Báo cáo Tổng kết KHKT - Đề tài Xây dựng mô hình thuỷ lực và chất lượng nước DELTA

i
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN
TỔNG CỤC THUỶ LỢI

VIỆN QUY HOẠCH THỦY LỢI MIỀN NAM

BÁO CÁO T
Ổ
NG K
Ế
T
KHOA HỌC KỸ THUẬT
TẬP 2 8026

TP. HỒ CHÍ MINH, 5-2010

Nghiên cứu xây dựng phần mềm thủy lực

NƯỚC HỆ THỐNG SÔNG ĐỒNG NAI-SÀI GÒN
Tập 8 BC08-DELTA Phần mềm DELTA cho tính toán dòng chảy và chất
lượng nước trên hệ thống kênh sông – BÁO CÁO KẾT
QUẢ MÔ PHỎNG THUỶ LỰC VÀ CHẤT LƯỢNG
NƯỚC HỆ THỐNG SÔNG ĐỒNG SƠN Cơ quan chủ trì đề tài:
VIỆN QUY HOẠCH THỦY LỢI MIỀN NAM
Chủ nhiệm đề tài:
GS.TS NGUYỄN TẤT ĐẮC
Với sự cộng tác của:
Công ty cổ phần Tư vấn Xây dựng thủy lợi Việt Nam (HEC);
Viện Thuỷ lực Đan Mạch (DHI); Các đơn vị Phòng Tổng hợp kỹ thuật, Trung tâm Tư
vấn và CGCNNN và Trung tâm Chất lượng nước và Môi trường thuộc Viện Quy hoạch
Thuỷ lợi Miền Nam.
Báo cáo Tổng kết KHKT - Đề tài Xây dựng mô hình thuỷ lực và chất lượng nước DELTA

iii
Các cán bộ tham gia chính:
1 ThS.NCS Đặng Thanh Lâm, Viện QHTLMN, thư ký đề tài
2 TS. Lương Quang Xô, Viện QHTLMN
3
ThS NCS Đỗ Đức Dũng, Viện QHTLMN
4 ThS. Nguyễn Huy Khôi, Viện QHTLMN
5 ThS. Phạm văn Mạnh, Viện QHTLMN
6 ThS. Chu Diễm Hạnh, HEC

mềm này có thể chủ động thay đổi, phát triển tùy thuộc vào các yêu cầu thực tiễn tính toán.
Mục tiêu ph
ấn đấu là, ở một khía cạnh nào đó, bộ phần mềm này có thể so sánh với các bộ
phần mềm thương mại đang được sử dụng rộng rãi ở Việt nam cũng như trên thế giới (như
Mike11, ISIS,…).
Bộ phần mềm này được đặt tên là DELTA nhằm hướng tới đối tượng các châu thổ
lớn của Việt nam như châu thổ sông Hồng, Đồng bằng sông Cửu Long và ngay cả
mạng
lưới sông của toàn bộ châu thổ sông Mê Công.
Để xây dựng DELTA, chủ nhiệm đề tài đã nghiên cứu tận dụng các ưu điểm của các
bộ phần mềm hiện có trong nước như VRSAP, KOD, HYDROGIS, MK4, SAL, cũng
như học tập ở mức độ có thể được cách xây dựng giao diện của các phần mềm thương mại
của nước ngoài như Mike11, ISIS, DUFLOW.
DELTA gồm hai khối, khối cơ sở
dữ liệu (CSDL) và khối mô phỏng.
i) Yêu cầu cho khối cơ sở dữ liệu là tổ chức dữ liệu sao cho dễ truy cập và kết hợp
được các công cụ GIS và cố gắng sử dụng các phần mềm mã mở để tránh phải mua bản
quyền các phần mềm về GIS. Khối này đòi hỏi các kiến thức về tin học, tổ chức dữ liệu và
công cụ GIS.
ii) Khối mô phỏng
đòi hỏi các kiến thức sâu vê cơ học, thủy động lực học và toán
học, đồng thời cũng đòi hỏi các kiến thức về lập trình để bảo đảm tính chính xác của các
kết quả tính toán và bản chất vật lý của hiện tượng được mô phỏng.
Khối mô phỏng của DELTA gồm phần học thuật và lập trình thể hiện thuật toán, là
sự kế thừa và tổ
ng kết các kết quả nghiên cứu của chính chủ nhiệm đề tài từ những năm
1980 cho tới nay. Phần lập trình sử dụng ngôn ngữ Fortran 90 và biên dịch trên môi trường
CVF6.6 (Compaq Visual Fortran, phiên bản 6.6)
Khối CSDL và nối kết GIS trong DELTA được tổ chức trên nền PostgreSQL (mã
mở) và lập trình trên ngôn ngữ Visual C# (.NET). Trước mắt có ưu điểm là tránh phải mua

