Đề tài tốt nghiệp: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

Trang 1 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp em xin cảm ơn sự hƣớng dẫn

nhiệt tình của thầy giáo Phạm Phú Song Toàn là giảng viên chuyên ngành môi

trƣờng khoa công nghệ hóa học.

Cảm ơn các thầy cô trong khoa Công nghệ hóa học, trƣờng cao đẳng Công

Nghệ, thành phố Đà Nẵng đã tận tình chỉ dậy trong suốt quá trình học tập.

Mặc dù đã rất cố gắn nhƣng trong quá trình thực hiện đồ án còn nhiều bỡ

ngỡ, do chƣa có nhiều kinh nghiệm nên không tránh khỏi những sai sót. Vì vậy, em

rất mong nhận đƣợc sự góp ý của các thầy, cô giáo.

Em xin chân thành cảm ơn!

Đà Nẵng tháng 06 năm 2011

Sinh viên thực hiện

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

Đoàn Ngọc Tùng

Trang 2 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

MỤC LỤC

PHẦN I. MỞ ĐẦU ................................................................................................. 6

CHƢƠNG 1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN ....................................................... 7

PHẦN II. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƢỜNG ......................... 7

1.1. Các định nghĩa và khái niệm cơ bản .......................................................... 7

1.1.1. Định nghĩa mô hình............................................................................. 7

1.1.2. Mục tiêu thành lập mô hình: ................................................................ 8

1.1.3. Đặc trƣng cơ bản của một mô hình: ..................................................... 9

1.2. Mô hình môi trƣờng................................................................................. 12

CHƢƠNG 2. PHÂN LOẠI VÀ TIẾN TRÌNH MÔ HÌNH .............................. 13

2.1. Phân loại mô hình .................................................................................... 13

2.1.1. Mục đích phân loại mô hình .............................................................. 13

2.1.2. Các nhóm mô hình ............................................................................ 13

2.2. Tiến trình vận hành mô hình .................................................................... 14

2.2.1. Thu thập dữ liệu ................................................................................ 15

2.2.2. Mô hình khái niệm ............................................................................ 15

2.2.3. Mô hình giải tích hoặc mô hình số .................................................... 16

2.2.4 Hiệu chỉnh mô hình ............................................................................ 16

2.2.5. Kiểm nghiệm mô hình ....................................................................... 17

2.2.6. Tiên đoán hoặc tối ƣu ........................................................................ 17

2.3. Tiêu chuẩn chọn lựa mô hình ................................................................... 18

2.3.1. Khái niệm ......................................................................................... 18

2.3.2. Mô hình "tốt nhất"............................................................................. 19

2.3.3. Chọn mô hình theo cấu trúc và giá trị vào/ra ..................................... 19

2.3.4. Chọn mô hình theo vấn đề thực tế ..................................................... 20

2.3.5. Đánh giá lại việc chọn lựa ................................................................. 22

CHƢƠNG 3. HIỆU CHỈNH CÁC THÔNG SỐ MÔ HÌNH ............................ 23

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

3.1. Khái quát vấn đề ...................................................................................... 23

Trang 3 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

3.2. Các bƣớc trong tiến trình hiệu chỉnh ........................................................ 25

3.2.1. Bƣớc xác định thông tin quan trọng................................................... 26

3.2.2. Bƣớc chọn tiêu chuẩn mô hình .......................................................... 26

3.2.3. Bƣớc hiệu chỉnh mô hình .................................................................. 27

CHƢƠNG 4. THỂ HIỆN MÔ HÌNH ............................................................... 29

4.1. Kiểm nghiệm và định trị mô hình ............................................................ 29

4.2. Nghiên cứu kiểm nghiệm ......................................................................... 29

4.2.1. Mục tiêu ........................................................................................... 29

4.2.2. Hàm mục tiêu .................................................................................... 30

4.2.3. Các trị số thống kê dùng cho kiểm nghiệm ........................................ 30

4.3. Vấn đề kiểm nghiệm mô hình .................................................................. 35

4.3.1. Các vấn đề thƣờng gặp ...................................................................... 35

4.3.2. Hậu kiểm việc phê chuẩn và kiểm nghiệm mô hình ........................... 36

CHƢƠNG 5. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƢỜNG ....................... 37

5.1. Sơ đồ phát triển và ứng dụng mô hình ..................................................... 37

5.2. Xu thế phát triển mô hình hóa môi trƣờng theo quy mô không gian ......... 37

PHẦ N III. MÔ HÌNH HÓA CHẤT LƢỢNG NƢỚC VÀ ỨNG DỤNG MÔ

HÌNH HÓA CHẤT LƢỢNG NƢỚC .................................................................. 39

CHƢƠNG 6. CHẤT LƢỢNG NƢỚC VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG

NGUỒN NƢỚC................................................................................................ 39

6.1. Nguồn nuớc và phân loại nguồn nƣớc ...................................................... 39

6.1.1. Sự hình thành chất lƣợng và thành phần tính chất nguồn nƣớc .......... 39

6.1.2. Phân loại nguồn nƣớc ........................................................................ 42

6.2. Chất lƣợng nguồn nƣớc và đánh giá chất lƣợng nguồn nƣớc .................... 42

6.2.1. Chất lƣợng nguồn nƣớc ..................................................................... 42

6.2.2. Đánh giá chất lƣợng nguồn nƣớc ....................................................... 43

6.3. Các nguồn gây ô nhiễm môi trƣờng nƣớc ................................................ 49

6.3.1. Nƣớc thải sinh hoạt từ các khu dân cƣ ............................................... 49

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

6.3.2. Nƣớc thải công nghiệp ...................................................................... 51

Trang 4 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

6.3.3. Nƣớc mƣa chảy tràn .......................................................................... 52

6.3.4. Các hoạt động từ tàu thuyền .............................................................. 52

6.3.5. Các nguyên nhân khác ...................................................................... 52

CHƢƠNG 7. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MÔ HÌNH CHẤT LƢỢNG NƢỚC

.......................................................................................................................... 53

7.1. Các phƣơng trình cơ bản .......................................................................... 53

7.2. Hệ số khuếch tán rối ................................................................................ 54

7.3. Sự chuyển hoá các chất trong dòng chảy ................................................. 58

7.3.1. Chu trình nitơ trong nguồn nƣớc và quá trình nitrat hóa .................... 58

7.3.2. Sự phân hủy các chất hữu cơ ............................................................. 61

7.3.3. Cân bằng oxy trong dòng chảy .......................................................... 64

CHƢƠNG 8. THIẾT LẬP MÔ HÌNH CHẤT LƢỢNG NƢỚC, MÔ HÌNH

DO&BOD ......................................................................................................... 67

8.1. Các bƣớc thực hiện xây dựng mô hình chất lƣợng nƣớc .......................... 67

8.1.1. Bƣớc đầu ........................................................................................... 67

8.1.2. Bƣớc tiếp theo ................................................................................... 67

8.2. Lựa chọn mô hình chất lƣợng nƣớc ......................................................... 68

8.2.1. Lựa chọn mô hình ............................................................................. 68

8.2.2. Sự phát triển lý thuyết của vấn đề...................................................... 70

8.3. Các phƣơng pháp số tính toán sự lan truyền các chất ô nhiễm trong dòng

chảy................................................................................................................ 70

8.3.1. Các phƣơng pháp số trong nghiên cứu mô hình thủy lực ................... 70

8.3.2. Phƣơng pháp số giải bài toán lan truyền chất..................................... 72

8.4. Các mô hình BOD & D (DO) trong dòng chảy ........................................ 73

8.4.1. Phƣơng trình cơ bản .......................................................................... 73

8.4.2. Phƣơng trình cổ điển Streeter-Phelps ................................................ 74

8.4.3. Các nghiên cứu phát triển trên cơ sở phƣơng trình Streeter-Phelps .... 75

CHƢƠNG 9. XÂY DỰNG MÔ HÌNH LAN TRUYỀN VÀ CHUYỂN HÓA

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG DÒNG CHẢY ............................................ 79

Trang 5 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

9.1. Phƣơng trình sự lan truyền chất trong dòng chảy ..................................... 79

9.2. Tính toán sự lan truyền các chất ô nhiễm trong dòng chảy sông............... 81

9.2.1. Các phƣơng trình toán của mô hình ................................................... 82

9.2.2.Tính toán sự lan truyền chất trong dòng chảy ..................................... 83

9.3. Trình tự thiết lập mô hình chất lƣợng nƣớc .............................................. 86

CHƢƠNG 10. GIỚI THIỆU CÁC PHẦN MỀM MÔ PHỎNG CHẤT

LƢỢNG NGUỒN NƢỚC. MÔ HÌNH QUAL 2K ........................................... 88

10.1. Mô hình HSPF (Hydrological Simulation Program Fortran (USEPA)

(1984)............................................................................................................. 88

10.2. Mô hình SWMM (Storm Water Management Model ) ........................... 89

10.3. Mô hình WAPS (USEPA) ..................................................................... 93

10.4. Hệ thống MIKE ..................................................................................... 96

10.5. Mô hình WQRRS (Water quality for River ) ......................................... 98

10.6. Mô hình QUAL2K (QUAL2E) .............................................................. 99

10.6.1 Giới thiệu ......................................................................................... 99

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

10.6.2. Sự chia ra từng đoạn và tính chất thủy lực ..................................... 100

Trang 6 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Hiện nay, ô nhiễm môi trƣờng đang là vấn đề báo động song hành với sự

PHẦN I. MỞ ĐẦU

phát triển kinh tế xã hội, đặc biệt tại các quốc gia đang phát triển. Tại nhiều nơi,

chất lƣợng nƣớc, đất, không khí suy giảm nhanh chóng vƣợt qua khả năng tự làm

sạch của tự nhiên. Là sinh viên ngành công nghệ kỹ thuật môi trƣờng, em luôn

mong ƣớc đƣợc góp một chút sức lực làm cho môi trƣờng sống ngày càng trong

sạch, hạn chế đƣợc mức độ ô nhiễm, hành tinh của chúng ta ngày càng xanh đẹp

hơn.

Qua 3 năm học tập và nghiên cứu tại Trƣờng cao đẳng Công nghệ Đà Nẵng,

em đã đƣợc các thầy, cô truyền đạt cho những kiến thức cả về lý thuyết và thực

hành, để chúng em áp dụng những kiến thức đó vào thực tế và làm quen công việc

độc lập của ngƣời kỹ sƣ trong tƣơng lai, chính vì lý do đó mà em đã đƣợc nhận đề

tài tốt nghiệp rất thực tế đó là: "Tìm hiểu về mô hình hóa chất lƣợng nƣớc".

Mục tiêu của đề tài:

Tìm hiểu về mô hình hóa chất lƣợng môi trƣờng nƣớc. Mô hình hóa môi

trƣờng nói chung và mô hình hóa chất lƣợng môi trƣờng nƣớc.

 Nhiệm vụ:

Thu thập thông tin từ giáo trình, sách báo và mạng internet và các nguồn

khác. Nghiên cứu về mô hình hóa môi trƣờng và đi sâu vào mô hình xác định chất

lƣợng nƣớc.

 Ý nghĩa thực tế và các vấn đề liên quan:

Việc ứng dụng mô hình hóa vào lĩnh vực môi trƣờng là hết sức ý nghĩa.

Nghiên cứu đề tài này giúp em hiểu sâu hơn về phƣơng pháp đánh giá và dự đoán

xu hƣớng ô nhiễm môi trƣờng. Bên cạnh đó đề tài này còn liên quan đến một số lĩnh

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

vực khác nhƣ: biến đổi khí hậu toàn cầu, mô hình hóa chất lƣợng không khí…

Trang 7 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

PHẦN II. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƢỜNG

CHƢƠNG 1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.1. Các định nghĩa và khái niệm cơ bản

1.1.1. Định nghĩa mô hình

• Mô hình là một cấu trúc mô tả hình ảnh đã đƣợc tối giản hóa theo đặc điểm

hoặc diễn biến của một đối tƣợng, một hiện tƣợng, một khái niệm hoặc một hệ

thống.

• Mô hình có thể là một hình ảnh hoặc một vật thể đƣợc thu nhỏ hoặc phóng

đại, hoặc chỉ làm gọn bằng một phƣơng trình toán học, một công thức vật lý, một

phần mềm tin học để mô tả một hiện trạng thực tế mang tính điển hình.

• Mô hình hoá là một khoa học về cách mô phỏng, giản lƣợc các thông số

thực tế nhƣng vẫn diễn tả đƣợc tính chất của từng thành phần trong mô hình. Mô

hình không hoàn toàn là một vật thể hiện thực nhƣng nó giúp cho chúng ta.

hiểu rõ hơn hệ thống thực tế.

• Mô hình hóa môi trƣờng là ngành khoa học mô phỏng hiện tƣợng lan truyền

chất ô nhiễm và các dự báo thay đổi môi trƣờng theo không gian và thời gian.

Ví dụ 1.1: Để thể hiện sự thay đổi lƣợng nƣớc trong một hồ chứa ngƣời ta đƣa ra

hình ảnh nhƣ hình 1.2. Biết kích thƣớc hình học của hồ chứa, lƣu lƣợng vào, lƣu

lƣợng ra, chúng ta có thể xác định dao động mực nƣớc trong hồ.

Hình 1.1. Mô hình thể hiện sự thay đổi khối lƣợng nƣớc trong hồ chứa

Ví dụ : Nhà khoa học Meadown và các cộng sự (1972) đã tìm đƣợc mối quan hệ

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

giữa sự gia tăng dân số, việc sản xuất lƣơng thực, sản xuất công nghiệp, nguồn tài

Trang 8 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

nguyên và mức độ ô nhiễm đều có những quan hệ với nhau. Nhóm nghiên cứu đã

đƣa ra mô hình dự báo thế giới nhƣ hình 1.3.

Hình 1.2. Mô hình dự báo tình hình thế giới đến năm 2100

1.1.2. Mục tiêu thành lập mô hình

Diễn biến mô trƣờng rất phức tạp trong thực tế và liên quan đến nhiều lĩnh

vực khoa học khác (hình 1.3). Do nhu cầu hiểu rõ hơn bản chất tự nhiên của sự việc

trong thực tế, các nhà khoa học mới tìm cách đơn giản hóa nhƣng vấn đề phức tạp ở

mức có thể làm đƣợc nhƣng không quá xa rời thực tế để có cơ sở giải thuật tìm

hƣớng ra của vấn đề và tính toán những khả năng xảy ra trong tƣơng lai.

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

Hình 1.3. Đƣờng đi của các chất gây ô nhiễm trong vòng tuần hoàn nƣớc

Trang 9 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Có 3 mục tiêu khi thực hiện một mô hình:

• Tạo cơ sở lý luận:

- Mô hình giúp ta dễ diễn tả hình ảnh sự kiện hoặc hệ thống;

- Mô hình mang tính đại diện các đặc điểm cơ bản nhất của sự thể;

- Mô hình giúp ta cơ sở đánh giá tính biến động một cách logic khi có tác

động bên ngoài vào hoặc từ trong ra.

• Tiết kiệm chi phí và nhân lực:

- Mô hình giúp ta thêm số liệu cần thiết;

- Mô hình giúp giảm chi phí lấy mẫu;

- Mô hình có thể đƣợc thử nghiệm với các thay đổi theo ý muốn.

1.1.3. Đặc trƣng cơ bản của một mô hình

Một cách tổng quát, tất cả các mô hình phải có 3 thành tố chính nhƣ hình 1.5:

Hình 1.4. Ba thành tố chính của một mô hình

• Thông tin vào: bao gồm các dạng cơ sở dữ liệu đƣa vào để mô hình xử lý

• Tiến trình xử lý thông tin: bao gồm quá trình tiếp nhận dữ liệu vào, tính toán,

phân tích, đánh giá và xuất dữ liệu.

• Thông tin ra: thể hiện ở dạng đồ thị, biểu bảng, báo cáo đánh giá kết quả.

Trong điều kiện chƣa thể giải quyết toàn bộ bài toán phức tạp của tự nhiên, ngƣời ta

có thể chia hiện tƣợng thực tế thành các mảng đề tài khác nhau và mỗi phần chia

đƣợc xem nhƣ một bài toán riêng rẽ và có mô hình tƣơng ứng của nó. Ví dụ chúng

ta có thể chia các diễn biến dòng chảy quá trình trong một chu trình nƣớc thành

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

từng đề tài nhỏ hơn nhƣ hình 1.6.

Trang 10 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Hình 1.5: Chia vấn đề lớn thành từng vấn đề riêng rẽ

Một mô hình cần thể hiện các đặc trƣng sau:

- Mô hình cần đƣợc tối giản với một số giả định đặt ra

- Điều kiện biên hoặc điều kiện ban đầu cần định danh;

- Mức độ khả năng ứng dụng của mô hình có thể xác lập đƣợc.

Mô hình thƣờng áp dụng theo kiểu khung khái quát theo ngành khoa học tính

toán, mang tên là 3A, viết tắt từ 3 chữ Application (ứng dụng), Algorithm (thuật

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

toán), và Architecture (kiến trúc) theo hình vẽ 1.7 sau:

Trang 11 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Hình 1.6: Khái quát mô hình theo khoa học tính toán

Ba phần cơ bản của mô hình là:

1. Ứng dụng mô hình (Application of a model):

Mục tiêu của việc sử dụng mô hình là chỉ ra việc ứng dụng của nó. Xác định

phạm vi ứng dụng nói lên tầm quan trọng của mô hình trong thực tiễn. Ví dụ ứng

dụng mô hình giúp ta xác định thông tin có bao nhiêu đạm ammona chuyển thành

đạm nitrogen trong không khí, hoặc có bao nhiều lƣợng nƣớc chảy tràn trên mặt đất

sau một trận mƣa bão. Nói cách khác, ứng dụng mô hình giúp ta trả lời câu hỏi: Đây

là những gì ta muốn mô phỏng, bây giờ ta sẽ làm việc mô phỏng đó bằng cách nào?

2. Thuật toán mô hình (Algorithm of a model):

Thuật toán mô hình cho ta biết cách tiếp cận kỹ thuật tính toán hay phƣơng

pháp tính, liên quan đến các phƣơng trình, các thông số mà chúng ta muốn đƣa vào

chƣơng trình máy tính.

3. Kiến trúc mô hình (Architecture of a model):

Kiến trúc hay cấu trúc mô hình xác định kiểu hình nào mà mô hình sẽ sử

dụng, loại máy tính nào, chƣơng trình nào sẽ đƣợc sử dụng các thông tin để xử lý.

Việc áp dụng mô hình toán học giúp giải quyết các khó khăn trong thực tế

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

nhƣ:

Trang 12 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

• Sự kiện xảy ra quá nhanh (nhƣ các phản ứng phân tử trong hóa học);

• Sự kiện xảy ra quá chậm (nhƣ sự phát triển động học dân số hoặc quần

thể);

• Các thực nghiệm đắt tiền khi làm ở phòng thí nghiệm (nhƣ mô hình hầm

gió);

• Các thực nghiệm rất nguy hiểm (thực nghiệm vụ nổ nguyên tử).

1.2. Mô hình môi trƣờng

- Mô hình hóa môi trƣờng là ngành khoa học cung cấp các công cụ ở dạng

hình ảnh, sơ đồ, biểu đồ, phần mềm, hay sa bàn, … để chuyển các hiểu biết từ các

đo đạc thực tế của một khu vực nghiên cứu thành các lý giải cần thiết cho nhu cầu

thông tin và tiên đoán diễn biến của môi trƣờng – sinh thái.

- Mô hình môi trƣờng là một mô tả đơn giản cho các quan hệ phức tạp về môi

trƣờng sinh thái ở ngoài thực tế nhƣng vẫn có thể cho các kết quả chính xác ở

mức độ chấp nhận đƣợc.

- Một mô hình môi trƣờng phải cung cấp một đại lƣợng dữ liệu thể hiện theo

sự thay đổi thời gian qua:

+ Sự quan sát (observation);

+ Sự phân tích (analysis);

+ Sự tiên đoán (prediction).

- Một mô hình môi trƣờng có thể là một giao tiếp giữa dữ liệu và tạo quyết

định. Mô hình tạo ra các thông tin từ dữ liệu quan trắc và cải tiến kiến thức giúp cho

việc ra quyết định liên quan đến việc quy hoạch, thiết kế, vận hành và quản lý.

- Một mô hình môi trƣờng thƣờng kết hợp các định luật và phƣơng trình sau:

• Định luật vật lý (nhƣ định luật Darcy, định luật bảo toàn khối lƣợng, …)

• Phƣơng trình toán học quan hệ (nhƣ phƣơng trình Penmen về bốc thoát

hơi, phƣơng trình cân bằng nƣớc)

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

• Các quan hệ thực nghiệm (nhƣ các công thức kinh nghiệm, …)

Trang 13 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

CHƢƠNG 2. PHÂN LOẠI VÀ TIẾN TRÌNH MÔ HÌNH

2.1. Phân loại mô hình

2.1.1. Mục đích phân loại mô hình

Có nhiều cách phân loại mô hình môi trƣờng, việc phân loại có thể dựa vào

đặc điểm tính toán, cách mô phỏng, phƣơng pháp vận hành, phép so sánh hoặc dựa

vào giả định. Việc phân loại mô hình nhằm:

- Thể hiện ý tƣởng kiểu mô phỏng nào đƣợc sử dụng

- Trình bày phƣơng pháp và mức độ toán học ứng dụng

- Biểu hiện dạng xuất kết quả của mô hình

- Đề xuất loại dữ liệu nào cần đƣa vào để có thông tin

- Định danh thành phần nào trong hệ thống cần mô phỏng

2.1.2. Các nhóm mô hình

Một mô hình có thể có các tên gọi khác nhau, tùy theo tác giả, nhƣ là:

- Mô hình vật lý (physical model)

- Mô hình toán học (mathematical model)

- Mô hình số (numerical model)

- Mô hình giải tích (analysis model)

- Mô hình xác định (deterministic model)

- Mô hình khái niệm (conceptual model)

- Mô hình ngẫu nhiên (stochatic model)

- Mô hình tham số (parametric model)

- Mô hình ổn định (steady-state model)

- Mô hình bất ổn định (unsteady-state model)

- Mô hình dựa vào các giả định sinh hóa (biochemical assumption model)

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

- Mô hình đánh giá tác động (impact assessment model)

Trang 14 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

- Mô hình dự báo (forecast model)

- v.v….

Một mô hình có thể phân loại theo quy mô ứng dụng:

• Theo không gian (spatial): ở một vùng nhỏ hay một khu vực lớn.

• Theo thời gian (temporal): ngắn hạn hay dài hạn

• Theo giá trị mô hình (model validity): cho giới hạn độ chính xác của mô

hình

• Theo giá trị của dữ liệu (data validity): tùy theo mức độ và quy mô thu thập

dữ liệu (ví dụ lấy mẫu theo một điểm đo cục bộ, hay lấy nhiều mẫu trong một khu

vực lớn).

2.2. Tiến trình vận hành mô hình

Tất cả các phần mềm mô hình thƣờng đƣợc vận hành và thử nghiệm theo một

tiến trình tổng quát nhƣ hình 2.1 sau:

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

Hình 2.1. Tiến trình của một mô hình

Trang 15 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

2.2.1. Thu thập dữ liệu

Tất cả các mô hình muốn vận hành đƣợc đều phải có nguồn dữ liệu ban đầu

và các điều kiện cần thiết (điều kiện biên và điều kiện ban đầu). Các dữ liệu thƣờng

bao gồm số liệu địa hình (cao độ, độ dốc,…) , các kích thƣớc lƣu vực cần tính toán

(chiều dài, chiều rộng, diện tích,…) , các diễn biến về khí tƣợng (mƣa, bốc hơi, bức

xạ, vận tốc và hƣớng gió,…), nguồn ô nhiễm (nhà máy, khu dân cƣ, ruộng vƣờn,

hầm mỏ, khu công nghiệp…), các biến số môi trƣờng (pH, nhiệt độ, độ mặn, độ

đục, nhu cầu oxy sinh hóa, các chất phú dƣỡng, vi khuẩn,…), các thông số liên

quan, … tƣơng ứng với chuỗi thời gian xuất hiện hoặc không gian xuất phát.

2.2.2. Mô hình khái niệm

Mô hình khái niệm là một dạng ý tƣởng hoá nhằm tối giản những yếu tố phức

tạp ngoài thực tế ở dạng một lƣu đồ hoặc sơ đồ. Trong đó các mũi tên đƣợc sử dụng

để chỉ các mối quan hệ hoặc chiều hƣớng diễn biến. Các lời ghi chú bên các hình

ảnh để thuyết minh thêm tính chất của sự vật hoặc quá trình hoặc các thông số của

mô hình. Hình 2.6 là một ví dụ về mô hình khái niệm của Beater (1989) để diễn tả

chuyển vận của nƣớc trong mô hình quan hệ mƣa – dòng chảy.

