Bài báo này sẽ tổng quan một số mô hình thủy động lực phổ biến trong nước và trên thế giới và khả năng ứng dụng của nó trong nghiên cứu và đào tạo.
TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 Phần II CHỈNH TRỊ SÔNG - BẢO VỆ BỜ SÔNG, BỜ BIỂN - PHÒNG CHỐNG THIÊN TAI – XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 231 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 232 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰC VÀ VẬN CHUYỂN BÙN CÁT, KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG VÀ ĐÀO TẠO GENERAL INFORMATION OF SEDIMENT MOVEMENT AND HYDROMOTIVE MODELS FOR TRAINING AND APPLICATION SOFWARE TS Hồ Trọng Tiến, NCS Lê Ngọc Anh Đại học Tài Ngun Mơi Trường TP.HCM TĨM TẮT Quản lý hiệu tài nguyên nước mặt nhiệm vụ quan trọng bối cảnh biến đổi khí hậu với xuất ngày nhiều loại hình thời tiết cực đoan điều trở nên cấp thiết hết Để quản lý hiệu tài nguyên nước mặt cần phải có cơng cụ dự báo nhanh với độ tin cậy cao Ngày nay, với phát triển công nghệ thông tin, nhiều mô hình tốn thủy động lực vận chuyển bùn cát đời trở thành cơng cụ hổ trợ tích cực cho nhà hoạch định chiến lược quản lý tài nguyên nước Bài báo tổng quan số mơ hình thủy động lực phổ biến nước giới khả ứng dụng nghiên cứu đào tạo Từ khóa: Mơ hình thủy động lực vận chuyển bùn cát, Telemac, mơ hình tốn GIỚI THIỆU Sự phát triển nhanh chóng mơ hình tốn thời gian qua có đóng góp tích cực điều kiện khoa học công nghệ điều kiện kinh tế xã hội Với điều kiện khoa hoc cơng nghệ, phát triển ngành khoa máy tính, đời siêu máy tính tạo khả tính tốn vượt trội Với điều kiện kinh tế - xã hội, yêu cầu phát triển kinh tế - xã hội làm nảy sinh vấn đề phức tạp quản lý tài nguyên nước mà người phải đối mặt giải Trong điều kiện đó, mơ hình tốn thủy động lực vận chuyển bùn cát có bước phát triển dài Nhìn chung, mơ hình tốn thủy động lực vận chuyển bùn cát ứng dụng phương pháp số để giải phương trình vi phân chủ đạo phương trình liên tục, phương trình động lượng với phương trình vi phân liên tục bùn cát Một ưu điểm mơ hình tốn chúng ứng dụng cho miền tính vật lý khác nhau, tiết kiệm thời gian chi phí nhiều so với mơ hình vật lý vốn ứng dụng trường hợp đặt biệt phạm vi nhỏ Hơn nữa, mơ hình tốn khơng phụ thuộc vào điều kiện ràng buộc điều kiện khắc khe thủy lực số Reynolds, số Froude, tỷ lệ hình học mơ hình vật lý Hịa chung phát triển đó, nhà khoa học nước không ngừng học hỏi nắm bắt công nghệ giới xây dựng nhiều mơ hình thủy động lực áp dụng thành công Việt Nam VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 233 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 Mục tiêu báo gồm hai mục tiêu chính: (1) tổng quan lại số mơ hình nước giới; (2) giới thiệu mơ hình đào tạo nghiên cứu TỔNG QUAN MỘT SỐ MƠ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰC VÀ VẬN CHUYỂN BÙN CÁT PHỔ BIẾN 2.1 Trong nước Mơ hình VRSAP Theo [1], mơ hình thủy lực xem khởi đầu cho q trình áp dụng mơ hình tốn để giải toán thủy lực kênh hở Việt Nam mạng máy lớn (main frame) trước Mô hình xuất phát có phần dịng chảy cố Pgs Nguyễn Như Khuê du nhập từ Hà Lan vào năm 1978 qua q trình học tập cơng tác Trong trình áp dụng, VRSAP cải tiến, phát triển liên tục thêm phần tính mặn vào năm 1988 dựa thuật toán sai phân trung tâm tương tự thuật tốn MEKSAL VRSAP nhóm mơ hình VQHTLMN liên tục phát triển bổ xung tiện ích chuyển sang Visual Basic để tận dụng nhớ mở rộng máy tính phát triển công nghệ thông tin Mô hình VRSAP đánh giá mơ hình mơ tốt chế độ thủy lực cho khu vực đồng sông Cửu Long Mô hình SAL VRSAP-SAL Do GS.TSKH Nguyễn Tất Đắc phát triển từ năm 1980 sau nâng cấp kết hợp với mơ hình VRSAP để tạo thành mơ hình mang tên VRSAP-SAL hồn thiện thuật tốn chương trình SAL mơ hình xây dựng chặt chẽ mặt toán học, dựa sơ đồ sai phân ẩn điểm Preissman, lấy trọng số 2/3 để giảm thiểu sai số phép sai phân Lan truyền chất SAL dựa thuật tốn phân rã, giải phương trình tải túy dùng phương pháp đường đặc trưng ẩn với cách nội suy spline bậc Mơ hình ứng dụng rộng rãi cho hệ thống sông Đồng Nai Đồng sơng Cửu Long [2] Mơ hình KOD1 Do GS.TSKH Nguyễn Ân Niên phát triển Đây mơ hình giải phương trình Saint – Venant phương pháp sai phân phục vụ cho việc tính tốn dự báo lũ Nhược điểm mơ hình hạn chế bước thời gian, khơng phải khử đuổi, tính lặp nên khối lượng tính tốn nhỏ Mặt khác sơ đồ bảo đảm tính bảo tồn cục địa phương đơi gặp khó khăn bảo tồn tồn cục Mơ hình HydroGIS Do TS Nguyễn Hữu Nhân phát triển có sử dụng cơng cụ GIS để kết nối liệu trình bày kết HydroGIS giải hệ phương trình Saint-Venant 1D sơ đồ sai phân Preissmann, nhiên khả tính tốn chậm chưa áp dụng nhiều Gần đây, mô hình bổ xung thêm tính tốn trường hợp dịng chảy xiết phương pháp sóng động học Mơ hình MK4 Do PGS.TS Lê Song Giang, Đại học Bách Khoa TP.HCM phát triển Đây 234 VIEÄN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 phần mềm mang tính học thuật dùng nhiều cho mục đích giảng dạy nghiên cứu, chưa thấy áp dụng phổ biến thực tế dự án Phần mềm giai đoạn hồn thiện phát triển 2.2 Mơ hình ngồi nước Hiện nay, giới có nhiều mơ hình tốn ứng dụng cho việc dự báo thủy động lực vận chuyển bùn cát gồm mơ hình chiều (1D), mơ hình hai chiều (2D), mơ hình ba chiều (3D) Một số mơ hình 1D, 2D, 3D nói đến sau: Nhóm mơ hình 1D Sớm xuất từ năm 1980, thành công nhiều ứng dụng thực tế nghiên cứu Hầu hết mơ hình 1D xây dựng hệ tọa độ thẳng, giải phương trình Saint – Venant cho dịng chảy q trình vận chuyển bùn cát sử dụng phương trình Exner sơ đồ sai phân hữu hạn Một số mơ hình 1D kể đến như: Mơ hình MOBED phát triển Krishnappan (1981) giải phương trình Saint – Venant viết dạng bảo tồn cho dịng khơng ổn định phương trình liên tục bùn cát [3] MOBED dự báo đặc tính bùn cát đáy sông hàm số thời gian khoảng cách dòng chảy đơn vị khác IALLUVIAL phát triển Karim and Kennedy (1982), mô hình ứng dụng trường hợp dòng chảy ổn định [4] SEDICOUP phát triển Holly Rahuel (1990), mơ hình mơ biến đổi đáy dựa vào phương trình Saint – Venant tính cho bùn cát hỗn hợp, thành phần bùn cát lơ lửng bùn cát đáy xử lý riêng biệt [5] Mơ hình 3ST1D phát triển Papanicolaou et al (2004); có khả tính nước nhảy thủy lực mơ dịng chảy tới hạn; có khả ứng dụng điều kiện dịng khơng ổn định, biến đổi nhanh dịng chảy sơng miền núi [6] Tuy nhiên, mơ hình 3ST1D tính cho vận chuyển bùn cát tổng mà không tách biệt bùn cát đáy bùn cát lơ lửng HEC-6 Thomas Prashum (1977) phát triển, sử dụng sơ đồ sai phân hữu hạn hệ tọa độ thẳng, giải phương trình vi phân dạng bảo toàn lượng thay cho phương trình động lượng [7] HEC-6 khơng áp dụng dịng chảy khơng ổn định FLUVIAL 11 phát triển Chang (1984), sử dụng hệ tọa độ cong để giải phương trình Saint – Venant 1D dịng chảy FLUVIAL 11 có tính đến dịng chảy thứ cấp sông cong cách biến đổi độ lớn vận tốc theo chiều dòng chảy [8] GSTARS phát triển Molinas Yang (1986), mơ hình phát triển hệ tọa độ cong Molinas Yang bổ xung lý thuyết dòng lượng nhỏ để xác định chiều rộng hình dạng tối ưu để ổn định điều kiện thủy