Nghiên cứu, ứng dụng mô hình kết nối MARINE và IMECH1D dự báo lưu lượng vào hồ Hòa Bình : Luận văn ThS. Cơ học: 60 44 22

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VIỆN CƠ HỌC NGUYỄN TIẾN CƢỜNG NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG MƠ HÌNH KẾT NỐI MARINE VÀ IMECH1D DỰ BÁO LƢU LƢỢNG VÀO HỒ HỊA BÌNH LUẬN VĂN THẠC SỸ Hà Nội - 2010 MỤC LỤC MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chƣơng ĐẶC ĐIỂM CỦA LƢU VỰC VÀ CỦA CÁC MƠ HÌNH LỰA CHỌN NGHIÊN CỨU 1.1 Đặc điểm địa lý tự nhiên, quy luật dòng chảy lũ lƣu vực sơng Đà vai trị hồ Hịa Bình [4]-[6]: 1.1.1 Đặc điểm mƣa gây lũ [4]: 1.1.2 Đặc điểm dòng chảy lũ sông Đà [4]: 10 1.1.3 Vai trị hồ Hịa Bình [4]: 11 1.2 Tổng quan mô hình thủy văn [3]-[5]: 12 1.3 Tổng quan mơ hình thủy lực [3]; [6]: 13 Chƣơng PHẦN MỀM THỦY VĂN THAM SỐ PHÂN BỐ MARINE 16 2.1 Cơ sở khoa học phần mềm thủy văn tham số phân bố Marine: 16 2.1.1 Mơ hình dịng chảy bề mặt lƣu vực [3]; [5]; [6]; [8]: 16 2.1.2 Mơ hình thấm Green Ampt [12]; [16]: 17 2.2 Cấu trúc liệu Marine [16]: 19 Chƣơng PHẦN MỀM THỦY LỰC MỘT CHIỀU IMECH1D 22 3.1 Các thành phần hệ thống [5]; [6]; [9]: 22 3.1.1 Mạng sông: 22 3.1.1.1 Nút sông: 22 3.1.1.2 Đoạn sông: 23 3.1.2 Ô ruộng (Ô chứa): 23 3.2 Mơ hình tốn học [5]; [6]; [9]: 23 3.2.1 Mô hình tốn học đoạn sơng: 23 3.2.2 Mơ hình tốn học ruộng [5]; [6]; [9]: 24 3.3 Lƣợc đồ sai phân [1]; [5]; [6]: 24 3.4 Tuyến tính hóa hệ phƣơng trình (3.5), (3.7), (3.8): 26 3.4.1 Tuyến tính hố biểu thức đơn giản [10]: 27 3.4.2 Tuyến tính hố biểu thức có lực cản đáy: 27 3.4.3 Tuyến tính hố biểu thức trao đổi nƣớc qua đê: 28 3.5 Thuật giải hệ phƣơng trình đại số tuyến tính [1]; [5]; [6]: 28 3.6 Các thuật toán phụ trợ sử dụng xây dựng chƣơng trình tính tốn thủy lực chiều IMech1D [5]; [6]: 33 3.6.1 Khái toán mặt cắt: 33 3.6.2 Tạo giá trị mực nƣớc lƣu lƣợng làm điều kiện ban đầu: 34 3.6.3 Vấn đề xác định hệ số nhám chỉnh kết quả: 35 Chƣơng ỨNG DỤNG MƠ HÌNH KẾT NỐI MARINE-IMECH1D CHO LƢU VỰC SÔNG ĐÀ PHẦN TRÊN LÃNH THỔ VIỆT NAM 36 4.1 Mô hình kết nối Marine Imech1D [5]: 36 4.2 Xử lý số liệu cho mô hình kết nối Marine-IMech1D: 37 4.2.1 Xử lý đồ địa hình: 37 4.2.1.1 Xác định hƣớng dòng chảy độ tích tụ dịng chảy DEM: 38 4.2.1.2 Tạo mạng sông suối từ DEM: 40 4.2.1.3 Phân chia lƣu vực DEM: 41 4.2.2 Xử lý đồ phân loại đất: 41 4.2.3 Xử lý đồ trạng sử dụng đất: 43 4.2.4 Xây dựng đồ phân bố mƣa lƣu vực: 43 4.2.5 Tích hợp mặt cắt sông vào lớp sông suối DEM: 45 4.2.6 Xử lý số liệu khác: 46 Chƣơng NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG TÍNH TỐN CỦA MƠ HÌNH BẰNG KỸ THUẬT LỌC KALMAN 47 5.1 Quá trình cần đánh giá (ƣớc lƣợng) [13]: 47 5.2 Các vấn đề tính tốn (bản chất tính tốn) lọc Kalman [13]; [17]: 49 5.2.1 Định nghĩa ƣớc lƣợng tiên nghiệm hậu nghiệm: 49 5.2.2 Bƣớc dự báo – cập nhật (ƣớc lƣợng tiên nghiệm): 49 5.2.3 Bƣớc hiệu chỉnh (ƣớc lƣợng hậu nghiệm): 51 5.2.4 Tìm Kalman gain (blending factor) K: 52 5.3 Thuật toán lọc Kalman rời rạc: 55 5.3.1.Cập nhật theo thời gian – dự báo (ƣớc lƣợng tiên nghiệm) (predict): 55 5.3.1.1 Phép tính s 1: 55 5.3.1.2 Phép tính số 2: 55 5.3.2 Cập nhật theo đo đạc – chỉnh sửa (ƣớc lƣợng hậu nghiệm) (correct): 56 5.3.2.1 Phép tính số 3: 56 5.3.2.2 Phép tính số 4: 56 5.3.2.3 Phép tính số 5: 56 Chƣơng CÁC KẾT QUẢ ỨNG DỤNG MƠ HÌNH KẾT NỐI MARINE VÀ IMECH1D ĐỂ DỰ BÁO LƢU LƢỢNG VÀO HỒ HÕA BÌNH 57 6.1 Kết kiểm tra toán mẫu cho 10 lƣu vực phận: 57 6.2 Sử dụng mơ hình kết nối Marine-IMech1D để dự báo lại trận lũ năm 2006 hiệu chỉnh tham số mơ hình: 58 6.2.1 Nhận định chung tình hình lũ sơng Đà năm 