Trong mô hình khái niệm phải bắt đầu từ các dữ liệu nhập vào, các diễn biến

bên trong mô hình và các thông tin xuất ra từ mô hình. Một hình khái niệm phải thể

hiện tính đơn giản để tạo cho những ngƣời không phải là chuyên gia về mô hình có

thể hiểu mục tiêu của bài toán mô hình.

Một số ƣu điểm, thế mạnh và tính hữu hiệu của mô hình khái niệm:

• Mô hình khái niệm có thể đƣợc hình thành mặc dầu ngƣời tạo ra nó có thể

chƣa hiểu hết tất cả các hiện tƣợng phức tạp trong thực tế.

• Có thể đơn giản hóa tính bất nhất của các thông số thành tính đồng nhất.

• Có thể giảm thiểu đƣợc số liệu yêu cầu.

• Dễ dàng cho ngƣời xem hiểu cách thu thập số liệu, thông tin sử dụng một

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

cách nhanh chóng và ít tốn kém.

Trang 16 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

• Mô hình khái niệm là một công cụ kỹ thuật cho các lập trình viên hiểu vấn đề phải

giải quyết mà không cần phải là một chuyên gia môi trƣờng.

• Mô hình khái niệm tạo thuận lợi cho việc diễn giải trong thuyết minh, biểu

bảng, đề thị.

Hình 2.2. Mô hình khái niệm diễn tả quan hệ mƣa – dòng chảy (Beater, 1989)

2.2.3. Mô hình giải tích hoặc mô hình số

Một bài toán trong mô hình thƣờng đƣợc biểu thị sự hiện diện của các thông

số và biến số. Thông số (parameter) là những hệ số gia trọng, không có thứ nguyên.

Biến số (variable) là các đại lƣợng vật lý có ý nghĩa, thƣờng có thứ nguyên.

Mô hình giải tích (hoặc mô hình số) thực chất là một loạt các thuật toán đƣợc

viết để giải quyết các quan hệ giữa các thông số và biến số trong mô hình và cho ra

kết quả dƣới dạng số hoặc đồ thị. Đây là phần cốt lõi, quan trọng nhất và là phần

phức tạp nhất trong tiến trình thực hiện mô hình hóa.

2.2.4 Hiệu chỉnh mô hình

Hiệu chỉnh (calibration) là tiến trình mà trong đó các thông số và biến số của

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

mô hình đƣợc điều chỉnh để kết quả ra của mô hình phù hợp với thực tế quan sát

Trang 17 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

đƣợc. Do khi phát triển mô hình, chúng ta phải tối giản các hiện tƣợng vật lý trong

tự nhiên để thuận lợi cho ngƣời làm thuật toán. Điều này khiến các số liệu nhập vào

mô hình có những giá trị không hoàn toàn chắc chắn và kết quả ra sẽ sai biệt với

thực tế. Hiệu chỉnh là công việc nhằm rút ngắn các khoảng cách sai biệt bằng cách

đƣa ra các thông số điều chỉnh gọi là thông số mô hình (model parameters).

2.2.5. Kiểm nghiệm mô hình

Kiểm nghiệm mô hình là bƣớc tiếp sau công việc Hiệu chỉnh mô hình nhằm

kiểm tra các thông số mô hình đƣa ra có phù hợp với các diễn biến của thực tế hay

không.

Ví dụ trong khảo sát diễn biến trong quan hệ mƣa – dòng chảy trong nhiều

năm, ngƣời ta cắt chuỗi số liệu quan trắc ra thành 2 đoạn: đoạn số liệu dài ban đầu

dùng để chạy mô hình và Hiệu chỉnh mô hình. Đoạn số liệu thứ hai sau ngắn hơn

dùng làm kiểm nghiệm kết quả mô hình cho đoạn trƣớc (hình 2.7).

Hình 2.3 Minh họa việc phân đoạn chuỗi số liệu theo thời gian để Hiệu chỉnh và thử

nghiệm khi chạy mô hình

2.2.6. Tiên đoán hoặc tối ƣu

Thông thƣờng mô hình đƣợc sử dụng cho mục tiêu tiên đoán các diễn biến

các biến số trong tƣơng lai hoặc tối ƣu hóa việc chọn lựa.

Trong tiên đoán, nhƣ các mô hình về khí hậu hoặc mô hình lan truyền ô

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

nhiễm, các thuật toán ngoại suy (extrapolation) đƣợc sử dụng để kéo dài kết quả ở

Trang 18 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

đầu ra. Trong bài toán lựa chọn tối ƣu, các giá trị cực trị ở đầu ra đƣợc chọn cho

quyết định.

2.3. Tiêu chuẩn chọn lựa mô hình

2.3.1. Khái niệm

Trong suốt vài thập niên qua, nhiều mô hình khác nhau đã đƣợc phát triển

trên thế giới. Thông thƣờng mỗi mô hình thƣờng có các thế mạnh riêng và các

nhƣợc điểm nhất định. Khó có thể có một mô hình chuẩn mực nào cho tất cả các

trƣờng hợp thực tế. Điều này thƣờng gây sự bối rối cho ngƣời sử dụng khi phải lựa

chọn mô hình phù hợp cho mình.

Khái niệm mô hình tốt nhất thƣờng đƣợc hiểu một cách tƣơng đối. Về nguyên

tắc, mô hình càng phức tạp, dữ liệu nhập vào càng nhiều thì kết quả thể hiện mô

hình càng cao (hình 2.8).

Hình 2.4 Biểu đồ minh họa quan hệ giữa độ phức tạp của mô hình, mức đòi hỏi của

dữ liệu và khả năng thể hiện kết quả tiên đoán của mô hình (Grayson and Bloschl,

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

2000)

Trang 19 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

2.3.2. Mô hình "tốt nhất"

• Các phƣơng pháp mục tiêu tổng thể để chọn mô hình “tốt nhất” thật ra chƣa

đƣợc phát triển, do vậy việc chọn mô hình cũng là một phần “nghệ thuật” của ngƣời

nghiên cứu mô hình (Woolhiser and Brakensiek, 1982).

• Mô hình “tốt nhất” tùy thuộc vào cách hiểu tiêu chuẩn nào là “tốt nhất”.

Điều này tùy thuộc vào mức chính xác của yêu cầu khoảng thời gian quan trắc, ví

dụ thời đoạn lấy mẫu nƣớc theo giờ, ngày, tháng hoặc mùa. Mặc khác, chuẩn “tốt

nhất” còn tùy theo mức độ dày mặt của kích thƣớc không gian mẫu. Khoảng cách

càng nhỏ thì mức chính xác càng cao.

• Theo tác giả Woolhiser và Brakensiek (1982) việc chọn mô hình “tốt nhất”

tùy thuộc vào độ lớn về kích thƣớc tự nhiên của bài toán và sự phức tạp trong thay

đổi các biến số. Do vậy, đặc điểm của mô hình phải tƣơng thích với yêu cầu của bài

toán.

2.3.3. Chọn mô hình theo cấu trúc và giá trị vào/ra

Nhiều nhà nghiên cứu về mô hình đã đề xuất việc chọn lựa mô hình phải dựa

vào cấu trúc của mô hình và giá trị của dữ liệu ở đầu vào và đầu ra. Các lựa chọn

này bao gồm:

• Sự khái quát hóa của các tiến trình chủ yếu: Mô hình phải phản ánh “ý

tƣởng” đúng theo thực tế liên quan đến các tiến trình chính (Popov, 1968). Sơ đồ

khái quát phải thể hiện đƣợc các bộ phận cấu thành mô hình diễn biến theo một tiến

trình mang tính lý thuyết chứ không đơn thuần chỉ là các kết nối đơn giản.

• Mức độ chính xác cho việc tiên đoán, dự báo: độ chính xác của việc tiên

đoán ở kết quả đầu ra rất quan trọng. Mô hình phải đƣợc kiểm nghiệm bằng một

phƣơng cách nào đó sao cho sai số thống kê và những yếu tố không chắc chắn của

mô hình đạt đƣợc một chất lƣợng nhất định. Mô hình phải tối thiểu hóa thế xu

hƣớng và biến sai số phải xem là nhỏ hơn các tính toán khác. Điều này cũng thể

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

hiện tính chính xác của dữ liệu nhập vào. Tuy nhiên, mức chính xác của dữ liệu

Trang 20 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

nhập vào quan trọng hơn là mức chính xác của dự báo do mô hình tạo ra (Hillel,

1986).

• Tính đơn giản của mô hình: Mô hình cần đƣợc tối giản nhằm giảm bớt các

biến số và thông số để mô tả các tiến trình. Càng ít các thông số để điều chỉnh thì

càng dễ cho ngƣời sử dụng. Mô hình cũng cần tạo sự dễ dàng cho việc nhập dữ liệu,

hiểu rõ các biến số và kết quả ra có thể giải thích đƣợc. Mô hình nên tránh sự thô

kệch, rƣờm rà, làm việc xử lý trở nên khó khăn, phức tạp và sai số lớn (Tim, 1995).

• Xem xét việc thành lập các thông số: Đây là một xem xét quan trọng trong

việc phát triển các mô hình khái niệm sử dụng các thông số đƣợc thành lập bằng các

kỹ thuật tối ƣu hóa. Nếu các giá trị tối ƣu của thông số có độ nhạy cao theo thời kỳ

ghi nhận, hoặc nếu các thông số có sự biến động lớn giữa các lƣu vực tƣơng tự, mô

hình có nhiều khả năng thiếu hiện thực. Việc xem xét sự thành lập các thông số

cũng hàm ý rằng các nhà nghiên cứu về mô hình khác nhau nên dựa theo việc xem

xét các giá trị thông số từ việc quan trắc thực tế hoặc từ việc thực hành hiệu chỉnh.

2.3.4. Chọn mô hình theo vấn đề thực tế

Việc chọn lựa mô hình theo vấn đề thực tế cần đƣợc cân nhắc trong các

trƣờng hợp:

• Điều kiện tự nhiên của mô hình: mô hình phải đáp ứng các vấn đề thực tế

phải giải quyết. Ví dụ nhƣ các đầu ra mong muốn có thể là lƣu lƣợng đỉnh, hoặc

nồng độ chất ô nhiễm, v.v. theo bƣớc tính là giờ, ngày, tuần, … cho mục đích thiết

kế hoặc vận hành. Đây là một xem xét quan trọng và bao gồm các câu hỏi cho các

tiến trình chủ yếu thể hiện trong mô hình và điều kiện để mô hình có giá trị.

• Chọn mô hình trọn gói hay là mô hình theo yêu cầu: Mô hình trọn gói (là

mô hình đƣợc thiết kế cho tổng thể các trƣờng hợp) thƣờng dễ sử dụng nhƣng thiếu

tính mềm dẻo và bị hạn chế sử dụng. Loại mô hình trọn gói thƣờng đƣợc sử dụng

khi gặp các tình huống ít có hơn số tình huống dự kiến ban đầu mà ngƣời phát triển

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

mô hình nghĩ ra.

Trang 21 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Mô hình theo yêu cầu là những mô hình mà ta có thể đặt hàng cho những

ngƣời chuyên phát triển mô hình làm riêng cho một trƣờng hợp nào đó. Loại mô

hình này sẽ giúp ta giải quyết đúng vấn đề thực tế cần thiết nhƣng thƣờng tốn kém

và mất nhiều thời gian.

• Bài toán liên quan đến giá trị quyết định: khi tính toán khả năng tài chính và

tài nguyên, cũng nhƣ dạng tính tổn thất tiềm năng về sinh mạng, thiệt hại tài sản

ứng với một tần suất xuất hiện nào đó.

• Khả năng khung thời gian: tùy thuộc vào thời hạn chót phải hoàn tất dự án,

kể cả thời gian (và chi phí) để thu thập các thông tin nhập vào.

• Các thiết bị tính toán: phần cứng máy tính và các loại mô hình và độ phức

tạp của mô hình (nhƣ mô hình phải liên kết với các mô hình khác, liên kết với GIS,

ngôn ngữ máy tính,…).

• Ứng dụng trong tƣơng lai của phần xuất mô hình: dự kiến cho các lần sử

dụng sau.

• Tính tổng hợp của mô hình: xem xét khả năng mô hình có thể giải quyết

nhiều mục tiêu, có tầm ứng rộng và dự kiến các khả năng sử dụng về sau.

• Cách truy cập mô hình, tài liệu hƣớng dẫn và dự phòng (back-up): khi trang

bị mô hình cần xem xét nhà cung cấp có tạo các dễ dàng cho ngƣời sử dụng cách

truy cập, các hỗ trợ, huấn luyện bƣớc hƣớng dẫn, trả lời các gút mắc (help desk), có

công cụ lƣu dữ liệu dự phòng, …

• Khả năng nguồn nhân lực: nên xem nguồn nhân lực khi trang bị mô hình

tính toán, huấn luyện các nhân viên sử dụng chƣa có kinh nghiệm.

• Cách thể hiện mô hình: nhƣ độ chính xác của kết quả, tính ổn định, độ nhạy,

cách thể hiện đồ thị ở phần xuất.

• Tính thân thiện cho ngƣời sử dụng (user friendliness): xem xét mô hình có

dễ dàng giúp ngƣời sử dụng cách nhập liệu, chọn lựa kiểu xuất kết quả, giao diện

ngƣời sử dụng, các kiểu đồ thị, bảng kết quả thống kê,…

• Xem xét quy mô: xem coi quy mô không gian mà mô hình sử dụng có

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

tƣơng thích với việc khái niệm và cấu trúc của vấn đề không.

Trang 22 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

2.3.5. Đánh giá lại việc chọn lựa

Một khi đã lựa chọn mô hình, ngƣời sử dụng cần phải đánh giá lại việc chọn

lựa của mình bằng cách trả lời các câu hỏi sau:

• Các thông tin mà mô hình cung cấp có thực sự theo yêu cầu của bài toán

không?

• Các đặc trƣng vật lý thể hiện qua các thông số của mô hình có thực sự đáp

ứng việc ứng dụng trong thực tế không?

• Các phƣơng trình sử dụng trong cấu trúc mô hình có đúng với thuật toán

hiện đại phù hợp với dữ liệu và thiết bị máy tính không?

• Các kết quả mà mô hình cung ứng có chất lƣợng tốt tƣơng xứng với chi phí

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

theo một thời gian đặc thù nào không?

Trang 23 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

CHƢƠNG 3. HIỆU CHỈNH CÁC THÔNG SỐ MÔ HÌNH

3.1. Khái quát vấn đề

Theo định nghĩa ở mục 2.2.4, khi phát triển mô hình, hiệu chỉnh (calibration)

- có ngƣời gọi là định chuẩn - là tiến trình mà trong đó các thông số và biến số của

mô hình đƣợc điều chỉnh để kết quả ra của mô hình phù hợp với thực tế quan sát

đƣợc.

Ví dụ : Quan trắc thủy đồ diễn tả dòng chảy của một lƣu vực (hình 3.1), nhiều

nhà thủy văn học thấy chúng có những nét tƣơng tự với sự biến động của lƣợng

mƣa ghi nhận đƣợc trong một thời gian tƣơng đồng (hình 3.2). Nghĩa là sau những

trận mƣa lớn, lƣu lƣợng dòng chảy gia tăng và khi mƣa giảm dần thì dòng chảy

cũng giảm theo một quan hệ tuyến tính nào đó.

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

Hình 3.1 Tiến trình mƣa – dòng chảy trong một lƣu vực

Trang 24 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Hình 3.2 Thủy đồ ghi nhận thực tế diễn biến mƣa và dòng chảy cùng thời đoạn

Khi thực hiện mô hình diễn tả quan hệ mƣa – dòng chảy của một lƣu vực, ta

có thể tối giản quan hệ này theo sơ đồ nhƣ hình 3.3.

Hình 3.3 Sơ đồ diễn tả bài toán quan hệ mƣa – dòng chảy

Giả sử kết quả của một mô hình nào đó cho ra kết quả nhƣ hình 3.4. Trên đồ

thị, mô hình của bài toán cho đƣờng cong diễn tả sự thay đổi lƣu lƣợng theo thời

gian, đƣờng cong theo mô hình này nếu đem so với số liệu lƣu lƣợng đo đƣợc trong

thực tế sẽ thấy có sự khác biệt. Để giảm thiểu sự khác biệt này, ngƣời ta đƣa vào mô

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

hình các thông số điều chỉnh, đó chính là công việc của sự hiệu chỉnh.

Trang 25 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Hình 3.4 Ví dụ minh họa kết quả lƣu lƣợng dòng chảy theo mô hình và theo thực tế

Trong ví dụ bài toán mô hình mƣa – dòng chảy, ta có nhiều thông số nhƣ :

• Hàm lƣợng nƣớc tối đa chứa trong lớp đất mặt

• Hàm lƣợng nƣớc tối đa chứa trong tầng rễ

• Hệ số chảy tràn mặt

• Hệ số chảy lẫn trong đất

• Ngƣỡng tối đa của tầng rễ tạo ra dòng chảy mặt

• Ngƣỡng tối đa của tầng rễ tạo ra dòng chảy ngầm

• v.v...

Hiệu chỉnh là công việc điều chỉnh các thông số mô hình sao cho kết quả

càng gần với thực tế. Nếu việc hiệu chỉnh của mô hình làm tốt thì đƣờng cong từ

mô hình sẽ càng “trùng“ với đƣờng cong thực đo.

3.2. Các bƣớc trong tiến trình hiệu chỉnh

Tiến trình hiệu chỉnh là một trong các nội dung thực hiện mô hình hóa. Hiệu

chỉnh sẽ góp phần quan trọng cho việc định giá khả năng hiện thực của mô hình.

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

Trong tiến trình hiệu chỉnh, 3 bƣớc sau cần thực hiện (hình 3.5).

Trang 26 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Hình 3.5 Ba bƣớc trong tiến trình Hiệu chỉnh

3.2.1. Bƣớc xác định thông tin quan trọng

Hiệu chỉnh mô hình cần bắt đầu bằng việc quyết định xem các thông tin gì là

quan trọng mà mô hình có định đƣợc áp dụng. Việc xác định thông tin phải trên cơ

sở là xem các thông số nào trong mô hình sẽ quyết định kết quả và kết quả này có

khả năng phù hợp hoặc thỏa mãn với các diễn biến ở thực tế.

Ví dụ khi xem xét mô hình diễn tả sự lan truyền chất ô nhiễm trên một dòng

chảy, nhiều yếu tố có thể ảnh hƣởng. Tuy nhiên, ngƣời phát triển mô hình phải xác

định yếu tố nào gây ảnh hƣởng lớn nhất. Chẳng hạn, hệ số nhám của dòng chảy, hệ

số co hẹp hoặc mở rộng của mặt cắt, hệ số khuếch tán của chất lỏng và chất ô

nhiễm, hàm lƣợng oxy trong nƣớc, v.v…

3.2.2. Bƣớc chọn tiêu chuẩn mô hình

Thực chất của việc chọn tiêu chuẩn mô hình là xác định mục tiêu đặc thù mà

mô hình cần nghiên cứu. Nghĩa là, khi phát triển mô hình, các đích nhắm mà chúng

ta muốn mô hình phải thể hiện bao gồm những yếu tố nào. Các yếu tố này cần phải

đƣợc định lƣợng qua đo đạc thực tế và qua tính toán từ mô hình. Việc định lƣợng

liên quan đến các tiêu chuẩn thống kê mà mô hình phải thỏa mãn.

Ví dụ khi thực hiện mô hình dự báo lũ, việc xác định giá trị (mực nƣớc, lƣu

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

lƣợng lũ) và thời điểm xảy ra đỉnh lũ là mục tiêu quan trọng mà bài toán phải giải

Trang 27 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

quyết. Nhiều thông số thống kê sẽ phải áp dụng nhƣ phần trăm (%) sai biệt cho

phép, độ lệch chuẩn, độ nhạy của kết quả,… khi đánh giá sự tƣơng ứng giữa dòng

chảy quan trắc đƣợc với dòng chảy mô phỏng.

3.2.3. Bƣớc hiệu chỉnh mô hình

• Chọn thời đoạn hiệu chỉnh: Hầu hết các mô hình môi trƣờng hoặc mô hình

thủy văn đều có yếu tố chuỗi thời gian tƣơng ứng với các dữ liệu quan trắc. Trƣớc

tiên ngƣời thực hiện mô hình phải xem xét tổng thời gian quan trắc và chia khoảng

thời gian này ra làm 2 thời đoạn: thời đoạn thứ nhất với chuỗi số liệu dài hơn để làm

hiệu chỉnh (carlibration) và thời đoạn thứ hai ngắn hơn để làm việc kiểm nghiệm

(verification). Trong một số trƣờng hợp, ngƣời ta có thể chia đều hai thời đoạn:

50% thời đoạn cho bƣớc hiệu chỉnh và 50% cho thời đoạn kiểm nghiệm mô hình.

Việc chọn lựa thời đoạn hiệu chỉnh để chạy bài toán mô hình cần phải theo mục tiêu

của vấn đề là cần kết quả gì ở đầu ra của mô hình. Ví dụ khi làm mô

hình dự báo lũ thì thời đoạn hiệu chỉnh phải chứa thời gian mà các đỉnh lũ trong

lịch sử đã xảy ra. Trƣờng hợp làm mô hình thể hiện dòng chảy môi trƣờng

(environmental flow), thì thời đoạn hiệu chỉnh phải có chứa những thời kỳ dòng

chảy thấp trong mùa kiệt.

• Hiệu chỉnh sơ bộ: Đây là bƣớc thử ban đầu để xem thử các thông số mô

hình đã chọn có “nhạy” với kết quả mô hình hay không? Thông thƣờng, việc hiệu

chỉnh sơ bộ theo bảng hƣớng dẫn của mô hình có sẵn hoặc từ quan sát thực tế. Việc

hiệu chỉnh sơ bộ đƣợc xem nhƣ một bƣớc làm bắt buộc nhằm định lại:

+ Giá trị ban đầu thực tế cho các thông số

+ Chiều dài (hay bƣớc tính) “lý tƣởng” để mô hình tìm kiếm giá trị tốt

nhất của thông số. Nếu chọn bƣớc tính quá ngắn sẽ làm gia tăng số lần tính toán,

nếu chọn bƣớc tính quá dài sẽ tạo ra sự vƣợt quá hay cƣờng điệu hóa khi tìm giá trị

tối ƣu.

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

+ Thử xác định khoảng giới hạn (giới hạn trên và giới hạn dƣới) của các

Trang 28 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

thông số. Mục đích của việc này nhằm giới hạn khả năng sự thất bại của mô hình

khi tạo ra các giá trị phi thực tế hay trị vƣợt quá thực tế.

• Hiệu chỉnh tinh tế: Hiệu chỉnh tinh tế là làm nhuyễn ở mức chi tiết các kết

quả ở đầu ra qua việc điều chỉnh vi cấp (fine tuning) các thông số mô hình. Một số

sách hƣớng dẫn mô hình có thể cho khuyến cáo hoặc một số mô hình có thể tạo ra

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

tiến trình tự động hiệu chỉnh để có một kết quả tốt nhất có thể đạt đƣợc.

Trang 29 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

CHƢƠNG 4. THỂ HIỆN MÔ HÌNH

4.1. Kiểm nghiệm và định trị mô hình

Để đánh giá và hiểu rõ hơn giá trị ý nghĩa của một mô hình qua cách thể hiện,

thông tin về nghi thức thực hiện mô hình hóa là một đòi hỏi cần thiết giữa ngƣời sử

dụng mô hình và ngƣời phát triển mô hình. Việc thể hiện mô hình rất quan trọng

trong việc thuyết phục ngƣời ra quyết định có thêm những cân nhắc trên cơ sở khoa

học, qua những gì mà mô hình có thể chứng minh bằng kết quả, bằng định trị các

mã mô hình, các hiệu chỉnh, kiểm nghiệm và báo cáo đánh giá thông qua lý luận và

thực tiễn.

Theo định nghĩa đã trình bày ở phần 2.2.5, kiểm nghiệm (verification) mô

hình là bƣớc tiếp sau công việc hiệu chỉnh mô hình nhằm kiểm tra các thông số mô

hình đƣa ra có phù hợp với các diễn biến của thực tế hay không.

4.2. Nghiên cứu kiểm nghiệm

4.2.1. Mục tiêu

Theo định nghĩa ở mục 2.2.5, sau khi hiệu chỉnh, mô hình cần đƣợc kiểm

nghiệm nhằm kiểm tra các thông số mô hình đƣa ra có phù hợp với các diễn biến

của thực tế hay không. Nói một cách chi tiết, việc kiểm nghiệm gồm các trả lời các

hàm ý sau:

• Các biểu hiện ở đầu ra của mô hình mô phỏng có phù hợp với các biểu hiện

đầu ra của hệ thống thực tế đã đƣợc quan trắc.

• Các thông tin ở đầu ra của mô hình (lƣu ý là đầu ra của mô hình mô phỏng

không phải là thành lập số liệu mà là thông tin) có đủ độ chính xác nhƣ mong muốn

ở mô hình.

• Trong quá trình xác định các thông số, nếu có sai biệt ý nghĩa giữa số liệu

của sự kiện quan trắc và giá trị mô phỏng, thì cần xác lập mức độ tin cậy của mô

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

hình.

Trang 30 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

• Việc kiểm nghiệm phải mang tính khách quan: mô hình cần phải bắt buộc

qua các thử nghiệm thống kê chính thống và nghiêm ngặt theo các mức độ phù hợp

định trƣớc theo tầm quy mô thực hiện.

• Khi làm kiểm nghiệm đầu ra của mô hình, giả thiết rằng mô hình là có cơ sở

vững chắc bao gồm các hợp lý trong thiết kế mô hình, các phƣơng trình chủ đạo và

mã hóa chƣơng trình máy tính.

• Trong bất kỳ sự kiểm nghiệm nào, có thể một số thông số luôn luôn đạt yêu

cầu các điều kiện thử nghiệm mô hình trong khi một số thông số khác không thể

liên kết đƣợc với một số sự kiện đã xảy ra.

4.2.2. Hàm mục tiêu

Trƣớc khi làm kiểm nghiệm mô hình, cần thiết phải định lƣợng các điều kiện

kiểm nghiệm. Việc này thể hiện qua khái niệm hàm mục tiêu (objective function -

OF).

Hàm mục tiêu là một trị số của tiến trình thống kê đặc thù thể hiện mức độ

tƣơng ứng, hoặc còn gọi là độ gần (degree of closeness), giữa giá trị thực đo và giá

trị mô phỏng. Có nhiều kiểu để xác định hàm mục tiêu OF tùy theo mục đích đặc

thù và tƣơng quan trong các mô hình ứng dụng. Hàm mục tiêu thƣờng theo xu

hƣớng tiến đến trị 0 (khi hàm mục tiêu là tối thiểu hóa, OF → 0) hoặc tiến đến trị

đơn vị, OF → 1 (khi hàm mục tiêu là tối đa hóa).

4.2.3. Các trị số thống kê dùng cho kiểm nghiệm

Khi kiểm nghiệm các trị số thống kê thƣờng đƣợc áp dụng để so sánh độ phù

hợp giữa trị mô phỏng và trị quan trắc cho cả chuỗi thời gian và cho từng sự kiện

riêng rẽ rời rạc ở kết quả đầu ra. Việc này có thể đánh giá qua thống kê mức độ phù

hợp (goodness-of-fit statistics) từ kết quả mô hình và thực tế. Sự đồng biến về chuỗi

thời gian trên cơ sở phép áp 1:1. Nghĩa là giá trị mô phỏng có "gần" với trị trung

bình của số liệu đo thực tế không. Ngoài ra các trị thống kê khác cần đƣợc xem xét,

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

gồm:

Trang 31 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

i). Trị trung bình (mean):

Trong đó:

X - trị trung bình của các trị quan trắc;

xi - trị quan trắc đƣợc ở thời điểm thứ i;

n - số thời điểm quan trắc (hoặc tổng số trị quan trắc)

Hàm mục tiêu liên quan đến trị trung bình thể hiện mức độ phần trăm (%)

giữa trị trung bình số quan trắc và số mô phỏng. Nếu mô hình là tốt thì hàm mục

tiêu trị trung bình phải tối thiểu hóa (tiến đến trị 0):

ii). Phƣơng sai (variance) Vx:

Mô hình đƣợc xem là tốt khi hàm mục tiêu của phƣơng sai là tối thiểu hóa:

iii). Độ lệch chuẩn (standard deviation) Sx:

Mô hình đƣợc xem là tốt khi hàm mục tiêu của độ lệch chuẩn là tối thiểu hóa:

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

iv). Hệ số biến động (variance deviation) CVx:

Trang 32 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Mô hình đƣợc xem là tốt khi hàm mục tiêu của hệ số biến động là tối thiểu

hóa:

v). Hệ số thiên lệch (skewness) CSx:

Mô hình đƣợc xem là tốt khi hàm mục tiêu của hệ số thiên lệch là tối thiểu

hóa:

vi). Sai số thống kê:

+ Sai số chuẩn của trị trung bình (standard error of the mean) các trị quan

trắc:

+ Sai số tiêu chuẩn trung bình (root mean square error - RMSE) của trị quan

trắc xi và trị mô phỏng yi:

Trị RMSE càng gần 0 thì mức phù hợp giữa thực tế và mô hình càng cao.

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

Hệ số tƣơng quan R giữa trị quan trắc và trị mô phỏng các định theo:

Trang 33 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Trong đó:

X và Y - trị trung bình của các trị quan trắc và các trị mô phỏng;

xi và yi - trị quan trắc và trị mô phỏng đƣợc ở thời điểm thứ i;

n - số thời điểm quan trắc (hoặc tổng số trị quan trắc)

• Hệ số tƣơng quan R càng gần tiến đến ± 1 thì mức đồng tƣơng quan càng

lớn.

• Khi R > 0 thì tƣơng quan là đồng biến và khi R < 0 thì tƣơng quan là nghịch

biến.

• R càng tiến về 0 thì tƣơng quan càng kém.

• Hàm mục tiêu của hệ số tƣơng quan là tối đa hóa, R → 1

vii). Độ dốc b (slope) cho đƣờng bình phƣơng cực tiểu (least-square line) thể hiện

sự quan hệ giữa sự thay đổi xu thế mô phỏng và sự thay đổi xu thế quan trắc:

Hàm mục tiêu của độ dốc b là tối đa hóa đến trị đơn vị, nghĩa là b càng tiến

đến 1 thì khả năng "phù hợp" của các trị số càng cao.

xiii). Hằng số nền (base constant) hay độ chắn y (y-intercept)

Nếu quan hệ là đồng biến thì y = ax + b. Hàm mục tiêu của a → 0.

ix). Tổng các thống kê bình phƣơng (sums of squares statistics)

+ Toàn tổng các bình phƣơng (total sum of squares - SST) là một số đo sự

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

phân tán của các giá trị mô phỏng so với trị trung bình. STT đƣợc xác định nhƣ sau:

Trang 34 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

+ Tổng các bình phƣơng giải nghĩa (explained sum of squares - SSR) là tổng

sai lệch các giá trị mô phỏng (lấy từ đƣờng quan hệ tuyến tính giữa các chuỗi thực

đo và chuỗi mô hình) với trị trung bình mô phỏng:

Trị i y là giá trị xác định trên đƣờng thẳng quan hệ tuyến tính giữa các số đo

thực tế và các số mô phỏng, nhƣ hình 4.2:

Hình 4.1 Giá trị i yˆ trên đƣờng quan hệ tuyến tính giữa số thực đo và số mô phỏng

+ Tổng các bình phƣơng phi giải nghĩa (unexplained sum of squares - SSE) là

tổng bình phƣơng các khoảng lệch cực tiểu (y yˆ ) i i − , nhƣ minh họa trên hình 4.2.

+ Tƣơng quan của 3 trị tổng bình phƣơng trên là:

Thực chất, sai lệch này là sai số làm tròn, do vậy dấu bằng (=) nên thay là dấu

xấp xỉ (≈):

SST ≈ SSR + SSE (4-20)

x). Hệ số định trị (coefficient of determination) dùng để đo mức độ phối hợp giữa

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

các trị mô phỏng và các trị lấy từ đƣờng quan hệ mô phỏng:

Trang 35 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Giá trị r2 luôn luôn nhỏ hơn 1 nhƣng không thể là giá trị nhỏ hơn 0. Trị r2

càng cao càng chứng tỏ mức độ phối hợp càng tốt. Hàm mục tiêu của hệ số định trị là tối đa hóa trị r2.

xi). Hệ số hữu hiệu (coefficient of efficiency) là số đo mức độ phối hợp giữa

các giá trị quan trắc và trị mô phỏng.

Giá trị E có thể dƣới số 0 nhƣng không thể lớn hơn 1. Hàm mục tiêu của hệ

số hữu dụng là tối đa hóa trị E tiến đến trị r2.

xii). Hệ số đồng thuận (coeffient of agreement - IA) thể hiện sự hài lòng về

mức độ tiên đoán sai số của mô hình từ phƣơng trình hồi quy:

Giá trị IA càng gần đến 1 thì sự đồng thuận cao, càng gần đến 0 thì sự bất

đồng thuận lớn. Hàm mục tiêu cho hệ số đồng thuận là tối đa hóa IA → 1.

4.3. Vấn đề kiểm nghiệm mô hình

4.3.1. Các vấn đề thƣờng gặp

• Trong kiểm nghiệm mô hình, lý tƣởng nhất là số liệu quan trắc có đầy đủ sự

kiểm soát chất lƣợng, đủ chi tiết và đủ độ dài theo thời gian.

• Thực tế là chuỗi số liệu không đủ dài, cần phải có các phƣơng pháp mới để

kéo dài chuỗi số liệu từ thực tế ngoài hiện trƣờng hoặc lấy thêm từ các lƣu vực

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

tƣơng tự, tình huống môi trƣờng xấp xỉ.

Trang 36 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

• Cần thiết phải đánh giá các ảnh hƣởng do sự không chắc chắn của các thông

số nhập vào mô hình khi xem xét sự thể hiện mô hình.

• Các số liệu thực tế nghèo nàn có thể dẫn đến sự hiệu chỉnh và kiểm chứng

sai lạc. Một số ngƣời làm mô hình cố gắng sử dụng phép ngoại suy để kéo dài chuỗi

số liệu có thể dẫn đến tình trạng có kết quả giải đáp đúng cho những nguyên nhân

sai lầm. Điều này làm hạn chế hiệu quả mô hình.

4.3.2. Hậu kiểm việc phê chuẩn và kiểm nghiệm mô hình

• Mặc dầu việc hiệu chỉnh và kiểm chứng có thể thỏa mãn một số chỉ tiêu

thống kê nhƣng cũng cần đánh giá độ chính xác của mô hình khi tiên đoán kết quả

cho tƣơng lai. Bƣớc làm này gọi là hậu kiểm (post-audit).

• Trong công việc hậu kiểm, các dữ liệu mới sẽ đƣợc thu thập nhiều năm sau

khi việc nghiên cứu mô hình đã hoàn tất trƣớc đó. Việc vận hành mô hình với chuỗi

số liệu mới để đánh giá mức độ chính xác tiên đoán đầu ra. Có thể có những thay

đổi yếu tố vật lý nhƣ địa hình, độ che phủ mặt đất, thay đổi khi sử dụng nguồn nƣớc

và các tài nguyên khác làm các thông số mô hình đã nghiên cứu trƣớc đó không còn

chính xác nữa hay xuất hiện những khác biệt có ý nghĩa.

• Khi mô hình cũ không còn thỏa mãn kết quả sự tiên đoán, nhất thiết phải

hiệu chỉnh và kiểm nghiệm lại các thông số hoặc phải thay đổi giả thiết, thuật tính

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

toán, và thậm chí thay đổi cấu trúc, khái niệm mô hình.

Trang 37 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

CHƢƠNG 5. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƢỜNG

5.1. Sơ đồ phát triển và ứng dụng mô hình

Hình 5.1 là sơ đồ tổng quát cho các bƣớc hoàn chỉnh việc phát triển và ứng

dụng một mô hình. Trong đó 2 quá trình đƣợc xem là quan trọng là lập trình thuật

toán và đánh giá kết quả của mô hình.

Hình 5.1 Sơ đồ phát triển và ứng dụng mô hình

5.2. Xu thế phát triển mô hình hóa môi trƣờng theo quy mô không gian

Các diễn biến trong chu trình thủy văn là một trong các yếu tố quan trọng của

các quan hệ môi trƣờng - sinh thái. Sự biến đổi khí hậu diễn ra liên tục từ mức toàn

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

cầu đến mức vi khí hậu trong một không gian nhỏ đều có những quan hệ tƣơng tác.

Trang 38 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Ảnh hƣởng này đã đƣợc một số nhà thủy văn môi trƣờng mô phỏng từ nhiều cấp qui

mô không gian (Hình 5.2).

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

Hình 5.2 Xu thế phát triển mô hình thủy văn môi trƣờng theo quy mô không gian

Trang 39 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

PHẦ N III. MÔ HÌNH HÓA CHẤT LƢỢNG NƢỚC VÀ ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HÓA CHẤT LƢỢNG NƢỚC

CHƢƠNG 6. CHẤT LƢỢNG NƢỚC VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG NGUỒN NƢỚC

6.1. Nguồn nuớc và phân loại nguồn nƣớc

6.1.1. Sự hình thành chất lƣợng và thành phần tính chất nguồn nƣớc

Các yếu tố và các quá trình hình thành thành phần hoá học của nƣớc thiên

nhiên bao gồm hai nhóm: các yếu tố tác động trực tiếp và các yếu tố điều khiển các

quá trình hình thành chất lƣợng nƣớc diễn ra trong dòng chảy

Các yếu tố tác động trực tiếp:

Khoáng vật, thổ nhƣỡng, sinh vật và con ngƣời. Các yếu tố này tác động làm

cho nồng độ các chất trong nƣớc tăng lên và giảm đi.

.Quá trình khoáng vật hoá: diễn ra rất phức tạp, phụ thuộc vào đặc điểm

của thành phần khoáng vật: nhan thạch hiếu nƣớc, kỵ nƣớc và ngậm nƣớc..Các loại

muối: NaCl, CaCO3, CaSO4...

.Khoáng vật phong hoá: allluminoSilicat (nhôm silic) chiếm phần lớn

trong lớn vỏ trái đất phong hoá chuyển vào nƣớc.

.Khoáng vật sét: thành phần chính của nhan thạch.

Thổ nhƣỡng (đất trồng) : khác với thành phần khoáng vật, thổ nhƣỡng

ngoài các thành phần vô cơ (90-95%) trong đất trồng còn có các thành phần hữu cơ

và hữu cơ khoáng vật. Thành phần hữu cơ có nguồn gốc: sản phẩm phân huỷ gốc

động vật, thực vật và sản phẩm của các quá trình sinh hoá trong đất. Sự xâm nhập

vào môi trƣờng nƣớc phụ thuộc vào các yếu tố khí tƣợng thuỷ văn, địa hình, lƣợng

mƣa và cƣờng độ mƣa.

Sinh vật và con ngƣời

Các sinh vật có vai trò rất đa dạng và rộng rãi. Thực hiện các chu trình sinh -địa-

hoá: điều chỉnh cân bằng sinh thái, tạo năng suất sinh học sơ cấp (tảo, phù du...) và

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

các chất hữu cơ ban đầu (vi khuẩn cố định đạm)...

Trang 40 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Các hoạt động phát triển gây ô nhiễm nguồn nƣớc

Các yếu tố điều khiển

Các yếu tố điều khiển bao gồm : khí hậu, địa hình, chế độ thuỷ văn, sự phát triển

của hệ thực vật thuỷ sinh.

Khí hậu: ảnh hƣởng trực tiếp đến lƣu lƣợng và nồng độ các chất, nhiệt độ

ảnh hƣởng đến các phản ứng hoá học, sinh học...

Địa hình: ảnh hƣởng gián tiếp đến các quá trình khoáng hoá, xói mòn và rửa

trôi bề mặt.

Chế độ thuỷ văn: thành phần của nƣớc, nồng độ các chất hoá học trong nƣớc

phụ thuộc vào dòng chảy. Chiều dài dòng chảy, diện tích lƣu vực.

 Quá trình hình thành chất lƣợng nƣớc

Quá trình khuếch tán: là quá trình dịch chuyển các chất hoà tan, phân tán

trong nƣớc do ảnh hƣởng của gradient nồng độ. Tuân thủ theo định luật Fick

Quá trình chuyển khối do khuếch tán đối lƣu. Vận chuyển (tải các chất trong

dòng chảy, sự xáo trộn).

 Các quá trình vận chuyển các chất vào trong nguồn nƣớc:

Thuỷ phân: phản ứng trao đổi giữa nƣớc và các loại khoáng chất.

Hoà tan: phá huỷ cấu trúc mạng tính thể của các loại muối và phân ly thành

các dạng ion

 Các quá trình tách các vật chất khỏi nguồn nƣớc

Bao gồm các qúa trình lắng: do tỷ trọng, nồng độ vƣợt giới hạn bảo hoà, quá

trình hấp phụ, quá trình keo tụ, các quá trình phản ứng giữa các hợp chất và các quá

trình sinh thái chất lƣợng nƣớc.

Thành phần và tính chất của nƣớc thiên nhiên:

 Các ion hoà tan:

Nuớc là một dung môi rất tốt để hoà tan hầu hết các loại khoáng chất vô cơ,

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

các axit, bazơ và các muối vô cơ. Các ion chủ yếu trong nƣớc là các ion của các loại muối khoáng, Cl-, SO42-, HCO3 -, CO32- và các ion kim loại Na+, K+,Ca2+,

Trang 41 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Mg2+,Mn2+ ... chiếm khoảng 90-95% trong nƣớc ngọt và trong các nguồn nƣớc

khoáng >99% trong tổng số các chất hoà tan.

Hàm lƣợng các ion hoà tan phụ thuộc vào đặc điểm khí hậu, địa mạo và vị trí

của thuỷ vực.

Đặc điểm hình thành các ion hoà tan của các dòng chảy do các nhân tố chủ

đạo quyết định: lƣợng nƣớc mƣa, bốc hơi và quá trình phong hóa.

 Các chất khí hoà tan:

Hầu hết tất cả các chất khí (trừ CH4) đều có khả năng hoà tan hoặc phản ứng

với nƣớc. Thành phần các chất khí phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên của nguồn

nƣớc. Các quá trình hình thành chất khí trong nƣớc tự nhiên: hoà tan từ khí quyển

(O2, N2, CO2, các loại khí trơ...) sản phẩm từ các quá trình sinh hoá

(H2S,CH4,N2,CO2...) và quá trình biến đổi trong khoáng chất có sẵn trong nƣớc

ngầm.

Nồng độ các chất khí hoà tan tuân thủ theo định luật Herry:

 Các chất rắn:

Phân loại theo tỷ trọng: lắng đƣợc d>10-5m và lơ lửng.

Theo kích thƣớc: lọc đƣợc d >10-6m và không lọc đƣợc, các hợp chất keo d = 10-6- 10-8 m và dạng hoà tan d <10-9m

 Các chất hữu cơ:

Hàm lƣợng chất hữu cơ thấp ít gây nguy hiểm đến việc sử dụng nguồn nƣớc,

nguợc lại bị ô nhiễm. Các chất hữu cơ đƣợc chia thành các dạng dê phân huỷ sinh

học và khó bị phân huỷ.

 Thành phần sinh học:

Thành phần và mật độ cơ thể sống phụ thuộc vào : thành phần hoá học của

nguồn nƣớc, chế độ thuỷ văn, địa hình nơi cƣ trú, khí hậu. Các loại thuỷ sinh vật

trong nƣớc: vi khuẩn, nấm, siêu vi trùng, tảo, nguyên sinh động vật, động vật đa

bào, động vật có xƣơng, nhuyễn thể...

Các hình thức sống trong nguồn nƣớc rất đa dạng: dạng phù du (plankton,

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

phytoplankton, macroplanton); cá, sinh vật sống bám, sinh vật đáy... Vi khuẩn đóng

Trang 42 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

vai trò quan trọng trong việc phân huỷ các chất hữu cơ, hỗ trợ quá trình tự làm sạch

nguồn nƣớc có ý nghĩa to lớn về mặt sinh thái. Các loại vi khuẩn chia thành hai loại:

tự dƣỡng (heterophic) và dị dƣỡng (autotrophic).

6.1.2. Phân loại nguồn nƣớc

• Theo mục đích sử dụng đƣợc chia thành các loai nguồn nƣớc: cấp cho sinh

hoạt, và các mục đích khác nhƣ giải trí, tiếp xúc với nguồn nƣớc và nuôi trồng các

loại thuỷ sản.

• Theo độ mặn thƣờng theo nồng độ muối trong nguồn nƣớc đƣợc chia thành

nƣớc ngọt, nƣớc lợ và nƣớc mặn.

• Theo vị trí nguồn nƣớc chia thành các nguồn nƣớc mặt (sông, suối, ao, hồ...)

nƣớc ngầm.

6.2. Chất lƣợng nguồn nƣớc và đánh giá chất lƣợng nguồn nƣớc

6.2.1. Chất lƣợng nguồn nƣớc

Hiện nay nƣớc đang đƣợc xem là nguồn tài nguyên vô tận, nhƣng xét về mức

độ ô nhiễm nhƣ hiện nay thì con ngƣời cần có sự thay đổi quan điểm về tài nguyên

nƣớc. Theo ý kiến của nhiều ngƣời thì nƣớc không phải là nguồn tài nguyên vô tận,

nhất là nƣớc ngọt. Nó chỉ thật sự là nguồn tài nguyên vô tận khi con ngƣời biết trân

trọng những giọt nƣớc quý giá mà thiên nhiên ban tặng. Hiện giờ tài nguyên nƣớc

có thể đƣợc xem là vẫn còn dồi dào, nhƣ nƣớc biển, đại dƣơng, nƣớc sông hồ,

nƣớc ngầm. Song việc sử dụng không hợp lí tài nguyên nƣớc hiện nay của con

ngƣời đã làm cho sự phân bố nƣớc giữa các khu vực trên hành tinh có sự thay đổi

lớn theo chiều hƣớng xấu đi. Không những các vùng sa mạc, cao nguyên khô cằn

bị thiếu nƣớc mà ngay cả các thành phố, các khu công nghiệp cũng sẽ bị thiếu

nƣớc nghiêm trọng nếu nhƣ con ngƣời vẫn giữ thóa quen phung phí nƣớc nhƣ hiện

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

nay. Vì vậy chất lƣợng của nguồn nƣớc đang là vấn đề đáng báo động.

Trang 43 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Hình 5.10: Nƣớc sông bị ô nhiễm bởi hoạt động thiếu ý thức của con ngƣời

6.2.2. Đánh giá chất lƣợng nguồn nƣớc

Các tác nhân và thông số hóa lý gây ô nhiễm nguồn nƣớc

 Độ màu:

- Độ màu thƣờng do các chất bẩn trong nƣớc tạo nên. Các hợp chất sắt, mangan

không hoà tan làm nƣớc có màu nâu đỏ, các chất mùn humic gây ra màu vàng, còn

các loại thuỷ sinh tạo cho nƣớc màu xanh lá cây. Nƣớc bị nhiễm bẩn bởi nƣớc thải

sinh hoạt hay công nghiệp thƣờng có màu xanh hoặc đen.

- Đơn vị đo độ màu thƣờng dùng là platin – coban. Nƣớc thiên nhiên thƣờng có

độ màu thấp hơn 200PtCo. Độ màu biểu kiến trong nƣớc thƣờng do các chất lơ lửng

trong nƣớc tạo ra và dễ dàng loại bỏ bằng phƣơng pháp lọc. Trong khi đó, để loại

bỏ màu thực của nƣớc ( do các chất hoà tan tạo nên) phải dùng các biện pháp hoá lý

kết hợp.

 Mùi vị:

- Mùi trong nƣớc thƣờng do các hợp chất hóa học (hợp chất hữu cơ) hay các sản

phẩm từ các quá trình phân hủy vật chất gây nên.Nƣớc thiên nhiên có thể mùi đất,

mùi tanh, mùi thối. Nƣớc sau khi tiệt trùng với các hợp chất clo có mùi nồng nếu

nhiễm clo.

- Tùy theo thành phần và hàm lƣợng các muối khoáng hòa tan mà nƣớc có vị:

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

mặn, ngọt, chát, đắng.

Trang 44 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

 Độ đục:

- Nƣớc là một môi trƣờng truyền ánh sáng tốt. Khi trong nƣớc có các vật lạ nhƣ

các chất huyền phù, các hạt cặn đất cát, các vi sinh vật,…khả năng truyền ánh sáng

bị giảm đi. Nƣớc có độ đục lớn chứng tỏ có chứa nhiều cặn bẩn. Đơn vị đo đục

thƣờng là mg SiO2/l, NTU, FTU. Nƣớc mặt thƣờng có độ đục 20 -100 NTU, mùa lũ

có khi cao đến 500 – 600 NTU. Nƣớc cấp cho ăn uống thƣờng có độ đục không

quá 5 NTU. vƣợt

- Hàm lƣợng chất rắn lơ lửng cũng là một đại lƣợng tƣơng quan đến độ đục của

nƣớc.

