Báo Cáo thực tập tốt nghiệp
Mở Đầu
Vấn đề quản lý lưu vực sông hiện nay đang là vấn đề vô cùng
cần thiết và cấp bách, trên thế giới hiện nay để có thể quản lý
được tốt người ta dùng rất nhiều các mô hình tính toán, dưới đây
là một trong số đó, QUAL2K, đây là phần mềm mô hình của
EPA’s cục bảo vệ môi trường Mỹ. chúng ta sẽ nghiên cứu mô
hình này để xem chúng hữu ích và độ chính xác như thế nào để
có thể đưa ra các cách giải quyết chính xác.
Phần 1 Cơ sở lý thuyết của mô hình QUAl2K.
Cơ sở của phương pháp là hệ phương trình thủy lực, ổn định
một chiều. Hệ phương trình thủy lực Saint – Venant một chiều từ
hệ phương trình tính được cân bằng thủy lực.
Hệ phương trình phát tán
Cj
div (u .C j ) div( D j .gradC j ) R j
t
Từ đó ta tìm được phương trình cơ bản của mô hình:
Cj
Cj
(u x .C j )
( DL .
) Rj
t x
x
x
1.Giới Thiệu
a. giới thiệu về qual2e
QUAL2E cho phép mô phỏng nhiều nhánh sông, một hệ
thống sông một chiều. Bước đầu tiên trong mô hình là phân chia
hệ thống sông thành các đoạn sông, đó là một đoạn sông của hệ
thống với tính chất thủy lực đồng nhất.
Mỗi đoạn sông lại được phân chia thành các phần tử tính toán
có độ dài bằng nhau. Tất cả các đoạn sông phải bao gồm số phần
tử tính toán phải là một số nguyên.
Có 7 loại khác nhau của phần tử tính toán.
1. Phần tử đầu nguồn
2. phần tử chuẩn
3. phần tử ngược dòng từ một chỗ nối
4. phần tử nối
5. phần tử cuối trong hệ thống
6. phần tử vào
7. phần tử ra.
Bùi Ngọc Hiếu_QLMT_K48
1
Báo Cáo thực tập tốt nghiệp
Tính chất thủy lực, hằng số tốc độ phản ứng, điều kiện ban
đầu và dữ liệu để tính toán các phần tử cũng giống như trong một
đoạn sông.
Giới hạn mô hình
QUAL2E sẽ phác họa một chương trình chung, tuy nhiên,
chắc chắn giới hạn chiều sẽ bắt buộc trong quá trình chạy, các
giới hạn đó là:
Đoạn sông : max 25
Phần tử tính toán : 20% số đoạn sông hoặc tổng bằng 250
Phần tử nguồn : max 7
Phần tử nối : max 6
Phần tử vào và ra : max25.
Mục đích đầu tiên của mô hình chất lượng nước là tạo ra công
cụ có khả năng mô phỏng tính chất thủy lực và chất lượng nước.
Mô tả công thức
Công thức cơ bản được giải bởi QUAL2E là một chiều, phát
tán dọc trục, công thức vận chuyển khối lượng bao gồm bình lưu,
phát tán, pha loãng, thành phần phản ứng, và sự tác động qua lại
giữa chúng, nguồn sông và lắng đọng. Công thức có thể được
viết như sau:
M
t
C
)
x dx ( Ax cu ) dx ( A dx) dc S (II – 1).
x
x
x
dt
( Ax DL
Trong đó:
M : Khối lượng (M)
x: distance (L)
t: thời gian (T)
C: nồng độ (ML-3)
Ax : diện tích mặt cắt ngang (L2)
DL hệ số phát tán (L2T-1)
u : tốc độ trung bình (LT-1)
S: nguồn sông hoặc lắng đọng (MT-1).
Bởi vì M = V.C, chúng ta có thể viết:
M (VC )
C
V
V
C.
t
t
t
t
Bùi Ngọc Hiếu_QLMT_K48
2
Báo Cáo thực tập tốt nghiệp
Trong đó V = Ax.dx thể tích phát tán (L3). Nếu chúng ta coi
dòng chảy là ổn định,
trở thành.
Q
V
0 , thì
0 và công thức II – 2a
t
t
M
C
V.
