Luận Văn Thạc Sĩ: Ứng Dụng Mô Hình MIKE 11 Trong Quản Lý Nước Sông Nhuệ Đoạn Chảy Qua Hà Nội

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hus ứng dụng mô hình mike 11 trong quản lý nước sông nhuệ đoạn chảy qua địa phận thành phố hà nội, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Phạm Sóng Biển
• Người hướng dẫn: PSG. Dương Hồng Sơn
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Khoa học môi trường
• Đề tài: Ứng Dụng Mô Hình Mike 11 Trong Quản Lý Nước Sông Nhuệ, Đoạn Chảy Qua Địa Phận Thành Phố Hà Nội
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu mô hình MIKE 11
• 1.2. Mô đun thủy động lực (HD)
• 1.3. Mô đun truyền tải - khuyếch tán (AD)
• 1.4. Mô đun sinh thái (Ecolab)
• 1.5. Những nghiên cứu bằng mô hình MIKE11 và lưu vực sông Nhuệ
• 1.6. Khái quát về điều kiện tự nhiên, kinh tế-xã hội lưu vực sông Nhuệ
• 1.7. Những nghiên cứu chất lượng nước trên lưu vực nghiên cứu
• 1.8. Tổng quan tình hình sử dụng các mô hình trong tính toán chất lượng nước
• 2. CHƯƠNG 2: MỤC TIÊU – NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 2.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 2.3. Nội dung nghiên cứu
• 2.4. Phương pháp nghiên cứu
• 2.5. Phương pháp thống kê, thu thập tài liệu
• 2.6. Phương pháp tính toán ước lượng nhu cầu sử dụng và nước thải cho từng đoạn sông
• 2.7. Phương pháp mô hình
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Mô phỏng, kiểm định chất lượng nước sông Nhuệ bằng mô hình MIKE11
• 3.2. Phân đoạn sông Nhuệ chảy qua thành phố Hà Nội
• 3.3. Mô phỏng, kiểm định chất lượng nước sông Nhuệ
• 3.4. Dự báo diễn biến chất lượng nước sông Nhuệ đoạn chảy qua thành phố Hà Nội đến năm 2015 và năm 2020
• 3.5. Cơ sở dự báo nguồn thải. Kết quả dự báo. Đề xuất giải pháp cải thiện chất lượng nước sông Nhuệ
• KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về ứng dụng mô hình MIKE 11 trong quản lý nước sông Nhuệ

Mô hình MIKE 11 là một công cụ mạnh mẽ trong việc quản lý nước sông Nhuệ, một trong những con sông quan trọng tại Hà Nội. Mô hình này không chỉ giúp dự đoán chất lượng nước mà còn hỗ trợ trong việc quản lý tài nguyên nước hiệu quả. Với sự gia tăng dân số và ô nhiễm môi trường, việc ứng dụng mô hình này trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết.

1.1. Giới thiệu về mô hình MIKE 11 và tính năng nổi bật

Mô hình MIKE 11 được phát triển bởi Viện thủy lực Đan Mạch, cho phép mô phỏng thủy lực và chất lượng nước với độ chính xác cao. Mô hình này tích hợp nhiều mô đun như mô đun thủy động lực, mô đun truyền tải-khuyếch tán, và mô đun sinh thái, giúp người dùng có cái nhìn tổng quan về tình hình nước sông Nhuệ.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng mô hình MIKE 11 trong quản lý nước

Việc sử dụng mô hình MIKE 11 mang lại nhiều lợi ích như tiết kiệm chi phí, nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên nước, và cung cấp dữ liệu chính xác cho các quyết định quản lý. Mô hình này giúp dự đoán diễn biến chất lượng nước, từ đó đưa ra các giải pháp cải thiện kịp thời.

II. Thách thức trong quản lý nước sông Nhuệ tại Hà Nội

Quản lý nước sông Nhuệ đối mặt với nhiều thách thức, bao gồm ô nhiễm từ các nguồn thải sinh hoạt và công nghiệp. Chất lượng nước sông Nhuệ đã giảm sút nghiêm trọng, với nồng độ ô nhiễm vượt tiêu chuẩn cho phép. Điều này đòi hỏi các biện pháp quản lý hiệu quả hơn.

2.1. Các nguồn ô nhiễm chính ảnh hưởng đến sông Nhuệ

Các nguồn ô nhiễm chính bao gồm nước thải từ khu công nghiệp, rác thải sinh hoạt, và các hoạt động nông nghiệp. Những yếu tố này không chỉ làm giảm chất lượng nước mà còn ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng và hệ sinh thái.

2.2. Tác động của ô nhiễm đến chất lượng nước sông Nhuệ

Ô nhiễm nước sông Nhuệ dẫn đến nồng độ oxy hòa tan thấp, tăng nồng độ COD và BOD, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời sống thủy sinh và sức khỏe con người. Việc theo dõi và quản lý chất lượng nước là rất cần thiết để bảo vệ môi trường.

