Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5
304
PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH SỐ MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC
CÁC SÔNG VỪA VÀ NHỎ
Bùi Quốc Lập
Đại học Thủy lợi, email: buiquoclap@tlu.edu.vn
1. GIỚI THIỆU CHUNG
Việc phát triển các mô hình để mô phỏng
chất lượng nước ở các sông có ý nghĩa quan
trọng trong việc bảo tồn nguồn nước các sông
cũng như định hướng cho các mục đích sử
dụng nước khác nhau. Cho đến nay đã có rất
nhiều mô hình chất lượng nước sông được
phát triển từ đơn giản đến phức tạp (Zeng et
al. 2001). Các mô hình điển hình như
QUAL2E (Brown and Barnwell 1987),
CE-QUAL-W2 (Cole and Buchak1995),
MIKE11, 21 v.v... Tuy nhiên, trong một số
trường hợp như mô phỏng chất lượng nước
sông trong thời đoạn ngắn đối với những sông
vừa và nhỏ, việc áp dụng các mô hình có sẵn
này tỏ ra không phù hợp vì nó đòi hỏi phải có
bộ số liệu tương đối đầy đủ và chạy mô hình
cũng rất phức tạp, chưa kể việc phải bỏ ra một
khoản chi phí lớn để mua các phần mềm này.
Do vậy, nghiên cứu này trình bày một cách
áp dụng khác của việc phát triển một mô hình
toán thích hợp cho việc mô phỏng chất lượng
nước các sông vừa và nhỏ trong thời đoạn
ngắn (chu kỳ 1 ngày đêm).
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Mô hình được phát triển trong nghiên cứu
này dựa trên phương trình truyền chất tổng
quát (1) được xây dựng trên cơ sở nguyên tắc
bảo toàn khối lượng:
xx
xx
c
( A E ) ( A Uc)
c dc s
x
t A x A x dt V
(1)
Trong đó: c là nồng độ của chất nào đó
trong nước (mg/L); Ax là diện tích mặt cắt ướt
sông tại x (m2); U là vận tốc trung bình của
dòng chảy (m/s) ; E là hệ số khuếch tán dọc
(m2/s) ; t là thời gian (s); V là thể tích của khối
nước tính toán (m3); s là nguồn bổ sung vào
hoặc ra khỏi khối nước tính toán của chất c.
Từ phương trình tổng quát (1), áp dụng để
mô phỏng nhiệt độ nước (T) (oC) và độ ô xy
hòa tan trong nước (DO) (mg/L) sẽ được
phương trình cho các thông số này như sau:
xx
x x p
T
( A E ) ( A UT )
T dT s
x
t A x A x dt C V
(2)
xx
xx
DO
( A E ) ( A UDO )
DO dDO s
x
t A x A x dt V
(3)
Với:
dT
dt
biểu thị lượng nội nhiệt sinh ra
hoặc mất đi, chúng rất nhỏ nên có thể bỏ qua;
là tỷ trọng của nước (kg/m3); Cp là nhiệt
dung riêng của nước (J/kg.oC);
dDO
dt
biểu thị
sự thay đổi của DO trong khối nước tính
toán, có thể được tính như sau (Orlob, 1983):
(4)
Với: K2 là hệ số tái nạp ô xy; DOs (mg/L)
là nồng độ ô xy hòa tan bão hòa trong nước
được tính theo (APHA, 1992); K1 là tỷ lệ ô
xy hóa chất hữu cơ các bon; BOD là nhu cầu
ô xy sinh hóa (mg/L); K4 là hệ số nhu cầu ô
xy bùn cát; H là độ sâu trung bình của nước
(m);
3 là tốc độ sản sinh ô xy trên đơn vị tảo
quang hợp;
là tốc độ sinh trưởng của tảo;
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5
305
4 là tốc độ sử dụng ô xy trên đơn vị tảo hô
hấp;
a là tốc độ hô hấp của tảo; A là nồng độ
sinh khối của tảo (mg/L);
5 là tốc độ sử
dụng ô xy trên đơn vị Ammoni-ni tơ bị ô xy
hóa;
1 là hệ số tốc độ ô xy hóa Ammoni; N1
là nồng độ Ammoni-ni tơ (mg/L); N2 là nồng
độ Nitrit-ni tơ (mg/L); Trong tính toán DO, s
rất nhỏ, có thể bỏ qua; Đối với nhiệt độ nước,
s biểu thị dòng nhiệt thực đi vào nước
(J/m2.ngày), được tính theo công thức sau:
s = Hsn + Han – ( Hbr + Hc + He ) (5)
Trong đó: Hsn là bức xạ thực sóng ngắn
mặt trời đi vào nước; Han là bức xạ thực sóng
dài của khí quyển đi vào nước; Hbr là bức xạ
sóng dài từ mặt nước trở lại khí quyển; Hc là
dòng nhiệt đối lưu từ mặt nước; He là dòng
nhiệt do bốc bơi từ mặt nước. Các thành phần
này được tính toán dựa theo các công thức
kinh nghiệm.
2.1. Điều kiện ban đầu và điều kiện biên
của mô hình
Số liệu chất lượng nước: Nhiệt độ (T) và
độ ô xy hòa tan (DO) sẽ được đo ở 2 đầu mặt
cắt của đoạn sông được mô phỏng với
khoảng thời gian 1 lần/giờ trong thời đoạn
chu kỳ 1 ngày-đêm (24 giờ) để làm số liệu
điều kiện biên của mô hình. Ngoài ra, dọc
theo chiều dài đoạn sông, tại một vài mặt cắt,
T & DO cũng sẽ được đo tại một số thời điểm
khác nhau trong chu kỳ ngày-đêm để làm
điều kiện ban đầu cho mô hình và số liệu cho
việc hiệu chỉnh mô hình.
Số liệu mô tả đặc điểm thủy lực sông: Các
số liệu thủy lực cần thiết của đoạn sông được
mô phỏng gồm: lưu lượng (Q), vận tốc trung
bình của nước (U), độ sâu trung bình (h) và
diện tích mặt cắt ướt (A) được đo đạc tại 2
đầu mặt cắt của đoạn sông.
Số liệu khí tượng của khu vực: Các số liệu
về hướng gió, vận tốc gió, nhiệt độ không
khí, bức xạ mặt trời và độ ẩm tương đối cũng
phải được đo đạc theo chu kỳ ngày-đêm
mô phỏng.
2.2. Thuật toán số
Thuật toán số được phát triển để giải các
phương trình (2) và (3) trên cơ sở lấy sai
phân hữu hạn các vi phân trong các phương
trình. Quá trình tính toán được thực hiện theo
phương pháp hiện được bắt đầu từ bước thời
gian j = 0 với các điều kiện ban đầu của mô
hình đã biết được tính chuyển lên bước thời
gian j + 1 như sau:
Cj+1 = Cj + Slope
×
Step (6)
2.3. Hiệu chỉnh mô hình
Thông số được lựa chọn để hiệu chỉnh mô
hình là hệ số khuếch tán dọc (E):
E = 3.82
K
n
U
h5/6 (7)
Trong đó: n là hệ số nhám của sông; K là
hằng số khuếch tán; h là độ sâu của sông.
2.4. Áp dụng mô hình
Mô hình được áp dụng để mô phỏng chất
lượng nước một số đoạn sông của sông
Tatara, thuộc tỉnh Fukuoka - Tây Bắc quần
đảo Kyushu (Nhật Bản) như mô tả ở hình 1.
Hình 1. Vị trí sông Tatara
Sông có tổng chiều dài khoảng 21,5 km.
Các đoạn sông được lựa chọn để mô phỏng
được mô tả ở bảng 1.
Bảng 1. Đặc điểm chính
của các đoạn sông nghiên cứu
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5
306
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Các kết quả mô phỏng nhiệt độ (T) và độ ô
xy hòa tan (DO) ở 4 đoạn sông nghiên cứu
được trình bày trong các hình 2 – 6.
Nhìn chung, các kết quả mô phỏng cho
thấy sự phù hợp tương đối chặt chẽ với các
số liệu thực đo.
Hình 2. Kết quả mô phỏng nhiệt độ
của nước ở Block 1 (2&3/2/2004)
Hình 3. Kết quả mô phỏng nhiệt độ
của nước ở Block 5 (20&21/4/2004)
Hình 4. Kết quả mô phỏng nhiệt độ
của nước ở Block 6 (6&7/6/2004)
Hình 5. Kết quả mô phỏng nhiệt độ
của nước ở Block 8 (11&12/2/2004)
Hình 6. Kết quả mô phỏng DO của nước
ở Block 6 (6&7/6/2004)
Các kết quả mô phỏng nhiệt độ nước cho
thấy diễn biến nhiệt độ của nước phù hợp với
diễn biến nhiệt độ của không khí và bức xạ
mặt trời của khu vực. Kết quả mô phỏng DO
ở hình 6 cho thấy, ở những giờ ban ngày giá
trị của nó tương đối cao và gần như tỷ lệ
thuận với bức xạ mặt trời.
Ngược lại, vào những giờ ban đêm thì giá trị
của có đạt thấp nhất. Điều này có thể giải thích
là do quá trình quang hợp diễn ra vào ban ngày
và qua trình hô hấp xảy ra vào ban đêm của các
rong tảo trong nước đã gây ra sự biến động
nồng độ DO trong chu kỳ 1 ngày-đêm.
4. KẾT LUẬN
Mô hình được phát triển có thể là công cụ
tin cậy cho việc mô phỏng nhiệt độ (T) và độ ô
xy hòa tan (DO) của các sông vừa và nhỏ trong
thời đoạn ngắn.
DO của nước sông có xu hướng giảm thấp
nhất vào các giờ ban đêm do diễn ra quá trình
hô hấp của các sinh vật nước tiêu tốn ô xy.
Mô hình có thể được tiếp tục phát triển để
mô phỏng các thông số chất lượng nước khác.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] 1-Brown LC, Barnwell TO (1987) The enhanced
stream water quality models QUAL2E and
QUAL2E-UNCAS: documentation and user
manual. U.S. Environmental Protection Agency,
Athens, Georgia
[2] 2-Cole TM, Buchak EM (1995) CE-QUAL-
W2: A two-dimensional, lat-erally averaged,
hydrodynamic and water quality model,
version 2.0: users manual, instruction report
EL-95-1. U.S. Army Engineer Waterways
Experiment Station, Vicksburg, MS.