(II – 2b)
t
t
Tính chất thủy lực
QUAL2K có tính đến cân bằng thủy lực, với điều kiện dòng
chảy ổn định, một chiều, cân bằng thủy lực có thể viết như sau:
(
Q
)i (Qx )i .
x
b. Mô hình QUAL2K
QUAL2K ( hoặc Q2K) là một mô hình về chất lượng nước
của sông và dòng chảy nó được cải tiến từ cho mô hình QUAL2E
(Q2E) do (Brown and Barnwell 1987). Q2K tương tự như Q2E với
những đặc điểm sau:
Một chiều. Lòng sông là những nguồn nước trộn lẫn theo
chiều dọc và chiều sâu.
Nhánh sông. Hệ thống có thể bao gồm một sông chính
với các sông nhánh.
Diel heat budget. Khối nhiệt và nhiệt độ được mô phỏng
như một công thức khí tượng học trên một mức độ thời gian.
Tính chất thủy lực là ổn định. Đồng nhất, dòng chảy ổn
định được mô phỏng
Động học chất lượng nước diel. Chất lượng nước thay
đổi mô phỏng theo các mức độ thời gian.
Nhiệt và khối lượng đầu vào. Điểm và không điểm chịu
tải và nước chảy ra đều được mô phỏng.
QUAL2K còn bao gồm các phần tử mới:
Phần mềm môi trường và giao diện. Q2K là một công cụ
trong môi trường Microsoft Windows. Số lượng tính toán dùng
chương trình Fortran 90. Excel được sử dụng để hiển thị đồ thị
trên giao diện cho người sử dụng. Tất cả các giao diện này có tác
dụng là chương trình trong Microsoft Office dùng ngôn ngữ:
Công cụ Visual Basic( VBA).
Mô hình chia nhỏ. Q2E chia hệ thống thành các đoạn
sông gồm các phần tử có khoảng cách bằng nhau.
Q2K phân chia hệ thống thành các đoạn sông và các phần tử.
Bùi Ngọc Hiếu_QLMT_K48
3
Báo Cáo thực tập tốt nghiệp
Thêm vào đó, khối lượng và các dòng chảy ra có thể vào nhiều
phần tử.
Sự hình thành cacbon BOD. Q2K sử dụng 2 dạng
Cacbon BOD tượng trưng carbon hữu cơ. Hai dạng đó là dạng
oxy hóa chậm (slow CBOD) và dạng oxy hóa nhanh (fast
CBOD).
Sự thiếu Oxy(Anoxia). Q2K điều chỉnh lượng thiếu Oxy
bởi sự làm giảm phản ứng oxy hóa đến không với mức oxy thấp.
Thêm vào đó, quá trình khử Nito như là mô hình phản ứng bậc 1
làm cho nồng độ oxy xuống thấp.
Tác động qua lại giữa nước và trầm tích. Nước và trầm
tích chảy mạnh làm hòa tan Oxy và dinh dưỡng có thể mô phỏng
bên trong hơn là bắt buộc. Do đó lượng oxy (SOD) và dòng chảy
dinh dưỡng được mô phỏng như một công thức ổn định về vật
chất hữu cơ, phản ứng trong trầm tích, và nồng độ ở dạng hòa tan
sẽ làm nước quá bão hòa.
Tảo dưới nước. Mô hình hiện mô phỏng gắn liền với tảo
dưới nước. Tảo này có thể thay đổi hóa học lượng pháp.
Sự tiêu hủy ánh sáng. Sự tiêu hủy ánh sáng được tính
toán như một công thức của tảo, chất rắn vô cơ và các vật vụn.
pH. Cả tính kiềm và tổng cacbon vô cơ đều có thể mô
phỏng. pH của các dòng sông được tính toán cơ bản dựa trên hai
lượng ở trên.
Mầm bệnh. Một đặc điểm chung của giống bệnh sẽ được
mô phỏng. việc thủ tiêu mầm bệnh được xác định như một công
thức của nhiệt độ, ánh sáng, ổn định.
Tính chất động lực đặc trưng của đoạn sông. Q2K cho
phép bạn chỉ rõ nhiều tính chất động lực trên một đoạn sông đặc
trưng cơ bản.
Đập và thác nước, tính chất thủy lực của đập nước sẽ ảnh
hưởng đến đập và thác nước mà sự vận chuyển là rất rõ ràng.
2. Bắt đầu chương trình.
Ngay dưới đây sẽ cho thấy dạng chương trình như thế nào,
Excel sẽ phục vụ cho các giao diện của QUAL2K. Tất cả các đầu
vào và đầu ra của mô hình sẽ được thực hiện bằng công cụ trong
Excel, tất cả các công thức trong Excel dùng ngôn ngữ: Visual
Basic for Applications (VBA). Tất cả các công thức tính toán bằng
công cụ Fortran 90 được thi hành mau lệ. Tiếp sau đây là các
Bùi Ngọc Hiếu_QLMT_K48
4
Báo Cáo thực tập tốt nghiệp
bước có bao nhiêu mô hình có thể cài đặt lên máy tính của bạn và
sử dụng chúng để làm mô phỏng .
Bước 1: copy the file, Q2Kv2_07.zip đến đường dẫn (ví dụ, C:\)
khi file được giải nén nó sẽ cho các file sau : file Excel
(Q2KMasterv2_07.xls), và một file chạy (Q2KFortran2_07.exe). Đầu
tiên trên giao diện của Q2K cho phép bạn chạy Q2K và biểu lộ
kết quả của nó. Thứ hai là Fortran có thể thực hiện được công
việc thực tế tính toán mô hình. Sẽ có hai file trong đường dẫn
giống nhau để mô hình có thể chạy chính xác. Chú ý sau khi bạn
chạy mô hình, một số file sẽ tự động được tạo ra bởi Fortran có
thể trao đổi thông tin với Excel.
Chú ý không xóa file .Zip. Nếu một vài lý do, bạn sửa Q2k,
bạn có thể sử dụng file zip để cài đặt lại mô hình.
Bước 2: tạo ra file theo đường dẫn C:\Q2Kv2_07 gọi là file dữ
liệu Datafiles.
Bước 3: mở Excel và chắc chắn macro security ở mức trung
bình (tranh 1) có thể yêu cầu sử dụng : Tools Macro Security.
Chắc chắn mức medium sẽ được chọn
Figure 1 The Excel Macro Security Level dialogue box. In order to run
Q2K, the Medium level of security should be selected.
Mở Q2KMasterFortranv2_07.xls. Khi bạn làm việc với nó hộp
thoại Macro Security sẽ hiện ra như sau:
Bùi Ngọc Hiếu_QLMT_K48
5
Báo Cáo thực tập tốt nghiệp
Figure 2 The Excel Macro security dialogue box. In order to run Q2K, the
Enable Macros button must be selected.
Kích vào nút Enable Macros.
Bước 5 : Trên QUAL2K Worksheet di chuyển đến cột 10 và vào
đường dẫn đến DataFiles, C:\QUAL2K\DataFiles xem bức tranh thứ
3.
Figure 3 The QUAL2K Worksheet showing the entry of the file path into
cell B10.
Bước 6 : Kích vào nút Run Fortran .
Nếu chương trình làm việc không chính xác
Có hai lý do cơ bản làm chương trình làm việc không chính
xác. Đầu tiên bạn phải sử dụng một phiên bản cũ của Microsoft
Bùi Ngọc Hiếu_QLMT_K48
6
Báo Cáo thực tập tốt nghiệp
Office mặc dù Excel phiên bản cũ có thể làm việc được. Q2K
không làm việc với các phiên bản quá cũ.
Thứ hai bạn đã tạo ra một số lỗi trong công cụ ở các bước
trước. Một lỗi thường gặp bạn vẫn mơ hồ về đường dẫn bạn vào
cột 10 giả sử bạn vẫn không biết đường dẫn
C:\Q2KFortranv2_07\DataFles bạn sẽ nhận được một lỗi như sau :
Figure 4 An error message that will occur if you type the incorrect file
path into cell B10 on the QUAL2K Worksheet.
Nếu xảy ra kích Ok cho chạy và quay trở lại QUAL2K
Worksheet tại đó bạn phải vào đúng đường dẫn.
Nếu chương trình làm việc chính xác
Q2K bắt đầu thi hành một cửa sổ mở ra cho thấy Fortran tính
toán (tranh 5).
Figure 5 This window is displayed showing the progress of the model
computations as executed in Fortran. It allows you to follow the progress of a
model run.
Chương trình sẽ mô phỏng sông chính với hai nhánh sông.
Nếu chương trình làm việc chính xác hộp thoại sau đây sẽ xuất
hiện nếu bạn chạy thành công.
Bùi Ngọc Hiếu_QLMT_K48
7
Báo Cáo thực tập tốt nghiệp
Ấn Ok, tiếp theo hộp thoại sau sẽ xuất hiện.
