TRƢỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP
KHOA QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN RỪNG & MƠI TRƢỜNG

KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG NƢỚC KHU VỰC
THƢỢNG LƢU SÔNG NHUỆ SỬ DỤNG BỘ CƠNG CỤ
MƠ HÌNH MIKE 11

NGÀNH: Khoa học mơi trƣờng.
MÃ SỐ: 306

Giáo viên hướng dẫn: Ths. Lê Phú Tuấn
Ts. Bùi Xuân Dũng
Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Văn Duy

Khoá học:

2012 - 2016

Hà Nội, 2016


LỜI CẢM ƠN
Trên thực tế khơng có sự thành cơng nào mà không gắn liền với những sự
hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của ngƣời khác. Trong
suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập tại trƣờng đến nay, em đã nhận đƣợc rất
nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý Thầy Cơ, gia đình và bạn bè. Với lịng biết
ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý Thầy Cô ở Khoa Quản lí Tài ngun Rừng

và Mơi trƣờng - Trƣờng Đại học Lâm Nghiệp Việt Nam đã cùng với tri thức và
tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong
suốt thời gian học tập tại trƣờng.
Để hồn thành khóa luận này, em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy
ThS. Lê Phú Tuấn và TS. Bùi Xuân Dũng, đã tận tình hƣớng dẫn trong suốt q
trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp.
Đồng thời, em chân thành cảm ơn các Anh, Chị trong Trung tâm Quan
trắc Môi trƣờng – Tổng Cục Môi trƣờng đã cho phép và tạo điều kiện thuận lợi
để em thực tập tại trung tâm. Em xin gửi lời cảm ơn đến Anh Hồng Cơng Huy
và Anh Vũ Văn Phƣơng đã giúp đỡ em trong quá trình thu thập và xử lí số liệu.
Cuối cùng em kính chúc quý Thầy, Cô dồi dào sức khỏe và thành công
trong sự nghiệp cao quý. Đồng kính chúc các Anh, Chị trong Trung tâm Quan
trắc Môi trƣờng – Tổng Cục Môi trƣờng luôn dồi dào sức khỏe, đạt đƣợc nhiều
thành công tốt đẹp trong công việc.
Em xin trân thành cảm ơn !
Hà Nội, ngày 02 tháng 06 năm 2016
Sinh viên

Nguyễn Văn Duy


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
DANH MỤC HÌNH
DANH MỤC BẢNG BIỂU
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ĐẶT VẤN ĐỀ ......................................................................................... 1
CHƢƠNG 1 - 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 mô-đun thủy động lực (HD) ................................... 4
1.2.1.1. Hệ phương trình Saint Venant ..................................................... 5
1.2.1.2. Phương pháp giải hệ phương trình Saint-Venant ......................... 6
1.2.2. Cơ sở lý thuyết mô-đun truyền tải - khuyếch tán (AD) .................... 9
1.2.3. Cơ sở lý thuyết mô-đun sinh thái (Ecolab) .................................... 12
1.3. Những nghiên cứu chất lƣợng nƣớc sử dụng mơ hình MIKE 11 ....... 17
CHƢƠNG 2 - MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
.............................................................................................................. 20
2.1. Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................... 20
2.1.1. Mục tiêu chung ............................................................................. 20
2.1.2. Mục tiêu cụ thể ............................................................................. 20
2.2. Nội dung nghiên cứu ....................................................................... 20
2.3. Phạm vi nghiên cứu ......................................................................... 20
2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................. 21
2.4.1. Phương pháp kế thừa tài liệu thứ cấp ........................................... 21
2.4.2. Phương pháp tính tốn ước lượng nhu cầu sử dụng và nước thải cho
từng đoạn sông ...................................................................................... 21


