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

80 822 0
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

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN THỊ HƢƠNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THƠNG SỐ TRONG MƠ HÌNH THỦY LỰC MỘT CHIỀU ĐẾN TỶ LỆ PHÂN LƢU NHÁNH SÔNG – ÁP DỤNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH MẠNG SƠNG TRONG THỰC TẾ LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ HỌC KỸ THUẬT HÀ NỘI 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN THỊ HƢƠNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ TRONG MƠ HÌNH THỦY LỰC MỘT CHIỀU ĐẾN TỶ LỆ PHÂN LƢU NHÁNH SÔNG – ÁP DỤNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH MẠNG SƠNG TRONG THỰC TẾ Ngành: Cơ học kỹ thuật Chuyên ngành: Cơ học kỹ thuật Mã số: 60 52 02 LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ HỌC KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS HÀ NGỌC HIẾN HÀ NỘI 2012 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: LỜI GIẢI CỦA BÀI TOÁN PHÂN LƢU BẰNG PHƢƠNG PHÁP RUNGE – KUTTE 1.1 Bài toán phân lƣu giả thiết toán 1.1.1 Mơ tả tốn 1.1.2 Thuật toán giải toán phân lƣu Runge – Kutta 11 1.2 Kết toán 13 1.2.1 Số liệu áp dụng 13 1.2.2 Ảnh hƣởng thông số 14 1.3 Kết luận 21 CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ TRONG MƠ HÌNH HEC – RAS ĐẾN TỶ LỆ PHÂN LƢU 22 2.1 Mơ hình HEC – RAS 22 2.1.1 Giới thiệu mơ hình 22 2.1.2 Phƣơng trình 23 2.1.3 Điều kiện phân lƣu 25 2.2 So sánh lời giải tốn phân lƣu mơ hình HEC-RAS với nghiệm giải theo phƣơng pháp Runge-Kutta 26 2.2.1 Thiết lập mơ hình tính cho tốn phân lƣu 26 2.2.2 Kết tính toán so sánh 29 2.3 Kết luận 42 CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG LỰA CHỌN XỬ LÝ PHÂN LƢU CHO MẠNG SÔNG VU GIA – HÀN 43 3.1 Đặc điểm dòng chảy lũ hệ thống sông Vu Gia – Hàn 43 3.1.1 Lƣu vực sông Vu Gia – Hàn 43 3.1.2 Dòng chảy lũ 44 3.2 Xây dựng hệ thống sơng mơ hình HEC – RAS 46 3.2.1 Xây dựng mô hình số cho hệ thống sơng 46 3.2.2 Thiết lập điều kiện biên toán 50 3.3 Hiệu chỉnh, kiểm tra mơ hình dựa thông số phân lƣu 52 3.3.1 Hiệu chỉnh mơ hình 53 3.3.2 Kiểm tra mơ hình 64 KẾT LUẬN 69 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 PHỤ LỤC 73 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mặt cắt sơng hình chữ nhật Hình 1.2: Sơ đồ hình học nhánh sông phân lƣu Hình 1.3: Lƣu đồ thuật tốn giải tốn phân lƣu 13 Hình 1.4: Biến thiên tỷ lệ phân lƣu phụ thuộc vào độ dốc lƣu lƣợng vào 15 Hình 1.5: Mực nƣớc dọc theo hai nhánh hạ du ứng với lƣu lƣợng 2500m3/s 15 Hình 1.6: Mực nƣớc dọc theo hai nhánh hạ du ứng với lƣu lƣợng 8500m3/s 16 Hình 1.7: Biến thiên tỷ lệ phân lƣu phụ thuộc chiều dài lƣu lƣợng vào 17 Hình 1.8: Biến thiên tỷ lệ phân lƣu phụ thuộc hệ số nhám lƣu lƣợng vào 19 Hình 1.9: Biến thiên tỷ lệ phân lƣu phụ thuộc biên mực nƣớc lƣu lƣợng vào 20 Hình 2.1: Các chức giao diện HEC-RAS 22 Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống sông phân lƣu 27 Hình 2.3: Thiết lập liệu chỗ nối 28 Hình 2.4: Thiết lập điều kiện cho toán 29 Hình 2.5: Độ sâu mực nƣớc hai nhánh hạ du ứng với lƣu lƣợng vào 2500m3/s 31 Hình 2.6: Độ sâu mực nƣớc ba nhánh sông ứng với lƣu lƣợng vào 6500m3/s 32 Hình 2.7: Độ sâu mực nƣớc hai nhánh hạ du ứng với lƣu lƣợng vào 10500m3/s 32 Hình 2.8: So sánh tỷ lệ phân lƣu tính theo giải tích mơ hình 33 Hình 2.9: Độ sâu mực nƣớc ba nhánh sơng ứng với lƣu lƣợng vào 2500m3/s 34 Hình 2.10: Độ sâu mực nƣớc ba nhánh sông với lƣu lƣợng vào 10500m3/s 35 Hình 2.11: Độ sâu mực nƣớc ba nhánh sông với lƣu lƣợng vào 10500m3/s 35 Hình 2.12: So sánh tỷ lệ phân lƣu tính theo giải tích mơ hình 36 Hình 2.13: Độ sâu mực nƣớc hai nhánh sông hạ du ứng với lƣu lƣợng vào 2500m3/s 37 Hình 2.14:Độ sâu mực nƣớc hai nhánh sơng hạ du ứng với lƣu lƣợng vào 10500m3/s 38 Hình 2.15: So sánh tỷ lệ phân lƣu tính theo giải tích mơ hình 38 Hình 2.16: Độ sâu mực nƣớc hai nhánh sông hạ du ứng với lƣu lƣợng vào 2500m3/s 40 Hình 2.17: Độ sâu mực nƣớc hai nhánh sông hạ du ứng với lƣu lƣợng vào 6500m3/s 40 Hình 2.18:Độ sâu mực nƣớc hai nhánh sông hạ du ứng với lƣu lƣợng vào 10500m3/s 41 Hình 2.19: So sánh tỷ lệ phân lƣu tính theo mơ hình giải tích 41 Hình 3.1: Hệ thống sơng Vu Gia – Hàn 44 Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống sông Vu Gia – Hàn đƣợc mơ hình hóa 48 Hình 3.3: Ví dụ mặt cắt hệ thống sơng Vu Gia – Hàn HEC – RAS 48 Hình 3.4: Sơ đồ hệ thống sơng Vu Gia – Hàn có đủ mặt cắt 49 Hình 3.5: Hệ thống chứa mơ hình 50 Hình 3.6: Sơ đồ thủy lực vị trí biên mơ hình 52 Hình 3.7: Biên lƣu lƣợng trạm đo Thạnh Mỹ năm 2006 để hiệu chỉnh mơ hình 55 Hình 3.8: Biên lƣu lƣợng trạm đo Thạnh Mỹ năm 2007 để hiệu chỉnh mơ hình 56 Hình 3.9: Biên mực nƣớc cửa Hàn năm 2006 để hiệu chỉnh mơ hình 56 Hình 3.10: Biên mực nƣớc cửa Hàn năm 2007 để hiệu chỉnh mô hình 57 Hình 3.11: Mực nƣớc thực đo tính tốn trạm đo Thành Mỹ năm 2007 57 Hình 3.12: Mực nƣớc thực đo tính tốn trạm đo Hội Khách năm 2007 58 Hình 3.13: Mực nƣớc thực đo tính toán trạm đo Ái Nghĩa năm 2007 58 Hình 3.14: Mực nƣớc thực đo tính tốn trạm đo Cẩm Lệ năm 2007 59 Hình 3.15: Mực nƣớc thực đo tính tốn trạm đo Ái Nghĩa năm 2007 (sau đƣợc hiệu chỉnh) 60 Hình 3.16: Mực nƣớc thực đo tính tốn trạm đo Cẩm Lệ năm 2007(sau đƣợc hiệu chỉnh) 60 Hình 3.17: Mực nƣớc thực đo tính tốn trạm đo Thạnh Mỹ năm 2006 62 Hình 3.18: Mực nƣớc thực đo tính tốn trạm Hội Khách năm 2006 62 Hình 3.19: Mực nƣớc thực đo tính tốn trạm Ái Nghĩa năm 2006 63 Hình 3.20: Biên lƣu lƣợng Thạnh Mỹ 31/10 – 15/11/1999 để kiểm tra mơ hình 64 Hình 3.21: Biên lƣu lƣợng Thạnh Mỹ 01/09 – 31/12/2009 để kiểm tra mơ hình 65 Hình 3.22: Biên mực nƣớc Cửa Hàn năm 1999 để kiểm tra mơ hình 65 Hình 3.23: Biên mực nƣớc Cửa Hàn năm 2009 để kiểm tra mơ hình 66 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Bảng sai số tỷ lệ phân lƣu tính tốn theo mơ hình theo giải tích (phụ thuộc độ dốc) 33 Bảng 2.2: Bảng sai số tỷ lệ phân lƣu tính tốn theo mơ hình theo giải tích (phụ thuộc độ dài) 36 Bảng 2.3: Bảng sai số tỷ lệ phân lƣu tính tốn theo mơ hình theo giải tích (phụ thuộc hệ số nhám) 39 Bảng 2.4: Bảng sai số tỷ lệ phân lƣu tính tốn theo mơ hình theo giải tích (phụ thuộc biên độ sâu mực nƣớc) 42 Bảng 3.1: Đặc trƣng đỉnh lũ cao năm (1976-2001) 45 Bảng 3.2: Mức nƣớc báo động trạm hệ thống sông (m) 46 Bảng 3.3: Đặc trƣng địa hình lịng dẫn mạng tính tốn thủy lực 46 Bảng 3.4: Các trƣờng hợp hiệu chỉnh tỷ lệ phân lƣu 53 Bảng 3.5: Hệ số Nash ứng với lần đầu, cuối thay đổi thông số 61 Bảng 3.6: Kết mực nƣớc tính tốn thực đo lũ vụ số vị trí 63 Bảng 3.7: Hệ số Nash-Sutcliffe cho điểm quan trắc mực nƣớc giai đoạn hiệu chỉnh mơ hình 63 Bảng 3.8: Hệ số Nash-Sutcliffe cho điểm quan trắc giai đoạn kiểm tra mơ hình 68 MỞ ĐẦU Những thảm họa lũ lụt gây nhiều thiệt hại to lớn Ngoài việc làm thiệt hại đến sinh mạng ngƣời, lũ lụt tàn phá thành kinh tế - xã hội nhƣ mùa màng, nhà cửa, đƣờng xá, bến cảng, trƣờng học, bệnh viện, hồ chứa nƣớc, đê, đập , phá hoại môi trƣờng sinh thái Việc giảm thiểu thiệt hại lũ lụt gây liên quan chặt chẽ đến khả dự báo phòng chống lũ lụt Để làm đƣợc điều ngồi việc xây dựng cơng trình phịng lũ, chống lũ vấn đề đáng đƣợc nói tới việc nghiên cứu áp dụng phƣơng pháp dự báo lũ cách kịp thời, hiệu Trong đó, dự báo lũ lụt mơ hình số đƣợc sử dụng rộng rãi Ngày nay, phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật mà mơ hình số đa dạng Có nhiều loại mơ hình số khác nhƣng khái qt lại thành hai dạng mơ hình chiều mơ hình nhiều chiều Mơ hình nhiều chiều có nhiều ƣu điểm so với mơ hình chiều Đáng kể ƣu điểm mô gần sát với thực tế Trong q trình mơ phỏng, việc cần làm mơ hình học Đây phần việc khó khăn q trình Hình dáng sơng, bãi bồi, lở,… đặc biệt hình dáng vị trí bãi cát hai nhánh sơng hay cịn gọi roi cát, vị trí bị thu hẹp (các nút thắt) phần mở rộng lịng sơng đột ngột… Mơ hình nhiều chiều mơ xác hình dáng hình học chúng mơ hình chiều khó để thể điều kể Tuy nhiên, để đạt đƣợc ƣu điểm mơ hình nhiều chiều đáp ứng mặt số liệu địi hỏi cao: chi tiết số liệu hình học phải nhiều, số liệu khí tƣợng, số liệu thủy văn… Mặt khác thời gian tính tốn để đạt đƣợc kết mong muốn lâu Mơ hình chiều đơn giản hóa thực tế so với mơ hình nhiều chiều khơng mơ thực tế đƣợc nhƣ mơ hình nhiều chiều nhƣng lại có ƣu điểm thời gian tính tốn nhanh, kết tính tốn xác Kết đƣợc áp dụng để dự báo cách kịp thời, nhanh chóng có hiệu Vì lẽ dùng mơ hình chiều tính tốn lũ lụt có xu hƣớng đƣợc sử dụng rộng rãi Các mơ hình chiều, ngồi việc phải mơ cách tƣơng đối cấu trúc hình học: hình dáng sơng, lịng sơng, bãi sơng, chứa… đƣa xác số liệu cần thiết có nhiều vấn đề khác phải quan tâm nhƣ: nút thắt dòng sơng, bãi cát sơng, dịng chảy hợp lƣu, dịng chảy phân lƣu… Trong số phân lƣu dịng chảy hay xác tỷ lệ phân lƣu dịng chảy vấn đề đáng đƣợc xét tới