Mô hình hóa nhiệt độ hồ kín nội đô

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020. ISBN: 978-604-82-3869-8

MƠ HÌNH HĨA NHIỆT ĐỘ HỒ KÍN NỘI ĐƠ
1

Nghiêm Tiến Lam1, Bùi Quốc Lập2
Khoa Cơng trình, Trường Đại học Thủy lợi, email:
2
Khoa Hóa và Mơi trường, Đại học Thủy lợi

1. GIỚI THIỆU

Các hồ nước trong các đô thị có vai trị quan
trong trong việc cải tạo điều kiện vi khí hậu và
tạo vẻ đẹp cảnh quan đơ thị. Ngồi ra, một số
hồ cịn gắn với các giá trị văn hóa và lịch sử.
Đặc điểm chung của đa số các hồ nội đơ là
nơng và kín, ít trao đổi nước với bên ngồi.
Đối với các hồ nước kín trong các đô thị, động
lực học và nhiệt độ nước phụ thuộc chủ yếu
vào các tác động khí tượng như bức xạ mặt trời
và gió. Nhiệt độ nước của hồ là đặc tính vật lý
quan trọng vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến khả
năng hịa tan ơ-xy của nước và chi phối nhiều
q trình sinh hóa và sinh lý trong hồ [3].
Bài báo này sẽ trình bày nghiên cứu về mơ
hình hóa nhiệt độ cho một hồ kín, nhỏ nội đơ
sử dụng mơ hình số trị EFDC. Đối tượng
nghiên cứu là hồ Cự Chính thuộc quận Thanh
Xuân, Hà Nội. Đây là một hồ nhỏ, nơng, có
diện tích mặt nước khoảng 4000 m², độ sâu

nước từ 1,5 - 1,7 m. Hồ có ít trao đổi nước
với bên ngoài do đã được kè bờ chắc chắn và
nước thải xung quanh hồ đã được thu gom
vào hệ thống riêng biệt [1].
2. CƠ SỞ MÔ HÌNH TRUYỀN NHIỆT

Mơ hình EFDC là mơ hình số trị mơ phỏng
các q trình thủy động lực học, vận chuyển
bùn cát, các chất ô nhiễm và chất lượng nước
cho các thể nước mặt [2]. Mơ hình EFDC
giải bài tốn lan truyền nhiệt dựa trên phương
trình chuyển tải và khuếch tán nhiệt trong
nước như sau:
T   uT    vT    wT 




t
x
y
z

 
T   
T   
T 
 D
D
 D

S
x  x x  y  y y  z  z z  H

(1)

Trong đó: T - nhiệt độ của nước (°C); t thời gian (s); x,y,z - các biến không gian (m);
u,v,w - các thành phần vận tốc theo các
phương x,y,z (m); Dx,Dy,Dz - các hệ số
khuếch tán rối theo các phương x,y,z (m²/s);
SH - trao đổi nhiệt với bên ngoài (°C/s).
Sự trao đổi nhiệt của hồ với bên ngoài chủ
yếu là trao đổi nhiệt giữa nước với khơng khí
và với đáy. Trao đổi nhiệt giữa nước và
khơng khí bao gồm các thơng lượng nhiệt
đến do bức xạ sóng ngắn từ Mặt Trời và bức
xạ sóng dài từ khí quyển; các thơng lượng
nhiệt đi do bức xạ sóng dài từ thể nước, nhiệt
cảm do sự truyền nhiệt giữa nước và khơng
khí, nhiệt ẩn do bốc hơi. Trao đổi nhiệt giữa
nước và không khí được tính tốn phụ thuộc
vào vị trí địa lý của hồ, thời gian, nhiệt độ
nước của hồ và các đặc trưng khí tượng như
nhiệt độ khơng khí, bốc hơi, tốc độ gió, độ
che phủ của mây. Trao đổi nhiệt giữa nước
và đáy phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ
giữa nước và đáy, hệ số truyền nhiệt giữa
nước và đáy và độ sâu lớp bùn cát tham gia
vào quá trình trao đổi nhiệt.
3. MƠ HÌNH HỒ CỰ CHÍNH

Mơ hình lan truyền nhiệt cho hồ Cự Chính
được thiết lập dựa trên số liệu nhiệt độ nước
của 16 lần đo đạc tại hồ Cự Chính trong thời
gian từ 17/04/2017 đến 08/03/2018.
Số liệu đầu vào của mơ hình chủ yếu là số
liệu khí tượng thực đo tại các trạm Láng, Hà
Đông và sân bay Nội Bài trong các năm 2017
và 2018 do không trạm nào có đầy đủ bộ số
liệu đồng bộ. Trong đó, lượng mưa sử dụng số
liệu thực đo của trạm Láng, nhiệt độ khơng khí,

298


Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020. ISBN: 978-604-82-3869-8

khí áp và gió sử dụng số liệu thực đo trạm Hà
Đơng, độ ẩm khơng khí và độ che phủ của mây
sử dụng số liệu thực đo tại sân bay Nội Bài.
Hình 1 biểu diễn số liệu nhiệt độ khơng khí và
vận tốc gió sử dụng cho mơ hình. Hình 2 biểu
thị hoa gió. Từ hình 1 và hình 2 có thể thấy
vận tốc gió trong khu vực khá yếu, phần lớn là
gió tây nam với vận tốc dưới 5 m/s trong thời
kỳ mùa hè và gió bắc với vận tốc khoảng
5 m/s trong thời kỳ mùa đông.

Bảng 1. Các thơng số mơ hình
Thơng số mơ hình truyền nhiệt

Giá trị

Hệ số suy giảm ánh sáng, WQKEB (1/m) 0.86
Hệ số truyền nhiệt đối lưu, RCHC
(W/m²/°C)

18.98

Hệ số trao đổi nhiệt với đáy, HTBED2
(W/m²/°C)

218.64

Độ dày của lớp đáy trao đổi nhiệt,
DABEDT (m)

5.4

Nhiệt độ đáy ban đầu, TBEDIT (°C)

27

Nhiệt độ khơng khí (°C)
Vận tốc gió (m/s)

Bảng 2. Chỉ tiêu đánh giá mơ hình
Chỉ tiêu đánh giá

Giá trị

Sai số trung bình, ME

-0.12°C

Sai số tương đối, RME

-0.45%

Sai số quân phương, RMSE

0.97°C

Sai số quân phương tương đối, RRMSE 7.07%
Chỉ số Nash-Sutcliffe, NSE

94.55%

Hình 1. Số liệu nhiệt độ khơng khí
và vận tốc gió
From 2017-04-01 to 2018-04-01
N

NN
E

E
EN

WN
W

N
E

N
W

W
NN

Calm
3.00%

ES
E

%
10

W
WS

5%

Hình 3. So sánh nhiệt độ nước hồ
giữa kết quả mơ hình và số liệu thực đo

%
15

E
SS

S

SS
W

17383 records used.
Direction is coming from.

SE

SW

%
20

Wind Speed (m/s)
8.0 - 10.8
5.5 - 8.0
3.3 - 5.5
1.5 - 3.3
0.5 - 1.5

Hình 2. Hoa gió thời kỳ tính tốn
Do hồ nơng và kín nước trong nội đơ nên
q trình hiệu chỉnh mơ hình được thực hiện
với việc mơ hình hồ bằng 1 ơ lưới có kích
thước 200 m × 200 m, độ sâu 1,6 m, giả thiết

hồ hoà trộn hoàn tồn.
Bộ thơng số mơ hình lan truyền nhiệt được
xác định thơng qua q trình hiệu chỉnh mơ
hình như trong bảng 1. Các chỉ tiêu đánh giá
mơ hình so với số liệu như trong bảng 2.

Thông qua các kết quả trong bảng 1 và
bảng 2 có thể thấy mơ hình một ô lưới và một
lớp nước của hồ Cự Chính khá phù hợp với
số liệu thực đo. Điều này cho thấy thủy động
lực của hồ rất yếu do khơng có trao đổi nước
với bên ngoài. Tác động của bức xạ mặt trời
đóng vai trị quan trọng trong việc cung cấp
ánh sáng và năng lượng cho hồ. Ánh sáng có
thể truyền đến hầu hết độ sâu nước trong hồ,
giúp cho tảo có đủ ánh sáng để phát triển
trong khoảng độ sâu nước này. Ngoài ra, trao
đổi nhiệt giữa nước và đáy bùn cát cũng ảnh
hưởng lớn đến q trình điều hịa nhiệt độ
của nước hồ.

299


Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020. ISBN: 978-604-82-3869-8

Nhiệt độ (°C)

Hình 3 so sánh nhiệt độ nước tính tốn
bằng mơ hình so với số liệu thực đo. Kết quả

tính tốn bằng mơ hình cho thấy nhiệt độ
nước trong hồ có sự dao động đáng kể theo
chu kỳ ngày và đêm. Trong thời kỳ mùa hè,
dao động nhiệt độ ngày đêm của hồ có thể
đến 2°C (hình 4). Trong thời kỳ mùa đông,
dao động nhiệt độ ngày đêm của hồ nhỏ hơn,
chỉ vào khoảng 1°C (hình 5).

Nhiệt độ (°C)

Hình 4. Dao động ngày đêm của nhiệt độ
nước hồ thời kỳ mùa hè

4. KẾT LUẬN

Bài báo đã trình bày kết quả mơ hình hóa
nhiệt độ cho một hồ nước trong nội đơ. Với
một hồ nội đơ nơng và kín nước, có thể mơ
hình hóa hồ bằng 1 ơ lưới và 1 lớp nước do
động lực của hồ yếu và bức xạ mặt trời có
khả năng truyền nhiệt cho phần lớn độ sâu
nước trong hồ. Trao đổi nhiệt giữa nước hồ
và đáy bùn cát cũng đóng vai trị quan trọng
trong điều hịa nhiệt độ của nước hồ. Việc
ứng dụng mơ hình số trị EFDC cho thấy sự
phù hợp khá tốt giữa kết quả mô phỏng với
các giá trị thực đo và mơ tả chi tiết q trình
biến đổi của nhiệt độ nước trong hồ theo thời
gian, đặc biệt là sự dao động nhiệt độ trong
một ngày đêm. Các kết quả này là cơ sở quan

trọng để có thể tiếp tục mơ phỏng sự phát
triển của tảo, q trình phú dưỡng và chất
lượng nước trong hồ.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Tạ Đăng Thuần, Bùi Quốc Lập. 2019. Phân
tích sự biến đổi theo mùa các yếu tố ảnh
hưởng tới sự sinh trưởng của tảo ở một hồ
nội đô Hà Nội sử dụng mơ hình phú dưỡng.
Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Thủy lợi và Môi
trường, Số 64 (3/2019), tr.60-68.
[2] DSI, LLC. 2020. EFDC+ Theory version
8.5. Edmonds, WA, USA.
[3] Zhen-Gang Ji. 2017. Hydrodynamics and
water quality: modeling rivers, lakes, and
estuaries. 2nd edt., Wiley.

Hình 5. Dao động ngày đêm của nhiệt độ
nước hồ thời kỳ mùa đông

300