Hướng dẫn giải bài tập mô hình và hệ thống thông tin môi trường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN BÙI TÁ LONG THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 09/2010 TÀI LIỆU LƯU HÀNH 2 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 tài liệu này. Cùng với cuốn Bài tập mô hình hóa và hệ thống thông tin môi trường, tài liệu hướng dẫn sử dụng phần mềm, tài liệu này được thực hiện giúp người dùng nhanh chóng làm quen với phần mềm ENVIM – sản phẩm tin học đi kèm môn học. Tài liệu này gồm 7 bài tập hướng dẫn chi tiết khai thác các phần mềm ENVIM thông qua việc giải quyết các bài tập cụ thể. Chúng tôi mong nhận được đóng góp ý kiến của các chuyên gia và người sử dụng. Những đóng góp quí báu của chuyên gia và người sử dụng sẽ giúp các tác giả không ngừng nâng cao chất lượng sản phẩm. Tài liệu này hướng tới đối tượng là sinh viên, học viên cao học đang theo học ngành quản lý hay kỹ thuật môi trường. Tài liệu này cũng hướng tới tất cả những ai quan tâm tới ứng dụng mô hình toán và công nghệ thông tin trong nghiên cứu bảo vệ môi trường. Bản quyền @ 2010 Bùi Tá Long, tiến sĩ khoa học, 3 TÓM TẮT Mô hình hóa toán học các quá trình môi trường không phải là sản phẩm thuần túy của khoa học mà được coi là phương pháp tiếp cận để hiểu biết sâu sắc hơn các hiện tượng thiên nhiên và mục tiêu cuối cùng của nó là để nhận được thông tin về thế giới thực. Thông tin này thúc đẩy sự phát triển các vấn đề khoa học mới cùng các phương pháp giải chúng, làm cơ sở để thông qua quyết định khi tiến hành các dự án cụ thể. Trong những năm gần đây mối quan tâm xây dựng các mô hình toán ô nhiễm không khí, nước, đất, dự báo và đánh giá khía cạnh kinh tế do ô nhiễm dựa trên phương pháp mô phỏng tăng lên. Việc xây dựng các mô hình toán cho hệ thống kiểm soát và quản lý ô nhiễm không khí, luận chứng các phương pháp dự báo dài hạn phục vụ cho công tác qui hoạch cũng không ngừng tăng lên. Để ứng dụng mô hình giải quyết những vấn đề thực tiễn cần thiết xây dựng các phần mềm chuyên dụng. Tuy nhiên để sử dụng các phần mềm cần thiết phải thiết kế, xây dựng các tài liệu giúp người dùng khai thác các phần mềm. Đây cũng là mục tiêu của tập tài liệu này. Cùng với cuốn giáo trình Mô hình hóa môi trường, Các phần mềm môi trường ENVIM 2010, Bài tập mô hình hóa và hệ thống thông tin môi trường, tài liệu này được thực hiện giúp người dùng nhanh chóng làm quen với các phần mềm CAP, ENVIMAP, ENVIMQ2K. Tài liệu này gồm 7 bài tập hướng dẫn chi tiết khai thác các phần này. Tác giả mong nhận được đóng góp ý kiến của các chuyên gia và người sử dụng. Những đóng góp quí báu của chuyên gia và người sử dụng sẽ giúp các tác giả không ngừng nâng cao chất lượng sản phẩm. Tp. HCM ngày 1.9.2010 Tác giả PGS.TSKH. Bùi Tá Long 4 MỤC LỤC BÀI TẬP 1 BÀI TẬP MÔ HÌNH GAUSS –TRƯỜNG HỢP NGẮN HẠN.................. 8 1.1 Mô tả bài toán cần giải quyết.................................................................................8 1.2 Xây dựng kịch bản cho mô hình ............................................................................8 1.3 Chạy kịch bản .....................................................................................................14 1.4 Xử lý kết quả mô phỏng ......................................................................................16 BÀI TẬP 2 BÀI TẬP MÔ HÌNH GAUSS – TRƯỜNG HỢP DÀI HẠN................... 19 2.1 Mô tả bài toán cần giải quyết...............................................................................19 2.2 Nhập thông tin ống khói ......................................................................................19 2.3 Xây dựng kịch bản ..............................................................................................20 2.4 Xử lý kết quả mô phỏng ......................................................................................23 BÀI TẬP 3 BÀI TẬP MÔ HÌNH BERLIAND – TRƯỜNG HỢP NGẮN HẠN........ 26 3.1 Mô tả bài toán cần