2.2.1.1. Mô hình VRSAP[13]
Mô hình VRSAP do Phó Giáo sư – Anh hùng Lao động Nguyễn Như Khuê và nhóm mô hình của Phân Viện Khảo sát Quy hoạch Thủy lợi Nam Bộ xây dựng. Nó là mô hình thủy động lực học tiêu biểu của Việt Nam đã được ứng dụng rộng rãi và thành công trong nước. Đây là mô hình toán thuỷ lực cho 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. Các khu chứa nước và các ô đồng ruộng trao đổi nước với sông qua 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 có chương trình nguồn, có thể chủ động sửa chữa, thay đổi. VRSAP liên tục được cập nhật nhiều chức năng mới đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người sử dụng như chạy trong môi trường Windows, kết nối với GIS....
Các số liệu đầu vào bao gồm:
- Sơ đồ hệ thống sông và ruộng
- Hình dạng mặt cắt và đặc trưng thủy lực của lòng sông - Một số đặc trưng hình học của ruộng
- Các biên lưu lượng, biên mực nước, biên độ mặn - Lượng mưa rơi trên mặt ruộng
- Quá trình mực nước và lưu lượng tại các vị trí khác nhau trên sông - Diễn biến của mực nước trên các khu ruộng
- Lượng nước trao đổi giữa sông và ruộng
- Quá trình biến đổi độ mặn tại các vị trí khác nhau trên sông
2.2.1.2. Mô hình SMS
Phần mềm SMS được một số cơ quan của Mỹ xây dựng: Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Công trình thuộc quân đội Mỹ; Phòng Nghiên cứu Đường thuỷ và Phòng Nghiên cứu Thuỷ động lực. Phần mềm có thể tính toán dòng chảy một chiều, hai chiều và ba chiều ổn định và không ổn định.
SMS được áp dụng rộng rãi trên khắp thế giới với các mô đun khác nhau: - Mô đun RMA2, HIVEL2D và FLO2DH dùng để tính toán dòng chảy hai chiều cho các khu vực trong sông và vùng cửa sông;
- Mô đun RMA10 và CH3D dùng để tính toán dòng chảy ba chiều cho các khu vực trong sông và cửa sông;
- Mô đun ADCIRC và M2D dùng để tính toán dòng chảy trong các biển và đại dương;
- Mô đun CGWAVE và BOUS2D dùng để tính toán sóng ổn định; - Mô đun STWAVE dùng để tính toán sóng không ổn định;
- Mô đun RMA4 và SED2D-WES dùng để tính toán lan truyền chất ô nhiễm và vận chuyển trầm tích;
- Mô đun HEC-RAS dùng để tính toán dòng chảy một chiều trong sông và trong kênh hở.
Mô hình M2D:
M2D là mô hình hoàn lưu vùng ven bờ và thủy triều, được phát triển trong khuôn khổ chương trình nghiên cứu vịnh ven bờ CIRP (Coastal Inlets Research Program) do Phòng Thí nghiệm Động lực và Ven bờ CHL (Coastal and
Hydraulics Laboratory) của Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển kỹ thuật của quân đội Mỹ ERDC (U.S Army Engineer Research and Development Center).
M2D giải phương trình động lượng và liên tục bằng phương pháp sai phân hữu hạn.
Mô hình HEC-RAS:
Mô hình toán thuỷ lực HEC-RAS (HEC- River Analysis System) của hiệp hội các kỹ sư quân sự Hoa Kỳ là thế hệ phần mềm kế tiếp về mô hình phân tích hệ thống sông.
Mô hình được xây dựng dựa trên sự kết hợp của mô hình HEC-2 và hệ thống thông tin địa lý (GIS) với những cải tiến đáng kể so với HEC-2 về kỹ thuật tính toán và khoa học thuỷ văn.
Mô hình thuỷ lực HEC-RAS là công cụ có khả năng mô phỏng sự vận chuyển nước và diễn biến mực nước trong sông trên cơ sở giải hệ phương trình Saint-Venant 1 chiều. Phiên bản mới hiện nay đã được bổ sung thêm modul tính vận chuyển bùn cát và tải khuếch tán. Mô hình HEC-RAS được xây dựng để tính toán dòng chảy trong hệ thống sông có sự tương tác 2 chiều giữa dòng chảy trong sông và dòng chảy vùng đồng bằng lũ. Khi mực nước trong sông dâng cao, nước sẽ tràn qua bãi gây ngập vùng đồng bằng, khi mực nước trong sông hạ thấp nước sẽ chảy lại vào trong sông.
HEC - RAS là phần mềm tập hợp của ba modun chính: gồm modun tính cho dòng chảy ổn định, modun tính cho dòng chảy không ổn định và modun tính vận chuyển bùn cát.
