Mô hình Qual2E
Qual2E là sản phẩm của Cục bảo vệ môi trường Mỹ (EPA). Qual2E làmô hình thuỷ động lực và chất lượng nước 2 chiều: theo chiều dòng chảy vàchiều sâu. Trong mô hình các yếu tố thuỷ lực và chất lượng nước được giả thiếtlà đồng nhất theo phương ngang nên mô hình thích hợp nhất đối với các lưuvực dài và hẹp thể hiện rõ các gradient theo chiều dọc và chiều sâu. Mô hìnhđược áp dụng cho sông ngòi, hồ, hồ chứa và vùng cửa sông. Nó có thể môphỏng tới 15 thành phần bất kỳ trong một tổ hợp nào đó do người sử dụng đềra. Các thành phần được mô phỏng là:
+ Ôxy hoà tan DO
+ Nhu cầu ôxy sinh hoá BOD + Nhiệt độ
+ Tảo mô phỏng như diệp lục a + Nitơ mô phỏng như N
+ Amonia mô phỏng như N
+ Photpho hữu cơ mô phỏng như P + Photpho hoà tan mô phỏng như P + Coliform
+ Thành phần chất không bão hoà + Ba thành phần chất bão hoà
Mô hình có khả năng áp dụng được cho các dòng chảy pha trộn hoàntoàn. Mô hình giả thiết rằng cơ chế chuyển tải chủ yếu là đối lưu và phân tán. Mô hình cho phép có các gia nhập nước thải hay xuất lưu, các sông nhánh và các gia nhập khu giữa. Mô hình này cũng có khả năng tính lưu lượng pha loãng cần thiết khi tăng lưu lượng dòng chảy để đáp ứng được bất kỳ mức độ ôxy hoà tan xác định đó.
Về mặt thuỷ lực, Qual2E chỉ giới hạn mô phỏng trong thời kỳ cả lưu lượng nước trong lưu vực và lưu lượng nước thải nhập lưu hầu như không đổi,Qual2E có thể chạy trong trường hợp dòng chảy ổn định, mô hình có thể được sử dụng để nghiên cứu tác động của nước thải (bao gồm chất, lượng và vị trí) đối với chất lượng nước sông và nó có thể được sử dụng trong chương trình lấy mẫu ngoài thực địa để xác định các nguồn nước thải không phải là nguồn điểm. Bằng cách chạy mô hình động lực người sử dụng có thể nghiên cứu những ảnh hưởng biến động trong ngày của các yếu tố khí tượng đối với chất lượng nước (trước hết đối với ôxy hoà tan và nhiệt độ) và nghiên cứu sự biến động ôxy hoà tan trong ngày do sự sinh truởng và hô hấp của tảo.
Mô hình CORMIX (Cornell Mixing Zone Expert System) là mô hình hệthống chuyên nghiên cứu vùng pha trộn nước thải dùng để phân tích, dự báo và thiết kế các miệng xả nước thải vào nguồn nước tự nhiên. Mô hình này được các chuyên gia thuộc trường Đại học Cornell (Mỹ) xây dựng trong thời gian từ1985 đến 1995. Mô hình cho phép mô tả quá trình pha trộn nước thải ở gần miệng xả cũng như xa miệng xả.
CORMIX có ba hệ thống chương trình phụ tuơng ứng với ba điều kiện nước thải khác nhau. Các hệ thống chương trình phụ này là:
CORMIX 1: Dùng phân tích cho cửa xả đơn ngập nước.
CORMIX 2: Dùng phân tích cho nhiều cửa xả ngập dưới nước. CORMIX 3: Dùng phân tích cho cửa xả trên mặt nước.
Trong đó:
CORMIX 1: Tính các đặc trưng hình học và đặc trưng pha loãng của lưulượng thải sinh ra từ một nguồn cửa xả đơn ngập phân tán, của mật độ tự nhiên, vị trí tự nhiên và hình dạng nguồn nước xung quanh nhận được có thể bị ứ đọng hoặc đang chảy vào nguồn nước có mật độ phân tầng xung quanh.
