Chuyên đề Mô hình chất lượng nước

u tuân theo định luật Beer Lambert với : ZZ SI I e λ−= 9 Trong đó : IS -Cường độ ánh sáng ở trên bề mặt. Z -Chiều sâu cột nước. Ảnh hưởng của nhiệt độ Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của tốc độ phát triển của tảo được xem xét bằng phương trình của O’Neill 1 max max opt T TX T Tmax T max opt T Tf Xe T T ⎛ ⎞−⎜ − ⎟⎜ ⎟−⎝ ⎠−= − Với ( ) 20.52 11 1 400 w w X ⎡ ⎤+ +⎢ ⎥⎣ ⎦= ( )10 10ln ; 1.85max optw Q T T Q= − = Tmax và Topt là nhiệt độ gây chết và nhiệt độ phát triển tối ưu của tảo. Với tảo lục, các giá trị lần lượt là 45oC và 27oC. 2.2.1.2.Chu trình nitơ trong nguồn nước và qúa trình nitrat hóa Chu trình tuần hoàn nitơ Nitơ cùng với phốt pho và các bon là các thành phần dinh dưỡng chủ yếu ảnh hưởng đến sự sản xuất trong thủy vực nước. Tồn tại trong nước dưới một số dạng như Nitơ hữu cơ, nitơ amôn, nitơrit, nitrat...Chu trình nitơ trong nước được mô tả trong hình 2.2. Qúa trình nitrat hóa Qúa trình amôn hóa các hợp chất hữu cơ có chứa nitơ, như urê CO(NH2)2, nhóm amin...do từ các nguồn thải đưa vào dòng chảy được thực hiện bởi các vi sinh vật gây thối rửa như các loài Pseudomonas Flucrecens, P.aerugisa, Protens-Vulgarie...theo các phản ứng thủy phân sau. ( )2 2NH CO H O+ ( )2 2NH CO H O+ ( )2 2NH CO H O+ ( )2 2NH CO H O+ 10 Sau đó trong nước xảy ra quá trình nitrat hóa, chuyển hóa amomonia thành nitrat. Đây là quá trình hai giai đoạn được thực hiện bởi các vi sinh vật tự dưỡng như Nitrosomonas, nitrobacter ở đó chúng sử dụng các bon vô cơ (CO2) là nguồn cácbon. Các phản ứng đặc trưng cho quá trình này được biểu thị bằng các phương trình sau NH4+ + O2 2 2NO H H O− ++ + 2 2NO O − + 3NO− Qúa trình oxy hóa nitrit thành nitrat thường diễn ra rất nhanh hơn nhiều so với quá trình nitrat hóa. Phản ứng của quá trình có thể được viết lại là. 4 2NH O + + 3 2NO H O H− ++ + Sự chuyển hóa NH4+ thành NO3- đi kèm với việc tiêu thụ một lượng lớn oxy hòa tan, vì vậy quá trình này có ảnh hưởng đến cân bằng oxy trong dòng chảy. Trong dòng chảy sông ngoài ra còn một quá trình quan trọng nữa là quá trình tương tác trao đổi giữa nitơ trong dòng chảy và nitơ ở trong các lớp bùn đáy. quá trình này được thể hiện ở hình trên. Nitơ hữu cơ NH4-N NO2-N N03-N Thủy phân Nitro- somonas Nitro- bacter Nguồn thải Nitơ hữu cơ Nguồn thải NH4+ oxy N2 oxy Nguồn thải NO3- Nitơ thực vật Nitơ động vật Chết Khử Nitrat Hình2.3.Chu trình nitơ trong nguồn nước sông 11 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình Qúa trình nitrat hóa trong sông phụ thuộc vào các yếu tố môi trường. Các yếu tố ảnh hưởng chủ yếu đến quá trình này là nồng độ các chất nền NH4-N, NO2-N, oxy hòa tan cũng như các điều kiện nhiệt độ, pH cho sự phát triển của các loại vi sinh vật tham gia quá trình này. Mối quan hệ của các yếu tố đến quá trình nitrat hoá được biểu thị bằng công thức của Michaelis-Mentons ( ) 4 2 4 2 2 4 2 , , ...maxN N NH NO NH NO f T O BOD k NH k NO μ μ= + + Trong đó : Nμ -Hệ số tốc độ phát triển của vi sinh vật nitrat maxNμ -Hệ số tốc độ phát triển lớn nhất của vi sinh vật nitrat 4 2,NH NO -Nồng độ của NH4 và NO2 4 2 ,NH NOk k -Hằng số Michaelis của NH4 và NO2 ( )2, , ...f T O BOD -Hàm xét đến sự phụ thuộc của quá trình nitrat hóa vào nhiệt độ, oxy hòa tan, nồng độ các chất hữu cơ theo BOD và vận tốc dòng chảy. Các yếu tố ảnh hưởng chủ yếu đến quá trình nitrat hóa trong dòng chảy là pH, nhiệt độ, oxy hòa tan, các chất độc cũng như hình thái của thủy vực nước, chuyển động rối và ánh sáng. ảnh hưởng của pH Hiệu suất tối ưu của các vi sinh vật tham gia quá trình nitrat hóa đạt được khi giá trị pH nằm trong khoảng từ 7.5 đến 8.5 Trong các nguồn nước sông nghiên cứu, giá trị pH thường nằm trong khoảng giá trị kiềm yếu. Khi quá trình quang hợp diễn ra mạnh sẽ làm tăng giá trị pH, trong khoảng thời gian rất ngắn giá trị pH có thể đạt được các giá trị trên 9. Theo Hubber (1984) thì hiệu suất của quá trình nitrat hóa sẽ bị giảm xuống rõ rệt khi giá trị pH cao xuất hiện trong một đoạn ngắn. Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với quá trình nitrat hóa 12 Tốc độ phát triển của các vi sinh vật nitrat chịu ảnh hưởng rất lớn bởi nhiệt độ. Nhiệt độ tối ưu là 20-30oC.ở nhiệt độ nhỏ hơn 5oC hoặc nhiệt độ lớn hơn 45oC quá trình xảy ra rất yếu. Hàm lượng oxy hòa tan thấp ảnh hưởng đến tốc độ của quá trình có thể biểu thị bằng quan hệ Warwick. ảnh hưởng của lượng oxy hòa tan đến quá trình nitrat hóa Hàm lượng oxy thấp ảnh hưởng đến tốc độ của quá trình nitrat hóa. Sự phụ thuộc của tốc độ của quá trình nittrat hóa vào hàm lượng oxy hòa tan được biểu thị bằng phương trình phản ứng động học enzzym của Michaelis-Mentens maxDO DO DO DO k DO φ φ= + Trong đó : DOφ -Hệ số ảnh hưởng của oxy đến quá trình nitrat, mg/l/ngày. maxDOφ -Hệ số ảnh hưởng lớn nhất của oxy đến quá trình nitrat hóa, (mg/l/ngày) DOk -Hằng số Michaelis của oxy, DOk =2mg/l (EPA, 1975) Trong trường hợp nồng độ oxy hòa tan quá nhỏ có thể lấy 0DOφ = ảnh hưởng của nồng độ chất hữu cơ BOD đối với quá trình nitrat hóa Sự phụ thuộc của quá trình nitrat hóa vào giá trị BOD được biểu thị bằng phương trình Curtis,1994 5 5 1.2 0.035BOD BODφ = − Ảnh hưởng của các chất ức chế, các chất hữu cơ dễ phân hủy và ánh sáng Các chất kìm hãm như fomat, glucose làm tăng tốc độ phát triển của nitrosomonas (Bock, 1980) còn các chất pyruvat, acetat làm tăng tốc độ phát triển của nitrobacter. Formiat, acetat, glucose, pepton có tác dụng kìm hãm quá trình oxy hóa các hợp chất amôn. Ảnh hưởng của hình thái dòng chảy và vận tốc dòng chảy 13 Qúa trình nitrat hóa xảy ra theo hai cách do các vi sinh vật lơ lửng cuốn theo dòng chảy và các vi sinh vật dính bám. Hiệu suất của quá trình phụ tuộc chủ yếu vào các loại vi sinh vật nitrat hóa có dạng thực vật hoặc khả năng gắn kết vào các hạt lơ lửng, các giá thể có sẵn trong dòng chảy. Động học của chu trình nitơ trong dòng chảy Quá trình thủy phân 1 3 4 org org org dN A N N dt α ζ β σ= − − (2.16) Trong đó : orgN -Nồng độ các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ, mg-N/l. 1α -Hệ số tỷ lệ nitơ trong sinh khối tảo, mg-N/mg-A. ξ -Hệ số hô hấp của tảo, ngày-1 4σ -Hệ số lắng của các hợp chất hữu cơ, ngày-1 3β -Hệ số thủy phân của các hợp chất hữu cơ, ngày-1 A -Nồng độ sinh khối tảo, mg-A/l Qúa trình ammôn hóa 34 3 1 4 1org dNH N NH F A dt d σβ β α μ + += − − − (2.17) Trong đó : 4NH + -Nồng độ các hợp chất nitơ dạng ammôn, mg-N/l. 1β -Hằng số tốc độ của quá trình oxy hóa 4NH + sang 2NO− 3σ -Nguồn 4NH + trong lớp bùn đáy F -Hệ số tỷ lệ 4NH + tiêu thụ do tảo μ -Hệ số tốc độ sinh trưởng của tảo, ngày-1 Qúa trình Nitrit hóa 14 2 1 4 2 2 dNO NH NO dt β β − + −= − (2.18 ) Trong đó : 4NH + - Nồng độ các hợp chất nitơ dạng ammôn, mg-N/l 2NO − - Nồng độ các hợp chất nitơ dạng nitrit, mg-N/l 1β -Hằng số tốc độ của quá trình oxy hóa 4NH + sang 2NO− , ngày-1 2β - Hằng số tốc độ của quá trình oxy hóa 2NO− sang 3NO− , ngày-1 Qúa trình Nitrat hóa 3 2 2 1(1 ) dNO NO F A dt β α μ − −= − − (2.19) Trong đó : (1 )F− -Hệ số tỷ lệ 3NO− tiêu thụ do tảo 2.2.1.3. Sự phân hủy các chất hữu cơ Quá trình phân huỷ sinh hoá các chất hữu cơ Tốc độ phân hủy sinh hóa các chất hữu cơ trong dòng chảy phụ thuộc vào tốc độ phát triển các vi sinh vật, sự phát triển của các vi sinh vật tỷ lệ với tốc độ phát triển lớn nhất maxBμ và phụ thuộc vào nồng độ chất nền. Qúa trình này được biểu thị bằng phương trình động học Monod. max B B s S k S μ μ= + (2.20) .maxB B s dS S BB dt Y Y K S μ μ− = = + B dB B dt μ= Trong đó : S -Nồng độ chất nền Bμ -Hệ số tốc độ phát triển của vi khuẩn Y -Sản lượng vi khuẩn B -Nồng độ sinh khối vi khuẩn ks -Hằng số Michaelis 15 Đối với nhiều chất nền, ks có giá trị cỡ 10-1 μg/ml. Nếu giá trị này lớn hơn đáng kể so với S , sự biến mất của chất nền là quá trình bậc một theo cả B và S. Động học của quá trình phân hủy chất hữu cơ Giả thiết tốc độ phân hủy các chất hữu cơ tuân theo quy luật của phản ứng bậc một. Qúa trình phân hủy các chất hữu cơ trong dòng chảy được mô tả bằng phương trình. d dL k L dt − = (2.21) Trong đó : kd - Hằng số tốc độ phân hủy các chất hữu cơ, ngày-1 L -Nồng độ các chất hữu cơ theo BOD, mg/l Hằng số này thay đổi theo thành phần các chất hữu cơ. Hằng số có giá trị càng lớn, tốc độ phân hủy càng nhanh. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ T của hằng số tốc độ phân hủy các chất hữu cơ được xác định bằng công thức Van't Hoft - Arrhenius : ( )k kd d T= −20 20θ (2.22) Trong đó : kd -Hằng số tốc độ tiêu thụ oxy -phản ứng phân hủy các chất hữu cơ (T-1) kd,20 -Hằng số tốc độ tiêu thụ oxy ở nhiệt độ 20oC. θ -Hệ số thực nghiệm ( )048,1≈θ Ảnh hưởng của dòng chảy đến sự thay đổi nồng độ các chất hữu cơ Trong dòng chảy tự nhiên, sự thay đổi nồng độ các chất hữu cơ phụ thuộc vào chế độ thủy lực của dòng chảy (vận tốc dòng chảy, chế độ xáo trộn khối nước thải với nước sông) đã có ảnh hưởng của yếu tố dòng chảy đến sự thay đổi nồng độ các chất hữu cơ trong dòng chảy. Do các quá trình như : thay đổi nồng độ do sự keo tụ, lắng các chất hữu cơ dạng phân tán nhỏ. Sơ đồ khối mô hình sự thay đổi nồng độ các chất hữu cơ theo BOD trong dòng chảy BOD Phân hủy hiếu khí Lắng Các nguồn thải điểm, phân tán 16 Động học của quá trình ( )1 3dL k k Ldt = − + (2.23 ) Trong đó : L -Nồng độ các chất hữu cơ theo BOD (mg/l) 1k ,kd -Hằng số tốc độ phân hủy các chất hữu cơ (ngày -1) 3k , ks -Hệ số tốc độ giảm các chất hữu cơ do quá trình lắng (ngày -1). Hệ số tốc độ chuyển hoá các chất hữu cơ trong dòng chảy(kr=kd+ks=k1+k3) 2.2.1.4.Cân bằng oxy trong dòng chảy Cân bằng oxy hòa tan Cân bằng oxy trong dòng chảy sông là khả năng chứa và quá trình hòa tan oxy từ không khí qua bề mặt thoáng của dòng chảy. Hình. 2.5.Sơ đồ cân bằng oxy trong nguồn nước oxy hòa tan Trao đổi oxy tự nhiên Nitrat hóa Khử nitrat hóa Nhu cầu oxy do hô hấp Nhu cầu oxy của bùn đáy Nhu cầu oxy phân hủy sinh hóa Bổ sung do quá trình quang hợp 17 Các quá trình ảnh hưởng đến nồng độ oxy hòa tan Các quá trình tiêu thụ oxy trong dòng chảy bao gồm : quá trình nitrat hóa và khử nitrat hóa, quá trình hô hấp của hệ thực vật nước, quá trình oxy hóa các chất ở lớp bùn đáy và sự phân hủy các hợp chất hữu cơ. Các quá trình bổ sung lượng oxy hòa tan bao gồm : quá trình hòa tan và khuếch tán oxy từ môi trường không khí qua bề mặt thoáng, quá trình quang hợp của hệ thực vật nước. Như vậy, từ các phân tích các quá trình sinh hóa trong dòng chảy ta có phương trình tổng quát mô tả cân bằng oxy hòa tan trong dòng chảy : ( ) ( ) ( ) ( )42 3 4 1 5 1 4 6 2 2BH kdDO k DO DO A k L NH NOdt dα μ α ζ α β α β+ −= − + − − − − − (2.25) Trong đó : k2 (ka) - Hằng số tốc độ khuếch tán oxy qua bề mặt thoáng, ngày-1 k1(kd) - Hằng số tốc độ phân hủy các chất hữu cơ, ngày-1 A - Nồng độ sinh khối tảo, mgA/l k4 - Nhu cầu oxy của quá trình hô hấp trong lớp cặn đáy, mg/m2.ngđ. DO - Nồng độ oxy hòa tan, mg/l DOBH - Nồng độ oxy hòa tan trạng thái bão hòa, mg/l L - Nồng độ chất hữu cơ theo BOD, mg/l d - Chiều sâu cột nước trung bình, m α3 - Hệ số tốc độ sản xuất oxy do quá trình quang hợp của một đơn vị sinh khối tảo, mgO/mgA. α4 - Hệ số tốc độ tiêu thụ oxy của quá trình hô hấp một đơn vị sinh khối tảo, mgO/mgA. α5 - Hằng số tốc độ tiêu thụ oxy khi oxy hóa một đơn vị NH4+ (mgO/mgN) 18 α6 - Hằng số tốc độ tiêu thụ oxy khi oxy hóa một đơn vị NO2- (mgO/mgN) μ - Hằng số tốc độ sinh trưởng của tảo 1β - Hằng số tốc độ của quá trình oxy hóa 4NH + sang 2NO− ,ngày-1 2β - Hằng số tốc độ của quá trình oxy hóa 2NO− sang 3NO− , ngày-1 ξ - Hệ số hô hấp của tảo, ngày-1 Qúa trình khuếch tán oxy qua bề mặt thoáng Qúa trình hòa tan oxy từ không khí vào nước sông được biểu thị bằng hệ số ka. Hệ số này phụ thuộc vào mức độ thiếu hụt oxy trong dòng chảy, tốc độ hòa tan theo định luật Henry. Các yếu tố phụ thuộc bao gồm : áp suất, nhiệt độ, diện tích bề mặt thoáng và độ mặn... Trong dòng chảy sông, phụ thuộc vào sự chuyển động của khối dòng chảy, nhiệt độ môi trường không khí, nhiệt độ nước và sự có mặt của các chất hoạt tính bề mặt trong nguồn nước sông và được xác định bằng các công thức thực nghiệm đối với các dòng chảy có các chế độ thủy lực khác nhau. Các công thức thực nghiệm về hằng số tốc độ thông khí (reaeration) trong dòng chảy thường được biểu thị theo tốc độ dòng chảy và chiều sâu cột nước hoặc sự phân tán các chất và chiều sâu cột nước. Các công thức thực nghiệm Hàm của tốc độ dòng chảy và chiều sâu cột nước. • O'Connor và Dobbin's k u Ha = 12 9 0 5 1 5 , , , (2.26) • Owen - Edwards - Gibbs k u Ha = 23 0 75 1 75 , , (2.27) • Churchill - Elmore - Buckingham k u Ha = 111 67, (2.28) Trong đó : ka -Giá trị logarit tự nhiên -hằng số tốc độ tái hòa tan oxy(ngày-1) :u -Vận tốc trung bình dòng chảy, m/s H -Chiều sâu trung bình, m. 19 Q -Lưu lượng của dòng chảy, m3/s t -Thời gian, ngày-1. Hàm của tốc độ dòng chảy, sự phân tán và chiều sâu cột nước. 5.0 5.1 5.0 xa EH uk = (2.29) Chương 3 THIẾT LẬP VÀ LỰA CHỌN MÔ HÌNH CHẤT LƯỢNG NƯỚC 3.1. Các bước thực hiện xây dựng mô hình chất lượng nước 3.1.1.Bước đầu - Mục đích của việc xây dựng mô hình, vấn đề đặt ra để nghiên cứu là vấn đề gì, tính cấp thiết của vấn đề cần nghiên cứu. - Vấn đề nghiên cứu: cái gì sẽ chuyển biến, thay đổi và sẽ xảy ra trong dòng chảy mà chúng ta nghiên cứu. - Khả năng cho phép chúng ta nghiên cứu. Các yếu tố cần xác định cũng như khả năng và điều kiện cho phép chúng ta có thể xác định được... - Các vấn đề chính cần xác định: độ nhớt, tỷ trọng, dòng chảy, hệ số chuyển hoá hay là các quá trình phú dưỡng hoá cần xem xét...Các vấn đề cần đi sâu nghiên cứu, các vấn đề cần giới hạn. 3.1.2. Bước tiếp theo - Cân nhắc lựa chọn mô hình để nghiên cứu : mô hình vật lý hay mô hình số (numericl model). Mô hình vật lý: tốn kém do việc phải xây dựng một mô hình thu nhỏ, chi phí vận hành và hiệu chỉnh các thông số mô phỏng điều kiện tự nhiên ...tốn kém và đòi hỏi các nhóm chuyên gia có kinh nghiệm lâu năm trong lĩnh vực này. Mô hình số: cân nhắc lựa chọn giữa mô hình 1D,2D và 3D. Khoảng thời gian tính toán với các hệ số. Trung bình trong một chu kỳ thời gian hay tức thời. Mô hình 1 chiều (1D) : kinh tế thoả mãn yêu cầu. Việc tính toán đơn giản và có thể tính tay. Giúp chúng ta có thể xác định nhanh và có thể sơ bộ xác định được các các hệ số trong quá trình khảo sát và đo đạc thực nghiệm để hiệu chỉnh mô hình. Các loại mô hình này rất phổ biến do số liệu đầu vào đơn giản hơn rất nhiều. Thích hợp cho các nghiên cứu ban đầu. Khi vấn đề nghiên cứu trở nên phức tạp hơn rất nhiều, mô hình 1D không đáp ứng được yêu cầu của vấn đề đặt ra thì trên cơ sở mô hình 1D có thể dễ dàng phát triển lên 2D, 3D. Nếu cảm thấy đủ sử dụng rồi thì có thể dừng lại ở đây. Hay nói một cách khác mô hình một chiều là mô hình cơ sở của mô hình chất lượng nước. Đặc biệt đối với các dòng chảy sông, khi không có sự phân vùng trong dòng chảy theo các mặt cắt ngang. Còn theo chiều thẳng đứng ở đây thì thường có thể bỏ qua do chiều sâu thường nhỏ hơn rất nhiều so với chiều rộng. Các mô hình 2,3D: kết quả cho chi tiết hơn, tuy nhiên khi xây dựng thường rất khó xác định các hệ số...Khi sử dụng đòi hỏi rất nhiều các hiểu biết sâu và cụ thể về vấn đề mà chúng ta nghiên cứu. Chưa chắc cho chúng ta các kết quả nghiên cứu tốt hơn nhưng chắc chắn cho chúng ta hình ảnh sẽ đẹp hơn và dễ nhìn hơn... 3.2. Lựa chọn mô hình chất lượng nước 3.2.1. Lựa chọn mô hình Việc lựa chọn mô hình chất lượng nước : cần xem xét mô hình nào là thích hợp cho đối tượng mà chúng ta nghiên cứu dựa trên cơ sở lý thuyết. Thường vấn đề này đã có người khác lựa chọn vấn đề này giúp chúng ta rồi. Đó là các mô hình đã sử dụng rất rộng rãi gần hơn 100 năm của lịch sử phát triển MHCLN. Tuy nhiên cần lưu ý : trong các mô hình chất lượng nước đã sử dụng rộng rãi thì các hệ số, các sai số trong điều kiện thực tế của họ đã được hiệu chỉnh trong điều kiện cụ thể của họ. Như vậy, chúng có sự thừa nhận trong con mắt của rất nhiều người (những người thừa nhận mô hình). Nhưng khi áp dụng vào điều kiện thực tế của chúng ta sẽ xuất hiện các vấn đề: -Kinh phí đầy đủ để mua toàn bộ chương trình tính toán. -Các dữ liệu, các hệ số có thể thu thập và xác định trong điều kiện cụ thể trên đối tượng của bạn hay không. Nếu không có đủ sẽ xảy ra vấn đề là : đối tượng nghiên cứu của bạn một phần sẽ trong điều kiện của địa phương nghiên cứu và một phần sẽ nằm tại địa điểm của người xây dựng chương trình này. Qúa trình lan truyền chất Dữ liệu Chuổi số ứng dụng sơ bộ Kiểm tra,so sánh với các số liệu Hiệu chỉnh áp dụng vào tính toán Kiểm tra Sửa chữa Chuổi số liệu Chuổi số liệu Chuổi số liệu Mô hìn h so sán h Phát triển lý thuyế Phương pháp số Lý thuyế t Mô hình mới Tổng quát tính toán Dự báo chất lượng nước Chất lượng nước thực tế Hình 3.1. Sơ đồ thiết lập mô hình chất lượng nước Vấn đề này, có thể ví dụ như một chiếc ô tô có thể là rất thích hợp, rất tốt trong điều kiện ôn đới nhưng nó có thể trở thành không có giá trị trong điều kiện nhiệt đới. Không có sản phẩm thương mại nào mà có thể áp dụng cho mọi đối tượng. Như vậy khi muốn sử dụng một chương trình có sẵn cần thiết phải có hiểu rất sâu về các giới hạn, các điều kiện biên, các hệ số của chương trình để có thể cải tiến và hiệu chỉnh cần thiết. Điều kiện tiên quyết ở đây là: bạn phải xây dựng và lựa chọn các hệ số trong điều kiện cụ thể của bạn. 3.2.2. Sự phát triển lý thuyết của vấn đề Việc đầu tiên cần phát triển lý thuyết của vấn đề của bạn với đối tượng cụ thể mà cần xem xét và đánh giá. Phát triển lý thuyết các vấn đề: phương trình chuyển động, phương trình liên tục và phương trình lan truyền chất. Quan điểm của Albert Einstein: mỗi mô hình cần phải thoả mãn yêu cầu của thực tiễn và càng đơn giản càng tốt, trừ phi không thể đơn giản hơn. 3.2.3. Kiểm định và hiệu chỉnh Bằng các chuỗi số liệu thực đo. Ví dụ: mô hình tính toán sự lan truyền các chất từ các nguồn thải điểm vào dòng chảy, điều kiện chọn lựa là mùa hè. Các chuỗi số liệu được kiểm định, các hệ số sẽ thay đổi so với điều kiện các mùa khác sẽ không cho chúng ta giá trị xấp xĩ tốt để hiệu chỉnh. Sau khi sử dụng các chuỗi số liệu để hiệu chỉnh các hệ số sẽ thay đổi. Khi hiệu chỉnh cần lựa chọn một vài hệ số ổn định để hiệu chỉnh các hệ số khác và sau đó tiến hành hiệu chỉnh các hệ số cố định hoặc hiệu chỉnh tất cả các hệ số đồng thời. Các điều kiện cần làm rõ khi hiệu chỉnh: - Điều kiên biên và tải trọng. - Điều kiện ban đầu. Các quá trình đặc trưng cho đối tượng (quá trình mà chúng ta cần mô tả và làm rõ). Các chất hữu cơ : quá trình vật lý, hoá học hay sinh học trong dòng chảy. Các hệ số cần kiểm định: động học, hệ số, các hệ số đặc trưng cho quá trình chuyển hoá các chất trong dòng chảy. 3.3. Các phương pháp số tính toán sự lan truyền các chất ô nhiễm trong dòng chảy 3.3.1.Các phương pháp số trong nghiên cứu mô hình thủy lực Trong tự nhiên dòng chảy thường không ổn định, ở đó các yếu tố thủy lực tại một mặt cắt thay đổi theo thời gian (chuyển động không dừng). Chuyển động không ổn định được chia thành hai loại: chuyển động không ổn định thay đổi gấp, và chuyển động không ổn định thay đổi chậm dần. Phương trình cơ bản của dòng chảy là tập hợp hệ thống hai phương trình đạo hàm riêng phi tuyến có các hệ số biến đổi dạng Hyperbolic. Phương pháp số để giải loại phương trình này gặp một số trở ngại trong việc đặt các điều kiện biên. Việc tích phân hệ phương trình này gặp nhiều khó khăn, chỉ có thể tìm được nghiệm trong một vài trường hợp đặc biệt như kênh có tiết diẹn hình chử nhật, đáy nằm ngang và bỏ qua sức cản. Các điều kiện này rất khác xa so với điều kiện thực tế. Hiện nay, các phương pháp số được sử dụng để tính gần đúng cho dòng ổn định thay đổi chậm dần bao gồm : phương pháp giải tích, phương pháp đường đặc trưng và phương pháp sai phân hữu hạn. Phương pháp tích phân toán học chặt chẽ được sử dụng để tìm nghiệm giải tích của hệ phương trình trên. Theo phương pháp này, cần có những giả thiết để đưa hệ phương trình Saint-Vennnant về dạng đơn giản, rồi tích phân các phương trình này với các giả thiết là mặt cắt sông hình chử nhật hay lăng trụ, độ dốc bằng không hoặc bằng hằng số, độ nhám cố định, bỏ qua sức cản... Nhờ các giả thiết trên, các phương trình vi phân đạo hàm riêng phi tuyến được biến đổi thành phương trình vi phân đạo hàm riêng tuyến tính. Để giải được các bài toán dạng không ổn định. Phương pháp sai phân hữu hạn Phương pháp sai phân là biến đổi từ hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng Saint-Vennant thành hệ phương trình đại số phi tuyến do tính chất phi tuyến của hệ ơng trình Saint-Venannt. Sau đó thực hiện việc tuyến tính hóa hệ phương trình đại số phi tuyến và giải hệ phương trình thu nhận được các giá trị về các yếu tố thủy lực cần biết trên các nút lưới tính toán. Phương pháp sai phân để giải bài toán thủy động lực một chiều đã được các tác giả nghiên cứu, như J.A.Cung, C.Lai, V.Bellos, F.Ionescu...với các phương pháp sai phân theo các sơ đồ khác nhau. Có hai phương pháp sai phân : phương pháp sai phân theo sơ đồ ẩn và phương pháp sai phân theo sơ đồ hiện. Mỗi một phương pháp có những mặt mạnh khác nhau. Phương pháp sai phân sơ đồ hiện Nếu sau phép sai phân hệ hai phương trình đại số với hai ẩn số và có thể giải ngay được hai ẩn số đó hoặc giá trị của hàm ẩn tại các nút lưới được xác định một cách riêng lẽ không cần các phương trình tại các nút lưới khác thì sơ đồ sai phân được gọi là sơ đồ hiện. Các sơ đồ sai phân : tam giác cân ngược, tam giác cân thuận, sơ đồ hình thoi trung tâm...ưu điểm của sơ đồ hiện là sự đơn giản của việc tính toán và lập chương trình. Nhưng lạ không cho chúng ta tính toán với các bước thời gian lớn, vì để sơ đồ sai phân ổn định giá trị bước thời gian bị hạn chế bởi điều kiện CFL(Courant-Friedric-Levi) dẫn tới việc lựa chọn thời gian tính toán bé không thích hợp cho các bài toán yêu cầu tính toán với các chu kỳ dài. Phương pháp sai phân sơ đồ ẩn Trong trường hợp sau khi sai phân, số hàm ẩn lớn hơn hai thì phải áp dụng sai phân cho một lớp các điểm rời rạc. Cùng với các điều kiện biên sau khi tuyến tính hóa ta được hệ phương trình đại số tuyến tính đóng kín. Giải hệ phương trình đại số này ta có nghiệm ở một loạt các điểm mà chúng ta cần tính toán. Với sơ đồ ẩn việc tính toán các giá trị hàm ẩn tại một nút nào đó đòi hỏi phái giải đồng thời một hệ phương trình của tất cả các nút ở cùng một thời điểm, còn bước thời gian được chọn theo quan điểm của độ chính xác chứ không phải theo tính ổn định. Các sơ đồ ẩn trở nên rất thuận tiện cho việc tính toán dòng chảy không ổn định trong mạng kênh sông có lòng dẫn phức tạp, nhược điểm là việc giải hệ phương trình tại mỗi bước thời gian cần phải tính lặp, có khối lượng tính toán lớn, đòi hỏi bộ nhớ và thời gian tính toán lớn hơn. Với sơ đồ ẩn việc tính toán các giá trị hàm ẩn tại một nút nào đó đòi hỏi phái giải đồng thời một hệ phương trình của tất cả các nút ở cùng một thời điểm, còn bước thời gian được chọn theo quan điểm của độ chính xác chứ không phải theo tính ổn định. Các sơ đồ ẩn trở nên rất thuận tiện cho việc tính toán dòng chảy không ổn định trong mạng kênh sông có lòng dẫn phức tạp, nhược điểm là việc giải hệ phương trình tại mỗi bước thời gian cần phải tính lặp, có khối lượng tính toán lớn, đòi hỏi bộ nhớ và thời gian tính toán lớn hơn. 3.3.2. Phương pháp số giải bài toán lan truyền chất Các phương pháp giải tích hầu như không thể áp dụng để tìm nghiệm tổng quát của bài toán Tải-khuếch tán trong trường hợp tổng quát. Chỉ được áp dụng trong trường hợp với giả thiết dòng chảy với chế độ ổn định...Cách giải phổ biến là các phương pháp số : phương pháp sai phân hữu hạn, phương pháp phần tử hữu hạn. Hai phương pháp này có những ưu và hạn chế khác nhau. Phương trình tải-khuếch tán là phương trình dạng Parabolic, được giải bằng một số phương pháp số quen thuộc, như phương pháp sai phân hữu hạn, phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp đường đặc trưng. Các phương pháp sai phân cho bài toán loại này : phương pháp Lax-Richardson, phương pháp Upwin, phương pháp Leonard, phương pháp Duford-Frankel, phương pháp Lax-Wendroff, phương pháp Crank-Nicolson, sơ đồ Brian-Stone, phương pháp sai phân theo hướng, phương pháp sai phân trung tâm. 3.4.Các mô hình BOD & D (DO) trong dòng chảy 3.4.1. Phương trình cơ bản Phương trình cơ bản mô tả sự lan truyền và phân bố vật chất trong dòng chảy được gọi là phương trình tải-phân tán vật chất trong dòng chảy. T