Luận văn thạc sĩ về mô phỏng và tính toán chất lượng nước tại VNU UET

Luận văn thạc sĩ VNU UET khám phá các vấn đề khoa học trong nghiên cứu mô phỏng và tính toán chất lượng nước, cung cấp kiến thức chuyên sâu.

• Người hướng dẫn: TS. Trần Thu Hà
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội Trường Đại học Công nghệ
• Chuyên ngành: Cơ học kỹ thuật
• Đề tài: Nghiên Cứu Mô Phỏng Và Tính Toán Chất Lượng Nước
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: MÔ HÌNH TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC
• 1.1. Tổng quan các kết quả trong và ngoài nước về mô hình tính toán mô phỏng chất lượng nước
• 1.2. Mô hình lan truyền ô nhiễm 2 chiều
• 1.3. Thuật toán giải hệ phương trình dòng chảy 2 chiều
• 1.4. Thuật toán giải phương trình truyền tải khuyếch tán 2 chiều
• 1.5. Phát triển mô hình truyền tải đa chất
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC TÍNH TOÁN KIỂM ĐỊNH CHẤT LƯỢNG MÔ HÌNH
• 3. CHƯƠNG 3: THỬ NGHIỆM MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC HỒ THANH NHÀN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu mô phỏng chất lượng nước tại VNU UET

Nghiên cứu mô phỏng và tính toán chất lượng nước tại VNU UET là một lĩnh vực quan trọng trong việc bảo vệ môi trường. Mô hình hóa chất lượng nước giúp đánh giá tình trạng ô nhiễm và đưa ra các giải pháp quản lý hiệu quả. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc sử dụng mô hình mô phỏng có thể cải thiện đáng kể khả năng dự đoán và quản lý chất lượng nước trong các hệ thống thủy văn.

1.1. Lịch sử và sự phát triển của mô hình chất lượng nước

Mô hình hóa chất lượng nước đã được nghiên cứu từ rất sớm. Các mô hình như WASP và QUAL2K đã được phát triển để phục vụ cho việc phân tích và dự đoán chất lượng nước trong các hệ thống sông và hồ.

1.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu chất lượng nước

Nghiên cứu chất lượng nước không chỉ giúp bảo vệ sức khỏe cộng đồng mà còn hỗ trợ trong việc quản lý tài nguyên nước bền vững. Việc hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng nước là rất cần thiết.

II. Các thách thức trong nghiên cứu mô phỏng chất lượng nước

Mặc dù có nhiều tiến bộ trong nghiên cứu mô phỏng chất lượng nước, vẫn còn nhiều thách thức cần phải giải quyết. Các vấn đề như độ chính xác của mô hình, sự biến đổi của các yếu tố môi trường và sự tương tác giữa các chất ô nhiễm là những yếu tố quan trọng cần được xem xét.

2.1. Độ chính xác của mô hình mô phỏng

Độ chính xác của mô hình phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm chất lượng dữ liệu đầu vào và phương pháp tính toán. Việc cải thiện độ chính xác là một trong những thách thức lớn nhất trong nghiên cứu này.

2.2. Tác động của các yếu tố môi trường

Các yếu tố như khí hậu, địa hình và hoạt động con người có thể ảnh hưởng đến chất lượng nước. Việc mô phỏng các yếu tố này là rất phức tạp và cần nhiều nghiên cứu hơn.

III. Phương pháp mô phỏng chất lượng nước hiệu quả

Để mô phỏng chất lượng nước một cách hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp tiên tiến như mô hình hóa thủy lực hai chiều và thuật toán giải phương trình truyền tải khuyếch tán. Những phương pháp này giúp cải thiện khả năng dự đoán và quản lý ô nhiễm nước.

3.1. Mô hình thủy lực hai chiều

Mô hình thủy lực hai chiều cho phép mô phỏng dòng chảy và lan truyền chất ô nhiễm trong các hệ thống nước phức tạp. Điều này giúp đánh giá chính xác hơn về tình trạng ô nhiễm.

