Cơ sở lý thuyết mô hình

4. Kết quả của đề tài

2.2.4 Cơ sở lý thuyết mô hình

NAM là mô hình thủy văn khái niệm, thông số tập trung, thông số và biến số trình bày giá trị trung bình cho toàn bộ lưu vực. Một vài thông số mô hình có thể được đánh giá từ dữ liệu lưu vực vật lý nhưng kết quả thông số cuối cùng phải được tiến hành bằng cách so sánh giữa dòng chảy tính toán và dòng chảy thực đo.

Hình 2.2. Cấu trúc mô hình mưa dòng chảy NAM

Cấu trúc mô hình NAM được trình bày trong hình 2.2, mô phỏng giai đoạn đất trong chu kỳ thủy văn. NAM mô phỏng quá trình lượng mưa - dòng chảy mặt bằng việc giải thích liên tục cho các thành phần trong các tầng trữ tương tác lẫn nhau và khác nhau mà trình bày đặc tính vật lý của lưu vực. Trong hình 2.2 có 3 tầng lưu trữ được phân biệt như sau:

 Lưu trữ bề mặt: lượng nước bị chặn trong thảm phủ thực vật, trữ trong vùng trũng và trên bề mặt, trong khu vực đất được canh tác.

 Lưu trữ tầng thấp và tầng rễ: lượng nước được trữ trong tầng đáy giữa khả năng giữ nước ngoài đồng và điểm cây héo.

 Lưu trữ nước ngầm: lượng nước trong tầng ngầm ở dưới lớp nước ngầm.

Ngoài ra NAM cho phép xử lý các can thiệp của con người trong chu kỳ thuỷ văn như tưới và bơm nước ngầm.

Dựa trên dữ liệu thuỷ văn NAM tính toán dòng chảy của lưu vực cũng như thông tin về các thành tố khác của các lớp đất trong chu kỳ thuỷ văn chẳng hạn như biến đổi thời gian của sự bốc hơi, thành phần độ ẩm của đất, lượng ngấm nước bề mặt và mức nước ngầm. Dòng chảy lưu vực kết quả được chia theo từng dòng chảy trên mặt đất, chảy vào các dòng chảy phía dưới.

Mô hình NAM mô phỏng dòng chảy lũ đến các biên trên và biên nhập lưu tính toán của mô hình thủy lực MIKE 11.

b. Mô hình MIKE 11 [5,6]

Mô hình Mike 11 do Viện Thuỷ lực Đan Mạch (DHI) thiết kế để làm chương trình diễn toán dòng chảy lũ trên sông. Các mô đun được sử dụng bao gồm:

 Mô đun thủy lực (HD).

 Mô đun mưa dòng chảy (RR).  Mô đun Mike11-GIS.

Mô đun mô hình thuỷ động lực (HD) là phần trung tâm của hệ thống 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. Mô đun thuỷ lực trong MIKE 11 giải các phương trình tổng hợp theo phương dòng chảy để đảm bảo tính liên tục và bảo toàn động lượng (hệ phương trình Saint Venant). Đặc trưng cơ bản của hệ thống mô hình MIKE 11 là cấu trúc mô đun tổng hợp với nhiều loại mô đun được thêm vào để mô phỏng các hiện tượng liên quan đến hệ thống sông. Ngoài các mô đun thuỷ lực, MIKE 11 còn có các mô đun bổ sung đối với:

 Thuỷ văn;

 Tải - khuyếch tán;

 Các mô hình chất lượng nước;  Vận chuyện bùn cát dính;

 Vận chuyển bùn cát không dính .v.v. Hệ phương trình cơ bản

q x Q t A       [2] (2.1) 0 2 2                 ARC Q gQ x h gA A Q x t Q  [2] (2.2) Trong đó:  Q: Lưu lượng (m3/s)  A: Diện tích mặt cắt (m2)

 q: Lưu lượng nhập lưu trên một đơn vị chiều dài dọc sông (m2/s)  C: Hệ số Chezy

 : Hệ số sữa chữa động lượng  R: Bán kính thuỷ lực (m) Phương pháp giải

Hệ phương trình được giải theo phương pháp sai phân dùng sơ đồ sai phân ẩn 6 điểm của Abbott và Inoescu (1967). Hệ phương trình sai phân áp dụng cho một đoạn sông tạo nên lưới các điểm lưu lượng Q và mực nước h xen kẽ. Mực nước hay lưu lượng tại mỗi điểm tính trong nhánh có thể biểu diễn bằng hàm của mực nước tại 2 nút thượng và hạ lưu.

c. MIKE 21 [7,8]

Mô hình MIKE 21 được sử dụng để mô phỏng dòng chảy trên sông, trên bãi tràn. Thuộc bộ phần mềm MIKE được thiết kế bởi Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI), mô hình MIKE 21 đem lại khả năng diễn toán dòng chảy lũ trong sông và trên bãi tràn mạnh mẽ. Đặc biệt, khả năng trình diễn dòng chảy lũ chi tiết trên bãi tràn theo không gian và theo thời gian của mô hình này rất phù hợp với công tác xây dựng bản đồ ngập lũ.

Mô hình Mike 21 FM là một mô hình mô phỏng mới dựa trên phương pháp lưới linh hoạt (flexible mesh).

Mike 21 FM bao gồm các module sau:  Module thủy động lực học

 Module vận chuyển  Module Eco Lab

 Module vận chuyển bùn  Module vận chuyển cát

Mô đun thủy động lực cơ bản trong phương pháp số của các phương trình nước nông 2 chiều- độ sâu- phương trình kết hợp Navier Stoke lấy trung bình hệ số Reynold không nén.

