Mô hình quản lý lưu

TS. Nguyễn Thị Thu Nga Hànội, 2018

Khái niệm chung

 Nói chung, mô hình là biểu thị của các hệ thống hoặc các quá trình.

 Mô hình vật lý là các mô hình thu nhỏ các hệ thống tự nhiên

 Mô hình toán cũng biểu thị cho hệ thống, nhưng sử dụng các phương trình toán học.

Số lượng, dạng, và sự liên kết giữa các phương trình trong một mô hình thay đổi từ đơn giản đến rất phức tạp.

Hai điểm cần lưu ý:

 Mô hình là một loại công cụ, và được sử dụng kết hợp với các kỹ thuật đánh giá khác

 Các mô hình là sự phản ánh hiểu biết của chúng ta về các hệ thống LVS. Cũng giống như bất cứ công cụ nào, câu trả lời mô hình đưa ra phụ thuộc vào việc chúng ta ứng dụng mô hình như thế nào, và chất lượng của các câu trả lời này không tốt hơn chất lượng về sự hiểu biết của chúng ta đối với hệ thống

Các mô hỡnh mô phỏng quá trỡnh vật lý của hệ thống nguồn nước:

 Mô hỡnhtính toán dòng chảy sông ngòi, bao gồm môhỡnh tất định và các môhỡnhngẫu nhiên

 Môhỡnhtính toán nước ngầm

 Môhỡnhxác định các nhu cầu về nước, đặc biệt là tính toán nhu cầu nước cho nông nghiệp

 Môhỡnhchuyển tải nước trên hệ thống sông và kênh

 Môhỡnhtính toán điều tiết nước trong hệ thống hồ chứa

 Môhỡnhtính toán tiêu

 Môhỡnhtính toán nhiễm mặn và truyền chất

 Các môhỡnhtính toán chuyển tải phù sa và diễn biến lòng dẫn và cửa sông.

Xác định bài toán

Tập hợp các số liệu

Lập sơ đồ hệ thống

Mô phỏng hay tối ưu hệ thống Xây dựng mô hình

mô phỏng hệ thống

Xây dựng mô hình tối ưu hệ thống Áp dụng các kết quả

Một số mô hình mô phỏng hệ thống sông

Mô hình thành phần Ứng dụng Mô hình thí dụ

Mô hình mô phỏng dòng chảy hệ thống sông

Quản lý hệ thống nguồn nước

Mô hình mô phỏng hệ thống sông Missouri và sông Potomax (RISM)

Mô hình mô phỏng hệ thống sông Colorado (CRSS)

Mô hình chất lượng nước sông

Quản lý ô nhiễm nước

Mô hình QUAL2E (EPA, 1988) mô phỏng nhiệt độ, DO, BOD, các hợp chất dinh dưỡng chứa N,P

Hệ thống chất lượng nước cho hồ chứa (WQRRS) (Cục công binh Mỹ, 1998) Mô hình mô phỏng quyền

sử dụng nước

Quản lý sử dụng nước

Mô hình hệ thống sông

 Mô hình mô phỏng quá trình dòng chảy trên một hệ thống sông gọi là mô hình hệ thống sông hoặc mô hình LVS

 Mô hình mô phỏng hệ thống phải được xây dựng với những yêu cầu chính như sau:

– Phải có độ chính xác cao khi kiểm định với những số liệu thực đo.

Muốn vậy cần phải chọn các mô hình mô phỏng hợp lý và tiện dụng. Đồng thời phải được kiểm tra kỹ lưỡng.

– Phải thể hiện được các mục tiêu khai thác hệ thống trong mô hình.

– Mô hình mô phỏng phải là công cụ chính cho việc phân tích động thái của hệ thống khi hoạch định các phương án quy hoạch và chế độ làm việc của hệ thống theo các phương án sử dụng nước.

Thiết lập sơ đồ hệ thống

 Lên sơ đồ hệ thống bao gồm hệ thống các nút và mô tả sự liên kết giữa các nút.