2006: 58 6.2.2 Kết tính toán dự báo lại cho trận lũ năm 2006 mơ hình kết nối MARINE-IMECH1D: 58 6.3 Kết sử dụng mơ hình kết nối Marine-IMech1D tác nghiệp cho mùa lũ năm 2009: 61 KẾT LUẬN 64 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 Tiếng Việt 67 Tiếng Anh 67 Tiếng Pháp 68 PHỤ LỤC 69 Kết kiểm tra toán mẫu cho 10 lƣu vực phận lƣu vực sông Đà MARINE: 69 Kết kiểm định chƣơng trình tính tốn thủy lực chiều IMech1D toán kiểm định mẫu (Test Cases) 75 2.1 Kết kiểm định chƣơng trình IMech1D tốn mẫu số 1: SÓNG XẢ TRONG KÊNH CHỮ NHẬT 75 2.2 Kết kiểm định chƣơng trình IMech1D toán mẫu số 2: DÕNG CHẢY ÊM, ĐỀU TRONG KÊNH HÌNH CHỮ NHẬT 76 2.3 Kết kiểm định chƣơng trình IMech1D tốn mẫu số 3: DÕNG CHẢY ĐỀU CÓ LƢU LƢỢNG PHỤ 77 2.4 Kết kiểm định chƣơng trình IMech1D toán mẫu số 4: DÕNG CHẢY ĐỀU CĨ CƠNG TRÌNH 78 2.5 Kết kiểm định chƣơng trình IMech1D tốn mẫu số 5: SÓNG ĐỘNG LỰC HỌC 79 2.6 Kết kiểm định chƣơng trình IMech1D tốn mẫu số 6: SĨNG KHUẾCH TÁN 80 2.7 Kết kiểm định chƣơng trình IMech1D tốn mẫu số 7: SÓNG ĐỘNG HỌC 81 2.8 Kết kiểm định chƣơng trình IMech1D tốn mẫu số 8: SĨNG LŨ QUA HỒ CHỨA 82 2.9 Kết kiểm định chƣơng trình IMech1D toán mẫu số 9: NHIỄU ĐỊA PHƢƠNG TRONG DÕNG CHẢY DỪNG 83 2.10 Kết kiểm định chƣơng trình IMech1D tốn mẫu số 10: HÌNH HỌC KHƠNG ĐỀU TRONG DÕNG CHẢY DỪNG 84 2.11 Kết kiểm định chƣơng trình IMech1D tốn mẫu số 11: DÕNG CHẢY KHƠNG DỪNG TRONG KÊNH CĨ LÕNG DẪN PHỨC HỢP 86 2.12 Kết kiểm định chƣơng trình IMech1D toán mẫu 12: PHÂN LƢU 89 MỞ ĐẦU Do ảnh hƣởng tình trạng biến đổi khí hậu toàn cầu trạng khai thác, sử dụng đất bề mặt lƣu vực bị thay đổi nhiều nên lũ lụt hệ thống sơng Đà có chiều hƣớng ngày diễn biến phức tạp Chính điều ngày gây thêm nhiều khó khăn cho cơng tác dự báo lƣu lƣợng vào hồ Hịa Bình nhƣ cơng tác phịng chống lụt bão điều hành hồ chứa thủy điện Hịa Bình Sơng Đà hệ thống sông lớn chi lƣu lớn ba chi lƣu hệ thống sông Hồng Lƣu lƣợng nƣớc đổ sông Hồng phần lớn từ sơng Đà chảy Chính sơng Đà có ảnh hƣởng lớn đến tình trạng lũ lụt khu vực đồng châu thổ sông Hồng Để phòng chống lũ cho khu vực đồng châu thổ sông Hồng đặc biệt chống lũ cho thành phố Hà Nội địi hỏi phải kiểm sốt đƣợc lũ sơng Đà vận hành cơng trình chống lũ hồ thủy điện Hịa Bình cách hợp lý Dự báo trƣớc lƣu lƣợng vào hồ Hịa Bình nhiệm vụ quan trọng Bởi vì, để vận hành dƣợc hồ Hịa Bình phục vụ đa mục tiêu cần phải biết trƣớc đƣợc lƣu lƣợng vào hồ Luận văn thạc sỹ đƣợc đặt hoàn cảnh thực tế cần phải xây dựng công cụ cho phép dự báo trƣớc lƣu lƣợng vào hồ Hịa Bình từ số liệu đầu vào gồm: - Các thông tin lƣu vực sông Đà bị giới hạn nằm phần lãnh thổ Việt Nam - Số liệu mƣa thực đo biết trạm đo lƣu vực - Số liệu mƣa dự báo trạm đo lƣu vực mơ dự báo mƣa - Lƣu lƣợng chảy vào từ phần lƣu vực thuộc lãnh thổ Trung Quốc - Số liệu lƣu lƣợng mực nƣớc số trạm đo hệ thống sơng Đà hồ Hịa Bình - Các thơng số hồ Hịa Bình, cơng trình thủy điện Hịa Bình - Thơng tin địa hình, trạng sử dụng đất,… lƣu vực sông Đà - Các thông tin phụ trợ khác Trên sở nội dung luận văn đƣợc đặt với mục tiêu khai thác, sử dụng mơ hình toán tiên tiến mà giới nghiên cứu phát triển để xây dựng công cụ dự báo trƣớc lƣu lƣợng vào hồ Hịa Bình 48 Qua nghiên cứu, phân tích nhiều mơ hình thủy văn thủy lực khác nhau, cuối mơ hình thủy văn Marine mơ hình thủy lực IMech1D đƣợc lựa chọn để phát triển kết nối thành mơ hình kết nối Marine IMech1D phục vụ toán dự báo lƣu lƣợng vào hồ Hịa Bình Trên sở nội dung luận văn bao gồm chƣơng là: Chƣơng 1: trình bày thơng tin tổng quan đề tài bao gồm, thông tin lƣu vực nghiên cứu, thơng