Các ứng dụng của mô hình bao gồm:
- Mô hình có khả năng tính toán ngập lụt và vận chuyển bùn cát trong mạng lưới sông cũng như bồi lấp hồ chứa;
- Mô phỏng xu thế dài hạn của hiện tượng bồi hoặc xói lòng sông do kết quả của sự thay đổi có tính thường xuyên và tính chu kỳ của lưu lượng hoặc do sự thay đổi hình dạng kênh;
- Tính toán bồi lắng hồ chứa;
- Tính toán khối lượng nạo vét và dự đoán ảnh hưởng của việc nạo vét đối với tốc độ bồi lắng,...
- Mô phỏng tràn bãi vào các ô chứa trong đê, bờ.
2.2.1.3. Mô hình MIKE [20, 21]
MIKE là phần mềm được phát triển bởi Viện Tài nguyên và Môi trường nước Đan Mạch (DHI Water & Environment). MIKE Zero là tên chung của tất cả các mô hình liên quan đến môi trường nước của DHI, bao gồm:
- MIKE 11 - mô hình 1 chiều cho sông và kênh;
- MIKE 21 - mô hình 2 chiều cho cửa sông, vùng nước ven bờ và biển; - MIKE 3 - mô hình 3 chiều cho biển sâu, vùng cửa sông và vùng nước ven bờ; - LITPACK - mô hình cho các quá trình ở vùng ven biển và động học đường bờ; - MIKE SHE - mô hình cho nước ngầm và tài nguyên nước
Mô hình MIKE 11:
Mô hình MIKE 11 là một phần mềm kỹ thuật chuyên dụng do Viện Thuỷ lực Đan Mạch (DHI) xây dựng và phát triển trong khoảng 20 năm trở lại đây, được ứng dụng để mô phỏng chế độ thủy lực, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát vùng cửa sông, trong sông, hệ thống tưới, kênh dẫn và các hệ thống dẫn nước khác. MIKE 11 bao gồm nhiều mô đun có các khả năng và nhiệm vụ khác nhau như: mô đun mưa dòng chảy (RR), mô đun thuỷ động lực (HD), mô đun tải – khuếch tán (AD), mô đun sinh thái (Ecolab) và một số mô đun khác. Trong đó, mô đun thuỷ lực (HD) được coi là phần trung tâm
của mô hình, tuy nhiên tuỳ theo mục đích tính toán mà chúng ta kết hợp sử dụng với các mô đun khác một cách hợp lý và khoa học.
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 cát không kết dính. Mô đun MIKE 11 HD giải các phương trình tổng hợp theo phương đứng để đảm bảo tính liên tục và động lượng (phương trình Saint Venant).
Cơ sở lý thuyết mô đun thủy lực mô hình Mike 11
Mô hình MIKE 11 HD là mô hình tính toán mạng sông dựa trên việc giải hệ phương trình một chiều Saint –Venant, với các giả thiết cơ bản sau đây: - Chất lỏng (nước) là không nén được và đồng nhất (xem như không có sự khác biệt về trọng lượng riêng của nước)
- Độ dốc đáy sông (kênh) là tương đối nhỏ - Giả thiết áp suất thủy tĩnh
- Dòng chảy trong hệ thống là dòng chảy êm
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
Qua nghiên cứu, mô hình MIKE 11 đã thể hiện nhiều tính năng ưu việt như:
- Kết nối với các mô hình thành phần khác của bộ MIKE ví dụ như mô hình mưa rào – dòng chảy NAM, mô hình thuỷ động lực học 2 chiều MIKE 21, mô hình dòng chảy nước dưới đất, dòng chảy tràn bề mặt và dòng bốc thoát hơi thảm phủ (MIKE SHE).
- Kết nối với công cụ GIS
- Các tiện ích đầy đủ, dễ cho người sử dụng
2.2.1.4. Mô hình Delft3D [4, 19]
Phần mềm Delft-3D là một hệ thống tổng hợp các mô đun thành phần của Viện Thuỷ lực Delft – Hà Lan. Nó bao gồm nhiều mô đun khác nhau và thể hiện được mối quan hệ giữa các mô đun đó. Ngoài ra, còn có các công cụ hỗ trợ như phần mềm biễu diễn kết quả tính toán, tạo lưới tính toán, nhập và xử lý các số liệu đầu vào.
Một số đặc trưng chính của Delft3D là:
Delft3D sử dụng chủ yếu để mô hình hoá các khu vực ven bờ, trong sông và cửa sông. Delft3D gao gồm một số các mô đun đã được kiểm định và áp dụng tốt trong thực tế, mỗi mô đun có thể liên kết với các mô đun khác thành một thể thống nhất. Các mô đun đó bao gồm:
- Mô đun tính dòng chảy (Delft3D FLOW) - Mô đun tính sóng (Delft3D WAVE)
- Mô đun tính chất lượng nước (Delft3D-WAQ)
- Mô đun tính lan truyền quỹ đạo hạt (Delft3D-PART) - Mô đun sinh thái học (Delft3D-ECO)
- Mô đun tính vận chuyển trầm tích (Delft3D-SED) - Mô đun tính biến đổi hình thái (Delft3D-MOR)
Ngoài ra còn có các công cụ hữu ích khác để chuẩn bị số liệu đầu vào và trình diễn các kết quả tính toán: mô đun tạo lưới Delft3D-RGFGRID, mô đun nội suy độ sâu và gán vào các ô lưới tương ứng Delft3D-QUICKIN và hai mô đun trình diễn kết quả Delft3D-GPP và Delft3D-QUICKPLOT.
