Mô phỏng quá trình lan truyền vật chất ô nhiễm dưới tác động của các yếu tố động lực tại vịnh cam ranh bằng mô hình số (luận văn thạc sĩ)

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1. MÔ HÌNH SỐ TRỊ ............................................................................4
1.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU.....................................................4
1.1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới............................................4
1.1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước .............................................6
1.2 MIKE 21 HD .....................................................................................................8
1.2.1 Cơ sở toán học ...........................................................................................8
1.2.2 Phương pháp số .......................................................................................12
1.3 MÔĐUN ECOLAB .........................................................................................16
1.3.1 Cơ sở lý thuyết..........................................................................................16
1.3.2 Ôxy hòa tan (DO) và nhu cầu ôxy sinh hóa (BOD) .................................17
1.3.3 Các hợp phần của Nitơ ............................................................................21
1.3.4 Hợp phần của Photpho ............................................................................23
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VÙNG NGHIÊN CỨU ..........................................24
2.1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN ...................................................24
2.1.1 Vị trí địa lí ................................................................................................24
2.1.2 Đặc điểm gió ............................................................................................25
2.1.3 Đặc điểm thủy, hải văn ............................................................................26
2.1.4 Đặc điểm nhiệt - muối ..............................................................................27
2.1.5 Đặc điểm dòng chảy .................................................................................28
2.1.6 Đặc điểm thủy triều và dao động mực nước ............................................29
2.2 ĐẶC ĐIỂM KINH TẾ - XÃ HỘI ....................................................................29
2.3 HIỆN TRẠNG MÔI TRƯỜNG VỊNH CAM RANH......................................31
2.3.1 Các nguồn thải .........................................................................................31
2.3.2 Chất lượng nước vịnh Cam Ranh ............................................................32


CHƯƠNG 3. ÁP DỤNG MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ...........................................32
3.1 THIẾT LẬP CÁC THÔNG TIN ĐẦU VÀO CHO MÔ HÌNH .......................32

3.1.1 Thu thập số liệu ........................................................................................32
3.1.2 Địa hình đáy .............................................................................................36
3.1.3 Thiết lập lưới tính.....................................................................................36
3.1.4 Điều kiện biên và điều kiện ban đầu ........................................................38
3.2 HIỆU CHỈNH MÔ HÌNH ................................................................................41
3.3 MỘT SỐ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN .................................................................44
3.3.1 Kết quả tính toán cho mùa khô ................................................................44
3.3.2 Kết quả tính toán cho mùa mưa ...............................................................73
3.4 ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA CÁC YẾU TỐ Ô NHIỄM ..........................105
KẾT LUẬN .........................................................................................................123
KIẾN NGHỊ ........................................................................................................124
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................125


MỞ ĐẦU
T

ề
ễ

Đ m Thủy Triều nằm trong vịnh Cam Ranh, thuộ
K á

bàn huyện Cam Lâm và thành phố Cam Ranh, tỉ
à

ứ

dạng về số l ợ

ũ

l ợng thủy sả

Hò N

ịa

p

T

p ú

l

m Thủy

Triều còn là mắt xích quan trọng trong việc phát triển du lịch của tỉnh Khánh Hòa
C

khi vị

R

ã

ợc tỉnh này quy hoạch thành trung tâm du lịch biển t m cỡ

quốc gia và quốc tế ế

2025

ịnh củ

Theo nhậ

ờ d

cá và các loại nghêu, ố

ò

ê

ờng chết hàng loạt, thậ

loài sá sùng biển (gọi là trùn biể ) ũ
ã là

ệs

á

m bị biến dạng, ngu n lợi thủy sản cứ thế

á

á

lí s
í ố

ả

ố

ả

ậ

à

á

ố

số

Kh

ố

ả

á

ộ

ắ

á

á
ề

ả p

à
á

á

à
ả

ợ

) là

á

ố

p í

ộ

l

l ã

ờ

là

ố

ả Cá

ả
ế

ã

ò

ả

p

á

ậ l

á

ở

á

á s

ợ

á

ạ

ờ

ậ

l

C

ợ s

dò

ờ
ả

ợ

ả

ố
ề lê

ò

sạ

à

ả
ề

ố

ọ

ể

ê

á

ứ s ả

ệ p

í

ả ) à á
1

á

ở
ể

s

ủ
ể í

ádễ

ố
á

à
V

ề

ếp ậ
dò

à
ã

ộ

à

là s dụ

á

í

á
dò

à là

à

à

ả
ế

á
á

ễ

ờ

Mộ
p

ê

n lợ

à

á

ả

á

à

ủ

á
ậ

á

ê

T

lê p í

ờng trong
m có mùi hôi thối n ng nặc

Mộ

ỡ

p ải chết trắ

ời sống nhân dân lại khốn khó.

hiệu quả

ị

d ”

à

không còn n a. Do vậy, việ

R

í “số

ụ

m ngày trở nên ngột ngạ
theo thờ

n chụ

à


s

ợp
l

á

ộ

số l ệ
à

ề
ị

ệ
ch ế l ợ
ệ

ả

ệ

ạ
s á

học viên l a chọ

ụ

ề á

lê

á

ị

ế
á

ộ

ả

ả

á

ệ

ả

úp á

à

ả l p ả ứ

l

ợ

ế

T
ộ á

ế á

ợc mứ

á

ề

í ố

ề

Nhận thứ

à

á
á

à

á

ả í

p

á

ễ

ể

ộ

ế

ũ

l

ả
à ũ

p

ậ

ộ

ả
ể

ả Cá

ể

ề

á

ố

ả sá

á

p

ủ

ệ
ả

ả à

á

Vệ
ạ
ạ

ê

ũ

ợp l

ộ c p thiết của v

ề

ờng vịnh Cam Ranh,

ề tài: “Mô phỏng quá trình lan truyền

ng nghiên cứu v

vật chất ô nhiễm dưới tác động của các yếu tố động lực tại vịnh Cam Ranh bằng
ể có thể mô ph ng một số vật ch t có khả

mô hình số”
l ợ
ủ

á
ễ
ễ
l

ờ

C

ề

số

ọ lọ Cá

ậ

ể ê

ộ số

T
d

d ỡ

p ll

số O

NPI) d

ộd

CO

ậ

ệ

ệ

à

ị

á

ứ

ộ

à s dụ

á

ỉ số

ộ à

ến ch t

d

à

ỉ số ể

ễ

ậ
OPI) d

O V i ngu n số liệ

á ị

ệ

ứ

ộ

: C ỉ số

số NH4+, NO3-, NO2-

á

ọ

ở

ễ
ợ

à ộ ụ C ỉ số

th c hiện tại Viện Hả d
Thủ

á

ả

P pH
à

á

ợc t một số ề à

ợc

ề tài c p C sở phòng Vật lý biển, phòng

ề tài c p Viện Khoa học và Công nghệ, Các D án hợp tác quốc tế,
MIKE 21 H

tác giả s dụng gói ph n mề

ECO L

ể mô ph ng quá trình lan

truyền một số vật ch t có thể gây ô nhiễm t các ngu n thải của khu công nghiệp,
nuôi tr ng thủy sả

à

bức tranh về

á

:

à

T
ợc

ộng l c và quá trình truyền tải các vật ch

NO3-, PO4+, NH3+ Mộ
ế

2

ục tiêu của học viên là có thể tính toán, mô ph

kh của luậ

ả

d

s

ị

ả

p

c c ại

s l

ề

ộ á

á

O

ậ

ễ

O
ễ

số liệu th c o tại

cống xả thải và công su t tính tại thời iểm khảo sát t các ngu n thải của khu công
nghiệp, nuôi tr ng thủy sả
ả

ở

ủ

á

ậ

à
à

d

ể
l ợ

ể á
á

2

á
ã ắ

ứ

ộl

ề
C

R

à


l ậ

Các kết quả nghiên cứ
ọ

ề

ê

ứ

á

pp
á

ò às

ngu n thải của khu công nghiệp, nuôi tr ng thủy sả
lạ

à

s
á

d

ộ
á

ê

á

ủ

á
ộ

ối v i các khu v c nuôi tr ng thủy sản, du lịch sinh thái và các bãi tắm.

3

các
ợc


CHƯƠNG 1. MÔ HÌNH SỐ TRỊ
1.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
1.1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới
S dụng các mô hình số ể tính toán, mô ph
ờ

á

á

l ợng môi

c khu v c g n bờ, khu bãi tắm, khu nuôi tr ng thủy sả
à

hiện r t ph biến trên thế gi i. Tùy thuộ
í

việc áp dụng các loạ
ờn

ợc áp dụ

á

ể á

ũ

á

ố

ợng và mụ

á

C

l ợ

ã

í

ợc th c
ê

ứu,

ể liệt kê một số mô

c trên thế gi i.

Mô hình WASP7 (Water Quality Analysis Simulation Program 7) là mô
ợc xây d ng d

ê

WASP –

ợc xây d ng bởi Di

Toro, 1983; Connolly vaf Winfield, 1984; Ambrose, R.B, 1988) M
ể mô tả và d báo ch

s dụ

l ợ

M

à

p p

ợng ô nhiễm do t

ời s dụng áp dụ

M

chuyển tr

WASP ũ
í

ể

ê

ờng dòng chảy, nhiệ

l ợng tr m tích. Mô hìn WASP ã

à

ời.

ợc s dụ

ũ

ó

dạng thành ph n ch t ô

ể liên kết v i các mô hình thủ
ợ

ng

1

thể mô ph ng t a 2D và 3D bằng cách chia hộp v
nhiễ

ợc

c giúp các nhà quả l

ịnh, giả p áp ối phó v i các hiệ

quyế

à

ộ

ộng l c và vận

ộ muối và các thông

ể mô ph ng quá trình yếm khí

trong vịnh Tampa; Cung ứng Photpho cho h Okeechobee; Quá trình yếm khí tại
dễ phân hủy tại c a sông Delaware,

c a sông Neuse River; Ô nhiễm vật ch t h

ô nhiễm kim loại nặng tại sông Deep, bắc Carolina.
Mô hình AQUATOX là mô hình mô ph ng hệ sinh thái thủy sinh. Mô
hình có thể d báo quá trình suy tàn do nhiều loại ch t gây nhiễ
d

d ỡng, hóa học h

á l à

á

ộng vật khôn

là công cụ h u hiệ
ch

l ợ

àả
á

ờ

ởng của chúng lên các hệ sinh thái, bao g m
sống và các loài th c vật thủy sinh. AQUATOX

à

ờng học, sinh học, nh ng nhà mô hình hóa

c và b t kỳ ai c n quan tâm t i việ

hệ sinh thái thủy sinh.

4

á

á ủi ro và suy giảm các


Mô hình QUAL2K (hay Q2K) (River and Stream Water Quality Model)
ợc nâng c p t
1987)) Đ

là QUAL2E

là

p

ng ch

l ợ

ợ

hình có nh

ặ

á

s

w

ặ

ờng Excel. Mô

ểm sau: có thể tính toán trên t
í

á

N

w ll

ểm linh hoạt của mô hình này

ờng Visual basic hoặ

M

à

c suối và sông một chiều có s

tham gia của quá trình xáo trộn rối và bên. Mộ
là có thể chạ

Q2E

p

T

ạn của sông và các
á

chuyển hóa

ể biểu diễn các hợp ch t cacbon (loại ôxy hóa nhanh và chậm), các loại
sống (các phân t

cacbon h

p

p

á

ợp ch t

hóa học). Các quá trình thiếu hụt ôxy g n t i giá trị không do các quá trình ôxy hóa,
á

tr

là
ò

à á d

á

d ỡng gi a tr

ê
í

à

Tí

á

l ợng

c.

DELFT 3D của Viện nghiên cứu thu l c Hà Lan cho phép kết hợp gi a
mô hình thu l c 3 chiều v i mô hình ch l ợn

Ư

ểm của mô hình này là

việc kết hợp gi a các module tính toán phức tạp ể

ng kết quả tính mô

ph ng cho nhiều ch t và nhiều quá trình tham gia.
ội M

SMS của Trung tâm nghiên cứu và phát triển k thuật củ

xây d ng cho phép kết hợp gi a mô hình thu l c 1, 2 chiều v i mô hình ch l ợng
d l RMA4 là
c phân bố

số trị vận chuyển các yếu tố ch

l ợng

ộ sâu. Nó có thể tính toán s tập trung của 6 thành

ng nh

à

ph n bảo toàn hoặc không bả

ợc í

á

l

i 1 chiều hoặc 2 chiều.

ECOHAM (phiên bản 1 và 2) là mô hình số 3D kết hợp gi a module thủy
l cv

d l s

H

Đức). Mô hình chủ yếu tính toán d a trên chu trình của các hợp ph n của

N

àP

á

ợc phát triển bởi nhóm nghiên cứu củ T ờ

p

í

ến cả th c vậ

à ộng vậ p

ại học

d

c

ECOSMO (ECOSystem MOdel) là mô hình cặp ba chiều thủ

ộng l c –

biển.
ển – s

ị

HAMSOM (HAM
nhiệ

ộng l c biển -

M

ợc phát triển d a trên mô hình thủ

s lf O
S

M d l) ã

ợc liên kế

à

s 1999)
5

ộng l c
ộng l c -

à

s

ọc


S

2006) M

s

ọc NPZD d a trên quá trình chuyể
à

u tiên và thứ hai trong chuỗi thứ
N

P

p

àSl

ợc gi i hạ
á

chuẩ

d

ế

d ỡ

á

ĩ

à ộng vậ p

á p

l ợng

ể có thể á

à
á

hóa. Các tính toán về sinh khố s

d

là

ến trong hệ sinh thái của các mức thứ

T ê

nh t và thứ hai trong chuỗi thứ
à

á

iểu khiển bở

Đ ều quan trọng trong tính toán mô hình này là thống nh t

á

các mảnh vụ

ợ

i gi a mức

ò

í

á s biế

i

ợ l ợng còn lại và các quá trình ôxy

p và thứ c p M

ECOSMO ã
ộng l

dụng một cách thành công trong việc mô tả khu v

d

ợc áp

d ỡng yếu

khu v c Biển Bắc.
BASINS của EPA nhằm trợ
ờng, giúp các hệ thố
quản lý. Mộ
nền tả

l

ểm n i bật củ

p

úp á

á

í

ờ

ASINS là ã

àp
à

á

í

á p

à á

á hiện trạng ch
í

i s dụ

ếp cận m i d a trên

í

l ợ

s :M p
á

c; Mô ph

ến cân bằ

á

ều kiện của

á

ộng của việc

c, mô ph ng các kịch bản ngu n ô

ểm và diện, xây d ng và phát triển cách quản lý của cả l

nhiễ

á

c sông, có kết hợp quản lý d liệu không gian thông qua hệ thông tin

ịa lý GIS. BASINS có thể dùng cho các mụ
l

ểm tra hệ thống d liệu thông

d

tham số của mô hình bao g m: Các hợp ch

d ỡng củ N

c. Các nhóm
àP

p

O

BOD, thuốc tr sâu, thuốc bảo vệ th c vật, bùn.
Bộ ph n mềm MIKE do Viện Thu l

ợ

ại hoá. Mộ

ặ

Đ

Mạch (DHI) phát triển và

ểm mạnh của MIKE r t dễ s dụng v i các giao
ịa lý). MIKE tích hợp

diện Windows, kết hợp chặt ch v i GIS (hệ thố
l ợ

các module thu l c (HD) và ch
truyền tải - khuếch tán ch
mạnh, khả

l ợ

c (ECO Lab), bao g m: thu l c,

c. MIKE là một mô hình v i nhiề

í

ứng dụng rộng rãi cho nhiều dạng thu v c khác nhau.

1.1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước
Ở

c ta, trong nh

ng nghiên cứu, xây d ng và s

dụng mô hình trong nghiên cứu thủ
T

ng nghiên cứ

ộng l c –

ờ

ều tra, tính toán ô nhiễ
6

ợc quan
ờ

á

ũ


ộng kinh tế của con

vịnh và khu v c ven biển - khu v c tập trung chủ yếu các hoạ

ờ

ã

ợc tiế

à

C

ợp tác v

C

ợp tác Quốc tế

Nhật Bản - JICA (1995 – 1998) của Viện Tài nguyên và Môi
Khoa học và Công nghệ Việ N

ã

ờng biển – Viện

p

u s dụ

p áp í

dò

ật

ch t b sung (Flux) và qu ngu n (Budget) chạy trên ph n mềm chuyên dụng
CABARET of LOICZ (M ) ể á
ểm thuộc vịnh Hạ L

một số

ộd

dụng tính toán mứ
Thiên Huế) T

ê

á

S

ứ
p

p áp

d ỡng của hệ

p

ộ tích tụ và khuếch tán vật ch t tại

p áp à

T

2004)

mềm DELFT 3D - WAQ á
í

d

ứ

í

á

ò

ợc s

ến quá trình khuếch tán

ểm nh

ịnh.

p ạm vi luận án tiế sĩ

á

à

m phá Tam Giang – C u Hai (Th a

vật ch t trong không gian và chỉ gi i hạn tại một số
H à

ê

ả

ã s dụng ph n

ịu tải ô nhiễm của H Tây v i mục

ứ khoa học trong việc xây d ng kế hoạch bảo vệ và phát triển

H Tây. Nộ d

ã

ến khả

ế

ộng các yếu tố DO, BOD, COD,

NH4+, NO3-, PO4- theo không gian 2 chiều và thời gian.

ề tài c p Bộ Thủy sản, Tr

Trong khuôn kh
ũ

L

ã ến hành nghiên cứu sức chịu tải và khả n

K

à á

ộng s

làm sạch tại khu v c nuôi

cá l ng bè ở Ph t Cờ (Quảng Ninh) và Tùng G u (Hải Phòng) d a trên quá trình
chuyển hóa các hợp ch

d

d ỡng, h

ũ

ế ộ thủ

ộng l c tại

thủy v c nghiên cứu.
pN à

Trong một số nghiên cứu thuộ
ề à

ã

ra, thuộ

ể

: á

ề tài KT.03.07 - 1996)

á
á

ễm biển do sông tải

n thả
á

c và c p Bộ, các

ờng do các hoạ

n th

kinh tế gây ra v i vùng ven biển... Tuy nhiên, nh ng nghiên cứu này
ợc mứ

ộ chi tiết cao trong thủy v c nh và số các biế

ng thời còn mang tính ch

ĩ

ể hiện

ờng còn hạn chế,

c nghiên cứu.

Tại khu v c vịnh Cam Ranh,tuy ã
ờng của các ề tài c p nhà

ột số công trình nghiên cứu về

c và c p tỉnh do GS-TS. Mai Trọng Nhuận

(2008), Phạm V n Th m (2005,2008) ã á
trạng tại khu v c khảo sát. G n

ộng

giá s bộ về vịnh chính hoặc hiện

y nh t việc nghiên cứu liên quan t i s truyền tải

7


ờng do PGS-TS. Bùi

các vật ch t t các c a sông, các quá trình t làm sạ
H ng Long, ThS. Nguyễn H u Huân (2011) ã s dụ

p

p áp

ể nghiên cứu quá trình t làm sạch củ

quá trình sinh họ

ờng biển khu v c

vịnh Cam Ranh v i ngu n thải là các nhà máy và các khu công nghiệp. Đề tài s
dụng mô hình ECOSMO ể tính toán, mô ph ng quá trình lan truyền một số thành
á

ph n vật ch t gây ô nhiễm, các quá trình sinh hóa t
trình t làm sạch vịnh. Bên cạnh
à

khu v

á ề quá
ờng

còn có các công trình nghiên cứu về

ờng tập trung phân tích hiện trạ

ờ

à

nhiều kết quả nghiên cứu d a trên các mô hình số trị ể có thể mô ph ng quá trình
lan truyền các vật ch t gây ô nhiễm vịnh t các c a sông d a trên mối liên hệ v i
á
C

ộng l c. Ngoài ra, do các yếu tố bả
R

ê

2008
)

C

vị

R

ứ quân s

ề tài nào nghiên cứu qui mô toàn vịnh Cam
ều tập

Ranh. Ph n l n các nghiên cứ
Ranh (là ph n vịnh l

ảm về bí mật củ

à

á

“T

á
á

á p n phía nam vịnh Cam

ợc ph

m Thủy Triều ở phía bắc

ểm khoa học, khi nghiên cứu tài nguyên sinh vật, cụ

thể nghiên cứu các hệ sinh thái và ngu n lợi của vịnh Cam Ranh không nên và
không thể tách rờ

K á

qui hoạch của tỉ
à

à

” GS TS M

m Thủy Triề
ò

Hò

ị

ọ

ến ch

T ọng Nhuận- 2008). Theo bản

ế

2020

l ợ

ờ

m Thủy Triều
c toàn vịnh Cam

Ranh. Vì thế, tính toán lan truyền vật ch t ô nhiễm vịnh Cam Ranh d a trên công cụ
ph n mềm MIKE là mộ

ng nghiên cứu m i mà học viên l a chọn.

1.2 MIKE 21 HD
1.2.1 Cơ sở toán học
Mô hình MIKE 21 HD là gói công cụ trong bộ ph n mề
d ng bởi Viện Thủy L

Hà L

trong một l p ch t l

ng nh

là

í

p

ẳ

á dò

HI

ợc xây

ảy hai chiều

ứng.

Các phương trình nước nông
Cá p
= η+d

á p

ộ

l ợng và liên tục tích phân trên toàn bộ cộ
ợc viết lạ

8

s :

ch


(1.1)

(1.2)

(1.3)

là

ĩ ;
p

ời gian; x, y là tọ
= η + d là ộ s

số C

ộ ịa lý);
á ;

là

ốc trọ

ờng;

ứng su t bức xạ;

là áp su t khí quyển;

l ợng cung c p

l s Ω là ận tốc góc củ T á

θ là ĩ

ứng là các thành ph n ứng su

là các thành ph

ứng;

c bề mặ ; d là ộ sâu của

c t ng cộng; u, v là các thành ph n vận tốc theo

à ; f = 2Ωs θ là

x và y tại mặt và tạ

ộ Đề Cá ; η là

á

là mậ

ộ

ểm ngu n và (

ộ

là mậ

c;

,

,

p

là nh t rố
; S là

c củ

p
và
ẳng
ờ

ộl
ợ

) là vận tốc tạ

ra

ờng xung quanh.
Biến số
và

ờng gạch ngang biểu thị giá trị
ộs

là các thành ph n vận tố

9

ộ sâu. Ví dụ,
ợ

á

ịnh bởi:


(1.4)
Thành ph n ứng su t bên Tij (i,j = x,y) bao g m cả ma sát nh t, ma sát rối và
l

chênh lệ
nh ng biế

C ú

ợ

á

ịnh bằng s dụng công thức nh t rối d a trên
ộ sâu

i vận tố

(1.5)

Phương trình truyền tải nhiệt độ và độ muối
Cá p

ợc viế d

ền tải nhiệt - muối tích phân trên toàn bộ cộ

c

i dạng:

(1.6)

(1.7)
ứng là nhiệ

và

ộ à ộ muố

ứng là các hệ số khuếch tán ngang nhiệ
liên qua t

á

ộ sâu, FT và Fs

ộ à ộ muối,

là nhóm ngu n

i nhiệt v i khí quyển.

Phương trình truyền tải cho đại lượng vô hướng (scalar quantity)
Cá p

ền tả

ạ l ợ

ng tích phân

ộ sâu có

dạng:
(1.8)
v i

là

ộ sâu củ

p
l ợ

ủ

ạ l ợ

ng, Cs là nộ

ạ l ợ

ng, FC là nhóm khuếch tán theo

ng, kp là tố
ộ củ

ạ l ợng

ộ suy giảm tuyến tính củ
ng tạ

ểm ngu n.

Ứng suất đáy
Ứng su

á

ợ

10

á

ịnh t

ịnh luật ma sát bậc hai

ại

(1.9)
f

sá

là hệ số

á

à

là tố

á Vận tốc ma sát liên hệ v i ứng su

á

ộ dòng chảy trên bề mặt

hông qua công thức:
(1.10)

Trong tính toán hai chiều
sá

á

ể

ợ

á

ộ sâu và hệ số ma

là vận tố

ịnh t hệ số Chezy, C, hoặc hệ số Manning, M
(1.11)

(1.12)
Ứng suất mặt
Ứng su t bề mặt

ợc xá

ịnh thông qua gió bề mặt. Ứng

ợc tính toán d a trên công thức th c nghiệm:

su t mặ

(1.13)
v i

là mậ

ộ không khí, cd là hệ số cản gió,

là tố

cao 10m trên bề mặt biển. Vận tốc ma sát liên hệ v i ứng su t bề mặ

ộ gió ở ộ
ợc cho bởi

công thức:
(1.14)

Hệ số cả

ũ

ể là nh ng giá trị

ộ gió. Công thức bán th c nghiệ

ợ

ề xu t bở W

i hoặc phụ thuộc vào tốc
1980 1984) ể á

ịnh

giá trị của hệ số cản:
(1.15)

11

a,

ộ gió tạ

cb, wa và wb là các hệ số th c nghiệm và w10 là tố

10m trên m

c biển. Giá trị mặ

ộ cao

ịnh của các nhân tố th c nghiệm là

ca=1.255x10-3, cb=2.425x10-3, wa=7m/s và wb =25m/s. Các giá trị này cho kết quả
ối tốt khi áp dụng cho vùng biể
1.2.2 Phương pháp số
a. Rời rạc hóa miền không gian
Miề
p

í

ợc rời rạc hóa bằ

p áp à

ề

í

á

p

p áp p n t h u hạn. Theo

ợc chia nh thành các ph n t liên tục không

ch ng nhau. Trong không gian hai chiều, vùng tính toán có thể
á

thành t ng ph n t dạ
Cá p

ợc rời rạc hóa

ứ giác hoặc tam giác.
c nông

Dạng t ng quát của hệ á p

c nông có thể

ợc viế d

i

dạng:
(1.16)
v i U là các biến bả

à

F là à

l ợ

à S là

ủa các nhóm

ngu n.
Trong tọ

ộ Đề-các, hệ á p

ợc viế d

i dạng
(1.17)

á

ỉ số I à V

ứ

là á

l ợng không nh

ố l

) à

l ợng nh t, và
’

,

(1.18)

12


,

Tí

p

p

G ss ể viết lạ í

1 16 ê
p

l ợ

à

ộ ph n t thứ i và s dụ

ịnh lý

d
(1.19)

Ai là diện tích của ph n t thứ

Ω là í

biên của ph n t thứ i và ds tích phân biến dọ
à

vị
ể

ểm c

ê

Cá í

p

là

ợc tính bằ

ế
ê

á

ịnh trên Ai Гi là

là

p áp

p

p áp

ể

p

1 19

ế

p

ểm trọng tâm của ph n t , và tích phân biên

p

d a trên phép c

p

p

ợc tính

ợc viết lại,
(1.20)

Ở

Ui và Si

ph n t thứ

à

pháp tuyế

à

T
l ợ

ợ

ứng là các giá trị trung bình của U và S trên toàn bộ
ặt tại tâm của ph n t , NS là số cạnh của ph n t , nj

ị tại cạnh thứ j và Гj là chiều dài của giao diện thứ j.
ờng hợp 2D phép x p xỉ R

ố l

ợc s dụ

ể tính toán các

ại mặt phân cách của các ph n t . S dụng phép giả R

ể

l ợng cho các biến phụ thuộc phía bên trái và bên phải của của giao diệ

Độ

ạ

chính xác bậ
gradient tuyến tính. Các giá trị

ợc bằng cách s dụng k thuật tái c u trúc

d

ợ

giải của Jawahar và Kamath, 2000.
13

l ợng thông qua phép


Phương trình truyền tải
Cá p

ền tải xu t hiện trong mô hình nhiệt – muối, mô hình

rối và mô hình truyền tải. T t cả á p
ờng hợp 2

á p

à

ều có dạng chung. Trong

ền tải có dạng t

á

p

ng trình

1 16)

(
(1.21)

a. Tích phân theo thời gian
Cá p

dạng t

á

ợc viết:
(
(1.22)

2

Trong mô ph

p

ối v i hệ p

p áp

ải cho tích phân theo thời gian

àp

th p à p

p áp ậ

P

ền tải: P

p áp ậc th p là p

p áp ậc

p áp E l

ện bậc

một
(1.23)
v i

là

P

c thờ

p áp ậ

là s dụ

p

p áp R

Kutta bậc hai có dạng
(1.24)

b. Các điều kiện biên
Biên kín
á

Dọ
à

ờ

ộ

l ợ

ê

í

ê

t liề )

l ợ

ợ áp ặt là giá trị 0 cho t t cả á
ề

à

ế

ều kiệ

ê
14

ê

Đối v

ợt hoàn toàn dọ

i qua các biên
á p
ê

t.


Biên mở
Cá
hoặ d

ợ

iều kiện biên mở có thể

ộng m

trình truyền tả

à

á p

c mặ

á dạ
ủ

ều kiện biên có thể là các giá trị á

là l

ộng l c. V

l ợng

á p

ịnh hoặc giá trị gradient.

Điều kiện khô và ướt
ề về

Các giải pháp x lý các v

ê d

ộ

f

à

t) d a trên

các nghiên cứu của Zhao và cộng s (1994) và Sleigh và cộng s (1998). Khi các
ờ
thứ

ộ sâu nh , v
í

á

ề xảy ra là các ph n t

ợc xây d ng lại bởi s giả

Độ sâu của mỗi ph n t biế
á

ều kiệ

K

ê

l ợng t i giá trị

ợc sắp xếp thành các

ợc kiể

ể á

ịnh các

t.
ộs

chuẩn: thứ nh

ợ

á

ịnh là ngập nếu th a mãn hai tiêu
ộ sâu t i hạn

c tại một cạnh của bề mặt phải nh

à ộs

c ở cạnh khác của bề mặt l
ộ sâu t ng cộng củ

hflood. Thứ
m

ộ

i và các ph n t

ề mặt các ph n t

Bề mặt của một ph n t

khô hdry

l ợ

l ợng khố l ợng.

không và chỉ tính toán t

loạ

ợc loại b t việc tính toán. Công

á

c bề mặt tại cạ

ĩ

ại cạ

ều phải l

ợc gọi là khô nế

Một ph n t

ộs

ộ sâu t i hạn ngập
ộ sâu nh

dry

và

á ị 0.
ộs

ộ sâu gi i hạn khô

c nh

hdry, và không một cạnh nào bị ngập. Ph n t này bị loại ra kh i miền tính toán.
là

Một ph n t
ộ sâu gi i hạ

và nh

cạnh khác là biên ngập

ập một ph n nếu nế
ộ sâu nh

t, hoặ
T

ợc gọ là

Một ph n t
hợp này cả hai thành ph

dry

ờng hợp à

l ợng khố l ợ

không và chỉ

ộs
l ợ

cl

dry

và một trong số các
ộ

l ợng bằng

ợc tính.
t nế

ộs

l ợng khố l ợ

cl
à

wet

l ợ

ộ

T

ờng
l ợ

ợc

tính.
Độ s
ngập hflood

ợ

t hwet phải l
á

ị

ộ sâu khô gi i hạn hdry à ộ sâu gi i hạn
ều kiện hdry < hflood < hwet.

15


1.3 MÔĐUN ECOLAB
1.3.1 Cơ sở lý thuyết
Động l c học củ

l

á p

mô tả bằ

á

ến trạng thái trong ECO Lab có thể

ợc

ền tải của vật ch t không bảo toàn, có dạng:
(1.25)

:
ộ của biến trạng thái ECO Lab

c: N

u, v: Các thành ph n vận tốc dòng chảy
á

Dx, Dy: Các hệ số khuế

p

à

Sc: Ngu n sinh và ngu n m t
Pc: Các quá trình trong ECO Lab
P

ền tải có thể

ợc viết lại:
(1.26)

A
l

à

c

ại diện cho tố

ECO Lab số
Mộ p

ợc thay thế
p áp

– ố l

ph

in

ộ gây ra bởi quá trình bình

ếch tán (bao g m các ngu n sinh và m t).
Khi tính toán các biế

l

ộ

A

ền tải tích phân theo thời gian.

ợc s dụng trong ECO Lab là xem thành ph n bình
i trong mộ

c

p

c tiếp theo, mộ p

á p
á

p xỉ

ộ

in

s

p

c thời gian. Việc giải cả hai thành

ờng của ECO Lab là t ng hợp của tố

i gây ra do chính các quá trình nội tạ

à á

á

l

ộ thay

- khuếch tán.

(1.27)
Thành ph

l

- khuế

á

ợc x p xỉ bằng công thức

16


(1.28)
ộ tức thời c*

ợc cho bởi quá trình truyền tải biến trạng thái trong

ợc bảo toàn trong suốt chu kỳ

ECO Lab khi vật ch

Một lợi thế chính củ p
l
P

A

ế

p áp

ợ p

ải

ề phi tuyến t các ngu n ECO Lab phức tạp, vì vậy ECO Lab và

hiện và các v
thành ph

p áp à là l ê

s dụ

ợc giải một cách riêng lẻ.

- khuếch tán có thể
p áp

ải số

ợc s dụ

ECO L

là p

pháp Euler, Runge Kutta 4, Runge Kutta 5.

1.3.2 Ôxy hòa tan (DO) và nhu cầu ôxy sinh hóa (BOD)
a. Ôxy hòa tan (DO)
DO là l ợng ôxy
vậ

à

c c n thiết cho s hô h p của các sinh

á l ỡng thê, thu s

)

ợc tạo ra do s hoà

ộ ôxy t d

tan t khí quyển hoặc do quang hợp của tảo,... N
thuộc vào nhiệ

ờ

ộ, s phân hu hoá ch t, s quang hợp của tảo và v.v... Khi n ng

ộ DO th p, các loài sinh vậ
ể á

chỉ số quan trọ

ộng hoặc bị chết. Do vậy, DO là một

c giảm hoạ

á s ô nhiễ

c của các thu v c.

ợc xem xét theo các mứ

Quá trình cân bằ
của cân bằng tùy thuộc vào mụ

í

ủ

ộ phức tạp khác nhau

ời s dụng. Có 4 mứ

mức cân bằng bậc 3. Mức cân bằng này giả thiết rằng s biế
á

á

á

c - khí quyển (mặ p

ộ khác nhau
ỉ tập trung vào

mô tả cân bằng khối DO, trong phạm vi nghiên cứu của luậ

là t ng hợp củ

c phụ

i của n
á )

á

ộ ôxy
ạm

hóa, nhu c u ôxy sinh hóa, quá trình quang hợp, quá trình hô h p, nhu c u ôxy tr m

tích (chỉ ở á ) Cá

á

ợc mô tả bằ

17

p

cân bằng sau:


(1.29)

:
Quá trình trao đổi ôxy giữa ôxy hòa tan trong nước và khí quyển
(g/m3/ngày) Q á

à

í

ến mứ

ã

ò

c Cs phụ thuộc

ộ à ộ mặn.

vào nhiệ

(1.29a)
Giá trị Cs

Tố
V à ộs

ộ

ợc tính thông qua biểu thức th c nghiệm sau:

á K2 (1/s) phụ thuộc vào tố

ộ gió Wv, tố

ộ dòng chảy

c:

Quá trình Nitrat hóa (g/m3/ngày), Y1: hệ số b s
quá trình khác ả

ởng t i cân bằ

Đ

là

ột

ợc s dụng trong quá trình

Nitrat hóa t amoniac sang nitrite.
(1.29b)
Quá trình phân hủy BOD (g/m3/ngày). S phân hủy các vật ch t h

là

một nguyên nhân khác làm suy giảm ôxy. Quá trình này phụ thuộc vào các yếu tố
nhiệ

ộ, n

ộ ôxy và nộ

ộ vật ch t h

18


(1.29c)
Quá trình quang hợp (g O2/m2/ngày). Các sản phẩm ôxy t
ợc mô tả thông qua mối liên hệ gi a giá trị

quang hợp
à

ế

s tc

quá trình
ại vào gi a

i theo thời gian trong ngày.
(
(1.29d)

Quá trình hô hấp của sinh vật (g O2/m2/ngày). S suy giảm n

ộ ôxy

bởi quá trình hô h p của sinh vật t d ỡng và dị d ỡng thông qua biểu thức phụ
ộ.

thuộc nhiệ

(1.29e)
Nhu cầu ôxy cho phân hủy vật chất hữu cơ tại đáy (chỉ phụ thuộc vào hàm
lượng ôxy và nhiệt độ (g/m3/ngày). L
á

à

í

ằng các vật ch t h

m tích trong

ến thành ph n tr m tích có ngu n gốc t các ngu n ô
ộ ôxy và nhiệ

nhiễm. Giá trị này chỉ phụ thuộc vào n

ộ.
(1.29f)

a. Nhu cầu ôxy sinh hoá (BOD)
BOD (Biochemical oxygen Demand - nhu c
c n thiế

ể vi sinh vật oxy hoá các ch t h

T

s

á) là l ợng oxy

ờ

c, khi quá trình

oxy hoá sinh học xảy ra thì các vi sinh vật s dụng oxy hoà tan, vì vậ
t

á

ịnh

l ợng oxy hoà tan c n thiết cho quá trình phân hu sinh họ là p p

trọ

á

áả

ởng của một dòng thả

biểu thị l ợng các ch t thải h

ối v i ngu

O

ĩ

c có thể bị phân hu bằng các vi sinh

vật.
Dạng cân bằng của nhu c

s

O )

trình:

19

ợc mô tả bằ

p


(1.30
)

Giải thích các từ ngữ:
S

Độ muối (ppt)

T

Nhiệ

Wv

Tố

H

Độ s

V

Vận tốc dòng chả

HS_nitr

N

Y1

Nhân tố b sung cho ôxy

Photosynthes

Sản phẩm quang hợp th c tế (g O2/m2/ngày)

Pmax

Sản phẩm quang hợp c

τ

Thờ

α

Thời gian ngày th c tế

tup, tdown

Thờ

respiration

Tốc ộ hô h p th c tế của th c vật và vi khuẩn (g O2/m2/ngày)

R1

Tố

θ1

Hệ số nhiệ

R2

Tố

θ2

Hệ số nhiệ

F1(H)

Hàm h p thụ ánh sáng

k

Hệ số h p thụ ánh sáng (1/m)

ộ (0C)
ộ gió (m/s)
c (m)
ộ sâu (m/s)

ộ bán bão hòa Nitrat hóa (mg O2/l)

ại vào bu

O2/m2/ngày)

ểm trong ngày

ểm mặt trời mọc, mặt trời lặn

ộ hô h p của th c vật ở 20oC (g O2/m2/ngày)
ộ trong quang hợp

ộ hô h p củ

ộng vật và vi khuẩn (dị d ỡng) (g O2/m2/ngày)

ộ trong hô h p dị d ỡng

20


ộ BOD th c tế (mg O2/l)

BOD

N

K3

Hằng số phân rã của vật ch t h

θ3

Hệ số b sung nhiệ

DO

N

ộ ôxy th c tế (mg O2/l)

HS_BOD

N

ộ ôxy bán bão hòa trong BOD (mg O2/l)

HS_SOD

N

ộ ôxy bán bão hòa trong SOD (mg O2/l)

ại 20oC (1/ngày)

ộ

1.3.3 Các hợp phần của Nitơ
a. Hợp phần Amôni (NH3-)
Dạng cân bằng của thành ph

A

ợc thể hiệ

p

trình sau:

(1.31)

Thành phần amonium thu được từ quá trình phân hủy các chất hữu cơ.
Q á

à

ợc mô tả bằng công thức
(1.31a)

Quá trình Nitrat hóa chuyển từ ammonium sang dạng nitrat P
biểu diễn quá trình này có dạng:
(1.31b)
Quá trình hấp thụ ammonium bởi thực vật. Công thức biễu diễ p

trình này có dạng
(1.31c)
Lượng ammoniac hấp thụ bởi vi khu n Q á
công thức sau:
21

à

ợc mô tả bằng


(1.31d)
Quá trình hô hấp của sinh vật dị dưỡng

ợc mô tả bằng biểu thức:
(1.31e)

Giải thích các ký hiệu:
UNp

Ammoni h p thụ bởi th c vật (mg N/mg O2)

UNb

Ammoni h p thụ bởi vi khuẩn (mg N/mg BOD)

HS_NH3-

N

ộ bán bão hòa củ N

ợc h p thụ bởi vi khuẩn (mg N/l)

b. Hợp phần Nitrite (NO2-)
ợc mô tả bằ

Dạng cân bằng của hợp ph

p

:
(1.32)

Quá trình chuyển đổi từ ammonia sang nitrite

ợc mô tả thông qua biểu

thức:
(1.32a)
Quá trình biến đổi thành phần nitrite sang nitrate

à

á

à

ợc

biểu diễn bằng công thức toán học:
(1.32b)
Giải thích ký hiệu
NH3-

N

K4

Tố

θ4

Hệ số nhiệ

HS_nitr

N

ộ bán bão hòa quá trình Nitrat hóa (mg O2/l)

NO2-

N

ộ của nitrite (mg/l)

ộ của ammonia (mg/l)
ộ ôxy hóa tại 20oC (1/ngày)
ộ cho quá trình ôxy hóa

22


ộ riêng chuyể

K5

Tố

θ5

Hệ số nhiệ

ộ chuyể

i của nitrite sang nitrate ở 20oC (1/ngày)
i t nitrite sang nitrate

c. Hợp phần Nitrate (NO3-)
Các nhân tố ả

ởng t i quá trình cân bằng khố

ợc cho bởi

p
(1.33
)
Quá trình chuyển đổi từ nitrite sang nitrate Q á

à

ợc mô tả

thông qua biểu thức:
(1.33a)
Quá trình khử nitơ

ợc biểu diễn bằng công thức:
(1.33b)

:
K6 là tốc ộ kh

1/ à )

θ6 là hệ số nhiệt ẩn
1.3.4 Hợp phần của Photpho
BOD chứ
ợc giả p

d

ng photpho. Khi BOD bị phân hủ l ợng photpho này s
i dạng của muố p

p

muối photpho trong các sản phẩm của tả

p

Để á

ịnh s ph p thụ của các
ủ ạo về chuyể

i gốc

muối có dạng

(1.34)

Lượng photpho từ quá trình phân hủy các vụn hữu cơ. Công thức mô tả có
dạng:
23