giải quyết...............................................................................26 3.2 Xây dựng kịch bản mô hình.................................................................................26 3.3 Chạy kịch bản .....................................................................................................30 3.4 Xử lý kết quả mô phỏng ......................................................................................32 BÀI TẬP 4 BÀI TẬP MÔ HÌNH BERLIAND – TRƯỜNG HỢP LẶNG GIÓ.......... 34 4.1 Mô tả bài toán cần giải quyết...............................................................................34 4.2 Nhập thông tin ống khói ......................................................................................34 4.3 Xây dựng kịch bản ..............................................................................................34 4.4 Xử lý kết quả mô phỏng ......................................................................................36 BÀI TẬP 5 BÀI TẬP MÔ HÌNH BERLIAND – TRƯỜNG HỢP DÀI HẠN ............ 38 5.1 Mô tả bài tập cần giải quyết.................................................................................38 5.2 Nhập thông tin ống khói ......................................................................................38 5.3 Xây dựng kịch bản ..............................................................................................38 5.4 Xử lý kết quả mô phỏng ......................................................................................40 BÀI TẬP 6 TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ CHO NHIỀU NGUỒN ĐIỂM – PHẦN MỀM ENVIMAP ..................................................................42 6.1 Mô tả bài toán cần giải quyết...............................................................................42 6.2 Các nhóm dữ liệu chính.......................................................................................43 6.3 Xây dựng dữ liệu cơ bản .....................................................................................44 6.4 Xây dựng kịch bản ..............................................................................................54 6.5 Chạy kịch bản và xử lý kết quả mô phỏng ...........................................................62 BÀI TẬP 7 TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC KÊNH SÔNG BẰNG PHẦN MỀM ENVIMQ2K ............................................................................................ 70 7.1 Mở đầu................................................................................................................70 7.2 Các bước cần thực hiện để ứng dụng Qual2K......................................................70 7.3 Mô hình ý niệm của ENVIMQ2K .......................................................................71 7.4 Bài tập 1: xác định nồng độ nền tại điểm nhạy cảm .............................................72 7.5 Bài tập 2: thay đổi nồng độ chất ô nhiễm.............................................................76 7.6 Bài tập 3: thay đổi lưu lượng nguồn thải..............................................................78 7.7 Đáp số bài 5, 6, 7.................................................................................................79 5 HÌNH Hình 1.1 Các nhóm thông tin cần thiết cho mô hình Gauss ..............................................8 Hình 1.2 Cửa sổ thông tin ống khói..................................................................................9 Hình 1.3 Hộp thoại tạo ống khói ....................................................................................10 Hình 1.4 Cửa sổ kịch bản Gauss.....................................................................................10 Hình 1.5 Hộp thoại kịch bản Gauss – Trang thông tin ....................................................11 Hình 1.6 Hộp thoại kịch bản Gauss – Trang “Vận tốc - Tần suất gió” ...........................11 Hình 1.7 