3.2. Thuật toán giải phương trình truyền tải

Sử dụng thuật toán giải phương trình truyền tải khuyếch tán giúp mô phỏng sự phân bố của các chất ô nhiễm trong nước. Điều này rất quan trọng trong việc đánh giá tác động của ô nhiễm đến môi trường.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả từ nghiên cứu mô phỏng chất lượng nước tại VNU UET đã chỉ ra rằng mô hình có thể dự đoán chính xác sự lan truyền của các chất ô nhiễm trong hồ Thanh Nhàn. Những kết quả này có thể được áp dụng trong việc quản lý tài nguyên nước và bảo vệ môi trường.

4.1. Kết quả mô phỏng tại hồ Thanh Nhàn

Mô phỏng cho thấy sự phân bố của các chất ô nhiễm trong hồ và giúp xác định các điểm nóng ô nhiễm. Điều này hỗ trợ trong việc đưa ra các biện pháp khắc phục kịp thời.

4.2. Ứng dụng trong quản lý tài nguyên nước

Kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để xây dựng các chính sách quản lý tài nguyên nước hiệu quả hơn, từ đó bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu mô phỏng chất lượng nước tại VNU UET đã mở ra nhiều cơ hội mới trong việc bảo vệ môi trường. Tương lai của nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc cải thiện độ chính xác của mô hình và mở rộng khả năng mô phỏng nhiều chất ô nhiễm khác nhau.

5.1. Hướng phát triển mô hình trong tương lai

Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc phát triển mô hình có khả năng mô phỏng nhiều chất ô nhiễm đồng thời, từ đó nâng cao khả năng dự đoán và quản lý ô nhiễm.

5.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu liên ngành

Nghiên cứu mô phỏng chất lượng nước cần sự hợp tác giữa các lĩnh vực khác nhau như môi trường, công nghệ thông tin và quản lý tài nguyên. Điều này sẽ giúp nâng cao hiệu quả của các giải pháp đưa ra.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế nhanh chóng, ô nhiễm môi trường nước tại các đô thị lớn ngày càng trở nên nghiêm trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe cộng đồng và cảnh quan đô thị. Theo ước tính, lượng nước thải đổ vào các hồ chứa đô thị có thể lên đến hàng nghìn mét khối mỗi ngày, gây ra sự tích tụ và lan truyền các chất ô nhiễm phức tạp. Nghiên cứu mô phỏng và tính toán chất lượng nước nhằm đánh giá quá trình lan truyền ô nhiễm trong các hồ chứa là một nhiệm vụ cấp thiết để quản lý và bảo vệ nguồn nước. Luận văn tập trung phát triển và hiệu chỉnh mô hình tính toán lan truyền ô nhiễm hai chiều, áp dụng cho hồ Thanh Nhàn, với diện tích khoảng 8.5 ha và dung tích trung bình 162.000 m³, lượng nước thải khoảng 2.100 m³/ngày-đêm. Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng mô hình đa chất, mô phỏng chính xác quá trình lan truyền và biến đổi các chỉ tiêu ô nhiễm như BOD5, COD, NH3, NO3, PO4, SO4 trong hồ, từ đó cung cấp công cụ hỗ trợ đánh giá và quản lý chất lượng nước. Phạm vi nghiên cứu bao gồm phát triển thuật toán giải hệ phương trình thủy lực và truyền tải khuyếch tán trên lưới không cấu trúc tam giác, kiểm định mô hình qua các bài toán mẫu và thử nghiệm thực tế tại hồ Thanh Nhàn. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác mô phỏng, hỗ trợ hoạch định chính sách bảo vệ môi trường nước đô thị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Hệ phương trình Saint-Venant 2 chiều (2D): Mô tả chuyển động dòng chảy nước trên mặt phẳng hai chiều, bao gồm phương trình liên tục và phương trình động lượng theo hai hướng x, y. Hệ phương trình này được xây dựng từ hệ Navier-Stokes bằng cách trung bình hóa theo chiều sâu, bỏ qua các thành phần nhớt, rối, ảnh hưởng gió và lực Coriolis.