CORMIX 2: Áp dụng chung cho 3 kiểu thông thường, được sử dụng cho nhiều cửa xả phân tán ngập nước và các điều kiện xung quanh, tương tự nhưCORMIX 1.
CORMIX 3: Phân tích và tính toán các nước thải bề mặt, cho kết quả khi lưu lượng nước thải vào nguồn nước bên cạnh lớn, qua lòng dẫn kênh hoặc ống sát bề mặt. Nó còn hạn chế lưu lượng nước thải đẩy nổi hoàn toàn hoặc trung bình. Các dòng nước thải và hướng thải có thể được phân tích gồm: sự chảy vào hoặc chảy ra qua các cửa kênh, và hướng xuống góc xiên hoặc song song với bờ.
Các giả thiết chính:
Tất cả các hệ thống phụ yêu cầu rằng mặt cắt ngang thực tế của nguồn nước được miêu tả bằng một lòng dẫn hình chữ nhật chảy vào sông ngòi hoặc chảy vào một hồ lớn. Trong cùng mặt cắt ngang thì giả thiết vận tốc xung quanh là như nhau.
Mật độ xung quanh là đồng đều, CORMIX thừa nhận ba dạng chung của các đường bao phân tầng được sử dụng coi là gần đúng đối với việc phân chia mật độ theo phương thẳng đứng.
Nguyên tắc các hệ thống CORMIX là chế độ dòng chảy phải ổn định. Tuy nhiên, có thể phân tích quá trình pha trộn không ổn định trong trường hợp chịu ảnh hưởng của triều. Tất cả các hệ thống CORMIX có thể tính vùng pha trộn cho các chất bảo toàn và các chất bị phân rã. Ngoài ra, có thể mô hình hoá quá trình trao đổi nhiệt.
Mô hình SAL của PGS.TS. Nguyễn TấtĐắc
Chương trình viết trên ngôn ngữ Fortran đã được xây dựng từ năm 1982. Khởi đầu SAL đã được sử dụng để tính triều và mặn trên một phần của sông Đồng Nai – Sài Gòn, Gành Hào – Cà Mau. Bắt đầu từ năm 1985 do sự du nhập của các máy vi tính vào nước ta, chương trình được mở rộng để tính toán một số yếu tố của chất lượng nước như BOD, DO, nitơ, phốt pho, phèn,… Sử dụng SAL có thể tính được các yếu tố sau:
- Mực nước, lưu lượng của mọi điểm quan tâm trên hệ thống kênh, sông. - Độ mặn, nồng độ BOD, DO và một số yếu tố chất lượng nước (Nitơ, phốt pho, phèn,…) của mọi điểm quan tâm trên hệ thống sông.
- Trên hệ thống sông có thể có các loại công trình.
- Mưa, bốc hơi, trao đổi nước giữa sông và ô đồng cũng được xét trongtính toán. Chương trình SAL gồm một chương trình chính để kết nối một sốchương trình con vào quá trình tính toán khi cần thiết. Có 7 chương trình con như sau: Subroutine Corres, Subroutine Input, Subroutine Comhq, Subroutine Coms, Subroutine Comdo, Subroutine Result, Subroutine Fini. Trong đó chương trình Coms được dùng để tính độ mặn (hoặc BOD hay yếu tố thứ nhất của chất lượng nước như NH3,…), chương trình Comdo dùng để tính các yếu tốthứ 2 trở đi của chất lượng nước (như DO, NO2,…).
Mô hình MASTER
Do Viện Thuỷ lực Delft Hà Lan lập ra từ năm 1988 theo đơn đặt hàng của Ban thư kí Mekong để mô phỏng chuyển động của nước trên hạ lưu Mekong từ Chiang
Sean ra đến biển và sự lan truyền mặn từ các cửa sông và biển trong nội đồng. Đây là mô hình được xây dựng trên hệ phương trình SaintVenant đầy đủ và những phương trình truyền mặn. Thực tế mô hình MASTER bao gồm 3 mô hình làm việc khá độc lập nhau là mô hình RIVER (áp dụng đểlập biên lưu lượng tại Pakse cho DELTA FLOOD model và nghiên cứu vận chuyển nước trong miền từ Pakse ra biển) và mô hình DELTA TIDAL (mô tảchuyển động nước và xâm nhập mặn vùng lân cận các cửa sông Cửu Long). Đây là một mô hình tốt về học thuật đối với bài toán dòng không ổn định trong hệ thống kênh hở.
