Phần 1 Cơ sở lý thuyết của mô hình QUAl2K

Báo Cáo thực tập tốt nghiệp

Phần 1 Cơ sở lý thuyết của mô hình QUAl2K.1. Giới Thiệu QUAL2K ( hoặc Q2K) là một mô hình về chất lượng nước của

sông và dòng chảy nó được cải tiến từ cho mô hình QUAL2E (Q2E) do (Brown and Barnwell 1987). Q2K tương tự như Q2E với những đặc điểm sau:

Một chiều. Lòng sông là những nguồn nước trộn lẫn theo chiều dọc và chiều sâu. Nhánh sông. Hệ thống có thể bao gồm một sông chính

với các sông nhánh. Diel heat budget. Khối nhiệt và nhiệt độ được mô phỏng

như một công thức khí tượng học trên một mức độ thời gian. Tính chất thủy lực là ổn định. Đồng nhất, dòng chảy ổn

định được mô phỏng Động học chất lượng nước diel. Chất lượng nước thay

đổi mô phỏng theo các mức độ thời gian. Nhiệt và khối lượng đầu vào. Điểm và không điểm chịu

tải và nước chảy ra đều được mô phỏng.QUAL2K còn bao gồm các phần tử mới: Phần mềm môi trường và giao diện. Q2K là một công cụ

trong môi trường Microsoft Windows. Số lượng tính toán dùng chương trình Fortran 90. Excel được sử dụng để hiển thị đồ thị trên giao diện cho người sử dụng. Tất cả các giao diện này có tác dụng là chương trình trong Microsoft Office dùng ngôn ngữ: Công cụ Visual Basic( VBA).

Mô hình chia nhỏ. Q2E chia hệ thống thành các đoạn sông gồm các phần tử có khoảng cách bằng nhau. Q2K phân chia hệ thống thành các đoạn sông và các phần tử. Thêm vào đó, khối lượng và các dòng chảy ra có thể vào nhiều phần tử.

Sự hình thành cacbon BOD. Q2K sử dụng 2 dạng Cacbon BOD tượng trưng carbon hữu cơ. Hai dạng đó là dạng oxy hóa chậm (slow CBOD) và dạng oxy hóa nhanh (fast CBOD).

Sự thiếu Oxy(Anoxia). Q2K điều chỉnh lượng thiếu Oxy bởi sự làm giảm phản ứng oxy hóa đến không với mức oxy thấp. Thêm vào đó, quá trình khử Nito như là mô hình phản ứng bậc 1 làm cho nồng độ oxy xuống thấp.

Bùi Ngọc Hiếu_QLMT_K48 1


Tác động qua lại giữa nước và trầm tích. Nước và trầm tích chảy mạnh làm hòa tan Oxy và dinh dưỡng có thể mô phỏng bên trong hơn là bắt buộc. Do đó lượng oxy (SOD) và dòng chảy dinh dưỡng được mô phỏng như một công thức ổn định về vật chất hữu cơ, phản ứng trong trầm tích, và nồng độ ở dạng hòa tan sẽ làm nước quá bão hòa.

Tảo dưới nước. Mô hình hiện mô phỏng gắn liền với tảo dưới nước. Tảo này có thể thay đổi hóa học lượng pháp.

Sự tiêu hủy ánh sáng. Sự tiêu hủy ánh sáng được tính toán như một công thức của tảo, chất rắn vô cơ và các vật vụn.

pH. Cả tính kiềm và tổng cacbon vô cơ đều có thể mô phỏng. pH của các dòng sông được tính toán cơ bản dựa trên hai lượng ở trên.

Mầm bệnh. Một đặc điểm chung của giống bệnh sẽ được mô phỏng. việc thủ tiêu mầm bệnh được xác định như một công thức của nhiệt độ, ánh sáng, ổn định.

Tính chất động lực đặc trưng của đoạn sông. Q2K cho phép bạn chỉ rõ nhiều tính chất động lực trên một đoạn sông đặc trưng cơ bản.

Đập và thác nước, tính chất thủy lực của đập nước sẽ ảnh hưởng đến đập và thác nước mà sự vận chuyển là rất rõ ràng.

Bắt đầu chương trình.Ngay dưới đây sẽ cho thấy dạng chương trình như thế nào, Excel sẽ

phục vụ cho các giao diện của QUAL2K. Tất cả các đầu vào và đầu ra của mô hình sẽ được thực hiện bằng công cụ trong Excel, tất cả các công thức trong Excel dùng ngôn ngữ: Visual Basic for Applications (VBA). Tất cả các công thức tính toán bằng công cụ Fortran 90 được thi hành mau lệ. Tiếp sau đây là các bước có bao nhiêu mô hình có thể cài đặt lên máy tính của bạn và sử dụng chúng để làm mô phỏng .