để tính dòng chảy và 3 yếu tố của chất lượng nước (mặn, BOD, DO) cho cùng một sơ đồ
kênh sông, cùng bộ số liệu biên của hệ thống sông Đồng Nai-Sài Gòn ở miền Nam, hệ
thống sông Đông Sơn ở Thanh Hóa. Kết quả tính toán cho thấy tính hợp lý về bản chất cơ
học và ưu điểm về tốc độ tính toán r
ất nhanh của DELTA.
Ngoài việc thử nghiệm bắt buộc cho hai hệ thống sông bằng phần mềm DELTA và
MIKE11, một ở miền Bắc, một ở miền Nam như nêu trên, trong quá trình xây dựng và thử
nghiệm, phần mềm DELTA đã được áp dụng để tính dòng chảy, mặn, BOD, DO của năm
2004 trên toàn Bán đảo Cà Mau trong đó có kể tới sự vận hành của hệ thống cống lấy và
tiêu nước theo yêu cầu về độ m
ặn cho vùng nuôi tôm và ngăn mặn cho vùng trồng lúa (Dự
án phân ranh mặn ngọt). Phần mềm DELTA cũng đã được áp dụng cho bài toán mặn cho
toàn Đồng bằng sông Cửu long (chạy 6 tháng) và bài toán lan truyền chất ô nhiễm hữu cơ
(BOD, DO) cho khu vực Tp Cần thơ sử dụng sơ đồ toàn Đồng bằng.
Các thử nghiệm trên cho thấy phần mềm DELTA đã làm việc tốt cho các hệ thống
kênh sông của Việt Nam (từ đơn giản đến ph
ức tạp) và với các điều kiện phức tạp về sử
dụng nước cũng như các điều kiện phức tạp về khí tượng thủy văn.
Vì chưa phải là phần mềm thương mại nên phần thiết kế giao diện và các tiện ích
của DELTA chưa thật chuyên nghiệp và cần được đầu tư thêm để hoàn thiện trong quá
trình áp dụng. Cũng giống như các phầ
n mềm khác, để có thể phổ biến và sử dụng cũng
cần phải có các khóa đào tạo chuyên biệt.
Với mong muốn người sử dụng có thêm thông tin trong quá trình sử dụng các phần
mềm về dòng chảy và chất lượng nước trên hệ thống kênh sông, trong phần mô tả về học
thuật, chủ nhiệm đề tài đã bổ xung một phần tổng quan về các mô hình mà các mô hình này
đã được nhiều người biết hay s
ử dụng dưới các hình thức khác nhau.
Chủ nhiệm đề tài xin chân thành cám ơn sự ủng hộ của Vụ Khoa học và Công nghệ
thuộc Bộ NN&PTNT, các nhà khoa học trong và ngoài ngành thủy lợi cũng như sự đóng

miền Nam và Đông Sơn ở miền Bắc
- Sách chuyên khảo, tài liệu hướng dẫn sử dụng
- Báo cáo, Tổ chức hội thảo, Semina và chuyển giao
Các nội dung hoạt động chính:
- Giải thuật tính toán dòng chảy
- Giải thuật cho tính toán truyền chất
- Lập trình các mô đun tính toán dòng chảy, lan truyền chất và nối kết CSDL:
mô đun nhập liệu và truy cập CSDL, mô đ
un tổ chức bộ nhớ, mô đun tính công trình,
- Tổ chức cấu trúc CSDL, lựa chọn ngôn ngữ và lập trình cho CSDL lựa chọn
(quản trị, cài đặt, truy cập, cập nhật, ), tổ chức 2 CSDL cho 2 hệ thống sông lựa chọn
- Hai hệ thống sông lựa chọn: Lập sơ đồ tính, tính toán với phần mềm mới xây
dưng và với MIKE 11, so sánh kết quả tính giữa 2 phần mềm, khuyến nghị và nh
ận
xét.
Báo cáo Tổng kết KHKT - Đề tài Xây dựng mô hình thuỷ lực và chất lượng nước DELTA

