MƠ HÌNH QUAL2K PGS.TSKH Bùi Tá Long , Đại học Bách khoa Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh Tổng quan QUAL2K QUAL2E Brown Barnwell xây dựng năm 1987, QUAL2K cải tiến đời 3/2006 http://www.epa.gov/athens/wwqtsc/html/qual2k.html Lịch sử phát triển Qual I & II, Stream Water Quality, Texas Water Development Board, Environmental Protection Agency; (1971, 1973); Qual2E, Enhanced Stream Water Quality Model; EPA, Center for Exposure Assessment Modeling;(1985) QUAL2E-UNCAS phiên nâng cao QUAL2E cung cấp khả để phân tích tính khơng chắn QUAL2K phần mềm phát triển Greg Pelletier Steve Chapra WASP, Water Quality Analysis Simulation; EPA: WASP (1983, DiToro), WASP4 (1988), WASP5 (1993), WASP6 (2001), WASP7 (2006) Đặc điểm … Tiếp theo Mơ hình QUAL2E mơ hình chất lượng nước sơng tổng hợp toàn diện phát triển hợp tác trường Đại Học Tufts University Trung Tâm Mơ Hình Chất Lượng nước Cục mơi trường Mỹ Mơ hình cho phép mô 15 thành phần thông số chất lượng nước sông bao gồm nhiệt độ, BOD5,DO, tảo dạng chlorophyl, nitơ hữu ( Norg), nitrit ( N-NO2-), nitrat (N-NO3- ), phốt hữu (Porg), phốt hịa tan, coliform, thành phần chất khơng bão hịa thành phần bảo toàn nước Chạy Window viết ngôn ngữ Visual Basic; Qual2e phân chia đoạn sông thành nhiều đoạn nhau, Qual2k sử dụng đoạn chia không tùy thuộc vào nguồn thải nhiều hay ít; Qual2k sử dụng CBOD CBOD phân hủy nhanh (BOD5) CBOD phân hủy chậm; Nhược điểm… …Tiếp theo Chỉ mô theo chiều áp dụng cho sơng khơng q rộng; Khơng tính tốn ảnh hưởng thủy triều Mơ hình áp dụng cho sơng nhánh xáo trộn hồn tồn Cơ chế vận chuyển dịng lan truyền phân tán dọc theo hướng dịng (trục chiều dài dịng kênh) Mơ hình cho phép tính toán với nhiều nguồn thải, điểm lấy nước cấp, nhánh phụ dòng thêm vào lấy Mơ hình thủy lực tính dịng chảy kênh sơng; 11 10 Biến Kí hiệu Đơn vị Độ dẫn điện s mhos Răn lơ lửng vô mi mgD/L Oxy hoà tan o mgO2/L Nhu cầu Oxy sinh hoá phản ứng nhanh cs mgO2/L Nhu cầu Oxy sinh hoá phản ứng chậm cf mgO2/L Nitơ hữu hoà tan no N/L Ammoniac na N/L Nitrate (NO3-) nn N/L Phospho hữu hoà tan po P/L Phospho vô pi P/L Sinh vật phù du ap A/L Thành phần vật chất hữu mo mgD/L Tác nhân gây bệnh x Cfu/100mL Chất Bazo Alk MgCaCO3/L Tổng cacbon vô cr Mol/L Sinh vật đáy ab GD/m2 12 Mô hệ thực Phân tử thượng nguồn Nguồn điểm Điểm nước Điểm nước Nguồn điểm Nguồn dạng điểm Nguồn nước dạng diện Nguồn điểm Dòng hạ lưu 13 14 Giả thiết Các đoạn sông (reach) (mỗi đoạn sông tập hợp phần tử tính tốn) sở tất liệu đưa vào mơ hình Các liệu thuỷ lực, số tốc độ phản ứng, điều kiện ban đầu, số liệu lưu lượng bổ sung không đổi cho tất phần tử tính tốn đoạn sơng Bước việc mơ hình hố hệ thống sông chia hệ thống sông thành đoạn sông (reaches), đoạn sông phần dịng chảy có đặc tính thuỷ lực tương đối đồng Mỗi đoạn sông lại chia thành nhiều phần tử hay phân tố tính tốn (computational) có chiều dài Do đó, tất