Đang tải... (xem toàn văn)
Nhằm khắc phục các nhược điểm trong thuật tóan tính lan truyền chất, mà chủ yếu là lan truyền mặn, của các phần mềm hiện có, trong phần mềm SALBOD, việc sử dụng phương pháp phân rã kết hợp với phương pháp đường đặc trưng cho phương trình tải đã khắc phục được các nhược điểm nêu trên. Mô hình SALBOD gồm phần tính dòng chảy, tính lan truyền chất (mặn, BOD, DO) và được thực hiện đồng thời trong một bước thời gian tính, tuy nhiên trong báo cáo này chỉ trình bầy thuật tóan cho phần tính lan truyền chất
MÔ HÌNH 1D CHO LAN TRUYỀN CHẤT Ô NHIỄM HỮU CƠ TRÊN KÊNH SÔNG (SALBOD) VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG Pgs. Ts. NguyÔn tÊt ®¾c Viện Quy Hoạch Thủy lợi miền Nam I. Mở đầu Trong những năm gần đây do sự gia tăng dân số và sự phát triển nhanh chóng của các đô thị và trung tâm công nghiệp, lượng nước thải chưa được xử lí được thải trực tiếp vào mạng lưới kênh sông ngày càng gia tăng và làm suy thóai nghiêm trọng chất lượng, ảnh hưởng xấu tới sinh họat và phát triển kinh tế. Để có biện pháp cải tạo thích hợp thì mô hình tóan là một công cụ trợ giúp đắc lực và không thể thiếu cho các nhà qui họach và ra quyết định. Mô hình tính tóan dòng chảy đã được các chuyên gia trong và ngòai nước phát triển và ứng dụng nhiều cho hệ thống sông ngòi Việt nam, đặc biệt là hệ thống kênh sông của Đồng Bằng Cửu Long và hệ thống sông Đồng Nai-Sài Gòn. Tuy nhiên bài tóan lan truyền chất chủ yếu được xây dựng và áp dụng cho lan truyền mặn. Thuật tóan dùng để giải bài tóan lan truyền chất một chiều cơ bản là sơ đồ sai phân. Tuy nhiên do hiện tượng khuếch tán số của sơ đồ sai phân (nhất là sơ đồ sai phân trung tâm) làm cho kết quả tính thường không bảo tòan ý nghĩa vật lý của hiện tượng mô phỏng, chẳng hạn nồng độ mặn bị âm, hoặc không có nguồn mà giá trị tính tóan tại mặt cắt sát biên thường lớn hơn giá trị biên, hoặc buộc nồng độ tại các điểm sát hợp lưu của các nhánh khác nhau phải bằng nhau. Các phần mềm thương mại lớn như Mike 11 hoặc ISIS vẫn chưa khắc phục được nhược điểm này. Nhằm khắc phục các nhược điểm trong thuật tóan tính lan truyền chất, mà chủ yếu là lan truyền mặn, của các phần mềm hiện có, trong phần mềm SALBOD, việc sử dụng phương pháp phân rã kết hợp với phương pháp đường đặc trưng cho phương trình tải đã khắc phục được các nhược điểm nêu trên. Mô hình SALBOD gồm phần tính dòng chảy, tính lan truyền chất (mặn, BOD, DO) và được thực hiện đồng thời trong một bước thời gian tính, tuy nhiên trong báo cáo này chỉ trình bầy thuật tóan cho phần tính lan truyền chất. Chi tiết phần tính dòng chảy có thề xem trong [1]. II. Cơ sở học thuật của mô hình SALBOD Hệ phương trình cơ bản A. Phần tính tóan dòng chảy: + Hệ phương trình cơ bản: Hệ phương trình Saint-Venant một chiều sau đây được sử dụng phổ biến để tính dòng chảy trong kênh sông: )1(q x Q t Z B = ∂ ∂ + ∂ ∂ )2(0 2 2 =+ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ ARC QQg x Z gA A Q xt Q Trong đó : B – là chiều rộng mặt nước: A – là diện tích mặt cắt ngang; Z- là mực nước so với một cao độ chuẩn; Q là lưu lượng qua mặt cắt ngang; g- là gia tốc trọng trường; C- là hệ số cản Chézy; R- là bán kính thủy lực; q- là lưu lượng gia nhập trên