Tổng quan mô hình chất lượng nước

 

Thuỷ văn học là khoa học nghiên cứu mọi pha khác nhau của nước trên trái đất, có vị trí quan trọng đối với con người và môi trường. Khoa học thuỷ văn đã phát triển từ rất lâu và đến này đã có nhiều đóng góp đáng kể cho loài người, tuy nhiên việc áp dụng mô hình toán vào lĩnh vực thuỷ văn lại mới chỉ thực sự phát triển trong vài chục năm trở lại đây nhờ sự phát triển bùng nổ của các công cụ tính toán khoa học (Scientific Computing).

Do đặc điểm là mô phỏng lại các hệ thống hay quá trình thực bằng các biểu thức toán học nên mô hình toán có rất nhiều ưu điểm nổi trội so với các phương pháp khác, đó là khả năng tính toán và đưa ra kết quả  nhanh, giá thành rẻ, đặc biệt là trong mô phỏng và tính toán các hệ thống lớn. Ngoài ra, mô hình toán cũng có tính cơ động và linh hoạt rất cao so với các phương pháp khác, có khả năng thay đổi các điều kiện và yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống rất dễ dàng và đơn giản. Dự báo trong tương lai, mô hình toán sẽ ngày càng phát triển và sẽ có nhiều đóng góp hơn nữa đối với sự phát triển của các ngành khoa học nói chung và khoa học thuỷ văn- môi trường nói riêng.

Mô hình toán chất lượng nước trên thế giới

Mô hình toán chất lượng nước là loại mô hình toán được xây dựng để mô phỏng và tính toán các vấn đề liên quan đến chất lượng nước. Nói chung, chất lượng nước là một yếu tố rất phức tạp, chịu tác động của nhiều yếu tố và điều kiện  xung quanh, ở bên ngoài cũng như bên trong. Do đó việc xây dựng các mô hình chất lượng nước thường rất khó khăn. Ví dụ như sự lan truyền của một yếu tố nào đó trong nước, ngoài tác động của các phản ứng sinh hoá, nó còn chịu ảnh hưởng của các quá trình thuỷ văn, thuỷ lực của dòng chảy. Chính vì vậy,  mô hình toán chất lượng nước phải kết hợp giải song song hai bài toán: bài toán thuỷ văn, thuỷ lực và bài toán lan truyền chất. Có nhiều tiêu chí để phân loại mô hình chất lượng nước như: (1) Phương pháp sử dụng để tính trường vận tốc; (2) Mục đích sử dụng mô hình chất lượng nước; (3) Cở sở toán học để xây dựng mô hình.v.v. Nếu chúng ta dựa vào phương pháp được sử dụng để tính ra trường vận tốc (v) thì có thể chia mô hình chất lượng nước thành 2 loại:

  • Mô hình chất lượng nước thuỷ văn: yếu tố vận tốc (v) được tính theo phương pháp thuỷ văn, ví dụ như phương pháp thay đổi lượng trữ, phương pháp Muskingum... Mô hình  SWAT là một ví dụ cụ thể của nhóm mô hình chất lượng nước thuỷ văn.
  • Mô hình chất lượng nước thuỷ lực: yếu tố vận tốc (v) được tính theo phương pháp thuỷ lực, cụ thể là vận tốc (v) là nghiệm của hệ phương trình Saint-Venant, bao gồm phương trình bảo toàn động lượng và phương trình liên tục của dòng chất lỏng. Các mô hình xây dựng trong các bộ phần mềm như Duflow, Mike11, Mike21 thuộc loại mô hình thuỷ lực.

Nếu dựa vào mục đích sử dụng, mô hình chất lượng nước được chia thành:

  • Mô hình chất lượng nước mặt (SWAT, Qual2E, Duflow)
  • Mô hình chất lượng nước ngầm (Modflow)
  • Mô hình chất lượng nước hồ (Comix, Mike21)
  • Mô hình phú dưỡng (EU)

Căn cứ  vào cơ sở toán học của việc xây dựng mô hình, chúng ta có thể chia ra ba loại mô hình chất lượng nước:

  • Mô hình thống kê thuần tuý (Dựa vào các mối tương quan rút ra từ các phương pháp thống kê học).
  • Mô hình tất định thuần tuý (Dựa vào các phương trình toán của các định luật bảo tồn xung lượng, năng lượng và khối lượng).
  • Mô hình toán kết hợp cả các quan hệ thống kê và quan hệ nhân quả - tất định.

