Tóm tắt Luận án Nghiên cứu xây dựng các mô hình toán phục vụ dự báo một số vấn đề môi trường nước

hình toán phục vụ dự báo một số vấn đề môi trường nước” để nghiên cứu một số mô hình toán nhằm cải tiến tốc độ tính toán cũng như độ chính xác khi giải quyết các bài toán trong Môi trường. ™ Mục đích của luận án Tác giả thực hiện luận án với mục đích nghiên cứu và cải tiến một số mô hình toán trên thế giới cả về độ chính xác lẫn tốc độ tính toán như tính dòng chảy, sự lan truyền chất trên biển và sự bồi, xói đáy tại cửa sông. Từ các nghiên cứu về các mô hình này, tác giả sẽ xây dựng công cụ tính toán và dự báo diễn biến môi trường nước phục vụ công tác quản lý môi trường. ™ Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Để đảm bảo chất lượng của các mô hình, luận án giới hạn về đối tượng và phạm vi nghiên cứu như sau: Đối tượng: mô hình thủy lực, mô hình lan truyền chất hai chiều và mô hình tính sự bồi, xói đáy trên biển. Phạm vi nghiên cứu: vùng biển Cà Mau ™ Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ƒ Ý nghĩa khoa học Kết quả nghiên cứu của luận án cho thấy khả năng cải tiến các MHTTV cả về tốc độ tính toán lẫn độ chính xác bằng việc nghiên cứu phương pháp: đưa các yếu tố tự nhiên tác động đến bài toán vào mô hình, tăng tốc độ tính toán bằng phương pháp tính lưới lồng. 4 ƒ Ý nghĩa thực tiễn Do các mô hình toán ở đây được giải quyết với các điều kiện tự nhiên tổng quát nên có thể được áp dụng trên vùng biển bất kỳ. Công cụ tính toán và dự báo diễn biến môi trường giúp các nhà quản lý giám sát, dự báo và có biện pháp xử lý kịp thời khi có sự cố xảy ra, phục vụ tốt cho kinh tế, quốc phòng, sản xuất và đời sống. TỔNG QUAN ™ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM Việc nghiên cứu các vấn đề về dòng chảy trên biển và các quá trình tự nhiên chịu sự ảnh hưởng của dòng chảy như sự lan truyền các chất ô nhiễm hay sự bồi, xói đáy là một bài toán khó. Dòng chảy trên biển chịu sự tác động của nhiều yếu tố tự nhiên như: sóng, gió, địa hình đáy, nên rất đa dạng và phức tạp. Do vậy, ngay từ đầu thế kỷ 20 đã có nhiều nhà khoa học nghiên cứu về vấn đề này. ƒ Các nghiên cứu trên thế giới Trên thế giới có rất nhiều mô hình, mỗi mô hình có những ưu thế riêng, sự khác biệt là ở chỗ sử dụng các phương pháp tính, các thuật giải và cách xử lý các tham số khác nhau. ƒ Các nghiên cứu tại Việt Nam Việt Nam được coi là quốc gia biển với hơn 3200km bờ biển cùng với thềm lục địa rộng lớn khoảng 1 triệu km2. Do đó việc mô phỏng hoàn lưu ở khu vực biển Việt Nam bằng các mô hình tính toán thủy động lực đã được thực hiện bởi nhiều tác giả khác nhau. ™ CÁC NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÂY VÀ MỘT SỐ VẤN ĐỀ TỒN TẠI CẦN ĐƯỢC GIẢI QUYẾT Hầu hết các nghiên cứu trên thế giới và ở Việt Nam đã tìm ra được các mô hình toán phù hợp để giải các bài toán về mô hình hóa. Tuy nhiên, để đạt độ chính xác cao và có được tốc độ tính toán nhanh thì cần phải giải quyết từng bài toán nhỏ trong tổng thể. Các nghiên cứu trước đây vẫn chưa giải quyết tốt các vấn đề này. ™ NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN Để xây dựng được các MHTTV đạt độ chính xác cao và tốc độ tính toán phù hợp với yêu cầu thực tế, tác giả đã có năm (05) cải tiến khi nghiên cứu các mô hình toán trên thế giới như sau: - Tính toán điều kiện biên cho bài toán mô hình sát với điều kiện thực tế để nâng cao độ chính xác. 5 - Nghiên cứu và áp dụng việc tính toán biên cứng di động do ảnh hưởng của thủy triều để đảm bảo chất lượng tính toán tốt hơn. - Đưa hệ số phân hủy của các chất lan truyền vào bài toán lan truyền chất để nâng cao độ chính xác, giải quyết được cho bài toán chất lan truyền tổng quát. - Phân chia lớp đáy thành nhiều lớp trầm tích khác nhau cho phù hợp với thực tế và nâng cao độ chính xác. - Nghiên cứu xây dựng phương pháp tính bằng lưới lồng để giảm chi phí bộ nhớ máy tính và cải tiến tốc độ tính toán. ™ CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA NGHIÊN CỨU Từ các phương trình cơ bản tính toán dòng chảy, lan truyền chất và chuyển tải phù sa, bồi xói đáy, tác giả sử dụng phương pháp tính toán sai phân hữu hạn, sơ đồ ẩn, còn gọi là sai phân ẩn luân hướng - ADI (Alternating Direction Implicit Method) để giải quyết cho bài toán mô hình hóa 2 chiều. Đặc điểm của phương pháp này là giá trị tính tại một điểm sẽ phụ thuộc vào các điểm lân cận trên lưới sai phân và phụ thuộc vào giá trị tại thời điểm tính toán trước đó. Khi đã có các mô hình toán cơ bản để giải quyết các bài toán này, tác giả nghiên cứu phương pháp tính điều kiện biên, biên cứng di động, hệ số phân hủy, phân chia các lớp trầm tích đáy, tính toán bằng lưới lồng để áp dụng vào các mô hình nhằm nâng cao chất lượng cũng như tốc độ tính toán của các mô hình. ™ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Để thực hiện các mục tiêu đề ra, tác giả sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau: - Nghiên cứu các mô hình toán hiện có trên thế giới để giải quyết các bài toán Môi trường. - Nghiên cứu các hiện tượng tự nhiên ảnh hưởng đến bài toán như: thủy triều làm thay đổi biên cứng của vùng tính, gió ảnh hưởng đến vận tốc và hướng của dòng chảy. - Nghiên cứu các phương pháp tính điều kiện biên, tính biên cứng di động, hệ số phân hủy, phân chia các lớp trầm tích đáy, lưới lồng để áp dụng vào các mô hình. - Kiểm định kết quả tính toán so với các mô hình chuẩn lý thuyết và dữ liệu đo đạc thực tế. 6 CHƯƠNG 1. MÔ HÌNH THỦY LỰC 1.1. Hệ phương trình thủy lực )( )()( 2 22 tf hCh vugu x gfv y uv x uu t u x x =+−+ ++∂ ∂+−∂ ∂+∂ ∂+∂ ∂ ςρ τ ς ς (1.1) )( )()( 2 22 tf hCh vugv y gfu y vv x vu t v y y =+−+ ++∂ ∂++∂ ∂+∂ ∂+∂ ∂ ςρ τ ς ς (1.2) 0)()( =+∂ ∂++∂ ∂+∂ ∂ vh y uh xt ςςς (1.3) Trong đó: u, v: thành phần của véc-tơ vận tốc dòng chảy trung bình theo độ sâu trong hệ tọa độ vuông góc Oxy [m/s]. ς : độ dâng mực nước [m] h: độ sâu tính từ mực nước tĩnh đến đáy [m] g: gia tốc trọng lực [m/s2] C: hệ số Chezy (C = 63) f: tham số Coriolis = 2 ω sinϕ với ϕ : vĩ độ địa lý ω : vận tốc góc của sự quay trái đất [s-1] Số hạng 2 22 )( Ch vugu ς+ + , 2 22 )( Ch vugv ς+ + biểu thị ma sát đáy ρ : khối lượng riêng chất lỏng [kg/m3] xτ , yτ : thành phần của sức căng tiếp gió bề mặt