CHƯƠNG 1. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC 1. Tổng quan các kết quả trong và ngoài nước về mô hình tính toán mô phỏng chất lượng nước. Các nghiên cứu trên thế giới.
Trên thế giới, việc nghiên cứu mô phỏng chất lượng nước đã được quan tâm chú ys đến từ rất sớm và đạt được nhiều thành tựu. Không chỉ dừng lại ở mức nghiên cứu, có nhiều mô hình đã được phát triển thành sản phẩm phần mềm thương mại ví dụ như Mike của viện thủy lực Đan Mạch (DHI). Một số mô hình khác cũng rất nổi tiếng có thể liệt kê ra như sau: - Mô hình WASP 7 (Water Quality Analysis Simulation Program 7) được phát triển từ mô hình (WASP – Di Toro, 1983; Connolly vaf Winfield, 1984; Ambrose, R. Mô hình này cho phép tính toán 1, 2, 3 chiều với nhiều thành phần chất ô nhiễm.
Mô hình WASP cũng có thể liên kết với các mô hình thủy động lực và vận chuyển trầm tích để tính toán ra được trường dòng chảy, nhiệt độ, độ muối và các thông lượng trầm tích. - Mô hình QUAL2K (hay Q2K) (River and Stream Water Quality Model) được phát triển từ mô hình QUAL2E (hay Q2E (Brown và Barnwell 7 1987)). Đây là mô hình mô phỏng chất lượng nước suối và sông 1 chiều. Mô hình tính toán chu trình Nitơ và thông qua các chu trình chuyển hóa nitơ để biểu diễn các hợp chất cacbon, các loại cacbon hữu cơ không sống.
- Bộ phần mềm MIKE (DHI) được phát triển trên môi trường đồ họa của hệ điều hành Windows bao gồm nhiều modul tính toán trong đó có cả tính toán chất lượng nước. MIKE cũng tích hợp tốt với hệ thống thông tin bản đồ địa lý (GIS) và được nhiều đề tài và nghiên cứu trong nước chọn để sử dụng như công cụ hỗ trợ tính toán. Các nghiên cứu ở trong nước. Ở trong nước gần đây cũng có nhiều nghiên cứu quan tâm đến việc sử dụng mô hình để mô phỏng và tính toán chất lượng nước.
Các đề tài và nghiên cứu này chia làm hai hướng: TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 4 - Hướng nghiên cứu thứ nhất sử dụng mô hình và phần mềm nước ngoài để mô phỏng và tính toán một số yếu tố của chất lượng nước trong một khu vực cụ thể. Hướng này thiên về nghiên cứu ứng dụng của mô hình và tác động của chất ô nhiễm đến khu vực nghiên cứu để phục vụ nhu cầu nghiên cứu, đánh giá tổn thất do ô nhiễm hoặc hoạch định chính sách phát triển của địa phương. Ví dụ chương trình hợp tác với Cơ quan hợp tác Quốc tế 9 Nhật Bản - JICA của Viện Tài nguyên và Môi trường biển – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam sử dụng phần mềm chuyên dụng CABARET của LOICZ (Mỹ) để đánh giá mức độ tích tụ và khuếch tán vật chất tại một số điểm thuộc vịnh Hạ Long. Một số nghiên cứu khác sử dụng mô hình eco Lab - MIKE1.
- Hướng nghiên cứu thứ hai đi vào xây dựng mô hình thuật toán riêng hoặc học tập các giải pháp đã được công bố trên các tạp chí khoa học quốc tế để giải bài toán lan truyền ô nhiễm với một hay nhiều chất ô nhiễm. Đánh giá hiệu quả tính toán của mô hình và tiến hành thử nghiệm với một khu vực nghiên cứu cụ thể. Ví dụ như mô hình tính toán chất lượng nước cho vùng biển Quảng Ninh-Hải Phòng xây dựng trên nền mô hình thủy lực hai chiều CHB-2D của phòng Cơ học biển (Viện cơ học)[5]. Ngoài ra còn có thể kể đến các mô hình khác đã được nghiên cứu và phát triển như HydroGIS của TS Nguyễn Hữu Nhân, SALBOD của GS.TS Nguyễn Tất Đắc.
Mô hình tính toán lan truyền chất ô nhiễm của phòng thủy tin học (Viện Cơ học) đi theo hướng học tập và xây dựng mô hình để giải bài toán lan truyền chất ô nhiễm với phạm vi ứng dụng trong lan truyền ô nhiễm trên một đoạn sông hoặc ô nhiễm hồ chứa. Mô hình này được xây dựng trên nền mô hình thủy lực IMECH_2DUSZ của đề tài cấp Bộ: “Áp dụng tính toán song song trong việc kết nối các mô hình thuỷ văn và mô hình thuỷ lực phục vụ dự báo và kiểm soát lũ lụt lưu vực sông Hồng”[1]. Đây là mô hình thuỷ lực sử dụng hệ phương trình Saint Venant 2D đầy đủ để mô tả chuyển động của nước trên một miền 2 chiều và được giải bằng phương pháp FVM (Finite Volume Method) trên lưới không cấu trúc. Mô hình này đã được học viên lựa chọn để nghiên cứu đánh giá và tiếp tục phát triển.
1 Phạm Tiến Đạt(2009), luận văn thạc sĩ "Sử dụng mô hình eco lab đánh giá một số đặc trưng môi trường khu vực nuôi trồng thủy sản". TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Mô hình lan truyền ô nhiễm 2 chiều. Mô hình lan truyền chất gây ô nhiễm 2 chiều bao gồm mô hình thủy lực 2 chiều và mô hình truyền tải khuyếch tán vật chất 2 chiều.