Bước 1: copy the file, Q2Kv2_07.zip đến đường dẫn (ví dụ, C:\) khi file được giải nén nó sẽ cho các file sau : file Excel (Q2KMasterv2_07.xls), và một file chạy (Q2KFortran2_07.exe). Đầu tiên trên giao diện của Q2K cho phép bạn chạy Q2K và biểu lộ kết quả của nó. Thứ hai là Fortran có thể thực hiện được công việc thực tế tính toán mô hình. Sẽ có hai file trong đường dẫn giống nhau để mô hình có thể chạy chính xác. Chú ý sau khi bạn chạy mô hình, một số file sẽ tự động được tạo ra bởi Fortran có thể trao đổi thông tin với Excel.

Chú ý không xóa file .Zip. Nếu một vài lý do, bạn sửa Q2k, bạn có thể sử dụng file zip để cài đặt lại mô hình.



Bước 2: tạo ra file theo đường dẫn C:\Q2Kv2_07 gọi là file dữ liệu Datafiles.

Bước 3: mở Excel và chắc chắn macro security ở mức trung bình (tranh 1) có thể yêu cầu sử dụng : Tools Macro Security. Chắc chắn mức medium sẽ được chọn

Figure 1 The Excel Macro Security Level dialogue box. In order to run Q2K, the Medium level of security should be selected.

Mở Q2KMasterFortranv2_07.xls. Khi bạn làm việc với nó hộp thoại Macro Security sẽ hiện ra như sau:

Figure 2 The Excel Macro security dialogue box. In order to run Q2K, the Enable Macros button must be selected.

Kích vào nút Enable Macros.Bước 5 : Trên QUAL2K Worksheet di chuyển đến cột 10 và vào

đường dẫn đến DataFiles, C:\QUAL2K\DataFiles xem bức tranh thứ 3



Figure 3 The QUAL2K Worksheet showing the entry of the file path into cell B10.

Bước 6 : Kích vào nút Run Fortran .Nếu chương trình làm việc không chính xác Có hai lý do cơ bản làm chương trình làm việc không chính xác.

Đầu tiên bạn phải sử dụng một phiên bản cũ của Microsoft Office mặc dù Excel phiên bản cũ có thể làm việc được. Q2K không làm việc với các phiên bản quá cũ.

Thứ hai bạn đã tạo ra một số lỗi trong công cụ ở các bước trước. Một lỗi thường gặp bạn vẫn mơ hồ về đường dẫn bạn vào cột 10 giả sử bạn vẫn không biết đường dẫn C:\Q2KFortranv2_07\DataFles bạn sẽ nhận được một lỗi như sau :

Figure 4 An error message that will occur if you type the incorrect file path into cell B10 on the QUAL2K Worksheet.

Nếu xảy ra kích Ok cho chạy và quay trở lại QUAL2K Worksheet tại đó bạn phải vào đúng đường dẫn.

Nếu chương trình làm việc chính xác



Q2K bắt đầu thi hành một cửa sổ mở ra cho thấy Fortran tính toán (tranh 5).

Figure 5 This window is displayed showing the progress of the model computations as executed in Fortran. It allows you to follow the progress of a model run.

Chương trình sẽ mô phỏng sông chính với hai nhánh sông. Nếu chương trình làm việc chính xác hộp thoại sau đây sẽ xuất hiện nếu bạn chạy thành công.

Ấn Ok, tiếp theo hộp thoại sau sẽ xuất hiện.

Hộp thoại trên sẽ cho phép bạn chọn phần của hệ thống bạn muốn vẽ đồ thị. Như đã thấy, nó mặc định là sông chính. Ấn Ok và nhìn thấy thời gian chạy của sông chính. Chú ý tất cả các đồ thị đều được cập nhật khi nhấn OK.

Ngắt một lúc bạn nhìn thấy đồ thị của một nhánh sông, bạn nhấn nút dưới bên trái bị che khuất.



Nguyên nhân là do đồ thị hộp thoại được chọn xuất hiện. Kéo xuống bạn có thể chọn một nhánh khác.

Bước 7: Trên QUAL2K Worksheet click nút Open Old File. Mở đường dẫn C:\Q2Kv2_07\DataFiles. Bạn nhìn thấy một file mới được tạo ra với tên chỉ rõ ở cột 9 (trong trường hợp trên bức tranh thứ 3 là Bogus062807.q2k). click nút hủy bỏ cacel quay trở lại Q2K.

Chú ý trong thời gian Q2K chạy. Một file dữ liệu sẽ được tạo ra với tên file chỉ rõ trong cột 9 trên QUAL2K Worksheet (Figure 3). Chương trình tự động thêm vào phần mở rộng .q2k cho tên file. Từ đó nó sẽ đè lên phiên bản của file trước, chắc chắn tạo ra sự thay đổi tên file khi bạn làm một ứng dụng mới.

Bây giờ bạn có thể chạy thành công Q2K trên máy tính của bạn, trang tiếp theo là các tài liệu khoa học làm nền tảng cho mô hình.

2. Sự chia ra từng đoạn và tính chất thủy lựcMô hình miêu tả một dòng sông như một dãy các đoạn sông.

Nó tượng trưng cho quãng sông có tính chất thủy lực giống nhau ( ví dụ độ dốc, độ rộng đáy dưới ) như được miêu tả bởi bức tranh thứ 6, số các đoạn sông tăng theo thứ tự bắt đầu từ thượng nguồn của đoạn sông chính.