Hộp thoại trên sẽ cho phép bạn chọn phần của hệ thống bạn
muốn vẽ đồ thị. Như đã thấy, nó mặc định là sông chính. Ấn Ok
và nhìn thấy thời gian chạy của sông chính. Chú ý tất cả các đồ
thị đều được cập nhật khi nhấn OK.
Ngắt một lúc bạn nhìn thấy đồ thị của một nhánh sông, bạn
nhấn nút dưới bên trái bị che khuất.
Bùi Ngọc Hiếu_QLMT_K48
8
Báo Cáo thực tập tốt nghiệp
Nguyên nhân là do đồ thị hộp thoại được chọn xuất hiện. Kéo
xuống bạn có thể chọn một nhánh khác.
Bước 7: Trên QUAL2K Worksheet click nút Open Old File. Mở
đường dẫn C:\Q2Kv2_07\DataFiles. Bạn nhìn thấy một file mới
được tạo ra với tên chỉ rõ ở cột 9 (trong trường hợp trên bức tranh
thứ 3 là Bogus062807.q2k). click nút hủy bỏ cacel quay trở lại
Q2K.
Chú ý trong thời gian Q2K chạy. Một file dữ liệu sẽ được tạo
ra với tên file chỉ rõ trong cột 9 trên QUAL2K Worksheet (Figure 3).
Chương trình tự động thêm vào phần mở rộng .q2k cho tên file.
Từ đó nó sẽ đè lên phiên bản của file trước, chắc chắn tạo ra sự
thay đổi tên file khi bạn làm một ứng dụng mới.
Bây giờ bạn có thể chạy thành công Q2K trên máy tính của
bạn, trang tiếp theo là các tài liệu khoa học làm nền tảng cho mô
hình.
3. Sự chia ra từng đoạn và tính chất thủy lực
Mô hình miêu tả một dòng sông như một dãy các đoạn sông.
Nó tượng trưng cho quãng sông có tính chất thủy lực giống nhau
( ví dụ độ dốc, độ rộng đáy dưới ) như được miêu tả bởi bức
tranh thứ 6, số các đoạn sông tăng theo thứ tự bắt đầu từ thượng
nguồn của đoạn sông chính.
Chú ý cả các điểm nguồn và không phải điểm nguồn cũng như
các điểm chảy ra và các điểm không chảy ra có thể có bất kỳ vị
trí nào theo suốt chiều dài của sông.
Bùi Ngọc Hiếu_QLMT_K48
9
Báo Cáo thực tập tốt nghiệp
Headwater boundary
1
Point source
Point withdrawal
2
3
Point source
Non-point
source
4
5
6
Point withdrawal
Non-point
withdrawal
7
8
Point source
Downstream boundary
Figure 6 QUAL2K segmentation scheme for a river with no tributaries.
Hệ thống gồm các sông nhánh (hình7). Số lượng các đoạn
sông được đánh số bắt đầu từ đoạn 1 và tăng dần ở thượng nguồn
của con sông chính. Khi đến chỗ nối với một nhánh sông là một
đoạn sông số thứ tự tiếp tục được đánh từ thượng nguồn từ nhánh
sông này. Quan sát cả thượng nguồn và các nhánh sông các số là
liên tiếp nhau theo một dãy sắp xếp tương tự đến các đoạn sông.
Chú ý các nhánh sông lớn của hệ thống đều được quy về như một
đoạn sông. Đặc biệt thực tế này rất quan trọng bởi vì phần mềm
cung cấp đồ thị của đầu ra mô hình trên một đoạn sông cơ bản.
Phần mềm tạo ra các đồ thị riêng biệt trên hệ thống sông chính
cũng như các sông nhánh.
Bùi Ngọc Hiếu_QLMT_K48
10
Báo Cáo thực tập tốt nghiệp
HW#1
1
HW#2
6
2
8
13
11
HW#3
9
3
12
14
10
4
5
15 16
17
18
19
HW#4
22
Main stem
7
20
23
24
21
25 26
27
28
29
(a) A river with tributaries
(b) Q2K reach representation
Figure 7 QUAL2K segmentation scheme for (a) a river with tributaries. The Q2K
reach representation in (b) illustrates the reach, headwater and tributary
numbering schemes.
Cuối cùng một mô hình đoạn sông có thể chia thêm một dãy
các phần tử có khoảng cách bằng nhau. Trong bức tranh thứ 8 chỉ
rõ số phần tử mong muốn.