 Mã hoá các nút của hệ thống theo vai trò và tính chất của các nút trong hệ thống.

 Những dữ liệu sử dụng cho mô tả hoạt động của từng nút.

Các loại nút cơ bản của hệ thống

 Nút dòng chảy: tại đó được mô tả quá trình nước đến của các lưu vực thành phần

 Nút hợp lưu: là những nút mô tả sự hoà nhập của dòng chảy, sự cân bằng nước giữa các sông nhánh và sông chính.

 Nút hồ chứa: là nút mô tả quá trình dòng chảy qua hồ chứa và hoạt động điều tiết của hồ chứa

 Nút cấp nước: tại đó cần mô tả yêu cầu về cấp nước, quy mô công trình lấy nước và chế độ cấp nước tại nút.

Các loại nút cơ bản của hệ thống (tiếp)

 Nút phòng lũ: Cần thiết mô tả yêu cầu về phòng lũ, các mô hình tính toán truyền lũ v..v.

 Nút sinh thái: kiểm soát sự ảnh hưởng của hệ thống đến sinh thái của vùng. Các tham số về sinh thái cần được đưa vào mô hình.

 Nút tiêu úng: mô tả chế độ tiêu và yêu cầu tiêu tại nút đó.

 Nút thuỷ năng: cần mô tả các yêu cầu và chế độ điều tiết phát điện, các công thức tính toán năng lượng điện ...

Ngoài ra còn cần đưa vào các nút biên khác liên quan đến sự tính toán chuyển tải nước trên hệ thống, các quá trình lan truyền chất v..v.

Mô phỏng hoạt động của các nút và liên kết các nút trên hệ thống

 Mô phỏng các quá trình vật lý của từng nút, mô phỏng hoạt động của nút và chế độ làm việc của nút. Các mô tả có thể là là các phương trình hoặc công thức toán học và các lệnh về lôgic.

 Mô phỏng mối liên kết giữa các nút trên hệ thống

Lựa chọn các mô hình thành phần

 mô hình thuỷ văn

 mô hình chuyển tải nước

 mô hình tính toán nhu cầu nước

 mô hình hoạt động của hồ chứa v..v

Các mô hình này được chọn phù hợp với tính chất hoạt động của nút và hoạt động của hệ thống

Giới thiệu mô hình MIKE BASIN

Mô hình MIKE BASIN

 Được cấu trúc như là một mô hình mạng sông trong đó sông và các nhánh sông chính được hiển thị bằng một mạng lưới các nhánh và nút

 Là mô hình cân bằng nước hệ thống với thời đoạn tính toán tương đối dài (ví dụ chu kỳ hàng năm của các tháng)

 tốc độ tính toán nhanh, cho phép khai thác xấp xỉ nhiều kịch bản

 được mở rộng trong môi trường ArcView GIS để các thông tin GIS có thể sử dụng trong mô phỏng tài nguyên nước

Hệ thống nút trong mô hình

 Nút lưu vực: là nút mô tả dòng chảy của lưu vực thành phần đổ vào sông.

 Nút hợp lưu của các nhánh sông.

 Nút cấp nước: cấp nước sinh hoạt, cấp nước công nghiệp...

 Nút tưới.

 Nút hồ chứa.

 Nút thuỷ điện.

 Nút chuyển nước sang lưu vực khác.