Số hạng )( ςρ τ +h x , )( ςρ τ +h y biểu thị ma sát rối thẳng đứng trên bề mặt. fx(t), fy(t): nguồn thải do lưu lượng từ sông đổ ra ƒ Công thức tính sức căng tiếp gió bề mặt xτ = (0.00063 + 0.000066 * VTTB) * windU * VTTB yτ = (0.00063 + 0.000066 * VTTB) * windV * VTTB 1.2. Điểm cải tiến của luận án Tác giả nghiên cứu ba (03) vấn đề mới là tính toán dòng chảy với điều biên sát với thực tế [CT2], ảnh hưởng của thủy triều đến biên cứng di động để nâng cao độ chính xác 7 [CT7], [CT9] và phương pháp tính toán bằng lưới lồng để làm tăng tốc độ tính toán [CT2], [CT4], [CT6], [CT7], [CT8]. 1.2.1. Điều kiện biên Điều kiện biên có thể là tổng hợp dao động các sóng hoặc vận tốc dòng chảy hoặc lưu lượng nước: - Tổng hợp dao động sóng của N sóng: ∑ = += N i iii tA 1 )sin( ϕως - Lưu lượng: Q = U * W với W là diện tích mặt cắt ướt. - Từ dao động sóng hoặc lưu lượng, suy ra vận tốc dòng chảy tại biên. 1.2.2. Biên cứng di động (Biên động đường bờ) Khi thủy triều lên hoặc xuống, đường bờ biển sẽ bị thay đổi. Khi triều lên, diện tích bề mặt nước tăng lên và sẽ xuất hiện nhiều ô lỏng trong vùng tính. Ngược lại, khi triều xuống, nhiều ô lỏng sẽ mất đi và thay vào đó là các ô cứng (xuất hiện bãi đất tại khu vực thủy triều vừa rút). Nói cách khác, biên cứng của vùng tính toán đã bị thay đổi khi thủy triều lên hoặc xuống. Do vậy, mỗi khi thủy triều thay đổi, biên cứng của vùng tính sẽ được xác định lại cho phù hợp với điều kiện tự nhiên. 1.2.3. Phương pháp tính lưới lồng Độ phân giải của lưới tính ảnh hưởng quyết định đến thời gian và công sức tính toán, đặc biệt đối với những khu vực nghiên cứu rộng lớn. Một giải pháp hữu hiệu cho vấn đề này là sử dụng lưới tính có các độ phân giải khác nhau: độ phân giải thô cho toàn vùng tính và độ phân giải mịn cho những khu vực nhỏ cần nghiên cứu chi tiết. Do các quá trình trong các miền tính khác nhau với các độ phân giải không gian khác nhau, ta sẽ cần đến biện pháp kết nối miền có độ phân giải thô với độ phân giải mịn. Kỹ thuật để kết nối các miền tính có độ phân giải khác nhau này chính là kỹ thuật lưới lồng. Điểm quan trọng là phải đảm bảo sự biến đổi trơn, liên tục ở vùng biên chung. CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH LAN TRUYỀN CHẤT 2.1. Mô hình toán học (2.1) Hay (2.2) 2 2 12 2x y C C C C CE E u v KC P t x y x y ⎛ ⎞ ⎛ ⎞∂ ∂ ∂ ∂ ∂= + − + − +⎜ ⎟ ⎜ ⎟∂ ∂ ∂ ∂ ∂⎝ ⎠⎝ ⎠ 1 1 1 x y C C C C C C CHE HE u v KC P t H x x H y y x y ⎛ ⎞ ⎛ ⎞∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂⎛ ⎞= + − + − +⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ 8 Trong đó: C: nồng độ các chất ô nhiễm cần tính, thường có đơn vị mg/l Ex: hệ số khuếch tán theo phương x [m2/s] Ey: hệ số khuếch tán theo phương y [m2/s] u,v: vận tốc dòng chảy theo phương x,y [m/s] H: độ sâu [m] K: hệ số phân hủy P1: tổng nguồn thải từ bên ngoài 2.2. Điểm cải tiến của luận án Mô hình lan truyền chất ở đây có sự cải tiến tương tự mô hình thủy lực là sử dụng biên cứng di động và lưới lồng để tính. Ngoài ra, trong mô hình lan truyền chất, tác giả sử dụng hệ số phân hủy K để tính toán trong trường hợp tổng quát cho