• Phương trình truyền tải khuyếch tán chất ô nhiễm 2 chiều: Mô tả quá trình vận chuyển và khuếch tán các chất ô nhiễm trong dòng chảy, bao gồm các thành phần vận chuyển theo dòng chảy, khuếch tán và nguồn phát sinh hoặc hao hụt chất ô nhiễm.

• Mô hình truyền tải đa chất: Mở rộng mô hình truyền tải cho nhiều chất ô nhiễm đồng thời, xét tương tác và phản ứng sinh hóa giữa các chỉ tiêu như BOD5, COD, NH3, NO3, PO4, SO4. Các hệ số hao tán và chuyển đổi được xác định dựa trên các quá trình sinh hóa đặc trưng.

Các khái niệm chính bao gồm: mực nước (z), độ sâu dòng chảy (h), vận tốc dòng chảy (u, v), hệ số Strickler (Kx, Ky), nồng độ chất ô nhiễm (Ci), hệ số khuếch tán (D), và các điều kiện biên dòng chảy và nồng độ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu sử dụng bao gồm số liệu địa hình hồ Thanh Nhàn tỷ lệ 1:5.000, số liệu đo đạc các chỉ tiêu ô nhiễm tại các điểm lấy mẫu trong hồ, và các thông số thủy lực, sinh hóa thu thập từ Trung tâm Nghiên cứu Tài nguyên và Môi trường, Đại học Quốc gia Hà Nội.

Phương pháp phân tích chính là xây dựng và hiệu chỉnh mô hình số dựa trên phương pháp khối hữu hạn (FVM) trên lưới không cấu trúc tam giác, phù hợp với địa hình phức tạp của hồ. Thuật toán giải hệ phương trình Saint-Venant 2D và phương trình truyền tải khuyếch tán được phát triển và hiệu chỉnh nhằm tăng độ chính xác và ổn định tính toán.

Timeline nghiên cứu bao gồm:

• Giai đoạn 1: Tổng quan và xây dựng mô hình cơ bản (2010-2011)
• Giai đoạn 2: Kiểm định mô hình qua các bài toán mẫu thủy lực và lan truyền chất (2011)
• Giai đoạn 3: Thử nghiệm mô phỏng thực tế tại hồ Thanh Nhàn, hiệu chỉnh mô hình (2011-2012)

Quy trình nghiên cứu bao gồm thu thập số liệu, xây dựng lưới tính toán, thiết lập điều kiện biên, chạy mô phỏng, so sánh kết quả với số liệu thực tế và điều chỉnh tham số mô hình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả mô hình thủy lực 2D: Qua ba bài toán mẫu thủy lực với các điều kiện dòng chảy dừng, đáy kênh có độ dốc biến đổi đều và không đều, mô hình cho kết quả mực nước tính toán có sai số tuyệt đối nhỏ, dưới 0.1 m so với nghiệm chính xác, chứng tỏ mô hình ổn định và chính xác trong phạm vi áp dụng.

2. Độ chính xác thuật toán lan truyền chất ô nhiễm: Ba bài toán mẫu lan truyền chất kiểm tra các thành phần vận chuyển thuần túy, vận chuyển kết hợp khuếch tán và hao tán. Sai số tương đối của mô hình so với nghiệm chính xác dao động trong khoảng 2-5% với thời gian mô phỏng ngắn (~1 giờ), tăng lên nhưng vẫn chấp nhận được khi mô phỏng dài (~6 ngày).

3. Mô phỏng thực tế tại hồ Thanh Nhàn: Mô hình tính toán trường vận tốc và phân bố nồng độ các chỉ tiêu ô nhiễm BOD5, COD, NH3, NO3, PO4, SO4 tương đối phù hợp với số liệu đo đạc thực tế tại các điểm lấy mẫu. Sai số tại các điểm đo giữa hồ đối với PO4 và NO3 dưới 10%, thể hiện khả năng mô phỏng tốt quá trình lan truyền và biến đổi chất ô nhiễm trong hồ.

