CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE 11 VÀO ĐÁNH GIÁ DIỄN BIẾN CHẤT LƯỢNG NƯỚC SÔNG SÀI GÒN (KHU VỰC TRẠM BƠM HÒA PHÚ)
3.1. TỔNG QUAN ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN TRONG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC
3.1.3. Tổng quan mô hình MIKE 11
MIKE 11 là một gói phần mềm kỹ thuật chuyên môn để mô phỏng lưu lượng, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát ở cửa sông, sông, hệ thống tưới, kênh dẫn và các vật thể nước khác.
MIKE 11 là công cụ lập mô hình động lực, một chiều và thân thiện với người sử dụng nhằm phân tích chi tiết, thiết kế, quản lý và vận hành cho sông và hệ thống kênh dẫn đơn giản và phức tạp. Với môi trường đặc biệt thân thiện với người sử dụng, linh hoạt và tốc độ, MIKE 11 cung cấp một môi trường thiết kế hữu hiệu về kỹ thuật công trình, tài nguyên nước, quản lý chất lượng nước và các ứng dụng quy hoạch. Đặc trưng cơ bản của hệ thống lập mô hình MIKE 11 là cấu trúc module tổng hợp với nhiều loại module được thêm vào mỗi mô phỏng các hiện tượng liên quan đến hệ thống sông.
Các module được sử dụng bao gồm:
Module thủy lực (HD).
Module mưa dòng chảy (RR).
Module tải khuếch tán (AD).
Module chất lượng nước (Ecolab).
Các bước ứng dụng MIKE 11: Cài đặt mô hình Thiết lập các điều kiện biên trên và dưới Xây dựng điều kiện ban đầu Hiệu chỉnh mô hình Kiểm nghiệm mô hình.
Kết quả ứng dụng MIKE 11 trong đề tài giúp ta mô phỏng và dự đoán được hàm lượng cao nhất các chất ô nhiễm tại một số vị trí là bao nhiêu sau khi có ô nhiễm từ lưu vực vùng đô thị hoặc các nhà máy công nghiệp.
3.1.3.1. Cơ sở lý thuyết mô hình thủy động lực (HD)
Module mô hình thủy động lực (HD) là phần trung tâm của hệ thống mô hình MIKE 11, hỗ trợ giải các phương trình tổng hợp theo phương dòng chảy để đảm bảo tính liên tục và bảo toàn động lượng (hệ phương trình Saint Venant). Tùy theo mục đích tính toán có thể kết hợp sử dụng với các module khác một cách hợp lý và khoa học. Trong đề tài này sẽ sử dụng các module HD, AD và Ecolab.
Mô hình MIKE 11 tính toán thủy lực bằng việc giải số hệ phương trình Saint Venant theo sơ đồ sai phân hữu hạn ẩn 6 điểm của Abbott và Inoescu (1967) áp dụng cho một đoạn sông tạo nên lưới các điểm lưu lượng Q và mực nước H xen kẽ.
Hệ phương trình Saint Venant viết dưới dạng:
A Q t x q
(1)
2
2
| |
Q Q h gQ Q 0
t x A gA x ARC
(2)
Trong đó:
Q là lưu lượng (m3/s).
A là diện tích mặt cắt (m2).
q là lưu lượng nhập lưu trên một đơn vị chiều dài dọc sông (m2/s).
C là hệ số Chezy.
∝ là hệ số sửa chữa động lượng.
R là bán kính thủy lực (m).
3.1.3.2. Cơ sở lý thuyết mô hình chất lượng nước (AD, Ecolab)
Bên cạnh Module thủy động lực (HD), để giải quyết vấn đề về chất lượng nước trong mô hình MIKE 11, phải đồng thời sử dụng cả hai module là module tải khuếch tán (AD và module sinh thái (Ecolab). Việc tính toán các hợp phần sinh hóa trong nước sông dựa trên hệ các phương trình truyền tải khuếch tán nồng độ các thành phần này có tính đến tương tác chuyển đổi giữa chúng. Các thành phần, chỉ tiêu cần tính toán bằng mô hình MIKE 11 gồm: Oxy hòa tan (DO), ammonia, độ mặn, chất hữu cơ (COD, BOD5), các chỉ tiêu nitrit, nitrat, phosphat. Trong quá trình chuyển hóa giữa các thành phần trên có tính đến các tác động của môi trường như ảnh hưởng của nhiệt độ, ánh sáng, bức xạ mặt trời,… thông qua các thông số hiệu chỉnh [10].
Dạng tổng quát chung của phương trình truyền tải khuếch tán và tương tác giữa các thành phần sinh hóa chất lượng nước như sau:
c c
c c c
u D S P
t x x x
(3s)
Trong đó:
c là nồng độ của chỉ tiêu thành phần.
u là vận tốc dịch chuyển của môi trường.
Dx là hệ số khuếch tán.
Sc là tổng các tốc độ nguồn thải.
Pc là tổng các tốc độ nguồn do tương tác của quá trình sinh hóa.
3.1.3.3. Các bước tính toán với phần mềm MIKE 11:
Để áp dụng mô hình MIKE 11 cho bài toán mô phỏng chất lượng nước cần phải chuẩn bị các dữ liệu [17], bao gồm:
Các số liệu thủy văn (lưu lượng, mực nước), mặt cắt ngang sông.
Số liệu diễn biến chất lượng nước (bao gồm các nguồn thải).
Các thông số mô hình bao gồm các thông số thủy lực, chất lượng nước.
Địa hình: mặt cắt ngang.
Thủy văn: số liệu thủy văn đầu vào cho công tác tính toán là lưu lượng Q (m3/s) cho điểm đầu và mực nước H (m) cho điểm cuối cùng, với Q và H thay đổi theo thời gian. Các số liệu được tính toán từ công tác đo đạc thực tế trong thời gian nhất định.
Thiết lập mô hình: Sau khi khởi động phần mềm, tiến hành đưa các số liệu đầu vào (mạng lưới dòng chảy, mặt cắt ngang, yếu tố thủy lực, điều kiện biên, số liệu đầu vào thủy văn, chất lượng nước, chạy mô hình tính toán) và liên kết các thành phần lại với nhau. Sau đó tiến hành nhập dữ liệu cho từng file thành phần [18].
Xây dựng và hiệu chỉnh mô hình: So sánh kết quả mô hình với sô liệu đo thực tế và tiền hiệu chỉnh các thông số thủy lực, chất lượng nước nhằm giảm sai số đến mức thấp nhất.
Việc hiệu chỉnh thông số của mô hình thủy lực được thực hiện chủ yếu qua việc thay đổi hệ số nhám Manning, để kết quả tính toán và thực đo mực nước phù hợp với nhau. Sau khi hiệu chỉnh thông số, mô hình đảm bảo độ chính xác cần thiết với bước thời gian tính toán dự kiến là ∆t = 5 phút, hệ số nhám dao động trong khoảng 0.03. Hiệu chỉnh mô hình sao cho sai số giữa kết quả thực đo và kết quả tính đạt được độ chính xác yêu cầu và được sử dụng để dự báo chất lượng nước theo các kịch bản ô nhiễm.
Xây dựng các kịch bản mô phỏng: Trên cơ sở các số liệu quá khứ (2010 – 2014) và số liệu quan trắc trong năm 2015, xây dựng các kịch bản và tiến hành tính toán, dự báo các khả năng có thể xảy ra trong tương lai. Kết quả tính toán được tích hợp vào quá trình đánh giá rủi ro.