cắt, 192 hợp lưu, 18 biên, công trình thủy lợi mạng máy tính hệ điều hành LINUX RedHat version 7.2 36 72 144 216 504 1008 1512 2232 Hình 6.1: Đồ thị kết tính toán đến 2232 bước tính mạng máy tính 1CPU Bài toán lan truyền ô nhiễm 69 Số bước tính Thời gian chạy chương trình tính giây Thời gian chạy chương trình song song tính giây Mạng gồm máy: 5,2807 5,5544 Pentium II 36 6,0410 6,1135 72 6,8846 6,7198 144 8,5633 7,7795 216 10,2416 9,1908 504 16,9108 14,0877 1008 28,6109 22,6797 1512 40,3090 32,2174 2232 57,0959 44,5815 Mạng gồm máy: 5,2807 5,5607 Pentium II 36 6,0410 5,9868 72 6,8846 6,4855 144 8,5633 7,1621 216 10,2416 8,4177 504 16,9108 12,4115 1008 28,6109 19,2684 1512 40,3090 26,3612 2232 57,0959 36,2837 Cấu hình hệ thống máy 400MHz,512MB RAM, 512K cache LANcard: Realtek RTL8139 – based PCI Ethernet Adapter Pentium III 450MHz,128MB RAM, 256K cache LANcard: Realtek RTL8029(AS) – based PCI Ethernet Adapter 400MHz,512MB RAM, 512K cache LANcard: Realtek RTL8139 – based PCI Ethernet Adapter Pentium III 450MHz,128MB RAM, 256K cache LANcard: Realtek RTL8029(AS) – based PCI Ethernet Adapter Pentium III 550MHz,128MB RAM, 256K cache LANcard: Realtek RTL8029(AS) – based PCI Ethernet Adapter Hình 6.2: Bảng thời gian tính toán mạng gồm máy 1CPU Thời gian chạy chương trình với giải thuật đo máy tính thứ hai (PentiumIII - 450MHz, 128 MB Ram) Thời gian chạy chương trình với giải thuật song song đo Master máy tính thứ (PentiumII - 400MHz, 512 MB Ram) Chương 6: Kết luận 69 Bài toán lan truyền ô nhiễm 70 Hình 6.3-6.4 trình bày kết tính toán mạng gồm máy tính: Máy tính 1: PentiumII-2CPU 400MHz, 512 MB Ram, LAN card: RealTek RTL-8139 based PCI Ethernet Adapter Máy tính 2: PentiumIII-1CPU 450MHz, 128 MB Ram, LAN card: RealTek RTL-8029 based PCI Ethernet Adapter 36 72 144 216 504 1008 1512 2232 Hình 6-3: Đồ thị kết tính toán đến 2234 bước tính mạng gồm máy 2CPU máy 1CPU Chương 6: Kết luận 70 Bài toán lan truyền ô nhiễm 71 Chương 6: Kết luận 71 Bài toán lan truyền ô nhiễm 72 Chương trình mô Chương trình mô đồ họa có kết nối liệu địa hình, vận tốc dòng chảy nồng độ chất ô nhiễm mạng kênh sông Phiên tính toán cho toán dòng chảy lan truyền chất theo giải thuật tích hợp chương trình Chương trình mô viết ngôn ngữ Visual C++, biên dịch chạy môi trường Windows File chương trình mang tên fast1D có kích thước 729136 bytes Kết mô trình bày chương 6.2 Lời kết: Bài toán dòng chảy truyền chất lónh vực mẻ so với nội dung đào tạo ngành công nghệ thông tin Việc giải toán yêu cầu kiến thức giải số toán biên hiểu biết vấn đề ô nhiễm môi trường nước mặt Với hiểu biết có hạn, chắn yêu cầu đặt xa với tầm tay khả thực học viên ngành tin học Vì vậy, mong nhận nhiều ý kiến giáo Thầy hướng dẫn, Giáo sư, Giảng viên chuyên ngành góp ý bạn đồng nghiệp để người thực đề tài tiếp tục phấn đấu học hỏi tiến Chương 6: Kết luận 72 Bài toán lan truyền ô nhiễm 