Chú ý cả các điểm nguồn và không phải điểm nguồn cũng như các điểm chảy ra và các điểm không chảy ra có thể có bất kỳ vị trí nào theo suốt chiều dài của sông.



1

2

3

45

6

8

7

Non-pointwithdrawal

Non-pointsource

Point source

Point source

Point withdrawal

Point withdrawal

Headwater boundary

Downstream boundary

Point source

Figure 6 QUAL2K segmentation scheme for a river with no tributaries.

Hệ thống gồm các sông nhánh (hình7). Số lượng các đoạn sông được đánh số bắt đầu từ đoạn 1 và tăng dần ở thượng nguồn của con sông chính. Khi đến chỗ nối với một nhánh sông là một đoạn sông số thứ tự tiếp tục được đánh từ thượng nguồn từ nhánh sông này. Quan sát cả thượng nguồn và các nhánh sông các số là liên tiếp nhau theo một dãy sắp xếp tương tự đến các đoạn sông. Chú ý các nhánh sông lớn của hệ thống đều được quy về như một đoạn sông. Đặc biệt thực tế này rất quan trọng bởi vì phần mềm cung cấp đồ thị của đầu ra mô hình trên một đoạn sông cơ bản. Phần mềm tạo ra các đồ thị riêng biệt trên hệ thống sông chính cũng như các sông nhánh.



19

18

17

16

19

18

17

16

1

5

4

3

2

1

5

4

3

2

20

28

27

26

21

29

20

28

27

26

21

29

12

1514

1312

1514

13

87

6

87

6

9

1110

9

1110

2423

22

25

HW#1

HW#2

HW#3

HW#4

(a) A river with tributaries (b) Q2K reach representation

Mai

n s

tem

Trib 1

Trib2

Trib 3

Figure 7 QUAL2K segmentation scheme for (a) a river with tributaries. The Q2K reach representation in (b) illustrates the reach, headwater and tributary numbering schemes.

Cuối cùng một mô hình đoạn sông có thể chia thêm một dãy các phần tử có khoảng cách bằng nhau. Trong bức tranh thứ 8 chỉ rõ số phần tử mong muốn.

n = 4n = 4

ReachReach ElementsElements



Figure 8 If desired, any model reach can be further subdivided into a series of n equal-length elements.

Tóm lại thuật ngữ được sử dụng miêu tả cách tổ chức địa hình dòng sông theo Q2K.

Đoạn sông. Độ dài của con sông với tính chất thủy lực giống nhau.

Phần tử. Đơn vị cơ bản của mô hình tính toán cái mà được chia nhỏ bằng nhau của một đoạn sông.

Khúc sông. Một tập hợp các đoạn sông tượng trưng cho một một nhánh của hệ thống nó bao gồm nhánh chính như mỗi sông nhánh.

Thượng nguồn. Ranh giới bên trên của một mô hình đoạn sông.

Cân bằng dòng chảy.Như đã đã được miêu tả ở phần trước, đơn vị cơ bản của mô

hình Q2K là phần tử. Một dòng chảy ổn định cân bằng là phương tiện cho mỗi mô hình phần tử.

[1]

Trong đó Qi là lượng chảy ra từ phần tử i vào phần tử xuôi dòng i + 1 [m3/d], Qi–1 là lượng chảy vào từ phần tử ngược dòng i – 1 [m3/d], Qin,i là tổng lượng chảy vào trong phần tử từ điểm nguồn và không phải điểm nguồn [m3/d], và Qout,i là tổng lượng chảy ra từ phần tử đó đến điểm chảy ra và không phải điểm chảy ra [m3/d]. Vì vậy, lượng chảy ra xuôi dòng chỉ là sự chênh lệch giữa lượng vào và nguồn nước tăng thêm trừ đi lượng chảy ra mất mát.

i i + 1i 1Qi 1 Qi

Qin,i Qout,i

Figure 9 Element flow balance.



Tổng lượng chảy vào từ nguồn tính toán như sau.

[2]

Trong đó Qps,i,j là lượng chảy vào từ điểm nguồn thứ j đến phần tử i, psi tổng số điểm nguồn đến phần tử i, Qnps,i,j là lượng chảy vào từ điểm không phải điểm nguồn chảy tới phần tử i, và npsi là tổng số điểm không phải điểm nguồn chảy vào phần tử i.

Tổng lượng chảy ra từ các nguồn chảy ra được tính toán như sau:

[3]

Trong đó Qpa,i,j là lượng chảy ra ở điểm chảy ra thứ j từ phần tử i, pai tổng số điểm chảy ra từ phần tử i, Qnpa,i,j là lượng chảy ra ở các điểm là không phải điểm chảy ra thứ j từ phần tử i, và npai tổng số các điểm là không phải các điểm chảy ra từ phần tử i.