vii
- Tài liệu mô tả thuật toán, tài liệu hướng dẫn sử dụng
- Lập báo cáo tổng kết khoa học kỹ thuật và báo cáo tóm tắt.
- Tổ chức hội thảo chuyển giao ở miền Bắc, miền Nam và ứng dụng phần
mềm, hội thảo tổng kết đề tài.
Sản phẩm của đề tài:
- Bộ phần mềm thủy lực và lan truyền chấ
t (mặn, ô nhiễm hữu cơ, phú dưỡng)
- Mô tả thuật tóan và hướng dẫn sử dụng
- Báo cáo kết quả mô phỏng thủy lực và chất lượng nước 2 hệ thống sông
kênh điển hình ở Việt Nam
- Báo cáo kết quả kiểm định bộ phần mềm mới xây dựng so với phần mềm
thương mại khác (chẳng hạn MIKE 11)

t các giải pháp chống ngập cho TP Hồ
Chí Minh” với tên báo cáo “ Một phương pháp tính tiêu thoát nước tp Hồ Chí Minh”
sử dụng thuật toán tính thủy lực của DELTA; và 1 NCS đang làm luận Tiến sỹ ở năm
Báo cáo Tổng kết KHKT - Đề tài Xây dựng mô hình thuỷ lực và chất lượng nước DELTA

viii
giai đoạn cuối (Đặng Thanh Lâm).
Hợp tác quốc tế: Đề tài tổ chức thăm quan Châu Âu trong năm 2009 để học
tập kinh nghiệm, trao đổi học thuật các mô hình toán thuỷ lực và chất lượng nước với
cơ quan hàng đầu quốc tế về lĩnh vực mô hình là Viện Thuỷ lực Đan Mạch (DHI). Nội
dung cụ thể gồm:
- Hội nghị thảo luận thuật toán, ph
ương pháp số giải bài toán thuỷ lực và chất
lượng nước.
- Trao đổi về những kỹ năng lập CSDL và giao diện GIS của mô hình thuỷ
lực-Chất lượng nước.
- Hội nghị thảo luận những ứng dụng của mô hình trong quản lý nguồn nước ở
Đan Mạch.
- Hội nghị thảo luận kinh nghiệm và chiến lược phát triển mô hình trong ứng
dụ
ng công tác tư vấn của cơ quan và thương mại hoá phần mềm thuỷ lực.
- Đi thực địa tham quan hệ thống sông, công trình được ứng dụng mô hình để
giám sát và quản lý điều hành hệ thống.
Báo cáo Tổng kết KHKT - Đề tài Xây dựng mô hình thuỷ lực và chất lượng nước DELTA

ix


1.3.6 Xây dựng hệ phương trình có ẩn là mực nước tại các nút hợp lưu 28
1.3.7 Một số vấn đề thực hành khi thiết lập các hệ số của phương trình nút (5.40) hay
(5.41) và phương pháp giải 32

1.3.8 Thuật toán cho dòng chảy qua công trình 34
1.3.9 Thuật toán cho dòng chảy trên những ô đồng 40
1.3.10 Tính lượng mưa 47
1.4 MÔ HÌNH CHẤT LƯỢNG NƯỚC DELTA 48
1.4.1 Hệ phương trình cơ bản cho bài tóan lan truyền chất một chiều 48
1.4.2 Xâm nhập mặn với nồng độ S(x,t) 49
1.4.3 Với BOD có nồng độ B 49
Báo cáo Tổng kết KHKT - Đề tài Xây dựng mô hình thuỷ lực và chất lượng nước DELTA

x
1.4.4 Với DO có nồng độ D 50
1.4.5 Quá trình Nitrat hóa 51
1.4.6 Quá trình Phot pho 51
1.4.7 Phương pháp phân rã để giải phương trình tải khuếch tán 53
Bảng 1-1: So sánh lời giải số và lời giải chính xác đối với phương trình tải 64
1.4.8 Về ảnh hưởng của quá trình tải và quá trình khuếch tán 67
1.4.9 Tính lan truyền chất khi có công trình 67
1.4.10 Phương pháp tuyến tính hóa giải bài toán lan truyền chất 68
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH HỆ THỐNG TÍCH HỢP CSDL VÀ GIS CỦA PHẦN
MỀM DELTA 69