 Nút dòng chảy hồi quy (từ tưới hoặc nước sau khi sử dụng đã được xử lý)

Mô phỏng cân bằng nước tại các nút

Cấp nước ĐIểm chuyển dòng

Khu tưới

Dòng hồi quy Điểm

lấy nước

Khu tưới

đích dòng chảy Nước thải

công nghiệp

chảy mặt

Hồ chứa Nước

ngầm

Mô tả cân bằng nước tại nút sử dụng nước

Khu tưới

Q2

Q3 Qtưới

Q4 Qhồi quy

Nút (1)

Nút (2)

Nút (3)

Q1(t)

Mô hình mô phỏng bốn nhóm nhân tố chủ yếu

 Nhóm nhân tố hạ tầng cơ sở của HT sông, bao gồm hồ chứa/đập nước, trạm bơm, sông suối, kênh mương và các đường ống dẫn nước

 Nhóm nhân tố sử dụng nước trong HT, như là sử dụng nước cho sinh hoạt, nông nghiệp, thủy điện, thủy sản, hay các hoạt động khác liên quan đến nước

 Nhóm nhân tố liên quan đến quản lý hệ thống tài nguyên nước, như các nguyên tắc vận hành hồ chứa, các phương pháp phân phối nước trong HT

 Nhóm các nhân tố thủy văn như mưa, bốc hơi, dòng chảy… tại các lưu vực bộ phận và nhập lưu địa phương… đầu vào cho tính toán cân bằng nước của MH toán

Các bước ứng dụng MH

 Phân chia các lưu vực bộ phận và lưu vực nhập lưu địa phương

 Lập sơ đồ hệ thống cho phương án tính toán: xác định các nút, các khu vực sử dụng nước, xác định các mối liên hệ bên trong HT và gán trực tiếp trên màn hình sẽ được sơ đồ HT của phương án tính toán

 Tính toán xác định các số liệu đầu vào của MH: dòng chảy trên khu vực bộ phận, dòng chảy đến các nút tính toán, nhu cầu dùng nước tại các khu vực sử dụng, các thông số các công trình dùng nước…

 Tính toán cân bằng nước hệ thống theo sơ đồ tính toán, phân tích kết quả tính toán nguồn nước trên các vị trí đặc trưng của mạng sông và khả năng cấp nước tại các nơi sử dụng, kết quả vận hành các công trình… từ đó rút ra nhận xét về sử dụng nước

Mô hình chất lượng nước

Khái niệm chung

 Nguồn nước tự nhiên trên các sông suối, ao hồ luôn có một lượng vật chất bao gồm các chất vô cơ, hữu cơ dưới dạng hòa tan hoặc dạng lơ lửng, các vi khuẩn vi sinh vật và các sinh vật thủy sinh

 Thành phần, tính chất, và số lượng của các loại vật chất, các vi sinh vật thủy sinh tồn tại trong nước tạo nên chất lượng nguồn nước

Các yếu tố tạo nên chất lượng nước

 Do quá trình bào mòn bề mặt đất và rửa trôi các loại vật chất trên bề mặt đất do nước mưa

 Do quá trình nước chảy qua các tầng đất đá dưới sâu đã hòa tan các khoáng chất có trong đất đá và nước ngầm lại bổ sung cho các nguồn nước trong sông hồ

 Do bụi và các thành phần vật chất có trong khí quyển bị cuốn theo nước mưa rơi xuống bề mặt trái đất và tập trung xuống các thủy vực

 Các chất thải do sinh hoạt của con người

Nguồn ô nhiễm

 Nguồn ô nhiễm điểm (point sources) là các nguồn xả thải vào sông suối, ao hồ tại các vị trí xác định.

– VD: nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp

 Nguồn ô nhiễm phân tán (nonpoint sources) là các nguồn xả thải vào sông suối, ao hồ tại rất nhiều điểm khác nhau, không được xác định một cách rõ ràng.

– VD: nước tiêu thoát nước đô thị và dc hồi quy trong NN

Các chất ô nhiễm chủ yếu và nguồn gốc của chúng

Các chất ô nhiễm Nguồn ô nhiễm điểm Nguồn phân tán Nước thải

sinh hoạt

Nước thải công nghiệp

Dòng chảy hồi quy của NN

Dòng chảy từ khu đô thị

Các chất bị ôxy hóa X X X X

Các chất dinh dưỡng X X X X

Các vi trùng gây bệnh X X X X

Các chất rắn lơ lửng x X X X

Các muối hòa tan X X X

Các kim loại nặng độc hại X

Các chất ô nhiễm chủ yếu

 Các chất ôxy hóa:

– có nhiều trong nước thải SH và một số ngành CN

– quá trình phân hủy các chất này làm giảm nồng độ ôxy hòa tan trong nước một cách nhanh chóng, làm ảnh hưởng tới môi trường sống của cá, tôm và các loài thủy sản khác

 Các vi khuẩn vi trùng gây bệnh

– Tìm thấy nhiều trong các nguồn nước bị ô nhiễm do nước thải SH, nước thải bệnh viện, từ các trang trại chăn nuôi gia súc …

– Dễ lây lan trong môi trường nước và làm ảnh hưởng đến sức khỏe của sinh vật cũng như con người

Các chất ô nhiễm chủ yếu (tiếp)

 Các chất dinh dưỡng:

– Chủ yếu là các hợp chất chứa nitơ và phốtpho

– Sự tập trung quá mức chất dinh dưỡng trong MT nước thì chuỗi thức ăn sẽ bị xáo trộn khiến cho một số loài phát triển rất mạnh lấn át các loài khác

 Các chất rắn lơ lửng:

– Chất rắn lơ lửng chảy vào hồ tốc độ nước giảm, gây bồi lắng tại đáy hồ

– Có thể là vô cơ hoặc hữu cơ, sinh ra do xói mòn lưu vực, do nguồn nước thải sinh hoạt và CN

Các chất ô nhiễm chủ yếu (tiếp)

 Các muối hòa tan

– Trong nước mặt luôn có một số loại muối hòa tan nhất định. Khi nồng độ muối tăng sẽ ảnh hưởng tới sự phát triển của cây trồng cũng như các loài thủy sinh, không thể dùng cho SH cũng như tưới

 Các kim loại và các chất hữu cơ độc hại

– Dc hồi quy từ các khu canh tác NN thường chứa một lượng thuốc trừ sâu và thuốc diệt cỏ. Nước thải từ một số ngành CN chứa kim loại nặng độc hại. Lượng kim loại độc hại chảy vào sông với lượng lớn sẽ làm ảnh hưởng xấu đến chất lượng nước, một số loài tích tụ trong sinh vật thủy sinh như tôm, cá, cua, ốc … và thông qua dây truyền thức ăn gây độc hại cho con người

 Nhiệt độ:

– Nước thải CN có nhiệt độ cao khi chảy vào sông gây ô nhiễm nhiệt. Nếu nhiệt độ quá cao có thể ảnh hưởng đến khả năng sử dụng của con người và ảnh hưởng tới MT sống của các hệ sinh thái.

Mô hình hóa chất lượng nước

 Mô hình hóa MT là cách tiếp cận toán học mô phỏng diễn biến chất lượng nước MT nói chung và diễn biến chất lượng nước nói riêng dưới ảnh hưởng của một tập hoặc tập hợp các tác nhân có khả năng tác động đến MT

 Mô hình hóa chất lượng nước là một phần của mô hình hóa MT.

 Mô hình hóa chất lượng nước nhằm xây dựng một sự tương đương về toán học đối với hệ thống chất lượng nước thực tế và sử dụng để tính toán và dự báo sự biến đổi chất lượng nước

Phân loại các thông số chất lượng nước

 Theo đặc tính biểu thị:

– Nhóm thông số vật lý

– Nhóm thông số hóa học

– Nhóm thông số sinh học

 Theo sự biến đổi khối lượng theo thời gian:

– Nhóm bảo tồn

– Nhóm không bảo tồn

Lưu ý: Một phần tử có thể bảo tồn trong một vài HT nhất định nhưng lại không thể bảo tồn trong các HT khác

Các chất không bảo tồn

 Tốc độ biến đổi theo thời gian của nồng độ một chất không bảo tồn được mô tả bởi quy luật động học bậc nhất Michaelis-Menten:

Trong đó:

– Ctlà nồng độ của vật chất tại thời điểm t

– C0là nồng độ ban đầu của vật chất

– k là hệ số biểu thị tốc độ phân hủy bậc nhất

dt kC

dC  Ct  C0ekt

Nồng độ ôxy hòa tan DO

 Là một trong các thông số quan trọng nhất đánh giá chất lượng nước mặt

 Vai trò của DO đối với các loài thủy sinh:

– Đối với các sinh vật sống ở thể nước ấm, nồng độ DO trong nước phải lớn hơn 5mg/l

– Đối với các sinh vật sống ở thể nước lạnh, nồng độ DO thường ở mức bão hòa hoặc gần bão hòa. Trong các vùng đẻ trứng của tôm cá thì DO không được nhỏ hơn 7mg/l

– DO của các tầng sát đáy của các hồ nhỏ hoặc lớn nhèo chất dinh dưỡng thì không được thấp hơn 6mg/l tại bất kỳ thời điểm nào

 DO và BOD thường có quan hệ chặt chẽ, thường được dùng để đánh giá ô nhiễm nước

Phú dưỡng

 Phú dưỡng hóa được định nghĩa như là sự làm giàu nước quá mức bởi những chất dinh dưỡng vô cơ cùng với dinh dưỡng có nguồn gốc thực vật. Thông thường là các muối chứa nitơ và phốtpho như muối nitrat và phôtphat.

 Hiện tượng phú dưỡng thường xảy ra ở các hồ tự nhiên và hồ chứa nước vì nơi này tập trung các nguồn dinh dưỡng từ thượng lưu chuyển về; hoặc ở hạ lưu của các khu tưới lớn

Phương trình tổng quát của mô hình chất lượng nước

      S

dt AdX dC X dX

dX AUC X

X AD C

t AdX C

L  









 







 

 



 Trong đó:

– C: nồng độ của vật chất

– X: khoảng cách

– t: thời gian

– A: diện tích mặt cắt ngang vuông góc với phương X

– U: tốc độ nước chảy

– S-nguồn vật chất

– DL: hệ số khuếch tán

Mô hình BOD-DO trong sông (mô hình Streeter-Phelps)

 MH mô phỏng gián tiếp sự phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ bằng cách xem xét một số quá trình chủ yếu ảnh hưởng đến DO

 PT Streeter-Phelps là một pt toán học mô phỏng đường cong sút giảm ôxy trong đoạn sông có các nguồn thải đổ vào.

 PT dựa trên 2 giả thiết cơ bản:

– Tốc độ sử dụng ôxy tỉ lệ với BOD5tại thời điểm xét

– Tốc độ bổ sung ôxy tại một thời điểm tỷ lệ với độ giảm sút ôxy tại thời điểm đó

Phương trình Streeter-Phelps

 Phương trình:

dD/dt=k1L-k2D

– Trong đó:

 D: độ thiếu hụt ôxy sau thời gian t (mg/l)

 K1: hằng số vận tốc sử dụng ôxy (1/ngày)

 K2: hằng số vận tốc bổ sung ôxy (1/ngày)

 Tích phân pt từ t=0 đến t=t và sắp xếp lại được pt sau:

– Trong đó:

 Dt: độ giảm sút ôxy tại thời điểm t (DOt) so với trạng thái bão hòa (DOs) Dt= Dos - DOt

 D0: độ giảm sút ôxy ban đầu

 L0: giá trị BOD5tại đầu đoạn sông (lớn nhất)

 kt kt kt

t e e De

k k

L

D k 1 2 0 2

1 2

0

1     

 

Phương trình Streeter-Phelps (tiếp)

 Điểm có giá trị thiếu hụt lớn nhất (Dmin) xác định bằng cách lấy vi phân pt theo t rồi cho bằng 0:

 



 



  

 

0 1

1 2 0 1

2 1 2

min 1 ln 1

L k

k k D k

k k T k

min 2

0 2 1 min

T k

e L e

k D k

D   