Tính toán khoa học kỷ thuật và xây dựng phần mềm dự báo thiên tai

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHẦN MỀM MÔ HÌNH TOÁN TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC  1.1 GIỚI THIỆU VỀ MÔ HÌNH TOÁN Sự phát triển như vũ bão của công nghệ máy tính và công cụ tin học, đồng

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các dữ liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chƣa đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, tháng 9 năm 2013

Tác giả luận văn

Phan Hữu Hoàng

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1: Diễn biến mực nước, lưu lượng dọc theo chiều dài sông và theo thời gian 29

2Hình 2.2: Sơ đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott 30

Hình 2.3: Sơ đồ sai phân 6 điểm ẩn Abbott trong mặt phẳng x~t 30

Hình 2.4: Sơ đồ sai phân ẩn 6 điểm trung tâm 30

Hình 2.5: Sơ đồ sai phân hoá phương trình liên tục 31

Hình 2.6: Sơ đồ sai phân hoá phương trình động lượng 32

Hình 2.7: Ma trận phương trình viết cho một nhánh chưa khử chuẩn 34

Hình 2.8: Ma trận hệ phương trình viết cho một nhánh đã khử chuẩn 35

Hình 3.1: Bản đồ hành chính và mạng lưới sông suối lưu vực sông Ba 40

Hình 3.2: Bản đồ lưới trạm mưa và khí tượng lưu vực sông Ba 46

Hình 3.3: Bản đồ lưới trạm thủy văn lưu vực sông Ba 54

Hình 3.4: Mặt cắt ngang phổ biến của sông Ba (cách trạm TV.Củng Sơn 37849m) 61

Hình 3.5: Vị trí các ô bãi ngập lũ 62

Hình 3.6: Vị trí các đường quá trình lưu lượng gia nhập 65

Hình 3.7: Cửa sổ bắt đầu dự án mới trong mô hình MIKE 11 65

Hình 3.8: Mô đun thủy lực (Hydrodynamic) 66

Hình 3.9: Cửa sổ điều khiển Simulation trong mô hình MIKE 11 66

Hình 3.10: Cửa sổ để tạo ra file mạng sông 67

Hình 3.11: Thanh công cụ trong MIKE 11 68

Hình 3.12: Sơ đồ tính toán thuỷ lực sông Ba 68

Hình 3.13: Cửa sổ tạo file để nhập mặt cắt 69

Hình 3.14: Cửa sổ Insert Branch 70

Hình 3.15: Cửa sổ Nhập số liệu mặt cắt ngang 70

Hình 3.16: Sơ đồ quá trình hiệu chỉnh bộ thông số mô hình 71

Hình 3.17: Kết quả mô phỏng trận lũ tháng 10/1993 tại Phú Lâm 73

Hình 3.9: Kết quả mô phỏng trận lũ tháng 11/1988 tại Phú Lâm 76

Hình 3.10: Kết quả mô phỏng trận lũ tháng 9/2005 tại Phú Lâm 77

Hình 3.11: Bản đồ ngập lũ lớn nhất ứng với trận lũ 10/1993 80

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Lưới trạm khí tượng và đo mưa lưu vực sông Ba và vùng lận cận 44

Bảng 3.2 Lượng bức xạ tổng cộng thực tế (kcal/cm2) 47

Bảng 3.3 Số giờ nắng trung bình tháng và năm (giờ) 47

Bảng 3.4 Nhiệt độ trung bình tháng và năm (oC) 48

Bảng 3.5 Lượng mưa trung bình tháng và năm (mm) 49

Bảng 3.6 Lưới trạm thủy văn lưu vực sông Ba và vùng lận cận 53

Bảng 3.7 Sông suối lưu vực sông Ba phân theo cấp diện tích lưu vực 56

Bảng 3.8 Đặc trưng hình thái lưu vực sông Ba 56

Bảng 3.9 Đặc trưng địa hình mặt cắt ngang sông trong sơ đồ tính toán thủy lực 60

Bảng 3.10 Thông số chính đập dâng Đồng Cam 63

Bảng 3.11 Kết quả mô phỏng trận lũ tháng 10/1993 tại trạm Phú Lâm 72

Bảng 3.12 Trích kết quả mực nước tính toán lớn nhất và nhỏ nhất tại một số vị trí của con lũ tháng 10/1993 73

Bảng 3.13 Kết quả mô phỏng trận lũ tháng 11/1988 tại trạm Phú Lâm 75

Bảng 3.14 Kết quả mô phỏng trận lũ tháng 9/2005 tại một số vị trí 77

Bảng 3.15 Diện tích ngập ứng với mức ngập lớn nhất (10/1993) 79

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1 9

TỔNG QUAN VỀ CÁC PHẦN MỀM MÔ HÌNH TOÁN TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG NƯỚC 9

1.1 GIỚI THIỆU VỀ MÔ HÌNH TOÁN 9

1.2 MÔ HÌNH TOÁN TRONG NƯỚC 11

1.2.1 Mô hình VRSAP 11

1.2.2 Mô hình KOD 14

1.2.3 Mô hình BPNN 14

1.2.4 Mô hình SAL 15

1.3 MÔ HÌNH TOÁN NƯỚC NGOÀI 16

1.3.1 Mô hình HEC-RAS 16

1.3.2 Mô hình ISIS 17

1.3.3 Mô hình EFDC 17

1.3.4 Mô hình MIKE 11 18

CHƯƠNG 2 19

TÌM HIỂU MÔ HÌNH TOÁN THỦY VĂN THỦY LỰC MIKE 11 19

2.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN MÔ HÌNH MIKE 11 19

2.1.1 Xuất xứ của mô hình 19

2.1.2 Tính năng đồ họa của mô hình 20

2.2 CẤU TRÚC MÔ HÌNH MIKE 11 21

2.2.1 Mô đun mưa dòng chảy (RR) 21

2.2.2 Mô đun thủy động lực (HD) 24

2.2.3 Mô đun tải – khuyếch tán (AD) 25

2.2.4 Mô đun sinh thái (Ecolab) 27

2.3 HỆ PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN VÀ CÁCH GIẢI TRONG MIKE 11HD 27

2.3.1 Hệ phương trình cơ bản trong mô hình MIKE 11 27

2.3.2 Cách giải trong mô hình MIKE 11 28

CHƯƠNG 3 39

3.1 GIỚI THIỆU VỀ KHU VỰC ÁP DỤNG THỰC TẾ 39

3.1.1 Điều kiện tự nhiên 39

3.1.2 Điều kiện kinh tế xã hội 58

3.2 TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG LŨ TRONG SÔNG 59

3.2.1 Tài liệu sử dụng trong mô hình 59

3.2.2 Thiết lập mô hình 65

3.2.3 Hiệu chính mô hình tính toán 71

3.2.4 Kiểm định tính phù hợp của mô hình tính toán 75

3.2.5 Tính toán ngập lụt khu vực 78

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81

4.1 Kết Luận 81

4.2 Kiến nghị 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

LỜI CẢM ƠN

Được sự quan tâm giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của tập thể các Giáo sư, phó Giáo sư, Tiến sỹ, giảng viên trường Đại học Bách khoa Hà Nội, sự tham gia góp ý của các nhà khoa học, các nhà quản lý, bạn bè, đồng nghiệp cùng sự nỗ lực của bản thân tác giả, luận văn này được hoàn thành vào tháng 09 năm 2013 tại khoa Sau đại học trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Tự đáy lòng mình tác giả xin bày tỏ lòng kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc tới nhà giáo GS.TSKH Lê Hùng Sơn người thầy hướng dẫn khoa học trực tiếp đã tận tình chỉ bảo hướng đi cũng như cung cấp các thông tin và căn cứ khoa học cần thiết cho luận văn

