4. Phƣơng pháp nghiên cứu
1.4 Tổng quan về phƣơng pháp mô hình toán
Các ứng dụng mô hình thủy văn, chất lƣợng nƣớc đã đƣợc phát triển ngay từ những năm đầu của thế kỷ 20, gắn liền với mối quan tâm của xã hội về vấn đề chất lƣợng nƣớc và khả năng ứng dụng của công nghệ tính toán khoa học [4]. Giai đoạn đầu thế kỷ 20: Mô hình chất lƣợng nƣớc đầu tiên đƣợc Streeter-Phelps thiết lập 1925,
mô phỏng sự thay đổi các giá trị DO và BOD ở vùng hạ lƣu với các nguồn thải điểm trên dòng chảy sông Ohio, Hoa Kỳ. Mô hình đƣợc thiết lập dựa trên cơ sở các giả thiết:
+Dòng chảy ổn định;
+Sự phân huỷ các chất hữu cơ theo phản ứng bậc nhất;
+Sự thiếu hụt oxy trong dòng chảy do sự phân huỷ các chất hữu cơ.
Thập niên 30-50, mô hình đƣợc nâng cao độ tin cậy bằng việc xem xét đồng thời ảnh hƣởng của các quá trình khuếch tán rối đến quá trình lan truyền các chất ô nhiễm trong dòng chảy. Các nghiên cứu tập trung vào các mối quan hệ giữa sự thay đổi DO và BOD trong dòng chảy với các chế độ thuỷ lực khác nhau. Kết quả đạt đƣợc trong giai đoạn này là các công thức thực nghiệm xác định giá trị hệ số tốc độ hoà tan oxy, các số liệu thống kê về hằng số tốc độ phân huỷ các chất hữu cơ trong dòng chảy có chế độ thuỷ lực khác nhau[15].
- Giai đoạn thập niên 60: Vấn đề đƣợc quan tâm trong giai đoạn này là giải quyết các bài toán nhiều chiều với các vấn đề phức tạp hơn. Độ tin cậy của mô hình đƣợc nâng cao do đã bổ sung thêm các quá trình ảnh hƣởng đến sự phân bố nồng độ các chất hữu cơ trong dòng chảy nhƣ:
+ Quá trình lắng các chất lơ lửng và chất vẩn;
+ Quá trình giải phóng các hợp chất từ lớp bùn đáy do quá trình sinh hoá trong lớp bùn đáy và các tác động cơ học giữa pha bùn và pha nƣớc;
+Quá trình quang hợp và hô hấp của hệ thực vật thuỷ sinh.
Ngoài việc tâp trung vào đánh giá tác động của các nguồn điểm tới chất lƣợng nƣớc, mô hình bắt đầu đề cập tới hiệu quả kinh tế trong việc kiểm soát chất lƣợng nƣớc (Mô hình của Thoman và Sobal- 1946, Ravell – 1967…).
- Giai đoạn thập niên 70: Trong giai đoạn này, vai trò khả năng tự làm sạch của
nguồn nƣớc (khả năng chuyển hoá chất bẩn nhờ sinh vật) đƣợc tập trung nghiên cứu, mở ra một trang mới về lịch sử phát triển mô hình sinh thái.Trong đó, vấn đề phú dƣỡng đƣợc quan tâm nhiều nhất và chiếm vị trí quan trọng trong việc đánh giá và dự báo chất lƣợng nƣớc. Điển hình là các mô hình Chen, Chen và Orlob, Thoman và Ditoro.
- Giai đoạn thập niên 80 đến nay: Từ thập niên 80 trở lại đây, mô hình chất lƣợng
nƣớc trong giai đoạn này đã hoàn thiện hơn một bƣớc với độ tin cậy cao hơn, các quá trình ảnh hƣởng đến chất lƣợng nƣớc đƣợc đề cập đến nhiều hơn, phạm vi ứng dụng đa dạng hơn. Điển hình trong giai đoạn này là các nghiên cứu của tác giả: Thomann và Mueller,1989 đã mô hình hoá các ảnh hƣởng của mối quan hệ giữa các loại thực vật phù du với các chất dinh dƣỡng trong dòng chảy đến chất lƣợng nƣớc sông; Law và Chalup, 1990 xây dựng mô hình chất lƣợng nƣớc trên cơ sở nghiên cứu quá trình quang hợp và hô hấp của tảo và đã đƣợc Brown bổ sung vào mô hình QUAL2E; Ditoro và Fitzpatrick, 1993 tiếp tục phát triển, bổ sung thêm mối quan hệ giữa các sinh vật lớn tiêu thụ (sinh vật tiêu thụ bậc 1), sự chuyển hoá và tích luỹ các chất dinh dƣỡng. Những năm gần đây, mô hình toán nói chung, và mô hình chất lƣợng nƣớc nói riêng đang phát triển mạnh mẽ với sự ứng dụng rộng rãi các công nghệ hiện đại nhƣ hệ thông tin địa lý (GIS), các thuật toán cho các máy tính công suất lớn.v.v. Các mô hình mô phỏng quá trình lan truyền chất thải và đánh giá chất lƣợng nƣớc sông phát triển mạnh nhất vào những năm cuối của thế kỷ 20 bao gồm các mô hình 1 chiều, 2 chiều và 3 chiều. Mô hình mở rộng phạm vi tính toán tới sự phát triển của các quá trình sinh học[12,13].