Mô hình DELFT-3D
Mô hình DELFT-3D là một hệ thống tổng hợp các mô đun thành phần do Viện Thuỷ lực Delft Hà Lan xây dựng. DELFT-3D bao gồm các mođun: thủy động lực, sóng, truyền tải bùn cát, chất lượng nước, sinh thái học. Mô hình cho phép kết hợp giữa mô hình thuỷ lực 2,3 chiều với mô hình chất lượng nước. Ưu điểm của mô hình này là sử dụng lưới cong trực giao và kết hợp giữa các mô đun tính toán phức tạp để đưa ra những mô phỏng cho nhiều chất và nhiều quá trình tham gia.
Mô hình MIKE 11
Mô hình MIKE 11 là một phần mềm kỹ thuật chuyên dụng do Viện Thuỷlực Đan Mạch (DHI) xây dựng và phát triển trong khoảng 20 năm trở lại đây, được ứng dụng để mô phỏng chế độ thủy lực, chất lượng nước và vận chuyển cát vùng cửa sông, trong sông, hệ thống tưới, kênh dẫn và các hệ thống dẫn nước khác. MIKE 11 bao gồm nhiều mô đun có các khả năng và nhiệm vụ khác nhau như: mô đun mưa dòng chảy (RR), mô đun thuỷ động lực (HD), mô đun tải - khuếch tán (AD), mô đun sinh thái (Ecolab) và một số mô đun khác. Trong đó, mô đun thuỷ lực (HD) được coi là phần trung tâm của mô hình, tuy nhiên tuỳ theo mục đích tính toán mà chúng ta kết hợp sử dụng với các mô đun khác một cách hợp lý và khoa học.
1.2.4. Những nghiên cứu chất lượng nước sử dụng mô hình MIKE 11
Mô hình MIKE 11 với rất nhiều ưu điểm của nó đã được sử dụng rất nhiều trong những nghiên cứu thủy văn, không dừng lại ở đó mô hình còn cho kết quả mô phỏng
chất lượng nước rất tốt với hiệu quả mô hình rất cao.TheoNghiên cứu áp dụng mô hình
toán MIKE 11 tính toán chất lượng nước sông Nhuệ-sông Đáynhóm các tác giả Lê Vũ
Việt Phong, Trần Hồng Thái, Phạm Văn Hải đã nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE 11 trong tính toán chất lượng nước (DO, BOD, nhiệt độ) sông Nhuệ và sông Đáy sử dụng 4 mô đun là: mô đun mưa-dòng chảy(RR); mô đun thủy lực ( HD); mô đun truyền tải-khuyếch tán (AD); mô đun sinh thái (Ecolab); Nghiên cứu đã sử dụng nguồn số liệu cho đầu vào thủy lực(HD) bao gồm số liệu địa hình sông Nhuệ 43 mặt cắt ( từ Cống Liên Mạc đến Phủ Lý) và sông Đáy 60 mặt cắt và số liệu lưu lượng và mực nước dùng làm biên trên, biên dưới và hiệu chỉnh kiểm định mô đun thủy lực tại 12 trạm thủy văn. Mô hình chất lượng nước bao gồm số liệu nguồn ô nhiễm và nguồn thải cùng số liệu quan trắc nước mặt để hiệu chỉnh, kiểm định cho kết quả rất tốt với sai số tuyệt đối từ 0,15m đến 0,35m và mức hiệu quả của mô hình từ 88% đến 97% mô phỏng tính toán đối với thông số DO và BOD[9].
Theo Nghiên cứu áp dụng mô hình toán MIKE 11 tính toán dự báo chất
lượng nước sông Cầunhóm tác giảTrần Hồng Thái, Phạm Văn Hải, Trần Thị Diệu
Hằng đã sử dụng 3 mô đun là mô đun thủy lực HD, mô đun truyền tải khuyếch tán AD, mô đun sinh thái Ecolab. Nguồn số liệu đầu vào cho mô đun thủy lực gồm 53 mặt cắt, số liệu lưu lượng, mực nước tại 7 trạm thủy văn sử dụng làm biên trên, biên dưới và hiệu chỉnh kiểm định. Nguồn số liệu cho mô đun chất lượng nước gồm số liệu nguồn thải và nguồn gây ô nhiễm cùng với số liệu quan trắc nước mặt để hiệu chỉnh, kiểm định đã cho kết quả với hiệu quả mô hình từ 99,1% đến 96,4 % đã mô phỏng hiệu chỉnh, kiểm định mô hình chất lượng nước với 4 thông số DO, T-N, T-P, Coliform.Sau đó mô hình đã thực hiện 3 kịch bản với lưu lượng nước thải khác nhau đã đưa ra kết quả dự báo chất lượng nước sông Cầu theo kịch bản với thông số BOD và T-N[10].
TrongNghiên cứu ứng dụng mô hình Mike 11 tính toán thủy lực, chất lượng
nước cho lưu vực sông Sài Gòn- Đồng Naitác giảTrần Hồng Thái, Hoàng Thị Thu
Trang, Nguyễn Văn Thao, Lê Vũ Việt Phong đã sử dụng 3 mô đun là mô đun thủy lực HD, mô đun truyền tải-khuyếch tán AD, mô đun sinh thái Ecolab với nguồn dữ liệu đầu vào cho mô đun thủy lực HD gồm 42 mặt cắt sông và số liệu lưu lượng và mực nước tại 7 trạm thủy văn sử dụng làm biên trên, biên dưới và hiệu chỉnh, kiểm định. Nguồn số liệu cho mô đun chất lượng nước là số liệu nguồn thải và nguồn ô nhiểm cùng số liệu quan trắc chất lượng nước mặt, mô hình đã tính toán và mô phỏng chất lượng nước DO và BOD với hiệu quả mô hình từ 90% đến 94%[11].
TrongNghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE 11 và MIKE 21 trong mô phỏng chất
lượng nước sông Cầu Trắng-Đà Nẵng nhóm tác giả Phạm Phú Lâm, Trần Văn Quang,
Nguyễn Dương Quang Chánh đã sử dụng 28 mặt cắt cùng các số liệu lưu lượng và mực nước hiệu chỉnh, kiểm định mô đun thủy lực và số liệu nguồn thải cùng nguồn ô nhiễm và số liệu quan trắc nước mặt để mô phỏng chất lượng nước 1 chiều và 2 chiều đối với thông số DO và BOD. Sau đó mô hình đã thay đổi mức lưu lượng xả thải khác nhau để xây dựng 6 kịch bản đối với thông số DO và BOD [12].
Theo Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán MIKE 11 mô phỏng, đánh giá chất
lượng nước hạ lưu sông Đồng Nai đoạn chảy qua thành phố Biên Hòa theo quy hoạch phát triển kinh tế xã hội đến năm 2020của Phan Viết Chính đã sử dụng 3 mô
đun là mô đun thủy lực HD, mô đun truyền tải-khuyếch tán AD và mô đun sinh thái Ecolab với nguồn số liệu đầu vào cho mô đun thủy lực HD gồm 45 mặt cắt và số liệu lưu lượng, mực nước tại 4 trạm thủy văn làm biên trên, dưới và hiệu chỉnh kiểm định. Số liệu nguồn thải và nguồn gây ô nhiễm cùng số liệu quan trắc chất lượng nước để hiệu chỉnh kiểm định. Mô hình đã mô phỏng kiểm định 3 thông số DO, BOD, nhiệt độ với hiệu quả mô phỏng. Trên cơ sở đó mô hình đã xây dựng các kịch bản chất lượng nước tới năm 2020 với các mức giả thiết lưu lượng xả thải khác nhau cho kết quả với thông số DO và BOD[13]
Cuối cùngNghiên cứu ứng dụng mô hình toán dự báo ô nhiễm và xác định
nguồn gây ô nhiễm cho hạ lưu sông Sài Gòn Đồng Nai. Nhóm các tác giả Trần Hồng
Thái và những người khácđã sử dụng kết hợp mô hình MIKE11 với một số mô hình khác để tính toán chất lượng nước trên cơ sở đó dự báo chất lượng nước sông Sài Gòn- Đồng Nai đối với thông số DO, BOD, T-N[14].
Theo tất các nghiên cứu sử dụng mô hình MIKE 11 đã đề cập ở trên thường sử dụng để mô phỏng chất lượng nước tại thời điểm nghiên cứu, chưa có nhiều nghiên cứu để mô phỏng chất lượng nước. Hơn thế, các nghiên cứu dự báo để có độ chính xác tin cậy và mang ý nghĩa thực tế cần có cở sở để đảm bảo rằng số liệu dự báo nguồn thải và dân số có độ tin cậy.
Để khắc phục tính chính xác tin cậy và mang ý nghĩa thực tế của việc Dự Báo
Nguồn Thải Và Dân SốNghiên cứu sử dụngQuy Hoạch Tổng Thể Phát Triển Kinh Tế- Xã Hội Thành Phố Hà Nội Đến Năm 2020, Đinh Hướng Năm 2030 và Quy Hoạch Tổng Thể Phát Triển Kinh Tế -Xã Hội đến năm 2020, chi tiết cấp huyện của các huyện: Hoài Đức, Từ Liêm, Hà Đông, Thanh Trì, Thanh Oai, Thường Tín, Phú Xuyên, Ứng Hòa làm cơ sở để dự báo.
Trên đây luận văn đã tổng kết một số các nghiên cứu của các tác giả đã sử dụng mô hình MIKE11 để mô phỏng, dự báo chất lượng nước để thấy rằng đề tài sử dụng mô hình MIKE 11 để dự báo chất lượng nước sông Nhuệ ( DO, BOD, T-N) là hoàn toàn có cơ sở và có thể thực hiện với kết quả chính xác đáng tin cậy.
Chương 2- MỤC TIÊU – NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là chất lượng nước sông Nhuệ, đoạn chảy qua thành phố Hà Nội, sử dụng mô hình MIKE 11 để nghiên cứu tương quan giữa nguồn thải và chất lượng nước sông Nhuệ trên khu vực nghiên cứu.
Phạm vi không gian:biên trên là cống Liên Mạc, biên dưới là Phủ Lý, phạm vi mô phỏng:các thông số chất lượng nước: DO, BOD, T-N.Thời gian nghiên cứu: Năm 2015 và Năm 2020.
Hình 4. Bản đồ lưu vực hệ thống sông Nhuệ 1.4. Mục tiêu nghiên cứu
Sông Nhuệ có vai trò đặc biệt quan trọng đối sự phát triển của thủ đô Hà Nội và những khu vực lân cận, trong những năm gần đây và sắp tới sông Nhuệ bị ô nhiễm
nặng nề đã đặt ra nhu cầu cấp thiết của việc dự báo chất lượng nước sông và đề xuất những giải pháp quản lý chất lượng nước ứng phó với thực trạng ô nhiễm. Vì vậy luận văn có mục tiêu chính là dự báo chất lượng nước (DO, BOD, T-N) sông Nhuệ, đoạn chảy qua thành phố Hà Nội tới năm 2015 và năm 2020, trên cơ sở đưa ra kết luận và kiến nghị.
1.5. Nội dung nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu trên luận văn thực hiện các nội dung chính sau -Tổng quan các nghiên cứu chất lượng nước sông bằng mô hình MIKE 11. -Tổng quan về điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội, hiện trạng môi trường nước sông Nhuệ.
-Xác định những áp lực từ nguồn thải theo đoạn sông từ các tài liệu thu thập năm 2008 để phục vụ cho số liệu đầu vào chạy mô hình mô phỏng chất lượng nước.
-Ứng dụng mô hình MIKE 11 mô phỏng chất lượng nước sông Nhuệ theo số