Cơ sở lí thuyết mô hình MIKE NAM, MIKE11 HD và MIKE11 Ecolab

4. Phƣơng pháp nghiên cứu

1.5 Cơ sở lí thuyết mô hình MIKE NAM, MIKE11 HD và MIKE11 Ecolab

1.5.1 Cơ sở lý thuyết mô hình mưa - dòng chảy (MIKE NAM)

a. Cấu trúc mô hình NAM

Mô hình NAM đƣợc xây dựng tại Khoa Thuỷ văn Viện Kỹ thuật Thuỷ động lực và Thuỷ lực thuộc Đại học Kỹ thuật Đan Mạch năm 1982. NAM là chữ viết tắt của cụm từ tiếng Đan Mạch “Nedbør - Afstrømnings - Models” có nghĩa là mô hình mƣa rào dòng chảy. Mô hình NAM đã đƣợc sử dụng rộng rãi ở Đan Mạch và một số nƣớc nằm trong nhiều vùng khí hậu khác nhau nhƣ Srilanca, Thái Lan, Ấn Độ và Việt Nam.v.v. Trong mô hình NAM, m i lƣu vực đƣợc xem là một đơn vị xử lý, do đó các thông số và các biến là đại diện cho các giá trị đƣợc trung bình hóa trên toàn lƣu vực. Mô hình tính quá trình mƣa-dòng chảy theo cách tính liên tục hàm lƣợng ẩm trong năm bể chứa riêng biệt có tƣơng tác lẫn nhau [7,14].

Cấu trúc mô hình NAM đƣợc xây dựng trên nguyên tắc các hồ chứa theo chiều thẳng đứng và các hồ chứa tuyến tính, gồm có 5 bể chứa theo chiều thẳng đứng nhƣ sau[18]:

Bể chứa tuyết tan: đƣợc kiểm soát bằng các điều kiện nhiệt độ. Đối với điều kiện khí hậu nhiệt đới ở nƣớc ta thì không xét đến bể chứa này.

Bể chứa mặt: lƣợng nƣớc ở bể chứa này bao gồm lƣợng nƣớc mƣa do lớp phủ thực vật chặn lại, lƣợng nƣớc đọng lại trong các ch trũng và lƣợng nƣớc trong tầng sát mặt. Giới hạn trên của bể chứa này đƣợc ký hiệu bằng Umax.

Bể chứa tầng dƣới: là vùng đất có rễ cây nên cây cối có thể hút nƣớc cho bốc, thoát hơi. Giới hạn trên của lƣợng nƣớc trong bể chứa này đƣợc ký hiệu là Lmax, lƣợng nƣớc hiện tại đƣợc ký hiệu là L và tỷ số L/Lmax biểu thị trạng thái ẩm của bể chứa.

Bể chứa nƣớc ngầm tầng trên và bể chứa nƣớc ngầm tầng dƣới.

Mƣa hoặc tuyết tan đều đi vào bể chứa mặt. Lƣợng nƣớc (U) trong bể chứa mặt liên tục cung cấp cho bốc hơi và thấm ngang thành dòng chảy sát mặt. Khi U đạt đến Umax, lƣợng nƣớc thừa là dòng chảy tràn trực tiếp ra sông và một phần còn lại sẽ thấm xuống các bể chứa tầng dƣới và bể chứa ngầm.

Hình 1.3: Cấu trúc của mô hình NAM b. Các thông số cơ bản của mô hình NAM

nguyên, có phạm vi biến đổi từ 0.0 đến 0.9; CQIF (Hệ số dòng chảy sát mặt, có thứ nguyên là thời gian (giờ)-1); CBL(là thông số dòng chảy ngầm, đƣợc dùng để chia dòng chảy ngầm ra làm hai thành phần: BFU và BFL); CKOF, CKIF(Là các ngƣỡng dƣới của các bể chứa để sinh dòng chảy tràn, dòng chảy sát mặt và dòng chảy ngầm, các thông số này không có thứ nguyên và có giá trị nhỏ hơn 1); Umax, Lmax(Thông số biểu diễn khả năng chứa tối đa của các bể chứa tầng trên và tầng dƣới); CK1,2, CKBF(là các hằng số thời gian biểu thị thời gian tập trung nƣớc. Chúng là các thông số rất quan trọng, ảnh hƣởng đến dạng đƣờng quá trình và đỉnh).

