Đề tài Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước

 Trang 1 
GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng 
 LỜI CẢM ƠN 
 Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp em xin cảm ơn sự hƣớng dẫn 
nhiệt tình của thầy giáo Phạm Phú Song Toàn là giảng viên chuyên ngành môi 
trƣờng khoa công nghệ hóa học. 
 Cảm ơn các thầy cô trong khoa Công nghệ hóa học, trƣờng cao đẳng Công 
Nghệ, thành phố Đà Nẵng đã tận tình chỉ dậy trong suốt quá trình học tập. 
 Mặc dù đã rất cố gắn nhƣng trong quá trình thực hiện đồ án còn nhiều bỡ 
ngỡ, do chƣa có nhiều kinh nghiệm nên không tránh khỏi những sai sót. Vì vậy, em 
rất mong nhận đƣợc sự góp ý của các thầy, cô giáo. 
 Em xin chân thành cảm ơn! 
 Đà Nẵng tháng 06 năm 2011 
 Sinh viên thực hiện 
 Đoàn Ngọc Tùng 
 Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước Trang 2 
GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng 
 MỤC LỤC 
PHẦN I. MỞ ĐẦU ................................................................................................. 6 
PHẦN II. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƢỜNG ......................... 7 
 CHƢƠNG 1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN ....................................................... 7 
 1.1. Các định nghĩa và khái niệm cơ bản .......................................................... 7 
 1.1.1. Định nghĩa mô hình............................................................................. 7 
 1.1.2. Mục tiêu thành lập mô hình: ................................................................ 8 
 1.1.3. Đặc trƣng cơ bản của một mô hình: ..................................................... 9 
 1.2. Mô hình môi trƣờng................................................................................. 12 
 CHƢƠNG 2. PHÂN LOẠI VÀ TIẾN TRÌNH MÔ HÌNH .............................. 13 
 2.1. Phân loại mô hình .................................................................................... 13 
 2.1.1. Mục đích phân loại mô hình .............................................................. 13 
 2.1.2. Các nhóm mô hình ............................................................................ 13 
 2.2. Tiến trình vận hành mô hình .................................................................... 14 
 2.2.1. Thu thập dữ liệu ................................................................................ 15 
 2.2.2. Mô hình khái niệm ............................................................................ 15 
 2.2.3. Mô hình giải tích hoặc mô hình số .................................................... 16 
 2.2.4 Hiệu chỉnh mô hình ............................................................................ 16 
 2.2.5. Kiểm nghiệm mô hình ....................................................................... 17 
 2.2.6. Tiên đoán hoặc tối ƣu ........................................................................ 17 
 2.3. Tiêu chuẩn chọn lựa mô hình ................................................................... 18 
 2.3.1. Khái niệm ......................................................................................... 18 
 2.3.2. Mô hình "tốt nhất"............................................................................. 19 
 2.3.3. Chọn mô hình theo cấu trúc và giá trị vào/ra ..................................... 19 
 2.3.4. Chọn mô hình theo vấn đề thực tế ..................................................... 20 
 2.3.5. Đánh giá lại việc chọn lựa ................................................................. 22 
 CHƢƠNG 3. HIỆU CHỈNH CÁC THÔNG SỐ MÔ HÌNH ............................ 23 
 3.1. Khái quát vấn đề ...................................................................................... 23 
 Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước Trang 3 
GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng 
 3.2. Các bƣớc trong tiến trình hiệu chỉnh ........................................................ 25 
 3.2.1. Bƣớc xác định thông tin quan trọng................................................... 26 
 3.2.2. Bƣớc chọn tiêu chuẩn mô hình .......................................................... 26 
 3.2.3. Bƣớc hiệu chỉnh mô hình .................................................................. 27 
 CHƢƠNG 4. THỂ HIỆN MÔ HÌNH ............................................................... 29 
 4.1. Kiểm nghiệm và định trị mô hình ............................................................ 29 
 4.2. Nghiên cứu kiểm nghiệm ......................................................................... 29 
 4.2.1. Mục tiêu ........................................................................................... 29 
 4.2.2. Hàm mục tiêu .................................................................................... 30 
 4.2.3. Các trị số thống kê dùng cho kiểm nghiệm ........................................ 30 
 4.3. Vấn đề kiểm nghiệm mô hình .................................................................. 35 
 4.3.1. Các vấn đề thƣờng gặp ...................................................................... 35 
 4.3.2. Hậu kiểm việc phê chuẩn và kiểm nghiệm mô hình ........................... 36 
 CHƢƠNG 5. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƢỜNG ....................... 37 
 5.1. Sơ đồ phát triển và ứng dụng mô hình ..................................................... 37 
 5.2. Xu thế phát triển mô hình hóa môi trƣờng theo quy mô không gian ......... 37 
PHẦ N III. MÔ HÌNH HÓA CHẤT LƢỢNG NƢỚC VÀ ỨNG DỤNG MÔ 
HÌNH HÓA CHẤT LƢỢNG NƢỚC .................................................................. 39 
 CHƢƠNG 6. CHẤT LƢỢNG NƢỚC VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG 
 NGUỒN NƢỚC................................................................................................ 39 
 6.1. Nguồn nuớc và phân loại nguồn nƣớc ...................................................... 39 
 6.1.1. Sự hình thành chất lƣợng và thành phần tính chất nguồn nƣớc .......... 39 
 6.1.2. Phân loại nguồn nƣớc ........................................................................ 42 
 6.2. Chất lƣợng nguồn nƣớc và đánh giá chất lƣợng nguồn nƣớc .................... 42 
 6.2.1. Chất lƣợng nguồn nƣớc ..................................................................... 42 
 6.2.2. Đánh giá chất lƣợng nguồn nƣớc ....................................................... 43 
 6.3. Các nguồn gây ô nhiễm môi trƣờng nƣớc ................................................ 49 
 6.3.1. Nƣớc thải sinh hoạt từ các khu dân cƣ ............................................... 49 
 6.3.2. Nƣớc thải công nghiệp ...................................................................... 51 
 Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước Trang 4 
GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng 
 6.3.3. Nƣớc mƣa chảy tràn .......................................................................... 52 
 6.3.4. Các hoạt động từ tàu thuyền .............................................................. 52 
 6.3.5. Các nguyên nhân khác ...................................................................... 52 
 CHƢƠNG 7. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MÔ HÌNH CHẤT LƢỢNG NƢỚC
 .......................................................................................................................... 53 
 7.1. Các phƣơng trình cơ bản .......................................................................... 53 
 7.2. Hệ số khuếch tán rối ................................................................................ 54 
 7.3. Sự chuyển hoá các chất trong dòng chảy ................................................. 58 
 7.3.1. Chu trình nitơ trong nguồn nƣớc và quá trình nitrat hóa .................... 58 
 7.3.2. Sự phân hủy các chất hữu cơ ............................................................. 61 
 7.3.3. Cân bằng oxy trong dòng chảy .......................................................... 64 
 CHƢƠNG 8. THIẾT LẬP MÔ HÌNH CHẤT LƢỢNG NƢỚC, MÔ HÌNH 
 DO&BOD ......................................................................................................... 67 
 8.1. Các bƣớc thực hiện xây dựng mô hình chất lƣợng nƣớc .......................... 67 
 8.1.1. Bƣớc đầu ........................................................................................... 67 
 8.1.2. Bƣớc tiếp theo ................................................................................... 67 
 8.2. Lựa chọn mô hình chất lƣợng nƣớc ......................................................... 68 
 8.2.1. Lựa chọn mô hình ............................................................................. 68 
 8.2.2. Sự phát triển lý thuyết của vấn đề...................................................... 70 
 8.3. Các phƣơng pháp số tính toán sự lan truyền các chất ô nhiễm trong dòng 
 chảy................................................................................................................ 70 
 8.3.1. Các phƣơng pháp số trong nghiên cứu mô hình thủy lực ................... 70 
 8.3.2. Phƣơng pháp số giải bài toán lan truyền chất..................................... 72 
 8.4. Các mô hình BOD & D (DO) trong dòng chảy ........................................ 73 
 8.4.1. Phƣơng trình cơ bản .......................................................................... 73 
 8.4.2. Phƣơng trình cổ điển Streeter-Phelps ................................................ 74 
 8.4.3. Các nghiên cứu phát triển trên cơ sở phƣơng trình Streeter-Phelps .... 75 
 CHƢƠNG 9. XÂY DỰNG MÔ HÌNH LAN TRUYỀN VÀ CHUYỂN HÓA 
 CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG DÒNG CHẢY ............................................ 79 
 Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước Trang 5 
GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng 
 9.1. Phƣơng trình sự lan truyền chất trong dòng chảy ..................................... 79 
 9.2. Tính toán sự lan truyền các chất ô nhiễm trong dòng chảy sông............... 81 
 9.2.1. Các phƣơng trình toán của mô hình ................................................... 82 
 9.2.2.Tính toán sự lan truyền chất trong dòng chảy ..................................... 83 
 9.3. Trình tự thiết lập mô hình chất lƣợng nƣớc .............................................. 86 
 CHƢƠNG 10. GIỚI THIỆU CÁC PHẦN MỀM MÔ PHỎNG CHẤT 
 LƢỢNG NGUỒN NƢỚC. MÔ HÌNH QUAL 2K ........................................... 88 
 10.1. Mô hình HSPF (Hydrological Simulation Program Fortran (USEPA) 
 (1984)............................................................................................................. 88 
 10.2. Mô hình SWMM (Storm Water Management Model ) ........................... 89 
 10.3. Mô hình WAPS (USEPA) ..................................................................... 93 
 10.4. Hệ thống MIKE ..................................................................................... 96 
 10.5. Mô hình WQRRS (Water quality for River ) ......................................... 98 
 10.6. Mô hình QUAL2K (QUAL2E) .............................................................. 99 
 10.6.1 Giới thiệu ......................................................................................... 99 
 10.6.2. Sự chia ra từng đoạn và tính chất thủy lực ..................................... 100 
 Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước Trang 6 
GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng 
 PHẦN I. MỞ ĐẦU 
 Hiện nay, ô nhiễm môi trƣờng đang là vấn đề báo động song hành với sự 
phát triển kinh tế xã hội, đặc biệt tại các quốc gia đang phát triển. Tại nhiều nơi, 
chất lƣợng nƣớc, đất, không khí suy giảm nhanh chóng vƣợt qua khả năng tự làm 
sạch của tự nhiên. Là sinh viên ngành công nghệ kỹ thuật môi trƣờng, em luôn 
mong ƣớc đƣợc góp một chút sức lực làm cho môi trƣờng sống ngày càng trong 
sạch, hạn chế đƣợc mức độ ô nhiễm, hành tinh của chúng ta ngày càng xanh đẹp 
hơn. 
 Qua 3 năm học tập và nghiên cứu tại Trƣờng cao đẳng Công nghệ Đà Nẵng, 
em đã đƣợc các thầy, cô truyền đạt cho những kiến thức cả về lý thuyết và thực 
hành, để chúng em áp dụng những kiến thức đó vào thực tế và làm quen công việc 
độc lập của ngƣời kỹ sƣ trong tƣơng lai, chính vì lý do đó mà em đã đƣợc nhận đề 
tài tốt nghiệp rất thực tế đó là: "Tìm hiểu về mô hình hóa chất lƣợng nƣớc". 
 Mục tiêu của đề tài: 
 Tìm hiểu về mô hình hóa chất lƣợng môi trƣờng nƣớc. Mô hình hóa môi 
trƣờng nói chung và mô hình hóa chất lƣợng môi trƣờng nƣớc. 
 Nhiệm vụ: 
 Thu thập thông tin từ giáo trình, sách báo và mạng internet và các nguồn 
khác. Nghiên cứu về mô hình hóa môi trƣờng và đi sâu vào mô hình xác định chất 
lƣợng nƣớc. 
 Ý nghĩa thực tế và các vấn đề liên quan: 
 Việc ứng dụng mô hình hóa vào lĩnh vực môi trƣờng là hết sức ý nghĩa. 
Nghiên cứu đề tài này giúp em hiểu sâu hơn về phƣơng pháp đánh giá và dự đoán 
xu hƣớng ô nhiễm môi trƣờng. Bên cạnh đó đề tài này còn liên quan đến một số lĩnh 
vực khác nhƣ: biến đổi khí hậu toàn cầu, mô hình hóa chất lƣợng không khí 
 Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước Trang 7 
GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng 
 PHẦN II. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƢỜNG 
 CHƢƠNG 1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 
1.1. Các định nghĩa và khái niệm cơ bản 
1.1.1. Định nghĩa mô hình 
 • Mô hình là một cấu trúc mô tả hình ảnh đã đƣợc tối giản hóa theo đặc điểm 
hoặc diễn biến của một đối tƣợng, một hiện tƣợng, một khái niệm hoặc một hệ 
thống. 
 • Mô hình có thể là một hình ảnh hoặc một vật thể đƣợc thu nhỏ hoặc phóng 
đại, hoặc chỉ làm gọn bằng một phƣơng trình toán học, một công thức vật lý, một 
phần mềm tin học để mô tả một hiện trạng thực tế mang tính điển hình. 
 • Mô hình hoá là một khoa học về cách mô phỏng, giản lƣợc các thông số 
thực tế nhƣng vẫn diễn tả đƣợc tính chất của từng thành phần trong mô hình. Mô 
hình không hoàn toàn là một vật thể hiện thực nhƣng nó giúp cho chúng ta. 
hiểu rõ hơn hệ thống thực tế. 
 • Mô hình hóa môi trƣờng là ngành khoa học mô phỏng hiện tƣợng lan truyền 
chất ô nhiễm và các dự báo thay đổi môi trƣờng theo không gian và thời gian. 
Ví dụ 1.1: Để thể hiện sự thay đổi lƣợng nƣớc trong một hồ chứa ngƣời ta đƣa ra 
hình ảnh nhƣ hình 1.2. Biết kích thƣớc hình học của hồ chứa, lƣu lƣợng vào, lƣu 
lƣợng ra, chúng ta có thể xác định dao động mực nƣớc trong hồ. 
 Hình 1.1. Mô hình thể hiện sự thay đổi khối lƣợng nƣớc trong hồ chứa 
Ví dụ : Nhà khoa học Meadown và các cộng sự (1972) đã tìm đƣợc mối quan hệ 
giữa sự gia tăng dân số, việc sản xuất lƣơng thực, sản xuất công nghiệp, nguồn tài 
 Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước Trang 8 
GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng 
nguyên và mức độ ô nhiễm đều có những quan hệ với nhau. Nhóm nghiên cứu đã 
đƣa ra mô hình dự báo thế giới nhƣ hình 1.3. 
 Hình 1.2. Mô hình dự báo tình hình thế giới đến năm 2100 
1.1.2. Mục tiêu thành lập mô hình 
 Diễn biến mô trƣờng rất phức tạp trong thực tế và liên quan đến nhiều lĩnh 
vực khoa học khác (hình 1.3). Do nhu cầu hiểu rõ hơn bản chất tự nhiên của sự việc 
trong thực tế, các nhà khoa học mới tìm cách đơn giản hóa nhƣng vấn đề phức tạp ở 
mức có thể làm đƣợc nhƣng không quá xa rời thực tế để có cơ sở giải thuật tìm 
hƣớng ra của vấn đề và tính toán những khả năng xảy ra trong tƣơng lai. 
 Hình 1.3. Đƣờng đi của các chất gây ô nhiễm trong vòng tuần hoàn nƣớc 
 Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước Trang 9 
GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng 
 Có 3 mục tiêu khi thực hiện một mô hình: 
 • Tạo cơ sở lý luận: 
 - Mô hình giúp ta dễ diễn tả hình ảnh sự kiện hoặc hệ thống; 
 - Mô hình mang tính đại diện các đặc điểm cơ bản nhất của sự thể; 
 - Mô hình giúp ta cơ sở đánh giá tính biến động một cách logic khi có tác 
động bên ngoài vào hoặc từ trong ra. 
 • Tiết kiệm chi phí và nhân lực: 
 - Mô hình giúp ta thêm số liệu cần thiết; 
 - Mô hình giúp giảm chi phí lấy mẫu; 
 - Mô hình có thể đƣợc thử nghiệm với các thay đổi theo ý muốn. 
1.1.3. Đặc trƣng cơ bản của một mô hình 
 Một cách tổng quát, tất cả các mô hình phải có 3 thành tố chính nhƣ hình 1.5: 
 Hình 1.4. Ba thành tố chính của một mô hình 
• Thông tin vào: bao gồm các dạng cơ sở dữ liệu đƣa vào để mô hình xử lý 
• Tiến trình xử lý thông tin: bao gồm quá trình tiếp nhận dữ liệu vào, tính toán, 
phân tích, đánh giá và xuất dữ liệu. 
• Thông tin ra: thể hiện ở dạng đồ thị, biểu bảng, báo cáo đánh giá kết quả. 
Trong điều kiện chƣa thể giải quyết toàn bộ bài toán phức tạp của tự nhiên, ngƣời ta 
có thể chia hiện tƣợng thực tế thành các mảng đề tài khác nhau và mỗi phần chia 
đƣợc xem nhƣ một bài toán riêng rẽ và có mô hình tƣơng ứng của nó. Ví dụ chúng 
ta có thể chia các diễn biến dòng chảy quá trình trong một chu trình nƣớc thành 
từng đề tài nhỏ hơn nhƣ hình 1.6. 
 Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước Trang 10 
GVHD: Phạm Phú Song Toàn SVTH: Đoàn Ngọc Tùng 
 Hình 1.5: Chia vấn đề lớn thành từng vấn đề riêng rẽ 
 Một mô hình cần thể hiện các đặc trƣng sau: 
 - Mô hình cần đƣợc tối giản với một số giả định đặt ra 
 - Điều kiện biên hoặc điều kiện ban đầu cần định danh; 
 - Mức độ khả năng ứng dụng của mô hình có thể xác lập đƣợc. 
 Mô hình thƣờng áp dụng theo kiểu khung khái quát theo ngành khoa học tính 
toán, mang tên là 3A, viết tắt từ 3 chữ Application (ứng dụng), Algorithm (thuật 
toán), và Architecture (kiến trúc) theo hình vẽ 1.7 sau: 
 Đề tài: Tìm hiểu về mô hình hóa chất lượng nước