EFDC Explorer - Phần mềm xử lý mã

EFDC_Explorer (EE) là một phần mềm hoạt động dựa trên giao diện đồ họa Window. Phần mềm được phát triển bởi công ty Dynamic Solutions-International, LLC(DSI) nhằm thực hiện quá trình tiền và hậu xử lý mã “Environmental Fluid Dynamics Code" (EFDC). EFDC được thiết kế để hỗ trợ việc xây dựng mô hình, Tạo ra lưới hệ Đề Các và lưới cong, kiểm tra, hiệu chỉnh và xem dữ liệu bằng các hình vẽ và hoạt ảnh của các kết quả mô hình EFDC.

EFDC hỗ trợ thủy động lực học, vận chuyển bùn cát/các chất ô nhiễm và mô hình chất lượng nước HEM3D. Hiện nay EE cũng hỗ trợ khả năng chạy mô hình đồng thời trên nhiều lõi khác nhau của máy tính OpenMP, làm giảm đáng kể thời gian chạy mô hình.

Các ứng dụng của EFDC Explorer

1.     Coastal Circulation

Môi trường sinh thái tại vùng cửa sông hay ven biển có sự đa dạng sinh học vô cùng lớn. Hệ thống đa dạng sinh học này lại được chia ra các hệ thống khác nhỏ hơn như bờ - biển hay biển – sông ngòi. Phần mềm mô phỏng EFDC_Explorer cung cấp các công cụ đáng tin cậy đã được sử dụng trong việc mô phỏng thủy động lực, sự vận chuyển, lan truyền các chất bồi lắng và mô phỏng chất lượng nước trong các hệ thống này. EFDC đã được sử dụng trong hàng trăm các dự án mô phỏng sự lưu chuyển vùng ven biển, cùng với EE cung cấp cho người dùng một công cụ mạnh mẽ để đánh giá các tác động môi trường và cân nhắc các giải pháp.

Các tính năng của EFDC_DSI hỗ trợ các nghiên cứu miền ven biển bao gồm:

-        Tự động liên kết với mô-đun sóng và gió

-         Có thể liên kết với phần mềm mô phỏng sóng của bất kỳ hãng nào

-         Tăng cường liên kết ngoài với mô hình hóa về Sóng đời thứ ba, SWAN  hiện có

-         Định sẵn hằng số hàm điều hòa (harmonic constant) cho xây dựng địa điểm của chuỗi thủy triều cụ thể

Ví dụ về các dự án phân tích vùng bờ biển đã sử dụng hệ thống mô phỏng EFDC Explorer

-         San Francisco Bay, California - Sea Level Rise & Water Quality Study

-         Sydney Harbor, Australia – Real Time Hydrodynamics  Model

-         Sacramento/San Joaquin Delta, California - Sediment & Water Quality Model

-         Caloosahatchee Estuary, Florida – Total Maximum Daily Load Study

-         Perdido Bay, Florida - Total Maximum Daily Load Study

-         Kodiak Island, Alaska - Runway Extension Analysis

-         Kotzebue Sound, Alaska - Runway Extension Analysis

-         Ha Long Bay, Vietnam – Hydrodynamics and Oil Spill Analysis

-         Tra Khuc Estuary, Vietnam – Sediment Transport and Morphology Study

-         Danga Bay, Malaysia – Sediment Transport for Urban Development

-         Port Augusta, Sicily - Toxics Remediation Model

-         Portland Harbor, Oregon - Toxics Remediation Analysis

-         Newtown Creek, New York - Toxics Remediation Analysis

2.     Bồi lắng các chất ô nhiễm

EFDC_Explorer được sử dụng rộng rãi trong việc mô phỏng, phân tích và dự đoán sự dịch chuyển và bồi lắng các chất ô nhiễm, độc hại. EE hỗ trợ phân tích dữ liệu, xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống thủy động lực  đối với sự di chuyển, lan truyền các chất như PCB, dioxin, thuốc diệt cỏ hay thuốc trừ sâu dưới dạng 1, 2 hay 3 chiều. Các tác động của chất độc kết hợp với sự xâm thực, xói mòn, việc xác định khối lượng công việc, lên kế hoạch nạo vét và khôi phục hệ sinh thái đối với các khu vực dân cư cũng được thực hiện bởi EE.

