Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán số CCHE2DH tính dòng chảy và chuyển tải bùn cát trong sông

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐINH QUANG VŨ BÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN SỐ CCHE2DH TÍNH DÒNG CHẢY VÀ CHUYỂN TẢI BÙN CÁT TRONG SÔNG CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2008 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS HUỲNH THANH SƠN Cán chấm nhận xét 1: PGS.TS HOÀNG VĂN HUÂN Cán chấm nhận xét 2: TS LƯU XUÂN LỘC Luận văn thạc sỹ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SỸ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, Ngày 09 tháng 01 năm 2009 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc - -oOo Tp HCM, ngaøy …… tháng …… năm 2008 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Ngày sinh : Long Chuyên ngành : Khoá : ĐINH QUANG VŨ BÌNH 21 – 09 – 1982 Giới tính: Nam Nơi sinh: Vónh XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY 2005 TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN SỐ CCHE2DH TÍNH DÒNG CHẢY VÀ CHUYỂN TẢI BÙN CÁT TRONG SÔNG NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG Nhiệm vụ: Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán số CCHE2DH tính dòng chảy chuyển tải bùn cát cho sông Trà Khúc (tỉnh Quảng Ngãi) Nội dung: Chương 1: Chương 2: Chương 3: Chương 4: Chương 5: Chương 6: Chương 7: Mở đầu Mô hình toán dòng chảy Mô hình toán chuyển tải bùn cát biến hình lòng dẫn Phương pháp toán số Thử nghiệm mô hình Áp dụng mô hình CCHE2DH vào đoạn sông Trà Khúc Kết luận kiến nghị NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Tháng 01/2008 NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Tháng 12/2008 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS HUỲNH THANH SƠN Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội đồng chuyên ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS TS Huỳnh Thanh Sơn CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH PGS TS Huỳnh Thanh Sơn LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy PGS.TS Huỳnh Thanh Sơn, người hết lòng truyền đạt cho kiến thức quý báu suốt thời gian nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô khoa Kỹ thuật Xây dựng dạy dỗ khoá học Lời cảm ơn xin chuyển tới thầy cô Viện Khoa học Thuỷ lợi miền Nam, Th.S Trần Thanh Tùng (Đại Học Thuỷ Lợi Hà Nội) cung cấp số liệu tài liệu tham khảo q giá Tôi xin cảm ơn thầy hội đồng chấm luận văn cho nhận xét q báu cho luận văn thạc só hoàn thiện Con xin cảm ơn ba mẹ tạo điều kiện tốt để học hành nên người Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn hỗ trợ bạn bè thời gian vừa qua TP Hồ Chí Minh ngày 01 tháng 12 năm 2008 Học viên: Đinh Quang Vũ Bình ABSTRACT Recently, with the great development of computer science, many numerical models have been widely applied to study the physical processes happening in rivers This thesis named “Study and application of the numerical model CCHE2DH to calculate flows and sediment transport in open channels” presents the depth-averaged two-dimensional numerical model proposed by Wang S S Y and Jia Y for simulating unsteady turbulent flow, sediment transport and morphological change in rivers In this model, the finite element method is applied to discretize the governing mathematical equations This thesis includes seven chapters: chapters 2, and concern the model theory including the numerical method used to solve the governing equations, chapter presents two model tests and