Mô hình MIKE 11 là bộ mô hình 1 chiều đƣợc phát triển bởi Viện thủy lực Đan Mạch (DHI) từ mô hình gốc đầu tiên ra đời năm 1972 dùng để mô phỏng thủy lực nƣớc trong sông. Trong mô hình MIKE 11, quá trình lan truyền, vận chuyển chất ô nhiễm do ảnh hƣởng của các quá trình sinh hóa và vật lý đã đƣợc mô phỏng và tính toán để làm cơ sở cho việc tính toán tải lƣợng ô nhiễm trong sông. Module thủy lực trong MIKE 11 mô phỏng động lực cả ở sông và cửa sông và có thể áp dụng cho đoạn sông phân nhánh cũng nhƣ các mạng sông phức tạp[16]. Vì mô hình là 1 chiều nên nó tuân theo các giả thiết rằng điều kiện dòng chảy trên toàn mạng sông là đồng nhất, tuy nhiên dòng chảy qua các công trình nhƣ đập vẫn có thể đƣợc mô phỏng. Sự vận chuyển chất hòa tan trong mô hình cũng đƣợc giải quyết bằng phƣơng trình cân bằng khối lƣợng nhƣ Qual2K nhƣng MIKE 11 có thêm cả phƣơng trình thủy lực xem xét các yếu tố động lực. MIKE 11 cung cấp cho ngƣời dùng chu i thời gian của dòng chảy, độ sâu và nồng độ của m i yếu tố tại m i đoạn sông, đồng thời mô hình cũng cung cấp cho ngƣời dùng biểu đồ số và các lựa chọn thống kê để hiển thị kết quả. MIKE 11 là một bƣớc tiến trong mô hình hóa dòng chảy cũng nhƣ chất lƣợng nƣớc, tuy nhiên nó cũng gặp phải vấn đề phổ biến cho các mô hình phức tạp là cần nhiều số
liệu. MIKE 11 đã cố gắng khắc phục vấn đề này bằng cách cho phép ngƣời dùng chạy với những mức độ khác nhau nếu quá trình phức tạp[14].
Để thực hiện luận văn này, tác giả lựa chọn mô phỏng quá trình thủy văn, thủy lực trên lƣu vực sông bằng các mô hình MIKE NAM, MIKE 11 HD và MIKE 11 Ecolab để mô phỏng đánh giá và dự báo diễn biến chất lƣợng nƣớc theo các kịch bản BĐKH. Dƣới đây là sơ đồ các bƣớc thực hiện khi sử dụng mô hình của luận văn.
HIỆU CHỈNH & KIỂM ĐỊNH CƠ SỞ DỮ LIỆU -Số liệu KTTV -Số liệu địa hình -Số liệu chất lƣợng nƣớc
-Biến đổi khí hậu…
THIẾT LẬP MÔ HÌNH MIKE NAM THIẾT LẬP MÔ HÌNH MIKE 11 HD THIẾT LẬP MÔ HÌNH MIKE 11 ECOLAB MÔ PHỎNG CÁC KB BĐKH ĐÁNH GIÁ DIỄN BIẾN DÒNG CHẢY &
CHẤT LƢỢNG NƢỚC HIỆU CHỈNH & KIỂM ĐỊNH HIỆU CHỈNH & KIỂM ĐỊNH
Trong sơ đồ tiếp cận bài toán, bƣớc đầu tiên là công việc thu thập và xử lý số liệu. Các loại số liệu phục vụ cho nghiên cứu khá đa dạng bao gồm các loại số liệu khí tƣợng thủy văn, địa hình, chất lƣợng nƣớc, biến đổi khí hậu… Sau đó là thiết lập mô hình thủy văn MIKE NAM, mô hình này đƣợc thiết lập nhằm tính toán dòng chảy đầu vào và nhập lƣu khu giữa cho hệ thống sông nghiên cứu. Bộ thông số của mô hình đƣợc xác định thông qua quá trình hiệu chỉnh và kiểm định mô hình. Kết quả dòng chảy của mô hình MIKE NAM là tiền đề để thiết lập mô hình MIKE 11 HD, tƣơng tự mô hình thủy lực MIKE 11 HD sẽ đƣợc hiệu chỉnh và kiểm định mô hình nhằm xác định bộ thông số thủy lực. Cuối cùng, khi có kết quả số liệu lƣu lƣợng, mực nƣớc ở từng mặt cắt trên sông thì bƣớc tiếp theo là thiết lập mô hình MIKE 11 Ecolab và thực hiện hiệu chỉnh kiểm định mô hình này. Từ kết quả thu đƣợc của mô hình tác giả sẽ tiến hành môphỏng qua các kịch bản biến đổi khí hậu nhằm đánh giá sự biến đổi dòng chảy và chất lƣợng nƣớc trên sông Nhuệ Đáy.