2.1 CHỨC NĂNG HỆ THỐNG 69
2.1.1 Mô tả tổng quan 69
2.1.2 Sơ đồ chức năng 70
2.2 MÔ HÌNH HÓA CHỨC NĂNG CỦA HỆ THỐNG 71
2.2.1 Lược đồ User- case 71

xi
3.2.3 Kết quả mô phỏng lưu lượng: 117
3.2.4 Kết quả mô phỏng độ mặn: 120
3.2.5 Kết quả mô phỏng độ mặn năm 2005 bằng 2 mô hình Mike và Delta 122
3.2.6 So sánh kết quả mô phỏng chất lượng nước (BOD, DO): 125
3.2.7 Thời gian tính toán: 130
3.3 NHẬN XÉT 131
CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG NGHIÊN CỨU ĐIỂN HÌNH 133
4.1 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG THỦY LỰC VÀ CHẤT LƯỢNG NƯỚC HỆ THỐNG SÔNG
ĐỒNG NAI-SÀI GÒN 133

4.1.1 Khái quát vùng nghiên cứu 133
4.1.2 Hệ thống tài liệu cho xây dựng mô hình. 133
4.1.3 Xây dựng sơ đồ và hiệu chỉnh mô hình 134
4.1.4 Trình bày và nhận xét tổ chức CSDL của Mike11 136
4.1.5 Khả năng mô phỏng của mô hình Mike11: 141
4.1.6 Giao diện và tổ chức cơ sở dữ liệu mô hình DELTA 143
4.1.7 Khả năng mô phỏng của mô hình DELTA 149
4.1.8 So sánh kết quả mô phỏng thủy lực: 151
4.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG THỦY LỰC VÀ CHẤT LƯỢNG NƯỚC HỆ THỐNG SÔNG
ĐÔNG SƠN 151

4.2.1 Giới thiệu chung về vùng nghiên cứu 151
4.2.2 Các tài liệu thu thập liên quan đến hệ thống 152
4.2.3 Xây dựng mô hình thủy lực 154
4.2.4 Trình bày kết quả tính toán bằng hai mô hình Mike11 và DELTA 155
4.2.5 Nhận xét kết quả tính toán bằng hai mô hình Mike11 và DELTA 172
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 177
5.1 KẾT LUẬN 177
5.2 KIẾN NGHỊ 177

CLN Chất lượng nước
ĐBSCL Đồng bằng sông Cửu Long
HD Hydro-Dynamic: Thuỷ động lực học
GIS Graphical Information System: Hệ thống thông tin địa lý
CSDL Cơ sở dữ liệu
DO Disolved Oxygen: Ô xy hoà tan
Báo cáo Tổng kết KHKT - Đề tài Xây dựng mô hình thuỷ lực và chất lượng nước DELTA

1

CHƯƠNG 1: C Ơ SỞ HỌC THUẬT MÔ HÌNH THUỶ
LỰC VÀ CHẤT LƯỢNG NƯỚC SÔNG
KÊNH
1.1 TỔNG QUAN CHUNG
Hiện tại, để tính dòng chảy lũ kiệt, xâm nhập mặn, trạng thái ô nhiễm hữu cơ, trên
các hệ thống kênh sông của Việt Nam (chủ yếu là ĐBSCL, hệ thống sông Sài Gòn-
Đồng Nai-Thị Vải, Đồng bằng sông Hồng, sông Hương, ) các kỹ sư và cán bộ kỹ thuật
thường dùng một số phần mềm máy tính của nước ngoài và trong nước như được liệt kê
và phân tích như dưới
đây.
A. Các phần mềm từ nước ngoài được du nhập vào Việt Nam theo con đường các

ữu hạn cho phương trình lan truyền chất một chiều vì thế thường gặp
hiện tượng khuếch tán số ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả như nồng độ có khi
bị âm, hoặc khi không có nguồn sinh vật chất trong miền mà nồng độ trong miền cao
hơn giá trị ở biên,…
Báo cáo Tổng kết KHKT - Đề tài Xây dựng mô hình thuỷ lực và chất lượng nước DELTA

