Bài giảng mô hình mike

Giới thiệu

Mơ hình mơ phỏng diễn
tốn nước Mike
PGS.TSKH. Bùi Tá Long ,
Đại học Bách khoa
Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh

 DHI Water & Environment (DHI là cụm từ viết tắt của 3 chữ
Danish Hydraulic Institute).
 Công ty DHI có khoảng 560 nhân viên, trong số này 35% có
bằng tiến sĩ với nhiều kinh nghiệm thực hiện các dự án
nghiên cứu triển khai cơng nghệ. DHI có trụ sở chính tại
Hørsholm, Đan Mạch và văn phịng đại diện tại nhiều nước
trên thế giới như Úc, Bungari, Chi lê, Trung Quốc, Pháp,
Đức, Italy, Malaysia, Nauy, Tây Ban Nha, …. và gần đây là
tại Thái lan và Việt Nam.

1

2

… Tiếp theo

Vì sao lại là Mike ?
 Khi gặp phải một vấn đề phức tạp lý thuyết hệ thống và mơ
hình tốn ln được tìm đến.
 Những mơ hình tốn ngày nay có xu hướng ngày càng phức
tạp.
 Tính phức tạp của mơ hình địi hỏi khối lượng lớn các dữ
liệu.

 Khi đó hệ thống thơng tin mơi trường được xây dựng để đáp
ứng được u cầu chạy mơ hình và xử lý thông tin.
 Số lượng người sử dụng Mike ngày càng tăng trên thế giới
và tại Việt Nam

3







Là bộ phần mềm tích hợp đa tính năng;
Là bộ phần mềm đã được kiểm nghiệm thực tế;
Cho phép tính tốn chất lượng nước với độ chính xác cao;
Giao diện thân thiện, dễ sử dụng;
Có ứng dụng kỹ thuật GIS, một kỹ thuật mới với tính hiệu
quả cao;

4

1


Ví dụ: bài tốn Vedan

Xử lý và chuẩn hóa số liệu

5

Bộ chương trình Mike cho dịng chảy

6

Bộ chương trình Mike21, Mike3

Bộ phần mềm MIKE bao gồm rất nhiều các phần mềm con có các chức
năng và nhiệm vụ khác nhau như MIKE 11, MIKE 21, MIKE 3, MIKE BASIN,
MIKE SHE, MIKE MOUSE.v.v.
MOUSE: hệ thống đóng gói dành cho các mạng kín đường ống. Mơ hình
này lưu ý tới mưa và dòng chảy, thủy động lực học các dòng, chất lượng
nước, chuyển động của bùn cát. Đây là công cụ giúp quản lý mạng trong
chế độ thời gian thực.
MIKE11 – hệ thống mô phỏng một chiều cho sông, kênh, các hệ thống
thủy lợi bao gồm các module mưa và dòng chảy, sự phân tán và chuyển
động của tạp chất và bùn cát, module hình thái, module chất lượng nước và
mơ hình dịng chảy hai lớp
MIKE21 – hệ thống mơ phỏng hai chiều dùng để phân tích dịng chảy,
sóng, sự vận chuyển tạp chất, chất lượng nước các khơng gian có đối
tượng nước mở, vùng ven bờ và vùng cửa sông
MIKE3 – hệ thống mơ hình 3 chiều có khả năng tương tự như MIKE2 khi
việc mơ hình theo 2 chiều khơng đáp ứng được yêu cầu.

7

2


… Tiếp

Chương trình Mike21, Mike3
 Hệ thống MIKE 21 (PP, HD, AD, MT, SW, PA, SA): đây là hệ thống
phức hợp có thể giải quyết các vấn đề mực nước và dòng chảy 2 chiều
(2D), sự vận chuyển và khuyếch tán của các chất hòa tan và lơ lửng,
bùn cát, sự lan truyền dầu; sự lan truyền của sóng biển, tính tốn sa bồi
và tác động của việc nạo vét luồng lạch… Hệ thống hiện đại này có thể
giải quyết hầu hết các vấn đề thủy lực phức tạp ở vùng cửa sông và ven
biển.
 Hệ thống MIKE 3 (PP, HD, MT): đây là hệ thống các chương trình phát
triển dựa trên các nghiên cứu khoa học gần đây, tính tốn dịng chảy và
bùn cát 3 chiều (3D). Hệ thống này có thể mơ phỏng rất tốt sự phân bố
dịng chảy và bùn cát theo không gian 3 chiều, rất thích hợp để nghiên
cứu với độ chính xác cao bài tốn sa bồi, xói lở ở các đoạn sơng và đặc
biệt rất thích hợp để áp dụng cho các vấn để xói lở của các đoạn sơng
cong, cửa sơng và ven biển…

 Phần mềm LITPACK (PP, LITSTP, LITDRIFT, LITLINE, LITPROF,
LITTREN) đánh giá tác động của các cơng trình ven biển; tối ưu hố hệ
thống cơng trình bảo vệ khu vực bờ biển; thiết kế và đánh giá việc bảo
vệ bờ biển; tính tốn nạo vét luồng lạch; thực hiện những nghiên cứu
diễn biến hình thái học ven biển…

9

10

… Tiếp theo

Mike 11

 MIKE11 – là một phần mềm đóng gói thuộc bản quyền của hãng DHI
Water & Environment (DHI là cụm từ viết tắt của 3 chữ Danish Hydraulic
Institute).
 MIKE11 dùng để mơ phỏng chế độ thủy lực, dịng chảy bề mặt, vận
chuyển bùn cát và tạp chất. Ngoài ra MIKE11 cịn có thể mơ phỏng chất
lượng nước trong các hệ thống kênh sông phức tạp.
 MIKE11 – là công cụ lý tưởng để quản lý lưu vực sông, để hỗ trợ ra
quyết định trong bài toán quản lý các nguồn nước, đặc biệt vào các thời
điểm có lũ

11

Điểm đặc biệt của MIKE11 là các dữ liệu của MIKE11 có thể chuyển
qua hệ thống thông tin địa lý ArcView.
MIKE11 được xây dựng cho máy tính cá nhân và từ 1996 chương
trình được viết để chạy trên hệ thống Window 95/98/2000/NT. Chương
trình này là sản phẩm cơng nghệ máy tính cao (với bộ nhớ động và
CSDL). Chương trình được tích hợp rất nhiều mơ hình tốn được
nghiên cứu từ những năm 60 của thế kỷ trước.

12

3


Đặc điểm chính của Mike11

Cấu trúc của Mike11

MIKE11 bao gồm những module chính sau

đây:

– Module thủy văn;
– Module thủy động lực học;
– Module tải – phân tán và vận chuyển bùn cát kết
dính (cohesive sediment transport);
– Module chất lượng nước;
– Module vận chuyển bùn cát khơng kết dính (noncohesive sediment transport);

13

… Tiếp theo

14

Thế mạnh của Mike11

Những module cơ bản này lại có thêm những module con chi
tiết hơn. Cấu trúc module của MIKE11 cho phép những khả
năng lớn sau đây:
Mỗi module có thể sử dụng riêng rẽ;
Việc truyền dữ liệu giữa các module được thực hiện một cách
tự động
Mỗi module xác lập sự phụ thuộc giữa các quá trình vật lý
(hình thái sơng,chuyển động bùn cát và chất lượng nước);
Việc kết nối các module mới diễn ra rất nhanh chóng.

15

 Cấu trúc dữ liệu – MIKE11 ứng dụng mạnh mẽ công nghệ

CSDL.Việc ứng dụng này đã mang lại những hiệu quả rất rõ
rệt.
 Tổ chức và làm việc với CSDL – là một phần không thể
thiếu của hệ mô phỏng cịn kích thước mơ hình có thể làm
giảm đi hoặc tăng lên. CSDL không phụ thuộc vào hệ điều
hành và do vậy có thể dễ dàng chuyển sang các máy tính
khác hay CSDL khác.
 Cấu trúc CSDL trong MIKE11 có thể sử dụng một cách độc
lập (ví dụ CSDL về thủy văn đối với các lưu vực sơng có thể
sử dụng độc lập)

16

4


Các module chính được áp dụng

… Tiếp
 Giao diện trong Mike11 được quản lý trực tiếp bằng hệ
thống menu với cách xây dựng hợp lý và tuần tự. Hỗ trợ
được bảo đảm tại mọi giai đoạn với sự trợ giúp của menu
Help.
 MIKE11 phát triển hệ thống đồ họa màu rất phong phú, cho
phép kiểm tra dữ liệu, biểu diễn thông tin trực diện và lưu trữ
thông tin trong CSDL. Bộ chương trình đồ họa này cịn cho
phép user biểu diễn kết quả mô phỏng.
 MIKE11 phát triển các module cho phép xử lý thống kê và
biểu diễn kết quả được đưa vào mơ hình.

Module thủy động lực (HD – Hydrodynamics)
Module tải – phân tán (AD – Advection – Dispersion)
Module chất lượng nước (WQ-Water Quality, Eco Lab)

17

Module động lực học (HD – Hydrodynamics)

18

Module HD

 Module thủy động lực học sử dụng phương pháp sai phân với sơ đồ ẩn
tính tốn dịng chảy khơng dừng trong kênh sơng và vùng cửa sơng. Các
sơ đồ tính tốn của module HD được mơ tả chi tiết trong tài liệu hướng dẫn
về MIKE11
19

5


Dự báo lũ (NAM)

Module chất lượng nước (WQ-Water Quality)

 Module này cho phép mở rộng khả năng của
module NAM (mưa – dòng chảy) và module thủy
văn HD

Module chất lượng nước liên quan chặt chẽ với module AD

(tải-phân tán). Module WQ có lưu ý các q trình phản ứng
trong các hệ thống nhiều thành phần như: sự phân hủy các
chất hữu cơ, sự quang hợp, sự hô hấp của thực vật, nitrat,
nitrit, sự trao đổi oxygen với khí quyển.
Sự cân bằng khối lượng các tham số tham gia vào q
trình mơ phỏng được lưu ý ở tất cả các điểm với bước thời
gian và sử dụng phương pháp ngoại suy hợp lý

21

… Tiếp theo

22

Module kim loại nặng
Sự tích tụ và chiết xuất các kim loại nặng
Sự lơ lửng và lắng đọng các hạt kim loại nặng
Sự dịch chuyển các kim loại hịa tan và các hạt lơ lửng
trong mơi trường nước do sự chuyển tải và phân tán

Module này mô tả:
– Mối quan hệ giữa BOD/DO
– Ni tơ hóa
– Ảnh hưởng của thực vật đáy
– Sự khuấy động và lắng đọng của bùn cát
– Nhu cầu oxy do sự phân hủy các chất hữu cơ
Kim loại nặng

23

24

6


Phú dưỡng hóa

Ứng dụng Mike11

Module này mơ phỏng một số q trình vật lý, hóa học và sinh
học có liên quan tới vấn đề sinh thái nước và ô nhiễm các đối
tượng nước, trong số này phải kể tới:
– Phiêu sinh thực vật và động vật.
– Sự phát triển thực vật đáy.
– Chu trình phát triển các chất dinh dưỡng.








Xử lý bản đồ
Chuyển bản đồ vào Mike
Thiết lập các thông số nền
Giải bài toán thủy lực (HD)
Giải bài toán lan truyền (AD)
Giải bài toán chất lượng nước (ECO LAB)

Module này được sử dụng để nghiên cứu:
– Các nguồn gây ô nhiễm như nước thải sinh hoạt, nước thải công

nghiệp, ô nhiễm do hoạt động nông nghiệp.

– Sự thay đổi địa hình đáy có gây ảnh hưởng tới thực vật đáy.

26

25

Các dữ liệu cần đo đạc

Dữ liệu bản đồ
 Các vị trí các trạm thuỷ văn.
 Dữ liệu hành chính xã, huyện, tỉnh.
 Dữ liệu các khu công nghiệp hoặc doanh nghiệp có liên
quan.
 Dữ liệu các nguồn thải tương ứng: vị trí.

27

28

7


Các bước biên tập bản đồ

Đưa bản đồ vào Mike

 Bước 1: Khởi động Mapinfo/ mở bản đồ (ví dụ: D:\map\thivai).
 Bước 2: Khoanh vùng cần chạy mơ hình /xuất ảnh – file/ Save
Window as/ (….*.bmp).
 Bước 3 : Lấy toạ độ 2điểm của hình vừa lưu.
 Điểm 1: Phía dưới - góc trái:(X:698,276.82; Y:1,166,043.40)
 Điểm 2 : Phía trên - góc phải:(X : 721,612.66;Y: 1,184,043.40)

29

Bước 1:Chọn Mike 11

30

Bước 2: đưa bản đồ raster vào

 Trong đó có các mục: Simulation, River network, Cross section,
Boundary, Rainfall-runoff, Hydrodynamic, Advection-Dispersion, Water
quality, Eutrophication, Sediment transportation, Flood forecasting, Batch
Simulation.
 Ta cần chọn và tạo đường dẫn cho các mục : Simulation, River network,
Cross section, Boundary, Hydrodynamic, Advection-Dispersion.

31

 Đưa bản đồ được chọn vào.
 Thiết lập mạng kênh sơng dựa trên việc số hố bản đồ vùng nghiên cứu
trên ảnh raster (bước trên)
 Trong phần Network chọn đưa vùng bản đồ vào theo trục X, Y tương
ứng.

Sau khi nhập xong toạ độ, ta nhập tiếp theo trình tự sau:
 Vào Layers / add/remore layer/ newfile.
 Chọn Properties/ nhập X,Y/ ok
 Ta được hình ảnh hiển thị trong phần mềm để chuển bị số hố mạng
sơng.
32
 Bản đồ sẽ xuất hiện trong vùng tính.

8


Thiết lập các thông số nền

… Tiếp

 Đưa đường dẫn các file số liệu đã chuẩn bị để chạy mô hình bao gồm
các file về vùng chạy (Network); file số liệu về mặt cắt (Cross-Section);
file số liệu về mực nước (HD Parameters); File số liệu về chất lượng
nước (AD Parameters)
 Cần phải điền đầy đủ thơng tin cho mơ hình mô phỏng. Chọn những file
Simulation, River network, Cross section, Boundary, Hydrodynamic,
Advection-Dispersion đã được tạo từ bước trên.

33

… Cross - section

 Network ( Hệ thống sông)
 Cửa sổ đồ họa (Graphical view)
 Khi file mạng sông được mở hoặc được tạo thì cửa sổ đồ họa được

mở như một sự mặc định. Khi muốn tạo một hệ thống sơng mới thì ta
phải đăng ký tọa độ của nó và những tọa độ này sẽ được số hóa cho
phù hợp.

34

Boundary data

 Cross-Section
 Mặt cắt các biên chạy và vùng lân cận.
 Từ mạng sông ta nhấm phải chuột vào điểm tại mặt cắt chọn:
insert/network/cross sections
 Số liệu các mặt cắt được đo trực tiếp tại hiện trường. Các số liệu được
xắp xếp bằng Microsoft Excel sau đó được coppy vào file số liệu mặt cắt
cần tính.  save

35

36

9


Chạy mơ hình (simulation )

AD parameters
 Các số liệu chất
lượng nước sẽ
được hiệu chỉnh
thông qua vùng

nghiên cứu, hàm
lượng các chất đo
đạc trong thực tế,
và cá thơng số
trong hiệu chỉnh mơ
hình. Các mức chạy
khác nhau sẽ được
xem xét trên nguồn
số liệu đầu vào.

Với số liệu về thuỷ văn đo dạc theo giờ
nên bước chạy mơ hình có thể tính tốn
lan truyền các chất ô nhiễm theo giờ kết
hợp với các yếu tố nguồn thải.

Đưa ra thư mục và vùng lưu kết quả
sau khi chạy mơ hình

37

Chạy bài tốn thủy lực

Chạy mơ hình

38

Hiển thị kết quả chạy mơ hình thủy lực

Thơng số lưu lượng và mực nước
được chọn để biểu diễn kết quả

Lưu kết quả

39

Lưu lượng tại chân và đỉnh triều ở
một mặt cắt bất kỳ

40

10


… Tiếp theo
Mực nước tại chân và đỉnh triều ở
một mặt cắt bất kỳ

Bài toán lan truyền chất (AD)
Đồ thị thể hiện kết quả mực nước
theo thời gian

Giao diện cửa sổ chạy mơ hình

File AD được chọn để xem kết quả

41

Kết quả chạy AD

Thông số được chọn để biểu diễn kết

quả

42

Kết quả chạy AD
Hình ảnh thể hiện COD tại một số
mặt cắt theo thời gian

Thông số COD

43

Cửa sổ thể hiện thông số lựa chọn

44

11


Module Eco Lab











Sinh vật phù du
Chất diệp lục
Carbon,
Oxygen
Nitơ,
phospho
Kim loại nặng
Chất hấp thụ
Chất lơ lững
Cặn sinh thái

Sơ đồ mạng sông Vàm Cỏ Đông được nhập vào Mike11 47

Kết quả chạy một số ví dụ điển hình

48
Các biên được lựa chọn cho bài tốn dịng chảy và lan truyền chất

12


Water
Thông tin cơ bản
Khu công ngiệp
Cơ sở sản xuất
Khu dân cư
Nông nghiệp (2)
Sông
Kênh rạch

Nguồn tiếp nhận
Chất lượng nước thượng nguồn (3)
Nguyên nhiên liệu
Sử dụng nguyên liệu
(để mục nào) (chuyển)
Cấp cơ quan quản lý mơi trường
Cơ quan quản lý mơi trường
Phịng quản lý môi trường của doanh
nghiệp
Cơ quan lấy mẫu
Nhân viên
(đưa lên trên) (1)
Chất – thông số đo
Tiêu chuẩn
(chuyển)

Thông tin xả thải
Điểm xả (5)
Điểm kiểm tra (6)
Điểm lấy mẫu nước (7)
Mẫu nước quan trắc (8)
Mẫu nước điểm xả (9)
Thành phần mẫu nước (10)
Chi tiết nước thải (1d)
Phương pháp xử lý nước thải (1a)
Các cơng trình (1b)
Chi tiết hiệu suất (1c)

Trạm xử lý nước thải (2)
Sử dụng cơng trình (3)

Sử dụng điểm xả (4)
(Xem lại trình tự)

49

50

KẾT QUẢ CHẠY MƠ HÌNH MIKE 11

Kết quả mô phỏng BOD cho lúc 11 giờ ngày 1/4/2007
51

Kết quả mô phỏng BOD cho lúc 19 giờ ngày 2/4/2007 52

13


Kết quả mô phỏng BOD cho lúc 24 giờ ngày 2/4/2007 53

Kết quả mô phỏng BOD lúc 1 giờ sáng ngày 3/4/2007 54

14