III. Phương pháp ứng dụng mô hình MIKE 11 trong quản lý nước

Mô hình MIKE 11 được áp dụng để mô phỏng và dự đoán chất lượng nước sông Nhuệ. Phương pháp này bao gồm việc thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, và phân tích kết quả. Các bước này giúp đưa ra các giải pháp cải thiện chất lượng nước hiệu quả.

3.1. Quy trình thu thập và phân tích dữ liệu

Quy trình này bao gồm việc thu thập dữ liệu từ các trạm quan trắc, phân tích chất lượng nước, và xác định các nguồn ô nhiễm. Dữ liệu này là cơ sở để xây dựng mô hình MIKE 11 và dự đoán diễn biến chất lượng nước.

3.2. Xây dựng mô hình MIKE 11 cho sông Nhuệ

Xây dựng mô hình MIKE 11 bao gồm việc xác định các thông số đầu vào, cấu trúc mô hình, và các điều kiện biên. Mô hình này sẽ giúp mô phỏng các quá trình thủy động lực và chất lượng nước trong sông Nhuệ.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của mô hình MIKE 11

Kết quả từ mô hình MIKE 11 cho thấy diễn biến chất lượng nước sông Nhuệ trong các năm tới. Mô hình đã chỉ ra các khu vực có nguy cơ ô nhiễm cao và đề xuất các giải pháp cải thiện chất lượng nước. Những kết quả này có thể được áp dụng trong thực tiễn để quản lý tài nguyên nước hiệu quả hơn.

4.1. Dự báo chất lượng nước sông Nhuệ đến năm 2025

Mô hình dự báo chất lượng nước sông Nhuệ sẽ tiếp tục xấu đi nếu không có biện pháp can thiệp kịp thời. Các chỉ số như nồng độ BOD và COD sẽ vượt mức cho phép, ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng và hệ sinh thái.

4.2. Đề xuất giải pháp cải thiện chất lượng nước

Các giải pháp cải thiện chất lượng nước bao gồm tăng cường quản lý nguồn thải, nâng cao ý thức cộng đồng về bảo vệ môi trường, và áp dụng công nghệ xử lý nước thải hiện đại. Những biện pháp này sẽ giúp cải thiện tình hình ô nhiễm nước sông Nhuệ.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của mô hình MIKE 11

Mô hình MIKE 11 đã chứng minh được hiệu quả trong việc quản lý nước sông Nhuệ. Tuy nhiên, để đạt được kết quả tốt hơn, cần có sự phối hợp chặt chẽ giữa các cơ quan quản lý và cộng đồng. Tương lai của mô hình này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giá trị cho công tác quản lý tài nguyên nước.

5.1. Tầm quan trọng của mô hình MIKE 11 trong quản lý nước

Mô hình MIKE 11 không chỉ giúp dự đoán chất lượng nước mà còn hỗ trợ trong việc lập kế hoạch quản lý tài nguyên nước bền vững. Việc áp dụng mô hình này sẽ giúp cải thiện chất lượng nước sông Nhuệ và bảo vệ môi trường.

5.2. Triển vọng phát triển mô hình MIKE 11 trong tương lai

Trong tương lai, mô hình MIKE 11 có thể được cải tiến với các công nghệ mới, giúp nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong việc quản lý nước. Sự phát triển này sẽ góp phần quan trọng vào việc bảo vệ tài nguyên nước và môi trường sống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Dân số gia tăng nhanh chóng cùng với quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đã làm gia tăng vấn đề ô nhiễm môi trường không khí, đất, nước trong đó đặc biệt có môi trường nước sông quanh đô thị. Các sông đô thị chịu tác động từ rất nhiều nguồn gây ô nhiễm như: khu công nghiệp, rác thải sinh hoạt, bệnh viện,…sông Nhuệ là một con sông như vậy. Theo số liệu quan trắc trong nhiều năm gần đây, chất lượng nước sông Nhuệ ngày càng xuống cấp nghiêm trọng tại nhiều điểm quan trắc, nồng độ oxy hòa tan khá thấp không đạt quy chuẩn B1, nồng độ COD và BOD5 vượt tiêu chuẩn tới 37,1 và 54,1 lần, các hợp chất chứa Nitơ (NH4+, NO2-, NO3-) khá cao đều vượt quy chuẩn chất lượng nước mặt QCVN 08/2008 BTNMT với mục đích sử dụng cho tưới tiêu B1. Xuất phát từ thực tế trên đã đặt ra nhu cầu cấp thiết cần những nghiên cứu dự báo chất lượng nước là cơ sở phục vụ công tác quản lý môi trường tổng thể, giúp cân bằng giữa quá trình phát triển kinh tế xã hội và môi trường nước sông.

Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ và tin học ngày càng nhiều ứng dụng mô hình được sử dụng trong nghiên cứu mô phỏng, dự báo chất lượng nước. Một ưu điểm không thể phủ nhận của việc sử dụng mô hình một cách phù hợp là tiết kiệm kinh phí, hiệu quả cao, chính xác nhất là các nghiên cứu trong một khu vực rộng lớn như lưu vực sông. Mô hình MIKE 11 với rất nhiều ưu điểm như: là một bộ phần mềm tích hợp đa tính năng, đã được kiểm nghiệm thực tế, cho phép tính toán thủy lực và chất lượng nước với độ chính xác cao, giao diện thân thiện, dễ sử dụng, có ứng dụng kỹ thuật GIS, có một kỹ thuật mới với độ chính xác cao, đang ngày càng trở nên hiệu quả trong nghiên cứu dự báo.Vì vậy đề tài “ Ứng dụng mô hình MIKE 11 trong quản lý nước sông Nhuệ, đoạn chảy qua địa phận thành phố Hà Nội”, là cấp thiết. 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] TỔNG QUAN 1.

Giới thiệu mô hình MIKE 11 Mô hình MIKE 11 là bộ mô hình một chiều được 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 nước trong sông. Hiện nay MIKE 11 có thể tích hợp nhiều mô đun như mô đun truyền tải–khuyếch tán (AD), mô đun chất lượng nước (WQ), mô đun vận chuyển bùn cát (ST) và mô đun mưa rào–dòng chảy(RR). Mô hình MIKE 11 được sử dụng rộng rãi ở các nước châu âu và trên thế giới. Mô đun thủy lực trong MIKE11 mô phỏng động lực cả ở trong sông và cửa sông, có thể áp dụng cho mạng sông phân nhánh và mạng sông phức tạp.

Vì mô hình là một chiều nên nó tuân theo các giả thiết rằng điều kiện dòng chảy trên toàn dòng sông là đồng nhất, tuy nhiên những dòng chảy qua đập là vẫn có thể được mô phỏng. Sự vận chuyển chất hòa tan trong mô hình cũng được giải quyết bằng phương trình cân bằng khối lượng như Qual2K nhưng MIKE 11 có thêm cả phương trình thủy lực xem xét các yếu tố động lực. MIKE 11 cung cấp cho người dùng chuỗi thời gian của dòng chảy, độ sâu và nồng độ của mỗi yếu tố ở từng đoạn sông, đồng thời mô hình cũng cung cấp cho người dùng biểu đồ số và các lựa chọn thống kê để hiển thị kết quả. MIKE 11 là một bước tiến trong mô hình hóa dòng chảy cũng như chất lượng nước, tuy nhiên nó cũng gặp phải vấn đề 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 người dùng chạy với những mức độ khác nhau nếu quá trình phức tạp[2, 3]. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Môđun thủyđộng lực(HD) Mô đun thủy 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 khác bao gồm: dự báo lũ, tải khuyếch tán, chất lượng nước và mô đun vận chuyển bùn cát. Mô đun thủy lực trong MIKE 11 giải các phương trình tổng hợp theo phương dòng chảy để đảm bảo tính liên tục và bảo toàn của động lượng (hệ phương trình Saint Venant).

Đặc trưng cơ bản của hệ thống mô hình MIKE11 là cấu trúc mô đun tổng hợp với nhiều loại mô đun được thêm vào để mô phỏng các hiện tượng liên quan đến hệ thống sông. Ngoài các mô đun thủy lực MIKE 11 còn có các mô đun bổ sung đối với - Thủy văn - Tải-khuyếch tán -Các mô hình chất lượng nước -Vận chuyển bùn cát dính -Vận chuyển bùn cát không dính a.Hệ phương trình Saint Venant Phương trình cơ bản của mô hình để tính toán cho trường hợp dòng không ổn định là hệ phương trình bao gồm phương trình liên tục và phương trình động lượng (hệ phương trình Saint Venant) với các giả thiết : -Dòng chảy là dòng một chiều, độ sâu và vận tốc chỉ thay đổi theo chiều dọc của lòng dẫn. -Dòng chảy thay đổi từ từ dọc theo lòng dẫn để áp suất thủy tĩnh chiếm ưu thế, gia tốc theo chiều thẳng đứng được bỏ qua. -Trục của lòng dẫn được coi như một lòng thẳng.

