đánh giá tổng quan ngành nước việt nam

Sử dụng các phần mềm mô phỏng chất lượng nước, tính toán sự lantruyền khuyếch tán chất ô nhiễm trong nước nhằm xác định khả năng chịutải chất ô nhiễm của nguồn nước, là cách

Mở đầu

Nước tự nhiên được coi là nguồn tài nguyên vô giá đối với con người.Việt Nam được thiên nhiên ưu đãi về điều kiện tự nhiên, tài nguyên phongphú, đặc biệt là tài nguyên nước với hệ thống sông ngòi chằng chịt Kinh tếphát triển, quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa diễn ra mạnh mẽ, kéo theoviệc các làng nghề mọc lên tự phát, khiến cho lượng chất ô nhiễm thải ramôi trường tăng lên nhanh chóng, trong đó môi trường nước sông bị ảnhhưởng nặng nề Việc ngăn chặn mức độ gia tăng ô nhiễm ở các lưu vực sôngvà trả lại sự trong lành của các dòng sông là một nhiệm vụ cấp bách hiệnnay "Tài nguyên nước cần được quản lý tốt hơn nữa để tránh rơi vào tìnhtrạng suy thoái nguồn nước"(Des Cleary- Trưởng nhóm Dự án “Đánh giátổng quan ngành nước Việt Nam", 29-10-2008)

Muốn vậy, yêu cầu đầu tiên là chất lượng môi trường nước cần đượcquản lý chặt chẽ và toàn diện Tuy nhiên công tác này ở nước ta hiện naycòn rất yếu

Sử dụng các phần mềm mô phỏng chất lượng nước, tính toán sự lantruyền khuyếch tán chất ô nhiễm trong nước nhằm xác định khả năng chịutải chất ô nhiễm của nguồn nước, là cách quản lý chất lượng nước sông hiệuquả, có độ chính xác phù hợp và tiết kiệm thời gian, được ứng dụng rấtnhiều trên thế giới, vì vậy, là công việc hết sức cấp thiết nhằm thực hiện việcquản lý chất lượng nước sông thực tế hơn Ở Việt Nam, các phần mềm môhình hóa các thông số chất lượng nước mặt đã được sử dụng khá nhiềunhưng các kết quả còn chưa đạt độ chính xác cao do thiếu dữ liệu, do dữ liệukhông đồng bộ và một phần quan trọng do người sử dụng chưa hiểu rõ bảnchất mô hình

Phần mềm mô hình hóa chất lượng môi trường nước Qual2K là một công

cụ được sử dụng rộng rãi trên thế giới, phục vụ nghiên cứu ảnh hưởng củanhững chất ô nhiễm thông thường đến chất lượng nước sông, tuy nhiên cácnghiên cứu của Việt Nam về phần mềm này còn rất ít, vì vậy, nó được chọnlàm đối tượng của nghiên cứu

Đối tượng sử dụng phần mềm ở đây là các nhánh của lưu vực sông Cầu,một lưu vực sông lớn, quan trọng của vùng đồng bằng Bắc Bộ, có vị trí địa

lý đặc biệt, đa dạng và phong phú về tài nguyên cũng như về lịch sử pháttriển KT - XH của các tỉnh nằm trên lưu vực Chất lượng môi trường nướccủa các con sông thuộc lưu vực đang bị suy giảm nhanh chóng do tác độngcủa các hoạt động phát triển kinh tế, do các khu công nghiệp, khu đô thị,làng nghề, các cơ sở sản xuất mọc lên rất nhanh thiếu sự quản lý chặt chẽ đốivới các vấn đề môi trường Trong khi đó hàng triệu người sống trong lưuvực sử dụng nước sông Cầu phục vụ cho các nhu cầu khác nhau của cuộcsống Vì vậy, đòi hỏi chất lượng công tác quản lý tốt hơn, toàn diện hơn trởnên vô cùng cấp thiết

Chương 1 Cơ sở lý thuyết của phần mềm Qual2k

1.1 Giới thiệu phần mềm Qual2k

Trên thế giới, việc sử dụng các phần mềm mô hình hóa các thông số củanước sông đã diễn ra khá lâu và đã có khá nhiều mô hình chất lượng nướcđược sử dụng như:

• Mô hình Streeter-Phelps: Thiết lập năm 1925 mô tả tương quangiữa BOD và DO.Mô hình này cho phép tính diễn biến độ thiếu hụtoxy theo thời gian

• Phần mềm Duflow: dựa trên cơ sở hệ phương trình Venant cho dòng chảy không ổn đinh một chiều trên sông

Saint-• Mô hình chất lượng nước MIKE 11:là phần mềm mô phỏngdòng chảy,chất lượng nước và vận chuyển bùn cát ở cửa sông ,hệthống kênh mương do Viện Thủy lực Đan Mạch xây dựng

• Mô hình MIKE 11 có thể giải quyết các bài toán sau:

-Mức vượt lũ trong trường hợp có lũ và vị trí xảy ra lũ

-Các biện pháp kiểm soát lũ

-Tính toán thời gian chất ô nhiễm sẽ tác động lên môi trường nước

có sự thay đổi tải lượng chất ô nhiễm

-Xác định vị trí lắng động trầm tích và những biến đổi hinh tháihọc lòng sông.