2
Để sử dụng công cụ GIS, trong Mike11 đã dùng kết hợp với bộ
ArcView/Arcview GIS để tổ chức cơ sở dữ liệu và biểu diễn kết quả (thông qua các
script bằng ngôn ngữ Avenue).
Nhìn chung những ưu nhược điểm của bộ Mike11 (được sử dụng nhiều ở Việt Nam
chủ yếu qua dự án tăng cường năng lực cho các Viện ngành nước) như sau:
+ Ưu điểm:
- Là phần mềm thương mại nên phần giao diện rất đẹp mắt
- Phần nối kết với công cụ GIS rất mạnh kể cả tạo Database (Mặc dù phải cần
thêm các phần mềm GIS như ArcView hay ArcGIS, )
- Các tiện ích đầy đủ, dễ cho người sử dụng.
- Thuận tiện cho việc giải quyết các bài toán vừa và nhỏ.
+ Nhược điểm:
- Không biết được phần lõi (phần thuật toán, t
ổ chức chương trình, ) nên không
thể cải biên, cập nhật mà phải qua nơi bán, khi đó phải trả thêm tiền và mất thời
gian chờ đợi, )
- Khi phải tính cho bài toán lớn như ĐBSCL trong một thời gian dài (mô phỏng
cả một năm cho lũ và cạn) Mike11 đòi hỏi nhiều thời gian tính trên máy không
thuận tiện cho giai đoạn chạy hiệu chỉnh vì phải chạy rất nhiều lần mới hiệ
u
chỉnh được một tham số nên tốn thời gian chạy trên máy. Hơn nữa để tạo điều
kiện ban đầu (hotstart file) đòi hỏi nhiều kinh nghiệm và thường phải xuất phát từ
bước thời gian nhỏ

ĐBSCL. Đặc biệt các lỗi về độ chính xác củ
a kết quả tính, đặc biệt về mặn. Trong
khuôn khổ của chương trình WUP, phần mềm ISIS đã được sử dụng cho ĐBSCL ở
dạng mạng kênh sông được đơn giản hoá rất nhiều (bỏ mạng kênh cấp 2, chủ yếu giữ
lại dòng chính), nhưng chưa cho kết quả có thể sử dụng được, đặc biệt là phần tính mặn.
Mô đun chất lượng nước vẫn ch
ưa được thử nghiệm nên chưa có kết quả đánh giá cụ
thể. Tốc độ tính tóan của ISIS cũng rất chậm và cũng kết hợp với ArcView để nối kết
với GIS và Database. Như vậy khi mua Mike11 hoặc ISIS phải trả cả tiền bản quyền
của ArcView.
Nhóm mô hình phi thương mại (theo nghĩa Việt Nam chưa phải mua mà có
được qua các con đường khác nhau như dự án hỗ trợ song phương hoặc đào tạo):
A2) Các bộ phần mềm khác như Duflow, Sobek/Wendy,Telemax, Qual2-E,
Wasp6, được du nhập qua các con đường của anh em du học sinh hoặc các dự án nhỏ
song phương. Đối với các dự án quốc tế thì đây cũng là các bộ phần mềm thương mại,
phải mua bản quyền nên khi sử dụng thường được cơ quan cấp phần mềm khuyến cáo
rằng có thể chấp nhận một số rủi ro gây thiệt hạ
i do không được đào tạo, tập huấn và
không hiểu biết những hạn chế của mô hình nên khi áp dụng gây lỗi. Vì không có mã
nguồn nên không hiểu được hết phần lõi bên trong xử lý ra sao (như thuật tóan, các xử
lý đặc biệt, ) và chưa được áp dụng cho các bài toán lớn và phức tạp như ĐBSCL. Các
phần mềm này có nguồn gốc từ châu Âu (hoặc Mỹ) với điều kiện sông ngòi khác hẳn
điều kiện Việt Nam (ch
ẳng hạn ở Việt Nam mạng kênh sông có dạng mạch vòng phức
tạp, chịu ảnh hưởng của thủy triều, ) cho nên không phải khi nào cũng sử dụng được
các phần mềm nêu trên. Có thể xét qua phần mềm Sobek, Duflow và Qual2-E:
A2.1- SOBEK: Phần mềm này do Delft, Hà Lan, phát triển, gồm phần dòng chảy
và tính tóan ô nhiễm 1, 2 chiều, đã nối kết với công cụ GIS. Đã sử dụng hệ phương
trình Saint-Venant 1 chiều cho dòng chảy trong kênh sông (trong phương trình có kể
số