2.4.3. Phương pháp mơ hình .................................................................. 23
2.4.4. Phương pháp xử lí, tính tốn số liệu ............................................. 23
CHƢƠNG 3 - ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN - KINH TẾ - XÃ HỘI ................ 24
3.1. Điều kiện tự nhiên ........................................................................... 24
3.1.1. Vị trí địa lí ................................................................................... 24
3.1.2. Đặc điểm thổ nhưỡng ................................................................... 25
3.1.3. Đặc điểm khí hậu ......................................................................... 25
3.1.4. Đặc điểm thủy văn ........................................................................ 27
3.2. Đặc điểm kinh tế - xã hội ................................................................ 29
CHƢƠNG 4 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ................................................ 31
4.1. Mô phỏng, kiểm định chất lƣợng nƣớc sơng Nhuệ bằng mơ hình MIKE

11 .......................................................................................................... 31
4.1.1. Xây dựng mơ hình tốn thủy lực cho hệ thống .............................. 33
4.1.2. Hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình thủy lực dịng chảy kiệt ............. 34
4.1.3. Thiết lập mô đun chất lượng nước ................................................ 35
4.1.3.1. Thiết lập các cấp độ cho mô đun chất lượng nước ..................... 35
4.1.3.2. Xử lý số liệu chất lượng nước .................................................... 36
4.1.3.3. Thiết lập các thông số cho AD ................................................... 36
4.1.3.4. Thiết lập các thông số cho Ecolab ............................................. 37
4.1.4. Kết quả mô phỏng diễn biến chất lượng nước ............................... 38
4.2. Dự báo diễn biến chất lƣợng nƣớc sông Nhuệ đoạn chảy qua thành phố
Hà Nội đến năm 2020 và năm 2025 ........................................................ 57
4.2.1. Cơ sở dự báo nguồn thải .............................................................. 58
4.2.1.1. Chất thải rắn sinh hoạt ............................................................. 59
4.2.1.2. Chất thải rắn công nghiệp ......................................................... 61
4.2.1.3. Chất thải rắn y tế ...................................................................... 64


4.2.1.4. Nước thải .................................................................................. 65
4.2.2. Kết quả dự báo ............................................................................. 67
4.2.2.1. Dự báo năm 2020 ...................................................................... 67
4.2.2.1. Dự báo năm 2025 ...................................................................... 70
4.3. Đề xuất giải pháp cải thiện chất lượng nước sông Nhuệ .................. 71
CHƢƠNG 5 - KẾT LUẬN, TỒN TẠI VÀ KIẾN NGHỊ .......................... 76
5.1. Kết luận .......................................................................................... 76
5.2. Tồn tại ............................................................................................ 77
5.3. Kiến nghị ........................................................................................ 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC 1
PHỤ LỤC 2
PHỤ LỤC 3

PHỤ LỤC 4


DANH MỤC HÌNH
Sơ đồ 1. 1. Sơ đồ sai phân 6 điểm Abbott ............................................................. 6
Sơ đồ 1. 2. Sơ đồ sai phân 6 điểm Abbott cho phƣơng trình liên tục ................... 7
Sơ đồ 1. 3. Sơ đồ sai phân 6 điểm cho phƣơng trình động lƣợng ......................... 8
Sơ đồ 1. 4. Sơ đồ sai phân ................................................................................... 11
Hình 1. 1. Sơ đồ chuyển hóa giữa các hợp phần trong các quá trình sinh hóa ... 15
Hình 3. 1. Bản đồ lƣu vực sông Nhuệ ................................................................. 24
Sơ đồ 4. 1. Áp dụng mơ hình Mike 11 tính tốn diễn biến chất lƣợng nƣớc ..... 32
Hình 4. 1. Vị trí các mặt cắt trên mạng lƣới sơng (các vị trí đánh dấu X) .......... 33
Hình 4. 2. Mặt cắt đại diện sơng Nhuệ................................................................ 34
Hình 4. 3. Mơ hình thủy lực lƣu vực sơng Nhuệ ................................................ 35
Hình 4. 4. Thiết lập các cấp độ mơ-đun chất lƣợng nƣớc ................................... 35
Hình 4. 5. Giá trị Dispersion ............................................................................... 36
Hình 4. 6. Các thơng số cho mơ đun Ecolab ....................................................... 37