-Xác định vị trí trên sông có hàm lượng chất ô nhiêm cao nhất saukhi tiếp nhận nguồn thải

• Phần mềm Qual2E: được xây dựng trên cơ sở phương trình viphân bậc nhất do Steeter-Phelps lập ra.Qual2E mô phỏng dòng chảy 1chiều trong hệ thống kệnh sông Mạng sông được chia thành nhiềunhánh và mỗi nhánh chứa nhiều phần từ tính toán

QUAL2K (Q2K) là mô hình chất lượng nước sông do Steve Chapra,Greg Pelletier và Hua Tao xây dựng trên cơ sở phần mềm Qual2E của Cụcbảo vệ môi trường Mỹ (EPA) Mô hình đang được sử dụng rộng rãi tại Mỹvà nhiều nước trên thế giới phục vụ nghiên cứu ảnh hưởng của những chất ônhiễm thông thường đến chất lượng nước sông( ví dụ: mô hình hóa chấtlượng nước sông San Juan, bang Utah, Mỹ )

Tại Việt Nam, đã có một số dự án sử dụng mô hình Q2K trong quản lýchất lượng nước sông, như: tại tỉnh Bình Dương năm 2008 có dự án "Điềutra, đánh giá hiện trạng môi trường và đề xuất các giải pháp tổng hợp quản

lý chất lượng nước lưu vực sông Thị Tính", do Viện kỹ thuật nhiệt đới vàbảo vệ môi trường thực hiện:

Kết quả thực hiện đề tài:

- Điều tra, đánh giá hiện trạng chất lượng môi trường nước mặt,nước ngầm và đất lưu vực sông Thị Tính

- Đặc trưng các nguồn thải

- Xây dựng cơ sở dữ liệu các nguồn thải thuộc lưu vực sông ThịTính trên nền bản đồ số của tỉnh Bình Dương.

- Xây dựng mô hình chất lượng nước cho sông Thị Tính xây dựngtrên nền mô hình Q2K

Q2K là mô hình 1 chiều đơn giản mô phỏng các quá trình vậnchuyển và xáo trộn cơ bản trong sông Mô hình rất thích hợp để mô phỏngcác điều kiện thủy văn và chất lượng nước của sông suối nhỏ.Mô hình nàyđược sử dụng rộng rãi để dự đoán hàm lượng tải trọng của các chất thải chophép thải vào sông Mô hình cho phép mô phỏng 15 thành phần thông sốchất lượng nước sông bao gồm nhiệt độ, BOD5,DO, tảo dưới dạngchlorophyl, nitơ hữu cơ (Norg), nitrit ( N-NO2), nitrat (N-NO3-), phốt pho hữu

cơ (Porg), phốt pho hoà tan, coliform và 3 thông số khác ít biến đổi trongnước

Một số cải tiến mới quan trọng của mô hình Q2K so với mô hìnhQUAL2E là:

• Qual2K có khả năng chia sông nghiên cứu thành cácđoạn sông với khoảng cách không bằng nhau;

• Qual2K sử dụng 2 dạng của Cacbon BOD để mô phỏngcacbon hữu cơ: dạng oxi hóa chậm (slow CBOD) và dạng ô xihóa nhanh (fast CBOD);

• Qual2k xét đến tương tác giữa bùn cát và nước;

• Qual2K có thể mô phỏng tảo đáy;

• Qual2K tính toán sự suy giảm ánh sáng như là một hàmcủa tảo, đất đá vụn và chất rắn vô cơ;

Q2K được xây dựng dựa trên ngôn ngữ lập trình fortran và ứng dụngVba tích hợp trên Microsoft Excel

Q2K sử dụng sơ đồ sai phân hữu hạn (backward difference method)

để giải phương trình vận chuyển khối lượng truyền tải – phân tán Mô hìnhcho phép mô phỏng tới 36 thành phần chất lượng nước

1.2 Cơ sở lý thuyết

Cơ sở của phương pháp là hệ phương trình thủy lực, ổn định một chiều

Hệ phương trình thủy lực Saint – Venant một chiều từ hệ phương trình tính được cân bằng thủy lực

Hệ phương trình phát tán

1.2.1 Nguyên tắc phân đoạn sông

Trong mô hình, hệ thống sông được phân chia thành các đoạn sông cócùng những đặc trưng thuỷ lực như: độ dốc, độ rộng đáy v.v Các đoạn sôngđược đánh số theo thứ tự tăng dần bắt đầu từ đầu nguồn của sông chính Cácđiểm nguồn và điểm rút nước có thể ở bất kỳ vị trí nào trên sông( Hình 1.1)