tin mơ hình thủy văn, thủy lực đƣợc lựa chọn nghiên cứu Chƣơng 2: Nghiên cứu sở khoa học phát triển mô hình thủy văn tham số phân bố Marine Chƣơng 3: Nghiên cứu sở khoa học khai thác mô hình thủy lực chiều IMech1D Chƣơng 4: Kết nối mơ hình thủy văn Marine với mơ hình thủy lực chiều IMech1D thành mơ hình thống Ứng dụng mơ hình cho lƣu vực sơng Đà để dự báo lƣu lƣợng vào hồ Hịa Bình Chƣơng 5: Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật lọc Kalman để nâng cao độ xác mơ hình kết nối Marine IMech1D Chƣơng 6: Trình bày kết sử dụng mơ hình kết nối MarineIMech1D dự báo lƣu lƣợng vào hồ Hịa Bình trƣớc 48 Cuối phần kết luận số phụ lục Chương ĐẶC ĐIỂM CỦA LƯU VỰC VÀ CỦA CÁC MƠ HÌNH LỰA CHỌN NGHIÊN CỨU 1.1 Đặc điểm địa lý tự nhiên, quy luật dòng chảy lũ lưu vực sơng Đà vai trị hồ Hịa Bình [4]-[6]: Sơng Đà có diện tích 52.900 km2, lƣu vực hẹp, kéo dài theo hƣớng tây bắcđông nam tới 380km, rộng trung bình 80km, phần thuộc địa phận Việt Nam có diện tích 26800km2, chiếm khoảng 50,7% diện tích tồn lƣu vực Lịng thƣợng lƣu hẹp, nhiều thác ghềnh; hạ lƣu, lịng sơng mở rộng, độ dốc sơng trung bình 3,58% Độ cao bình quân lƣu vực 965m, độ dốc bình quân 36,8% Đƣờng phân thủy phía đơng lƣu vực dãy núi Hồng Liên Sơn, Pu Lng với đỉnh cao từ 2500-3000m Phía tây có dãy núi cao Phu Huổi Long, Phutama, Phu Tung Phu Sang Phía bắc có dãy núi cao Pusi-Lung Ngũ Đài Sơn, phía đơng nam vùng núi thấp Ba Vì, Viên Nam Đối Thơi Địa hình lƣu vực dạng núi cao nguyên cao, chia cắt mạnh theo chiều thẳng đứng; dãy núi, cao nguyên thung lũng xếp song song theo hƣớng tây bắcđông nam 1.1.1 Đặc điểm mƣa gây lũ [4]: Sự xếp song song địa hình núi, cao ngun thung lũng sơng có tác động rõ rệt tới khí hậu lƣu vực Dãy núi cao Hồng Liên Sơn - Pulng nhƣ tƣờng tự nhiên ngăn cản làm suy yếu ảnh hƣởng gió đơng bắc Các dãy núi cao biên giới Việt-Lào lại tạo hiệu ứng fơn gió mùa tây nam Điều kiện địa hình vị trí lƣu vực qui định khí hậu với hai mùa: mùa đông khô lạnh, mùa hè nhiều mƣa vùng cao khơ nóng vùng thấp Mƣa lớn lƣu vực thƣờng bắt đầu sớm, vào khoảng tháng VI, tháng VII Vùng bắc tây bắc vùng núi cao có khí hậu ẩm ƣớt đến ẩm, lƣợng mƣa trung bình nhiều năm từ 1500 đến 2700mm, lƣợng mƣa mùa hè (tháng VIX) chiếm tới 70% tổng lƣợng mƣa năm Vùng núi thấp Sơn La-Mộc Châu, mùa hè chịu ảnh hƣởng gió mùa tây nam, lƣợng mƣa trung bình năm thấp, 1100 đến 1500mm, lƣợng mƣa mùa hè dƣới 1000mm Trên lƣu vực sông Đà tồn trung tâm mƣa lớn nhƣ trung tâm mƣa sƣờn tây dãy Hồng Liên Sơn thuộc lƣu vực sơng nhánh Nậm Na, Nậm Mu, lƣợng mƣa trung bình năm khoảng 2500mm (trên lƣu vực Nậm Na- 10 mƣa trung bình năm tới 2000mm : Phong Thổ lƣợng mƣa trung bình năm 2202mm, PaTần 2997mm, Sình Hồ 2682mm; lƣu vực Nậm Mu lƣợng mƣa trung bình năm tới 2454mm, thƣợng lƣu lên tới 2700-2800mm) Tại vùng phía tây dãy Hồng Liên Sơn thấy rõ qui luật lƣợng mƣa tăng theo độ cao lƣu vực, mƣa tập trung vào tháng V-X, đặc biệt tháng VI-VIII; lƣợng mƣa mùa hè chiếm 90%, lƣợng mƣa tháng VI-VIII chiếm 5060% lƣợng mƣa năm Trung tâm mƣa lớn phần lƣu vực thuộc địa phận Việt Nam gần biên giới Việt-Trung tâm mƣa lớn nhất, lƣợng mƣa năm thay đổi tùy vị trí từ 2400 đến 3000mm, mƣa tập trung nhiều vào tháng VI-VIII 1.1.2 Đặc điểm dịng chảy lũ sơng Đà [4]: Địa hình núi cao, chia cắt mạnh, độ dốc lớn, thung lũng sâu, hẹp với lƣợng mƣa lớn lại tập trung vào vài tháng năm nên tạo điều kiện hình thành mạng lƣới sơng dày đặc, sơng lớn, hƣớng dịng sơng suối trùng với hƣớng lƣu vực Mật độ sông suối lớn vùng núi phía tây Hồng Liên Sơn lên tới 1,5-1,7km/km2 Phía hữu