lực bùn cát [9] OTIS phát triển Runkel Broshears (1991) [10], sử dụng hệ tọa độ cong Runkel Broshears biến đổi phương trình tải khuếch tán với số hạn thêm VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 235 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 vào gồm dòng chảy nhập bên, số hạng phân rã bậc 1, thấm hút chất hòa tan khơng kết dính tích trữ thời gian ngắn chất hòa tan Phần lớn mơ hình 1D đại diện dự báo thông số đơn giản sông như: vận tốc, mực nước, biến đổi đáy sông vận chuyển bùn cát Chúng dự báo tổng lượng vận chuyển bùn cát phân phối kích thước hạt khơng đồng Mơ hình 1D u cầu liệu đầu vào khả xử lý máy tính nhiều so với mơ hình 2D hay 3D nên tỏ hiệu cho việc dự báo nhanh mà khơng cần độ xác cao Nhóm mơ hình 2D Mơ hình 2D có xu hướng phát triển năm 1990 Phần lớn mơ hình 2D xây dựng hướng đến việc xây dựng giao diện cách trực quan dễ dàng sử dụng Điều làm cho trở nên thân thiện với người sử dụng phổ biến rộng rãi Mơ hình 2D (trung bình theo chiều sâu) cung cấp thơng tin biến đổi theo không gian chiều sâu nước, thành phần vận tốc trung bình theo hướng dịng chảy hướng ngang, cao trình đáy sơng, hồ cửa sơng Hầu hết mơ hình 2D giải phương trình liên tục phương trình Navier-Stokes trung bình theo phương đứng với phương trình cân khối lượng bùn cát phương pháp sai phân hữu hạn, phần tử hữu hạn, thể tích hữu hạn SERATRA: mơ hình vận chuyển bùn cát chất nhiễm phát triển Onishi Wise (1982), giải phương pháp phần tử hữu hạn cho dịng chảy khơng ổn định Mơ hình có khả dự báo di chuyển thuốc trừ sâu mặt đất sơng đánh giá khả tác động đến quần thể ngập nước thời gian ngắn dài [11] SUTRENCH-2D: Mơ hình thủy động lực vận chuyển bùn cát van Rijn Tan phát triển (1985) [12], mô vận chuyển bùn cát biến đổi đáy điều kiện kết hợp dịng chảy xem ổn định với sóng bùn cát đáy Mơ hình giả thuyết vận tốc dịng chảy nồng độ bùn cát cục số theo phương Y, vận chuyển bùn cát lơ lửng dòng chảy phân tán hội tụ bên cách đưa vào thơng số chiều rộng (b) dịng chảy Mơ hình giải phương trình tải khuếch tán kết hợp với hệ số trễ bùn cát lắng đọng MOBED2D: mơ hình thủy động lực vận chuyển bùn cát Spasojevic Holly phát triển (1990) [13], giải phương pháp sai phân hữu hạn Mô hình có khả tính tốn dịng chảy, vận chuyển bùn cát, biến đổi đáy hồ chứa, cửa sông khu vực ven biển ADCIRC-2D: phát triển Luettich et al (1992) [14] Đây mơ hình thủy động lực vận chuyển bùn cát sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn hệ tọa độ thẳng, có khả ứng dụng cho miền tính lớn cách giải phương trình nước nơng 2D phương thức bên "external mode" sử dụng phương thức bên "internal mode" để thu vận tốc chi tiết ứng suất khu vực xác định Phương thức bên nhận cách xác định phân tán động lượng ứng suất đáy số hạng vận tốc theo phương thẳng đứng 236 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 Mike 21: DHI (Danish Hydraulic Institute) (1993) phát triển ứng dụng cho việc mơ dịng chảy, sóng, vận chuyển bùn cát, chất lượng nước hệ sinh thái sông, hồ, cửa sông, vịnh, khu vực ven biển đại dương Mike 21 giải hệ phương trình nước nơng phương pháp phần tử hữu hạn sai phân hữu hạn, sử dụng lưới tam giác lưới chữ nhật, kết hợp lưới chữ nhật (mô tả cho sông) lưới tam giác (mô tả cho khu vực ngồi biển) Mike21 có module chính: thủy động lực, sóng, vận chuyển bùn cát, chất lượng nước sinh thái học Module thủy động lực sóng tính có khả cung cấp thơng tin yếu tố thủy lực dòng chảy (mực nước, vận tốc trung bình theo hai phương) sóng (chiều cao sóng, chu kỳ, hướng sóng, ứng suất sóng…) Module vận chuyển bùn cát có khả mơ diễn biến đường bờ vận chuyển cát Module chất lượng nước dùng để mơ q trình lan truyền chất ô nhiễm sông Đây sản phẩm thương mại sử dụng nhiều nghiên cứu Việt Nam Tuy nhiên, chúng có giá thành đắt thường dùng cho tổ chức có đủ khả tài UNIBEST-TC2: mơ hình thủy động lực vận chuyển bùn cát phát triển Bosboom et al (1997) [15], giải phương pháp sai phân hữu hạn hệ tọa độ thẳng Nó có khả mơ q trình thủy động lực sóng dịng có hướng ngang bờ cách giả thuyết có xuất dịng chảy dọc bờ trung bình Quá trình bùn cát đáy bùn cát lơ lửng mơ hình hóa cách giả thuyết điều kiện cân cục (bỏ qua độ trể dòng chảy bùn cát) FAST2D: mơ hình thủy động lực vận chuyển bùn cát sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn hệ tọa độ đường cong với lưới bám khớp với biên [16] Module vận chuyên bùn cát sử dụng mơ hình bán kinh nghiệm bùn cát lơ lửng bùn cát đáy Mơ hình có xét cách gián tiếp đến ảnh hưởng dòng chảy thứ cấp sơng cong FLUVIAL 12: mơ hình thủy động lực vận chuyển bùn cát sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn hệ tọa độ đường cong Chang phát triển (1998) [17] Nó xét đến ảnh hưởng chế độ thủy lực, vận chuyển bùn cát, thay đổi lịng sơng thời đoạn dịng chảy Đây mơ hình đáy biến đổi nhanh có khả mơ biến đổi đáy sông, độ rộng, thành phần bùn cát đáy bao gồm sơng cong DELFT-2D: mơ hình thủy động lực vận chuyển bùn cát sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn có khả mơ sóng dịng chảy Mơ hình mơ trình vận chuyển bùn cát đáy bùn cát lơ lửng cách sử dụng phương pháp trạng thái cân không cân cục Mơ hình cho thấy ảnh hưởng chuyển động sóng lên độ lớn hướng vận chuyển bùn cát [18] CCHE2D: mơ hình thủy động lực vận chuyển bùn cát sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn Jia Wang phát triển (1999) [19] Các nút khô ướt biên xử lý cách tự động trong trường hợp mô dịng chảy khơng ổn định với thay đổi mực nước Mơ hình mơ q trình bùn cát lơ lửng cách giải phương trình tải khếch tán, trình bùn cát đáy sử dụng cơng thức kinh nghiệm Mơ hình có xét đến dịng chảy thứ cấp sơng cong VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 237 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 Tất mơ hình nói ứng dụng cho dịng chảy khơng ổn định trừ mơ hình SUTRENCH-2D UNIBEST-TC2 Các mơ hình dự báo bùn cát tổng, có MOBED2, USTARS, FLUVIAL 12, CCHE2D tính tốn cho nhiều cấp hạt tách biệt bùn cát tổng hai thành phần bùn cát đáy bùn cát lơ lửng DELFT-2D FAST2D tách hai thành phần bùn cát đáy bùn cát lơ lửng, chúng ứng dụng cho hạt có kích thước đồng Nhóm mơ hình 3D Trong nhiều nghiên cứu thủy động lực học, mơ hình 3D lựa chọn trường hợp cần mô tả chi tiết trình vật lý nơi có điều kiện thủy động lực phức tạp mà mơ hình 2D khơng phù hợp Ví dụ mơ dòng chảy qua trụ cầu nơi gần cơng trình Cùng với phát triển cơng nghệ thơng tin như: kỹ thuật máy tính, tốc độ máy tính, khả tính tốn song song, khả lưu trữ liệu… làm cho khả ứng dụng mơ hình 3D phổ biến Phần lớn mơ hình thủy động lực vận chuyển bùn cát dạng ba chiều giải phương trình liên tục Navier – Stokes kết hợp với phương trình cân khối lượng bùn cát phương pháp sai phân hữu hạn, phần tử hữu hạn thể tích hữu hạn Phương trình Navier – Stokes giải phương pháp trung bình hóa Reynolds Phương trình Reynolds chia thành hai dạng: dạng thủy tĩnh phi thủy tĩnh Mơ hình dạng thủy tĩnh có độ xác khơng cao tính tốn dịng chảy nơi có thay đổi ứng suất lớn Ngược