Bao gồm các phương trình liên tục, phương trình động lượng, nhiệt độ, độ mặn và phương trình mật độ. Theo chiều nằm ngang cả hệ tọa độ Đề Các và hệ tọa độ cầu đều được sử dụng.

d. MIKE FLOOD [9]

Mặc dù mô hình Mike 11 và Mike 21 có những ưu điểm vượt trội trong việc mô phỏng dòng chảy 1 chiều trong mạng lưới sông phức tạp và có thể mô phỏng bức tranh 2 chiều của dòng tràn trên bề mặt đồng ruộng. Tuy nhiên nếu xét riêng rẽ chúng vẫn còn một số hạn chế trong mô phỏng ngập lụt. Đối với Mike 11 sẽ rất khó khăn để mô phỏng dòng chảy tràn nếu không biết trước một số khu chứa và hướng chảy, không mô tả được trường vận tốc trên mặt ruộng hoặc khu chứa, còn trong Mike 21, nếu vừa muốn tính toán dòng tràn trên bề mặt ruộng, vừa muốn nghiên cứu dòng chảy chủ lưu trong các kênh dẫn thì cần phải thu nhỏ bước lưới đến mức có thể thể hiện được sự thay đổi của địa hình trong lòng dẫn mà hệ quả của nó là thời gian tính toán tăng lên theo cấp số nhân.

Để kết hợp ưu điểm của cả 2 mô hình 1 và 2 chiều đồng thời khắc phục các nhược điểm của chúng, Mike Flood cho phép kết nối 2 mô hình Mike 11 và Mike 21 trong quá trình tính toán, tăng bước lưới của mô hình nhưng vẫn mô phỏng được cả dòng chảy trong lòng dẫn và trên mặt ruộng hoặc ô chứa.

Trong Mike Flood có 4 loại kết nối sau đây giữa mô hình 1 chiều và 2 chiều:

Kết nối tiêu chuẩn: Trong kết nối này thì một hoặc nhiều ô lưới của Mike 21 sẽ được liên kết với 1 đầu của phân đoạn sông trong Mike 11. Loại kết nối này rất thuận tiện cho việc nối một lưới chi tiết của Mike 21 với một hệ thống mạng lưới sông lớn hơn trong Mike 11, hoặc nối các công trình trong mô hình Mike 21. Các cách áp dụng có thể của nó được chỉ ra trong hình sau.

Kết nối bên: Kết nối bên cho phép một chuỗi các ô lưới trong Mike 21 có thể liên kết vào 2 bên của một đoạn sông, một mặt cắt trong đoạn sông hoặc toàn bộ một nhánh sông trong Mike 11. Dòng chảy khi chảy qua kết nối bên được tính toán bằng cách sử dụng các phương trình của các công trình hoặc các bảng quan hệ Q ~ H. Loại kết nối này đặc biệt hữu ích trong việc tính toán dòng chảy tràn từ trong kênh dẫn ra khu ruộng hoặc bãi, nơi mà dòng chảy tràn qua bờ đê bối sẽ được tính bằng công thức đập tràn đỉnh rộng.

Hình 2.6 Ví dụ về kết nối bên

Kết nối công trình: Kết nối công trình là nét mới đầu tiên trong một loạt các cải tiến dự định trong Mike Flood. Kết nối công trình lấy thành phần dòng chảy từ một công trình trong Mike 11 và đưa chúng trực tiếp vào trong phương trình động lượng của Mike 21. Quá trình này là ẩn hoàn toàn và vì thế không ảnh hưởng đến các bước thời gian trong Mike 21.

Kết nối khô: Một ô lưới Mike 21 được gán là kết nối khô theo chiều x sẽ không có dòng chảy chảy qua phía bên phải của ô lưới đó. Tương tự, một kết nối khô theo chiều y sẽ không có dòng chảy chảy qua phía trên nó. Các kết nối khô này được phát triển để bổ sung cho các kết nối bên. Để chắc chắn rằng dòng chảy tràn trong Mike 21 không cắt ngang từ bờ này sang bờ bên kia của sông mà không liên kết với Mike 11, các kết nối khô là gán cho các ô lưới là đất cao, mà tùy thuộc vào độ phân giải của lưới tính có thể chưa được mô tả. Kết nối khô cũng được sử dụng để mô tả các dải phân cách hẹp trong đồng ruộng ví dụ như đê bối, đường… và khi đó thay vì sử dụng một chuỗi các ô lưới được định nghĩa là đất cao thì nên sử dụng chuỗi các kết nối khô.

Sử dụng các kết nối trên đây ta có thể dễ dàng liên kết hai mạng lưới tính trong mô hình 1 chiều và 2 chiều với nhau. Khi chạy mô hình, để coupling chúng, Mike Flood cung cấp 3 kiểu Coupling sau đây tùy thuộc vào mục đích sử dụng mô hình:

 Coupling động lực: Các kết nối sẽ chỉ chuyển các thông tin và thủy động lực (cần thiết cho các tính toán trong Mike 11 và Mike 21).

 Coupling truyền tải chất: Các kết nối chỉ truyền các thông tin liên quan đến các quá trình vận tải và khuếch tán (cần thiết cho các tính toán trong Mike 11 và Mike 21).  Coupling cả động lực và truyền tải chất.

Sau khi xây dựng xong mô hình thủy lực Mike 11, Mike 21FM sử dụng mô đun Mike Flood để chạy kết nối giữa mô hình 1 chiều trong lòng dẫn với mô hình 2 chiều vùng bãi tràn mới tính toán được chế độ thủy lực cho vùng hạ lưu lưu vực sông Ba.