Hộp thoại kịch bản Gauss – Trang “Vận tốc – Tần suất gió” ...........................12 Hình 1.8 Hộp thoại kịch bản Gauss – Trang “Thông số kịch bản”..................................12 Hình 1.9 Hộp thoại kịch bản Gauss – Trang “Số liệu phát thải trong kịch bản” ..............13 Hình 1.10 Hộp thoại chạy mô hình – Bước 1 .................................................................14 Hình 1.11 Hộp thoại chạy mô hình – Bước 2 .................................................................15 Hình 1.12 Thông báo mô hình đang được thực hiện.......................................................16 Hình 1.13 Bản đồ mô phỏng cho bài tập 1......................................................................16 Hình 1.14 Hộp thoại Các giá trị trung gian – Bài tập 1 ...................................................17 Hình 2.1 Hộp thoại tạo ống khói ....................................................................................20 Hình 2.2 Hộp thoại kịch bản Gauss – Trang “Vận tốc – Tần suất gió” ...........................21 Hình 2.3 Hộp thoại kịch bản Gauss – Trang “Số liệu phát thải trong kịch bản” ..............21 Hình 2.4 Cửa sổ thông tin kich bản Gauss sau khi tạo kịch bản......................................22 Hình 2.5 Bản đồ mô phỏng cho bài tập 2........................................................................22 Hình 2.6 Hộp thoại Các giá trị trung gian – Bài tập 2.....................................................23 Hình 3.1 Các nhóm thông tin cần thiết cho mô hình Berliand.........................................26 Hình 3.2 Cửa sổ kịch bản Berliand.................................................................................27 Hình 3.3 Hộp thoại kịch bản Berliand – Trang thông tin ................................................28 Hình 3.4 Hộp thoại kịch bản Berliand – Trang “Vận tốc – Tần suất gió” .......................28 Hình 3.5 Hộp thoại kịch bản Berliand – Trang “Thông số kịch bản Berliand”................29 Hình 3.6 Hộp thoại kịch bản Berliand – Trang “Số liệu phát thải trong kịch bản” ..........30 Hình 3.7 Thông báo mô hình đang được thực hiện.........................................................31 Hình 3.8 Bản đồ mô phỏng cho bài tập 3........................................................................32 Hình 3.9 Hộp thoại các giá trị trung gian – Bài tập 3......................................................33 Hình 4.1 Hộp thoại kịch bản Berliand – Trang “Vận tốc – Tần suất gió” .......................34 Hình 4.2 Cửa sổ thông tin kich bản Berliand sau khi tạo kịch bản ..................................35 Hình 4.3 Bản đồ mô phỏng cho bài tập 4........................................................................35 Hình 4.4 Hộp thoại các giá trị trung gian – Bài tập 4......................................................36 Hình 5.1 Hộp thoại kịch bản Berliand – Trang “Vận tốc – Tần suất gió” .......................39 Hình 5.2 Bản đồ mô phỏng bài tập 5 ..............................................................................39 Hình 5.3 Hộp thoại các giá trị trung gian – Bài tập 5......................................................40 Hình 6.1 Các nhóm dữ liệu chính...................................................................................43 Hình 6.2 Hộp thoại thông tin Khu công nghiệp ..............................................................44 6 Hình 6.3 Cửa sổ thông tin khu công nghiệp....................................................................45 Hình 6.4 Hộp thoại thông tin Cơ sở sản xuất..................................................................46 Hình 6.5 Cửa sổ thông tin Cơ sở sản xuất ......................................................................47 Hình 6.6 Cửa sổ thông tin Cơ sở sản xuất – Tạo dòng thông tin mới ..............................47 Hình 6.7 Cửa sổ thông tin Cơ sở sản xuất – Chọn khu công nghiệp tương ứng...............48 Hình 6.8 Cửa sổ thông