Hệ phương trình S. Venant 2D mô tả các định luật bảo toàn về khối lượng và động lượng của nước 2 chiều. Hệ phương trình này được thiết lập từ hệ phương trình Navier - Stock bằng cách trung bình hóa theo chiều sâu và điều kiện áp suất tuân theo quy luật thuỷ tĩnh. Nếu bỏ qua thành phần nhớt và rối, ảnh hưởng của gió và ảnh hưởng của lực Coriolis, hệ phương trình S.
Venant 2D có thể viết dưới dạng sau([1]-[2]). Phương trình liên tục: z uh vh 0 (1) t x y Phương trình động lượng theo hướng x: u u u h gu(u 2 v 2 )1 / 2 u v g gS 0, x (2) t x y x K x2 h 4 / 3 Phương trình động lượng theo hướng y: v v v h gv(u 2 v 2 )1 / 2 u v g gS 0, y (3) t x y y K y2 h 4 / 3 Phương trình truyền tải khuyếch tán vật chất ([3],[4]): Ci 2 C 2 Ci uCi vCi f i D( 2 i ) (4) t x y x y 2 Trong các phương trình trên: z – mực nước, h là độ sâu dòng chảy. g – gia tốc trọng trường. Kx, Ky – hệ số Strickler trong lực cản đáy.
Ci – nồng độ chỉ tiêu ô nhiễm thứ i. fi – thành phần nguồn. So,x,So,y – độ dốc đáy. D – Hệ số khuyếch tán.
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 6 Theo lý thuyết đường đặc trưng, số điều kiện biên cho hệ phương trình S.venant (1)- (3) phụ thuộc vào vận tốc un và số Froude - Fr theo hướng của pháp tuyến ngoài tại điểm biên. un = unx + vny Fr un / c, c gh Có các loại điều kiện biên sau: Biên có dòng chảy vào miền (inflow): un 0, dòng chảy có chiều ngược với pháp tuyến ngoài. - Trạng thái chảy êm: un > c: cần cho 2 điều kiện biên - Trạng thái chảy xiết: un c: cần cho 3 điều kiện biên Biên có dòng chảy ra khỏi miền (outflow): un 0, dòng chảy theo chiều pháp tuyến ngoài. - Trạng thái chảy êm: un < c: cần cho 1 điều kiện biên - Trạng thái chảy xiết: un c : không cần cho điều kiện biên.
Đối với phương trình truyền tải khuyếch tán vật chất cần cho một điều kiện biên vào và một điều kiện biên ra. Ví dụ đối với bài toán thủy lực có dòng chảy vào êm, cần cho một điều kiện biên vào và một điều kiện biên ra, để bài toán ổn định và giảm sai số thì điều kiện biên vào thường được chọn là vận tốc và điều kiện biên ra được chọn là cao trình mực nước. Với bài toán truyền tải khuyếch tán thì điều kiện biên vào thường chọn là nồng độ chỉ tiêu ô nhiễm và điều kiện biên ra là đạo hàm của nồng độ chỉ tiêu ô nhiễm. Thuật toán giải hệ phương trình dòng chảy 2 chiều.
Hệ phương trình Saint – Venant 2D (1) - (3) được giải số theo phương pháp khối hữu hạn (FVM - Finite Volume Method) trên lưới không cấu trúc dạng tam giác cho một đoạn sông hoặc hồ chứa. Lưới tam giác mô tả tốt dòng chảy trên miền có địa hình phức tạp (cả biên và đáy). Trong phương pháp khối hữu hạn, miền tính toán D được chia nhỏ thành các khối có hình học đơn giản Si dạng tam giác và các khối này tạo thành một lưới phủ kín miền tính toán. Các tham số để mô tả một lưới là nút lưới và liên kết giữa các nút lưới để tạo thành các khối.
Trên hình dưới đây là một phần của TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 7 một lưới không cấu trúc. Tính không cấu trúc của lưới được thể hiện qua việc đánh số các nút lưới và đánh số các khối trong lưới không cần theo một quy luật nào.1: Lưới không cấu trúc dạng tam giác. Việc chia miền D thành các phần tử Si chỉ cần đảm bảo các điều kiện sau: N 1) D S i i 1 2) Si Sj = 3) S i S j = , nếu Si không nằm cạnh Sj Mi,j, nếu Si nằm cạnh Sj, Mi,j là cạnh chung của 2 phần tử này. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.2: Quan hệ giữa các phần tử trong miền.
Ở đây ta dùng các ký hiệu của lý thuyết tập hợp như là hợp, là giao, là tập rỗng. S i là phủ của Si, như vậy một đỉnh của phần tử chỉ có thể nằm ở một trong hai đầu của cạnh, không có đỉnh của phần tử này nằm trên cạnh của phần tử khác. Tính không cấu trúc của lưới được thể hiện qua việc đánh số nút k và đánh số phân tử của các phần tử không theo một quy luật nào cả. Những lưới được đánh số nút (hoặc phần tử) theo 2 chỉ số i, j, trong đó i theo chiều x, j theo chiều y thường phải liền kề nhau và có trật tự thì được gọi là lưới có cấu trúc.
Lưới không cấu trúc mỗi nút, mỗi phần tử được đánh số bằng một chỉ số và không có một điều kiện ràng buộc nào cho chỉ số này. Trong khi chia lưới miền D, phần tử không bắt buộc có cùng một cấu trúc hình học là tam giác hoặc tứ giác. Thí dụ miền D có thể chia bằng một lưới gồm các tam giác và các tứ giác. Tính chất hình học của một phần tử cũng không tuân theo một nguyên tắc nào.
Tuy nhiên đa giác phải là đa giác lồi. Để đảm bảo kết quả tính toán tốt thì độ dài các cạnh của một đa giác không khác nhau quá nhiều.