Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số trong mô hình thủy lực một chiều đến tỷ lệ phân lưu nhánh sông - áp dụng xây dựng mô hình mạng sông trong thực tế

Tỷ lệ này còn có thể phụ thuộc vào dạng dòng chảy, quá trình dòng chảy, cường độ dòng chảy… Khi mô phỏng trong mô hình số, đặc biệt là trong mô hình một chiều thì các yếu tố này đã được

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRẦN THỊ HƯƠNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ TRONG MÔ HÌNH THỦY LỰC MỘT CHIỀU ĐẾN

TỶ LỆ PHÂN LƯU NHÁNH SÔNG – ÁP DỤNG

XÂY DỰNG MÔ HÌNH MẠNG SÔNG TRONG THỰC TẾ

LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ HỌC KỸ THUẬT

HÀ NỘI 2012

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRẦN THỊ HƯƠNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ TRONG MÔ HÌNH THỦY LỰC MỘT CHIỀU ĐẾN

TỶ LỆ PHÂN LƯU NHÁNH SÔNG – ÁP DỤNG

XÂY DỰNG MÔ HÌNH MẠNG SÔNG TRONG THỰC TẾ

Ngành: Cơ học kỹ thuật Chuyên ngành: Cơ học kỹ thuật

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

DANH MỤC HÌNH VẼ 2

DANH MỤC BẢNG 4

MỞ ĐẦU 5

CHƯƠNG 1: LỜI GIẢI CỦA BÀI TOÁN PHÂN LƯU BẰNG PHƯƠNG PHÁP RUNGE – KUTTE 7

1.1 Bài toán phân lưu và các giả thiết của bài toán 7

1.1.1 Mô tả bài toán 7

1.1.2 Thuật toán giải bài toán phân lưu bằng Runge – Kutta 11

1.2 Kết quả của bài toán 13

1.2.1 Số liệu áp dụng 13

1.2.2 Ảnh hưởng của các thông số 14

1.3 Kết luận 21

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ TRONG MÔ HÌNH HEC – RAS ĐẾN TỶ LỆ PHÂN LƯU 22

2.1 Mô hình HEC – RAS 22

2.1.1 Giới thiệu mô hình 22

2.1.2 Phương trình cơ bản 23

2.1.3 Điều kiện tại phân lưu 25

2.2 So sánh lời giải bài toán phân lưu của mô hình HEC-RAS với nghiệm giải theo phương pháp Runge-Kutta 26

2.2.1 Thiết lập mô hình tính cho bài toán phân lưu 26

2.2.2 Kết quả tính toán và so sánh 29

2.3 Kết luận 42

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG LỰA CHỌN XỬ LÝ PHÂN LƯU CHO MẠNG SÔNG VU GIA – HÀN 43

3.1 Đặc điểm dòng chảy lũ trên hệ thống sông Vu Gia – Hàn 43

3.1.1 Lưu vực sông Vu Gia – Hàn 43

3.1.2 Dòng chảy lũ 44

3.2 Xây dựng hệ thống sông trong mô hình HEC – RAS 46

3.2.1 Xây dựng mô hình số cho hệ thống sông 46

3.2.2 Thiết lập điều kiện biên của bài toán 50

3.3 Hiệu chỉnh, kiểm tra mô hình dựa trên các thông số phân lưu 52

3.3.1 Hiệu chỉnh mô hình 53

3.3.2 Kiểm tra mô hình 64

KẾT LUẬN 69

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

PHỤ LỤC 73

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Mặt cắt sông hình chữ nhật 7

Hình 1.2: Sơ đồ hình học nhánh sông phân lưu 8

Hình 1.3: Lưu đồ thuật toán giải bài toán phân lưu 13

Hình 1.4: Biến thiên tỷ lệ phân lưu phụ thuộc vào độ dốc và lưu lượng vào 15

Hình 1.5: Mực nước dọc theo hai nhánh hạ du ứng với lưu lượng 2500m3 /s 15

Hình 1.6: Mực nước dọc theo hai nhánh hạ du ứng với lưu lượng 8500m3 /s 16

Hình 1.7: Biến thiên tỷ lệ phân lưu phụ thuộc chiều dài và lưu lượng vào 17

Hình 1.8: Biến thiên tỷ lệ phân lưu phụ thuộc hệ số nhám và lưu lượng vào 19

Hình 1.9: Biến thiên tỷ lệ phân lưu phụ thuộc biên mực nước và lưu lượng vào 20

Hình 2.1: Các chức năng chính trong giao diện của HEC-RAS 22

Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống sông phân lưu 27

Hình 2.3: Thiết lập dữ liệu tại chỗ nối 28

Hình 2.4: Thiết lập điều kiện cho bài toán 29

Hình 2.5: Độ sâu mực nước hai nhánh hạ du ứng với lưu lượng vào là 2500m3 /s 31

Hình 2.6: Độ sâu mực nước ba nhánh sông ứng với lưu lượng vào là 6500m3 /s 32

Hình 2.7: Độ sâu mực nước hai nhánh hạ du ứng với lưu lượng vào là 10500m3 /s 32

Hình 2.8: So sánh tỷ lệ phân lưu tính theo giải tích và mô hình 33

Hình 2.9: Độ sâu mực nước của ba nhánh sông ứng với lưu lượng vào là 2500m3 /s 34

Hình 2.10: Độ sâu mực nước ba nhánh sông với lưu lượng vào là 10500m3 /s 35

Hình 2.11: Độ sâu mực nước ba nhánh sông với lưu lượng vào là 10500m3 /s 35

Hình 2.12: So sánh tỷ lệ phân lưu tính theo giải tích và mô hình 36

Hình 2.13: Độ sâu mực nước hai nhánh sông hạ du ứng với lưu lượng vào 2500m3 /s 37 Hình 2.14:Độ sâu mực nước hai nhánh sông hạ du ứng với lưu lượng vào 10500m3 /s 38 Hình 2.15: So sánh tỷ lệ phân lưu tính theo giải tích và mô hình 38

Hình 2.16: Độ sâu mực nước hai nhánh sông hạ du ứng với lưu lượng vào 2500m3 /s 40 Hình 2.17: Độ sâu mực nước hai nhánh sông hạ du ứng với lưu lượng vào 6500m3 /s 40 Hình 2.18:Độ sâu mực nước hai nhánh sông hạ du ứng với lưu lượng vào 10500m3 /s 41 Hình 2.19: So sánh tỷ lệ phân lưu tính theo mô hình và giải tích 41

Hình 3.1: Hệ thống sông Vu Gia – Hàn 44

Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống sông Vu Gia – Hàn được mô hình hóa 48

Hình 3.3: Ví dụ một mặt cắt của hệ thống sông Vu Gia – Hàn trong HEC – RAS 48

Hình 3.4: Sơ đồ hệ thống sông Vu Gia – Hàn có đủ các mặt cắt 49

Hình 3.5: Hệ thống ô chứa trong mô hình 50

Hình 3.6: Sơ đồ thủy lực và vị trí các biên mô hình 52

Hình 3.7: Biên lưu lượng tại trạm đo Thạnh Mỹ năm 2006 để hiệu chỉnh mô hình 55

Hình 3.8: Biên lưu lượng tại trạm đo Thạnh Mỹ năm 2007 để hiệu chỉnh mô hình 56

Hình 3.9: Biên mực nước tại cửa Hàn năm 2006 để hiệu chỉnh mô hình 56

Hình 3.10: Biên mực nước tại cửa Hàn năm 2007 để hiệu chỉnh mô hình 57

Hình 3.11: Mực nước thực đo và tính toán tại trạm đo Thành Mỹ năm 2007 57

Hình 3.12: Mực nước thực đo và tính toán tại trạm đo Hội Khách năm 2007 58

Hình 3.13: Mực nước thực đo và tính toán tại trạm đo Ái Nghĩa năm 2007 58

Hình 3.14: Mực nước thực đo và tính toán tại trạm đo Cẩm Lệ năm 2007 59

Hình 3.15: Mực nước thực đo và tính toán tại trạm đo Ái Nghĩa năm 2007 (sau khi được hiệu chỉnh) 60

