LỜI CẢM ƠN
Đƣợc sự đồng ý của Trƣờng Đại học Lâm nghiệp Khoa Quản lý Tài
nguyên rừng và Môi trƣờng, tơi đã thực hiện khóa luận “Nghiên cứu ứng dụng
mơ hình hóa để đánh giá chất lượng nước hạ lưu sơng Nhuệ”.
Trong thời gian thực hiện đề tài, ngồi sự nỗ lực cố gắng hết mình của
bản thân, tơi đã nhận đƣợc rất nhiều sự giúp đỡ, hƣớng dẫn tận tình của các thầy
giáo, cơ giáo, các tổ chức, cá nhân trong và ngồi trƣờng.
Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới Ths. Lê Phú Tuấn đã
định hƣớng và giúp đỡ tơi trong suốt q trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn tới các cán bộ Trung tâm Quan trắc Mơi
trƣờng – Tổng cục Mơi trƣờng: anh Hồng Cơng Huy và anh Vũ Văn Phƣơng
đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi thực tập tại trung tâm và giúp đỡ tơi trong q
trình thu thập xử lí số liệu và chạy mơ hình.
Do bản thân cịn những hạn chế về mặt chuyên môn cũng nhƣ kinh nhiệm
thực tế, thời gian thực hiện đề tài khơng nhiều nên khóa luận sẽ khơng tránh
đƣợc những thiếu sót. Kính mong nhận đƣợc sự góp ý của q thầy, cơ giáo và
các bạn để khóa luận đƣợc hồn thiện hơn.
Tơi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 02 tháng 06 năm 2016
Sinh viên

Trịnh Thị Nhƣ Quỳnh

i


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... i
MỤC LỤC ......................................................................................................... ii
DANH MỤC VIẾT TẮT ................................................................................. iv
DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................ v

DANH MỤC CÁC HÌNH ................................................................................ vi
DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, BIỂU ĐỒ ........................................................... vii
ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................................... 1
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ................................... 2
1.1. Giới thiệu chung ......................................................................................... 2
1.2. Cơ sở lý thuyết mơ hình MIKE 11 ............................................................. 3
1.2.1. Cơ sở lý thuyết mơ hình diễn tốn thủy lực ............................................ 3
1.2.2. Cơ sở lý thuyết mơ hình chất lượng nước (Mô đun truyền tải khuếch tán
và mô đun sinh thái) .......................................................................................... 7
1.3. Những nghiên cứu chất lƣợng nƣớc sử dụng mơ hình MIKE 11 ............ 15
CHƢƠNG II. MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN
CỨU ................................................................................................................ 18
2.1. Mục tiêu chung ......................................................................................... 18
2.2. Mục tiêu cụ thể ......................................................................................... 18
2.3. Nội dung nghiên cứu ................................................................................ 18
2.4. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................. 18
2.5. Phƣơng pháp nghiên cứu .......................................................................... 18
2.5.1. Phương pháp kế thừa tài liệu thứ cấp ................................................... 18
2.5.2. Phương pháp thu thập số liệu ngoại nghiệp ......................................... 19
2.5.3. Phương pháp đánh giá chất lượng nước .............................................. 19
2.5.4. Phương pháp tính tốn ước lượng nhu cầu sử dụng và nước thải ....... 19
2.5.5. Phương pháp mơ hình ........................................................................... 22
CHƢƠNG III. KHÁI QT VỀ ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, KINH TẾ-XÃ
HỘI LƢU VỰC SÔNG NHUỆ ...................................................................... 23
ii


3.1. Vị trí địa lý ............................................................................................... 23
3.2. Đặc điểm thổ nhƣỡng ............................................................................... 24
3.3. Đặc điểm kinh tế -xã hội .......................................................................... 24

CHƢƠNG IV. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ..................................................... 26
4.1. Ứng dụng cơng cụ mơ hình hóa mơ phỏng chất lƣợng nƣớc hạ lƣu sông
Nhuệ theo số liệu điều tra 4 tháng đầu năm 2016 ........................................... 26
4.1.1. Xây dựng mơ hình tốn thủy lực cho hệ thống ..................................... 28
4.1.2. Hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình thủy lực dịng chảy kiệt .................. 29
4.1.3. Áp dụng mơ hình MIKE11 tính tốn chất lượng nước Hạ lưu sông Nhuệ . 30
4.2. Dự báo chất lƣợng nƣớc hạ lƣu sông Nhuệ đến năm 2020 dựa trên kết
quả mô phỏng .................................................................................................. 42
4.2.1. Cơ sở dự báo ......................................................................................... 43
4.2.2. Kết quả dự báo chất lượng nước hạ lưu sông Nhuệ năm 2020 ........... 48
4.3. Giải pháp đề xuất cải thiện chất lƣợng nƣớc hạ lƣu sông Nhuệ .............. 52
CHƢƠNG V. KẾT LUẬN, TỒN TẠI VÀ KIẾN NGHỊ ............................... 57
5.1. Kết luận .................................................................................................... 57
5.2. Tồn tại ...................................................................................................... 57
5.3. Kiến nghị .................................................................................................. 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO

iii


DANH MỤC VIẾT TẮT
AD

Mô đun Truyền tải – Khuyếch tán

BOD

Nhu cầu oxi sinh học

BTNMT


Bộ Tài nguyên Môi trƣờng

BVMT

Bảo vệ môi trƣờng

CCN

Cụm cơng nghiệp

COD

Nhu cầu oxi hóa học

CTR

Chất thải rắn

CTNH

Chất thải nguy hại

DO

Oxi hịa tan

HD

Mơ đun Thủy động lực


KCN

Khu cơng nghiệp

NH4+

Hàm lƣợng Nitơ tính theo Amoni

PO43-

Hàm lƣợng Photpho

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

TCXDVN Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam
WQI

Chỉ số chất lƣợng nƣớc

iv


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2. 1. Tiêu chuẩn cấp nƣớc sinh hoạt cho các cấp đô thị (l/ngƣời/ngày đêm)
......................................................................................................................... 21
Bảng 4. 1. Kết quả tăng dày số liệu mô phỏng chất lƣợng nƣớc Hạ lƣu sông
Nhuệ 4 tháng đầu năm 2016............................................................................ 35
Bảng 4. 2. Dự báo lƣu lƣợng nƣớc thải của Thành phố Hà Nội theo thời gian .... 44
Bảng 4. 3. Tải lƣợng ô nhiễm nƣớc thải sinh hoạt tính cho một ngƣời .......... 45
Bảng 4. 4. Dự báo lƣu lƣợng nƣớc thải công nghiệp đổ vào hạ lƣu sông Nhuệ
đến năm 2020 .................................................................................................. 46
Bảng 4. 5. Dự báo CTR công nghiệp đổ vào sông Nhuệ năm 2020 ............... 47
Bảng 4. 6. Dự báo CTR y tế đổ vào sông Nhuệ năm 2020 ............................. 47
Bảng 4. 7. Dự báo các nguồn thải vào sông Nhuệ vào năm 2020 .................. 48
Bảng 4.8. Dự báo nồng độ DO năm 2020 ....................................................... 49
Bảng 4. 9. Dự báo nồng độ BOD5 năm 2020 .................................................. 50
Bảng 4. 10. Dự báo nồng độ NH4+ năm 2020 ................................................. 51

v


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 4. 1. Vị trí các mặt cắt trên mạng lƣới sơng ........................................... 28
Hình 4. 2. Mặt cắt đại diện sơng Nhuệ............................................................ 29
Hình 4. 3. Mơ hình thủy lực lƣu vực sông Nhuệ ............................................ 30

vi


DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, BIỂU ĐỒ
Sơ đồ 1. 1. Sơ đồ hữu hạn sai phân 6 điểm Abbott........................................... 5
Sơ đồ 1. 2. Sơ đồ sai phân 6 điểm Abbott cho phƣơng trình liên tục ............... 5
Sơ đồ 1. 3. Sơ đồ sai phân ................................................................................. 9

Sơ đồ 1. 4. Sơ đồ chuyển hóa giữa các hợp phần trong các quá trình sinh học
......................................................................................................................... 13
Sơ đồ 4. 1. Sơ đồ quy trình Áp dụng mơ hình Mike 11 tính tốn diễn biến chất
lƣợng nƣớc ...................................................................................................... 27
Biểu đồ 4. 1. Dự báo nồng độ DO năm 2020.................................................. 49
Biểu đồ 4. 2. Dự báo nồng độ BOD5 năm 2020 .............................................. 50
Biểu đồ 4. 3. Dự báo nồng độ NH4+ năm 2020 ............................................... 51

vii


TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA QUẢN LÝ TÀI NGUN RỪNG VÀ MƠI TRƢỜNG
=================o0o===================
TĨM TẮT KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
1. Tên khóa luận: “Nghiên cứu ứng dụng mơ hình hóa để đánh giá chất
lượng nước Hạ lưu sông Nhuệ”.
2. Sinh viên thực hiện: Trịnh Thị Nhƣ Quỳnh
3. Giáo viên hƣớng dẫn: Th.s Lê Phú Tuấn.
4. Mục tiêu nghiên cứu:
4.1. Mục tiêu chung:
Cung cấp cơ sở khoa học cho việc theo dõi, đánh giá chất lƣợng nƣớc
hạ lƣu sơng Nhuệ có áp dụng cơng cụ mơ hình hóa.
4.2. Mục tiêu cụ thể
- Mô phỏng đƣợc chất lƣợng nƣớc sông Nhuệ bằng cơng cụ mơ hình hóa.
- Theo dõi, đánh giá đƣợc chế độ nƣớc sông dựa trên kết quả thực tế và dự
báo chất lƣợng nƣớc hạ lƣu sông Nhuệ đến năm 2020
- Đề xuất đƣợc giải pháp cải thiện chất lƣợng nƣớc hạ lƣu sông Nhuệ.
5. Nội dung nghiên cứu
Để đạt đƣợc những mục tiêu đã nêu ở trên, khóa luận tiến hành các nội

dung nhƣ sau:
- Nghiên cứu ứng dụng cơng cụ mơ hình hóa mơ phỏng chất lƣợng nƣớc
hạ lƣu sông Nhuệ theo số liệu điều tra 4 tháng đầu năm 2016.
- Dự báo chất lƣợng nƣớc hạ lƣu sông Nhuệ đến năm 2020 dựa trên kết
quả đã đƣợc mô phỏng.
- Đề xuất giải pháp cải thiện chất lƣợng nƣớc hạ lƣu sông Nhuệ.


6. Kết quả đạt đƣợc
- Báo cáo Mô phỏng chất lƣợng nƣớc hạ lƣu sông Nhuệ tới 4 tháng đầu
năm 2016, và tính tốn đƣợc chỉ số WQI rất thấp dao động từ 10 – 15 tƣơng
ứng với chất lƣợng nƣớc nƣớc bị ô nhiễm nặng, cần các biện pháp xử lí trong
tƣơng lai.
- Dự báo chất lƣợng nƣớc của hạ lƣu sông đến năm 2020 với 3 thông số
DO, BOD5, NH4+:
+ Năm 2020 ứng với mức không xử lý DO giảm khoảng 50%, BOD5 tăng
khoảng 30%, NH4+ tăng 25% so với năm 2016.
+ Đến năm 2020 sông Nhuệ sẽ bị ô nhiễm nặng nề chất hữu cơ BOD cao
tại vị trí cầu Đị Kiều (21,45 mg/l).
- Những biện pháp cải thiện chất lƣợng nƣớc sông cần đƣợc áp dụng
đồng bộ, nhiều giải pháp, bao gồm cả các biện pháp kỹ thuật và giải pháp
quản lý.