Các ứng dụng của EFDC_Explorer trong việc nghiên cứu các chất ô nhiễm bồi lắng

-        Nghiên cứu sự di chuyển và bồi lắng

-        Đánh giá sự phân tán ra môi trường

-        Kế hoạch ứng phó, ngăn chặn

-        Mô phỏng sự vận chuyển trầm tích

Một vài ví dụ về các dự án về phân tích các chất ô nhiễm bồi lắng sử dụng EFDC

-        Portland Harbor, OR, USA (client confidential)

-        Newark Bay/Passaic River, NJ, USA (client confidential)

-        Duwamish River, WA, USA (client confidential)

-        Housatonic River PCB Study, MA, USA

-        Danang Airport Dioxin Investigation, Vietnam

-        Bien Hoa Airport Dioxin Investigation, Vietnam

-        Port Augusta Hydrodynamic Model and Mercury Study, Sicily, Italy

-        Little Lake Butte de Morts Sediment Dynamics, WI, USA

3.     Thủy điện

EE đã được sử dụng rộng rãi tại các dự án thủy điện tại Châu Á và Bắc Mĩ trong một số công đoạn như: Phân tích và thiết kế thủy động lực, lập quy hoạch và thiết kế nhà máy thủy điện, thiết kế đập tràn, cửa xả nước và mô phỏng hoạt động của các hồ chứa.

Các tính năng của EE được sử dụng cho mục đích này bao gồm mô phỏng thủy động lực dưới dạng 3D, phân tích thủy nhiệt, phân tích hoạt động các chất bồi lắng để có kế hoạch nạo vét, nghiên cứu dựa theo vết của các chất chỉ thị màu

Các dự án tiêu biểu

-         Hydrothermal Modeling for Lay Dam, Coosa River, AL, USA

-         THXP Intake Analysis, Laos

-         Pa Vinh Tailwater Scour, Vietnam

-         THPC Hai-Hinboun Flood Analysis, Laos

-         NG Dam Tailwater & Spillway Design Support, Laos

-         Forced Evaporation for Hydrothermal Power Plant

4.      Mô hình nhiệt

Ứng dụng của mô-đun phụ về nhiệt độ trong EFDC, cùng với mô phỏng sự hoạt động của cột nước cho phép phân tích 1 cách chi tiết và nhanh chóng các nguồn xả nước mang nhiệt lượng cao. Việc mô phỏng các cột nước này là một công cụ tiện lợi cho việc đánh giá và quyết định nhiệt độ xả thải (ra môi trường) tối đa mà vẫn đảm bảo được các yêu cầu giới hạn của pháp luật đối với các nhà máy điện hạt nhân hay nhà máy nhiệt điện. Lượng nước nóng dư thừa tại các nhà máy này thường sẽ được xả ra sông, hồ. Ở rất nhiều quốc gia, chính phủ đưa ra các giới hạn và yêu cầu nghiêm ngặt đối với việc xả thải này. Lượng nhiệt trong nước được xả ra này sẽ cần thời gian để phân tán vào môi trường, việc mô phỏng quá trình phát thải này sẽ giúp các nhà máy chủ động được kế hoạch xả thải mà vẫn đảm bảo được chất lượng nguồn nước xung quanh. Mô phỏng việc xả nước thải cũng giúp lên thiết kế các nhà máy điện hiệu quả hơn và cũng là một công cụ hỗ trợ các nhà lập pháp trong việc đưa ra các giới hạn xả thải.

- Dự báo theo thời gian thực

Ở một khía cạnh khác, EFDC_DSI được sử dụng bởi một số tập đoàn dịch vụ năng lượng để giúp lên kế hoạch hoạt động cho các nhà máy nhiệt điện và thủy điện trong thời gian tương lai ngắn (vài ngày) dựa trên hệ thống mô phỏng theo thời gian thực của EFDC_DSI. Sử dụng những thông số thu thập được ngay tại thời điểm cần dự báo, hoạt động của nhà máy sẽ được mô phỏng lại và so sánh chéo với một loạt các thông số tiêu chuẩn. Các kịch bản hoạt động có thể dự đáon trước được sản lượng điện sản xuất được, dòng tản nhiệt như thế nào, lượng nước xả qua các cửa xả hay qua thân đập là bao nhiêu, và dự báo các điều kiện khí quyển cũng như lượng mưa trong những ngày này. Kết quả từ EFDC_DSI cung cấp các thông số đầu vào cho các công cụ hỗ trợ việc ra quyết định nhằm đảm bảo nhà vận hành không  vượt quá các giới hạn cho phép

- Mô phỏng nhiệt tại một nhà máy điện hạt nhân

Ở hình minh họa dưới đây, 2 chùm nước nóng khởi phát từ đáy hồ nhân tạo và lan truyền dần tới bề mặt, mô phỏng giống việc phát thải từ một nhà máy nhiệt điện. Xác định trước được cột nước phát thải này ngay từ khâu thiết kế sẽ giúp tiết kiệm được các chi phí phát sinh khi không lường trước được tác động của việc phát thải này và từ đó lên được một kế hoạch, quy trình phát thải hợp lý.  Mô hình mô phỏng này được thiết kế để đánh giá, nghiên cứu các tác động từ việc phân tán nhiệt lên các động vật thủy sinh như cá để từ đó các nhà quản lý có thể đưa ra các chính sách phù hợp.

5. Lập kế hoạch và quản lý chất lượng nước

EE có chức năng phân tích chất lượng nước mạnh mẽ. Công cụ tăng chất lượng hình ảnh cho kết quả chất lượng nước bao gồm 2-D plan (theo chiều sau hoặc phân lớp layers), đồ thị cột dọc cũng như hình ảnh động, phân tích thảm thực vật bán thủy sinh, độ xuyên sang, tập tính.

EE thông thường được sử dụng để mô phỏng sự sinh trưởng và phân rã của các loại tảo, ảnh hưởng của DO, vòng tuần hoàn P và Nitrogen. Chất lượng nước thường đi đôi với thủy động lực học và sự lưu chuyển của phù sa, trầm tích, cho phép các chất được trao đổi dễ dàng trong khí quyển và nền trầm tích.

Các nghiên cứu thực nghiệm sử dụng EE trong thực tế:

-          Caloosahatchee Estuary, Florida - D.O. and Nutrient TMDL Model Development

-          Perdido Bay, Florida - D.O. and Nutrient TMDL Model Development

-          Klosterman Bayou, Florida -   D.O. and Nutrient TMDL Model Development

-          Tenkiller Ferry Lake, OK/IL - Water Quality Study

-          Lake Taihu, China

-          West Lake, Vietnam

6. Tràn dầu

Mô hình phụ của EE là mô hình hóa sự cố tràn dầu sử dụng  EFDC_DSI Lagrangian particle tracking (LPT). LPT là công cụ hữu ích trong việc theo dõi dầu tràn, phương pháp ứng cứu, ứng dụng chất lượng nước và theo dõi rò rỉ đường ống dưới biển (plume tracking).

Những hình ảnh động dưới đây cho thấy một số các khả năng đồ họa mạnh mẽ của các mô-đun cố tràn dầu EFDC_Explorer. Giao diện người dùng LPT đơn giản để sử dụng và các trường hợp thử nghiệm sử dụng LPT có sẵn để tải về cho người dùng đăng ký của trang web này. Nó có thể được nhìn thấy trong các hình ảnh động sau đó EFDC_Explorer cho phép nhìn nhận trực quan drifters theo thời gian, độ sâu hoặc độ cao, cho phép người sử dụng xác định độ dài của thời gian lịch sử con đường, và nhiều lựa chọn khác.

Một mô hình 3D thủy động lực học của Chiniak Bay / Cảng St Paul của gần Kodiak, Alaska được sử dụng để mô phỏng một vụ tràn dầu giả. EFDC_DSI / EFDC_Explorer đã được sử dụng với tính năng DSI của Lagrange hạt Tracking (LPT). Mô hình này được cấu hình với phát hành đồng thời của hạt tại hai địa điểm trong vịnh. Các thủy động lực học bay bị ảnh hưởng bởi hành động của thuỷ triều và gió biến. Các hạt LPT được cấu hình như sau:

-        2.000 hạt được phát hành, 1.000 hạt trong mỗi nhóm.