Hình 3.16: Mực nước thực đo và tính toán tại trạm đo Cẩm Lệ năm 2007(sau khi được hiệu chỉnh) 60

Hình 3.17: Mực nước thực đo và tính toán tại trạm đo Thạnh Mỹ năm 2006 62

Hình 3.18: Mực nước thực đo và tính toán tại trạm Hội Khách năm 2006 62

Hình 3.19: Mực nước thực đo và tính toán tại trạm Ái Nghĩa năm 2006 63

Hình 3.20: Biên lưu lượng tại Thạnh Mỹ 31/10 – 15/11/1999 để kiểm tra mô hình 64

Hình 3.21: Biên lưu lượng tại Thạnh Mỹ 01/09 – 31/12/2009 để kiểm tra mô hình 65

Hình 3.22: Biên mực nước tại Cửa Hàn năm 1999 để kiểm tra mô hình 65

Hình 3.23: Biên mực nước tại Cửa Hàn năm 2009 để kiểm tra mô hình 66

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Bảng sai số tỷ lệ phân lưu giữa tính toán theo mô hình và theo giải tích

(phụ thuộc độ dốc) 33

Bảng 2.2: Bảng sai số tỷ lệ phân lưu giữa tính toán theo mô hình và theo giải tích (phụ thuộc độ dài) 36

Bảng 2.3: Bảng sai số tỷ lệ phân lưu giữa tính toán theo mô hình và theo giải tích (phụ thuộc hệ số nhám) 39

Bảng 2.4: Bảng sai số tỷ lệ phân lưu giữa tính toán theo mô hình và theo giải tích (phụ thuộc biên độ sâu mực nước) 42

Bảng 3.1: Đặc trưng đỉnh lũ cao nhất năm (1976-2001) 45

Bảng 3.2: Mức nước báo động tại các trạm trên hệ thống sông (m) 46

Bảng 3.3: Đặc trưng địa hình lòng dẫn mạng tính toán thủy lực 46

Bảng 3.4: Các trường hợp hiệu chỉnh tỷ lệ phân lưu 53

Bảng 3.5: Hệ số Nash ứng với lần đầu, cuối thay đổi thông số 61

Bảng 3.6: Kết quả mực nước tính toán và thực đo lũ chính vụ tại một số vị trí 63

Bảng 3.7: Hệ số Nash-Sutcliffe cho các điểm quan trắc mực nước giai đoạn hiệu chỉnh mô hình 63

Bảng 3.8: Hệ số Nash-Sutcliffe cho các điểm quan trắc giai đoạn kiểm tra mô hình 68

MỞ ĐẦU

Những thảm họa do lũ lụt gây ra nhiều thiệt hại to lớn Ngoài việc làm thiệt hại đến sinh mạng con người, lũ lụt còn tàn phá các thành quả kinh tế - xã hội như mùa màng, nhà cửa, đường xá, bến cảng, trường học, bệnh viện, hồ chứa nước, đê, đập , phá hoại môi trường sinh thái Việc giảm thiểu thiệt hại do lũ lụt gây ra liên quan chặt chẽ đến khả năng dự báo và phòng chống lũ lụt Để làm được điều này ngoài việc xây dựng các công trình phòng lũ, chống lũ thì vấn đề đáng được nói tới là việc nghiên cứu

áp dụng các phương pháp dự báo lũ một cách kịp thời, hiệu quả Trong đó, dự báo lũ lụt bằng mô hình số đang được sử dụng rất rộng rãi

Ngày nay, do sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật mà các mô hình số cũng rất đa dạng Có rất nhiều loại mô hình số khác nhau nhưng có thể khái quát lại thành hai dạng chính đó là mô hình một chiều và mô hình nhiều chiều

Mô hình nhiều chiều có nhiều những ưu điểm so với mô hình một chiều Đáng kể

ở đây đó là ưu điểm mô phỏng gần sát với thực tế hơn Trong quá trình mô phỏng, việc đầu tiên cần làm là mô phỏng hình học Đây là một phần việc khá khó khăn trong cả quá trình này Hình dáng sông, bãi bồi, lở,… đặc biệt trong đó là hình dáng và vị trí các bãi cát ở giữa hai nhánh sông hay còn gọi là các roi cát, những vị trí bị thu hẹp (các nút thắt) hoặc phần mở rộng lòng sông đột ngột… Mô hình nhiều chiều mô phỏng khá chính xác hình dáng hình học của chúng trong khi đó mô hình một chiều rất khó

để thể hiện những điều kể trên Tuy nhiên, để đạt được ưu điểm này của mô hình nhiều chiều thì đáp ứng về mặt số liệu của nó cũng đòi hỏi khá cao: chi tiết về số liệu hình học phải nhiều, số liệu khí tượng, số liệu thủy văn… Mặt khác thời gian tính toán để đạt được kết quả mong muốn cũng khá lâu

Mô hình một chiều tuy đã đơn giản hóa thực tế hơn so với mô hình nhiều chiều và không mô phỏng thực tế được như mô hình nhiều chiều nhưng lại có ưu điểm là thời gian tính toán nhanh, kết quả tính toán khá chính xác Kết quả này có thể được áp dụng để dự báo một cách kịp thời, nhanh chóng và có hiệu quả Vì lẽ đó dùng mô hình một chiều trong tính toán lũ lụt đang có xu hướng được sử dụng rộng rãi

Các mô hình một chiều, ngoài việc phải mô phỏng một cách tương đối cấu trúc hình học: hình dáng sông, lòng sông, bãi sông, ô chứa… và đưa chính xác những số liệu cần thiết thì cũng có rất nhiều những vấn đề khác phải quan tâm như: nút thắt của dòng sông, bãi cát giữa sông, dòng chảy hợp lưu, dòng chảy phân lưu… Trong số đó phân lưu dòng chảy hay chính xác là tỷ lệ phân lưu dòng chảy là vấn đề rất đáng được xét tới Phân lưu dòng chảy có sát với thực tế thì mô phỏng dòng chảy mới phản ánh được chế độ nước của dòng sông Khi đó kết quả tính toán mới được chấp nhận và có thể được áp dụng trong việc quản lý và kiểm soát lũ

Trong thực tế, phân lưu dòng chảy phụ thuộc rất nhiều những yếu tố như: các yếu

tố về hình học, độ dốc, độ cong, độ nhám … của các nhánh sông trước và sau phân

lưu Tỷ lệ này còn có thể phụ thuộc vào dạng dòng chảy, quá trình dòng chảy, cường

độ dòng chảy… Khi mô phỏng trong mô hình số, đặc biệt là trong mô hình một chiều thì các yếu tố này đã được đơn giản đi rất nhiều: về mặt hình học chưa đáp ứng đúng thực tế, độ cong cũng bị đơn giản hơn… Do đó để việc đảm bảo mô phỏng vẫn đúng, các thông số tính toán trong mô hình một chiều cần được lựa chọn sao cho tỷ lệ phân lưu ở các nhánh sông vẫn được đảm bảo