 Nhiệt độ:

- Nhiệt độ của nƣớc là đại lƣợng phụ thuộc vào điều kiện môi trƣờng và khí hậu.

Nhiệt độ có ảnh hƣởng không nhỏ đến các quá trình xử lý nƣớc và nhu cầu tiêu thụ.

Nƣớc mặt thƣờng có nhiệt độ thay đổi theo nhiệt độ môi trƣờng. (Ví dụ: ở miền Bắc Việt Nam, nhiệt độ nƣớc thƣờng dao động 13 – 340C, trong khi đó nhiệt độ trong các nguồn nƣớc mặt ở miền Nam tƣơng đối ổn định hơn (26 – 290C).

 Độ dẫn điện:

- Nƣớc có độ dẫn điện kém. Nƣớc tinh khiết ở 2000C có độ dẫn điện là

4,2μS/m(tƣơng ứng điện trở 23,8MΩ/cm). Độ dẫn điện của nƣớc tăng theo hàm

lƣợng các chất khoáng hoà tan trong nƣớc và dao động theo nhiệt độ.

- Thông số này thƣờng đƣợc dùng để đánh giá tổng hàm lƣợng chất khoáng hoà

tan trong nƣớc.

 Tính phóng xạ:

- Tính phóng xạ của nƣớc là do sự phân huỷ các chất phóng xạ trong nƣớc tạo

nên. Nƣớc ngầm thƣờng nhiễm các chất phóng xạ tự nhiên, các chất này có thời

gian bán phân huỷ rất ngắn nên nƣớc thƣờng vô hại. Tuy nhiên khi bị nhiễm bẩn

phóng xạ từ nƣớc thải và không khí thì tính phóng xạ của nƣớc có thể vƣợt quá giới

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

hạn cho phép.

Trang 45 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Các tác nhân và thông số hóa học gây ô nhiễm môi trƣờng nƣớc:

 Độ PH

:

-Độ pH là chỉ số đặc trƣng cho nồng độ ion H+ có trong dung dịch, thƣờng đƣợc

dùng để biểu thị tính axit và tính kiềm của nƣớc.

Khi pH = 7 nƣớc có tính trung tính;

pH < 7 nƣớc có tính axit;

pH > 7 nƣớc có tính kiềm.

Độ pH của nƣớc có liên quan đến sự hiện diện của một số kim loại và khí hoà

tan trong nƣớc. Ở độ pH < 5, tuỳ thuộc vào điều kiện địa chất, trong một số nguồn

nƣớc có thể chứa sắt, mangan, nhôm ở dạng hoà tan và một số loại khí nhƣ CO2,

H2S tồn tại ở dạng tự do trong nƣớc.

 Độ kiềm:

- Độ kiềm toàn phần là tổng hàm lƣợng của các ion hyrocacbonat (HCO3-), hyđroxyl (OH-) và ion muối của các axit.

- Ở nhiệt độ nhất định, độ kiềm phụ thuộc vào độ pH và hàm lƣợng khí CO2 tự

do có trong nƣớc.

- Độ kiềm là một chỉ tiêu quan trọng trong công nghệ xử lý nƣớc. Để xác định

độ kiềm thƣờng dùng phƣơng pháp chuẩn độ mẫu nƣớc thử bằng axit clohydric.

 Độ cứng:

- Độ cứng của nƣớc là đại lƣợng biểu thị hàm lƣợng các ion canxi và magiê

có trong nƣớc. Trong kỹ thuật xử lý nƣớc sử dụng ba loại khái niệm độ cứng:

+ Độ cứng toàn phần biểu thị tổng hàm lƣợng các ion canxi và magiê có

trong nƣớc; + Độ cứng tạm thời biểu thị tổng hàm lƣợng các ion Ca2+, Mg2+ trong các

muối cacbonat và hydrocacbonat canxi, hydrocacbonat magiê có trong nƣớc; + Độ cứng vĩnh cửu biểu thị tổng hàm lƣợng các ion Ca2+, Mg2+ trong các

muối axit mạnh của canxi và magie.

- Dùng nƣớc có độ cứng cao trong sinh hoạt sẽ gây lãng phí xà phòng do

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

canxi và magiê phản ứng với các axit béo tạo thành các hợp chất khó tan. Trong sản

Trang 46 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

xuất, nƣớc cứng có thể tạo lớp cặn trong các lò hơi hoặc gây kết tủa ảnh hƣởng đến

chất lƣợng sản phẩm.

 Độ oxy hoá:

- Độ oxy hoá là một đại lƣợng để đánh giá sơ bộ mức độ nhiễm bẩn của nguồn

nƣớc. Đó là lƣợng oxy cần có để oxy hoá hết các hợp chất hữu cơ trong nƣớc. Chất

oxy hóa thƣờng dùng để xác định chỉ tiêu này là pecmanganat kali (KMNO4).

- Trong thực tế, nguồn nƣớc có độ oxy hoá lớn hơn 10 mgO2/l đã có thể bị

nhiễm bẩn. Nếu trong quá trình xử lý có dùng clo ở dạng clo tự do hay hợp chất

hypoclorit sẽ tạo thành các hợp chất clo hữu cơ [trihalomentan(THM)] có khả năng

gây ung thƣ.

 Các chất nitơ:

-) và -). Do đó các hợp chất này thƣờng đƣợc xem là những chất chỉ thị dùng

- Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ tạo ra amoniac (NH4+), nitrit (NO2

nitrat (NO3

để nhận biết mức độ nhiễm bẩn của nguồn nƣớc. Khi mới bị nhiễm bẩn, ngoài các

- bị oxy hoá thành NO3

+, NO2

chỉ tiêu có giá trị cao nhƣ độ oxy hoá, amoniac, trong nƣớc còn có một ít nitrit và -. Phân tích sự tƣơng nitrat. Sau một thời gian NH4

quan giá trị các đại lƣợng này có thể dự đoán mức độ ô nhiễm nguồn nƣớc.

 Các hợp chất phốt pho:

- Trong nƣớc tự nhiên, thƣờng gặp nhất là photphat. Đây là sản phẩm của quá

trình phân huỷ sinh học các chất hữu cơ. Cũng nhƣ nitrat là chất dinh dƣỡng cho sự

phát triển của rong tảo. Nguồn photphat đƣa vào môi trƣờng nƣớc là từ nƣớc thải

sinh hoạt, nƣớc thải một số ngành công nghiệp và lƣợng phân bón dùng trên đồng

ruộng.

- Photphat không thuộc loại hóa chất độc hại đối với con ngƣời, nhƣng sự tồn tại

của chất này với hàm lƣợng cao trong nƣớc sẽ gây cản trở cho quá trình xử lý, đặc

biệt là hoạt chất của các bể lắng.

 Các hợp chất silic:

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

- Trong nƣớc thiên nhiên thƣờng có các hợp chất silic. Ở pH < 8, silic tồn tại ở dạng H2SIO3. Khi pH = 8-11, silic chuyển sang HSiO3-. Ở pH > 11, silic tồn tại ở

Trang 47 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

2-. Do vậy trong nƣớc ngầm, hàm lƣợng silic thƣờng không

dạng HSiO3- và SiO3

vƣợt quá 60mg/l, chỉ có ở những nguồn nƣớc có pH > 9,0 hàm lƣợng silic đôi khi

cao đến 300mg/l.

 Clo:

Clorua làm cho nƣớc có vị mặn. Ion này thâm nhập vào nƣớc qua sự hoà tan

các muối khoáng hoặc bị ảnh hƣởng từ quá trình nhiễm mặn các tầng chứa nƣớc

ngầm hay ở đoạn sông gần biển. Việc dùng nƣớc có hàm lƣợng clorua cao có thể

gây ra bệnh về thận. Ngoài ra, nƣớc chứa nhiều clorua có tính xâm thực đối với

bêtông.

 Sunphat:

- Ion sunfat thƣờng có trong nƣớc có nguồn gốc khoáng chất hoặc nguồn gốc

hữu cơ. Với hàm lƣợng sunfat cao hơn 400mg/l, có thể gây mất nƣớc trong cơ thể

và làm tháo ruột.

- Ngoài ra, nƣớc có nhiều ion clorua và sunfat sẽ làm xâm thực bêtông.

 Florua:

- Nƣớc ngầm từ các vùng đất chứa quặng apatit, đá alkalic, granit thƣờng có

hàm lƣợng florua cao đến 10mg/l. Trong nƣớc thiên nhiên, các hợp chất của florua

khá bền vững và khó loại bỏ trong quá trình xử lý thông thƣờng. Ở nồng độ thấp, từ

0,5mg/l đến 1mg/l, florua giúp bảo vệ răng. Tuy nhiên, nếu dùng nƣớc chứa florua

lớn hơn 4mg/l trong một thời gian dài thì có thể gây đen răng và huỷ hoại răng vĩnh

viễn

 Các hợp chất sắt:

- Trong nƣớc ngầm, sắt thƣờng tồn tại dƣới dạng ion Fe2+, kết hợp với các gốc

bicacbonat, sunfat, clorua; đôi khi tồn tại dƣới keo của axit humic hoặc keo silic. Khi tiếp xúc với oxy hoặc các tác nhân oxy hoá, ion Fe22+ bị oxy hóa thành ion Fe3+

tủa

thành các bông cặn Fe(OH)3 có màu nâu đỏ. và kết hợp Nƣớc mặt thƣờng chứa sắt (Fe3+), tồn tại ở dạng keo hữu cơ hoặc cặn huyền

phù. Trong nƣớc thiên nhiên, chủ yếu là nƣớc ngầm, có thể chứa sắt với hàm lƣợng

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

đến 40 mg/l hoặc cao hơn.

Trang 48 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Với hàm lƣợng sắt cao hơn 0,5mg/l, nƣớc có mùi tanh khó chịu, làm vàng

quần áo khi giặt, làm hỏng sản phẩm của các ngành dệt, giấy, phim ảnh, đồ hộp.

Các cặn sắt kết tủa có thể làm tắc hoặc giảm khả năng vận chuyển của các ống dẫn

nƣớc.

 Hợp chất mangan:

Cũng nhƣ sắt, mangan thƣờng có trong nƣớc ngầm dƣới dạng ion Mn2+,

nhƣng với hàm lƣợng tƣơng đối thấp, ít khi vƣợt quá 5mg/l. Tuy nhiên, với hàm

lƣợng mangan trong nƣớc lớn hơn 0,1mg/l sẽ gây nguy hại trong việc sử dụng,

giống nhƣ trƣờng hợp nƣớc chứa sắt với hàm lƣợng cao

 Khí hoà tan:

- Các loại khí hoà tan thƣờng thấy trong nƣớc thiên nhiên là khí cacbonic

(CO2), khí oxy (O2) và sunfua huyđro H2S).

- Nƣớc ngầm không có oxy. Khi độ pH < 5,5, trong nƣớc ngầm thƣờng chứa

nhiều khí CO2. Đây là khí có tính ăn mòn kim loại và ngăn cản việc tăng pH của

nƣớc.

- Trong nƣớc mặt, các hợp chất sunfua thƣờng đƣợc oxy hoá thành dạng sunfat.

Do vậy, sự có mặt của khí H2S trong các nguồn nƣớc mặt, chứng tỏ nguồn nƣớc đã

bị nhiễm bẩn và có quá thừa chất hữu cơ chƣa phân huỷ, tích tụ ở đáy các vực nƣớc.

 Chất hoạt động bề mặt:

Một số chất hoạt động bề mặt nhƣ xà phòng, chất tẩy rửa, chất tạo bọt có

trong nƣớc thải sinh hoạt và nƣớc thải một số ngành công nghiệp đang đƣợc xả vào

các nguồn nƣớc. Đây là những hợp chất khó phân huỷ sinh học nên ngày càng tích

tụ nƣớc đến mức có thể gây hại cho cơ thể con ngƣời khi sử dụng. Ngoài ra các chất

này còn tạo thành một lớp màng phủ bề mặt các vực nƣớc, ngăn cản sự hoà tan oxy

vào nƣớc và làm chậm các quá trình tự làm sạch của nguồn nƣớc.

Tác nhân sinh học gây ô nhiễm nguồn nƣớc:

- Trong nƣớc thiên nhiên có rất nhiều loại vi trùng, siêu vi trùng, rong,

tảo và các đơn bào, chúng xâm nhập vào nƣớc từ môi trƣờng xung quanh

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

hoặc sống và phát triển trong nƣớc, trong đó có một số vi sinh vật gây bệnh

Trang 49 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

cần phải đƣợc loại bỏ khỏi nƣớc trƣớc khi sử dụng.

- Trong thực tế không thể xác định tất cả các loại vi sinh vật gây bệnh

qua đƣờng nƣớc vì phức tạp và tốn thời gian. Mục đích của việc kiểm tra vệ

sinh nƣớc là xác định mức độ an toàn của nƣớc đối với sức khoẻ con ngƣời.

Do vậy có thể dùng vài vi sinh chỉ thị ô nhiễm để đánh giá sự ô nhiễm từ

rác, phân ngƣời và động vật.

Có ba nhóm vi sinh chỉ thị ô nhiễm phân:

1. Nhóm coliform đặc trƣng là Escherichia Coli ( E.Coli);

2. Nhóm Streptococci đặc trƣng là Streptococcus faecalis;

3. Nhóm Clostridia khử sunfit đặc trƣng là Clostridium

perfringents.

6.3. Các nguồn gây ô nhiễm môi trƣờng nƣớc

6.3.1. Nƣớc thải sinh hoạt từ các khu dân cƣ

 Nguồn gốc nƣớc thải sinh hoạt

Nƣớc thái sinh hoạt là nƣớc đƣợc thải bỏ sau khi sử dụng cho các mục đích

sinh hoạt của cộng đồng: tắm, giặt giũ,tẩy rửa, vệ sinh cá nhân,… Chúng thƣờng

đƣợc thải ra từ các căn hộ, cơ quan, trƣờng học, bệnh viện, chợ, và các công trình

công cộng khác. Lƣợng nƣớc thải sinh hoạt của một khu dân cƣ phụ thuộc vào dân

số, vào tiêu chuẩn cấp nƣớc và đặc điểm của hệ thống thoát nƣớc. Tiêu chuẩn cấp

nƣớc sinh hoạt cho một khu dân cƣ phụ thuộc vào khả năng cung cấp nƣớc của các

nhà máy nƣớc hay các trạm cấp nƣớc hiện có. Các trung tâm đô thị thƣờng có tiêu

chuẩn cấp nƣớc cao hơn so với các vùng ngoại thành và nông thôn, do đó lƣợng

nƣớc thải sinh hoạt tính trên một đầu ngƣời cũng có sự khác biệt giữa thành thị và

nông thôn. Nƣớc thải sinh hoạt ở các trung tâm đô thị thƣờng thoát bằng hệ thống

thoát nƣớc dẫn ra các sông rạch, còn các vùng ngoại thành và nông thôn do không

có hệ thống thoát nƣớc nên nƣớc thải thƣờng đƣợc tiêu thoát tự nhiên vào các ao hồ

hoặc thoát bằng biện pháp tự thấm.

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

 Thành phần và đặc tính nƣớc thải sinh hoạt:

Trang 50 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Thành phần của nƣớc thải sinh hoạt gồm 2 loại:

 Nƣớc thải nhiễm bẩn do chất bài tiết của con ngƣời từ các phòng vệ sinh

 Nƣớc thải nhiễm bẩn do các chất thải sinh hoạt: cặn bã từ nhà bếp, các chất

rửa trôi, kể cả làm vệ sinh sàn nhà.

Nƣớc thải sinh hoạt chứa nhiều chất hữu cơ dễ bị phân huỷ sinh học,

ngoài ra còn có cả các thành phần vô cơ, vi sinh vật và vi trùng gây bệnh rất nguy

hiểm. Chất hữu cơ chứa trong nƣớc thải bao gồm các hợp chất nhƣ protein(40-

50%); hydrat cacbon(40-50%). Nồng độ chất hữu cơ trong nƣớc thải sinh hoạt dao

động trong khoảng 150-450mg/l theo trọng lƣợng khô. Có khoảng 20-40% chất hữu

cơ khó bị phân huỷ sinh học. Ơ những khu dân cƣ đông đúc, điều kiện vệ sinh thấp

kém, nƣớc thải sinh hoạt không đƣợc xử lý thích đáng là một trong những nguồn

gây ô nhiễm môi trƣờng nghiêm trọng.

 Tác hại đến môi trƣờng:

Tác hại đến môi trƣờng của nƣớc thải do các thành phần ô nhiễm tồn tại

trong nƣớc thải gây ra.

 COD, BOD: sự khoáng hoá, ổn định chất hữu cơ tiêu thụ một lƣợng lớn và

gây thiếu hụt oxy của nguồn tiếp nhận dẫn đến ảnh hƣởng đến hệ sinh thái môi

trƣờng nƣớc. Nếu ô nhiễm quá mức, điều kiện yếm khí có thể hình thành. Trong

quá trình phân huỷ yếm khí sinh ra các sản phẩm nhƣ H2S, NH3, CH4,..làm cho

nƣớc có mùi hôi thối và làm giảm pH của môi trƣờng.

 SS: lắng đọng ở nguồn tếp nhận, gây điều kiện yếm khí.

 Nhiệt độ: nhiệt độ của nƣớc thải sinh hoạt thƣờng không ảnh hƣởng đến đời

sống của thuỷ sinh vật nƣớc.

 Vi trùng gây bệnh: gây ra các bệnh lan truyền bằng đƣờng nƣớc nhƣ tiêu

chảy, ngộ độc thức ăn, vàng da,…

 Ammonia, Phốt pho: đây là những nguyên tố dinh dƣỡng đa lƣợng. NếU

nồng độ trong nƣớc quá cao dẫn đến hiện tƣợng phú dƣỡng hoá ( sự phát triển bùng

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

phát của các loại tảo, làm cho nồng độ oxy trong nƣớc rất thấp vào ban đêm gây

Trang 51 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

ngạt thở và diệt vong các sinh vật, trong khi đó vào ban ngày nồng độ oxy rất cao

do quá trình hô hấp của tảo thải ra ).

 Màu: mất mỹ quan.

 Dầu mỡ: gây mùi, ngăn cản khuếch tán oxy trên bề mặt.

6.3.2. Nƣớc thải công nghiệp

Nƣớc thải đƣợc sinh ra trong quá trình sản xuất từ các công đoạn sản xuất và

các hoạt động phục vụ cho sản xuất nhƣ nƣớc thải khi tiến hành vệ sinh công

nghiệp hay hoạt động sinh hoạt của công nhân viên. Nƣớc thải công nghiệp rất đa

dạng, khác nhau về thành phần cũng nhƣ lƣợng phát thải và phụ thuộc vào nhiều

yếu tố: loại hình công nghiệp loại hình công nghệ sử dụng, tính hiện đại của công

nghệ, tuổi thọ của thiết bị, trình độ quản lý của cơ sở và ý thức cán bộ công nhân

viên. Cơ sở để nhận biết và phân loại nhƣ sau: nƣớc thải đƣợc sản sinh từ nƣớc

không đƣợc dùng trực tiếp trong các công đoạn sản xuất, nhƣng tham gia các quá

trình tiếp xúc với các khí. chất lỏng hoặc chất rắn trong quá trình sản xuất. Loại này

có thể phát sinh liên tục hoặc không liên tục, nhƣng nói chung nếu sản xuất ổn định

thì có thể dễ dàng xác định đƣợc các đặc trƣng của chúng. Nƣớc thải đƣợc sản sinh

ngay trong bản thân quá trình sản xuất. Vì là một thành phần của vật chất tham gia

quá trình sản xuất, do đó chúng thƣờng là nƣớc thải có chứa nguyên liệu, hoá chất

hay phụ gia của quá trình và chính vì vậy những thành phần nguyên liệu hoá chất

này thƣờng có nồng độ cao và trong nhiều trƣờng hợp có thể đƣợc thu hồi lại. Ví dụ

nhƣ nƣớc thải này gồm có nƣớc thải từ quá trình mạ điện, nƣớc thải từ việc rửa hay

vệ sinh các thiết bị phản ứng, nƣớc chứa amonia hay phenol từ quá trình dập lửa của

công nghiệp than cốc,nƣớc ngƣng từ quá trình sản xuất giấy. Do đặc trƣng về nguồn

gốc phát sinh lên loại nên loại nƣớc thải này nhìn chung có nồng độ chất gây ô

nhiễm lớn, có thể mang tính nguy hại ở mức độ khác nhau tuỳ thuộc vào bản thân

quá trình công nghệ và phƣơng thức thải bỏ. Nƣớc thải loại này cũng có thể có

nguồn gốctừ các sự cố rò rỉ sản phẩm hoặc nguyên liệu trong quá trình sản xuất, lƣu

chứa hay bảo quản sản phẩm, nguyên liệu. Thông thƣờng các dòng nƣớc thải sinh ra

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

từ các công đoạn khác nhau của toàn bộ quá trình sản xuất sau khi đƣợc sử lý ở mức

Trang 52 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

độ nào đó hoặc không đƣợc xử lý, đƣợc gộp lại thành dòng thải cuối cùng để thải

vào môi trƣờng (hệ thống cống, lƣu vực tự nhiên nhƣ sông, ao hồ...). Có một điều

cần nhấn mạnh: thực tiễn phổ biến ở các đơn vị sản xuất, do nhiều nguyên nhân,

việc phân lập các dòng thải (chất thải lỏng, dòng thải có nồng độ chất ô nhiễm cao

với các dòng thải có tải lƣợng gây ô nhiễm thấp nhƣng lại phát sinh với lƣợng lớn

nhƣ nƣớc làm mát, nƣớc thải sinh hoạt, nƣớc mƣa chảy tràn...) cũng nhƣ việc tuần

hoàn sử dụng lại các dòng nƣớc thải ở từng khâu của dây chuyền sản xuất, thƣờng ít

đƣợc thực hiện. Về mặt kinh tế, nếu thực hiện tốt 2 khâu này sẽ giúp doanh nghiệp

giảm đáng kể chi phí sản xuất, chi phí xử lý nƣớc thải . Thƣờng phân loại nƣớc thải

công nghiệp theo các ngành công nghiệp sản sinh ra nƣớc thải đó nhƣng cũng có

thể phân loại các chất ô nhiễm trong nƣớc thải theo phƣơng pháp đƣợc sử dụng để

xử lý.

6.3.3. Nƣớc mƣa chảy tràn

Nƣớc tràn mặt do mƣa. nƣớc thẩm lậu là tất cả các loại nƣớc chảy vào hệ

thống cống rãnh do sự rò rỉ, bể vỡ đƣờng ống hoặc thấm qua tƣờng chắn. Nƣớc

chảy tràn là lƣợng nƣớc mƣa chảy vào hệ thống cống rãnh từ hệ thống tiêu nƣớc

mƣa, mái nhà, hè phố, ...

6.3.4. Các hoạt động từ tàu thuyền

Ƣớc tính khoảng 1 tỷ tấn dầu đƣợc chở bằng đƣờng biển mỗi năm. Một phần

của khối lƣợng này, khoảng 0,1 - 0,3% đƣợc ném ra biển một cách tƣơng đối hợp

pháp: đó là sự rửa các tàu dầu bằng nƣớc biển. Các tai nạn đắm tàu chở dầu là tƣơng

đối thƣờng xuyên. Ðã có 129 tai nạn tàu dầu từ 1973 - 1975, làm ô nhiễm biển bởi

340.000 tấn dầu (Ramade, 1989).

6.3.5. Các nguyên nhân khác

-Thổ nhƣỡng (đất trồng):

-Sinh vật

-Các yếu tố khác bao gồm : khí hậu, địa hình, chế độ thuỷ văn, sự phát triển

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

của hệ thực vật thuỷ sinh…

Trang 53 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

CHƢƠNG 7. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MÔ HÌNH CHẤT LƢỢNG NƢỚC

7.1. Các phƣơng trình cơ bản

Mô tả sự xáo trộn và lan truyền các chất ô nhiễm trong dòng chảy dựa trên cơ

sở lý thuyết của quá trình khuếch tán rối. Lý thuyết này đã đƣợc thừa nhận rộng rãi

trên thế giới. Phƣơng trình vi phân cơ bản mô tả quá trình lan truyền và khuếch tán

rối vật chất trong dòng chảy dựa trên các giả thiết cơ bản sau :

- Chất lỏng không nén.

- Trị số Reynold đủ lớn để không xét đến hiệu ứng của quá trình khuếch tán

phân tử.

-Số lƣợng các chất giải phóng trong một đơn vị thời gian trên một đơn vị thể

tích là rất nhỏ và bỏ qua ảnh hƣởng của chúng đến cấu trúc của dòng chảy.

Trên cơ sở định luật bảo toàn khối lƣợng, phƣơng trình vi phân mô tả quá

trình xáo trộn, lan truyền và chuyển hóa các chất ô nhiễm trong chất lỏng lý tƣởng-

phƣơng trình tải.

-Khuếch tán nhƣ sau :

Trong đó :

Dx, Dy, Dz - Hệ số khuếch tán phân tử, m2/s.

ux, uy, uz - Vận tốc dòng chảy theo các phƣơng x,y,z, m/s.

F(S) - Số hạng đặc trƣng cho quá trình chuyển hoá các chất ô nhiễm bởi

các quá trình vật lý, hoá học và sinh học diễn ra trong dòng chảy.

Phƣơng trình (2.1) là phƣơng trình lý thuyết nửa kinh nghiệm mô tả quá trình

tải và khuếch tán đối lƣu vật chất trong dòng chảy. Khi áp dụng phƣơng trình vi

phân (2.1) giải bài toán xác định sự xáo trộn vật chất trong dòng chảy rối trong

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

đƣờng ống, Taylor (1954) từ các nghiên cứu thực nghiệm kiến nghị sử dụng hệ số

Trang 54 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

khuếch tán tích phân để có thể xem xét ảnh hƣởng của trƣờng vận tốc trên tiết diện

của mặt cắt ƣớt đến quá trình khuếch tán rối vật chất.

Từ các nghiên cứu trên, phƣơng trình vi phân (2.1) mô tả sự khuếch tán rối

vật chất trong dòng chảy đƣợc viết lại là :

Trong đó :

εx; εy; εz - Hệ số khuếch tán rối tích phân tại điểm đang xét, hệ số xáo

trộn rối theo các phƣơng x,y,z.

Từ các phƣơng trình (2.1), (2.2) cho thấy sự lan truyền các chất trong dòng

chảy rối trong mọi trƣờng hợp phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy tại điểm đang xét.

Trong dòng chảy tự nhiên, trên kênh, sông... sự xáo trộn, khuếch tán của các chất tại

một điểm luôn luôn chịu ảnh hƣởng của trƣờng vận tốc theo phƣơng ngang và

phƣơng thẳng đứng, để làm rỏ sự khác biệt này so với dòng chảy trong ống thƣờng

sử dụng hệ số phân tán rối. Phƣơng trình 2.2 đƣợc viết lại là :

Trong đó :

Ex Ey Ez - Hệ số (phân tán rối) khuếch tán rối vật chất theo phƣơng x,y,z tại mặt cắt.

Nhƣ vậy, quá trình phân tán rối vật chất trong dòng chảy là tổ hợp của quá trình

khuếch tán rối vật chất trong trƣờng vận tốc dòng chảy có hƣớng và vận tốc khác

nhau.

7.2. Hệ số khuếch tán rối

Nhƣ đã phân tích ở trên, sự khuếch tán vật chất trong dòng chảy là quá trình

khuếch tán phân tử qua màng và khuếch tán đối lƣu. Hệ số khuếch tán rối chịu ảnh

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

hƣởng của sự xáo trộn giữa các lớp dòng chảy rối có vận tốc khác nhau qua mặt cắt

Trang 55 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

ngang /2,10,11/. Các phƣơng xáo trộn của nƣớc thải với nƣớc sông tại một điểm

trên mặt cắt ngang dòng chảy đƣợc thể hiện ở hình 2:

Hình.2 Các phƣơng xáo trộn của dòng chảy.

Trong thực tế, các hệ số khuếch tán rối thƣờng đƣợc xác định giá trị trung

bình với tiết diện mặt cắt ƣớt của dòng chảy, không phụ thuộc vào tọa độ điểm tính

toán và độ lớn của nó phụ thuộc vào các yếu tố thủy lực của dòng chảy tại mặt cắt.

• Hệ số khuếch tán rối theo phƣơng thẳng đứng εz:

Hệ số khuếch tán rối theo chiều thẳng đứng tại một điểm trên mặt cắt ngang

đƣợc xác định theo công thức :

Với :

: vận tốc trƣợt (vận tốc động lực) của dòng chảy tại mặt cắt.

z : tọa độ điểm tính toán, m.

k : hệ số rối Von Karman (k ≈ 0,40 ).

d : chiều sâu trung bình của dòng chảy tại mặt cắt.

S : độ dốc đáy của dòng chảy, m/m.

g : gia tốc trọng trƣờng, m/s2.

Gọi là hệ số khuếch tán rối trung bình cho mặt cắt.

Jobson và Sayer (1970) ; Csanady (1976) bằng các nghiên cứu thực nghiệm

Xác định hệ số khuếch tán rối và đề xuất công thức kinh nghiệm về hệ số khuếch

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

tán rối εz tại một mặt cắt ngang của dòng chảy.

Trang 56 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

• Hệ số xáo trộn theo phƣơng ngang εy:

Fischer (1967,1969) bằng thực nghiệm xác định hệ số khuếch tán rối và đƣa

ra công thức tính hệ số khuếch tán rối εy tại một điểm trên mặt cắt ngang của dòng

chảy.

(2.6)

Lau và Krishnapan (1977) bằng các thực nghiệm trong các dòng chảy tự

nhiên trên kênh, sông có các chế độ chảy khác nhau, kiến nghị mức độ sai số của hệ

số εy. Dòng chảy trong kênh thẳng hình thang :

(2.7)

Sông có chế độ chảy êm : (2.8)

Sông hình dạng cong, khúc khủy : (2.9)

Trong đó :

:vận tốc trung bình tại mặt cắt ngang dòng chảy, L.T-1

Rc :bán kính thủy lực, L

d : chiều sâu trung bình, L.

Từ công thức (2.5) và (2.6) dễ dàng nhận thấy εz, εy ≈ 10 nhƣ vậy quá trình

khuếch tán rối theo phƣơng ngang của dòng chảy lớn hơn rất nhiều so với quá trình

khuếch tán rối theo phƣơng thẳng đứng.

• Hệ số khuếch tán rối εx:

Tƣơng tự nhƣ việc xác định εz và εy , Elder (1959) bằng thực nghiệm đã xác

định hệ số khuếch tán rối tại một điểm trên mặt cắt ngang theo chiều dòng chảy εx.

(2.10)

So sánh εx; εy và εz cho thấy : εx >> εy >> εz nhƣ vậy quá trình xáo trộn và pha

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

loảng các chất ô nhiễm diễn ra chủ yếu theo theo chiều của dòng chảy. Hay nói một

Trang 57 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

cách khác sự xáo trộn, khuếch tán rối chất ô nhiễm tại một điểm nào đó tại mặt một

điểm nào đó trên cắt ngang dòng chảy chịu ảnh hƣởng chủ yếu vào trƣờng vận tốc

của dòng chảy tại mặt cắt ngang đó.

• Hệ số phân tán dọc dòng chảy Ex:

Khi xem xét ảnh hƣởng của trƣờng vận tốc tại mặt cắt ngang lên sự khuếch

tán dọc theo chiều dòng chảy Fischer (1967) kiến nghị thay thế hệ số khuếch tán rối

εx bằng hệ số phân tán dọc dòng chảy E . Hệ số này đƣợc xác định bằng cách chia

nhỏ mặt cắt dòng chảy ra thành nhiều đơn vị nhỏ để có thể xét đƣợc ảnh hƣởng của

trƣờng vận tốc tại mặt cắt lên sự xáo trộn và phân tán vật chất.

(2.11)

Với :

w : chiều rộng của dòng chảy tại mặt cắt đang xét, L ui : vận tốc trung bình qua đơn vị mặt cắt i ,L.T-1 u : vận tốc trung bình trên toàn bộ mặt cắt, L.T-1

d : chiều sâu của mặt cắt đơn vị thứ i , L

εy = 0,6du* hệ số khuếch tán rối theo phƣơng ngang giữa tiết diện đơn vị mặt cắt

thứ i và i-1.

Tích phân (2.11) ta đƣợc hệ số phân tán theo chiều dòng chảy tại mặt cắt

ngang của dòng chảy.

Từ các số liệu thực nghiệm Fisher đề xuất công thức kinh nghiệm tính hệ số

phân tán dọc Ex tại mặt cắt ngang dòng chảy.

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

(2.12)

Trang 58 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Chết và phân hủy

7.3. Sự chuyển hoá các chất trong dòng chảy

Thực vật

Quang hợp

Hô hấp

Sinh trưởng

Chu trình Nitơ

Quang hợp

Oxy hòa tan

Bùn đáy

Hô hấp

Vẩn nổi

Làm thoáng

Tảo

Lắng

Chết và phân hủy

BOD

Chất thải từ bên ngoài

Hình 2.1. Sơ đồ các quá trình chuyển hoá các chất hữu cơ trong dòng chảy

Từ sơ đồ ở hình 2.1 cho thấy sự thay đổi nồng độ các chất hữu cơ dễ phân

hủy trong dòng chảy có liên quan đến các quá trình : vật lý, hóa học và sinh học

diễn ra trong dòng chảy. Các quá trình phân hủy sinh học, chuyển hóa đều có liên

quan đến các quá trình sinh thái diễn ra trong dòng chảy : sự phát triển của thực vật

nƣớc, và các quá trình có liên quan khác ...

7.3.1. Chu trình nitơ trong nguồn nƣớc và quá trình nitrat hóa

 Chu trình tuần hoàn nitơ:

Nitơ cùng với phốt pho và các bon là các thành phần dinh dƣỡng chủ yếu ảnh

hƣởng đến sự sản xuất trong thủy vực nƣớc. Tồn tại trong nƣớc dƣới một số dạng

nhƣ nitơ hữu cơ, nitơ amôn, nitơrit, nitrat...Chu trình nitơ trong nƣớc đƣợc mô tả

trong hình 2.2.

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

 Quá trình nitrat hóa:

Trang 59 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Quá trình amôn hóa các hợp chất hữu cơ có chứa nitơ, nhƣ urê CO(NH2)2,

nhóm amin...do từ các nguồn thải đƣa vào dòng chảy đƣợc thực hiện bởi các vi sinh

vật gây thối rửa nhƣ các loài Pseudomonas Flucrecens, P.aerugisa, Protens-

Vulgarie...theo các phản ứng thủy phân sau:

Hình 2.3.Chu trình nitơ trong nƣớc

Sau đó trong nƣớc xảy ra quá trình nitrat hóa, chuyển hóa amomonia thành

nitrat.

Đây là quá trình hai giai đoạn đƣợc thực hiện bởi các vi sinh vật tự dƣỡng

nhƣ Nitrosomonas, nitrobacter ở đó chúng sử dụng các bon vô cơ (CO2) là nguồn

oxy

oxy

N2

cácbon.

+

-

Nuồn thải NH4

Nguồn thải NO3

Nguồn thải Nitơ hữu cơ

Nitơ hữu cơ

NH4-N

NO2-N

N03-N

Thủy phân

Nitro- somonas

Nitro- bacter

Khử Nitrat

Chết

Nitơ thực vật Nitơ động vật

Hình 2.3.Chu trình nitơ trong nguồn nƣớc sông

Các phản ứng đặc trƣng cho quá trình này đƣợc biểu thị bằng các phƣơng

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

trình sau:

Trang 60 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

+ + O2

NH4

Quá trình oxy hóa nitrit thành nitrat thƣờng diễn ra rất nhanh hơn nhiều so

với quá trình nitrat hóa. Phản ứng của quá trình có thể đƣợc viết lại là:

Sự chuyển hóa NH4+ thành NO3- đi kèm với việc tiêu thụ một lƣợng lớn oxy

hòa tan, vì vậy quá trình này có ảnh hƣởng đến cân bằng oxy trong dòng chảy.

Trong dòng chảy sông ngoài ra còn một quá trình quan trọng nữa là quá trình

tƣơng tác trao đổi giữa nitơ trong dòng chảy và nitơ ở trong các lớp bùn đáy. quá

trình này đƣợc thể hiện ở hình trên.

Động học của chu trình nitơ trong dòng chảy:

Quá trình thủy phân: (2.13)

Trong đó :

-Nồng độ các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ, mg-N/l.

-Hệ số tỷ lệ nitơ trong sinh khối tảo, mg-N/mg-A.

-Hệ số hô hấp của tảo, ngày-1

σ4 -Hệ số lắng của các hợp chất hữu cơ, ngày-1 β3-Hệ số thủy phân của các hợp chất hữu cơ, ngày-1

A -Nồng độ sinh khối tảo, mg-A/l

Quá trình ammôn hóa: (2.14 )

Trong đó :

NH4+

β1 -Nồng độ các hợp chất nitơ dạng ammôn, mg-N/l. -Hằng số tốc độ của quá trình oxy hóa 4 NH+ sang 2 NO−

-Nguồn 4 NH+ trong lớp bùn đáy σ3

F

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

μ -Hệ số tỷ lệ 4 NH+ tiêu thụ do tảo -Hệ số tốc độ sinh trƣởng của tảo, ngày-1

Trang 61 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Quá trình Nitrit hóa:

(2.15 )

Trong đó :

- Nồng độ các hợp chất nitơ dạng ammôn, mg-N/l

NH4+ NO2− - Nồng độ các hợp chất nitơ dạng nitrit, mg-N/l

β1

β2 -Hằng số tốc độ của quá trình oxy hóa NH 4 + sang NO2− , ngày-1 - Hằng số tốc độ của quá trình oxy hóa NO2 − sang NO3− , ngày-1

Quá trình Nitrat hóa:

(2.16)

Trong đó :

(1− F) -Hệ số tỷ lệ NO3 − tiêu thụ do tảo

7.3.2. Sự phân hủy các chất hữu cơ

Quá trình phân huỷ sinh hoá các chất hữu cơ:

Tốc độ phân hủy sinh hóa các chất hữu cơ trong dòng chảy phụ thuộc vào tốc

độ phát triển các vi sinh vật, sự phát triển của các vi sinh vật tỷ lệ với tốc độ phát max và phụ thuộc vào nồng độ chất nền. Quá trình này đƣợc biểu thị triển lớn nhất μB

bằng phƣơng trình động học Monod:

(2.17)

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

Trong đó :

Trang 62 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

S -Nồng độ chất nền

-Hệ số tốc độ phát triển của vi khuẩn

μB

Y -Sản lƣợng vi khuẩn

B -Nồng độ sinh khối vi khuẩn

-Hằng số Michaelis

ks Đối với nhiều chất nền, ks có giá trị cỡ 10-1 μg/ml. Nếu giá trị này lớn hơn

đáng kể so với S , sự biến mất của chất nền là quá trình bậc một theo cả B và S.

Động học của quá trình phân hủy chất hữu cơ:

Giả thiết tốc độ phân hủy các chất hữu cơ tuân theo quy luật của phản ứng

bậc một. Quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong dòng chảy đƣợc mô tả bằng

phƣơng trình:

(2.18)

Trong đó :

- Hằng số tốc độ phân hủy các chất hữu cơ, ngày-1 kd

L -Nồng độ các chất hữu cơ theo BOD, mg/l

Hằng số này thay đổi theo thành phần các chất hữu cơ. Hằng số có giá trị

càng lớn, tốc độ phân hủy càng nhanh.

Sự phụ thuộc vào nhiệt độ T của hằng số tốc độ phân hủy các chất hữu cơ

đƣợc xác định bằng công thức Van't Hoft - Arrhenius :

(2.19)

Trong đó :

-Hằng số tốc độ tiêu thụ oxy -phản ứng phân hủy các chất hữu cơ (T-1)

kd

kd20 -Hằng số tốc độ tiêu thụ oxy ở nhiệt độ 20oC.

θ -Hệ số thực nghiệm (θ ≈ 1,048)

Ảnh hƣởng của dòng chảy đến sự thay đổi nồng độ các chất hữu cơ:

Trong dòng chảy tự nhiên, sự thay đổi nồng độ các chất hữu cơ phụ thuộc vào

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

chế độ thủy lực của dòng chảy (vận tốc dòng chảy, chế độ xáo trộn khối nƣớc thải

Trang 63 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

với nƣớc sông) đã có ảnh hƣởng của yếu tố dòng chảy đến sự thay đổi nồng độ các

chất hữu cơ trong dòng chảy. Do các quá trình nhƣ : thay đổi nồng độ do sự keo tụ,

lắng các chất hữu cơ dạng phân tán nhỏ.

Sơ đồ khối mô hình sự thay đổi nồng độ các chất hữu cơ theo BOD trong dòng

BOD

Các nguồn thải điểm, phân tán

Phân hủy hiếu khí

Lắng

Hình 2.4: Sơ đồ cấu trúc sự thay đổi BOD trong dòng chảy

chảy

Động học của quá trình

(2.20 )

Trong đó :

L -Nồng độ các chất hữu cơ theo BOD (mg/l) k1 ,kd -Hằng số tốc độ phân hủy các chất hữu cơ (ngày-1) k3 , ks -Hệ số tốc độ giảm các chất hữu cơ do quá trình lắng (ngày-1).

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

Hệ số tốc độ chuyển hoá các chất hữu cơ trong dòng chảy(kr=kd+ks=k1+k3)

Trang 64 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

7.3.3. Cân bằng oxy trong dòng chảy

Bổ sung do quá trình quang hợp

Trao đổi oxy tự nhiên

Nitrat hóa Khử nitrat hóa

Cân bằng oxy trong dòng chảy sông là khả năng chứa và quá trình hòa tan oxy

oxy hòa tan

Nhu cầu oxy phân hủy sinh hóa

Nhu cầu oxy do hô hấp

Nhu cầu oxy của bùn đáy

Hình. 2.5.Sơ đồ cân bằng oxy trong nguồn nƣớc

 Các quá trình ảnh hƣởng đến nồng độ oxy hòa tan:

-Các quá trình tiêu thụ oxy trong dòng chảy bao gồm : quá trình nitrat hóa và

khử nitrat hóa, quá trình hô hấp của hệ thực vật nƣớc, quá trình oxy hóa các chất ở

lớp bùn đáy và sự phân hủy các hợp chất hữu cơ.

-Các quá trình bổ sung lƣợng oxy hòa tan bao gồm : quá trình hòa tan và

khuếch tán oxy từ môi trƣờng không khí qua bề mặt thoáng, quá trình quang hợp

của hệ thực vật nƣớc. Nhƣ vậy, từ các phân tích các quá trình sinh hóa trong dòng

chảy ta có phƣơng trình tổng quát mô tả cân bằng oxy hòa tan trong dòng chảy :

(2.21)

Trong đó :

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

k2 (ka) - Hằng số tốc độ khuếch tán oxy qua bề mặt thoáng, ngày-1 k1(kd) - Hằng số tốc độ phân hủy các chất hữu cơ, ngày-1

Trang 65 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

A - Nồng độ sinh khối tảo, mgA/l

- Nhu cầu oxy của quá trình hô hấp trong lớp cặn đáy, mg/m2.ngđ. k4

DO - Nồng độ oxy hòa tan, mg/l

DOBH - Nồng độ oxy hòa tan trạng thái bão hòa, mg/l

L - Nồng độ chất hữu cơ theo BOD, mg/l

D - Chiều sâu cột nƣớc trung bình, m

α3 - Hệ số tốc độ sản xuất oxy do quá trình quang hợp của một đơn vị

sinh khối tảo, mgO/mgA.

- Hệ số tốc độ tiêu thụ oxy của quá trình hô hấp một đơn vị sinh khối α4

tảo, mgO/mgA.

- Hằng số tốc độ tiêu thụ oxy khi oxy hóa một đơn vị NH4+ α5

(mgO/mgN)

- Hằng số tốc độ tiêu thụ oxy khi oxy hóa một đơn vị NO2 - α6

(mgO/mgN)

μ

β1

β2

ξ - Hằng số tốc độ sinh trƣởng của tảo - Hằng số tốc độ của quá trình oxy hóa 4 NH+ sang 2 NO− ,ngày-1 - Hằng số tốc độ của quá trình oxy hóa 2 NO− sang 3 NO− , ngày-1 - Hệ số hô hấp của tảo, ngày-1

Quá trình khuếch tán oxy qua bề mặt thoáng

Quá trình hòa tan oxy từ không khí vào nƣớc sông đƣợc biểu thị bằng hệ số

ka. Hệ số này phụ thuộc vào mức độ thiếu hụt oxy trong dòng chảy, tốc độ hòa tan

theo định luật Henry. Các yếu tố phụ thuộc bao gồm : áp suất, nhiệt độ, diện tích bề

mặt thoáng và độ mặn... Trong dòng chảy sông, phụ thuộc vào sự chuyển động của

khối dòng chảy, nhiệt độ môi trƣờng không khí, nhiệt độ nƣớc và sự có mặt của các

chất hoạt tính bề mặt trong nguồn nƣớc sông và đƣợc xác định bằng các công thức

thực nghiệm đối với các dòng chảy có các chế độ thủy lực khác nhau. Các công

thức thực nghiệm về hằng số tốc độ thông khí (reaeration) trong dòng chảy thƣờng

đƣợc biểu thị theo tốc độ dòng chảy và chiều sâu cột nƣớc hoặc sự phân tán các chất

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

và chiều sâu cột nƣớc.

Trang 66 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Các công thức thực nghiệm:

Hàm của tốc độ dòng chảy và chiều sâu cột nƣớc.

 O'Connor và Dobbin's: (2.22)

 Owen - Edwards - Gibbs (2.23)

 Churchill - Elmore - Buckingham (2.24)

Trong đó :

-Giá trị logarit tự nhiên -hằng số tốc độ tái hòa tan oxy(ngày-1) ka

-Vận tốc trung bình dòng chảy, m/s u

H

Q

-Chiều sâu trung bình, m. -Lƣu lƣợng của dòng chảy, m3/s -Thời gian, ngày-1. t

Hàm của tốc độ dòng chảy, sự phân tán và chiều sâu cột nƣớc.

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

(2.25)

Trang 67 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

CHƢƠNG 8. THIẾT LẬP MÔ HÌNH CHẤT LƢỢNG NƢỚC, MÔ HÌNH DO&BOD

8.1. Các bƣớc thực hiện xây dựng mô hình chất lƣợng nƣớc

8.1.1. Bƣớc đầu

- Mục đích của việc xây dựng mô hình, vấn đề đặt ra để nghiên cứu là vấn

đề gì, tính cấp thiết của vấn đề cần nghiên cứu.

- Vấn đề nghiên cứu: cái gì sẽ chuyển biến, thay đổi và sẽ xảy ra trong dòng

chảy mà chúng ta nghiên cứu.

- Khả năng cho phép chúng ta nghiên cứu. Các yếu tố cần xác định cũng

nhƣ khả năng và điều kiện cho phép chúng ta có thể xác định đƣợc...

- Các vấn đề chính cần xác định: độ nhớt, tỷ trọng, dòng chảy, hệ số chuyển

hoá hay là các quá trình phú dƣỡng hoá cần xem xét...Các vấn đề cần đi sâu

nghiên cứu, các vấn đề cần giới hạn.

8.1.2. Bƣớc tiếp theo

- Cân nhắc lựa chọn mô hình để nghiên cứu : mô hình vật lý hay mô hình

số (numericl model).

Mô hình vật lý: tốn kém do việc phải xây dựng một mô hình thu nhỏ, chi phí

vận hành và hiệu chỉnh các thông số mô phỏng điều kiện tự nhiên ...tốn kém và đòi

hỏi các nhóm chuyên gia có kinh nghiệm lâu năm trong lĩnh vực này.

Mô hình số: cân nhắc lựa chọn giữa mô hình 1D,2D và 3D. Khoảng

thời gian tính toán với các hệ số. Trung bình trong một chu kỳ thời gian hay tức

thời.

Mô hình 1 chiều (1D) : kinh tế thoả mãn yêu cầu. Việc tính toán đơn giản và

có thể tính tay. Giúp chúng ta có thể xác định nhanh và có thể sơ bộ xác định đƣợc

các các hệ số trong quá trình khảo sát và đo đạc thực nghiệm để hiệu chỉnh mô hình.

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

Các loại mô hình này rất phổ biến do số liệu đầu vào đơn giản hơn rất nhiều.

Trang 68 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

8.2. Lựa chọn mô hình chất lƣợng nƣớc

8.2.1. Lựa chọn mô hình

Việc lựa chọn mô hình chất lƣợng nƣớc : cần xem xét mô hình nào là thích

hợp cho đối tƣợng mà chúng ta nghiên cứu dựa trên cơ sở lý thuyết. Thƣờng vấn đề

này đã có ngƣời khác lựa chọn vấn đề này giúp chúng ta rồi. Đó là các mô hình đã

sử dụng rất rộng rãi gần hơn 100 năm của lịch sử phát triển MHCLN. Tuy nhiên cần

lƣu ý : trong các mô hình chất lƣợng nƣớc đã sử dụng rộng rãi thì các hệ số, các sai

số trong điều kiện thực tế của họ đã đƣợc hiệu chỉnh trong điều kiện cụ thể của họ.