Bùi Ngọc Hiếu_QLMT_K48
11
Báo Cáo thực tập tốt nghiệp
n=4
Reach
Elements
Figure 8 If desired, any model reach can be further subdivided into a
series of n equal-length elements.
Tóm lại thuật ngữ được sử dụng miêu tả cách tổ chức địa hình
dòng sông theo Q2K.
Đoạn sông. Độ dài của con sông với tính chất thủy lực giống
nhau.
Phần tử. Đơn vị cơ bản của mô hình tính toán cái mà được
chia nhỏ bằng nhau của một đoạn sông.
Khúc sông. Một tập hợp các đoạn sông tượng trưng cho một
một nhánh của hệ thống nó bao gồm nhánh chính như mỗi sông
nhánh.
Thượng nguồn. Ranh giới bên trên của một mô hình đoạn
sông.
3.1.Cân bằng dòng chảy.
Như đã đã được miêu tả ở phần trước, đơn vị cơ bản của mô
hình Q2K là phần tử. Một dòng chảy ổn định cân bằng là phương
tiện cho mỗi mô hình phần tử.
Qi Qi 1 Qin ,i Qout ,i [1]
Trong đó Qi là lượng chảy ra từ phần tử i vào phần tử xuôi
dòng i + 1 [m3/d], Qi–1 là lượng chảy vào từ phần tử ngược dòng i
– 1 [m3/d], Qin,i là tổng lượng chảy vào trong phần tử từ điểm
nguồn và không phải điểm nguồn [m3/d], và Qout,i là tổng lượng
chảy ra từ phần tử đó đến điểm chảy ra và không phải điểm chảy
ra [m3/d]. Vì vậy, lượng chảy ra xuôi dòng chỉ là sự chênh lệch
giữa lượng vào và nguồn nước tăng thêm trừ đi lượng chảy ra
mất mát.
Bùi Ngọc Hiếu_QLMT_K48
12
Báo Cáo thực tập tốt nghiệp
Qin,i
i1
Qout,i
Qi1
Qi
i
i+1
Figure 9 Element flow balance.
Tổng lượng chảy vào từ nguồn tính toán như sau.
Qin,i
psi
Q ps ,i , j
j 1
npsi
Qnps,i , j [2]
j 1
Trong đó Qps,i,j là lượng chảy vào từ điểm nguồn thứ j đến
phần tử i, psi tổng số điểm nguồn đến phần tử i, Qnps,i,j là lượng
chảy vào từ điểm không phải điểm nguồn chảy tới phần tử i, và
npsi là tổng số điểm không phải điểm nguồn chảy vào phần tử i.
Tổng lượng chảy ra từ các nguồn chảy ra được tính toán như
sau:
Qout,i
pai
Q
j 1
pa ,i , j
npai
Q
j 1
npa ,i , j
[3]
Trong đó Qpa,i,j là lượng chảy ra ở điểm chảy ra thứ j từ phần
tử i, pai tổng số điểm chảy ra từ phần tử i, Qnpa,i,j là lượng chảy ra
ở các điểm là không phải điểm chảy ra thứ j từ phần tử i, và npai
tổng số các điểm là không phải các điểm chảy ra từ phần tử i.
Các điểm không phải là điểm nguồn và không phải điểm chảy
ra sẽ được mô hình như đường nguồn. Nhìn bức tranh10, các
điểm là không phải điểm nguồn hoặc không phải điểm chảy ra
được phân ranh giới bởi điểm bắt đầu và điểm kết thúc dài đến
hàng kilomet. Nó chảy phân bố từ mỗi phần tử , theo chiều dài và
chiều rộng.
Bùi Ngọc Hiếu_QLMT_K48
13
Báo Cáo thực tập tốt nghiệp
Qnpt
25%
25%
50%
1
1
2
start
end
Figure 10 The manner in which non-point source flow is distributed to an
element.
3.2 Tính chất thủy lực
Một lượng chảy ra của mỗi phần tử sẽ được tính toán, chiều
rộng và chiều sâu sẽ được tính toán bởi một theo 3 cách sau :
weirs, rating curves, and công thức Manning . Chương trình lựa
chọn giữa các cách trên:
Nếu chiều rộng và chiều cao của đập được nhập vào, đập
nước sẽ được chọn làm phương tiện tính toán.
Nếu chiều rộng và chiều cao của đập bằng 0 và hệ số
đường cong ( a và ) được nhập vào. Phương tiện rating curves
được chọn làm phương tiện tính toán.