-        Sự di chuyển của hạt theo chiều thẳng đứng đã được cố định ở độ sâu 0,25 m để đại diện cho sản phẩm nổi. Điều này cho phép những cơn gió để có một vai trò rất quan trọng trong việc di chuyển các hạt.

-        Các hạt được cho phép để giải tán theo chiều ngang bằng cách sử dụng khuyếch tán cố định là 0,5 m2 / s.

7. Mạng lưới sông, ngòi

Gói mô hình hóa EE được phát triển và chọn lọc cho việc mô phỏng chính xác nhiều tình huống vận chuyển của sông ngòi nơi mà phương thức vận chuyển đối lưu và sự phân tán chiếm ưu thế. Các ứng dụng nổi bật của EE cho các tình huống bao gồm sự kết hợp của 1-D và 2-D dựa theo các chiều không gian của mạng lưới sông.

Mô hình 1-D thường thích hợp trong phân khúc sông tương đối nhỏ và cạn, nhiều nhánh. EFDC_DSI cung cấp các giải pháp mạnh mẽ cho các mô hình thủy động lực và WQ trong trải dài nơi xả thay đổi theo hướng dọc và liên tục theo các hướng dọc và ngang. EE có thể được sử dụng để tạo ra các đoạn mô hình 1-D với thay đổi độ rộng kênh.

Để đạt của sông phức tạp hơn, hoặc cho rộng, sông sâu 2D lưới mô hình được yêu cầu. Trong những trường hợp ngang hoặc dọc mô phỏng được yêu cầu ngoài theo chiều dọc. EFDC_DSI cung cấp độ chính xác tính toán và tốc độ và hiệu suất cao cung cấp các công cụ để xây dựng và phân tích các mô hình của bạn trong kế hoạch, hồ sơ hoặc 3D.

Một ví dụ về một mô hình có sử dụng sự kết hợp của 1-D và 2-D mô hình lưới là phần ven sông của San Joaquin - mô hình Sacramento hiển thị dưới đây. Lưới điện sông Amazon phát triển trong CVLGrid cũng được hiển thị.

Ví dụ 1D và 2D của các sông sử dụng EE:

-                 San Joaquin River, California – Sediment Transport and Water Quality Model

-                 Columbia River, Portland, Oregon – Toxics (PCBs) Transport Study

-                 Third-Fourth Creeks, Tennessee

-                 Yangtze River –Toxics Contamination

-                 Red River, Vietnam – Hydrodynamics

-                 Sungai Seggett River, Malaysia – Water Quality Model for Urban Renewal

-                 Ohio River, Ohio

-                 Belleville Locks Dam River, OH, USA – Velocity Pattern Analysis as Expert Witnes

8. Mức độ lũ lụt và vỡ đập thủy điện

EE là công cụ hữu hiệu cho công tác xác định khoảng mức nước lũ cũng như độ sâu lũ ngập theo thời gian. Tính năng này cũng có thể được áp dụng trong tình huống phân tích vỡ đập thủy điện hay so sánh ảnh hưởng dòng chảy tự nhiên với nhân tạo trong các dự án thủy điện.

So sánh các mức độ lũ cho các kịch bản mô hình khác nhau PlanView chức năng xử lý nâng cao chất lượng hình ảnh như nhìn thấy trong một hệ thống sông ở Lào. Hiệu ứng hình động này cho thấy một sự so sánh các mức độ lũ cho các kịch bản thuỷ văn khác nhau mà có thể được thực hiện bằng cách sử dụng chức năng xử lý nâng chất lượng hình ảnh PlanView trong EFDC_Explorer. Đối với hệ thống sông này ở Lào ba kịch bản phát hành hoạt động tại Powerhouse (PP) là 220, 110 và 0 cms được mô phỏng. Đồng thời dòng vốn thực từ các dòng sông Nam Hải và Nam Hinboun được hiển thị trong khung thời gian. Đối với mô phỏng này độ sâu ngập lụt tối thiểu hiển thị là 0,165 m và thời gian ngập lụt tối thiểu được đặt ở 0 giờ, tuy nhiên các tùy chọn hiển thị có thể được thiết lập bằng tay nhưng người sử dụng.