tin Cơ sở sản xuất – Hoàn tất nhập thông tin ..............................48 Hình 6.9 Cửa sổ thông tin Ống khói...............................................................................49 Hình 6.10 Cửa sổ thông tin Ống khói – Hoàn tất nhập thông tin ....................................50 Hình 6.11 Tạo thông tin phát thải cho một ngày cụ thể ..................................................51 Hình 6.12 Cửa sổ thông tin phát thải tại ống khói..........................................................51 Hình 6.13 Hộp thoại nhập thông tin phát thải – Bước 1..................................................52 Hình 6.14 Hộp thoại nhập thông tin phát thải – Bước 2..................................................52 Hình 6.15 Hộp thoại nhập thông tin phát thải – Bước 3..................................................53 Hình 6.16 Hộp thoại nhập thông tin phát thải – Bước 3 – Hoàn tất nhập thông tin .........53 Hình 6.17 Hộp thoại Kịch bản Berliand – Trang Thông tin ............................................54 Hình 6.18 Hộp thoại Kịch bản Berliand – Trang Vận tốc – Tần suất gió ........................55 Hình 6.19 Hộp thoại Kịch bản Berliand – Trang Thông số kịch bản Berliand ................55 Hình 6.20 Hộp thoại Kịch bản Berliand – Trang Số liệu phát thải trong kịch bản...........56 Hình 6.21 Cửa sổ Thông tin điểm nhạy cảm...................................................................57 Hình 6.22 Hộp thoại Kịch bản Berliand – Trang Thông tin ............................................58 Hình 6.23 Hộp thoại Kịch bản Berliand – Trang Vận tốc – Tần suất gió .......................58 Hình 6.24 Hộp thoại Kịch bản Berliand – Trang Thông số kịch bản Berliand ................59 Hình 6.25 Hộp thoại Kịch bản Berliand – Trang Số liệu phát thải trong kịch bản...........59 Hình 6.26 Hộp thoại Kịch bản Berliand – Trang Số liệu phát thải trong kịch bản – Chọn ống khói cần xóa ............................................................................................................60 Hình 6.27 Hộp thoại Kịch bản Berliand – Trang Số liệu phát thải trong kịch bản – Đã xóa ống khói.........................................................................................................................60 Hình 6.28 Cửa sổ kịch bản Berliand...............................................................................61 Hình 6.29 Cửa sổ kịch bản Berliand – Hoàn tất tạo kịch bản..........................................61 Hình 6.30 Bản đồ mô phỏng – Kịch bản bài 1................................................................63 Hình 6.31 Bản đồ mô phỏng – Kịch bản bài 1 – Chọn vùng mô phỏng ..........................64 Hình 6.32 Hộp thoại kết quả chạy mô hình – Trang Thông tin .......................................64 Hình 6.33 Hộp thoại kết quả chạy mô hình – Trang Kết quả tính tại nút lưới .................65 Hình 6.34 Bản đồ mô phỏng – Kịch bản bài 2 câu 1......................................................66 Hình 6.35 Hộp thoại kết quả chạy mô hình – Trang Nồng độ tại các điểm nhạy cảm – Kịch bản bài 2 câu 1......................................................................................................66 Hình 6.36 Bản đồ mô phỏng – Kịch bản bài 2 câu 2......................................................67 Hình 6.37 Hộp thoại kết quả chạy mô hình – Trang Nồng độ tại các điểm nhạy cảm – Kịch bản bài 2 câu 2......................................................................................................67 Hình 6.38 Bản đồ mô phỏng – Kịch bản bài 2 câu 3......................................................68 Hình 6.39 Hộp thoại kết quả chạy mô hình – Trang Nồng độ tại các điểm nhạy cảm – Kịch bản bài 2 câu 3......................................................................................................68 Hình 6.40 Bản đồ mô phỏng – Kịch bản bài 2 câu 4......................................................69 7 Hình 6.41 Hộp thoại kết quả chạy mô hình – Trang Nồng độ tại các điểm nhạy cảm – Kịch bản bài 2 câu 4.......................................................................................................69 Hình 7.1. Bản đồ đối tượng cần nghiên cứu – sông Sugar ..............................................71 Hình 7.2. Mô hình ý niệm của ENVIMQ2K...................................................................71 Hình 7.3. Chức năng xử lý kết quả tính toán trong ENVIMQ2K ....................................72 Hình 7.4 Giao diện bản đồ của Envimq2k ......................................................................72 Hình 7.5 Hộp thoại chọn kịch bản..................................................................................73 Hình 7.6. Hệ thống cho phép lựa chọn loại nguồn thải chạy kịch bản.............................74 Hình 7.7 Hộp thoại tổng hợp..........................................................................................74 Hình 7.8 Giao diện bản đồ sau khi hoàn tất mô phỏng....................................................75 Hình 7.9 Hộp thoại kết quả của mô hình – Tab đồ thị ....................................................75 Hình 7.10 Hộp thoại kết quả của mô hình – Tab nồng độ tại điểm nhạy cảm .................75 Hình 7.11 Hộp thoại chọn kịch bản................................................................................76 Hình 7.12 Hộp thoại tại bước 2 ......................................................................................77 Hình 7.13 Thao tác chọn các nguồn thải.........................................................................77 Hình 7.14 Giao diện bản đồ khi hoàn tất mô phỏng........................................................78 Hình 7.15 Hộp thoại kết quả của mô hình – Tab nồng độ tại điểm nhạy cảm .................78 Hình 7.16. Kết quả tính toán tại 2 điểm nhạy cảm trong kịch bản 2................................79 Hình 7.17. Kết quả tính toán tại 2 điểm nhạy cảm trong kịch bản 3................................79 Hình 7.18. Kết quả tính toán tại 2 điểm nhạy cảm trong kịch bản 4................................79 Hình 7.19. Kết quả tính toán tại 2 điểm nhạy cảm trong kịch bản 5................................79 Hình 7.20. Kết quả tính toán tại 2 điểm nhạy cảm trong kịch bản 6................................80 8 BÀI TẬP 1 BÀI TẬP MÔ HÌNH GAUSS –TRƯỜNG HỢP NGẮN HẠN 1.1 Mô tả bài toán cần giải quyết Một nhà máy phát thải có ống khói cao 45 m, đường kính của miệng ống khói bằng 2 m, lưu lượng khí thải là 12.0 m3/s, tải lượng chất ô nhiễm SO2 bằng 20 g/s, nhiệt độ của khói thải là 200ºC. Nhiệt độ không khí xung quanh là 30 ºC và tốc độ gió ở độ cao 10 m là 3 m/s. Cho trạng thái khí quyển là cấp C, điều kiện nông thôn. Dựa vào mô hình Gauss, hãy: - Tính vệt nâng ống khói. - Tính sự phân bố nồng độ chất ô nhiễm dọc theo hướng gió tại khoảng cách 1200 m. 1.2 Xây dựng kịch bản cho mô hình Để xây dựng kịch bản mô phỏng, trước tiên ta phải nhập thông tin cho mô hình. Dưới đây là các nhóm thông tin cần thiết để xây dựng kịch bản. Hình 1.1 Các nhóm thông tin cần thiết cho mô hình Gauss 9 1.2.1 Nhập thông tin ống khói Chọn mục “Ống khói” trong menu “Thông tin” Hình 1.2 Cửa sổ thông tin ống khói Xuất hiện cửa sổ ống khói dùng để thêm hay chỉnh sửa các thông số về ống khói bao gồm: - Tên ống khói - Chiều cao ống khói (tính bằng m) - Đường kính (tính bằng m) - Vị trí đặt ống khói - Mô tả chi tiết về ống khói Trong mô hình, mặc định đã có hai ống khói tham khảo. Để tạo mới ống khói, ta chọn công cụ trên thanh công cụ. Xuất hiện hộp thoại sau: 10 Hình 1.3 Hộp thoại tạo ống khói Nhập tên ống khói muốn tạo và xác định chiều cao đường kính cho ống khói. Để lưu lại, ta chọn công cụ . Lưu ý: Trong cửa sổ thông tin ống khói, ta có thể tạo nhiều ống khói và lưu ở đây. 1.2.2 Xây dựng kịch bản Theo yêu cầu đề bài, ta chọn kịch bản Gauss để mô phỏng. Để tạo kịch bản Gauss, ta thực hiện các bước sau. Vào menu “Kịch bản” và chọn “Kịch b