Nếu không có quy định trước là mét. Q2K sử dụng công
thức Manning.
3.2.1 Đập nước
Bức tranh 11 cho thấy có bao nhiêu đập nước được miêu tả
trong Q2K. Chú ý một cái đập nước chỉ có thể xảy ra ở điểm cuối
của một phần tử đơn của một đoạn sông, bức tranh 11 cho thấy
các thông số sau Hi là chiều sâu của phần tử ngược dòng của đập
nước [m], Hi+1 là chiều sâu của phần tử xuôi dòng của đập [m],
elev2i độ cao so với mực nước biển điểm cuối của phần tử ngược
dòng [m], elev1i+1 độ cao so với mực nước biển điểm đầu của
phần tử xuôi dòng. Hw độ cao của đập trên elev2i , Hd là độ hạ
thấp giữa độ cao mực nước của bề mặt của phần tử i và phần tử i
+1
Bùi Ngọc Hiếu_QLMT_K48
14
Báo Cáo thực tập tốt nghiệp
(a) Side
(b) Cross-section
Bw
Hi
Hd
Hw
Hh
Hi
Hw
Hi+1
elev2i
elev2i
elev1i+1
elev1i+1
Figure 11 A sharp-crested weir occurring at the boundary between two
reaches.
Hh là độ cao ở đỉnh bên trên đập [m], Bw là chiều rộng của đập
[m]. Chú ý là chiều rộng của đập khác với chiều rộng của phần
tử, Bi
Đây là một dạng đập trong đó Hh/Hw < 0.4, dòng chảy có liên
quan đến đầu nguồn (Finnemore and Franzini 2002)
Qi 1.83B w H h3 / 2 [4]
Trong đó Qi là lượng chảy ra từ phần tử ngược dòng của đập,
m /s, Bw, Hh là mét. Công thức 4 có thể được làm sang tỏ như
sau:
3
Qi
H h
1
.
83
B
w
2/3
[5]
Kết quả có thể sử dụng để tính toán chiều sâu của phần tử i,
H i H w H h [6]
Và có thể tính độ hạ thấp trên đập
H d elev2 i H i elev1i 1 H i 1 [7]
Chú ý độ hạ thấp có thể sử dụng để tính toán lượng Oxy và
CO2 di chuyển qua đập ( xem trang 55 và 60).
Tại các khu vực mặt cắt ngang, chiều sâu, bề mặt và thể tích
phần tử i có thể được tính toán như sau.
Ac ,i Bi H i [8]
Ui
Bùi Ngọc Hiếu_QLMT_K48
Qi
Ac ,i [9]
15
Báo Cáo thực tập tốt nghiệp
As ,i Bi x i
Vi Bi H i x i
Trong đó Bi độ rộng của phần tử i, ∆xi chiều dài của phần tử i.
Chú ý nhiều đoạn sông với nhiều đập, đoạn sông với chiều rộng
được nhập vào. Giá trị được nhập vào cột AA ( nhãn "Bottom
Width") của Reach Worksheet.
3.2.2 Hệ số đường cong
Phương trình lũy thừa có thể sử dụng mối liên quan giá trị
trung bình của chiều dọc và chiều sâu của phần tử trong một đoạn
sông.
U aQ b [10]
H Q [11]
Trong đó a, b, , là hệ số kinh nghiệm được xác định từ sự
phán tán dọc trục và sự phát tán theo giai đoạn ứng với hệ số
đường cong. Giá trị của chiều dọc và chiều sâu có thể được dùng
để xác định diện tích mặt cắt ngang và chiều rộng bởi
Ac
B
Q
U [12]
Ac
H [13]
Diện tích bề mặt và thể tích có thể tính như sau
As Bx
V BHx
Số mũ b và được đặc trưng trong bảng 1 chú ý tổng của b
và phải kém hơn hoặc bằng 1. Nếu đây không phải là trường
hợp mà chiều rộng sẽ giảm với sự gia tăng dòng chảy. Nếu tổng
của chúng bằng 1 kênh sông là hình chữ nhật.
Table 1 Typical values for the exponents of rating curves used to
determine velocity and depth from flow (Barnwell et al. 1989).