ngạn sơng Đà, có lƣợng mƣa đáng kể so với vùng khác nên sông suối thƣa hơn, từ 0,5 đến 1,5km/km2, thƣờng dƣới 1,0km/km2 Trên sơng Đà dịng sơng nhánh nhƣ Nậm Na, Nậm Mu, sông suối nhỏ đổ vào dịng thƣờng phân bố dọc sơng Vùng cao ngun đá vơi mƣa ít, sơng suối thƣa, dịng chảy nhỏ Nguồn sinh dòng chảy quan trọng sông Đà nằm phần lƣu vực thuộc vùng biên giới Việt - Trung vùng sƣờn phía tây dãy Hồng Liên Sơn, nơi có mơdun dịng chảy năm từ 30-40 l/s/km2 Ở nơi khác lƣu vực, lƣợng dịng chảy thƣờng khơng vƣợt q 20 l/s/km2 (biểu 1.3) Dịng chảy sơng tập trung vào tháng mùa lũ, chiếm tới 69-78% tổng lƣợng dòng chảy năm Mùa lũ sông Đà thƣờng bắt đầu vào tháng V, kết thúc vào cuối tháng IX đầu tháng X Lũ lớn thƣờng xảy vào cuối tháng VII, nửa đầu tháng VIII Dòng chảy lũ sông Đà lớn, tập trung nhanh không đồng phần khác lƣu vực đặc điểm bật dịng chảy sơng Đà Trong điều kiện địa lý tự nhiên thuận lợi cho dịng chảy lũ hình thành phụ lƣu sơng Đà, lƣu vực Nậm Na, Nậm Mu hai phụ lƣu lớn bên tả ngạn, thƣờng xuất trận lũ đặc biệt lớn gây tác hại nghiêm 11 trọng Mơ đun dịng chảy lũ lớn đạt tới 2000-3000 l/s/km2 - thuộc loại lớn Việt Nam Trên dịng chính, lƣợng dịng chảy lũ chiếm bình quân từ 77,6 đến 78,5% dòng chảy năm, dòng chảy tháng VIII- tháng có dịng chảy lớn năm - chiếm tới 23,7% dịng chảy năm Dịng chảy lũ sơng Đà thuộc loại lớn hệ thống sông Hồng Mô đun đỉnh lũ Lai Châu 324 l/s/km2 xảy vào tháng VII năm 1966 428 l/s/km2 vào tháng VIII năm 1945 Mô đun đỉnh lũ Hịa Bình lên tới 454 l/s/km2 vào tháng VII năm 1964 Nhìn chung, đoạn sơng từ Lai Châu Hịa Bình thấy rõ quy luật tăng dần mơdun dịng chảy cực đại diện tích lƣu vực tăng Điều chứng tỏ lƣợng gia nhập đáng kể phần lƣu vực thuộc địa phận Việt Nam Tại Lai Châu, biên độ lũ lớn đạt tới 25 mét, cao Việt Nam, với cƣờng suất lũ lên lớn tới 77,4 cm/h Dòng chảy lũ tập trung nhanh nhƣ nên công tác dự báo thủy văn gặp khó khăn lớn, mà để giải vấn đề địi hỏi phải có mơ hình tƣơng đối nhạy với qúa trình thay đổi dịng chảy sông Trên sở xác định thời gian truyền lũ trung bình đoạn sơng từ Mƣờng Tè tới Hịa bình phụ lƣu Nậm Na, Nậm Mu, thấy rằng, mùa lũ, thời gian truyền lƣu lƣợng có nhiều khác lũ lên lũ xuống, nhiên tính tốn dự báo lấy thời gian trung bình truyền lũ từ Lai Châu tới Tạ Bú 12-18 giờ, từ Tạ Bú tới Hịa Bình 12-24 tự nhiên, có hồ chứa Hịa Bình thời gian truyền lũ rút ngắn - 12h tuỳ theo mực nƣớc hồ Lƣu ý rằng, thời gian truyền lũ đoạn sông phụ lƣu cịn phụ thuộc vào vị trí tâm mƣa lƣu vực Nhƣ vậy, với điều kiện kỹ thuật thủy văn điều kiện thông tin khí tƣợng thủy văn có thời gian dự kiến thực tế dự báo lƣu lƣợng mực nƣớc trạm Tạ Bú sông Đà vƣợt q 18 giờ, Hịa Bình - khơng vƣợt 36 Để kéo dài thời gian dự kiến dự báo sử dụng thơng tin lƣợng mƣa dự báo thời gian dự kiến phần lƣu vực khác Dự báo lƣợng mƣa 24 48 tới, điều kiện nay, thƣờng xác định tính định lƣợng Do vậy, trị số dự báo lƣu lƣợng mực nƣớc sông Đà với thời gian dự kiến 36 nên dùng để tham khảo nên xem nhƣ nhận định khả 1.1.3 Vai trò hồ Hòa Bình [4]: Hồ Hịa Bình hồ thủy điện lớn đƣợc xây dựng với nhiều mục đích sử dụng khác bao gồm: - Mục đích chống lũ 77 - Tại biên (thƣợng lƣu) biên dƣới (hạ lƣu) dòng chảy thỏa mãn điều kiện: Tại thượng lưu: (x = 0): cho lƣu lƣợng: Q = 1.000 m3/sec Tại hạ lưu: cho mực nƣớc: Trƣờng hợp 1: H = m Trƣờng hợp 2: H = m Trƣờng hợp 3: H = m Có thể thu nhận nghiệm giải tích số tốn từ việc giải số phƣơng trình vi phân thƣờng mơ dịng chảy dừng phƣơng pháp RungeKutta: dH  dx q2 q2 I  k 2R2H 4/3  k H 10 / ; q q2 1  gH gH I q Q B Chúng ta tìm nghiệm số