Do các yêu cầu của thực tiễn quy họach và sử dụng tài nguyên nước, nhiều
chuyên gia trong nước phải tự xây dựng các bộ phần mềm, để khi cần thiết, có thể tự
sửa đổi và cập nh
ật thuật tóan, mã nguồn (code) để có thể đáp ứng được các yêu cầu
tính tóan cụ thể. Các bộ phần mềm do các cán bộ trong nước được nhắc tên và áp dụng
nhiều cho các dự án trên 2 Đồng bằng gồm:
B1) VRSAP, đây là bộ phần mềm được xem là đầu tiên cho tính tóan thủy lực
mạng kênh sông, do cố PGS Nguyễn Như Khuê phát triển sau đợt thực tập tại Hà Lan
vào năm 1978. VRSAP đã được Phân viên Quy hoạch Thuỷ lợi Nam b
ộ nay là Viện
Quy hoạch Thuỷ lợi miền Nam (SIWRP) sử dụng cho nhiều dự án quy hoạch sử dụng
nước trên ĐBSCL (cả dự án trong nước và quốc tế). VRSAP được nhóm mô hình của
SIWRP hoàn thiện dần trong quá trình áp dụng. Do PGS Khuê đã mất, phần nâng cấp
và hoàn thiện trong nối kết với GIS được giao cho PGS Nguyễn Tất Đắc đảm nhiệm và
đã có báo cáo qua một đề tài NCKH cấp Bộ năm 2005, đã được nghiệm thu 2007.
M
ột số ưu nhược điểm của VRSAP (khi chưa nâng cấp):
- Đáp ứng được các yêu cầu tính toán cho các bài toán lớn của ĐBSCL mặc dù
phải tính riêng lũ kiệt.
- Có chương trình nguồn, có thể hiểu thuật toán và có thể chủ động sửa chữa, thay
đổi, mặc dù để hiểu được source codes không phải dễ dàng.
- Giao diện còn đơn giản và chưa đẹp
- Tốc độ tính còn chậ
m do phải tính lặp
- Khả năng nối kết với công cụ GIS và Database chưa mạnh
- Cách tổ chức số liệu cần được nâng cấp
- Phần tính chất lượng nước (chủ yếu là mặn) còn gặp khó khăn như đánh giá của
NEDECO (Xem tài liệu So sánh SAL và VRSAP, NEDECO 1991).
Phần cải tiến VRSAP để thành VRSAP-SAL sẽ được trình bày trong phần dưới.
B2) KOD1 của GS.TSKH Nguyễn Ân Niên. Đây là phần mề

ạo mới hoặc chỉnh sửa dữ liệu. Các công cụ tích hợp bản đồ và xuất kết quả
sử dụng GIS là các tiện ích mạnh trong phân tích kết quả của HydroGIS.
Rất tiếc là TS Nhân ít công bố phần lõi thuật tóan nên khó đánh giá tính chính xác
của kết quả.
B4) MK4 của PGS.TS Lê Song Giang, ĐHBK Tp Hồ Chí Minh. Đây là phần mềm
mang tính học thuật nhiều hơn và chủ yếu dùng trong giảng dạy, việc áp dụng cho các
bài toán thự
c tế lớn còn hạn chế. Phần giao diện của MK4 cũng đẹp và đang trong giai
đoạn phát triển.
B5) SAL (hay SALBOD) của GS.TS Nguyễn Tất Đắc. SAL được xây dựng từ
những năm 80 của thế kỷ 20 (với các phiên bản khác nhau qua quá trình hòan thiện) và
đã được áp dụng cho nhiều dự án lớn trên ĐBSCL, hệ thống sông Sài Gòn-Đồng Nai-
Thị Vải, kể cả sử dụng cho các dự án quốc tế (thuỷ
lực, mặn, ô nhiễm, chua phèn). SAL
cũng giải hệ phương trình Saint-Venant một chiều bằng sơ đồ sai phân Preissmann.
Tuy nhiên trong SAL đã dùng phương pháp tuyến tính hóa nên không cần giải lặp. Mặt
khác trong SAL, trước tiên dùng các công thức truy đuổi để đưa về giải hệ phương
trình có ẩn số chỉ là mực nước tại nút hợp lưu và sử dụng thuật tóan giải ma trận thưa
nên tốc độ tính tóan nhanh. Phần lan truyên chất trong SAL sử
dụng phương pháp phân
rã và giải phương trình tải thuần túy bằng phương pháp đặc trưng kết hợp với nội suy
spline nên bảo đảm không bị nồng độ âm, mặn lan truyền tới đâu tính tới đó nên tiết
kiệm thời gian tính. Theo đánh giá của một số chuyên gia, thuật toán của SAL chặt chẽ
về mặt toán và cơ học vì thế SAL tiết kiệm bộ nhớ, thời gian tính, bảo đảm
độ tin cậy
của kết quả. Phần tính mặn (và chất lượng nước) của SAL cho kết quả hợp lý, ổn định
và đã được chuyên gia nước ngoài thẩm định trong dự án Quy hoạch tổng thể ĐBSCL
(Xem so sánh SAL và VRSAP, NEDECO 1991). Dùng SAL có thể tính được các yếu
tố dòng chảy (mực nước, lưu lượng, vận tốc, ) tính được độ mặn và một số yếu tố của
chất lượng nướ

