Nghiên cứu khả năng ứng dụng của mô hình iRIC

Hiện nay, mô hình thủy lực 2 chiều ngày càng phát triển và trở thành công cụ hữu ích trong nghiên cứu thủy lực trong sông và ven biển bao gồm lũ lụt, chỉnh trị sông, môi trường sống và tính truyền tải chất gây ô nhiễm. Hiểu mô hình thủy lực và có thể áp dụng chúng vào các lĩnh vực này đang dần trở thành một điều thiết yếu khi tham gia vào các dự án nước mặt. Trong số các mô hình thủy lực mô phỏng 2 chiều, mô hình iRIC là một mô hình miễn phí mới được xây dựng và đang được thử nghiệm nghiên cứu diễn biến lũ trên các lưu vực sông của Nhật Bản và một số nước châu Á.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA THỦY VĂN VÀ TÀI NGUYÊN NƯỚC BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA MÔ HÌNH iRIC Giảng viên hướng dẫn: TS Vũ Thanh Tú Sinh viên thực hiện: Lê Thị Tú Anh – 54V Hoàng Thị Minh Phương – 54V HÀ NỘI – 2016 ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, mô hình thủy lực chiều ngày phát triển trở thành công cụ hữu ích nghiên cứu thủy lực sông ven biển bao gồm lũ lụt, chỉnh trị sông, môi trường sống tính truyền tải chất gây ô nhiễm Hiểu mô hình thủy lực áp dụng chúng vào lĩnh vực dần trở thành điều thiết yếu tham gia vào dự án nước mặt Trong số mô hình thủy lực mô phỏng chiều, mô hình iRIC mô hình miễn phí được xây dựng được thử nghiệm nghiên cứu diễn biến lũ lưu vực sông Nhật Bản số nước châu Á Vì vậy đề tài tiến hành nghiên cứu khả ứng dụng mô hình từ tạo tiền đề xem xét khả khai thác mô hình toán mô phỏng lũ lưu vực sông Việt Nam NỘI DUNG 2.1 Lý thuyết chung mô hình iRICXXX (International River Interface Cooperative) gói phần mềm phân tích biến động lòng sông dòng chảy sông được kết hợp chức MD_SWMS, phát triển USGS ( U.S Geological Survey) RIC-Nays, được phát triển quỹ tài trợ Trung tâm Nghiên cứu Phòng chống Thiên tai sông Hokkaido Sự hợp mô đuyn phần mềm được đề xuất Giáo sư Yasuyuki Shimizu (Đại học Hokkaido) Tiến sĩ Jon Nelson (USGS), đưa công nghệ phân tích phát triển phần mềm tích hợp MD_SWMS RIC-Nays Sau phác thảo phần mềm iRIC, chức nó, tính Hình 2.1.1: Giao diện phần mềm iRIC 2.2 Một số modun phần mềm + Nays 2D Flood phân tích dòng chảy dựa vào mô phỏng dòng chảy chiều không ổn định Mô đun dễ dàng cho phép người dùng thiết lập điều kiện dòng chảy vào số sông nhập vào từ thượng lưu hai phía sông Nays2D Flood được áp dụng để phân tích dòng chảy lũ sông có quy mô vừa nhỏ hướng giải không yêu cầu liệu kênh sông, nên được sử dụng để phân tích trình lũ sông nguyên thủy sông nước phát triển + Nays2DH mô hình tính toán để mô phỏng hai chiều (2D) dòng chảy ngang, vận chuyển bùn cát, thay đổi hình thái đáy sông bờ sông Mặc dù iRIC cung cấp số tính như: 2D, Nys2D, Morpho 2D, FaSTMECH, vv, tin người sử dụng nhầm lẫn hướng giải thích cho trường hợp họ Vì vậy, định kết hợp Nays2D Morpho 2D để cung cấp công cụ thân thiện mạnh mẽ sử dụng cho người dùng iRIC, gọi Nays2DH + EvaTRip ( Evaluation Tool for River enviromental Planning) được sử dụng việc khảo sát kế hoạch tính ổn định kênh sông, môi trường sông bảo trì sông quy mô vừa nhỏ + NaysEddy: xử lý ba chiều để tính toán dòng chảy không ổn định tọa độ Descartes, công cụ mạnh để phân tích cấu trúc chi tiết dòng chảy với quy mô địa phương phân khúc sông + ELIMO: Thực ước tính đồ cao sóng thần khu vực, từ cung cấp điều kiện để thiết kế kịch thảm họa; phát triển sở hạ tầng, đồ nguy quản lý di tản cho kịch khác 2.3 Ứng dụng mô hình: 2.3.1 Các liệu đầu vào cách thiết lập: a Thiết lập file địa hình dạng topography file (*.tpo) File liệu địa hình (*.tpo) file chứa tọa độ X, Y, Z điểm Mỗi cột (hàng) mang ý nghĩa sau: Hàng 1: số điểm liệu Cột 1: Tọa độ X Cột 2: Tọa độ Y Cột 3: Tọa độ Z b Thiết lập lưới tính toán + [Create grid from polygonal line and width]: Vẽ đường trung tâm lưới từ thượng nguồn, nơi dòng chảy lũ vào đến cuối hạ lưu, lối dòng chảy lũ Để hoàn + tất, kích đúp vào cuối đường trung tâm, nhấn phím "Enter" [Create grid from from river survey data]: Hình dạng lưới được tự động được xác định số liệu khảo sát sông thuật toán có sẵn liệu khảo sát sông được tải lên + [Create grid by dividing rectangular region]: Xác định khu vực hình chữ nhật để tạo mạng lưới chiều rộng ô Chiều rộng ô được sử dụng cho phương X phương Y + [Create compound channel grid]: Tạo đa giác khu vực để tạo lưới bao bên đa giác khu vực kênh dẫn nước kiệt thêm dòng đa giác trung tâm sông + Các khu vực kênh nước thấp nên được bao gồm khu vực tạo lưới điện, + andRiver đường trung tâm nên được bao gồm khu vực kênh nước thấp [Cartesian Grid for NaysEddy x64]: Lưới được tạo phục vụ cho mô đuyn NaysEddy x64 c Thiết lập liệu khảo sát sông mặt cắt sông: Dữ liệu #survey gồm cột: Cột 1: Mã số nhận dạng mặt cắt ngang Cột 2: Tọa độ X bờ trái Cột 3: Tọa độ Y bờ trái Cột 4: Tọa độ X bờ phải Cột 5: Tọa độ Y bờ phải Dữ liệu #x-section: Hàng gồm cột: Cột 1: Mã số nhận dạng mặt cắt ngang Cột 2: Số điểm thuộc mặt cắt ngang Hàng gồm 10 cột: Cột 1,3,5,7.9: khoảng cách từ bờ trái đến điểm Cột 2,4,6,8,10: Cao trình đáy sông tương ứng với tọa độ điểm d Thiết lập tập tin chứa liệu đo: File liệu gồm cột: Cột 1: Tọa độ X Cột 2: Tọa độ Y Cột 3: Sự chênh lêch độ sâu ban đầu (D1) độ sâu sau sảy trình diễn biến lòng sông (D2) Cột 4: Độ sâu sau xảy trình bồi, xói (D2) Dz = D1 − D2 Ta có 2.3.2 Bài toán ứng dụng 2.3.2.1 Bài toán 1: Sử dụng Nays2D Flood ∗ Mục tiêu toán: Mô phỏng chế độ dòng chảy (độ sâu nước vận tốc dòng chảy) cách sử dụng Nays2D Flood cho đoạn sông thực tế với lưu lượng lũ, xem liệu mô phỏng có chạy thành công nI: Số lượng ô chia theo hướng dọc nJ: Số lượng ô chia theo hướng ngang W: Chiều rộng lưới theo hướng ngang ∗ Các bước thực hiện: − Thiết lập điều kiện tính toán: [Calculation Conditions] - [Setting] + [Inflow/ Outflow Boundary Conditions] • • • • • • • Đơn vị thời gian tập tin lưu lượng/cao trình mặt nước: giây Điều kiện biên cho j = 1: dòng chảy vào Điều kiện biên cho j = nj: dòng chảy Nước mặt hạ lưu: Xả tự Giá trị số (m): Sử dụng giá trị số đọc từ tập tin mực nước hạ lưu bị ảnh hưởng mực nước biển mức tràn dòng chảy Lượng mưa: không có/có Chuỗi thời gian mưa (mm/h) Mực nước ban đầu: Độ sâu = Độ dốc mặt nước ban đầu kênh chính: Khi độ cao bề mặt nước đến cuối hạ lưu bị ảnh hưởng mực nước biển hay mực nước lũ hạ lưu, sử dụng giá trị không đổi + [Time]: • Khoảng thời gian kết tính toán (giây): 60 • Bước thời gian tính toán (sec): 0.2 • Thời gian bắt đầu kết tính toán (sec): + Thiết lập dòng chảy vào: [Boundary condition setting]-[Add inflow]: • Khoanh vùng nhập lưu lượng: • Dòng chảy vào 1: qt1.csv • Dòng chảy vào 2: qt2.csv • Dòng chảy vào 3: qt3.csv Các bước thời gian tập tin xả cần phải được thiết lập tất giống • • - - - − - Thiết lập chướng ngại vật: Chọn [Geographic Data] - [Obstacle].- [Add] – [Polygon]-[ Edit Obstacle value] - Thiết lập chướng ngại vật đường sá, bờ kè - Lưu ý: Nếu ô lưới tính toán đủ nhỏ để miêu tả đường sá, bờ kè phần địa hình, không thiết lập đường sá, bờ, kè trở ngại - Thiết lập độ nhám: [Geographic Data] - [Roughness condition].- [Add] – [Polygon] – [Edit Roughness Condition Value] - Hệ số nhám: 0.03 - Thiết lập hệ số nhám Manning cách xem xét toàn diện mô hình tính toán, sử dụng đất - ∗ Kết tính toán: - Hình 2.3.1.1.1: Bản đồ đường đồng mức độ sâu nước cực đại - Nhận xét: Sau chạy mô phỏng cho kết đường đồng mức độ sâu nước cực đại, giá trị dao động từ 0.01m đến 1.70 m Tại điểm giao inflow inflow thượng lưu độ sâu nước cực đại 1.70 m dọc sông - Hình 2.3.1.1.2 : Đường trình dòng chảy lũ sau mô Nhận xét: - - Hình 2.3.1.1.3: Bản đồ đường đồng mức vận tốc dòng chảy tối đa theo thời gian (m/s) - 2.3.2.2 Bài toán 1: Sử dụng Nays2DH ∗ Mục tiêu toán: - Bài toán giúp ta hiểu được hoạt động Nays2DH iRIC thông qua toán dòng chảy biến đổi hình thái lòng sông đoạn sông uốn khúc Từ cho phép ta có nhìn trực quan diễn biến lòng đoạn sông cong Tạo lưới tính toán − [Channel Shape]  select channel shape ∗  Sine-generated curve − [Cross Sectional Shape Parameters]  Width : 0.3m  Number of Grid in Lateral - Direction : 16 − [Channel Shape Parameters]  Wave Length of Meander : 4.7m -  Meander Angle : 28.6 degree -  Number of Grids in One Wave Length : 40 - Từ bước thiết lập ta thu được lưới tính toán sau − [Bed and Channel Shape]  Channel Slope : 0.004 - ∗ − − Nhập hệ số nhám Manning Chọn ô lưới nhập hệ số nhám Trong toán hệ số nhám đoạn sông được lấy 0.013 - Điều kiện tính toán: Nhập dự liệu dòng chảy mực nước Bed deformation : Enabled − Boundary conditions  Periodic boundary condition : Enabled ∗ − −  Time unit of discharge/water surface file : Second Thời gian từ - 1800 (sec) với dòng chảy không đổi 0.04 m3/s + + + ∗ Output time interval : 60 sec Calculation time step : 0.01 sec Start time of output : sec Kết tính toán - Nhập giá trị đo đạc thu được đoạn sông để đối chiếu với kết tính toán - - - Hình 2.3.2.2.1: Sự thay đổi cao độ đoạn sông cong + Nhận xét: - Hình ảnh cho ta thấy được thay đổi cao độ đáy sông đoạn sông cong sau khoảng thời gian 1800s Phía bờ lồi đáy sông ngày được nâng cao, phía bờ lõm đáy sông ngày bị hạ thấp Từ ta thấy trình diễn biến lòng sông phù hợp với dòng chủ lưu - + Hình 2.3.2.2.2: Cao trình mặt nước Nhận xét: Hình ảnh cho ta thấy đoạn sông cong mực nước bờ lõm cao mực nước bờ lỗi - - Hình 2.3.2.2.3: Cao độ đáy sông Nhận xét: Trong lòng sông cong, phía bờ lồi thường xuyên xảy trình bồi lắng nên cao độ đáy sông ngày tăng, độ sâu giảm; phía bờ lồi xảy trình xói lở nên cao độ đáy sông ngày giảm , độ sâu tăng Đối chiếu kết tính toán thực đo thu được đoạn sông ta thấy kết mô hình tương đối xác sử dụng để mô phỏng trình diễn biến lòng sông đoạn sông cong - - Hình 2.3.2.2.4: Diễn biến thay đổi cao độ đáy sông cao độ mặt nước đoạn sông theo mặt cắt dọc sông - KẾT LUẬN Phần mềm iRIC phần mềm phi thương mại có giao diện đơn giản với nhiều modun nhằm phục vụ giải toán có mục đích khác Phần mềm cho kết mô phỏng chế độ dòng chảy (độ sâu vận tốc dòng chảy), mô phỏng dòng chảy lũ sông có quy mô vừa nhỏ Đối với mô phỏng diễn biến lòng sông cong tương đối xác ứng dụng để mô phỏng trình diễn biến sông cong Việt Nam Ngoài phần mềm cho phép người sử dụng xem kết với nhiều lựa chọn : thể kết dạng hình ảnh, vecter, đường dòng, giúp người sử dụng có cách nhìn trực quan - TÀI LIỆU THAM KHẢO - iRIC Project Changing River Science, truy cập ngày 10/03/2015,< http://iric.org/en/index.html> - Yasuyuki Shimizu (2015), Nays2D_Flood_Examples_en_2, Japan - [...]... có quy mô vừa và nhỏ Đối với mô phỏng diễn biến lòng sông cong thì tương đối chính xác có thể ứng dụng để mô phỏng quá trình diễn biến trong sông cong ở Việt Nam Ngoài ra phần mềm cho phép người sử dụng xem kết quả với nhiều lựa chọn như : thể hiện kết quả dưới dạng hình ảnh, vecter, đường dòng, giúp người sử dụng có cách nhìn trực quan hơn - 4 TÀI LIỆU THAM KHẢO - iRIC Project Changing River Science,... - Hình 2.3.2.2.1: Sự thay đổi cao độ của đoạn sông cong + Nhận xét: - Hình ảnh trên cho ta thấy được sự thay đổi cao độ đáy sông của đoạn sông cong sau khoảng thời gian là 1800s Phía bờ lồi đáy sông ngày càng được nâng cao, phía bờ lõm đáy sông ngày càng bị hạ thấp Từ đó ta thấy rằng quá trình diễn biến của lòng sông phù hợp với dòng chủ lưu - + Hình 2.3.2.2.2: Cao trình mặt nước Nhận xét: Hình. .. tính toán: - Hình 2.3.1.1.1: Bản đồ đường đồng mức độ sâu nước cực đại - Nhận xét: Sau khi chạy mô phỏng cho ra kết quả về đường đồng mức độ sâu nước cực đại, các giá trị dao động từ 0.01m đến 1.70 m Tại điểm giao của inflow 1 và inflow 2 ở thượng lưu thì độ sâu nước cực đại là 1.70 m còn dọc sông thì - Hình 2.3.1.1.2 : Đường quá trình dòng chảy lũ sau khi mô phỏng Nhận xét: - - Hình 2.3.1.1.3:... lỗi - - Hình 2.3.2.2.3: Cao độ đáy sông Nhận xét: Trong lòng sông cong, phía bờ lồi thường xuyên xảy ra quá trình bồi lắng nên cao độ đáy sông ngày càng tăng, độ sâu giảm; phía bờ lồi xảy ra quá trình xói lở nên cao độ đáy sông ngày càng giảm , độ sâu tăng Đối chiếu kết quả tính toán và thực đo đã thu được tại đoạn sông ta thấy kết quả của mô hình là tương đối chính xác khi sử dụng để mô phỏng... vận tốc dòng chảy tối đa theo thời gian (m/s) - 2.3.2.2 Bài toán 1: Sử dụng Nays2DH ∗ Mục tiêu bài toán: - Bài toán này giúp ta hiểu được các hoạt động cơ bản của Nays2DH trong iRIC thông qua toán dòng chảy và sự biến đổi hình thái của lòng sông trong một đoạn sông uốn khúc Từ đó cho phép ta có cái nhìn trực quan về sự diễn biến của lòng đoạn sông cong Tạo lưới tính toán − [Channel Shape]  select... cong - - Hình 2.3.2.2.4: Diễn biến sự thay đổi cao độ đáy sông và cao độ mặt nước tại đoạn sông theo mặt cắt dọc sông - 3 KẾT LUẬN Phần mềm iRIC phần mềm phi thương mại có giao diện đơn giản với nhiều modun nhằm phục vụ giải quyết các bài toán có mục đích khác nhau Phần mềm cho kết quả mô phỏng chế độ dòng chảy (độ sâu và vận tốc dòng chảy), mô phỏng dòng chảy lũ tại các con sông có quy mô vừa và... các bước thiết lập trên ta thu được lưới tính toán như sau − [Bed and Channel Shape]  Channel Slope : 0.004 - ∗ − − Nhập hệ số nhám Manning Chọn ô lưới nhập hệ số nhám Trong bài toán này hệ số nhám của cả đoạn sông được lấy là 0.013 - Điều kiện tính toán: Nhập dự liệu dòng chảy và mực nước Bed deformation : Enabled − Boundary conditions  Periodic boundary condition : Enabled ∗ − −  Time unit... thể hiện kết quả dưới dạng hình ảnh, vecter, đường dòng, giúp người sử dụng có cách nhìn trực quan hơn - 4 TÀI LIỆU THAM KHẢO - iRIC Project Changing River Science, truy cập ngày 10/03/2015,< http:/ /iric. org/en/index.html> - Yasuyuki Shimizu (2015), Nays2D_Flood_Examples_en_2, Japan -