4. Ảnh hưởng của các nguồn thải phụ và phân bố không đồng đều: Kết quả mô phỏng cho thấy nồng độ NH3 và PO4 tăng cao ở cuối hồ, do có thêm các nguồn thải phụ từ các cống nhỏ xung quanh hồ, làm phức tạp quá trình lan truyền ô nhiễm. Việc hiệu chỉnh tham số mô hình theo không gian giúp cải thiện độ chính xác kết quả.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân mô hình đạt độ chính xác cao là do sử dụng hệ phương trình Saint-Venant 2D đầy đủ, giải bằng phương pháp khối hữu hạn trên lưới không cấu trúc tam giác, phù hợp với địa hình phức tạp của hồ. Việc mở rộng mô hình sang đa chất và hiệu chỉnh thuật toán lan truyền chất giúp mô hình ổn định hơn khi tính toán các phản ứng sinh hóa phức tạp.

So sánh với các nghiên cứu trong và ngoài nước, mô hình này có ưu điểm về khả năng mô phỏng đa chất và áp dụng cho hồ chứa đô thị với địa hình phức tạp, trong khi nhiều mô hình thương mại chỉ tập trung vào sông suối hoặc vùng biển. Tuy nhiên, mô hình còn hạn chế khi chưa xét đến ảnh hưởng của nhiệt độ, ánh sáng và gió, cũng như chưa mô phỏng đầy đủ các nguồn thải phụ không được đo đạc chính xác.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh nồng độ ô nhiễm tính toán và đo đạc tại các điểm mẫu, biểu đồ sai số tương đối theo chiều dài hồ, và bản đồ phân bố nồng độ các chất ô nhiễm trong hồ, giúp trực quan hóa hiệu quả mô hình.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Mở rộng mô hình tích hợp các yếu tố môi trường: Cần bổ sung các yếu tố ảnh hưởng như nhiệt độ, ánh sáng và tác động của gió lên bề mặt hồ để mô hình phản ánh chính xác hơn quá trình sinh hóa và lan truyền ô nhiễm. Thời gian thực hiện dự kiến 1-2 năm, do các viện nghiên cứu môi trường và cơ học thủy văn phối hợp thực hiện.

2. Phát triển hệ thống đồng hóa số liệu tự động: Áp dụng các phương pháp đồng hóa dữ liệu để tự động hiệu chỉnh tham số mô hình dựa trên số liệu quan trắc thực tế, nâng cao độ chính xác và khả năng dự báo. Khuyến nghị triển khai trong 1 năm, do nhóm nghiên cứu mô hình và chuyên gia công nghệ thông tin thực hiện.

3. Mở rộng khảo sát và thu thập số liệu nguồn thải phụ: Tăng cường khảo sát thực địa, đo đạc các nguồn thải nhỏ xung quanh hồ để bổ sung dữ liệu đầu vào cho mô hình, giảm sai số mô phỏng. Thời gian thực hiện 6-12 tháng, do các cơ quan quản lý môi trường và địa phương phối hợp.

4. Tối ưu hóa thuật toán tính toán: Nghiên cứu giảm lượng bước tính hoặc cải tiến thuật toán để giảm sai số tích lũy và tăng tốc độ tính toán, phù hợp với các mô hình tính toán dài hạn và quy mô lớn. Thời gian thực hiện 1 năm, do nhóm phát triển phần mềm mô hình đảm nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Cơ học kỹ thuật, Thủy văn và Môi trường: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình thủy lực 2D và mô hình lan truyền ô nhiễm đa chất, phù hợp để tham khảo trong nghiên cứu và học tập.

2. Cơ quan quản lý môi trường đô thị và các đơn vị quản lý hồ chứa: Công cụ mô phỏng giúp đánh giá chất lượng nước, hỗ trợ hoạch định chính sách quản lý và xử lý ô nhiễm nguồn nước đô thị.

