Bài giảng Mô hình hóa môi trường - Chương: Mô hình mô phỏng diễn toán nước Mike

Giới thiệu

Mô hình mô phỏng diễn

toán nước Mike

. DHI Water & Environment (DHI là cụm từ viết tắt của 3 chữ

Danish Hydraulic Institute).

. Công ty DHI có khoảng 560 nhân viên, trong số này 35% có

bằng tiến sĩ với nhiều kinh nghiệm thực hiện các dự án

nghiên cứu triển khai công nghệ. DHI có trụ sở chính tại

Hørsholm, Đan Mạch và văn phòng đại diện tại nhiều nước

trên thế giới như Úc, Bungari, Chi lê, Trung Quốc, Pháp,

Đức, Italy, Malaysia, Nauy, Tây Ban Nha, …. và gần đây là

tại Thái lan và Việt Nam.

PGS.TSKH. Bùi Tá Long ,

Đại học Bách khoa

Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh

1

2

Vì sao lại là Mike ?

… Tiếp theo

. Là bộ phần mềm tích hợp đa tính năng;

. Khi gặp phải một vấn đề phức tạp lý thuyết hệ thống và mô

hình toán luôn được tìm đến.

. Là bộ phần mềm đã được kiểm nghiệm thực tế;

. Cho phép tính toán chất lượng nước với độ chính xác cao;

. Giao diện thân thiện, dễ sử dụng;

. Những mô hình toán ngày nay có xu hướng ngày càng phức

tạp.

. Tính phức tạp của mô hình đòi hỏi khối lượng lớn các dữ

. Có ứng dụng kỹ thuật GIS, một kỹ thuật mới với tính hiệu

liệu.

quả cao;

. Khi đó hệ thống thông tin môi trường được xây dựng để đáp

ứng được yêu cầu chạy mô hình và xử lý thông tin.

. Số lượng người sử dụng Mike ngày càng tăng trên thế giới

và tại Việt Nam

3

4

1

Ví dụ: bài toán Vedan

Xử lý và chuẩn hóa số liệu

5

6

Bộ chương trình Mike cho dòng chảy

Bộ chương trình Mike21, Mike3

Bộ phần mềm MIKE bao gồm rất nhiều các phần mềm con có các chức

năng và nhiệm vụ khác nhau như MIKE 11, MIKE 21, MIKE 3, MIKE BASIN,

MIKE SHE, MIKE MOUSE.v.v.

MOUSE: hệ thống đóng gói dành cho các mạng kín đường ống. Mô hình

này lưu ý tới mưa và dòng chảy, thủy động lực học các dòng, chất lượng

nước, chuyển động của bùn cát. Đây là công cụ giúp quản lý mạng trong

chế độ thời gian thực.

MIKE11 – hệ thống mô phỏng một chiều cho sông, kênh, các hệ thống

thủy lợi bao gồm các module mưa và dòng chảy, sự phân tán và chuyển

động của tạp chất và bùn cát, module hình thái, module chất lượng nước và

mô hình dòng chảy hai lớp

MIKE21 – hệ thống mô phỏng hai chiều dùng để phân tích dòng chảy,

sóng, sự vận chuyển tạp chất, chất lượng nước các không gian có đối

tượng nước mở, vùng ven bờ và vùng cửa sông

MIKE3 – hệ thống mô hình 3 chiều có khả năng tương tự như MIKE2 khi

việc mô hình theo 2 chiều không đáp ứng được yêu cầu.

7

2

… Tiếp

Chương trình Mike21, Mike3

.

Phần mềm LITPACK (PP, LITSTP, LITDRIFT, LITLINE, LITPROF,

.

Hệ thống MIKE 21 (PP, HD, AD, MT, SW, PA, SA): đây là hệ thống

phức hợp có thể giải quyết các vấn đề mực nước và dòng chảy 2 chiều

(2D), sự vận chuyển và khuyếch tán của các chất hòa tan và lơ lửng,

bùn cát, sự lan truyền dầu; sự lan truyền của sóng biển, tính toán sa bồi

và tác động của việc nạo vét luồng lạch… Hệ thống hiện đại này có thể

giải quyết hầu hết các vấn đề thủy lực phức tạp ở vùng cửa sông và ven

biển.

LITTREN) đánh giá tác động của các công trình ven biển; tối ưu hoá hệ

thống công trình bảo vệ khu vực bờ biển; thiết kế và đánh giá việc bảo

vệ bờ biển; tính toán nạo vét luồng lạch; thực hiện những nghiên cứu

diễn biến hình thái học ven biển…

.

