Nghiên cứu tính toán và dự báo ô nhiễm nước mặt vùng hạ lưu sông hàn bằng mô hình toán thủy lực

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRẦN VĂN THANH THIỆN NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN VÀ DỰ BÁO Ô NHIỄM NƯỚC MẶT VÙNG HẠ LƯU SÔNG HÀN BẰNG MÔ HÌNH TOÁN THUỶ LỰC Chuyên nghành: Thuỷ lợi Mã

BỘ GIÁO DỤC ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRẦN VĂN THANH THIỆN

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN VÀ DỰ BÁO Ô NHIỄM NƯỚC MẶT VÙNG HẠ LƯU SÔNG HÀN BẰNG MÔ HÌNH TOÁN THUỶ LỰC

Chuyên nghành: Thuỷ lợi

Mã số: 60.62.27

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS NGUYỄN THẾ HÙNG

Đà Nẵng - 2010

Công trình hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Nguyễn Thế Hùng

Phản biện 1: PSG.TS Trần Cát

Phản biện 2: TS Nguyễn Văn Minh

Luận văn ñược bảo vệ tại Hội ñồng chấm luận văn thạc sĩ kỹ thuật tại Đại học

Đà Nẵng, vào ngày 29 tháng 07 năm 2010

Có thể tìm hiểu tại:

- Trung tâm Thông tin Tư liệu, Đại học Đà Nẵng

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của ñề tài

Hệ thống Sông Hàn (Gồm sông Hàn- sông Cẩm Lệ và sông Vĩnh Điện) là nguồn cung cấp nước chủ yếu cho mọi hoạt ñộng sản xuất cũng như nhu cầu sinh hoạt của người dân thành phố Đà Nẵng và các vùng phụ cận Nhưng, hệ thống sông nói trên thường xuyên bị tác ñộng tiêu cực do các loại hình hoạt ñộng sản xuất gây ra, trong

ñó vấn ñề lan truyền ô nhiễm là một trong những vấn ñề bức thiết

Nhằm ñáp ứng một phần nhu cầu trên, việc chọn ñề tài: “Nghiên cứu tính toán

và dự báo ô nhiễm nước mặt vùng hạ lưu sông Hàn bằng mô hình toán thuỷ lực”

là cần thiết

2 Mục ñích nghiên cứu:

Nghiên cứu, áp dụng mô hình toán thủy lực, ñể tính toán dự báo sự ảnh hưởng

ô nhiễm nước mặt ở hạ lưu sông Hàn, ñể có biện pháp xử lý, khắc phục thích hợp nhằm ñảm bảo ñược nhiệm vụ kiểm soát ô nhiễm ở vùng hạ lưu sông Hàn

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Ảnh hưởng ô nhiễm hạ lưu sông Hàn;

- Phạm vi nghiên cứu: Lưu vực hạ lưu sông Hàn (Đoạn từ cửa sông ñến Cầu Đỏ)

4 Nội dung nghiên cứu:

- Điều tra khảo sát thực ñịa: xác ñịnh ñộ ô nhiễm dọc sông, xác ñịnh lưu lượng dòng chảy thượng nguồn; mực nước triều vùng hạ lưu vào các thời gian tiêu biểu của từng tháng

- Nghiên cứu áp dụng mô hình toán thuỷ lực ñể tính toán (mô hình toán thủy lực HES-RAC), dự báo ô nhiễm với các ñiều kiện biên là số liệu ñã thu thập và ño ñạc ñược Kết quả là ñưa ra sự phân bố ô nhiễm theo không gian và thời gian; nhận xét và kiến nghị

5 Phương pháp nghiên cứu:

5.1 Cách tiếp cận: Sử dụng phương pháp tiếp cận lịch sử:

Trên nền tảng hệ thống lý thuyết ñã ñược xây dựng khá lâu và phát triển tương ñối hoàn thiện, luận văn kế thừa và ứng dụng hệ thống này kết hợp lựa chọn

mô hình toán phù hợp với lý thuyết và ñiều kiện tự nhiên của khu vực nghiên cứu

5.2 Phương pháp nghiên cứu:

Phương pháp thống kê tổng hợp

Phương pháp mô hình toán thuỷ lực

5.3 Kỹ thuật sẽ sử dụng:

Nghiên cứu hiện trạng khai thác sử dụng nguồn nước từ sông Hàn của các ngành kinh tế và tìm hiểu quy hoạch phát triển của các ngành liên quan ñến sông Hàn Trên cơ sở tính toán, phân tích ñể ñề xuất giải pháp xử lý tình hình ô nhiễm và kiến nghị ñiều chỉnh ñể quy hoạch hợp lý hơn

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài

6.1 Đối với lĩnh vực khoa học:

Sản phẩm của ñề tài sẽ là công cụ rất cần thiết góp phần làm cơ sở khoa học ñể triển khai phương án khai thác các công trình dân sinh, kinh tế nhưng vẫn kiểm soát tình hình diễn biến ô nhiễm ở hạ lưu sông Hàn

6.2 Đối với lĩnh vực xã hội:

Cơ sở ñể dự báo và ñề ra các biện pháp xử lý, khắc phục ảnh hưởng do ô nhiễm gây nên, nhằm ñảm bảo vấn ñề môi trường và cuộc sống ổn ñịnh của người dân vùng

hạ lưu sông Hàn

7 Cấu trúc của luận văn

Luận văn ñược xây dựng theo cấu trúc gồm có 4 chương:

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1 : Đặc ñiểm ñiều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu

CHƯƠNG 2 : Tổng quan các phương pháp tính toán ô nhiễm nước mặt

CHƯƠNG 3 : Cơ sở lý thuyết mô hình tính toán ô nhiễm nước mặt

CHƯƠNG 4 : Tính toán và dự báo diễn biến ô nhiễm nước mặt sông Hàn

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

CHƯƠNG 1 ĐẶC ĐIỂM ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN KHU VỰC NGHIÊN CỨU

1.1 Đặc ñiểm ñiều kiện tự nhiên

1.1.1 Vị trí ñịa lý

Thành phố Đà Nẵng có diện tích là 1.248,4 km2, nằm trong khu vực từ

15015’15” ñến 16013’15” Vĩ ñộ Bắc và 107049’00” ñến 108020’18” Kinh ñộ Đông, thuộc vùng duyên hải miền Trung, là cửa ngõ quốc tế thứ 3 của nước ta Tuy diện tích chỉ bằng 0,38% diện tích của cả nước nhưng Đà Nẵng có gần như hầu hết các ñặc ñiểm tự nhiên của cả nước ta :

1.1.2 Đặc ñiểm ñịa hình

1.1.2.1 Địa hình bóc mòn tổng hợp:

1.1.2.2 Địa hình Karst:

1.1.2.3 Địa hình tích tụ do hỗn hợp sông - biển:

1.1.2.4 Địa hình tích tụ do hỗn hợp biển - ñầm lầy:

Về cơ bản thành phố Đà Nẵng có 2 vùng khí hậu là: vùng ñồng bằng ven biển

và vùng trung du, miền núi

b Lượng mưa:

Lượng mưa bình quân nhiều năm: Lượng mưa bình quân nhiều năm của một số nơi khu vực Đà Nẵng - Quảng Nam thuộc lưu vực sông Vu Gia: 2.185 mm

c Đặc ñiểm bức xạ và nắng:

Đà nẵng có lượng bức xạ và số giờ nắng dồi dào

d Đặc ñiểm bốc hơi và tình hình khô hạn :

Lượng nước bốc hơi trung bình năm tại thành phố là 1.048 mm,vùng núi phụ cận từ 800 - 1000mm Lượng nước bốc hơi mạnh trong thời kì gió Tây Nam khô nóng, ít nhất trong thời kì mùa mưa

e Đặc ñiểm nhiệt ñộ không khí:

Chế ñộ nhiệt ở Đà Nẳng là ñặc trưng quan trọng của loại hình nhiệt ñới gió mùa, có nền nhiệt ñộ cao và khá ñồng ñều quanh năm

g Đặc ñiểm gió bão:

Hướng gió tại Đà Nẵng tương ñối phân tán, hầu như các hướng ñều có gió

1.1.4 Đặc ñiểm thuỷ văn

1.1.4.1 Đặc ñiểm thuỷ văn:

a Mạng lưới sông suối :

Trên ñịa bàn thành phố Đà Nẵng có 2 sông chính là sông Cu Đê và sông Hàn

Sông Hàn: chiều dài 5,262km, là hợp lưu của sông Cầu Đỏ - Cẩm Lệ và sông Vĩnh

Vùng biển Đà Nẵng có chế ñộ bán nhật triều không ñều, trung bình mỗi tháng

có 3 ngày theo chế ñộ nhật triều, tháng nhiều nhất có 8 ngày, tháng ít nhất chỉ có 1 ngày nhật triều

1.2 Tình hình dân sinh kinh tế, xã hội và khai thác sử dụng nước mặt

Ô NHIỄM NƯỚC MẶT 2.1 Tổng quan về nghiên cứu ô nhiễm nước mặt:

2.1.1 Tổng quan:

2.1.1.1 Mô hình tổng hợp ñịa lý

Nội dung phương pháp của nhóm này là dựa trên các số liệu khảo sát, quan trắc, phân tích diễn biến quá trình lan truyền ô nhiễm theo không gian và thời gian ứng với các ñiều kiện cực trị, trung bình

2.1.1.2 Mô hình tất ñịnh

Trong nghiên cứu quá trình thủy ñộng lực học thường gặp ba loại mô hình: Mô hình vật lý, mô hình tương tự ñiện và mô hình toán học

Các quá trình thủy lực thường ñược biểu diễn bằng các phương trình ñộng lực

và phương trình liên tục ở dạng các phương trình vi phân ñạo hàm riêng cùng với các ñiều kiện biên, ñiều kiện ban ñầu

Để mô phỏng quá trình truyền chất (ñộ mặn, ñộ nhiễm bẩn,.v.v ) phải giải các phương trình truyền tải - khuyếch tán bao gồm các thành phần ñối lưu, khuyếch tán, nguồn bổ sung, nguồn tiêu tán ñể tìm ra sự phân bố nồng ñộ trong dòng chảy

2.1.2 Các phương trình mô tả toán học:

- Hệ phương trình Saint - Venant một chiều

- Phương trình bảo toàn lượng chất ô nhiễm (khuyếch tán - ñối lưu)

∂

∂

q t x

∂

∂ +

∂

∂

J x

v g

v t

v g x

(2.2)

Những giả thiết cơ bản khi xây dựng và sử dụng hệ phương trình này bao gồm:

- Chất lỏng không nén ñược

- Dòng chảy là một chiều, ñộ sâu và vận tốc chỉ thay ñổi theo chiều dọc lòng dẫn Xem vận tốc không ñổi và mặt nước nằm ngang tại mặt cắt ngang bất kỳ thẳng góc với dòng chảy

- Dòng chảy thay ñổi chậm theo lòng dẫn ñể cho áp suất thủy tĩnh chiếm ưu thế

và gia tốc theo chiều thẳng ñứng ñược bỏ qua

- Độ dốc ñáy của lòng dẫn nhỏ và ñáy cố ñịnh

- Độ cong của ñường dòng nhỏ, áp lực trong dòng chảy phân bố thủy tĩnh

- Luật cản ở mặt và ñáy giống luật cản của dòng dừng

S AD x x

QS t

S A

+ q: Lưu lượng bổ sung hoặc lấy ñi dọc ñường tính cho một ñơn vị chiều dài dòng chảy

+ Sv: Nồng ñộ của nguồn bổ sung dọc ñường + x: Chiều dài dọc theo sông

+ t: Thời gian Phương trình trên ñược biến ñổi và kết hợp với phương trình liên tục thành dạng:

C v C

S S q x

S AD x A x

S A

Q t

g D

0 0 5 0

9 , 0

- Phương pháp ñơn giản nhất ñể tính hệ số khuyếch tán là áp dụng phương trình (2.3) ở trạng thái ổn ñịnh bình quân chu kỳ triều, khi ñó:

x S

S Uf D

x

S A x

S A x

S S A RU A

∂

∂ +

U n K D

∂

∂ +

6 / 1

2.2 Giới thiệu một số mô hình toán tính ảnh hưởng truyền mặn, ô nhiễm:

2.2.1 Mô hình ñộng lực cửa sông:

Mô hình ñộng lực cửa sông thường sử dụng là mô hình Orlob, lấy theo tên của Tiến sĩ Gerald T.Orlob Sử dụng hệ phương trình thủy ñộng (2.10):

U U t U

B

L q x

Q B t

(2.10)

2.2.2 Mô hình ñối lưu không thủy triều:

Arons và Stommel (1951) ñã ñề xuất mô hình trong ñó các số hạng ñều ñược lấy trùng bình hóa trong một chu kỳ triều

∂

∂

x

S AE x A x

S f U t

∂

∂

x

S E A x A x

S f U t

s s s

s

2.2.3 Mô hình thời gian thủy triều:

Mô hình thời gian thủy triều do Lee và Harleman ñề xuất năm 1971

Thatcher và Harleman ñã cải tiến phương pháp của Lee và Harleman, với hệ số khuyếch tán ñược thể hiện dưới dạng:

E r

x

S K t x

2.2.4 Mô hình Saflow của Delft Hydraulics:

Mô hình Saflow của Delft Hydraulics

C v C

S S q x

S AD x A x

S A

Q t

x

S A x

S A x

S S A RU A

∂

∂ +

và phương trình cân bằng mặn (2.16):

0 t

AS) (

= +

∂

∂

T B S C x

S AsD QS

2.2.5 Mô hình Aquasea của Vatnaskil Consulting Engineers

Aquasea là một mô hình toán hai chiều ngang, ñể giải bài toán dòng chảy mặt

và bài toán truyền tải dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn Galerkin

Phương trình liên tục:

t

vH y

uH

∂

∂ +

∂

∂ +

H

Q H

k u v u HC

g fv x

g y

u v x

u u

∂

∂ +

∂

2 / 1 2 2

H

Q H

k v v u HC

g fu x

g y

v v x

v u

∂

∂ +

∂

Mô hình khuyếch tán, truyền tải

Aquasea ñược thiết kế ñể giải bài toán truyền tải chất và nhiệt như sau:

( ) ( )Hc S Qc0

t

Hcu x y

c HD y x

c HD

c H t

c Hu y

c HD y x

c HD

2.2.6.1 Phương pháp phân rã bài toán ô nhiễm:

- Năm 1987, Phó Giáo sư Nguyễn Tất Đắc ñã xây dựng nên mô hình FWQ87 Trong mô hình này, tác giả ñã tách phương trình khuyếch tán ñối lưu thành hai phương trình:

Phương trình ñối lưu, tải thuần túy:

1 1 = 0

∂

∂ +

∂

∂

x

S U t

S x

S K t

2.2.6.2 Phương pháp sai phân bài toán truyền mặn, lan truyền chất ô nhiễm:

Năm 1992, Phó Giáo sư (PGS.) Nguyễn Như Khuê khi xây dựng chương trình VRSAP ñã sử dụng 3 phương pháp giải hệ phương trình mặn, lan truyền chất ô nhiễm như sau:

- Phương pháp sai phân ẩn theo sơ ñồ 6 ñiểm và gắn với mô hình TIDAL lập thành mô hình MEKSAL