Các điểm không phải là điểm nguồn và không phải điểm chảy ra sẽ được mô hình như đường nguồn. Nhìn bức tranh10, các điểm là không phải điểm nguồn hoặc không phải điểm chảy ra được phân ranh giới bởi điểm bắt đầu và điểm kết thúc dài đến hàng kilomet. Nó chảy phân bố từ mỗi phần tử , theo chiều dài và chiều rộng.

Qnpt

25% 25% 50%

start end

1 1 2

Figure 10 The manner in which non-point source flow is distributed to an element.

Tính chất thủy lực họcMột lượng chảy ra của mỗi phần tử sẽ được tính toán, chiều

rộng và chiều sâu sẽ được tính toán bởi một theo 3 cách sau : weirs, rating curves, and công thức Manning . Chương trình lựa chọn giữa các cách trên:



Nếu chiều rộng và chiều cao của đập được nhập vào, đập nước sẽ được chọn làm phương tiện tính toán.

Nếu chiều rộng và chiều cao của đập bằng 0 và hệ số đường cong ( a và ) được nhập vào. Phương tiện rating curves được chọn làm phương tiện tính toán.

Nếu không có quy định trước là mét. Q2K sử dụng công thức Manning.

3.2.1 Đập nướcBức tranh 11 cho thấy có bao nhiêu đập nước được miêu tả

trong Q2K. Chú ý một cái đập nước chỉ có thể xảy ra ở điểm cuối của một phần tử đơn của một đoạn sông, bức tranh 11 cho thấy các thông số sau Hi là chiều sâu của phần tử ngược dòng của đập nước [m], Hi+1 là chiều sâu của phần tử xuôi dòng của đập [m], elev2i độ cao so với mực nước biển điểm cuối của phần tử ngược dòng [m], elev1i+1 độ cao so với mực nước biển điểm đầu của phần tử xuôi dòng. Hw độ cao của đập trên elev2i , Hd là độ hạ thấp giữa độ cao mực nước của bề mặt của phần tử i và phần tử i +1

Hi+1

HwHi

Bw

Hd

(a) Side (b) Cross-section

HwHi

Hh

elev2i

elev1i+1

elev2ielev1i+1

Figure 11 A sharp-crested weir occurring at the boundary between two reaches.

Hh là độ cao ở đỉnh bên trên đập [m], Bw là chiều rộng của đập [m]. Chú ý là chiều rộng của đập khác với chiều rộng của phần tử, Bi

Đây là một dạng đập trong đó Hh/Hw < 0.4, dòng chảy có liên quan đến đầu nguồn (Finnemore and Franzini 2002)

[4]



Trong đó Qi là lượng chảy ra từ phần tử ngược dòng của đập, m3/s, Bw, Hh là mét. Công thức 4 có thể được làm sang tỏ như sau:

[5]

Kết quả có thể sử dụng để tính toán chiều sâu của phần tử i, [6]

Và có thể tính độ hạ thấp trên đập[7]

Chú ý độ hạ thấp có thể sử dụng để tính toán lượng Oxy và CO2 di chuyển qua đập ( xem trang 55 và 60).

Tại các khu vực mặt cắt ngang, chiều sâu, bề mặt và thể tích phần tử i có thể được tính toán như sau.

[8]

[9]

Trong đó Bi độ rộng của phần tử i, ∆xi chiều dài của phần tử i. Chú ý nhiều đoạn sông với nhiều đập, đoạn sông với chiều rộng được nhập vào. Giá trị được nhập vào cột AA ( nhãn "Bottom Width") của Reach Worksheet.

3.2.2 Hệ số đường congPhương trình lũy thừa có thể sử dụng mối liên quan giá trị

trung bình của chiều dọc và chiều sâu của phần tử trong một đoạn sông.

[10]

[11]

Trong đó a, b, , là hệ số kinh nghiệm được xác định từ sự phán tán dọc trục và sự phát tán theo giai đoạn ứng với hệ số đường cong. Giá trị của chiều dọc và chiều sâu có thể được dùng để xác định diện tích mặt cắt ngang và chiều rộng bởi

[12]



[13]

Diện tích bề mặt và thể tích có thể tính như sau

Số mũ b và được đặc trưng trong bảng 1 chú ý tổng của b và phải kém hơn hoặc bằng 1. Nếu đây không phải là trường hợp mà chiều rộng sẽ giảm với sự gia tăng dòng chảy. Nếu tổng của chúng bằng 1 kênh sông là hình chữ nhật.

Table 1 Typical values for the exponents of rating curves used to determine velocity and depth from flow (Barnwell et al. 1989).

Equation Exponent Typical value

Range

b 0.43 0.40.6

0.45 0.30.5

Trong một số ứng dụng, bạn phải chỉ rõ giá trị hằng số của chiều dọc và chiều sâu không làm thay đổi dòng chảy. Nó có thể làm bởi sự sắp đặt b và bằng 0 và sắp xếp a cân bằng với yêu cầu chiều dọc và α cân bằng với yêu cầu chiều sâu.

3.2.3 Công thức manning.Mỗi phần tử trong đoạn sông riêng biệt có thể lý tưởng hóa như một hình thang ( trang 12). Với điều kiện dòng chảy ổn định công thức manning có thể sử dụng thể hiện mối quan hệ giữa dòng chảy và chiều sâu.

