Tài liệu Nghiên cứu xây dựng phần mềm thuỷ lực kết hợp với truyền tải chất ô nhiễm trên các hệ thống sông tích hợp với công nghệ gis

  • Số trang: 215 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 53 |
  • Lượt tải: 0
nguyetha

Đã đăng 8490 tài liệu

Mô tả:

Báo cáo Tổng kết KHKT - Đề tài Xây dựng mô hình thuỷ lực và chất lượng nước DELTA BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TỔNG CỤC THUỶ LỢI VIỆN QUY HOẠCH THỦY LỢI MIỀN NAM BÁO CÁO TỔNG KẾT KHOA HỌC KỸ THUẬT TẬP 2 Đề tài: Nghiên cứu xây dựng phần mềm thủy lực kết hợp với truyền tải chất ô nhiễm trên các hệ thống sông tích hợp với công nghệ GIS Số đăng ký: ........................................ 8026 TP. HỒ CHÍ MINH, 5-2010 i Báo cáo Tổng kết KHKT - Đề tài Xây dựng mô hình thuỷ lực và chất lượng nước DELTA DANH MỤC TÀI LIỆU TẬP MÃ SỐ TIÊU ĐỀ Tập 1 BC01-DELTA Báo cáo tóm tắt Tập 2 BC02-DELTA Báo cáo Tổng kết khoa học và Kỹ thuật Tập 3 BC03-DELTA Tập 4 BC04-DELTA Phần mềm DELTA cho tính toán dòng chảy và chất lượng nước trên hệ thống kênh sông - CƠ SỞ HỌC THUẬT Phần mềm DELTA cho tính toán dòng chảy và chất lượng nước trên hệ thống kênh sông – PHÂN TÍCH HỆ THỐNG Tập 5 BC05-DELTA Phần mềm DELTA cho tính toán dòng chảy và chất lượng nước trên hệ thống kênh sông - HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG Tập 6 BC06-DELTA Phần mềm DELTA cho tính toán dòng chảy và chất lượng nước trên hệ thống kênh sông – KẾT QUẢ KIỂM ĐỊNH PHẦN MỀM DELTA SO VỚI MÔ HÌNH MIKE11 ECOLAB Tập 7 BC07-DELTA Phần mềm DELTA cho tính toán dòng chảy và chất lượng nước trên hệ thống kênh sông – BÁO CÁO KẾT QUẢ MÔ PHỎNG THUỶ LỰC VÀ CHẤT LƯỢNG NƯỚC HỆ THỐNG SÔNG ĐỒNG NAI-SÀI GÒN Tập 8 BC08-DELTA Phần mềm DELTA cho tính toán dòng chảy và chất lượng nước trên hệ thống kênh sông – BÁO CÁO KẾT QUẢ MÔ PHỎNG THUỶ LỰC VÀ CHẤT LƯỢNG NƯỚC HỆ THỐNG SÔNG ĐỒNG SƠN Cơ quan chủ trì đề tài: VIỆN QUY HOẠCH THỦY LỢI MIỀN NAM Chủ nhiệm đề tài: GS.TS NGUYỄN TẤT ĐẮC Với sự cộng tác của: Công ty cổ phần Tư vấn Xây dựng thủy lợi Việt Nam (HEC); Viện Thuỷ lực Đan Mạch (DHI); Các đơn vị Phòng Tổng hợp kỹ thuật, Trung tâm Tư vấn và CGCNNN và Trung tâm Chất lượng nước và Môi trường thuộc Viện Quy hoạch Thuỷ lợi Miền Nam. ii Báo cáo Tổng kết KHKT - Đề tài Xây dựng mô hình thuỷ lực và chất lượng nước DELTA Các cán bộ tham gia chính: 1 2 3 ThS.NCS Đặng Thanh Lâm, Viện QHTLMN, thư ký đề tài TS. Lương Quang Xô, Viện QHTLMN ThS NCS Đỗ Đức Dũng, Viện QHTLMN 4 5 6 7 8 ThS. Nguyễn Huy Khôi, Viện QHTLMN ThS. Phạm văn Mạnh, Viện QHTLMN ThS. Chu Diễm Hạnh, HEC KS. Lê Tất Hải ThS. Vũ Ngọc Trình 9 CN. Châu Thu Trân 10 CN. Nguyễn Tất Thắng, Đại học quốc tế RMIT tại TP.HCM 11 CN. Bùi thị Tuyết Vân, Viện QHTLMN 12 KS. Phan thị Anh Đào , Viện QHTLMN 13 Các cán bộ kỹ thuật của Viện QHTL Miền Nam iii Báo cáo Tổng kết KHKT - Đề tài Xây dựng mô hình thuỷ lực và chất lượng nước DELTA LỜI NÓI ĐẦU “Nghiên cứu xây dựng phần mềm thủy lực kết hợp với truyền tải chất ô nhiễm trên các hệ thống sông tích hợp với công nghệ GIS” là đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ (Bộ NN&PTNT), được thực hiện trong 2 năm 2008-2009 do GS.TS Nguyễn Tất Đắc, cán bộ của Viện Quy hoạch Thủy lợi miền Nam, làm Chủ nhiệm. Mục tiêu của đề tài là “ Xây dựng được phần mềm tính toán thủy lực kết hợp với truyền tải chất (chủ yếu là mặn và chất ô nhiễm hữu cơ) trên hệ thống kênh sông với điều kiện khai thác, sử dụng nước của Việt nam, đồng thời tích hợp đước với công nghệ GIS, có độ tin cậy cao ”. Với bộ phần mềm này có thể chủ động thay đổi, phát triển tùy thuộc vào các yêu cầu thực tiễn tính toán. Mục tiêu phấn đấu là, ở một khía cạnh nào đó, bộ phần mềm này có thể so sánh với các bộ phần mềm thương mại đang được sử dụng rộng rãi ở Việt nam cũng như trên thế giới (như Mike11, ISIS,…). Bộ phần mềm này được đặt tên là DELTA nhằm hướng tới đối tượng các châu thổ lớn của Việt nam như châu thổ sông Hồng, Đồng bằng sông Cửu Long và ngay cả mạng lưới sông của toàn bộ châu thổ sông Mê Công. Để xây dựng DELTA, chủ nhiệm đề tài đã nghiên cứu tận dụng các ưu điểm của các bộ phần mềm hiện có trong nước như VRSAP, KOD, HYDROGIS, MK4, SAL,.. cũng như học tập ở mức độ có thể được cách xây dựng giao diện của các phần mềm thương mại của nước ngoài như Mike11, ISIS, DUFLOW. DELTA gồm hai khối, khối cơ sở dữ liệu (CSDL) và khối mô phỏng. i) Yêu cầu cho khối cơ sở dữ liệu là tổ chức dữ liệu sao cho dễ truy cập và kết hợp được các công cụ GIS và cố gắng sử dụng các phần mềm mã mở để tránh phải mua bản quyền các phần mềm về GIS. Khối này đòi hỏi các kiến thức về tin học, tổ chức dữ liệu và công cụ GIS. ii) Khối mô phỏng đòi hỏi các kiến thức sâu vê cơ học, thủy động lực học và toán học, đồng thời cũng đòi hỏi các kiến thức về lập trình để bảo đảm tính chính xác của các kết quả tính toán và bản chất vật lý của hiện tượng được mô phỏng. Khối mô phỏng của DELTA gồm phần học thuật và lập trình thể hiện thuật toán, là sự kế thừa và tổng kết các kết quả nghiên cứu của chính chủ nhiệm đề tài từ những năm 1980 cho tới nay. Phần lập trình sử dụng ngôn ngữ Fortran 90 và biên dịch trên môi trường CVF6.6 (Compaq Visual Fortran, phiên bản 6.6) Khối CSDL và nối kết GIS trong DELTA được tổ chức trên nền PostgreSQL (mã mở) và lập trình trên ngôn ngữ Visual C# (.NET). Trước mắt có ưu điểm là tránh phải mua bản quyền các phần mềm GIS như ArcView, ArcGis,… mà các phần mềm thương mại (như Mike11, ISIS,..) phải mua. Thực hiện nghiên cứu này là một nhóm chuyên gia của Viện Cơ-Tin học Ứng dụng và một nhóm cán bộ tin học đã tốt nghiệp trường Đại học Quốc tế RMIT. Ngoài các cán bộ chuyên sâu nêu trên, đóng góp cho việc hoàn thành đề tài trong việc chuẩn bị số liệu, thử nghiệm, là một nhóm cán bộ của Trung Tâm Tư vấn và Chuyển giao công nghệ ngành Nước và Phòng Tổng hợp Kỹ thuật thuộc Viện Quy hoạch Thủy lợi miền Nam. iv Báo cáo Tổng