Giáo trình Mô hình hóa môi trường

Kính mong sự đóng góp ý kiến của tất cả bạn đọc. Những đóng góp quí báu của bạn đọc sẽ giúp các tác giả nâng cao chất lượng giáo trình này. Giáo trình này trình bày cơ sở lý luận và thực tiễn xây dựng, ứng dụng mô hình toán phục vụ cho công tác bảo vệ môi trường. Các khái niệm cơ bản như mô hình, mô hình môi trường, mô hình hóa bài toán bảo vệ môi trường không khí, môi trường nước mặt, nước dưới đất được trình bày. Trong giáo trình cũng dành sự lưu ý đặc biệt cho những ứng dụng cụ thể trong bài toán bảo vệ môi trường trên đất nước chúng ta. Giáo trình hướng tới đối tượng là sinh viên, học viên cao học chuyên ngành môi trường và một số ngành liên quan, cũng như giảng viên, nghiên cứu viên tại các trường đại học và viện nghiên cứu. Bản quyền @ 2008 - Bùi Tá Long, tiến sĩ khoa học, Lôøi caûm ôn Giáo trình này ra đời được là nhờ sự động viên và hỗ trợ của quí thầy cô đồng nghiệp mà tác giả đã có dịp làm việc và cộng tác. Tác giả xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Viện Môi trường và Tài nguyên, Đại học Bách khoa, Đại học quốc gia TP. Hồ Chí Minh, Đại học nông lâm TP. Hồ Chí Minh, Đại học Khoa học Huế, Đại học bán công Tôn Đức Thắng TP. Hồ Chí Minh, Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP. Hồ Chí Minh, Đại học Yersin TP. Đà Lạt đã mời tác giả tham gia giảng dạy cho sinh viên, học viên cao học chuyên ngành môi trường. Tác giả cũng gửi lời cảm ơn chân thành đến các thành viên Phòng Tin học Môi trường, Viện Môi trường và Tài nguyên, Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh, các thành viên khác của nhóm ENVIM đã tham gia thực hiện các phần mềm gắn với mô hình. Tác giả bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến các thầy phản biện đã dành nhiều thời gian để đọc và đóng góp ý kiến nhằm nâng cao chất lượng của tài liệu này. Cuối cùng tác giả xin cám ơn các học trò của mình đã tham gia rất nhiệt tình phần xử lý số liệu, nhập số liệu cũng như kiểm tra phần mềm, cùng nhiều hỗ trợ khác để nâng cao giá trị về mặt thực tiễn cho giáo trình này. Lôøi noùi ñaàu Mô hình hóa với sự trợ giúp của công nghệ thông tin trong thời đại ngày nay đã trở thành một nhánh quan trọng của khoa học hiện đại và là một công cụ rất mạnh để nhận thức thế giới xung quanh. Nghiên cứu mô hình hóa và ứng dụng trên máy tính mở ra những chân trời mới để nhận diện sự phụ thuộc của tin học với toán học và các ngành khoa học khác – cả tự nhiên lẫn xã hội. Khái niệm “mô hình” chúng ta đã làm quen từ thời thơ ấu. Đồ chơi ô tô, máy bay hay chiếc tầu là những trò chơi yêu thích của con trai; búp bê, con gấu bông là những trò chơi không thể thiếu của bé gái. Trong nhận thức của trẻ em, trong quá trình nhận biết thế giới bên ngoài, những đồ chơi như vậy về thực chất là các mô hình của thế giới thực. Ở tuổi thiếu niên đối với nhiều em thì các trò chơi lego, các mô hình lắp ráp ô tô, máy bay, tàu thủy gần giống với thực tế đã trở nên quyết định trong việc lựa chọn nghề trong tương lai. Như vậy mô hình là gì ? Cái gì chung giữa một bên là chiếc tàu trò chơi với hình vẽ được thể hiện trên màn hình máy vi tính, thể hiện một mô hình toán học trừu tượng ? Có một điều là giống nhau: trong cả hai trường hợp chúng ta có hình ảnh của một đối tượng thực, thay thế bản gốc nào đó được thực hiện với độ tin cậy và cụ thể nào đó. Nói một cách khác, mô hình là biểu diễn đối tượng dưới một dạng nào đó, khác với dạng thực của nó. Trong hầu hết các ngành khoa học về thiên nhiên, về thế giới sinh vật hay vô cơ, về xã hội, việc xây dựng và sử dụng mô hình là một thứ vũ khí rất mạnh để nhận thức xã hội. Các đối tượng và quá trình thực thường rất đa dạng và phức tạp cho nên cách tốt nhất để nghiên cứu chúng là xây dựng mô hình. Mô hình được xây dựng chỉ giữ lại một số mặt của hiện thực và vì thế nó đơn giản hơn. Kinh nghiệm phát triển khoa học trong nhiều thế kỷ đã khẳng định tính đúng đắn của phương pháp tiếp cận như vậy. Giáo trình này hướng tới đối