đoạn sơng có bao gồm số ngun phân tử tính tốn 15 16 Chuẩn bị nhóm số liệu Cao trình đáy cao trình mặt nước  Xác định biên thượng hạ lưu (upstream, downstream)  Chia sông thành đoạn (reach), xác định mặt cắt (cross section)  Xác định tham số mặt cắt  Xác định cao trình đáy mặt cắt (elevation) 17 18 … Tiếp theo Xác định thông số mặt cắt      Chiều sâu h Bề rộng đáy kênh b Bề rộng mặt thống B Diện tích mặt cắt ướt A Chu vi ướt P Bán kính thủy lực R = A/P Hệ số mái dốc m = ctg ψ 19 B : bề rộng mặt cắt ngang (mét) H : cao trình mặt nước (mét) h : cao trình đáy sông (mét) Hệ số mái dốc trái ctg  Hệ số mái dốc phải ctg  20 Phạm vi hệ số thủy lực Xây dựng mối quan hệ vận tốc – lưu lượng, lưu lượng – mực nước cho số mặt cắt Phương trình Số mũ Hệ số Giá trị đặc trưng Phạm vi U = aQb b a 0.43 0.4-0.6 H = Q   0.45 0.3-0.5 Ac = 21 Phương trình Manning 22 …Tiếp theo Q = lưu lượng (m3/s) Diện tích mặt cắt ngang kênh hình thang tính sau: S0 = độ dốc đáy (channel slope) (m/m) Ac = [ B0 +0.5(ss1 + ss2)]H Trong đó: n = hệ số thơ (hệ số gồ ghề) Manning Ac = diện tích mặt cắt (m2) A Q ,B= c U H B0 = độ rộng đáy (m) ngang ss1 ss2 = hai độ dốc cạnh xiên (m/m) (side slope) H = độ sâu đoạn (m) (reach depth) P = chu vi phần thấm nước (m) Chu vi phần bị thấm nước tính sau: S1/2 A 5/3 c Q = 2/3 n P P 23  B  H s s1   H s s2  24 Hệ số nhám (hệ số gồ ghề) kênh sông …Tiếp theo Thay hai phương trình cuối vào phương trình xuất phát dùng để giải lặp lặp lại đối vơi độ sâu sau (Chapra Canale 2002) H  Qn  k 1 3/5    B  H s 2s   H s 2s   / 10  B   s s1  s s  H  S    /5 Vật liệu n KÊNH NHÂN TẠO Bê tông 0.012 Sỏi đáy với cạnh làm Bê tông 0.020 Đá trát vữa 0.023 k = 0,1,2, ,n, n = số lần lặp Đóng đắp (đổ đá) 0.033 Phương pháp hồn tất sai số ước tính giá trị 0.001% Sai số ước tính tính sau: Sạch, thẳng 0.025-0.04 Sạch, quanh co có cỏ dại 0.03-0.05 Cỏ dại, vực, quanh co 0.05 Dịng suối có đá cuội 0.04-0.10 Nhiều bụi thân gỗ 0.05-0.20 Trong   a H k  H  H k * k  100 % KÊNH SUỐI TỰ NHIÊN 25 Các tham số QUAL2K Dưới tham số Qual2K: Thơng tin mặt cắt thượng nguồn – – – – – – – – Kinh/vĩ độ cao trình (hệ quy chiếu địa phương) Nhiệt độ Oxy hòa tan BOD Chất hữu (nitrogen) Phốt Chất ba zơ pH – – – Kinh/vĩ độ cao trình Mơ hình thủy lực (đập, hệ số cản manning) Thông tin tảo Thông tin đoạn 26 … Tiếp tục Nhiệt độ khơng khí (tốt theo giờ) Nhiệt độ điểm sương (tốt theo giờ) Vận tốc gió thơng tin ánh sáng ngày Thơng tin nguồn thải – – Lưu lượng chất lượng nước vào(nguồn điểm hay phân tán) Lưu lượng chất lượng nước (nguồn điểm hay phân bố) Hệ thống tốc độ phản ứng hóa học Độ dẫn điện Mơ hình ý niệm cân xy Oxy hồ tan Răn vơ lơ lửng BODf Thấm khí BODs Sinh vật đáy α1 NO3 (1 Nitơ hữu hoà tan Q2K β2 α 3β NO2 Ammoniac Chất Bazo F) Tổng bon vô α 5β β1 Nitrate (NO3- ) Vi sinh gây bệnh Chất lơ lửng Sinh vật phù du Phospho vô α1 β3 Phospho hữu hoà tan σ4 N-hữu Đoạn Headwater Mô tả đoạn Reach Số liệu nhiệt độ Temperature data Số liệu chất lượng nước WQ data Số liệu chất lượng nước WQ data Nhiệt độ Temperature Số liệu chất lượng nước max WQ data max Nhiệt độ điểm sương Dew Point Temperature Vận tốc gió Wind speed Độ che phủ mây Cloud cover Độ che bóng Shade Tốc độ biến đổi Rates Số liệu đoạn chọn Diel Data Tổng hợp số liệu nguồn thải Source Summary Thời gian di chuyển Travel Time Nhiệt độ đoạn lựa chọn Temp Diel Kết thuỷ lực Hydraulics Plot Data Tổng hợp số liệu thủy lực Hydraulics Summary Lưu lượng Flow Oxy hòa tan đoạn lựa chọn DO Diel Kết nhiệt độ Temperature Plot Data Nhiệt độ đầu Temperature Output Vận tốc Velocity pH đoạn lựa chọn pH Diel Độ sâu Depth Chất lượng nước WQ Output Chất lượng nước WQ Min Chất lượng nước max WQ max Dịng thơng lượng trầm tích Sediment Fluxes Alk Diel, Cond Diel, TSS Diel, ISS Diel, Detritus Diel, TN Diel, Norg Diel, NH4 Diel, NO3 Diel, NH3 Diel, TP Diel, TKN Diel, Porg Diel, Inorganic P Diel, Phyto Diel, Bot Algae Diel, Bot Algae Internal, Pathogens Diel Nhiệt độ Temperature Kết chất lượng nước max WQMax Plot Data Kết thơng lượng trầm tích Sediment Flux Plot Data Độ dẫn điện Conductivity Oxy hòa tan Dissolved Oxygen Mảnh vụn Detritus BOD pha cacbon chậm CBOD slow Diffuse sources Nguồn diện BOD pha cacbon nhanh CBOD fast BOD pha cacbon nhanh CBOD fast α5 β4 σ1 Trầm tích P-vơ σ2 30 Mầu xanh da trời lợt: vùng số liệu mà user cần nhập vào Mầu vàng: liệu user nhập vào Dữ liệu lên đồ thị Q2K tạo Màu xanh cây: liệu đầu Q2K sinh Màu tối đậm: sử dụng để ký hiệu nhãn không thay đổi Kết chất lượng nước WQMin Plot Data Tổng hợp số liệu đoạn chọn Diel Output Tổng hợp số liệu đoạn vẽ Plot Summary P- hữu Kết chất lượng nước WQ Plot Data Chất rắn lơ lửng ISS Ánh sáng nhiệt độ Light and temperature Point sources Nguồn điểm Thấm khí Reaeration Tảo α 2ρ Qui ước chung CẤU TRÚC FILE EXCEL Số liệu thủy lực Hydraulics Data α4ρ k3 σ3 29 Thông tin hệ thống QUAL2K BOD α2 α1F NH4 α4 SOD k4 k1 DO Organic N, NH4, NO3, Organic P, Inorganic P, Phytoplankton, Bot Algae mgA per m2, Bot Algae gD per m2, Alkalinity, pH, Pathogens, NH3, Total N, Total P, TKN, TSS, SOD, CH4 Sed Flux, NH4 Sed Flux, NO3 Sed Flux, Inorganic P Sed Flux, Team Title 31 32 Tiếp… Tiếp… Calculation step: bước thời gian sử dụng để tính tốn Giá trị phải nhỏ Nếu user nhập vào giá trị lớn chương trình tự động cho bước tính tốn Final time: Thời gian tính tốn Đây phải số nguyên lớn hay ngày Nếu nhập vào giá trị nhỏ 2, chương trình tự đồng đặt Program determioned calc step (output): chương trình lấy Calculation step user nhập vào làm tròn Time of last calculation (output): chương trình tự động hiển thị thời gian máy tính cần thiết để mơ Time of sunrise:thời gian mặt trời mọc Time of solar noon:thời gian mặt trời vào buổi trưa Time of sunset: Thời gian hồng Photoperiod: chu kỳ sáng River name: tên sông hay kênh chọn để mô Sau chương trình chạy tên với ngày hiển thị tất sheets đồ thị; Saved file name: Tên tập tin liệu sinh Q2K chạy Directory where file saved: đường dẫn đầy đủ thư mục lưu trữ file; Month:Tháng mô (January=1, February=2,…) Day:Ngày mô Year:Năm mô Time zone: Thanh trượt cho phép chọn vùng thời gian phù hợp (Mỹ) Daylight savings time: Có ánh nắng mặt trời hay không (Yes, No) 33 34 Tiếp… Khoảng thời gian chiếu sáng (photoperiod) f (giờ) tính sau: f = tss – tsr tss = thời điểm mặt trời lặn (giờ) tsr = thời điểm mặt trời mọc (giờ) Headwater Flow: lưu lượng phần tử thượng nguồn (m3/s); Prescribed downstream boundary: Nếu biên phía khúc có ảnh hưởng tới mô phỏng: Yes Head Water Water Quality: Nhập nhiệt độ điều kiện biên chất lượng nước phần tử thượng nguồn Q2K cho phép nhập giá trị thay đổi theo Nếu có giá trị trung bình nhập giá trị thời điểm Downstream Boundary Water Quality: Nếu biên mặt cắt cuối phần tử thượng nguồn có ảnh hưởng tới mơ nhập thơng tin cần thiết vào 35 36 Thơng tin đoạn Chương trình tính User cần nhập vơ Reach number: Mơ hình tự động đánh số đoạn theo thứ tự tăng dần; (mô hình tính) Reach length: Chiều dài đoạn; (mơ hình tính) Downstream Latitude (vĩ độ) and Longitude (kinh độ): Mơ hình tính kinh vĩ độ điểm cuối đoạn (reach) Downstream location Người dùng cần nhập km sông cho điểm cuối đoạn Upstream and downstream elevation: cao trình đáy điểm đầu điểm cuối đoạn Downstream latitude and longgitude User cần nhập độ, phút, giây cho downstream end đoạn Reach for diel plot: Số đoạn tính tốn mơ phỏng; Reach label: Nhãn đoạn (tên cho đoạn); Downstream end of reach label: tên cho đầu kết thúc đoạn 37 38 Tham số thủy lực Mơ hình thủy lực (Hydraulic model) Q2K cho phép lựa chọn options để xác định vận tốc độ sâu dòng chảy theo (1) rating curves hay (2) cơng thức Mannning Điều quan trọng cần nói chọn option để option lại không thay đổi 39 Rating curves: đường cong tương quan; Velocity coefficient: hệ số vận tốc (a) Velocity exponent: hệ số (b) Depth coefficient: hệ số  Depth exponent: hệ số  Manning formula: Công thức Manning Bottom width: Độ rộng đáy đoạn, B0 (m) Side slope(Ss1, Ss2): độ dốc mặt (phải giá trị > 0) Channel slope (S0): độ dốc kênh Manning n: Hệ số nhám Kênh nhân tạo: 0.012 – 0.03, kênh tự nhiên: 0.025 – 0.2 U = aQb H = Q 40 10 Bottom Algae Coverage (phần trăm tảo đáy): Trong sơng, tồn đáy khơng thuận lợi cho phát triển tảo đáy Vì Q2K cho phép user % đáy tảo thực vật phát triển, trung bình lâ 20%; Bottom SOD coverage (nhu cầu oxy bùn đáy trung bình): Trong sơng, tồn đáy khơng thuận lợi cho sinh nhu cầu oxy cho bùn đáy Vì Q2K cho phép user % đáy bùn tích tụ SOD xảy Ví dụ có ¾ đáy khúc sơng có tích tụ bùn SOD trung bình khúc đạt 75%; Prescribed SOD (nhu cầu oxy bùn đáy quy định) Q2K cho phép mô nhu cầu oxy cho khúc sông (reach) hàm số sinh khối động vật thối rữa phiêu sinh thực vật (lắng đọng xuống đáy trạng thái dừng) Bởi chất lắng đọng chứa chất hữu bổ sung cho chảy tràn giai đoạn chưa dừng, Q2K cho phép bổ sung SOD qui định cho đoạn Prescribed CH4 (methane) flux (Thông lượng CH4 (methane) qui định): Tương tự SOD, Q2K cho phép thông lượng bổ sung methane qui định đầu vào cột AE sheet “reach” Prescribed dispersion: Nếu phân tán điểm cuối đoạn biết user nhập vơ Nếu để trống chương trình tự động tính Weir height (chiều cao đập nước): Nếu đập nước nằm điểm cuối đoạn user cần nhập độ cao đập nước vào Prescribed reaeration (tốc độ thấm khí) Nếu tốc độ thấm khí cho đoạn biết nhập vào cột Trong trường hợp ngược lại chương trình tự động tính sở Rates worksheets 41 42 Bảng nhập số liệu khí tượng ánh sáng mặt trời Prescribed NH4 (Ammonium) flux (Lượng NH4 qui định): Tương tự SOD, Q2K cho phép thông lượng bổ sung ammonium qui định đầu vào cột AF sheet “reach”; Prescribed Inorganic Phosphorus Flux Q2K không cho phép mô dịng thơng lượng lắng đọng bổ sung Inorganic Phosphorus Vì cột cho phép nhập vào dòng qui định cột AG 43 44 11 Bảng tốc độ (Rates worksheet) … Tiếp theo Air temperature: nhập nhiệt độ theo (C) cho đoạn (reach) Labels and distances (output) thể Dew-Point temperature (nhiệt độ điểm sương): nhiệt độ điểm sương nhiệt độ áp suất khơng đổi khối khí bắt đầu đóng băng Trong Q2K mặc định lấy 3.9 (C) Wind speed: vận tốc gió user nhập vào đoạn Đây giá trị vận tốc gió đo độ cao m so với mặt nước Cloud cover: user cần nhập số liệu vào bảng theo (% bầu trời bị mây che phủ) cho đoạn (reach) Shade (bóng hay độ che): user cần nhập số liệu vào bảng theo cho reach % bóng hay độ che phủ (do địa hình cối tạo ra) Bóng mát tỷ lệ xạ mặt trời bị che phủ địa hình cối 46 45 Bảng ánh sáng truyền nhiệt (Light and heat worksheet) … Tiếp theo Stoichiometry (hóa học):Mơ hình Q2K giả thiết định lượng hóa học cố định Các giá trị Q2K mặc định Inorganic suspended solids: chất rắn lơ lửng vô Settling velocity:vận tốc lắng đọng Oxygen: Reaeration model (mơ hình thấm khí), Temperature correction Giá trị đề xuất 1.024, O2 cho oxy hóa CBOD Giá trị đề xuất là: 2.69 gO2/gC, O2 cho nitrit hóa NH4 Giá trị đề xuất là: 4.57 gO2/gC, Mơ hình kiềm chế O2 cho o xy hóa C Các lựa chọn khác Hydrolysis: thủy phân Denitrification: khử nitơ Nitrification:nitrat hóa 47 48 12 …Tiếp theo … Tiếp theo Photosynthetically Available Radiation Đây tỷ lệ xạ tới mặt trời hữu cho mục tiêu quang hợp.Q2K khuyến cáo mặc định 0.47 Background light extinction (ánh sáng bị đi): tham số lưu ý tới ánh sáng bị suy giảm nước đổi mầu Linear chlorophyll light extinction (chlorophyll tuyến tính bị đi): tham số lưu ý tới phụ thuộc tuyến tính suy giảm ánh sáng so phiêu sinh thực vật chlorophyll a Theo cơng trình Riley (1956), tham số cần đặt 0.0088/(m gA/L) Nolinear chlorophyll light extinction Tham số lưu ý tới phụ thuộc phi tuyến tính suy giảm ánh sáng phiêu sinh thực vật chlorophyll a Theo cơng trình Riley (1956), tham số cần đặt 0.054/(m (gA/L)2/3) Inorganic suspended solid light extinction (sự suy giảm ánh sáng chất rắn lơ lửng vô cơ): Thông số lưu ý tới phụ thuộc phi tuyến suy giảm ánh sáng chất rắn lơ lửng vô cơ; Detritus light extinction: suy giảm ánh sáng mảnh vụn Thông số lưu ý tới phụ thuộc phi tuyến tính suy giảm ánh sáng mảnh vụn; Atmospheric attenuation model (mơ hình suy giảm) for solar (defoult: Bras) Thanh trượt cho phép user lựa chọn mơ hình Bras Ryan Stolzenbach) Atmospheric turbidity (đục) coefficient (2=clear, 5= smoggy, default=2) Atmospheric transmission coefficient (0.70 – 0.91, default=0.8): Lựa chọn Q2K mơ hình Stolzenbach Atmospheric longwave emissivity model (Default:Brutsaert): có mơ hình lựa chọn Brutsaert, Brunt, Koberg); Wind speed function for evaporation (bay hơi) and air convection/conduction( default:Brady – Graves – Geyer): có lựa chọn khác nhau: Brady – Graves – Geyer, Adams hay Adams 49 Point Sources Worksheet (các nguồn điểm) 50 Sự thay đổi nhiệt độ cách nhập vào Q2K Name User cần tên đoạn (reach) có nguồn chảy vào hay chảy ra; Location Ở km số nơi có nguồn điểm (nước vào hay ra) Source inflows and Outflows Nguồn vào (tải lượng hay nhánh phụ) hay nguồn lấy (abstraction) Nhưng đồng thời 51 52 13 Nhập yêu cầu user Diffuse Sources Worhsheet (non-point sources) Một cột phải có số liệu Q2K cho phép user lựa chọn dạng để xuất kết quả: ví dụ tính thủy lực, nhiệt độ, liệu chất lượng nước, … theo ý Name: Tên user xác định nơi diễn kiện; Location: Km thượng hạ lưu nguồn diện nơi nước vào hay nước ra; 54 53 … Tiếp theo File kết tính tốn Q2K 55 56 14 Sự thay đổi H: có đập (trái), khơng đập (phải) Downstream Distance Sugar River (8/17/2004) Mainstem Hydraulics Q, m3/s Reaeration E', m3/s H, m B, m Ac, m^2 U, mps trav time, d Slope ka,20, /d 37.08 1.12 0.60 0.46 10.00 4.56 0.24 0.20 0.012000 6.31 36.86 1.12 0.56 0.35 10.00 3.51 0.32 0.21 0.028000 10.64 36.64 1.12 0.15 0.35 10.00 3.52 0.32 0.22 0.028000 10.63 35.23 1.14 0.57 0.51 20.00 10.26 0.11 0.37 0.002000 3.56 33.81 1.32 0.99 0.56 20.00 11.25 0.12 0.51 0.002000 3.19 33.34 1.33 0.00 3.09 40.00 123.67 0.01 1.01 0.002000 0.07 Ac, m^2 U, mps trav time, d 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 Downstream 0.50 Distance 0.00 45 40 35 30 25 H, m 20 15 10 H-data m 57 Hệ số k2: có đập (trái), không đập (phải) Hydraulics Q, m3/s Reaeration E', m3/s H, m B, m Slope ka,20, /d 37.08 1.12 0.60 0.46 10.00 4.56 0.24 0.20 0.012000 6.31 36.86 1.12 0.56 0.35 10.00 3.51 0.32 0.21 0.028000 10.64 36.64 1.12 0.15 0.35 10.00 3.52 0.32 0.22 0.028000 10.63 35.23 1.14 0.57 0.51 20.00 10.26 0.11 0.37 0.002000 3.56 33.81 1.32 0.99 0.56 20.00 11.25 0.12 0.51 0.002000 3.19 33.34 1.33 0.00 0.37 40.00 14.66 0.09 0.57 0.002000 5.33 Sự thay đổi U: có đập (trái), khơng đập (phải) 15