Hệ thống MIKE 3 (PP, HD, MT): đây là hệ thống các chương trình phát

triển dựa trên các nghiên cứu khoa học gần đây, tính toán dòng chảy và

bùn cát 3 chiều (3D). Hệ thống này có thể mô phỏng rất tốt sự phân bố

dòng chảy và bùn cát theo không gian 3 chiều, rất thích hợp để nghiên

cứu với độ chính xác cao bài toán sa bồi, xói lở ở các đoạn sông và đặc

biệt rất thích hợp để áp dụng cho các vấn để xói lở của các đoạn sông

cong, cửa sông và ven biển…

9

10

… Tiếp theo

Mike 11

.

MIKE11 – là một phần mềm đóng gói thuộc bản quyền của hãng DHI

Water & Environment (DHI là cụm từ viết tắt của 3 chữ Danish Hydraulic

Institute).

Điểm đặc biệt của MIKE11 là các dữ liệu của MIKE11 có thể chuyển

qua hệ thống thông tin địa lý ArcView.

MIKE11 được xây dựng cho máy tính cá nhân và từ 1996 chương

trình được viết để chạy trên hệ thống Window 95/98/2000/NT. Chương

trình này là sản phẩm công nghệ máy tính cao (với bộ nhớ động và

CSDL). Chương trình được tích hợp rất nhiều mô hình toán được

nghiên cứu từ những năm 60 của thế kỷ trước.

MIKE11 dùng để mô phỏng chế độ thủy lực, dòng chảy bề mặt, vận

chuyển bùn cát và tạp chất. Ngoài ra MIKE11 còn có thể mô phỏng chất

lượng nước trong các hệ thống kênh sông phức tạp.

MIKE11 – là công cụ lý tưởng để quản lý lưu vực sông, để hỗ trợ ra

quyết định trong bài toán quản lý các nguồn nước, đặc biệt vào các thời

điểm có lũ

11

12

3

Đặc điểm chính của Mike11

Cấu trúc của Mike11

MIKE11 bao gồm những module chính sau

đây:

– Module thủy văn;

– Module thủy động lực học;

– Module tải – phân tán và vận chuyển bùn cát kết

dính (cohesive sediment transport);

– Module chất lượng nước;

– Module vận chuyển bùn cát không kết dính (non-

cohesive sediment transport);

13

14

Thế mạnh của Mike11

… Tiếp theo

. Cấu trúc dữ liệu – MIKE11 ứng dụng mạnh mẽ công nghệ

Những module cơ bản này lại có thêm những module con chi

tiết hơn. Cấu trúc module của MIKE11 cho phép những khả

năng lớn sau đây:

CSDL.Việc ứng dụng này đã mang lại những hiệu quả rất rõ

rệt.

. Tổ chức và làm việc với CSDL – là một phần không thể

thiếu của hệ mô phỏng còn kích thước mô hình có thể làm

giảm đi hoặc tăng lên. CSDL không phụ thuộc vào hệ điều

hành và do vậy có thể dễ dàng chuyển sang các máy tính

khác hay CSDL khác.

Mỗi module có thể sử dụng riêng rẽ;

Việc truyền dữ liệu giữa các module được thực hiện một cách

tự động

Mỗi module xác lập sự phụ thuộc giữa các quá trình vật lý

(hình thái sông,chuyển động bùn cát và chất lượng nước);

. Cấu trúc CSDL trong MIKE11 có thể sử dụng một cách độc

lập (ví dụ CSDL về thủy văn đối với các lưu vực sông có thể

sử dụng độc lập)

Việc kết nối các module mới diễn ra rất nhanh chóng.

15

16

4

… Tiếp

Các module chính được áp dụng

. Giao diện trong Mike11 được quản lý trực tiếp bằng hệ

thống menu với cách xây dựng hợp lý và tuần tự. Hỗ trợ

được bảo đảm tại mọi giai đoạn với sự trợ giúp của menu

Help.

Module thủy động lực (HD – Hydrodynamics)

Module tải – phân tán (AD – Advection – Dispersion)

Module chất lượng nước (WQ-Water Quality, Eco Lab)

. MIKE11 phát triển hệ thống đồ họa màu rất phong phú, cho

phép kiểm tra dữ liệu, biểu diễn thông tin trực diện và lưu trữ

thông tin trong CSDL. Bộ chương trình đồ họa này còn cho

phép user biểu diễn kết quả mô phỏng.

. MIKE11 phát triển các module cho phép xử lý thống kê và

biểu diễn kết quả được đưa vào mô hình.

17

18

Module động lực học (HD – Hydrodynamics)

Module HD

. Module thủy động lực học sử dụng phương pháp sai phân với sơ đồ ẩn

tính toán dòng chảy không dừng trong kênh sông và vùng cửa sông. Các

sơ đồ tính toán của module HD được mô tả chi tiết trong tài liệu hướng dẫn

về MIKE11

19

5

Module chất lượng nước (WQ-Water Quality)

Dự báo lũ (NAM)

. Module này cho phép mở rộng khả năng của

module NAM (mưa – dòng chảy) và module thủy

văn HD

Module chất lượng nước liên quan chặt chẽ với module AD

(tải-phân tán). Module WQ có lưu ý các quá trình phản ứng

trong các hệ thống nhiều thành phần như: sự phân hủy các

chất hữu cơ, sự quang hợp, sự hô hấp của thực vật, nitrat,

nitrit, sự trao đổi oxygen với khí quyển.

