CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN HIỆN TRẠNG VÀ DỰ BÁO TẢI LƯỢNG NƯỚC THẢI ĐỔ VÀO SÔNG BA LAI
4.1. CÁC MÔ HÌNH CHẤT LƯỢNG NƯỚC
Mô hình chất lượng nước mô phỏng trạng thái, thành phần nước. Sự mô phỏng này phụ thuộc chặt chẽ vào các quá trình vật lý, hóa học, sinh học diễn ra trong môi trường nước và tác động từ bên ngoài. Các mô hình càng mô phỏng chi tiết các quá trình này càng cho kết quả chính xác. Mô hình 1D sẽ dễ mô phỏng hơn 2D và 3D. Vì vậy mô hình 2D và 3D cần nhiều dữ liệu hơn và khối lượng xử lý nhiều hơn.
Lịch sử phát triển các mô hình chất lượng nước bắt đầu từ những năm 20 của thế kỷ trước. Trải qua quá trình phát triển các mô hình ngày nay đã trở nê hiệu quả rất nhiều, khả năn tính toán cũng phức tạp hơn. Ngày nay tất cả các mô hình đều được thực hiện trên máy tính, công cụ đắc lực nhất đó là các phần mềm mô hình.
Xây dựng được các phần mềm mô hình giúp việc tính toán mô hình trở nên dễ dàng hơn, trực quan hơn và có thể chia sẽ được dữ liệu.
Những mốc quan trọng trong quá trình phát triển
- Năm 1925 Streeter và Phelps phát triển mô hình chất lượng nước đầu tiên. Họ áp dụng mối quan hệ đơn giản giữa BOD và DO để mô phỏng chất lượng nước của các dòng suối nhỏ.
- Năm 1946 Dobbin W.E hiệu chỉnh và bổ sung thêm phương trình tính toán của Streeter và Phelps. Mô hình này có tính đến loại bỏ BOD do lắng bùn và sự bổ sung oxi từ quá trính quang hợp của tảo.
- Donald O Connor (1963-1965) đã áp dụng mô hình của Dobbin cho khu vực cửa sông. Khu vực này được chia thành nhiều đoạn nhỏ sao cho các thông số được xem là hằng số. Mô hình sau đó đó được mô phỏng bình quân theo chiều dài của các mặt cắt riêng biệt không tính đến ảnh hưởng của chế độ thủy triều.
- Năm 1969 Orlob phát triển mô hình 2D cho phép ước lượng chính xác hơn hai mô hình máy tính được dùng trong mô hình là : chương trình thủy lực và chương trình chất lượng nước.
- Năm 1973 Brooks đã tổng hợp kết quả nhiều năm nghiên cứu ở phòng thí nghiệm về các chế độ dòng chảy khác nhau ảnh hưởng đến việc vận chuyển, phân tán các chất ô nhiễm. Kết quả trên có lợi ở 2 mặt : thứ nhất dễ dàng cho việc xác định chất lượng nước xung quanh từ những đặc
76 trưng khác nhau của môi trường nước, thứ hai cung cấp nền tảng cho thiết kế hệ thống.
- Năm 1973 cơ quan Bảo vệ môi trường Mỹ (US EPA) đã dùng mô hình tính toán để xác định đặc trưng lý tính của nước thải từ tàu bè ảnh hưởng đến chất lượng nước. Từ đó kết quả này được dùng để xác định mức độ ô nhiễm của của hoạt động tàu bè trên sông, biển, đặc biệt từ các hoạt động súc rửa tàu.
- Năm 1978 Lohani phân tích đánh giá dữ liệu dòng chảy, lưu lượng và chất lượng nước thải của các nhà máy, nước thải sinh hoạt, từ cống rãnh của các thành phố và tổng BOD đổ vào sông Chao Phraya. Ba mô hình được phát triển cho BOD, sự phân bổ DO và tải lượng BOD tối ưu sao cho lượng DO trên mỗi đoạn sông đủ đáp ứng.
- Năm 1987 Macdonald giới thiệu các tiện ích của việc dùng mô hình chất lượng nước để phân tích, quản lý chất lượng nước, ông cũng đã giới thiệu mô hình lý thuyết và 6 mô hình bao gồm WQRRS (Water Quality for River_Riservision System) DOSTOC (Stochastic Dissolve Oxygen Model)...
- Năm 1989 Viện thủy lợi Đan Mạch phát triển Mike 11, phần mềm mô hình chất lượng nước mô phỏng chất lượng nước, mô phỏng lưu lượng, vận chuyển bùn cát cho sông và cửa sông các kênh dẫn hệ thống tưới...là mô hình động học một chiều với 6 modul có thể thực hiện là mô hình thủy động lực học, mô hình thủy văn, tải khuếch tán, chất lượng nước, vận chuyển bùn cát kết dính.
- Năm 1994 Huang và Spaulding sử dụng mô hình hệ thống bao gồm thủy động lực học, vận chuyển chất ô nhiễm, mô hình xáo trộn xảy ra đồng thời. Họ cũng xây dựng mô hình 3D mô phỏng thêm ở chiều cao cột nước.
4.1.2. Tóm tắt quá trình phát triển của mô hình chất lượng nước
Năm 1925-1960 (Streeter và Phelps) - Vấn đề dòng ô nhiễm sơ cấp - Chất ô nhiễm BOD
- Hệ thống một chiều dòng chảy nhỏ - Phương pháp phân tích
Năm 1960-1970 (Điện toán)
- Vấn đề dòng ô nhiễm sơ cấp và thứ cấp
77 - Chất ô nhiễm BOD
- Hệ thống : 1 ; 2 chiều sông ; cửa sông - Phương pháp : Số học và giải tích
Năm 1970-1977 (Sinh học) - Vấn đề : phú dưỡng hóa - Chất ô nhiễm : dinh dưỡng - Hệ thống 1 ;2 ;3 chiều hồ sông - Phương pháp số học
1977- nay (Độc học) - Vấn đề : độc chất
- Chất ô nhiễm : chất hữu cơ, kim loại nặng
- Hệ thống : trao đổi chất lượng nước ; bùn đáy ; chuỗi thức ăn - Ap dụng cho sông hồ
- Phương pháp : số học và giải tích
4.1.3. Giới thiệu các mô hình chất lượng nước
Mô hình số diễn toán dòng chảy trên sông kênh, qua công trình và trên đồng ruộng thông qua kết quả của các chương trình bằng ngôn ngữ máy tính của nhiều tác giả, đã được kiểm chứng qua những công trình cụ thể, thể hiện những ưu thế, thuận lợi và hạn chế của mỗi chương trình khi áp dụng cho tính toán thủy lực cho vùng ĐBSCL. Các nhà kỹ thuật đã vận dụng các loại mô hình thủy lực để tính toán quy mô công trình đã đi đến nhận định như sau :
Mô hình MASTER MODEL
Mô hình này được thiết lập cho hạ lưu sông Me6kong từ cuối năm 1988. Dây là mô hình thủy lực một chiều, mô tả chuyển động nước trên hạ lưu sông Mekong từ Chiang Saen ra đến biển. Có thể giải bài một lớp bài toán khá rộng về thủy động lực bao gồm mô phỏng chuyển động nước, vận tải bùn cát, diễn biến quá trình xói sâu, xâm nhập mặn. Phần mềm này cho phép tổ chức mạng sông kênh có các nút với tổng số dòng chảy vào, ra không quá 4 nhánh. Không có phần bổ sung ngang của mưa trên lưu vực. Do vậy lượng gia nhập khu giữa chỉ có thể tính trực tiếp từ dòng chảy trên các sông con, cũng không mô tả được mưa rơi trực tiếp trên các mặt ô ruộng, do vậy mô hình chưa đủ khả năng giải quyết bài toán tiêu úng trên vùng ngập nước trong trường hợp nguyên nhân gây úng chủ yếu là mưa nội đồng.
78
Mô hình MEKASAL
Là mô hình thủy lực 1 chiều, do V.Pareeren xây dựng năm 1974 cho hạ du sông Mêkong, sau được tiến sĩ Lê Hữu Tý cải tiến và xây dựng phần mềm xâm nhập mặn. Mô hình MEKASAL cải tiến cho phép mô phỏng dòng chảy và truyền mặn trên một hệ thống sông – kênh chảy vòng phức tạp, có các công trình điều khiển dòng chảy, có các khu ruộng kề bên các đoạn kênh và trao đổi nước dưới ảnh hưởng của thủy triều và mưa tại chỗ. Phần tính toán thủy lực dòng không ổn định tương tự như VRSAP. Năm 1989, mô hình MEKASAL cải tiến lần nữa tại Viện Kỹ thuật Châu Á (AIT) trên cơ sở liên kết cách tiếp cận vật lý – toán trong MEKASAL với cách tiếp cận thống kê trong mô hình HYBRID của Huỳnh Ngọc Phiên. Nhờ sự liên kết này, MEKASAL có khả năng phân tích kết quả trên cơ sở phương pháp tự hồi quy và hồi quy giữa mực nước, độ mặn giữa trạm tính toán với trạm tương tự gần đó. Một cải tiến đáng kể của MEKASAL lần này là phần tin học, được viết trên ngôn ngữ QUICK BASIC với một hệ thống menu hoàn chỉnh hơn, có phần cơ sở dữ liệu thích hợp và phần đồ họa biểu diễn kết quả tính toán, tạo điều kiện thuận lợi cho người sử dụng.