Phân lƣu dịng chảy có sát với thực tế mơ dòng chảy phản ánh đƣợc chế độ nƣớc dịng sơng Khi kết tính tốn đƣợc chấp nhận đƣợc áp dụng việc quản lý kiểm soát lũ Trong thực tế, phân lƣu dòng chảy phụ thuộc nhiều yếu tố nhƣ: yếu tố hình học, độ dốc, độ cong, độ nhám … nhánh sông trƣớc sau phân lƣu Tỷ lệ cịn phụ thuộc vào dạng dịng chảy, q trình dịng chảy, cƣờng độ dịng chảy… Khi mơ mơ hình số, đặc biệt mơ hình chiều yếu tố đƣợc đơn giản nhiều: mặt hình học chƣa đáp ứng thực tế, độ cong bị đơn giản hơn… Do để việc đảm bảo mô đúng, thông số tính tốn mơ hình chiều cần đƣợc lựa chọn cho tỷ lệ phân lƣu nhánh sông đƣợc đảm bảo Với mong muốn vận dụng kiến thức học học chất lỏng, em chọn đề tài có tên: “Nghiên cứu ảnh hưởng thơng số mơ hình thủy lực chiều đến tỷ lệ phân lưu nhánh sông – Áp dụng để xây dựng mơ hình mạng sơng thực tế” để làm luận văn Nội dung chủ yếu luận văn nghiên cứu lời giải toán phân lƣu phƣơng pháp Runge – Kutta để tìm mức độ ảnh hƣởng thơng số mơ hình thủy lực chiều đến tỷ lệ phân lƣu Trên sở đó, mơ hình HEC – RAS đƣợc sử dụng để kiểm định toán phân lƣu áp dụng cho hệ thống sông Vu Gia – Hàn với nhánh phân lƣu từ sông Vu Gia sang sông Lạc Thành sông Yên Luận văn đƣợc xếp bao gồm phần mở đầu, chƣơng phần kết luận Nội dung phần nhƣ sau: Chƣơng 1: Nghiên cứu lời giải toán phân lƣu phƣơng pháp Runge – Kutta Chƣơng 2: Nghiên cứu ảnh hƣởng thông số mơ hình HEC – RAS đến tỷ lệ phân lƣu Chƣơng 3: Ứng dụng lựa chọn xử lý phân lƣu cho mạng sơng Vu Gia – Hàn Để hồn thành luận văn, em vơ cảm ơn bảo tận tình thầy hƣớng dẫn PGS.TS Hà Ngọc Hiến Cùng với trợ giúp, truyền đạt kinh nghiệm quý báu thầy, mơn q trình đào tạo Qua trình độ đƣợc nâng cao hơn, tầm hiểu biết đƣợc mở rộng tiếp cận đến thực tế Cuối cùng, xin đƣợc cảm ơn Phịng Quy hoạch Mơi trƣờng – Viện Công nghệ môi trƣờng tạo điều kiện thuận lợi để luận văn đƣợc hoàn thành Trong q trình thực hiện, luận văn chắn khơng tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, mong nhận đƣợc góp ý thầy cơ, bạn đồng nghiệp để luận văn hồn thiện CHƯƠNG 1: LỜI GIẢI BÀI TOÁN PHÂN LƯU BẰNG PHƯƠNG PHÁP RUNGE – KUTTE Phần luận văn tập trung chủ yếu vào việc đƣa toán phân lƣu giải toán phƣơng pháp Runge – Kutta Kết toán cho biết cụ thể ảnh hƣởng yếu tố nhƣ: độ dốc, độ dài, hệ số nhám, biên mực nƣớc cửa ra… đến tỷ lệ phân lƣu dòng chảy Từ góp phần đáng kể hiệu chỉnh thơng số mơ hình số 1.1 Bài tốn phân lưu giả thiết tốn 1.1.1 Mơ tả toán Bài toán phân lƣu đƣợc áp dụng với hệ thống sơng có nhánh sơng phân lƣu sang hai nhánh sơng khác Trong tốn xem xét đây, hệ thống sông thực tế đƣợc đơn giản hóa nhiều Mơ tả tốn nhƣ sau: a Về hình học: Hình 1.1 hình 1.2 dƣới thể sơ đồ hình học nhánh sơng tốn Ở thƣợng du có nhánh sơng hình chữ nhật có chiều dài L, chiều rộng B, độ dốc đáy sông I Phía hạ du có hai nhánh sơng với chiều dài lần lƣợt L1 L2, hai nhánh sông phân lƣu dòng chảy từ kênh thƣợng du, bề rộng hai nhánh