[14]

Trong đó Q là lưu lượng dòng chảy [m3/s], S0 độ dốc đáy sông [m/m] , n là hệ số gồ ghề, Ac diện tích mặt cắt ngang [m2] và P là chu vi thấm ướt [m].



Q, UB0

1 1ss1 ss2

H

S0B1

Figure 12 Trapezoidal channel.

Diện tích mặt cắt ngang của một lòng sông hình thang được tính toán như sau.

[15]

Trong đó B0 là chiều rộng đáy sông [m], ss1 và ss2 là hai độ dốc cạnh xem hình 12, [m/m], và H là chiều sâu của phần tử [m].Chu vi thấm ướt được tính như sau.

[16]

Sau khi biến đổi các công thức 16, 15 và 14 có thể tính toán sự lặp lại của chiều sâu (Chapra and Canale 2006),

[17]

Trong đó k = 1, 2, …n. n là số lần lặp. Ban đầu ước chừng H0 = 0 được dùng. Phương pháp kết thúc khi đánh giá sai số

bên dưới nhỏ hơn 0.001%. Đánh giá sai số được tính như sau.

[18]

Diện tích mặt cắt ngang được xác định bởi công thức 15 và vận tốc có thể xác định từ công thức sau,

[19]

Giá trị trung bình của chiều rộng phần tử B[m] có thể tính toán như sau:

[20]

Chiều rộng bên trên B1[m] thể được tính toán như sau.

Diện tích bề mặt và thể tích của phần tử có thể được tính toán như sau:



Đề xuất giá trị hệ số manning cho trong bảng 2, n đặc trưng cho giá trị dòng chảy và chiều sâu (Gordon et al. 1992). Chiều sâu giảm trong chiều dòng chảy thấp, liên quan đến sự dao động thường xuyên được tăng lên. Giá trị của hệ số manning đã được công bố từ 0.015 của lòng sông nhẵn nhịu đến 0.15 các lòng sông gồ ghề nó miêu tả tình trạng dòng chảy có khả năng tạo thành bãi ngầm (Rosgen, 1996). Điều kiện tới hạn của độ sâu ước lượng chất lượng nước đại thể là kém hơn bãi ngầm sâu và nó liên quan đến tính chất gồ ghề của độ cao.

Table 2 The Manning roughness coefficient for various open channel surfaces (from Chow et al. 1988).

MATERIAL nMan-made channelsConcrete 0.012Gravel bottom with sides:

Concrete 0.020mortared stone 0.023Riprap 0.033

Natural stream channelsClean, straight 0.025-0.04Clean, winding and some weeds 0.03-0.05Weeds and pools, winding 0.05Mountain streams with boulders 0.04-0.10Heavy brush, timber 0.05-0.20

3.2.4 Thác nướcTrong phần 3.2.1 sự chảy của nước trên đập được tính toán, giá trị cần được tính toán tăng dần xảy ra trong một vài trường hợp. Thêm vào các đập , sự chảy xuống có thể hầu như xảy ra trong các thác nước. Chú ý thác nước chỉ có thể xảy ra tại điểm cuối của đoạn sông.

Hi+1

HiHd

elev2i

elev1i+1



Figure 13 A waterfall occurring at the boundary between two reaches.

Qual2k sẽ tính toán dòng chảy trong trường hợp độ cao so với mực nước biển rất dốc trong ranh giới giữa hai đoạn sông , công thức 7 dùng để tính toán sự hạ thấp dòng chảy. Chú ý sự hạ thấp này chỉ tính toán khi độ cao so với mực nước biển xuôi dòng kết thúc ở đoạn sông là lớn hơn điểm bắt đầu của đoạn sông xuôi dòng tiếp theo nghĩa là elev2i > elev1i+1.

3.3Travel Time (Thời gian di chuyển)Thời gian lưu của mỗi phần tử được tính toán như sau:

(1)

Trong đó k là thời gian lưu của phần tử thứ k [d]. Vk là thể tích của phần tử thứ k [m3], Ac,kxk, Ac,k diện tích mặt cắt ngang của phần tử thứ k[m2], xk là độ dài của phần tử thứ k[m]. Thời gian tích lũy để xác định thời gian di chuyển khắp chiều dài của mỗi đoạn sông, ví dụ thời gian di chuyển từ đầu nguồn đến cuối nguồn của phần tử thứ j trong một đoạn sông được tính toán như sau.

[22].

Trong đó tt,j là thời gian di động.

3.4 Phát tán dọc trụcHai lựa chọn được sử dụng để xác định sự phát tán dọc trục

một ranh giới giữa hai phần tử. Đầu tiên, người sử dụng chỉ đánh giá, giá trị nhập vào trên Reach Worksheet. Nếu người sử dụng không nhập giá trị, một công thức bên trong sẽ được dùng tính toán phát tán cơ bản tính chất thủy lực lòng sông (Fischer et al. 1979),

[23].