Mô hình SAL
Đây là mô hình xâm nhập mặn một chiều trên Đồng bằng sông Cửu Long, do TS Nguyễn Tất Đắc xây dựng. Bài toán truyền mặn được thiết lập trên cơ sở giải trình tải khuếch tán một chiều độ mặn bằng phương pháp phân rã toán tử với giả thiết cơ bản, coi quá trình tải và quá trình khuếch tán có thể độc lập với nhau. Trong dự án Quy hoạch Tổng thể Đồng bằng sông Cửu Long VIE 87/031, mô hình SAL được chọn là công cụ tính xâm nhập mặn trên vùng ĐBSCL. Hiện nay, Version SAL1999, đã kết nối bài toán truyền mặn trên sông với bài toán phần tử hữu hạn ở vùng bờ biển, đã mở ra một khả năng mới cho mô hình. Tuy nhiên, các kết quả tính toán còn phải xem xét. Công việc này mới bắt đầu, đang được hoàn thiện về phương pháp luận và sơ đồ nối kết giữa vùng bờ biển và hệ thống sông.
Mô hình KOD2
Mô hình KOD2 do Giá sư – TS Nguyễn Ân Niên xây dựng, đây là mô hình thủy lục và mặn 2 chiều. Mô hình chủ yếu mô tả dòng chảy về mùa cạn, số liệu đòi hỏi cho tính toán phải chi tiết, việc áp dụng cho những đoạn sông gần biển hay một sơ đồ kênh sông – công trình thủy lợi ít thì mô hình đưa ra kết quả tương đối chính xác. Đối với những bài toán mà hệ thống sông kênh quá phức tạp thì việc áp dụng khó khăn. Đây là một mô hình mà phần lý thuyết khá chặt chẽ và có tính thuyết phục. Hiện nay, mô hình này đã có một số cải tiến về mặt tin học để có thể thực hiện trên những sơ đồ lớn.
Mô hình VRSAP
Mô hình VRSAP (Vietnam River system and Plains) do PGS-TS Nguyễn Như Khuê xây dựng từ đầu những năm 1980. Năm 1990, dự án VIE 87/031 Quy hoạch tổng thể ĐBSCL, đã lựa chọn mô hình này để dùng cho tính toán. Năm 1994,
79 Mô hình VRSAP đã được sử dụng để nghiên cứu các trường hợp tính toán quy hoạch lũ ĐBSCL, và đã cho kết quả đáng tin cậy. Hiện nay, kết quả xuất ra thuận lợi dùng cho các phần mềm để minh họa. Đông thời, một cải tiến lớn là cho phép mô hình chạy trên nền WINDOWS và sử dụng bộ nhớ mở rộng nên khả năng tính toán với số mặt cắt chia đoạn là không hạn chế và tốc độ tính toán tăng lên khoảng 5-6 lần. Điều đó có nghĩa là việc tính toán thủy lực và mặn ngày càng chính xác hơn nhiều. Chính nhờ đặc điểm này, mà chương trình trở lên sử dụng rộng rãi ở ĐBSCL. Trong phần truyền mặn, mới chỉ mô phỏng được tác dụng hòa tan hoàn toàn của nước mặn vào khối nước trong đồng, chưa mô tả được quá trình khuếch tán dần dần và hòa trộn chậm trong khối nước rộng lớn trong đồng xa bờ kênh có mặn.
Từ trước đến nay trong côn tác quy hoạch thủy lợi hay thiết kế khả thi cho những dự án ngọt hóa ở ĐBSCL, việc tính toán khẩu độ cống dựa trên phương thức phân bố mật độ và khẩu độ theo kinh nghiệm mức đầu tư kết hợp với phương án đê bao, kênh dẫn, sau đó kiểm chứng bằng thông số mực nước, lưu lượng và vận tốc dòng chảy lấy từ kết quả chạy chương trình thủy lực (một trong những chương trình trên). Nếu phù hợp thì dùng các thông số để tính toán thiết kế và tính giá thành đầu tư xây dựng.
Như vậy về cơ bản các mô hình trên đây chủ yếu mới mô tả được quá trình mang, quá trình khuếch tán còn quá trình chuyển hóa của các chất dưới tác động hóa, sinh học chưa được đề cập.
Trên cơ sở các mô hình truyền mặn của nhiều tác giả đã nghiên cứu và xây dựng mô hình tính toán chất lượng môi trường nước trong đó đã tính đến mối tương tác của các yếu tố thủy sinh.
Tuy nhiên các mô hình này đòi hỏi nhiều số liệu không chỉ bao gồm các số liệu về chế độc văn dòng chảy, cấu trúc địa hình mà để có được kết quả chính xác các số liệu chi tiết về thủy sinh vật các thành phần hóa học trong môi trường nước cũng phải có và nó sẽ sử dụng làm số liệu đầu vào để thiết lập và chạy mô hình khi tính toán.