7. Cấu trỳc của luận ỏn
2.3.1 Giới thiệu cỏc bộ mụ hỡnh số hiện đại
Mục này sẽ giới thiệu túm tắt tớnh năng sử dụng của cỏc mụ hỡnh hiện đại hiện đang được ứng dụng nhiều trờn thế giới như bộ mụ hỡnh MIKE, EFDC, SMS, DELTF3D, CEDAS..., đồng thời qua phõn tớch những ưu và nhược điểm của mỗi mụ hỡnh để đỏnh giỏ chọn lựa mụ hỡnh thớch hợp nhất cho phạm vi nghiờn cứu của luận ỏn.
2.3.1.1 Bộ mụ hỡnh MIKE [85]
Bộ mụ hỡnh MIKE của Viện Thuỷ lực Đan Mạch (DHI) đó được giới thiệu và ứng dụng cho khỏ nhiều dự ỏn ở Việt Nam gần đõy, trong số đú MIKE11/MIKE21 là một trong những thành phần chớnh. Mụ hỡnh MIKE11 là loại mụ hỡnh toỏn sử dụng phương trỡnh St.Venant, mụ phỏng dũng chảy trong sụng, liờn kết với vựng ngập lũ. MIKE11 cú một số ưu điểm hơn so với cỏc mụ hỡnh khỏc như: (1) liờn kết với GIS, (2) kết nối với cỏc mụ hỡnh thành phần khỏc của bộ MIKE vớ dụ như mụ hỡnh mưa rào - dũng chảy (NAM), mụ hỡnh thuỷ động lực học 2 chiều MIKE 21, mụ hỡnh dũng chảy nước dưới đất, dũng chảy tràn bề mặt và dũng bốc hơi thảm phủ (MIKE SHE), (3) tớnh toỏn truyền tải chất và khuyếch tỏn, (4) vận hành cụng trỡnh, (5) tớnh toỏn quỏ trỡnh phỳ dưỡng. Phương trỡnh cơ bản trong MIKE 21/3 là phương trỡnh 2/3 chiều ỏp dụng cho chất lỏng khụng nộn được, trung bỡnh theo Reynolds của phương trỡnh Navier - Stokes cựng với cỏc giả thiết Boussinesq và ỏp lực thủy tĩnh.
Bờn cạnh những ưu điểm như đó nờu thỡ MIKE cũng tồn tại một số nhược điểm như sau: Mặc dự lý thuyết tớnh toỏn được trỡnh bày khỏ chi tiết nhưng đõy khụng phải là phần mềm mó nguồn mở nờn khú khăn trong việc tỡm ra nguyờn nhõn gõy sai số của mụ hỡnh và khụng bổ sung thờm hoặc phỏt triển được cỏc mụ đun tớnh toỏn; Khi tớnh toỏn trường hợp dũng chảy khụng ổn định thường bỏo lỗi tại một số mặt cắt, mực nước tớnh toỏn vượt cao trỡnh đỉnh đờ/bờ. Đõy là một lỗi khỏ phổ biến và việc xử lý (để đạt trạng thỏi ổn định) thường khụng dễ. Tương tự, đối với bài toỏn AD (advection dispersion) lan truyền chất thường khú đạt được tiờu chớ ổn định; Mụ tả cụng trỡnh trong MIKE SHE
31
đụi khi chưa sỏt với thực tế; Ứng dụng phần mềm MIKE cho cỏc lưu vực sụng phức tạp cú nhiều dạng điều kiện biờn khỏc nhau và chạy cho một thời gian dài cỡ một năm thỡ phần mềm chạy khụng ổn định. Đặc biệt là khi chạy đồng thời cả mụ hỡnh vận chuyển bựn cỏt và chất lượng nước thỡ rất khú để hiệu chỉnh do mụ hỡnh MIKE là mụ hỡnh liờn kết ngoài tức là kết quả của mụ hỡnh này là đầu vào của mụ hỡnh kia. Điều này cú nghĩa là muốn chạy mụ hỡnh mụ phỏng bựn cỏt, chỳng ta phải chạy mụ hỡnh súng và triều trước, sau đú lấy kết quả làm đầu vào của mụ hỡnh mụ phỏng bựn cỏt.
2.3.1.2 Bộ mụ hỡnh EFDC [38], [86]
Mụ hỡnh thủy động lực học mụi trường EFDC (Environmental Fluid Dynamics Code) là một phần mềm mụ hỡnh toỏn cú khả năng dự bỏo, tớnh toỏn và mụ phỏng cỏc quỏ trỡnh dũng chảy, lan truyền cú tớnh đến cỏc quỏ trỡnh sinh - địa - húa trong sụng, trong hồ chứa, cỏc vựng cửa sụng… Mụ hỡnh được cơ quan bảo vệ mụi trường Mỹ US EPA phỏt triển từ những năm 1980, đến 1994 được cỏc nhà khoa học Viện Khoa Học Biển Virgina tiếp tục xõy dựng. Mụ hỡnh được xõy dựng dựa trờn cỏc phương trỡnh động lực, nguyờn tắc bảo toàn khối lượng và bảo toàn thể tớch. Là mụ hỡnh đa chiều (1 chiều, 2 chiều, 3 chiều) nờn cú khả năng đạt độ chớnh xỏc cao trong việc mụ hỡnh húa cỏc hệ thống đầm lầy, đất ngập nước, kiểm soỏt dũng chảy, cỏc dũng sinh súng gần bờ và cỏc quỏ trỡnh vận chuyển trầm tớch. Hiện nay mụ hỡnh EFDC gồm 4 mụ đun chớnh sau: mụ hỡnh thủy động lực học; mụ hỡnh chất lượng nước; mụ hỡnh vận chuyển trầm tớch; mụ hỡnh lan truyền, phõn hủy cỏc chất độc trong mụi trường nước mặt.
Kết quả tớnh toỏn từ mụ hỡnh thủy động lực học (như độ sõu, vận tốc, tốc độ xỏo trộn…) được kết hợp và sử dụng trực tiếp trong cỏc mụ đun cũn lại như mụ hỡnh chất lượng nước, mụ hỡnh vận chuyển bựn cỏt và mụ hỡnh lan truyền, phõn hủy độc chất. Mụ hỡnh chất lượng nước EFDC gồm 9 mụ đun lan truyền vận chuyển, bao gồm: Tảo, hữu cơ cỏc bon, Phốt pho, Ni tơ, Si lic, DO, COD và FCB.
Mụ đun thủy động lực của mụ hỡnh EFDC dựa trờn hệ phương trỡnh thủy tĩnh 3 chiều viết cho hệ tọa độ theo phương thẳng đứng và tọa độ cong trực giao nằm ngang.
Ưu điểm của mụ hỡnh EFDC: Là mụ hỡnh mó nguồn mở cho phộp người sử dụng phỏt triển, bổ sung cỏc mụ đun cũng như hiệu chỉnh cỏc thụng số của mụ hỡnh để mụ hỡnh trở
32
nờn hoàn thiện hơn; cấu trỳc mụ hỡnh EFDC_Explorer trờn tập hợp cỏc phần mềm xử lý riờng, cú thể chỉnh sửa từng phần riờng biệt mà khụng ảnh hưởng đến kết quả của cỏc phần khỏc. Tuy là xử lý riờng biệt nhưng giữa cỏc phần này được tớch hợp tạo nờn một sự thống nhất trong mụ hỡnh. Giao diện này đảm bảo tớnh khả chuyển giữa cỏc phần mỏy tớnh và cho phộp người sử dụng mụ hỡnh cú thể dễ dàng quản lý cỏc số liệu đầu vào của mụ hỡnh này. Vỡ vậy việc chỉnh sửa cỏc tệp số liệu đầu vào này là tương đối dễ dàng; đặc biệt cửa sổ xem mụ hỡnh cho ta biết được cỏc thụng số của từng điểm lưới trờn miền mụ hỡnh: kớch thước ụ lưới, cao trỡnh địa hỡnh, mực nước, độ sõu cột nước, hệ số nhỏm… hơn nữa mụ hỡnh cho phộp điều chỉnh tất cả cỏc thụng số từng điểm lưới ngay trờn giao diện miền mụ hỡnh; phần mềm tiền xử lý: trước giai đoạn tớnh toỏn mụ phỏng phần mềm mụ hỡnh EFDC cú bộ mó tiền xử lý tạo lưới. Bộ mó tiền xử lý này cho phộp xõy dựng lưới mụ hỡnh, đưa vào cỏc số liệu đo đạc độ sõu cũng như cỏc thụng số ban đầu như độ cao mặt nước, mật độ bựn cỏt… cho cả miền mụ hỡnh. Qua quỏ trỡnh xử lý của bộ mó tiền xử lý này, cỏc file số liệu đầu vào và cỏc thụng số ban đầu của đường mặt nước cũng như cỏc điều kiện biờn của mụ hỡnh được tạo ra. Để cú thể mụ phỏng một cỏch phự hợp nhất vựng nghiờn cứu bộ mó tiền xử lý của phần mềm EFDC cho phộp tạo ra cỏc lưới tọa độ mụ hỡnh dạng Đề cỏc hoặc dạng lưới cong trực giao; truy suất kết quả: kết quả mụ hỡnh được hiển thị cho từng điểm lưới và ở tại mỗi bước thời gian mà người sử dụng đó chọn. Kết quả mụ hỡnh cú thể được truy xuất dưới dạng cỏc file ảnh trờn đú cú hiển thị cỏc đặc tớnh cần xem xột và cũn cú thể trớch xuất kết quả cho nhiều phần mềm vẽ khỏc.
Nhược điểm của phần mềm EFDC: mụ hỡnh bao gồm khỏ nhiều mụ đun, nờn nếu chạy cho vựng dự ỏn cú vận chuyển bựn cỏt và chất lượng nước thỡ sẽ tốn rất nhiều thời gian tớnh toỏn, đụi khi thiếu ổn định; thiết lập cỏc điều kiện biờn và điều kiện ban đầu cho bựn cỏt cú phần phức tạp, đũi hỏi người sử dụng phải cú nhiều kinh nghiệm.
2.3.1.3 Bộ mụ hỡnh SMS
SMS (Surface Water Modelling System) là hệ thống mụ hỡnh nước mặt được đề xuất bởi Phũng thớ nghiệm nghiờn cứu mụ hỡnh mụi trường thuộc Đại học tổng hợp Brigham Young, Vương quốc Anh. Mụ hỡnh được chia thành hai hệ mụ đun cho sụng và cho biển. Mụ hỡnh trong sụng gồm cú cỏc mụ hỡnh như ADH, RiverFLO-2D, RMA2, RM4,
33
FESWMS, TUFLOW, TUFLOW AD, HYDRO AS-2D và PTM. Cỏc mụ hỡnh trong biển bao gồm ADCIRC, CGWAVE, CMS Flow, CMS WAVE, BOUSS-2D, STWAVE, GENCADE và mụ hỡnh WAM. Mỗi một mụ hỡnh sụng - biển đều cú cỏc hệ phương trỡnh và cơ sở lý thuyết khỏc nhau.
Ưu điểm của mụ hỡnh SMS: Giao diện thõn thiện, dễ sử dụng, làm việc với nhiều dạng dữ liệu đầu vào khỏc nhau như ArcGIS, Mapinfor; bộ SMS tớch hợp rất nhiều cỏc mụ hỡnh mạnh về thủy động lực và vận chuyển bựn cỏt trong sụng cũng như trong biển. Cú cả mụ hỡnh hai chiều và 3 chiều; mụ hỡnh cú thể sử dụng trờn một vựng rộng lớn, nhiều quỏ trỡnh được xột đến và cú địa hỡnh đỏy phức tạp bằng cỏch xõy dựng cỏc mụ hỡnh khỏi niệm; mụ hỡnh cú cụng cụ tạo lưới sai phõn hữu hạn phần tử hữu hạn và lưới cong rất mạnh và hiệu quả. Lưới tạo ra cú tớch hợp với rất nhiều mụ hỡnh sử dụng lưới phi cấu trỳc khỏc như SWAN, FVCOM..
Nhược điểm của mụ hỡnh: Là một mụ hỡnh mó nguồn đúng; kết quả tớnh toỏn của mụ hỡnh nhạy với điều kiện ban đầu, điều kiện biờn, và tương đối khú khăn khi muốn thờm cỏc điều kiện trong tự nhiờn như giú, ỏp suất, nhiệt độ…; khi ỏp dụng cho cỏc dự ỏn lớn ở khu vực cửa sụng nơi mà cú nhiều quỏ trỡnh thủy động lực khỏc nhau thỡ mụ hỡnh cũng dễ mất ổn định.
2.3.1.4 Bộ mụ hỡnh DELFT 3D [87]
Deltares đó phỏt triển bộ phần mềm mụ hỡnh số trị mạnh mẽ được gọi là Delft3D, tập trung chủ yếu vào ứng dụng trong mụi trường nước bề mặt. Delft3D là một bộ phần mềm tớch hợp mụ hỡnh một cỏch linh hoạt, cú thể mụ phỏng 02 chiều, hoặc mụ phỏng theo khụng gian 3 chiều cho dũng chảy, vận chuyển trầm tớch, hỡnh thỏi học, súng, chất lượng nước, và hệ sinh thỏi. Delft3D cũn cú khả năng xử lý tương tỏc giữa cỏc quỏ trỡnh này. Phần mềm này được thiết kế cho nhiều đối tượng khỏc nhau cú thể sử dụng như: cỏc chuyờn gia tư vấn thiết kế, kỹ sư xõy dựng, cỏc đơn vị quản lý và cỏc quan chức Chớnh phủ, tất cả những người đang hoạt động trong những giai đoạn thiết kế, thực hiện hay quản lý chu trỡnh [48].
Ưu điểm của mụ hỡnh: Mụ hỡnh tớnh toỏn thủy động lực của DELFT3D sử dụng kỹ thuật lưới linh động mới cho cỏc lưới phi cấu trỳc cả 1 chiều, 2 chiều và 3 chiều. Điều này cú
34
nghĩa là trờn cựng một lưới cú thể bao gồm cả lưới phi cấu trỳc dạng tam giỏc, ngũ giỏc, và hệ thống kờnh 1 chiều. Kỹ thuật mới này cho ta những lợi thế như: Dễ dàng hơn trong việc thiết lập cỏc điều kiện biờn giữa cỏc mụ hỡnh 1 chiều, 2 chiều và 3 chiều khi chỳng kết hợp với nhau; linh động trong việc tạo lưới cho cỏc vựng phức tạp như cửa sụng, cảng, và lạch triều; đạt hiệu quả cao khi kết hợp với thuật toỏn đa nhõn và cú sử dụng kỹ thuật lưới lồng giỳp giảm khối lượng tớnh toỏn của mụ hỡnh khi ỏp dụng cho vựng cú phạm vi lớn.
Nhược điểm của mụ hỡnh: Giống như cỏc mụ hỡnh khỏc, mụ hỡnh DELFT3D cũng tương đối mất ổn định trong những trường hợp mụ phỏng 3 chiều cho một vựng rộng lớn; tương đối khú trong việc thiết lập cỏc điều kiện biờn bựn cỏt; giao diện mụ hỡnh cú phần phức tạp, dễ nhầm lẫn.
2.3.2 Lựa chọn mụ hỡnh tớnh toỏn cho khu vực nghiờn cứu
Từ những phõn tớch ở trờn chỳng ta cú thể thấy cỏc mụ hỡnh đều cú những ưu điểm và nhược điểm khỏc nhau. Cỏc mụ hỡnh thương mại như MIKE, DELTF3D và SMS đó và đang được ứng dụng rộng rói, điều này chứng minh tớnh đỳng đắn và độ tin cậy của cỏc mụ hỡnh này, nhưng cỏc mụ hỡnh này là mụ hỡnh mó nguồn đúng (gần đõy mụ hỡnh DELFT3D đó được coi là mụ hỡnh mó nguồn mở nhưng người dựng vẫn gặp nhiều khú khăn trong việc biờn dịch và khai thỏc mụ hỡnh này do tớnh phức tạp của bộ mó nguồn). Chưa cú mụ hỡnh nào mụ phỏng được ảnh hưởng của chõn vịt tới quỏ trỡnh vận chuyển bựn cỏt khi tàu di chuyển. Luận ỏn với mục đớch nghiờn cứu, từ cỏc điều kiện mụi trường như thủy triều, lưu lượng, súng, giú và tớnh chất bựn cỏt khu vực Cửa Lấp, tỏc giả lựa chọn bộ mụ hỡnh mó nguồn mở thủy động lực học 3 chiều EFDC (Environmental Fluid
Dynamics Code) cho việc nghiờn cứu và mụ phỏng chế độ thủy thạch động lực khu vực Cửa Lấp. Việc ứng dụng mụ hỡnh mó nguồn mở này cho phộp tỏc giả đi sõu khai thỏc và phỏt triển, bổ sung thờm mụ đun tớnh cho mụ hỡnh. Sau đõy sẽ trỡnh bày túm tắt cơ sở lý thuyết của mụ hỡnh EFDC.