tốn chƣơng trình tính tốn thủy lực chiều IMech1D So sánh nghiệm giải tích số nghiệm số tốn ta thấy chƣơng trình tính tốn thủy lực IMech1D vƣợt qua toán mẫu điểm định số 2.3 Kết kiểm định chƣơng trình IMech1D tốn mẫu số 3: DÕNG CHẢY ĐỀU CĨ LƢU LƢỢNG PHỤ Mục đích tốn kiểm định mẫu: - Thử thành phần lƣu lƣợng bổ xung phƣơng trình Saint-Venant Mơ tả tốn kiểm định mẫu: Xét dịng chảy kênh có lƣu lƣợng phụ đổ vào - Dịng chảy kênh hình chữ nhật, độ dốc không đổi I=0.0005, chiều dài 5.000 m - Cứ 1.000 m lại có lƣu lƣợng phụ bổ xung đoạn 10m - Nhánh sông mang lƣu lƣợng phụ có độ dài 1.000 m hồn tồn đồng dạng với nhánh (trừ chiều rộng) - Các giá trị khác nhƣ lƣu lƣợng, chiều rộng tất nhánh (chính phụ) đƣợc lựa chọn cho cột nƣớc đồng nhánh điểm, nghĩa cho - dH Q2 0U  I k H 10 / const dx B Tại đoạn nhập lƣu: Khơng có độ dốc, I=0 78 Khơng có ma sát, k=9999 Khơng có tổn thất áp - Tại biên (thƣợng lƣu) biên dƣới (hạ lƣu) dòng chảy thỏa mãn điều kiện: Tại thượng lưu: Cho lƣu lƣợng vào nhánh nhánh phụ Tại hạ lưu: Cho chiều cao cột nƣớc tƣơng ứng với trƣờng hợp dòng chảy Đã kiểm định IMech1D cho đƣợc trƣờng hợp hệ thống mạng sơng gồm nhánh nhánh phụ Cao độ đáy thƣợng lƣu 10mét Cao độ đáy hạ lƣu 7.5 mét Biên lƣu lƣợng thƣợng lƣu nhánh 600 m3/giây Biên lƣu lƣợng thƣợng lƣu nhánh phụ 100 m3/giây Biên mực nƣớc hạ du 12.5 mét (độ sâu cột nƣớc mét) Theo số liệu phƣơng án kiểm tra tốn có nghiệm dừng với chiều sâu cột nƣớc toàn hệ thống mét Kết tính tốn thu đƣợc ổn định gần nhƣ trùng với nghiệm xác 2.4 Kết kiểm định chƣơng trình IMech1D tốn mẫu số 4: DỊNG CHẢY ĐỀU CĨ CƠNG TRÌNH Mục đích: - Thử việc đƣa cơng trình vào hệ phƣơng trình Saint - Venant Mơ tả tốn kiểm định mẫu: Xét dịng chảy kênh với đặc trƣng sau: - Kênh hình chữ nhật B=100 m, độ dốc I=0.0005, độ dài 5.000m - Ma sát k=30.59 - Cơng trình đặt điểm có toạ độ X = 4.000 m Điều kiện biên: - Thƣợng lƣu: cho lƣu lƣợng - Hạ lƣu: cho chiều cao cột nƣớc nhƣ trƣờng hợp dịng chảy - Cơng trình: cho quan hệ lƣu lƣợng, mực nƣớc trƣớc sau cơng trình Đã kiểm định IMech1D cho trƣờng hợp lƣu lƣợng chảy qua cơng trình theo quy luật Q = a(H - Hs)3/2 với Hs = m; a = 100 Kết tính tốn chƣơng trình IMech1D ổn định Kết tính tốn chƣơng trình IMech1D phù hợp với nghiệm giải tích 79 2.5 Kết kiểm định chƣơng trình IMech1D tốn mẫu số 5: SĨNG ĐỘNG LỰC HỌC Mục đích: - Thử sơ đồ - Thử độ nhậy bƣớc thời gian lan truyền sóng động lực học Mơ tả tốn mẫu: Sóng động lực học loại sóng nhanh Các thành phần gia tốc khối nƣớc đóng vai trị chủ chốt q trình lan truyền sóng Xét dịng chảy kênh với cá đặc trƣng sau: - Kênh hình chữ nhật nằm ngang chiều rộng B=200m, chiều dài L=16000m, - Khơng có ma sát (k=9999.) - Điều kiện biên: - Thƣợng lƣu: cho lƣu lƣợng thay đổi theo quy luật nhƣ hình vẽ sau Q(m3/g y) Qmax Q0 T 2T Q0  t Q0  Qmax  Q0   T Q( 0,t ) t  Qmax  Qmax  Q0   1  T  Q0 t t 0 0t T T  t  2T t  2T (trong T nhỏ) - Hạ lƣu: cho chiều cao không đổi - Điều kiện ban đầu: lƣu lƣợng cột nƣớc khơng đổi Đã kiểm định chƣơng trình IMech1D cho trƣờng hợp Q0=1.000m3/s, Qmax=2.000 m3/s , Hhadu = 2,5 m T = 30s 80 Kết tính tốn cao trình mực nƣớc lƣu lƣợng dòng chảy vị trị x=0m, 4000m, 8000m 12000m phù hợp với kết phịng thí nghiệm thủy lực Châu Âu công bố 2.6 Kết kiểm định chƣơng trình IMech1D tốn mẫu số 6: SĨNG KHUẾCH TÁN Mục đích: - Thử sơ đồ - Thử độ nhậy bƣớc tính Mơ tả tốn mẫu: Sóng khuyếch tán loại sóng chậm (nhƣ sóng lũ tự nhiên), thành phần gia tốc nhỏ so với lực trọng trƣờng, áp suất ma sát Xét dòng chảy kênh với đặc trƣng sau: - Kênh hình chữ nhật có chiều rộng B=200 m, độ dài L=50.000m, độ dốc I=0,0005, cao độ đáy thƣợng du Zđ = 100 m - Hệ số Strickler k = 35 - Điều kiện biên thƣợng lƣu: Q0  t Q0  Qmax  Q0   T Lƣu lƣợng Q( 0,t ) t  Qmax  Qmax  Q0   1  T  Q0 Qmax t 0 0t T T  t  2T t  2T Q(m3/g y) Q0 T 2T t - Điều kiện biên hạ lƣu: quan hệ cột nƣớc - lƣu lƣợng f(HL, QL) - Điều kiện ban đầu: Q0, H0 - Thời gian tính tốn cực đại Tmax Đã kiểm định chƣơng trình IMech1D cho trƣờng hợp Q0=750m3/s, H0=2,56 m, Qmax= 2.000 m3/s 81 T = 1.800 s, Tmax = 21.600 s, H(L, t) = H0 = 2,56 m Kết tính tốn q trình lƣu lƣợng dịng chảy chƣơng trình IMech1D điểm x=0, x=12500, x=25000 x=37500m phù hợp với kết đồ thị phịng thí nghiệm thuỷ lực Châu Âu cơng bố kiểm tra tốn mẫu số 2.7 Kết kiểm định chƣơng trình IMech1D tốn mẫu số 7: SĨNG ĐỘNG HỌC Mục đích: - Thử sơ đồ - Thử lan truyền sóng động học (độ dốc lớn) Mơ tả: Sóng động học sóng xẩy kênh có độ dốc đủ lớn Trong trƣờng hợp thành phần lực trọng trƣờng (gI) với thành phần ma sát đóng vai trị định Xét dịng chảy kênh có đặc trƣng sau: - Kênh hình chữ nhật có chiều rộng B = 100 m, chiều dài L = 100.000m, độ dốc I = 0,005, độc cao đáy thƣợng du Zđ = 500 m - Hệ số Strickler k=35 - Điều kiện biên thƣợng lƣu: Cho lƣu lƣợng Q(0, t) biến thiên theo quy luật sau: t 0 Q0  t 0t T Q0  Qmax  Q0   T Q( 0,t ) t  Qmac  Qmax  Q0   1 T  t  2T  T   Q t  T  Q(m3/g y) Qmax Q0 T 2T - Điều kiện biên hạ lƣu: cho quan hệ f(QL, HL) t 82 - Điều kiện ban đầu: Q(x, 0) = Q0 H(x, 0) = H0 Đã kiểm định chƣơng trình IMech1D cho trƣờng hợp Q0=1.000m3/s; Qmax=2.000 m3/s H0=2,49 m Thời gian tính tốn lớn Tmax = 129.600 s, T = 12 giờ, HL = H0 Kết tính tốn chƣơng trình IMech1D đƣờng mực nƣớc điểm không gian x=0, x=25000, x=50000 x=75000mét theo tồn thời gian tính tốn phù hợp với kết phịng thí nghiệm thủy lực Châu Âu cơng bố kiểm tra tốn mẫu số 2.8 Kết kiểm định chƣơng trình IMech1D tốn mẫu số 8: SĨNG LŨ QUA HỒ CHỨA Mục đích: - Thử sơ đồ - Thử kiểm tra mơ hình hồ chứa Mơ tả: Xét dịng chảy hồ có đặc trƣng sau: - Hồ chứa hình chữ nhật chiều dài L = 4000 m, chiều rộng B = 1000 mét , chiều cao đáy hạ du Zf =25 m - Đáy phẳng khơng có ma sát - Điều kiện biên: + Thƣợng du: cho lƣu lƣợng Q = Q(0, t) + Hạ du: cho quan hệ đập tràn - Điều kiện ban đầu: Dòng chảy Q = Q0 H = H0 Đã kiểm định chƣơng trình tính tốn IMech1D cho trƣờng hợp:  2 Biên thƣợng lƣu: Q0, t   a  H  H 1  cos T    t   3/  BL 2 2 H sin t T T đây: a số cho quan hệ lƣu lƣợng mực nƣớc hạ lƣu QL, t   aZ  Z s  3/ H0, H1 số biểu thức biến đổi mặt thoáng: 83 2   Z t   Z S  H  H 1  cos t T   Kết tính tốn chƣơng trình IMech1D trình mực nƣớc hồ trình lƣu lƣợng địa điểm x=0m, 2000m, phù hợp với kết nghiệm giải tích 2.9 Kết kiểm định chƣơng trình IMech1D tốn mẫu số 9: NHIỄU ĐỊA PHƢƠNG TRONG DÕNG CHẢY DỪNG Mục đích: - Thử sơ đồ - Thử định tính định lƣợng đƣờng mực nƣớc dừng xung quanh vị trí nhiễu cục S2 B X1 Mơ tả tốn mẫu kiểm định : Xét dòng chảy kênh chữ nhật có đặc trƣng sau: S3 S1 B - Kênh hình chữ nhật, độ dài L, chiều rộng B, Zđcao độ đáy thƣợng lƣu - Chiều rộng có điểm thay đổi (rộng hẹp vào) nhƣ hình vẽ - Độ dốc I - Ma sát (K = const) - Điều kiện biên: S1 X3 X2 Trường hợp S1 S2 S3 X1 X2 X3 S2 S3 Trường hợp S4 Trường hợp + Thƣợng du: cho lƣu lƣợng + Hạ du: cho chiều cao cột nƣớc nhƣ dịng H0 Giải tích số đánh giá định tính: Phƣơng trình Saint - Venant trƣờng hợp dòng chảy dừng: UBH  Q  const d  U2  U2 H    I dx  2g  k 2H 84 (vẫn coi H  ; khơng có ma sát thành thẳng đứng) B Khi B biến đổi theo X ta có: dH  dx Q2 1 gB H  Q2 Q2 dB  I    10  dx  k B H gB H  Nếu biết B(x) giải phƣuơng trình phƣơng pháp RungeKutta xác định đƣợc cao trình mực nƣớc Đã kiểm định chƣơng trình tính tốn IMech1D cho trƣờng hợp sau: L = 5.000 m B = 100 m I = 0,0005 Q = 1.000 m3/s H0 = m Zđ = 10 m X2 = 4.000 m K = 30,59 (M1/3/s) L = X2 - X1 = X3 - X2 B1  B   B  L x  x1  x1  x  x2 B( x)   B B  B1  x  x3  x2  x  x3 L  50m L   10m 200m B1    50m Kết kiểm định cho thấy IMech1D vƣợt qua đƣợc toán mẫu số 2.10.Kết kiểm định chƣơng trình IMech1D tốn mẫu số 10: HÌNH HỌC KHƠNG ĐỀU TRONG DÕNG CHẢY DỪNG Mục đích: - Thử sơ đồ 85 - Thử định tính đƣờng mực nƣớc dịng chảy dừng vời hình học khơng Mơ tả tốn mẫu: Hình học: - Kênh hình thang đều, đáy có chiều rộng BD, mặt có chiều rộng BM chiều cao HM - Độ dốc đều, I - Hình học khơng đều: + Tiết diện mở rộng (hoặc thu hẹp) cách tuyến tính cho tiết diện đạt giá trị lớn (hoặc nhỏ nhất) điểm đoạn sông + Từ điểm ta thu hẹp (hoặc mở rộng) tiết diện cho trở lại giá trị ban đầu điểm cuối đoạn + Số Stricker thay đổi cho đạt giá trị lớn (hoặc nhỏ nhất) điểm đoạn sông - Điều kiện biên: + Thƣợng du: cho lƣu lƣợng Q + Hạ du: cho mực nƣớc (nhƣ trƣờng hợp đều) H0 Đánh giá định tính: - Việc mở rộng diện tích mặt cắt đoạn sông việc giảm hệ số nhám (tăng hệ số Stricker) có hiệu ứng giống mặt định tính đƣờng mực nƣớc: cột nƣớc giảm phía thƣợng du - Ngƣợc lại, việc thu hẹp diện tích mặt cắt tƣơng đƣơng với việc tăng hệ số nhám (giảm hệ số Stricker): cột nƣớc tăng phía thƣợng du BM L/2 BM L BM BM1 HM HM BD BD BD BM2 BD 86 Kết kiểm định: Đã kiểm định chƣơng trình IMech1D cho trƣờng hợp sau: L = 8.000 m I = 0,00025 Zf = 60 m Q = 2.000 m3/s H0 = 9,352 BM = 200 m BH D C H BD = 50 m HM = 10 m A BD B BM1 = 400 m BM2 = 100 m K = 35 K1 = 55 K2 = 15 Các kết tính tốn đƣờng mực nƣớc cho trƣờng hợp mở rộng (thu hẹp) lòng kênh tăng (giảm) hệ số Strickler đoạn sông phù hợp với kết mẫu tác giả toán mẫu 2.11.Kết kiểm định chƣơng trình IMech1D tốn mẫu số 11: DÕNG CHẢY KHƠNG DỪNG TRONG KÊNH CĨ LÕNG DẪN PHỨC HỢP Mục đích: - Thử sơ đồ - Thử định tính truyền sóng lũ kênh có lịng dẫn phức hợp(có lịng bãi),kiểm tra hiệu ứng vịng Q/H Mơ tả: Hình học: - Lịng dẫn phức hợp (có lịng bãi), hình lăng trụ (hình 2.38) - Có hệ số ma sát lịng bãi khác - Độ dốc đều, I Điều kiện biên: - Thƣợng du: cho lƣu lƣợng Q(0,t) 87 t0 Q0  t Q0  (Qmax  Q0 ) 0t  T  T Q( 0, t )   Q  (Q  Q )( t  1) T  t  2T max  max T Q t  2T  Q Qmax Q0 T 2T t - Hạ du: cho quan hệ lƣu lƣợng mực nƣớc trƣờng hợp dòng Đánh giá định tính: - Tốc độ lan truyền sóng lũ - Độ giảm đỉnh lũ - Hiệu ứng vòng Q/H Số liệu: L = 400 km I = 0,0001 Zf = 57 m Bãi 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 Qmax = 1000 m3/s Chiều rộng lòng B1=200 m Chiều rộng bãi B2=1000 m Hệ số Strickler lòng k1 = 35 Hệ số Strickler bãi k2 = 15 Dt=300s Dx=500m Bãi 70 69 68 67 66 65 64 63 62 61 60 59 58 57 Q0 = 300 m3/s T=4h Lòng 88 Modul lƣu lƣợng đƣợc tính theo cơng thức nhƣ sau: 2 i 1 11 K   ki Ai Ri2 /   ki Ai 5/ χ i /  K ( H ) Ai, Ri, Xi-lần lƣợt diện tích ƣớt,bán kính thuỷ lực chu vi ƣớt lòng dẫn thứ i,H-độ sâu mực nƣớc; Ri  Ai / χ i Nếu đặt K  kA5 / χ 2 / , k, A,  hệ số Strickler, diện tích ƣớt chu vi ƣớt lịng dẫn phức hợp, suy ra: k K( H)  k( H ) , nghĩa k khơng cịn số mà hàm H Ta A χ 2 / 5/ thu đƣợc hàm k K phụ thuộc vào H dƣới dạng bảng Để tính vận tốc lòng dẫn, ta làm nhƣ sau: Ký hiệu Sf  Q2 / K -Độ dốc thuỷ lực,ta có: Q   Qi Víi Qi  ki Ai Ri 2/ Sf -lƣu lƣợng lòng dẫn thứ i i 1 Do Qi  Ui Ai ,với Ui-vận tốc lòng dẫn thứ i Suy ra: Ui  ki Ri / (Q / K ) Để tìm quan hệ Q(H) dịng đều,ta xuất phát từ hệ thức: Q2 Q  100Q I=Sf hay I   K  K ( H )  K I Nếu biết Q, từ công thức suy K tra từ bảng tìm đƣợc H Trên hình 2.39 kết tính q trình lƣu lƣợng chƣơng trình IMech1D x=0, x=5km, x=10km Trên hình 2.40 kết tính q trình mực nƣớc chƣơng trình IMech1D x=0, x=5km, x=10km Trên hình 2.41 đƣờng quan hệ mực nƣớc lƣu lƣợng thu đƣợc chƣơng trình IMech1D x=5km Trên hình 2.42 kết tính vận tốc dịng chảy bàng chƣơng trình IMech1D vùng lịng sơng, bãi sơng x=5km Từ kết tính IMech1D nhận xét nhƣ sau: - Vì biên dƣới quan hệ Q(H) dịng đều, biên Q=const ta đƣợc dòng với độ sâu mực nƣớc H tƣơng ứng với Q biên Tuy nhiên tính khơng dừng dòng chảy nên lũ lên, với H Q lớn so với dịng đều, lũ xuống ngƣợc lại 89 - Các thời điểm Vmax, Qmax, Hmax không xẩy đồng thời mà nhau: V đạt max lũ đƣơng lên, tiếp đến lƣu lƣợng Q, sau mực nƣớc H Nhƣ vậy, khác với dòng đều, mực nƣớc max không tƣơng ứng với Q max Kết phù hợp với kết phịng thí nghiệm thủy lực châu Âu đƣa cho toán dịng chảy khơng dừng có lịng dẫn phức hợp với biên Q_H 2.12.Kết kiểm định chƣơng trình IMech1D tốn mẫu 12: PHÂN LƢU Mục đích: - Thử sơ đồ - Thử kiểm tra phân bố lƣu lƣợng phân lƣu Mơ tả: Hình học: - Thƣợng du: có nhánh sơng hình chữ nhật - Hạ du: Có nhánh với hình học thay đổi - Trong trƣờng hợp sở: hình học sở hệ cho gộp nhánh hạ lƣu lại hồn tồn giống vơí nhánh thƣợng du (cùng chiều rộng, độ dốc) - Cho ma sát đáy Q L1 Hình 2.43 L2 H2 L3 H3 Điều kiện biên: - Thƣợng du: cho lƣu lƣợng - Hạ du: cho mực nƣớc chuẩn trƣờng hợp chảy Đánh giá định tính: - Trường hợp sở: Do dịng chảy đều, phân bố lƣu lƣợng tỉ lệ thuận với chiều rộng đoạn sơng - Trường hợp thay đổi hình học: nhánh hạ du làm thay đổi phân bố lƣu lƣợng định tính trƣớc 90 Số liệu: Trường hợp sở: B2 = 150 m L1 = 2.000 m B3 = 50 m L2 = L3 = 3.000 m K = 45 I = 10-4 H01 = m Zf = 10 m H02 = 5,41 m Q1 = 90 m3/s Dt = 60 s Q2 = 1.500 m3/s Dx = 100 m B1 = 200 m Trường hợp thay đổi: - Phương án 1: Giảm tuyến tính chiều rộng nhánh từ 50m xuống 25m điểm x=500m, sau lại tăng tuyến tính trở 50m cuối nhánh - Phương án 2: Tại nhánh cho độ dốc I=0, chiều cao đáy 9,8m - Phương án 3: Giảm chiều rộng nhánh từ 150m xuống 50m hạ du Kết kiểm định : Kết tính tốn phƣơng án chƣơng trình tính tốn IMech1D Q1=90m3/s, H01=1 m Q2=1.500m3/s, H02=5,41m thể bảng (dƣới đây) Lưu Lưu Cột lượng nhánh lượng nhánh nước hợp lưu Trƣờng hợp sở Cột nước thượng du 67.5 22.5 1.003 1.001 Phƣơng án 73.504 16.496 1.004 1.033 Phƣơng án 70.394 19.606 1.017 1.007 Phƣơng án 57.042 32.958 1.082 1.154 91 Lưu Lưu Cột lượng nhánh lượng nhánh nước hợp lưu Trƣờng hợp sở Cột nước thượng du 1125 375 5.416 5.413 Phƣơng án 1219.195 280.805 5.456 5.464 Phƣơng án 1142.578 357.422 5.425 5.421 Phƣơng án 829.352 670.648 5.916 5.971 Qua kết nhận xét nhƣ sau: - trƣờng hợp sở, nghiệm xác dịng Ta thấy kết tính IMech1D phù hợp định tính lẫn định lƣợng - phƣơng án 1-3, kết tính IMech1D phù hợp định tính: chiều cao cột nƣớc tăng lên đoạn có mặt cắt mở rộng giảm đoạn có mặt cắt thu hẹp ... Chƣơng 6: Trình bày kết sử dụng mơ hình kết nối MarineIMech1D dự báo lƣu lƣợng vào hồ Hịa Bình trƣớc 48 Cuối phần kết luận số phụ lục 9 Chương ĐẶC ĐIỂM CỦA LƯU VỰC VÀ CỦA CÁC MƠ HÌNH LỰA CHỌN NGHIÊN... hình thủy văn Marine mơ hình thủy lực IMech1D đƣợc lựa chọn để phát triển kết nối thành mơ hình kết nối Marine IMech1D phục vụ toán dự báo lƣu lƣợng vào hồ Hịa Bình Trên sở nội dung luận văn bao... thành mơ hình thống Ứng dụng mơ hình cho lƣu vực sông Đà để dự báo lƣu lƣợng vào hồ Hịa Bình Chƣơng 5: Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật lọc Kalman để nâng cao độ xác mơ hình kết nối Marine IMech1D