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 4. 1. Số liệu quan trắc ban đầu ................................................................... 38
Bảng 4. 2. Kết quả tăng dày số liệu..................................................................... 39
Bảng 4. 3. Bảng kết quả tính chỉ số WQI ........................................................... 50
Bảng 4. 4. Dự báo lƣu lƣợng nƣớc thải sinh hoạt của thành phố Hà Nội theo
thời gian .................................................................................................... 60
Bảng 4. 5. Tải lƣợng ô nhiễm nƣớc thải sinh hoạt tính cho một ngƣời trong ngày đêm.. 60
Bảng 4. 6. Ƣớc lƣợng dân số và chất thải rắn đổ vào sông Nhuệ năm 2020 và
2025 ..................................................................................................................... 61
Bảng 4. 7. Danh bạ những khu công nghiệp đổ vào sông Nhuệ năm 2008 ........ 61
Bảng 4. 8. Ƣớc lƣợng chất thải rắn công nghiệp đổ váo sông Nhuệ năm 2020 và

2025 ..................................................................................................................... 63
Bảng 4. 9. Ƣớc lƣợng chất thải rắn y tế đổ vào sông Nhuệ năm 2020 và năm
2025 ..................................................................................................................... 64
Bảng 4. 10. Dự báo nhu cầu sử dụng nƣớc nƣớc đên năm 2020 và năm 2025 .. 65
Bảng 4. 11. Kết quả dự báo nguồn thải theo đoạn sông Nhuệ (từ Cống Liên Mạc
– Cầu Chiếc) năm 2020 ....................................................................................... 65
Bảng 4. 12. Kết quả dự báo nguồn thải theo đoạn sông Nhuệ (từ Cống Liên Mạc
– Cầu Chiếc) năm 2025 ....................................................................................... 66
Biểu đồ 4. 1. Dự báo nồng độ DO năm 2020 ...................................................... 68
Biểu đồ 4. 2. Dự báo nồng độ BOD năm 2020 ................................................... 68
Biểu đồ 4. 3. Dự báo nồng độ NH4+-N năm 2020............................................... 69
Biểu đồ 4. 4. Dự báo nồng độ DO năm 2025...................................................... 70
Biểu đồ 4. 5. Dự báo nồng độ BOD năm 2025 ................................................... 70
Biểu đồ 4. 6. Dự báo nồng độ NH4+-N năm 2025............................................... 71


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
AD

Mô đun Truyền tải – Khuyếch tán

BOD

Nhu cầu oxi sinh học

BTNMT

Bộ Tài nguyên Môi trƣờng

BVMT


Bảo vệ mơi trƣờng

CCN

Cụm cơng nghiệp

COD

Nhu cầu oxi hóa học

CTR

Chất thải rắn

DHI
DO

Viện thủy lực Đan Mạch
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
WQ

Chất lƣợng nƣớc

WQI

Chỉ số chất lƣợng nƣớc


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, đánh giá chất lượng nước khu vực thượng lưu
sông nhuệ sử dụng bộ công cụ mơ hình MIKE 11’’
2. Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Duy
3. Giáo viên hƣớng dẫn: ThS. Lê Phú Tuấn
TS. Bùi Xuân Dũng
4. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chung
Nhằm cung cấp cơ sở khoa học về sử dụng mơ hình trong việc theo dõi và
đánh giá chất lƣợng nƣớc dịng sơng, làm cơ sở để đƣa ra các giải pháp bảo vệ
nguồn nƣớc và phát triển bền vững.
Mục tiêu cụ thể
- Đánh giá chất lƣợng nƣớc sông Nhuệ thông qua kết quả áp dụng mơ hình MIKE 11.
- Dự báo chất lƣợng nƣớc thƣợng lƣu sông Nhuệ với 3 thông số DO, BOD,
NH4+-N tới năm 2020 và năm 2025 dựa trên kết quả đã đƣợc mô phỏng.
- Đề xuất một số giải phải cải thiện chất lƣợng nƣớc sông Nhuệ.
5. Nội dung nghiên cứu
Để đạt đƣợc mục tiêu trên khóa luận cần thực hiện các nội dung chính sau:
- Nghiên cứu xây dựng mơ hình MIKE 11 đánh giá chất lƣợng nƣớc sông Nhuệ.
- Nghiên cứu đánh giá chất lƣợng nƣớc sơng Nhuệ từ kết quả chạy mơ hình
thơng qua chỉ số WQI và các thông số ô nhiễm.
- Ứng dụng mơ hình MIKE 11 dự báo chất lƣợng nƣớc vùng thƣợng lƣu sông
Nhuệ tới năm 2020 và năm 2025.
6. Những kết quả đạt đƣợc
- Mô phỏng, kiểm định chất lƣợng nƣớc thƣợng nguồn sông Nhuệ (đoạn từ
Cống Liên Mạc – Cầu Chiếc) bằng mơ hình MIKE 11


- Đánh giá chất lƣợng nƣớc sông Nhuệ từ kết quả chạy mơ hình thơng qua chỉ số
WQI và các thông số ô nhiễm.
- Dự báo diễn biến chất lƣợng nƣớc sông Nhuệ đoạn chảy qua thành phố Hà Nội

(đoạn từ Cống Liên Mạc – Cầu Chiếc) với 3 thông số BOD, DO, NH4+-N đến
năm 2020 và năm 2025
- Đề xuất một số giải pháp cải thiện chất lƣợng nƣớc sông Nhuệ

Hà Nội, ngày 02 tháng 06 năm 2016
Sinh viên

Nguyễn Văn Duy


ĐẶT VẤN ĐỀ
Sự phát triển mạnh mẽ của khu vực đặc biệt là cơng nghiệp và đơ thị hóa đã kéo
theo các hệ quả về nhu cầu sử dụng nƣớc trong khu vực tăng nhanh, bên cạnh đó do việc
kiểm soát xử lý về việc xả thải các chất thải thiếu kiểm sốt đã làm cho mơi trƣờng khu vực,
đặc biệt là mơi trƣờng nƣớc đang ở trong tình trạng báo động.
Dân số tăng nhanh chóng cùng với q trình cơng nghiệp hóa hiện đại hóa đã làm gia
tăng vấn đề ơ nhiễm mơi trƣờng khơng khí, đất, nƣớc trong đó đặc biệt có mơi trƣờng nƣớc
xung quanh đơ thị. Các con sông đô thị chịu tác động từ rất nhiều nguồn gây ô nhiễm nhƣ:
khu công nghiệp, sản xuất làng nghề, khu khai thác và chế biến, khu vực dân cƣ,... sông Nhuệ
là một con sông nhƣ vậy. Theo số liệu quan trắc trong nhiều năm gần đây, chất lƣợng nƣớc
sông Nhuệ ngày càng xuống cấp nghiêm trọng tại nhiều điểm quan trắc, nồng độ oxy hòa tan
khá thấp không đạt quy chuẩn B1, nồng độ COD và BOD5 vƣợt tiêu chuẩn tới 37,1 và 54,1
lần, các hợp chất chứa Nitơ (NH4+, NO2-, NO3-) khá cao đều vƣợt quy chuẩn chất lƣợng nƣớc
mặt QCVN 08/2008 BTNMT với mục đích sử dụng cho tƣới tiêu B1. Xuất phát từ thực tế
trên đã đặt ra nhu cầu cấp thiết cần những nghiên cứu dự báo chất lƣợng nƣớc là cơ sở phục
vụ công tác quản lý môi trƣờng tổng thể, giúp cân bằng giữa quá trình phát triển kinh tế xã hội
và môi trƣờng nƣớc sông.
Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ và tin học ngày càng nhiều ứng dụng
mơ hình đƣợc sử dụng trong nghiên cứu mơ phỏng, dự báo chất lƣợng nƣớc. Một ƣu điểm
không thể phủ nhận của việc sử dụng mơ hình một cách phù hợp là tiết kiệm kinh phí, hiệu