kết KHKT - Đề tài Xây dựng mô hình thuỷ lực và chất lượng nước DELTA Khả năng của phần mềm DELTA là tính toán dòng chảy một chiều (như mực nước, lưu lượng, vận tốc,..), cả chảy êm và chảy xiết, trên hệ thống kênh sông phức tạp có các công trình vận hành đóng mở như cống đập. Các điều kiện sử dụng nước như bơm tưới, xả nước, mưa, gió; dao động triều cũng được kể tới trong tính toán. Khi đã tính được dòng chảy thì các yếu tố chính về chất lượng nước như mặn, BOD, DO, tổng Ni tơ, tổng Phốt pho cũng được tính trong DELTA. Do các yếu tố của chất lượng nước được mô tả bởi cùng một dạng phương trình lan truyền (với các hệ số khác nhau) nên ngoài các yếu tố chính của chất lượng nước được nêu ở trên, thuật toán của DELTA có thể mở rộng cho các yếu tố khác của chất lượng nước, chẳng hạn lan truyền dầu, lan truyền nước làm mát từ nhà máy nhiệt điện, kết nối với hệ thống cống ngầm hay lan truyền nước phèn (với cân bằng jurbanite) trên hệ thống kênh sông (đã được viết thành các chương trình tính toán riêng biệt với tên OILSPREAD, ACIDWATER hay HEATWATER). Để thấy khả năng, tính hợp lý của kết quả và một số ưu điểm của DELTA, trong thử nghiệm, đã sử dụng đồng thời bộ phần mềm MIKE11-ECOLAB của DHI và DELTA để tính dòng chảy và 3 yếu tố của chất lượng nước (mặn, BOD, DO) cho cùng một sơ đồ kênh sông, cùng bộ số liệu biên của hệ thống sông Đồng Nai-Sài Gòn ở miền Nam, hệ thống sông Đông Sơn ở Thanh Hóa. Kết quả tính toán cho thấy tính hợp lý về bản chất cơ học và ưu điểm về tốc độ tính toán rất nhanh của DELTA. Ngoài việc thử nghiệm bắt buộc cho hai hệ thống sông bằng phần mềm DELTA và MIKE11, một ở miền Bắc, một ở miền Nam như nêu trên, trong quá trình xây dựng và thử nghiệm, phần mềm DELTA đã được áp dụng để tính dòng chảy, mặn, BOD, DO của năm 2004 trên toàn Bán đảo Cà Mau trong đó có kể tới sự vận hành của hệ thống cống lấy và tiêu nước theo yêu cầu về độ mặn cho vùng nuôi tôm và ngăn mặn cho vùng trồng lúa (Dự án phân ranh mặn ngọt). Phần mềm DELTA cũng đã được áp dụng cho bài toán mặn cho toàn Đồng bằng sông Cửu long (chạy 6 tháng) và bài toán lan truyền chất ô nhiễm hữu cơ (BOD, DO) cho khu vực Tp Cần thơ sử dụng sơ đồ toàn Đồng bằng. Các thử nghiệm trên cho thấy phần mềm DELTA đã làm việc tốt cho các hệ thống kênh sông của Việt Nam (từ đơn giản đến phức tạp) và với các điều kiện phức tạp về sử dụng nước cũng như các điều kiện phức tạp về khí tượng thủy văn. Vì chưa phải là phần mềm thương mại nên phần thiết kế giao diện và các tiện ích của DELTA chưa thật chuyên nghiệp và cần được đầu tư thêm để hoàn thiện trong quá trình áp dụng. Cũng giống như các phần mềm khác, để có thể phổ biến và sử dụng cũng cần phải có các khóa đào tạo chuyên biệt. Với mong muốn người sử dụng có thêm thông tin trong quá trình sử dụng các phần mềm về dòng chảy và chất lượng nước trên hệ thống kênh sông, trong phần mô tả về học thuật, chủ nhiệm đề tài đã bổ xung một phần tổng quan về các mô hình mà các mô hình này đã được nhiều người biết hay sử dụng dưới các hình thức khác nhau. Chủ nhiệm đề tài xin chân thành cám ơn sự ủng hộ của Vụ Khoa học và Công nghệ thuộc Bộ NN&PTNT, các nhà khoa học trong và ngoài ngành thủy lợi cũng như sự đóng góp tích cực của các cán bộ tham gia đề tài. GS.TS Nguyễn Tất Đắc, Chủ nhiệm đề tài v Báo cáo Tổng kết KHKT - Đề tài Xây dựng mô hình thuỷ lực và chất lượng nước DELTA TÓM LƯỢC ĐỀ TÀI XÂY DỰNG MÔ HÌNH DELTA Tên đề tài: “Nghiên cứu xây dựng phần mềm thủy lực kết hợp với truyền tải chất ô nhiễm trên các hệ thống sông tích hợp với công nghệ GIS” Cơ quan chủ trì: Viện Quy hoạch Thuỷ lợi miền Nam Chủ nhiệm đề tài: GS.TS. NGUYỄN TẤT ĐẮC Thời gian thực hiện: 24 tháng, từ 01/2008 đến 12/2009 Địa bàn: .... Tổng kinh phí thực hiện: 1.500.000.000 đồng (Một tỷ năm trăm triệu đồng) Mục tiêu của đề tài: Xây dựng được phần mềm tính toán thuỷ lực kết hợp với truyền tải chất (chủ yếu là mặn và chất ô nhiễm hữu cơ) trên hệ thống kênh sông với điều kiện khai thác, sử dụng nước của Việt Nam, đồng thời tích hợp được với công nghệ GIS, có độ tin cậy cao. Nội dung và Phương pháp nghiên cứu: - Nghiên cứu lựa chọn các phương trình và thuật toán thích hợp cho mô hình dòng chảy (có kế thừa những nghiên cứu trước đây) - Nghiên cứu lựa chọn các phương trình và thuật toán thích hợp cho mô hình lan truyền chất (có kế thừa những nghiên cứu trước đây) - Lập trình các mô đun tính toán dòng chảy, lan truyền chất và nối kết CSDL - Xây dựng Cơ sở dữ liệu và tích hợp công cụ GIS - Nghiên cứu thí điểm áp dụng cho 2 hệ thống lựa chọn : Đồng Nai-Sài Gòn ở miền Nam và Đông Sơn ở miền Bắc - Sách chuyên khảo, tài liệu hướng dẫn sử dụng - Báo cáo, Tổ chức hội thảo, Semina và chuyển giao Các nội dung hoạt động chính: - Giải thuật tính toán dòng chảy - Giải thuật cho tính toán truyền chất - Lập trình các mô đun tính toán dòng chảy, lan truyền chất và nối kết CSDL: mô đun nhập liệu và truy cập CSDL, mô đun tổ chức bộ nhớ, mô đun tính công trình, - Tổ chức cấu trúc CSDL, lựa chọn ngôn ngữ và lập trình cho CSDL lựa chọn (quản trị, cài đặt, truy cập, cập nhật,..), tổ chức 2 CSDL cho 2 hệ thống sông lựa chọn - Hai hệ thống sông lựa chọn: Lập sơ đồ tính, tính toán với phần mềm mới xây dưng và với MIKE 11, so sánh kết quả tính giữa 2 phần mềm, khuyến nghị và nhận xét. vi Báo cáo Tổng kết KHKT - Đề tài Xây dựng mô hình thuỷ lực và chất lượng nước DELTA - Tài liệu mô tả thuật toán, tài liệu hướng dẫn sử dụng - Lập báo cáo tổng kết khoa học kỹ thuật và báo cáo tóm tắt. - Tổ chức hội thảo chuyển giao ở miền Bắc, miền Nam và ứng dụng phần mềm, hội thảo tổng kết đề tài. Sản phẩm của đề tài: - Bộ phần mềm thủy lực và lan truyền chất (mặn, ô nhiễm hữu cơ, phú dưỡng) - Mô tả thuật tóan và hướng dẫn sử dụng - Báo cáo kết quả mô phỏng thủy lực và chất lượng nước 2 hệ thống sông kênh điển hình ở Việt Nam - Báo cáo kết quả kiểm định bộ phần mềm