c. Điều kiện ban đầu của mô hình

Điều kiện ban đầu mô hình bao gồm:

- U là lƣợng nƣớc chứa trong bể chứa mặt (mm)

- L là lƣợng nƣớc chứa trong bể chứa tầng dƣới (mm)

- QOF - cƣờng suất dòng chảy mặt sau khi diễn toán qua bể chứa tuyến tính (mm/h)

- QIF - cƣờng suất dòng chảy sát mặt khi qua bể chứa tuyến tính (mm/h)

- BF - cƣờng suất dòng chảy ngầm (mm/h)

d. Hiệu chỉnh thông số mô hình

Hiệu chỉnh thông số mô hình nhằm xác định các thông số của mô hình để cho đƣờng quá trình tính toán phù hợp nhất với đƣờng quá trình thực đo. Việc hiệu chỉnh các thông số mô hình có thể đƣợc tiến hành bằng 2 phƣơng pháp: phƣơng pháp thử sai hoặc phƣơng pháp tối ƣu. Ở đây phƣơng pháp thử sai để dò tìm bộ thông số cho lƣu vực cần tính toán đƣợc. Để đánh giá sự phù hợp giữa đƣờng quá trình thực đo và đƣờng quá trình tính toán, ngƣời ta sử dụng chỉ sốNash-Sutcliffe.

Tóm lại, mô hình NAM đƣợc sử dụng để xác định đƣờng quá trình lƣu lƣợng tại mặt cắt cửa ra của lƣu vực từ số liệu mƣa bằng cách đi tìm một bộ thông số phù hợp với đặc điểm của lƣu vực nghiên cứu. Để xác định đƣợc các thông số cần thiết đó, chúng ta lại cần phải có số liệu lƣu lƣợng thực đo một vài năm dùng để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình. Với bộ thông số này, từ số liệu khí tƣợng sẵn có, ta có thể sử dụng để khôi phục lại số liệu tại cửa ra của lƣu vực cần nghiên cứu (lƣu lƣợng nƣớc tại các trạm Ba Thá trên sông Đáy và trạm Hƣng Thi trên sông Bôi), phục vụ cho mô hình

thuỷ lực, là phần tính toán thứ hai trong luận văn.

1.5.2 Cơ sở lý thuyết mô hình diễn toán thủy lực (MIKE 11 HD)

Mô đun mô hình thuỷ động lực (HD) là phần trung tâm của hệ thống mô hình MIKE 11 và hình thành cơ sở cho hầu hết các mô đun bao gồm: dự báo lũ, tải khuếch tán, chất lƣợng nƣớc và các mô đun vận chuyển bùn cát. Mô đun thuỷ lực trong MIKE 11 giải các phƣơng trình tổng hợp theo phƣơng dòng chảy để đảm bảo tính liên tục và bảo toàn động lƣợng (hệ phƣơng trình Saint Venant)[19].

Đặc trƣng cơ bản của hệ thống mô hình MIKE 11 là cấu trúc mô đun tổng hợp với nhiều loại mô đun đƣợc thêm vào để mô phỏng các hiện tƣợng liên quan đến hệ thống sông. Ngoài các mô đun thuỷ lực, MIKE 11 còn có các mô đun bổ sung đối với:

- Thuỷ văn;

- Tải - khuếch tán;

- Các mô hình chất lƣợng nƣớc;

- Vận chuyện bùn cát dính;

- Vận chuyển bùn cát không dính .v.v.

1.5.3 Cơ sở lý thuyết mô hình chất lượng nước (MIKE 11 Ecolab)

Ngoài mô đun thuỷ lực (HD) là phần trung tâm của mô hình làm nhiệm vụ tính toán thuỷ lực, MIKE 11 còn cho phép chúng ta giải quyết một số vấn đề thông qua các mô đun khác trong đó có vấn đề chất lƣợng nƣớc.