Thời gian làm đồ án tốt nghiệp là một dịp tốt để em có điều kiện hệ thống lại kiến thức đã được học tại trường, giúp em biết cách áp dụng lý thuyết đã được học vào thực tế Những điều đó đã giúp em có thêm hành trang kiến thức chuyên ngành

để phục vụ công việc và những nghiên cứu sâu hơn trong tương lai

Mặc dù bản thân đã hết sức cố gắng nhưng do điều kiện thời gian hạn chế nên trong đồ án không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo giúp cho đồ án của em được hoàn chỉnh hơn, chính xác hơn, giúp cho kiến thức chuyên môn của em được hoàn thiện

Cuối cùng xin chân thành cảm ơn Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả được trình bày luận văn này

Hà Nội, ngày 20 tháng 09 năm 2013

Tác giả

Phan Hữu Hoàng

MỞ ĐẦU

I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Hàng năm dân miền Trung Việt Nam thường phải hứng chịu những thiệt hại nặng nề

về con người và vật chất vì những ảnh hưởng của thiên tai, chủ yếu là lũ và bão mang lại Việc nghiên cứu và xây dựng phương pháp dự báo lũ lụt có ý nghĩa khoa học cao do tính phức tạp của quá trình này ở các vùng đặc biệt là khu vực miền Trung Việt Nam Hiện nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật đặc biệt là công nghệ thông tin trên cơ sở giúp sức của máy tính đã có rất nhiều phần mềm toán được viết ra để nhằm mục đích mô phỏng lại quá trình lũ lụt Việc nghiên cứu và ứng dụng các mô hình toán thủy văn này

đang trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết Bởi vậy đề tài luận văn cao học: “Tính toán Khoa

học Kỷ thuật và xây dựng phần mềm dự báo thiên tai” được đề xuất và nghiên cứu

Nội dung cụ thể của báo cáo này bao gồm:

- Giới thiệu một số phần mềm mô hình toán thủy văn thủy lực trên thế giới và trong nước

- Nguyên lý và phương trình cơ bản trong tính toán lũ

- Tổng quan về phần mềm mô hình toán thủy văn thủy lực MIKE 11

- Phương trình và thuật toán giải trong phần mềm mô hình toán MIKE 11

- Ứng dụng thực tế phần mềm mô hình toán MIKE 11 trong việc giải bài toán lũ lụt trong sông

II MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Nghiên cứu và ứng dụng mô hình MIKE 11 trong bài toán lũ lụt và đề xuất phương

án kiểm soát lũ phục vụ phát triển kinh tế xã hội

III HƯỚNG TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

a) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ứng dụng

- Đối tượng nghiên cứu: Mô hình toán MIKE 11

- Phạm vi nghiên cứu: Tìm hiểu mô hình và ứng dụng thực tế nghiên cứu lũ trên sông Ba

) Phư ng pháp nghiên cứu c ng cụ s dụng

1 h ng pháp

- Kế th a, áp dụng có chọn lọc sản phẩm khoa học và công nghệ hiện có trên thế giới và trong nước Kế th a các nghiên cứu khoa học, các dự án liên quan

- Phương pháp điều tra phân tích tổng hợp nguyên nhân hình thành

- Phương pháp phân tích thống kê

- Phương pháp mô hình toán thuỷ văn, thuỷ lực, cân bằng nước và ứng dụng các công nghệ hiện đại: viễn thám, GIS

- Phương pháp chuyên gia

2 Công c s d ng

Khai thác, sử dụng phần mềm mô hình toán thủy văn thủy lực MIKE 11

IV KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC

Kết quả dự kiến đạt được bao gồm:

1 Đánh giá tổng hợp các phần mềm mô hình toán thủy văn thủy lực;

2 Nghiên cứu chi tiết cụ thể về thuật toán và khả năng áp dụng của phần mềm mô hình toán MIKE 11;

3 Ứng dụng cụ thể phần mềm mô hình toán MIKE 11 để giải bài toán lũ lụt ;

4 Báo cáo luận văn và những kết luận, kiến nghị cuối cùng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHẦN MỀM MÔ HÌNH TOÁN TRÊN THẾ GIỚI

VÀ TRONG NƯỚC



1.1 GIỚI THIỆU VỀ MÔ HÌNH TOÁN

Sự phát triển như vũ bão của công nghệ máy tính và công cụ tin học, đồng thời các công cụ mới về toán học cũng phát triển Hai yếu tố này giúp con người có thể giải quyết rất nhanh các bài toán phức tạp về mặt toán học

Mặt khác, yêu cầu về phát triển kinh tế, xã hội và dân số dẫn đến việc đặt ra rất nhiều bài toán phức tạp ảnh hưởng đe dọa tới sự sống trên hành tinh trong tương lai Vì vậy càng đòi hỏi các công cụ mô hình hóa để có thể xác định tính toán hay dự báo được biến đổi có thể xảy ra

Trong nhiều lĩnh vực hoạt động hàng ngày ta phải thực hiện tính toán t đơn giản tới phức tạp Ở trường phổ thông phải thực hiện các phép cộng tr nhân chia, rồi cao hơn là các phép đạo hàm, vi tích phân Rồi hơn nữa ta được học các phương pháp số như sai phân hữu hạn, phần tử hữu hạn Nói chung chúng ta được tiếp cận với các công cụ toán học và sử dụng chúng để giải quyết các bài toán trong thực tế hàng ngày, t đơn giản đến phức tạp Với sự phát triển nhanh của công nghệ thông tin, kỹ thuật máy tính và các công

cụ toán học hiện đại, mô hình toán học đã được phát triển rất nhanh và đã trở thành công

cụ nhanh mạnh, không thể thiếu đối với những người làm công tác quy hoạch và ra quyết định

Thuật ngữ mô hình được định nghĩa theo nhiều cách khác nhau:

Mô hình là một đối tượng nhỏ, thường được xây dựng theo tỷ lệ, nó mô tả một vài đối tượng thực tế trong tự nhiên

Mô hình là một mẫu thể hiện một sự vật còn chưa được xây dựng trên thực tế, được xem như là kế hoạch (trên thực tế sẽ lớn hơn mẫu) và sẽ được xây dựng

Stehr đã thêm vào mệnh đề sau: Mô hình là công cụ tốt, mô hình toán học còn tốt hơn Chung nhất cho các mô hình chính là chức năng quan trọng nhất của chúng – là sự giảm thiểu độ phức tạp của phạm vi yêu cầu

Theo Pierre Duhem, nhà vật lý người Pháp: Mô hình trong khoa học chỉ là một công

cụ để giải thích về lý thuyết và có thế được loại bỏ một khi lý thuyết khác được phát triển Campell, nhà vật lý người Anh: Mô hình là một phần thiết yếu (của lý thuyết), không có nó lý thuyết sẽ hoàn toàn không có giá trị

Theo Stehr thì 2 thuộc tính cần quan tâm của mô hình là chất lượng mô hình và kết quả định lượng được tạo ra t mô hình

Theo Stehr: Mô hình là công cụ giúp dự báo cũng như tính toán trước những hậu quả có thể trong thực thi các dự án kinh tế và phát triển xã hội Dự báo này được xây dựng trên những tri thức về đặc trưng của các quá trình xảy ra trong thiên nhiên, quy luật phát triển xã hội và sự ảnh hưởng lẫn nhau trong mối quan hệ tương hỗ này