pH, độ cứng, coliform, chứ không thể xem xét tất cả các yếu tố khác. Khi xem xét
nước biển và nước sông ta chỉ cần xem xét độ mặn, Một ví dụ khác khi thết kế một
con tàu ngườ
i ta thường làm các mô hình vật lý để xem xét các hình dạng nào có sức
cản nhỏ nhất chứ chưa cần chú ý tới việc bố trí ca bin, hầm tầu,… Như vậy quá trình
mô hình hóa là quá trình xem xét để chỉ cần giữ lại các đặc điểm chính đặc trưng cho
môi trường hoặc vật nào đó cần phải nghiên cứu,…
Quá trình làm mẫu một con tàu thuỷ có kých thước theo một tỷ lệ nào đó rồi cho
vào thử trong nước với mộ
t số điều kiện về sóng gió, được xem là mô hình vật lý.
Một loại mô hình khác thường có tên là mô hình toán sẽ được giải thích kỹ trong các
phần dưới, nhưng có thể hiểu nôm na là, các mối quan hệ giữa các hiện tượng, sự vật
hay các yếu tố của môi trường bao giờ cũng có thể biểu diễn bằng các quan hệ (hay
phương trình) toán học. Bằng cách nghiên cứu hoặc giải các phương trình toán đó
người ta có thể phát hiệ
n được các tính chất của các hiện tượng cần quan tâm xem xét.
Mô hình hoá bằng các mô hình toán được phát triển rất nhanh trong các thập
niên gần đây do các lý do:
+ Sự phát triển như vũ bão của công nghệ máy tính và công cụ tin học, đồng thời các
công cụ mới về toán học cũng phát triển. Hai yếu tố này giúp cho con người có thể giải
quyết rất nhanh các bài toán phức tạp về mặt toán học.
+ Mặt khác yêu cầu về phát triển kinh tế, xã hội và dân s
ố dẫn đến việc suy thoái môi
trường, đặc biệt việc ô nhiễm môi trường nước dẫn đến đe doạ sự sống trên hành tinh
Báo cáo Tổng kết KHKT - Đề tài Xây dựng mô hình thuỷ lực và chất lượng nước DELTA

7
trong tương lai gần. Vì vậy xuất hiện các bài toán phức tạp về mặt môi trường mà chỉ
có công cụ mô hình hoá mới có thể dự báo được biến đổi có thể xảy ra.
1.2.2 Mô hình như một công cụ quản lý

hoá mới giải quyết được.
Có thể tóm lược một số ưu điểm của công cụ mô hình hoá như sau:
- Là công cụ hữu ích và không thể thiếu trong khảo sát các hệ sinh thái phức tạp
- Sử dụng mô hình có thể
khám phá ra các tính chất của hệ thống.
- Nhờ mô hình có thể hoàn thiện sự hiểu biết về kiến thức môi trường, sinh thái.
- Mô hình là một công cụ để thử nghiệm các giả thuyết về khoa học và có cho các so
sánh giữa bức tranh thực và bức tranh của môi trường đã được đơn giản hoá.
1.2.4 Thế nào là mô hình toán
Trong nhiều lĩnh vực hoạt động hàng ngày ta phải thực hiện các tính toán từ đơn
giản tới ph
ức tạp. Ở trường phổ thông phải thực hiện các phép cộng trừ nhân chia, rồi
cao hơn là các phép đạo hàm, vi tích phân. Rồi trong các trường Đại học phải học các
phương pháp số như sai phân hữu hạn, phần tử hữu hạn. Nói chung ta có thể gọi chung
là các công cụ toán học và sử dụng chúng để giải quyết các bài toán trong thực tế hàng
Báo cáo Tổng kết KHKT - Đề tài Xây dựng mô hình thuỷ lực và chất lượng nước DELTA

8
ngày, từ đơn giản đến phức tạp. Với sự phát triển rất nhanh của công nghệ thông tin, kỹ
thuật máy tính và các công cụ toán học hiện đại mô hình toán học đã được phát triển rất
nhanh và đã trở thành công cụ nhanh mạnh, không thể thiếu đối với những người làm
công tác qui hoạch và ra quyết định.
Vậy mô hình toán học là gì? Để giải thích ta xét một ví dụ sau đây:

t1
∆
t


11 2 2
1
. . . . (2.1)
n
nn ii
i
Svt vt vt vt
=
≈∆+∆+ +∆ = ∆
∑

Dùng công thức (1) bài toán có thể xem như được giải quyết (một cách gần
đúng).