73 MỤC LỤC Lời cảm ơn Lời nói đầu Muïc luïc Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1 Giới thiệu 1.2 Mô hình Giải thuật cho Bài toán 1.3 Ô nhiễm hữu mạng kênh sông Sài gòn 1.4 Chương trình máy tính thực nghiệm tính toán 1.5 Những mục tiêu yêu cầu Chương 2: MÔ HÌNH TÍNH TOÁN LAN TRUYỀN Ô NHIỄM MỘTCHIỀU TRÊN MẠNG KÊNH SÔNG 2.1 Sơ đồ hóa mạng kênh sông 10 2.2 Mô đặc trưng thủy lực mạng kênh sông 12 2.2.1 Mô hình hóa dòng chảy nhánh kênh sông 12 2.2.2 Mô hình hóa dòng chảy mạng kênh sông 13 2.2.3 Mô số đặc trưng thủy lực dòng chảy 13 2.3 Mô trình lan truyền chất mạng kênh sông 16 2.3.1 Mô hình lan truyền chất chiều nhánh kênh sông 16 2.3.2 Đánh giá thông lương toàn phần đoạn kênh sông 17 2.3.3 Mô số trình lan truyền chất chiều kênh sông 19 2.3.4 Giải thuật Thomas .21 2.3.5 Một số toán lan truyền chất thường gặp .21 Chương 3: ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SONG SONG VÀO BÀI TOÁN 3.1 Chiến lược song song cho việc giải toán lan truyền chất mạng kênh sông 25 3.2 Khởi dựng giải thuật song song để giải toán 27 3.2.1 Mô hình lập trình .27 3.2.2 Giải thuật song song 28 3.2.3 Tổ chức truyền nhận 35 Chương 4: XÂY DỰNG CÁC HỆ CƠ SỞ DỮ LIỆU 4.1 Hệ sở liệu tính toán 36 4.1.1 Các lược đồ quan hệ 36 Chương 6: Kết luận 73 Bài toán lan truyền ô nhiễm 74 4.1.2 Các ràng buộc toàn vẹn 40 4.2 Hệ sở liệu đồ họa địa hình 45 4.3 Hệ sở liệu mô 46 Chương 5: MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TRUYỀN TẢI CHẤT MỘT CHIỀU TRÊN MẠNG KÊNH SÔNG 5.1 Tổ chức liệu 47 5.1.1 Hệ thống liệu vào, chương trình tính toán 47 5.1.2 Đặc trưng biến tổng quát .49 5.1.3 Sơ đồ cấu trúc hệ thống 50 5.2 Các cấu trúc liệu .51 5.2.1 Dữ liệu tổng quát 51 5.2.2 Dữ liệu nhánh mạng kênh sông .52 5.2.3 Dữ liệu mặt cắt nhánh kênh sông 53 5.2.4 Dữ liệu hợp lưu mạng kênh sông 54 5.2.5 Dữ liệu công trình thủy lợi 54 5.2.6 Dữ liệu khu trữ nước 55 5.2.7 Dữ liệu trạm đo mưa .56 5.2.8 Dữ liệu liên quan đến tính toán thủy lực 56 5.2.9 Dữ liệu liên quan đến nguồn ô nhiễm hữu 57 5.2.10 Các điều kiện ban đầu cho toán .58 5.3 Chương trình tính toaùn 60 5.4 Mô địa hình liệu toán 62 5.4.1 Mô địa hình 62 5.4.2 Truy cập liệu hình đồ họa 63 5.4.3 Mô kết .64 Chương 6: KẾT LUẬN 6.1 Một số kết 68 6.2 Lời kết 69 Tài liệu tham khảo Chương 6: Kết luận 74 ... toán lan truyền ô nhiễm chiều mạng kênh sông, nhiều kỹ thuật tính toán cần đến giải thuật xử lý song song gặp mạng có quy mô lớn như: mạng kênh sông Sài gòn, Đồng nai, Cần giờ, mạng kênh sông thuộc... để truyền tải chất hòa tan gây ô nhiễm mạng kênh sông Vì thế, để đánh giá dự báo trình lan truyền ô nhiễm mạng kênh sông trước hết phải việc xem xét chế độ dòng chảy mạng kênh sông xét Những chất. .. lớn toán truyền tải vật chất mạng kênh sông, nghiên cứu cần đến kỹ thuật tính toán xử lý song song, mô định lượng không thiết kế hệ sở liệu công cụ đồ họa để mô diễn biến loại dòng chảy Trong