- Sơ ñồ 6 ñiểm và cách sai phân tương tự như Lê Hữu Tý ñã áp dụng trong mô hình TIDAL và gắn với mô hình VRSAP

- Phương pháp phân rã trong ñó tính riêng quá trình tải và quá trình khuyếch tán theo hai bước tính kế tiếp Phương pháp này phối hợp hai mô hình TIDAL và VRSAP

2.3 Đề xuất mô hình toán tính ảnh hưởng quá trình truyền mặn, ô nhiễm trên sông Hàn:

Mô hình HECRAS 4.0 ñược xây dựng mang tính trực quan cao, giao diện hiện ñại, dễ tiếp cận sử dụng Mô hình có tính linh hoạt cao, việc mở rộng và phát triển sơ

ñồ hệ thống ñơn giản và mô tả khá chi tiết các công trình trên hệ thống có ảnh hưởng ñến kết quả ñến bài toán Dữ liệu ñầu vào có thể nhập trực tiếp vào chương trình hoặc chuẩn hóa dưới dạng các file liên kết và tương tác ñược, nên rất thuận tiện cho việc nhập số liệu ñầu vào Thuật toán xây dựng cho mô hình sử dụng sơ ñồ sai phân ẩn nên chương trình luôn ổn ñịnh và hội tụ Lưới sông ñược chia ñoạn một cách ñơn giản, linh hoạt, có thể thay ñổi tuỳ theo mức ñộ phức tạp của ñịa hình hệ thống Bước thời gian không cần phải chia quá nhỏ cũng cho ra ñược kết quả tin cậy nên tốc ñộ tính toán nhanh Phần mềm nầy miễn phí, ñã ñược sử dụng rộng rãi trong việc học

tập, nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều ñơn vị tại Việt Nam; vì vậy, tác giả lựa chọn chương trình HECRAS 4.0 ñể tính toán việc lan truyền mặn cũng như các chất ô nhiễm trên sông Hàn trong luận văn của mình

Lược ñồ sai phân sử dụng trong mô hình Hec-ras 4.0

f t

∆

∆ +

f j x

f x

∂

∂ +

∂

∂

l q x

Q t

S t

c

q t

A x

Q

=

∂

∂ +

f

q q t

S t

A x

∂

∂ +

Hai phương trình (3.8) và (3.9) ñược xấp xỉ bằng cách sử dụng sơ ñồ sai phân

ẩn, thay các phương trình (3.4) ñến (3.6) vào :

c f

c

c

q t

A x

=

∆

∆ +

∆

∆ +

∆

∆

f c t

t

q q t

S t

A x

∆

∆

∆ +

∆

∆

∆ +

c c

Q x t

S x

t

A x t

∂

∂ +

∂

∂

f S x

z gA x

VQ t

f fc

c c c

c c c

M S

x

z gA x

Q V t

∂

∂ +

f f f

f f f

M S

x

z gA x

Q V t

∂

∂ +

c c c

c c c

M S

x

z A g x

Q V t

∆

∆ +

∆

∆

(3.17)

( )

c ff

f f f

f f f

M S

x

z A g x

Q V t

∆

∆ +

∆

∆

(3.18)

Sự trao ñổi năng lượng phải bằng nhau nhưng khác dấu : ∆xc Mc = - ∆xf Mf

Cộng hai phương trình trên và sắp xếp lại ta ñược :

0

.

.

.

=

∆ +

∆ +

∆ + +

∆ +

∆ +

∆

∆ +

∆

∆

f ff f c fc c f

c f

f c

c f

f

c

c

x S A g x S A g z A A g Q V Q

V t

x Q

x

Q

(3.19) Hai thông số cuối cùng là lực ma sát do bờ tác dụng lên chất lỏng Thành phần lực này có thể viết lại dưới dạng tương ñương :

f ff f c fc c c

f x g A S x g A S x S

A

g ∆ = ∆ + ∆ (3.20) Vậy thông số ñối lưu có thể ñược viết lại thông qua việc xác ñịnh hệ số phân

bố lưu tốc :

v Q

Q v Q v A

v

A v A

.

.

.

.

.

∆

∆ +

∆

∆

∆ +

∆

∆

f c c

c

f f c c

S x

z A g x

Q v x

t

x Q x

∂

∂ +

∂

∂ +

∂

∂

h

f S S x

z gA x

VQ t

Q

(3.25)

3.1.1.4 Động lượng thêm vào của dòng chảy bên :

Động lượng ñi vào :

v Q

( ) ( )

c

l l h

f c c

c

f f c c

x

v Q S

S x

z A g x

Q v x

t

x Q x Q

∆

∆ +

∆

∆ +

∆

∆

∆ +

3.1.2 Phương trình lan truyền chất ô nhiễm:

S x

AD A x

S D x

S u t

S D x

S U t

∂

∂

(3.29)

3.1.2.3 Điều kiện biên và ñiều kiện ban ñầu:

- Điều kiện biên:

3.2 Phương hướng giải hệ phương trình chuyển ñộng chảy không ổn ñịnh trong Hec-ras

3.2.1 Giải phương trình thủy lực

3.2.1.1 Tuyến tính hóa phương trình sai phân hữu hạn

Nếu nhóm các ẩn số của phương trình về phía vế trái, ta thu ñược hệ phương trình tuyến tính:

CQ1j∆Qj + CZ1j ∆Zj + CQ2j∆Qj+1 + CZ2j∆Zj+1 = CBj (3.31)

MQ1j∆Qj + MZ1j ∆Zj + MQ2j∆Qj+1 + MZ2j∆Zj+1 = MBj (3.32)

3.2.1.2 Hệ số phân phối dòng chảy

Cần phải xác ñịnh sự phân phối lưu lượng giữa dòng chính và bãi Phần dòng chảy trong sông ñược xác ñịnh như sau :

fj cj

cj j

Q Q

fj cj

cj j

K K

S A

x S A x S A

+

+ +

+

∆ +

+

∆ +

=

∆

j j

fj fj fj cj cj cj e

A A

x A A x A A x

(3.36)

3.2.1.4 Điều kiện biên

a Điều kiện biên phía trong (cho kết nối nhánh )

Phương trình liên tục về lưu lượng :

MUmi ∆Qi + MUQm∆QK = MUBm (3.38) Phương trình liên tục về mực nước :

ZK = ZC (3.39) Dạng sai phân của phương trình (3.39)

MUZm∆zK - MUm∆zc = MUBm (3.40) Theo Hình 3.4, Hec-Ras sử dụng phương pháp sau ñể áp dụng những phương trình ñiều kiện biên kết nối các nhánh với nhau:

b Điều kiện biên thượng lưu

Phương trình với nhánh m :

k n k n

Trong ñó k là nút thượng lưu của nhánh m

Dạng sai phân hữu hạn của phương trình (3.41) là:

c Điều kiện biên hạ lưu

Tại bước thời gian (n +1)∆t, ñiều kiện biên cho bởi ñường quá trình mực nước

có dạng :

n N

n N

3.2.1.5 Điều kiện ban ñầu

3.2.1.6 Tính toán ñối với các công trình trên sông

a Tính toán thủy lực ñối với dòng chảy qua cầu

Bước 1: Cần bằng mực nước từ mặt cắt (2) ñến mặt cắt hạ lưu cầu (BD),

phương tính toán cân bằng mực nước như sau:

x f pBD pBD BD

BD BD BD

A g

Q Y

A gA

Q Y

2

2 2 2 2 2 2

.

β

Bước 2: Cân bằng mômen từ mặt cắt hạ lưu (BD) ñến mặt cắt thượng lưu (BU)

Phương trình cân bằng như sau

x f BD

BD BD BD BD BU

BU BU BU

A g

Q Y

A gA

Q Y