lại, mơ hình dạng phi thủy tĩnh có độ xác cao có khả mơ tả đặc tính phức tạp dòng chảy thứ cấp miền tính phức tạp Một số mơ hình thủy động lực vận chuyển bùn cát sử dụng giới kể đến ECOMSED: mơ hình thủy động lực, sóng vận chuyển bùn cát sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn hệ tọa độ đường cong trực giao, phát triển Blumberg Mellor (1987) [20] Mơ hình giả thuyết ứng suất tuân theo quy luật thủy tĩnh, có khả dự báo yếu tố thủy lực dòng chảy vận chuyển bùn cát khối nước lớn hồ đại dương RMA-10: mơ hình thủy động lực sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn, tính tốn mực nước thành phần vận tốc theo phương nằm ngang dòng chảy tầng [21] Nó xây dựng với giả thuyết gia tốc dịng chảy theo phương thẳng đứng nhỏ bỏ qua (áp suất theo quy luật thủy tĩnh) Mô hình giải phương trình chuyển tải độ mặt, nhiệt độ bùn cát lơ lửng kết hợp với ảnh hưởng khối lượng lên khối lượng riêng chất lỏng Mơ hình thích hợp cho việc tính toán chế độ thủy động lực cho vùng ngập triều vùng đầm lầy Mơ hình ứng dụng bùn cát đồng GBTOXe: mơ hình thủy động lực vận chuyển bùn cát, giải phương pháp sai phân hữu hạn hệ tọa độ đường thẳng [22] Thành phần thủy động lực mơ hình (GBHYDRO) giả thuyết dịng chảy theo quy luật thủy tĩnh có tính đến q tình xáo trộn lưu thông cột nước; thành phần vận chuyển bùn cát (GBSED) tính bùn cát kết dính 238 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 EFDC3D: mơ hình thủy động lực chất lượng nước, sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn trong hệ tọa độ lưới đường cong trực giao lưới đường thẳng với phép xấp xỉ sigma phương đứng [23] Mơ hình giải phương trình 3D, dịng chảy theo quy luật thủy tĩnh, có xét đến thay đổi khối lượng riêng chất lỏng Mơ hình ứng dụng khu vực cửa sông, hồ ven biển Nó mơ chất ô nhiễm chất lượng nước ROMS: Đây mô hình sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn hệ tọa độ lưới cong trực giao với phép xấp xỉ sigma theo phương đứng [24] Mơ hình mơ dịng chảy mặt thủy tĩnh tuần hồn đại dương thơng số ảnh hưởng sóng mặt lên ứng suất độ nhám đáy CH3D-SED: mơ hình sai phân hữu hạn hệ tọa độ không trực giao với đường cong khớp với biên, sử dụng phép biến đổi xấp xỉ sigma theo phương thẳng đứng [25] Vận chuyển bùn cát tính tốn dựa phương trình cân khối lượng bùn cát bùn cát đáy kết hợp với phương trình tải – khuếch tán bùn cát lơ lửng SSIIM: mơ hình thủy động lực vận chuyển bùn cát, sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn giải phương trình Navier – Stokes mơ hình rối k – ε lưới phi cấu trúc [26] Mô hình có khả mơ vận chuyển bùn cát đáy sơng biến đổi với dạng địa hình phức tạp Nó ứng dụng cho dạng đáy sông, vận chuyển bùn cát đáy bùn cát lơ lửng hạt khơng đồng dạng Mơ hình ứng dụng mơ chất lượng nước sơng MIKE3: mơ hình thủy động lực sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn phát triển Danish Hydraulic Institute (1993) [27] Nó bao gồm thành phần tải – khuếch tán, chất lượng nước, trao đổi nhiệt độ với áp suất khơng khí, xử lý ngập khô khu vực ảnh hưởng triều trình vận chuyển bùn cát Mike3 ứng dụng việc mơ dịng chảy cửa sơng, vịnh khu vực bờ biển đại dương FAST3D: mơ hình thủy động lực, sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn với giả thuyết phi thủy tĩnh [28] Mơ hình ứng dụng cho miền tính phức tạp bổ xung thêm thuật tốn có khả tính tốn song song Thành phần bùn cát mơ hình DELFT3D: Mơ hình Delft3D phát triển Delft Hydraulics (www.wldelft.nl), có khả mơ q trình thủy động