chapter presents the model application to calculate flow, sediment transport and bed change in Tra Khuc river (Quang Ngai province) TÓM TẮT Trong năm gần đây, với phát triển vượt bậc khoa học máy tính, mô hình toán số ứng dụng rộng rãi để nghiên cứu trình vật lý sông Luận văn “ Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán số CCHE2DH tính dòng chảy chuyển tải bùn cát sông” trình bày mô hình toán số hai chiều trung bình theo chiều sâu Wang S S Y Jia Y đề nghị để mô dòng chảy rối không ổn định, chuyển tải bùn cát biến hình lòng dẫn sông Phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng để rời rạc hoá hệ phương trình Nội dung luận văn bao gồm bảy chương, chương 2, 3, giới thiệu lý thuyết mô hình CCHE2D, chương kiểm nghiệm mô hình với kết hai thí nghiệm xói-bồi chương áp dụng mô hình vào đoạn sông Trà Khúc (tỉnh Quảng Ngãi) MỤC LỤC Chương Mở đầu 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Các nghiên cứu nùc 1.2.1 Trong nước 1.2.2 Ngoài nước 1.3 Mục tiêu luận văn 1.4 Nội dung luận văn 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.6 Ý nghóa khoa học luận văn 1.7 Cấu trúc luận văn Chương Mô hình toán dòng chảy 2.1 Hệ phương trình Reynolds 2.1.1 Hệ phương trình dòng chảy 3D dạng tường minh 2.1.2 Hệ phương trình dòng chảy nước nông 2.2 Hệ phương trình tính dòng chảy mô hình CCHE2DH 2.2.1 Thiết lập hệ phương trình 2.2.2 Ứng suất Reynolds 2.2.3 Mô hình nhớt rối 2.2.4 Ứng suất ma sát tiếp đáy 2.2.5 Điều kiện ban đầu điều kiện bieân 2 5 7 8 10 13 13 14 14 16 18 Chương Mô hình toán chuyển tải bùn cát biến hình lòng dẫn 19 3.1 Phương trình tốn chuyển tải bùn cát lơ lửng 19 3.2 Phương trình tốn chuyển tải bùn cát đáy 21 3.3 Phương trình tốn chuyển tải bùn cát tổng cộng biến hình lòng dẫn 22 3.3.1 Phương trình toán 22 3.3.2 Điều kiện biên 23 3.4 Các công thức kinh nghiệm 24 3.4.1 Công thức Ackers White hiệu chỉnh 24 3.4.2 Công thức SEDTRA 25 3.4.3 Công thức Wu, Wang Jia 25 3.4.4 Công thức Engelund Hansen hiệu chỉnh (1976) 27 Chương Phương pháp toán số 4.1 Phương pháp phần tử hữu hạn 4.1.1 Giới thiệu 4.1.2 Hàm nội suy 4.2 Hệ phương trình đại số 4.2.1 Phương trình đại số tính u theo phương x 4.2.2 Phương trình đại số tính v theo phương y 28 28 29 33 33 33 4.2.3 Phương trình đại số tính động rối k 4.2.4 Phương trình đại số tính tốc độ tiêu tán rối ε 4.2.5 Phương trình đại số tính chuyển tải bùn cát lơ lửng 4.2.6 Phương trình đại số tính biến đổi cao độ đáy z 4.2.7 Phương trình đại số tính cao độ mặt nước η 4.2.8 Vòng lặp tính toán mô hình CCHE2DH Chương Thử nghiệm mô hình 5.1 Thí nghiệm xói 5.1.1 Mô tả thí nghiệm 5.1.2 Xây dựng mô hình tính 5.1.3 So sánh kết nhận xét 5.2 Thí nghiệm bồi 5.2.1 Mô tả thí nghiệm 5.2.2 Xây dựng mô hình tính 5.2.3 So sánh kết nhận xét Chương Áp dụng mô hình CCHE2DH vào đoạn sông Trà Khúc 6.1 Tổng quan đoạn sông nghiên cứu 6.2 Dòng chảy 6.2.1 Số liệu lưu lượng mực nước dùng để hiệu chỉnh mô hình 6.2.2 Số liệu lưu lượng mực nước dùng để mô 6.3 Bùn cát 6.3.1 Đặc điểm bùn cát đáy sông 6.3.2 Đặc điểm bùn cát lơ lửng 6.4 Mô hình hoá 6.4.1 Lưới tính toán 6.4.2 Các thông số mô hình 6.6 Kết tính toán 6.6.1 Kết tính toán hiệu chỉnh mô hình 6.5.2 Kết tính toán cho mô dài hạn 34 34 35 36 36 39 41 41 42 47 51 51 52 53 56 61 65 68 71 71 73 74 74 76 78 78 89 Chương Kết luận Kiến nghị 7.1 Kết luận 7.1.1 Ưu điểm mô hình 7.1.2 Nhược điểm mô hình 7.2 Kiến nghị 7.2.1 Những tồn nghiên cứu 7.2.2 Hướng phát triển Tài liệu tham khảo 105 105 105 106 106 106 108 DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 