Mô hình Delft3D FLOW:
Mô hình ba chiều Delft3D-FLOW tính toán các quá trình không ổn định của hoàn lưu, các quá trình vận chuyển được tạo ra bởi thuỷ triều và
tác động của các yếu tố khí tượng. Mục đích cơ bản của mô hình 2 chiều (2D – trung bình độ sâu) và 3 chiều (3D) là mô phỏng quá trình lan truyền thuỷ triều và dòng chảy gió bao gồm sự ảnh hưởng của mật độ do tác động không ổn định của phân bố nhiệt độ muối trong vùng biển nông, vùng ven bờ, vùng cửa sông.
Với phần ứng dụng của mô hình ba chiều, quá trình này được sinh ra do tác động của gió, ứng suất đáy, lực Coriolis, sự phân tầng. Những ứng dụng của mô hình ba chiều dùng để mô phỏng quá trình như sự xâm nhập mặn và vùng nước trồi.
Các khía cạnh vật lý của mô hình Delft3D-FLOW
Mô hình Delft3D-FLOW được thiết lập trên việc giải hệ phương trình nước nông không ổn định. Hệ thống của hệ các phương trình bao gồm: Các phương trình động lượng, phương trình liên tục và các phương trình vận chuyển. Các phương trình được thiết lập trong hệ toạ độ đề các và hệ toạ độ cầu.
Các quá trình lan truyền, phân bố nhiệt độ và độ muối được mô phỏng bởi phương trình bảo toàn vận chuyển. Các đại lượng nguồn được kết hợp trong mô hình.
Hệ mô hình Delft3D-FLOW được thiết lập trên cơ sở các quá trình vật lý sau: - Lực tạo triều - Chính áp - Tác động của lực Coriolis - Phương trình trạng thái - Sự biến đổi mật độ (tà áp) - Mô hình rối
- Các quá trình biến đổi của ứng suất gió trên mặt nước theo không gian - Ứng suất đáy
- Sự biến đổi của áp suất khí quyển theo không gian và thời gian - Sự biến đổi các nguồn lan truyền theo thời gian
- Quá trình truyền nhiệt từ khí quyển qua bề mặt tự do - Tác động của sóng
2.2.1.5. Mô hình ISIS
Mô hình iSIS là một bộ mô hình thuỷ động lực được xây dựng bởi tập đoàn công ty Halcrow và HR Wallingford, với nhiều mô đun tính toán khác nhau: thủy lực, chất lượng nước, bùn cát... Trong đó, mô đun ISIS flow là mô đun thủy lực mô phỏng: dòng chảy ổn định, dòng chảy không ổn định một chiều biến đổi chậm trong lòng dẫn hở, dòng chảy qua công trình thuỷ lực, chảy qua hồ chứa, chảy tràn bờ, chảy trên những vùng ngập lũ, mô phỏng quy trình hoạt động của các cống, mô phỏng các biên thuỷ văn bằng mô hình mưa - dòng chảy.... Thuật toán của mô hình dựa theo cách giải hệ phương trình Saint Venant theo phương pháp sai phân hữu hạn với sơ đồ ẩn 4 điểm.
Dòng chảy trong sông được phân thành dòng chảy của các đoạn sông nối tiếp nhau. Các đoạn sông này tương đối ngắn và được giả thiết là không thay đổi về mặt thủy lực, ổn định trong suốt thời gian tính toán và được mô tả bởi 1 mặt cắt đại diện cho cả đoạn. Sự thay đổi dòng chảy trong đoạn được mô tả bởi hệ phương trình Saint Venant.
Việc tràn nước vào ruộng khi mực nước trong sông lên cao và chảy ra sông khi mực nước trong sông hạ thấp cũng như tràn nước từ ô ruộng này sang ô ruộng khác được mô phỏng bởi các ô chứa và các đường tràn. Các ô chứa được giả định như sau: mực nước trong ô chứa là nằm ngang có giá trị bằng mực nước tại tâm ô. Ô chứa được mô phỏng bởi đường quan hệ
cao trình và diện tích bề mặt thoáng theo từng cấp mực nước (Z ~ A). ISIS có phần giao diện khá đẹp và tiện dụng, ứng dụng công nghệ GIS để tổ chức mạng thủy lực, trình bày kết quả tính toán trực quan thông qua biểu, bảng và mô tả được quá trình thay đổi dòng chảy dọc sông, qua từng mặt cắt và qua công trình....Phần mềm ISIS đã được sử dụng cho đồng bằng sông Cửu Long ở dạng mạng kênh sông được đơn giản hóa.