Nhƣ vậy, chúng có sự thừa nhận trong con mắt của rất nhiều ngƣời (những ngƣời

thừa nhận mô hình). Nhƣng khi áp dụng vào điều kiện thực tế của chúng ta sẽ xuất

hiện các vấn đề:

-Kinh phí đầy đủ để mua toàn bộ chƣơng trình tính toán.

-Các dữ liệu, các hệ số có thể thu thập và xác định trong điều kiện cụ thể trên

đối tƣợng của bạn hay không. Nếu không có đủ sẽ xảy ra vấn đề là : đối tƣợng

nghiên cứu của bạn một phần sẽ trong điều kiện của địa phƣơng nghiên cứu và một

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

phần sẽ nằm tại địa điểm của ngƣời xây dựng chƣơng trình này.

Trang 69 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Quá tr×nh lan truyÒn chÊt

D÷ liÖu Chuæi sè liÖu

Lý thuyÕt

Ph¸t triÓn lý thuyÕt

M« h×nh so s¸nh

Ph ¬ng

ph¸p sè

M« h×nh míi

Tæng qu¸t tÝnh to¸n

Chuæi sè liÖu

KiÓm tra,so s¸nh víi c¸c sè liÖu ®o

HiÖu chØnh

Chuæi sè liÖu

Áp dông vµo tÝnh to¸n

Söa ch÷a

Dù b¸o chÊt l îng n íc

KiÓm tra

Chuæi sè liÖu

ChÊt l îng n íc thùc tÕ

H×nh 3.1. S¬ ®å thiÕt lËp m« h×nh chÊt l îng n íc

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

Ứng dông s¬ bé

Trang 70 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Vấn đề này, có thể ví dụ nhƣ một chiếc ô tô có thể là rất thích hợp, rất tốt

trong điều kiện ôn đới nhƣng nó có thể trở thành không có giá trị trong điều kiện

nhiệt đới. Không có sản phẩm thƣơng mại nào mà có thể áp dụng cho mọi đối

tƣợng. Nhƣ vậy khi muốn sử dụng một chƣơng trình có sẵn cần thiết phải có hiểu

rất sâu về các giới hạn, các điều kiện biên, các hệ số của chƣơng trình để có thể cải

tiến và hiệu chỉnh cần thiết.

Điều kiện tiên quyết ở đây là: bạn phải xây dựng và lựa chọn các hệ số

trong điều kiện cụ thể của bạn.

8.2.2. Sự phát triển lý thuyết của vấn đề

Việc đầu tiên cần phát triển lý thuyết của vấn đề của bạn với đối tƣợng cụ

thể mà cần xem xét và đánh giá. Phát triển lý thuyết các vấn đề: phƣơng trình

chuyển động, phƣơng trình liên tục và phƣơng trình lan truyền chất.

Quan điểm của Albert Einstein: mỗi mô hình cần phải thoả mãn yêu cầu của thực

tiễn và càng đơn giản càng tốt, trừ phi không thể đơn giản hơn.

8.3. Các phƣơng pháp số tính toán sự lan truyền các chất ô nhiễm trong dòng chảy

8.3.1. Các phƣơng pháp số trong nghiên cứu mô hình thủy lực

Trong tự nhiên dòng chảy thƣờng không ổn định, ở đó các yếu tố thủy lực

tại một mặt cắt thay đổi theo thời gian (chuyển động không dừng). Chuyển động

không ổn định đƣợc chia thành hai loại: chuyển động không ổn định thay đổi gấp,

và chuyển động không ổn định thay đổi chậm dần.

Phƣơng trình cơ bản của dòng chảy là tập hợp hệ thống hai phƣơng trình đạo

hàm riêng phi tuyến có các hệ số biến đổi dạng Hyperbolic. Phƣơng pháp số để giải

loại phƣơng trình này gặp một số trở ngại trong việc đặt các điều kiện biên.

Việc tích phân hệ phƣơng trình này gặp nhiều khó khăn, chỉ có thể tìm đƣợc

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

nghiệm trong một vài trƣờng hợp đặc biệt nhƣ kênh có tiết diẹn hình chữ nhật, đáy

Trang 71 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

nằm ngang và bỏ qua sức cản. Các điều kiện này rất khác xa so với điều kiện thực

tế.

Hiện nay, các phƣơng pháp số đƣợc sử dụng để tính gần đúng cho dòng ổn

định thay đổi chậm dần bao gồm : phƣơng pháp giải tích, phƣơng pháp đƣờng đặc

trƣng và phƣơng pháp sai phân hữu hạn.

Phƣơng pháp tích phân toán học chặt chẽ đƣợc sử dụng để tìm nghiệm giải

tích của hệ phƣơng trình trên. Theo phƣơng pháp này, cần có những giả thiết để

đƣa hệ phƣơng trình Saint-Vennnant về dạng đơn giản, rồi tích phân các phƣơng

trình này với các giả thiết là mặt cắt sông hình chữ nhật hay lăng trụ, độ dốc bằng

không hoặc bằng hằng số, độ nhám cố định, bỏ qua sức cản...

Nhờ các giả thiết trên, các phƣơng trình vi phân đạo hàm riêng phi tuyến

đƣợc biến đổi thành phƣơng trình vi phân đạo hàm riêng tuyến tính. Để giải đƣợc

các bài toán dạng không ổn định.

 Phƣơng pháp sai phân hữu hạn:

Phƣơng pháp sai phân là biến đổi từ hệ phƣơng trình vi phân đạo hàm riêng

Saint-Vennant thành hệ phƣơng trình đại số phi tuyến do tính chất phi tuyến của hệ

phƣơng trình Saint-Venannt. Sau đó thực hiện việc tuyến tính hóa hệ phƣơng trình

đại số phi tuyến và giải hệ phƣơng trình thu nhận đƣợc các giá trị về các yếu tố thủy

lực cần biết trên các nút lƣới tính toán.

Phƣơng pháp sai phân để giải bài toán thủy động lực một chiều đã đƣợc các

tác giả nghiên cứu, nhƣ J.A.Cung, C.Lai, V.Bellos, F.Ionescu...với các phƣơng

pháp sai phân theo các sơ đồ khác nhau.

Có hai phƣơng pháp sai phân : phƣơng pháp sai phân theo sơ đồ ẩn và

phƣơng pháp sai phân theo sơ đồ hiện. Mỗi một phƣơng pháp có những mặt mạnh

khác nhau.

 Phƣơng pháp sai phân sơ đồ hiện :

Nếu sau phép sai phân hệ hai phƣơng trình đại số với hai ẩn số và có thể

giải ngay đƣợc hai ẩn số đó hoặc giá trị của hàm ẩn tại các nút lƣới đƣợc xác định

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

một cách riêng lẽ không cần các phƣơng trình tại các nút lƣới khác thì sơ đồ sai

Trang 72 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

phân đƣợc gọi là sơ đồ hiện. Các sơ đồ sai phân : tam giác cân ngƣợc, tam giác

cân thuận, sơ đồ hình thoi trung tâm...ƣu điểm của sơ đồ hiện là sự đơn giản của

việc tính toán và lập chƣơng trình. Nhƣng lạ không cho chúng ta tính toán với các

bƣớc thời gian lớn, vì để sơ đồ sai phân ổn định giá trị bƣớc thời gian bị hạn chế

bởi điều kiện CFL(Courant-Friedric-Levi) dẫn tới việc lựa chọn thời gian tính toán

bé không thích hợp cho các bài toán yêu cầu tính toán với các chu kỳ dài.

 Phƣơng pháp sai phân sơ đồ ẩn :

Trong trƣờng hợp sau khi sai phân, số hàm ẩn lớn hơn hai thì phải áp dụng

sai phân cho một lớp các điểm rời rạc. Cùng với các điều kiện biên sau khi tuyến

tính hóa ta đƣợc hệ phƣơng trình đại số tuyến tính đóng kín. Giải hệ phƣơng trình

đại số này ta có nghiệm ở một loạt các điểm mà chúng ta cần tính toán. Với sơ đồ

ẩn việc tính toán các giá trị hàm ẩn tại một nút nào đó đòi hỏi phái giải đồng thời

một hệ phƣơng trình của tất cả các nút ở cùng một thời điểm, còn bƣớc thời gian

đƣợc chọn theo quan điểm của độ chính xác chứ không phải theo tính ổn định. Các

sơ đồ ẩn trở nên rất thuận tiện cho việc tính toán dòng chảy không ổn định trong

mạng kênh sông có lòng dẫn phức tạp, nhƣợc điểm là việc giải hệ phƣơng trình tại

mỗi bƣớc thời gian cần phải tính lặp, có khối lƣợng tính toán lớn, đòi hỏi bộ nhớ

và thời gian tính toán lớn hơn.

8.3.2. Phƣơng pháp số giải bài toán lan truyền chất

Các phƣơng pháp giải tích hầu nhƣ không thể áp dụng để tìm nghiệm tổng

quát của bài toán tải-khuếch tán trong trƣờng hợp tổng quát. Chỉ đƣợc áp dụng

trong trƣờng hợp với giả thiết dòng chảy với chế độ ổn định...Cách giải phổ biến

là các phƣơng pháp số : phƣơng pháp sai phân hữu hạn, phƣơng pháp phần tử hữu

hạn. Hai phƣơng pháp này có những ƣu và hạn chế khác nhau.

Phƣơng trình tải-khuếch tán là phƣơng trình dạng Parabolic, đƣợc giải bằng

một số phƣơng pháp số quen thuộc, nhƣ phƣơng pháp sai phân hữu hạn, phƣơng

pháp phần tử hữu hạn, phƣơng pháp đƣờng đặc trƣng. Các phƣơng pháp sai phân

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

cho bài toán loại này : phƣơng pháp Lax-Richardson, phƣơng pháp Upwin, phƣơng

Trang 73 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

pháp Leonard, phƣơng pháp Duford-Frankel, phƣơng pháp Lax-Wendroff, phƣơng

pháp Crank-Nicolson, sơ đồ Brian-Stone, phƣơng pháp sai phân theo hƣớng,

phƣơng pháp sai phân trung tâm.

8.4. Các mô hình BOD & D (DO) trong dòng chảy

8.4.1. Phƣơng trình cơ bản

Phƣơng trình cơ bản mô tả sự lan truyền và phân bố vật chất trong dòng chảy

đƣợc gọi là phƣơng trình tải-phân tán vật chất trong dòng chảy. Trên cơ sở định luật

bảo toàn khối lƣợng ta có :

(1.1)

Trong đó :

C -Nồng độ các chất trong dòng chảy, mg/l.

-Thành phần vận tốc trong dòng chảy, m/s.

ux,uy,uz

Ex, Ey, Ez -Hệ số phân tán rối vật chất trong dòng chảy, m2/s.

F(s) -Hàm số mô tả sự thay đổi các chất trong dòng chảy do các quá trình

vật lý, hóa học và sinh học.

Với giả thiết, bỏ qua sự tải do vận tốc dòng chảy, quá trình khuếch tán theo

các phƣơng oy, oz từ phƣơng trình (1.1) ta có phơng trình mô tả quá trình lan

truyền-khuếch tán các chất hữu cơ tại một điểm trong dòng chảy.

(1.2)

Trong các nghiên cứu ban đầu cũng nhƣ ứng dụng các MHCLN cho các dòng

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

chảy sông rộng, cửa sông thƣờng đợc xem xét trong không gian một chiều.

Trang 74 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

8.4.2. Phƣơng trình cổ điển Streeter-Phelps

Các nghiên cứu về sự lan truyền, chuyển hóa các chất hữu cơ trong dòng chảy

đều dựa trên cơ sở phơng trình cổ điển Streeter-Phelps với các giả thiết sau:

-Tốc độ phân huỷ các chất hữu cơ tuân theo quy luật phản ứng bậc nhất.

-Sự thiếu hụt oxy hoà tan (D) trong dòng chảy do sự phân huỷ các chất hữu

cơ.

-Chế độ lan truyền chất trong dòng chảy ổn định.

Năm 1925, Streeter và Phelps thiết lập phƣơng trình toán học mô tả quá trình

tiêu thụ oxy do sự phân hủy các chất hữu cơ trong dòng chảy.

Phƣơng trình Streeter-Phelps :

(1.3a)

(1.3b)

Trong điều kiện ổn định, giải hệ phƣơng trình (1.3a,b) bằng phƣơng pháp

tích phân cho kết quả về phân bố nồng độ các chất hữu cơ và độ thiếu hụt oxy hoà

tan (BOD &D) ở vùng hạ lƣu nguồn thải.

(1.4a)

(1.4b)

Trong đó :

u -Vận tốc trung bình của dòng chảy, m/s.

- Độ thiếu hụt oxy, mg/l.Tại điểm có toạ độ x=0 (điểm xáo D0

trộn nƣớc thải với nƣớc sông).

D - Độ thiếu hụt oxy, mg/l.

- Nồng độ các chất hữu cơ theo BOD, mg/l. Tại điểm có tọa L0

độ x=0 (điểm xáo trộn nƣớc thải với nƣớc sông).

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

L - Nồng độ các chất hữu cơ theo BOD, mg/l.

Trang 75 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

kd - Hằng số tốc độ tiêu thụ oxy do sự phân huỷ hợp chất hữu

cơ, ngày-1.

ka - Hằng số tốc độ hòa tan oxy qua bề mặt thoáng, ngày-1.

8.4.3. Các nghiên cứu phát triển trên cơ sở phƣơng trình Streeter-Phelps

Mô hình Streeter-Phelps (1.3a,b &1.4ab) chỉ kể đến các yếu tố tiêu thụ oxy

do quá trình hô hấp của vi khuẩn hiếu khí trong tầng nƣớc và hòa tan oxy qua bề

mặt thoáng khi trong nƣớc có sự thiếu hụt oxy hòa tan. Khi áp dụng cho các đối

tƣợng khác nhau cho thấy, độ tin cậy của mô hình còn thấp do chƣa đề cập đến các

yếu tố ảnh hƣởng đến phân bố BOD & DO trong dòng chảy nhƣ : quá trình quang

hợp và hô hấp của hệ thực vật nƣớc, hô hấp trong tầng cặn đáy, các quá trình

ammôn hoá, nitơrit, nitơrat...cũng nhƣ ảnh hƣởng của dòng chảy đến sự lan

truyền các chất trong dòng chảy nhƣ : quá trình lắng các chất lơ lửng, sự phân tán

các chất do dòng chảy rối, ảnh hƣởng của độ mặn và gió...

Quá trình hô hấp của lớp bùn đáy:

Giả thiết dòng chảy có lớp nƣớc nông với sự tích luỹ nhiều các chất hữu cơ

ở đáy dòng chảy, từ các phƣơng trình (1.3a,b) ta có:

(1.5)

Phân bố BOD & DO trong điều kiện ổn định là (1.4) và:

(1.6)

Trong đó :

S - Nhu cầu oxy của lớp cặn đáy, mgO/m2.ngày.

H - Chiều sâu lớp nƣớc, m.

 Quá trình oxyhoá các hợp chất chứa nitơ:

Bổ sung thêm quá trình tiêu thụ oxy do quá trình oxy hoá các hợp chất hữu

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

cơ chứa nitơ (quá trình nitrat hoá), từ (1.3a,b) ta có:

Trang 76 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

(1.7)

Độ thiếu hụt oxy D đƣợc xác định theo:

(1.8)

Trong đó :

N - Nồng độ các hợp chất chứa Nitơ theo NBOD, mg/l

kn -Hằng số tốc độ tiêu thụ oxy do quá trình nitrat hóa, ngày-1.

 Quá trình quang hợp-hô hấp:

Các phƣơng trình toán học mô tả sự thiếu hụt oxy do sự phân huỷ các chất

hữu cơ và quá trình quang hợp-hô hấp của hệ thực vật nƣớc.

(1.9)

Sự thiếu hụt oxy trong điều kiện ổn định :

Trong đó:

P - Sản phẩm sơ cấp của quá trình quang hợp, mg/l.ngày

R - Lƣợng oxy tiêu hao do quá trình hô hấp, mg/l.ngày

 Quá trình lắng các chất lơ lửng:

Giả thiết, trong quá trình lan truyền một phần các chất hữu cơ dạng lơ lững,

phân tán lắng đọng, trong trờng hợp này, sự lan truyền các chất hữu cơ đợc mô tả

theo các phƣơng trình sau: với kr = kd + ks (*)

(**)

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

Tích phân phƣơng trình (*) và thế vào (**) ta có:

Trang 77 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Trong đó:

kr -Hệ số tốc độ chuyển hoá các chất hữu cơ trong dòng chảy,

ngày-1.

ks -Hệ số tốc độ thay đổi nồng độ các chất hữu cơ do các quá trình lắng đọng,

hấp thụ các chất hữu cơ trong dòng chảy, ngày-1.

 Quá trình phân tán vật chất trong dòng chảy:

Các sông rộng và vùng cửa sông với sự ảnh hởng của gió, dòng triều có chế

độ xáo trộn hết sức phức tạp việc mô phỏng cần xem xét và đánh giá đồng thời

ảnh hƣởng của các quá trình chính lên sự phân tán các chất ô nhiễm trong dòng

chảy. Các quá trình chính bao gồm: sự phân tán rối vật chất do chế độ xáo trộn

phức tạp. Các phƣơng trình cơ bản của quá trình :

(1.10)

(1.11)

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

Phân bố BOD & D trong điều kiện ổn định :

Trang 78 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Với ;

Trong đó:

Q - Lƣu lƣợng dòng chảy, m3/s.

W - Tải trọng thải của các chất ô nhiễm từ nguồn thải, mg/s.

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

E - Hệ số phân tán, m2/s.

Trang 79 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

CHƢƠNG 9. XÂY DỰNG MÔ HÌNH LAN TRUYỀN VÀ CHUYỂN HÓA CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG DÕNG CHẢY

9.1. Phƣơng trình sự lan truyền chất trong dòng chảy

Các mô hình chất lƣợng nƣớc trong dòng chảy thực chất là các phƣơng trình

toán học đƣợc dùng để mô tả các quá trình xáo trộn, pha loảng và chuyển hóa các

chất trong dòng chảy dựa trên cơ sở định luật bảo toàn khối lƣợng của các chất ô

nhiễm mà chúng ta đang xét trong dòng chảy. Thiết lập mô hình vận chuyển-khuếch

tán các chất trong dòng chảy dựa trên cơ sở các nguyên lý cơ bản là : sự thay đổi

theo thời gian của các chất hữu cơ trong một đơn vị thể tích V cho trƣớc nằm trong

dòng chảy do các nguyên nhân sau :

• Trao đổi khối lƣợng do quá trình khuếch tán vật chất qua diện tích mặt cắt

ngang. Đó là quá trình dịch chuyển của vật chất dƣới tác động của gradient nồng độ.

Quá trình này tuân thủ theo định luật Fick

• Sự thay đổi, chuyển hóa các chất trong dòng chảy do các quá trình chuyển

hóa sinh hóa và trao đổi vật chất trong dòng chảy. Cơ sở là các phản ứng trao đổi

ion, các phản ứng oxy hóa-khử, các quá trình sinh địa hóa, sự thủy phân các chất,

các quá trình vật lý, hóa học và sinh học. Xét một đơn vị thể tích V trong dòng chảy

(hình2.1), giả thiết rằng sự xáo trộn trong hệ thống là lý tƣởng, trên cơ sở định luật

bảo toàn khối lƣợng ta có:

Sự tích lũy vật chất = (lƣợng vật chất tải vào +lƣợng vật chất khuếch tán vào) -

(lƣợng vật chất tải ra +lƣợng vật chất khuếch tán ra) ± phản ứng chuyển hóa

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

Hình. 2.1Sơ đồ cân bằng vật chất trong một đơn vị thể tích

Trang 80 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Hay:

(9.1)

Trong đó :

E - Hệ số phân tán dọc dòng chảy, L2.T-1

V = AΔx

A - Diện tích mặt cắt ƣớt, L2

k -Hằng số tốc độ phân hủy, T-1

Chia hai vế cho V = AΔx và với giả thiết rằng trong khoảng thời gian đang

xét và khi Δx→0 tới ....) ta có phƣơng trinh vi phân một chiều mô phỏng

sự thay đổi nồng độ các chất ô nhiễm trên đoạn sông tính toán.

(9.2)

Hay: (9.3)

Trong dòng chảy tự nhiên, các giá trị (Q,A,x) là các hàm số thay đổi liên tục

theo thời gian cũng nhƣ không gian theo chiều dòng chảy. Với giả thiết rằng trên

đoạn sông chúng ta đang xét có sự bổ sung thêm hoặc lấy bớt đi các chất bởi một

nguyên nhân cơ học nào đó ( nguồn thải, hoặc các điểm lấy nƣớc...) từ (2.7) ta có

phƣơng trình tổng quát mô tả sự lan truyền các chất ô nhiễm trên dòng chảy mà

chúng ta cần xem xét và tính toán.

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

(9.4)

Trang 81 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Trong đó :

-Sự thay đổi nồng độ các chất ô nhiễm theo thời gian do các quá trình

vật lý, hóa học và sinh học trong dòng chảy.

E

Q -Hệ số phân tán dọc theo chiều dòng chảy,m2/s. -Lƣu lƣợng dòng chảy, m3/s.

A -Diện tích mặt cắt ƣớt, m2.

Từ phƣơng trình (2.8) trên các đoạn dòng chảy sông, cửa sông phƣơng trình

toán học mô tả quá trình lan truyền chất trong dòng chảy một chiều là:

(9.5)

Trong đó :

C - Nồng độ các chất ô nhiễm (mg/l)

K - Hằng số tốc độ chuyển hóa các chất ô nhiễm trong quá trình lan

truyền (ngày-1).

A - Diện tích mặt cắt ƣớt (m2) .

9.2. Tính toán sự lan truyền các chất ô nhiễm trong dòng chảy sông

Cơ sở toán học của mô hình mô phỏng chất lƣợng nƣớc gồm hai bài toán :

Bài toán thủy động lực một chiều vận chuyển vật chất các chất ô nhiễm dựa

trên cơ sở phƣơng trình bảo toàn khối lƣợng và động lƣợng và bài toán chuyển hóa

các chất ô nhiễm trong dòng chảy dựa trên cơ sở phƣơng trình cân bằng vật chất.

Các giả thiết khithiết lập mô hình toán học sự lan truyền các chất hữu cơ dễ phân

hủy sinh học theo BOD &DO đƣợc coi nhƣ là một hệ thống vận chuyển, tải -khuếch

tán một chiều các phản ứng sinh hóa xảy ra trong thủy vực dòng chảy là phản ứng

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

bậc một.

Trang 82 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

9.2.1. Các phƣơng trình toán của mô hình

Bài toán thủy động học một chiều

Các phƣơng trình thủy động học một chiều là các phƣơng trình vi phân đạo

hàm riêng phi tuyến mô tả các quá trình chảy trong kênh hở do Saint-Vennant đề

xuất. Dựa trên cơ sở định luật bảo toàn khối lƣợng và động lƣợng dựa trên cơ sở

một số giả thiết sau :

• Trong khuôn khổ lý thuyết nƣớc nông, coi áp lực phân bố là thủy tĩnh, tức

áp lực tăng tuyến tính với chiều sâu cột nƣớc.

• Mật độ nƣớc là hằng số, không phụ thuộc vào nồng độ vật chất và độ

muối.Từ đó dẫn đến sự bảo toàn khối lƣợng và thể tích tƣơng đƣơng.

• Ảnh hƣởng của ma sát và quá trình chảy rối có thể biểu thị

• Lực cản của đáy sông là nhỏ và có thể bỏ qua.

Bài toán thủy động lực một chiều trong dòng chảy đƣợc viết nhƣ sau :

(9.6)

Trong đó :

A -Diện tích mặt cắt ƣớt, L2.

T - Thời gian,T. Q - Lƣu lƣợng dòng chảy, L3.T-1. g - Gia tốc trọng trƣờng, L.T-2.

q - Lƣu lƣợng dòng gia nhập và lấy đi trên mmột đơn vị chiều dài dòng

chảy, L3.L-1T-1

n - Hệ số maning's.

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

R - Bán kính thuỷ lực, L

Trang 83 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Bài toán lan truyền chất hữu cơ trong dòng chảy

(9.7)

Trong đó :

Ex -Hệ số phân tán dọc dòng chảy (m2/s)

L -Nồng độ chất hữu cơ theo BOD (mg/l)

LBS -Nồng độ các chất hữu cơ theo BOD trong dòng gia nhập q(mg/l)

9.2.2.Tính toán sự lan truyền chất trong dòng chảy

Phƣơng pháp số bài toán dòng chảy không dừng một chiều:

Giải hệ phƣơng trình Saint-Venant bằng phƣơng pháp sai phân hữu hạn sơ đồ

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

ẩn 4 điểm Preissman.