một đơn vị chiều dài dọc sông (như bơm, xả nước thải, ); t- là thời gian; x- là tọa độ dọc sông B. Phần tính toán chất lượng nước: B1. Hệ phương trình cơ bản Một số yếu tố của chất lượng nước cũng được tính tóan đồng thời sau mỗi bước tính dòng chảy. Phương trình cơ bản cho mặn, BOD và DO như liệt kê dưới đây: + Mặn với nồng độ S )4( 2 2 a A SQSq S A QQq x S E x S U t S ssrq rsr + + ++ − ∂ ∂ = ∂ ∂ + ∂ ∂ + BOD với nồng độ B )4()( 31 2 2 b A BQBq B A QQq KK x B E x B U t B ssrq rsr + + ++ ++− ∂ ∂ = ∂ ∂ + ∂ ∂ + DO với nồng độ D: )4(.)( 12 2 2 c A DQDQqD BKKDDD A QQq x D E x D A Q t D rrssrq sa rsr ++ +−−+ ++ − ∂ ∂ = ∂ ∂ + ∂ ∂ Các phương trình cơ bản cho một số yếu tố khác như Nitơ (amonia, Nitrate, Nitrit), Photpho, phèn, đều có dạng tương tự như (4a,b,c). Trong 3 phương trình (4a,b,c) nêu trên q , Sq, Bq, Dq tương ứng là lưu lượng nước thải gia nhập, nồng độ mặn, BOD và DO trong dòng gia nhập q; Qsr , Ss, Bs, Ds tương ứng là lưu lượng trao đổi (trên một đơn vị độ dài) sông-ruộng, độ mặn, BOD và DO trong Qsr. Cũng tương ứng như vậy với lưu lượng mưa Qr. Các hệ số chuyển hóa K 1 , K 3 của BOD và K 2 là hệ số thấm khí. Trong (4b) nếu K1=K3=0 ta có dạng (4a). D sa là nồng độ bão hòa Oxy trong nước. Cả 3 phương trình trên đều có thể viết ở dạng chung như sau: )5(. 2 2 φσ +− ∂ ∂ = ∂ ∂ + ∂ ∂ C x C E x C U t C Vì thế ta có thể áp dụng cùng một thuật tóan và cách lập trình, chúng chỉ khác nhau ở các hệ số σ và ϕ (lưu ý rằng σ, φ đều ≥ 0). + Để giải hệ (5) phương pháp phân rã của Marchuk [2] được áp dụng, theo phương pháp này trong một bước thời gian ∆t, trước tiên giải phương trình tải có số hạng nguồn: )6(. φσ +−= ∂ ∂ + ∂ ∂ C x C U t C Sau đó giải phương trình khuếch tán thuần túy )7( 2 1 2 1 x C E t C ∂ ∂ = ∂ ∂ B2. Một số sơ đồ sai phân dùng để giải phương trình tải (6) Để giải (6) thường áp dụng một số sơ đồ sai phân sau đây (để đơn giản ta bỏ qua số hạng nguồn trong vế phải). Nếu dùng các ký hiệu tóan tử: x C CL t C CL ∂ ∂ = ∂ ∂ = 21 Khi đó tương ứng với sơ đồ sai phân theo hướng (upwind) ta có: 2 ( ) ( ) ( ) [ ] n i n i n i n i ii CCCC xx CL −−+− − = + ++ + + 1 11 1 1 2 1 1 θθ Nếu U i n+1 < 0 (8) ( ) ( ) ( ) [ ] n i n i n i n i ii CCCC xx CL 1 1 1 1 1 2 1 1 − + − + − −−+− − = θθ Nếu U i n+1 ≥ 0 (9) ( ) n i n i CC t CL − ∆ = +1 1 1 (10) Trong đó ký hiệu ),( ni n i txCC = . θ là trọng số. Với sơ đồ sai phân trung tâm sẽ được: ))(1()([)( 11 1 1 1 1 1 112 n i n i n i n iii CCCCxxCL −+ + − + + − −+ −−+−−= θθ (11) )]())(21()([ 1 1 1 1 1 1 1 11 h i n i n i n i n i n i CCCCCC t CL − + − + + + + −+−−+− ∆ = ααα (12) Trong (12) trọng số α gọi là hệ số phân tách . Bằng cách khai triển Taylor các số hạng trong (11) và (12) quanh điểm x i , t n và sử dụng ký hiệu δ = x i+1 – x i-1 ta có: !3 )( 2 )( 2 )( 2 1 + ∆ ++ ∆ = ∂ ∂ − t CC t C t C CL ttttxtt αδ (13) )( !3 )( 2 )( 2 2 2 +∆+∆+= ∂ ∂ − tC U tC U C U x C UCUL ttxtxxx θθ δ (14) Trong vế phải của (13) và (14) ta thấy có các số hạng tt C t 2 ∆ và xx C U 2 δ . Số hạng thứ nhất biến phương trình xuất phát thành phương trình sóng và tạo ra các dao động của nghiệm khi giải số, còn số hạng thứ hai tạo thêm hệ số khuếch tán do số 2 δ U (thường gọi hệ số khuếch tán số). Nếu U và bước lưới