Hà Nội, ngày 03 tháng 6 năm 2015.
Sinh viên thực hiện

Trịnh Thị Nhƣ Quỳnh


ĐẶT VẤN ĐỀ

Phát triển kinh tế là bƣớc đi tất yếu của mỗi tỉnh thành nói riêng của
mỗi Quốc gia nói chung. Tuy nhiên, việc phát triển kinh tế cần đảm bảo an
tồn cho mơi trƣờng thì mới bền vững. Dân số tăng nhanh cùng với sự phát
triển mạnh mẽ của đất nƣớc đặc biệt là công nghiệp và đô thị hóa kéo theo hệ
quả làm gia tăng vấn đề ơ nhiễm mơi trƣờng khơng khí, đất nƣớc trong đó đặc
biệt có ơ nhiêm mơi trƣờng nƣớc sơng quanh đơ thị.
Sông Nhuệ là chi lƣu của sông Hồng, bắt nguồn từ phía Bắc thủ đơ Hà
Nội tại cống Liên Mạc, sơng chảy xuống phía Nam qua thành phố Hà Nội và
tỉnh Hà Nam. Khơng chỉ có vai trị tiêu nƣớc cho thành phố Hà Nội và quận
Hà Đơng, đây cịn là một lƣu vực sơng có ý nghĩa hết sức quan trọng cả về
kinh tế, xã hội và an ninh quốc phịng, tuy nhiên chất lƣợng nƣớc của sơng
Nhuệ đã đƣợc cảnh báo ở mức độ từ ô nhiễm trung bình đến ơ nhiễm nặng,
nặng nhất là đoạn từ Cống Thần, Đồng Quan chảy về phía Hà Nam. Theo dự
báo của Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, tải lƣợng ô nhiễm vào lƣu vực
sông Nhuệ từ đập Thanh Liệt đã tăng lên gần 16% trong khoảng thời gian từ
2016 đến 2020.
Xuất phát từ nhu cầu thực tế trên đã đặt ra, nhu cầu cấp thiết cần những
nghiên cứu dự báo chất lƣợng nƣớc là cơ sở để phục vụ công tác quản lý tổng
thế, giúp cân bằng giữa quá trình phát triển kinh tế xã hội và mơi trƣờng nƣớc
sông Nhuệ. Đáp ứng đƣợc nhu cầu thực tiễn - Mơ hình MIKE 11 là một bộ
phần mềm tích hợp đa năng, đã đƣợc kiểm nghiệm thực tế, cho phép tính tốn
thủy lực và chất lƣợng nƣớc với mức độ chính xác cao, có tính ứng dụng kỹ
thuật GIS, có mội kỹ thuật mới với độ chính xác cao, đang ngày càng trở nên
hiệu quả trong nghiên cứu dự báo. Vì vậy đề tài “Nghiên cứu ứng dụng mơ
hình hóa để đánh giá chất lượng nước Hạ lưu sông Nhuệ “ là cấp thiết.

1


CHƢƠNG I

TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Giới thiệu chung
Hiện nay có rất nhiều mơ hình tốn chất lƣợng nƣớc đƣợc sử dụng rộng
rãi trên thế giới và tại Việt Nam, tuy nhiên để đánh giá mức độ phù hợp với
điều kiện số liệu, dữ liệu tại Việt Nam thì việc lựa chọn mơ hình là khâu rất
quan trọng trong q trình tính tốn, cơng việc này đƣợc tiến hành dựa trên
các mục tiêu của vấn đề và cơ sở dữ liệu thu thập đƣợc. Qua các đánh giá ở
trên, nhóm thực hiện nhận thấy bộ phần mềm mơ hình tốn MIKE 11 có thể
đáp ứng đƣợc các u cầu đặt ra.
Phƣơng pháp sử dụng mơ hình để tăng dày số liệu và tính tốn diễn
biến chất lƣợng nƣớc đƣợc xem là phƣơng pháp khá tối ƣu vì phƣơng pháp
xem xét các q trình biến đổi của thơng số ơ nhiễm trong dịng nƣớc. Trong
phƣơng pháp này, các q trình biến đổi thơng số ơ nhiễm diễn ra trong dịng
chảy nhƣ q trình bay hơi, vận chuyển trầm tích, các chu trình dinh dƣỡng và
sự tiêu thụ ơxy... đƣợc xem xét cụ thể để xác định một cách thực tế hơn diễn
biến ô nhiễm trong nguồn nƣớc.
Trên thực tế, nhiều q trình biến đổi thơng số ơ nhiễm diễn ra trong
nguồn nƣớc rất phức tạp, việc tính tốn chính xác các q trình này địi hỏi
phải có sự hiểu biết sâu sắc về các q trình vật lý, hóa học, sinh học diễn ra
trong nguồn nƣớc. Tuy nhiên, một số q trình biến đổi tƣơng đối dễ hiểu và
có thể đƣợc tính tốn nhƣ một phần trong q trình đánh giá sức chịu tải của
nguồn nƣớc.
Hầu hết các quá trình biến đổi thơng số ơ nhiễm trong dịng chảy gắn
với khái niệm sức chịu tải của nguồn nƣớc là quá trình phân hủy của các vật
chất hữu cơ. Mặc dù việc xả thải các hợp chất hữu cơ vào nguồn tiếp nhận sẽ
làm tăng nhu cầu ơxy sinh hóa (BOD5) và làm giảm hàm lƣợng ơxy hịa tan
(DO) của nguồn nƣớc, nhƣng tác động cuối cùng của việc xả thải đến nguồn
nƣớc khơng thể tính tốn bằng phép tính cộng số học tải lƣợng BOD5 của
2



nguồn nƣớc và tải lƣợng BOD5 của nguồn thải. Ảnh hƣởng của việc xả nƣớc
thải đến nguồn tiếp nhận có thể đƣợc tính tốn, đánh giá bằng việc kết quả
của q trình phân hủy các thơng số ơ nhiễm diễn ra trong nguồn nƣớc.
1.2. Cơ sở lý thuyết mơ hình MIKE 11
1.2.1. Cơ sở lý thuyết mơ hình diễn tốn thủy lực
Mơ đun mơ hình thủy động lực (HD) là phần trung tâm của hệ thống mơ
hình MIKE 11 và hình thành cơ sở cho hầu hết các mơ đun bao gồm: dự báo
lũ, tải khuếch tán, chất lƣợng nƣớc và các mô đun vận chuyển bùn cát. Mô
đun thủy lực trong MIKE 11 giải các phƣơng trình tổng hợp theo phƣơng
dịng chảy để đảm bảo tính liên tục và bảo tồn động lƣợng (hệ phƣơng trình
Saint-Venant).
Đặc trƣng cơ bản của hệ thống mơ hình MIKE 11 là cấu trúc mô đun
tổng hợp với nhiều loại mô đun đƣợc thêm vào để mô phỏng các hiện tƣợng
liên quan đến hệ thống sơng. Ngồi các mơ đun thủy lực, MIKE 11 cịn có các
mơ đun bổ sung đối với:
- Thủy văn;
- Tải - khuếch tán;
- Các mơ hình chất lƣợng nƣớc;
- Vận chuyện bùn cát dính...
a. Hệ phƣơng trình Saint Venant
Phƣơng trình cơ bản của mơ hình để tính tốn cho trƣờng hợp dịng khơng ổn
định là hệ phƣơng trình bao gồm phƣơng trình liên tục và phƣơng trình động
lƣợng (hệ phƣơng trình Saint Venant) với các giả thiết:
- Dịng chảy là dòng một chiều, độ sâu và vận tốc chỉ thay đổi theo chiều
dọc của lòng dẫn.
- Dòng chảy thay đổi từ từ dọc theo lòng dẫn để áp suất thủy tĩnh chiếm
ƣu thế, gia tốc theo chiều thẳng đứng đƣợc bỏ qua.
- Trục của lòng dẫn đƣợc coi nhƣ một lòng thẳng.
- Độ dốc đáy lòng dẫn nhỏ và đáy lòng dẫn cố định, bỏ qua hiện tƣợng

3


xói và bồi.
- Có thể áp dụng hệ số sức cản của dịng chảy rối đều, ổn định cho dịng
khơng ổn định để mô tả các tác động của lực cản.
- Chất lỏng khơng nén đƣợc và có khối lƣợng khơng đổi trong tồn dịng
chảy
Phƣơng trình liên tục
Q A
+
=q
x
t

(1.1)

Phƣơng trình động lƣợng
Q
=
t

(

Q2⁄
A)
x

+gA


h gQ gQ|Q|
+
+
=0
x x C2 AR

1.2)

Trong đó:
t : là thời gian(s)
g : là gia tốc trọng trƣờng( m/s2)
x: quãng đƣờng di chuyển trong thời gian t (m)
h: độ cao cột nƣớc( m)
Q: Lƣu lƣợng (m3/s)
A: Diện tích mặt cắt ngang (m2)
q: Lƣu lƣợng nhập lƣu trên một đơn vị chiều dài dọc sông (m2/s)
C: Hệ số Chezy
a : Hệ số sửa chữa động lƣợng
R : Bán kính thủy lực (m)
b. Phƣơng pháp giải hệ phƣơng trình Saint Venant
Hệ phƣơng trình Saint Venant là một hệ gồm hai phƣơng trình vi phân
đạo hàm riêng phi tuyến tính bậc nhất. Trong trƣờng hợp tổng qt hệ phƣơng
trình dạng này khơng giải đƣợc bằng phƣơng pháp giải tích mà phải giải bằng
phƣơng pháp gần đúng (phƣơng pháp số hóa). MIKE 11 cũng dùng phƣơng
4


pháp này để giải hệ phƣơng trình Saint Venant với lƣợc đồ sai phân hữu hạn 6
điểm bằng sơ đồ ẩn Abbott-Inoescu.


Sơ đồ 1. 1. Sơ đồ hữu hạn sai phân 6 điểm Abbott

Sơ đồ 1. 2. Sơ đồ sai phân 6 điểm Abbott cho phƣơng trình liên tục
Sai phân hóa phƣơng trình trên tại các bƣớc thời gian thứ (n +1/2), ta
thu đƣợc các phƣơng trình sai phân

5


n+1 n
h hj -hj
t
t

1.4)

Với b trong phƣơng tình đƣợc tính theo cơng thức:
b=

A0j +A0j+1
2xj

1.5)

Trong đó:
Aoj : Diện tích mặt phân cách giữa 2 điểm lƣới j-1 và điểm lƣới j
Ao+1: Diện tích mặt phân cách giữa 2 điểm lƣới j và điểm lƣới j+1
2xj: Khoảng cách giữa hai điểm lƣới j-1và j+1
Thế vào các phƣơng trình sai phân, rút gọn các hệ số sẽ thu đƣợc
phƣơng trình:

n+1
n+1
Qn+1
j-1 + hj + j Qj+1 =

1.6)

j

Với phƣơng trình động lƣợng, sai phân hố phƣơng trình với a, p, Y là
hàm của b và 5, ngồi ra nó cịn phụ thuộc vào giá trị Q và h tại bƣớc thời
gian n và giá trị Q tại bƣớc thời gian n+1/2.
Với phƣơng trình động lƣợng, sai phân hố phƣơng trình
n+1
n
Q Qj -Qj
t
t

(

Q

2

A

x

h

x

) [
=

Q2
A

n+1⁄2

]

-[

j+1

1.7)

Q2
A

n+1⁄2

]

j-1

2xj

1.8)


n
n+1 n
(hn+1
j+1 +hj+1 ) (hj-1 +hj-1 )

2

-

2

2xj

1.9)

Để xác định thành phần bậc 2 trong phƣơng trình , sử dụng phƣơng
trình gần đúng:
Q2

n
n n
.Qn+1
j .Qj - -1).Qj .Qj

6

1.10)



Với là hệ số do ngƣời sử dụng tự xác định (hệ số này của mô đun HD
đƣợc mặc định từ đến 1).
Thế vào các phƣơng trình sai phân và rút gọn các hệ số, thu đƣợc
phƣơng trình động lƣợng viết dƣới dạng
n+1
n+1
n+1
j hj-1 + j Qj + j hj+1

j

1.11)

Trong đó
j =f

j =f (A,

1.12)

=f (Qnj , t, x,C,A,R)

1.13)

=f A)

1.14)

j


j

A)

n+1⁄2

x, t, ,q,v, ,hnj-1 ,Qj-1

n+1⁄

,Qnj ,hnj+1 ,Qj+1 2 )

1.15)

Từ đó, khi viết các phƣơng trình này với đầy đủ các bƣớc thời gian sẽ
thu đƣợc một ma trận tính tốn. Để tìm nghiệm của bài tốn phải sử dụng
cơng cụ tốn học để giải các ma trận này.
Tính ổn định của phƣơng pháp sai phân hữu hạn để giải hệ phƣơng
trình Saint Venant đƣợc bảo đảm khi các điều kiện sau đƣợc thoả mãn:
Số liệu địa hình phải tốt, giá trị cho phép tối đa với x (dx-max) đƣợc
lựa chọn trên cơ sở này.
Bƣớc thời gian t cần thiết đủ nhỏ để điều kiện ổn định Courant đƣợc
thoả mãn. Tuy nhiên, khi giải hệ phƣơng trình Saint Venant với sơ đồ ẩn thì
điều kiện ổn định Courant khơng nhất thiết phải thoả mãn.
1.2.2. Cơ sở lý thuyết mơ hình chất lượng nước (Mơ đun truyền tải khuếch
tán và mơ đun sinh thái)
Ngồi mô đun thủy lực (HD) là phần trung tâm của mơ hình làm nhiệm
vụ tính tốn thủy lực, MIKE 11 cịn cho phép giải quyết một số vấn đề thơng
qua các mơ đun khác trong đó có vấn đề chất lƣợng nƣớc.
Trong tính tốn (1 chiều) các q trình chất lƣợng nƣớc có liên quan đến

những phản ứng sinh hóa, ngoài ảnh hƣởng của các phản ứng này gây ra, còn
7


có ảnh hƣởng của các q trình thủy văn, thủy lực của dòng chảy. Do vậy, để
giải quyết vấn đề chất lƣợng nƣớc trong mơ hình MIKE 11, phải đồng thời sử
dụng cả hai mơ đun đó là mơ đun tải - khuếch tán (AD) và mô đun sinh thái
(Ecolab). Trong những trƣờng hợp tính tốn các yếu tố khơng liên quan đến
các phản ứng sinh hóa thì chỉ cần sử dụng mơ đun tải - khuếch tán để tính
tốn, khi đó các hệ số liên quan đến các phản ứng sinh hóa có trong phƣơng
trình tính tốn sẽ khơng đƣợc xét đến và mô đun sinh thái (Ecolab) không cần
đƣợc kích hoạt.
1. Mơ đun truyền tải khuếch tán
Mơ đun truyền tải khuếch tán (AD) đƣợc dùng để mô phỏng vận chuyển
một chiều của chất huyền phù hoặc hòa tan (phân hủy) trong các lịng dẫn hở
dựa trên phƣơng trình để trữ tích luỹ với giả thiết các chất này đƣợc hịa tan
trộn lẫn, nghĩa là khơng có thay đổi hay biến động trong cùng mặt cắt và dịng
chảy khơng phân tầng (đồng đẳng).
Phƣơng trình truyền tải-khuyếch tán
AC QC
c
+
- (AD ) =-AKC+C2 q (1.16)
t
x
x
x
Trong đó:
A: Diện tích mặt cắt (m2)
C: Nồng độ (kg/m3)

D: Hệ số khuyếch tán
q: Lƣu lƣợng nhập lƣu trên 1 đơn vị chiều dài dọc sông (m2/s)
K: Hệ số phân hủy sinh học, K chỉ đƣợc dùng khi các hiện tƣợng hay
q trình xem xét có liên quan đến các phản ứng sinh hóa.
C2: Nồng độ nguồn thải (kg/m3)
Hệ số phân hủy sinh học K bao hàm trong đó rất nhiều các hiện tƣợng
và phản ứng sinh hóa. Hệ số này khơng cần xem xét trong bài tốn lan truyền
chất thơng thƣờng.
Phƣơng trình truyền tải-khuyếch tán thể hiện hai cơ chế truyền tải, đó là
truyền tải đối lƣu do tác dụng của dòng chảy và truyền tải khuyếch tán do
8


Gradient hay sự chênh lệch nồng độ gây ra.
Sự khuếch tán theo chiều dọc sông gây ra do sự kết hợp của dòng chảy
rối và sự khuếch tán. Sự phân tán dọc theo sông do ảnh hƣởng của chảy rối
lớn hơn rất nhiều so với sự phân tán hỗn loạn của các phân tử đơn lẻ. Về mặt
trị số, thành phần khuếch tán rối lớn hơn nhiều so với thành phần khuếch tán
phân tử. Sự phân bố của thành phần khuếch tán rối trong dịng chảy là khơng
đồng đều, nó phụ thuộc vào hƣớng của tốc độ dòng chảy và khoảng cách đến
thành ống, do đó hệ số khuếch tán rối khác nhau theo các hƣớng khác nhau.
Quá trình truyền tải khuếch tán tuân theo định luật Fick.
Hệ số khuếch tán đƣợc xác định nhƣ một hàm của dòng chảy trung bình
Dn+1
j = |

b

n+1⁄2


Q

⁄ 1 |
An+ ⁄2

1.17)
a

Trong đó a, b là hằng số do ngƣời dùng xác định


Phƣơng pháp giải phƣơng trình truyền tải - khuếch tán
Phƣơng trình truyền chất thƣờng đƣợc giải theo phƣơng pháp số với sơ

đồ sai phân ẩn trung tâm. Sơ đồ sai phân hữu hạn này đƣợc xây dựng bằng
cách xem xét lƣợng dòng chảy vào một thể tích kiểm tra xung quanh nút điểm
j. Các giới hạn biên của thể tích kiểm tra này là đáy sông, bề mặt nƣớc và hai
mặt cắt tại hai điểm j-1/2 và j+1/2.

Sơ đồ 1. 3. Sơ đồ sai phân
9


Phƣơng trình liên tục
n+1⁄2 n+1
Vj
Cj

t


-

n+1⁄2 n
Vj
Cj

t

1
n+1⁄2 n+1⁄2
n+1⁄2
n+1⁄2 n+ ⁄2
-T
=q
C
-V
KCnj
q
1
1
j
j+ ⁄2
j+ ⁄2

+T

1.18)

Trong đó:
C: Nồng độ (mg/l)

V: Thể tích (m3)
T: Tải lƣợng qua thể tích tính tốn (kg/s)
q: Lƣợng nhập lƣu trên một đơn vị chiều dài dọc sông
(m2/s) At: Bƣớc thời gian
Cq: Nồng độ của dòng nhập lƣu (mg/l)
K: Hệ số phân huỷ
Phƣơng trình truyền tải khuyếch tán
n+1⁄2
n+1⁄2 *
n+1⁄2
=Q
C
-A
D
1
j+1⁄2 j+ ⁄2
j+1⁄2
j+1⁄2

T

n+1⁄2 n+1⁄2
Cj+1 -Cj

x

1.19)

Trong đó
n+1⁄2

:diện
j+1⁄2

tích mặt phân cách bên phải vùng tính tốn (m2 )

n+1⁄2
:Lƣu
j+1⁄2

lƣợng mặt phân cách bên phải vùng tính toán (m3 /s)

Q
A

D: hệ số khuếch tán
C*j+1⁄ :Nồng độ nộ suy
2

1
1
n+1
n
n
C*j+1⁄ = (Cn+1
+C
+C
+C
)-min
(
(1+

j+1
j
j+1
j
6
2 4
với

2

2

),

1
) (Cnj+1 -2Cnj +Cnj-1 )
4

1.20)

là số Courant =u t/ x

Thay thế và sắp xếp các phƣơng trình trên lại, thu đƣợc một phƣơng
trình sai phân hữu hạn sơ đồ ẩn
n+1
n+1
n+1
j Cj-1 + j Cj + j Cj+1 = j

1.21)


Khi viết lại các phƣơng trình với đầy đủ các bƣớc thời gian thì cũng
10


thu đƣợc một ma trận nhƣ trong mơ đun tính tốn thuỷ lực, để giải và tìm
nghiệm của các ma trận này ngƣời ta cũng sử dụng các phƣơng pháp tốn học
nhƣ trên. Bằng sự trợ giúp của máy tính, việc giải các phƣơng trình và ma
trận trở nên nhanh hơn rất nhiều.
2. Mô đun sinh thái (Ecolab)
Mô đun sinh thái (Ecolab) trong mơ hình MIKE 11 giải quyết khía cạnh
chất lƣợng nƣớc trong sông tại những vùng bị ảnh hƣởng bởi các hoạt động dân
sinh kinh tế v.v... Mô đun này phải đƣợc đi kèm với mô đun tải - khuếch tán
(AD), điều này có nghĩa là mơ đun chất lƣợng nƣớc giải quyết các quá trình
biến đổi sinh học của các hợp chất trong sơng cịn mơ đun tải - khuếch tán (AD)
đƣợc dùng để mô phỏng quá trình truyền tải khuếch tán của các hợp chất đó.
Nƣớc là môi trƣờng sống và phát triển của rất nhiều loài động thực vật
thủy sinh cũng nhƣ các vi sinh vật sống trong nƣớc. Chúng ln ln có sự
tƣơng tác qua lại với mơi trƣờng. Do đó trong mơi trƣờng nƣớc xảy ra rất
nhiều các quá trình trao đổi phức tạp nhƣ sự hô hấp và phân hủy của các loại
động thực vật, quá trình hấp thụ nhiệt v.v... Các q trình này đều đƣợc mơ
hình hóa và đƣa vào mơ đun chất lƣợng nƣớc. Có thể tác động vào các q
trình này thơng qua các hệ số hiển thị trong trình duyệt của mơ đun chất
lƣợng nƣớc có trong mơ hình.
Mơ đun sinh thái tính tốn tới 13 thơng số chất lƣợng nƣớc với 6 cấp độ
khác nhau, mô phỏng và biểu diễn những q trình chuyển hóa giữa các hợp
phần có liên quan tới các q trình. Cụ thể nhƣ sau:
- Tính tốn lượng ơxy hịa tan trong nước (Dissolved Oxygen - DO): bao
gồm các quá trình tƣơng tác với ơxy khí quyển trên bề mặt, q trình hô hấp
và quang hợp của sinh vật dƣới nƣớc, tiêu thụ ơxy trong q trình chuyển hóa

Ammonia thành Nitrate, nhu cầu ơxy đáy.
- Tính tốn nhu cầu ơxy sinh hóa (Biological Oxygen Demand - BOD):
có thể tính tốn đƣợc các hợp phần BOD riêng rẽ, đó là BOD lơ lửng, BOD
dạng hòa tan trong nƣớc và BOD trong lớp bùn đáy. Mơ hình cịn cho phép
11


tính tốn các q trình sinh hóa của BOD là q trình phân rã BOD và các
q trình chuyển hóa giữa các hợp phần BOD.
- Tính tốn Phốtpho: mơ hình cho phép tính tốn hai hợp phần Phốtpho
riêng biệt là Orthophophate và Particulate Phosphorus, các q trình sinh hóa
xảy ra nhƣ thu nhận phốtpho từ quá trình phân rã BOD, tiêu hao phốtpho do
sinh vật hấp thụ.
- Tính tốn Amonia: sinh ra do quá trình phân hủy BOD, tiêu hao do
chuyển hóa thành Nitrate, do thực vật và vi khuẩn hấp thụ.
- Tính tốn Nitrate: sinh ra do q trình chuyển hóa từ Ammonia sang
Nitrate (q trình Nitrate hóa), sút giảm do chuyển hóa thành Nitơ tự do.
- Tính tốn Coliform: mơ hình có thể tính đƣợc Coliform theo hai hợp
phần là Faecol Coliform và Total Coliform. Các quá trình biến đổi lƣợng
Coliform do chúng chết đi và nhận các hợp phần Coliform từ các nguồn thải.
Các giá trị tham số của mơ hình chất lƣợng nƣớc và sinh thái đƣợc liệt
kê và cho sẵn các giá trị ngƣỡng của từng tham số ứng với các mức độ tính
tốn. Điều này đặc biệt có ý nghĩa với việc hiệu chỉnh mơ hình khi số lƣợng
thơng số là rất nhiều. Các lựa chọn để kiết xuất dữ liệu cho phép lấy và kiểm
tra các q trình chuyển hóa giữa các hợp phần tính tốn với nhau. Với tính
đồng bộ cao, mơ hình cịn cho phép cập nhật các nguồn thải dƣới dạng nguồn
điểm hay nguồn diện trên từng đoạn sông.
Sơ đồ chuyển hóa giữa các hợp phần trong các q trình sinh học đƣợc
trình bày nhƣ sau:


12


Sơ đồ 1. 4. Sơ đồ chuyển hóa giữa các hợp phần trong các quá trình sinh học

13


Từ sơ đồ chuyển hóa giữa các hợp phần trong nƣớc, có thể thu đƣợc các
cơng thức tính tốn tốc độ biến đổi nồng độ các hợp phần sinh hóa do sự
chuyển hóa giữa chúng trong mơ hình MIKE11 nhƣ sau:
dCDO
 REAERATION + PHOTOSYNTHESIS – RESPIRATION – BODdecay
dt
dCBOD
 BODdecay + RESUSPENTION – SEDIMENTATION
dt
dC NH



 BODdecay  NITRIFICATION  VEGETATIONUPTAKE BACTERIAUPTAKE

4

dt

dCNO
3


dt
dC PO
dt

3

 NITRIFICATION  DENITRIFICATION
 BODdecay  VEGETATIONUPTAKE BACTERIAUPTAKE

dCCOLI
 DEATHOFCOLIFORM
dt

Trong đó:
RESUSUSPENTION: Tốc độ chuyển đổi lƣợng BOD từ đáy vào trong nƣớc
do quá trình khuấy vật chất dƣới đáy;
SEDIMENTATION: Tốc độ chuyển đổi lƣợng BOD từ trong nƣớc xuống đáy
do quá trình lắng đọng;
PHOTOSYNTHESIS: tốc độ sinh ra lƣợng ơxy do quang hợp của thực vật;
RESPIRATION: tốc độ mất đi lƣợng ôxy do hô hấp của sinh vật;
BODdecay: tốc độ mất lƣợng ơxy do ơxy tham gia vào q trình phân hủy BOD;
NITRIFICATION: tốc độ chuyển hóa lƣợng Ammonia thành Nitrate;
DENITRIFICATION: tốc độ chuyển hóa lƣợng Nitrate thành Nitơ tự do;
VEGETATIONUPTAKE: tốc độ chuyển hóa lƣợng Photphorus vào thực vật;
BACTERIALUPTAKE: tốc độ chuyển hóa lƣợng Photphorus vào vi khuẩn;
DEATHOFCOLIFORM: lƣợng mất Coliform do chết đi.

14



1.3. Những nghiên cứu chất lƣợng nƣớc sử dụng mô hình MIKE 11
Mơ hình MIKE 11 với rất nhiều ƣu điểm của nó đã đƣợc sử dụng rất
nhiều trong những nghiên cứu thủy văn, khơng dừng lại ở đó mơ hình cịn cho
kết quả mơ phỏng chất lƣợng nƣớc rất tốt với hiệu quả mơ hình rất cao.Theo
Nghiên cứu áp dụng mơ hình tốn MIKE 11 tính tốn chất lƣợng nƣớc sơng
Nhuệ-sơng Đáy nhóm các tác giả Lê Vũ Việt Phong, Trần Hồng Thái, Phạm
Văn Hải đã nghiên cứu ứng dụng mơ hình MIKE 11 trong tính tốn chất
lƣợng nƣớc (DO, BOD5, nhiệt độ) sông Nhuệ và sông Đáy sử dụng 4 mơ đun
là: mơ đun mƣa-dịng chảy (RR); mơ đun thủy lực (HD); mô đun truyền tảikhuyếch tán (AD); mô đun sinh thái (Ecolab). Nghiên cứu đã sử dụng nguồn
số liệu cho đầu vào thủy lực (HD) bao gồm số liệu địa hình sơng Nhuệ 43 mặt
cắt (từ Cống Liên Mạc đến Phủ Lý), số liệu lƣu lƣợng và mực nƣớc dùng làm
biên trên, biên dƣới và hiệu chỉnh kiểm định mô đun thủy lực tại 12 trạm thủy
văn. Mơ hình chất lƣợng nƣớc bao gồm số liệu nguồn ô nhiễm và nguồn thải
cùng số liệu quan trắc nƣớc mặt để hiệu chỉnh, kiểm định cho kết quả rất tốt
với sai số tuyệt đối từ 0,15m đến 0,35m và mức hiệu quả của mơ hình từ 88%
đến 97% mơ phỏng tính tốn đối với thơng số DO và BOD5.
Theo Nghiên cứu áp dụng mơ hình tốn MIKE 11 tính tốn dự báo chất
lƣợng nƣớc sơng Cầu nhóm tác giả Trần Hồng Thái, Phạm Văn Hải, Trần Thị
Diệu Hằng đã sử dụng 3 mô đun là mô đun thủy lực HD, mô đun truyền tải
khuyếch tán AD, mô đun sinh thái Ecolab. Nguồn số liệu đầu vào cho mô đun
thủy lực gồm 53 mặt cắt, số liệu lƣu lƣợng, mực nƣớc tại 7 trạm thủy văn sử
dụng làm biên trên, biên dƣới và hiệu chỉnh kiểm định. Nguồn số liệu cho mô
đun chất lƣợng nƣớc gồm số liệu nguồn thải và nguồn gây ô nhiễm cùng với
số liệu quan trắc nƣớc mặt để hiệu chỉnh, kiểm định đã cho kết quả với hiệu
quả mơ hình từ 99,1% đến 96,4 % đã mơ phỏng hiệu chỉnh, kiểm định mơ
hình chất lƣợng nƣớc với 4 thông số DO, T-N, T-P, Coliform. Sau đó mơ hình
đã thực hiện 3 kịch bản với lƣu lƣợng nƣớc thải khác nhau đã đƣa ra kết quả
dự báo chất lƣợng nƣớc sông Cầu theo kịch bản với thông số BOD5 và T-N.

15



Trong nghiên cứu ứng dụng mơ hình Mike 11 tính tốn thủy lực, chất
lƣợng nƣớc cho lƣu vực sơng Sài Gịn- Đồng Nai tác giả Trần Hồng Thái,
Hồng Thị Thu Trang, Nguyễn Văn Thao, Lê Vũ Việt Phong đã sử dụng 3
mô đun là mô đun thủy lực HD, mô đun truyền tải-khuyếch tán AD, mô đun
sinh thái Ecolab với nguồn dữ liệu đầu vào cho mô đun thủy lực HD gồm 42
mặt cắt sông và số liệu lƣu lƣợng và mực nƣớc tại 7 trạm thủy văn sử dụng
làm biên trên, biên dƣới và hiệu chỉnh, kiểm định. Nguồn số liệu cho mô đun
chất lƣợng nƣớc là số liệu nguồn thải và nguồn ô nhiểm cùng số liệu quan trắc
chất lƣợng nƣớc mặt, mơ hình đã tính tốn và mô phỏng chất lƣợng nƣớc DO
và BOD5 với hiệu quả mơ hình từ 90% đến 94%.
Theo Nghiên cứu ứng dụng mơ hình tốn MIKE 11 mơ phỏng, đánh giá
chất lƣợng nƣớc hạ lƣu sông Đồng Nai đoạn chảy qua thành phố Biên Hòa
theo quy hoạch phát triển kinh tế xã hội đến năm 2020 của Phan Viết Chính
đã sử dụng 3 mô đun là mô đun thủy lực HD, mô đun truyền tải-khuyếch tán
AD và mô đun sinh thái Ecolab với nguồn số liệu đầu vào cho mô đun thủy
lực HD gồm 45 mặt cắt và số liệu lƣu lƣợng, mực nƣớc tại 4 trạm thủy văn
làm biên trên, dƣới và hiệu chỉnh kiểm định. Số liệu nguồn thải và nguồn gây
ô nhiễm cùng số liệu quan trắc chất lƣợng nƣớc để hiệu chỉnh kiểm định. Mơ
hình đã mơ phỏng kiểm định 3 thông số DO, BOD5, nhiệt độ với hiệu quả mơ
phỏng. Trên cơ sở đó mơ hình đã xây dựng các kịch bản chất lƣợng nƣớc tới
năm 2020 với các mức giả thiết lƣu lƣợng xả thải khác nhau cho kết quả với
thông số DO và BOD5.
Cuối cùng Nghiên cứu ứng dụng mơ hình tốn dự báo ơ nhiễm và xác
định nguồn gây ô nhiễm cho hạ lƣu sơng Sài Gịn Đồng Nai. Nhóm các tác
giả Trần Hồng Thái và những ngƣời khác đã sử dụng kết hợp mơ hình
MIKE11 với một số mơ hình khác để tính tốn chất lƣợng nƣớc trên cơ sở đó
dự báo chất lƣợng nƣớc sơng Sài Gịn- Đồng Nai đối với thơng số DO, BOD5,
T-N.

Theo tất các nghiên cứu sử dụng mô hình MIKE 11 đã đề cập ở trên

16