Với mong muốn vận dụng các kiến thức đã học về cơ học chất lỏng, em đã chọn

đề tài có tên: “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số trong mô hình thủy lực 1 chiều đến tỷ lệ phân lưu nhánh sông – Áp dụng để xây dựng mô hình mạng sông trong thực tế” để làm luận văn Nội dung chủ yếu của luận văn là nghiên cứu lời giải của bài toán

phân lưu bằng phương pháp Runge – Kutta để tìm ra mức độ ảnh hưởng của các thông

số trong mô hình thủy lực 1 chiều đến tỷ lệ phân lưu Trên cơ sở đó, mô hình HEC – RAS được sử dụng để kiểm định đối với bài toán phân lưu và áp dụng cho hệ thống sông Vu Gia – Hàn với nhánh phân lưu từ sông Vu Gia sang sông Lạc Thành và sông Yên

Luận văn được sắp xếp bao gồm phần mở đầu, 3 chương và phần kết luận Nội dung những phần chính như sau:

Chương 1: Nghiên cứu lời giải bài toán phân lưu bằng phương pháp Runge – Kutta

Chương 2: Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số trong mô hình HEC – RAS đến tỷ lệ phân lưu

Chương 3: Ứng dụng lựa chọn xử lý các phân lưu cho mạng sông Vu Gia – Hàn

Để có thể hoàn thành luận văn, em vô cùng cảm ơn sự chỉ bảo tận tình của thầy hướng dẫn PGS.TS Hà Ngọc Hiến Cùng với đó là sự trợ giúp, truyền đạt những kinh nghiệm quý báu của các thầy, cô trong bộ môn trong quá trình đào tạo Qua đó trình độ được nâng cao hơn, tầm hiểu biết được mở rộng hơn khi tiếp cận đến thực tế

Cuối cùng, xin được cảm ơn Phòng Quy hoạch Môi trường – Viện Công nghệ môi trường đã tạo điều kiện thuận lợi để bản luận văn được hoàn thành

Trong quá trình thực hiện, luận văn chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, rất mong nhận được sự góp ý của thầy cô, các bạn đồng nghiệp để luận văn có thể hoàn thiện hơn

CHƯƠNG 1: LỜI GIẢI BÀI TOÁN PHÂN LƯU BẰNG PHƯƠNG PHÁP

RUNGE – KUTTE

Phần này của luận văn tập trung chủ yếu vào việc đưa ra bài toán phân lưu và giải quyết bài toán này bằng phương pháp Runge – Kutta Kết quả bài toán sẽ cho biết cụ thể hơn về ảnh hưởng của các yếu tố như: độ dốc, độ dài, hệ số nhám, biên mực nước cửa ra… đến tỷ lệ phân lưu dòng chảy Từ đó góp phần đáng kể trong hiệu chỉnh các thông số của mô hình số

1.1 Bài toán phân lưu và các giả thiết của bài toán

1.1.1 Mô tả bài toán

Bài toán phân lưu được áp dụng với hệ thống sông có một nhánh sông phân lưu sang hai nhánh sông khác Trong bài toán xem xét ở đây, hệ thống sông trong thực tế

đã được đơn giản hóa hơn nhiều Mô tả về bài toán như sau:

tương ứng là B 1 và B 2 Ở hai nhánh sông này độ dốc của các sông lần lượt là I 1 , I 2

b Về điều kiện biên:

Tại thượng du cho lưu lượng vào Q Hạ du cho mực nước hai cuối phân lưu H b1,

H b2

B

H

Hình 1.1: Mặt cắt sông hình chữ nhật

Hình 1.2: Sơ đồ hình học nhánh sông phân lưu

Với các giả thiết đơn giản cho ở trên, bài toán đặt ra là tìm tỷ lệ phân chia lưu

lượng (Q 2 /Q 1) từ nhánh sông thượng du sang hai nhánh sông phân lưu phía dưới hạ

du Trên cơ sở đó tìm ảnh hưởng của thông số đến tỷ lệ phân chia lưu lượng

Để giải bài toán này ta xét phương trình Saint – Venant dạng một chiều như sau [7]:

Q= Q(x,t) – lưu lượng của dòng chảy trong đoạn sông

Z= Z(x,t) – độ cao mực nước trong đoạn sông

x: khoảng cách dọc theo kênh hoặc sông

Khi đó bán kính thủy lực được tính bằng [2]:

2

BH R



Ở đây H= Z-Z b

Z b: độ cao đáy sông

Trong một mặt cắt thực tế thì độ sâu cột nước H nhỏ hơn rất nhiều lần so với chiều rộng mặt cắt B nên có thể tính xấp xỉ công thức (1.2) thành R= H [2]

Với điều kiện dòng chảy dừng nên Q 0

31

n q I

q dx

Trong đó:I dZ dx b : độ dốc đáy sông

Phương trình (1.3) là phương trình vi phân thường bậc nhất mô tả mối quan hệ giữa mực nước và lưu lượng trong một đoạn sông dòng chảy dừng có mặt cắt hình chữ nhật Dạng tổng quát của phương trình (1.3) được viết như sau:

H x

f dx

Để áp dụng phương pháp Runge – Kutta, phương trình (1.4) có thể viết dưới dạng:

 y t f dt

dy

,

Với điều kiện ban đầu y(0)= y0

Phương pháp Runge – Kutta bậc 4 được sử trong luận văn này [1] Theo đó (1.5) được xấp xỉ như sau:

2 3

Như vậy giá trị tiếp theo của hàm y n+1 được xác định bằng giá trị hiện tại của hàm

y n cộng với trung bình các hệ số trung gian k i , i= 1, 2, 3, 4 theo giá trị của hàm số f tại

2 Tại n= 0, H 1 = H b đã biết theo điều kiện biên cho mực nước tại cửa sông

3 Tính các hệ số trung gian k 1 , k 2 , k 3 , k 4 theo công thức (1.7)

4 Tính giá trị H n+1 theo công thức Runge – Kutta bậc 4 ở trên theo công thức (1.6):

Giả sử Q 1 là lưu lượng phân lưu sang nhánh sông thứ nhất, Q 2 là lưu lượng phân

lưu sang nhánh sông thứ hai, thì lưu lượng đầu vào sẽ được tính là Q= Q 1 + Q 2

Vì bài toán đặt ra là tìm tỷ lệ phân lưu nên ta chỉ cần tính được Q 1 và Q 2 của hai nhánh sông phía dưới hạ du Áp dụng phương trình (1.3) cho hai nhánh sông này ta có:

n q I

q dx

n q I

q dx

I 1 , I 2: là độ dốc đáy sông lần lượt của nhánh thứ nhất, nhánh thứ hai

q 1 , q 2: lưu lượng trên một đơn vị độ dài của nhánh thứ nhất, nhánh thứ hai

n 1 , n 2: hệ số Manning nhánh thứ nhất, nhánh thứ hai

g: gia tốc trọng trường

Hai phương trình trên được xem xét với điều kiện biên có mực nước ở cuối nhánh

phân lưu (cửa ra): H 1 (0)= H b1 ; H 2 (0)= H b2

Tại phân lưu ta có tổng lưu lượng phân lưu sang hai nhánh sông bằng với lưu lượng vào tại thượng du:

hay

Bq= B 1 q 1 + B 2 q 2

Mặt khác, tại vị trí phân lưu đáy sông có cùng một độ cao nên độ sâu cột nước của

hai nhánh sông tại phân lưu là bằng nhau: H p1l = H pl2 = H pl Điều kiện này sẽ được sử

dụng kết hợp với (1.4) và phương pháp lặp để tính ra Q 1 và Q 2

1.1.2 Thuật toán giải bài toán phân lưu bằng Runge – Kutta

Để giải được bài toán phân lưu này, ta cần tìm lưu lượng phân sang nhánh thứ nhất

và lưu lượng phân sang nhánh thứ hai Tỷ lệ phân lưu sẽ được biết đến như là hệ số phân lưu dòng chảy tại điểm phân lưu

Phương pháp giải được tiến hành như sau:

Giả thiết rằng lưu lượng phân sang nhánh thứ nhất q 1 là đã biết Khi đó, phương pháp Runge – Kutta được áp dụng cho đoạn sông này để giải phương trình (1.3) Ta

tìm được độ sâu mực nước tại điểm phân lưu sang nhánh đó là H pl1

Bq B q q

B



Do tổng lưu lượng trước phân lưu đã biết nên lưu lượng phân lưu sang nhánh còn

lại q 2 cũng tính được theo công thức (1.9)

Phương pháp Runge – Kutta lại được áp dụng cho đoạn sông thứ hai để tìm ra giá

trị độ sâu mực nước của đoạn tại vị trí phân lưu nàyH pl2

Vì độ sâu mực nước tại điểm phân lưu sang hai nhánh sông phải luôn bằng nhau

nên từ điều kiện H pl1 = H pl2 chúng ta có thể tìm được giá trị q 1 và q 2 thỏa mãn bài toán

bằng phương pháp giải lặp lại giá trị q 1 như sau:

Tính độ chênh lệch mực nước giữa hai nhánh sông tại điểm phân lưu

pl pl

Có thể nhận thấy rằng lưu lượng tỷ lệ thuận với mực nước, nếu H pl1 lớn hơn H pl2

thì lưu lượng phân sang nhánh thứ nhất đang là lớn hơn so với giá trị phân lưu đúng và

ngược lại Do đó giá trị q 1 có thể điều chỉnh như sau:

sẽ dừng lại khi  nhỏ hơn một giá trị nhỏ >0 cho trước

Sơ đồ tính toán được thể hiện cụ thể hơn trong hình 1.3 dưới đây

Để giải được phương trình (1.3) theo Runge – Kutte, các thông số về độ dốc đáy

sông I, và hệ số nhám Manning n cần phải được biết Trong thực tế độ dốc đáy sông I

và hệ số nhám n là những thông số rất khó để xác định chính xác nên khi tính lưu lượng phân lưu Q 1 , Q 2 thì hai hệ số này được xét là những thông số có ảnh hưởng đến

sự phân chia lưu lượng phân lưu hay nói cách khác I và n là hai thông số ảnh hưởng

tới tỷ lệ phân lưu

Ngoài ra chiều dài nhánh sông L, chiều rộng sông B và độ sâu mực nước tại hạ du

H b cũng có ảnh hưởng tới phân lưu sang hai nhánh sông

Chương trình giải bài toán đặt ra đã được thiết lập bằng ngôn ngữ lập trình Fortran (xin xem ở phần phụ lục)

Lời giải bằng phương pháp số của bài toán có thể được xem như một lời giải chính

xác vì sai số của phương pháp Runge – Kutta ở đây chỉ phụ thuộc vào dx Kết quả thể

hiện điều này được thể hiện rõ hơn trong phần kết quả tính toán phía dưới đây

Hình 1.3: Lưu đồ thuật toán giải bài toán phân lưu

1.2 Kết quả của bài toán

1.2.1 Số liệu áp dụng

Với mục đích nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến phân lưu dòng chảy trong thực tế và kết hợp với những phân tích ở trên, ta sẽ xem xét đến tỷ lệ phân lưu phụ thuộc vào các yếu tố sau:

Tỷ lệ phân lưu phụ thuộc lưu lượng đầu vào trên thượng du 2 nhánh sông

Tỷ lệ phân lưu phụ thuộc bề rộng các nhánh sông

Tỷ lệ phân lưu phụ thuộc độ dốc đáy sông

Tỷ lệ phân lưu phụ thuộc chiều dài đoạn sông

Tỷ lệ phân lưu phụ thuộc hệ số Strickler hay hệ số nhám

Tỷ lệ phân lưu phụ thuộc độ sâu mực nước tại cửa ra

Trong luận văn, bộ số liệu được dùng để nghiên cứu có các thông số thay đổi như sau:

1 Độ dốc đáy sông thay đổi từ 0.00002 đến 0.0003

2 Độ dài đoạn sông thay đổi từ 5000m đến 35000m

3 Hệ số nhám thay đổi từ n= 0.01 đến n= 0.08

4 Độ sâu mực nước tại cửa ra từ 4m đến 7m

Trong mỗi trường hợp nghiên cứu, các thông số khác giữ nguyên giá trị đã đưa ra, thông số đang xét sẽ được thay đổi xung quanh giá trị tham chiếu Lưu lượng dòng

chảy đổ vào nhánh sông chính trên thượng du dao động từ khoảng 2500m 3

/s đến 10500m 3 /s

1.2.2 Ảnh hưởng của các thông số

a Ảnh hưởng của độ dốc

Bài toán này được xem xét với các thông số như sau:

Nhánh 1: Các thông số chính không thay đổi như sau:

- Độ dốc là: 0.0001

- Chiều dài là: 15000m

- Bề rộng là: 500m

- Hệ số nhám là: 0.025

- Mực nước đầu cuối (cửa ra): 5m

Nhánh 2: Độ dốc của nhánh thay đổi, các thông số khác giữ nguyên

- Độ dốc thay đổi từ 0.00002 đến 0.0003

- Chiều dài L= 15000m

- Bề rộng là: 500m

- Hệ số nhám n= 0.025

- Mực nước đầu cuối (cửa ra) H= 5m

Tổng lưu lượng đầu vào thay đổi từ 2500m 3

/s đến 10500m 3 /s

Hình 1.4: Biến thiên tỷ lệ phân lưu phụ thuộc vào độ dốc và lưu lượng vào

Mực nước dọc theo hai nhánh hạ du ứng với lưu lượng 2500m3/s

Hình 1.5: Mực nước dọc theo hai nhánh hạ du ứng với lưu lượng 2500m 3 /s

Mực nước dọc theo hai nhánh hạ du ứng với lưu lượng 8500m3/s

Độ dốc ảnh hưởng khá lớn tới tỷ lệ phân lưu Trên hình vẽ 1.4 có thể thấy rằng tỷ

lệ phân lưu (Q 2 /Q 1 ) thay đổi từ 0.49 đến 2.82 khi độ dốc I 2 thay đổi từ 0.00002 đến

0.0003 so với độ dốc I 1 cố định là 0.0001 Lưu lượng vào càng lớn thì độ dốc ảnh

hưởng càng ít hơn so với lưu lượng vào nhỏ Với Q=10500 m 3

/s thì tỷ lệ phân lưu chỉ dao động từ 0.8 đến 1.54, trong khi đó với Q= 2500 m 3

/s thì tỷ lệ phân lưu dao động từ 0.49 đến 2.82 Khi độ dốc 2 nhánh sông bằng nhau (I 1 =I 2=0.0001) thì phân lưu về 2 nhánh như nhau tỷ lệ phân lưu có giá trị bằng 1 Nhánh nào có độ dốc lớn hơn thì lưu lượng đổ về lớn hơn

b Ảnh hưởng của độ dài nhánh phân lưu

Bài toán này được xem xét với các thông số như sau:

Nhánh 1: Các thông số chính không thay đổi như sau:

- Độ dốc là: 0.0001

- Chiều dài là: 15000m

- Bề rộng là: 500m

- Hệ số nhám là: 0.025

- Mực nước đầu cuối (cửa ra): 5m

Nhánh 2: Chiều dài của nhánh thay đổi, các thông số khác giữ nguyên

- Độ dốc đáy sông là: 0.0001

- Chiều dài thay đổi từ 5000m đến 35000m

- Bề rộng là: 500m

- Hệ số nhám n= 0.025

- Mực nước đầu cuối (cửa ra) H= 5m

Tổng lưu lượng đầu vào thay đổi từ 2500m 3

Hình 1.7: Biến thiên tỷ lệ phân lưu phụ thuộc chiều dài và lưu lượng vào

Trên hình vẽ 1.7 có thể thấy rằng chiều dài của nhánh sông ảnh hưởng không lớn

Với mức lưu lượng đầu vào khoảng 2500m 3

/s, nhánh hai có độ dài là 6km giá trị tỷ lệ phân lưu là 0.22, độ dài là 35km giá trị này là 2.03 Như vậy biên độ chênh lệch giữa

độ dài đạt giá trị tỷ lệ phân lưu lớn nhất và độ dài đạt giá trị tỷ lệ phân lưu nhỏ nhất chỉ

là 1.81 Khi chiều dài 2 nhánh sông bằng nhau (L 1 =L 2 =15000m) thì phân lưu về 2

nhánh như nhau tỷ lệ phân lưu có giá trị bằng 1 Mặt khác, tùy vào lưu lượng vào nhánh trên mà tỷ lệ phân lưu này tỷ lệ thuận hay tỷ lê nghịch với chiều dài Như vậy

có thể thấy hình vẽ được phân thành 2 vùng như sau:

1 Lưu lượng vào lớn hơn khoảng 6000m 3 /s (Q> 6000m 3 /s)

Trong vùng này nhận thấy tỷ lệ phân lưu tỷ lệ nghịch với chiều dài nhánh sông Chiều dài nhánh nào lớn hơn thì lưu lượng đổ vào nhánh đó nhỏ hơn Tỷ số này giảm từ giá trị lớn nhất là 1.24 xuống còn 0.88, bằng 1 khi chiều dài hai nhánh sông bằng nhau

Lưu lượng vào cỡ khoảng 6500m 3

/s thì độ dài ảnh hưởng rất ít tới tỷ lệ phân lưu

Trong cỡ lưu lượng này tỷ lệ phân lưu chỉ dao động trong khoảng từ 0.97 tới 1.06 Đường biến thiên tỷ lệ phân lưu phụ thuộc độ dài gần như nằm song song so với trục ngang từ vị trí tỷ lệ phân lưu có giá trị bằng 1 trở đi

Có thể nhận thấy rằng, trong trường hợp này, lưu lượng đầu vào càng lớn thì ảnh hưởng của độ dài nhánh sông tới tỷ lệ phân lưu càng lớn

2 Lưu lượng vào nhỏ hơn khoảng 6000m 3 /s (Q< 6000m 3 /s)

Trong vùng thứ hai này, tỷ lệ phân lưu tỷ lệ thuận với chiều dài nhánh sông Chiều dài nhánh nào lớn hơn thì lưu lượng đổ vào nhánh đó lớn hơn Tỷ lệ phân lưu tăng

từ giá trị thấp nhất là 0.22 lên giá trị 2.03 ứng với lưu lượng đổ vào cỡ khoảng

2500m 3 /s và cũng có giá trị bằng 1 khi chiều dài hai nhánh sông bằng nhau

Trong trường hợp này, lưu lượng đầu vào càng nhỏ thì ảnh hưởng của độ dài nhánh sông tới tỷ lệ phân lưu càng lớn

c Ảnh hưởng của hệ số nhám

Bài toán này được xem xét với các thông số như sau:

Nhánh 1: với các thông số không thay đổi như sau:

- Độ dốc là: 0.0001

- Chiều dài là: 15000m

- Bề rộng là: 500m

- Hệ số nhám là: 0.025

- Mực nước đầu cuối (cửa ra): 5m

Nhánh 2: Độ nhám của nhánh thay đổi, các thông số khác giữ nguyên

- Độ dốc đáy sông là: 0.0001

- Chiều dài sông là 15000m

- Bề rộng là: 500m

- Hệ số nhám thay đổi từ 0.01 đến 0.08

- Mực nước đầu cuối (cửa ra) H= 5m

Tổng lưu lượng đầu vào thay đổi từ khoảng 2500m 3

/s đến 10500m 3 /s

Hình 1.8: Biến thiên tỷ lệ phân lưu phụ thuộc hệ số nhám và lưu lượng vào

Nhận xét:

Từ hình 1.8 nhận thấy hệ số nhám ảnh hưởng khá lớn tới tỷ lệ phân lưu dòng chảy

Tỷ lệ phân lưu tỷ lệ nghịch với hệ số nhám của nhánh sông, nhánh nào có hệ số nhám càng lớn thì lưu lượng đổ vào càng nhỏ

Trong một nhánh sông có hệ số nhám cố định thì lưu lượng vào hầu như không

ảnh hưởng tới tỷ lệ phân lưu Khi lưu lượng vào ở mức thấp nhất (Q= 2500m 3

/s), tỷ lệ phân lưu giảm từ 1.79 xuống còn 0.3, ở mức cao nhất (10500m 3

/s) tỷ lệ phân lưu cũng

chỉ giảm từ 1.73 xuống 0.31

d Ảnh hưởng của biên mực nước:

Bài toán này được xem xét với các thông số như sau:

Nhánh 1: Các thông số chính của nhánh không thay đổi như sau:

- Độ dốc là: 0.0001

- Chiều dài là: 15000m

- Bề rộng là: 500m

- Hệ số nhám là: 0.025

- Mực nước đầu cuối (cửa ra): H= 5m

Nhánh 2: Mực nước của nhánh thay đổi, các thông số khác giữ nguyên:

- Độ dốc đáy sông là: 0.0001

- Chiều dài sông là: 15000m

- Bề rộng là: 500m

- Hệ số nhám là: 0.025

- Mực nước đầu cuối (cửa ra) thay đổi từ 4m đến 7m

Tổng lưu lượng đầu vào thay đổi từ khoảng 2500m 3

Hình 1.9: Biến thiên tỷ lệ phân lưu phụ thuộc biên mực nước và lưu lượng vào

Hình 1.9 trên đây thể hiện sự phụ thuộc của tỷ lệ phân lưu vào biên cửa ra của nhánh phân lưu và lưu lượng đầu vào Sự phụ thuộc này là khá lớn khi lưu lượng vào ở mức thấp Lưu lượng vào càng lớn thì biên mực nước ảnh hưởng càng ít hơn

Biên mực nước hai nhánh sông bằng nhau thì phân lưu về hai nhánh như nhau Nhánh nào có biên mực nước lớn hơn thì lưu lượng đổ về nhỏ hơn nhánh kia

Ở đây nhận thấy giá trị tỷ lệ phân lưu có giá trị âm Q 2 /Q 1= -0.37 khi lưu lượng

e Ảnh hưởng của bề rộng các nhánh sông:

Đối với bài toán dừng, tỷ số phân lưu phụ thuộc vào tỷ lệ bề rộng các nhánh sông Trong trường hợp bài toán đang xét, dễ ràng nhận thấy nghiệm chính xác của bài toán thỏa mãn:

Q 1 /Q 2 =B 1 /B 2

1.3 Kết luận

Như vậy bài toán phân lưu đã được đưa ra đơn giản hơn so với thực tế để tìm được

tỷ lệ phân lưu phụ thuộc vào các yếu tố: độ dốc, độ dài, hệ số nhám, biên mực nước,

bề rộng các nhánh sông Qua các nhận xét phân tích kết quả tính toán, có thể rút ra một

số kết luận như sau:

* Tỷ lệ phân lưu phụ thuộc mạnh vào sự khác biệt về độ dốc của 2 nhánh sông phân lưu Đối với lưu lượng vào lớn, ảnh hưởng của độ dốc nhỏ đi và ngược lại lưu lượng vào nhỏ, độ dốc ảnh hưởng càng lớn hơn

* Tỷ lệ phân lưu phụ thuộc vào độ dài 2 nhánh phân lưu (độ dài từ điểm phân lưu đến biên hạ du) không lớn nhưng có diễn biến phức tạp Có một khoảng lưu

lượng vào nào đó (khoảng 6500m 3

/s, đối với bài toán đang xem xét), tỷ lệ phân

lưu hầu như không phụ thuộc vào độ dài của 2 nhánh Tỷ lệ phân lưu giảm dần khi độ dài nhánh phân lưu tăng khi lưu lượng vào lớn hơn và ngược lại tăng dần khi lưu lượng nhỏ hơn

* Tỷ lệ phân lưu phụ thuộc khá lớn vào sự khác biệt về độ nhám của 2 nhánh sông Tuy nhiên, tỷ lệ phân lưu hầu như không thay đổi khi độ lớn của lưu lượng vào thay đổi

* Tỷ lệ phân lưu phụ thuộc khá lớn vào mực nước biên cửa ra của nhánh sông và biến thiên ít hơn khi lưu lượng đầu vào lớn hơn

Kết quả này sẽ được dùng để hiệu chỉnh các thông số trong mô hình số khi áp dụng vào các bài toán thực tế

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ TRONG MÔ HÌNH HEC – RAS ĐẾN TỶ LỆ PHÂN LƯU

Trong chương này, nội dung chủ yếu tập chung vào việc giới thiệu mô hình HEC – RAS và thiết lập mô hình số mô phỏng bài toán phân lưu đặt ra trong Chương 1 Kết quả tính toán trong mô hình số được dùng để so sánh với lời giải của bài toán phân lưu

đã được giải theo phương pháp Runge – Kutta Từ đó tạo được cơ sở tốt hơn trong việc áp dụng hiệu chỉnh mô hình tính toán thực tế

2.1 Mô hình HEC – RAS

2.1.1 Giới thiệu mô hình

Mô hình HEC – RAS (Hydrologic Engineering Centers River Analysis System) là một chương trình trong bộ chương trình HEC, do Trung tâm Kỹ thuật Thủy văn thuộc Binh chủng Công Binh quân đội Mỹ xây dựng [8] Bộ chương trình gồm hệ thống các

mô hình thủy lực, thủy văn, thủy điện, điều tiết hồ chứa, hiển thị GIS, sử dụng cho hệ thống sông, hồ… Cụ thể như HEC – RAS, HEC – HMS, HEC – ResSIM, HEC – GeoRAS, HEC – EFM, HEC – SSP… Các chương trình này được thiết kế với giao diện đồ họa thuận tiện cho người sử dụng Hình 2.1 dưới đây chỉ ra một số chức năng chính trong giao diện của HEC – RAS

Hình 2.1: Các chức năng chính trong giao diện của HEC-RAS

Các trình đơn file, edit, run, view, option, help rất dễ dàng sử dụng (chi tiết xem

[7]) Sau đây là một số những chức năng chính sử dụng trong chương trình HEC – RAS

HEC - RAS là mô hình thủy lực 1 chiều được thiết kế để thực hiện những tính toán dòng chảy cho mạng sông tự nhiên có kể đến ảnh hưởng của các công trình xây dựng trên đó HEC – RAS có thể liên kết với các chương trình khác trong cùng bộ chương trình để phục vụ các mục đích tính toán và mô phỏng khác nhau:

Liên kết với mô hình thủy văn HEC – HMS tính toán mưa – dòng chảy để lấy lưu lượng đầu vào cho mạng sông

Liên kết với HEC – GeoRAS để hiển thị kết quả ngập lụt trên nền các bản đồ GIS,

mô phỏng sinh động quá trình truyền lũ trên mạng sông

HEC RAS có ba mô đun tính toán chính là: mô đun tính toán dòng chảy ổn định,

mô đun tính toán dòng chảy không ổn định và mô đun vận chuyển bùn cát (trầm tích) Các mô đun này có khả năng tính toán thủy lực cho một đoạn sông đơn hay một mạng đầy đủ ở tất cả các chế độ dòng chảy: chảy êm, chảy xiết và chế độ dòng chảy hỗn hợp Mô đun tính vận chuyển bùn cát được thiết kế để mô phỏng vận chuyển bùn cát 1 chiều như xói cục bộ, lắng đọng trong một khoảng thời gian dài (tính theo năm) hoặc tính toán trong một trận lũ cụ thể

Trong khuôn khổ của luận văn, mô đun tính toán dòng chảy không ổn định được

sử dụng để thiết lập tính toán cho bài toán đặt ra

2.1.2 Phương trình cơ bản

Chương trình HEC - RAS tính toán diễn toán dòng chảy trên sông tùy theo thuộc tính đã chọn ban đầu trước khi mô phỏng hay tính toán Dạng phương trình mô hình

mô phỏng trong thành phần “tính toán dòng chảy ổn định” khác dạng phương trình

mô hình mô phỏng trong thành phần “tính toán dòng chảy không ổn định” Trong

khuôn khổ nghiên cứu của luận văn, cơ sở khoa học của mô hình tính toán dòng chảy không ổn định được sử dụng để nghiên cứu Đối với một đoạn sông tính toán dòng chảy được HEC - RAS mô phỏng qua hệ phương trình Saint - Venant Dạng này cho phép chương trình có được tính linh hoạt cần thiết để mô phỏng dòng chảy trong một phạm vi rộng, từ các sóng lũ biến đổi chậm cho đến các sóng thay đổi đột ngột như

S A x

z gA x

VQ t

Z= Z(x,t) – mực nước trong đoạn sông

x: khoảng cách dọc theo kênh hoặc sông

Mạng sông trong HEC - RAS được xây dựng từ các đoạn sông và nút sông Trong

đó, đoạn sông là mô hình của đoạn sông thực nằm giữa hai nút sông Nút sông có hai loại là nút trong và nút biên

Nút trong là vị trí tiếp xúc của từ hai đoạn sông trở lên, được sử dụng để tính toán các đặc trưng dòng chảy là mực nước và lưu lượng

Còn tại những nút sông là vị trí tiếp xúc của mạng sông với các yếu tố bên ngoài gọi là nút biên thì có thể sử dụng một trong các điều kiện biên như sau:

Do mặt cắt nhánh sông có hình chữ nhật nên trong mô hình HEC – RAS, bán kính

thủy lực R được tính theo phương trình (1.2) [9]:

2

BH R





Gọi R 1 , R 2 lần lượt là bán kính thủy lực tính trong mô hình Chương 2 (sau đây gọi

là mô hình giải tích) và bán kính thủy lực tính trong mô hình HEC-RAS Ta có độ dốc

ma sát được tính như sau:

Độ dốc ma sát trong mô hình giải tích:

2 1

1

f

n Q Q S

A R



Độ dốc ma sát trong mô hình HEC-RAS:

2 2

2

f

n Q Q S

Từ phương trình (2.3) có thể thấy hệ số nhám trong mô hình HEC – RAS nhỏ hơn

hệ số nhám trong mô hình giải tích Do đó để so sánh lời giải giữa 2 mô hình, hệ số nhám trong mô hình HEC – RAS cần được điều chỉnh nhỏ hơn hệ số nhám trong mô hình giải tích trên cơ sở so sánh mực nước dọc theo nhánh sông