3. Các công ty tư vấn và thiết kế môi trường: Áp dụng mô hình để thiết kế các giải pháp xử lý nước thải, đánh giá tác động môi trường và lập báo cáo môi trường cho các dự án phát triển đô thị.

4. Nhóm phát triển phần mềm mô phỏng thủy lực và môi trường: Tham khảo thuật toán giải hệ phương trình Saint-Venant 2D trên lưới không cấu trúc và phương pháp hiệu chỉnh thuật toán lan truyền chất để cải tiến sản phẩm phần mềm.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình có thể áp dụng cho các hồ chứa khác không?
   Mô hình được xây dựng trên nền tảng chung của hệ phương trình thủy lực và truyền tải chất ô nhiễm, có thể áp dụng cho các hồ chứa có địa hình phức tạp tương tự, tuy nhiên cần hiệu chỉnh tham số và dữ liệu đầu vào phù hợp với từng hồ cụ thể.

2. Độ chính xác của mô hình được kiểm định như thế nào?
   Mô hình được kiểm định qua ba bài toán mẫu thủy lực và ba bài toán mẫu lan truyền chất với sai số tuyệt đối mực nước dưới 0.1 m và sai số nồng độ ô nhiễm dưới 5% trong điều kiện mô phỏng ngắn hạn, đảm bảo độ tin cậy trong phạm vi áp dụng.

3. Mô hình có tính đến ảnh hưởng của các yếu tố môi trường như nhiệt độ hay ánh sáng không?
   Hiện tại mô hình chưa tích hợp các yếu tố này, đây là điểm hạn chế và được đề xuất nghiên cứu bổ sung trong các giai đoạn tiếp theo để nâng cao độ chính xác mô phỏng.

4. Làm thế nào để mô hình xử lý nhiều chất ô nhiễm cùng lúc?
   Mô hình sử dụng phương trình truyền tải đa chất, xét tương tác và phản ứng sinh hóa giữa các chỉ tiêu ô nhiễm, với các hệ số chuyển đổi và hao tán được xác định dựa trên quá trình sinh hóa đặc trưng.

5. Mô hình có thể hỗ trợ quản lý môi trường như thế nào?
   Kết quả mô phỏng cung cấp thông tin về phân bố và biến đổi chất ô nhiễm trong hồ, giúp cơ quan quản lý đánh giá mức độ ô nhiễm, dự báo xu hướng và lập kế hoạch xử lý, bảo vệ nguồn nước hiệu quả hơn.

Kết luận

• Luận văn đã phát triển và hiệu chỉnh thành công mô hình thủy lực 2D và mô hình truyền tải đa chất ô nhiễm trên lưới không cấu trúc tam giác, phù hợp với địa hình hồ chứa phức tạp.
• Mô hình được kiểm định qua các bài toán mẫu với sai số chấp nhận được, đảm bảo độ chính xác và ổn định tính toán.
• Thử nghiệm mô phỏng thực tế tại hồ Thanh Nhàn cho kết quả tương đối phù hợp với số liệu đo đạc, phản ánh đúng quá trình lan truyền và biến đổi các chỉ tiêu ô nhiễm chính.
• Nghiên cứu đề xuất mở rộng mô hình tích hợp các yếu tố môi trường, đồng hóa số liệu tự động và tối ưu hóa thuật toán để nâng cao hiệu quả ứng dụng.
• Khuyến nghị các cơ quan quản lý, nhà nghiên cứu và doanh nghiệp môi trường áp dụng mô hình để hỗ trợ đánh giá và quản lý chất lượng nước hồ chứa đô thị.

Triển khai nghiên cứu bổ sung các yếu tố môi trường, mở rộng khảo sát thực địa và phát triển hệ thống đồng hóa số liệu nhằm nâng cao độ chính xác và khả năng ứng dụng của mô hình trong thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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: LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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". LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. 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.

LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.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.