không gian δ lớn thì hệ số khuếch tán số lớn và làm mất ý nghĩa của hiện tượng mô phỏng. Cũng áp dụng cách khai riển Taylor tương tự với (8),(9),(10) ta cũng có kết luận tương tự. B3. Sử dụng phương pháp đường đặc trưng trong giải (6) Với bài tóan truyền tải thuần túy, theo quan điểm Lagrange, có thể hiểu bài tóan như sau: Một hạt lỏng ở thời điểm t nằm tại điểm A, với vận tốc U hạt lỏng sẽ di chuyển theo một quỹ đạo nào đó để đạt tới điểm B vào thời điểm t + ∆t (xem hình vẽ dưới). Trong quá trình tải thuần túy hạt lỏng không thay đổi, mật độ tại B sẽ bằng mật độ tại A, hay C( B , t + ∆t ) = C( A , t). Như vậy để xác định được nồng độ tại điểm B chỉ cần lần ngược lại quỹ đạo để tới điểm A, tại đây ta xem như đã biết nồng độ (hoặc biết trước hoặc qua các điểm lân cận bằng cách nội suy). Quá trình vừa mô tả là nội dung của phương pháp đường đặc trưng áp dụng cho phương trình tải. t+∆t B t A ∆x Trong phương pháp đường đặc trưng có 2 bước cần tiến hành: 3 B δt 1 δt 2 Dt X k-1 X k ∆t δx A - Xác định chân đường đặc trưng A. - Nội suy giá trị nồng độ tại A qua các giá trị đã biết tại các điểm lưới. Mặc dù về cơ bản phương pháp đường đặc trưng được xem như phương pháp chính xác, tuy nhiên khi giải số lại phải qua 2 bước trên, cho nên lại cần có những thuật tóan riêng. Giống như mô hình tính mặn trong mô hình SALBOD thuật tóan sau đây được áp dụng: + Xác định chân đường đặc trưng: Trong khỏang tích phân ∆t , xem U chỉ là hàm của x, và được lấy trọng số giũa 2 lớp thời gian n và n+1 ; giá trị của U được cho tại các điểm x 1 , x 2 , … , x N (tính từ mô hình dòng chảy trong cùng một bước thời gian), giũa các khỏang [ x i , x i+1 ] vận tốc U được xem như một hàm tuyến tính theo x: U = ax + b . Do U không phụ thuộc t (trong một bước ∆t) cho nên trong mỗi khỏang [ x k , x k+1 ] các đường cong tích phân dx = U(x)dt đều song song: Cho nên để xác định chân đường đặc trưng chỉ cần tính δt với từng khỏang [ x k , x k+1 ] , sau đó kiểm tra điều kiện: Nếu điều kiện này thỏa mãn có nghĩa là đặc trưng đã cắt đường thẳng t = t n ; khi đó tính Để tính δt, δx (xem hình vẽ) ta có thuật tóan sau Gọi ε = ± 1 = - sign (U k ), trong mỗ khỏang x k và x k+ ε hàm U có dạng : U(x) = ax + b Dễ thấy: n+1 X X U X X Ub k k k k ∆ − ∆ += + εε ε )1( n Dễ thấy đường đặc trưng không phải là đường thẳng và có thể cắt nhiều mắt lưới. + Nội suy giá trị chân đường đặc trưng A: Vì điểm A có thể trùng với một điểm lưới, tuy nhiên nói chung A nằm giữa các mắt lưới, vì thế cần tiến hành nội suy giá trị tại A qua giá trị đã biết tại các điểm lưới. Cách nội suy tuyến tính có thể gây ra khuếch tán số, vì thế trong SALBOD đã dùng hàm nội suy spline bậc 3 ( phiên bản trước dùng nội suy kết hợp tuyến tính với nội suy Lagrange). Xem chi tiết trong [1]. B4. Ví dụ giải thích các phương pháp Để so sánh độ chính xác của các sơ đồ sai phân và phương pháp đường đặc trưng áp dụng cho phương trình tải ta xét một ví dụ chính xác có nghiệm giải tích sau đây [1]: Xét phương trình 0),( = ∂ ∂ + ∂ ∂ x f txu t f với x ∈ (0,1) và t > 0 4 const xU x t = ∆ = )( δ ∑ = ∆> K i i tt 1 δ ∑ − = −∆= 1 1 K i i ttDt δ x UU a kk ∆ − = + ε ε Trong ú ; (Xột trng hp a = ẳ) iu kin u : f(x,0) = 3sin (4x) iu kin biờn : = ta ta tf sin21 sin 4sin3),0( ; = ta ta tf sin21 sin1 4sin3),1( Nghim chớnh xỏc ca bi toỏn ny l: = ta tax txf sin21 sin 4sin3),( Chia an [0,1] thnh 41 an nh vi x = 1/41 v ly t = 1,5/41 .Hỡnh v di cho so sỏnh kt qu ca cỏc phng phỏp s ng vi thi im t = 0,4024 So saựnh caực phửụng phaựp -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Toaù ủoọ Gớa trũ f fL fs fH1 fH2 fT1 fT2 Cỏc ký hiu c s dng trờn biu : f : l nghim chớnh xỏc; f L : l li gii bng phng phỏp c trng s dng phng phỏp ni suy tuyn tớnh kt hp vi ni suy Lagrange. f S : li gii c trng dựng ni suy Spline bc 3. (f H1, f H2 ) : li gii bng phng phỏp sai phõn theo hng vi giỏ tr khỏc nhau ca trng s . f T (f T1 ,f T2 ): li gii bng phng phỏp sai phõn trung tõm vi 2 giỏ tr ca trng s . T biu trờn cho thy: - Phng phỏp ng c trng vi c 2 cỏch ni suy u cho kt qu khỏ chớnh xỏc c pha v biờn . - Phng phỏp sai phõn trung tõm cho kt qu sai lc c v pha v biờn . - Phng phỏp sai phõn theo hng gi c pha lan truyn nhng sai v biờn . B5. Bi túan lan truyn cht trờn h thng kờnh sụng. Vi mt h thng kờnh sụng nu bit c nng ti cỏc hp lu thỡ bi túan a v gii cho tng nhỏnh sụng n. Bng cỏch ỏp dng phng phỏp ng c trng, khi dũng chy hng v cỏc hp lu thỡ nng ti cỏc mt ct ỏp sỏt hp lu cú th tớnh c nh gii phng trỡnh ti thun tỳy (s hng khuch tỏn xem nh bit ti lp thi gian trc). Nh vy khi dũng chy hng ti hp lu ti cỏc nhỏnh khỏc nhau khụng bt buc cú nng ging nhau (nh cỏc mụ hỡnh hin 5 t ta x atxu cos) sin21 21 (),( = tại). Điều kiện duy nhất phải tuân theo là bảo tòan vật chất tại hợp lưu để tổng lượng vật chất vào hợp lưu bằng tổng lượng ra khỏi hợp lưu. Từ đó ta có điều kiện sau đây tại hợp lưu. trong đó C N là nồng độ tại các mặt cắt chảy ra khỏi hợp lưu, C i , Q i v là nồng độ và lưu lượng tại các mặt cắt áp sát hợp lưu của các nhánh chảy vào hợp lưu (tất nhiên chảy vào hoặc chảy ra là tùy thuộc từng thời điểm). Q j R là lưu lượng tại các mặt cắt áp sát hợp lưu của các nhánh chảy ra Chú ý rằng: Bằng phương pháp nêu trên vật chất lan truyền tới đâu tính tới đó cho nên tiết kiệm được thời gian tính tóan trên máy, khác với các phương pháp sai phân là luôn phải giải hệ phương trình đại số cho tòan mạng, tốn thời gian III. Một số áp dụng Mô hình SALBOD khi mới được xây dựng chủ yếu được sử dụng cho các bài tóan lan truyền mặn, phiên bản lúc đó có tên là SAL. Do yêu cầu đánh giá tác động môi trường của các dự án công nghiệp có nước thải, mô hình SALBOD được hòan thiện và được sử dụng cho nhiều dự án mà chủ yếu là các dự án trên sông Thị vải (Ve Dan, Marubeni, Phú Mỹ, ) và các dự án trên hệ thống sông Đồng Nai-Sàigòn. Do khuôn khổ của một báo cáo, dưới đây chỉ giới thiệu một ví dụ tính tóan ảnh hưởng của hồ Phước Hòa đến xâm nhập mặn và ô nhiễm vùng hạ du hệ thống sông Đồng Nai-Sài gòn. Theo thiết kế, ngòai việc đóng góp vào sơ đồ lưới điện, hồ Phước Hòa còn đóng góp 50m3/s cho nhiệm vụ cấp nước của hồ Dầu tiếng. Tuy nhiên khi có đập Phước Hòa lượng nước xả xuống sông Bé trong mùa khô chỉ còn khỏang 15m3/s, nhỏ hơn lưu lượng tự nhiên của sông Bé trong mùa khô của những năm gần đây, đặc biệt là từ khi có Thác mơ. Việc phát triển các bậc thang thủy điện ở thượng lưu, việc gia tăng nhu cầu nước ở hạ lưu dẫn tới sự thay đổi chế độ dòng chảy, thay đổi chế độ xâm nhập mặn, chề độ ô nhiễm sông rạch vùng hạ lưu. Để xét bài tóan mặn và ô nhiễm phải tính tóan nhu cầu sử dụng nước cho hiện tại và tương lai, phải tính khả năng cấp nước từ thượng lưu. Dưới đây chỉ nêu tóm tắt các kết quả mà không nêu phương pháp tính tóan chi tiết. Kết quả tính về nhu cầu nước cho sông Đồng Nai-Sài Gòn được cho trong bảng 1 dưới đây: Bảng 1. Nhu cầu sử dụng nước cho hạ lưu vực sông Đồng Nai-Sài Gòn Sông Vị trí lấy nước/xả nước Lưu lượng (m 3 /s) Ghi chú Hiện tại (2003) Tương lai (2010-2020) Đồng Nai Thiện Tân -4.63 -14. Nhà máy nước Tưới -5.1 -5.1 Nông nghiệp Hóa An -7.87 -19.1 Nhà máy nước Biên Hòa -0.42 -0.42 Nhà máy nước Bình An -0.587 -1.16 Nhà máy nước Sài Gòn Bến Than -3.47 -6.94 Nhà máy nước Thủ Dầu Một -0.13 -2.77 Nhà máy nước 6 ∑ ∑ = j R j i i v i N Q CQ C ∑∑ = j R j i v i QQ Nước hồi quy từ sông Vàm Cỏ Đông và Vàm Cỏ Tây cũng được xét như lưu lượng gia nhập vào hệ thống từ các sông thuôc Đòng Bằng sông Cử Long. Sơ đồ, số liệu biên của mô hình: + Sơ đồ tính toán (Xem hình vẽ): Gồm toàn bộ các sông Đồng Nai (từ Trị An), sông Sài Gòn (từ chân đập Dầu tiếng), sông Vàm Cỏ Đông (từ Bến Đá), sông Vàm Cỏ Tây (từ Bình Châu), toàn bộ mạng kênh rạch thành phố Hồ Chí Minh (Nhiêu Lộc, Thị Nghè, Kênh Đôi, Kênh Tẻ, Tân Hoá, Lò Gốm, Bến Nghé, Tham Lương, Bến Cát, Vàm Thuật, …), mạng kênh phía nam thành phố và các sông vùng duyên hải (Bến Lức, Cần Giuộc, Ông Lớn, Cây khô, Thị Vải, Đồng Tranh, Lòng Tầu, Cái Mép, ). Các biên của sơ đồ tính là lưu lượng Trị An, sông Bé, Dầu Tiếng, Bén Đá, Bình Châu; mực nước thực đo tại Vũng Tầu có tính tương quan với các cửa Đồng Tranh, Sòai Rạp (Xem bảng 2). + Số liệu ô nhiễm: Khu vực ô nhiễm nhất là kênh rạch thành phố Hồ Chí Minh, các nguồn ô nhiễm được đổ ra các kênh rạch và chảy vào sông Sài Gòn rồi ảnh hưởng tới vùng duyên hải. Các nguồn ô nhiễm trên sông Đồng Nai tập trung vào khu vực dân cư thành phố Biên Hòa và các khu công nghiệp trên khu vực này. Ô nhiễm trên sông Thị vải có nguồn gốc từ các khu công nghiệp như Ve Dan, Gò Dầu. Số liệu ô nhiễm (tải lượng, BOD, DO, N, P ) dùng trong tính tóan chủ yếu dựa trên số liệu điều tra từ các dự án khác nhau và số liệu dự báo từ sự phát triển các khu công nghiệp, sự biến đổi dân số của các khu dân cư tập trung. Các phương án tính toán: a) Phương án hiện trạng (Ký hiệu là HTr): Do số liệu đồng bộ về mực nước (biên Vũng tầu, và các trạm kiểm tra bên trong lưu vực), lưu lượng xả thượng lưu tại Trị an, Phước hoà, Dầu tiếng, Bến 7 đá, Bình Châu chỉ có được tới 2003, cho nên sẽ dùng số liệu của 2 tháng mùa khô (tháng 3, 4) của năm 2003 để tính toán và kết quả được xem là phương án hiện trạng để so sánh. b) Phương án tăng nguồn nước sử dụng cho dân sinh, công nghiệp, tưới tiêu dự kiến cho sau 2010 tới 2020 (Ký hiệu là PA) nhưng chưa có đập Phước Hoà. Nghĩa là vẫn giữ nguyên các điều kiện lưu lượng nước có thể có ở thượng lưu như năm 2003. Mục đích của phương án này là xem việc tăng lượng nước lấy cho các nhà máy nước, cho tưới tiêu thì xâm nhập mặn và ô nhiễm sẽ thay đổi ra sao. c) Phương án này giống về cơ bản như phương án PA nhưng xem như đã có đập Phước Hoà, lượng nước xuống sông Bé giảm khá nhiều. Phương án này được ký hiệu là PB. Mục tiêu của phương án này nhằm xem xét khi có đập Phước Hoà, đồng thời tăng lượng nước sử dụng ở hạ lưu cho dân sinh công nghiệp mà chưa có bổ xung nước từ các bậc thang thuỷ điện trên sông Đồng Nai thì tình hình ô nhiễm và xâm nhập mặn ở hạ lưu ra sao. d) Phương án này, được ký hiệu là PC, về cơ bản giống phương án PB chỉ khác là có thêm 80m3/s bổ xung xuống hạ lưu từ các bậc thang thuỷ điện trên sông Đồng Nai. Mục tiêu của phương án này là nhằm xem xét cần phải vận hành hệ thống sao cho khi có đập Phước Hoà và tăng lượng nước sử dụng ở hạ lưu thì bức tranh xâm nhập mặn và ô nhiễm không xấu đi. e) Phương án PD dùng xem xét bài toán ô nhiễm: Nguồn nước có được như phương án PB nhưng các nguồn thải phải xử lí một phần trước khi thải vào sông. Bảng 2. Số liệu biên sử dụng trong tính toán Biên mô hình Sông Loại số liệu Thời gian quan trắc Ghi chú Hạ lưu đập Trị An Đồng Nai Dòng chảy 1/3-30/4/ 2003 Số liệu đo đạc được tại nhà máy Trị An Trạm lưu lượng Phước Hòa Bé Dòng chảy 1/3-30/4/ 2003 Số liệu đo đạc được tại trạm Phước Hòa Hạ lưu đập Dầu Tiếng Sài Gòn Dòng chảy 1/3-30/4/ 2003 Số liệu đo đạc được tại đập Dầu Tiếng Bình Châu Vàm Cỏ Tây Dòng chảy 1/3-30/4/ 2003 Tính từ mô hình ĐBSCL Bến Đá Vàm Cỏ Đông Dòng chảy 1/3-30/4/ 2003 Số liệu tính tóan Thị Tính Nhánh của sông Sài Gòn Dòng chảy 1/3-30/4/ 2003 Số liệu tính tóan Cửa Đồng Tranh (ltương quan Vũng Tàu ) Đồng Tranh Mực nước giờ 1/3-30/4/ 2003 Biên hạ lưu Cửa Soài Rạp (Tương quan Vũng tầu) Đồng Nai Mực nước giờ 1/3-30/4/ 2003 Biên hạ lưu Nhà Bè Đồng Nai Mực nước giờ và độ mặn 1/3-30/4/ 2003 Vị trí kiểm tra mô hình Biên Hòa Đồng Nai Mực nước giờ 1/3-30/4/ 2003 Vị trí kiểm tra mô hình Thủ Dầu Một Sài Gòn Mực nước giờ 1/3-30/4/ 2003 Vị trí kiểm tra mô hình Phú An Sài Gòn Mực nước giờ và độ mặn 1/3-30/4/ 2003 Vị trí kiểm tra mô hình Bến Lức Vàm Cỏ Đông Mực nước giờ 1/3-30/4/ 2003 Vị trí kiểm tra mô hình Tân An Vàm Cỏ Tây Mực nước giờ 1/3-30/4/ 2003 Vị trí kiểm tra mô hình Kết quả tính toán: Vì xâm nhập mặn chỉ xuất phát từ cửa biển Vũng Tầu, còn ô nhiễm xuất phát từ các nguồn thải của các khu dân cư, các khu công nghiệp nằm dọc các kênh sông. Do ảnh hưởng triều thì lúc triều vào và ở đỉnh triều độ mặn sẽ lớn nhất, lúc triều rút độ mặn sẽ giảm dần. Khác với độ mặn, độ ô nhiễm (BOD) sẽ đạt cực đại lúc nước đứng (nước đứng và đổi chiều), vận tốc dòng chảy gần như 8 bằng không, nước thải lúc đó sẽ khó bị hoà loãng hoặc chuyển tải đi nơi khác. Thời gian nước đứng cũng không kéo dài. Vì vậy để đánh giá sự xâm nhập mặn sẽ dùng giá trị max trong một thời đoạn, còn giá trị bình quân BOD trong một thời đoạn sẽ dùng để đánh giá mức độ ô nhiễm. Thời đoạn được dùng trong báo cáo này là hai tháng 3 và 4, khi dòng chảy kiệt nhất. Bảng 3. Đô mặn max (g/L) tại một số điểm quan tâm dọc sông Đồng Nai, Sài Gòn, Vàm Cỏ Đông tương ứng với các phương án mô tả ở trên. Từ bảng 3 có thể thấy khi gia tăng lấy nước (phương án PA), chủ yếu cho các nhà máy nước, thì độ mặn tại Hoá an, Bến than, Thủ Dầu Một, Hiệp Hoà có thay đổi chút ít nhưng không đáng kể và về cơ bản không làm thay đổi chát lượng nước cấp cho các nhà máy nước. Tuy nhiên khi có đập Phước Hoà mà chưa có nguồn nước bổ xung nào (phương án PB) thì độ mặn max tại các điểm quan trọng trên sông Đồng Nai gia tăng đáng kể (chẳng hạn tại Hoá An độ mặn tăng từ 0.1 lên 0.24 g/L, tại cầu Đồng Nai tăng từ 0.51 lên 0.85g/L), ảnh hưởng tới chất lượng nước cấp cho các nhà máy khu vực Biên Hoà như Hoá An, Bình An. Với sông Sài Gòn thì độ mặn biến đổi không đáng kể do gia tăng lượng nước hồi qui từ hồ Dầu Tiếng. Với sông Vàm Cỏ Đông cũng không có sự biến đổi nào đáng kể về độ mặn max. Trong trường hợp có đập Phước Hoà nhưng có được thêm 80m3/s bổ xung từ các bậc thang thuỷ điện trên hệ Đồng Nai (phương án PC) thì sự xâm nhập mặn gần như trở lại bình thường như 2003 mặc dù có gia tăng lượng nước lấy cho các nhà máy nước dọc sông Đồng Nai. Từ kết quả tính toán này một khuyến nghị quan trọng là quá trình xây dựng đập Phước Hoà (ngăn dần dòng sông Bé) phải kết hợp với việc phát triển các bậc thang thuỷ điện trên sông Đồng Nai để sao cho tổng lượng nước ở ngã ba Đồng Nai-Sông Bé bình quân không dưới 290m3/s. Về ô nhiễm: Để tính toán ta xem nồng độ BOD nền là 2mg/L (có thể giá trị này hơi cao so với một số giá trị đo đạc, tuy nhiên các giá trị đo dưới 1mg/L khó có độ tin cậy khi so với các giá trị DO tương ứng tại cùng vị trí và thời điểm đo đạc, mặt khác mục tiêu là đánh giá xu thế biến đổi nên ta dùng giá trị BOD là 2mg/L làm nền). 9 Bảng 4. BOD (mg/L) bình quân trong hai tháng 3 và 4 tại các vị trí quan trọng trên sông Đồng Nai, Sài Gòn, tương ứng với các phương án nêu trên Trong bảng 4 có thêm phương án ký hiệu là PD. Trong phương án này có đập Phước Hoà nhưng chưa có nguồn nước bổ xung (như phương án PB), tất cả các nguồn thải thuộc khu vực Biên Hoà buộc xử lí để BOD trong nguồn chỉ còn 50mg/L, các nguồn thải thuộc các khu vực khác được xử lí để BOD trong nguồn đạt 100mg/L. Từ bảng 4 có thể thấy do các nguồn ô nhiễm tập trung ở khu vực Biên Hoà và nội thành thành phố Hồ Chí Minh, hơn nữa khi có đập Phước Hoà thì về cơ bản sông Sài Gòn được thêm nước từ các nguồn hồi qui của hồ Dầu Tiếng nên mức độ BOD bình quân trên sông Sài Gòn hầu như không thay đổi. Còn đối với sồng Đồng Nai, đặc biệt từ khu vực Hoá An xuống tới Long Đại, thì tình trạng ô nhiễm có gia tăng. Khi gia tăng lượng nước lấy cấp cho các nhà máy nước nhưng chưa ngăn đập Phước Hoà (phương án PA) thì BOD bình quân tại Hoá An tăng từ 3.52mg/L lên 3.59mg/L, hoặc tại Cầu Đồng Nai tăng từ 4.68mg/L lên 4.77mg/L. Sự gia tăng được xem như không đáng kể, nhưng khi có dập Phước Hoà (phương án PB) thì sự gia tăng tương ứng là 3.52 lên 4.48 và 4.68 lên 5.74 sẽ là đáng kể. Trong phương án PC khi có thêm 80m3/s bổ xung từ thượng lưu thì bức tranh ô nhiễm gần như trở lại bình thường như phương án PA. Với phương án PD khi các nguồn thải được xử lí thì nước sông không còn bị ô nhiễm mặc dù có gia tăng nước lấy cấp cho dân sinh và công nông nghiệp. Một số nhận xét: Từ kết quả tính toán và phân tích ở trên có thể rút ra một số nhận xét sau đây: + Khi gia tăng việc lấy nước cho dân sinh, công nghiệp, nông nghiệp theo như kế hoạch phát triển đến khoảng 2020 mà vẫn duy trì lượng nước xả từ thượng lưu về sông Đồng Nai (gồm Trị An và sông Bé) vào mùa khô trung bình cỡ 300m3/s, và tư Dầu Tiếng (cả xả và hồi qui) về sông Sài gòn cỡ 40m3/s sẽ không làm ảnh hưởng đáng kể đến bức tranh xâm nhập mặn cho khu vực Biên Hoà và Thủ Dầu Một trở lên thượng lưu, và như vậy sẽ không ảnh hưởng tới chất lượng nước cấp (về độ mặn) cho các nhà máy nước lấy ở các sông trong các khu vực này. + Khi có đập Phước Hoà với lượng xả xuống sông Bé trong mùa khô 15m3/s và chuyển 50m3/s sang hồ Dầu Tiếng, ngoài ra chưa có nguồn bổ xung nào cho sông Đồng Nai thì các nhà máy lấy nước trên sông Đồng Nai (Hoá An, Biên Hoà, Bình An) sẽ bị ảnh hưởng về độ mặn của nước sông. Độ mặn trên sông Sài Gòn và Vàm Cỏ về cơ bản không bị ảnh hưởng do có thêm lượng nước hồi qui từ Dầu Tiếng do được chuyển thêm nước từ hồ Phước Hoà sang hồ Dầu Tiếng. + Về mặt ô nhiễm, phương án gia tăng lượng nước lấy cho các nhà máy nước theo kế hoạch cho đến 2020 sẽ không làm thay đổi đáng kể bức tranh ô nhiễm tại các khu vực lấy nước tại Biên Hoà, 10 [...]... Dầu Một, với điều kiện không gia tăng các nguồn thải và giử nguyên lượng xả về mùa khô từ thượng lưu cỡ 300m3/s với sông Đồng Nai và 40m3/s với sông Sài Gòn + Việc có đập Phước Hoà và chỉ xả xuống sông Bé 15m3/s , chưa có thêm nguồn bổ xung nào cho sông Đồng Nai sau Trị An thì tình trạng ô nhiễm tại các khu vực lấy nước trên sông Đồng Nai sẽ gia tăng và không đảm bảo cho chất lượng của nước cấp Với sông. .. Sài gòn sẽ không thay đổi theo hướng xấu về mặt ô nhiễm do có thêm lượng nước hồi qui + Nếu các nguồn thải xuống sông Đồng Nai đều được xử lí để nồng độ BOD trong nguồn thải đạt 50mg/L thì chất lượng nước sông luôn được đảm bảo dù có đập Phước Hoà TµI LIÖU THAM KH¶O [1] Nguyễn Tất Đắc (2005), Mô hình tóan cho dòng chảy và chất lượng nước trên hệ thống kênh sông NXB Nông Nghiệp [2] Marchouk G.I (1980),... Đo đạc và giám sát chất lượng nước trên các sông Bé, Sài Gòn, Đồng Nai, và Vàm cỏ Đông”, năm 2003, 2004 (Phục vụ đánh giá tác động mô trường công trình thủy lợi Phước Hòa) Summary 1D SALBOD MODEL FOR WASTE WATER SPREADING IN THE CANAL SYSTEM AND ITS APPLICATION Ass Prof Dr NGUYEN TAT DAC Southern Institute for Water resources planning It is presented in this study the theoretical background of 1D SALBOD... Institute for Water resources planning It is presented in this study the theoretical background of 1D SALBOD Model for waste water spreading in the canal system The analysis of numerical schemes applied to 1D transport equation shows that numerical diffusion encountered by finite difference methode leads to, physically, sometimes unacceptable solutions To overcome this shortcoming it is suggested to use, . sông Đồng Nai-Sài Gòn. Tuy nhiên bài tóan lan truyền chất chủ yếu được xây dựng và áp dụng cho lan truyền mặn. Thuật tóan dùng để giải bài tóan lan truyền chất một chiều cơ bản là sơ đồ sai phân chảy, tính lan truyền chất (mặn, BOD, DO) và được thực hiện đồng thời trong một bước thời gian tính, tuy nhiên trong báo cáo này chỉ trình bầy thuật tóan cho phần tính lan truyền chất. Chi tiết. phục được nhược điểm này. Nhằm khắc phục các nhược điểm trong thuật tóan tính lan truyền chất, mà chủ yếu là lan truyền mặn, của các phần mềm hiện có, trong phần mềm SALBOD, việc sử dụng phương