Hình 1.1: Cách phân đoạn của Q2K cho sông đơn

Đối với sông có các nhánh nhập lưu, các đoạn sông được đánh số nhưtrong hình (1.2)

1 2 3 4 5 6

8 7

Rút nước phi điểm

19 18 17 16

19 18 17 16

1

5 4 3 2 1

5 4 3 2

20

28 27 26 21

29

20

28 27 26 21

29

12

15 14 13 12

15 14 13 8 7 6 8 7 6

9

11 10 9

11 10

24 23 22

25

HW#1 HW#2

HW#3

HW#4

Sông chính

Trib 1

Tri b 2

Trib 3 Biên hạ lưu

Hình 1.2: Cách phân đoạn của Q2K cho sông có nhánh

Mỗi đoạn sông lại được phân chia thành các phần tử tính toán có

độ dài bằng nhau (Hình 1.3) Tất cả các đoạn sông phải bao gồm số phần tử tính toán phải là một số nguyên

Có 7 loại khác nhau của phần tử tính toán

Tính chất thủy lực, hằng số tốc độ phản ứng, điều kiện ban đầu và dữ liệu

để tính toán các phần tử cũng giống như trong một đoạn sông

Hình 1.3: Chia đoạn sông thành các phần tử.

1.2.2 Cân bằng dòng chảy

n = 4

Đoạn sông

Các phần tử

Phương trình cân bằng dòng chảy cho mỗi đoạn sông trong mô hình:

i out i

in i

Trong đó Q i là lượng chảy ra từ đoạn i vào đoạn i + 1 [m3/d], Q i–1

là lượng chảy vào từ đoạn i – 1 [m3/d], Q in,i là tổng lượng chảy vào đoạn i từ nguồn điểm và nguồn phi điểm [m3/d], và Q out,i là tổng lượng chảy ra từ phần

tử đó đến điểm rút nước [m3/d] Vì vậy, lượng chảy ra từ đoạn i chỉ là sự chênh lệch giữa lượng vào và nguồn nước tăng thêm trừ đi lượng chảy ra mất mát

j

j i ps i

Q

1

, , 1

, ,

Trong đó Q ps,i,j là lượng chảy vào từ điểm nguồn thứ j vào đoạn i, psi

tổng số điểm nguồn của đoạn i, Q nps,i,j là lượng chảy vào từ nguồn phi điểm

chảy tới phần tử i, và npsi là tổng số nguồn phi điểm chảy vào phần tử i.Tổng lượng chảy ra do điểm rút nước được tính toán như sau:

j i pa i

Q

1

, , 1

, ,

Trong đó Q pa,i,j là lượng chảy ra ở điểm chảy ra thứ j của đoạn i, pai tổng

số điểm rút nước của i, Q npa,i,j là lượng chảy ra ở các rút nước phi điểm thứ j

từ phần tử i, và npai tổng số các chỗ rút nước phi điểm từ phần tử i

Các nguồn phi điểm và rút nước phi điểm sẽ được mô hình như nguồn đường Nhìn hình 10, các nguồn phi điểm hoặc rút nước phi điểm được phânranh giới bởi điểm bắt đầu và điểm kết thúc dài đến hàng kilomet

Phương trình Manning

Mỗi một phần tử đều có thể coi là một khối hộp có mặt cắt là hìnhthang(hình 1.7)

3 / 5 2 / 1 0

P

A n

S

Q = c [18]

Trong đó:

Q là lưu lượng dòng chảy;

S o là độ dốc đáy;

n là hệ số nhám Manning;

A c là diện tích mặt cắt ngang;

P là chu vi ướt.

Diện tích mặt cẳt ngang của kênh hình thang được tính như sau:

Ac = [ B0 + 0 5 ( ss1 + ss2) H ] H [19]

Trong đó:

B o là độ rộng đáy; H là độ sâu

S s1 và S s2 là độ dốc hai cạnh bên hình thang

Chu vi ướt được tính như sau:

5 / 2 2

2 1

2 1 1 0

5 / 3

) (

5 0

1 1

) (

−

−

−

+ +

s k s

k k

H s s B

S

s H

s H

B

Qn H

[21]

Trong đó:

k = 1,2,…n; với n là số lần lặp;

Ban đầu cho H o = 0

Quá trình lặp sẽ dừng lại khi sai số tính toán nhỏ hơn 0.001% Sai số được tính theo công thức sau:

H H

ε [22]

Vận tốc được tính theo công thức sau:

As = B1∆ x [26]

V = BH ∆ x [27]

Những giá trị được đề xuất của hệ số nhám Manning thể hiện trongbảng :