Nếu
∆
t
i
đủ nhỏ thì từ kiến thức học trong Đại học ta có :

2
1
0
1
lim . . (2.2)
t
n
ii
t

≈∆+ ∆+ +∆ = ∆
∑

Báo cáo Tổng kết KHKT - Đề tài Xây dựng mô hình thuỷ lực và chất lượng nước DELTA

9
Trong đó vận tốc v
i
được xem là hằng số trong khoảng
∆
t
i
và bằng giá trị trung
bình của vận tốc tức thời v
i
trong bước thời gian
∆
t
i
.
iii) Nếu ta gặp khó khăn khi tính bằng tay công thức (1a) (chẳng hạn đối
với các bài toán lớn phức tạp) ta có thể lập trình trên máy tính để tính toán.
Nếu ta cảm thấy kết quả tính toán bằng (1a) chưa đủ chính xác ta có thể tiếp tục
làm tốt hơn theo cách sau:.
iv) Làm nhỏ hơn
∆
t
i
(tức là tăng n) và tính lại công thức (1a) bằng cách dùng
cùng một chương trình máy tính đã viết. Quá trình này được lặp lại (tức là tăng dần n)

SSQQ
dt
dV
−+−=

Hình 1-1: Mô tả tính ngẫu nhiên và quy luật hình thành lũ

Với Q1, Q2 là lưu lượng vào ra tại 2 mặt thể tích; S1 là nguồn nước bổ sung (xả
nước vào) còn S2 là nguồn nước bị lấy đi. Đây là nguyên lý được sử dụng khi thiết lập
phương trình liên tục của phương trình Saint-Venant.

Báo cáo Tổng kết KHKT - Đề tài Xây dựng mô hình thuỷ lực và chất lượng nước DELTA

10
Với BOD nguyên lý cân bằng trên được viết như sau:
BOD vào thể tích V + BOD sản sinh trong V – (BOD ra khỏi V + BOD bị chuyển hoá)
= sự thay đổi BOD trong thể tích V trong khoảng thời gian
∆
t.
Với B là nồng độ BOD, Q là lưu lượng tại mặt cắt, g là tốc độ sản sinh, f là tốc độ
mất đi, đọan phát biểu trên được tóan học hóa bằng biểu thức sau:
.
.
BVB
QB gV Q B x fV
xt
∂∆
⎡⎤
⎛⎞
+− +∆+ =


Phương trình động lương (bảo toàn mô men động lượng): H 2
2
0 (2.4)
gQQ
QQ H
gA
txA x
AC R
⎛⎞
∂∂ ∂
+++ =
⎜⎟
∂∂ ∂
⎝⎠
0
Hình 1-3: Mặt cắt ngang sông

Phương trình liên tục cho độ mặn (bảo toàn khối lượng):
2
2
()
.(2.5)
oiq
AS QAS S
EA q S q S
tx


C : Hệ số cản Chezy ;
g : gia tốc trọng trường (m/s
2
);
R : bán kýnh thuỷ lực (m);

q = q
i
-q
o
: dòng gia nhập dọc dòng chảy (q
i
) hoặc mất đi (q
o
) trên một
đơn vị độ dài của dòng chảy (m
2
/s)
t : thời gian (s)
x : khoảng cách dọc dòng chảy (m)
S(x,t) : Độ mặn (hay nồng độ chất) trung bình trên mặt cắt ngang (g/L)

E : Hệ số phân tán dọc (dispersion)
S
q
: Độ mặn (hay nồng độ chất) trong dòng gia nhập
ii)
Bước 2: Đối với các bài toán phức tạp mô tả bởi các phương trình đạo hàm
riêng thì để giải được cần phải cho điều kiện biên, điều kiện đầu, các tham số và các hệ

Với 5 bước chính như đã nêu ở trên ta có một mô hình toán học. Độ chính xác
của kết quả tính toán phụ thuộc vào chính mô hình và chất l
ượng của số liệu đầu vào.
Vì vậy khi sử dụng bất cứ một mô hình nào (phần mềm máy tính) để giải quyết một bài
toán thực tiễn hai bước nêu dưới đây cần phải được thực hiện: