Xây dựng mô hình thích hợp cho tính toán hệ thống công trình tổng hợp tiêu thoát nước đô thị vùng ảnh hưởng triều

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO - BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI MIỀN NAM ĐẶNG THANH LÂM XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍCH HỢP CHO TÍNH TOÁN HỆ THỐNG CÔNG TRÌNH TỔNG HỢP TIÊU THOÁT NƢỚC ĐÔ THỊ VÙNG ẢNH HƢỞNG TRIỀU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP Hồ Chí Minh, 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO - BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI MIỀN NAM ĐẶNG THANH LÂM XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍCH HỢP CHO TÍNH TOÁN HỆ THỐNG CÔNG TRÌNH TỔNG HỢP TIÊU THOÁT NƢỚC ĐÔ THỊ VÙNG ẢNH HƢỞNG TRIỀU Chuyên ngành: Kỹ thuật Tài nguyên nƣớc Mã ngành: 62 58 02 12 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Cán bộ hƣớng dẫn: GS.TS Nguyễn Tất Đắc TP Hồ Chí Minh, 2015 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan tất cả các nội dung của Luận án này hoàn toàn đƣợc hình thành và phát triển từ những quan điểm của chính cá nhân tôi, dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của Gs.Ts Nguyễn Tất Đắc. Các số liệu và kết quả có đƣợc trong Luận án là hoàn toàn trung thực. Tác giả luận án ĐẶNG THANH LÂM ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................... i MỤC LỤC ............................................................................................................................. ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT ..................................................................... v DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................... vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .............................................................................. vii MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN NGẬP ÖNG ĐÔ THỊ, GIẢI PHÁP KỸ THUẬT CHỐNG NGẬP VÀ MÔ HÌNH TÍNH TIÊU THOÁT NƢỚC .... 5 1.1 NGẬP LỤT VÀ CÁC GIẢI PHÁP CHỐNG NGẬP CHO MỘT SỐ THÀNH PHỐ . 5 1.1.1 Lịch sử phát triển kỹ thuật và quản lý tiêu thoát nƣớc đô thị trên thế giới ......... 5 1.1.2 Vài nét về tình hình ngập lụt trong và ngoài nƣớc.............................................. 5 1.1.3 Nguyên nhân ngập úng các thành phố ................................................................ 7 1.1.4 Giải pháp tổng hợp chống ngập đô thị ................................................................ 8 1.2 CÁC MÔ HÌNH TOÁN TÍNH TIÊU THOÁT NƢỚC ĐÔ THỊ ............................... 11 1.2.1 Một số khái niệm .............................................................................................. 11 1.2.2 Một số mô hình thủy văn đô thị ........................................................................ 15 1.2.3 Một số mô hình thủy lực đô thị ......................................................................... 19 1.3 NHẬN XÉT CHUNG VỀ TÍNH NĂNG CÁC MÔ HÌNH THỦY VĂN, THỦY LỰC ĐÔ THỊ....................................................................................................................... 27 1.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG .............................................................................................. 29 CHƢƠNG 2: MÔ HÌNH DELTA-P NỐI GHÉP THỦY LỰC ĐƢỜNG ỐNG VỚI THỦY LỰC SÔNG KÊNH .................................................... 30 2.1 MÔĐUN THỦY LỰC DÒNG CHẢY TRONG SÔNG KÊNH DELTA .................. 30 2.1.1 Hệ phƣơng trình cơ bản cho dòng chảy ............................................................ 30 2.1.2 Điều kiện biên, điều kiện đầu, điều kiện tại các hợp lƣu .................................. 31 2.1.3 Thuật toán giải số hệ phƣơng trình Saint-Venant ............................................. 32 iii 2.1.4 Cách sơ đồ hóa hệ thống sông trong tính toán .................................................. 43 2.1.5 Công thức truy đuổi để tính mực nƣớc và lƣu lƣợng trong từng nhánh sông trong trƣờng hợp tính toán hệ thống sông ......................................................... 45 2.1.6 Xây dựng hệ phƣơng trình có ẩn là mực nƣớc tại các nút hợp lƣu ................... 46 2.1.7 Vấn đề thực hành khi thiết lập các hệ số của phƣơng trình nút (2-36) và phƣơng pháp giải............................................................................................... 51 2.1.8 Thuật toán cho dòng chảy qua công trình ......................................................... 54 2.1.9 Thuật toán cho dòng chảy trên những ô đồng ................................................... 62 2.1.10 Tính lƣợng mƣa trên ô ruộng ............................................................................ 70 2.2 MÔĐUN THỦY LỰC DÒNG CHẢY TRONG ĐƢỜNG ỐNG P ........................... 73 2.2.1 Phân tích quy luật dòng chảy trong cống ngầm ................................................ 75 2.2.2 Nối mạng ống với nhau hoặc mạng ống với kênh ............................................ 79 2.2.3 Cách giải số đối với bài toán đƣờng ống .......................................................... 80 2.2.4 Tính toán mƣa trong môđun P .......................................................................... 83 2.3 TÍCH HỢP CSDL VÀ GIS CỦA PHẦN MỀM DELTA-P ....................................... 84 2.3.1 Chức năng hệ thống .......................................................................................... 84 2.3.2 Tổng quan về cơ sở dữ liệu ............................................................................... 84 2.3.3 Thiết kế giao diện màn hình sử dụng ................................................................ 85 2.3.4 Tổ chức mạng lƣới sông kênh. .......................................................................... 87 2.3.5 Nhận xét: ........................................................................................................... 87 2.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG .............................................................................................. 88 CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG DELTA-P MÔ PHỎNG SÔNG KÊNH TP HỒ CHÍ MINH VÀ CỐNG LƢU VỰC TÂN HÓA – LÕ GỐM ............... 89 3.1 ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN KHU VỰC TP HỒ CHÍ MINH ......................................... 90 3.1.1 Vị trí địa lý ........................................................................................................ 90 3.1.2 Đặc điểm địa hình ............................................................................................. 90 3.1.3 Đặc điểm khí hậu .............................................................................................. 90 3.1.4 Hệ thống sông kênh .......................................................................................... 91 3.1.5 Hệ thống cống thoát nƣớc ................................................................................. 93 iv 3.2 NGẬP ÚNG ĐÔ THỊ Ở TP HỒ CHÍ MINH ............................................................. 94 3.2.1 Thực trạng và nguyên nhân ngập úng khu vực nội thành ................................. 94 3.2.2 Giải pháp chống úng ngập và ứng dụng mô hình toán ..................................... 98 3.2.3 Nhận xét về ứng dụng các mô hình toán trong các dự án chống ngập ........... 103 3.3 MÔ HÌNH THUỶ LỰC SÔNG KÊNH DELTA-P KHU VỰC TPHCM ............... 105 3.3.1 Hệ thống tài liệu cho xây dựng mô hình ......................................................... 105 3.3.2 Xây dựng sơ đồ và hiệu chỉnh mô hình .......................................................... 105 3.3.3 Kết quả mô phỏng thủy lực sông kênh hạ lƣu ĐNSG .................................... 106 3.3.4 Nhận xét kết quả tính toán bằng mô hình DELTA-P...................................... 111 3.4 MÔ HÌNH THUỶ LỰC ĐƢỜNG ỐNG DELTA-P KHU VỰC KÊNH TÂN HOÁLÒ GỐM .................................................................................................................. 111 3.4.1 Phạm vi vùng nghiên cứu................................................................................ 111 3.4.2 Hệ thống kênh rạch, cống tiêu và công trình trên kênh .................................. 114 3.4.3 Tình hình ngập úng lƣu vực Tân Hoá-Lò Gốm .............................................. 116 3.4.4 Nguyên nhân, tồn tại và những giải pháp chống ngập úng lƣu vực THLG .... 117 3.4.5 Tài liệu địa hình .............................................................................................. 118 3.4.6 Tài liệu mƣa và thuỷ văn................................................................................. 119 3.4.7 Mô hình mạng đƣờng ống ............................................................................... 120 3.4.8 Điều kiện mƣa và dòng chảy do mƣa ............................................................. 120 3.4.9 Mô phỏng hiện trạng úng ngập tháng 10/2005 ............................................... 121 3.4.10 Mô phỏng phƣơng án mở rộng, nạo vét kênh THLG (PA1) .......................... 125 3.4.11 Mô phỏng phƣơng án mở kênh và nâng cấp đƣờng ống tiêu nƣớc (PA2) ...... 126 3.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG ............................................................................................ 127 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 129 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ .................................................................. 133 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 135 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT 1D và 2D Một và hai chiều (1, 2 Dimension) trong mô hình toán Bộ NN&PTNT Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn CIWEM Cơ quan chuyên trách quản lý nƣớc và môi trƣờng (Anh) CSDL Cơ sở dữ liệu ĐBSCL Đồng bằng sông Cửu Long ĐN-SG Đồng Nai-Sài Gòn DHI Viện Thuỷ lực Đan Mạch (Danish Hydraulic Institute) EPA (US) Cơ quan bảo vệ môi trƣờng (Mỹ) (Environmental Protection Agency) GIS Hệ thống thông tin địa lý (Georaphical Information System) HD Thuỷ động lực học (Hydro-Dynamic) JICA Cơ quan hợp tác quốc tế Nhật bản (Japan International Cooperation Agency) NCS Nghiên cứu sinh PCI Công ty tƣ vấn Thái Bình Dƣơng (Pacific International Consultant) SWMM Mô hình quản lý nƣớc mƣa (Storm Water Management Model) THLG Tân Hóa - Lò Gốm TP HCM Thành phố Hồ Chí Minh ĐHCTCN Điều hành Chƣơng trình chống ngập (Trung tâm thuộc UBND TP HCM) UBND Ủy ban nhân dân UDFCD Cơ quan phòng chống lũ và tiêu nƣớc đô thị thuộc bang Colorado Mỹ (Urban Drainage and Flood Control District) Viện KHTLMN Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam Viện QHTLMN Viện Quy hoạch Thủy lợi miền Nam WASSP Bộ mô hình cống tiêu nƣớc mƣa của Đại học Wallingford (Wallingford Storm Sewer Package) vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3-1: Diễn biến các điểm ngập do mƣa vùng trung tâm thành phố ............................. 95 Bảng 3-2: Diễn biến các điểm ngập do triều ....................................................................... 95 Bảng 3-3: Tổng hợp các thông số chính hệ thống kênh thuộc khu vực THLG ................. 114 Bảng 3-4: Thống kê khu ngập lƣu vực THLG ................................................................... 117 vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1-1: Hình ảnh ngập úng do mƣa (trái) và do triều cƣờng (phải) ở TPHCM ................ 6 Hình 1-2: Những nguyên nhân tự nhiên gây ngập úng TP Hồ Chí Minh ............................. 7 Hình 1-3: Sơ đồ các thành phần trong hệ thống thoát nƣớc đô thị và các mô hình áp dụng10 Hình 1-4: Sơ đồ chu trình thuỷ văn lƣu vực chƣa đô thị hoá ............................................. 11 Hình 1-5: Sơ đồ chu trình thuỷ văn lƣu vực đô thị .............................................................. 12 Hình 1-6: Các đặc trƣng thủy văn của lƣu vực đô thị .......................................................... 13 Hình 1-7: Diễn biễn dòng chảy mƣa lũ trên đô thị .............................................................. 14 Hình 1-8: Giao diện nhập thông số lƣu vực mô hình Urban-A ........................................... 17 Hình 1-9: Giao diện nhập thông số lƣu vực mô hình Urban-B ........................................... 17 Hình 1-10: Sơ đồ biểu diễn ngập úng bề mặt đƣờng (hai chấm đỏ tròn) có cống ngầm ..... 21 Hình 1-11: Kết quả kiểm định mô hình NAM và MIKE FLOOD sông Đáy-Nhuệ ............ 23 Hình 1-12: Bản đồ ngập lụt tính toán bằng MIKE FLOOD cho lƣu vực sông Nhuệ - Đáy trên địa bàn TP Hà Nội. ....................................................................................................... 24 Hình 1-13: Sơ đồ hệ thống tiêu nƣớc lƣu vực Segunbagicha năm 1996 ............................. 25 Hình 2-1: Mặt cắt ngang sông.............................................................................................. 31 Hình 2-2: Hợp lƣu của ba nhánh sông ................................................................................. 32 Hình 2-3: Vị trí tám mặt cắt trên một nhánh sông ............................................................... 33 Hình 2-4: Sơ đồ sai phân bốn điểm Preissmann .................................................................. 33 Hình 2-5: Sơ đồ rời rạc hóa một nhánh sông trong tính toán .............................................. 38 Hình 2-6: Sơ đồ hóa nhánh sông thứ j ................................................................................. 40 Hình 2-7: Các nhánh sông (có thể có) tại nút hợp lƣu, trƣờng hợp tính thủy lực kênh sông46 Hình 2-8: Nhánh trong nối 2 hợp lƣu JV và I, các mặt cắt đánh số từ k1 tới kN ............... 46 Hình 2-9: Nhánh trong nối hai hợp lƣu I và JR , các mặt cắt đánh số từ i1 tới iN (nhánh chảy ra từ nút I) .................................................................................................................... 47 Hình 2-10: Sơ đồ nhánh biên thứ m nối hợp lƣu I với biên J (cho lƣu lƣợng Qb) .............. 47 Hình 2-11: Sơ đồ nhánh biên thứ m nối hợp lƣu I với biên J (cho mực nƣớc Hb) .............. 48 viii Hình 2-12: Tính toán lƣu lƣợng dòng chảy qua công trình ................................................. 55 Hình 2-13: Sơ đồ hóa luật chảy qua công trình/cống .......................................................... 58 Hình 2-14: Cống có cửa kéo lên xuống (trái) và cống cánh cửa xoay ngang (phải) ........... 58 Hình 2-15: Cách ghép công trình trong sơ đồ tính toán ...................................................... 59 Hình 2-16: Sơ đồ công trình ................................................................................................ 60 Hình 2-17: Khu/ô ruộng trữ nƣớc trong tự nhiên ................................................................ 62 Hình 2-18: Sơ đồ chảy giữa sông và các ô ruộng ................................................................ 62 Hình 2-19: Một cách sơ đồ hoá dạng đƣờng tràn ................................................................ 63 Hình 2-20: Sơ đồ điểm nối sông-ô ruộng (hay ô ruộng-ô ruộng) ........................................ 64 Hình 2-21: Hai ô ruộng thực tế I và II (trái) với 4 điểm tiếp xúc (3 điểm tiếp xúc ruộng với sông và 1 điểm ruộng với ruộng) và cách lập kênh giả nối tâm ô ruộng với các điểm tiếp xúc trong mô hình (trái) ....................................................................................................... 68 Hình 2-22: Sơ đồ tính toán ô ruộng ..................................................................................... 68 Hình 2-23: Sơ đồ các nhánh sông vị trí mặt cắt và công trình trong mô phỏng .................. 69 Hình 2-24: Sơ đồ tính lƣợng mƣa ........................................................................................ 71 Hình 2-25: Sơ đồ tổ chức của DELTA (có ghép môđun P)................................................. 72 Hình 2-26: Sơ đồ khối các trƣờng hợp tính ứng với các điều kiện dòng chảy trong ống .... 74 Hình 2-27: Hình minh hoạ các trƣờng hợp dòng chảy trong cống ...................................... 74 Hình 2-28: Sơ đồ mạng đƣờng ống-kênh ............................................................................ 80 Hình 2-29: Các nhánh sông và đƣờng cống ngầm (có thể có) tại nút hợp lƣu sông I ......... 82 Hình 2-30: Sơ đồ chức năng hệ thống trong mô hình DELTA-P ........................................ 85 Hình 2-31: Giao diện tạo nhánh sông mới ........................................................................... 86 Hình 2-32: Giao diện SectionFrom ...................................................................................... 86 Hình 2-33: Giao diện TreeNetForm..................................................................................... 87 Hình 3-1: Bản đồ mạng lƣới sông, kênh, rạch TP Hồ Chí Minh ......................................... 92 Hình 3-2: Bản đồ hiện trạng úng ngập TP HCM ................................................................. 96 Hình 3-3: Bản đồ 6 lƣu vực thoát nƣớc mƣa ....................................................................... 99 Hình 3-4: Sơ đồ thủy lực mô hình DELTA-P vùng hạ lƣu ĐN-SG ................................. 106 ix Hình 3-5: Diễn biến mực nƣớc tháng 2-2005 tại trạm Biên Hòa. ..................................... 107 Hình 3-6: Diễn biến mực nƣớc tháng 3-2005 tại trạm Biên Hòa. ..................................... 108 Hình 3-7: Diễn biến mực nƣớc tháng 4-2005 tại trạm Biên Hòa. ..................................... 108 Hình 3-8: Diễn biến mực nƣớc tháng 2-2005 tại trạm Nhà Bè.......................................... 108 Hình 3-9: Diễn biến mực nƣớc tháng 3-2005 tại trạm Nhà Bè.......................................... 109 Hình 3-10: Diễn biến mực nƣớc tháng 4-2005 tại trạm Nhà Bè........................................ 109 Hình 3-11: Mực nƣớc thực đo và mô phỏng tại Biên Hoà tháng 10-2005 ........................ 110 Hình 3-12: Mực nƣớc thực đo và mô phỏng tại Nhà Bè tháng 10-2005 ........................... 110 Hình 3-13: Mực nƣớc thực đo và mô phỏng tại Phú An tháng 10-2005 ........................... 110 Hình 3-14: Mực nƣớc mô phỏng tại Phú An, Bến Lức và cửa Lò Gốm tháng 10-2005 ... 111 Hình 3-15: Bản đồ vị trí lƣu vực Tân Hoá-Lò Gốm trong vùng nội thành TP HCM ........ 112 Hình 3-16: Bản đồ các đơn vị hành chính trong lƣu vực THLG ....................................... 113 Hình 3-17: Hệ thống cống lƣu vực THLG......................................................................... 115 Hình 3-18: Bản đồ vị trí các khu ngập lƣu vực THLG theo điều tra ................................. 116 Hình 3-19: Bản đồ cao độ số vùng THLG ......................................................................... 119 Hình 3-20: Sơ đồ mô hình hệ thống đƣờng ống tiêu thoát nƣớc lƣu vực THLG .............. 121 Hình 3-21: Biểu đồ diễn biến độ ngập trên đƣờng phố ngày 01-09/10/2005 .................... 123 Hình 3-22: Biểu đồ diễn biến mực nƣớc triều trên kênh ngày 01-09/10/2005 .................. 123 Hình 3-23: Mực nƣớc tính toán hiện trạng năm 2005 tại một số nút cống lƣu vực THLG và một nút kênh ...................................................................................................................... 124 Hình 3-24: Bản đồ ngập hiện trạng trận mƣa tháng 10-2005 ............................................ 124 Hình 3-25: Bản đồ phân bố ngập lƣu vực THLG phƣơng án mở kênh ............................. 125 Hình 3-26: Bản đồ phân bố ngập lƣu vực THLG phƣơng án mở kênh và nâng cấp cống 126 1 MỞ ĐẦU Ngày nay chúng ta đều nhận thấy tầm quan trọng của việc quản lý nƣớc đặc biệt là ở các đô thị ở vùng châu thổ sông, nằm sát biển, nơi tập trung dân số cao, tốc độ đô thị hoá mạnh và chịu ảnh hƣởng của các yếu tố tự nhiên nhƣ mƣa cƣờng độ lớn, lũ lớn từ thƣợng lƣu và thuỷ triều, chẳng hạn nhƣ TP Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Cần Thơ, Vĩnh Long, Cà Mau ở Việt Nam cũng nhƣ nhiều thành phố trên thế giới nhƣ Băng Cốc (Thái Lan), hạ lƣu sông Thames (Anh quốc). Việc giải quyết vấn đề tiêu thoát nƣớc chống ngập úng hiệu quả phụ thuộc nhiều yếu tố, trong đó mô hình thuỷ văn thuỷ lực đô thị là công cụ quan trọng và không thể thiếu trong công tác quy hoạch, thiết kế mạng lƣới tiêu thoát nƣớc. Cho đến nay, ở trong nƣớc cũng nhƣ nƣớc ngoài việc dùng mô hình toán để tính toán dòng chảy và lan truyền chất trên mạng kênh sông đã trở nên phổ biến và các mô hình toán trong lĩnh vực này cũng khá hoàn thiện. Kỹ thuật tính toán tiêu thoát nƣớc mƣa cho thành phố qua mạng đƣờng ống/cống ngầm cũng đã đƣợc biên soạn thành giáo trình hay sổ tay (Trong luận án này mạng đường ống hay mạng cống ngầm được hiểu là mạng đường ống có chiều dài không nhỏ hơn 5m được đặt ngầm dưới đất nhằm tiêu thoát nước mưa (hay nước thải, nước tràn) từ đường phố ra sông kênh hay các khu trữ) . Tuy nhiên, việc tính tiêu thoát nƣớc mƣa khi đổ vào kênh rạch có chịu ảnh hƣởng triều và ngay việc tính thủy lực mạng kênh có nối với đƣờng ống/cống ngầm vẫn chƣa đƣợc đề cập tới nhiều. Các mô hình của nƣớc ngoài nhƣ SWMM5 hay Mike-Urban cũng đã đƣợc thử nghiệm nhƣng còn nhiều hạn chế nhất là khi mô phỏng ảnh hƣởng triều đến dòng chảy trong ống gây ngập lụt nhƣ với điều kiện TP Hồ Chí Minh. Một hiện tƣợng đƣợc biết rất rõ là khi mƣa to lại gặp triều cƣờng trên mạng kênh rạch thì nƣớc mƣa khó tiêu thoát sinh ra ngập úng nhiều vùng; trƣờng hợp này thƣờng xuyên xảy ra với một số khu vực thuộc TP Hồ Chí Minh trong mùa mƣa. Với một số vùng và đƣờng phố của TP Hồ Chí Minh khi không có mƣa cũng bị ngập do triều cƣờng, hoặc bị ngập sau mƣa do nƣớc mƣa từ nơi khác chuyển tới. Đã 2 có tác giả thử xây dựng mô hình tính toán nhƣng chỉ xét đƣợc trƣờng hợp chảy ngập trong hệ cống ngầm và toàn bộ lƣợng mƣa đƣợc xem nhƣ tập trung vào các miệng thu nƣớc làm cho cột áp tại các miệng thu rất cao dẫn tới lƣu lƣợng tiêu thoát rất lớn làm tăng đáng kể thời gian ngập lụt và độ ngập lụt. Mặt khác với cách tính toán này không tính đƣợc sự ngập triều trong tính toán dòng chảy trong mạng ống/cống ngầm nối với mạng kênh rạch khi có mƣa và không mƣa trong vùng chịu ảnh hƣởng của thủy triều. Lƣợng mƣa qua một số yếu tố điều tiết nhƣ mái nhà, cây cối,… sẽ tập trung trên lƣu vực (chẳng hạn đƣờng phố) rồi mới chảy dần vào các miệng thu cho nên trong trƣờng hợp không mƣa vẫn có một lớp nƣớc trong đƣờng cống và khi ngập triều thì có dòng chảy. Những tính toán mới đây cho dự án ngập úng TP Hồ Chí Minh,[4] mặc dù có tính mƣa bằng Mike-Urban nhƣng vẫn phải giả định mƣa bao nhiêu tiêu hết ra kênh bấy nhiêu mà bỏ qua dòng chảy và vai trò trữ của hệ thống cống ngầm. Những đặc điểm nêu trên sẽ đƣợc tính tới trong việc xây dựng một phƣơng pháp tính và bộ chƣơng trình máy tính tƣơng ứng nhằm tính toán đƣợc sự tƣơng tác giữa mạng kênh sông và mạng cống ngầm trong hệ thống tiêu chịu ảnh hƣởng của cả mƣa và ngập triều. Bộ chƣơng trình này đƣợc đặt tên là DELTA-P, là sự kết hợp hai mô hình thuỷ lực sông kênh DELTA (tiền thân là mô hình SAL của GS Nguyễn Tất Đắc) và mô đun dòng chảy trong cống ngầm (Pipe flow-P). Mô hình DELTA-P đã đƣợc thử áp dụng cho mạng cống ngầm vùng Tân Hóa–Lò Gốm của TP Hồ Chí Minh với toàn mạng kênh sông chi tiết của hệ thống sông Đồng Nai-Sài Gòn trong điều kiện thủy văn của tháng 10/2005. Kết quả tính toán cho thấy tính hợp lý mong muốn của hiện tƣợng đƣợc mô phỏng, chẳng hạn ngập chỉ do triều cƣờng hoặc khi không có mƣa hoặc ngập khi đã hết mƣa. Mục tiêu nghiên cứu: Tận dụng khả năng của mô hình thuỷ lực sông kênh để nối ghép tính toán đồng thời với môđun cống ngầm nhằm áp dụng sát thực và chính xác hơn với điều kiện một số thành phố chịu ảnh hƣởng đồng thời mƣa lớn và triều cƣờng ở nƣớc ta. 3 Đồng thời, giải đáp một trong những tồn tại về giải pháp tiêu thoát nƣớc đô thị có xét đến yếu tố tác động của triều cƣờng và mƣa cục bộ trong điều kiện đô thị hoá. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu: Đối tƣợng nghiên cứu là mô hình toán mô phỏng chế độ thuỷ văn-thuỷ lực sông kênh tự nhiên và mạng cống ngầm tiêu thoát nƣớc đô thị. Phạm vi nghiên cứu là phát triển mới môđun thủy lực cống ngầm (gồm giải số, lập trình, lập sơ đồ mạng cống và mô phỏng thử nghiệm) và tích hợp trong mô hình thủy lực sông kênh. Phƣơng pháp nghiên cứu: Tổng hợp và phân tích tài liệu; Phƣơng pháp thủy văn lƣu vực; Phƣơng pháp thuỷ động lực học; Phƣơng pháp số (toán học); Phƣơng pháp lập trình và mô hình hóa; Kỹ thuật GIS. Nội dung thực hiện: Đánh giá về tình hình ngập úng đô thị trong và ngoài nƣớc, nguyên nhân và giải pháp chống ngập. Nghiên cứu bổ sung cơ sở lý thuyết mô hình hóa thủy văn, thủy lực đô thị. Rà soát và cải tiến mô hình thuỷ động lực sông kênh kết nối với mô hình dòng chảy trong mạng cống ngầm để mô phỏng đƣợc dòng chảy và ngập lụt vùng ảnh hƣởng thuỷ triều. Ứng dụng mô hình để mô phỏng thí điểm hệ thống sông kênh khu vực TP Hồ Chí Minh và nối kết hệ thống cống ngầm vùng Tân Hóa-Lò Gốm. Sử dụng kỹ thuật GIS trình diễn kết quả mô phỏng úng ngập vùng nghiên cứu. Kết quả đạt đƣợc: 4 Luận án luận giải tình hình ngập úng, nguyên nhân, các dự án và các vấn đề cần giải quyết, ứng dụng mô hình toán thủy văn, thủy lực giải quyết úng ngập đặc biệt với vùng ảnh hƣởng triều. Nghiên cứu cách ghép nối mô hình thủy lực đƣờng ống và thủy lực sông kênh với tên gọi DELTA-P. Nghiên cứu mô phỏng bài toán tiêu thoát nƣớc lƣu vực Tân Hoá-Lò Gốm thuộc TP Hồ Chí Minh, bao gồm kiểm định mô hình và tính toán, phân tích các phƣơng án công trình chống ngập bằng mô hình thủy lực cống nối ghép với kênh. Tác giả 2 bài báo khoa học và đồng tác giả 4 bài báo khoa học liên quan đến luận án. Các đóng góp mới của luận án: (1) Luận án đã xây dựng đƣợc cơ sở thuật toán và lập trình để xây dựng đƣợc môđun P (Pipe flow) dùng trong tính toán thuỷ lực bài toán tiêu thoát nƣớc đô thị do mƣa và triều; (2) Kết nối môđun P với mô hình thuỷ lực sông kênh DELTA thành mô hình DELTA-P; (3) DELTA-P giải đồng thời bài toán mƣa trên lƣu vực, dòng chảy trong cống và trong kênh ở vùng ảnh hƣởng triều; (4) Các thử nghiệm cho thấy công cụ DELTA-P có thể ứng dụng tốt cho bài toán thực tế. Ý nghĩa khoa học: Luận án là một phát triển mới về tính tƣơng tác đồng thời giữa dòng chảy trong kênh sông và dòng chảy trong đƣờng ống để tính tiêu thoát nƣớc đô thị từ mƣa hay ngập triều trên bề mặt đô thị, không trùng lặp với công trình đã có. Xây dựng mô hình toán DELTA-P hoàn chỉnh và đã đƣợc kiểm nghiệm. Ý nghĩa thực tiễn: Nghiên cứu đã phát triển đƣợc một công cụ mới để giải quyết bài toán tiêu thoát nƣớc đô thị. Công cụ này khả thi và ổn định với các bài toán lớn. 5 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN NGẬP ÖNG ĐÔ THỊ, GIẢI PHÁP KỸ THUẬT CHỐNG NGẬP VÀ MÔ HÌNH TÍNH TIÊU THOÁT NƢỚC 1.1 NGẬP LỤT VÀ CÁC GIẢI PHÁP CHỐNG NGẬP CHO MỘT SỐ THÀNH PHỐ 1.1.1 Lịch sử phát triển kỹ thuật và quản lý tiêu thoát nƣớc đô thị trên thế giới Có thể nói rằng việc giải quyết vấn đề tiêu thoát nƣớc cho đô thị có từ ngàn năm trƣớc. Đến những năm 1850 ở các thành phố của Anh đã có những công trình cống tiêu thoát nƣớc rất lớn nhƣ Bazalgette ở Luân Đôn [4]. Khoảng những năm 1950-1960 có bƣớc tiến về kỹ thuật công trình là hệ thống phân tách nƣớc mƣa và nƣớc thải sinh hoạt và công nghiệp. Từ những năm 1970 đã hình thành các cơ quan quản lý nhà nƣớc về tiêu thoát nƣớc đô thị và thành lập những tổ chức nghiên cứu kỹ thuật công trình tiêu thoát nƣớc đô thị nhƣ UDFCD của thành phố Denver bang Colorado thành lập năm 1969, cơ quan quản lý của Anh và Wale thành lập năm 1974. Đến những năm 1980 nhờ phát triển công nghệ phần cứng, phần mềm vi tính mô phỏng hệ thống tiêu thoát nƣớc đã làm tăng hiệu quả kinh tế của các công trình tiêu thoát nƣớc và sáng tỏ nhiều vấn đề kỹ thuật. Đến những năm 1990 thì vấn đề quản lý chất lƣợng nƣớc thải đƣợc quan tâm giải quyết và cơ cấu tổ chức ngành nƣớc và môi trƣờng nƣớc ở nhiều nơi đƣợc cải tổ. 1.1.2 Vài nét về tình hình ngập lụt trong và ngoài nƣớc Ngập lụt là một trong những loại thiên tai gây nhiều thiệt hại nhất cho loài ngƣời, từ cổ chí kim, khắp nơi trên thế giới đã phải chịu những thảm họa khốc liệt do ngập lụt gây nên. Ngày nay, các nhà thống kê học đã đƣa ra những con số về sự gia tăng đến mức chóng mặt những thiệt hại do ngập lụt gây ra. Nếu nhƣ đầu thế kỷ 20, trung 6 bình mỗi năm trên thế giới, thiệt hại do ngập lụt vào khoảng 100 triệu đô la Mỹ, thì đến nửa sau của thế kỷ con số này đã vƣợt quá 1 tỷ, trong mƣời năm trở lại đây là trên 10 tỷ. [4] Việt Nam là một trong số các quốc gia đang phát triển phải thƣờng xuyên đối mặt với các đợt lũ lụt nghiêm trọng gây ra chủ yếu bởi mƣa gió mùa, bão nhiệt đới và triều cƣờng; mức độ xảy ra khá thƣờng xuyên tại các thành phố nhƣ Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Đà Nẵng và Cần Thơ. [4] - Tại Hà Nội, ngập lụt đang là một vấn đề lớn đƣợc các cấp các ngành quan tâm, đặc biệt trận lụt lịch sử tháng 11/2008 đã để lại tổn thất nặng nề. - TP Huế năm nào cũng bị ngập bởi 3‚4 trận lụt, ngập sâu nhất có nơi trên 4m, ít nhất cũng 1‚2m, làm các cung điện thành Huế xuống cấp nghiêm trọng. - Tại TP Đà Nẵng mỗi khi có mƣa lớn lại có hơn 30 điểm bị ngập úng nặng. - Các thành phố ở miền Tây Nam bộ nói chung và TP Cần Thơ (trung tâm kinh tế-văn hóa của miền Tây Nam bộ) nói riêng đang gặp phải vấn nạn ngập lụt, nhất là vào mùa nƣớc nổi. Hình 1-1: Hình ảnh ngập úng do mƣa (trái) và do triều cƣờng (phải) ở TPHCM - Tại TP Hồ Chí Minh, ngập lụt đang là một vấn đề hết sức bức xúc của chính quyền và nhân dân thành phố (minh họa cảnh ngập úng Hình 1-1). Cuộc họp bàn về giải pháp chống ngập cấp bách trên địa bàn giữa Phó Chủ tịch UBND TP HCM Nguyễn Hữu Tín với các sở, ngành và quận huyện chiều 21/10/2014 "nóng" hẳn vì tình hình ngập nƣớc nghiêm trọng trong những ngày giữa tháng 10 bởi tình trạng ngập úng lại gia tăng từ 11 điểm năm 2013 lên 27 điểm năm 2014 [12]. Hiện tƣợng 7 ngập lụt ở TP Hồ Chí Minh bắt nguồn từ 3 yếu tố: lũ, triều cƣờng và mƣa lớn (Minh họa ở bản đồ Hình 1-2). [4] Những năm gần đây tiến trình đô thị hóa diễn ra mạnh mẽ làm cho không gian chứa lũ bị co lại, sông rạch bị bồi lấp, hệ thống tiêu, thoát nƣớc quá tải và xuống cấp, dẫn đến cao trình triều bị đẩy lên, tốc độ truyền triều cao hơn, thời gian lƣu triều dài hơn gây nên ngập lụt kéo dài trên diện rộng vào mùa mƣa và triều cƣờng. Hình 1-2: Những nguyên nhân tự nhiên gây ngập úng TP Hồ Chí Minh 1.1.3 Nguyên nhân ngập úng các thành phố Có thể nói, ngập lụt tại các thành phố lớn trên thế giới và trong nƣớc xảy ra do một số nguyên nhân chính sau: 8 - Thành phố đặt tại vị trí ven sông, biển, có địa hình cốt nền thấp; - Do biến đổi khí hậu dẫn tới tình trạng mƣa cực đoan, nƣớc biển dâng cao đột ngột; - Do lũ thƣợng nguồn đổ về; - Do tốc độ đô thị hóa nhanh, dẫn tới không gian chứa lũ, thoát lũ bị co hẹp lại, lƣợng nƣớc chảy tràn tại các đô thị tăng lên. Các trận lũ lớn tái diễn liên tục tại nhiều thành phố trên thế giới đã dẫn đến sự ra đời của nhiều giải pháp nhằm giảm thiểu tác động của ngập lụt, bao gồm các giải pháp công trình và phi công trình. 