Sự cân bằng khối lượng các tham số tham gia vào quá

trình mô phỏng được lưu ý ở tất cả các điểm với bước thời

gian và sử dụng phương pháp ngoại suy hợp lý

21

22

… Tiếp theo

Module kim loại nặng

Sự tích tụ và chiết xuất các kim loại nặng

.Module này mô tả:

Sự lơ lửng và lắng đọng các hạt kim loại nặng

– Mối quan hệ giữa BOD/DO

– Ni tơ hóa

Sự dịch chuyển các kim loại hòa tan và các hạt lơ lửng

trong môi trường nước do sự chuyển tải và phân tán

– Ảnh hưởng của thực vật đáy

– Sự khuấy động và lắng đọng của bùn cát

– Nhu cầu oxy do sự phân hủy các chất hữu cơ

.Kim loại nặng

23

24

6

Phú dưỡng hóa

Ứng dụng Mike11

. Xử lý bản đồ

Module này mô phỏng một số quá trình vật lý, hóa học và sinh

học có liên quan tới vấn đề sinh thái nước và ô nhiễm các đối

tượng nước, trong số này phải kể tới:

. Chuyển bản đồ vào Mike

. Thiết lập các thông số nền

. Giải bài toán thủy lực (HD)

. Giải bài toán lan truyền (AD)

. Giải bài toán chất lượng nước (ECO LAB)

– Phiêu sinh thực vật và động vật.

– Sự phát triển thực vật đáy.

– Chu trình phát triển các chất dinh dưỡng.

Module này được sử dụng để nghiên cứu:

– Các nguồn gây ô nhiễm như nước thải sinh hoạt, nước thải công

nghiệp, ô nhiễm do hoạt động nông nghiệp.

– Sự thay đổi địa hình đáy có gây ảnh hưởng tới thực vật đáy.

25

26

Các dữ liệu cần đo đạc

Dữ liệu bản đồ

. Các vị trí các trạm thuỷ văn.

. Dữ liệu hành chính xã, huyện, tỉnh.

. Dữ liệu các khu công nghiệp hoặc doanh nghiệp có liên

quan.

. Dữ liệu các nguồn thải tương ứng: vị trí.

27

28

7

Các bước biên tập bản đồ

Đưa bản đồ vào Mike

. Bước 1: Khởi động Mapinfo/ mở bản đồ (ví dụ: D:\map\thivai).

. Bước 2: Khoanh vùng cần chạy mô hình /xuất ảnh – file/ Save

Window as/ (….*.bmp).

. Bước 3 : Lấy toạ độ 2điểm của hình vừa lưu.

. Điểm 1: Phía dưới - góc trái:(X:698,276.82; Y:1,166,043.40)

. Điểm 2 : Phía trên - góc phải:(X : 721,612.66;Y: 1,184,043.40)

29

30

Bước 1:Chọn Mike 11

Bước 2: đưa bản đồ raster vào

.

Đưa bản đồ được chọn vào.

Thiết lập mạng kênh sông dựa trên việc số hoá bản đồ vùng nghiên cứu

trên ảnh raster (bước trên)

.

Trong phần Network chọn đưa vùng bản đồ vào theo trục X, Y tương

ứng.

.

Trong đó có các mục: Simulation, River network, Cross section,

Boundary, Rainfall-runoff, Hydrodynamic, Advection-Dispersion, Water

quality, Eutrophication, Sediment transportation, Flood forecasting, Batch

Simulation.

Sau khi nhập xong toạ độ, ta nhập tiếp theo trình tự sau:

.

Vào Layers / add/remore layer/ newfile.

Chọn Properties/ nhập X,Y/ ok

Ta cần chọn và tạo đường dẫn cho các mục : Simulation, River network,

Ta được hình ảnh hiển thị trong phần mềm để chuển bị số hoá mạng

sông.

Cross section, Boundary, Hydrodynamic, Advection-Dispersion.

31

32

.

Bản đồ sẽ xuất hiện trong vùng tính.

8

Thiết lập các thông số nền

… Tiếp

.

Đưa đường dẫn các file số liệu đã chuẩn bị để chạy mô hình bao gồm

các file về vùng chạy (Network); file số liệu về mặt cắt (Cross-Section);

file số liệu về mực nước (HD Parameters); File số liệu về chất lượng

nước (AD Parameters)

.

Network ( Hệ thống sông)

Cửa sổ đồ họa (Graphical view)

Khi file mạng sông được mở hoặc được tạo thì cửa sổ đồ họa được

mở như một sự mặc định. Khi muốn tạo một hệ thống sông mới thì ta

phải đăng ký tọa độ của nó và những tọa độ này sẽ được số hóa cho

phù hợp.

Cần phải điền đầy đủ thông tin cho mô hình mô phỏng. Chọn những file

Simulation, River network, Cross section, Boundary, Hydrodynamic,

Advection-Dispersion đã được tạo từ bước trên.

33

34

… Cross - section

Boundary data

.

Cross-Section

Mặt cắt các biên chạy và vùng lân cận.

Từ mạng sông ta nhấm phải chuột vào điểm tại mặt cắt chọn:

insert/network/cross sections

.

Số liệu các mặt cắt được đo trực tiếp tại hiện trường. Các số liệu được

xắp xếp bằng Microsoft Excel sau đó được coppy vào file số liệu mặt cắt

cần tính.  save

35

36

9

Chạy mô hình (simulation )

AD parameters

. Các số liệu chất

lượng nước sẽ

Với số liệu về thuỷ văn đo dạc theo giờ

Đưa ra thư mục và vùng lưu kết quả

sau khi chạy mô hình

nên bước chạy mô hình có thể tính toán

lan truyền các chất ô nhiễm theo giờ kết

hợp với các yếu tố nguồn thải.

được hiệu chỉnh

thông qua vùng

nghiên cứu, hàm

lượng các chất đo

đạc trong thực tế,

và cá thông số

trong hiệu chỉnh mô

hình. Các mức chạy

khác nhau sẽ được

xem xét trên nguồn

số liệu đầu vào.

37

38

Chạy bài toán thủy lực

Hiển thị kết quả chạy mô hình thủy lực

Thông số lưu lượng và mực nước

được chọn để biểu diễn kết quả

Lưu lượng tại chân và đỉnh triều ở

một mặt cắt bất kỳ

Chạy mô hình

Lưu kết quả

39

40

10

… Tiếp theo

Bài toán lan truyền chất (AD)

Mực nước tại chân và đỉnh triều ở

một mặt cắt bất kỳ

Đồ thị thể hiện kết quả mực nước

theo thời gian

Giao diện cửa sổ chạy mô hình

File AD được chọn để xem kết quả

41

42

Kết quả chạy AD

Thông số được chọn để biểu diễn kết

quả

Hình ảnh thể hiện COD tại một số

mặt cắt theo thời gian

Thông số COD

Cửa sổ thể hiện thông số lựa chọn

43

44

11

Module Eco Lab

. Sinh vật phù du

. Chất diệp lục

. Carbon,

Kết quả chạy một số ví dụ điển hình

. Oxygen

. Nitơ,

. phospho

. Kim loại nặng

. Chất hấp thụ

. Chất lơ lững

. Cặn sinh thái

48

Các biên được lựa chọn cho bài toán dòng chảy và lan truyền chất

47

Sơ đồ mạng sông Vàm Cỏ Đông được nhập vào Mike11

12

Water

Thông tin cơ bản

Khu công ngiệp

Thông tin xả thải

Điểm xả (5)

Cơ sở sản xuất

Khu dân cư

Điểm kiểm tra (6)

Điểm lấy mẫu nước (7)

Nông nghiệp (2)

Sông

Kênh rạch

Mẫu nước quan trắc (8)

Mẫu nước điểm xả (9)

Thành phần mẫu nước (10)

Nguồn tiếp nhận

Chất lượng nước thượng nguồn (3)

Nguyên nhiên liệu

Sử dụng nguyên liệu

(để mục nào) (chuyển)

Cấp cơ quan quản lý môi trường

Cơ quan quản lý môi trường

Phòng quản lý môi trường của doanh

nghiệp

Chi tiết nước thải (1d)

Phương pháp xử lý nước thải (1a)

Các công trình (1b)

Chi tiết hiệu suất (1c)

Cơ quan lấy mẫu

Nhân viên

(đưa lên trên) (1)

Chất – thông số đo

Tiêu chuẩn

Trạm xử lý nước thải (2)

Sử dụng công trình (3)

Sử dụng điểm xả (4)

(Xem lại trình tự)

(chuyển)

49

50

KẾT QUẢ CHẠY MÔ HÌNH MIKE 11

Kết quả mô phỏng BOD cho lúc 11 giờ ngày 1/4/2007

Kết quả mô phỏng BOD cho lúc 19 giờ ngày 2/4/2007

51

52

13

Kết quả mô phỏng BOD lúc 1 giờ sáng ngày 3/4/2007

Kết quả mô phỏng BOD cho lúc 24 giờ ngày 2/4/2007

53

54

14

Bài giảng Mô hình hóa môi trường - Chương: Mô hình mô phỏng diễn toán nước Mike - Bùi Tá Long