quả cao, chính xác nhất là các nghiên cứu trong một khu vực rộng lớn nhƣ lƣu vực sơng.
Mơ hình MIKE 11 với rất nhiều ƣu điểm nhƣ: là một bộ phần mềm tích hợp đa tính
năng, đã đƣợc kiểm nghiệm thực tế, cho phép tính tốn thủy lực và chất lƣợng nƣớc với độ
chính xác cao, giao diện thân thiện, dễ sử dụng, có ứng dụng kỹ thuật GIS, có một 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, đánh giá chất lượng nước khu vực thượng lưu sơng nhuệ sử dụng bộ
cơng cụ mơ hình MIKE 11”, là cấp thiết.

1


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Giới thiệu chung
Hiện nay có rất nhiều mơ hình tính tốn chất lƣợng nƣớc đƣợc sử dụng
rộng rãi trên thế giới, trong số đó có các mơ hình đƣợc sử dụng miễn phí, có
các mơ hình mang tính thƣơng mại phải mua bản quyền khi sử dụng. Mỗi
mơ hình đều có những điểm mạnh riêng nhƣng nói chung các mơ hình có
bán bản quyền thƣờng có độ tin cậy và ổn định cao hơn so với các mơ hình
đƣợc sử dụng miễn phí.
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. Trong dự án này, bộ phần mềm mơ hình tốn MIKE 11
đã đƣợc lựa chọn bởi nó đáp ứng đƣợc những tiêu chí sau:
- Là bộ phần mềm tích hợp đa tính năng;
- Là bộ phần mềm đã đƣợc kiểm nghiệm thực tế;
- Cho phép tính tốn chất lƣợng nƣớc với độ chính xác cao;
- Giao diện thân thiện, dễ sử dụng;
- Có ứng dụng kỹ thuật GIS, một kỹ thuật mới với tính hiệu quả cao.
Bộ mơ hình MIKE 11 là một phần mềm kỹ thuật chuyên dụng do DHI

(Viện Thủy lực Đan Mạch) xây dựng và phát triển trong khoảng 20 năm trở
lại đây, đƣợc ứng dụng để mô phỏng lƣu lƣợng, chất lƣợng nƣớc và vận
chuyển bùn cát ở cửa sông, sông, hệ thống tƣới, kênh dẫn và các hệ thống
dẫn nƣớc khác. MIKE 11 là một phần mềm độc lập trong bộ phần mềm
MIKE bao gồm rất nhiều các phần mềm con có các chức năng và nhiệm vụ
khác nhau nhƣ MIKE 11, MIKE 21, MIKE 31, MIKE GIS, MIKE BASIN,
MIKE SHE, MIKE

2


MOUSE v.v... và trong MIKE 11 lại bao gồm nhiều mơ đun có các khả năng và
nhiệm vụ khác nhau nhƣ:
- Mơ đun thủy lực (HD);
- Mơ đun mƣa dịng chảy (RR);
- Mô đun tải - khuếch tán (AD);
- Mô đun chất lƣợng nƣớc (WQ) và một số các mô đun khác.
Trong mơ hình MIKE 11 thì mơ đun thủy lực (HD) là phần trung tâm của
mơ hình. Tuy nhiên, tùy theo mục đích mà có thể kết hợp sử dụng với các mô
đun khác một cách hợp lý và khoa học.
Các số có đƣợc dùng để tính tốn các đặc trƣng thủy lực trong các hệ thống
sông nghiên cứu.Cuối cùng, từ các đặc trƣng thủy lực tính tốn đó, xác định
đƣợc các thơng số và kết quả tính tốn chất lƣợng nƣớc. Nhƣ vậy các bài toán
đặt ra ở đây bao gồm các bài toán con nhỏ hơn là:
- Tính tốn thủy lực trong hệ thống sơng;
- Tính tốn chất lƣợng nƣớc.
Trong những phần tiếp theo sẽ lần lƣợt xem xét các cơ sở lý thuyết, phƣơng
pháp và thực tiễn việc áp dụng MIKE để giải quyết các vấn đề đƣợc nêu trên.
1.2. Cơ sở lý thuyết mơ hình MIKE 11
Mơ hình MIKE 11 là bộ mơ hình một chiều đƣợc phát triển bởi Viện thủy

lực Đan Mạch (DHI) từ mơ hình gốc đầu tiên ra đời năm 1972 dùng để mô
phỏng thủy lực nƣớc trong sông. Hiện nay MIKE 11 có thể tích hợp nhiều mơ
đun nhƣ mơ đun truyền tải-khuyếch tán (AD), mô đun chất lƣợng nƣớc (WQ),
mô đun vận chuyển bùn cát (ST) và mô đun mƣa rào-dịng chảy (RR). Mơ hình
MIKE 11 đƣợc sử dụng rộng rãi ở các nƣớc châu âu và trên thế giới [1].
MIKE 11, do DHI Water & Environment phát triển, là một gói phần mềm
dùng để mơ phỏng dịng chảy/lƣu lƣợng, chất lƣợng nƣớc và vận chuyển bùn cát
ở các cửa sông, sông, kênh tƣới và các vật thể nƣớc khác.

3


MIKE 11 là một phần của thế hệ phần mềm mới của DHI dựa trên khái niệm
của MIKE Zero, bao gồm Giao diện Ngƣời dùng đồ hoạ tích hợp trong
Windows, thích hợp với các tiêu chuẩn rút ra cho phần mềm dựa trên Windows.
Tuy nhiên, phần tính tốn trọng tâm đƣợc biết đến và đã đƣợc kiểm chứng của
thế hệ MIKE 11 trƣớc đây- phiên bản „Cổ điển‟ („Classic‟ version)- vẫn cịn
đƣợc duy trì. MIKE 11 là một ứng dụng 32-bit thực sự, đảm bảo tốc độ tính tốn
nhanh hoặc tốc hoạt các con số so với các phiên bản MIKE 11 trƣớc đây [2].
Mô đun thủy lực trong MIKE11 mô phỏng động lực cả ở trong sông và
cửa sông, có thể áp dụng cho mạng sơng phân nhánh và mạng sơng phức tạp. Vì
mơ hình là một chiều nên nó tn theo các giả thiết rằng điều kiện dịng chảy
trên tồn dịng sơng là đồng nhất, tuy nhiên những dịng chảy qua đập là vẫn có
thể đƣợc mơ phỏng. Sự vận chuyển chất hịa tan trong mơ hình cũng đƣợc giải
quyết bằng phƣơng trình cân bằng khối lƣợng nhƣ Qual2K nhƣng MIKE 11 có
thêm cả phƣơng trình thủy lực xem xét các yếu tố động lực. Mô đun (AD) có thể
mơ phỏng phản ứng phân hủy bậc nhất của các yếu tố, nhƣng để chi tiết cần sử
dụng mô đun chất lƣợng nƣớc (WQ) [1].
MIKE 11 cung cấp cho ngƣời dùng chuỗi thời gian của dòng chảy, độ sâu
và nồng độ của mỗi yếu tố ở từng đoạn sông, đồng thời mơ hình cũng cung cấp

cho ngƣời dùng biểu đồ số và các lựa chọn thống kê để hiển thị kết quả. MIKE
11 là một bƣớc tiến trong mô hình hóa dịng chảy cũng nhƣ chất lƣợng nƣớc, tuy
nhiên nó cũng gặp phải vấn đề cho các mơ hình phức tạp là cần nhiều số liệu.
MIKE 11 đã cố gắng khắc phục vấn đề này bằng cách cho phép ngƣời dùng
chạy với những mức độ khác nhau nếu quá trình phức tạp.
1.2.1. Cơ sở lý thuyết mơ-đun thủy động lực (HD)
Mô đun thủy động lực (HD) là phần trung tâm của hệ thống mơ hình
MIKE 11 và hình thành cơ sở cho hầu hết các mô đun khác bao gồm: dự báo lũ,
tải khuyếch tán, chất lƣợng nƣớc và 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 của động lƣợng (hệ phƣơng trình Saint Venant) [3, 4].

4


Đặc trƣng cơ bản của hệ thống mơ hình MIKE11 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 - khuyếch tán
+ Các mơ hình chất lƣợng nƣớc
+ Vận chuyển bùn cát dính
+ Vận chuyển bùn cát khơng dính
1.2.1.1. Hệ phương 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 lịng dẫn cố định, bỏ qua hiện tƣợng 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)

Phƣơng trình động lƣợng
 Q2

A
Q
 
t
x



  gA h  gQ Q  0
x C2 AR

5


(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)
1.2.1.2. Phương pháp giải hệ phương trình Saint-Venant
Hệ phƣơng trình Saint-Venant là một hệ gồm hai phƣơng trình vi phân
đạo hàm riêng phi tuyến bậc nhất. Trong trƣờng hợp tổng qt, hệ phƣơng trình
có dạng này khơng giải đƣợc bằng phƣơng pháp giải tích, do đó phải sử dụng
phƣơng pháp gần đúng (phƣơng pháp số hóa) và MIKE-11 cũng dùng phƣơng
pháp này để giải hệ phƣơng trình Saint-Venant với lƣợc đồ sai phân hữu hạn 6
điểm sơ đồ ẩn Abbott-Inoescu [3, 4]
- Phƣơng trình liên tục
Trong phƣơng trình liên tục có:
A
h
Q
h
b 
b q

t
t
x
t

Sơ đồ 1.1. Sơ đồ sai phân 6 điểm Abbott

6

(3)


Sơ đồ 1.2. Sơ đồ sai phân 6 điểm Abbott cho phương trình liên tục
Sai phân hóa phƣơng trình (3) tại bƣớc thời gian thứ (n + 1/2), thu đƣợc các
phƣơng trình sai phân:
Q

x

Q

n 1
j1

 Qnj1
2

  Q

 2x j


n 1
j1

 Qnj1



2

n 1
n
h h j  h j

t
t

(4)

(5)

Với b trong phƣơng trình (3) đƣợc tính theo cơng thức:
b

A0 j  A0 j1
 2x j

(6)

Trong đó:

A0j: Diện tích mặt phân cách giữa 2 điểm lƣới j – 1 và điểm lƣới j;
A0j+1: Diện tích mặt phân cách giữa 2 điểm lƣới j và điểm lƣới j + 1;
Δ2xj: Khoảng cách giữa hai điểm lƣới j – 1và j + 1.
Thế vào các phƣơng trình sai phân, rút gọn các hệ số thu đƣợc phƣơng
trình:
 jQnj11   j h nj 1   jQnj11   j

7

(7)


Với α, β, γ là hàm của b và δ, 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.
- Phƣơng trình động lƣợng:

Sơ đồ 1.3. Sơ đồ sai phân 6 điểm cho phương trình động lượng
Sai phân hóa phƣơng trình:
n 1
n
Q Q j  Q j

t
t

(8)

n 1

n 1


 Q2  2  Q2 
 



2
A
 j1
 A  j1
  Q  


x  A 
t

h

x

h

n 1
j1

 h nj1
2

  h


 2x j

n 1
j1

 h nj1

2

(9)



2

(10)

Để xác định thành phần bậc 2 trong phƣơng trình (9), sử dụng phƣơng trình
gần đúng:
Q2 .Qnj 1Qnj  (  1)Qnj Qnj
Q

2

.Qnj 1Qnj

(11)
 (  1)Qnj Qnj

Với θ là hệ số do ngƣời sử dụng tự xác định (hệ số này đƣợc ghi trong mục

Default value của mơ đun HD và có mặc định từ 0 đến 1).
Thế vào các phƣơng trình sai phân và rút gọn các hệ số, thu đƣợc phƣơng
trình động lƣợng viết dƣới dạng:

8


 j h nj11   jQnj 1   j h nj11   j

(12)

Trong đó:
 j  f  A ;





 j  f Qnj , t, x,C,A,R ;

 j  f  A ;
n 1
n 1 

 j  f  A, x, t, ,q, v, , h nj1 ,Q j1 2 ,Qnj , h nj1 ,Q j1 2  .



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 cần 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 thỏa 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 thỏa
mãn. Tuy nhiên, khi giải hệ phƣơng trình Saint - Venant với sơ đồ ẩn thì điều
kiện ổn định Courant không nhất thiết phải thỏa mãn.
1.2.2. Cơ sở lý thuyết mô-đun truyền tải - khuyếch tán (AD)
Mô 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 lòng 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 dòng chảy
khơng phân tầng (đồng đẳng) [3].
Phƣơng trình truyền tải-khuyếch tán
(13)

9


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 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
(14)
Trong đó a, b là hằng số do ngƣời dùng xác định
- Phƣơng pháp giải phƣơng trình truyền tải-khuếch tán

10


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 dịng chảy vào một thể tích kiểm tra xung quanh
nút điểm j. Các giới hạn biên của thể tích kiểm tra này là đáy sơng, bề mặt
nƣớc và hai mặt cắt tại hai điểm j-1/2 và j+1/2.

Sơ đồ 1.4. Sơ đồ sai phân
Phƣơng trình liên tục
(15)
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

11


Phƣơng trình truyền tải khuyếch tán
(16)
Trong đó

(
D: hệ số khuếch tán

Thay thế và sắp xếp các phƣơng trình trên lại, thu đƣợc một phƣơng trình
sai phân hữu hạn sơ đồ ẩn
(17)
Khi viết lại các phƣơng trình với đầy đủ các bƣớc thời gian thì cũng 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 toán học nhƣ trên.
Bằng sự trợ giúp của máy tính, việc giải các phƣơng trình và ma trận trở nên
nhanh hơn rất nhiều.
1.2.3. Cơ sở lý thuyết 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 - khuyếch tán


12


(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 - khuyếch tán (AD)
đƣợc dùng để mơ phỏng q trình truyền tải - khuyếch tán của các hợp chất đó
Nƣớc là mơi trƣờng sống và phát triển của rất nhiều lồi 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 quá trình này đều đƣợc mơ hình hố và
đƣa vào mơ đun chất lƣợng nƣớc. Có thể tác động vào các quá trình này thơng
qua các hệ số hiển thị trong trình duyệt của mơ đun chất lƣợng nƣớc có trong mơ
hình [5].
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 oxy hồ tan trong nước (Dissolved Oxygen – DO): bao
gồm các quá trình tƣơng tác với ơxy khí quyển trên bề mặt, q trình hơ hấp và
quang hợp của sinh vật dƣới nƣớc, tiêu thụ ôxy trong q trình chuyển hố
ammonia thành nitrate, nhu cầu ơxy đáy;
Tính tốn nhu cầu ơxy sinh hố (Biological Oxygen Demand – BOD): có
thể tính tốn đƣợc các hợp phần BOD riêng rẽ, đó là BOD lơ lửng, BOD dạng
hịa tan trong nƣớc và BOD trong lớp bùn đáy. Mơ hình cịn cho phép tính tốn
các q trình sinh hóa của BOD là quá trình phân rã BOD và các quá 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.

13


Tính tốn amonia: sinh ra do q 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 từammonia sang nitrate
(q trình nitrate hố), 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 tổng 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 kết 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.
- Phƣơng pháp số tính tốn chất lƣợng nƣớc trong mơ hình MIKE

14


Hình 1.1. Sơ đồ chuyển hóa giữa các hợp phần trong các q trình sinh hóa

15