sông thay đổi tƣơng ứng B1 B2 Ở hai nhánh sông độ dốc sông lần lƣợt I1, I2 b Về điều kiện biên: Tại thƣợng du cho lƣu lƣợng vào Q Hạ du cho mực nƣớc hai cuối phân lƣu Hb1, Hb2 B H Hình 1.1: Mặt cắt sơng hình chữ nhật Hình 1.2: Sơ đồ hình học nhánh sông phân lưu Với giả thiết đơn giản cho trên, tốn đặt tìm tỷ lệ phân chia lƣu lƣợng (Q2/Q1) từ nhánh sông thƣợng du sang hai nhánh sơng phân lƣu phía dƣới hạ du Trên sở tìm ảnh hƣởng thơng số đến tỷ lệ phân chia lƣu lƣợng Để giải tốn ta xét phƣơng trình Saint – Venant dạng chiều nhƣ sau [7]: Q   Q   Z    Sf   gA  t x  A   x  0  (1.1) Trong đó: Q= Q(x,t) – lƣu lƣợng dịng chảy đoạn sơng Z= Z(x,t) – độ cao mực nƣớc đoạn sông x: khoảng cách dọc theo kênh sơng t: thời gian A: diện tích mặt cắt ngang g: gia tốc trọng trƣờng β: hệ số động lƣợng Sf: độ dốc ma sát: S f  n 2Q Q A2 R 4/3 R: bán kính thủy lực n: hệ số nhám Manning Giả thiết dòng chảy kênh dòng chảy dừng, kênh có mặt cắt hình chữ nhật, độ rộng B, độ sâu cột nƣớc H ... CÔNG NGHỆ TRẦN THỊ HƢƠNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THƠNG SỐ TRONG MƠ HÌNH THỦY LỰC MỘT CHIỀU ĐẾN TỶ LỆ PHÂN LƢU NHÁNH SÔNG – ÁP DỤNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH MẠNG SƠNG TRONG THỰC TẾ Ngành: Cơ học kỹ thuật... cho tỷ lệ phân lƣu nhánh sông đƣợc đảm bảo Với mong muốn vận dụng kiến thức học học chất lỏng, em chọn đề tài có tên: ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng thơng số mơ hình thủy lực chiều đến tỷ lệ phân lưu nhánh. .. 1.2.1 Số liệu áp dụng 13 1.2.2 Ảnh hƣởng thông số 14 1.3 Kết luận 21 CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ TRONG MƠ HÌNH HEC – RAS ĐẾN TỶ LỆ PHÂN LƢU

Ngày đăng: 25/03/2015, 10:46

Từ khóa liên quan

Mục lục

  • MỤC LỤC

  • DANH MỤC HÌNH VẼ

  • DANH MỤC BẢNG

  • MỞ ĐẦU

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

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

  • 1.1.1. Mô tả bài toán

  • 1.2. Kết quả của bài toán

  • 1.2.1. Số liệu áp dụng

  • 1.2.2. Ảnh hưởng của các thông số

  • 1.3. Kết luận

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

  • 2.1. Mô hình HEC – RAS

  • 2.1.1. Giới thiệu mô hình

  • 2.1.2. Phương trình cơ bản

  • 2.1.3. Điều kiện tại phân lưu

  • 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

  • 2.3. Kết luận

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

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

  • 3.1.1. Lưu vực sông Vu Gia – Hàn

  • 3.1.2. Dòng chảy lũ

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

  • 3.2.1. Xây dựng mô hình số cho hệ thống sông

  • 3.2.2. Thiết lập điều kiện biên của bài toán

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

  • 3.3.1. Hiệu chỉnh mô hình

  • 3.3.2. Kiểm tra mô hình

  • KẾT LUẬN

  • DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ

  • TÀI LIỆU THAM KHẢO

  • PHỤ LỤC

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan