nghiên cứu xây dựng các mô hình toán phục vụ dự báo một số vấn đề môi trường nước

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN





DƯƠNG THỊ THÚY NGA







NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CÁC MÔ HÌNH TOÁN PHỤC VỤ
DỰ BÁO MỘT SỐ VẤN ĐỀ MÔI TRƯỜNG NƯỚC



Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số chuyên ngành: 62.48.01.01





TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NĂM 2012

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP.HCM



Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Nguyễn Kỳ Phùng
2. TS. Hồ Bảo Quốc




Phản biện 1: PGS.TS. Lê Quang Toại
Phản biện 2: PGS.TS. Trần Vĩnh Phước
Phản biện 3: TS. Nguyễn Quốc Lân
Phản biện độc lập 1: PGS.TS. Trần Vĩnh Phước
Phản biện độc lập 2: TS. Lê Thị Quỳnh Hà




Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên TPHCM

vào lúc giờ ngày tháng năm





Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
- Thư viện Khoa học Tổng hợp Tp.HCM
- Thư viện Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên
1

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 3
TỔNG QUAN 4
CHƯƠNG 1. MÔ HÌNH THỦY LỰC 6
1.1.
HỆ PHƯƠNG TRÌNH THỦY LỰC 6
1.2.
ĐIỂM CẢI TIẾN CỦA LUẬN ÁN 6
1.2.1. Điều kiện biên 7
1.2.2. Biên cứng di động (Biên động đường bờ) 7
1.2.3. Phương pháp tính lưới lồng 7
CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH LAN TRUYỀN CHẤT 7
2.1.
MÔ HÌNH TOÁN HỌC 7
2.2.
ĐIỂM CẢI TIẾN CỦA LUẬN ÁN 8
CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH BỒI, XÓI 8
3.1.

PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN TẢI PHÙ SA 8
3.2.
PHƯƠNG TRÌNH LIÊN TỤC BÙN CÁT ĐÁY 9
3.4.
ĐIỂM CẢI TIẾN CỦA LUẬN ÁN 9
CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN VÀ DỰ BÁO DIỄN BIẾN MÔI
TRƯỜNG NƯỚC 9
4.1.
QUY TRÌNH XÂY DỰNG ỨNG DỤNG 9
4.1.1. Quy trình tính toán 10
4.1.2. Độ phức tạp của thuật toán 12
4.1.3. Cấu trúc dữ liệu 12
4.1.4. Các màn hình chính của chương trình tính toán và dự báo diễn biến môi trường
12
4.2.
BỘ DỮ LIỆU CỦA MÔ HÌNH 12
4.2.1. Mô tả bộ dữ liệu tính toán và kiểm định 12
4.2.2. Hiệu chỉnh dữ liệu 12
4.2.3. Tham số điều khiển 12
4.3.
KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH 13
4.3.1. Kiểm định mô hình thủy lực 13
4.3.1.1. Kiểm tra mô hình bằng lời giải giải tích 13
4.3.1.2. Kiểm tra trên kênh chữ U 14
2

4.3.1.3. Kiểm tra với dữ liệu thực đo 14
4.3.2. Kiểm tra mô hình lan truyền chất 15
4.3.3. Kiểm tra mô hình chuyển tải phù sa 15
4.4.

KẾT QUẢ TÍNH TOÁN TRÊN BIỂN CÀ MAU 16
4.4.1. Kết quả tính toán dòng chảy trên biển 16
4.4.1.2. Kết quả khi tính biên cứng di động 17
4.4.1.3. Kết quả khi sử dụng lưới lồng 19
4.4.2. Kết quả tính toán sự lan truyền chất 20
4.4.2.1. Thông số tính toán 20
4.4.2.2. Kết quả tính toán 20
4.4.3. Kết quả tính toán sự chuyển tải phù sa và sự bồi-xói đáy 21
4.4.3.1. Thông số tính toán 21
4.4.3.2. Kết quả
tính toán 21
CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 22
5.1.
KẾT QUẢ 22
5.1.1. Các công việc nghiên cứu khoa học đã tiến hành 22
5.1.2. Số liệu nghiên cứu và thực nghiệm 22
5.2.
BÀN LUẬN 22
CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 23
6.1.
KẾT LUẬN 23
6.2.
KIẾN NGHỊ 24



3

MỞ ĐẦU
 Lý do chọn đề tài

Trong các nghiên cứu ứng dụng của công nghệ thông tin, việc giải quyết các bài toán
về mô hình toán thủy văn (MHTTV) luôn là một yêu cầu rất cần thiết. MHTTV là sự mô
phỏng các quá trình, hiện tượng thủy văn – sự vận động rất phức tạp của nước trong tự
nhiên dưới dạng các phương trình toán học, lôgíc và giải chúng trên các máy tính điện tử.
Đối với các bài toán mô hình hóa trong Môi trường, t
ốc độ tính toán luôn là một vấn
đề nan giải. Với một vùng sông, biển rộng hàng trăm ngàn km
2
, việc tính toán các giá trị
trên toàn vùng nghiên cứu như vận tốc dòng chảy, độ dâng mực nước, nồng độ các chất ô
nhiễm theo thời gian,… phải tốn rất nhiều thời gian, hàng nhiều giờ, thậm chí nhiều ngày.
Bên cạnh đó, để đạt độ chính xác cao, cần phải có những mô hình toán đáng tin cậy để đảm
bảo kết quả tính toán tương ứng với kết quả đo đạc trong thực tế.
Vì vậy, tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu xây dựng các mô hình toán phục vụ dự báo
một số vấn đề môi trường nước” để nghiên cứu một số mô hình toán nhằm cải tiến tốc độ
tính toán cũng như độ chính xác khi giải quyết các bài toán trong Môi trường.
 Mục đích của luận án
Tác giả thực hiện luận án với mục đích nghiên cứu và cải tiến một số mô hình toán
trên thế
giới cả về độ chính xác lẫn tốc độ tính toán như tính dòng chảy, sự lan truyền chất
trên biển và sự bồi, xói đáy tại cửa sông. Từ các nghiên cứu về các mô hình này, tác giả sẽ
xây dựng công cụ tính toán và dự báo diễn biến môi trường nước phục vụ công tác quản lý
môi trường.
 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Để đảm bảo chất lượng của các mô hình, luận án giới hạn về
đối tượng và phạm vi
nghiên cứu như sau:
Đối tượng: mô hình thủy lực, mô hình lan truyền chất hai chiều và mô hình tính sự bồi,
xói đáy trên biển.
Phạm vi nghiên cứu: vùng biển Cà Mau

 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
 Ý nghĩa khoa học
Kết quả nghiên cứu của luận án cho thấy khả năng cải tiến các MHTTV cả về tốc độ
tính toán lẫn độ chính xác bằng việc nghiên cứu phươ
ng pháp: đưa các yếu tố tự nhiên tác
động đến bài toán vào mô hình, tăng tốc độ tính toán bằng phương pháp tính lưới lồng.
4

 Ý nghĩa thực tiễn
Do các mô hình toán ở đây được giải quyết với các điều kiện tự nhiên tổng quát nên có
thể được áp dụng trên vùng biển bất kỳ. Công cụ tính toán và dự báo diễn biến môi trường
giúp các nhà quản lý giám sát, dự báo và có biện pháp xử lý kịp thời khi có sự cố xảy ra,
phục vụ tốt cho kinh tế, quốc phòng, sản xuất và đời sống.
TỔNG QUAN
 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN TH
Ế GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM
Việc nghiên cứu các vấn đề về dòng chảy trên biển và các quá trình tự nhiên chịu sự
ảnh hưởng của dòng chảy như sự lan truyền các chất ô nhiễm hay sự bồi, xói đáy là một bài
toán khó. Dòng chảy trên biển chịu sự tác động của nhiều yếu tố tự nhiên như: sóng, gió, địa
hình đáy,… nên rất đa dạng và phức tạp. Do vậy, ngay từ đầu thế
kỷ 20 đã có nhiều nhà
khoa học nghiên cứu về vấn đề này.
 Các nghiên cứu trên thế giới
Trên thế giới có rất nhiều mô hình, mỗi mô hình có những ưu thế riêng, sự khác biệt là
ở chỗ sử dụng các phương pháp tính, các thuật giải và cách xử lý các tham số khác nhau.
 Các nghiên cứu tại Việt Nam
Việt Nam được coi là quốc gia biển với hơn 3200km bờ biển cùng với thềm lục địa
r
ộng lớn khoảng 1 triệu km
2

. Do đó việc mô phỏng hoàn lưu ở khu vực biển Việt Nam bằng
các mô hình tính toán thủy động lực đã được thực hiện bởi nhiều tác giả khác nhau.
 CÁC NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÂY VÀ MỘT SỐ VẤN ĐỀ TỒN TẠI CẦN ĐƯỢC
GIẢI QUYẾT
Hầu hết các nghiên cứu trên thế giới và ở Việt Nam đã tìm ra được các mô hình toán
phù hợp để giải các bài toán về mô hình hóa. Tuy nhiên, để đạ
t độ chính xác cao và có được
tốc độ tính toán nhanh thì cần phải giải quyết từng bài toán nhỏ trong tổng thể. Các nghiên
cứu trước đây vẫn chưa giải quyết tốt các vấn đề này.
 NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
Để xây dựng được các MHTTV đạt độ chính xác cao và tốc độ tính toán phù hợp với
yêu cầu thực tế, tác giả đã có năm (05) cải tiến khi nghiên cứu các mô hình toán trên thế
giớ
i như sau:
- Tính toán điều kiện biên cho bài toán mô hình sát với điều kiện thực tế để nâng cao
độ chính xác.
5

- Nghiên cứu và áp dụng việc tính toán biên cứng di động do ảnh hưởng của thủy triều
để đảm bảo chất lượng tính toán tốt hơn.
- Đưa hệ số phân hủy của các chất lan truyền vào bài toán lan truyền chất để nâng cao
độ chính xác, giải quyết được cho bài toán chất lan truyền tổng quát.
- Phân chia lớp đáy thành nhiều lớp trầm tích khác nhau cho phù hợp với thực tế và
nâng cao độ chính xác.
- Nghiên cứu xây dựng phương pháp tính bằng l
ưới lồng để giảm chi phí bộ nhớ máy
tính và cải tiến tốc độ tính toán.
 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA NGHIÊN CỨU
Từ các phương trình cơ bản tính toán dòng chảy, lan truyền chất và chuyển tải phù sa,
bồi xói đáy, tác giả sử dụng phương pháp tính toán sai phân hữu hạn, sơ đồ ẩn, còn gọi là sai

phân ẩn luân hướng - ADI (Alternating Direction Implicit Method) để giải quyết cho bài
toán mô hình hóa 2 chiều.
Đặc điểm của phươ
ng pháp này là giá trị tính tại một điểm sẽ phụ thuộc vào các điểm
lân cận trên lưới sai phân và phụ thuộc vào giá trị tại thời điểm tính toán trước đó.
Khi đã có các mô hình toán cơ bản để giải quyết các bài toán này, tác giả nghiên cứu
phương pháp tính điều kiện biên, biên cứng di động, hệ số phân hủy, phân chia các lớp trầm
tích đáy, tính toán bằng lưới lồng để áp dụng vào các mô hình nhằm nâng cao chất l
ượng
cũng như tốc độ tính toán của các mô hình.
 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Để thực hiện các mục tiêu đề ra, tác giả sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:
- Nghiên cứu các mô hình toán hiện có trên thế giới để giải quyết các bài toán Môi
trường.
- Nghiên cứu các hiện tượng tự nhiên ảnh hưởng đến bài toán như: thủy triều làm thay
đổi biên cứng của vùng tính, gió ảnh hưởng đến vận tốc và hướng của dòng chảy.
- Nghiên cứu các phương pháp tính điều kiện biên, tính biên cứng di động, hệ số phân
hủy, phân chia các lớp trầm tích đáy, lưới lồng để áp dụng vào các mô hình.
- Kiểm định kết quả tính toán so với các mô hình chuẩn lý thuyết và dữ liệu đo đạc
thực tế.
6

CHƯƠNG 1. MÔ HÌNH THỦY LỰC
1.1. Hệ phương trình thủy lực
)(
)(
)(
2
22
tf

h
Ch
vu
gu
x
gfv
y
u
v
x
u
u
t
u
x
x
=
+
−
+
+
+
∂
∂
+−
∂
∂
+
∂
∂

+
∂
∂
ςρ
τ
ς
ς
(1.1)
)(
)(
)(
2
22
tf
h
Ch
vu
gv
y
gfu
y
v
v
x
v
u
t
v
y
y

=
+
−
+
+
+
∂
∂
++
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
ςρ
τ
ς
ς
(1.2)
0)()( =+
∂
∂
++
∂
∂
+
∂

∂
vh
y
uh
xt
ςς
ς
(1.3)
Trong đó:
u, v: thành phần của véc-tơ vận tốc dòng chảy trung bình theo độ sâu trong hệ tọa độ
vuông góc Oxy [m/s].
ς
: độ dâng mực nước [m]
h: độ sâu tính từ mực nước tĩnh đến đáy [m]
g: gia tốc trọng lực [m/s
2
]
C: hệ số Chezy (C = 63)
f: tham số Coriolis = 2
ω
sin
ϕ
với
ϕ
: vĩ độ địa lý
ω
: vận tốc góc của sự quay trái đất [s
-1
]
Số hạng

2
22
)( Ch
vu
gu
ς
+
+
,
2
22
)( Ch
vu
gv
ς
+
+
biểu thị ma sát đáy
ρ
: khối lượng riêng chất lỏng [kg/m
3
]
x
τ
,
y
τ
: thành phần của sức căng tiếp gió bề mặt
Số hạng
)(

ςρ
τ
+h
x
,
)(
ςρ
τ
+h
y
biểu thị ma sát rối thẳng đứng trên bề mặt.
f
x
(t), f
y
(t): nguồn thải do lưu lượng từ sông đổ ra
 Công thức tính sức căng tiếp gió bề mặt
x
τ
= (0.00063 + 0.000066 * VT
TB
) * windU * VT
TB

y
τ
= (0.00063 + 0.000066 * VT
TB
) * windV * VT
TB

1.2. Điểm cải tiến của luận án
Tác giả nghiên cứu ba (03) vấn đề mới là tính toán dòng chảy với điều biên sát với
thực tế [CT2], ảnh hưởng của thủy triều đến biên cứng di động để nâng cao độ chính xác
7

[CT7], [CT9] và phương pháp tính toán bằng lưới lồng để làm tăng tốc độ tính toán [CT2],
[CT4], [CT6], [CT7], [CT8].
1.2.1. Điều kiện biên
Điều kiện biên có thể là tổng hợp dao động các sóng hoặc vận tốc dòng chảy hoặc lưu
lượng nước:
- Tổng hợp dao động sóng của N sóng:
∑
=
+=
N
i
iii
tA
1
)sin(
ϕως

- Lưu lượng: Q = U * W với W là diện tích mặt cắt ướt.
- Từ dao động sóng hoặc lưu lượng, suy ra vận tốc dòng chảy tại biên.
1.2.2. Biên cứng di động (Biên động đường bờ)
Khi thủy triều lên hoặc xuống, đường bờ biển sẽ bị thay đổi. Khi triều lên, diện tích bề
mặt nước tăng lên và sẽ xuất hiện nhiều ô lỏng trong vùng tính. Ngược lại, khi triều xuống,
nhiều ô l
ỏng sẽ mất đi và thay vào đó là các ô cứng (xuất hiện bãi đất tại khu vực thủy triều

vừa rút). Nói cách khác, biên cứng của vùng tính toán đã bị thay đổi khi thủy triều lên hoặc
xuống. Do vậy, mỗi khi thủy triều thay đổi, biên cứng của vùng tính sẽ được xác định lại
cho phù hợp với điều kiện tự nhiên.
1.2.3. Phương pháp tính lưới lồng
Độ phân giải của lưới tính ảnh hưở
ng quyết định đến thời gian và công sức tính toán,
đặc biệt đối với những khu vực nghiên cứu rộng lớn. Một giải pháp hữu hiệu cho vấn đề này
là sử dụng lưới tính có các độ phân giải khác nhau: độ phân giải thô cho toàn vùng tính và
độ phân giải mịn cho những khu vực nhỏ cần nghiên cứu chi tiết. Do các quá trình trong các
miền tính khác nhau với các độ phân giải không gian khác nhau, ta sẽ cần đến biện pháp kết
nối miền có độ phân giả
i thô với độ phân giải mịn. Kỹ thuật để kết nối các miền tính có độ
phân giải khác nhau này chính là kỹ thuật lưới lồng. Điểm quan trọng là phải đảm bảo sự
biến đổi trơn, liên tục ở vùng biên chung.
CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH LAN TRUYỀN CHẤT
2.1. Mô hình toán học
(2.1)
Hay
(2.2)
22
1
22
xy
CCCCC
EE uvKCP
txy xy
⎛⎞
⎛⎞
∂∂∂ ∂∂
=+−+−+

⎜⎟
⎜⎟
∂∂∂ ∂∂
⎝⎠
⎝⎠
1
11
xy
CC C C C CC
H
EHEuvKCP
tHxxHyyxy
⎛⎞⎛ ⎞
∂∂ ∂ ∂ ∂ ∂∂
⎛⎞
=+−+−+
⎜⎟⎜ ⎟
⎜⎟
∂∂∂∂∂∂∂
⎝⎠
⎝⎠⎝ ⎠
8

Trong đó:
C: nồng độ các chất ô nhiễm cần tính, thường có đơn vị mg/l
E
x
: hệ số khuếch tán theo phương x [m
2
/s]

E
y
: hệ số khuếch tán theo phương y [m
2
/s]
u,v: vận tốc dòng chảy theo phương x,y [m/s]
H: độ sâu [m]
K: hệ số phân hủy
P
1
: tổng nguồn thải từ bên ngoài
2.2. Điểm cải tiến của luận án
Mô hình lan truyền chất ở đây có sự cải tiến tương tự mô hình thủy lực là sử dụng biên
cứng di động và lưới lồng để tính. Ngoài ra, trong mô hình lan truyền chất, tác giả sử dụng
hệ số phân hủy K để tính toán trong trường hợp tổng quát cho bất kỳ chất lan truyền nào
[CT10]. Đối vớ
i các nghiên cứu trước đây, với mỗi chất lan truyền, các tác giả xây dựng
một phương trình tính toán với hệ số phân hủy cố định. Ở đây tác giả phân tích hệ số phân
hủy K thành nhiều thành phần tùy thuộc vào từng chất. Như vậy, ta chỉ cần xây dựng môt
phương trình tính chung cho các chất. Khi tính toán chỉ cần thay thế hệ số tương ứng cho
chất đó.
Khi đó K là tổng hệ số
có liên quan đến nồng độ C như hệ số phân hủy sinh hóa, bốc
hơi, nhũ tương, … (K = K
1
+ K
2
+…+ K
n
)

CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH BỒI, XÓI
3.1. Phương trình chuyển tải phù sa
Sự phân bố dòng phù sa trong sông được mô tả bằng phương trình tổng quát sau:
11CC S
uv
xy
H
CCC
HK HK
x
y
tHxxHyy
⎛⎞
∂∂
⎛⎞
+
⎜⎟
⎜⎟
∂∂
⎝⎠
⎝⎠
∂∂∂∂∂
+= + +
∂∂∂∂∂
(3.1)
Trong đó:
C : Nồng độ trung bình theo chiều sâu [kg/m
3
].
u,v : Vận tốc trung bình theo chiều sâu [m/s].

K
x
, K
y
: Hệ số phân tán [m
2
/s].
H : Độ sâu tương đối [m],
S : Thành phần nguồn/lắng, mô tả sự bốc lên hay lắng xuống của hạt
[g/m
2
.s]
Hh
ζ
=
+
9

3.2. Phương trình liên tục bùn cát đáy
1
1
by
bx
xy
p
q
q
hCC
SHK HK
txx

yy
x
y
ε
∂
⎡⎤
⎛⎞
∂
∂∂∂∂∂
⎛⎞
=+ + ++
⎢⎥
⎜⎟
⎜⎟
∂− ∂ ∂∂ ∂ ∂∂
⎝⎠
⎝⎠
⎣⎦
(3.10)
S: Hàm số nguồn.
S = E đối với τ
b
> τ
e

S = -D đối với τ
b
< τ
d

S = 0 đối với τ
d
≤ τ
b
≤ τ
e
p
ε
:
hệ số rỗng trầm tích
D
*
: tham số hạt thứ nguyên
T: ứng suất tiếp đáy thứ nguyên
E: tỉ lệ xói mòn
D: tỉ lệ bồi lắng
b
τ
: ứng suất tiếp đáy [N/m
2
]
d
τ
: ứng suất tiếp đáy tới hạn đối với bồi lắng [N/m
2
]
e
τ
: ứng suất tiếp đáy tới hạn đối với xói mòn [N/m
2

]
d
m
: đường kính trung bình của hạt [m]
3.4. Điểm cải tiến của luận án
Tương tự như mô hình lan truyền chất, mô hình tính sự bồi, xói đáy cũng cần mô hình
thủy lực như là nền tảng để tính toán. Sự biến đổi của biên cứng và cách áp dụng lưới lồng
cũng được áp dụng cho mô hình này [CT9].
Ở các nghiên cứu trước đây, lớp trầm tích đáy được xem như một lớp đồng nh
ất là cát
để công việc tính toán được đơn giản. Tác giả phân tích lớp đáy thành nhiều lớp trầm tích
khác nhau như: phù sa, bùn, sét, cát, …để tính toán sự bồi, xói đáy chính xác hơn [CT1].
CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN VÀ DỰ BÁO DIỄN BIẾN MÔI
TRƯỜNG NƯỚC
4.1. Quy trình xây dựng ứng dụng
Sau khi nghiên cứu và cải tiến các mô hình toán, tác giả xây dựng công cụ tính toán
các quá trình diễn ra trong môi trường nước và mô phỏng phục vụ công tác dự báo môi
trường. Chương trình đượ
c viết bằng ngôn ngữ lập trình C#, nhúng phần mềm Surfer và mã
nguồn mở MapWindow vào ứng dụng để tự động hóa việc vẽ các kết quả dòng chảy trên
10

biển, sự lan truyền chất, chuyển tải phù sa và bồi-xói, đáy. Từ đó chương trình mô phỏng
động các kết quả tính toán trên nền MapWindow.
Quy trình xây dựng ứng dụng được mô tả bằng sơ đồ khối dưới đây.
4.1.1. Quy trình tính toán

Số lần tính để làm nóng
MH=TG làm nóng
MH/Bư

ớ
c TG
Lần l
ặ
p
=1
Lần l
ặ
p
= Lần l
ặ
p
+1
Lần lặp < Số lần tính
để làm nóng MH
Đúng
Sai
Tính vận tốc u trên toàn lưới theo
từng dòng (phương x) bằng ma
tr
ậ
n 3 đư
ờ
n
g
chéo
Tính mực nước, vận tốc v
trên toàn lư
ớ
i

Tính vận tốc v trên toàn lưới theo
từng cột (phương y) bằng ma trận
3 đường chéo
Tính mực nước, vận tốc u
trên toàn lư
ớ
i
11


Số lần tính để dự báo=TG
d
ự
báo/Bư
ớ
c TG
Lần l
ặ
p
=1
Lần l
ặ
p
= Lần l
ặ
p
+1
Lần lặp < Số lần tính
để dự báo
Đúng

Sai
Tính vận tốc u trên toàn
lưới theo từng dòng
(phương x) bằng ma trận 3
đư
ờ
n
g
chéo
Tính mực nước, vận tốc v
trên toàn lư
ớ
i
Tính vận tốc v trên toàn
lưới theo từng cột (phương
y) bằng ma trận 3 đường
chéo
Tính mực nước, vận tốc u
trên toàn lư
ớ
i
Sai
Tính nồng độ chất ô nhiễm,
phù sa, độ bồi-xói đáy trên
toàn lưới theo từng dòng
(phương x), từng cột
(phương y) bằng ma trận 3
đư
ờ
n

g
chéo
Lưu kết quả vận tốc dòng
chảy, mực nước, nồng độ
chất ô nhiễm, phù sa, độ bồi-
xói đá
y
trên toàn lư
ớ
i
Kết thúc
12

4.1.2. Độ phức tạp của thuật toán
Độ phức tạp của thuật toán là O(n
3
). Độ phức tạp này phụ thuộc 3 yếu tố: thời gian
tính toán để dự báo, chiều ngang và chiều dọc vùng tính.
4.1.3. Cấu trúc dữ liệu
Để giải quyết các bài toán mô hình hóa, tác giả xây dựng cấu trúc dữ liệu gồm các
biến, mảng động, dữ liệu cấu trúc (struct) để lưu trữ và tính toán.
4.1.4. Các màn hình chính của chương trình tính toán và dự báo diễn biến
môi trường
4.2. Bộ dữ liệu của mô hình
4.2.1. Mô tả bộ dữ
liệu tính toán và kiểm định
Bộ dữ liệu đo đạc được sử dụng cho hai mục đích: tính toán các diễn biến môi trường
và kiểm định kết quả tính toán của mô hình [17].
Bộ dữ liệu đo đạc sau khi được hiệu chỉnh sẽ được chia thành hai phần phục vụ hai
công việc: tính toán và kiểm định. Tiêu chí để chia dữ liệu là phải đảm bảo dữ liệu ở mỗi

phầ
n đều có sự liên tục (đo nhiều lần trong ngày), có sự tác động của các yếu tố tự nhiên
như nhau (chịu ảnh hưởng của thủy triều, gió, gần cửa sông, …).
4.2.2. Hiệu chỉnh dữ liệu
Dữ liệu đo đạc từ các trạm quan trắc khá lớn và thường gặp hai vấn đề sau: có một số
dữ liệu bất thường (quá lớn hoặc quá nhỏ), dữ liệu
đo không liên tục. Để được số liệu đồng
bộ và hạn chế những sai số trên cần chỉnh biên số liệu khi đo đạc xong.
Mục đích công tác chỉnh biên tài liệu thủy văn để tính toán diễn biến môi trường là:
- Chỉnh sửa sai số của các tài liệu gốc nhằm nâng cao chất lượng của tài liệu.
- Bổ sung tài liệu đo không liên tục.
4.2.3. Tham số điều khiển
Các tham số
điều khiển của mô hình gồm có: điều kiện biên, hệ số rối, ma sát đáy, Hệ
số Chezy, hệ số Coriolis, hệ số phân hủy K, bảng phân cấp hạt trầm tích đáy.
Khi tính toán mô hình hóa, tác giả sử dụng nhiều bộ tham số. Mỗi bộ tham số sẽ cho
một kết quả tính toán. Kết quả này sẽ được kiểm định bằng nhiều phương pháp, trong đó có
phương pháp so sánh v
ới dữ liệu đo thực tế (thường là vận tốc dòng chảy và mực nước tại
một số nút tính). Sai số giữa dữ liệu tính toán và thực đo được tính bằng hệ số Nash-
Sutcliffe và hệ số tương quan. Bộ tham số nào cho kết quả tính toán có hệ số Nash-Sutcliffe
lớn nhất sẽ được chọn là bộ tham số cho mô hình tính tại khu vực đó. Với mỗi vùng biển
13

khác nhau, điều kiện tự nhiên khác nhau nên sẽ cần một bộ tham số tính tốn riêng. Phương
pháp chọn lựa bộ tham số phù hợp cho từng vùng là tương tự nhau.
4.3. Kiểm định mơ hình
4.3.1. Kiểm định mơ hình thủy lực
Mơ hình thủy lực là nền tảng cơ bản của mọi bài tốn về mơ hình hóa trên biển. Khi
mơ hình thủy lực có độ tin cậy cao thì các mơ hình như lan truyền chất, bồi, xói đáy sẽ có cơ

sở để
đạt độ chính xác cao.
4.3.1.1. Kiểm tra mơ hình bằng lời giải giải tích
Mơ hình được áp dụng cho đoạn kênh hình chữ nhật một đầu hở cuối kênh; đáy nằm
ngang; chiều dài L = 100m (là một bước sóng); bề rộng kênh 6m (rất nhỏ so với chiều dài);
độ sâu h = 1m.

Hình 4.9a. Kết quả mực nước của dòng chảy tại x = 0.5L
¾ Nhận xét: Tại x = 0.5L mực nước dao động với biên độ cực đại. Trong khoảng 5 chu kỳ
đầu, hai đường mơ hình và giải tích chưa trùng nhau, nhưng từ chu kỳ thứ 6 trở đi thì bài
tốn đã đi vào ổn định, nghiệm của mơ hình đã trùng với nghiệm giải tích.

Hình 4.9a. Kết quả vận tốc của dòng chảy tại x = 0.5L
¾ Nhận xét: Tại x = 0.5L vận tốc dao động với biên độ cực tiểu, trong khoảng 7 chu kỳ đầu
hai đường mơ hình và giải tích chưa trùng nhau, nhưng từ chu kỳ thứ 8 trở đi thì bài tốn
đã đi vào ổn định, nghiệm của mơ hình đã tiến gần đến nghiệm giải tích.
-0.015
-0.01
-0.005
0
0.005
0.01
0.015
03691215
Mô hình
Giải tích
Chu Kỳ T
Mực nước (m)
-0.06
-0.04

-0.02
0
0.02
0.04
0.06
03691215
Mô hình
Giải tích
Chu Kỳ T
Vận tốc (m/s)
14

4.3.1.2. Kiểm tra trên kênh chữ U

Hình 4.13. Trường vận tốc của kênh U (được vẽ với mật độ dày hơn)

Hình 4.16. Phân bố vận tốc theo thí nghiệm của Shukry
¾ Nhận xét: Các kết quả dạng trường vận tốc được so sánh với kết quả từ thí nghiệm của
cho thấy khá phù hợp với nhau, đặc biệt là tại các điểm uốn cong.
4.3.1.3. Kiểm tra với dữ liệu thực đo
Mô hình sử dụng hệ số Nash-Sutcliffe để đánh giá sai số giữa số liệu mô phỏng và
thực đo.
Bảng 4.1. Tiêu chuẩn đánh giá tương quan giữa số liệu thực đo và tính toán
Đánh giá Đạt Khá Tốt
N
2
0,4 - 0,65 0,65 – 0,85 > 0,85
(Theo Tổ chức Khí tượng thế giới - WMO)
Bảng 4.2. Kết quả tính toán hệ số N
2

và R
2
Trạm Mực nước Vận tốc
R
2
N
2
R
2

Bảy Háp 0,953 0,962 0,871 0,892
Vịnh Thái Lan 0,945 0,955 0.873 0,876

15

¾ Nhận xét: Hệ số Nash-Sutcliffe được tính toán từ số liệu tính toán của mô hình và số liệu
thực đo cho thấy kết quả khá tốt (>0,87). Kết quả tính toán mực nước sát với số liệu thực
đo hơn vận tốc.
4.3.2. Kiểm tra mô hình lan truyền chất
Tính toán kiểm tra mô hình lan truyền được thực hiện trên lưới tính vuông có độ sâu
không đổi bằng 5m, kích thước 3000m x 3000m, t=10s, vận tốc dòng chảy được cho là
u=v=0.1 m/s, hệ s
ố khuếch tán E
x
=E
y
=4m
2
/s; nguồn đổ vào miền tính tại vị trí (x
o

=5x, y
o
=
5y) có khối lượng M=5000 Kg.

a. Lời giải giải tích b. Kết quả mô hình
Hình 4.22: So sánh kết quả lan truyền giữa lời giải giải tích và kết quả mô hình
(a): sau 1giờ tính toán; (b): sau 3 giờ tính toán; (c): sau 5 giờ tính toán

¾ Nhận xét: Mô hình thủy lực đã được kiểm chứng chặt chẽ với cả nghiệm giải tích lẫn dữ
liệu thực đo. Đó là một tiền đề dẫn đến sự thành công của mô hình lan truyền chất. Ở
đây, tác giả cũng đã kiểm định kết quả tính toán lan truyền chất với nghiệm giải tích và
cho kết quả khá tốt.
4.3.3. Kiểm tra mô hình chuy
ển tải phù sa
Có nhiều phương pháp kiểm tra kết quả tính toán của mô hình. Một trong những cách
đó là so sánh kết quả của mô hình với ảnh viễn thám. Trong các yếu tố cần kiểm định như
vận tốc dòng chảy, nồng độ các chất ô nhiễm, dòng phù sa lơ lửng thì dòng phù sa là yếu tố
dễ được nhìn thấy qua ảnh viễn thám nhất. Do vậy, tác giả chọn phương pháp so sánh sự
chuyển tải phù sa với ả
nh viễn thám tại hai thời điểm thủy triều lên và xuống để thấy xu
hướng chuyển tải phù sa tại vùng cửa sông Bảy Háp.
16


a. Phù sa lơ lửng khi thủy triều lên b. Phù sa lơ lửng khi thủy triều xuống
Hình 4.23. Sự chuyển tải phù sa khi thủy triều lên, xuống do mô hình tính toán


a. Phù sa lơ lửng khi thủy triều lên b. Phù sa lơ lửng khi thủy triều xuống

Hình 4.24. Ảnh viễn thám sự chuyển tải phù sa khi thủy triều lên, xuống (chụp năm 2003)
4.4. Kết quả tính toán trên biển Cà Mau
Cà Mau là một vùng biển có địa hình đáy phức tạp, hình dạng đường bờ có nhiều
điểm uốn cong, có ảnh hưởng của thủy triều đến biên, có cửa sông đổ phù sa vào gây nên sự
bồi-xói đáy. Đây là vùng biển rất phù hợp với các nghiên cứu của luận án.
4.4.1. Kết quả tính toán dòng chảy trên biển
Với mô hình thủy lực, ta cần cung cấp các thông số sau đây để mô hình hoạt
động: địa
hình đáy (bản đồ độ sâu), điều kiện biên (sóng, lưu lượng hoặc vận tốc), gió, các lưới tính,
khoảng cách thời gian giữa các lần tính toán.
17


Hình 4.26. Vị trí đặt lưới mịn trong vùng tính
4.4.1.2. Kết quả khi tính biên cứng di động
Để thấy rõ sự khác biệt của việc áp dụng biên cứng di động so với không tính toán
biên cứng di động, tác giả ghi nhận lại một số kết quả tính toán về độ dâng mực nước tại
một điểm sát đường bờ biển (xem Hình 4.27) và tổng diện tích bề mặt nước khi thủy triều
lên, xuống.

Hình 4.27. Vị trí ghi nhận độ dâng mực nước tại biên cứng di động
18

Dưới đây là một số kết quả tính toán được ghi nhận lại tại lại điểm sát biên (110, 90).

Hình 4.28. Độ dâng mực nước tại gần biên cứng di động (điểm P)
Dao động sóng có dạng hình sin nên độ dâng mực nước cũng có dao động dạng hình
sin. Khi không tính toán biên cứng di động mà cố định đường bờ biển suốt quá trình tính thì
dao động của mực nước có dạng hình sin khá đều theo sự thay đổi của thủy triều. Khi áp
dụng việc tính toán biên cứng di động, ta thấy tại đầu pha dao động không có nhiều khác

biệt so với cách tính biên không di động nhưng tại cuối pha, mực nước không thay đổi. Điều
này hợ
p lý vì khi biên cứng thay đổi theo thủy triều, mực nước tại điểm sát biên không đổi
khi triều xuống.

Hình 4.29. Sự thay đổi diện tích bề mặt nước khi tính toán biên cứng di động
Rõ ràng khi thủy triều lên, xuống, biên vùng tính cũng thay đổi theo làm cho diện tích
bề mặt nước cũng thay đổi.
Để thấy rõ sự thay đổi của biên cứng, tác giả ghi nhận lại hình ảnh của biên cứng tại
hai thời điểm: thủy triều lên và xuống (xem Hình 4.30)
19


a. Biên cứng khi triều xuống b. Biên cứng khi triều lên
Hình 4.30. Biên cứng di động do ảnh hưởng của thủy triều
Theo phương X, có nơi nước ngập đến 4km. Với phương Y là 2km. Như vậy khi dùng
lưới tính thưa (
=Δ=Δ yx
300m), so với khi không tính biên cứng di động, số nút được tính
thêm theo phương X tối đa khoảng 13 nút, theo phương Y là 6 nút. Nếu dùng lưới mịn tại
đây (
=Δ=Δ yx
100m), số nút tính thêm sẽ nhiều hơn. Như vậy, số nút tính trong nhiều
trường hợp là khá cao và sẽ ảnh hưởng đến kết quả tính toán.
4.4.1.3. Kết quả khi sử dụng lưới lồng
Phương pháp tính toán lưới lồng có tác dụng vừa đảm bảo đạt độ chính xác cao tại các
vùng quan tâm, vừa đẩy nhanh tốc độ tính toán trên toàn vùng biển rộng lớn. Dưới đây là
một số hình ảnh về dòng chảy khi không áp dụng lướ
i lồng và khi có lưới lồng.

c. Dòng chảy sau 1 tháng 15 ngày 12 giờ d. Dòng chảy sau 1 tháng 15 ngày 18 giờ
Hình 4.32. Dòng chảy khi có tính lưới lồng
20 40 60 80 100 120 140
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
20

4.4.2. Kết quả tính toán sự lan truyền chất
Mô hình lan truyền chất được sử dụng trong luận án để tính sự lan truyền của hai chất
đại diện cho các chất ô nhiễm là DO và BOD. Quy trình tính toán sự lan truyền chất ô
nhiễm với tất cá các chất là như nhau.
4.4.2.1. Thông số tính toán
BOD: Nồng độ nền: 1 mg/l
Điều kiện biên: 1 mg/l
DO: Chỉ xét đến oxy hoá và trao đổi mặt thoáng (bỏ qua lắng đọng, nitrate hóa, quang hợp).
Nồng độ nền: 7.0 mg/l
Điều kiện biên: 7.0 mg/l
Chọn: K
1
= 0.009; K
2

= K
3
= 0.01
4.4.2.2. Kết quả tính toán



c. Nồng độ BOD sau 1 tháng 15 ngày 12 giờ d. Nồng độ BOD sau 1 tháng 15 ngày 18 giờ

Hình 4.36. Sự lan truy
ề
n BOD khi có tính lư
ớ
i l
ồ
ng


c. Nồng độ DO sau 1 tháng 15 ngày 12 giờ d. Nồng độ DO sau 1 tháng 15 ngày 18 giờ

Hình 4.34. Sự lan truyền DO khi có tính lưới lồng

21

Đối với các khu vực đặc biệt cần quan tâm, ta nên xây dựng lưới mịn tại đó để kết quả
tính toán sẽ chính xác hơn.
4.4.3. Kết quả tính toán sự chuyển tải phù sa và sự bồi-xói đáy
4.4.3.1. Thông số tính toán
Bảng 4.5. Bảng phân tích cấp hạt theo đường kính hạt (đơn vị: mm)
Khối lượng (g) <0.038 0.038-0.063 0.063-0.1 0.1-0.25

20.0 0,8% 1,2% 3,3% 50,7%
Khối lượng (g) 0.25-0.5 0.5-1.0 1.0-2.0 >2.0
20.0 32,0% 9,8% 2,0% 0,2%

- Nồng độ phù sa tại biên: 0.0001g/ml
4.4.3.2. Kết quả tính toán


c. Nồng độ phù sa sau 1 tháng 15 ngày 12 giờ d. Nồng độ phù sa sau 1 tháng 15 ngày 18 giờ

Hình 4.38. Sự chuyển tải phù sa khi có tính lưới lồng


c. Sự thay đổi địa hình đáy sau 1 tháng 15 ngày
12 giờ
d. Sự thay đổi địa hình đáy sau 1 tháng 15 ngày 18 giờ
Hình 4.40. Sự thay đổi địa hình đáy khi không tính lưới lồng
22


Trên lưới mịn, sự bồi, xói đáy được tính toán chi tiết hơn. Kết quả cũng chỉ ra rằng
khu vực này là khu vực được bồi tụ rất nhiều và chỉ một số ít bị xói mòn.
CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
5.1. Kết quả
5.1.1. Các công việc nghiên cứu khoa học đã tiến hành
Tác giả nghiên cứu các hiện tượng tự nhiên có ảnh hưởng đến kết quả tính toán mà hầu
hế
t các nhà khoa học đã bỏ qua khi đưa vào mô hình tính. Từ đó, tác giả đề xuất một số
phương pháp khắc phục các nhược điểm mà các nhà khoa học trước chưa giải quyết tốt sau
đây: xác định điều kiện biên sát với thực tế; đưa ảnh hưởng của thủy triều làm biên cứng bị

thay đổi (biên cứng di động) trong suốt quá trình tính toán vào các mô hình để nâng cao độ
chính xác; sử dụng phương pháp l
ưới lồng (lưới thưa và lưới mịn có sự liên kết với nhau) để
đẩy nhanh tốc độ tính toán; đưa hệ số phân hủy K vào mô hình lan truyền chất để tính toán
cho các chất ô nhiễm bất kỳ; xác định phân cấp hạt trầm tích đáy để tính toán sát với thực
tế.
Từ các nghiên cứu lý thuyết về các mô hình toán thủy văn, tác giả đã xây dựng công
cụ tính toán và dự báo các diễn biến môi trường trên nền ngôn ngữ
lập trình C#, nhúng phần
mềm Surfer và mã nguồn mở MapWindow vào ứng dụng để tự động vẽ các bản đồ dòng
chảy, nồng độ các chất ô nhiễm, nồng độ phù sa và sự bồi-xói đáy. Từ đó, chương trình mô
phỏng các diễn biến môi trường để giúp các nhà quản lý giám sát và dự báo các hiện tương
tự nhiên và có biện pháp xử lý kịp thời khi có sự cố xảy ra.
5.1.2. Số liệu nghiên cứu và thực nghiệ
m
Để tính toán các mô hình, tác giả đã sử dụng các số liệu đầu vào cho các mô hình toán
được trình bày ở các tiểu mục (4.4.1.1), (4.4.2.1), (4.4.3.1).
Các số liệu để kiểm định lý thuyết và thực tế được trình bày ở các phần (1.3.10),
(2.3.6) và Phụ lục.
Tất cả các số liệu đo đạc trong thực tế (dữ liệu đầu vào mô hình và kiểm định thực tế)
đều được Phân viện Khí tượng Thủy văn và Môi trường phía Nam cung cấp.
5.2. Bàn lu
ận
Nếu sử dụng lưới sai phân
xΔ
=
y
Δ
= 1000m như các tính toán thực tế thì số nút tính
sẽ ít hơn khoảng 10 lần và thời gian tính sẽ nhanh hơn 10 lần. Khi đó, để dự báo các vấn đề

trên cho 1 ngày thì sẽ mất khoảng 12 phút tính toán. Với các máy tính cấu hình mạnh như
23

hiện nay thì tốc độ tính toán sẽ tăng lên gấp nhiều lần. Do vậy, mô hình hoàn toàn đáp ứng
sự mong đợi về mặt thời gian để dự báo.
CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
6.1. Kết luận
Các bài toán về dòng chảy trên biển, sự lan truyền các chất ô nhiễm, sự chuyển tải phù
sa, bồi, xói đáy,… là những bài toán rất khó để giải quyết tốt vì các hiện tượng tự nhiên ảnh
hưởng đến chúng rất phức tạp. Các nghiên cứu trước đây thường bỏ qua nhiều yếu tố tự
nhiên tác động đến bài toán như: đơn giản hóa điều kiện biên, bỏ qua sự thay đổi đường
biên c
ủa địa hình tính mỗi khi thủy triều thay đổi, xem các chất ô nhiễm như nhau, lớp trầm
tích đáy được đơn giản hóa là một lớp đồng nhất (cát). Ngoài ra, tốc độ tính toán của các mô
hình này còn chậm và cần được cải tiến.
Luận án đưa ra năm giải pháp để giải quyết bài toán nâng cao độ chính xác và tăng
nhanh tốc độ tính của các mô hình như sau:
- Xác định điều kiện biên sát với thực tế để nâng cao
độ chính xác.
- Tính biên cứng di động khi thủy triều thay đổi và cập nhật lại trong quá trình tính của
các mô hình. Điều này sẽ làm tăng độ chính xác của kết quả tính toán do mô hình sát với
hiện tượng tự nhiên.
- Sử dụng lưới lồng để tính toán: một lưới thưa đặt trên toàn vùng tính để giảm thời
gian tính toán, một lưới mịn đặt tại các khu vực cần quan tâm để các khu vực này kết quả
tính toán chính xác cao. Kết quả tính toán tạ
i các điểm giao nhau của hai lưới sẽ được liên
kết với nhau để kết quả tính toán trên hai lưới hòa hợp với nhau. Do chỉ có những nơi cần
quan tâm mới được đặt lưới mịn để có độ chính xác cao và toàn bộ các vùng khác đều sử
dụng lưới thưa nên tốc độ tính toán trên toàn vùng sẽ tăng nhanh. Ngoài ra, với phương
pháp này, bộ nhớ lưu trữ dữ liệu tính toán cũng giảm

- Sử dụng hệ
số phân hủy K để tính cho trường hợp tổng quát bất kỳ chất ô nhiễm nào.
- Xác định phân cấp hạt trầm tích sát với thực tế để việc tính toán sự, bồi xói đáy ở cửa
sông được chính xác hơn.
Các kết quả tính toán đều đã được kiểm chứng bằng các phương pháp phù hợp như so
sánh với nghiệm giải tích, so sánh với dữ liệu đo đạc trong thực tế, so sánh kết qu
ả với ảnh
viễn thám. Sai số giữa kết quả tính toán và số liệu thực đo thấp (tính hệ số Nash-Sutcliffe và
hệ số tương quan theo tiêu chuẩn quốc tế), đạt loại tốt theo chuẩn quốc tế. Về tốc độ tính
toán, khi sử dụng lưới thưa như các nghiên cứu trên thế giới (
x
Δ
=
y
Δ
= 1000m), máy tính