3.1: Các hệ số công thức Ackers White 25 Bảng 5.1: So sánh kết sau 47 Bảng 5.2: So sánh kết sau 48 Bảng 5.3: So sánh kết sau 49 Bảng 5.4: So sánh kết sau 53 Baûng 5.4: So sánh kết sau 54 Bảng 6.1: Tổng hợp mực nước lưu lượng thực đo 65 Bảng 6.2: Lưu lượng mực nước hạ lưu bốn tháng cuối năm 2007 .68 Bảng 6.3: Thành phần hạt bùn cát đáy 72 Bảng 6.4: Lưu lượng phù sa toàn mặt cắt ngang 73 DANH MỤC HÌNH ẢNH Trang Hình 2.1: Hệ trục toạ độ Hình 2.2: Điều kiện biên mô hình CCHE2DH 18 Hình 3.1: Sự phân bố chuyển tải bùn cát .19 Hình 4.1: Sơ đồ vị trí tính toán lưới so le .28 Hình 4.2: Phần tử chiều .30 Hình 4.3: Thứ tự điểm nút 30 Hình 4.4: Ký hiệu phần tử 31 Hình 4.5: Minh hoạ tính toán cho phần tử 37 Hình 4.6: Ma trận năm đường cheùo .38 Hình 5.1: Thí nghiệm Newton (1951) 41 Hình 5.2: Kết thí nghieäm 42 Hình 5.3: Tạo miền tính toán .42 Hình 5.4: Điều kiện biên thượng lưu 43 Hình 5.5: Điều kiện biên hạ lưu 43 Hình 5.6: Các thông số ban đầu 44 Hình 5.7: Khai báo thông số độ nhám 45 Hình 5.8: Khai báo thông số bùn cát 46 Hình 5.9: So sánh kết sau 47 Hình 5.10: So sánh kết sau hai .48 Hình 5.11: So sánh kết sau ba .49 Hình 5.12: Thí nghiệm Seal (1997) .51 Hình 5.13: So sánh kết sau hai .53 Cao độ (m) Ban đầu 30 ngày 60 ngày 90 ngày 120 ngày 0 100 200 300 Khoảng cách (m) Hình 6.45: Kết bồi xói mặt cắt j=138 Cao độ (m) Ban đầu 30 ngaøy 60 ngaøy 90 ngaøy -1 200 400 600 800 -2 Khoảng cách (m) Hình 6.46: Kết bồi xói mặt cắt j=191 97 120 ngày Cao độ (m) Ban đầu 30 ngaøy 60 ngaøy 90 ngaøy 120 ngaøy -1 2000 4000 6000 8000 10000 -2 Khoảng cách (m) Hình 6.47: Kết bồi xói theo chiều dọc sông đường i=10 98 12000 ∆z (m) Hình 6.48: Kết bồi xói thời điểm ban đầu (∆z=0) 99 ∆z (m) Hình 6.49: Kết bồi xói sau 30 ngày 100 ∆z (m) Hình 6.50: Kết bồi xói sau 60 ngày 101 ∆z (m) Hình 6.51: Kết bồi xói sau 90 ngày 102 ∆z (m) Hình 6.52: Kết bồi xói sau 120 ngày 103 NHẬN XÉT: Sông Trà Khúc có địa hình phức tạp nên vị trí bồi xói xảy cục bộ, nằm rải rác đan xen vào Tại vị trí j=3: Bùn cát từ thượng lưu đổ bị bồi lắng trước cù lao, tập trung hố xói chủ yếu Ở khu vực khoảng 1km sau cù lao không xuất bồi xói lòng dẫn Giá trị mặt cắt Trà Khúc (j=67) không đổi so với ban đầu Tại mặt cắt co hẹp (j=138) lòng dẫn bị xói mạnh phía bờ hữu, kết hợp lý vị trí nơi có vận tốc lớn khu vực tính toán Tại vị trí gần biên hạ lưu (j=191) gần không xảy bồi xói 104 7.1 Kết luận Luận văn trình bày tóm tắt sở lý thuyết mô hình CCHE2DH kiểm nghiệm mô hình với hai kết thí nghiệm xói-bồi trước ứng dụng vào tính vận tốc dòng chảy dự đoán xói-bồi cho đoạn sông Trà Khúc Quá trình tìm hiểu sử dụng mô hình cho phép đưa số nhận xét bước đầu ưu nhược điểm mô sau: 7.1.1 Ưu điểm mô hình - Mô hình CCHE2DH công cụ thích hợp để mô dòng chảy, chuyển tải bùn cát biến hình lòng dẫn sông, kể sông vùng triều sông có phụ lưu Mô hình bao gồm nhiều phương pháp tính hệ số nhớt rối, nhiều công thức thực nghiệm tính chuyển tải bùn cát đáy bùn cát lơ lửng để người sử dụng lựa chọn so sánh Các phiên phát triển gần có xét thêm toán sạt lở bờ - Mô hình có nhiều thông số đầu vào, người sử dụng lựa chọn thông số tổ hợp phù hợp cho miền tính toán cụ thể - Chương trình tính có giao diện đẹp, dễ dàng khai báo số liệu đầu vào Kết tính toán xuất dạng số, biểu đồ, hình ảnh phim để người sử dụng dễ dàng quan sát nhận xét Hơn chương trình tải miễn phí từ mạng Internet dễ dàng kết hợp với nhiều chương trình máy tính khác Microsoft Office, AutoCad,… để tạo hiệu sử dụng tốt 7.1.2 Nhược điểm mô hình Do trình phát triển hoàn thiện nên mô hình CCHE2DH có hạn chế định: - Chương trình có nhiều thông số cần khai báo nên đòi hỏi nhiều thời gian để nhập liệu 105 - Việc mô thuỷ lực chưa thật xác với sông có địa hình đáy phức tạp sông Trà Khúc Không thể chạy chương trình mực nước ban đầu thấp Chương trình chủ yếu tính toán xói-bồi đáy lòng dẫn Phần tính toán sạt lở bờ đưa thêm vào nên hạn chế áp dụng cao độ độ dốc bờ sông số - Một nhược điểm quan trọng mô hình giải toán dòng chảy không ổn định không thích hợp để sử dụng cho sông chịu ảnh hưởng triều (dòng chảy từ thượng lưu hạ lưu ngược lại) Theo tác giả mô hình, vấn đề cải tiến phiên sau 7.2 Kiến nghị 7.2.1 Những tồn nghiên cứu - Các ảnh hưởng công trình cầu, kè … chưa xét tới làm giảm độ xác kết tính toán mô - Do số liệu biến đổi lòng dẫn nên không kiểm chứng độ xác dự báo biến hình lòng dẫn - Do số liệu địa hình thủy lực hai bên bờ sông nên mô hình tính toán khu vực lòng dẫn chia lưới mà không tính cho vùng ngập lũ hai bên bờ 7.2.1 Hướng phát triển - Mô hình CCHE2DH trình phát triển hoàn thiện, phiên sau cần tiếp tục nghiên cứu ứng dụng (nhất phần tính toán sạt lở bờ) để có kết hoàn chỉnh dòng chảy biến hình lòng dẫn Luận văn thực khoảng thời gian định, việc đánh giá mô hình nhiều hạn chế Để áp dụng mô hình cách tốt 106 nhất, cần sâu phân tích thêm độ nhạy nhiều thông số mô hệ số nhớt rối, hệ số nhám, độ rỗng bùn cát đáy, … 107 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Huỳnh Thanh Sơn (2003) Bài giảng môn học Thủy lực sông ngòi Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh [2] Trần Minh Quang (2000) Động lực học sông chỉnh trị sông Nhà xuất Đại học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh [3] Nguyễn Văn Điềm (2002) Công trình thủy lợi vùng triều Nhà xuất Đại học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh [4] Lương Phương Hậu(2004) Động lực học dòng sông chỉnh trị sông Nhà xuất Nông nghiệp Hà Nội [5] Huỳnh Thanh Sơn (2004) Nghiên cứu dòng chảy đoạn sông Gành Hào mô hình toán số 2DH, Tuyển tập Viện khoa học thủy lợi miền nam TP Hồ Chí Minh [6] Nguyễn Thị Bảy cộng (2004), Nghiên cứu dòng bùn cát, phù sa bồi lắng nó, Báo cáo đề tài B2000-20-82 Trường Đại Học Bách Khoa TPHCM [7] Lưu Xuân Lộc, Shinji Egashira, Suguru Ide, Hiroshi Takebayashi (2005) Study on Bed Deformation in Lower Mekong River, Báo cáo Hội nghị Khoa học công nghệ lần 9, khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh [8] Lê Song Giang (2004), Nghiên cứu dự báo xói lở, bồi lắng lòng dẫn đề xuất biện pháp phòng chống cho hệ thống sông Đồng sông Cửu Long Đề tài KC 08-15, Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam [10] Hoàng Văn Huân nnk (2007) Báo cáo kết khảo sát thuỷ văn sông Trà Khúc (Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ (MiKE 21C) vào đánh giá dự báo phòng chống sạt lở bờ sông (miền Bắc, miền Trung, miền Nam)) [11] Trần Thanh Tùng (2006) Phân tích diễn biến hình thái cửa sông Trà Khúc, tỉnh Quảng Ngãi, Tạp chí Khoa học Thuỷ lợi Môi trường Số 14 (8/2006) 108 [12] AusAID (2003) Report on the Flood in the Tra Khuc, Ve and Tra Bong rivers of Quang Ngai Quang Ngai [13] Pham Quang Son (2004) Assessment the changing situation of river channel downstream of the Tra Khuc river and Tra Bong river using GIS data (period from 1965 to 2001), Institute of Geology of Vietnam [14] Yafei Jia, Sam S.Y Wang (2001) CCHE2D Technical Reports National Center for Computational Hydrosience and Engineering The University of Mississippi, School of Engineering [15] William D Brown (1993) Driver Hydraulics US Army Corps of Engineer [16] William D Brown, Robert L Herndon (1994); Hydraulic Design of Flood Control Channels; US Army Corps of Engineer [17] E.V Richardson, D.B Simons, P.F Lagasse (2001) River Engineering for Highway Encroachments Hydraulic Design of Highway Culverts [18] James E Sothen (2003) Erosion and Sediment Control Manual, West Virginia Department of Transportation Division of Highways [19] David V Hutton (2004) Fundamentals of finite analysis Mc Graw Hill [20] Stephen B Pope (2000) Turbulent Flows Cambridge University [21] Wojciech Bartnik, Leszek Ksiazek, Alicja Michalik, Artur RadeckiPawlik, Andrzej Struzynski (2004) Modeling of Fluvial Processes along a Reach of The Skawa River Using CCHE2D Model, Research Program USPTTP02 CAU Agricultural University of Krakow and University in Mississippi [22] Jennifer G.Duan, S.K.Nanda (2004), Two dimensional depth-averaged model simulation of suspended sediment concentration distribution in a groyne field, Research Project under Grant Number DAAD19-00-1-0157 The US Department of Defense, Army Research Office(ARO) 109 [23] Wusi Yue, Chung Long Lin vaø Virendrac (2006) Large-Eddy Simulation of Turbulence Flow over a Fixed Two-Dune, Journal of Hydraulic Egineering (July, 2006) [24] Dan K Nguyen, Sam S Y Wang vaø The Hung Nguyen (2006) 2D Shallow-Water Model Using Unstructured Finite Methods, Journal of Hydraulic Egineering (March, 2006) [25] Weiming Wu, Podjanee, Zhiguo He vaø Sam S.Y Wang (2006) Comparision of 1-D and Averaged 2-D Fish Habitat Suitability Models The Int Conf on Hydroscience and engineering (ICHE-2006), Sep 13, Philadenphia, USA [26] Newton C.T (1951), An experimental investigation of bed degradation in an open channel Transcript, Boston Society of Civil Engineers, pp.28-60 [27] Seal R, Paola C., Sauthard J and Wilcock P (1997), Experiments on Downstream fininf of gravel: narrow channel runs, journal of sediment research, Beijing, China 110 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên : ĐINH QUANG VŨ BÌNH Ngày, tháng, năm sinh : 21/09/1982 Nơi sinh : TX Vónh Long – Vónh Long Địa liên lạc : 423/44/5 Tô Ký, P Trung Mỹ Tây Q12, Tp HCM Điện thoại di động : 0909210838 QUÁ TRÌNH HỌC TẬP: Năm 2005: Tốt nghiệp Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia TP.HCM Năm 2005 – 2008: Học viên cao học khóa 2005 ngành Xây dựng Công trình thủy - Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia TP.HCM QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC : Năm 2005 – 2007: Công tác Ban QLDA Vệ sinh-Môi trường TP Hồ Chí Minh Năm 2008 – đến nay: Công tác Công ty cổ phần Tư Vấn Xây Dựng Điện – Tập đoàn Điện lực Việt Nam – Số 32 Ngô Thời Nhiệm, Q.3, Tp.HCM ... Chương 6: Chương 7: Mở đầu Mô hình toán dòng chảy Mô hình toán chuyển tải bùn cát biến hình lòng dẫn Phương pháp toán số Thử nghiệm mô hình Áp dụng mô hình CCHE2DH vào đoạn sông Trà Khúc Kết luận... Giới tính: Nam Nơi sinh: Vónh XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY 2005 TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN SỐ CCHE2DH TÍNH DÒNG CHẢY VÀ CHUYỂN TẢI BÙN CÁT TRONG SÔNG NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG Nhiệm vụ: Nghiên. .. TẮT Trong năm gần đây, với phát triển vượt bậc khoa học máy tính, mô hình toán số ứng dụng rộng rãi để nghiên cứu trình vật lý sông Luận văn “ Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán số CCHE2DH tính dòng