Equation
Exponent
U aQ b
H Q
b
Typical
value
0.43
0.40.6
0.45
0.30.5
Bùi Ngọc Hiếu_QLMT_K48
Range
16
Báo Cáo thực tập tốt nghiệp
Trong một số ứng dụng, bạn phải chỉ rõ giá trị hằng số của
chiều dọc và chiều sâu không làm thay đổi dòng chảy. Nó có thể
làm bởi sự sắp đặt b và bằng 0 và sắp xếp a cân bằng với yêu
cầu chiều dọc và α cân bằng với yêu cầu chiều sâu.
3.2.3 Công thức manning.
Mỗi phần tử trong đoạn sông riêng biệt có thể lý tưởng hóa
như một hình thang ( trang 12). Với điều kiện dòng chảy ổn định
công thức manning có thể sử dụng thể hiện mối quan hệ giữa
dòng chảy và chiều sâu.
Q
S 01 / 2 Ac5 / 3
[14]
n P2/3
Trong đó Q là lưu lượng dòng chảy [m3/s], S0 độ dốc đáy sông
[m/m] , n là hệ số gồ ghề, Ac diện tích mặt cắt ngang [m2] và P là
chu vi thấm ướt [m].
S0
B1
1
H
ss1
B0
ss2
1
Q, U
Figure 12 Trapezoidal channel.
Diện tích mặt cắt ngang của một lòng sông hình thang được
tính toán như sau.
Ac B0 0.5( s s1 s s 2 ) H H [15]
Trong đó B0 là chiều rộng đáy sông [m], ss1 và ss2 là hai độ dốc
cạnh xem hình 12, [m/m], và H là chiều sâu của phần tử [m].
Chu vi thấm ướt được tính như sau.
P B0 H
s s21 1 H
s s22 1 [16]
Sau khi biến đổi các công thức 16, 15 và 14 có thể tính toán
sự lặp lại của chiều sâu (Chapra and Canale 2006),
(Qn) 3 / 5 B0 H k 1 s s21 1 H k 1 s s22 1
Hk
3 / 10
S
B0 0.5( s s1 s s 2 ) H k 1
2/5
[17]
Trong đó k = 1, 2, …n. n là số lần lặp. Ban đầu ước chừng
H0 = 0 được dùng. Phương pháp kết thúc khi đánh giá sai số
bên dưới nhỏ hơn 0.001%. Đánh giá sai số được tính như sau.
Bùi Ngọc Hiếu_QLMT_K48
17
Báo Cáo thực tập tốt nghiệp
a
H k 1 H k
100% [18]
H k 1
Diện tích mặt cắt ngang được xác định bởi công thức 15 và
vận tốc có thể xác định từ công thức sau,
U
Q
[19]
Ac
Giá trị trung bình của chiều rộng phần tử B[m] có thể tính
toán như sau:
B
Ac
[20]
H
Chiều rộng bên trên B1[m] thể được tính toán như sau.
B1 B0 ( s s1 s s 2 ) H
Diện tích bề mặt và thể tích của phần tử có thể được tính toán
như sau:
As B1 x
V BHx
Đề xuất giá trị hệ số manning cho trong bảng 2, n đặc trưng
cho giá trị dòng chảy và chiều sâu (Gordon et al. 1992). Chiều sâu
giảm trong chiều dòng chảy thấp, liên quan đến sự dao động
thường xuyên được tăng lên. Giá trị của hệ số manning đã được
công bố từ 0.015 của lòng sông nhẵn nhịu đến 0.15 các lòng sông
gồ ghề nó miêu tả tình trạng dòng chảy có khả năng tạo thành bãi
ngầm (Rosgen, 1996). Điều kiện tới hạn của độ sâu ước lượng chất
lượng nước đại thể là kém hơn bãi ngầm sâu và nó liên quan đến
tính chất gồ ghề của độ cao.
Table 2 The Manning roughness coefficient for various open channel
surfaces (from Chow et al. 1988).
MATERIAL
Man-made channels
Concrete
Gravel bottom with sides:
Concrete
mortared stone
Riprap
Natural stream channels
Clean, straight
Clean, winding and some weeds
Weeds and pools, winding
Mountain streams with boulders
Heavy brush, timber
Bùi Ngọc Hiếu_QLMT_K48
n
0.012
0.020
0.023
0.033
0.025-0.04
0.03-0.05
0.05
0.04-0.10
0.05-0.20
18
Báo Cáo thực tập tốt nghiệp
3.2.3 Thác nước
Trong phần 3.2.1 sự chảy của nước trên đập được tính toán,
giá trị cần được tính toán tăng dần xảy ra trong một vài trường
hợp. Thêm vào các đập , sự chảy xuống có thể hầu như xảy ra
trong các thác nước. Chú ý thác nước chỉ có thể xảy ra tại điểm
cuối của đoạn sông.