Bảng : Hệ số nhám Manning với các bề mặt kênh khác nhau (Chow

Đá có trát vữa 0.023

Kênh sông thiên nhiên

0.025-0.04Sạch, uốn khúc và nhiều cỏ 0.03-

0.05Nhiều cỏ, nông và uốn khúc 0.05

0.04-0.10

0.05-0.20

1.2.4 Travel Time (Thời gian chảy truyền)

Thời gian lưu của mỗi phần tử được tính toán như sau:

k

k k

t

t

1 , τ

1.2.5 Lan truyền dọc theo sông

Có 2 cách để xác định sự lan truyền dọc theo sông Cách thứ nhất là

người sử dụng có thể tự ước tính giá trị và nhập vào Reach Worksheet Nếu

người sử dụng không nhập giá trị vào, một công thức bên trong sẽ được dùng tính toán sự phát tán dựa vào tính chất thủy lực của sông (Fischer et al 1979),

*

2 2 , 0 011

i i

i i i

p

U H

B U

Trong đó Ep,i là sự lan truyền dọc sông giữa đoạn i và đoạn i+1 [m2/s], Ui

vận tốc [m/s], Bi chiều rộng [m], Hi giá trị trung bình chiều sâu [m] và Ui* làvận tốc tại mặt cắt [m/s] Ui* được tính như sau

i i

Tính toán mô hình lan truyền E i :

Nếu E n,i ≤ E p,i thì E i = E p,i − E n,i

Nếu E n,i > E p,i , độ phát tán mô hình bằng E i = 0.

1.2.6 Cân bằng nhiệt

Cân bằng nhiệt cần tính toán sự trao đổi nhiệt từ các đoạn gần kề, dòng vào, ra, từ không khí và trầm tích Một cân bằng nhiệt có thể được viết với đoạn i, như sau:





 +

− +

− +

m cm

100

m cm

10

m

3 ,

1

' 1

' 1 ,

1 1

i pw w

i s i

pw w

i a i

pw w

i h

i i i

i i i i

i i i

i out i i

i i i

i

i

H C

J H

C

J V

C W

T T V

E T T V

E T V

Q T V

Q T V

Q

dt

dT

ρ ρ

ρ

Trong đó Ti là nhiệt độ của đoạn i, [0C], t: thời gian [d], E'i hệ số lan

truyền giữa phần tử i và phần tử i+1 [m3/d], W h,i nhiệt từ các điểm nguồn và nguồn phi điểm vào đoạn i[cal/d] ρw khối lượng riêng của nước [g/m3], C pw

nhiệt dung riêng của nước [cal/(g oC)], J a,i trao đổi nhiệt giữa không khí và

nước [cal/(cm2 d)], J s,i trao đổi nhiệt giữa nước và trầm tích [cal/cm2d)]

Hình : Cân bằng nhiệt của đoạn i

Hệ số lan truyền có thể tính toán như sau:

, '

+

∆ +

∆

=

i i

i c i

A E E

Chú ý hai loại điều kiện biên được sử dụng đến điểm cuối cùng của dòng chảy xuôi dòng của sông, (1) điều kiện phát tán bằn 0 và (2) điều kiện biên

bắt buộc ở điểm cuối dòng chảy, cơ hội lựa chọn tạo ra trên Downstream Worksheet.

Nhiệt từ nguồn được tính toán như sau (recall Eq 2)

j npsi j i nps psi

j

j psi j i ps p

, ,

T ps,i,j là nhiệt độ của nguồn điểm thứ j đối với phần tử i[0C] và T nps,i,j là

nhiệt độ của nguồn phi điểm đối với phần tử i[0C]

1.2.6.1 Dòng nhiệt bề mặt

Như được miêu tả ở hình 15, sự thay đổi nhiệt độ bề mặt được mô hình hóa như một sự kết hợp của 5 quá trình

e c br an

I(0) là bức xạ sóng ngắn của mặt trời tại bề mặt nước, Jan là bức xạ sóng dài trong không khí, Jbr phản xạ sóng dài từ nước, Jc là độ dẫn điện, và Je là sự bốc hơi

Tất cả các dòng chảy đều biểu diễn bằng cal/cm2/d

air-water interface

solar

shortwave

radiation

atmospheric longwave radiation

water longwave radiation

conduction and convection

evaporation and condensation radiation terms non-radiation terms

net absorbed radiation water-dependent terms

Figure 1 The components of surface heat exchange.

* Bức xạ mặt trời.

Mô hình tính toán lượng bức xạ mặt trời vào nước tại một đường vĩ độ (Lat) và kinh độ (Llm) đặc biệt trên bề mặt trái đất.

Lượng này là một công thức bao gồm bức xạ ở tầng trên của khí quyển trái đất, nơi mà sự vận chuyển không khí là rất yếu, không khí rất loãng, mâybao phủ, sự phản xạ, bóng tối

n attenuatio

n attenuatio

radiation

extraterrestrial atmospheric cloud reflection shading

) 1 ( ) 1 (

Sự phát xạ ngoài khí quyển được đánh giá như sau:

α

sin 2

0 0

( )τ δ

δ

α sin sin cos cos cos

Trong đó δ là độ nghiêng của mặt trời [radians], Lat quỹ tích các đường vĩ

độ [radians],τ là góc giờ địa phương của mặt trời [radians].

Và góc giờ của địa phương tính bằng radian được cho bởi

180

180 4

Trong đó trueSolarTime là thời gian mặt trời xác định từ vị trí thực tế củamặt trời trong bầu trời [minutes], localTime là thời gian địa phương [thời gian chuẩn của địa phương], Llm kinh độ của địa phương, timezone đới thời gian của địa phương liên quan đến giờ chuẩn căn cứ theo kinh tuyến (GMT).

Ví dụ như -8h ở đới Thái Bình Dương là giờ chuẩn, thời gian địa phương ở

các đới được chọn trên QUAL2K Worksheet Giá trị eqtime tượng trưng

cho sự khác nhau giữa thời gian mặt trời chính xác và thời gian mặt trời trung bình

QUAL2K tính toán độ nghiêng của mặt trời, múi giờ, độ cao mặt trời và bán kính tiêu chuẩn ( khoảng cách giữa trái đất và mặt trời), thời gian lúc mặt trời mọc và lúc mặt trời lặn sử dụng bởi thuật toán Meeus (1999) như là một công cụ bởi nhánh nghiên cứu bức xạ bề mặt NOAA’s

NOAA sẽ xác định vị trí mặt trời dựa vào QUAL2K bao gồm một điều chỉnh tác động của khúc xạ khí quyển Đây là phương pháp tính toán rất thành công được sử dụng để xác định vị trí mặt trời, mặt trời mọc, mặt trời lặn trong phụ lục B

Chu kỳ sáng [h] được tính toán như sau:

sr

ss t t

Trong đó tss là thời gian mặt trời lặn [h], tsr là thời gian mặt trời mọc [h].Sự làm loãng khí quyển Sự khác nhau của nhiều phương thức để đánh giá phân bố làm loãng khí quyển từ một bầu trời sạch (at) Hai phương thức

có thể tìm được trong QUAL2K đánh giá at ( chú ý mô hình bức xạ mặt trời

được chọn trên Light and Heat Worksheet của QUAL2K).

+ Bras (mặc định)

Phương pháp Bras (1990) tính toán at như sau:

m a n

1

−

+ +

=

d

m

α α

αd là độ cao trong mức độ từ đường chân trời = α × (180o/π)

+ Ryan and Stolzenbach

Mô hình The Ryan and Stolzenbach (1972) tính toán at từ góc nâng của mặt đất và độ cao mặt trời bằng :

256 5

288 0065 0 288

Trong đó atc hệ số truyền không khí (0.7 đến 0.91, giá trị tiêu biểu xấp xỉ 0.8), và elev là độ cao mặt đất tính bằng mét

Phép đo nhằm xác định bức xạ mặt trời có thể áp dụng ở một vài nơi Ví

dụ NOAA’s nghiên cứu suất phản chiếu bề mặt (ISIS) có dữ liệu thay đổi từ

Mỹ (http://www.atdd.noaa.gov/isis.htm) Chọn cả hai mô hình bức xạ mặt trời Bras or Ryan-Stolzenbach với hệ số mật độ không khí thích hợp hoặc hệsố truyền không khí một công cụ đặc biệt để lý tưởng hóa so sánh với bức xạmặt trời trước đó với giá trị được cân nhắc ở từng địa phương

Sự suy giảm mây: sự giảm bức xạ mặt trời do bao phủ của mây được tínhtoán với

2 65 0

Reflectivity Reflectivity được tính toán như sau:

B d

Shade Shade là một biến vào của mô hình QUAL2K Shade được định

nghĩa như phần nhỏ của bức xạ mặt trời ngăn chặn bởi khối địa hình và sinh

vật Một Excel/ chương trình VBA tên là shade.xls có thể dùng được từ

Washington Department of Ecology Đánh giá shade từ địa hình và sinh vật

ven sông (Ecology 2003) Giá trị vào tích hợp hằng giờ đánh giá shade mỗi

đoạn sông vào Shade Worksheet của QUAL2K.

* Bức xạ sóng dài trong không khí.