Trang 84 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Hàm liên tục f (x,t) , các đạo hàm theo thời gian t và theo không gian x của

hàm f (x,t) đƣợc xấp xỉ bằng các biểu thức sai phân theo sơ đồ ẩn 4 điểm Preisman

trong hình 2.6 nhƣ sau :

(9.8)

(9.9)

-Giá trị của f tại điểm (x, t=n) Trong đó : n fj

Δt,Δx -Bƣớc thời gian và kích thƣớc của mắt lƣới sai phân

θ -Trọng số cân bằng dao động trong khoảng từ 0.5 -1.0

Sơ đồ ẩn 4 điểm Preisman có các ƣu điểm sau :

-Luôn ổn định với trọng số θ > 0.5

-Xấp xỉ tốt theo định luật bảo toàn.

-Cho kết quả đồng thời của hai biến số tại một điểm đồng thời của lƣới tính.

Các nghiên cứu cho thấy trọng số θ đóng một vai trò rất quan trọng trong

quan điểm tính toán. Khi θ < 0.5 thì sơ đồ đó là không ổn định vô điều kiện. Khi θ=

0.5 thì sơ đồ ổn định không bền vững và cho độ chính xác bậc hai. θ > 0.5 thì sơ đồ

ổn định vô điều kiện. Trong thực tế tính toán dòng không ổn định trong dòng chảy

sông, để sơ đồ tính ổn định vô điều kiện thƣờng chọn θ =0.7

Sơ đồ Preismann cho phép thiết lập lƣới tính mền dẻo với bƣớc lƣới Δx

không đều theo chiều không gian dòng chảy trong khi độ chính xác của phép xấp xỉ

không bị ảnh hƣởng. Hai biến số Q, Z đƣợc tính đồng thời tại cùng một điểm của

lƣới tính do đó dễ dàng kiểm nghiệm và hiệu chỉnh mô hình tính toán.

Bƣớc thời gian tính toán Δt là một trong những thông số quan trọng của bài

toán. Vì các mô hình dùng phƣơng pháp sai phân ẩn nên về nguyên tắc không hạn

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

chế bởi điều kiện Courant-Friedrich-Levy nhƣ với các sơ đồ hiện.

Trang 85 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Bài toán lan truyền chất ô nhiễm trong dòng chảy:

Sau khi xác định đƣợc các yếu tố đặc trƣng về dòng chảy : lƣu lƣợng, vận tốc

và diện tích mặt cắt ƣớt của đoạn sông cần tính toán, xác định hay giải bài toán lan

truyền chất trên dòng chảy. Việc tính toán tùy thuộc mục đích, yêu cầu bài toán lan

truyền chất đƣợc giải cho hai trƣờng hợp tƣơng ứng với hai trạng thái của dòng

chảy : trạng thái ổn định và trạng thái động lực.

Bài toán ổn định:

Với giả thiết chế độ dòng chảy ổn định, hoặc đƣợc coi nhƣ là ổn định trong

khoảng thời gian (chu kỳ triều) mà chúng ta cần xem xét, phƣơng trình vi phân 2.9

đƣợc viết cho nồng độ các chất hữu cơ trong dòng chảy nhƣ sau:

(9.10)

(9.11)

Trong đó :

u - Vận tốc trung bình của dòng chảy trong một chu kỳ triều,m/s.

E - Hệ số phân tán dọc dòng chảy trên đoạn sông tính toán,m2/s.

Giải phƣơng trình vi phân bậc 2 (2.32) và (2.33) bằng phƣơng pháp tích phân

với các điều kiện biên ta có kết quả : 2.35 , 2.36 và 2.37

L = Lo tại x = 0 ta có :

(9.12)

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

L = Lo tại x = 0 ta có :

Trang 86 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

(9.14)

Nồng độ chất hữu cơ ban đầu Lo đƣợc xác định trên cơ sở cân bằng vật chất

tại đoạn sông có nguồn thải. Với các giả thiết và lý luận tƣơng tự cân bằng vật chất

trên đoạn sông hình 2.1 ta có :

(9.15)

Tƣơng tự với sự thiếu hụt oxy ta có:

(9.16)

Trong đó:

ka - Hằng số tốc độ hòa tan oxy, ngày-1 kd - Hằng số tốc độ phân hủy các chợp chất hữu cơ, ngày-1 Q - Lƣu lƣợng dòng chảy,m3/s

D - Độ thiếu hụt oxy trong dòng chảy,mg/l.

L - Nồng độ các chất hữu cơ theo BOD,mg/l E - Hệ số phân tán các chất ô nhiễm trên đoạn sông,m2/s.

W -Tốc độ phát thải chất ô nhiễm từ các nguồn thải vào đoạn sông, mg/s.

9.3. Trình tự thiết lập mô hình chất lƣợng nƣớc

Trình tự tiến hành xây dựng mô hình chất lƣợng nƣớc cho dòng chảy sông

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

theo chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học đƣợc tiến hành theo các bƣớc sau :

Trang 87 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Mô hình thủy lực:

-Xác định các yếu tố ảnh hƣởng đến chế độ thủy lực của dòng chảy.

-Phân đoạn dòng chảy, xác định các điểm cần tính toán trên lƣới tính sai

phân.

-Giải hệ phƣơng trình, tính toán các thông số :

+Lƣu lƣợng dòng chảy trung bình tại các đoạn sông cần tính toán.

+ Vận tốc dòng chảy trung bình trên các đoạn sông. Các đoạn sông chịu ảnh

hƣởng của triều vận tốc đƣợc lấy theo giá trị trung bình cho một chu kỳ triều.

+Diện tích mặt cắt ƣớt đƣợc xác định bằng các số liệu thực đo làm cơ sở cho

các số liệu hiệu chỉnh mô hình thuỷ lực.

Mô hình lan truyền chất dễ phân hủy sinh học:

-Xác định các đặc trƣng cơ bản của quá trình lan truyền chất trên các đoạn

sông cần tính toán. Các yếu tố đặc trƣng cơ bản bao gồm :

Hệ số phân tán trên các vùng sông có chế độ thuỷ lực đặc trƣng : dòng chảy

ổn định tƣơng đối, dòng chảy thay đổi chậm dần và dòng chảy chịu ảnh hƣởng của

triều.

Hằng số tốc độ phân huỷ, chuyển hoá các chất hữu cơ trong dòng chảy.

-Xác định vị trí các nguồn thải, nồng độ các chất hữu cơ bổ sung trên các

đoạn sông.

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

- Giải phƣơng trình vi phân bằng phƣơng pháp sai phân.

Trang 88 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

CHƢƠNG 10. GIỚI THIỆU CÁC PHẦN MỀM MÔ PHỎNG CHẤT LƢỢNG

thông địa tin

NGUỒN NƢỚC. MÔ HÌNH QUAL 2K Mô hình lƣu vực sông: MIKE BASIN, MIKE SHE, MITSIM, REBASIN. Mô hình thuỷ văn: HSPF, SSARR, NAM, TANK, AR, ARIMA, SWMM. Mô hình thuỷ lực: VRSAP(GS. Nguyễn Nhƣ Khuê), MIKE11, MIKE 11 GIS, ISIS, SOBEK, WENDY, TELEMAC-2D. MIKE21, MIKE FLOOD, Hệ lý GIS: MAPINFO, ArcView... thống Mô hình chất lƣợng nƣớc: QUAL2E, QUAL2K, MIKE BASIN-WQ, MIKE 11 WQ, MIKE EcoLab, WAPS.

10.1. Mô hình HSPF (Hydrological Simulation Program Fortran (USEPA) (1984)

Mô hình HSPF (Chƣơng trình Fortran mô phỏng thủy văn) EPA Hoa Kỳ là

một chƣơng trình mô phỏng của thủy văn lƣu vực sông và chất lƣợng nƣớc cho cả

hai thông thƣờng và các chất ô nhiễm hữu cơ độc hại. Mô phỏng trong không gian 2

chiều ở trạng thái động lực với các thông số chất lƣợng nƣớc: các chất hoà tan, SS,

DO, các chất dinh dƣỡng và các loại vi khuẩn chỉ thị. Dự báo xu thế thay đổi chất

lƣợng nƣớc trong dòng chảy sau các trận mƣa và các thông tin về việc thu nƣớc ở

các kênh.

Mô hình HSPF sử dụng thông tin nhƣ lịch sử thời gian của lƣợng mƣa, nhiệt

độ và độ bức xạ mặt trời, mặt đất nhƣ đặc điểm sử dụng các mẫu đất; và thực tiễn

quản lý đất đai để mô phỏng các quá trình xảy ra trong lƣu vực. Kết quả của mô

phỏng này là một lịch sử thời gian của số lƣợng và chất lƣợng của dòng chảy từ một

hoặc nông nghiệp đô thị lƣu vực sông. Lƣu lƣợng, tải trầm tích, và các chất dinh

dƣỡng và thuốc trừ sâu nồng độ đƣợc dự đoán. HSPF bao gồm một hệ thống cơ sở

dữ liệu quản lý nội bộ để xử lý một lƣợng lớn mô phỏng đầu vào và đầu ra. HSPF

bao gồm mã nguồn, phiên bản thực thi của hƣớng dẫn sử dụng, và hỗ trợ kỹ thuật.

HSPF, thủy văn mô phỏng theo chƣơng trình Fortran, là một máy tính của

EPA có thể mô phỏng mô hình thủy văn lƣu vực sông và chất lƣợng nƣớc liên quan

cho cả hai truyền thống và độc chất ô nhiễm hữu cơ trên bề mặt đất không thấm

nƣớc và thấm nƣớc và trong các suối và hỗn hợp cũng impoundments. Mô hình kết

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

hợp các lƣu vực sông HSPF quy mô nông nghiệp Dòng chảy Model (ARM) và

Trang 89 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Non-điểm Nguồn (NPS) mô hình thành một khuôn khổ quy mô phân tích lƣu vực

bao gồm vận chuyển chất gây ô nhiễm và chuyển đổi trong dòng kênh.

Mô hình HSPF bao gồm một tập các module đƣợc sắp xếp theo một cấu trúc

phân cấp, trong đó cho phép mô phỏng liên tục của một loạt các thủy văn và các

quy trình chất lƣợng nƣớc. Kinh nghiệm với các mô hình tinh vi cho thấy rằng có

rất nhiều nỗ lực của con ngƣời đƣợc kết hợp với quản lý dữ liệu. Điều này thực tế,

thƣờng bị bỏ qua bởi các nhà xây dựng mô hình, có nghĩa là một mô hình thành

công toàn diện phải bao gồm một thành phần quản lý dữ liệu âm thanh. Các phần

mềm HSPF đƣợc lên kế hoạch quản lý xung quanh một loạt hệ điều hành thời gian

trên các nguyên tắc truy cập trực tiếp. Các module mô phỏng vẽ đầu vào từ một

Series thời gian Store và có khả năng viết ra cho nó. Bởi vì những yêu cầu chuyển

số hƣớng dẫn rất từ ngƣời dùng, các vấn đề nói trên đƣợc giảm thiểu.

Hệ thống HSPF đƣợc thiết kế để mô phỏng khác nhau và các module tiện ích

có thể đƣợc gọi thuận tiện, hoặc là cá nhân hoặc song song. Một tiếp cận từ trên

xuống nhấn mạnh thiết kế cấu trúc đã đƣợc theo sau. Trƣớc tiên, các khuôn khổ

tổng thể và hệ thống quản lý chuỗi thời gian đƣợc thiết kế. Sau đó, công việc tiến

triển ra các cấu trúc từ, cấp cao nhất chung nhất, một trong những chi tiết nhất thấp

nhất. Mỗi cấp đƣợc lên kế hoạch trƣớc khi mã đã đƣợc bằng văn bản. cấu trúc dữ

liệu thống nhất, số liệu logic, và quy ƣớc lập trình đƣợc sử dụng trong suốt.

Modules đƣợc tách theo chức năng nhƣ vậy đó, càng nhiều càng tốt, họ chỉ có

những hoạt động đó là duy nhất cho họ. Cấu trúc thiết kế đã làm cho hệ thống tƣơng

đối dễ dàng mở rộng để ngƣời dùng có thể thêm các module của riêng mình với ít

sự gián đoạn tƣơng đối của các mã hiện có.

10.2. Mô hình SWMM (Storm Water Management Model )

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

Storm mô hình quản lý nƣớc (SWMM)

Trang 90 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Storm của EPA mô hình quản lý nƣớc (SWMM) lần đầu tiên đƣợc phát triển

vào năm 1971, và từ đó đã trải qua một số nâng cấp lớn. Nó tiếp tục đƣợc sử dụng

rộng rãi trên khắp thế giới để phân tích, lập kế hoạch và thiết kế liên quan đến dòng

chảy nƣớc mƣa, cống kết hợp, hệ thống cống vệ sinh, và các hệ thống thoát nƣớc

khác trong khu vực thành thị, với nhiều ứng dụng trong khu vực không phải đô thị

là tốt.

Điều này nhằm mục đích thuỷ văn đô thị nói chung và phần mềm hệ thống

thủy lực vận chuyển là một lƣợng mƣa-dòng chảy mô hình mô phỏng năng động sử

dụng cho các sự kiện đơn lẻ hoặc dài hạn mô phỏng (liên tục) về số lƣợng và chất

lƣợng nƣớc thải từ các khu vực chủ yếu là đô thị. Các thành phần dòng chảy của

SWMM hoạt động trên một bộ sƣu tập của các khu vực subcatchment nhận đƣợc

lƣợng mƣa và tạo ra các dòng chảy và gây ô nhiễm tải. Các phần định tuyến của

dòng chảy này SWMM vận chuyển thông qua một hệ thống đƣờng ống, kênh, xử lý

các thiết bị lƣu trữ /, máy bơm, và điều chỉnh. SWMM theo dõi số lƣợng và chất

lƣợng của dòng chảy tạo ra trong mỗi subcatchment, và tốc độ dòng chảy, độ sâu

dòng chảy, và chất lƣợng của nƣớc trong mỗi ống và kênh trong một khoảng thời

gian mô phỏng bao gồm các bƣớc sau nhiều thời gian.

EPA gần đây đã mở rộng SWMM 5 đến mô hình một cách rõ ràng hiệu suất

thủy văn của các loại cụ thể của phát triển tác động thấp (LID) điều khiển, chẳng

hạn nhƣ vỉa hè xốp, sinh học lƣu giữ các khu vực (ví dụ nhƣ, vƣờn mƣa, mái nhà

màu xanh lá cây, và trồng đƣờng phố), thùng mƣa, xâm nhập chiến hào, và Swales

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

dƣỡng. Các mô hình cập nhật cho phép các kỹ sƣ và các nhà hoạch định chính xác

Trang 91 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

đại diện cho bất kỳ sự kết hợp của các điều khiển LID trong một khu vực nghiên

cứu để xác định hiệu quả của họ trong việc quản lý nƣớc mƣa và thoát nƣớc tràn kết

hợp.

Chạy trên Windows, SWMM 5 cung cấp một môi trƣờng tích hợp để chỉnh

sửa dữ liệu đầu vào nghiên cứu khu vực, chạy mô phỏng chất lƣợng thủy văn, thủy

lực và nƣớc, và xem kết quả trong một loạt các định dạng. Chúng bao gồm màu

khu vực thoát nƣớc đƣợc mã hóa và hệ thống vận chuyển bản đồ, đồ thị chuỗi thời

gian và các bảng, ô hồ sơ, và phân tích tần số thống kê.

SWMM 5 đƣợc sản xuất trong một nỗ lực phát triển doanh với CDM, Inc,

một tƣ vấn toàn cầu, kỹ thuật, xây dựng, và công ty hoạt động.

Khả năng:

SWMM tài khoản cho các tiến trình thủy văn khác nhau mà tạo ra dòng chảy

từ các khu vực đô thị. Chúng bao gồm:

 Thời gian thay đổi lƣợng mƣa

 Bốc hơi nƣớc đọng trên bề mặt

 Tuyết tích lũy và tan chảy

 Lƣợng mƣa đánh chặn từ lƣu trữ trầm cảm

 Lƣợng mƣa thấm vào lớp đất không bão hòa

 Thấm nƣớc thâm nhập vào các lớp nƣớc ngầm

 Giao lƣu giữa các nƣớc ngầm và hệ thống thoát nƣớc

 Hồ phi tuyến đƣờng bộ định tuyến của dòng chảy

Dòng chảy giảm thấp tác động thông qua phát triển (LID) điều khiển.

Không gian biến đổi trong tất cả các quá trình này đƣợc thực hiện bằng cách

chia một vùng nghiên cứu vào một bộ sƣu tập nhỏ hơn, khu vực subcatchment đồng

nhất, mỗi có chứa phần riêng của mình và không thấm nƣớc tiểu thấm nƣớc, khu

vực. dòng chảy Overland có thể đƣợc chuyển giữa các tiểu vùng, giữa

subcatchments, hoặc giữa các điểm nhập cảnh của một hệ thống thoát nƣớc.

SWMM cũng chứa một tập hợp các khả năng linh hoạt của mô hình thủy lực

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

đƣợc sử dụng để định tuyến dòng chảy và luồng vốn bên ngoài thông qua mạng lƣới

Trang 92 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

hệ thống thoát nƣớc của đƣờng ống, kênh, xử lý lƣu trữ đơn vị / và cấu trúc phân.

 Xử lý mạng lƣới thoát nƣớc có kích thƣớc không giới hạn

 Sử dụng nhiều loại ống dẫn khép kín và hình dạng tiêu chuẩn mở cũng nhƣ

Chúng bao gồm các khả năng:

 Mô hình đặc biệt yếu tố nhƣ dung lƣợng / đơn vị điều trị, ngăn dòng chảy,

các kênh tự nhiên

 Áp dụng các dòng chảy bên ngoài và đầu vào chất lƣợng nƣớc từ dòng chảy

máy bơm, weirs, và lỗ

bề mặt, giao lƣu dƣới đất, xâm nhập phụ thuộc vào lƣợng mƣa / lƣu lƣợng,

 Hoặc sử dụng sóng động học hoặc lƣu lƣợng sóng đầy đủ các phƣơng pháp

thời tiết khô vệ sinh dòng chảy, và dòng ngƣời dùng định nghĩa

 Nhiều mô hình chế độ dòng chảy, chẳng hạn nhƣ tù túng, surcharging, đảo

định tuyến động

 Áp dụng các quy tắc kiểm soát ngƣời dùng định nghĩa năng động để mô

ngƣợc dòng chảy, và bề mặt ponding

phỏng hoạt động của máy bơm, mở lỗ, và mức đỉnh đập

Ngoài các mô hình thế hệ và vận chuyển của các dòng chảy, SWMM cũng

có thể ƣớc tính sản xuất vật nặng gây ô nhiễm liên quan đến dòng chảy này. Các

quy trình sau đây có thể đƣợc mô hình cho bất kỳ số lƣợng các thành phần ngƣời

 Thời tiết khô chất ô nhiễm tích tụ trong đất khác nhau sử dụng

 Washoff chất gây ô nhiễm từ đất cụ thể sử dụng trong các sự kiện bão

 Đóng góp trực tiếp của mƣa đọng

 Giảm trong thời tiết khô tích tụ do làm sạch đƣờng phố

 Giảm tải lƣợng washoff do BMP

 Nhập cảnh của dòng chảy thời tiết khô vệ sinh và ngƣời sử dụng các nguồn

dùng định nghĩa chất lƣợng nƣớc:

 Định tuyến của các thành phần chất lƣợng nƣớc thông qua hệ thống thoát

vốn bên ngoài quy định tại điểm bất kỳ trong hệ thống thoát nƣớc

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

nƣớc

Trang 93 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

 Giảm nồng độ cấu thành thông qua điều trị tại các đơn vị lƣu trữ hoặc bằng

quá trình tự nhiên trong đƣờng ống và kênh

Ứng dụng:

Kể từ khi thành lập, SWMM đã đƣợc sử dụng trong hàng ngàn nghiên cứu

 Thiết kế và kích thƣớc của các thành phần hệ thống thoát nƣớc để kiểm soát

thoát nƣớc và nƣớc mƣa trên khắp thế giới. ứng dụng điển hình bao gồm:

 Kích thƣớc của các cơ sở giam giữ và phụ trợ của họ đối với kiểm soát lũ lụt

lũ lụt

 Lập bản đồ ngập lụt đồng bằng của các hệ thống kênh tự nhiên (SWMM 5 là

và bảo vệ chất lƣợng nƣớc

 Thiết kế chiến lƣợc kiểm soát để giảm thiểu tràn thoát nƣớc kết hợp

 Đánh giá tác động của dòng chảy và xâm nhập vào hệ thống thoát nƣớc vệ

một mô hình FEMA chấp thuận cho các nghiên cứu NFPI)

 Tạo ra các điểm không gây ô nhiễm nguồn chất thải tải trọng cho các nghiên

sinh tràn

 Kiểm soát dòng chảy bằng cách sử dụng trang web thấp tác động thực tiễn

cứu phân phối tải trọng

Đánh giá hiệu quả của BMP để giảm tải trọng gây ô nhiễm thời tiết ẩm ƣớt.

phát triển

10.3. Mô hình WAPS (USEPA)

Chƣơng trình mô phỏng phân tích chất lƣợng nƣớc. (WASP7), một phụ kiện

của bản gốc WASP (Di Toro et al, 1983;. Connolly và Winfield, 1984; Ambrose,

RB và cộng sự, 1988.). Mô hình này giúp ngƣời dùng hiểu và dự đoán phản ứng

chất lƣợng nƣớc đến hiện tƣợng thiên nhiên và ô nhiễm nhân tạo cho các quyết định

quản lý các ô nhiễm. WASP là một khoang-mô hình năng động, chƣơng trình cho

các hệ thống thuỷ sản, bao gồm cả cột cả hai nƣớc và các benthos cơ bản. WASP

cho phép ngƣời dùng điều tra 1, 2, và 3 hệ thống chiều, và một loạt các loại chất gây

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

ô nhiễm. Các biến trạng thái cho các module nhất định đƣợc đƣa ra trong bảng dƣới

Trang 94 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

đây. Thời gian thay đổi quy trình của advection, phân tán, điểm và tải khối lƣợng

khuếch tán và trao đổi ranh giới đƣợc thể hiện trong mô hình. WASP cũng có thể

đƣợc liên kết với các mô hình vận tải thủy động lực và trầm tích có thể cung cấp

dòng chảy, vận tốc nhiệt độ sâu, độ mặn và các thông lƣợng trầm tích.

WASP đã đƣợc sử dụng để kiểm tra hiện tƣợng phú dƣỡng của Tampa Bay,

FL, tải phốt pho đến hồ Okeechobee, FL; hiện tƣợng phú dƣỡng của sông Neuse

cửa sông, NC; hiện tƣợng phú dƣỡng Coosa sông và hồ chứa, AL; PCB ô nhiễm của

Great Lakes, hiện tƣợng phú dƣỡng của các cửa sông Potomac , kepone ô nhiễm

của sông James cửa sông, ô nhiễm hữu cơ dễ bay hơi của cửa sông Delaware, và ô

nhiễm kim loại nặng của sông sâu, Bắc Carolina, thủy ngân trong các sông

Savannah, GA.

Các tiền xử lý dữ liệu cho phép cho sự phát triển nhanh chóng của các bộ dữ

liệu đầu vào. Khả năng mang lại cho dữ liệu vào các mô hình đơn giản là cắt và dán

hoặc truy vấn từ cơ sở dữ liệu. tiền xử lý này cung cấp mô tả chi tiết của tất cả các

thông số và hằng số mô hình động học. Khi liên kết với các mô hình thủy động lực

WASP nó cũng đơn giản nhƣ chỉ đến tập tin liên kết thủy động lực.

 Nhập chuỗi thời gian từ WRDB, bảng tính, văn bản tập tin

 Tự động nhập thông tin giao diện mô hình thủy động lực

 Multi-session có khả năng

 Thời gian chạy chẩn đoán

The Post-Bộ xử lý (MOVEM) cung cấp một phƣơng pháp hiệu quả để xem

xét lại mô hình dự đoán và so sánh chúng với các trƣờng dữ liệu để hiệu chuẩn.

MOVEM có khả năng hiển thị kết quả từ tất cả các mô hình WASP cũng nhƣ những

ngƣời khác. MOVEM cho phép xây dựng mô hình để hiển thị các kết quả trong hai

định dạng đồ họa:

1. Không gian Grid. một hai chiều màn biểu diễn của mô hình mạng đƣợc hiển

thị trong một cửa sổ nơi mà các mô hình mạng là màu tô bóng dựa trên sự

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

tập trung dự đoán.