Mô hình là loại công cụ được sử dụng rộng rãi trong khoa học Các nhà khoa học trước đây sử dụng rộng rãi các mô hình vật lý để tiến hành các thí nghiệm ngoài hiện trường cũng như trong phòng thí nghiệm để nghiên cứu các mối quan hệ chính mà người

ta quan tâm Ngày nay, do sự phát triển của công nghệ máy tính và công nghệ thông tin

xu thế phổ biến là làm các thí nghiệm trên máy tính trước khi tiến hành bắt buộc một số thí nghiệm vật lý nhằm kiểm định các kết quả t máy tính, và do đó mô hình toán được sử dụng rất rộng rãi

Quá trình mô hình hóa có thể dựa trên những nguyên lý khác nhau, dựa trên cơ sở xem xét và phân tích các mối liên hệ nhân – quả Mô hình toán học miêu tả hệ thống dưới dạng toán học Mô hình toán học là tập hợp các phương trình toán học, các mệnh đề logic thể hiện các quan hệ giữa các biến và các thông số của mô hình để mô phỏng hệ thống tự nhiên hay nói cách khác mô hình toán học là một hệ thống biến đổi đầu vào đã biết thành đầu ra là các dữ liệu chúng ta cần để phân tích

Khả năng của mô hình toán:

- Bằng các công cụ mang tính hình thức để giải phương trình và các bất phương trình hay bằng thuật toán người nghiên cứu có thể dự báo sự thay đổi hình vi của đối tượng nghiên cứu

- Xem xét các đối tượng này thay đổi như thế nào khi các điều kiện này hay điều kiện khác (được mô tả bởi các tham số của mô hình) thay đổi

1.2 MÔ HÌNH TOÁN TRONG NƯỚC

1.2.1 Mô hình VRSAP

- Mô hình VRSAP (Vietnam River System And Plains): tiền thân là mô hình KRSAL do cố PSG.TS Nguyễn Như Khuê xây dựng t 1965 đến 1993 và được sử dụng rộng rãi ở nước ta trong khoảng 25 năm trở lại đây

- Đây là mô hình toán thủy văn - thủy lực của dòng chảy một chiều trên hệ thống sông ngòi có nối với đồng ruộng và các khu chứa khác Dòng chảy trong các đoạn sông được mô tả bằng hệ phương trình Saint-Venant đầy đủ, không bỏ bớt một vài số hạng như trong một số mô hình khác Dòng chảy qua các công trình được mô tả bằng các công thức thủy lực đã biết và được đưa vào cùng một số hạng như phương trình của các đoạn sông Dòng chảy tràn vào các ô ruộng hay khu chứa được mô phỏng theo tư tưởng chung của

mô hình SOGREAH Các khu chứa nước và các ô đồng ruộng trao đổi nước với sông và trao đổi nước với nhau qua các tràn hay cống điều tiết Do đó, mô hình đã chia các khu chứa và các ô đồng ruộng thành hai loại chính Loại kín trao đổi nước với sông qua cống điều tiết, loại hở trao đổi nước với sông qua tràn mặt hay trực tiếp gắn với sông như các khu chứa thông thường

- Mô hình VRSAP cũng xét đến sự gia nhập của mưa trong tính toán thủy lực dòng chảy trong các hệ thống sông khi diễn toán lũ hay tính tiêu nước cho hệ thống thủy nông

Mô hình c ũng xét đến khả năng truyền mặn trên hệ thống sông và đồng ruộng Sơ đồ tính trong VRSAP là sơ đồ sai phân ẩn lưới chữ nhật có xét đến trọng số đối với các bước sai phân theo thời gian t và không gian x

- Mô hình VRSAP phù hợp với điều kiện Việt Nam, có thể sử dụng để:

- + Tính toán và tìm ra quy luật thay đổi của lưu lượng Q và mực nước Z tại t ng

mặt cắt trên hệ thống sông và ô chứa kể cả vùng bị ảnh hưởng của thủy triều

- + Giải bài toán tiêu úng, thoát lũ và cấp nước trên các hệ thống công trình thủy lợi

vùng đồng bằng và ven biển

- + Lập các phương án quy hoạch quản lý và khai thác thủy lợi trên lưu vực sông lớn

nhỏ và các hệ thống công trình thủy lợi

- + Tính truyền triều và truyền mặn trên các hệ thống sông v.v

- Mô hình VRSAP là mô hình mã nguồn mở, nên t đó nhiều tác giả đã cải tiến để

mô hình có thể tính được truyền tải phù sa, tính tiêu thoát nước đô thị Các loại mô hình

toán này hiện cũng đang được ứng dụng ở nước ta và cho kết quả tốt Một số ứng dụng

của mô hình cho hệ thống sông Hồng, sông Thái Bình, sông Cả, sông Nhật Lệ, sông

Hương, sông Thu Bồn, sông Cửu Long đủ đạt các kết quả tin cậy Mô hình VRSAP ứng

dụng rất có hiệu quả đối với việc tính toán thủy lực tưới, tiêu các hệ thống thủy nông, quy

hoạch và lập các dự án quản lý, khai thác hệ thống thủy nông, tính toán quy mô các công

trình trên hệ thống, quản lý lưu vực và tài nguyên ở nước ta

- Chuyển động của chất lỏng trong lòng dẫn hở có thể mô tả bằng hệ phương trình

Saint - Venant Trong mô hình VRSAP, hệ phương trình Saint - Venant của dòng chảy

một chiều là hệ phương trình thủy động lực viết cho dòng chảy một chiều trong lòng dẫn

- Hai hệ phương trình trên là hệ phương trình Saint – Venant có hai ẩn số là :

- + Q=Q(x,t) là lưu lượng trung bình mặt cắt phụ thuộc vào trục x và thời điểm t

- + Z=Z(x,t) là mặt nước tại mặt cắt x, thời điểm t

- Trong đó, biến không gian x và thời gian t là hai biến độc lập

- Ý nghĩa của các đại lượng trong hệ phương trình Saint - Venant:

- Bc - chiều rộng toàn mặt cắt ngang sông, Bc = B + Bb;

- B - chiều rộng lòng sông;

- Bb - chiều rộng bãi sông;

- q - lưu lượng dòng chảy gia nhập trên một đơn vị dài theo đoạn sông;

- J - độ dốc thủy lực, được tính theo công thức tổn thất của dòng chảy ổn định,

Tuy nhiên mô hình VRSAP không phải là một mô hình thương mại, mà là mô hình có

mã nguồn mở chỉ thích hợp với những người có sự am hiểu sâu rộng về kiến thức mô

hình; còn đối với công tác dự báo, cảnh báo nhanh cho một khu vực cụ thể, nhất là khu vực miền Trung thì mô hình tỏ ra chưa phù hợp

1.2.2 Mô hình KOD

Mô hình do GS.TSKH.Nguyễn Ân Niên thiết lập năm 1974 để giải bài toán phân lũ sông Đáy, sau đó phối hợp với Cục dự báo Khí tượng thủy văn để tính toán lũ và tiêu úng cho toàn mạng sông Hồng và sông Thái Bình Mô hình cũng có thể dùng để xem xét đánh giá nguồn nước, đánh giá khả năng vận hành các hệ thống thủy lợi, giải quyết các bài toán quy hoạch thuỷ lợi

Mô hình dùng phương pháp giải theo sơ đồ hiện, về mặt cấu trúc có thể xem đó là sơ

đồ sai phân hỗn hợp: Phương trình liên tục sai phân theo tam giác thuận (Lax) phương trình chuyển động sai phân theo sơ đồ tam giác ngược không cân Theo cách tính của mô hình thì sông được chia thành các ô chứa bởi các mặt cắt, lưu lượng được tính tại các mặt cắt này còn mực nước được tính ở tâm ô chứa

Ưu điểm chính của mô hình KOD là có thể tính cho mọi lưới sông ô chứa phức tạp nhất, độ chính xác cao, tính toán đơn giản, gọn nhẹ, kết quả đáp ứng tốt các bài toán thực

tế đặt ra Nhược điểm chính của mô hình là bước thời gian t bị hạn chế bởi điều kiện Courant - Lewy, nhưng mô hình không phải tính lặp các hệ số nên tốc độ tính toán vẫn nhanh, không mất thời gian thành lập và giải hệ đại số tuyến tính, tổng thời gian mỗi lớp tính cũng nhỏ Một nhược điểm nữa của mô hình là việc mô phỏng hệ thống tiêu chưa thật đầy đủ ví dụ như quá trình trao đổi nước trên khu vực tiêu Các công trình trao đổi nước cũng như phương thức điều khiển chưa được xem xét đầy đủ nhất là các thực trạng tiêu úng trong những điều kiện tác động của con người trong quá trình điều khiển hệ thống

1.2.3 Mô hình BPNN

Mô hình BPNN là mô hình do Viện Quy hoạch Thủy lợi tạo ra trên cơ sở lý thuyết phát triển năm 1986 bởi Rumelhart D.E, USA) Mô hình toán dựa trên phép giải lan truyền ngược của phương pháp mạng trí tuệ nhân tạo Mô hình có khả năng ứng dụng mô

phỏng nhiều quá trình tự nhiên như mưa rào dòng chảy hay mô hình thống kê, tuy nhiên vẫn chưa được rõ ràng về mặt cấu trúc vật lý

1.2.4 Mô hình SAL

SAL là một mô hình được xây dựng chặt chẽ về mặt toán học, dựa trên sơ đồ sai phân ẩn 4 điểm của Preissman, nhưng lấy trọng số bằng 2/3 để giảm thiểu sai số trong phép sai phân Cách giải chia làm 2 bước (sau khi tuyến tính hóa hệ phương trình đại số) như sau:

- Bước 1: Thiết lập các công thức truy đuổi để tính mực nước và lưu lượng tại các mặt cắt Dùng các công thức này để thiết lập hệ phương trình (gọi là hệ phương trình nút)

mà ẩn số chỉ còn là mực nước tại các hợp lưu Hệ phương trình này có số ẩn nhỏ hơn rất nhiều so với hệ có ẩn là mực nước tại các mặt cắt,nên giải nhanh và tốn ít bộ nhớ

- Bước 2: Sau khi giải hệ phương trình nút sẽ được mực nước tại 2 đầu mỗi nhánh,

và khi đó có thể giải cho mỗi nhánh riêng rẽ khi sử dụng lại công thức truy đuổi ban đầu Thực tế việc tính nhanh hay chậm là ở độ phức tạp của hệ kênh sông được mô phỏng, nếu

số lượng các hợp lưu càng nhiều thì thời gian tính càng nhiều hơn.Hơn nữa nếu dùng thuật tóan lặp thì thời gian tính tăng theo số lần lặp Mặc dù là sơ đồ ẩn, tuy nhiên bước thời gian lớn cũng ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả Thông thường bước thời gian

30 phút là đủ bảo đảm cho cả tính dòng chảy và mặn Nếu chỉ tính dòng chảy thì bước thời gian 1 giờ cũng đủ bảo đảm chính xác

Có thể nói cách chia ra 2 bước tính là một sáng tạo và phát triển học thuật đáng kể của mô hình SAL, mà việc chia lớp ô chứa trong sơ đồ tính MEK01 của SOGREAH mới chỉ là một thủ thuật sơ khởi

Việc tính lan truyền chất trong SAL dựa trên thuật toán phân rã Khi giải phương trình tải thuần túy dùng phương pháp đường đặc trưng ẩn với cách nội suy spline bậc 3 bảo đảm giảm tối đa khuyếch tán số và do mặn lan tới đâu tính tới đó nên tốc độ tính của SAL rất nhanh

1.3 MÔ HÌNH TOÁN NƯỚC NGOÀI

1.3.1 Mô hình HEC-RAS

Mô hình HEC-RAS: do Trung tâm Thủy văn kỹ thuật quân đội Hoa Kỳ (Hydrologic Engineering Center of US Army Corps of Engineers) xây dựng Mô hình có ưu điểm là cho kết quả rõ ràng, có sơ đồ mạng lưới sông, mặt cắt của t ng nút sông Các quan hệ Q ~

t và Z ~ t được trình bày ở dạng biểu bảng và đồ thị, đường mặt nước trong sông được mô

tả chi tiết Mô hình HEC-RAS là mô hình tính dòng chảy một chiều của hệ thống sông, dòng chảy trong sông được mô tả bằng hệ phương trình Saint - Venant đầy đủ và được xây dựng theo sơ đồ sai phân ẩn có xét đến trọng số đối với các bước sai phân theo thời gian t và chiều dọc theo dòng chảy x Mô hình có hạn chế là không xét đến lượng mưa rơi xuống các khu chứa sau đó gia nhập dòng chảy Trong những năm gần đây HEC-RAS đã được sử dụng ở nước ta trong các nghiên cứu về lũ, đặc biệt là trong công tác đào tạo tại các trờng đại học

Dòng chảy trong sông thiên nhiên được coi là dòng không ổn định biến đổi chậm chảy một chiều, thay đổi theo không gian và thời gian Các yếu tố được mô tả bằng hệ phương trình Saint - Venant, gồm phương trình liên tục và phương trình động lực Hệ phương trình Saint - Venant trong mô hình này có dạng:

Phương trình liên tục:

(1.3) Phương trình động lực:

(1.4)

Để giải hệ gồm hai phương trình liên tục (1.3) và động lực (1.4) dùng phương pháp sai phân hữu hạn thay các đạo hàm riêng bằng tỷ số các sai phân Giống như mô hình VRSAP, trong mô hình HEC-RAS cũng sử dụng sơ đồ ẩn (lưới sai phân chữ nhật) để giải

hệ phương trình Saint-Venant

1.3.2 Mô hình ISIS

Bộ phần mềm này của Công ty Halcrow và trường Wallingford phối hợp xây dựng Cũng như những phần mềm thủy văn khác thì ISIS cũng sử dụng hệ phương trình Saint-Venant một chiều cho dòng chảy

ISIS là phần mềm thương mại nên có giao diện khác đẹp và tiện dụng, tuy nhiên cũng bộc lộ một số điểm yếu và khó khăn khi giải quyết các bài toán trên phạm vi rộng, nhiều liên kết

Tốc độ tính toán của ISIS cũng rất chậm và cũng chưa kết hợp được với ArcView để kết nối với GIS và Database

1.3.3 Mô hình EFDC

Mô hình EFDC (Environmental Fluid Dynamics Code) là một phần mềm mô hình toán có khả năng dự báo, tính toán và mô phỏng các quá trình dòng chảy, lan truyền có tính đến các quá trình sinh - địa - hóa trong sông, hồ, hồ chứa, các vùng cửa sông… Mô hình được cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ US EPA phát triển t những năm 1980 đến

1994 được các nhà khoa học viện khoa học biển Virgina tiếp tục xây dựng Mô hình được xây dựng dựa trên các phương trình động lực, nguyên tắc bảo toàn khối lượng và bảo toàn thể tích Mô hình là mô hình đa chiều (1 chiều, 2 chiều, 3 chiều) nên có khả năng đạt độ chính xác cao trong việc mô hình hóa các hệ thống đầm lầy, đất ngập nước, kiểm soát dòng chảy, các dòng sinh sóng gần bờ và các quá trình vận chuyển trầm tích

Giao diện sử dụng: giao diện sử dụng mô hình EFDC cấu trúc trên tập hợp các phần mền xử lý riêng Ta có thể chỉnh sửa t ng phần riêng biệt mà không ảnh hưởng đến kết quả của các phần khác Tuy là xử lý riêng biệt nhưng giữa các phần này được tính hợp tạo nên một sự thống nhất trong mô hình Giao diện này đảm bảo tính khả chuyển giữa các phần máy tính và cho phép người sử dụng mô hình có thể dễ dàng quản lý các số liệu đầu vào của mô hình này Vì vậy việc chỉnh sửa các tệp số liệu đầu vào này là tương đối dễ dàng

Đặc biệt cửa sổ xem mô hình cho ta biết được các thông số của t ng điểm lưới trên miền mô hình: kích thước ô lưới, cao trình địa hình, mực nước, độ sâu cột nước, hệ số

nhám… hơn nữa mô hình cho phép điều chỉnh tất cả các thông số t ng điểm lưới ngay trên giao diện miền mô hình

Phần mềm tiền xử lý: trước giai đoạn tính toán mô phỏng phần mềm mô hình EFDC có bộ mã tiền xử lý tạo lưới với tên gọi GEFDC Bộ mã tiền xử lý này cho phép xây dựng lưới mô hình, đưa vào các số liệu đo đạc độ sâu cũng như các thông số ban đầu như độ cao mặt nước, mật độ bùn cát… cho cả miền mô hình Qua quá trình xử lý của bộ

mã tiền xử lý này, các file số liệu đầu vào và các thông số ban đầu của đường mặt nước cũng như các điều kiện biên của mô hình được tạo ra Để có thể mô phỏng một cách phù hợp nhất vùng nghiên cứu bộ mã tiền xử lý của phần mềm EFDC có khả năng cho phép tạo ra các lưới tọa độ mô hình dạng ĐềCác hoặc dạng lưới cong trực giao

1.3.4 Mô hình MIKE 11

Mô hình thuỷ lực một chiều MIKE 11: Là mô hình thủy lực một chiều MIKE 11 của Viện thủy lực Đan Mạch DHI phát triển, là phần mềm dùng để mô phỏng dòng chảy, lưu lượng, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát ở các cửa sông, sông, kênh tưới và các vật thể nước khác MIKE 11 là một mô hình mạnh và có nhiều điểm thuận lợi trong quá trình tính toán thuỷ lực, áp dụng với chế độ sóng động lực hoàn toàn ở cấp độ cao, có khả năng tính toán với dòng chảy biến đổi nhanh, lưu lượng thủy triều, hiệu quả nước đọng thay đổi nhanh, sóng lũ và lòng dẫn có độ dốc lớn

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU MÔ HÌNH TOÁN THỦY VĂN THỦY LỰC MIKE 11



2.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN MÔ HÌNH MIKE 11

2.1.1 Xuất xứ của mô hình

Sự công bố ra đời của MIKE 11 phiên bản 4 (năm 1997) đã mở ra một kỷ nguyên mới cho việc ứng dụng rộng rãi công cụ lập mô hình thuỷ động lực cho sông và kênh dẫn MIKE 11 là một phần của thế hệ phần mềm mới của DHI dựa trên khái niệm của MIKE Zero, bao gồm Giao diện Người dùng đồ hoạ tích hợp trong Windows, thích hợp với các tiêu chuẩn rút ra cho phần mềm dựa trên Windows Giao diện người dùng của MIKEZero/MIKE 11 được thiết kế yêu cầu rằng màn hình với độ phân giải Super VGA (1024x768) được yêu cầu để có thể xem được nội dung đầy đủ của các hội thoại

Thực tế có thể chạy MIKE 11 trên màn hình có độ phân giải thấp hơn, nhưng chỉ có thể xem được một phần của hộp hội thoại, nếu một phần của cửa sổ nào đó bị di chuyển bằng cách dùng chuột Tuy nhiên, phần tính toán trọng tâm được biết đến và đã được kiểm chứng của thế hệ MIKE 11 trước đây- phiên bản „Cổ điển‟ („Classic‟ version)- vẫn còn được duy trì MIKE 11 là một ứng dụng 32-bit thực sự, đảm bảo tốc độ tính toán nhanh hoặc tốc hoạt các con số so với các phiên bản MIKE 11 trước đây

MIKE 11 là một phần mềm kỹ thuật chuyên dụng mô phỏng lưu lượng, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát ở cửa sông, sông, hệ thống tưới, kênh dẫn và các hệ thống dẫn nước khác MIKE 11 là công cụ lập mô hình động lực một chiều, thân thiện với người

sử dụng nhằm phân tích chi tiết, thiết kế, quản lý và vận hành cho sông và hệ thống kênh dẫn đơn giản và phức tạp Với môi trường đặc biệt thân thiện với người sử dụng, linh hoạt

và tốc độ, MIKE 11 cung cấp một môi trường thiết kế hữu hiệu về kỹ thuật công trình, tài nguyên nước, quản lý chất lượng nước và các ứng dụng quy hoạch

Đã t lâu, MIKE 11 được biết đến như là một công cụ phần mềm có các tính năng giao diện tiên tiến và nhằm ứng dụng dễ dàng T ban đầu, MIKE 11 được vận hành/ sử

dụng thông qua hệ thống trình đơn tương tác (interactive menu system) hữu hiệu với các layout có hệ thống và các menu xếp dãy tuần tự Ở mỗi bước trong cây trình đơn (menu tree), một hỗ trợ trực tuyến sẽ được cung cấp trong màn hình Help menu Trong khuôn khổ này, phiên bản MIKE 11„Classic‟ („Cổ điển‟)- phiên bản 3.20 đã được phát triển lên Thế hệ mới của MIKE 11 kết hợp các đặc tính và kinh nghiệm t MIKE 11

„Classic‟, giao diện người sử dụng dựa trên cơ sở các tính năng hữu hiệu trong Windows bao gồm các tiện ích chỉnh sửa sơ đồ (graphical editing facilities) và tăng tốc độ tính toán bằng cách tận dụng tối đa công nghệ 32- bit

2.1.2 Tính năng đồ họa của mô hình

Về đầu vào/ chỉnh sửa, các đặc tính trong MIKE 11 bao gồm:

 Nhập dữ liệu/ chỉnh sửa bản đồ

 Nhiều dạng dữ liệu đầu vào/ chỉnh sửa mang tính mô phỏng

 Tiện ích copy và dán (paste) để nhập (hoặc xuất) trực tiếp, ví dụ như t các chương trình trang bảng tính (spreadsheet programs)

 Bảng số liệu tổng hợp (tabular) và cửa sổ sơ đồ (graphical windows)

 Nhập dữ liệu về mạng sông và địa hình t ASCII text files

 Layout cho người sử dụng xác định cho tất cả các cửa sổ sơ đồ (màu sắc, cài đặt font, đường, các dạng điểm vạch dấu marker, v.v )

Về đầu ra, có các tính năng trình bày báo cáo tiên tiến, bao gồm:

 Màu của bản đồ trong horizontal plan cho hệ thống dữ liệu và kết quả

 Trình bày kết quả bằng hình động trong sơ đồ mặt ngang, dọc và chuỗi thời gian

 Thể hiện các kết quả bằng hình động đồng thời

 Trình bày chuỗi thời gian mở rộng

 Tiện ích copy và dán (paste) để xuất các bảng kết quả hoặc trình bày bản đồ vào các ứng dụng khác (trang bảng tính, word hoặc các dạng khác)

2.2 CẤU TRÚC MÔ HÌNH MIKE 11

2.2.1 Mô đun m a dòng chảy (RR)

Mô đun mưa dòng chảy MIKE-NAM là một modul xử lý tính toán có tích hợp mô hình thủy văn xác định lượng dòng chảy sinh ra t mưa NAM là một phần trong mô hình

hệ thống sông MIKE 11

Mô hình NAM được viết tắt t chữ Đan Mạch”Nedbor- Afstromming-Model, nghĩa

là mô hình mưa - dòng chảy Mô hình NAM thuộc loại mô hình tất định, thông số tập trung, và là mô hình mô phỏng liên tục Mô hình NAM hiện nay được sử dụng rất nhiều nơi trên thế giới và gần đây cũng hay được sử dụng ở Việt Nam

Mô hình NAM là mô hình thuỷ văn mô phỏng quá trình mưa – dòng chảy diễn ra trên lưu vực Là một mô hình toán thủy văn, mô hình Nam bao gồm một tập hợp các biểu thức toán học đơn gian để mô phỏng các quá trình trong chu trình thuỷ văn Mô hình Nam là mô hình nhận thức, tất định, thông số tập trung Đây là một modun tính mưa t dòng chảy trong bộ phần mềm thương mại MIKE 11 do Viện Thủy lực Đan Mạch xây dựng và phát triển

Mô hình NAM mô phỏng quá trình mưa – dòng chảy một cách liên tục thông qua việc tính toán cân bằng nước ở bốn bể chứa thẳng đứng, có tác dụng qua lại lẫn nhau để diễn tả các tính chất vật lý của lưu vực Các bể chứa đó gồm:

 Bể tuyết (chỉ áp dụng cho vùng có tuyết)

Cấu trúc của mô hình

Bể tuyết

Giáng thủy sẽ được giữ lại trong bể tuyết khi nhiệt độ dưới 0 độ C, con nếu nhiệt

độ lớn hơn 0 độ C thì nó se chuyển xuống bể chứa mặt:

0

TEMP for

TEMP for

TEMP CSNOW

Q melt

(2.1) Trong đó CSNOW = 2 mm/day/K là hệ số tuyết tan trong ngày

Bể chứa mặt

Lượng ẩm trữ trên bể mặt của thực vật, cũng như lượng nước điền trũng trên bề mặt lưu vực được đặc trưng bởi lượng trữ bề mặt Umax đặc trưng cho giới hạn trữ nước tối đa của bể này

Lượng nước, U, trong bể chứa mặt sẽ giảm dần do bốc hơi, do thất thoát theo phương năm ngang (dòng chảy sát mặt) Khi lượng nước này vượt quá ngưỡng Umax, thì một phần của lượng nước vượt ngưỡng, PN này sẽ chảy vào suối dưới dạng dòng chảy tràn bề mặt, phần còn lại sẽ thấm xuống bể sát mặt và bể ngầm

Dòng chảy mặt

Khi bể chứa mặt tràn nước, U  Umax, thì lượng nước vượt ngưỡng PN (PN = U-

Umax) sẽ hình thành dòng chảy mặt và thấm xuống dưới QOF là một phần của PN, tham gia hình thành dòng chảy mặt, nó tỉ lệ thuận với PN và thay đổi tuyến tính với lượng ẩm tương đối, L/Lmax, của tầng rễ cây:

L for

TOF L

L for P TOF

TOF L

L CQOF

max

max max

/0

/1

/

(2.3) Trong đó CQOF là hệ số dòng chảy mặt (0  CQOF  1)

TOF là ngưỡng của dòng chảy mặt (0  TOF  1)

Phần còn lại của PN sẽ thấm xuống tầng dưới Một phần DL của phần nước thấm xuống này, (PN-QOF), sẽ làm tăng lượng ẩm L của bể chứa tầng rễ cây này Phần còn lại

sẽ thẩm thấu xuống tầng sâu hơn để bổ xung cho bể chứa tầng ngầm

Dòng chảy sát mặt

Dòng chảy sát mặt, QIF, được giả thiết tỉ lệ thuận với U và biến đổi tuyến tính với

độ ẩm tương đối của bể chứa tần rễ cây

L for

TIF L

L for U TIF

TIF L

L CKIF QIF

max

max max

1

/0

/1

/)(

Trong đó CKIF là hằng số thời gian của dòng chảy sát mặt

TIF là giá trị ngưỡng của dòng chảy sát mặt (0  TIF  1)

L for

TG L

L for TG

TG L

L QOF P

max

max max

/0

/1

/

(2.5)

Trong đó TG là giá trị ngưỡng của lượng nước bổ sung cho tầng ngầm (0  TG  1)

Diễn toán dòng chảy mặt và dòng chảy sát mặt

Dòng chảy mặt và dòng chảy sát mặt sẽ được diễn toán thông qua 2 bể chứa tuyến tính theo chuỗi thời gian với cùng một hằng số thời gian CK12

Diễn toán dòng chảy ngầm

Dòng chảy ngầm được diễn toán thông qua một bể chứa tuyến tính với hằng số thời gian CKBF

2.2.2 Mô đun thủy động lực (HD)

Mô-đun mô hình thủy động lực (HD) là một phần trọng tâm của hệ thống lập mô hình MIKE 11 và hình thành cơ sở cho hầu hết các mô-đun bao gồm Dự báo lũ, Tải khuyếch tán, Chất lượng nước và các mô-đun vận chuyển bùn lắng không có cố kết Mô-đun MIKE 11 HD giải các phương trình tổng hợp theo phương đứng để đảm bảo tính liên tục và động lượng (momentum), nghĩa là phương trình Saint Venant

Các ứng dụng liên quan đến mô-đun MIKE 11 HD bao gồm:

 Dự báo lũ và vận hành hồ chứa

 Các phương pháp mô phỏng kiểm soát lũ

 Vận hành hệ thống tưới và tiêu thoát bề mặt

 Thiết kế các hệ thống kênh dẫn

 Nghiên cứu sóng triều và dâng nước do mưa ở sông và cửa sông

Đặc trưng cơ bản của hệ thống lập mô hình MIKE 11 là cấu trúc mô-đun tổng hợp với nhiều loại mô-đun được thêm vào mỗi mô phỏng các hiện tượng liên quan đến hệ thống sông

Chúng ta sẽ nghiên cứu sâu hơn về mô đun HD ở phần dưới đây

2.2.3 Mô đun tải – khuyếch tán (AD)

Mô đun khuếch tán bình lưu (AD) dựa trên phương trình 1 chiều về bảo toàn khối lượng của chất hoà tan hoặc lơ lửng, nó sử dụng các kết quả tính toán của mô hình thuỷ lực Mô hình AD giải theo sơ đồ sai phân ẩn, mà về nguyên tắc là ổn định

vô điều kiện

Phư ng trình khuếch tán:

q C AKC x

C AD x

x

QC t

A-diện tích mặt cắt ngang; K-hệ số phân huỷ tuyến tính;

C2-nồng độ nguồn q-dòng gia nhập;

x-khoảng cách; t-thời gian

Phương trình phản ánh 2 cơ chế vận chuyển:

- Vận chuyển bình lưu/ đối lưu bởi dòng chảy trung bình,

- Vận chuyển khuếch tán bởi gradient nồng độ

* Các giả thiết:

- Vật chất và nguồn hoàn toàn xáo trộn trong mặt cắt ngang,

- Vật chất bảo toàn theo định luật khuếch tán bậc nhất Fick, tức là vận chuyển khuếch tán tỷ lệ với gradient nồng độ

Điều kiện iên:

Chảy ra khỏi biên hở:

Chảy vào biên hở:

Nồng độ tại biên được xử lý như đối với lưu lượng và mực nước Khi dòng đổi hướng ra thành vào biên, điều kiện biên xác định theo:

tmixKmix bf

Cbf-nồng độ làm đầu vào tại biên

Cout-nồng độ tại biên ngay sau khi dòng chảy đổi hướng

Kmix-quy mô thời gian,

tmix-thời gian kể t khi dòng chảy đổi hướng

x trong môđun AD là khoảng cách giữa các nút kể cả h và Q, tức là x trong AD bằng 0.5 x trong tính toán thuỷ lực HD Do vậy nếu bước thời gian trong HD bị hạn chế bởi chỉ tiêu vận tốc, cần giảm đi 2 lần trong tính toán AD

2.2.4 Mô đun sinh thái (Ecolab)

Mô đun sinh thái trong mô hình MIKE 11 giải quyết khía cạnh chất lượng nước trong sông tại những vùng bị ảnh hưởng bởi các hoạt động dân sinh kinh tế.v.v Mô đun chất lượng nước giải quyết các quá trình biển đổi sinh học của các hợp chất trong sông còn mô đun tải - khuyếch tán được dùng để mô phỏng quá trình truyền tải khuyếch tán của các hợp chất đó

Mô đun sinh thái có quan hệ chặt chẽ với modul tải – khuyếch tán, góp phần mô phỏng các quá trình biến đổi sinh – hóa xảy ra trong môi trường nước như:

+ Mối quan hệ giữa BOD/DO

+ Các nhân tố ảnh hưởng đến độ Oxy hòa tan (to, dòng chảy, )

+ Quá trình Nitrat hóa

+ Ảnh hưởng của thực vật đáy

+ Sự khuấy động và lắng đọng của bùn cát

2.3 HỆ PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN VÀ CÁCH GIẢI TRONG MIKE 11HD

2.3.1 Hệ ph ng trình c bản trong mô hình MIKE 11

Hệ phương trình sử dụng trong mô hình là hệ phương trình Saint-Venant, được viết dưới dạng thực hành cho bài toán một chiều không gian, tức quy luật diễn biến của độ cao mặt nước và lưư lượng dòng chảy dọc theo chiều dài dọc sông, kênh và theo thời gian Hệ phương trình Saint-Venant gồm 2 phương trình : phương trình liên tục và phương trình động lượng:

+ Phương trình liên tục là:

t

A x

Q

= +

| Q

| Q

Trong đó:

- B:chiều rộng mặt nước ở thời đoạn tính toán(m)

- h: cao trình mực nước ở thời đoạn tính toán (m)

- t: Thời gian tính toán (giây)

- Q: Lưu lượng dòng chảy qua mặt cắt (m3/s)

- x: Không gian (dọc theo dòng chảy) (m)

- A: Diện tích mặt cắt ướt (m2)

-q: Lưu lượng ra, nhập dọc theo đưon vị chiều dài (m2/s)

- C: Hệ số Chezy, được tính theo công thức: C=(1/n)Ry

- n: Hệ số nhám

- R: Bán kính thuỷ kực (m)

- g: Gia tốc trọng trường = 9.81m/s2

- α: Hệ số động năng

2.3.2 Cách giải trong mô hình MIKE 11

- Giải hệ phương trình trên theo phương pháp sai phân hữu hạn 6 điểm sẽ xác định được giá trị lưu lượng, mực nước tại các đoạn sông và mặt cắt ngang trong mạng sông tại các thời điểm trong khoảng thời gian tính toán

Hình 2.1 1

Hình 2.1: Diễn Tìm hiểu mô hình mike 11 và ứng dụng thực tế sử dụng mô hình nghiên cứu lũ lụt cho sôngBa

- Thuật toán trong mô hình Mike11: Hệ phương trình vi phân (2.13) và (2.14) là hệ phương trình vi phân phi tuyến, có hệ số biến đổi Các nghiệm cần tìm là Q và Z là hàm

số của các biến độc lập x, t Nhưng các hàm A và v lại là hàm phức tạp của Q và Z nên không giải được bằng phương pháp giải tích, mà giải gần đúng theo phương pháp sai phân

T hệ phương trình Saint Venant, ta có hai phương trình viết theo Q và h:

q t

h s b x

Q

=+

∂

∂)

2β(

∂

∂1

∂

∂

RA C

Q Q g x

h gA h

Q x B t

Q

Giải hệ phương trình vi phân trên theo phương pháp sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn (Abbott-Ionescu 6-point) sẽ xác định được giá trị lưu lượng, mực nước tại mọi đoạn sông, mọi mặt cắt ngang trong mạng sông và mọi thời điểm trong khoảng thời gian nghiên cứu

Sơ đồ sai phân ẩn 6 điểm như sau (Hình 2.2; Hình 2.3):

Hình 2.2: Sơ đồ sai phân hữu hạn 6

Hình 2.4: Sơ đồ sai phân ẩn 6 điểm trung tâm

Phương trình liên tục được sai phân hoá tại bước thời gian n 12 như sau :

Q Q

x Q

n j

n j

n j

n j

2 2

t

n j

Δ 2

1 ,

= (2.19)

Trong đó: Chỉ số bên dưới trong phương trình biểu thị vị trí dọc theo nhánh, và chỉ

số bên trên chỉ khoảng thời gian

Ao,j : diện tích khống chế bởi hai điểm lưới j -1 và j

Ao,j+1 : diện tích khống chế bởi hai điểm lưới j và j+1

2x : Khoảng cách giữa hai điểm j -1 và j+1

Thế vào phương trình (2.15) ta được phương trình:

   

i

n j n j j j

n j n j n

j

n

j

q t

h h x

A A x

Q Q Q

1

1

2 2

2 2

(2.20)

j j n j j n

1 (2.21) Phương trình động lượng được sai phân hoá tại t =

2 1

n j

h x

h

n j

n j

n j

n j

2 2

)

(2.23)

x A

Q A

Q

A

Q x

n

j n

j n

Q

Q2  1   1 (2.25)

Thay vào phương trình (2.16) ta được một phương trình có dạng :

j n j j n j j n j

1 (2.26) Trong đó :

j h Q h Q Q

) Như vậy, nhờ phương pháp sai phân và tuyến tính hoá, ta đã biến đổi hai phương trình Saint-Venant (2.13) & (2.14) thành hai phương trình đại số bậc nhất (2.21) & (2.26) Các hệ số của hệ phương trình này đều có quan hệ với các ẩn số Q, h

Trong MIKE 11 có thể xử lý được đoạn sông nhiều nhánh, tại các nhập lưu sẽ tạo ra một nút tính mực nước

Hình dạng các điểm lưới và các điểm nút trong một mô hình hoàn chỉnh trong đó tại các điểm biên là các nút tính mực nước

Trong mỗi điểm lưới mối quan hệ giữa biến số Zi (mực nước Hi hay lưu lượng Qi) với các điểm lân cận được thể hiện qua phương trình tuyến tính tại chính điểm đó và tại các điểm lân cận dưới dạng sau:

αiZi+1j-1 + βjZn+1j + γjZn+1j+1 = δj (2.27) Chỉ số dưới trong phương trình (2.3) biểu thị vị trí dọc theo nhanh và chỉ số trên là bước thời gian Các hệ số α, β, γ và δ trong chương trình tại các điểm h được tính bằng sai phân hữu hạn xấp xỉ đối với phương trình liên tục và tại các điểm Q bằng cách dùng sai phân hữu hạn xấp xỉ đối với các phương trình động lượng

Giả sử một nhánh có n điểm lưới, điểm lưới đầu và cuối trong một nhánh luôn phải

là điểm mực nước (h) Phương trình (2.3) được lập cho tất cả n điểm lưới, tạo ra n phường

trình tuyến tính có n + 2 ẩn, trong đó có 2 biến biên trên và biên dưới Hệ phương trình tuyến tính có dạng:

Trong MIKE 11, mực nước tại điểm đầu và điểm cuối lấy bằng mực nước biên trên

và biên dưới Tại điểm đầu, khi h1 = Hus, sẽ có α1 = -1, β1 = 1,γ1 = 0 và δ1 = 0 Tương tự, tại thời điểm lưới cuối, khi hn = Hds thì αn = 0, βn = 1, γn = -1 và δn = 0 Khi biết được Hus

và Hds, hệ (2.28) chỉ còn lại n ẩn trong n phương trình và có thể giải được bằng thuật toán khử chuẩn Trong MIKE 11, để giải hệ phương trình này đã áp dụng phương pháp khử

chuẩn, chuyển ma trận các hệ số của hệ phương trình 2.28 (Hình 2.7) về dạng chuẩn có

Hình 2.8: Ma trận hệ phương trình viết cho một nhánh đã khử chuẩn

T ma trận Hình 2.8 cho thấy, biến số Z (mực nước hoặc lưu lượng) tại bất kỳ điểm

nào đều được thể hiện dưới dạng hàm số thông qua mực nước hoặc lưu lượng thượng và

hạ lưu:

Tại các giao điểm của 3 nhánh sông A, B và C

Phương trình liên tục được thiết lập cho vị trí giao điểm như sau:

Hn+1-Hn

∆t Aƒt = Q

n+12I + Qn+

120

Hn+1-Hn

∆t Aƒt = 0.5(Q

n A,n-1 + QnB,n-1 – QnC,2 ) + 0.5 (QA,n-1n+1 + Qn+1B,n-1 – Qn+1C,2 )

Trong phương trình trên, QA,n-1, QB,n-1, QC,n-1 tại bước thời gian n + 1 có thể được

thay như trong phương trình (2.31) ta có:

Với số nhánh sông nhiều hơn, cũng có một phương trình tương tự như phương trình

(2.32), các phương trình này được giải bằng phương pháp khử chuẩn Gauss để tính được

mực nước tại các thời điểm n + 1 Sau đó, mực nước và lưu lượng được tính theo phương

trình (2.29)

Do hệ phương trình Saint – Venant khi được rời rạc theo không gian và thời gian sẽ

gồm có số lượng phương trình luôn ít hơn số biến số, vì thế để khép kín hệ phương trình

này cần phải có các điều kiện biên và điều kiện ban đầu Trong mô hình MIKE 11, điều

kiện biên của mô hình khá linh hoạt, có thể là điều kiện biên hở hoặc điều kiện biên kín

Điều kiện biên kín là điều kiện tại biên đó không có trao đổi nước với bên ngoài Điều

kiện biên hở Trong MIKE 11, có thể áp dụng ba loại điều kiện biên sau đây:

1 Mực nước theo thời gian;

2 Lưu lượng theo thời gian;

3 Mối quan hệ giữa mực nước và lưu lượng dòng chảy ( biên Q/h)

Mỗi dạng biên được tính bằng cách sử dụng phương trình nút khác nhau:

- Mực nước theo thời gian:

Mực nước tại nút, tại bước thời gian n + 1 sẽ trở thành giá trị biên tại bước

thời gian n + 1 (Hn+1Boundry)

- Lưu lượng theo thời gian:

Trong trường hợp này, t phương trình (2.32), xác định được phương trình liên tục

tại khu vực giới hạn Aµ1 như sau:

Hn+1-Hn

∆t Aµ1 = 0.5( Qnb – Qn2 ) + 0.5( Qn+1b - Qn+12 ) (2.33)

T phương trình (2.31), trong đó Q2 được xác định theo (2.29) sẽ thu được phương trình dạng mới tương đương với phương trình (2.33):

- Htab,i) - Qn2) + 0.5(Qtab,i + a(Hn+1 - Htab,i)- Qn+12 ) (2.38)

Như vậy, trình tự áp dụng để giải các phương trình sai phân hữu hạn có thể được tóm tắt như sau:

1 Tại mỗi nhánh, các hệ số trong các ma trận nhánh được tính theo phương pháp sai phân hữu hạn xấp xỉ của các phương trình Saint Venant;

2 Các hệ số ma trận nhánh trong các điểm Q được tính bằng cách dùng các thuật toán có liên quan;

3 T ng ma trận nhánh được chuyển t ma trận Hình 2.6 sang Hình 2.7;

4 Ở những điểm có 2 hoặc nhiều hơn 2 nhánh gặp nhau, các hệ số trong hàng có liên quan trong ma trận điểm sẽ tính bằng phương trình (2.32);

5 Tại những điểm có 1 nhánh đổ vào, các hệ số trong hàng có liên quan trong ma trận điểm sẽ được tính bằng cách sử dụng 1 trong 3 dạng biên: mực nước ( Hn+1 =

HBoundary ), lưu lượng – phương trình (2.34) hoặc tỷ số Q/h phương trình (2.38)

6 Giải ma trận điểm sẽ nhận được Hn+1 tại tất cả các điểm trên lưới;

7 Tại mỗi điểm lưới dọc theo các nhánh, mực nước và lưu lượng dòng chảy sẽ được tính bằng phương trình (2.29)

Để giải phương trình sai phân hữu hạn chính xác và ổn định cần có các điều kiện sau:

- Số liệu địa hình phải tốt, để lựa chọn được giá trị ∆x phù hợp;

- Bước thời gian ∆t cần thiết cho một phương trình sóng;

- Điều kiện Courant được dùng để lựa chọn bước thời gian sao cho thỏa mãn đồng thời các điều kiện trên:

Cr = ∆t(V+ gx)

Giá trị Cr thường trong khoảng 10 – 15, trong một số trường hợp giá trị này

có thể lớn hơn 100

CHƯƠNG 3

ÁP DỤNG MÔ HÌNH MIKE 11 VỚI BÀI TOÁN LŨ TRÊN SÔNG BA

3.1 GIỚI THIỆU VỀ KHU VỰC ÁP DỤNG THỰC TẾ

3.1.1 Điều kiện tự nhiên

3.1.1.1 Vị trí địa lý

Lưu vực sông Ba thuộc vùng Nam Trung bộ, là một trong những con sông lớn nhất vùng ven biển miền Trung Lưu vực sông có dạng dài và hẹp với tổng diện tích tự nhiên khoảng 13900 km2

(nếu tính cả nhánh sông Bàn Thạch thì là 14132 km2), nằm trong phạm vi ranh giới hành chính của 3 tỉnh Gia Lai, Đăk Lăk và Phú Yên với 1 thành phố và

22 huyện:

- Tỉnh Gia Lai gồm các huyện: Kbang, thị xã An Khê, Đăk Pơ, Kông Chro, Đăk Đoa, Mang Yang, Chư Sê, Ayun Pa, Ia Pa, Krông Pa;

- tỉnh Đăk Lăk là: Ea Hleo, Krông HNăng, Ea Kar, Krông Buk, Ma Đrăk;

- tỉnh Phú Yên là: TP Tuy Hòa, Đồng Xuân, Tuy An, Phú Hòa Sơn Hòa, Sông Hinh, Tây Hòa, Đông Hòa

Vị trí địa lý của lưu vực ở vào khoảng 12o55‟ đến 14o58‟ vĩ độ Bắc và 108o00‟ đến

109o55‟ kinh độ Đông, phía bắc giáp với lưu vực sông Sê San và sông Trà Khúc, phía nam giáp với lưu vực sông Cái (Nha Trang) và sông Srêpôk, phía tây giáp với lưu vực sông Sê San và sông Srêpôk, phía đông giáp với lưu vực sông Kôn, sông Kỳ Lộ và biển Đông

Hình 3.1: Bản đồ hành chính và mạng lưới sông suối lưu vực sông Ba