Phát tán dọc trục giữa phần tử i và phần tử i+1 [m2/s], Ui vận tốc [m/s], Bi chiều rộng [m], Hi giá trị trung bình chiều sâu [m]

và Ui* vận tốc cắt [m/s]. Nó cơ bản được tính như sau.



[24].

Trong đó g là gia tốc trọng trường [= 9.81 m/s2] và S là độ dốc lòng sông [không thứ nguyên].

Sau khi tính toán Ep,i, số các phát tán có thể tính như sau:

[25].

Độ phát tán của mô hình là Ei ( giá trị này sẽ được sử dụng tính toán trong mô hình).

Nếu En,i Ep,i, độ phát tán của mô hình, Ei Ep,i En,i. Nếu En,i > Ep,i, độ phát tán mô hình bằng 0.Trong một số trường hợp dưới đây, kết quả độ phát tán của

mô hình là lớn hơn độ phát tán vật lý. Như vậy, thì sự trộn lẫn phát tán sẽ cao hơn thực tế, Chú ý dòng sông chảy ổn định, tập trung độ dốc là không đáng kể. Nếu sự khác nhau là quan trọng, chỉ lựa chọn các phần tử có chiều dài nhỏ hơn số phát tán mô hình trở thành nhỏ hơn số phát tán vật lý.

4. Nhiệt độ của mô hình. Như hình 14, cân bằng nhiệt cần tính toán sự trao đổi nhiệt từ

các phần tử gần kề, tải xuống, dòng chảy ra, không khí và trầm tích. Một cân bằng nhiệt có thể được viết với phần tử i, như sau:

[26].Trong đó Ti nhiệt độ phần tử i, [0C], t thời gian [d], E’I hệ số

phát tán lớn giữa phần tử i và phần tử i+1 [m3/d], Wh,i mạng nhiệt từ các điểm nguồn và không phải điểm nguồn trong phần tử i[cal/d] w tỷ trọng của nước [g/m3], Cpw nhiệt dung riêng của nước [cal/(g oC)], Ja,i dòng chảy nhiệt giữa không khí và nước [cal/(cm2 d)], Js,i dòng chảy nhiệt giữa nước và trầm tích [cal/(cm2 d)].



iinflow outflow

dispersion dispersion

heat load heat withdrawal

atmospherictransfer

sediment-watertransfer

sediment

Figure 14 Heat balance for an element.Hệ số phát tán có thể tính toán như sau:

[27].

Chú ý hai loại điều kiện biên được sử dụng đến điểm cuối cùng của dòng chảy xuôi dòng của sông, (1) điều kiện phát tán và (2) điều kiện xuôi dòng chảy, cơ hội lựa chọn tạo ra trên Downstream Worksheet.

Mạng nhiệt từ nguồn được tính toán như sau (recall Eq. 2)

[28].

Tps,i,j là nhiệt độ của điểm nguồn thứ j đối với phần tử i[0C] và Tnps,i,j là nhiệt độ của điểm không phải điểm nguồn đối với phần tử i[0C].

4.1 Dòng nhiệt bề mặtNhư được miêu tả ở hình 15, sự thay đổi nhiệt độ bề mặt là

một mô hình như là một sự kết hợp 5 quá trình.[29].

I(0) là bức xạ mặt trời sóng ngắn trong bề mặt nước, Jan là bức xạ sóng dài trong không khí, Jbr phản xạ sóng dài từ nước, Jc là độ dẫn điện, và Je là sự bốc hơi.

Tất cả các dòng chảy đều biểu diễn bằng cal/cm2/d.



air-waterinterface

solarshortwaveradiation

atmosphericlongwaveradiation

waterlongwaveradiation

conductionand

convection

evaporationand

condensation

radiation terms non-radiation terms

net absorbed radiation water-dependent terms

Figure 15 The components of surface heat exchange.

4.1.1 Bức xạ mặt trời.Mô hình tính toán số lượng lớn các bức xạ mặt trời vào nước

tại một đường vĩ độ (Lat) và kinh độ (Llm) đặc biệt trên bè mặt trái đất.

Số lượng là một công thức của bức xạ ở tầng trên của khí quyển trái đất, cái mà sự vận chuyển không khí là rất yếu, không khí rất loãng, mây bao phủ, sự phản xạ, bóng tối.

[30].Trong đó I(0) là bức xạ mặt trời trong bề mặt nước [cal/cm2/d],

I0 bức xạ ngoài khí quyển ( tầng trên của khí quyển trái đất), [cal/cm2/d], at không khí loãng, ac mây mỏng, Rs suất phản chiếu (phản xạ nhỏ), Sf hệ số hiệu quả bóng tối ( trơt ngại nhỏ của sinh vật

Phần 2 Tổng quan về lưu vực sông Nhuệ - Đáy1. Giới thiệu chungLưu vực sông chính là phần bề mặt, bao gồm cả độ dày tầng

thổ nhưỡng, tập trung nước vào sông. Lưu vực sông thực ra gồm phần tập trung nước mặt và tập trung nước dưới đất. Việc xác định phần tập trung nước dưới đất là rất khó khăn, bởi vậy trong chừng mực nhất định đối với một dòng sông cụ thể, có thể xem như lưu vực tập trung nước mặt và nước dưới đất là trùng nhau và không mắc phải sai số lớn.



Lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy nằm ở hữu ngạn sông Hồng với diện tích tự nhiên 7665 km2, dân số đến năm 2000 là 8.209,2 nghìn người. Lưu vực bao gồm một phần Thủ đô Hà Nội, 1 thành phố, 47 thị xã, thị trấn, 44 quận huyện và hơn 990 xã, phường. Lưu vực có toạ độ địa lý từ 200 - 21020' vĩ độ Bắc và 1050 - 106030' kinh độ Đông, bao gồm các tỉnh sau: Hoà Bình, Hà Nội, Hà Tây, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình.

Sông nhuệ chảy qua nhiều tỉnh với chiều dài 74 km, rộng trung bình là 30 – 40 m và các nhánh lớn khác chảy ngang qua trục chính như tô lịch, lương, đồng bồng, cầu ngà … hai sông nhuệ đáy cung cấp nước tưới cho nhiều khu vực đồng bằng bắc bộ. Theo đại diện tỉnh Nam Định, cả mùa hè và mùa đông nước sông Đáy đều bị ô nhiễm hữu cơ và vi sinh, đã xuất hiện dư lượng thuốc bảo vệ thực vật và dầu mỡ.

Sông Đáy nguyên là một phân lưu lớn của sông Hồng, có chiều dài khoảng 247 km, bắt đầu từ cửa Hát Môn cho đến cửa Đáy trước khi đổ ra biển Đông. Do ảnh hưởng của đập Đáy nên đoạn thượng nguồn (từ sau đập Đáy đến Ba Thá dài 71 km) của sông Đáy gần như là một sông chết. Lượng nước chủ yếu cung cấp cho sông Đáy lấy từ các sông nhánh đổ vào, trong đó quan trọng nhất là sông Tích, sông Bôi, sông Đào và sông Nhuệ.

2.Các số liệu cần thiết để phục vụ cho việc mô phỏngĐể có thể mô phỏng mô hình chất lượng nước sông cũng như

đưa các biện pháp quản lý môi trường hữu hiệu cần phải có những số liệu, các dữ liệu cần thiết phục vụ cho việc mô phỏng.

Số liệu thủy lực bao gồm số liệu địa hình và thủy văn

Số liệu phát tán ô nhiễm bao gồm các thông số gây ô nhiễm cảu các nhà máy và khu dân cư.

Về địa hình, thủy văn của lưu vực:

Nằm trải dài theo phương vĩ tuyến từ Hà Tây đến Nam Định lại chịu ảnh hưởng hưởng của nhiều đới cấu trúc địa chất khác nhau khiến cho địa hình khu vực nghiên cứu có sự phân hóa rõ nét theo hướng Tây Đông – Bắc Nam. Xét về mặt cấu trúc ngang



đi từ tây sang đông có thể chia địa hình nghiên cứu thành các vùng chính như sau:

Vùng đồi núi:Địa hình núi phân bố ở phía tây và tây nam và chiếm khoảng

30% diện tích, có hướng thấp dần từ ĐB xuống TN ra biển và thấp dần từ Tây sang Đông. Phần lớn là các dãy núi thấp có độ cao trung bình 400 - 600m được cấu tạo bởi các đá trầm tích lục nguyên, cacbonat; chỉ một vài khối núi có độ cao trên 1.000m được cấu tạo bởi đá trầm tích phun trào như khối núi Ba Vì có đỉnh cao 1.296m, khối núi Viên Nam có đỉnh cao 1.031m và cấu tạo bởi đá xâm nhập granit như khối núi Đồi Thơi (Kim Bôi - Hoà Bình) có đỉnh cao 1.198m. Địa hình núi trong khu vực cũng có sự phân dị và mang những đặc trưng hình thái khác nhau.

Địa hình đồi được tách ra với địa hình núi và đồng bằng bởi độ chênh cao <100m, độ phân cắt sâu từ 15 - 100m. Trong phạm vi lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy, địa hình đồi chỉ chiếm khoảng 10% diện tích có độ cao phần lớn dưới 200m, phân bố chuyển tiếp từ vùng núi xuồng đồng bằng. Theo đặc điểm hình thái, có thể chia thành 2 khu vực: Vùng đồi phía Bắc và vùng đồi phía Nam.

Vùng đồng bằng:

Diện tích vùng đồng bằng chiếm khoảng 60% lãnh thổ, địa hình khá bằng phẳng độ cao < 20m thấp dần từ tây sang đông, từ tây bắc xuống đông nam. Bề mặt đồng bằng lại chia cắt bởi hệ thống sông và kênh mương chằng chịt.

Hướng chảy của sông Nhuệ - Đáy luôn thay đổi: Thượng nguồn hướng Bắc-Nam; trung lưu và hạ lưu: hướng Tây Bắc-Đông Nam.