Trang 95 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

2. x / Plots y - tạo ra một x / lô dòng y của các kết quả mô hình dự báo và / hoặc

quan sát thấy trong một cửa sổ.

Không có giới hạn về số lƣợng x / y lô, lƣới không gian hoặc thậm chí kết

quả mô hình các tập tin ngƣời dùng có thể sử dụng trong một phiên. cửa sổ riêng

biệt đƣợc tạo ra cho mỗi lƣới không gian hoặc x / lô y đƣợc tạo ra bởi ngƣời sử

dụng.

Thông tin Model WASP

Phiên bản hiện tại 7.41

Ngày phát hành Ngày 7 tháng 6 năm 2010

Hệ điều hành Windows 95/98/ME/2000/XP

Đối tƣợng dự Kỹ sƣ môi trƣờng / Các nhà khoa học, các cơ quan pháp quy định

thuỷ sinh học, đánh giá, tuân thủ, xả, hiệu ứng môi trƣờng,

Từ khóa thủy văn, kim loại, NPS liên quan, NPDES, điểm nguồn (s),,

bề mặt thử nghiệm nƣớc / phân tích, TMDL liên quan

Phƣơng tiện Nƣớc mặt truyền thông

Thông thƣờng các chất ô nhiễm (nitơ, phốt pho, oxy hoà tan, Các loại chất gây BOD, nhu cầu oxy trầm tích, tảo, bám), Hóa chất hữu cơ, kim ô nhiễm loại, thủy ngân, tác nhân gây bệnh, nhiệt độ

WASP - Mỹ EPA Mô hình chất lƣợng nƣớc WASP5/DYNHYD5 - Phân tích chất lƣợng nƣớc Chƣơng trình mô phỏng, EPA

Hoa Kỳ là một khuôn khổ tổng quát mô hình mô phỏng số phận gây ô nhiễm trong

vùng nƣớc bề mặt.

Dựa trên các mô hình ngăn cách tiếp cận linh hoạt, WASP5 có thể do áp dụng

trong một, hai, hoặc ba chiều. WASP5 đƣợc thiết kế để cho phép dễ dàng thay thế

thói quen viết của ngƣời dùng vào cấu trúc chƣơng trình. Vấn đề đã đƣợc nghiên

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

cứu bao gồm nhu cầu oxy sinh hóa, năng động oxy hòa tan, các chất dinh dƣỡng,

Trang 96 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

nhiễm khuẩn và chuyển động hóa chất độc hại. Mô hình DYNHYD5 là một mô

hình thủy động lực đơn giản mà mô phỏng các chu kỳ biến thủy triều, gió và các

nguồn vốn không ổn định. Nó tạo ra một tập tin đầu ra có thể liên kết với WASP5

để cung cấp các dòng chảy và khối lƣợng cho các mô hình chất lƣợng nƣớc.

WASP5 bao gồm mã nguồn, phiên bản thực thi của hƣớng dẫn sử dụng, và hỗ trợ

kỹ thuật.

10.4. Hệ thống MIKE

Xuất xứ mô hình MIKE: Viện Thuỷ lực Đan Mạch (DHI).

Đặc tính nổi bật: Mô hình toán vật lý thông số phân bổ mô phỏng hệ thống

tổng hợp dòng chảy mặt- dòng chảy ngầm lƣu vực sông. Mô phỏng biến đổi về

lƣợng và chất hệ thống tài nguyên nƣớc. Bao gồm dòng chảy trong lòng dẫn, dòng

chảy tràn bề mặt, dòng chảy ngầm tầng không áp, dòng chảy ngầm tầng có áp, dòng

chảy tầng ngầm chuyển tiếp giữa tầng có áp và tầng không áp, bốc thoát hơi từ tầng

thảm phủ, truyền chất, vận chuyển bùn cát. Ứng dụng thực tiễn: Đã đƣợc ứng dụng

tính toán rộng rãi trên phạm vi toàn thế giới. Ở Việt Nam MIKE SHE đƣợc ứng

dụng mô phỏng dòng hệ thống dòng chảy ngầm mặt lƣu vực sông Srêpôk

Trong những năm 1990, viện thủy lực Đan mạch đã thiết lập hệ thống mô

hình chất lƣợng nƣớc cho kênh, sông. Hệ thống này có thể tính toán sự lan truyền

chất ô nhiễm trong dòng chảy từ các nguồn khác nhau vào các lƣu vực khác nhau.

Tùy thuộc đối tƣợng nghiên cứu, yêu cầu tính toán các thông số chất lƣợng nƣớc

trong dòng chảy sông, cửa sông, hồ hay biển mà áp dụng các phiên bản khác nhau

nhƣ MIKE 11, MIKE 21, MIKE 3, MIKE SHE, MIKE MOUSE và MIKE BASIN.

Giới thiệu mô hình Mike 11:

Mô hình Mike 11 là 1 phần mềm kỹ thuật chuyên dụng do Viện thủy lực Đan

Mạch (DHI) xây dựng và phát triển trong khoảng 20 năm trở lại đây, đƣợc ứng

dụng để mô phỏng chế độ thủy lực, chất lƣợng nƣớc và vận chuyển bùn cát vùng

cửa sông, trong sông, lòng dẫn, kênh dẫn,… Mike 11 co nhiều module có các khả

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

năng và nhiệm vụ nhau nhƣ : module mƣa dòng chảy (RR), module thủy động lực

Trang 97 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

học (HD), module tải-khuếch tán (AD), module sinh thái (Ecolab),…; tùy theo mục

đích mà kết hợp sử dụng các module một cách hợp lý và khoa học. Trong nghiên

cứu của mình, tôi sử dụng các module: module thủy lực (HD), module tải-khuếch

tán (AD), module sinh thái (Ecolab) để mô phỏng chất lƣợng nƣớc sông.

Module thủy lực (HD-Hydrodynamics)

Module thủy lực đƣợc xây dựng trên cơ sở hệ phƣơng trình Saint-Venant một chiều

cho trƣờng hợp dòng không ổn định , gồm 2 phƣơng trình sau:

Phƣơng trình liên tục:

Phƣơng trình động lƣợng:

Đây là hệ 2 phƣơng trình vi phân đạo hàm riêng phi tuyến bậc nhất, đƣợc giải

bằng phƣơng pháp số với lƣợc đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn (Abbott-Inoescu).

Module tải-khuếch tán (AD-Avection Dispersion

Module tải-khuếch tán đƣợc dùng để mo phỏng sự vận chuyển 1 chiều của chất

huyền phù hoặc hòa tan (phân hủy) trong các lòng dẫn hở với giả thiết các chất này

hòa tan trộn lẫn. Quá trình này đƣợc biểu diễn qua phƣơng trình sau:

Trong đó :

A: diện tích mặt cắt (m2)

C: nồng độ (kg/m3)

D:hệ số khuếch tán (m2/s)

q: lƣu lƣợng nhập lƣu trên 1 đơn vị chiều dài dọc sông(m2/s)

K: hệ số phân hủy sinh học (ngày-1)

Phƣơng trình này đƣợc giải bằng phƣơng pháp số với sơ đồ sai phân ẩn trung tâm.

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

Module sinh thái (Ecolab)

Trang 98 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Module sinh thái có quan hệ chặt chẽ với module tải-khuếch tán, góp phần mô

phỏng các quá trình biến đổi sinh-hóa xảy ra trong môi trƣờng nƣớc nhƣ :

Mối quan hệ giữa BOD/DO

Các nhân tố ảnh hƣởng đến độ Oxy hòa tan (to, dòng chảy,…)

Quá trình Nitrat hóa

Ảnh hƣởng của thực vật đáy

Sự khuấy động và lắng đọng của bùn cát

Ngoài ra còn có các mô hình MIKE khác: MIKE BASIN, MIKE SHE,

MIKE11, MIKE 11 GIS, MIKE 11 WQ, MIKE EcoLab, MIKE BASIN-WQ,

MIKE21, MIKE FLOOD, MIKE 3.

10.5. Mô hình WQRRS (Water quality for River )

WQRRS (water quality for river or reservoir system) có thể dự đoán khá chính xác sự thay đổi của nhiệt độ và ô xy hòa tan trong những điều kiện khác nhau. Ghép nối mô hình Qual II với mô hình tính toán sự lan truyền chất ô nhiễm trong

các hồ chứa nƣớc. Tính toán 1, 2 chiều cho hệ thống sông - hồ ở trạng thái động lực

với số liệu đầu ra là chất lƣợng nƣớc sông làm số liệu đầu vào cho mô hình chất

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

lƣợng nƣớc hồ.

Trang 99 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

10.6. Mô hình QUAL2K (QUAL2E)

Model QUAL2K

Phiên bản hiện tại 2.11b8

Ngày phát hành Tháng 1 năm 2009

Hệ điều hành Windows ME/2000/XP / MS Office 2000 hoặc cao hơn

Đối tƣợng dự định Kỹ sƣ môi trƣờng / Các nhà khoa học, các cơ quan pháp quy

thuỷ sinh học, đánh giá, tuân thủ, xả, hiệu ứng môi trƣờng,

Từ khóa thủy văn, NPS liên quan, NPDES, điểm nguồn (s),, bề mặt

thử nghiệm nƣớc / phân tích, TMDL liên quan

Phƣơng tiện Nƣớc mặt truyền thông

Thông thƣờng các chất ô nhiễm (nitơ, phốt pho, oxy hoà tan, Các loại chất gây BOD, nhu cầu oxy trầm tích, tảo), pH, bám, tác nhân gây ô nhiễm bệnh

10.6.1 Giới thiệu

QUAL2K ( hoặc Q2K) là một mô hình về chất lƣợng nƣớc của sông và

dòng chảy nó đƣợc cải tiến từ cho mô hình QUAL2E (Q2E) do (Brown and

Barnwell 1987). Q2K tƣơng tự nhƣ Q2E với những đặc điểm sau:

Một chiều: Lòng sông là những nguồn nƣớc trộn lẫn theo chiều dọc và

chiều sâu.

Nhánh sông: Hệ thống có thể bao gồm một sông chính với các sông nhánh.

Khối nhiệt và nhiệt độ đƣợc mô phỏng nhƣ một công thức khí tƣợng học

trên một mức độ thời gian.

Tính chất thủy lực là ổn định: đồng nhất, dòng chảy ổn định đƣợc mô

phỏng

Động học chất lƣợng nƣớc: chất lƣợng nƣớc thay đổi mô phỏng theo các

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

mức độ thời gian.

Trang 100 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Nhiệt và khối lƣợng đầu vào: điểm và không điểm chịu tải và nƣớc chảy ra

đều đƣợc mô phỏng.

QUAL2K còn bao gồm các phần tử mới:

Phần mềm môi trƣờng và giao diện. Q2K là một công cụ trong môi trƣờng

Microsoft Windows. Số lƣợng tính toán dùng chƣơng trình Fortran 90. Excel đƣợc

sử dụng để hiển thị đồ thị trên giao diện cho ngƣời sử dụng. Tất cả các giao diện

này có tác dụng là chƣơng 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 lƣợng và các dòng chảy ra có thể vào nhiều phần tử.

Sự hình thành cacbon BOD. Q2K sử dụng 2 dạng Cacbon BOD tƣợng

trƣng 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 lƣợng thiếu Oxy bởi sự làm giảm

phản ứng oxy hóa đến không với mức oxy thấp. Thêm vào đó, quá trình khử Nito

nhƣ là mô hình phản ứng bậc 1 làm cho nồng độ oxy xuống thấp.

Tác động qua lại giữa nƣớc và trầm tích. Nƣớc và trầm tích chảy mạnh

làm hòa tan Oxy và dinh dƣỡng có thể mô phỏng bên trong hơn là bắt buộc. Do đó

lƣợng oxy (SOD) và dòng chảy dinh dƣỡng đƣợc mô phỏng nhƣ một công thức ổn

định về vật chất hữu cơ, phản ứng trong trầm tích, và nồng độ ở dạng hòa tan sẽ làm

nƣớc quá bão hòa.

10.6.2. Sự chia ra từng đoạn và tính chất thủy lực

Mô hình miêu tả một dòng sông nhƣ một dãy các đoạn sông. Nó tƣợng

trƣng cho quãng sông có tính chất thủy lực giống nhau ( ví dụ độ dốc, độ rộng đáy

dƣới ) nhƣ đƣợc miêu tả bởi bức tranh thứ 1, số các đoạn sông tăng theo thứ tự bắt

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

đầu từ thƣợng nguồn của đoạn sông chính.

Trang 101 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Chú ý cả các điểm nguồn và không phải điểm nguồn cũng nhƣ các điểm

chảy ra và các điểm không chảy ra có thể có bất kỳ vị trí nào theo suốt chiều dài của

sông.

Figure 1 QUAL2K segmentation scheme for a river with no tributaries.

Hệ thống gồm các sông nhánh (hình2). Số lƣợng các đoạn sông đƣợc đánh số

bắt đầu từ đoạn 1 và tăng dần ở thƣợng nguồn của con sông chính. Khi đến chỗ nối

với một nhánh sông là một đoạn sông số thứ tự tiếp tục đƣợc đánh từ thƣợng nguồn

từ nhánh sông này. Quan sát cả thƣợng nguồn và các nhánh sông các số là liên tiếp

nhau theo một dãy sắp xếp tƣơng tự đến các đoạn sông. Chú ý các nhánh sông lớn

của hệ thống đều đƣợc quy về nhƣ 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 nhƣ các

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

sông nhánh.

Trang 102 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Figure 2 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 3 chỉ rõ số phần tử mong muốn.

Figure 3 If desired, any model reach can be further subdivided into a series of

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

n equal-length elements.

Trang 103 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Cân bằng dòng chảy:

Nhƣ đã đã đƣợc miêu tả ở phần trƣớc, đơn vị cơ bản của mô hình Q2K là

phần tử.

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

[1]

Trong đó Qi là lƣợng chảy ra từ phần tử i vào phần tử xuôi dòng i + 1 [m3/d], Qi–1 là lƣợng chảy vào từ phần tử ngƣợc dòng i – 1 [m3/d], Qin,i là tổng lƣợng chảy vào trong phần tử từ điểm nguồn và không phải điểm nguồn [m3/d], và

Qout,i là tổng lƣợng chảy ra từ phần tử đó đến điểm chảy ra và không phải điểm chảy ra [m3/d]. Vì vậy, lƣợng chảy ra xuôi dòng chỉ là sự chênh lệch giữa lƣợng vào và

nguồn nƣớc tăng thêm trừ đi lƣợng chảy ra mất mát.

Figure 4 Element flow balance.

Tổng lƣợng chảy vào từ nguồn tính toán nhƣ sau.

[2]

Trong đó Qps,i,j là lƣợng chảy vào từ điểm nguồn thứ j đến phần tử i, psi

tổng số điểm nguồn đến phần tử i, Qnps,i,j là lƣợng 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.

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

Tổng lƣợng chảy ra từ các nguồn chảy ra đƣợc tính toán nhƣ sau:

Trang 104 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

[3]

Trong đó Qpa,i,j là lƣợng 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 lƣợng 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 đƣợc

mô hình nhƣ đƣờng nguồn. Nhìn bức tranh 5, các điểm là không phải điểm nguồn

hoặc không phải điểm chảy ra đƣợc 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.

Figure 5 The manner in which non-point source flow is distributed to an

element.

Tính chất thủy lực học:

Một lƣợng chảy ra của mỗi phần tử sẽ đƣợc tính toán, chiều rộng và chiều

sâu sẽ đƣợc tính toán bởi một theo 3 cách sau : weirs, rating curves, and công thức

Manning . Chƣơng trình lựa chọn giữa các cách trên:

Nếu chiều rộng và chiều cao của đập đƣợc nhập vào, đập nƣớc sẽ đƣợc

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

chọn làm phƣơng tiện tính toán.

Trang 105 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Nếu chiều rộng và chiều cao của đập bằng 0 và hệ số đƣờng cong ( a và )

đƣợc nhập vào. Phƣơng tiện rating curves đƣợc chọn làm phƣơng tiện tính toán.

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

Đập nƣớc: Bức tranh 6 cho thấy có bao nhiêu đập nƣớc đƣợc miêu tả trong Q2K. Chú

ý một cái đập nƣớc chỉ có thể xảy ra ở điểm cuối của một phần tử đơn của một đoạn

sông, bức tranh 6 cho thấy các thông số sau Hi là chiều sâu của phần tử ngƣợc dòng

của đập nƣớc [m], Hi+1 là chiều sâu của phần tử xuôi dòng của đập [m], elev2i độ

cao so với mực nƣớc biển điểm cuối của phần tử ngƣợc dòng [m], elev1i+1 độ cao so

với mực nƣớc biển điểm đầu của phần tử xuôi dòng. Hw độ cao của đập trên elev2i ,

Hd là độ hạ thấp giữa độ cao mực nƣớc của bề mặt của phần tử i và phần tử i +1

Figure 6 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 lƣợng chảy ra từ phần tử ngƣợc dòng của đập, m3/s, Bw, Hh

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

là mét. Công thức 4 có thể đƣợc làm sang tỏ nhƣ sau:

Trang 106 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

[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 lƣợng Oxy và CO2 di chuyển

qua đập.

Tại các khu vực mặt cắt ngang, chiều sâu, bề mặt và thể tích phần tử i có

thể đƣợc tính toán nhƣ 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 đƣợc nhập vào. Giá trị

đƣợc nhập vào cột AA ( nhãn "Bottom Width") của Reach Worksheet.

Hệ số đƣờng cong:

Phƣơng 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]

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

[11]

Trang 107 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Trong đó a, b, , là hệ số kinh nghiệm đƣợc xác định từ sự phán tán

dọc trục và sự phát tán theo giai đoạn ứng với hệ số đƣờng cong. Giá trị của chiều

dọc và chiều sâu có thể đƣợc 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 nhƣ sau

Số mũ b và đƣợc đặc trƣng trong bảng 1 chú ý tổng của b và phải

kém hơn hoặc bằng 1. Nếu đây không phải là trƣờng 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 Range

b  Typical value 0.43 0.45 0.40.6 0.30.5

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.

Công thức manning: Mỗi phần tử trong đoạn sông riêng biệt có thể lý tƣởng hóa nhƣ một hình

thang. Với điều kiện dòng chảy ổn định công thức manning có thể sử dụng thể hiện

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

mối quan hệ giữa dòng chảy và chiều sâu.

Trang 108 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

[14]

Trong đó Q là lƣu lƣợng 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 ƣớt [m].

Figure 7 Trapezoidal channel.

Diện tích mặt cắt ngang của một lòng sông hình thang đƣợc tính toán nhƣ sau.

[15]

Trong đó B0 là chiều rộng đáy sông [m], ss1 và ss2 là hai độ dốc cạnh xem hình 7,

[m/m], và H là chiều sâu của phần tử [m].

Chu vi thấm ƣớt đƣợc tính nhƣ 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 ƣớc chừng H0 = 0 đƣợc dùng.

Phƣơng pháp kết thúc khi đánh giá sai số bên dƣới nhỏ hơn 0.001%. Đánh giá sai số

đƣợc tính nhƣ sau.

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

[18]

Trang 109 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Diện tích mặt cắt ngang đƣợc 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 nhƣ sau:

[20]

Chiều rộng bên trên B1[m] thể đƣợc tính toán nhƣ sau.

Diện tích bề mặt và thể tích của phần tử có thể đƣợc tính toán nhƣ sau:

Đề xuất giá trị hệ số manning cho trong bảng 2, n đặc trƣng 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 thƣờng xuyên đƣợc tăng lên. Giá trị của hệ số

manning đã đƣợc 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 ƣớc lƣợng chất lƣợng nƣớc đại thể là kém hơn

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

bãi ngầm sâu và nó liên quan đến tính chất gồ ghề của độ cao.

Trang 110 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

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

MATERIAL Man-made channels Concrete Gravel bottom with sides: Concrete mortared stone Riprap Natural stream channels Clean, straight Clean, winding and some weeds Weeds and pools, winding Mountain streams with boulders Heavy brush, timber n 0.012 0.020 0.023 0.033 0.025-0.04 0.03-0.05 0.05 0.04-0.10 0.05-0.20

Thác nƣớc:

Trong phần đập nƣớc sự chảy của nƣớc trên đập đƣợc tính toán, giá trị cần

đƣợc tính toán tăng dần xảy ra trong một vài trƣờng hợp. Thêm vào các đập, sự

chảy xuống có thể hầu nhƣ xảy ra trong các thác nƣớc. Chú ý thác nƣớc chỉ có thể

xảy ra tại điểm cuối của đoạn sông.

Figure 8 A waterfall occurring at the boundary between two reaches.

Qual2k sẽ tính toán dòng chảy trong trƣờng hợp độ cao so với mực

nƣớc biển rất dốc trong ranh giới giữa hai đoạn sông , công thức 7 dùng để tính

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

toán sự hạ thấp dòng chảy.

Trang 111 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Chú ý sự hạ thấp này chỉ tính toán khi độ cao so với mực nƣớc 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.

Travel Time (Thời gian di chuyển):

Thời gian lƣu của mỗi phần tử đƣợc tính toán nhƣ sau:

(1)

Trong đó k là thời gian lƣu của phần tử thứ k [d]. Vk là thể tích của phần tử thứ k [m3], Ac,kxk, 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 đƣợc tính toán nhƣ sau:

[22]

Trong đó tt,j là thời gian di động. Phát tán dọc trục: Hai lựa chọn đƣợc sử dụng để xác định sự phát tán dọc trục một ranh giới giữa hai phần tử. Đầu tiên, ngƣời sử dụng chỉ đánh giá, giá trị nhập vào trên Reach Worksheet. Nếu ngƣời sử dụng không nhập giá trị, một công thức bên trong sẽ đƣợc 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 đƣợc tính nhƣ sau:

[24].

Trong đó g là gia tốc trọng trƣờng [= 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 nhƣ sau:

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

[25].

Trang 112 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Độ phát tán của mô hình là Ei ( giá trị này sẽ đƣợc 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 trƣờng hợp dƣới đây, kết quả độ phát tán của mô hình là lớn hơn độ phát tán vật lý. Nhƣ 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. Nhiệt độ của mô hình. Nhƣ hình 9, 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 đƣợc viết với phần tử i, nhƣ 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 nƣớc [g/m3], Cpw -Nhiệt dung riêng của nƣớc [cal/(g oC)], Ja,i -Dòng chảy nhiệt giữa không khí và nƣớc [cal/(cm2 d)], Js,i -Dòng chảy nhiệt giữa nƣớc và trầm tích [cal/(cm2 d)].

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

Figure 9 Heat balance for an element. Hệ số phát tán có thể tính toán nhƣ sau:

Trang 113 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

[27].

Chú ý hai loại điều kiện biên đƣợc 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 đƣợc tính toán nhƣ 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]. Dòng nhiệt bề mặt:

Nhƣ đƣợc miêu tả ở hình 10, sự thay đổi nhiệt độ bề mặt là một mô hình nhƣ là một sự kết hợp 5 quá trình.

[29].

I(0) -là bức xạ mặt trời sóng ngắn trong bề mặt nƣớc, Jan -là bức xạ sóng dài trong không khí, Jbr -phản xạ sóng dài từ nƣớc, Jc -là độ dẫn điện, Je -là sự bốc hơi. Tất cả các dòng chảy đều biểu diễn bằng cal/cm2/d.

Figure 1 The components of surface heat exchange. Bức xạ mặt trời:

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

Mô hình tính toán số lƣợng lớn các bức xạ mặt trời vào nƣớc tại một đƣờng vĩ độ (Lat) và kinh độ (Llm) đặc biệt trên bè mặt trái đất.

Trang 114 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

Số lƣợng 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].

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

Trong đó: I(0) -Là bức xạ mặt trời trong bề mặt nƣớc [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 ( trở ngại nhỏ của sinh vật)

Trang 115 GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. La Anh Tuấn. Mô hình hóa môi trường. Trƣờng Đại học Cần Thơ. 2008 2. TSKH Bùi Tá Long. Nội dung bài giản điện tử. Đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh

3. Jerald L. Schnoor. Environmental Modeling. 1996. 4. A.James. An Introduction to water quality modeling. 1996. 5. Mervin D.Palmer. Water quality modeling. A guide to effective practice. 2001.

6. Linfield C.Brow and Thomas O.Branwel. The enhanced stream water quality.

Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

7. Qual2E and Qual2E-uncas: Documentation and user manual. 1987. 8. Steve C. Chapra. Sufrace water-quality modeling. 1997. 9. Khoa kỹ thuật biển, trƣờng đại học Thủy Lợi. Mô hình hóa môi trường. 10. http://environment-safety.com 11. http://nuoc.com.vn