Mô hình chất lượng nước đã được phát triển ngay từ những năm đầu của thế kỷ 20, và cho đến nay, có thể  tóm tắt  sự phát triển này  trong 4 giai đoạn chính. Các giai đoạn này đều có sự liên quan tới mối quan tâm của xã hội về vấn đề chất lượng nước và khả năng ứng dụng của công nghệ tính toán khoa học.

Thời gian đầu, phần lớn các mô hình đều tập trung vào việc giải quyết vấn đề nước thải của thành phố. Một trong những mô hình đầu tiên do Streeter và Phelps thực hiện năm 1925 ở sông Ohio, Hoa Kỳ. Do hạn chế về công cụ tính toán, các mô hình thường rất đơn giản với giả thiết dòng chảy ổn định, kênh mặt cắt chữ nhật hoặc hình thang đều.

Trong những năm 1960 máy tính số trở nên phát triển và ngày càng có nhiều tính năng ứng dụng hơn. Điều này có những ảnh hưởng tích cực đến các mô hình chất lượng nước và phương thức ứng dụng chúng. Năm 1963, Thomas lần đầu tiên đề xuất sử dụng phương pháp giải tích số vào mô hình chất lượng nước. Vào thời gian này, sự phát triển của công nghệ tính toán đã cho phép người sử dụng biểu diễn hoàn chỉnh hơn hệ thống hình học, động học và mô phỏng thời gian thực. Đặc biệt một số mô hình đã mở rộng thành hệ thống hai chiều tại các vùng cửa sông và vịnh. Máy tính đã cho phép tiếp cận vấn đề chất lượng nước nhanh hơn, tập trung vào các nguồn điểm riêng lẻ và cho phép xem xét những tình huống phức tạp và tổng thể hơn.

Thập kỷ 60 thế kỷ trước là thập kỷ của những thay đổi và ứng dụng mô hình. Đặc biệt là khả năng của máy tính đã cho phép chúng ta hiểu biết nhiều hơn về các vấn đề chất lượng nước và người ta bắt đầu tập trung sự quan tâm đến phạm vi ảnh hưởng của nguồn điểm, ví dụ như việc thoát nước cho lưu vực và việc phát triển của các công cụ nghiên cứu thực địa. Trong giai đoạn này, ôxy vẫn là mối quan tâm chính.

Trong những năm 1970, các nhà khoa học lại chuyển sự quan tâm sang ôxy hoà tan và nguồn điểm đô thị, vấn đề liên quan gần gũi với môi trường hàng ngày. Một thời gian sau đó, trào lưu sinh thái ra đời và trật tự quan tâm trong các yếu tố môi trường đã được sắp xếp lại. Vấn đề chất lượng nước chính được nói đến trong thời kỳ này là hiện tượng phú dinh dưỡng.

Những năm 1980, phương pháp mô hình toán về quá trình lan truyền chất thải và đánh giá chất lượng nước sông - rạch phát triển rất mạnh mẽ khi mà vấn đề ô nhiễm nguồn nước tự nhiên do hoạt động của con người bắt đầu tạo ra nỗi ám ảnh và sau đó ngày càng trở thành một trong những yếu tố quan trọng gây cản trở cho sự phát triển văn minh trên trái đất. Mô hình mô phỏng quá trình lan truyền chất thải và đánh giá chất lượng nước sông phát triển mạnh nhất vào những năm cuối của thế kỷ 20 bao gồm các mô hình 1 chiều, 2 chiều và 3 chiều. Mô hình mở rộng phạm vi tính toán tới sự phát triển của các quá trình sinh học.

Những năm gần đây, mô hình toán nói chung, và mô hình chất lượng nước nói riêng đang phát triển mạnh mẽ với sự ứng dụng rộng rãi các công nghệ hiện đại như hệ thông tin địa lý (GIS), các thuật toán cho các máy tính công suất lớn.v.v. Các phần mềm hiện đại ngày nay có xu hướng đa tính năng trên cơ sở tích hợp các mô-đun chuyên dụng với các giao diện thân thiện với người sử dụng.

Trong nghiên cứu diễn biến chất lượng nước, nhiều phương pháp được sử dụng như:

  • Phương pháp thống kê: Phân tích thống kê và xử lý số liệu về điều kiện tự nhiên, khí tượng thuỷ văn, điều kiện kinh tế xã hội, các số liệu đo địa hình, chất lượng nước…trong khu vực
  • Phương pháp điều tra ngoài thực địa: Nhằm kiểm tra lại các thông số của mô hình như: mặt cắt, lưu lượng dòng chảy, các thông số thể hiện chất lượng môi trường nước trên cơ sở hệ thống mạng lưới đo đạc địa hình, khí tượng - thuỷ văn, chất lượng nước hiện đang hoạt động, lựa chọn một mạng lưới sao cho phù hợp với điều kiện và khả năng để chạy mô hình.
  • Phương pháp mô hình: Áp dụng các mô hình để tính toán, dự báo chất lượng nước cho các sông, hồ, vùng cửa sông.
  • Phương pháp so sánh: Dựa theo các số liệu đo đạc ngoài thực địa, so sánh, hiệu chỉnh các thông số của mô hình, từ đó lựa chọn các kết quả phù hợp với điều kiện khu vực nghiên cứu.

Nhìn chung, trong những năm gần đây, các phương pháp tiếp cận hiện đại trong lĩnh vực nghiên cứu chất lượng nước đang bước đầu được áp dụng tại Việt Nam. Quan niệm coi trữ lượng cũng như chất lượng nước là  nguồn tài nguyên cần bảo vệ đã trở thành một quan điểm chủ đạo đối với các nhà quản lý và các nhà khoa học trong lĩnh vực thuỷ văn-môi trường. Việc nâng cao năng lực quản lý tài nguyên nước và bảo vệ môi trường trở nên một nhu cầu cấp bách ở Việt Nam, và mô hình toán học là một công cụ hữu hiệu giúp các nhà quản lý có cở sở khoa học trong việc ra các quyết định. Tuy nhiên, như đã trình bày ở trên, các nghiên cứu về mô hình chất lượng nước ở Việt Nam đang mới chỉ là bước ban đầu và đang ở mức độ cục bộ, phục vụ những mục tiêu của từng đề tài, dự án cụ thể và chưa mang tính tổng hợp. Các phần mềm bản quyền, ví dụ như MIKE, SMS.v.v. chưa được áp dụng phổ biến, do vậy chưa chứng minh được hiệu quả của các mô hình này trong ứng dụng vào các điều kiện cụ thể của Việt Nam. Chính vì vậy, việc nghiên cứu, lựa chọn một mô hình hợp lý để tính toán thuỷ văn, chất lượng nước cho một khu vực cụ thể, với các điều kiện cụ thể tại Việt Nam, qua đó đánh giá được hiệu quả của mô hình và khả năng áp dụng rộng rãi là một công việc có tính cấp bách và tính khoa học cao.

Hoàng Thị An

 

 VienKHTNN.Core - VienKHTNN_SuKien

BÀI VIẾT LIÊN QUAN

Nghiên cứu xây dựng giao diện tính toán nhu cầu sử dụng nước bằng ngôn ngữ lập trình Python - Ứng dụng cho khu vực Đồng bằng Sông Cửu Long

Nghiên cứu xây dựng phần mềm lập bản đồ nhu cầu sử dụng nước dựa trên một chương trình tính ...

Ứng dụng công nghệ viễn thám hỗ trợ nghiên cứu ở các khu vực hạn chế dữ liệu tài nguyên nước

Vệ tinh có thể cung cấp thông tin ở những vùng ít dữ liệu tại chỗ, không đáng tin cậy ...

Nghiên cứu thử nghiệm xây dựng hệ thống giám sát và cảnh báo theo thời gian thực

Trong những năm gần đây, với sự phát triển của khoa học công nghệ, các công nghệ giám sát và ...

Các nguồn dữ liệu dem toàn cầu

DEM, viết tắt của Digital Elevation Model hay còn được gọi là mô hình số độ cao, là một trong ...

 VienKHTNN.Core - VienKHTNN_LienKet

 VienKHTNN.Core - VienKHTNN_AnPham_Phai

ẤN PHẨM NỔI BẬT

 Content Editor

 VienKHTNN.Core - VienKHTNN_BinhLuan

BÌNH LUẬN