lực sơng vùng ven biển, q trình vận chuyển bùn cát, sóng, chất lượng nước, biến đổi hình thái lịng dẫn, dịng chảy biển Module Delft3D-Flow hạt nhân hệ thống mô hình Delft3D tính tốn dịng chảy dựa phương trình nước nơng dịng khơng ổn định Nhiều báo cáo, nghiên cứu khoa học hình thái cửa sơng, ven biển ứng dụng mơ hình Delft3D TELEMAC-3D: Đây mơ hình thủy động lực hình thái sơng hàng đầu giới đáp ứng cho việc dự báo trình biến đổi hình thái cho vùng cửa sông, ven biển TELEMAC-3D sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn thể tích hữu hạn, giải phương trình Navier – Stokes dạng phi thủy tĩnh thủy tĩnh với lưới phi cấu trúc, đặc biệt mạnh với khả tính tốn song song Module SISYPHE dùng để mơ q trình vận chuyển bùn cát, module TOMAWAC tính VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 239 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 tốn sóng module TELEMAC-3D/2D hạt nhân mơ hình có khả kết nối với module khác KẾT LUẬN VÀ THẢO LUẬN Nhiều mơ hình nước nhà khoa học nước phát triển, ứng dụng rộng rãi thành công Tuy nhiên, phần lớn mô hình nước tập trung vào giải toán thủy động lực lan truyền chất mà chưa/ mơ hình đề cập đến vận chuyển bùn cát Các mơ hình nước cá nhân phát triển nên mặt thương mại hạn chế khả linh hoạt xây dựng sơ đồ tốn tổ chức số liệu đầu vào, trình bày kết tính học thuật khơng mơ hình thương mại khác Các mơ hình khác điều kiện sử dụng, yêu cầu số liệu đầu vào cho mơ hình, mức độ phức tạp, tốc độ tính tốn độ xác… Tuy nhiên, nói chung khơng có mơ hình xem tốt mà có mơ hình phù hợp yếu tố ảnh hưởng nhiều đến việc lựa chọn mơ hình kể đến sau: (1) số liệu đầu vào đầu mơ hình; (2) khả ứng dụng; (3) mục đích người sử dụng; (4) khả đáp ứng phần cứng máy tính; (5) chi phí mua phần mềm; (6) khả cập nhật Gần đây, xu hướng mã nguồn mở đem đến cho người sử dụng trãi nghiệm mẻ Tuy nhiên, mã nguồn mở thường khó sử dụng so với mơ hình thương mại Nếu xem xét đến sáu yếu tố lựa chọn mô hình TELEMAC xem mơ hình thích hợp nghiên cứu, đặc biệt thích hợp cho cá nhân hay tổ chức khơng có khả kinh phí Ưu điểm lớn mơ hình Telemac là: (1) hổ trợ mạnh cho khả tính tốn song song cho phép vận hành máy chủ lớn có nhiều vi xử lý, rút ngắn thời gian tính tốn giải tốn lớn; (2) mơ hình mã nguồn, qua người sử dụng dễ dàng thay đổi mã nguồn để đưa vào ý tưởng hay thay đổi số cơng thức cho phù hợp với thực tế; (3) có khả tính tốn cho trường hợp bùn cát hỗn hợp bao gồm kết dính khơng kết dính (bùn – cát); (4) hồn tồn miễn phí; (5) cập nhật thường xuyên; (6) hổ trợ đắc lực nhóm tác giả phát triển mơ hình cộng đồng TELEMAC khắp giới Có thể nói giai đoạn trước khái niệm tính tốn song song ứng dụng mơ hình tốn chưa phát triển nhiều nên khó khăn cho việc thiết lập mơ hình giới hạn số lượng phần tử khả giới hạn phần cứng máy tính, điều làm giảm chất lượng mơ hình Đến năm 2000 kỹ thuật tính tốn song song bắt đầu xuất hiện, Hervouet J.-M phát triển phương pháp tính tốn song song (parallel) với độ xác cao áp dụng vào mơ hình TELEMAC để mơ trường hợp vỡ đập Malpasset Pháp vào năm 1959 [29] Đến năm 2012, Riadh Ata bổ xung thêm sơ đồ tốn giải phương trình Saint-Venant phương pháp thể tích hữu hạn vào mơ hình TELEMAC [30]; nghiên cứu cho thấy, phương pháp thể tích hữu hạn cho kết tốt chiều sâu nước, bảo toàn khối lượng, số hạng rối nhỏ khả xử lý khô/ướt Những kết mở triển vọng việc ứng dụng mơ hình thủy động lực mơ q trình vật lý địi hỏi xác 240 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 cao Sau nhiều nghiên cứu bắt đầu ứng dụng Telemac2d mô vỡ đập Việt Nam [31], [32], [33], [34], [35] Như vậy, thấy xu hướng mã nguồn mở trở thành xu hướng việc ứng dụng cơng cụ mơ hình tốn đánh giá, dự báo tài nguyên nước Do tính mở Telemac kích thích sáng tạo hứng thú nghiên cứu Điều chứng minh thời gian gần thơng qua chương trình hợp tác chuyển giao AFD với Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam Chính vậy, Telemac cơng cụ có khả thi ứng dụng cơng cụ mơ hình tốn đào tạo nghiên cứu khoa học TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Tất Đắc (2009), Về mơ hình thủy lực chất lượng nước phục vụ cho công tác quy hoạch hệ thống sông/kênh, Tập san Khoa học Công nghệ Quy hoạch thủy lợi, Viện Quy hoạch Thủy lợi miền Nam Nguyễn Tất Đắc (2005), Mơ hình tốn cho dịng chảy chất lượng nước hệ thống sơng kênh, NHÀ XUẤT BẢN NƠNG NGHIỆP, Tp Hồ Chí Minh, pp 149-150 KRISHNAPP B G (1985), " Comparison of MOBED and HEC-6 river flow models", Can J Civ.Eng 12 (3), pp 464-471 Karim M.F and Kennedy J.F (1982), IALLUVIAL : a commuter based flow and sediment routing for alluvial treams and its application to the Missouri River, Iowa Institute of Hydraulic Research, The University of Iowa Holly F M and Rahuel J L (1990), "New numerical/physical framework for mobile-bed modelling", Journal of Hydraulic Research 28 (4), pp 401-416 PAPANICOLAOU A N., BDOUR A., et al (2004), "One-dimensional hydrodynamic/sediment transport model applicable to steep mountain streams", Journal of Hydraulic Research 00 (0), pp - 19 Thomas W A and Prashum A I (1977), "Mathematical model of scour and deposition", J Hydr Div 110 (11), pp 1613–1641 Chang Howard H (1984), "Modeling of River Channel Changes", Journal of Hydraulic Engineering 110 (2), pp 157-172 Molinas A and Yang J C (1986), Computer program user’s manual for GSTARS, U.S 10 Runkel R L and Broshears R E (1991), OTIS: One-dimensional transport with inflow and storage: A solute transport model for small streams, CADSWES Technical Rep 11 Onishi Y and Wise S E (1982), SERATRA: User’s manual for the instream sedimentcontaminant transport model, Technical Rep 12 van Rijn L C and Tan G L (1985), Sutrench model: Two dimensional vertical mathematical model for sedimentation in dredged channels and trenches by currents and waves, Rijskwaterstaat communications, pp 11 13 Spasojevic M and Holly F M (1990), MOBED2: Numerical simulation of twodimensional mobile-bed processes, Iowa Institute of Hydraulic Research VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 241 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 14 Luettich R A., Westerink J J., et al (1992), ADCIRC: An advanced three-dimensional circulation model for shelves, coasts, and estuaries: Report 1, theory and methodology of ADCIRC-2DDI and ADCIRC-3DL, US Army Corps of Engineers 15 Bosboom J., Aarninkhof S G., et al UNIBEST TC-2.0 model: Overview of formulations, Delft Hydraulics 16 Bùi Minh Đức (1998), Depth-average numerical modeling of flow and sediment transport in the Elbe River, 3rd Int Conf on Hydroscience and Eng., Berlin 17 Chang H H (1998), Generalized computer program: Users’ manual for FLUVIAL-12: Mathematical model for erodible channels, San Diego 18 Walstra D J., van Rijn L C., et al (1998), Sand transport at the lower shoreface of the Dutch coast, delft hydraulics 19 Jia Y and Wang S (1999), "Numerical model for channel flow and morphological change studies", Journal of Hydraulic Engineering 125 (9), pp 924-933 20 Blumberg A F and Mellor G L (1987), "A description of a threedimensional coastal ocean circulation model", Coastal and Estuarine Sciences 4, pp 1-16 21 King I P (1988), A finite element model for three dimensional hydrodynamic systems, U.S Army Corps of Engineers 22 Bierman V J (1992), Development and validation of an integrated exposure model for toxic chemicals in Green Bay, Lake Michigan, Environmental Research Laboratory, Duluth, Minn 23 Hamrick J H (1992), A three-dimensional environmental fluid dynamics computer code: Theoretical and computational aspects, Marine Science and Ocean Engineering, Virginia Institute of Marine Science, Gloucester Point, Va 24 Song Y T and Haidvogel D (1994), "A semi-implicit primitive equation ocean circulation model using a generalized topographyfollowing coordinate system.", Journal of computational physics 115, pp 228-244 25 Spasojevic M and Holly F M (1994), Three-dimensional numerical simulation of mobilebed hydrodynamics, U.S Army Engineer Waterways Experiment Station, Vicksburg, Miss 26 Olsen N.R.B (1994), "SSIIM - a three-dimensional numerical model for simulation of water and sediment flow", Transactions on Ecology and the Environment 8, pp 227-234 27 Institute Danish Hydraulic (1993), MIKE 21 short description, Danish Hydraulic Institute, Hørsholm, Denmark 28 Landsberg A., Chtchelkanova A., et al (1998), Fast3D user and programmer reference manual 29 Hervouet J-M (2000), "A high resolution 2-D dam-break model using parallelization", Hydrological Processes 14 (13) 30 Ata Riadh (2012), XIXth TELEMAC-MASCARET User Conference, Noémie Durand and Jean-Michel Hervouet Sébastien Bourban, HR Wallingford, Oxford, pp 93-98 31 31 Lê Ngọc Anh and Nguyễn Thống (2014), "Ứng dụng mơ hình Telemac-2D đánh giá ảnh hưởng tượng vỡ đập Trị An lên vùng hạ lưu Đồng Nai - Sài Gịn", Tạp chí Tài Ngun Nước 01, pp 21-30 242 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 32 Nguyễn Thống and Lưu Xuân Lộc (2014), "Ứng dụng mơ hình Telemac2D đánh giá ảnh hưởng tượng vỡ đập Dầu Tiếng lên vùng hạ lưu sông Sài Gòn", Tài Nguyên Nước 03, pp 20-27 33 Putzar Bert and Malcherek Andreas (2012), XIXth TELEMAC-MASCARET User Conference, St Hugh’s College, Oxford, pp 39-44 34 Dorfmann Clemens, Moser Konrad, et al (2014), 2D Numerical Simulations of Embankment Dam Failure Due To Overtopping, Proceedings of the 21st TELEMACMASCARET User Conference, ARTELIA Eau & Environnement, Grenoble – France, pp 51-57 35 Goll Annalena (2014), Direct Simulations of Bed Forms of the River Elbe, Germany, Proceedings of the 21st TELEMAC-MASCARET User Conference, ARTELIA Eau & Environnement, Grenoble – France, pp 153-157 Người phản biện: PGS TS Lương Văn Thanh VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 243 ... 2016 232 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 2016 TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰC VÀ VẬN CHUYỂN BÙN CÁT, KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG VÀ ĐÀO TẠO GENERAL INFORMATION... mơ hình đào tạo nghiên cứu TỔNG QUAN MỘT SỐ MƠ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰC VÀ VẬN CHUYỂN BÙN CÁT PHỔ BIẾN 2.1 Trong nước Mơ hình VRSAP Theo [1], mơ hình thủy lực xem khởi đầu cho q trình áp dụng mơ hình. .. mặt giải Trong điều kiện đó, mơ hình tốn thủy động lực vận chuyển bùn cát có bước phát triển dài Nhìn chung, mơ hình tốn thủy động lực vận chuyển bùn cát ứng dụng phương pháp số để giải phương