2.1.3 Điều kiện tại phân lưu

Trong mô hình HEC – RAS phân lưu được gọi là các chỗ nối (Junction) Các Juction được thiết lập trong mô hình ngay khi thiết kế hệ thống sông trong dữ liệu hình học (Geometrich Data)

Thông thường, trong dữ liệu mặt cắt ngang (Cross Sections), chiều dài nhánh sông cho mặt cắt cuối cùng của mỗi nhánh sông sẽ tiến về 0 nên Như vậy để nối các điểm này vào trong hệ thống tính toán thì chiều dài của các nhánh sông phải băng qua các điểm nút này

Các tính toán của chỗ nối (Computation Mode) được thiết lập theo hai cách khác nhau là: phương pháp năng lượng và phương pháp động lượng Trong HEC – RAS thì phương pháp năng lượng thường được mặc định sử dụng Nếu phương pháp động lượng được chọn thì góc giữa các nhánh sông sẽ được yêu cầu nhập vào trong quá trình thiết lập

Điều kiện về mực nước tại chỗ nối như sau:

z c là mực nước chung cho tất cả các đoạn sông tại chỗ nối

Điều kiện về lưu lượng tại chỗ nối:







l i

i

gi Q S

1

0Trong đó:

l là số đoạn sông nối với nhau

S (nếu i là đoạn nối với đoạn trên)

(nếu i là đoạn nối với đoạn dưới)

i

Q là lưu lượng đoạn thứ i

2.2 So sánh lời giải bài toán phân lưu của mô hình HEC-RAS với nghiệm giải theo phương pháp Runge-Kutta

2.2.1 Thiết lập mô hình tính cho bài toán phân lưu

Bài toán phân lưu được thiết lập trong mô hình HEC-RAS như sau:

 Thiết lập dữ liệu hình học: Geometric Data

 Thiết lập dữ liệu chỗ nối: Junction Data

 Thiết lập dữ liệu điều kiện biên, điều kiện ban đầu: Boundary Conditions và Initial Conditions

a Dữ liệu hình học

Dữ liệu hình học bao gồm:

 Dữ liệu các mặt cắt ngang của đoạn sông như: chiều dài đoạn, tọa độ mặt cắt ngang, hệ số nhám, Các thông số này được lấy từ giả thiết trong bài toán phân lưu và từ nghiệm chính xác của việc giải bài toán này bằng phương pháp Runge – Kutta ở phần trên Các mặt cắt ngang được đánh số theo chiều từ thấp

lên cao và ngược với chiều của dòng chảy

 Dữ liệu thiết lập chỗ nối (Junction) của hệ thống sông

 Dữ liệu các vùng ô tràn của dòng chảy (nếu có)

 Dữ liệu của những cấu trúc thủy lực: cầu, cống, đập (nếu có)

Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống sông phân lưu

Hệ thống sông trong bài toán gồm ba nhánh sông

Nhánh sông chính nằm phía thượng du có chiều dài 10km, chảy ổn định và phân

lưu sang hai nhánh sông phía dưới hạ du Nhánh này có 11 mặt cắt được đánh số số từ mặt cắt số 1 (mặt cắt gần phía điểm phân lưu) đến mặt cắt số 2 (mặt cắt phía thượng du) Mặt cắt đầu nhánh sông là mặt cắt 2, mặt cắt cuối của nhánh là mặt cắt 1

Nhánh thứ nhất phía hạ du (Nhánh 1) có chiều dài là 15km Mặt cắt của nhánh này

có hình chữ nhật được đánh số dọc theo chiều dòng chảy từ 2 xuống tới 1 Nhánh có tổng số 16 mặt cắt: mặt cắt số 1 ở phía hạ du, mặt cắt số 2 ở phía gần điểm phân lưu

Nhánh thứ hai phía hạ du (Nhánh 2), chiều dài sông là 15km Nhánh này cũng có

mặt cắt hình chữ nhật và đánh số dọc theo chiều dòng chảy từ 2 xuống 1, Tổng số mặt cắt của nhánh là 16 mặt cắt: mặt cắt số 1 ở phía hạ du, mặt cắt số 2 ở phía gần điểm phân lưu

Vị trí phân lưu dòng chảy từ nhánh chính xuống các nhánh sông hạ du được gọi là chỗ nối của các nhánh sông

Như vậy trong bài toán phân lưu, toàn bộ hệ thống sông bao gồm 33 mặt cắt và một chỗ nối được thiết lập trong mô hình số Hình 2.2 thể hiện sơ đồ hình học của hệ

thống sông được mô tả ở trên

b Điều kiện tại chỗ nối (Junction)

Tại phân lưu, chiều dài các nhánh sông đi qua phân lưu cần phải được thiết lập Khoảng cách từ nhánh sông thượng du đến hai nhánh sông hạ du (Nhánh 1, Nhánh 2)

là 100m Phương thức tính toán tại đây được chọn là phương pháp năng lượng

Hình 2.3 dưới đây thể hiện các dữ liệu được đưa vào bài toán trong HEC – RAS

Hình 2.3: Thiết lập dữ liệu tại chỗ nối

c Dữ liệu điều kiện

Điều kiện ban đầu:

Chương trình cho phép đưa điều kiện ban đầu là lưu lượng nước của các đoạn sông tại chỗ nối

Điều kiện biên:

Có hai loại điều kiện biên là điều kiện biên thượng du và điều kiện biên hạ du

 Biên thượng du: trong HEC – RAS biên này chỉ có thể là biên lưu lượng đầu vào

 Biện hạ du: Điều kiện tại các nút biên này cho phép lựa chọn một trong các loại điều kiện như: biên lưu lượng, biên mực nước, quan hệ lưu lượng – mực nước hoặc cho độ dốc ma sát

Biên trên tại thượng du là quá trình lưu lượng ổn định vào mặt cắt số 2 của nhánh chính Biên hạ du là mực nước ra tại mặt cắt 1 của nhánh thứ nhất và mặt cắt 1 của nhánh nhánh thứ hai

Hình 2.4 thể hiện cách thiết lập điều kiện cho bài toán

Hình 2.4: Thiết lập điều kiện cho bài toán 2.2.2 Kết quả tính toán và so sánh

Trong Chương 1 bài toán phân lưu đề ra đã được giải quyết với nhiều trường hợp khác nhau Dưới đây là các trường hợp đã được xét tới:

1 Tỷ lệ phân lưu phụ thuộc vào độ dốc

2 Tỷ lệ phân lưu phụ thuộc độ dài

3 Tỷ lệ phân lưu phụ thuộc hệ số nhám

4 Tỷ lệ phân lưu phụ thuộc biên mực nước

5 Tỷ lệ phân lưu phụ thuộc chiều rộng

Từ kết quả tính toán giải tích ở trên có thể thấy cụ thể ảnh hưởng của độ dốc, độ dài, độ sâu của biên mực nước cửa ra tới tỷ lệ phân lưu tùy thuộc vào tổng lưu lượng vào thay đổi như thế nào

Độ dốc tỷ lệ thuận với tỷ lệ phân lưu, nhánh nào càng có độ dốc lớn thì lưu lượng

đổ vào nhánh đó càng nhiều và ngược lại

Ảnh hưởng của độ dài tuy không nhiều nhưng cũng có thể nhận rõ sự ảnh hưởng thành hai vùng ảnh hưởng khác nhau: vùng tỷ lệ thuận và vùng tỷ lệ nghịch (xem chương 1 phần 1.2.2) Tùy theo lưu lượng vào thay đổi để điều chỉnh phân lưu dòng chảy một cách phù hợp