mới xây dựng so với phần mềm thương mại khác (chẳng hạn MIKE 11) - Ứng dụng thuật toán nâng cao hiệu quả giải bài toán chất lượng nước sông kênh - Sách chuyên khảo về mô hình thủy lực và lan truyền chất - Phần mềm thuỷ lực và chất lượng nước Những ứng dụng kết quả nghiên cứu: - Về khoa học: (i) Ứng dụng khoa học công nghệ hoàn thiện mô hình thuỷ lực và chất lượng nước với tốc độ tính toán nhanh và kết quả hợp lý (ii) Xây dựng phương pháp luận khoa học,phần mềm tính toán thủy lực và truyền tải chất, đồng thời tích hợp được với công nghệ GIS. - Về thực tiễn: Những thử nghiệm trên một số hệ thống sông cho thấy kết quả cho ra từ DELTA hợp lý về vật lý, tốc độ tính toán rất nhanh (i) Hệ thống sông kênh Bán đảo Cà Mau: gồm 1922 nhánh sông, 4135 mặt cắt, 1195 hợp lưu, 5 biên, 75 cống có điều khiển đóng mở, trên 200 ô đồng: Mô phỏng dòng chảy, BOD, DO cho 4392 giờ (khoảng 6 tháng), nếu dùng Delta thì thời gian chạy, với bước thời gian 20 phút, thì hết 6phút 10 giây. Kết quả ổn định, hợp lý. (ii) Bài toán toàn ĐBSCL: gồm 2305 nhánh sông, 6450 mặt cắt, 1415 hợp lưu, 22 biên, 161 cống, 153 ô ruộng. Mô phỏng dòng chảy, BOD, DO trong 2880 giờ (khoảng 4 tháng), với bước thời gian 20 phút, nếu dùng Delta thì chạy hết 5 phút 35 giây. Kết quả ổn định và hợp lý - Về đào tạo, huấn luyện: (i) Sách chuyên khảo là tập cơ sở học thuật đã hợp đồng in ấn với nhà xuất bản Nông nghiệp, đã có tài liệu hướng dẫn sử dụng; Cũng đã tổ chức Semina giới thiệu ở Viện và giới thiệu sử dụng (ii) Tài liệu hoàn thành trong khuôn khổ của đề tài: Báo cáo tại Hội nghị của đề tài độc lập cấp Nhà nước “ Nghiên cứu đề xuất các giải pháp chống ngập cho TP Hồ Chí Minh” với tên báo cáo “ Một phương pháp tính tiêu thoát nước tp Hồ Chí Minh” sử dụng thuật toán tính thủy lực của DELTA; và 1 NCS đang làm luận Tiến sỹ ở năm vii Báo cáo Tổng kết KHKT - Đề tài Xây dựng mô hình thuỷ lực và chất lượng nước DELTA giai đoạn cuối (Đặng Thanh Lâm). Hợp tác quốc tế: Đề tài tổ chức thăm quan Châu Âu trong năm 2009 để học tập kinh nghiệm, trao đổi học thuật các mô hình toán thuỷ lực và chất lượng nước với cơ quan hàng đầu quốc tế về lĩnh vực mô hình là Viện Thuỷ lực Đan Mạch (DHI). Nội dung cụ thể gồm: - Hội nghị thảo luận thuật toán, phương pháp số giải bài toán thuỷ lực và chất lượng nước. - Trao đổi về những kỹ năng lập CSDL và giao diện GIS của mô hình thuỷ lực-Chất lượng nước. - Hội nghị thảo luận những ứng dụng của mô hình trong quản lý nguồn nước ở Đan Mạch. - Hội nghị thảo luận kinh nghiệm và chiến lược phát triển mô hình trong ứng dụng công tác tư vấn của cơ quan và thương mại hoá phần mềm thuỷ lực. - Đi thực địa tham quan hệ thống sông, công trình được ứng dụng mô hình để giám sát và quản lý điều hành hệ thống. viii Báo cáo Tổng kết KHKT - Đề tài Xây dựng mô hình thuỷ lực và chất lượng nước DELTA MỤC LỤC DANH MỤC TÀI LIỆU............................................................................................................... ii  LỜI NÓI ĐẦU............................................................................................................................. iv  TÓM LƯỢC ĐỀ TÀI XÂY DỰNG MÔ HÌNH DELTA ........................................................... vi  MỤC LỤC ................................................................................................................................... ix  DANH MỤC CÁC HÌNH .......................................................................................................... xii  DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................................ xiii  DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT........................................................................................... xiv  CHƯƠNG 1: CƠ SỞ HỌC THUẬT MÔ HÌNH THUỶ LỰC VÀ CHẤT LƯỢNG NƯỚC SÔNG KÊNH.............................................................................. 1  1.1  TỔNG QUAN CHUNG.......................................................................................................1  1.2  KHÁI NIỆM VỀ MÔ HÌNH TOÁN ...................................................................................6  1.2.1  Mô hình vật lý và mô hình toán học...........................................................................6  1.2.2  Mô hình như một công cụ quản lý..............................................................................7  1.2.3  Mô hình hoá là một công cụ khoa học........................................................................7  1.2.4  Thế nào là mô hình toán .............................................................................................7  1.2.5  Các bước trong xây dựng một mô hình toán ..............................................................9  Hình 1-1: Mô tả tính ngẫu nhiên và quy luật hình thành lũ ....................................... 9  Hình 1-2: Sơ đồ cân bằng nồng độ BOD trong thể tích V ........................................ 10  1.2.6  Các loại mô hình.......................................................................................................12  1.3  MÔ HÌNH DÒNG CHẢY DELTA ...................................................................................12  1.3.1  Hệ phương trình cơ bản cho dòng chảy....................................................................14  1.3.2  Điều kiện biên, điều kiện đầu, điều kiện tại các hợp lưu..........................................15  1.3.3  Thuật toán giải số hệ (5.1)-(5.2) ...............................................................................15  Trong trường hợp phải tính dòng chảy xiết thì trong (5.16b) có thêm nhân tử σ [11]:..........19  1.3.4  Cách sơ đồ hóa hệ thống sông trong tính toán..........................................................26  1.3.5  Công thức truy đuổi để tính mực nước và lưu lượng trong từng nhánh sông trong trường hợp tính tóan hệ thống sông..........................................................................28  1.3.6  Xây dựng hệ phương trình có ẩn là mực nước tại các nút hợp lưu ..........................28  1.3.7  Một số vấn đề thực hành khi thiết lập các hệ số của phương trình nút (5.40) hay (5.41) và phương pháp giải.......................................................................................32  1.3.8  Thuật toán cho dòng chảy qua công trình ................................................................34  1.3.9  Thuật toán cho dòng chảy trên những ô đồng ..........................................................40  1.3.10  Tính lượng mưa ........................................................................................................47  1.4  MÔ HÌNH CHẤT LƯỢNG NƯỚC DELTA ....................................................................48  1.4.1  Hệ phương trình cơ bản cho bài tóan lan truyền chất một chiều..............................48  1.4.2  Xâm nhập mặn với nồng độ S(x,t) ...........................................................................49  1.4.3  Với BOD có nồng độ B ............................................................................................49  ix Báo cáo Tổng kết KHKT - Đề tài Xây dựng mô hình thuỷ lực và chất lượng nước DELTA 1.4.4  1.4.5  1.4.6  1.4.7  Với DO có nồng độ D...............................................................................................50  Quá trình Nitrat hóa..................................................................................................51  Quá trình Phot pho....................................................................................................51  Phương pháp phân rã để giải phương trình tải khuếch tán .......................................53  Bảng 1-1: So sánh lời giải số và lời giải chính xác đối với phương trình tải............ 64  1.4.8  Về ảnh hưởng của quá trình tải và quá trình khuếch tán ..........................................67  1.4.9  Tính lan truyền chất khi có công trình......................................................................67  1.4.10  Phương pháp tuyến tính hóa giải bài toán lan truyền chất .......................................68  CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH HỆ THỐNG TÍCH HỢP CSDL VÀ GIS CỦA PHẦN MỀM DELTA........................................................................................ 69  2.1  CHỨC NĂNG HỆ THỐNG ..............................................................................................69  2.1.1  Mô tả tổng quan........................................................................................................69  2.1.2  Sơ đồ chức năng .......................................................................................................70  2.2  MÔ HÌNH HÓA CHỨC NĂNG CỦA HỆ THỐNG.........................................................71  2.2.1  Lược đồ User- case..................................................................................................71  2.2.2  Danh sách Operator và Use-case ..............................................................................72  2.2.3  Mô hình hóa chi tiết từng chức năng ........................................................................73  2.3  THIẾT KẾ CƠ SỞ DỮ LIỆU ............................................................................................74  2.3.1  Tổng quan về cơ sở dữ liệu (Database) ....................................................................74  2.3.2  Thiết kế dữ liệu.........................................................................................................79  2.3.3  Thiết kế giao diện màn hình sử dụng .......................................................................85  2.3.4  Thiết kế xử lý - Kiến trúc tổng thể của phần mềm ...................................................91  2.3.5  Cài đặt thử nghiệm ...................................................................................................91  −  Hệ điều hành sử dụng: Windows XP .................................................................................91  −  Môi trường lập trình: .Net Framework 2.0 ........................................................................91  −  DBMS: PostgreSQL 8.2.....................................................................................................91  −  Thư viện đặt biệt đã dùng: .................................................................................................91  CHƯƠNG 3: KIỂM ĐỊNH PHẦN MỀM DELTA .................................................... 92  3.1  SO SÁNH CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MÔ HÌNH MIKE11-ECOLAB VÀ MÔ HÌNH DELTA ..............................................................................................................................92  3.1.1  Hệ phương trình cơ bản mô tả dòng chảy ................................................................92  3.1.2  Sơ đồ sai phân và cách giải số ..................................................................................93  3.1.3  Hệ phương trình cơ bản mô tả chất lan truyền .........................................................96  3.1.4  Giải số hệ phương trình lan truyền chất ...................................................................99  3.1.5  Cách tính mưa.........................................................................................................104  3.1.6  Cách tổ chức chương trình, giao diện người dùng và nối kết GIS .........................105  3.1.7  Đánh giá chung.......................................................................................................106  3.2  SỬ DỤNG DELTA VÀ MIKE11 TRONG TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY VÀ CHẤT LƯỢNG NƯỚC CHO HỆ THỐNG SÔNG ĐỒNG NAI-SÀI GÒN ..............................111  3.2.1  Các sơ đồ tính toán .................................................................................................112  3.2.2  Kết quả mô phỏng mực nước: ................................................................................112  x Báo cáo Tổng kết KHKT - Đề tài Xây dựng mô hình thuỷ lực và chất lượng nước DELTA 3.2.3  Kết quả mô phỏng lưu lượng:.................................................................................117  3.2.4  Kết quả mô phỏng độ mặn: ....................................................................................120  3.2.5  Kết quả mô phỏng độ mặn năm 2005 bằng 2 mô hình Mike và Delta...................122  3.2.6  So sánh kết quả mô phỏng chất lượng nước (BOD, DO):......................................125  3.2.7  Thời gian tính toán: ................................................................................................130  3.3  NHẬN XÉT .....................................................................................................................131  CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG NGHIÊN CỨU ĐIỂN HÌNH ....................................... 133  4.1  KẾT QUẢ MÔ PHỎNG THỦY LỰC VÀ CHẤT LƯỢNG NƯỚC HỆ THỐNG SÔNG ĐỒNG NAI-SÀI GÒN ....................................................................................................133  4.1.1  Khái quát vùng nghiên cứu.....................................................................................133  4.1.2  Hệ thống tài liệu cho xây dựng mô hình. ...............................................................133  4.1.3  Xây dựng sơ đồ và hiệu chỉnh mô hình..................................................................134  4.1.4  Trình bày và nhận xét tổ chức CSDL của Mike11 .................................................136  4.1.5  Khả năng mô phỏng của mô hình Mike11: ............................................................141  4.1.6  Giao diện và tổ chức cơ sở dữ liệu mô hình DELTA.............................................143  4.1.7  Khả năng mô phỏng của mô hình DELTA.............................................................149  4.1.8  So sánh kết quả mô phỏng thủy lực:.......................................................................151  4.2  KẾT QUẢ MÔ PHỎNG THỦY LỰC VÀ CHẤT LƯỢNG NƯỚC HỆ THỐNG SÔNG ĐÔNG SƠN .....................................................................................................................151  4.2.1  Giới thiệu chung về vùng nghiên cứu.....................................................................151  4.2.2  Các tài liệu thu thập liên quan đến hệ thống...........................................................152  4.2.3  Xây dựng mô hình thủy lực ....................................................................................154  4.2.4  Trình bày kết quả tính toán bằng hai mô hình Mike11 và DELTA........................155  4.2.5  Nhận xét kết quả tính toán bằng hai mô hình Mike11 và DELTA.........................172  CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................. 177  5.1  KẾT LUẬN......................................................................................................................177  5.2  KIẾN NGHỊ .....................................................................................................................177  TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................................178  xi Báo cáo Tổng kết KHKT - Đề tài Xây dựng mô hình thuỷ lực và chất lượng nước DELTA DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1-1: Mô tả tính ngẫu nhiên và quy luật hình thành lũ ...... Error! Bookmark not defined.  Hình 1-2: Sơ đồ cân bằng nồng độ BOD trong thể tích V ........................................................10  Hình 1-3: Mặt cắt ngang sông ....................................................................................................10  Hình 1-3: Sơ đồ tổ chức của DELTA.........................................................................................13  Hình 1-5: Vị trí 8 mặt cắt trên một nhánh sông..........................................................................16  xii Báo cáo Tổng kết KHKT - Đề tài Xây dựng mô hình thuỷ lực và chất lượng nước DELTA DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1-1: So sánh lời giải số và lời giải chính xác đối với phương trình tải .............................64  xiii Báo cáo Tổng kết KHKT - Đề tài Xây dựng mô hình thuỷ lực và chất lượng nước DELTA DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AD Advection-Dispersion: Tải - khuyếch tán BOD Biological Oxygen Demand: Nhu cầu ô xy sinh hoá Bộ NN&PTNT Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn CLN Chất lượng nước ĐBSCL Đồng bằng sông Cửu Long HD Hydro-Dynamic: Thuỷ động lực học GIS Graphical Information System: Hệ thống thông tin địa lý CSDL Cơ sở dữ liệu DO Disolved Oxygen: Ô xy hoà tan xiv Báo cáo Tổng kết KHKT - Đề tài Xây dựng mô hình thuỷ lực và chất lượng nước DELTA CHƯƠNG 1: CƠ SỞ HỌC THUẬT MÔ HÌNH THUỶ LỰC VÀ CHẤT LƯỢNG NƯỚC SÔNG KÊNH 1.1 TỔNG QUAN CHUNG Hiện tại, để tính dòng chảy lũ kiệt, xâm nhập mặn, trạng thái ô nhiễm hữu cơ, ...trên các hệ thống kênh sông của Việt Nam (chủ yếu là ĐBSCL, hệ thống sông Sài GònĐồng Nai-Thị Vải, Đồng bằng sông Hồng, sông Hương,...) các kỹ sư và cán bộ kỹ thuật thường dùng một số phần mềm máy tính của nước ngoài và trong nước như được liệt kê và phân tích như dưới đây. A. Các phần mềm từ nước ngoài được du nhập vào Việt Nam theo con đường các dự án (trong đó các phần mềm kèm theo được tính vào tiền dự án, tức là phải mua phần mềm) hoặc bằng con đường của du học sinh hoặc hợp tác song phương. Nhóm mô hình thương mại: Đây là nhóm mô hình mua trực tiếp hoặc tính tiền thông qua các dự án song phương hoặc đa phương: A1) Những mô hình dòng chảy và chất lượng nước có tính thương mại trên thế giới phải kể đến họ mô hình Mike, trong đó Mike11 (với môđun thuỷ lực HD, mô đun tính mặn, chất lượng nước AD, ECOLAB,...) Đây là bộ phần mềm của Viện DHI Đan Mạch, được ứng dụng, nghiên cứu cho dự án quy hoạch và quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai tại nhiều nước trên thế giới như Nhật Bản, Thái Lan, Banglades... Trong khuôn khổ của Dự án tăng cường năng lực các Viện Ngành nước ở Việt Nam, DHI đã đào tạo và chuyển giao bản quyền cho một số cơ quan ngành nước thuộc Bộ NN&PTNT. Một số phần mềm họ Mike khác như Mike Basin (dùng cho tính cân bằng nước), Mike Flood dùng cho mô phỏng lũ, Mike21 dùng cho bài toán nối 1 chiều và 2 chiều trong một vùng nhỏ,.. A1.1- Về bộ Mike11: Mike11 là phần mềm thuộc họ Mike với modun tính dòng chảy HD và modun AD dùng cho tính lan truyền chất (mặn,…), để tính lan truyền chất ô nhiễm phải dùng ECOLAB với các yếu tố lan truyền chất từ thấp tới cao. Để tính dòng chảy trong sông kênh Mike11 cũng sử dụng hệ phương trình SaintVenant một chiều và sử dụng sơ đồ sai phân 6 điểm xen kẽ Q, H của Abbott và Ionescu; tài liệu địa hình được cho tại các mặt cắt tính H; vận tốc u được tính tại điểm Q; Hệ phương trình sai phân được giải trực tiếp và bằng phương pháp lặp, vì vậy tốc độ tính chậm và cần có kinh nghiệm xử lý khi tạo điều kiện ban đầu (hotstart file). Trong Mike11 đã xét các công trình cống đập phổ biến, tuy nhiên đôi khi gặp trường hợp không ổn định khi phải vận hành công trình. Trong modun AD đã sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn cho phương trình lan truyền chất một chiều vì thế thường gặp hiện tượng khuếch tán số ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả như nồng độ có khi bị âm, hoặc khi không có nguồn sinh vật chất trong miền mà nồng độ trong miền cao hơn giá trị ở biên,… 1 Báo cáo Tổng kết KHKT - Đề tài Xây dựng mô hình thuỷ lực và chất lượng nước DELTA Để sử dụng công cụ GIS, trong Mike11 đã dùng kết hợp với bộ ArcView/Arcview GIS để tổ chức cơ sở dữ liệu và biểu diễn kết quả (thông qua các script bằng ngôn ngữ Avenue). Nhìn chung những ưu nhược điểm của bộ Mike11 (được sử dụng nhiều ở Việt Nam chủ yếu qua dự án tăng cường năng lực cho các Viện ngành nước) như sau: + Ưu điểm: - Là phần mềm thương mại nên phần giao diện rất đẹp mắt - Phần nối kết với công cụ GIS rất mạnh kể cả tạo Database (Mặc dù phải cần thêm các phần mềm GIS như ArcView hay ArcGIS,..) - Các tiện ích đầy đủ, dễ cho người sử dụng. - Thuận tiện cho việc giải quyết các bài toán vừa và nhỏ. + Nhược điểm: - Không biết được phần lõi (phần thuật toán, tổ chức chương trình,..) nên không thể cải biên, cập nhật mà phải qua nơi bán, khi đó phải trả thêm tiền và mất thời gian chờ đợi,..) - Khi phải tính cho bài toán lớn như ĐBSCL trong một thời gian dài (mô phỏng cả một năm cho lũ và cạn) Mike11 đòi hỏi nhiều thời gian tính trên máy không thuận tiện cho giai đoạn chạy hiệu chỉnh vì phải chạy rất nhiều lần mới hiệu chỉnh được một tham số nên tốn thời gian chạy trên máy. Hơn nữa để tạo điều kiện ban đầu (hotstart file) đòi hỏi nhiều kinh nghiệm và thường phải xuất phát từ bước thời gian nhỏ.. - Độ chính xác của kết quả tính, đặc biệt cho các bài toán lan truyền chất (mặn, BOD, DO,..) nhiều khi không đảm bảo do bản chất thuật toán được sử dụng (khuếch tán số dẫn đến nồng độ âm hoặc nồng độ sát biên lớn hơn biên khi không có nguồn trong miền) - Vì là phần mềm thương mại nên giá thành rất đắt (Mike11+Ecolab giá 18.000EU, cỡ 400 triệu đồng Việt Nam cho một license) mỗi license, dạng khoá cứng, chỉ dùng được cho một máy tính, hoặc cũng có phiên bản chạy nối kết máy tính trên mạng nhưng giá thành cao hơn nhiều. - Nhiều nghiên cứu trong nước đã sử dụng mô hình Mike11 để làm công cụ tính toán thuỷ lực và chất lượng nước. Nhưng sau khi hoàn thành dự án không chuyển giao công nghệ được vì các cơ quan hưởng lợi từ dự án không có bản quyền sử dụng Mike11 và dự án cũng thường không có đủ kinh phí để mua phần mềm chuyển giao. A1.2- ISIS: Bộ phần mềm này của Công ty Halcrow và trường Wallingford phối hợp xây dựng, được sử dụng trong chương trình sử dụng nước (WUP) của Uỷ Hội sông Mê Công. Mỗi một nước thành viên có được 2-3 license. Tuy phần mềm này, đối với Việt Nam, chưa thương mại hoá như Mike, nhưng du nhập vào Việt Nam thông qua các dự án có thể chuyển giao công nghệ như Chương trình WUP nói trên đây. Giống như bộ Mike11, ISIS cũng sử dụng hệ phương trình Saint-Venant một chiều cho dòng chảy và phương trình lan truyền chất một chiều cho mặn. Khác với Mike11 trong 2 Báo cáo Tổng kết KHKT - Đề tài Xây dựng mô hình thuỷ lực và chất lượng nước DELTA ISIS sử dụng sơ đồ sai phân Preissmann cho dòng chảy và lan truyền mặn. Cũng như Mike11 phần mềm ISIS chưa có khả năng tính mặn trong đồng. Vì là phần mềm thương mại, ISIS cũng có phần giao diện khá đẹp và tiện dụng, tuy nhiên cũng bộc lộ một số yếu điểm và khó khăn khi giải quyết bài toán trên phạm vi rộng, nhiều liên kết như ĐBSCL. Đặc biệt các lỗi về độ chính xác của kết quả tính, đặc biệt về mặn. Trong khuôn khổ của chương trình WUP, phần mềm ISIS đã được sử dụng cho ĐBSCL ở dạng mạng kênh sông được đơn giản hoá rất nhiều (bỏ mạng kênh cấp 2, chủ yếu giữ lại dòng chính), nhưng chưa cho kết quả có thể sử dụng được, đặc biệt là phần tính mặn. Mô đun chất lượng nước vẫn chưa được thử nghiệm nên chưa có kết quả đánh giá cụ thể. Tốc độ tính tóan của ISIS cũng rất chậm và cũng kết hợp với ArcView để nối kết với GIS và Database. Như vậy khi mua Mike11 hoặc ISIS phải trả cả tiền bản quyền của ArcView. Nhóm mô hình phi thương mại (theo nghĩa Việt Nam chưa phải mua mà có được qua các con đường khác nhau như dự án hỗ trợ song phương hoặc đào tạo): A2) Các bộ phần mềm khác như Duflow, Sobek/Wendy,Telemax, Qual2-E, Wasp6,... được du nhập qua các con đường của anh em du học sinh hoặc các dự án nhỏ song phương. Đối với các dự án quốc tế thì đây cũng là các bộ phần mềm thương mại, phải mua bản quyền nên khi sử dụng thường được cơ quan cấp phần mềm khuyến cáo rằng có thể chấp nhận một số rủi ro gây thiệt hại do không được đào tạo, tập huấn và không hiểu biết những hạn chế của mô hình nên khi áp dụng gây lỗi. Vì không có mã nguồn nên không hiểu được hết phần lõi bên trong xử lý ra sao (như thuật tóan, các xử lý đặc biệt,..) và chưa được áp dụng cho các bài toán lớn và phức tạp như ĐBSCL. Các phần mềm này có nguồn gốc từ châu Âu (hoặc Mỹ) với điều kiện sông ngòi khác hẳn điều kiện Việt Nam (chẳng hạn ở Việt Nam mạng kênh sông có dạng mạch vòng phức tạp, chịu ảnh hưởng của thủy triều,..) cho nên không phải khi nào cũng sử dụng được các phần mềm nêu trên. Có thể xét qua phần mềm Sobek, Duflow và Qual2-E: A2.1- SOBEK: Phần mềm này do Delft, Hà Lan, phát triển, gồm phần dòng chảy và tính tóan ô nhiễm 1, 2 chiều, đã nối kết với công cụ GIS. Đã sử dụng hệ phương trình Saint-Venant 1 chiều cho dòng chảy trong kênh sông (trong phương trình có kể số hạng gió và ảnh hưởng của góc nhập lưu). Sobek cũng sử dụng lược đồ sai phân xen kẽ giống như Mike11, có điểm H và điểm Q; địa hình được cho tại các điểm tính H. Các yếu tố ô nhiễm được mô phỏng bằng phương trình lan truyền chất 1 chiều có kể tới quá trình biến đổi sinh hóa của các chất ô nhiễm. Phương trình lan truyền chất một chiều được giải bằng phương pháp sai phân, mặc dù có các lựa chọn các sơ đồ, nhưng do bản chất của lược đồ sai phân, kết quả tính vẫn bị ảnh hưởng bởi hiện tượng khuếch tán số. A2.2- Qual2-E: Phần mềm này do cơ quan bảo vệ môi trường của Mỹ (EPA) phát triển và đã được sử dụng rộng rãi ở Mỹ và một số nước châu Âu. Qual2-E đã được du nhập vào Việt Nam qua một số dự án. Qual2-E cũng sử dụng hệ phương trình SaintVenant và lan truyền chất một chiều và giải bằng phương pháp sai phân và có thể sử dụng cho nhiều yếu tố ô nhiễm (BOD, DO,Tảo, Nitơ, Phốt pho,..). Nhược điểm của Qual2-E là chỉ áp dụng cho mạng sông đơn giản có dạng hình cây (không áp dụng cho mạng sông dạng mạch vòng); thiết diện kênh sông phải đều dạng hình thang, hay hình chữ nhật và không chịu ảnh hưởng của thủy triều 3 Báo cáo Tổng kết KHKT - Đề tài Xây dựng mô hình thuỷ lực và chất lượng nước DELTA A2.3- Duflow: Đây là phần mềm được phát triển bởi Viện thủy lực (IHE) của Hà Lan, Đại học công nghệ Delft, STOWA và trường Đại học nông nghiệp Wageningen. Duflow được thiết kế để sử dụng cho nhiều mục tiêu (tính triều, lũ, sử dụng nước,..). Duflow cũng giải quyết các bài tóan lan truyền chất trong kênh sông có các công trình. Sơ đồ sai phân 4 điểm của Preissmann đã được sử dụng cho bài tóan thủy lực. Duflow có giao diện đồ họa tiện dụng. Vì đây là phần mềm thiết kế chủ yếu cho giảng dạy và đào tạo, cho nên khi sử dụng cho các bài tóan lớn cần có cải biên. B. Các phần mềm trong nước Do các yêu cầu của thực tiễn quy họach và sử dụng tài nguyên nước, nhiều chuyên gia trong nước phải tự xây dựng các bộ phần mềm, để khi cần thiết, có thể tự sửa đổi và cập nhật thuật tóan, mã nguồn (code) để có thể đáp ứng được các yêu cầu tính tóan cụ thể. Các bộ phần mềm do các cán bộ trong nước được nhắc tên và áp dụng nhiều cho các dự án trên 2 Đồng bằng gồm: B1) VRSAP, đây là bộ phần mềm được xem là đầu tiên cho tính tóan thủy lực mạng kênh sông, do cố PGS Nguyễn Như Khuê phát triển sau đợt thực tập tại Hà Lan vào năm 1978. VRSAP đã được Phân viên Quy hoạch Thuỷ lợi Nam bộ nay là Viện Quy hoạch Thuỷ lợi miền Nam (SIWRP) sử dụng cho nhiều dự án quy hoạch sử dụng nước trên ĐBSCL (cả dự án trong nước và quốc tế). VRSAP được nhóm mô hình của SIWRP hoàn thiện dần trong quá trình áp dụng. Do PGS Khuê đã mất, phần nâng cấp và hoàn thiện trong nối kết với GIS được giao cho PGS Nguyễn Tất Đắc đảm nhiệm và đã có báo cáo qua một đề tài NCKH cấp Bộ năm 2005, đã được nghiệm thu 2007. Một số ưu nhược điểm của VRSAP (khi chưa nâng cấp): - Đáp ứng được các yêu cầu tính toán cho các bài toán lớn của ĐBSCL mặc dù phải tính riêng lũ kiệt. - Có chương trình nguồn, có thể hiểu thuật toán và có thể chủ động sửa chữa, thay đổi, mặc dù để hiểu được source codes không phải dễ dàng. - Giao diện còn đơn giản và chưa đẹp - Tốc độ tính còn chậm do phải tính lặp - Khả năng nối kết với công cụ GIS và Database chưa mạnh - Cách tổ chức số liệu cần được nâng cấp - Phần tính chất lượng nước (chủ yếu là mặn) còn gặp khó khăn như đánh giá của NEDECO (Xem tài liệu So sánh SAL và VRSAP, NEDECO 1991). Phần cải tiến VRSAP để thành VRSAP-SAL sẽ được trình bày trong phần dưới. B2) KOD1 của GS.TSKH Nguyễn Ân Niên. Đây là phần mềm dựa trên sơ đồ sai phân hiện áp dụng thực tế còn có những khó khăn. Phần giao diện, nối kết GIS và Database đang trong giai đoạn nâng cấp và hoàn thiện. Mặc dù thời gian tính nhanh nhưng nhiều khi gặp vấn đề cân bằng toàn cục ảnh hưởng tới độ chính xác của kết quả. Trước đây khi tốc độ xử lý của máy tính còn chậm thì thuật toán hiện còn hữu ích, nhưng với tốc độ máy tính hiện nay việc sử dụng thuật toán hiện ảnh hưởng tới độ chính xác của kết quả. KOD1 chủ yếu được một số cán bộ của Viện Khoa học Thủy lợi sử dụng. 4 Báo cáo Tổng kết KHKT - Đề tài Xây dựng mô hình thuỷ lực và chất lượng nước DELTA B3) HydroGIS của TS Nguyễn Hữu Nhân: Đây là phần mềm mới được xây dựng trong một số năm gần đây, phần nối công cụ GIS, demo kết quả và giao diện đã tốt và thân thiện hơn so với các phần mềm trong nước hiện có, tuy nhiên kết quả tính toán còn nhiều điều cần bàn. Mặt khác tác giả Nguyễn Hữu Nhân còn ít công bố về thuật toán của mình. Với những công trình đã công bố có thể thấy một số sai sót về khái niệm thuỷ lực dẫn đến sai sót trong kết quả. HydroGis cũng giải hệ phương trình SaintVenant một chiều bằng sơ đồ sai phân Preissmann, nhưng giải trực tiếp hệ sai phân bằng phương pháp lặp nên tốc độ tính tóan chưa nhanh. Để kết hợp với phần vẽ tác giả đã thêm một số điểm tính trung gian. Phần tính mặn cũng dùng phương pháp phân rã nhưng chi tiết của thuật tóan, cả dòng chảy và lan truyền chất chưa thấy tác giả công bố chi tiết. Gần đây TS Nhân có thêm phần tính dòng chảy xiết bằng phương pháp sóng động học, tuy nhiên trên vùng núi có những đọan vừa chảy xiết, vừa chảy êm thì phương pháp sóng động học không áp dụng được. Các công cụ quản trị cơ sở dữ liệu (CSDL) nhập-xuất được quản trị bằng các công cụ GIS để tạo mới hoặc chỉnh sửa dữ liệu. Các công cụ tích hợp bản đồ và xuất kết quả sử dụng GIS là các tiện ích mạnh trong phân tích kết quả của HydroGIS. Rất tiếc là TS Nhân ít công bố phần lõi thuật tóan nên khó đánh giá tính chính xác của kết quả. B4) MK4 của PGS.TS Lê Song Giang, ĐHBK Tp Hồ Chí Minh. Đây là phần mềm mang tính học thuật nhiều hơn và chủ yếu dùng trong giảng dạy, việc áp dụng cho các bài toán thực tế lớn còn hạn chế. Phần giao diện của MK4 cũng đẹp và đang trong giai đoạn phát triển. B5) SAL (hay SALBOD) của GS.TS Nguyễn Tất Đắc. SAL được xây dựng từ những năm 80 của thế kỷ 20 (với các phiên bản khác nhau qua quá trình hòan thiện) và đã được áp dụng cho nhiều dự án lớn trên ĐBSCL, hệ thống sông Sài Gòn-Đồng NaiThị Vải, kể cả sử dụng cho các dự án quốc tế (thuỷ lực, mặn, ô nhiễm, chua phèn). SAL cũng giải hệ phương trình Saint-Venant một chiều bằng sơ đồ sai phân Preissmann. Tuy nhiên trong SAL đã dùng phương pháp tuyến tính hóa nên không cần giải lặp. Mặt khác trong SAL, trước tiên dùng các công thức truy đuổi để đưa về giải hệ phương trình có ẩn số chỉ là mực nước tại nút hợp lưu và sử dụng thuật tóan giải ma trận thưa nên tốc độ tính tóan nhanh. Phần lan truyên chất trong SAL sử dụng phương pháp phân rã và giải phương trình tải thuần túy bằng phương pháp đặc trưng kết hợp với nội suy spline nên bảo đảm không bị nồng độ âm, mặn lan truyền tới đâu tính tới đó nên tiết kiệm thời gian tính. Theo đánh giá của một số chuyên gia, thuật toán của SAL chặt chẽ về mặt toán và cơ học vì thế SAL tiết kiệm bộ nhớ, thời gian tính, bảo đảm độ tin cậy của kết quả. Phần tính mặn (và chất lượng nước) của SAL cho kết quả hợp lý, ổn định và đã được chuyên gia nước ngoài thẩm định trong dự án Quy hoạch tổng thể ĐBSCL (Xem so sánh SAL và VRSAP, NEDECO 1991). Dùng SAL có thể tính được các yếu tố dòng chảy (mực nước, lưu lượng, vận tốc,...) tính được độ mặn và một số yếu tố của chất lượng nước (ô nhiễm hữu cơ, nước làm mát, phèn,..) Nhược điểm của SAL là phần giao diện, kết nối GIS và Databse. Phần này đang trong quá trình xây dựng và hoàn thiện. Phần học thuật của SAL là cơ sở chính trong cải tiến VRSAP cho nên có tên VRSAP-SAL. 5 Báo cáo Tổng kết KHKT - Đề tài Xây dựng mô hình thuỷ lực và chất lượng nước DELTA Ngòai ra còn có một số phần mềm khác do một số tác giả trong nước phát triển trong khuôn khổ các luận án hoặc các nghiên cứu riêng lẻ và còn ít được áp dụng cho các bài tóan thực tế, hoặc áp dụng theo nghĩa thử nghiệm. Tóm lại: Về mặt học thuật các mô hình tính dòng chảy và chất lượng nước trong sông đều xuất phát từ hệ phương trình Saint-Venant 1 chiều (ở các dạng khác nhau) và phương trình lan truyền chất một chiều. Tuy nhiên sơ đồ và thuật tóan giải các hệ phương trình này lại khác nhau tùy thuộc tác giả của từng mô hình, từ đó độ chính xác của kết quả cũng như thời gian tính trên máy có khác nhau. Các đánh giá kỹ về mặt học thuật cũng như việc áp dụng của từng mô hình nêu trên có thể xem trong các tài liệu tham khảo cũng như được phân tích trong các mục dưới đây. 1.2 KHÁI NIỆM VỀ MÔ HÌNH TOÁN 1.2.1 Mô hình vật lý và mô hình toán học Môi trường thực rất đa đạng và phức tạp, các mối quan hệ giữa các yếu tố đan xen nhằng nhịt. Để khảo sát hoặc nghiên cứu các mối quan hệ đó đã từ lâu con người phải sử dụng mô hình hoá như là một công cụ, có nghĩa là phải đơn giản hoá bức tranh thực hoặc môi trường thực. Mô hình không bao giờ chứa tất cả các đặc điểm của môi trường thực mà chỉ giữ lại các đặc điểm chính các mối quan hệ chính của hệ thống thực mà chúng có thể đặc trưng cho hệ thống đó. Ví dụ: Khi xem xét chất lượng nước người ta chỉ xem xét một vài chỉ tiêu như độ pH, độ cứng, coliform, ...chứ không thể xem xét tất cả các yếu tố khác. Khi xem xét nước biển và nước sông ta chỉ cần xem xét độ mặn,... Một ví dụ khác khi thết kế một con tàu người ta thường làm các mô hình vật lý để xem xét các hình dạng nào có sức cản nhỏ nhất chứ chưa cần chú ý tới việc bố trí ca bin, hầm tầu,… Như vậy quá trình mô hình hóa là quá trình xem xét để chỉ cần giữ lại các đặc điểm chính đặc trưng cho môi trường hoặc vật nào đó cần phải nghiên cứu,… Quá trình làm mẫu một con tàu thuỷ có kých thước theo một tỷ lệ nào đó rồi cho vào thử trong nước với một số điều kiện về sóng gió,... được xem là mô hình vật lý. Một loại mô hình khác thường có tên là mô hình toán sẽ được giải thích kỹ trong các phần dưới, nhưng có thể hiểu nôm na là, các mối quan hệ giữa các hiện tượng, sự vật hay các yếu tố của môi trường bao giờ cũng có thể biểu diễn bằng các quan hệ (hay phương trình) toán học. Bằng cách nghiên cứu hoặc giải các phương trình toán đó người ta có thể phát hiện được các tính chất của các hiện tượng cần quan tâm xem xét. Mô hình hoá bằng các mô hình toán được phát triển rất nhanh trong các thập niên gần đây do các lý do: + Sự phát triển như vũ bão của công nghệ máy tính và công cụ tin học, đồng thời các công cụ mới về toán học cũng phát triển. Hai yếu tố này giúp cho con người có thể giải quyết rất nhanh các bài toán phức tạp về mặt toán học. + Mặt khác yêu cầu về phát triển kinh tế, xã hội và dân số dẫn đến việc suy thoái môi trường, đặc biệt việc ô nhiễm môi trường nước dẫn đến đe doạ sự sống trên hành tinh 6
- Xem thêm -