bất kỳ chất lan truyền nào [CT10]. Đối với các nghiên cứu trước đây, với mỗi chất lan truyền, các tác giả xây dựng một phương trình tính toán với hệ số phân hủy cố định. Ở đây tác giả phân tích hệ số phân hủy K thành nhiều thành phần tùy thuộc vào từng chất. Như vậy, ta chỉ cần xây dựng môt phương trình tính chung cho các chất. Khi tính toán chỉ cần thay thế hệ số tương ứng cho chất đó. Khi đó K là tổng hệ số có liên quan đến nồng độ C như hệ số phân hủy sinh hóa, bốc hơi, nhũ tương, (K = K1 + K2 ++ Kn) CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH BỒI, XÓI 3.1. Phương trình chuyển tải phù sa Sự phân bố dòng phù sa trong sông được mô tả bằng phương trình tổng quát sau: 1 1C C Su v x y H C C CHK HKx yt H x x H y y ⎛ ⎞∂ ∂ ⎛ ⎞+ ⎜ ⎟⎜ ⎟∂ ∂ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂+ = + +∂ ∂ ∂ ∂ ∂ (3.1) Trong đó: C : Nồng độ trung bình theo chiều sâu [kg/m3]. u,v : Vận tốc trung bình theo chiều sâu [m/s]. Kx, Ky : Hệ số phân tán [m2/s]. H : Độ sâu tương đối [m], S : Thành phần nguồn/lắng, mô tả sự bốc lên hay lắng xuống của hạt [g/m2.s] H h ζ= + 9 3.2. Phương trình liên tục bùn cát đáy 1 1 bybx x y p qqh C CS HK HK t x x y y x yε ∂⎡ ⎤⎛ ⎞ ∂∂ ∂ ∂ ∂ ∂⎛ ⎞= + + + +⎢ ⎥⎜ ⎟⎜ ⎟∂ − ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦ (3.10) S: Hàm số nguồn. S = E đối với τb > τe S = -D đối với τb < τd S = 0 đối với τd ≤ τb ≤ τe pε : hệ số rỗng trầm tích D*: tham số hạt thứ nguyên T: ứng suất tiếp đáy thứ nguyên E: tỉ lệ xói mòn D: tỉ lệ bồi lắng bτ : ứng suất tiếp đáy [N/m2] dτ : ứng suất tiếp đáy tới hạn đối với bồi lắng [N/m2] eτ : ứng suất tiếp đáy tới hạn đối với xói mòn [N/m2] dm: đường kính trung bình của hạt [m] 3.4. Điểm cải tiến của luận án Tương tự như mô hình lan truyền chất, mô hình tính sự bồi, xói đáy cũng cần mô hình thủy lực như là nền tảng để tính toán. Sự biến đổi của biên cứng và cách áp dụng lưới lồng cũng được áp dụng cho mô hình này [CT9]. Ở các nghiên cứu trước đây, lớp trầm tích đáy được xem như một lớp đồng nhất là cát để công việc tính toán được đơn giản. Tác giả phân tích lớp đáy thành nhiều lớp trầm tích khác nhau như: phù sa, bùn, sét, cát, để tính toán sự bồi, xói đáy chính xác hơn [CT1]. CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN VÀ DỰ BÁO DIỄN BIẾN MÔI TRƯỜNG NƯỚC 4.1. Quy trình xây dựng ứng dụng Sau khi nghiên cứu và cải tiến các mô hình toán, tác giả xây dựng công cụ tính toán các quá trình diễn ra trong môi trường nước và mô phỏng phục vụ công tác dự báo môi trường. Chương trình được viết bằng ngôn ngữ lập trình C#, nhúng phần mềm Surfer và mã nguồn mở MapWindow vào ứng dụng để tự động hóa việc vẽ các kết quả dòng chảy trên 10 biển, sự lan truyền chất, chuyển tải phù sa và bồi-xói, đáy. Từ đó chương trình mô phỏng động các kết quả tính toán trên nền MapWindow. Quy trình xây dựng ứng dụng được mô tả bằng sơ đồ khối dưới đây. 4.1.1. Quy trình tính toán Số lần tính để làm nóng MH=TG làm nóng MH/Bước TG Lần lặp=1 Lần lặp = Lần lặp+1 Lần lặp < Số lần tính để làm nóng MH Đúng Sai Tính vận tốc u trên toàn lưới theo từng dòng (phương x) bằng ma trận 3 đường chéo Tính mực nước, vận tốc v trên toàn lưới Tính vận tốc v trên toàn lưới theo từng cột (phương y) bằng ma trận 3 đường chéo Tính mực nước, vận tốc u trên toàn lưới 11 Số lần tính để dự báo=TG dự báo/Bước TG Lần lặp=1 Lần lặp = Lần lặp+1 Lần lặp < Số lần tính để dự báo Đúng Sai Tính vận tốc u trên toàn lưới theo từng dòng (phương x) bằng ma trận 3 đường chéo Tính mực nước, vận tốc v trên toàn lưới Tính vận tốc v trên toàn lưới theo từng cột (phương y) bằng ma trận 3 đường chéo Tính mực nước, vận tốc u trên toàn lưới Sai Tính nồng độ chất ô nhiễm, phù sa, độ bồi-xói đáy trên toàn lưới theo từng dòng (phương x), từng cột (phương y) bằng ma trận 3 đường chéo Lưu kết quả vận tốc dòng chảy, mực nước, nồng độ chất ô nhiễm, phù sa, độ bồi- xói đáy trên toàn lưới Kết thúc 12 4.1.2. Độ phức tạp của thuật toán Độ phức tạp của thuật toán là O(n3). Độ phức tạp này phụ thuộc 3 yếu tố: thời gian tính toán để dự báo, chiều ngang và chiều dọc vùng tính. 4.1.3. Cấu trúc dữ liệu Để giải quyết các bài toán mô hình hóa, tác giả xây dựng cấu trúc dữ liệu gồm các biến, mảng động, dữ liệu cấu trúc (struct) để lưu trữ và tính toán. 4.1.4. Các màn hình chính của chương trình tính toán và dự báo diễn biến môi trường 4.2. Bộ dữ liệu của mô hình 4.2.1. Mô tả bộ dữ liệu tính toán và kiểm định Bộ dữ liệu đo đạc được sử dụng cho hai mục đích: tính toán các diễn biến môi trường và kiểm định kết quả tính toán của mô hình [17]. Bộ dữ liệu đo đạc sau khi được hiệu chỉnh sẽ được chia thành hai phần phục vụ hai công việc: tính toán và kiểm định. Tiêu chí để chia dữ liệu là phải đảm bảo dữ liệu ở mỗi phần đều có sự liên tục (đo nhiều lần trong ngày), có sự tác động của các yếu tố tự nhiên như nhau (chịu ảnh hưởng của thủy triều, gió, gần cửa sông, ). 4.2.2. Hiệu chỉnh dữ liệu Dữ liệu đo đạc từ các trạm quan trắc khá lớn và thường gặp hai vấn đề sau: có một số dữ liệu bất thường (quá lớn hoặc quá nhỏ), dữ liệu đo không liên tục. Để được số liệu đồng bộ và hạn chế những sai số trên cần chỉnh biên số liệu khi đo đạc xong. Mục đích công tác chỉnh biên tài liệu thủy văn để tính toán diễn biến môi trường là: - Chỉnh sửa sai số của các tài liệu gốc nhằm nâng cao chất lượng của tài liệu. - Bổ sung tài liệu đo không liên tục. 4.2.3. Tham số điều khiển Các tham số điều khiển của mô hình gồm có: điều kiện biên, hệ số rối, ma sát đáy, Hệ số Chezy, hệ số Coriolis, hệ số phân hủy K, bảng phân cấp hạt trầm tích đáy. Khi tính toán mô hình hóa, tác giả sử dụng nhiều bộ tham số. Mỗi bộ tham số sẽ cho một kết quả tính toán. Kết quả này sẽ được kiểm định bằng nhiều phương pháp, trong đó có phương pháp so sánh với dữ liệu đo thực tế (thường là vận tốc dòng chảy và mực nước tại một số nút tính). Sai số giữa dữ liệu tính toán và thực đo được tính bằng hệ số Nash- Sutcliffe và hệ số tương quan. Bộ tham số nào cho kết quả tính toán có hệ số Nash-Sutcliffe lớn nhất sẽ được chọn là bộ tham số cho mô hình tính tại khu vực đó. Với mỗi vùng biển 13 khác nhau, điều kiện tự nhiên khác nhau nên sẽ cần một bộ tham số tính toán riêng. Phương pháp chọn lựa bộ tham số phù hợp cho từng vùng là tương tự nhau. 4.3. Kiểm định mô hình 4.3.1. Kiểm định mô hình thủy lực Mô hình thủy lực là nền tảng cơ bản của mọi bài toán về mô hình hóa trên biển. Khi mô hình thủy lực có độ tin cậy cao thì các mô hình như lan truyền chất, bồi, xói đáy sẽ có cơ sở để đạt độ chính xác cao. 4.3.1.1. Kiểm tra mô hình bằng lời giải giải tích Mô hình được áp dụng cho đoạn kênh hình chữ nhật một đầu hở cuối kênh; đáy nằm ngang; chiều dài L = 100m (là một bước sóng); bề rộng kênh 6m (rất nhỏ so với chiều dài); độ sâu h = 1m. Hình 4.9a. Kết quả mực nước của dòng chảy tại x = 0.5L ¾ Nhận xét: Tại x = 0.5L mực nước dao động với biên độ cực đại. Trong khoảng 5 chu kỳ đầu, hai đường mô hình và giải tích chưa trùng nhau, nhưng từ chu kỳ thứ 6 trở đi thì bài toán đã đi vào ổn định, nghiệm của mô hình đã trùng với nghiệm giải tích. Hình 4.9a. Kết quả vận tốc của dòng chảy tại x = 0.5L ¾ Nhận xét: Tại x = 0.5L vận tốc dao động với biên độ cực tiểu, trong khoảng 7 chu kỳ đầu hai đường mô hình và giải tích chưa trùng nhau, nhưng từ chu kỳ thứ 8 trở đi thì bài toán đã đi vào ổn định, nghiệm của mô hình đã tiến gần đến nghiệm giải tích. -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0 3 6 9 12 15 Moâ hình Giaûi tích Chu Kyø T Möïc nöôùc (m) -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0 3 6 9 12 15 Moâ hình Giaûi tích Chu Kyø T Vaän toác (m/s) 14 4.3.1.2. Kiểm tra trên kênh chữ U Hình 4.13. Trường vận tốc của kênh U (được vẽ với mật độ dày hơn) Hình 4.16. Phân bố vận tốc theo thí nghiệm của Shukry ¾ Nhận xét: Các kết quả dạng trường vận tốc được so sánh với kết quả từ thí nghiệm của cho thấy khá phù hợp với nhau, đặc biệt là tại các điểm uốn cong. 4.3.1.3. Kiểm tra với dữ liệu thực đo Mô hình sử dụng hệ số Nash-Sutcliffe để đánh giá sai số giữa số liệu mô phỏng và thực đo. Bảng 4.1. Tiêu chuẩn đánh giá tương quan giữa số liệu thực đo và tính toán Đánh giá Đạt Khá Tốt N2 0,4 - 0,65 0,65 – 0,85 > 0,85 (Theo Tổ chức Khí tượng thế giới - WMO) Bảng 4.2. Kết quả tính toán hệ số N2 và R2 Trạm Mực nước Vận tốc R2 N2 R2 Bảy Háp 0,953 0,962 0,871 0,892 Vịnh Thái Lan 0,945 0,955 0.873 0,876 15 ¾ Nhận xét: Hệ số Nash-Sutcliffe được tính toán từ số liệu tính toán của mô hình và số liệu thực đo cho thấy kết quả khá tốt (>0,87). Kết quả tính toán mực nước sát với số liệu thực đo hơn vận tốc. 4.3.2. Kiểm tra mô hình lan truyền chất Tính toán kiểm tra mô hình lan truyền được thực hiện trên lưới tính vuông có độ sâu không đổi bằng 5m, kích thước 3000m x 3000m, t=10s, vận tốc dòng chảy được cho là u=v=0.1 m/s, hệ số khuếch tán Ex=Ey=4m2/s; nguồn đổ vào miền tính tại vị trí (xo=5x, yo= 5y) có khối lượng M=5000 Kg. a. Lời giải giải tích b. Kết quả mô hình Hình 4.22: So sánh kết quả lan truyền giữa lời giải giải tích và kết quả mô hình (a): sau 1giờ tính toán; (b): sau 3 giờ tính toán; (c): sau 5 giờ tính toán ¾ Nhận xét: Mô hình thủy lực đã được kiểm chứng chặt chẽ với cả nghiệm giải tích lẫn dữ liệu thực đo. Đó là một tiền đề dẫn đến sự thành công của mô hình lan truyền chất. Ở đây, tác giả cũng đã kiểm định kết quả tính toán lan truyền chất với