Bài giảng Nhập môn mô hình hóa chất lượng nước

Bài giảng 2: Nhập môn Mô hình hóa Chất lượng nước TS. Đào Nguyên Khôi Bộ môn Tin học Môi trường Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp.HCM Khoa Môi Trường Nội dung Mục đích MHH chất lượng nước  Các đại lượng căn bản • Khối lượng, nồng độ • Tải lượng, lưu lượng, thông lượng Mô hình toán trong MHH chất lượng nước • Các dạng mô hình toán • Định luật bảo toàn khối lượng 2 Mục đích của MHH chất lượng nước Phân bố tải lượng thải • Kiểm soát môi trường nhằm đạt được một chất lượng môi trường nhất định. • Tập trung vào nguồn thải điểm Xác định tổng tải lượng thải tối đa • Tổng tải lượng thải (TMDL – Total Maximum Daily Load) là khối lượng chất thải mà một thể nước có thể nhận được và vẫn thõa mãn tiêu chuẩn chất lượng nước. • Một quá trình tổng quát hơn để đánh giá tải lượng và kiểm soát chất thải trong một lưu vực • Bao gồm cả nguồn thải điểm và nguồn thải đường 3 Mục đích của MHH chất lượng nước (tt) 4 Khu vực thoát nước Mô hình chất lượng nước Tải lượng W Mục đích sử dụng nước C < Cg Kiểm soát sai đúng Nồng độ mong muốn, Cg Quy trình quản lý chất lượng nước Mục đích của MHH chất lượng nước (tt) Mô hình hóa chất ô nhiễm • Hiểu được quá trình chuyển tải và khuyếch tán chất ô nhiễm trong môi trường nước Hiểu biết chung về hệ sinh thái • Hiểu các thay đổi của hệ sinh thái tự nhiên đối lượng việc xả thải chất ô nhiễm 5 Các đại lượng căn bản Khối lượng và nồng độ • Khối lượng (m): số lượng chất ô nhiễm trong một hệ thống • Nồng độ (C): 6 C = m V C: Nồng độ [ML-3] m: Khối lượng [M] V: Thể tích [L3] Thông số Đơn vị Tổng chất rắn hòa tan, độ mặn gL-1  kg m-3  ppt DO, BOD, NO2 mgL -1  g m-3  ppm PO4, Chlorophyll a, chất độc gL-1  mg m-3  ppb Chất độc ngL-1  g m-3  pptr Đơn vị đo lường cơ bản của một vài thông số CLN Các đại lượng căn bản (tt) Tốc độ: 7 Q C U AC Tải lượng: W = Q.C Lưu lượng: Q = U.Ac U C Thông lượng: J = U.C Thông lượng là khối lượng trên một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian J = m tAc = W Ac W: Tải lượng [M/T]. C: Nồng độ [M/L3]. Q: Lưu lượng [L3/T]. U: Vận tốc [L/T]. t: Thời gian [T]. AC: Diện tích mặt cắt [L 2]. Các đại lượng căn bản (tt) Ví dụ 1: Một hồ có thể tích không đổi có diện tích bề mặt là 104 m2 và có độ sâu trung bình là 2m. Giả sử ban đầu nồng độ của hồ là 0.8 ppm. Hai ngày sau đó quan trắc được nồng độ của hồ là 1.5ppm. a. Tính tải lượng chất thải trong thời gian này. b. Nếu giả sử rằng chỉ có nguồn thải thụ động từ khí quyển, hãy tính thông lượng. 8 9 Mô hình toán  Mô hình toán học của một đối tượng bất kỳ là sự mô tả nó bằng các công cụ, phương pháp toán học.  Rất nhiều biểu thức toán học các quá trình liên quan tới mô phỏng môi trường sinh thái đã tồn tại: • Các quá trình vật lý: các quá trình lan truyền, hấp thụ, sự phụ thuộc nhiệt độ, bay hơ,... • Các quá trình hóa học: ôxy hóa, ion hóa, bốc hơi,... • Các quá trình sinh học: quang hợp, sự tăng trưởng, sự lắng đọng trầm tích, sự phân rã,... 10 Mô hình toán (tt)  Mô hình tính toán mô phỏng chất lượng nước tổng quát: C = f (W, vật lý, hoá học, sinh học,)  mối liên hệ nhân quả giữa tải lượng và nồng độ, phụ thuộc mối liên hệ giữa các quá trình vật lý, hoá học, sinh học.  Dạng tuyến tính: a: hệ số đồng hóa (L3T-1) đặc trưng cho các quá trình vật lý, hoá học, sinh học của nước 11 C = 1 a W Mô hình toán (tt) Các dạng mô hình  Kiểu mô phỏng: Dùng để mô phỏng sự thay đổi của hệ thống (nồng độ), là một hàm của tác nhân kích thích (tải lượng) và các đặc điểm của hệ thống (tác nhân đồng hóa).  Kiểu I (khả năng đồng hóa): Dùng để tính toán tải lượng nhằm đạt được nồng độ mong muốn.  Kiểu II (cải thiện môi trường): Xác định môi trường có thể được cải thiện như thế nào để đạt tới một nồng độ cho phép. Các biện pháp cải thiện môi trường có thể là nạo vét, làm thông thoáng, tăng tốc độ dòng chảy, 12 C = 1 a W a = W C 𝑊 = 𝑎. 𝐶 Mô hình toán (tt) Ví dụ 2: Năm 1970, ở một hồ nhận 1 nguồn thải photpho có tải lượng là 10,500 tấn/năm và nồng độ của hồ là 21g/l. Vào năm 1973 người ta tiến hành làm giảm tải lượng thải đến 8000 tấn/năm. a. Tính tác nhân đồng hóa của hồ. b. Nồng độ của photpho trong hồ là bao nhiêu khi cải tạo. c. Nếu nồng độ photpho trong hồ giảm còn 10 g/l, phải giảm tải lượng thải còn bao nhiêu? 13 14 Mô hình toán (tt) Có 2 phương pháp để xác định tác nhân đồng hóa:  Mô hình thực nghiệm • Dựa vào phương pháp quy nạp và phân tích thống kê dữ liệu (hồi quy). • Ví dụ: xác định mối liên hệ thực nghiệm giữa DO và tải lượng thải dựa vào số liệu đo đạc.  Mô hình cơ giới • Dựa vào phương pháp diễn dịch và lý thuyết để xác định cơ chế ảnh hưởng đế thông số a và sử dụng trong dự báo. • Ví dụ: sử dụng các quá trình như phân hủy chất hữu cơ, tái thông khí, trong các quá trình liên quan đến W và C 15 C C=W/a W Mô hình toán (tt) Định luật bảo toàn khối lượng • Vật chất không tự nhiên sinh ra hay mất đi mà chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác. • Các định luật bảo toàn: – Khối lượng – Động lượng – Nhiệt độ • Để lý giải các thay đổi trong hệ thống ta theo dõi các quá trình di chuyển của vật chất qua biên của hệ thống và các biến đổi của vật chất xảy ra bên trong hệ thống 16 Mô hình toán (tt) • Nếu nguồn > lắng Tích tụ dương và lượng vật chất tăng dần • Nếu nguồn < lắng Tích tụ âm và lượng vật chất giảm dần • Nếu nguồn = lắng Tích tụ bằng 0 và lượng vật chất không thay đổi 17 Tải nạp Dòng ra Dòng vào phản ứng chất X chất Y Tích tụ = tải nạp  chuyển tải  phản ứng Tích tụ = nguồn (source) – lắng (sink) Mô hình toán (tt) Ví dụ 3: Một nguồn thải vào con sông được mô tả như hình dưới. Tính: – Lưu lượng dòng chảy (tính bằng m3/s (cms)) – Nếu sự pha trộn tức thời xảy ra thì nồng độ (kết quả) là bao nhiêu (tính bằng ppm) Biết: 1 gallon=3.785 l, 1ft=0.3048 m, 1ft/s=0.3048 m/s. 18 Lịch sử phát triển của MHH CLN  1925-1960: Streeter-Phelps  Mô hình hóa DO, dựa vào BOD và SOD  1960-1970: tin học hóa  Các bài toán phức tạp hơn, chi tiết hơn (độ phân giải)  1970-1977: sinh học  Mô hình hóa quá trình phú dưỡng, dựa vào N, P, và ánh sáng  1977 – nay: Độc học  Các quá trình chuyển hóa phức tạp hơn (lý, hóa, sinh) 19 20  1925-1960 (streeter-Phelps) Vấn đề: Nước thải sơ cấp và chưa xử lý Chất ô nhiễm: BOD/DO Hệ thống: sông/ cửa sông (1D) Động học: tuyến tính, tác động tiến Lời giải: giải tích  1960-1970 (tin học hóa) Vấn đề: Nước thải sơ cấp và thứ cấp Chất ô nhiễm: BOD/DO Hệ thống: sông/cửa sông (1D/2D) Động học: tuyến tính, tác động tiến Lời giải: giải tích và lời giải số  1970-1977 (sinh học) Vấn đề: phú dưỡng hóa Chất ô nhiễm: chất dinh dưỡng Hệ thống: hồ/sông/cửa sông (1D/2D/3D) Động học: phi tuyến tính, tác động lùi Lời giải: lời giải số  1977 - nay (độc học) Vấn đề: độc học Chất ô nhiễm: hữu cơ, kim loại Hệ thống: tương tác nước – đất, chuỗi thức ăn (hồ/sông/cửa sông) Động học: tuyến tính, cân bằng Lời giải: lời giải số và giải tích