1.1.4 Giải pháp tổng hợp chống ngập đô thị Giải pháp chống ngập đòi hỏi sự kết hợp toàn diện từ kế hoạch chiến lƣợc tổng hợp, giải pháp quy hoạch đến thiết kế xây dựng và quản lý vận hành công trình. Lấy ví dụ về Chiến lƣợc tiêu thoát nƣớc đô thị tổng hợp ở Anh quốc do các cơ quan ngành nƣớc Anh quốc đang mong muốn xây dựng nhằm đề xuất kế hoạch tiêu thoát nƣớc dài hạn (20 năm) nhằm tích cực, chủ động ứng phó với úng ngập và ô nhiễm đô thị [14] trong bối cảnh nƣớc Anh liên tiếp xảy ra úng ngập nghiêm trọng các năm 2007, 2008, 2009, 2011 và 2012. Đồng thời, nhiều khó khăn trong công tác chống ngập úng do hệ thống tiêu thoát nƣớc đô thị xuống cấp (khoảng 70% hệ thống đã trên 50 năm tuổi), dân số và hạ tầng tăng nhanh, nguy cơ biến đổi khí hậu và sự phức tạp về hệ thống công trình và các tổ chức quản lý. Để tiến tới việc xây dựng chiến lƣợc, Cơ quan chuyên trách quản lý nƣớc và môi trƣờng Anh (CIWEM) cùng các tổ chức nghiên cứu đã tiến hành nhiều tập huấn và hội thảo chia sẻ thông tin, khuyến cáo tới Chính phủ và các nhà quản lý và đặc biệt là nghiên cứu phát triển các tài liệu hƣớng dẫn kỹ thuật chuyên ngành và mô hình toán tiêu nƣớc đô thị. Theo quan điểm chiến lƣợc tiêu nƣớc đô thị tổng hợp, việc ứng dụng của mô hình toán nhằm: [14] 9 - Phân tích chi tiết nguyên nhân, ảnh hƣởng và biện pháp khắc phục ngập úng đô thị; - Cung cấp thông tin để hiểu rõ hơn sự tác động của các nguồn nƣớc đối với hoạt động, vận hành của hệ thống tiêu thoát nƣớc; - Xây dựng kế hoạch tổng hợp phát triển hạ tầng và các công trình chống ngập; - Đánh giá hiện trạng và dự báo rủi ro úng ngập; - Lập kế hoạch ứng phó khẩn cấp; - Đánh giá tác động của hệ thống tiêu nƣớc đối với hệ thống sông kênh; - Ứng phó biển đổi khí hậu và nƣớc biển dâng. CIWEM phân loại các bộ mô hình thủy văn-thủy lực đô thị đƣợc phát triển để mô phỏng các loại đối tƣợng riêng biệt hoặc đƣợc tích hợp một số đối tƣợng nhƣ sau: [14] - Tƣơng tác cống ngầm-sông kênh hở; - Ngập lũ sông kênh-ô đồng, bãi tràn; - Tƣơng tác dòng chảy mặt phố-cống ngầm-sông kênh hở; - Tƣơng tác cống ngầm-tầng nƣớc ngầm; - Tƣơng tác cống ngầm-thủy triều; Trong đó bộ các mô hình dòng chảy mặt phố-cống ngầm-sông kênh hở đƣợc giới thiệu trong tài liệu hƣớng dẫn ứng dụng cho quản lý tiêu thoát nƣớc tổng hợp. 10 Hình 1-3: Sơ đồ các thành phần trong hệ thống thoát nƣớc đô thị và các mô hình áp dụng Quan điểm tiếp cận mô hình hóa hệ thống tiêu nƣớc đô thị gồm: (i) Mô hình một chiều (1D) ứng dụng cho các hệ thống có dòng chảy một chiều trong lòng dẫn và (ii) Mô hình hai chiều (2D) ứng dụng mô phỏng hệ thống có cả dòng chảy tràn theo hƣớng ngang. Hệ thống cống ngầm và sông kênh hở thƣờng đƣợc mô phỏng dạng 1D. Dòng chảy tràn bề mặt phố có thể mô phỏng dạng 1D hay 2D. Ở Việt Nam trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu chống ngập úng đô thị với các giải pháp trạm bơm tiêu nƣớc mƣa (Hà Nội), đê bao chống lũ (Đà Nẵng) và công trình tổng hợp (cải tạo kênh, cống ngầm, đê bao, cống ngăn triều, trạm bơm tiêu) ở TP Hồ Chí Minh. 11 1.2 CÁC MÔ HÌNH TOÁN TÍNH TIÊU THOÁT NƢỚC ĐÔ THỊ 1.2.1 Một số khái niệm 1.2.1.1 Chu trình thuỷ văn và ảnh hưởng của đô thị hóa Chu trình thuỷ văn đƣợc trình bày theo nhiều dạng, nhƣng tiêu chí chung đều giống nhau là minh hoạ các bƣớc chuyển biến dòng nƣớc mƣa từ khí quyển rơi xuống bề mặt đất và chảy ra sông biển qua các bƣớc chảy trung gian (Hình 1-1), trong đó có thành phần bốc hơi nƣớc trở lại không khí để bắt đầu một chu trình mới. Hình 1-4: Sơ đồ chu trình thuỷ văn lƣu vực chƣa đô thị hoá Ở khu vực đô thị hoá chu trình thuỷ văn bị điều chỉnh khá nhiều do hệ thống tiêu thoát nƣớc, khu trữ và điều tiết nhân tạo; bề mặt đất bị bê tông hoá làm giảm lƣợng thấm xuống tầng nƣớc ngầm và các giếng khai thác nƣớc ngầm cho sinh hoạt và công nghiệp hậu quả là giảm tầng nƣớc ngầm gây sụt lún đất, tăng dòng chảy mặt gây úng ngập; lƣợng nƣớc bổ sung do nƣớc cấp, nƣớc thải. Chu trình thuỷ văn đô thị đƣợc mô tả trong Hình 1-2 với phần hệ thống hạ tầng tiêu thoát và điều tiết nƣớc đặc thù của đô thị là các ô màu đậm trong sơ đồ. 12 Hình 1-5: Sơ đồ chu trình thuỷ văn lƣu vực đô thị Vai trò của lƣu vực trong tiêu thoát nƣớc đô thị: Vấn đề quan trọng liên quan đến thuỷ văn đô thị là việc tính toán tiêu thoát nƣớc bởi bề mặt đất bị biến đổi (bê tông hoá; san lấp hệ thống sông kênh, ao hồ) làm gia tăng dòng chảy bề mặt, giảm lƣợng thấm và trữ. Tính chất thủy văn lƣu vực đô thị: Lƣu vực (hay vùng tạo dòng chảy) đô thị đƣợc phân định bởi điều kiện địa hình phân chia dòng chảy bề mặt và sự ảnh hƣởng của địa vật tự nhiên hay do con ngƣời xây dựng nhƣ tuyến đƣờng giao thông. 13 Hình 1-6: Các đặc trƣng thủy văn của lƣu vực đô thị Nguồn: [J.C.Y. Guo, 2006] [20] Lƣợng dòng chảy từ mƣa do lƣu vực tạo ra phụ thuộc vào các đặc trƣng lƣu vực nhƣ các loại hình tổn thất, tính chất đất, các khu trữ và bề mặt bê tông hóa. Sự tập trung dòng chảy phụ thuộc vào các yếu tố nhƣ hình dạng, độ dốc lƣu vực và thảm phủ bề mặt lƣu vực. Hình 1-3 mô tả một số đặc tính lƣu vực nhƣ: - Khu trữ trũng tự nhiên làm chậm dòng chảy mặt; - Khu điều tiết nhân tạo làm giảm lƣợng dòng chảy; - Đƣờng cao tốc làm cản trở dòng chảy bề mặt và có thể làm thay đổi ranh giới lƣu vực nếu không có cống qua đƣờng; - Một số yếu tố khác nhƣ hệ thống cống ngầm tiêu nƣớc, địa vật bề mặt, tỷ lệ bê tông hóa bề mặt cũng sẽ làm thay đổi tính chất dòng chảy bề mặt lƣu vực. Để tính toán lƣợng dòng chảy mặt lƣu vực ngoài việc xác định đúng ranh giới lƣu vực còn phải chọn những phƣơng pháp tính toán thích hợp. 1.2.1.2 Chu trình dòng chảy trong đô thị 14 Sơ đồ Hình 1-4 diễn tả chu trình dòng chảy mƣa lũ (các mũi tên) tập trung xuống đƣờng phố và chảy lan tràn theo các tuyến đƣờng và tập trung vào miệng hố ga, chảy vào đƣờng cống ngầm và tiêu ra hồ trữ hay sông kênh. Hình 1-7: Diễn biễn dòng chảy mƣa lũ trên đô thị Nguồn: [J.C.Y. Guo, 2006] Những năm gần đây một số cơ quan nghiên cứu khoa học và cơ quan tƣ vấn quy hoạch đô thị sử dụng phần mềm mƣa-dòng chảy đô thị (MIKE RR), thuỷ lực sông kênh và thủy lực đƣờng ống để mô phỏng hệ thống tiêu thoát nƣớc nhằm tìm đƣợc các phƣơng án tiêu thoát nƣớc phù hợp. Mô hình đƣợc ứng dụng khá rộng rãi ngoài nƣớc nhƣ SWMM, mô hình họ MIKE (MOUSE, URBAN và FLOOD) và mô hình đang phát triển trong nƣớc nhƣ F28. 15 Với mô hình tiêu thoát nƣớc đô thị cần có các mô hình thành phần nhƣ mô hình thủy văn đô thị, mô hình đƣờng ống, mô hình kênh sông và sự nối kết giữa các mô hình thành phần. Trong mục 1.2.3 luận án giới thiệu các mô hình SWMM, họ mô hình MIKE, và mô hình F28. 1.2.2 Một số mô hình thủy văn đô thị Trong tính toán thuỷ văn (mƣa-dòng chảy) đô thị có các phƣơng pháp tính toán, thƣờng đi cùng với bộ mô hình thuỷ lực đƣờng ống, bao gồm cả công thức kinh nghiệm và mô hình toán. Điều kiện áp dụng của mỗi phƣơng pháp có độ chính xác khác nhau tùy thuộc vào mức độ chi tiết của phƣơng pháp tính đồng thời với yêu cầu chi tiết của tài liệu cho tính toán. Một số phƣơng pháp tính toán phổ biến nhƣ sau: 1.2.2.1 Phương pháp kinh nghiệm - Phƣơng pháp căn nguyên dòng chảy (Rational): Qp= 2,78 * Cv * Cr * i * F (1-1) (trong đó: Cv là hệ số tổng lƣợng dòng chảy, Cr là hệ số hình dạng, i là độ dốc lƣu vực, F là diện tích lƣu vực). Công thức thƣờng dùng tính biểu đồ dòng chảy lũ thiết kế của lƣu vực trên cơ sở kinh nghiệm chuyên gia và thƣờng có sẵn giá môđun dòng chảy lũ của lƣu vực. Việc áp dụng cho lƣu vực đô thị có bề mặt thay đổi phức tạp thƣờng không chính xác. 1.2.2.2 Phương pháp mô hình thuỷ văn Viện Thuỷ lực Đan Mạch (Mike-RR) Bộ mô hình thuỷ lực của Viện Thuỷ lực Đan Mạch rất nổi tiếng trên thế giới với các mô hình thuỷ lực nhƣ Mike11, Mike21, Mike3, Mike SHE và Mike Flood nhằm mô phỏng chế độ thuỷ lực 1, 2 và 3 chiều và chất lƣợng nƣớc trong hệ thống sông kênh, hồ chứa, cửa sông ven biển và mối liên quan nƣớc mặt và tầng nƣớc ngầm. Trong mỗi mô hình khi mô phỏng thuỷ lực sông có gắn với lƣu vực sông cần sử dụng các mô hình thuỷ văn. Các mô hình thuỷ văn đƣợc sử dụng trong bộ mô hình gồm: 16 a) Mô hình mƣa-dòng chảy NAM [15] NAM là mô hình mƣa-dòng chảy khái niệm, tất định và thông số gộp. NAM mô tả lƣu vực với 4 tầng chứa thuộc tầng bề mặt và tầng rễ cây. NAM có 9 thông số mô tả đặc tính thuỷ văn bề mặt, tầng rễ cây và tầng nƣớc ngầm. Các thông số dòng chảy mặt gồm Hệ số dòng chảy mặt và Hằng số thời gian diễn toán dòng chảy (Overland flow runoff coeff. và Time constant for routing interflow). Cấu trúc và các thông số trong mô hình NAM nhƣ vậy không phù hợp với lƣu vực đô thị vì không có thông số phản ánh tính chất đặc thù của bề mặt lƣu vực đô thị đƣợc phân chia thành các bộ phận nhỏ bởi hạ tầng đô thị và có mức độ thấm nƣớc rất khác nhau do sự bê tông hóa. b) Mô hình biểu đồ đơn vị mƣa-dòng chảy (UHM) [15] Mô hình biểu đồ đơn vị sẽ dùng để tính toán dòng chảy từ mƣa lƣu vực trong trƣờng hợp không có số liệu đo dòng chảy trên sông và ở lƣu vực đó đã thiết lập biểu đồ đơn vị. Mô hình gồm có một số biểu đồ đơn vị để tính dòng chảy từ các trận mƣa đơn lẻ. Mô hình chia lƣợng mƣa thành hai thành phần là lƣợng nƣớc tạo dòng chảy và lƣợng nƣớc tổn thất do thấm. Mô hình biểu đồ mƣa đơn vị có thể áp dụng tính mƣa đô thị. Nhƣng trƣớc hết phải lập biểu đồ mƣa đơn vị. Tuy nhiên khi mô phỏng lƣu vực đô thị với các kịch bản đô thị hoá khác nhau thì mô hình biểu đồ đơn vị thiếu thông số để tính toán chính xác. c) Mô hình mƣa-dòng chảy SMAP [15] SMAP là mô hình mƣa-dòng chảy dạng khái niệm thông số gộp. SMAP thiết kế để tính dòng chảy dựa trên số liệu mƣa tháng. Mô hình để dùng cho các nghiên cứu quy hoạch lƣu vực hay tính toán điều tiết hồ chứa. Với chức năng nhƣ vậy SMAP không thích hợp cho tính toán thủy văn đô thị. d) Mô hình mƣa-dòng chảy Urban [15] 17 Với tên Urban (đô thị), mô hình này có nghĩa đƣợc thiết kế để tính toán thuỷ văn đô thị. Mô hình có hai dạng, dạng A-sử dụng phƣơng pháp tỷ lệ Thời gian/diện tích, dạng B-sử dụng phƣơng pháp hồ phi tuyến (sóng động học). Hình 1-8: Giao diện nhập thông số lƣu vực mô hình Urban-A Mô hình Urban-A xác định tỷ lệ diện tích không thấm và có các thông số cơ bản nhƣ Thời gian tập trung dòng chảy, Tổn thất ban đầu, Hệ số triết giảm và chọn dạng đƣờng quan hệ Thời gian-Diện tích. Giao diện mô hình nhƣ Hình 1-5. Hình 1-9: Giao diện nhập thông số lƣu vực mô hình Urban-B 18 Mô hình Urban-B cần xác định chiều dài và độ dốc lƣu vực, mỗi lƣu vực cần phân chia diện tích thấm và không thấm. Vùng không thấm cần xác định phần lƣu vực dốc và phẳng. Vùng thấm cần xác định diện tích thấm ít, thấm trung bình và thấm nhiều. Mỗi vùng của lƣu vực đều có hệ số cản dòng chảy Manning. Giao diện mô hình nhƣ Hình 1-6. Với tính năng nhƣ vậy, mô hình Urban là thích hợp để tính toán mƣa-dòng chảy đô thị với yêu cầu số liệu không quá phức tạp và thể hiện đƣợc đặc trƣng lƣu vực với mức đô thị hoá khác nhau. e) Mô hình mƣa-dòng chảy lũ FEH [15] Tên mô hình là cụm từ ‘cẩm nang tính toán lũ’ viết tắt. Mô hình có các tính năng: - Tính mƣa tần suất, - Tính toán thống kê xác định tần suất lũ, - Ứng dụng phƣơng pháp tính mƣa-dòng chảy, - Bảng mô tả đặc trƣng lƣu vực. Trong mô hình Mike-FEH sử dụng mô hình biểu đồ mƣa đơn vị với 2 dạng biểu đồ: dạng biểu đồ tam giác và dạng biểu đồ do ngƣời sử dụng quy định. Với tính năng nhƣ vậy, mô hình FEH cũng không hoàn toàn thích hợp để tính thuỷ văn đô thị. f) Mô hình mƣa-dòng chảy lũ DRiFt [15] DRiFt (viết tắt của cụm từ ‘Dự báo dòng chảy sông’) là mô hình mƣa-dòng chảy thông số bán phân bố dựa trên tiếp cận hình thái lƣu vực. Mô hình cho phép xem xét đặc trƣng địa hình bề mặt lƣu vực, biến đổi đặc trƣng đất trên lƣu vực và dạng mƣa. - Hình thái sông cần sử dụng mô hình cao độ số. - Thông số bề mặt lƣu vực gồm lƣu tốc dòng chảy trong sông và trên sƣờn dốc lƣu vực. Với tính năng nhƣ vậy, mô hình DRiFt cũng không thích hợp để tính thuỷ văn đô thị. 19 1.2.2.3 Mô hình thuỷ văn của Cục Công binh Hoa kỳ (HEC-HMS) Hệ thống mô hình thuỷ văn HEC-HMS [22] đƣợc thiết lập để mô phỏng quá trình mƣa-dòng chảy của lƣu vực. Hệ thống có thể ứng dụng cho nhiều dạng lƣu vực và nhiều vấn đề thuỷ văn, bao gồm cấp nƣớc, thuỷ văn lũ, vùng đô thị nhỏ hay lƣu vực tự nhiên. Biểu đồ dòng chảy do HEC-HMS mô phỏng đƣợc nối kết trực tiếp với các mô hình tiêu thoát nƣớc đô thị, dự báo lũ, mô hình đánh giá ảnh hƣởng đô thị hoá, thiết kế tràn xả hồ chứa, điều tiết và giảm nhẹ lũ và vận hành hệ thống thuỷ lợi. Một số mô hình mƣa-dòng chảy đƣợc sử dụng trong HEC-HMS gồm: - Mô hình biểu đồ đơn vị với các phiên bản truyền thống và các phiên bản đƣợc cải tiến bởi Snyder, Cơ quan bảo tồn đất đai, Clark và có thể do ngƣời sử dụng diễn toán. - Mô hình sóng động học nhƣ đƣợc mô tả trong bộ Mike-RRM. Nhìn chung, bộ mô hình mƣa-dòng chảy HEC-HMS chƣa thích hợp cho loại mô hình thuỷ văn đô thị có đặc thù bề mặt không thấm và đƣợc điều tiết bởi hệ thống cơ sở hạ tầng và hệ thống thoát nƣớc nhân tạo. 1.2.2.4 Nhận xét về mô hình thuỷ văn đô thị Trong các loại mô hình đƣợc nêu trên, loại mô hình nhƣ Urban-B là thích hợp nhất để tính toán thuỷ văn đô thị ở TP Hồ Chí Minh với khá đầy đủ tài liệu và đáp ứng các tiêu chí mô phỏng bài toán mƣa-dòng chảy phục vụ quy hoạch và thiết kế hệ thống tiêu thoát nƣớc. Trong trƣờng hợp thiếu tài liệu về đặc trƣng lƣu vực thì có thể sử dụng loại mô hình Urban-A. Mô hình biểu đồ đơn vị cũng có thể sử dụng cho các bài toán mô phỏng hiện trạng thuỷ văn thuỷ lực đô thị. 1.2.3 Một số mô hình thủy lực đô thị 1.2.3.1 Mô hình SWMM Mô hình SWMM5 (Phiên bản 5 mới nhất của SWMM) tính toán đặc trƣng 20 dòng chảy trong hệ thống thoát nƣớc đô thị và dòng chảy sông kênh trên cơ sở giải hệ phƣơng trình Saint Venant cho dòng chảy một chiều không ổn định. [21] Phương pháp giải: Giải hệ Saint Venant cho hệ đƣờng ống bằng sơ đồ sai phân hữu hạn và phƣơng pháp giải hiện. Điều kiện chảy bình thường: SWMM dùng hệ phƣơng trình Saint-Venant để mô tả cả dòng chảy trong kênh và trong đƣờng ống, tuy nhiên dòng chảy trong đƣờng ống thƣờng có các chế độ chảy ngập hay tự do, có áp hay không có áp, tức là phải tính tới tổn thất cột áp. Nhƣ vậy khi dùng chung hệ Saint-Venant sẽ không phản ánh đƣợc các tổn thất. Thông thƣờng trong đƣờng ống các nhà kỹ thuật thƣờng dùng tích phân Bernoulli Quá tải hố ga: SWMM quan niệm điều kiện quá tải hố ga khi mức nƣớc vƣợt đỉnh ống nối vào nút. Trong điều kiện đó diện tích bề mặt ống kín bằng zero và phƣơng trình cơ bản không áp dụng đƣợc. Để giải quyết vấn đề này, SWMM thay thế phƣơng án điều kiện liên tục tại nút với giả thiết tổng dòng chảy tràn từ nút bằng tổng dòng chảy vào, ΣQ = 0. Với giả thiết đó cũng không đủ điều kiện tính mực nƣớc tại nút ở bƣớc thời gian kế tiếp do phƣơng trình chỉ có biến dòng lƣu lƣợng. Hơn nữa, vì phƣơng trình tính lƣu lƣợng và mực nƣớc trong hệ thống không giải đồng thời, nên không đảm bảo những điều kiện tại nút tràn sau khi giải phƣơng trình lƣu lƣợng. Trạm bơm, ống vòi và cống đập: Mô hình mô phỏng các loại công trình nối với 2 nút. Dòng chảy qua công trình sẽ tính toán trên số liệu mực nƣớc các nút. Riêng trạm bơm cần gán điều kiện vận hành nhƣ mực nƣớc tại điểm kiểm soát, chênh cột nƣớc các nút. Chi tiết về thuật toán và phƣơng pháp giải bài toán thuỷ lực trong SWMM đƣợc trình bày trong tài liệu kỹ thuật. [21] Cách tính mưa-dòng chảy: Dòng chảy do mƣa đƣợc tính toán trong các tiểu lƣu vực (catchment). Đặc trƣng vật lý của tiểu lƣu vực bao gồm đặc trƣng hình học, vùng thấm và không thấm, lƣợng trữ bề mặt và diễn toán dòng chảy giữa và tiểu lƣu vực. 21 Lƣợng dòng chảy từ tiểu lƣu vực đƣợc nhập vào các nút cống hoặc kênh. Cách tính mƣa trong SWMM cũng phản ánh đƣợc tính chất mƣa-dòng chảy vùng đô thị. a) Ứng dụng của SWMM mô phỏng cống thoát nƣớc ở TP Hồ Chí Minh Tác giả Hồ Long Phi [3] ứng dụng mô hình SWMM mô phỏng thủy lực trên mô hình SWMM và mô phỏng những điều tra thực tế cho tuyến cống thoát nƣớc đƣờng phố. Hình 1-7 thể hiện mô phỏng ngập trên đƣờng Lê Văn Thọ quận Gò Vấp cho thấy một khi khả năng thoát nƣớc của đoạn cống hạ lƣu bị cản trở bởi thủy triều, đƣờng áp lực trong cống dâng lên rất nhanh và gây ngập cả những khu vực có cao độ trên 5m. Hình 1-10: Sơ đồ biểu diễn ngập úng bề mặt đƣờng (hai chấm đỏ tròn) có cống ngầm Hạn chế của mô hình SWMM trong nghiên cứu này: Tuy tác giả đã nhận định việc áp dụng mô hình SWMM mô phỏng đƣợc sự quá tải của đƣờng ống gây ngập ứng đƣờng phố và tác động của việc nạo vét kênh Tham Lƣơng-Bến Cát là giảm mực nƣớc trên kênh. Tuy nhiên, kết quả tính toán chƣa thể hiện tác động của thủy triều vào hệ thống cống ngầm. b) Ứng dụng của SWMM ở lƣu vực Tham Lƣơng-Bến Cát Nhóm tác giả Lê Trung Thành và Trần Hữu Hoàng [6] đã ứng dụng phần mềm SWMM cho bài toán thuỷ lực tiêu thoát nƣớc cho lƣu vực kênh Tham Lƣơng- 22 Bến Cát-Nƣớc Lên là khu vực thuộc quận ven đô TP Hồ Chí Minh, trong địa bàn có nhiều khu công nghiệp, hệ thống kênh rạch gồm các đƣờng ống tiêu thoát kết hợp hệ thống kênh mƣơng nối với sông Sài Gòn và chịu ảnh hƣởng triều. Dòng chảy do mƣa lấy hệ số dòng chảy theo kinh nghiệm với môđun dòng chảy khoảng 70-100 l/s/ha nhập vào các nút của mô hình cống. Diễn biến mực nƣớc tại Vàm Thuật trên sông Sài Gòn và Chợ Đệm trên sông Bến Lức (từ kết quả bài toán thuỷ lực sông kênh toàn vùng hạ lƣu sông Đồng NaiSài Gòn) làm điều kiện biên cho mô hình SWMM kênh Tham Lƣơng-Bến CátNƣớc Lên. Kết quả tính toán: Phƣơng án tính toán có trận mƣa tiêu có thời gian trùng với đỉnh triều. Kết quả tính toán mực nƣớc một số vị trí trên kênh Tham Lƣơng-Bến Cát-Nƣớc Lên đƣợc so sánh phù hợp với kết quả tính của mô hình VRSAP. [6] Hạn chế của mô hình SWMM: Mô hình SWMM trong nghiên cứu này không tính toán thuỷ lực sông kênh toàn mạng mà phải dùng mô hình toàn mạng khác để tính và xác định biên mực nƣớc hai đầu kênh Tham Lƣơng-Nƣớc Lên. Mạng cống ngầm đƣợc mô phỏng nhƣng tác giả không trình bày và phân tích diễn biến mực nƣớc trong cống trong trƣờng hợp mƣa gây úng và chịu ảnh hƣởng thuỷ triều tác động vào hệ thống cống. Thiếu số liệu đo đạc mực nƣớc trên kênh và điều tra ngập úng trên đô thị là hạn chế lớn để đánh giá kết quả nghiên cứu mô phỏng tiêu thoát nƣớc đô thị bằng SWMM. 1.2.3.2 Mô hình Mike a) Cơ sở lý thuyết nhóm mô hình MIKE Cơ sở lý thuyết về mô hình thuỷ lực đƣờng ống MOUSE [16], thuỷ lực một chiều sông kênh MIKE11 [17] hay thuỷ lực hai chiều MIKE21 [18] đƣợc phát triển mạnh và phổ biến rộng rãi theo hình thức thƣơng mại. 23 Bộ mô hình có môđun đƣờng ống MOUSE có thể liên kết với MIKE11 và MIKE21 có thể liên kết với nhau thành bộ MIKE URBAN (MOUSE-MIKE21) hay MIKE FLOOD (cả 3 môđun kết hợp). Cách giải quyết ảnh hƣởng của triều trong URBAN theo nguyên lý cái nọ là hệ quả của cái kia và theo từng môđun độc lập. Bộ mô hình thích hợp giải quyết bài toán thủy lực cống ngầm nối với sông kênh trên địa bàn rộng nhƣ TP Hồ Chí Minh đòi hỏi bộ môđun MOUSE-MIKE11. Tuy nhiên, cặp môđun này hầu nhƣ chƣa thấy công bố nghiên cứu ứng dụng trong và ngoài nƣớc. b) Ứng dụng MIKE FLOOD tính toán ngập úng sông Nhuệ-Đáy Nhóm tác giả [2] đã sử dụng MIKE FLOOD làm công cụ mô phỏng ngập lụt hệ thống sông Nhuệ - Đáy trên địa bàn TP Hà Nội. Trong đó, mô hình NAM đƣợc sử dụng để xây dựng chuỗi số liệu dòng chảy từ mƣa làm điều kiện biên cho mô hình MIKE FLOOD. Bộ thông số mô hình kết nối 1-2 chiều đƣợc hiệu chỉnh và kiểm định cho hai trận lũ lớn năm 1984 và 2008 tại trạm Phủ Lý (Hình 1-8). Hình 1-11: Kết quả kiểm định mô hình NAM và MIKE FLOOD sông Đáy-Nhuệ 24 Hình 1-12: Bản đồ ngập lụt tính toán bằng MIKE FLOOD cho lƣu vực sông Nhuệ - Đáy trên địa bàn TP Hà Nội. Hạn chế: Mô hình MIKE FLOOD đã mô phỏng tốt diện úng ngập trên địa bàn TP Hà Nội (Hình 1-9). Tuy nhiên kết quả tính toán không bao gồm hệ thống cống ngầm và điều kiện biên không ảnh hƣởng triều. c) Mô phỏng ngập úng đô thị Dhaka thuộc Bangladesh bằng MOUSE Thành phố Dhaka đang chịu vấn đề ngập úng đô thị nghiêm trọng. Thành phố có hệ thống đê vành đai chống lũ trên sông. Vào mùa mƣa lũ nƣớc sông cao hơn mặt đất đô thị làm cho việc tiêu thoát nƣớc khó khăn. Nhóm tác giả [13] ứng dụng mô hình toán MOUSE mô phỏng hệ thống cống ngầm tiêu nƣớc liên kết với tính toán dòng chảy bề mặt (sơ đồ thủy lực Hình 1-10). Mô hình dùng để mô phỏng hiện trạng ngập úng và một số phƣơng án chống ngập. Mô phỏng khu ngập: Khi mô hình MOUSE tính toán mực nƣớc trong hố ga cao hơn mặt đất sẽ xảy ra hiện tƣợng úng ngập bề mặt. 25 Mô phỏng ngập úng năm 1996: Hệ thống tiêu nƣớc thời kỳ năm 1996 khi chƣa hoàn thành tuyến cống hộp quan trọng nên các hệ thống tiêu nƣớc còn khó khăn để thu gom nƣớc vào kênh tiêu. Mô phỏng hiện trạng hệ thống tiêu nước: Với hệ thống công trình tiêu thoát nƣớc năm 1996 và hiện trạng đều cho thấy ngập úng cục bộ trên đƣờng phố Shantinagar với độ sâu ngập 55 cm trong vòng 16 giờ. Nguyên nhân ngập đƣợc khẳng đinh là do hệ thống cống ngầm và hố ga thoát nƣớc chƣa đủ khả năng tiêu thoát nƣớc mƣa. Giải pháp chống ngập: Kết quả mô hình cho thấy hệ thống cống ngầm thoát nƣớc chƣa hợp lý, xảy ra hiện tƣợng thắt cổ chai ở khu vực thoát nƣớc làm ngập úng bề mặt đô thị. Biện pháp cải tạo đƣờng ống thoát nƣớc hợp lý giảm đƣợc úng ngập ở khu vực nghiên cứu. Hình 1-13: Sơ đồ hệ thống tiêu nƣớc lƣu vực Segunbagicha năm 1996 Nhận xét: Mô hình thủy lực đô thị MOUSE kết hợp GIS đã mô phỏng đƣợc hiện trạng úng ngập. Tuy nhiên, ứng dụng ở đây chỉ mô phỏng đƣợc hệ thống cống ngầm và một đoạn kênh đô thị mà chƣa xem xét đƣợc tổng thể vấn đề bài toán đƣờng ống nối ghép với hệ sông kênh. 1.2.3.3 Mô hình F28 Tác giả Lê Song Giang nhận thấy rằng những phần mềm tính toán tiêu thoát nƣớc đô thị đƣợc sử dụng miễn phí nhƣ SWMM thì tính năng khá hạn chế, phần 26 mềm mạnh nhƣ MOUSE có giá khá cao và không thể thay đổi quy trình tính toán nếu có nhu cầu [5], do đó phần mềm F28 đƣợc xây dựng. Trong F28 các môđun tính toán các dòng chảy đƣợc phát triển là: dòng chảy trên mặt đất (rainfall-runoff); dòng chảy trong cống và trên mặt đƣờng; dòng chảy một chiều trong kênh/sông; dòng chảy hai chiều trong các khu trũng, ngập. Tất cả các môđun tính toán đó đều dùng phƣơng pháp thể tích hữu hạn để giải các phƣơng trình cơ bản. Ngoài ra việc kết nối giữa các môđun cũng đã đƣợc quan tâm sao cho việc nối tiếp giữa các dòng chảy phải thoả điều kiện bảo toàn cả về thể tích lẫn động lƣợng. Mô hình F28 tính toán dòng chảy tràn trên bề mặt lƣu vực (môđun mƣa ràodòng chảy) theo hai phƣơng pháp: bể chứa phi tuyến và sóng động lực học. Phƣơng pháp tính mƣa rào dòng chảy của F28 cũng chƣa quan tâm đến việc phân chia bề mặt lƣu vực thành các bộ phận thấm và không thấm rất đặc trƣng của đô thị. Dòng chảy trong kênh, sông đƣợc coi là một chiều và đƣợc mô tả bởi phƣơng trình Saint–Venant. Dòng chảy trong cống và trên đường: Dòng chảy trong cống về bản chất cũng là 1 chiều, nhƣng có lúc ở trạng thái không áp, có lúc lại ở trạng thái có áp. Mô hình thiết lập 3 trạng thái dòng chảy: không áp, có áp nhƣng hố ga chƣa ngập và có áp với hố ga ngập (có khả năng thiếu trường hợp chế độ dòng chảy một đầu ngập, một đầu không ngập). Mô phỏng dòng chảy trong cống nối với kênh vùng triều: Mô hình F28 đƣợc thử nghiệm với hai trƣờng hợp: - Trƣờng hợp đơn giản là mô phỏng đoạn cống có lƣu lƣợng nhập vào hố ga và cửa cống có mực nƣớc biến đổi theo quy luật hình ‘sin’. Kết quả mô phỏng cho thấy mực nƣớc tại hố ga biển đổi theo xu thế mực nƣớc biên. - Trƣờng hợp phức tạp là mô hình hệ thống cống khu vực Thủ Thiêm TP Hồ Chí Minh gắn với mô hình sông kênh Đồng Nai-Sài Gòn trong điều kiện mƣa và ảnh hƣởng triều. Mô hình đã mô phỏng độ ngập do mƣa hợp lý. Tuy nhiên, ảnh 27 hƣởng triều vào hệ thống cống chƣa nhận thấy đƣợc bởi cao trình mặt đất (2,02,5m) cao hơn đỉnh triều (1,35m). Kết nối các dòng chảy: Phần mềm xem xét 2 hình thức liên kết các mô hình thành phần: liên kết bằng nút chung và liên kết bằng dòng chảy tràn. Tóm tắt về cách giải số các phƣơng trình dòng chảy trong cống và trên đƣờng trong mô hình F28 đƣợc trình bày trong [5]. Nhận xét: Mô hình F28 đã mô phỏng đƣợc hệ thống đƣờng ống nối với mạng sông kênh và mô phỏng đƣợc hiện tƣợng úng ngập do mƣa lớn. Một số ví dụ khác của nghiên cứu mô hình F28 cũng trình bày kết quả mô phỏng dòng chảy bãi tràn với kênh, chảy qua công trình và chảy từ mặt đƣờng xuống cống ngầm. Tuy nhiên, vấn đề ảnh hƣởng triều vào hệ thống cống ngầm chƣa đƣợc phân tích trình bày trong nghiên cứu. Trong tính toán cũng không sử dụng mực nƣớc thực đo trên sông và điều tra điểm ngập trên đô thị để kiểm định mô hình sông kênh và mô hình cống ngầm đô thị. 1.3 NHẬN XÉT CHUNG VỀ TÍNH NĂNG CÁC MÔ HÌNH THỦY VĂN, THỦY LỰC ĐÔ THỊ Nhận thấy sự xuất hiện của công nghệ thông tin và mô hình toán thủy lực sông kênh và cống ngầm đô thị đã khẳng định tiến bộ vƣợt trội trong kỹ thuật tiêu thoát nƣớc đô thị, nhiều tổ chức ngoài nƣớc đã tích cực phát triển công cụ mô hình dùng riêng cho các tổ chức ngành nƣớc (nhƣ EPA Mỹ có SWMM, Wallingford Anh quốc có WASSP) hay mang tính thƣơng mại (nhƣ DHI có Mike11, MOUSE và Mike Urban). Trong nƣớc hiện có mô hình thủy lực sông kênh phát triển mạnh mẽ trong nƣớc với các mô hình DELTA, VRSAP, KOD, HYDRO-GIS, MK4 và nhiều ứng dụng nghiên cứu bài toán chống ngập úng vòng ngoài khá hiệu quả cho khu vực TP Hồ Chí Minh nói riêng và vùng ĐBSCL cũng nhƣ các lƣu vực sông khác ở Việt Nam. Tuy nhiên, thực hiện bài toán chống ngập úng đô thị thƣờng ngập do mƣa lớn 28 và ảnh hƣởng triều và lũ rất phức tạp đòi hòi giải pháp đồng bộ giữa công trình vòng ngoài và hệ thống cống ngầm tiêu nƣớc. Một số mô hình ngoại nhập đã giới thiệu có tính năng mô phỏng nhƣng chƣa thể hiện đƣợc tính khả thi cho hệ thống cống phức tạp ở TP Hồ Chí Minh hay hệ thống sông kênh phức tạp ở vùng ĐBSCL chịu ảnh hƣởng của thủy triều bởi sự phức tạp trong lập mô hình và thuật toán giải chƣa đủ mạnh. Những ứng dụng của các mô hình nêu trên đều hƣớng đến giải quyết vấn đề tiêu thoát nƣớc đô thị do ảnh hƣởng của lũ, triều trên sông và mƣa trên đô thị. Yêu cầu đối với mô hình toán phải mô phỏng đƣợc chu trình thuỷ văn, thuỷ lực từ mƣa rơi xuống bề mặt đô thị, chảy qua cống ngầm và đổ ra sông, kênh chịu ảnh hƣởng lũ và triều. Thực tế những mô hình mô phỏng đƣợc từng phần hiện trạng úng ngập đô thị, phân tích đƣợc nguyên nhân ngập úng và tính toán phƣơng án chống ngập. Tuy nhiên các mô hình còn hạn chế trong ứng dụng nhƣ sau: - Các mô hình thủy lực đô thị nhƣ SWMM, MOUSE hay MIKE URBAN chỉ có khả năng giải quyết vấn đề ngập úng do hệ thống cống ngầm và kênh nội đô mà chƣa mô phỏng đƣợc hệ thống sông kênh lớn với những công trình kiểm soát lũ, triều và tƣơng tác sông với bãi tràn lũ và với hệ thống đƣờng ống thoát. - Mô hình thủy lực sông kênh MIKE11, VRSAP mô phỏng đƣợc lũ sông, bãi tràn, công trình kiểm soát lũ và triều sông nhƣng chƣa mô phỏng đƣợc hệ thống cống ngầm. - Mô hình F28 đã trình bày về cơ sở lý thuyết mô hình nối ghép thủy lực sông kênh và hệ thống cống ngầm nhƣng kết quả phân tích chủ yếu là vấn đề thủy lực đƣờng ống nối ghép với thủy lực đƣờng phố mà chƣa giải quyết chặt chẽ về mặt thực hành bài toán tƣơng tác thủy lực sông kênh và đƣờng ống. - Mô hình MIKE FLOOD đã có cơ sở lý thuyết nối ghép các mô hình thủy lực sông kênh và thủy lực đƣờng ống thoát nƣớc đô thị theo nguyên lý cái nọ là hệ quả của cái kia, nhƣng các ứng dụng ở trong và ngoài nƣớc chƣa có để chứng tỏ khả năng của mô hình kênh và cống kết hợp. 29 1.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG Trải qua lịch sử và hiện tại chống úng ngập đang hoành hành trên khắp thế giới cho thấy bộ công cụ mô hình toán trợ giúp đắc lực cho quản lý tiêu thoát nƣớc đô thị tổng hợp là mô hình dòng chảy mặt phố-cống ngầm-sông kênh hở. Tuy nhiên, hầu kết các mô hình cống ngầm và sông kênh hở đƣợc lập riêng biệt hoặc có giới thiệu nối kết nhƣ trong bộ Mike Flood nhƣng chƣa thấy ứng dụng trong nƣớc và trên thế giới. 30 CHƢƠNG 2: MÔ HÌNH DELTA-P NỐI GHÉP THỦY LỰC ĐƢỜNG ỐNG VỚI THỦY LỰC SÔNG KÊNH Việc phát triển mô đun tính toán hệ thống cống ngầm tính tiêu nƣớc đô thị nối ghép với mô hình thủy lực sông kênh có thuật toán mạnh giải đƣợc hệ thống lớn với tốc độ tính toán nhanh sẽ là công cụ mô hình thích hợp cho tính toán hệ thống công trình tổng hợp tiêu thoát nƣớc đô thị vùng ảnh hƣởng triều. Kế thừa và cải tiến những mô hình toán thủy lực sông kênh DELTA (từ kết quả đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ NN&PTNT phát triển mô hình thuỷ lực sông kênh [8]) và bản thân NCS xây dựng môđun thuỷ lực cống ngầm P đồng thời nghiên cứu, ứng dụng kỹ thuật nối ghép hai môđun thành mô hình DELTA-P với cơ sở lý thuyết và phƣơng pháp giải đƣợc trình bày đầy đủ trong Chƣơng 2. 2.1 MÔĐUN THỦY LỰC DÕNG CHẢY TRONG SÔNG KÊNH DELTA Phần thuật toán của mô hình DELTA là sự hoàn thiện và kế thừa của các mô hình SAL (với các phiên bản khác nhau), đây là những mô hình đƣợc phát triển với đủ cơ sở chặt chẽ cả về mặt toán và cơ học. 2.1.1 Hệ phƣơng trình cơ bản cho dòng chảy Mô hình DELTA sử dụng hệ phƣơng trình Saint-Venant cho dòng chảy một chiều dƣới dạng: Phƣơng trình liên tục: Q x Bc Z t q (2-1) Phƣơng trình động lƣợng (hay chuyển động): Q t Q2 x A gA Z x gn2Q Q A R 4/3 Cw B W Wx 0 (2-2) 31 Hình 2-1: Mặt cắt ngang sông Trong đó: Q(x,t) là lƣu lƣợng qua mặt cắt ngang; Bc là độ rộng mặt cắt ngang bao gồm cả phần trữ còn B là độ rộng phần chảy; A là diện tích phần chảy của mặt cắt ngang; Z(x,t) là mực nƣớc so với một cao độ chuẩn; q là lƣu lƣợng gia nhập dọc dòng chảy; C là hệ số cản Chézy; W và Wx là vận tốc gió và thành phần theo x của vận tốc gió; Cw là hệ số gió (xem ký hiệu trên Hình 2-1). Trong [8] sử dụng thêm một số hạng tính sự tổn thất cục bộ: Q t Q2 x A Trong đó gA Z x gn 2Q Q A R 4/3 Cw B W Wx gA. (2-2a) 0 hệ số tổn thất do sức cản cục bộ dọc dòng chảy nhƣ co hẹp tại các mố cầu. Trong trƣờng hợp phải tính dòng chảy xiết thì trong (2-2) có thêm nhân tử : [8] Q t Q2 x A Z gA x trong đó số Froude Fr gAQ Q K2 Cw BWx W 0; 1 Frm khi Fr 1 , m 1 0 khi Fr 1; 3 m 5 B 2 Q , với B là chiều rộng và A là diện tích chảy; gA3 2.1.2 Điều kiện biên, điều kiện đầu, điều kiện tại các hợp lƣu Đối với dòng chảy êm (số Froude Fr Q2 B 1 ), để giải (2-1) và (2-2) cần gA2 phải cho điều kiện biên tại hai đầu nhánh sông (trƣờng hợp sông đơn); Theo kết quả nghiên cứu lý thuyết, tại thƣợng lƣu cho lƣu lƣợng hay mực nƣớc, còn tại hạ lƣu cho trƣớc dao động mực nƣớc (hoặc ngƣợc lại), không nên cho lƣu lƣợng cả hai 32 đầu. Tại lúc xuất phát tính (thời điểm ban đầu) phải cho giá trị mực nƣớc và lƣu lƣợng tại tất cả các điểm tính toán, thƣờng gọi là điều kiện ban đầu. Đối với một hệ thống sông, ngoài các điểm biên còn có các hợp lƣu là nơi gặp nhau của một số nhánh sông. Theo lý thuyết, tại các điểm hợp lƣu hệ phƣơng trình Saint-Venant không còn đúng nữa mà phải sử dụng phƣơng trình Bernoullie. Theo luật này nếu bỏ qua bình phƣơng vận tốc so với hai lần gia tốc trọng trƣờng (v2/2g) và bỏ qua sự biến đổi diện tích mặt nƣớc tại hợp lƣu thì ta có hai điều kiện sau: i) Mực nƣớc tại các điểm tính áp sát hợp lƣu thuộc các nhánh khác nhau phải bằng nhau và bằng một giá trị đƣợc gọi là mực nƣớc tại hợp lƣu. ii) Tổng lƣu lƣợng của các nhánh chảy vào hợp lƣu phải bằng tổng lƣu lƣợng của các nhánh chảy ra từ hợp lƣu (điều kiện cân bằng lƣu lƣợng). Với Hình 2-2, các điều kiện trên nhƣ sau: Z1 Z2 Z3 Z ; Q1 Q2 Q3 (2-3) Hình 2-2: Hợp lƣu của ba nhánh sông 2.1.3 Thuật toán giải số hệ phƣơng trình Saint-Venant 2.1.3.1 Hệ phương trình sai phân cho một nhánh sông đơn Để tính toán, mỗi nhánh sông đƣợc chia thành các đoạn nhờ các điểm tính toán (hay thƣờng gọi là các mặt cắt) mà tại đây ta cần phải tính toán các giá trị mực nƣớc Zi và lƣu lƣợng Qi (hoặc các giá trị về nồng độ), tại đây cũng cần cho các số liệu về địa hình. Trên Hình 2-3 là vị trí của tám điểm tính toán từ điểm S1 ở đầu nhánh đến 33 điểm S8 ở cuối nhánh. Tại các điểm đầu và cuối này cần cho trƣớc các giá trị mực nƣớc hoặc lƣu lƣợng (hoặc cho độ mặn trong trƣờng hợp tính mặn), gọi là cho điều kiện biên. S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 Hình 2-3: Vị trí tám mặt cắt trên một nhánh sông Để giải số hệ (2-1) và (2-2) ta áp dụng sơ đồ sai phân ẩn bốn điểm Preissmann cho một đoạn sông [i, i+1] nằm giữa hai mặt cắt xi và xi+1: (Hình 2-4) 1 2 f f s fi n 1 1 1 xi f t 1 xi 1 fi n1 1 2 t fi n 1 . f in 11 fi n1 . fi n 1 1 fi n fi n 1 1 1 fi n (2-4) . fi n 1 fi n (2-5) (2-6) fi n Hình 2-4: Sơ đồ sai phân bốn điểm Preissmann Trong đó f có thể là các hàm số Z, Q, A, B, W,.. có mặt trong (2-1) và (2-2). Với là trọng số, để ổn định tính toán 0,5 f i n1 1 f ( xi 1 , t t) ; fin 1,0 f ( xi , t ) Hệ (2-4) đến (2-6) còn có thể viết dƣới dạng sau đây: 34 1 2 f f t f x fi 1 2 t 1 x fi 1 fi fi 1 fi fS fi 1 (2-4a); với fi (2-5a); với fi fin f i n và fS f i n1 1 1 (2-6a); với fD fD 1 f i n1 fin f i n1 f i n1 f i n và x xi 1 xi Biến đổi (2-1) bằng cách thay các hàm và các đạo hàm bằng các công thức từ (2-4) đến (2-6) sẽ có: 1 2 B Bin 11 Bin 1 2 B Z t 1 Zin 11 2 t n 1 i 1 Q x n 1 i 1 xi . Bin 1 1 n i 1 B 1 xi 1 n i B Zin 1 Zin . Q in 11 Qin 1 n i 1 B 1 Bin B B 1 2 t Zin Zi Bi Bi 1 BS Zi 1 1 x . Qin 1 Qin 1 (2-7) 1 2 n i (2-8) Qi Qi 1 QD (2-9) Trong đó 1 2 q qin 11 qin 1 QD Qin 1 Qin ; qS Zi 1 Zin 11 Zin 1 ; . qin 1 1 qin 1 qin ; BS Zi Zin 1 1 2 qin ( qi Bin 1 Bin ; Zin ; Qi Qin qi ) qS 1 Qi 1 1 q* Qin 11 Qin 1 Qin (2-10) (2-11) Lƣu ý rằng q là lƣu lƣợng gia nhập hoặc mất đi trên một đơn vị chiều dài sông (tƣới, mƣa, bốc hơi, xả thải,…đơn vị là m2/s), là đại lƣợng đã biết vì thế khi tính q* có thể lấy tại lớp thời gian sau n+1, tức là xem 1 . Các đại lƣợng qS, BS, QD đƣợc tính tại lớp thời gian n (lớp thời gian trƣớc), đƣợc coi là đã biết. Thay (2-7), (2-8), (2-9) và (2-10) vào phƣơng trình (2-1) sẽ đƣợc: 35 1 2 Bi Bi 1 1 4 t Bi 1 2 t BS Bi 1 Zi Zi 1 BS . Zi 4 t Zi 1 1 x Zi 1 Qi Zi 1 Qi QD 1 x Qi 1 q* 1 Qi QD (2-12) Hoặc viết lại dƣới dạng: Qin 11 Qin x.BS n 1 Zi 1 4 t 1 1 n i 1 Q x.BS n Zi 1 4 t 1 q* x n i Q Zin x 4 t Bi Zin (2-12a) Bi 1 Zi 1 Zi Chú ý rằng (2-12a) là phƣơng trình phi tuyến (do sự có mặt của số hạng cuối của vế phải), cần phải giải lặp, tuy nhiên có thể áp dụng phƣơng pháp tuyến tính hóa để giảm thời gian tính toán trên máy, đặc biệt là đối với các bài toán lớn nhƣ ĐBSCL. Nguyên lý tuyến tính hóa là bỏ qua các tích của gia số , chẳng hạn bỏ qua số hạng cuối trong (2-12a). Trong trƣờng hợp tuyến tính hóa theo phƣơng pháp này, (2-12a) trở thành phƣơng trình tuyến tính sau đây: x.BS n Zi 4 t 1 Qin 1 x.BS n 1 Z i 1 Qin 11 4 t x.BS n Zi 1 4 t Z in 1 Qin 1 Qin q* x (2-12b) Trong (2-12b) có các ẩn số là, Zin 1 , Qin 1 , Zin 11 , Qin 11 các số hạng còn lại là các đại lƣợng đã biết, đƣợc tính qua các lớp thời gian trƣớc. Để giảm bớt các sai số khi tuyến tính hóa cũng có thể dùng phƣơng pháp ngoại suy Adams Bashforth [8] nhƣ sau: 0.5 f n 1 khi đó Bi fn 1 fn Bi 1/2 BS 1.5 f n 0.5 f n 1 0.5 BS n 1 và (2-12a) trở thành: q* 36 n 1 i 1 Q 1 BS 0.5BS n 1 ] n 1 Zi 1 4 t x.[ n 1 i Q 1 BS 0.5BS n 1 ] n Zi 1 4 t x.[ 1 Zin Zin Qin 1 1 (2- 12c) q* x Qin Hay sắp xếp lại: x.[ 1 BS 0.5 BS n 1 ] 4 x.[ t 1 BS 0.5 BS 4 n 1 ] t Với BS n 1 Bin Z n 1 i Zin 1 1 1 BS 0.5 BS n 1 ] x.[ n 1 i Q 4 1 Zin Bin 11 , BS Bin Qin 1 t Zin 11 Qin 11 (2-12d) q* x Qin Bin 1 và để đơn giản cách viết ta đã bỏ đi các chỉ số n+1 (tƣơng ứng với lớp thời gian (t+ t) trên các ẩn phải tìm, có nghĩa là Zi Zin 1 ; Z i 1 Z in 11 ; Qi Qin 1 ; Qi 1 Qin 11 ;…Với qui định đó (2-12b) và (2-12d) đƣợc viết gọn lại dƣới dạng: A1.Zi B1.Qi C1.Zi Trong đó, tƣơng ứng với (2-12b): B1 D1 1 ; E1 x.BS n Zi 1 4 t 1 D1.Qi 1 (2-13) x.BS ; BS 4 t A1 C1 Zin E1 1 Qin 1 Qin Bin q *. x Bin 1 ; (2-14) Trong trƣờng hợp xấp xỉ Adams Bashforth ứng với phƣơng trình: B1 E1 D1 x.[ 1; A1 C1 x.[ 1 BS 0.5BS n 1 ] ; BS n 4 t 1 BS 0.5BS n 1 ] n Zi 1 4 t Zin 1 Qin 1 Qin 1 Bin 1 q* x Bin 11 (2-15) So sánh các hệ số trong (2-14) và (2-15) rõ ràng nếu sử dụng phƣơng pháp Adams Bashforth ta cần thêm các ô nhớ để lƣu giữ các số liệu chiều rộng ở lớp thời gian n-1. Lƣu ý rằng trong các ký hiệu nêu trên, chỉ số trên n và n+1 tƣơng ứng với các giá trị ở lớp thời gian t và t+ t ; giá trị tại n (lớp thời gian t) đƣợc xem là đã biết (điều kiện ban đầu) và phải tính các giá trị tại lớp thời gian n+1 (lớp thời gian t+ t). 37 Nhƣ vậy trong phƣơng trình (2-13) các hệ số A1, B1, C1, D1, E1, tính bằng công thức (2-14) hoặc (2-15), là các hàm số đã biết tại lớp thời gian n, còn các ẩn số là Zin+1, Zi+1n+1, Qin+1, Qi+1n+1. Nhƣ vậy, (2-13) là phƣơng trình tuyến tính. Để đơn giản cách viết, chỉ số n+1 trên các ẩn hàm sẽ đƣợc bỏ. Cũng áp dụng sơ đồ (2-7), (2-8), (2-10) cho (2-2), tuy nhiên cần phải thực hiện một số biến đổi phức tạp hơn. Phƣơng trình chuyển động (2-2) đƣợc viết lại dƣới dạng: Q t Q2 x A gn 2Q Q A R 4/3 Z gA x Cw B W Wx gA. (2-16a) 0 Hay khi bỏ qua cả hiệu ứng gió và tổn thất cục bộ: Q t Q2 x A gn2 B 4/3Q Q A7/3 Z gA x (2-16b) 0 Trong trƣờng hợp phải tính dòng chảy xiết thì trong (2-16b) có thêm nhân tử [8]: Q2 x A Q t gA Z x gn 2 B 4/3Q Q A7/3 trong đó, số Froude Fr 0; 1 Frm khi Fr 1 , m 1 0 khi Fr 1; 3 m 5 B 2 Q , với B là chiều rộng và A là diện tích gA3 chảy; n là hệ số nhám Manning. Các biến đổi dƣới đây sẽ sử dụng khai triển: (1 x) k 1 k x ; Đại lƣợng có dấu (*) là đại lƣợng trung bình trên đoạn tại lớp thời gian trƣớc n hay n+1, ví dụ: B*n 0.5 Bin 1 Bin 0.5BS . Thực hiện phép biến đổi cho từng số hạng trong (2-16a) và (2-16b) nhƣ trong [8], hệ phƣơng trình Saint-Venant một chiều sau khi sai phân đƣợc viết lại ở dạng sau cho một đoạn sông thứ k nằm giữa hai mặt cắt j và j+1: A1( k ).Z j B1( k ).Q j C1( k ).Z j 1 D1( k ).Q j 1 E1( k ) A2( k ).Z j B 2( k ).Q j C 2( k ).Z j 1 D2( k ).Q j 1 E 2( k ) (2-17) 38 Lƣu ý rằng trong (2-17) các hệ số A1, B1, A2, B2, C1, C2, D1, D2, E1, E2 là các hệ số đã biết trƣớc và khác nhau theo từng đoạn, chúng đƣợc tính bằng các công thức (2-15) và phép biến đổi từng số hạng trọng phƣơng trình chuyển động (tham khảo trong [8]), các ẩn số trong (2-17) là Zj, Qj, Zj+1, Qj+1 . 2.1.3.2 Cách giải số trực tiếp hệ phương trình (2-17) cho một nhánh sông đơn Giả sử một nhánh sông chỉ có hai mặt cắt sẽ có hai phƣơng trình dạng (2-17) với bốn ẩn số Z1, Z2, Q1, Q2; để giải đƣợc ta cần cho hai điều kiện biên ở hai đầu (chẳng hạn cho trƣớc Q1, Z2 hay Z1, Z2) Giả sử một nhánh sông đƣợc chia thành N-1 đoạn nhờ N mặt cắt ngang nhƣ Hình 2-5. Hình 2-5: Sơ đồ rời rạc hóa một nhánh sông trong tính toán Nhƣ vậy mỗi một đoạn sông thứ k ta có 2 phƣơng trình (2-17), với N-1 đoạn ta có 2(N-1) phƣơng trình cho 2N ẩn Z1, Q1, Z2, Q2,..,ZN, QN nhƣ sau: Với k=1 (đoạn sông thứ nhất) : A1(1).Z1 B1(1).Q1 C1(1).Z 2 A2(1).Z1 B 2(1).Q1 C 2(1).Z 2 D1(1).Q2 E1(1) D 2(1).Q2 E 2(1) ................................................................................ (2- 18) Với k=N-1 (đoạn sông thứ N-1): A1( N 1).Z N 1 B1( N 1).QN A2( N 1).Z N 1 B 2( N 1).QN 1 1 C1( N 1).Z N C 2( N 1).Z N D1( N 1).QN D 2( N 1).QN E1( N 1) E 2( N 1) Để đủ số phƣơng trình tƣơng ứng với số ẩn số, khi giải hệ (2-18) ta cần thêm hai điều kiện biên tại hai đầu nhánh sông, chẳng hạn cho trƣớc Q1, ZN hoặc Z1, ZN (chú ý không bao giờ cho đồng thời Q1, QN). Với điều kiện đó (2-18) là hệ phƣơng trình đại số tuyến tính có đủ số phƣơng trình tƣơng ứng với số ẩn cần tìm và ta có 39 thể dùng các phƣơng pháp cổ điển bất kỳ của đại số tuyến tính để giải hệ này mà không gặp bất kỳ khó khăn nào (chẳng hạn các phƣơng pháp khử Gauss trực tiếp, lặp, phƣơng pháp ma trận băng, phƣơng pháp Crout,..). Tuy nhiên, khi gặp một hệ thống sông phức tạp có nhiều hợp lƣu, tại đó chƣa biết trƣớc các giá trị mực nƣớc hoặc lƣu lƣợng thì cần sử dụng thêm các điều kiện tại hợp lƣu (chẳng hạn các điều kiện (2-3): bằng nhau về mực nƣớc và bảo toàn lƣu lƣợng nhƣ nêu tƣơng ứng trong Hình 2-2). Tuy nhiên, trong trƣờng hợp này số lƣợng phƣơng trình và số ẩn số sẽ rất lớn và nếu dùng phƣơng pháp giải trực tiếp sẽ cần số lƣợng lớn ô nhớ trong máy tính để lƣu trữ cũng nhƣ tốn thời gian giải trên máy. Vì thế, cần xây dựng một phƣơng pháp khác thích hợp cho trƣờng hợp cho cả một nhánh sông cũng nhƣ trƣờng hợp một hệ có nhiều nhánh sông. Tuy phải gia công về thuật toán nhƣng do thuận lợi về mặt tốc độ tính toán và tiết kiệm bộ nhớ máy tính, phƣơng pháp ‘truy đuổi’ sẽ đƣợc sử dụng và sẽ đƣợc trình bày trong phần dƣới đây. a) Cách giải số trực tiếp (2-17) cho một nhánh sông đơn bằng phƣơng pháp truy đuổi Để giải bài toán cho một nhánh sông nằm trong một hệ thống có nhiều nhánh sông nối với nhau tại các hợp lƣu, thay cho cách tính trực tiếp nhƣ diễn giải trong mục b trên đây, nhiều tác giả đã sử dụng một công thức truy đuổi sau đây theo chiều dƣơng của một nhánh sông thứ j có N mặt cắt ngang đƣợc đánh số thứ tự từ j 1, j2,… đến jN để tính mực nƣớc Z và lƣu lƣợng Q trong nhánh. Các hệ số truy đuổi của công thức này sẽ đƣợc sử dụng để thiết lập hệ phƣơng trình nút với ẩn số chỉ là mực nƣớc tại các nút hợp lƣu. Dùng công thức truy đuổi để tính mực nƣớc và lƣu lƣợng trong từng nhánh sông: Zj p j .Q j q j .Z j1 rj với Qj 1 t j .Q j v j .Z j m j .Z j1 sj j = j2, j3,…, jN (2-19) 40 Hình 2-6: Sơ đồ hóa nhánh sông thứ j Trong đó Zj1 là giá trị mực nƣớc tại mặt cắt đầu nhánh sông; pj, qj, rj, tj, vj, mj, sj đƣợc gọi là các hệ số truy đuổi thuận, giá trị xuất phát là pj1 = 0, qj1 = 1, rj1 = 0. Các giá trị khác đƣợc tính qua các hệ số A1, A2,…, E1, E2 của (2-18) nhƣ sau: Từ (2-17) sử dụng biểu thức thứ nhất của (2-19) (để đơn giản ta bỏ đi các chỉ số k là chỉ số của các đoạn sông): B1.Q j Hay Qj E1 A1( p j Q j D1.Q j 1 q j Z j1 C1.Z j 1 r j ) C1Z j A1.q j .Z j1 1 D1Q j 1 E1 A1.r j B1 A1. p j So sánh với biểu thức thứ hai của (2-19) suy ra tj 1 D1 ; vj MS1 1 C1 ; zj MS1 A1.q j 1 MS1 E1 A1.rj ; sj 1 MS1 ; MS1 B1 A1. p j (2-20) Cũng từ (2-17) nếu dùng các ký hiệu: A2.D1 A1.D 2 A1.E 2 A2.E1 ; R6 ; MS MS MS A1.C 2 A2.C1 R4 ; MS 2 v j 1 R 4 MS R1 Ta sẽ có Q j R6 R4.Z j 1 R1.Q j 1 A1.B 2 A2.B1 (2-21) Sử dụng biểu thức thứ hai của (2-19) suy ra: t j 1Q j Hay 1 Zj v j 1Z j 1 z j 1 Z j1 ( R1 t j 1 ) Q j 1 sj 1 1 R6 R 4.Z j z j 1 Z j1 R6 s j 1 R1.Q j 1 (2-22) 1 MS 2 So sánh với biểu thức thứ nhất của (2-19) suy ra: 41 pj R1 t j 1 1 MS 2 ; qj zj 1 1 MS 2 ; rj R6 s j 1 1 MS 2 (2-23) Từ (2-19) cũng dễ thấy p1 = 0; q1 = 1; r1= 0.. Với các giá trị này từ (2-20) có thể tính đƣợc t2, v2, z2, s2; sau đó dùng (2-23) tính tiếp đƣợc p2, q2, r2. Lại dùng (220) tính đƣợc t3, v3, z3, s3,…quá trình cứ tiếp tục nhƣ vậy có thể tính đƣợc các hệ số truy toán qua các hệ số của phƣơng trình (2-17). Lƣu ý rằng, nhƣ đƣợc giới thiệu trong [8], ngòai công thức truy đuổi (2-19) có thể có một số công thức truy đuổi khác, tuy nhiên do không bị tích lũy do sai số làm tròn, công thức (2-19) đã đƣợc sử dụng. (Các số hạng trên tử số và mẫu số từ (2-20) đến (2-23) có cùng bậc làm việc nên không bị sai số tích lũy trong quá trình tính toán). Giả sử rằng tại mặt cắt đầu nhánh j1 ta cho điều kiện biên Zj1 và tại mặt cắt cuối nhánh jN cho điều kiện biên lƣu lƣợng QjN thì từ (2-19), nhƣ diễn giải dƣới đây, có thể tính đƣợc mực nƣớc và lƣu lƣơng tại các mặt cắt trong nhánh. Do các hệ số pj, qj, rj, tj, vj, mj, sj đã biết (đƣợc tính từ các biểu thức (2-20) đến (2-23) nên từ biểu thức thứ nhất của (2-19) cho j = jN sẽ đƣợc: Z jN p jN .Q jN q jN .Z j1 rjN Từ biểu thức này và do đã biết Zj1 và QjN từ điều kiện biên, ta tính đƣợc ZjN. Thay giá trị ZjN vừa tính đƣợc xuống biểu thức thứ hai của (2-19) sẽ đƣợc: Q jN 1 t jN .Q jN v jN .Z jN m j N .Z j1 s jN Lại thay QjN-1 vừa tính đƣợc lên biểu thức thứ nhất của (2-19) sẽ tính đƣợc ZjN-1 theo biểu thức: Z jN 1 p jN 1.Q jN 1 q jN 1.Z j1 rjN 1 Quá trình cứ tiếp tục nhƣ vậy cho đến khi tính đƣợc giá trị mực nƣớc và lƣu lƣợng tại tất cả các mặt cắt trong nhánh. Nhƣ vậy, thay vì phải giải trực tiếp bằng các phƣơng pháp của đại số tuyến tính ta có thể sử dụng (2-19) để tìm mực nƣớc và lƣu lƣợng cho tất cả các mặt cắt 42 trong một nhánh sông (với điều kiện biên đã biết tại hai đầu nhánh). Cách giải này cũng giúp ích cho bài toán trên hệ thống sông nhƣ trình bày trong mục d dƣới đây. b) Cách giải số trực tiếp (2-17) cho một hệ thống sông bằng phƣơng pháp truy đuổi Với bài toán hệ sông, ngoài các điều kiện ở biên (thƣờng gọi là biên ngoài) còn phải sử dụng các điều kiện tại các hợp lƣu dạng (2-3). Rất nhiều các mô hình [Mike11, VRSAP,…] xây dựng hệ (2-17) cho tất cả các đoạn của toàn bộ các sông, sau đó bổ sung điều kiện dạng (2-3), rồi giải trực tiếp hệ thu đƣợc. Nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là hệ phƣơng trình cuối cùng rất lớn, khó bố trí bộ nhớ máy tính và đặc biệt là tốn thời gian giải hệ phƣơng trình, nhất là trong trƣờng hợp phải tính lặp nhƣ VRSAP, Mike11 hay ISIS. Nguyên lý tính toán đƣợc sử dụng trong DELTA sẽ nhƣ sau: Sử dụng công thức truy đuổi (2-19) để ƣớc lƣợc các giá trị mực nƣớc Z và lƣu lƣợng Q tại các mặt cắt nằm giữa hai nút hợp lƣu (hoặc giữa một nút hợp lƣu và một biên). Tại hợp lƣu do tổng đại số lƣu lƣợng bằng 0 (hoặc bằng sự thay đổi của diện tích mặt hợp lƣu) do đó ta chỉ còn phƣơng trình chứa mực nƣớc tại các hợp lƣu kế cận và chính hợp lƣu đó. Giải đồng thời hệ phƣơng trình tổng thể vừa thiết lập (gọi là hệ phƣơng trình nút) với ẩn số là mực nƣớc tại các hợp lƣu trong sông ta có đƣợc mực nƣớc tại hai đầu từng nhánh sông, hoặc mực nƣớc ở hợp lƣu và điều kiện ở đầu biên (hoặc mực nƣớc, hoặc lƣu lƣợng) đối với những nhánh nối một hợp lƣu với biên. Khi đã có mực nƣớc tại các hợp lƣu (bao gồm cả các biên đã biết trƣớc) thì sử dụng trở lại công thức truy đuổi ban đầu (2-19) để tính toán mực nƣớc Z và lƣu lƣợng Q cho từng mặt cắt trong từng nhánh. Với cách giải này sẽ giảm đƣợc số ẩn trong việc giải hệ phƣơng trình đại số tuyến tính và do đó tăng đƣợc tốc độ tính toán, giảm số lƣợng các ô nhớ. Nguyên lý tính toán nêu trên sẽ đƣợc trình bày cụ thể hơn trong mục 2.1.1.4. 43 2.1.4 Cách sơ đồ hóa hệ thống sông trong tính toán 2.1.4.1 Phân biệt nhánh sông: Một hệ thống sông bao gồm các nhánh sông, kênh, chúng nối với nhau tại các hợp lƣu (trong mô hình gọi là nút) hoặc nối một hợp lƣu với một biên (tại đó cho trƣớc mực nƣớc, lƣu lƣợng…). Một nhánh sông lại đƣợc chia nhỏ bởi N mặt cắt ngang (hoặc N điểm tính) thành N-1 đoạn, mỗi đoạn có chiều dài x (có thể không bằng nhau); tại các mặt cắt ngang (điểm tính) này ta phải tính các giá trị nhƣ mực nƣớc, vận tốc và lƣu lƣợng. Có một số loại nhánh sông sau: Nhánh sông nối hai hợp lƣu với nhau hay một hợp lƣu với công trình (thƣợng hoặc hạ lƣu công trình) gọi là nhánh trong. Nhánh sông nối một hợp lƣu với một biên (tại biên cho trƣớc lƣu lƣợng Q hay mực nƣớc Z, độ mặn hay các giá trị của các yếu tố đặc trƣng cho chất lƣợng nƣớc, chẳng hạn BOD, DO, N,…) gọi là nhánh biên. Nhánh công trình: Đây là nhánh đặc biệt nối thƣợng và hạ lƣu công trình (nhƣ cầu, cống, đập,..). Nhánh công trình xem nhƣ không có chiều dài. Tùy thuộc loại nhánh mà trong thuật toán sẽ áp dụng các công thức khác nhau. 2.1.4.2 Cách đánh số và quy định chiều dương: Việc đánh số và quy định chiều dƣơng chỉ là quy ƣớc để khi xuất kết quả có thể nhận biết đƣợc các vị trí và biết chiều dòng chảy trên từng nhánh sông (nhất là đối với vùng ảnh hƣởng triều). Các quy ƣớc dƣới đây sẽ đƣợc sử dụng : Đối với một nhánh trong (nhánh nối hai hợp lƣu hay nối một hợp lƣu với thƣợng/hạ lƣu công trình), chiều dƣơng đƣợc quy định tùy ý. Đối với nhánh biên (nhánh nối một nút hợp lƣu với một nút biên) chiều dƣơng đƣợc quy ƣớc luôn hƣớng ra biên. Sau khi đã quy định chiều dƣơng của mỗi nhánh thì nếu dòng chảy chảy theo hƣớng dƣơng của nhánh, lƣu lƣợng sẽ mang dấu cộng (+) hay dấu trừ (-) trong trƣờng hợp ngƣợc lại; còn dòng chảy từ biên vào (hay từ biển vào sông khi triều lên) lƣu lƣợng sẽ có dấu trừ (-). Hƣớng dƣơng của dòng chảy qua công trình luôn quy định từ thƣợng lƣu đến hạ lƣu. 44 Các nhánh sông (gồm cả nhánh trong nối hai nút hợp lƣu hoặc nhánh biên nối một nút hợp lƣu với một biên) đƣợc đánh số thứ tự từ 1, 2,.. đến hết. Các công trình (xem nhƣ loại nhánh đặc biệt) cũng đƣợc đánh số thứ tự độc lập, cũng bắt đầu từ 1, 2,..đến hết. Để phân biệt trong tính tóan, các nhánh sông và cả nhánh công trình đƣợc phân lọai là ở trong hay ở biên: + Nhánh trong: gồm cả nhánh công trình (nhánh nối 2 hợp lƣu, hoặc một hợp lƣu với thƣợng/hạ lƣu công trình) đƣợc phân loại là 0 (chỉ số phân loại ID=0) + Nhánh biên: gồm cả nhánh công trình ở biên (nhánh nối một hợp lƣu hay thƣợng/hạ lƣu với một biên) đƣợc phân loại khác không, chỉ số phân loại ID= số thứ tự biên mà nhánh đó phụ thuộc. Ví dụ ID=5 có nghĩa là nhánh đó là biên và lấy giá trị của biên số 5. Có nhiều nhánh biên, tuy khác nhau về mặt vật lý (các sông khác nhau) nhƣng cùng chịu ảnh hƣởng của một điều kiện biên cho trƣớc thì cùng có một chỉ số phân lọai. Ví dụ sông Lòng Tầu và Sòai Rạp có cùng một chỉ số phân loại biên vì có thể cùng lấy giá trị mực nƣớc tại Vũng Tàu. Những biên cho lƣu lƣợng Q thì chỉ số phân loại biên đƣợc thêm dấu trừ (-) vào trƣớc số thứ tự biên. Các nút hợp lƣu (gồm cả nút thƣợng/hạ lƣu công trình) đƣợc đánh số liên tiếp từ 1, 2,… đến hết. Các nút biên đƣợc đánh số riêng rẽ độc lập với nút hợp lƣu và cũng bắt đầu từ 1, 2,..cho đến hết. Sau đó nút biên lƣu lƣợng thì đƣợc thêm dấu (-). Các mặt cắt trong tòan bộ hệ thống cần mô phỏng đƣợc đánh số thứ tự liên tiếp từ 1, 2,… đến hết, lần lƣợt theo từng nhánh sông, bắt đầu từ nhánh 1 qua nhánh 2, nhánh 3… hết nhánh này qua nhánh kia. Nhƣ đã giải thích ở mục trên, để giải bài toán hệ sông trƣớc hết phải sử dụng một công thức truy đuổi, sau đó dùng các hệ số truy đuổi để thiết lập hệ phƣơng trình nút. Một số tác giả cũng sử dụng phƣơng pháp này nhƣng dạng của công thức 45 truy đuổi có khác nhau [8]. Lƣu ý rằng về mặt toán học các công thức truy đuổi, về nguyên tắc, cho các kết quả tƣơng đƣơng, tuy nhiên do sai số làm tròn trong máy tính, các công thức truy đuổi khác nhau chƣa chắc đã cho kết quả tƣơng đƣơng do các sai số tích lũy khi làm tròn số trên máy tính. 2.1.5 Công thức truy đuổi để tính mực nƣớc và lƣu lƣợng trong từng nhánh sông trong trƣờng hợp tính toán hệ thống sông Để có thể thiết lập hệ phƣơng trình tại các hợp lƣu (hệ phƣơng trình nút), ngòai công thức truy đuổi thuận (2-21) ta sẽ dùng một công thức truy đuổi ngƣợc theo chiều từ mặt cắt cuối nhánh jN đến mặt cắt đầu nhánh j1: Công thức truy đuổi ngƣợc: Zj Qj 1 p j .Q j q j .Z jN t j .Q j v j .Z j rj m j .Z jN (2-24) sj với j = jN-1, jN-2,…, j Các hệ số p j , q j , ..., m j , s j đƣợc gọi là các hệ số truy đuổi ngƣợc, các giá trị xuất phát là pjN+=0, qjN+=1, rjN+=0; ZjN là mực nƣớc tại mặt cắt cuối nhánh (trong (2-19) dùng mực nƣớc Zj1 tại đầu nhánh). Cách thu nhận các hệ số truy đuổi ngƣợc cũng tƣơng tự nhƣ cách làm trong thu nhận hệ số truy đuổi thuận nêu trong các công thức từ (2-20) đến (2-23). Biểu thức của các hệ số truy đuổi ngƣợc nhƣ sau: p jN 0 ; q jN 1 ; rjN 0 ; tj B1 ; vj N1 A1 ; zj N1 C1.q j N1 1 46 sj E1 C1.rj N1 1 ; pj Với N1 D1 C1. p j 1 ; N 2 tj R5 N2 ; qj zj N2 ; rj sj R6 N2 (2- 25) R 4 v j ; R4, R6 là các biểu thức trong (2-20),(2-21) Cách sử dụng (2-19) là lƣu giữ các hệ số truy đuổi thuận để vừa dùng để thiết lập hệ phƣơng trình nút vừa để tính mực nƣớc và lƣu lƣợng tại từng mặt cắt trong từng nhánh, còn các hệ số của truy đuổi ngƣợc (2-25) chỉ dùng cho thiết lập hệ phƣơng trình nút mà không cần lƣu giữ lại gây tốn bộ nhớ. 2.1.6 Xây dựng hệ phƣơng trình có ẩn là mực nƣớc tại các nút hợp lƣu Trong một hệ thống sông, tại một nút hợp lƣu I có thể có nhƣ trong Hình 2-7: Hình 2-7: Các nhánh sông (có thể có) tại nút hợp lƣu, trƣờng hợp tính thủy lực kênh sông a) Với một nhánh trong nối hai nút hợp lƣu có chiều dƣơng từ JV đến I (chảy vào nút I) Hình 2-8: Nhánh trong nối 2 hợp lƣu JV và I, các mặt cắt đánh số từ k1 tới kN Với các nhánh trong, hai đầu nhánh là hai hợp lƣu nên có mực nƣớc ZI và ZJV đều chƣa biết và các điều kiện liên tục (2-3) cho: ZJV = Zk1; ZI = ZkN. Ta phân 47 biệt các ký hiệu: ZI là mực nƣớc tại hợp lƣu thứ I, còn ZkN là mực nƣớc tại mặt cắt cuối nhánh tiếp giáp với nút hợp lƣu I của nhánh sông thứ k; cũng tƣơng tự với ZJV và Zk1. Từ phƣơng trình thứ nhất của (2-19) ta có: Z kN pkN .QkN qkN .Z k1 rkjN . Sau khi thay điều kiện hợp lƣu Zk1= ZJV ; ZkN ; ZkN = ZI sẽ có: 1 ZI p kN qk N Z JV rk N Qk N pk N (2-26) Phƣơng trình (2-26) dùng để khử QkN tại nút I. Từ (2-25), khi truy đuổi ngƣợc cho nhánh nối nút I với nút JR (chiều dƣơng của nhánh hƣớng từ nút I tới nút JR), các mặt cắt đƣợc đánh số thứ tự từ i1 tới iN và áp dụng điều kiện hợp lƣu (2-3) ta có: Hình 2-9: Nhánh trong nối hai hợp lƣu I và JR , các mặt cắt đánh số từ i1 tới iN (nhánh chảy ra từ nút I) 1 qi1 Z JR pi1 ' ZI Qi1 ri1 pi1 (2-27) Phƣơng trình (2-27) dùng để khử Qj1 tại nút I. b) Với nhánh biên nối hợp lƣu I với nút biên J (tại đây cho trƣớc mực nƣớc Z hay lƣu lƣợng Q) - Tại J cho lƣu lƣợng QmN = Qb (mặt cắt đƣợc đánh số thứ tự từ m1 đến mN) Hình 2-10: Sơ đồ nhánh biên thứ m nối hợp lƣu I với biên J (cho lƣu lƣợng Qb) Tại nút J ta biết trƣớc QmN = Qb, sử dụng công thức thứ nhất của (2-19) và điều kiện (2-3): 48 ZJ qm N Z I pm N Qb rm N Quét ngƣợc theo (2-24) sẽ đƣợc Z I qm1 qm N pm1 - 1 ZI Qm1 (2- 28) pm1Qm1 qm1Z J rm1 qm1 rm N rm1 ; Dùng (2-28) sẽ có: pm N Q b pm1 (2- 29) Tại biên J cho trƣớc ZnN = Hb (các mặt cắt đƣợc đánh số từ n đến nN) Hình 2-11: Sơ đồ nhánh biên thứ m nối hợp lƣu I với biên J (cho mực nƣớc Hb) Dùng công thức tƣơng tự (2-27) để khử Qj1 tại nút I. Tuy nhiên, do ZnN =Hb đã biết nên dạng tƣơng tự (2-29) sẽ là : 1 ZI p n1 Qn1 rn1 qn1 H b pn1 (2-30) Các công thức từ (2-26) đến (2-30) đều biểu diễn mối liên hệ lƣu lƣợng đầu nhánh Qj1 hay lƣu lƣợng cuối nhánh QjN với mực nƣớc nút I đầu nhánh ZI và mực nƣớc nút J cuối nhánh là ZJ. Sử dụng điều kiện bảo toàn lƣu lƣợng tại nút (2-3) có thể khử đƣợc các giá trị Q, phƣơng trình còn lại chỉ chứa mực nƣớc tại nút đó với mực nƣớc tại nút lân cận trong đó đã chứa các giá trị biên mực nƣớc hoặc lƣu lƣợng đã biết. Tổng hợp các trƣờng hợp nêu trên cho quá trình xây dựng hệ phƣơng trình tại các nút hợp lƣu sẽ nhƣ sau: Để thiết lập hệ phƣơng trình nút ta xét một nút hợp lƣu I; có thể có các trƣờng hợp sau (xem Hình 2-7): Có JV nhánh có chiều dƣơng chảy vào nút I, ta dùng chỉ số k để đếm thứ tự các nhánh loại này. Sử dụng (2-26) tính tổng lƣu lƣợng vào nút I: 49 JV k qk N JV 1 pk N ZI pk N k JV (k ) Z JV JV rk N k pk N Qk N k (2- 31) Có JR nhánh (không phải nhánh biên) có chiều dƣơng chảy ra khỏi nút I, dùng chỉ số i để đếm thứ tự các nhánh loại này. Sử dụng (2-27) để tính tổng lƣợng nƣớc ra khỏi nút I trong trƣờng hợp này: JR i qi 1 ( i ) Z JR pi1 JR JR 1 pi1 ZI i JR ri1 i pi1 Qi1 i (2-32) Có MQ nhánh biên nối với nút I mà tại cuối nhánh (biên) cho biết trƣớc lƣu lƣợng (nhánh biên lƣu lƣợng). Dùng chỉ số m để đếm thứ tự các nhánh loại này. Sử dụng (2-29) để tính tổng lƣợng chảy ra: MQ ZI qm1 qm N 1 MQ Qm1 pm1 m MQ m rm1 qm1 rm N pm N Qbm pm1 m (2-33) trong đó Qbm là giá trị biên lƣu lƣợng đã biết tại cuối nhánh thứ m. Có MH nhánh biên cho mực nƣớc nối với nút I. Dùng chỉ số n để đếm thứ tự các nhánh loại này. Sử dụng (2-30) để tính tổng lƣợng chảy ra: MH ZI n 1 pn1 MH MH rn1 qn1H bn n pn1 Qn1 n (2-34) trong đó Hbn là giá trị biên mực nƣớc đã biết tại cuối nhánh thứ n. Từ điều kiện bảo toàn lƣu lƣợng tại nút I (tổng lƣợng vào bằng tổng lƣợng ra, khi bỏ qua sự biến đổi theo thời gian của diện tích mặt hợp lƣu) ta có: 50 JV MQ JR Qk N Qi1 k MH Qm1 i Qn1 m 0 (2-35a) n Trong trƣờng hợp có xét tới sự thay đổi theo thời gian của diện tích mặt hợp lƣu F của nút I thì (2-35a) có dạng sau: JV MQ JR Qk N Qi1 k MH Qm1 i Qn1 m F n dZ I dt (2-35b) Với (2-35a) hay (2-35b), sử dụng các điều kiện từ (2-26) đến (2-30) có thể khử đƣợc các giá trị Q và đƣợc một phƣơng trình sau đây chỉ chứa mực nƣớc tại nút I và các nút hợp lƣu lân cận mà ta gọi là phƣơng trình nút: MQ qm1 qm N 1 JV m pm1 k ZI JV k rk N JR ri1 MQ pk N i pi1 m JR 1 pk N i 1 pi1 rm1 qm1 rm N pm1 MH n JV 1 pn1 k m b pmN Q qkN ( k ) Z JV pk N MH n JR rn1 qn1H i qi1 (i ) Z JR pi1 (2-36) n b pn1 Nếu sử dụng (2-35b) thì phải thêm số hạng đạo hàm FdZI/dt. Phƣơng trình (2-36) đƣợc viết lại dƣới dạng: LN AII Z I AI J Z J CI I 1, 2,..., LN (LN là tổng số các nút hợp lƣu) (2- 37) I J Mỗi một nút hợp lƣu ta có một phƣơng trình (2-37) và với LN nút có LN phƣơng trình với các ẩn số Z1, Z2,…, ZLN . Lƣu ý rằng LN là tổng số các hợp lƣu không kể biên cho nên bậc của tòan hệ rất nhỏ so với tổng số mặt cắt nếu giải trực tiếp hệ sai phân cho toàn hệ sông. Sau khi giải hệ (2-37), đối với nhánh sông nối hai nút hợp lƣu (nhánh trong), ta có đƣợc mực nƣớc tại hai đầu nhánh sông, còn đối với nhánh nối một hợp lƣu với một biên (nhánh biên) ta có một đầu là mực nƣớc tại hợp lƣu còn đầu kia là biên đã cho biết trƣớc mực nƣớc (biên mực nƣớc) hoặc lƣu lƣợng (biên lƣu lƣợng). Nhƣ vậy có thể sử dụng trở lại hệ (2-19) để tính mực nƣớc và lƣu lƣợng tại từng mặt cắt trong từng nhánh sông. Lƣu ý rằng các hệ số truy đuổi thuận của (2-19) đã đƣợc tính và lƣu giữ trong khi thiết lập hệ phƣơng trình nút nhƣ trình bày ở trên. 51 2.1.7 Vấn đề thực hành khi thiết lập các hệ số của phƣơng trình nút (2-36) và phƣơng pháp giải 2.1.7.1 Cách thiết lập các hệ số của ma trận trong thực hành tính toán Trong lập trình, để tính toán sẽ thực hiện quét lần lƣợt theo từng nhánh sông nối hai nút hợp lƣu (I, J) hoặc nối một nút I với một biên. Do cách qui định chiều dƣơng và cách đánh số thì I bao giờ cũng là nút trong (cũng có thể là nút thƣợng hạ lƣu công trình), còn J có thể là nút hợp lƣu (hay một nút thƣợng/hạ lƣu công trình), có thể là nút biên. Xét một nút I thì sẽ có các thành phần sau đây của ma trận hệ số: aii, aij và vế phải ký hiệu là ci, còn với nút J, một cách tƣơng tự, ma trận hệ số sẽ có các thành phần ajj, aji và vế phải cj. Nhƣ vậy, mỗi lần xét một nhánh sông nối 2 nút I, J thì ta dùng các biểu thức từ (2-26) đến (2-30) để xây dựng một phần cho các hệ số aii, aij, ajj, aji, ci , cj khi quét tất cả các nhánh thì cũng hoàn tất thiết lập các ma trận trong phƣơng trình (2-36). Chẳng hạn từ (2-27) lƣu hệ số dồn); lƣu hệ số 1 vào ô nhớ chứa aii (bằng cách cộng pi1 qi1 vào ô nhớ chứa aij; lƣu hệ số pi1 Từ (2-26) lƣu hệ số nhớ chứa aji ; lƣu hệ số rkN pkN ri1 pi1 vào ô nhớ chứa ci; 1 vào ô nhớ chứa hệ số ajj ; lƣu hệ số p kN qkN vào ô p kN vào ô nhớ chứa hệ số cj . Với các nhánh biên có nút xuất phát là hợp lƣu, còn nút cuối là biên cho H hoặc cho Q ta sử dụng các công thức (2-30) và (2-31). Thủ tục thiết lập ma trận hệ số sẽ nhƣ sau: 52 Chẳng hạn từ công thức (2-30), biên lƣu lƣợng Q, lƣu hệ số ô nhớ chứa hệ số aii, còn hệ số rm1 qm1 rm N pmN Qbm pm1 qm1 qm N 1 pm1 vào đƣợc lƣu vào ô nhớ chứa ci ; Từ công thức (2-31), biên mực nƣớc H, lƣu hệ số số aii , còn hệ số rn1 qn1H bn pn1 1 vào ô nhớ chứa hệ pn1 đƣợc lƣu vào ô nhớ chứa ci . Lƣu ý rằng quá trình lƣu vào ô nhớ là quá trình cộng dồn, cho nên khi quét hết các nhánh sông thì ma trân hệ số cũng đƣợc thiết lập. Cũng lƣu ý rằng ma trận hệ số aii rất thƣa, vì thế để giải nhanh và tiết kiệm ô nhớ thì cần thêm một ma trận chứa các chỉ số dòng và cột của phần tử khác không trong ma trận nhƣ đƣợc trình bày trong thuật toángiải ở mục dƣới đây. 2.1.7.2 Cách giải hệ phương trình (2-36) hay (2-37) Trong sơ đồ mạng sông kênh, tại một hợp lƣu I nào đó thƣờng có không quá chín nhánh sông gặp nhau (phổ biến là ba hoặc bốn), vì thế trên mỗi hàng của hệ (237) không có quá mƣời phần tử khác không (thƣờng là bốn hoặc năm). Có nhiều cách giải khác nhau, chẳng hạn giải lặp, giải trực tiếp,... Ở đây sử dụng phƣơng pháp giải ma trận thƣa của Gupta [8]. Cũng có thể sử dụng phƣơng pháp thặng dƣ liên tiếp SOR (Successive OverRelaxation). Phƣơng pháp này giải rất nhanh, đặc biệt đối với bài toán hai chiều, tuy nhiên ngƣời sử dụng cần có kinh nghiệm xử lí khi chọn nhân tử hội tụ. Phƣơng pháp của Gupta dùng để giải các ma trận thƣa không đối xứng và luôn bảo đảm hội tụ. Theo kết quả so sánh với các phƣơng pháp khác [8], phƣơng pháp của Gupta vừa ít tốn thời gian, ít tốn ô nhớ lƣu trữ, vừa bảo đảm hội tụ. Dƣới đây là tóm tắt phƣơng pháp với một số cải biên nhỏ để có thể sử dụng trong tính nhiều lần cho bài toán phụ thuộc thời gian. Trong tính toáncác phần tử khác không 53 của ma trận hệ số đƣợc lƣu giữ trong một ma trận, chẳng hạn ma trận A và dùng một ma trận khác, chẳng hạn NCOL, để giữ chỉ số cột của phần tử khác không đó. Cũng dùng một vector cột, chẳng hạn IBANDW, để chứa số các phần tử khác không trên mỗi hàng. Quá trình khử đƣợc bắt đầu với hàng có số phần tử khác không nhỏ nhất. Trong hàng đƣợc khử sẽ chọn phần tử có giá trị tuyệt đối lớn nhất làm phần tử để khử, do đó quá trình khử luôn hội tụ. Một số chi tiết của phƣơng pháp nhƣ sau: (1) Số lƣợng phần tử khác zero (số không) trên mỗi hàng đƣợc chứa trong mảng (véc tơ cột) IBANDW. Mảng này đƣợc dùng để tìm hàng trội cũng nhƣ để tính toánvới các hàng khác có chứa phần tử khác 0 trong cột trội. (2) Hàng có số phần tử khác zero nhỏ nhất đƣợc xác định từ mảng IBANDW. Hàng này trở thành hàng trội (MINROW). Nếu hàng này không nằm cùng dãy với MINROW đứng trước, nó sẽ được đổi chỗ với hàng nằm cùng dãy với MINROW đứng trước. (3) Những phần tử chứa trong MINROW đƣợc dùng để xác định phần tử có giá trị tuyệt đối lớn nhất. Phần tử lớn nhất này sau đó trở thành phần tử trội. Nhận dạng cột (MAXCOL) của phần tử trội đối với mỗi MINROW đƣợc chứa trong mảng NPIV. (4) MINROW đƣợc chuẩn hóa bằng cách chia nó cho phần tử trội. (5) Vì hàng MINROW đƣợc sử dụng nhiều lần để khử cho các phần tử trong MAXCOL của những hàng còn lại, nên về căn bản, thời gian tính toánđƣợc giảm đi do sự tạo ra hai mảng một chiều riêng biệt mới của những phần tử MINROW và các chỉ số cột của chúng (NNCOL). (6) Đối với mỗi hàng còn lại dƣới MINROW, việc tìm kiếm cột theo cột của NCOL đƣợc tiến hành, dù hàng đó chứa phần tử khác 0 trong MAXCOL hay không thông qua những khả năng sau: (a) Nếu giá trị chứa trong cột của hàng đƣợc tìm kiếm nhỏ hơn MAXCOL thì việc tìm kiếm của hàng này cần phải đƣợc tiếp tục. 54 (b) Nếu giá trị chứa trong cột lớn hơn MAXCOL thì hàng này không chứa phần tử MAXCOL và một hàng mới đƣợc lựa chọn. (c) Nếu giá trị chứa trong cột bằng với MAXCOL thì hàng này (NOPROW) dùng để khử phần tử trong MAXCOL. Điều này đƣợc thực hiện nhƣ sau: (d) Các phần tử MINROW đƣợc nhân với phần tử âm trong MAXCOL của NOPROW. (e) NOPROW và MINROW đƣợc cộng thêm để đạt đƣợc những giá trị mới của các phần tử trong NOPROW. (f) Các phần tử nhập vào trong NOPROW nằm bên phải của phần tử bị khử đƣợc di chuyển sang bên trái, vì vậy loại trừ phần tử khử từ ô chứa. (g) Tất cả các phần tử còn lại trong NOPROW đƣợc so sánh với một giá trị ZTEST (các phần tử nhỏ hơn giá trị này đƣợc coi là zero) để thấy bất kỳ phần tử nào dù có khác với phần tử trong MAXCOL hay không đều đƣợc khử. Nếu vậy, thì hàng đƣợc lấp đầy hơn nữa để khử ô chứa zero giữa các phần tử khác zero của hàng. Nếu số lƣợng phần tử khác zero của NOPROW đƣợc tìm thấy trở thành zero thì chƣơng trình dừng lại. (7) Chƣơng trình tiếp tục lặp cho đến khi một phần tử trội đƣợc lựa chọn cho mỗi hàng và cột. (8) Sự thay thế ngƣợc sẽ giải phƣơng trình. Nghiệm đƣợc giữ trong vector B. 2.1.8 Thuật toán cho dòng chảy qua công trình Các công trình phổ biến đƣợc xây dựng trong dòng chảy là cầu, cống, đập. Vì khi qua công trình dòng chảy chịu tổn thất và không thể áp dụng phƣơng trình Saint-Venant trong tính toán, thay vào đó phải xuất phát từ tích phân Bernoullie. Có thể thấy rằng trong một số mô hình thuỷ lực của châu Âu, với hệ thống kênh sông có các mặt cắt ít thay đổi (do bê tông hoá) và để phục vụ cho thiết kế công trình, việc tính toán công trình đƣợc làm khá chi tiết với nhiều loại công trình khác nhau (chẳng hạn nhƣ trong mô hình ISIS [8]). Tuy nhiên với các hệ thống kênh sông phức tạp nhƣ ở ĐBSCL, mô hình thuỷ lực thƣờng chỉ cho bức tranh chung về dòng chảy, còn khi thiết kế công trình các kỹ sƣ thƣờng dùng các chƣơng trình máy tính 55 hoặc phƣơng pháp chuyên biệt, vì thế với mục đích mô phỏng, xu thế chung là đƣa vào mô hình thuỷ lực các dạng cơ bản của công trình nhƣ đập tràn, cống chảy tự do hoặc chảy ngập. Về mặt hình dạng, các cống (một hoặc nhiều cửa) phổ biến ở ĐBSCL thƣờng có dạng hình chữ nhật. Cách vận hành cũng là đóng mở theo trục quay ngang, hoặc kéo lên xuống theo chiều thẳng đứng. Tùy thuộc quan hệ mực nƣớc giữa thƣợng và hạ lƣu cống mà chế độ dòng chảy là tự do hay chảy ngập. Tại các vị trí cầu thì dòng chảy cũng bị co hẹp, nhƣng mặt cắt dòng chảy dƣới cầu có dạng của mặt cắt kênh. Để tổng quát trong tính toán, mặt cắt cống và mặt cắt dƣới cầu cho theo dạng chiều rộng phụ thuộc vào từng cấp nƣớc (nhƣ mặt cắt kênh). Dƣới đây tóm tắt một số công thức tính toán lƣu lƣợng dòng chảy qua công trình (Xem ký hiệu trên Hình 2-12): a) Các quy luật chảy qua cống Công thức xuất phát: H trong đó h Q 2 g ba 2 Q ba 2 g H h là hệ số tổn thất cột áp. Áp dụng (2-38) ta sẽ có các trƣờng hợp sau đây (đặt b 2g ): Trong đó: b là chiều rộng, độ mở cống a = Zt – Zd; hg là chiều cao cửa cống) Hình 2-12: Tính toán lƣu lƣợng dòng chảy qua công trình (2-38) 56 (1) Nếu h - Nếu a mH: chảy tự do: mH: chảy tự do chịu ảnh hƣởng độ mở a: QgF a H (2-39) a - Nếu a > mH: chảy tự do trên đập tràn: QwF H 3/2 trong đó = 0.385 nếu m=2/3 (2-40) (2) Nếu h > mH: chảy ngập, cũng phân biệt hai trƣờng hợp nhƣ dƣới đây: - Nếu a h: chảy ngập không chịu ảnh hƣởng của độ mở cống: QwD h H (2-41) h - Nếu a > h: chảy ngập chịu ảnh hƣởng của độ mở cống: QgD a H h (2-42) Trong tính toán các nhà thuỷ lực Pháp (SOGREAH) thƣờng lấy m=2/3 [8]; trong một số sách thuỷ lực cũng đôi khi thấy m= 0,75 Dễ thấy nếu a = h = mH sẽ có: QwD QwF QgD 08; QwD . Đây là điều mà ít nhà mô hình để ý khi sử dụng trong mô hình, dẫn đến có gián đoạn hoặc mất ổn định khi chuyển tiếp chế độ dòng chảy. Cũng lƣu ý rằng trong trƣờng hợp cánh cửa cống mở xoay ngang thì thƣờng lấy a H (1 )h với =0,55 hoặc 2/3. Các công thức từ (2-39) đến (2-42) đƣợc dùng trong các mô hình thuỷ lực để tính dòng chảy qua công trình và mô phỏng dòng chảy tràn giữa các ô đồng hoặc ô đồng với sông khi tính lũ. b) Công thức tính cống đƣợc sử dụng trong mô hình DELTA Những công thức và diễn giải ở trên cho thấy tính toán với công trình rất phức tạp và chủ yếu thích hợp cho công tác thiết kế. Trong tính toán thủy lực hệ thống sông, mối quan tâm là bức tranh toàn cục và xu thế biến đổi. Mặt khác, đối 57 với ĐBSCL, các công trình thƣờng là đập hay cống dạng chữ nhật vì thế có thể lựa chọn các tính toán đơn giản. Dƣới đây là các luật chảy qua cống đƣợc lựa chọn, các ký hiệu tƣơng ứng xem trên Hình 2-12. Để xét điều kiện chảy ngập hay chảy tự do, trong các tài liệu hay sử dụng điều kiện h (1) Chảy tự do nếu: h H với =2/3 H . Phân biệt 2 trƣờng hợp: - Chảy tự do nhƣng ảnh hƣởng bởi độ mở cống khi độ mở a H: QgF= a(H-a)0.5 (2-43) - Chảy tự do trên đập tràn khi a > H : (2-44) (2) Chảy ngập nếu h QwF= H1.5 H. Phân biệt 2 trƣờng hợp: - Với a h chảy ngập ảnh hƣởng độ mở a: QgD= a(H-h)0.5 (2-45) - Với a > h : chảy ngập trên đập tràn : (2-46) QwD= h(H-h)0.5 Hệ số =0,385; Lƣu ý rằng khi a=h= H sẽ có QgF = QwF QgD= QgD = QwD (2-47) Điều kiện này bảo đảm ở trạng thái tới hạn các công thức sẽ nhƣ nhau, nhiều mô hình không tôn trọng điều kiện dẫn đến gián đoạn đôi khi mất ổn định tính toán. Lƣu ý rằng độ mở a của cống đƣợc lấy nhƣ chiều cao mực nƣớc trên ngƣỡng cống và lấy theo trọng số giữa cột nƣớc thƣợng và hạ lƣu theo công thức (2-48). Việc xác định diện tích chảy qua cống phụ thuộc vào cách xác định độ mở a của cống. Dạng cống trên Hình 2-14 (trái) ít phổ biến nhƣ dạng trên Hình 2-14 (phải). Trong trƣờng hợp này độ mở a (hay chiều cao cột nƣớc trên ngƣỡng cống) đƣợc đề nghị tính theo công thức sau: a H (1 )h với 0,5 1 (2-48) Tùy trƣờng hợp cần tính ảnh hƣởng của thƣợng hoặc hạ lƣu mà chọn giá trị của nhƣ đƣợc thảo luận trong mục về xem xét ổn định của dòng chảy qua cống đƣợc trình bày trong phần dƣới đây. 58 Hình 2-13: Sơ đồ hóa luật chảy qua công trình/cống Hình 2-14: Cống có cửa kéo lên xuống (trái) và cống cánh cửa xoay ngang (phải) c) Tính toán dòng chảy qua cống trong sơ đồ tính của hệ thống kênh sông Nhƣ đã nêu ở phần trên, công trình đƣợc xem nhƣ một nhánh sông đặc biệt cũng nối hai nút, có nút thƣợng lƣu và nút hạ lƣu. Mực nƣớc H tại thƣợng lƣu nói chung khác mực h ở hạ lƣu. Do luật bảo toàn, lƣu lƣợng thƣợng và hạ lƣu công trình phải nhƣ nhau. Nút thƣợng lƣu công trình nối trực tiếp với một nhánh sông, còn nút hạ lƣu có thể nối với một đầu nhánh sông hoặc nối với một biên cho biết trƣớc mực nƣớc (nhƣ cống ngăn triều hay lấy nƣớc ở biển). Nhƣ vậy, nếu khi thiết 59 lập hệ phƣơng trình nút có tính tới các nhánh công trình thì sau khi giải hệ này sẽ có đƣợc mực nƣớc thƣợng hạ lƣu tại từng công trình. Vấn đề là từ các luật làm việc của công trình dạng (2-43) đến (2-46) xây dựng các mối quan hệ tƣơng tự nhƣ (226) đến (2-30), từ đó có thể khử Q tại các nút để có hệ phƣơng trình dạng (2-17). Dƣới đây sẽ giới thiệu chi tiết quá trình tính toánvừa nêu. Chẳng hạn một nhánh công trình nối hai nút K1 (thƣợng lƣu) và K2 (hạ lƣu) nhƣ Hình 2-15. Hình 2-15: Cách ghép công trình trong sơ đồ tính toán Chẳng hạn công trình nối hai nút K1 và K2 nhƣ Hình 2-15. Mực nƣớc ở thƣợng lƣu (tại mặt cắt i) tại thời điểm t là H, tại t + t là H’, còn tại hạ lƣu (tại mặt cắt i +1) các mực nƣớc tƣơng ứng là h và h’. Lƣu lƣợng tƣơng ứng ở thƣợng lƣu là Q và Q’ còn ở hạ lƣu tƣơng ứng là q và q’ . Bằng cách vi phân các luật (2-43), (2-46) và sử dụng điều kiện bảo tòan lƣu lƣợng Q=q (Hay Q’=q’) ta sẽ có hệ phƣơng trình cho mối liên hệ giữa H’ và h’ . Các luật nêu trên có thể viết chung theo quan hệ hàm: Q = f ( H, h) do đó: Q f H H f h ... Với h (1) Với luật (2-43): Q’gF = Q = Q’ – Q (2-49) a ( H’ – a )1/2 , bằng cách vi phân theo (2-49) và sau khi biến đổi ta có : ' QgF a H' 2 H a a ( H 2a ) ' ; QgF 2 H a ' qgF Hoặc (bỏ chỉ số gF): - 0,5 a( H –a )-1/2 H’ = - Q’ + 0,5 a( H –2a )( H –a )-1/2 60 0,5 a( H –a )-1/2 H’ = q’ - 0,5 a( H –2a )( H –a )-1/2 Cũng làm tƣơng tự đối với các luật chảy khác ta có: (2) Với luật (2-44) : Q’WF = - 1,5 H1/2 . H’ = - Q’ – 0,5 .H3/2 1,5 H1/2 . H’ = q’ + 0,5 .H3/2 0,5 ( với = ) (2-51) a ( H’ – h’ )1/2 (3) Với luật (2-45) : Q’gD = - 0,5 H’3/2 (2-50) - 0,5 a( H – h )-1/2 H’ + 0,5 a( H – h )-1/2 h’ = - Q’ + 0,5 0,5 a( H – h )-1/2 H’ - 0,5 a( H – h )-1/2 h’ = q’ - 0,5 a( H – h )1/2 a( H – h )1/2 (2-52) (4) Với luật (2-46) : Q’WD = .h’ ( H’ – h’)1/2 ( 2H – 3h )( H – h )-1/2 h’ - 0,5 h( H – h )-1/2 H’ = - Q’ - 0,5 ( 2H – 3h )( H – h )-1/2 h’ + 0,5 h( H – h )-1/2 H’ = q’ + 0,5 h H – h )1/2 h H – h )1/2 (2-53) Công thức (2-49) đến (2-53) là các phƣơng trình dùng để lập các quan hệ tại nút (hợp lƣu) cũng giống nhƣ các phƣơng trình (2-26) đến (2-30). Do tổng lƣu lƣợng tại nút bằng không, do đó các đại lƣợng Q’ và q’ trong (2-49) và (2-53) đƣợc khử đi chỉ còn H’ và h’ là ẩn số. Lƣu ý rằng thuật toán trên không chỉ áp dụng cho các công trình bên trong của nhánh mà còn áp dụng cho công trình ngay sát hợp lƣu của ba hay bốn nhánh hoặc công trình ở sát biển tại đây biết mực nƣớc ở hạ lƣu. d) Vấn đề ổn định trong tính toán dòng chảy qua công trình Ta xét một công trình có mực nƣớc thƣợng lƣu không đổi Zk còn mực nƣớc hạ lƣu là Zi. Do đặc điểm địa hình và điều kiện thuỷ văn mực nƣớc Zi giảm dần (từ b xuống vị trí c nhƣ trong Hình 2-16) trong khi Zk giảm không đáng kể. Hình 2-16: Sơ đồ công trình 61 Do lƣu lƣợng Q chảy qua công trình phụ thuộc vào Zk – Zi nên ta có Qac > Qab trừ khi diện tích mặt cắt ngang trên đỉnh đập bị giảm. Việc tăng này cho đến khi Q đạt giá trị Qmax và sau đó Q bắt đầu giảm khi Zi tiếp tục giảm. Trong tính toán ta đã dùng Zk công (1 thức (tƣơng tự luật (2-46)) Qik A( ) Z k Zi với ) Zi và A là diện tích chảy trên ngƣỡng công trình, công thức này không phản ánh đúng thực tế vừa nêu và tính toán trở nên mất ổn định. Chẳng hạn xét công thức tƣơng tự (2-46) sau đây : Q i ,k với τ = .A ).Zi . Khi đó, các đạo hàm tƣơng ứng sẽ là: .Zk + (1 Qi ,k zk . . Qi ,k zi Z k Zi .(1 A zk ). A 0.5 . A zi zk zk zi (2-54) zi 0.5 . A zk (2-55) zi Giả sử mực nƣớc thƣợng lƣu Zk không đổi. Khi Zi giảm thì lƣu lƣợng tăng và do đó đạo hàm Qik phải âm, tức là khi Zi giảm thì Qik tăng và đạt cực trị (lớn Zi nhất) khi đạo hàm này bằng 0 (zero). Tuy nhiên, độ sâu trên đập tràn phụ thuộc vào mực nƣớc ở hạ lƣu do đó lƣu lƣợng sẽ đạt giá trị lớn nhất, sau đó do mực nƣớc hạ lƣu tiếp tục giảm thì lƣu lƣợng giảm theo (diện tích A giảm) và khi đó đạo hàm phải dƣơng. Hiện tƣợng này có thể tạo ra dao động trong tính toán. Để tránh hiện tƣợng này phải thử dấu của đạo hàm theo Zi và khi đạo hàm bắt đầu dƣơng ta lấy =1, tức là τ = Zk. Nhƣ vậy tuỳ trƣờng hợp mà ta lấy ảnh hƣởng của thƣợng lƣu hay cả thƣợng và hạ lƣu trong công thức tính diện tích chảy trên đỉnh ngƣỡng công trình. Lƣu ý rằng hiện tƣợng này xảy ra với chế độ chảy ngập và là một xử lý tinh tế trong quá trình lập trình. Một số mô hình gặp trƣờng hợp này đã lấy trung bình ngày để làm nhẵn đƣờng quá trình. 62 2.1.9 Thuật toán cho dòng chảy trên những ô đồng Trong DELTA-P phân biệt hai loại ô chứa : + Khu trữ hay ô chứa hở: Là các ô chứa thông với dòng chảy chính trong sông (các bãi dọc theo hai bờ sông, ngập khi triều lên và khô khi triều xuống), mực nƣớc trong các ô này về cơ bản không khác mực nƣớc trong dòng chính. Ô chứa loại này đóng vai trò trữ và có thể bỏ qua động lƣợng. Khi tính toán chiều rộng ô trữ dọc sông đƣợc bổ sung vào chiều rộng trữ trên từng đoạn kênh, sông. + Ô chứa kín: Là các ô có trao đổi dòng chảy với dòng chính theo một qui luật xác định tuỳ thuộc chênh lệch mực nƣớc trong ô và dòng chính. Theo mô hình SOGREAH [8], mực nƣớc Zi trong ô thứ i đƣợc tính bằng phƣơng trình (2-56a): (2-56a) Hình 2-17: Khu/ô ruộng trữ nƣớc trong tự nhiên Hình 2-18: Sơ đồ chảy giữa sông và các ô ruộng 63 Hình 2-19: Một cách sơ đồ hoá dạng đƣờng tràn Các qui luật trao đổi Qi ,k giữa các ô hoặc một ô với sông cũng đƣợc mô phỏng bằng qui luật chảy qua công trình mà chủ yếu là đập tràn (chảy ngập hoặc tự do nhƣ các công thức của mô hình SOGREAH nêu trên. Để mô phỏng sát với thực tế trong mô hình đã mô phỏng hình dạng đƣờng tràn bằng sự chồng các hình thang (hoặc hình chữ nhật) có chiều cao khác nhau và chiều rộng khác nhau từ nhỏ đến lớn (Hình 2-19). Có một số cách giải để tính mực nƣớc trong các ô chứa kín : - Giải ẩn hoàn toàn [8]: cách giải này phức tạp về thuật toán và không mềm dẻo trong sơ đồ hóa khi phải thêm bớt các điểm nối, nên không trình bày ở đây . - Giải theo phân bƣớc (nửa ẩn): Vì trong một bƣớc thời gian t mực nƣớc trong sông biến đổi nhanh hơn mực nƣớc tại tâm các ô đồng, cho nên trong bƣớc thời gian này ta giải phƣơng trình đối với hệ thống sông trƣớc để tìm mực nƣớc trong sông, sau đó giải ẩn với hệ chỉ gồm mực nƣớc trong đồng (ở đây có sử dụng một quá trình lặp bằng cách chia nhỏ thêm bƣớc thời gian và trong các bƣớc nhỏ này xem sƣ biến đổi của nƣớc sông là tuyến tính). Cách giải này đơn giản hơn về tính toán, sơ đồ hóa và lập trình nhƣng vẫn bảo đảm độ chính xác. Nhƣợc điểm là chƣa tính đƣợc độ dốc mặt nƣớc từ điểm nối đến tâm ô ruộng và do đó chƣa tính đƣợc quá trình lan truyền chất trong ô ruộng nhất là các chất không bảo toàn. Dƣới đây là cách giải chi tiết cho trƣờng hợp này. Phƣơng trình (2-56a) đƣợc viết lại dƣới dạng (2-56b); trong đó Zi là mực nƣớc tại tâm ô ruộng thứ i đang xét, còn Zk là mực nƣớc ngoài sông hoặc mực nƣớc 64 trong ô ruộng lân cận thứ k. Ri là lƣợng mƣa trên ô ruộng thứ i, Qi,k là dòng chảy giữa sông và ruộng (hoặc ruộng-ruộng) tại điểm nối (điểm tràn) và đƣợc tính bằng công thức chảy qua đập tràn tùy thuộc chế độ chảy tự do hay chảy ngập nhƣ đƣợc trình bầy trong phần dƣới ; =0,55; và là hai thông số dùng để phân biệt chế độ chảy ngập hay chảy tự do: + Chảy tự do từ sông vào ruộng (chỉ tính ảnh hƣởng của sông): =1 và + Chảy tự do từ ruộng ra sông (chỉ tính ảnh hƣởng của ruộng): =0 và + Chảy ngập (chịu ảnh hƣởng cả sông và ruộng): =1 và Fi n t Qin,k . . k zi zi Qin,k Ri k k =1 =1 Qin,k . . =0 zk (2-56b) zk Hình 2-20: Sơ đồ điểm nối sông-ô ruộng (hay ô ruộng-ô ruộng) Điều kiện chảy ngập và tự do: Nếu Zi Z d 2 Zk 3 Z d hay h 2 H thì chảy 3 ngập và chảy tự do trong trƣờng hợp ngƣợc lại. 1) Trƣờng hợp chảy tự do: Lƣu lƣợng đƣợc tính theo công thức Q Trong đó . A(Zk , Zd ) Zk Zd (2- 57) là hệ số, A là diện tích trên ngƣỡng tràn, trong trƣờng hợp chảy tự do thì diện tích A chỉ là hàm số của mực nƣớc thƣợng lƣu Zk và cao trình ngƣỡng. Đạo hàm (2-57) theo Zk : 65 Q Zk Zk A Zk Zd 2( Z k Z d ) A Zk Zd Zk Hay đạo hàm theo H=Zk-Zd (Chú ý Z k Q H Qn Với Qn 2H A H H Qn A Zk Z1 2( Z k (2- 58a) Zd ) H ): . A( H n ) H n (2-58b) Cách tính diện tích A theo sơ đồ hình thang dạng Hình 2-19: w3 w1 w2 ; w1 Đặt Nếu Z1 < H A H Z1 w1 ( w2 w1 ) 2 w1 H Z2: Z1 1 (H 2( Z 2 Z1) Nếu Z2 < H w1 (1 A H w1 ( H Z1) 2 ( 2 A H Z1) 2 w1 1 ( 1) H Z1 Z 2 Z1 1)( H Z1) Z 2 Z1 Z3: A ( w1 w2 ) Từ đó H Z1 w1 Z 2 Z1 ) Z 2 Z1 w2 H 2 Z 2 Z1 w1 2 w1 1 ( H Z2 Z2 ( w3 w2 )( H Z 2) 2 2w2 ( Z 3 Z 2) 2 ( Z 3 Z 2) (H Z 2) 2 )( H Z 2) ( Z 3 Z 2) Nếu Z3 < H : A ( w1 w2 ) w1 (1 2 Z 2 Z1 ( w2 2 w3 ) )( Z 2 Z1) ( Z3 Z 2 w3 ( H 2 Z 3) )( Z 3 Z 2) 2 ( H Z 3) A H .w1 Trong công thức tính diện tích A của dòng chảy tự do thì H hb (Hình 2-20) và nếu sử dụng công thức hb h (1 ) H thì lấy =0. 2) Trƣờng hợp chảy ngập: Luật chảy Q ta sẽ có: A(hb , Z d ) H h với là hệ số, 66 Q H A hb hb H H h Q h A H h hb A A (1 ) H h hb 2 H h A ; hb h (1 ) H 2 H h A 2 H h (2- 59) Dạng cụ thể của (2-59) phụ thuộc cách tính diện tích nhƣ trƣờng hợp điểm nối đƣợc mô phỏng theo dạng hình thang (xem Hình 2-19 và Hình 2-20): Nếu Z1 < hb A Z2: w1 (hb Z1) 2 ( 2 1) A hb Từ đó Nếu Z2 < hb Từ đó w1 1 w1 hb ( Z1 1 (hb 2( Z 2 Z1) Z1) 2 )(hb Z 2) ( Z 3 Z 2) Z3: A ( w1 w2 ) w1 (1 hb Z1 Z 2 Z1 ) A hb Z 2 Z1 w2 hb 2 Z 2 Z1 w1 2 w1 1 ( hb ( w3 w2 )(hb Z 2) 2 2w2 ( Z 3 Z 2) Z2 Z2 2 ( Z 3 Z 2) (hb Z 2) 2 )(hb Z 2) ( Z 3 Z 2) Nếu Z3 < hb : A ( w1 w2 ) w1 (1 2 Từ đó A hb Z 2 Z1 ( w2 2 )( Z 2 Z1) ( w3 ) Z3 Z 2 w3 (hb Z 3) 2 ; )( Z 3 Z 2) 2 (hb Z 3) .w1 Để bảo đảm ổn định công trình cần phải xét dấu của biểu thức của đạo hàm: 67 Q h H h A hb A ; 2 H h để quyết định xem giá trị của lấy bằng 1,0 hay 0,45. Nếu đạo hàm này dƣơng thì lấy =0, tức là chỉ tính ảnh hƣởng của thƣợng lƣu công trình và (2-59) trong trƣờng hợp này sẽ là: Q H H h A hb A Q ; h 2 H h A 2 H h 0; hb H iii) Mô phỏng để tính độ dốc mặt nƣớc: Trong 2 cách giải nêu trên mực nƣớc ở tâm ô đƣợc đặc trƣng cho mỗi ô ruộng và xem là nằm ngang, mỗi ô ruộng đƣợc xem là một ô trữ, chỉ khác ô trữ hở khác là mực nƣớc trong ô ruộng khác với mực nƣớc ngoài sông, vì thế có dòng chảy vào ra. Nhƣ vậy không tính đƣợc độ dốc mực nƣớc giữa điểm nối và tâm ô ruộng, mặc dù khoảngcách này thƣờng là trên vài km. Để tính độ dốc mức nƣớc, phƣơng pháp dƣới đây đƣợc đề nghị sử dụng: - Mực nƣớc tại tâm ô cũng đặc trƣng cho mỗi ô ruộng. - Giữa các điểm nối sông-ruộng hoặc ruộng-ruộng và tâm ô đƣợc tạo các kênh giả, kích thuớc của các kênh giả đƣợc xây dựng dựa vào kích thƣớc của chỗ nối. Mỗi kênh đƣợc phân chia một phần thể tích trữ dọc kênh dựa theo diện tích của từng ô ruộng. Tâm ô ruộng đƣợc xem nhƣ hợp lƣu của các nhánh sông giả. Phƣơng pháp này tính đƣợc độ dốc đƣờng mực nƣớc từ điểm nối đến tâm ô ruộng, và nhƣ vậy sát với thực tế hơn. Dƣới đây là thuật toán chi tiết cho trƣờng hợp này: Xét ô ruộng I: có tâm tại a, có hai điểm nối sông với ruộng, đánh số 1, 2 và một điểm nối với ô ruộng II đƣợc đánh số là 4 trên nhƣ trên Hình 2-21. Các kênh giả giữa các điểm nối trong ô ruộng I đƣợc mô phỏng nhƣ Hình 2-22, gồm ba kênh 2-a, 1-a và 4-a (Hình I-21). Kích thƣớc các kênh giả đƣợc xác định nhƣ sau: Chiều dài kênh bằng chiều dài (xác định tƣơng đối) từ điểm nối tới tâm ô ruộng, mặt cắt kênh dựa theo kích thƣớc điểm nối (có thể thay đổi trong quá trình hiệu chỉnh). Mỗi kênh giả sẽ chịu một phần trữ dọc kênh dựa theo diện tích ô ruộng. Chẳng hạn nhánh kênh 1-a (Hình 2-21) sẽ có diện tích trữ bằng ( + )/2, tƣơng tự diện tích trữ đối với nhánh 2-a là ( + )/2,... 68 Trên Hình 2-22 chỗ nối đƣợc sơ đồ hóa nhƣ một công trình dạng đập tràn, mực nƣớc thƣợng lƣu là mực nƣớc ngoài sông Hs xem nhƣ đã biết và mực nƣớc hạ lƣu, chƣa biết, chẳng hạn Hi nhƣ trên Hình 2-22, ngay sát điểm nối là đầu kênh giả. Các kênh giả xem nhƣ chỉ có hai mặt cắt. Chiều dƣơng trên các nhánh kênh giả đƣợc quy định hƣớng vào tâm ô ruộng (mũi tên trên Hình 2-23). Hình 2-21: Hai ô ruộng thực tế I và II (trái) với 4 điểm tiếp xúc (3 điểm tiếp xúc ruộng với sông và 1 điểm ruộng với ruộng) và cách lập kênh giả nối tâm ô ruộng với các điểm tiếp xúc trong mô hình (trái) Hình 2-22: Sơ đồ tính toán ô ruộng 69 Hình 2-23: Sơ đồ các nhánh sông vị trí mặt cắt và công trình trong mô phỏng Nhƣ vậy nƣớc chảy vào ô ruộng sẽ có dấu dƣơng (+) và chảy ra mang dấu âm (-). Với cách sơ đồ hóa nhƣ vậy có thể sử dụng thuật toán mô tả hệ thống sông đã trình bày trong Chƣơng này. Cụ thể cho sơ đồ trên Hình 2-21 sẽ nhƣ sau: + Các điều kiện tại tâm ô I : Hi+1=Hk+1=Hj+1= HI ; Qi+1+Qk+1+Qj+1=0 + Luật chảy qua công trình tại các đầu nhánh kênh giả tuân theo luật chảy tràn tự do hay chảy ngập [8] (xem Hình 2-23): Tại đầu nhánh i: Qi Tại đầu nhánh j: Q j Tại đầu nhánh k: Qk i) ii) iii) i Hs Hi (2- 60) Hs j Hj (2- 61) Hr2 k Hk (2- 62) j k i Trong đó Hr2 là mực nƣớc sát điểm nối thuộc ô ruộng II. Phƣơng trình sai phân cho nhánh sông thứ i (đoạn [i,i+1]) : A1.H i A2.H i B1.Qi C1.H i B 2.Qi D1.Qi 1 C 2.H i D 2.Qi 1 E1 1 (2- 63a) (2-63b) E2 1 Hoặc sau khi thực hiện một số biến đổi sẽ đƣợc: Qi A2.B1 A1.B2 1 C 2.B1 C1.B2 Hi Hi B2.E1 B1.E 2 1 (2- 64) D1.B 2 D2.B1 Cũng từ (2-63a), (2-63b) sử dụng (2-60) sẽ đƣợc: A1.H i B1. i H i C1.H i 1 D1.Qi 1 E1 B1. i H s R1 70 A2.H i B 2. i H i C 2.H i D 2.A1 D1.A2 D 2.C1 D1.C 2 i 1 D 2.Qi 1 E 2 B 2. i H s D 2.B1 D1.B 2 Hi D 2.C1 D1.C 2 Hi 1 R2 Hay D 2.R1 D1.R 2 D 2.C1 D1.C 2 (2- 65) Sử dụng điều kiện cho mực nƣớc tại nút, Hi+1= HI ta viết lại (2-64) và (2-65) dƣới dạng: Qi a1(i) H i b1(i) H I 1 a2(i) H i HI (2-64a) c1(i ) c 2(i) Hay H i 1 c 2(i) H I a2(i) (2-65a) Thay (2-65a) vào (2-64a) sẽ đƣợc: Qi 1 a1(i).c 2(i) a1(i) [b1(i) ]H I a2(i) a2(i) Biểu thức tƣơng tự cho nhánh j: Q j Tƣơng tự cho nhánh k : Qk 1 c1(i) a1( j ).c2( j ) a1( j ) [b1( j ) ]H I a2( j ) a2( j ) 1 a1(k ).c2(k ) a1(k ) [b1(k ) ]H I a2(k ) a2(k ) (2- 66) c1( j ) (2- 67) c1(k ) (2- 68) Lƣu ý rằng mực nƣớc ngoài sông (Hs) xem nhƣ đã biết và nằm trong hệ số R1, R2 (hay c1, c2). Tuy nhiên đối với nhánh thứ k nối với ô ruộng thứ II thì Hr2 trong (2-62) còn là ẩn số. Sử dụng điều kiện Qi+1+Qk+1+Qj+1=0 ta có phƣơng trình sau đây dùng để tính mực nƣớc HI tại tâm ô ruộng I: a1(i) a1( j ) a1(k ) ]H I a2(i) a2( j ) a2(k ) a1(i).c2(i) a1(i).c2(i) 0 a2(i) a2(i) [b1(i ) b1( j ) b1(k ) a1(i ).c 2(i) a2(i) c1(i) c1( j ) c1(k ) (2- 69) 2.1.10 Tính lƣợng mƣa trên ô ruộng Lƣợng mƣa Ri trên từng ô đƣợc tính nhƣ sau (xem Hình 2-24): toàn bộ ô (hoặc lƣu vực) nhận một lƣợng mƣa với cƣờng độ p, tuy nhiên chỉ trên phần ngập 71 nƣớc (của ô ruộng hoặc của mặt sông) với diện tích mặt Fn sẽ nhận trực tiếp lƣợng mƣa với lƣu lƣợng: Qm1 = Fn.p trong khi đó trên phần không ngập với diện tích Fk n sẽ nhận một lƣợng mƣa và điều chỉnh một lƣợng nƣớc vào phần ngập với lƣu lƣợng : Qm2 = Fk n.r ở đây r là hệ số dòng chảy mặt. Nhƣ vậy tổng lƣợng mƣa trên ô chứa sẽ là: Ri = Fn.p + Fkn.r (2- 70) hệ số dòng chảy mặt đƣợc xác định bằng công thức : r với . r0 3/ 2 2/ 3 p r0 t (2- 71) là hệ số điều chỉnh dòng chảy mặt, r0 là hệ số dòng chảy mặt tại thời điểm n t . Tại thời điểm xuất phát tính xem r0=0 và luôn có F = Fn + Fkn Hình 2-24: Sơ đồ tính lƣợng mƣa Lưu ý: Khác với cách tính mƣa-dòng chảy trong mô hình Mike 11 thông qua mô hình NAM, trong DELTA, nhƣ trình bầy ở trên lƣợng mƣa-dòng chảy gồm hai phần, phần rơi trực tiếp trên mặt sông, còn phần trên mặt đất đƣợc điều tiết một phần trƣớc khi tham gia vào dòng chảy trong sông. Nhƣ vậy, tùy điều kiện địa hình và cách mô phỏng mà có các hệ số điều tiết khác nhau. Nghiên cứu mới đây phát triển bổ sung phần liên kết với CSDL và GIS. Cách tổ chức cũng đơn giản để dễ sử dụng. Sơ đồ tổ chức của DELTA nhƣ mô tả trong 72 Hình 2-25. Hình 2-25: Sơ đồ tổ chức của DELTA (có ghép môđun P) Trong DELTA các nhánh sông đƣợc xem là các thành phần cơ sở của tính toán. Các công trình cũng đƣợc xem là các nhánh sông đặc biệt. Trƣớc khi tính toán cho toàn hệ thống thì thiết lập thuật toán riêng rẽ cho từng thành phần cơ sở, sau đó mới thực hiện nối ghép cho toàn hệ thống dựa theo nguyên lý bảo toàn (vật chất và động lƣợng). Thực chất thuật toán trong DELTA là thuật toán song song, tiện lợi và nhanh chóng cho các bài toán lớn. Nếu xem bài toán trong mạng đƣờng ống (hay bài toán 2 chiều, thấm,..) cũng là các thành phần cơ sở thì có thể tính mạng đƣờng ống rồi nối ghép vào mạng tổng thể (mạng kênh và đƣờng ống) theo nguyên lý bảo toàn lƣu lƣợng và động lƣợng tại các nút (các hợp lƣu của các nhánh sông hay hợp 73 lƣu của các nhánh sông với các cửa xả của đƣờng ống ) thì việc tính toán hoàn toàn dễ dàng và có thể tính đƣợc sự tƣơng tác đồng thời giữa mạng kênh và đƣờng ống (ngay cả khi không có mƣa trên đƣờng phố). Đây là ƣu điểm chính và là điểm mới trong thuật toán nối ghép 2.2 MÔĐUN THỦY LỰC DÕNG CHẢY TRONG ĐƢỜNG ỐNG P Mạng cống tiêu nƣớc đô thị là dạng cống ngầm có dạng hình tròn hay chữ nhật và chiều dài cống khá lớn. Trong nghiên cứu này tập trung vào cống tròn, tuy nhiên có thể dễ dàng mở rộng cho dạng khác (hình hộp hay oval). Dòng chảy trong cống ngầm [7] có các hình thức sau đây (Hình 2-26): - Khi dòng chảy đầy mặt cắt cống thì chế độ chảy là có áp (Hình 2-26iv và Hình 2-27iv); - Khi mực nƣớc thƣợng lƣu ngập miệng vào cống nhƣng cửa ra vẫn thấp hơn đỉnh cống thì chế độ chảy một phần có áp và một phần không áp hay là nửa áp (Hình 2-26iii và Hình 2-27iii). - Mặt nƣớc trƣớc cống và trong cống thấp hơn đỉnh cống thì chế độ chảy là không áp. Tùy theo độ sâu mực nƣớc trong cống so với độ sâu phân giới để xác định chế độ chảy không ngập (mực nƣớc trong cống nhỏ hơn độ sâu phân giới, Hình 2-26i và Hình 2-27i) hay chảy ngập (mực nƣớc trong cống lớn hơn độ sâu phân giới, Hình 2-26ii và Hình 2-27ii) Quy luật dòng chảy cơ bản trong ống ngầm đƣợc sơ đồ hoá và tính toán theo các công thức nhƣ nêu trong Hình 2-27. 74 Hình 2-26: Sơ đồ khối các trƣờng hợp tính ứng với các điều kiện dòng chảy trong ống Hình 2-27: Hình minh hoạ các trƣờng hợp dòng chảy trong cống Các trƣờng hợp (iii) và (iv) trong Hình 2-27 thƣờng xảy ra khi ngập mƣa và ngập triều. Trong công thức sơ đồ Hình 2-26 có: i z1 z2 L 75 R: Bán kính thủy lực, chảy đầy ống R=d/4; Hệ số Chezy C 1 1/ 6 R ; ống bê tông n=0,015 n d: đƣờng kính ống; ω: diện tích chảy; m: hệ số lƣu lƣợng; Q: lƣu lƣợng trong ống; L: chiều dài ống. Với các trƣờng hợp thực tế: d 2g C2R 8g dC 2 8 gh 2 d d 4 1/ 3 8 gh 2 * 41 / 3 d4/3 Với phƣơng trình Hình 2-26iii có m 1 Trong đó: 8g : ống bê tông C2 Với phƣơng trình Hình 2-26iv: m 1 L d 1 45 0.10 : ống tròn hở toàn bộ 1 L d Với phƣơng trình Hình 2-26ii: m Trong đó: φ: hệ số lƣu tốc; ε: hệ số co hẹp đối với ống tròn: ε=0,65, φ=0,9, m= 0,605 Để ghép nối theo thuật toán của DELTA, nguyên lý tính toán chung cũng sử Qn Qn n 1 n Q Q H h dụng khai triển : H h Theo lý thuyết quy luật dòng chảy trong ống ngầm phụ thuộc cột nƣớc hai đầu ống. Với giả thiết ống tròn trong sơ đồ mạng cống đơn giản, có nguồn nhập từ hố ga (nút) và cửa xả ra sông kênh hở nhƣ Hình 2-28. Nhƣ vậy ẩn số sẽ là mực nƣớc tại hai đầu ống (tƣơng tự nhƣ mực nƣớc tại hai đầu nhánh sông trong thuật toán DELTA). 2.2.1 Phân tích quy luật dòng chảy trong cống ngầm 76 Quy luật dòng chảy trong mạng đƣờng cống ngầm đƣợc nêu trong [7] tuy nhiên để nối ghép đƣợc với DELTA phải thực hiện chuyển quy luật dòng chảy thành các quy luật sai phân theo nguyên lý: Q n 1 Qn H H Qn Qn h h Từ đó mới có thể ghép nối vào hệ phƣơng trình nút trong DELTA. Dƣới đây là các tính toán của tác giả luận án cho từng trƣờng hợp cụ thể. Gọi H và h là cột áp ở hai đầu ống, d là đƣờng kính ống, L là chiều dài ống, j là độ dốc, m là hệ số lƣu lƣợng và ω là diện tích chảy của ống. Lƣu lƣợng cống trong các trƣờng hợp đƣợc tính nhƣ sau (sơ đồ Hình 2-26): a) Chảy có áp Nếu H 1,15d và j < Q2/( ω2C2R) với C là hệ số Chezy và R là bán kính thuỷ lực. Với điều kiện này ta có dòng chảy nhƣ hai trƣờng hợp sau: a1) Nếu h công thức: Q d có dòng chảy ngập toàn áp, lƣu lƣợng cống đƣợc tính bằng m Đặt m 2g H iL h 1 ;m 2g (2-72) d2 ; 4 ; L d 1 ; 45 0.2 Sẽ có: Q H 2 Qn 1 a( H ' H' (H iL h) 1/ 2 a Q h ; Qn a( H ' H ) a(h ' h) h' ) Qn Qn h) H n 1; h' 1 hn 1 ; H a( H H n;h 2 ( H iL h) 1/2 a hn Quy ƣớc dòng chảy ra có dấu dƣơng (+) và chảy vào có dấu âm (-) ah ' aH ' aH ah , Q' q Q Q a( H a( H h) h) hệ (A) 77 a2) Nếu h < d có dòng chảy ngập bán áp, lƣu lƣợng cống đƣợc xác định theo công thức: Q m 2g(H r (2-73) iL 0.85d ) Trong đó ωr là diện tích mặt cắt ƣớt tại cửa ra. r2 2 r r Đặt m Q H 2 h2 r 2 arcsin b; m r ) 2hr 1 (H iL 0.85d ) 1/ 2 Qn bH ' b( H ' ch ' bH ' r 1 1 bH ' r 2g r m 2 g ( H iL 0.85d *2 2hr h 2 Qn h h2 2 2hr h Q h (h 1 ch ' ch ' 2m 2 g * h( H iL 0.85d )(d h) H ) c( h ' Qn q Qn L d c h) bH ch Q' Q Q bH bH ch hệ (B) ch b) Chảy không áp Nếu H < 1,15d và j > Q2/( ω2C2R) xảy ra hai trƣờng hợp sau: b1) Nếu h công thức: Q m 0,75d có chế độ chảy ngập không áp, lƣu lƣợng ống tính theo r m 2g H iL 0.0605 r2 2 2 d 3 (2-74) Đặt m ; (h r ) 2hr h2 r r 2 arcsin 2g h r r ; 78 2 h( d h Q h Q H h) ; 2m 2 g * h( H Vậy Q n 1 Q n fH ' vh ' Qn fH ' fH ' 1 vh h) H ) v(h ' h) Qn vh ' ' 2 d )(d 3 iL f (H ' 2 (H fH Q' 2 d) 3 1/ 2 f v vh Q fH fH vh q Q iL vh hệ (C) b.2) Nếu h[...]... SWMM, mô hình họ MIKE (MOUSE, URBAN và FLOOD) và mô hình đang phát triển trong nƣớc nhƣ F28 15 Với mô hình tiêu thoát nƣớc đô thị cần có các mô hình thành phần nhƣ mô hình thủy văn đô thị, mô hình đƣờng ống, mô hình kênh sông và sự nối kết giữa các mô hình thành phần Trong mục 1.2.3 luận án giới thiệu các mô hình SWMM, họ mô hình MIKE, và mô hình F28 1.2.2 Một số mô hình thủy văn đô thị Trong tính toán. .. dẫn ứng dụng cho quản lý tiêu thoát nƣớc tổng hợp 10 Hình 1-3: Sơ đồ các thành phần trong hệ thống thoát nƣớc đô thị và các mô hình áp dụng Quan điểm tiếp cận mô hình hóa hệ thống tiêu nƣớc đô thị gồm: (i) Mô hình một chiều (1D) ứng dụng cho các hệ thống có dòng chảy một chiều trong lòng dẫn và (ii) Mô hình hai chiều (2D) ứng dụng mô phỏng hệ thống có cả dòng chảy tràn theo hƣớng ngang Hệ thống cống... điều tiết bởi hệ thống cơ sở hạ tầng và hệ thống thoát nƣớc nhân tạo 1.2.2.4 Nhận xét về mô hình thuỷ văn đô thị Trong các loại mô hình đƣợc nêu trên, loại mô hình nhƣ Urban-B là thích hợp nhất để tính toán thuỷ văn đô thị ở TP Hồ Chí Minh với khá đầy đủ tài liệu và đáp ứng các tiêu chí mô phỏng bài toán mƣa-dòng chảy phục vụ quy hoạch và thiết kế hệ thống tiêu thoát nƣớc Trong trƣờng hợp thiếu tài... thì có thể sử dụng loại mô hình Urban-A Mô hình biểu đồ đơn vị cũng có thể sử dụng cho các bài toán mô phỏng hiện trạng thuỷ văn thuỷ lực đô thị 1.2.3 Một số mô hình thủy lực đô thị 1.2.3.1 Mô hình SWMM Mô hình SWMM5 (Phiên bản 5 mới nhất của SWMM) tính toán đặc trƣng 20 dòng chảy trong hệ thống thoát nƣớc đô thị và dòng chảy sông kênh trên cơ sở giải hệ phƣơng trình Saint Venant cho dòng chảy một chiều... trình thuỷ văn đô thị đƣợc mô tả trong Hình 1-2 với phần hệ thống hạ tầng tiêu thoát và điều tiết nƣớc đặc thù của đô thị là các ô màu đậm trong sơ đồ 12 Hình 1-5: Sơ đồ chu trình thuỷ văn lƣu vực đô thị Vai trò của lƣu vực trong tiêu thoát nƣớc đô thị: Vấn đề quan trọng liên quan đến thuỷ văn đô thị là việc tính toán tiêu thoát nƣớc bởi bề mặt đất bị biến đổi (bê tông hoá; san lấp hệ thống sông kênh,... để tính toán chính xác c) Mô hình mƣa-dòng chảy SMAP [15] SMAP là mô hình mƣa-dòng chảy dạng khái niệm thông số gộp SMAP thiết kế để tính dòng chảy dựa trên số liệu mƣa tháng Mô hình để dùng cho các nghiên cứu quy hoạch lƣu vực hay tính toán điều tiết hồ chứa Với chức năng nhƣ vậy SMAP không thích hợp cho tính toán thủy văn đô thị d) Mô hình mƣa-dòng chảy Urban [15] 17 Với tên Urban (đô thị) , mô hình. .. 1-6 Với tính năng nhƣ vậy, mô hình Urban là thích hợp để tính toán mƣa-dòng chảy đô thị với yêu cầu số liệu không quá phức tạp và thể hiện đƣợc đặc trƣng lƣu vực với mức đô thị hoá khác nhau e) Mô hình mƣa-dòng chảy lũ FEH [15] Tên mô hình là cụm từ ‘cẩm nang tính toán lũ’ viết tắt Mô hình có các tính năng: - Tính mƣa tần suất, - Tính toán thống kê xác định tần suất lũ, - Ứng dụng phƣơng pháp tính mƣa-dòng... giải pháp công trình và phi công trình 1.1.4 Giải pháp tổng hợp chống ngập đô thị Giải pháp chống ngập đòi hỏi sự kết hợp toàn diện từ kế hoạch chiến lƣợc tổng hợp, giải pháp quy hoạch đến thiết kế xây dựng và quản lý vận hành công trình Lấy ví dụ về Chiến lƣợc tiêu thoát nƣớc đô thị tổng hợp ở Anh quốc do các cơ quan ngành nƣớc Anh quốc đang mong muốn xây dựng nhằm đề xuất kế hoạch tiêu thoát nƣớc... ngập triều trên bề mặt đô thị, không trùng lặp với công trình đã có Xây dựng mô hình toán DELTA-P hoàn chỉnh và đã đƣợc kiểm nghiệm Ý nghĩa thực tiễn: Nghiên cứu đã phát triển đƣợc một công cụ mới để giải quyết bài toán tiêu thoát nƣớc đô thị Công cụ này khả thi và ổn định với các bài toán lớn 5 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN NGẬP ÖNG ĐÔ THỊ, GIẢI PHÁP KỸ THUẬT CHỐNG NGẬP VÀ MÔ HÌNH TÍNH TIÊU THOÁT NƢỚC 1.1 NGẬP... (HEC-HMS) Hệ thống mô hình thuỷ văn HEC-HMS [22] đƣợc thiết lập để mô phỏng quá trình mƣa-dòng chảy của lƣu vực Hệ thống có thể ứng dụng cho nhiều dạng lƣu vực và nhiều vấn đề thuỷ văn, bao gồm cấp nƣớc, thuỷ văn lũ, vùng đô thị nhỏ hay lƣu vực tự nhiên Biểu đồ dòng chảy do HEC-HMS mô phỏng đƣợc nối kết trực tiếp với các mô hình tiêu thoát nƣớc đô thị, dự báo lũ, mô hình đánh giá ảnh hƣởng đô thị hoá, ... KHOA HỌC THUỶ LỢI MIỀN NAM ĐẶNG THANH LÂM XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍCH HỢP CHO TÍNH TOÁN HỆ THỐNG CÔNG TRÌNH TỔNG HỢP TIÊU THOÁT NƢỚC ĐÔ THỊ VÙNG ẢNH HƢỞNG TRIỀU Chuyên ngành: Kỹ thuật Tài nguyên nƣớc... triển mô đun tính toán hệ thống cống ngầm tính tiêu nƣớc đô thị nối ghép với mô hình thủy lực sông kênh có thuật toán mạnh giải đƣợc hệ thống lớn với tốc độ tính toán nhanh công cụ mô hình thích hợp. .. URBAN FLOOD) mô hình phát triển nƣớc nhƣ F28 15 Với mô hình tiêu thoát nƣớc đô thị cần có mô hình thành phần nhƣ mô hình thủy văn đô thị, mô hình đƣờng ống, mô hình kênh sông nối kết mô hình thành