nghiệm giải tích và cho kết quả khá tốt. 4.3.3. Kiểm tra mô hình chuyển tải phù sa Có nhiều phương pháp kiểm tra kết quả tính toán của mô hình. Một trong những cách đó là so sánh kết quả của mô hình với ảnh viễn thám. Trong các yếu tố cần kiểm định như vận tốc dòng chảy, nồng độ các chất ô nhiễm, dòng phù sa lơ lửng thì dòng phù sa là yếu tố dễ được nhìn thấy qua ảnh viễn thám nhất. Do vậy, tác giả chọn phương pháp so sánh sự chuyển tải phù sa với ảnh viễn thám tại hai thời điểm thủy triều lên và xuống để thấy xu hướng chuyển tải phù sa tại vùng cửa sông Bảy Háp. 16 a. Phù sa lơ lửng khi thủy triều lên b. Phù sa lơ lửng khi thủy triều xuống Hình 4.23. Sự chuyển tải phù sa khi thủy triều lên, xuống do mô hình tính toán a. Phù sa lơ lửng khi thủy triều lên b. Phù sa lơ lửng khi thủy triều xuống Hình 4.24. Ảnh viễn thám sự chuyển tải phù sa khi thủy triều lên, xuống (chụp năm 2003) 4.4. Kết quả tính toán trên biển Cà Mau Cà Mau là một vùng biển có địa hình đáy phức tạp, hình dạng đường bờ có nhiều điểm uốn cong, có ảnh hưởng của thủy triều đến biên, có cửa sông đổ phù sa vào gây nên sự bồi-xói đáy. Đây là vùng biển rất phù hợp với các nghiên cứu của luận án. 4.4.1. Kết quả tính toán dòng chảy trên biển Với mô hình thủy lực, ta cần cung cấp các thông số sau đây để mô hình hoạt động: địa hình đáy (bản đồ độ sâu), điều kiện biên (sóng, lưu lượng hoặc vận tốc), gió, các lưới tính, khoảng cách thời gian giữa các lần tính toán. 17 Hình 4.26. Vị trí đặt lưới mịn trong vùng tính 4.4.1.2. Kết quả khi tính biên cứng di động Để thấy rõ sự khác biệt của việc áp dụng biên cứng di động so với không tính toán biên cứng di động, tác giả ghi nhận lại một số kết quả tính toán về độ dâng mực nước tại một điểm sát đường bờ biển (xem Hình 4.27) và tổng diện tích bề mặt nước khi thủy triều lên, xuống. Hình 4.27. Vị trí ghi nhận độ dâng mực nước tại biên cứng di động 18 Dưới đây là một số kết quả tính toán được ghi nhận lại tại lại điểm sát biên (110, 90). Hình 4.28. Độ dâng mực nước tại gần biên cứng di động (điểm P) Dao động sóng có dạng hình sin nên độ dâng mực nước cũng có dao động dạng hình sin. Khi không tính toán biên cứng di động mà cố định đường bờ biển suốt quá trình tính thì dao động của mực nước có dạng hình sin khá đều theo sự thay đổi của thủy triều. Khi áp dụng việc tính toán biên cứng di động, ta thấy tại đầu pha dao động không có nhiều khác biệt so với cách tính biên không di động nhưng tại cuối pha, mực nước không thay đổi. Điều này hợp lý vì khi biên cứng thay đổi theo thủy triều, mực nước tại điểm sát biên không đổi khi triều xuống. Hình 4.29. Sự thay đổi diện tích bề mặt nước khi tính toán biên cứng di động Rõ ràng khi thủy triều lên, xuống, biên vùng tính cũng thay đổi theo làm cho diện tích bề mặt nước cũng thay đổi. Để thấy rõ sự thay đổi của biên cứng, tác giả ghi nhận lại hình ảnh của biên cứng tại hai thời điểm: thủy triều lên và xuống (xem Hình 4.30) 19 a. Biên cứng khi triều xuống b. Biên cứng khi triều lên Hình 4.30. Biên cứng di động do ảnh hưởng của thủy triều Theo phương X, có nơi nước ngập đến 4km. Với phương Y là 2km. Như vậy khi dùng lưới tính thưa ( =Δ=Δ yx 300m), so với khi không tính biên cứng di động, số nút được tính thêm theo phương X tối đa khoảng 13 nút, theo phương Y là 6 nút. Nếu dùng lưới mịn tại đây ( =Δ=Δ yx 100m), số nút tính thêm sẽ nhiều hơn. Như vậy, số nút tính trong nhiều trường hợp là khá cao và sẽ ảnh hưởng đến kết quả tính toán. 4.4.1.3. Kết quả khi sử dụng lưới lồng Phương pháp tính toán lưới lồng có tác dụng vừa đảm bảo đạt độ chính xác cao tại các vùng quan tâm, vừa đẩy nhanh tốc độ tính toán trên toàn vùng biển rộng lớn. Dưới đây là một số hình ảnh về dòng chảy khi không áp dụng lưới lồng và khi có lưới lồng. c. Dòng chảy sau 1 tháng 15 ngày 12 giờ d. Dòng chảy sau 1 tháng 15 ngày 18 giờ Hình 4.32. Dòng chảy khi có tính lưới lồng 20 40 60 80 100 120 140 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 20 4.4.2. Kết quả tính toán sự lan truyền chất Mô hình lan truyền chất được sử dụng trong luận án để tính sự lan truyền của hai chất đại diện cho các chất ô nhiễm là DO và BOD. Quy trình tính toán sự lan truyền chất ô nhiễm với tất cá các chất là như nhau. 4.4.2.1. Thông số tính toán BOD: Nồng độ nền: 1 mg/l Điều kiện biên: 1 mg/l DO: Chỉ xét đến oxy hoá và trao đổi mặt thoáng (bỏ qua lắng đọng, nitrate hóa, quang hợp). Nồng độ nền: 7.0 mg/l Điều kiện biên: 7.0 mg/l Chọn: K1 = 0.009; K2 = K3 = 0.01 4.4.2.2. Kết quả tính toán c. Nồng độ BOD sau 1 tháng 15 ngày 12 giờ d. Nồng độ BOD sau 1 tháng 15 ngày 18 giờ Hình 4.36. Sự lan truyền BOD khi có tính lưới lồng c. Nồng độ DO sau 1 tháng 15 ngày 12 giờ d. Nồng độ DO sau 1 tháng 15 ngày 18 giờ Hình 4.34. Sự lan truyền DO khi có tính lưới lồng 21 Đối với các khu vực đặc biệt cần quan tâm, ta nên xây dựng lưới mịn tại đó để kết quả tính toán sẽ chính xác hơn. 4.4.3. Kết quả tính toán sự chuyển tải phù sa và sự bồi-xói đáy 4.4.3.1. Thông số tính toán Bảng 4.5. Bảng phân tích cấp hạt theo đường kính hạt (đơn vị: mm) Khối lượng (g) <0.038 0.038-0.063 0.063-0.1 0.1-0.25 20.0 0,8% 1,2% 3,3% 50,7% Khối lượng (g) 0.25-0.5 0.5-1.0 1.0-2.0 >2.0 20.0 32,0% 9,8% 2,0% 0,2% - Nồng độ phù sa tại biên: 0.0001g/ml 4.4.3.2. Kết quả tính toán c. Nồng độ phù sa sau 1 tháng 15 ngày 12 giờ d. Nồng độ phù sa sau 1 tháng 15 ngày 18 giờ Hình 4.38. Sự chuyển tải phù sa khi có tính lưới lồng c. Sự thay đổi địa hình đáy sau 1 tháng 15 ngày 12 giờ d. Sự thay đổi địa hình đáy sau 1 tháng 15 ngày 18 giờ Hình 4.40. Sự thay đổi địa hình đáy khi không tính lưới lồng 22 Trên lưới mịn, sự bồi, xói đáy được tính toán chi tiết hơn. Kết quả cũng chỉ ra rằng khu vực này là khu vực được bồi tụ rất nhiều và chỉ một số ít bị xói mòn. CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 5.1. Kết quả 5.1.1. Các công việc nghiên cứu khoa học đã tiến hành Tác giả nghiên cứu các hiện tượng tự nhiên có ảnh hưởng đến kết quả tính toán mà hầu hết các nhà khoa học đã bỏ qua khi đưa vào mô hình tính. Từ đó, tác giả đề xuất một số phương pháp khắc phục các nhược điểm mà các nhà khoa học trước chưa giải quyết tốt sau đây: xác định điều kiện biên sát với thực tế; đưa ảnh hưởng của thủy triều l