Trong tính toán (1 chiều) các quá trình chất lƣợng nƣớc có liên quan đến những phản ứng sinh hoá, ngoài ảnh hƣởng của các phản ứng này gây ra, còn có ảnh hƣởng của các quá trình thuỷ văn thuỷ lực của dòng chảy, do vậy, để giải quyết vấn đề chất lƣợng nƣớc trong mô hình MIKE 11, phải đồng thời sử dụng cả hai mô đun đó là mô đun tải - khuếch tán (AD) và mô đun sinh thái (Ecolab). Trong những trƣờng hợp tính toán các yếu tố không liên quan đến các phản ứng sinh hoá thì chỉ cần sử dụng mô đun tải - khuếch tán để tính toán, khi đó các hệ số liên quan đến các phản ứng sinh hoá có trong phƣơng trình tính toán sẽ không đƣợc xét đến và mô đun sinh thái (Ecolab) không cần đƣợc kích hoạt[1].

a. Mô đun truyền tải khuếch tán

Mô đun truyền tải khuếch tán (AD) đƣợc dùng để mô phỏng vận chuyển một chiều của chất huyền phù hoặc hoà tan (phân huỷ) trong các lòng dẫn hở dựa trên

phƣơng trình để trữ tích luỹ với giả thiết các chất này đƣợc hoà tan trộn lẫn, nghĩa là không có thay đổi hay biến động trong cùng mặt cắt và dòng chảy không phân tầng (đồng đẳng).Sự khuếch tán theo chiều dọc sông gây ra do sự kết hợp của dòng chảy rối và sự khuếch tán. Sự phân tán dọc theo sông do ảnh hƣởng của chảy rối lớn hơn rất nhiều so với sự phân tán h n loạn của các phân tử đơn lẻ. Về mặt trị số, thành phần khuếch tán rối lớn hơn nhiều so với thành phần khuếch tán phân tử. Sự phân bố của thành phần khuếch tán rối trong dòng chảy là không đồng đều, nó phụ thuộc vào hƣớng của tốc độ dòng chảy và khoảng cách đến thành ống, do đó hệ số khuếch tán rối khác nhau theo các hƣớng khác nhau. Quá trình truyền tải khuếch tán tuân theo định luật Fick[20].

b. Mô đun sinh thái (Ecolab)

Mô đun sinh thái (Ecolab) trong mô hình MIKE 11 giải quyết khía cạnh chất lƣợng nƣớc trong sông tại những vùng bị ảnh hƣởng bởi các hoạt động dân sinh kinh tế.v.v. Mô đun này phải đƣợc đi kèm với mô đun tải - khuếch tán (AD), điều này có nghĩa là mô đun chất lƣợng nƣớc giải quyết các quá trình biến đổi sinh học của các hợp chất trong sông còn mô đun tải - khuếch tán (AD) đƣợc dùng để mô phỏng quá trình truyền tải khuếch tán của các hợp chất đó. Trong môi trƣờng nƣớc xảy ra rất nhiều các quá trình trao đổi phức tạp nhƣ sự hô hấp và phân hủy của các loại động thực vật, quá trình hấp thụ nhiệt.v.v. Các quá trình này đều đƣợc mô hình hoá và đƣa vào mô đun chất lƣợng nƣớc. Chúng ta tác động vào các quá trình này thông qua các hệ số hiển thị trong trình duyệt của mô đun chất lƣợng nƣớc có trong mô hình.

Mô đun sinh thái tính toán tới 13 thông số chất lƣợng nƣớc với 6 cấp độ khác nhau, mô phỏng và biểu diễn những quá trình chuyển hóa giữa các hợp phần có liên quan tới các quá trình. Gồm có: Tính toán lƣợng oxy hoà tan trong nƣớc (Dissolved Oxygen – DO); Tính toán nhu cầu ôxy sinh hoá (Biological Oxygen Demand – BOD); Tính toán Phốtpho; Tính toán Amonia; Tính toán Nitrate; Tính toán Coliform.

Các giá trị tham số của mô hình chất lƣợng nƣớc và sinh thái đƣợc liệt kê và cho sẵn các giá trị ngƣỡng của từng tham số ứng với các mức độ tính toán. Điều này đặc biệt có ý nghĩa với việc hiệu chỉnh mô hình khi số lƣợng thông số là rất nhiều. Các lựa chọn để kiết xuất dữ liệu cho phép lấy và kiểm tra các quá trình chuyển hóa giữa các hợp phần tính toán với nhau. Với tính đồng bộ cao, mô hình còn cho phép cập nhật các nguồn thải dƣới dạng nguồn điểm hay nguồn diện trên từng đoạn sông[20].

P hữu cơ bị hòa tan Thủy văn P hữu cơ bị lắng đọng Khoáng hóa P vô cơ bị hấp thụ p h ụ H ấ p h ấp G iả i p h ụ

P vô cơ bị hòa tan

Rửa trôi Di chuyển khối Di chuyển khối Xói mòn c ơ h ữ Lắng đọng lin

h Phân hủy Phân hủy

độ ng P vô cơ đ ịn h C ố h ó aK h o án g Khoáng hóa

P vô cơ hoàn tan

đ ộ n gh o ạt cơ vô P G iả i h ấp p h ụ ta n H ò a Hấp phụ Kết tủa Giải hấp phụ P hữu cơ bền vững

Rửa trôiP vô cơ ôn định

h ấp H ô B O D h ủ yP h â n B O D D is so lv e d h ồ iP h ụ c h ợ p Q u an g D O

Phân hủy BOD

Hút thu đ ịn h C ố Hút thu Th ự c i Col i Col BO D t vậ Fa e co g tổn Lắng đọng Trầm tích tr o n gB O D h ủ yP h â n tr ầ m D BO tí c h Hấp phụ N hữu cơ dạng hạt Thủy văn

N hữu cơ bị hòa tan

h ó aN itr at h ó aK h o án g th u H ú t th u H ú t Ammonia NH4+ Nitrat hóa Nitrite NO2- Khử nitơ Nitrate NO3- Xói mòn Lắng đọng K h o án g h ó a Di chuyển khối Di chuyển khối Di chuyển khối

N hữu cơ hoạt động

N Giải hấp phụ cơh ữ u Ph â n hủ y định ổ n Phân hủy

N hữu cơ mới

đ ịn h C ố h ó aK h o án g Ammonia NH4 + ph ụhấpbịAm monia Nitrite NO2- n itơ K h ử Nitrate NO3 -

Hình 1.4: Sơ đồ chuyển hoá giữa các hợp phần trong các quá trình sinh học[20] 1.6 Tổng quan các nghiên cứu liên quan

Tại các nƣớc Châu u, theo nghiên cứu của Jordan, 1900[17], nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến quá trình tự làm sạch (TLS) nƣớc sông đã đƣợc tiến hành từ cuối thế kỷ XIX. Đó là các công trình nghiên cứu TLS nguồn nƣớc dựa vào quá trình

đồng hóa chất thải hữu cơ nhờ hoạt động của vi khuẩn có trong nguồn nƣớc. Những công trình đầu tiên quan tâm đến quá trình ôxy hóa chất thải hữu cơ do vi khuẩn. Chẳng hạn, G. Frank khi nghiên cứu TLS nƣớc sông Spree (Đức) đã quan tâm đến số lƣợng vi khuẩn trong 1 cm3 nƣớc tham gia vào quá trình đồng hóa chất thải trong nƣớc sông. Ông đã thấy rằng, trong nƣớc sông Spree trƣớc khi chảy vào thành phố Berlin có khoảng 10.000 vi khuẩn/1cm3 nƣớc sông, khi chảy qua Berlin nơi nƣớc bị ô nhiễm con số này tăng lên đến hàng ngàn thậm chí hàng triệu nhƣng khi quá trình TLS kết thúc thì lƣợng vi khuẩn giảm đi một cách đáng kể. Các tác giả Girard và Bordas đã nghiên cứu TLS trên sông Seine. Đặc biệt, Golschmidt và Pransmidt khi nghiên cứu quá trình TLS trên sông Isar ở Munich đã tính toán và đƣa ra khoảng cách cần thiết cho quá trình TLS là khoảng 27 km và trong khoảng thời gian 8 giờ. Kluse và Lossen khi nghiên cứu trên sông Rhine đã đƣa ra khoảng cách là từ 25-26 km và thời gian là 5,5-6 giờ.

Đã có rất nhiều nghiên cứu đƣợc thực hiện liên quan đến BĐKH và những tác động của chúng đến dòng chảy lƣu vực sông ở Việt Nam. Những ứng dụng này cho thấy tính khả thi của việc ứng dụng mô hình toán trong việc tính toán dòng chảy và đánh giá những tác động của BĐKH ở các lƣu vực có các đặc tính khác nhau.

“Nghiên cứu tác động của Biến đổi khí hậu đến cực trị dòng chảy trên lƣu vực sông Nhuệ Đáy thuộc thành phố Hà Nội” của ThS. Nguyễn Ý Nhƣ, trƣờng Đại học Khoa học tự nhiên Đại học Quốc gia Hà Nội năm 2011. Công cụ chính của nghiên cứu là sử dụng mô hình NAM khảo sát 2 kịch bản biến đổi khí hậu A1B và A2 trên lƣu vực sông Nhuệ Đáy, thu đƣợc một số kết quả: Trên các tiểu lƣu vực hạ lƣu, các đặc trƣng lũ thể hiện 2 xu hƣớng biến đổi đối lập dƣới tác động của 2 kịch bản BĐKH. Không giống với kịch bản A2 gây ra tác động tƣơng tự ở thƣợng lƣu, kịch bản A1B có thiên hƣớng làm giảm rủi ro lũ so với hiện tại, với dòng chảy lũ và cƣờng độ tháng đỉnh lũ giảm 5%, 21% tƣơng ứng, cƣờng độ lũ tần suất 1% giảm xuống 342 m3/s (hiện tại là 528 m3/s), độ lặp lại của trận lũ 10 năm tăng lên 40 năm. Phân tích đƣờng cong thời khoảng cho thấy mức độ đóng góp dòng ngầm để duy trì dòng chảy kiệt của lƣu vực nhỏ và có xu hƣớng giảm theo thời gian, cho thấy tiềm năng khai thác đang ngày càng suy giảm. [10]

Trong hơn một thập kỷ qua, các nghiên cứu về mô hình chất lƣợng nƣớc tại Việt Nam chủ yếu phát triển theo các hƣớng sau:

- Sử dụng mô hình chất lƣợng nƣớc nƣớc ngoài chuyển giao hoặc từ các nguồn khác nhau;

- Xây dựng mô hình tính toán lan truyền và chuyển hoá chất ô nhiễm cho một đối tƣợng cụ thể trên cơ sở các dữ liệu đầu vào khảo sát và thu thập đƣợc.

Trong cả hai trƣờng hợp trên, mô hình chất lƣợng nƣớc chủ yếu tập trung cho các con sông chính của Việt Nam nhƣ mô hình WQ97 mô phỏng sự thay đổi BOD&DO trên hệ thống kênh Sài Gòn; sử dụng mô hình STREAM II xác định khả năng chịu tải

ônhiễm của dòng chảy sông Hồng; sử dụng mô hình Qual2E tính toán sự lan truyền và phân bố các chất ô nhiễm từ các hoạt động phát triển trên lƣu vực sông Thị Vải; sử dụng mô hình một chiều để tính toán thay đổi BOD trong hệ thống kênh rạch của Tp.HCM; nghiên cứu mô phỏng sinh thái - chất lƣợng nƣớc phục vụ hợp lý nguồn nƣớc sông, trên cơ sở mô hình Qual2E để mô phỏng chất lƣợng nƣớc sông; ứng dụng mô hình chất lƣợng nƣớc WASP5 để đánh giá các điều kiện thuỷ lực và tính toán khả