Ngược lại với độ dốc, biên mực nước cửa ra và tỷ lệ phân lưu lại tỷ lệ nghịch với nhau Mực nước biên càng cao thì lưu lượng đổ vào càng ít Thậm chí có thể biến bài toán phân lưu trở thành bài toán hợp lưu nếu lưu lượng đầu vào nhỏ, mực nước biên cửa ra cao

Hệ số nhám tuy có ảnh hưởng lớn tới tỷ lệ phân lưu nhưng với các mức lưu lượng vào thay đổi thì ảnh hưởng lại thể hiện không rõ ràng Kết quả tính toán cho thấy như sau: nhánh 1 với các thông số không thay đổi, nhánh 2 có hệ số nhám thay đổi và tổng lưu lượng vào cũng thay đổi thì biên độ dao động của tỷ lệ phân lưu chỉ là 0.01 Ứng với hệ số nhám của nhánh 2 là 0.0333 tỷ số này không đổi khi lưu lượng đầu vào thay đổi Ứng với hệ số nhám của nhánh 2 là 0.0143, biên độ dao động của tỷ lệ phân lưu đạt lớn nhất là 0.06 khi tổng lưu lượng vào có thay đổi

Từ các nhận xét đó, phần này trình bày các kết quả tính toán bài toán phân lưu sử dụng mô hình HEC – RAS trong các trường hợp thay đổi giá trị độ dốc, độ dài, hệ số nhám và độ sâu biên mực nước và được so sánh với nghiệm chính xác của bài toán giải theo phương pháp Runge – Kutta

a Tỷ lệ phân lưu phụ thuộc độ dốc

Trong trường hợp này các thông số của hệ thống sông được sử dụng trong mô hình như sau:

Nhánh 1 có các thông số không thay đổi:

- Chiều dài sông là 15000m

- Bề rộng nhánh sông là 500m

- Hệ số nhám: mô hình giải tích thiết lập hệ số nhám là n 1= 0.025, mô hình số

thiết lập hệ số nhám tương ứng là n 2= 0.0240

- Mực nước đầu cuối (cửa ra) 5m

Lưu lượng đầu vào thay đổi từ 2500m 3

/s đến 10500m 3 /s

Kết quả tính toán trong mô hình HEC – RAS được thể hiện trong các hình dưới đây

Hình 2.5, hình 2.6, hình 2.7 thể hiện biên thiên độ sâu mực nước ba nhánh sông

tương ứng với lưu lượng vào lần lượt là 2500m 3

/s, 6500m 3 /s và 10500m 3 /s

Hình 2.5: Độ sâu mực nước hai nhánh hạ du ứng với lưu lượng vào là 2500m 3 /s

Hình 2.6: Độ sâu mực nước ba nhánh sông ứng với lưu lượng vào là 6500m 3 /s

Hình 2.7: Độ sâu mực nước hai nhánh hạ du ứng với lưu lượng vào là 10500m 3 /s

Tỷ lệ phân lưu phụ thuộc độ dốc và lưu lượng vào

Hình 2.8: So sánh tỷ lệ phân lưu tính theo giải tích và mô hình

Hình 2.8 thể hiện so sánh tỷ lệ phân lưu tính theo mô hình HEC – RAS và theo

nghiệm giải tích Ứng với mức lưu lượng đầu vào lần lượt là 2500m 3 /s, 4500m 3 /s, 6500m 3 /s, 8500m 3 /s và 10500m 3 /s thì tỷ lệ phân lưu trong mô hình tính được lần lượt

là 2.23, 1.6 và 1.55; tỷ số này trong giải tích lần lượt là 2.3, 1.65 và 1.45 Sai số giữa tính toán theo mô hình và theo giải tích được đưa ra trong bảng 2.1 dưới đây Sai số

này khá lớn (10.84%) khi lưu lượng đầu vào nhỏ (Q= 2500m 3

/s)

Bảng 2.1: Bảng sai số tỷ lệ phân lưu giữa tính toán theo mô hình và theo giải tích (phụ

thuộc độ dốc) Lưu lượng vào

b Tỷ lệ phân lưu phụ thuộc độ dài

Trong trường hợp này các thông số của hệ thống sông được sử dụng trong mô hình như sau:

Nhánh 1 có các thông số không thay đổi:

- Độ dốc là 0.0001

- Chiều dài là 15000m

- Mực nước đầu cuối (cửa ra) 5m

Lưu lượng đầu vào thay đổi từ 2500m 3

/s đến 10500m 3 /s

Hình 2.9, hình 2.10, hình 2.11 thể hiện biến thiên độ sâu mực nước của ba nhánh

sông tương ứng với lưu lượng vào lần lượt là 2500m 3

/s, 8500m 3 /s, 10500m 3 /s

Hình 2.9: Độ sâu mực nước của ba nhánh sông ứng với lưu lượng vào là 2500m 3 /s

Hình 2.10: Độ sâu mực nước ba nhánh sông với lưu lượng vào là 10500m 3 /s

Hình 2.11: Độ sâu mực nước ba nhánh sông với lưu lượng vào là 10500m 3 /s

Tỷ lệ phân lưu phụ thuộc độ dài và lưu lượng vào

Hình 2.12: So sánh tỷ lệ phân lưu tính theo giải tích và mô hình

Hình 2.12 thể hiện so sánh tỷ lệ phân lưu tính theo mô hình HEC – RAS và theo nghiệm giải tích Sai số giữa tính toán theo mô hình và theo giải tích được đưa ra trong bảng 2.2 dưới đây

Sai số là khá lớn khi lưu lượng vào nhỏ hơn 6500m 3

/s: 2.90% ứng với Q= 2500m 3 /s, 2.02% ứng với Q= 6500m 3 /s và lớn nhất là 3.81% khi Q= 4500m 3 /s Ở mức

lưu lượng lớn sai số này nhỏ hơn nhiều

Bảng 2.2: Bảng sai số tỷ lệ phân lưu giữa tính toán theo mô hình và theo giải tích (phụ

thuộc độ dài) Lưu lượng vào

c Tỷ lệ phân lưu phụ thuộc hệ số nhám

Trong trường hợp này nhánh 1 có các thông số không thay đổi như sau:

- Độ dốc là 0.0001

- Chiều dài là 15000m

- Bề rộng nhánh sông là 500m

- Hệ số nhám: mô hình giải tích thiết lập hệ số nhám là n 1= 0.025, mô hình số

- Hệ số nhám: trong mô hình giải tích hệ số nhám của nhánh này là n 1= 0.0333,

trong mô hình HEC – RAS hệ số nhám của nhánh là n 2= 0.0321

- Mực nước đầu cuối (cửa ra) 5m

Lưu lượng đầu vào thay đổi từ 2500m 3

/s đến 10500m 3 /s

Kết quả tính toán trong HEC – RAS được thể hiện trong các hình dưới đây

Hình 2.13, hình 2.14 thể hiện biên thiên độ sâu mực nước dọc theo ba nhánh sông

tương ứng với lưu lượng vào lần lượt là 2500m 3

/s, 10500m 3 /s

Hình 2.13: Độ sâu mực nước hai nhánh sông hạ du ứng với lưu lượng vào 2500m 3 /s

Hình 2.14: Độ sâu mực nước hai nhánh sông hạ du ứng với lưu lượng vào 10500m 3 /s

Tỷ lệ phân lưu phụ thuộc hệ số nhám và lưu lượng vào

Hình 2.15: So sánh tỷ lệ phân lưu tính theo giải tích và mô hình

Sai số giữa tính toán theo mô hình và theo giải tích trong trường hợp tỷ lệ phân lưu phụ thuộc vào hệ số nhám và lưu lượng vào được đưa ra trong bảng 2.3 dưới đây