Bức xạ sóng dài từ không khí xuống trái đất là một khoảng rộng trong

cân bằng nhiệt bề mặt Dòng chảy có thể tính toán sử dụng

Stefan-Boltzmann

J = σ + 273 4 ε 1 −

Trong đó σ là hằng số Stefan-Boltzmann =11.7x10-8 cal/(cm2 d K4), T air

nhiệt độ khí quyển [0C], ε sky hệ số phát xạ không khí [không thứ nguyên], RL

hệ số phản xạ sóng dài [không thứ nguyên] Độ phát xạ là tỷ số giữa bức xạ sóng dài từ một vật đối với bức xạ phát ra từ một vật hoàn toàn trong khoảngnhiệt độ như nhau Suất phản chiếu nói chung là nhỏ và được cho là bằng 0.03

Mô hình bức xạ sóng dài không khí sẽ được chọn trên Light and Heat Worksheet Qual2k Ba phương pháp lựa chọn có thể sử dụng trong qual2k

tượng trưng cho hệ số phát xạ (εsky):

+Brunt ( mặc định )

Công thức Brunt’s là một mô hình kinh nghiệm thường được sử dụng trong mô hình chất lượng nước (Thomann and Mueller 1987),

air b a clear = A + A e

ε

Trong đó Aa và Ab là hệ số kinh nghiệm Giá trị Aa có thể xác định gián tiếp từ 0.5 đến 0.7 và giá trị Ab có thể xác định gián tiếp từ 0.031 đến 0.076 mmHg-0.5 tùy thuộc vào độ rộng của không khí QUAL2K sử dụng một mặc định khoảng ở giữa Aa = 0.6 cùng với một giá trị Ab = 0.031 mmHg-0.5 nếu

phương pháp Brunt được chọn trên Light and Heat Worksheet

+Brutsaert

Công thức Brutsaert là công thức vật lý cơ bản thay thế cho các nguồn kinh nghiệm và cho thấy kết quả rất tốt trên một khoảng không khí rộng của nhiệt độ không khí và độ ẩm tại đường vĩ tuyến giữa trong điều kiện giá lạnh(Brutsaert, 1982)

7 / 1 333224 1 24 1

T e

ε

Trong đó e air là áp suất khí quyển [mmHg], Ta nhiệt độ khí quyển 0K, hệ số 1.333224 chuyển áp suất hơi từ mmHg sang milibars, áp suất hơi nước được tính toán như sau [mmHg] được tính toán bởi (Raudkivi 1979):

d

d

T T

27 17

596 4

Trong đó Td là nhiệt độ điểm sương [0C]

+Koberg

Koberg (1964) gián tiếp đưa ra Aa trong công thức Brunt’s phụ thuộc vào

cả nhiệt độ không khí và tỷ số của bức xạ mặt trời với bức xạ không khí sạch (Rsc), nhìn tranh 16, có sự hiện diện của một dãy đường cong A0 tăng thêm với Tair và làm giảm với Rsc với Ab là hằng số 0.0263 millibars− 0.5

(about 0.031 mmHg−0.5)

Tiếp theo đa thức được sử dụng trong Qual2k cung cấp một xấp xỉ liên tục của đường cong Koberg’s

k air k air k

Trong đó:

0.0001106 0.00073087

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

1.00 Ratio of incident to clear sky radiationR sc

Figure 2 The points are sampled from Koberg’s family of curves for

determining the value of the A a constant in Brunt’s equation for

atmospheric longwave radiation (Koberg, 1964) The lines are the

functional representation used in Q2K.

* Bức xạ sóng dài trong nước

Sự phản xạ từ bề mặt nước miêu tả bởi quy luật Stefan-Boltzmann

Trong đó c1 là hệ số Bowen's (= 0.47 mmHg/o

C) f(Uw), phụ thuộc vào sự vận chuyển tốc độ gió trên bề mặt nước tại đó Uw tốc độ gió ổn định trên bề

mặt nước

* Sự bốc hơi và sự cô đặc

Sự mất nhiệt do bốc hơi có thể miêu tả bởi quy luật Dalton’s

) )(

e = 237 3 +

27 17 596 4

1.2.6.2 Sự vận chuyển nhiệt tại lớp nước – trầm tích

Một cân bằng nhiệt dưới đáy trầm tích một phần tử nước i có thể được viết như sau:

i sed ps s

i s i

s

H C

J dt

dT

,

, ,

ρ

−

=

T s,i nhiệt độ đáy trầm tích dưới phàn tử i[0C] , J s,I dòng chảy nhiệt nước –

trầm tích [cal/(cm2 d)], khối lượng riêng của trầm tích [g/cm3], C ps nhiệt dungriêng của trầm tích [cal/(g oC)], H sed,I là độ dày của lớp trầm tích [cm].

Dòng chảy từ trầm tích đến nước có thể tính toán như sau:

2 /

,

i sed

s ps s i

H C

Table 2 Thermal properties for natural sediments and the materials that comprise natural sediments.

1.2.7 Cân bằng nồng độ

Phương trình cân bằng vật chất chung đối với một thành phần của một

phần tử ( trừ tảo dưới đáy) :

i

i i

i i

i i

i i

i i i

i out i

i

i i

c V

E c

c V

E c V

Q c V

Q c

−+

−+

' 1 ,

1 1

Trong đó:

W i là tải lượng chất ô nhiễm vào đoạn i từ bên ngoài;

C i là nồng độ chất ô nhiễm;

S i là lượng sinh ra hoặc mất đi do phản ứng hoặc các cơ chếtrao đổi khối lượng

Hình : Cân bằng khối lượng

1.2.8 Các biến trong mô hình

Bảng 2.3: Các biến trong mô hình Q2K.

hiệu

Đơn vị

i

Phân tán Khối lượng vào Khối lượng ra

Bùn cát

Tảo đáy

Phân tán

Trao đổi với khí quyển

Độ dẫn điện s µmhos

Nhu cầu Oxy sinh hoá Cacbon chậm c s mgO2/LNhu cầu Oxy sinh hoá Cacbon nhanh c f mgO2/L

s

s

sod cf

c T o

c T o

s

s

s

sod cf

c T o

c T o

2 4 4

2

+ Với Nitrate là chất nền:

106 263 110 16 1 2

R

P + 2

2 4 3

Hoá học lượng pháp đối với chất hữu cơ:

Một đề xuất về hoá học lượng pháp chất hữu cơ ( Redfield et al

1963 và Chapra 1997) như sau:

100gD :40gC :7200mgN :1000mgP :1000mgA

Trong đó, gX là khối lượng của nguyên tố X (g); mgY là khối lượng của nguyên tố Y (mg); D, C, N, P và A lần lượt là khối lượng riêng khô,

cacbon, nitơ, photpho và chất diệp lục Với chất diệp lục có lượng biến đổi

lớn nhất trong khoảng từ 500 đến 2000 mgA (Laws và Chalup 1990, Chapra

1997)

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến các phản ứng:

Ảnh hưởng của nhiệt độ tới các phản ứng được thể hiện trong

phương trình sau:

k(T) =k( 20 ) θT−20

Trong đó, k(T) là tốc độ phản ứng (/ngày) ở nhiệt độ T; θ là hệ sốnhiệt độcủa phản ứng

f s

m r a r r

c c

* Tổng Nitrogen (µgN/L):

p na n a

u c c r r a r r m

1.2.11 Mối quan hệ giữa các biến của mô hình với dữ liệu

1 Phản ứng Oxy sinh hoá Cacbon chậm (C s )

CBOD phản ứng chậm tăng lên do sự hoà tan vật chất lơ lửng Nó bịgiảm đi do quá trình thuỷ phân và oxy hoá.

S cs= ( 1 −F f)r od DetrDiss − SlowCHydr − SlowC Oxid

Trong đó, F f là phân số phân huỷ vật chất lơ lửng , tương ứng vớiCBOD phân hủy nhanh (phi thứ nguyên)

SlowCHydr =k hc(T)c s

Với k hc (T) tỉ lệ thủy phân CBOD chậm, phụ thuộc vào nhiệt

độ(/ngày)

SlowCOxid =F oxc k dcs(T)c s

Với k dcs (T) tỉ lện oxi hóa CBOD chậm phụ thuộc vào nhiệt độ; F oxc là

hệ số suy giảm do lượng ôxy thấp (phi thứ nguyên)

2 Phản ứng oxy sinh hoá Cacbon nhanh (C f )

CBOD phản ứng nhanh thu được do sự hoà tan của vật chất lơ lửng và sựthủy phân của CBOD phản ứng chậm Nó sẽ bị mất đi theo quá trình Oxyhoá và khử Nitơ

S cf =F f r od DetrDiss + SlowCHydr − FastC Oxid −r ondnDenitr

Trong đó: FastCOxid =F oxc k dc(T)c f

k dc (T) là tỉ lệ oxy hoá CBOD phản ứng nhanh phụ thuộc vào nhiệt

độ(/ngày) ; tham số

F oxc : hệ số suy giảm oxy do lượng oxy thấp(không thứ nguyên)

Ba công thức dùng để tính sự suy giảm ôxy :

o K

o F

socf

CBOD phản ứng nhanh (L/mgO2)

* Phương trình hàm mũ:

) 1

o F

socf

oxrp

+

=

oxy hóa CBOD phản ứng nhanh (L/mgO2)

3 Nitơ hữu cơ (n o )

Nitơ hữu cơ tăng lên là do sự chết đi của thực vật Nó bị mất đi theocon đường thủy phân hay do quá trình lắng

S no=r naPhytoDeath +q0N BotAlgDeat h − ONHydr − ONSettl

Tỷ lệ của thuỷ phân nitơ hữu cơ được tính như sau:

ONSettl =

với νon là tốc độ lắng của nitơ hữu cơ [m/d]

4 Nitơ Amoni (n a )

Nitơ Amoni tăng lên do quá trình thủy phân nitơ hữu cơ Nó bị mất đi

do quá trình nitrat hoá hay quá trình quang hợp

DONHydr PhytoResp NitrifPhytoPhotoBotAlgExN BotAlgUpN

ab ap

na

na na

P P

r

r S

−

−

+

− +

=

Tỷ lệ khử nitơ được tính theo công thức sau:

Nitrif =F oxna k n(T)n a

Trong đó, k n (T) là tỷ lệ khử nitơ đối với nitơ Amoni phụ thuộc vào

nhiệt độ(/ngày); F oxna là hệ số suy giảm do lượng oxy thấp (phi thứ nguyên)

5 Nitơ nitrat (n n )

Nitơ nitrat tăng lên là do quá trình nitrat hoá của Amoni Nó bị mất

do quá trình khử nitơ hay quá trình quang hợp

S ni = Nitrif − Denitr −r na( 1 −P ap ) PhytoPhoto − ( 1 −P ab ) BotAlgUpta keN

Tỷ lệ khử nitơ được tính:

Denitr = (1 −F oxdn)k dn(T)n n

Trong đó, k dn (T) là tỷ lệ khử nitơ của nitơ nitrat phụ thuộc vào nhiệt độ ;

F oxdn là ảnh hưởng của lượng oxy thấp trong quá trình khử nitơ

6 Photpho hữu cơ (p o )

Photpho hữu cơ tăng lên là do sự chết đi của thực vật Nó bị mất đi

S po=r paPhytoDeath +q0P BotAlgDeat h − OPHydr − OPSettl

Trong đó, tỷ lệ của thủy phân photpho hữu cơ được tính như sau: OPHydr =k hp(T)p o

Với k hp (T) là tỷ lệ thủy phân photpho hữu cơ phụ thuộc vào nhiệt độ.

Sự lắng của photpho hữu cơ được xác định như sau:

op o

p H

v

OPSettl =

Với νop là tốc độ lắng của photpho hữu cơ [m/ngày]

7 Photpho vô cơ (p i )

Photpho vô cơ tăng lên là do sự thủy phân photpho hữu cơ, nó mất

đi do quá trình quang hợp

=DOPHydr + PhytoResp +BotAlgExP− PhytoPhoto−BotAlgUpP−IPSettl

pa

pa pi

r

r S

Trong đó

ip i

p H

v

IPSettl =

Với νiplà tốc độ lắng của photpho vô cơ

8 Chất rắn vô cơ lơ lửng (m i )

Chất rắn vô cơ lơ lửng bị mất do quá trình lắng:

S mi = −InorgSettl

Trong đó

i m i

H

v

InorgSettl =

Với νi là tốc độ lắng của chất rắn vô cơ lơ lửng

9 Oxy hoà tan (DO)

Oxy hoà tan tăng lên do quá trình quang hợp Nó mất đi theo conđường oxy hoá CBOD nhanh, khử nitơ và sự hô hấp thực vật

= PhytoPhoto + BotAlgPhot − PhytoRespo− FastCOxid− BotAlgResp− NH4Nitr+OxReaer

oa oa

on oc

a oa

o

r r

r r

r r

S

Trong đó

OxReaer =k a(T)(o s(T,elev) −o)

Với k a (T) hệ số phản ứng của oxy phụ thuộc vào nhiệt độ; o s (T,elev)

là nồng độ oxy bão hoà ở nhiệt độ T ở độ cao elev so với mực nước biển

• Các công thức tính hệ số hấp thụ oxy

H

K k

ah

a

) 20 ( )

20 ( )

5 1

5 0

93 3

U là vận tốc trung bình của nước [m/s]

H là độ sâu trung bình của nước [m]

67 1

026 5 ) 20

67 0

32 5

k ah( 20 ) = 2 16 ( 1 + 9 0 25 ) *

Trong đó

U*: vận tốc trượt [m/s]

F số Froude [không thứ nguyên]

Vận tốc trượt và số Froude được xác định từ

S gR

U*= h và

d gH

U

F=

Trong đó :

g : gia tốc trọng trường [m/s2]

Rh: bán kính thủy lực [m]

S: độ dốc [m/m]

Hd độ sâu thủy lực [m]

độ sâu thủy lực được xác định như sau:

t

c d B

) ( 517

) ( 596

) ( 88

) ( 142

Nếu H>0.61m, và H > 3.45U2.5, sử dụng công thức O’Connor-Dobbins.Trường hợp khác sử dụng công thức Churchill.

10

100

O’Connor Dobbins

0.1

1

0.2 0.5

Hình 1.5:Tương quan giữa hệ số hấp thụ oxy với độ sâu và vận tốc

Công thức tính đến ảnh hưởng của tốc độ gió :

Có ba lựa chọn để xác định tác động của gió đến hệ số hấp thụ oxy là:

(1) không tính đến tác động của gió

(2) công thức Banks-Herrera

0372 0 317

0 728

.

10 , 10

, 5

0 10