tượng sinh viên chuyên ngành môi trường, cũng như một số ngành có liên quan. Bên cạnh đó giáo trình này cũng có ích cho học viên trên đại học cũng như giảng viên, nghiên cứu viên thuộc các cơ sở đào tạo và nghiên cứu trong nước. Giáo trình này được biên soạn dựa trên tài liệu giảng dạy môn học này vào các năm 2005 - 2008 cho sinh viên và học viên cao học tại Viện Môi trường và Tài nguyên, một số trường đại học khác. Trong giáo trình này tác giả đã cố gắng bám sát thực tiễn của đất nước cũng như chương trình đào tạo ngành môi trường. Dù có nhiều cố gắng nhưng chắc chắn giáo trình này vẫn không thể tránh khỏi những tồn tại và hạn chế. Tác giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý đồng nghiệp cũng như bạn đọc gần xa có quan tâm tới ứng dụng mô hình hóa trong quản lý môi trường cũng như trong nghiên cứu môi trường. Góp ý xin gửi về địa chỉ longbuita@yahoo.com, điện thoại 0918017376 hoặc theo địa chỉ trên trang Web: www.envim.com.vn. TP. Hồ Chí Minh, tháng 6/2008 Tác giả: TSKH. Bùi Tá Long DANH MUÏC CAÙC TÖØ VIEÁT TAÉT BOD Nhu cầu oxy sinh hóa C Cacbon CAP Computing for Air Pollution – Phần mềm tính toán ô nhiễm không khí CBOD Nhu cầu oxy sinh hóa các hợp chất cacbon COD Nhu cầu oxy hóa học DIP Phôtpho vô cơ hoà tan DO Oxy hòa tan DOM Chất khoáng hòa tan DON Nitơ hữu cơ hòa tan DOP Photpho hữu cơ hòa tan EC Độ dẫn điện ENVIM ENVironmental Information Management software – phần mềm quản lý môi trường ENVIMAP ENVironmental Information Management and Air Pollution estimation – Phần mềm tính toán mô phỏng ô nhiễm không khí ENVIMQ2K Phần mềm mô phỏng chất lượng nước kênh sông có ứng dụng GIS GIS Hệ thống thông tin địa lý GIS Geographic Information System – Hệ thống thông tin địa lý GMS Groundwater – Modeling – System – phần mềm mô phỏng nước dưới đất IN Nitơ vô cơ IP Photpho vô vơ NBOD Nhu cầu oxy sinh hóa các hợp chất nitơ NH4 Ammonia P Phôtpho PO4 Phôtphat QUAL2K Phần mềm mô phỏng chất lượng nước kênh sông của Mỹ SBOD Nhu cầu oxy của bùn lắng SS Chất rắn lơ lửng TDS Tổng chất rắn hòa tan TN Tổng nitơ TN Tổng nitơ TP Tổng photpho . MUÏC LUÏC Lời cảm ơn   ........................................................................................................iii Lời nói đầu ......................................................................................................... v Danh mục các từ viết tắt .......................................................................................vii Mục lục ........................................................................................................ ix MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1 Tính cấp thiết của môn học................................................................................. 1 Mục tiêu của môn học......................................................................................... 2 Nội dung môn học............................................................................................... 2 Phương pháp, công cụ được sử dụng.................................................................. 5 Giới hạn của phương pháp mô hình.................................................................... 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG ..................... 7 1.1. Mô hình vật lý và toán học .......................................................................... 7 1.2. Vai trò của mô hình...................................................................................... 9 1.3. Mô hình như là công cụ quản lý và nghiên cứu môi trường ..................... 13 1.4. Sự phân loại mô hình và các nguyên lý mô hình hóa ................................ 17 1.5. Mô hình hóa môi trường và sự phân loại chúng ........................................ 19 Câu hỏi.............................................................................................................. 25 Tài liệu tham khảo ............................................................................................ 25 CHƯƠNG 2. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG ............................................................................. 26 2.1. Các giai đoạn cơ bản của quá trình xây dựng mô hình môi trường .......... 26 2.2. Các thành phần trong quá trình mô hình hóa môi trường .......................... 37 2.3. Sự phân loại mô hình môi trường ............................................................. 39 2.4. Các nguyên lý cơ bản áp dụng trong xây dựng mô hình môi trường........ 45 Câu hỏi.............................................................................................................. 46 Tài liệu tham khảo ............................................................................................ 47 CHƯƠNG 3. CÁC YẾU TỐ KHÍ TƯỢNG ẢNH HƯỞNG LÊN SỰ PHÁT TÁN CHẤT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ .............................. 48 3.1. Sự phát tán của chất khí trong khí quyển ................................................. 48 3.2. Các điều kiện ảnh hưởng đến sự phát tán của khí trong khí quyển ........... 51 3.3. Độ ổn định của khí quyển.......................................................................... 56 Câu hỏi.............................................................................................................. 69 Tài liệu tham khảo ............................................................................................ 70 CHƯƠNG 4. MÔ HÌNH HÓA Ô NHIỄM KHÔNG KHI THEO PHƯƠNG PHÁP GAUSS….……………………………………71 4.1. Phương trình cơ bản mô tả sự truyền tải và khuếch tán chất ô nhiễm .......71 4.2. Mô hình Gauss tính toán lan truyền chất ô nhiễm không khí ....................75 4.3. Mô hình phát tán ô nhiễm không khí ISC3 ................................................89 4.4. Bài tập ứng dụng mô hình Gauss .............................................................103 Câu hỏi ............................................................................................................112 Tài liệu tham khảo ..........................................................................................112 CHƯƠNG 5. MÔ HÌNH HÓA Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ THEO PHƯƠNG PHÁP BERLIAND....................................................113 5.1. Các phương pháp tiếp cận chính trong việc mô tả khuếch tán khí quyển................................................................................113 5.2. Mô hình Berliand tính toán lan truyền chất ô nhiễm trong khí quyển .....118 5.3. Các bước tự động hoá tính toán theo mô hình phát tán ô nhiễm không khí....................................................................................125 5.4. Mô hình phát tán ô nhiễm không khí Sutton............................................135 5.5. Phương pháp tính toán nồng độ trung bình..............................................140 5.6. Mô hình Berliand kỹ thuật .......................................................................144 5.7. Bài tập ứng dụng mô hình Berliand .........................................................151 Câu hỏi ............................................................................................................164 Tài liệu tham khảo ..........................................................................................165 CHƯƠNG 6. MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ BẢN LIÊN QUAN TỚI MÔ HÌNH HÓA CHẤT LƯỢNG NƯỚC...................................166 6.1. Hiện tượng lan truyền chất trong môi trường nước .................................166 6.2. Chuyển tải ................................................................................................170 6.3. Khuếch tán / phân tán...............................................................................173 6.4. Sự phân ô..................................................................................................197 6.5. Mô hình hóa chất lượng nước hồ .............................................................200 6.6. Bài tập ứng dụng ......................................................................................214 Câu hỏi ............................................................................................................219 Tài liệu tham khảo ..........................................................................................219 CHƯƠNG 7. MÔ HÌNH STREETER – PHELPS MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC TRÊN KÊNH SÔNG ...........................220 7.1. Nhu cầu oxy sinh hoá (BOD)...................................................................221 7.2. Sự ô nhiễm do các chất hữu cơ ................................................................223 7.3. Các điểm lưu ý về nhu cầu oxy sinh hóa .................................................225 7.4. Sự oxy hóa các hợp chất của nitơ.............................................................227 7.5. Đường cong diễn tiến oxy hòa tan (đường cong lõm) .............................230 7.6. Mô hình Streeter – Phelps........................................................................232 7.7. Bài tập ứng dụng mô hình Streeter ..........................................................242 Câu hỏi ............................................................................................................252 Tài liệu tham khảo ..........................................................................................253 CHƯƠNG 8. MÔ HÌNH DÒNG CHẢY VÀ LAN TRUYỀN CHẤT CHO KÊNH SÔNG.....................................................................253 8.1. Phương trình vi phân của dòng chảy và lan truyền chất .......................... 253 8.2. Phương pháp số giải phương trình vi phân của dòng chảy và lan truyền chất trong sông................................................................... 262 8.3.Giải số phương trình dòng chảy và lan truyền chất cho kênh sông. ......... 274 Câu hỏi………………………………………………………………………275 Tài liệu tham khảo .......................................................................................... 276 CHƯƠNG 9. MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC BẰNG PHẦN MỀM QUAL2K............................................................... 276 9.1. Tổng quan về mô hình QUAL2K ............................................................ 276 9.2. Sự phân đoạn trong QUAL2K ................................................................. 277 9.3 Cân bằng lưu lượng.................................................................................. 279 9.4 Các đặc tính thuỷ lực................................................................................ 281 9.5 Thời gian di chuyển ................................................................................. 288 9.6 Công thức tính hệ số phân tán theo hướng dòng chảy ............................. 288 9.7 Mô hình nhiệt độ ...................................................................................... 289 9.8 Mô hình tính toán cho các phần tử ........................................................... 304 9.9 Phần mềm ENVIMQ2K ứng dụng GIS mô phỏng chất lượng nước kênh sông ........................................................................................ 327 9.10. Bài tập ứng dụng phần mềm ENVIMQ2K mô phỏng chất lượng nước kênh sông do nhiều nguồn xả thải .................................................. 359 Câu hỏi............................................................................................................ 380 Tài liệu tham khảo .......................................................................................... 380 CHƯƠNG 10. MÔ HÌNH HOÁ NƯỚC DƯỚI ĐẤT........................................ 381 10.1. Tổng quan về các mô hình nước dưới đất.............................................. 381 10.2. Điều kiện đầu......................................................................................... 387 10.3. Điều kiện biên........................................................................................ 388 10.4. Một số phần mềm được sử dụng rộng rãi .............................................. 391 10.5. Ứng dụng phần mềm MODFLOW và MT3DMS tính toán mô phỏng lan truyền nitơ trong nước dưới đất - lấy TPHCM làm ví dụ nghiên cứu ............................................................................. 393 Câu hỏi............................................................................................................ 427 Tài liệu tham khảo .......................................................................................... 427 BẢNG ..................................................................................................... 429 HÌNH ..................................................................................................... 432 BẢNG TÍNH ĐỔI ĐƠNVỊ ĐO NỒNG ĐỘ ...................................................... 444 TOÅNG QUAN VEÀ MOÂ HÌNH HOÙA MOÂI TRÖÔØNG Hiện nay không có một lĩnh vực nhận thức nào mà người ta không nói đến mô hình. Trong nghĩa rộng, mô hình được hiểu là một cấu trúc được xây dựng trong tư duy hoặc thực tiễn, cấu trúc này tái hiện lại thực tế ở dạng đơn giản hơn, công thức hơn và trực quan hơn. Phần trình bày dưới đây sẽ làm sáng tỏ hơn về mô hình và mô hình hoá môi trường. 1.1. MOÂ HÌNH VAÄT LYÙ VAØ TOAÙN HOÏC Trong lịch sử phát triển con người đã từng sử dụng mô hình. Mô hình là những bức tranh đơn giản về thực tế và là công cụ để giải quyết nhiều vấn đề. Dĩ nhiên, mô hình sẽ không bao giờ chứa đựng tất cả các đặc tính của hệ thống thực, bởi vì, chính nó không phải là hệ thống thật. Nhưng điều quan trọng ở việc mô hình chứa đựng tất cả các đặc tính đặc trưng cần thiết trong phạm vi của vấn đề cần giải quyết hay mô tả. Ý nghĩa thực tiễn của việc sử dụng mô hình có lẽ được minh họa tốt nhất qua những ví dụ trong thực tế. Trong nhiều năm, người ta đã sử dụng các mô hình vật lý của con tàu để xác định mặt nghiêng, giúp con tàu có được sự cân bằng trong nước. Mô hình vật lý như vậy sẽ có hình dáng và một số thông số chính giống con tàu thật sự, nhưng nó không chứa tất cả các chi tiết chẳng hạn như: sự trang bị máy móc, cách bố trí của cabin, v.v… Những chi tiết như vậy thì không liên quan đến mục đích của mô hình cần nghiên cứu. Những mô hình khác của con tàu đáp ứng các mục đích khác: cách bố trí của các cabin khác nhau, sơ đồ các ống dẫn... Từ đó, chuyên gia hàng đầu về mô hình môi trường người Đan Mạch Jorgensen M.E. /[6]/ cho rằng mô hình môi trường phải mang những đặc tính lưu ý đến khía cạnh quản lý hay vấn đề mang tính khoa học, đây chính là điều mà các nhà nghiên cứu mong muốn. Môi trường là một hệ Chöông 1 Giaùo trình Moâ hình hoùa moâi tröôøng 8 thống phức tạp hơn nhiều một con tàu, và điều này nói lên rằng mô hình môi trường là vấn đề cực kỳ phức tạp. Tuy nhiên, nhờ những nghiên cứu mạnh mẽ trong nhiều thập kỷ qua nên ngày nay đã có thể thiết lập được những mô hình môi trường mang tính thực tiễn cao. Jorgensen đã so sánh mô hình môi trường với các bản đồ địa lý (trên thực tế bản đồ địa lý cũng chính là những mô hình). Các loại bản đồ khác nhau đáp ứng những mục đích khác nhau. Có những bản đồ dùng cho máy bay, tàu thủy, xe hơi, xe lửa, các nhà địa chất và các nhà khảo cổ học và v.v…Tất cả chúng đều khác nhau, bởi vì chúng cần tập trung vào các chi tiết khác nhau. Hơn thế nữa, bản đồ không bao giờ chứa đựng tất cả chi tiết của khu vực địa lý quan tâm, bởi vì hầu hết là không liên quan và mơ hồ đối với mục đích chính của bản đồ. Tương tự với các bản đồ địa lý mô hình môi trường tập trung vào những mục tiêu chính cần quan tâm. Mục tiêu chính của mô hình sẽ bị lu mờ nếu mô hình lưu ý tới quá nhiều chi tiết không liên quan. Có nhiều mô hình khác nhau của cùng một hệ sinh thái, vì mô hình thích hợp sẽ được chọn lựa tùy theo từng mục tiêu của mô hình. Mô hình có thể là vật lý, chẳng hạn như mô hình chiếc tàu thí nghiệm dùng để đo lường cá