Thượng lưu sông Nhuệ - Đáy uốn khúc quanh co, hẹp và dốc, nhiều thác ghềnh, nước chảy xiết là nguy cơ tạo ra các hiện tượng xói lở, lũ quét... Bên cạnh đó, vùng này còn chịu tác động mạnh do hoạt động khai khoáng gây biến đổi địa hình, tạo ra các nguồn thải gây ô nhiễm môi trường cho các vùng ở hạ lưu. Trung lưu và



hạ lưu lòng sông được mở rộng, dòng sông chảy chậm hạn chế khả năng tự làm sạch của nước sông nếu tình trạng ô nhiễm nước sông không được cải thiện.

Số liệu Tải lượng ô nhiễm trên sông Nhuệ - Đáy.

Sông Nhuệ là con sông mẹ, tiếp nhận 500.000m3 nước thải mỗi ngày từ bốn con sông thoát nước của Hà Nội: Tô Lịch, Kim



Ngưu, Lừ, Sét (qua đập Thanh Liệt, Thanh Trì, Hà Nội). Kết quả giám định của Viện Quy hoạch thủy lợi, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn cho thấy, tại cầu Tó, nơi nhận nước thải lớn nhất tại sông Tô Lịch, hàm lượng các chất hóa học đều vượt giới hạn B (giới hạn độc hại của tiêu chuẩn 5942 - tiêu chuẩn dùng để đánh giá mức độ ô nhiễm của một nguồn nước mặt) nhiều lần. Lượng NO2 có lúc đạt 0,508 mg/lít (vượt giới hạn B 10 lần); lượng NH4+ là 2,005 mg/l (gấp đôi giới hạn B); lượng Coliform, loại vi khuẩn có trong phân từ 110.000 - đến 330.000 mpn/100 ml (vượt quá giới hạn B 33 lần).

Ở sông Đáy, mức độ ô nhiễm mang tính cục bộ, trong đó nặng nề nhất là đoạn cầu Hồng Phú (Phủ Lý, Hà Nam - hợp lưu của sông Nhuệ, Đáy và sông Châu Giang). Tại đây, nước sông bị ô nhiễm hữu cơ cao. Các thông số như BOD5, COD, các hợp chất Nitơ và Coliform đều không đạt TCCP. Tình trạng này diễn ra tương tự tại đoạn hợp lưu của sông Hoàng Long đổ vào sông Đáy (cầu Gián Khẩu - Gia Viễn - Ninh Bình) và xu hướng ô nhiễm ngày một gia tăng với lượng nước thải được dự báo tăng 1,2 lần ở Hà Nội và 1,9 lần ở Hà Tây trong vòng 3 năm nữa.

Bảng 1. Nồng độ Oxy hòa tan DO (mg/l) và nhu cầu ôxy sinh hoá BOD (mg/l) tại các điểm quan trắc trên sông Nhuệ tháng 11/2005

TrạmLiên Mạc

Phúc La Cự ĐàĐồng Quan

Cống Thần

Đò Kiều

DO 6.3 1.64 0.99 1.77 1.4 1.26BOD 22 82 95 85 75 80

Bảng 2. Nồng độ Oxy hòa tan DO (mg/l) và nhu cầu ôxy sinh hoá BOD (mg/l) tại các điểm quan trắc trên sông Đáy tháng 11/2005

TrạmBa

TháTế

TiêuCầu Quế

Hồng Phú

Trung Hiếu Hạ

Khánh Phú

Độc Bộ

Đò Mười

DO 3.76 1.37 1.43 0.92 1.6 4.22 4.27 4.64BOD 35 40 35 45 35 35 30 30

Phần 3 Kết LuậnVấn đề quản lý lưu vực sông đang là vấn đề rất phức tạp, trên

đây chỉ là các thông số quan trắc thực tế đưa ra, để kiểm chứng



mô hình cần có các số liệu đầy đủ mới cho thấy được sự sai lệch là không đáng kể qua đó cho các nhà quyết định, quản lý có cách giải quyết vấn đề này.

Bản báo cáo này còn nhiều thiếu sót, chưa có số liệu đầy đủ và lý thuyết mô hình chưa đầy đủ, phần quá trình xử lý dữ liệu, kiểm chứng mô hình vẫn chưa nghiên cứu, hy vọng trong phần luận văn sẽ trình bày đầy đủ, xin chân thành cám ơn thầy Trịnh Thành đã giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình hoàn thành báo cáo này.



Mục LụcPhần 1 Cơ sở lý thuyết của mô hình QUAl2K…………11. Giới thiệu……………………………………………...12. Tính chất thủy lực của đoạn sông……………………..23.1 Cân bằng dòng chảy…………………………………..43.2 tính chất thủy lực……………………………………...63.2.1 Đập nước……………………………………………63.2.2 Hệ số đường cong…………………………………..73.2.3 Công thức manning…………………………………83.2.4 Thác nước…………………………………………..10Phần 2 Tổng quan về lưu vực sông……………………….101. Giới thiệu chung……………………………………….102.Các số liệu cần thiết để phục vụ cho việc mô phỏng……11Phần 3 Kết luận……………………………………………15


Documents

Phần 1 Cơ sở lý thuyết của mô hình QUAl2K