Hi
Hd
elev2i
Hi+1
elev1i+1
Figure 13 A waterfall occurring at the boundary between two reaches.
Qual2k sẽ tính toán dòng chảy trong trường hợp độ cao so với
mực nước biển rất dốc trong ranh giới giữa hai đoạn sông , công
thức 7 dùng để tính toán sự hạ thấp dòng chảy. Chú ý sự hạ thấp
này chỉ tính toán khi độ cao so với mực nước biển xuôi dòng kết
thúc ở đoạn sông là lớn hơn điểm bắt đầu của đoạn sông xuôi
dòng tiếp theo nghĩa là elev2i > elev1i+1.
3.3Travel Time (Thời gian di chuyển)
Thời gian lưu của mỗi phần tử được tính toán như sau:
k
Vk
Qk
(1)
Trong đó k là thời gian lưu của phần tử thứ k [d]. Vk là thể
tích của phần tử thứ k [m3], Ac,kxk, Ac,k diện tích mặt cắt ngang
của phần tử thứ k[m2], xk là độ dài của phần tử thứ k[m]. Thời
gian tích lũy để xác định thời gian di chuyển khắp chiều dài của
mỗi đoạn sông, ví dụ thời gian di chuyển từ đầu nguồn đến cuối
nguồn của phần tử thứ j trong một đoạn sông được tính toán như
sau.
tt, j
j
k 1
k
[22].
Trong đó tt,j là thời gian di động.
Bùi Ngọc Hiếu_QLMT_K48
19
Báo Cáo thực tập tốt nghiệp
3.4 Phát tán dọc trục
Hai lựa chọn được sử dụng để xác định sự phát tán dọc trục
một ranh giới giữa hai phần tử. Đầu tiên, người sử dụng chỉ đánh
giá, giá trị nhập vào trên Reach Worksheet. Nếu người sử dụng
không nhập giá trị, một công thức bên trong sẽ được dùng tính
toán phát tán cơ bản tính chất thủy lực lòng sông (Fischer et al.
1979),
E p ,i 0.011
U i2 Bi2
H iU i* [23].
Phát tán dọc trục giữa phần tử i và phần tử i+1 [m2/s], Ui vận
tốc [m/s], Bi chiều rộng [m], Hi giá trị trung bình chiều sâu [m]
và Ui* vận tốc cắt [m/s]. Nó cơ bản được tính như sau.
U i*
gH i S i
[24].
Trong đó g là gia tốc trọng trường [= 9.81 m/s2] và S là độ dốc
lòng sông [không thứ nguyên].
Sau khi tính toán Ep,i, số các phát tán có thể tính như sau:
E n ,i
U i xi
[25].
2
Độ phát tán của mô hình là Ei ( giá trị này sẽ được sử dụng
tính toán trong mô hình).
Nếu En,i Ep,i, độ phát tán của mô hình, Ei Ep,i En,i.
Nếu En,i > Ep,i, độ phát tán mô hình bằng 0.
Trong một số trường hợp dưới đây, kết quả độ phát tán của mô
hình là lớn hơn độ phát tán vật lý. Như vậy, thì sự trộn lẫn phát
tán sẽ cao hơn thực tế, Chú ý dòng sông chảy ổn định, tập trung
độ dốc là không đáng kể. Nếu sự khác nhau là quan trọng, chỉ lựa
chọn các phần tử có chiều dài nhỏ hơn số phát tán mô hình trở
thành nhỏ hơn số phát tán vật lý.
3. Nhiệt độ của mô hình.
Như hình 14, cân bằng nhiệt cần tính toán sự trao đổi nhiệt từ
các phần tử gần kề, tải xuống, dòng chảy ra, không khí và trầm
tích. Một cân bằng nhiệt có thể được viết với phần tử i, như sau:
Qout ,i
dTi
Q
Q
E'
E'
i 1 Ti 1 i Ti
Ti i 1 Ti 1 Ti i Ti 1 Ti
dt
Vi
Vi
Vi
Vi
Vi
m3
w C pwVi 10 6 cm 3
W h ,i
J a ,i
J s ,i
m
C H 100 cm C H 1
w
pw
i
w
pw
i
[26].
Bùi Ngọc Hiếu_QLMT_K48
20
- Xem thêm -