-Độ dốc đáy lòng dẫn nhỏ và đáy lòng dẫn cố định, bỏ qua hiện tượng xói và bồi. -Có thể áp dụng hệ số sức cản của dòng chảy rối đều, ổn định cho dòng không ổn định để mô tả các tác động của lực cản. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] -Chất lỏng không nén được và có khối lượng không đổi trong toàn dòng chảy. Phương trình liên tục + =q Phương trình động lượng ( / | | = + gA + + =0 Trong đó: t : là thời gian(s) g : là gia tốc trọng trường( m/s2) x: quãng đường di chuyển trong thời gian t(m) h: độ cao cột nước( m) Q: Lưu lượng (m3/s) A: Diện tích mặt cắt ngang(m2) q: Lưu lượng nhập lưu trên một đơn vị chiều dài dọc sông (m2/s) C: Hệ số Chezy α : Hệ số sửa chữa động lượng R : Bán kính thủy lực (m) b.Phương pháp giải hệ phương trình Saint Venant Hệ phương trình Saint Venant là một hệ gồm hai phương trình vi phân đạo hàm riêng phi tuyến tính bậc nhất.

Trong trường hợp tổng quát hệ phương trình dạng này không giải được bằng phương pháp giải tích mà phải giải bằng phương pháp gần đúng (phương pháp số hóa). MIKE 11 cũng dùng phương pháp này để giải hệ phương trình Saint Venant với lược đồ sai phân hữu hạn 6 điểm bằng sơ đồ ẩn Abbott-Inoescu. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Sơ đồ hữu hạn sai phân 6 điểm ẩn Abbott Hình 2.

Sơ đồ sai phân 6 điểm ẩn Abbott trong mặt phẳng x-t Trong phương trình liên tục, ta có A h Q h  b => b q t t x t Sai phân hóa phương trình trên tại các bước thời gian thứ (n +1/2), ta thu được các phương trình sai phân (Q nj 11  Q nj 1 ) (Q nj 11  Q nj 1 )  Q 2 2  x 2 x j n 1 n h h j  h j  t t 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Với b trong phương trình được tính theo công thức : A0 j  A0 j 1 b 2 x j trong đó: Aoj : Diện tích mặt phân cách giữa 2 điểm lưới j-1 và điểm lưới j Ao+1: Diện tích mặt phân cách giữa 2 điểm lưới j và điểm lưới j+1 Δ2xj: Khoảng cách giữa hai điểm lưới j-1và j+1 Thế vào các phương trình sai phân, rút gọn các hệ số sẽ thu được phương trình:  j Q nj 11   j hnj 1   j Qnj 11   j Với phương trình động lượng, sai phân hoá phương trình với α, β, γ là hàm của b và δ, ngoài ra nó còn phụ thuộc vào giá trị Q và h tại bước thời gian n và giá trị Q tại bước thời gian n+1/2. Với phương trình động lượng, sai phân hoá phương trình n 1 n Q Q j  Q j  t t 2 n 1/ 2 n 1/ 2  Q 2   Q   Q2      A   A   A    j 1   j 1 x 2 x j ( h nj 11  h nj 1 ) (h nj 11  h nj 1 )  h 2 2  x 2 x j Để xác định thành phần bậc 2 trong phương trình , sử dụng phương trình gần đúng: Q 2   .Q nj 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Với θ là hệ số do người sử dụng tự xác định (hệ số này của mô đun HD được mặc định từ 0 đến 1). Thế vào các phương trình sai phân và rút gọn các hệ số, thu được phương trình động lượng viết dưới dạng  j h nj 11   j Q nj 1   j h nj 11   j trong đó  j  f ( A)  j  f (Q nj , t , x, C , A, R)  j  f ( A)  j  f ( A, x , t ,  , q , v,  , h nj 1 , Q nj 11/ 2 , Q nj , h nj 1 , Q nj 11/ 2 ) Từ đó, khi viết các phương trình này với đầy đủ các bước thời gian sẽ thu được một ma trận tính toán. Để tìm nghiệm của bài toán phải sử dụng công cụ toán học để giải các ma trận này.

Tính ổn định của phương pháp sai phân hữu hạn để giải hệ phương trình Saint Venant được bảo đảm khi các điều kiện sau được thoả mãn: Số liệu địa hình phải tốt, giá trị cho phép tối đa với ∆x (dx-max) được lựa chọn trên cơ sở này. Bước thời gian ∆t cần thiết đủ nhỏ để điều kiện ổn định Courant được thoả mãn. Tuy nhiên, khi giải hệ phương trình Saint Venant với sơ đồ ẩn thì điều kiện ổn định Courant không nhất thiết phải thoả mãn[2]. Mô đun truyền tải-khuyếch tán(AD) Mô đun truyền tải-khuyếch tán (AD) được dùng để mô phỏng vận chuyển một chiều của chất huyền phù hoặc hòa tan (phân hủy) trong các lòng dẫn hở dựa trên 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] phương trình để tích lũy với giả thiết các chất này được hòa tan, trộn lẫn, nghĩa là không có thay đổi hay biến động trong cùng mặt cắt và dòng chảy không phân tầng.