NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MIKE 11 TRONG TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC pptx

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
417
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MIKE 11
TRONG TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC
APPLICATED RESEARCH OF MIKE 11 SOFTWARE
IN CALCULATING AND SIMULATION WATER QUALITY

SVTH: Nguyễn Dương Quang Chánh
Lớp 05MT, Trường Đại học Bách khoa
GVHD: TS. Trần Văn Quang
Khoa Môi Trường, Trường Đại học Bách khoa

TÓM TẮT
Nghiên cứu ứng dụng phần mềm Mike 11 trong tính toán mô phỏng chất lượng nước
sông, thực hiện băng cách mô phỏng các tình huống giả định ở điều kiện ổn định và không ổn
định, đưa ra kết quả đánh giá và so sánh với cách tính bằng phương trình Streeter-Phelps mở
rộng.
ABSTRACT
This report is about the applicated research of Mike 11 software in simulating the river
water quality, done by simulation of supposed situations in static and dynamic conditions, making
assessments and comparisons with the ways calculated by modified Streeter-Phelps equation.

1. Mở đầu
Ngày nay, quá trình đô thị hóa và phát triển công nghệ đã đem lại những lợi ích to
lớn cho con người, tuy nhiên mặt trái của nó là gây ra những tác động tiêu cực đến môi
trường sống của chúng ta. Các chất ô nhiễm đưa vào môi trường ngày càng nhiều làm tổn
hại các hệ sinh thái-gây tổn hại đến cấu trúc hệ sinh thái và tàn phá các sinh vật, đặc biệt là
môi trường nước. Một nhiệm vụ quan trọng đặt ra là chúng ta phải dự đoán sự biến đổi của
môi trường dưới sự tác động của các yếu tố khác nhau. Do vậy, mô hình hóa môi trường sẽ
giúp đưa ra những dự báo trước, từ đó đưa ra những biện pháp quản lý và biện pháp kỹ
thuật thích hợp.

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều phầm mềm tính toán mô phỏng chất lượng nước
đang được sử dụng. Mục tiêu của đề tài nhằm nghiên cứu áp dụng phần mềm Mike 11 để :
Mô phỏng tính toán chất lượng nước sông thông qua việc chạy thử nghiệm với các
thông số giả định trong điều kiện ổn định (static) và không ổn định (dynamic).
So sánh kết quả chạy bằng Mike 11 với kết quả tính toán theo phương trình
Streeter-Phelps mở rộng.
2. Nội dung
2.1. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp mô hình toán để tính toán mô phỏng chất lượng nước thảy đổi trên
các tình huống giả định.
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
418
2.2. 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, được ứng dụng để mô
phỏng chế độ thủy lực, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát vùng cửa sông, trong sông,
lòng dẫn, kênh dẫn,… Mike 11 co nhiều module có các khả năng và nhiệm vụ nhau như :
module mưa dòng chảy (RR), module thủy động lực 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
lượng nước sông.
2.2.1. Module thủy lực (HD-Hydrodynamics)
Module thủy lực được xây dựng trên cơ sở hệ phương trình Saint-Venant một chiều
cho trường hợp dòng không ổn định , gồm 2 phương trình sau
Phương trình liên tục
0q
t
A
x

Q

Phương trình động lượng:
0
2
2
ARC
QgQ
x
h
gA
x
A
Q
t
Q

Đây là hệ 2 phương trình vi phân đạo hàm riêng phi tuyến bậc nhất, được giải bằng
phương pháp số với lược đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn (Abbott-Inoescu).
2.2.2. Module tải-khuếch tán (AD-Avection Dispersion
Module tải-khuếch tán được 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 được biểu diễn qua phương trình sau:
qCAKC
x
x
C
AD
x
QC

t
AC
2

Trong đó : A: diện tích mặt cắt (m
2
)
C: nồng độ (kg/m
3
)
D:hệ số khuếch tán (m
2
/s)
q: lưu lượng nhập lưu trên 1 đơn vị chiều dài dọc sông(m
2
/s)
K: hệ số phân hủy sinh học (ngày
-1
)
Phương trình này được giải bằng phương pháp số với sơ đồ sai phân ẩn trung tâm.
2.2.3. Module sinh thái (Ecolab)
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 trường nước như :
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
419
Mối quan hệ giữa BOD/DO
Các nhân tố ảnh hưởng đến độ Oxy hòa tan (t
o
, dòng chảy,…)
Quá trình Nitrat hóa

Ảnh hưởng của thực vật đáy
Sự khuấy động và lắng đọng của bùn cát
2.3. Mô phỏng các trường hợp giả định
2.3.1. Trường hợp điều kiện ổn định (Static)
Nhập dữ liệu đầu vào :
Dòng sông dài 150Km, rộng 200m với diện tích các mặt cắt trung bình A=200m
2
,
sâu trung bình 2m, dòng chảy đều; nguồn thải vào đều ở Km70. Chạy chương trình ở
các kich bản khác nhau, trong mỗi kịch bản khai báo với các số liệu thay đổi
Lưu lượng dòng sông, nồng độ ban đầu (BOD, DO, t
o
)
Lưu lượng nguồn thải, nồng độ thải (BOD, DO, t
o
)
Hệ số khuếch tán
rường hợp có 2 nguồn thải
Các tham số khác:
Hệ sô phân hủy K
d
= 0.15 (ngày
-1
)
Hệ số nạp khí (tốc độ hòa tan oxy qua mặt thoáng) K
d
= 0.2 (ngày
-1
)
Kết quả thu được là các đường biểu diễn BOD, DO theo khoảng cách

0.0 10000.0 20000.0 30000.0 40000.0 50000.0 60000.0 70000.0 80000.0 90000.0 100000.0 110000.0 120000.0 130000.0 140000.0 150000.0
[m]
-1.0
-0.9
-0.8
-0.7
-0.6
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0.0
5.5
5.6
5.7
5.8
5.9
6.0
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
6.6
6.7
6.8
6.9
7.0
7.1

7.2
[mg/l]
Minimum
DO khi Nguon thai BOD 300
DO khi Nguon thai BOD 1000
DO khi Nguon thai BOD 1500

0.0 10000.0 20000.0 30000.0 40000.0 50000.0 60000.0 70000.0 80000.0 90000.0 100000.0 110000.0 120000.0 130000.0 140000.0 150000.0
[m]
-1.0
-0.9
-0.8
-0.7
-0.6
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
14.0
16.0
18.0
20.0

22.0
24.0
26.0
[mg/l]
Maximum
SONG10KM 0 - 150000
BOD 300
BOD 1000
BOD 1500

Hình 2.1. Sự biến đổi DO,BOD theo khoảng cách với BOD(nguồn thải)300-1000-1500
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
420
0.0 10000.0 20000.0 30000.0 40000.0 50000.0 60000.0 70000.0 80000.0 90000.0 100000.0 110000.0 120000.0 130000.0 140000.0 150000.0
[m]
-1.0
-0.9
-0.8
-0.7
-0.6
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0.0
6.80
6.85
6.90
6.95

7.00
7.05
7.10
7.15
[mg/l]
Minimum
DO khi E=100
DO khi E=200
DO khi E=300

0.0 10000.0 20000.0 30000.0 40000.0 50000.0 60000.0 70000.0 80000.0 90000.0 100000.0 110000.0 120000.0 130000.0 140000.0 150000.0
[m]
-1.0
-0.9
-0.8
-0.7
-0.6
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0.0
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0

5.5
6.0
6.5
[mg/l]
Maximum
DO khi E=100
DO khi E=200
DO khi E=300

Hình 2.2. Sự biến đổi DO,BOD theo khoảng cách với hệ số khuếch tán thay đổi
0.0 10000.0 20000.0 30000.0 40000.0 50000.0 60000.0 70000.0 80000.0 90000.0 100000.0 110000.0 120000.0 130000.0 140000.0 150000.0
[m]
-1.0
-0.9
-0.8
-0.7
-0.6
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0.0
6.70
6.75
6.80
6.85
6.90
6.95
7.00

7.05
7.10
7.15
[mg/l]
Minimum
DO khi Lluong song 2 m3/ngd
DO khi Lluong song 1 m3/ngd
DO khi Lluong song 4 m3/ngd

0.0 10000.0 20000.0 30000.0 40000.0 50000.0 60000.0 70000.0 80000.0 90000.0 100000.0 110000.0 120000.0 130000.0 140000.0 150000.0
[m]
-1.0
-0.9
-0.8
-0.7
-0.6
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0.0
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5

6.0
6.5
7.0
7.5
[mg/l]
Maximum
BOD khi Lluong song 2 m3/ngd
BOD khi Lluong song 4 m3/ngd
BOD khi Lluong song 1 m3/ngd

Hình 2.3. Sự biến đổi DO, BOD theo khoảng cách với lưu lượng(dòng sông) thay đổi
0.0 10000.0 20000.0 30000.0 40000.0 50000.0 60000.0 70000.0 80000.0 90000.0 100000.0 110000.0 120000.0 130000.0 140000.0 150000.0
[m]
-1.0
-0.9
-0.8
-0.7
-0.6
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0.0
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5

5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
8.5
9.0
[mg/l]
Maximum
BOD

Hình 2.4. Sự biến đổi BOD theo khoảng cách khi có 2 nguồn thải đồng thời
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
421
Hình 2.5. Sự biến đổi BOD so sánh với tính toán theo Streeter-Phelps mở rộng
2.3.2. Trường hợp điều kiện không ổn định (Dynamic)
Khai báo nguồn thải vào đột ngột (không liên tục) , các khai báo khác tương tự như trên.
Kết quả đạt được là các đương biểu diễn sự thay đổi BOD,DO theo khoảng cách và
thời gian.
0.0 1000.0 2000.0 3000.0 4000.0 5000.0 6000.0 7000.0 8000.0 9000.0 10000.0
[m]
-2.0
-1.8
-1.6
-1.4
-1.2
-1.0
-0.8

-0.6
-0.4
-0.2
0.0
6.96
6.98
7.00
7.02
7.04
7.06
7.08
7.10
7.12
7.14
7.16
7.18
2-1-2010 01:34:59

0.0 1000.0 2000.0 3000.0 4000.0 5000.0 6000.0 7000.0 8000.0 9000.0 10000.0
[m]
-2.0
-1.8
-1.6
-1.4
-1.2
-1.0
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2

0.0
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
30.0
35.0
40.0
45.0
50.0
55.0
60.0
65.0
70.0
2-1-2010 01:34:59

Hình 2.6. Sự biến đổi DO,BOD theo khoảng cách và thời gian khi có nguồn thải không ổn định
3. Kết luận và kiến nghị
3.1. Kết luận
Khả năng mô phỏng của mô hình Mike 11 rất tốt, có độ chính xác và hợp lý so với
thực tiễn;
Có khả năng ứng dụng rộng rãi trong nhiều tình huống sự cố môi trường, hỗ trợ tốt
cho công tác quản lý lưu vực sông và quản lý nguồn thải.
3.2. Kiến nghị
Tiếp tục được nghiên cứu sâu thêm về mô hình Mike và cơ sở lý thuyết để có thể
áp dụng tốt trong các bài toán thực tế đặt ra.
Tiến hành xây dựng nguồn dữ liệu thực tế về các dòng sông, nguồn thải (đo đạc, số
hóa dữ liệu, bản đồ,…) phục vụ cho công tác mô phỏng dòng chảy.

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
422

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Trần Văn Quang (2001), Giáo trình mô hình chất lượng nước, Trường Đại học Bách
Khoa Đà Nẵng.
[2] DHI software (2007), Mike User Guide.
[3] DHI software (2007), Mike Reference Manual.