4. Kết quả của đề tài
3.2.2.2 Xây dựng mô hình thủy lực 2 chiều MIKE 21
a. Xử lý tài liệu để thiết lập lưới tính toán
Căn cứ trên cao độ địa hình của vùng lưu vực sông Ba, xác định phạm vi vùng có nguy cơ chịu ảnh hưởng ngập lụt ở vùng hạ lưu lưu vực sông Ba. Vùng xử lý tài liệu bao gồm toàn bộ vùng hạ du lưu vực sông Ba từ trạm thủy văn Củng Sơn đến Cửa Đà Rằng với tổng diện tích khoảng 796 km2.
Căn cứ trên phạm vi vùng có nguy cơ chịu ảnh hưởng ngập lũ, để xây dựng lưới tính toán Bathymetry cho vùng ngập lũ lưu vực sông Ba, toàn bộ cao độ địa hình từ bản đồ 1/10.000, 1/5.000, 1/2.000 và bản đồ DEM của tỉnh Phú Yên được trích xuất và tổng hợp thành file dữ liệu nền cơ sở với 32,25 triệu điểm cao độ địa hình. Dữ liệu địa hình được trích xuất và chuyển về định dạng file dữ liệu địa hình (*.XYZ) của phần mềm
MIKE và được sử dụng làm cơ sở dữ liệu nền để thiết lập lưới tính toán cho mô hình MIKE 21.
Hình 3.13. Dữ liệu cao độ địa hình lưu vực sông Ba
Hình 3.14. Bản đồ cao độ số DEM 10x10 được xây dựng từ bản đồ địa hình 1/2.000; 1/5.000, 1/10.000 của Bộ Tài nguyên và Môi trường
b. Xây dựng lưới tính toán 2 chiều
Lưới 2 chiều được xây dựng mở rộng trên toàn bộ vùng nghiên cứu khoảng 796 km2 từ khu vực trạm thủy văn Củng Sơn đến cửa Đà Rằng.
Bảng 3.2. Phạm vi mạng thủy lực 2 chiều phần bãi sông TT X Y 1 850.800,07 1.478.027,17 2 850.800,07 1.504.311,40 3 880.803,01 1.504.311,40 4 880.803,01 1.478,027,17
Hình 3.15. Lưới tính toán mô hình MIKE 21 được xây dựng Lưới mô hình thủy lực 2 chiều được thiết lập với kích thước ô lưới 120x120m. c. Thiết lập điều kiện biên
Căn cứ vào mục đích, yêu cầu của luận văn là thực hiện xây dựng mô hình thủy lực 1 chiều, 2 chiều và kết nối 1 và 2 chiều nên phần thiết lập điều kiện biên được thực hiện trên mô hình thủy lực một chiều. Trong quá trình diễn toán lũ, mô hình thủy lực 1 chiều sẽ kết nối với mô hình thủy lực 2 chiều và sẽ cấp biên liên tục cho mô hình thủy lực 2 chiều trong suốt thời gian tính toán.
d. Thiết lập điều kiện ban đầu
Điều kiện ban đầu được xác định bằng giá trị độ sâu ngập nước, vận tốc, lưu tốc dòng chảy tại từng điểm nút lưới tính toán trên mạng lưới thủy lực một chiều. Để xác định được điều kiện ban đầu phù hợp với từng kịch bản, trường hợp tính toán cần tiến hành thực hiện tính toán mô hình với lựa chọn điều kiện ban đầu là “constant”, tiếp theo dựa vào diễn biến chế độ thủy lực từ kết quả tính toán thủy lực đã được tính toán, tiến hành
xác định thời điểm và giá trị phù hợp để thiết lập điều kiện biên ban đầu theo dạng “Spatially varying water depth and velocities”. Hiệu quả của công tác xác định điều kiện ban đầu theo dạng biến đổi theo không gian sẽ đảm bảo cho mức độ ổn định và chính xác trong công tác tính toán các kịch bản, các trường hợp tính toán khác nhau.
e. Thiết lập các thông số thủy lực cơ bản
Một số các thông số thủy lực cơ bản cho mô hình thủy lực 2 chiều MIKE 21 sẽ được thiết lập như hệ số nhám, hệ số nhớt, bước thời gian ... cụ thể như sau:
Hệ số nhám
Hệ số nhám là hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thảm phủ, độ rộng lòng sông, các ao hồ trong bãi ngập lũ. Đối với vùng ngập lũ, sử dụng hệ số nhám Mannings M thay vì hệ số nhám Mannings (n) được sử dụng trên sông và kênh. Mannings M là nghịch đảo của Mannings (n), giá trị của Mannings (n) thường nằm trong khoảng 0,01 (kênh mịn) đến 0,1 (kênh có thảm phủ dày), điều này tương ứng giá trị của Mannings M trong khoảng 100÷10. Hiện nay có nhiều có nhiều phương pháp để xác định hệ số nhám. Phương pháp trực tiếp xác định hệ số này rất tốn kém và tốn nhiều thời gian vì đỏi hỏi chúng ta phải đo được độ dốc thủy lực, lưu lượng và một số mặt cắt ngang dọc vùng ngập lũ. Do vậy thực tế tính toán, áp dụng các công thức kinh nghiệm và các bảng tra hệ số đã được đúc kết từ các nghiên cứu trước đó.
Đối với vùng ngập hạ lưu lưu vực sông Ba áp dụng nghiên cứu của Cowan’s (1956) tính cho kênh và sông được hiệu chỉnh bởi các hệ số để tính cho vùng ngập lũ. Hệ số nhám n tính cho đồng bằng ngập lũ theo công thức:
n = (nb + n1 + n2 + n3 + n4) x m Trong đó:
nb: một giá trị cơ sở của n cho bề mặt đất trống tự nhiên của đồng bằng ngập lụt n1: một yếu tố điều chỉnh ảnh hưởng của bất thường bề mặt trên đồng bằng ngập lụt n2: một giá trị cho các biến thể về hình dạng và kích thước của mặt cắt ngang đồng
bằng ngập lụt, giả định bằng 0
n4: một giá trị cho thảm thực vật trên đồng bằng ngập lụt m: Hệ số thay đổi bất thường của địa hình vùng ngập lũ
Căn cứ vào hiện trạng sử dụng đất vùng nghiên cứu, phân vùng nhám bao gồm ao hồ, đất lúa, đất trồng cây lâu năm, đất cơ sở hạ tầng…..Hệ số nhám Mannings M của các đối tượng được đưa vào lưới mô hình thủy lực 2 chiều để phục vụ tính toán.
Thông số mô hình thủy lực
Bước thời gian để chạy mô hình là 0,01 ÷ 10 giây; Chỉ số CFL max = 0.8
Có kể đến chế độ ngập và cạn
Hình 3.16. Thông số khai báo cạn và ngập Hệ số Density theo dạng Barotropic
Hệ số nhớt rối (Eddy) tính theo công thức Smagorinsky với các thông số sau:
Hình 3.17. Thông số nhớt Eddy
Ngoài những công trình đã được thiết lập trên mô hình thủy lực 1 chiều MIKE 11, thực hiện tiến hành thiết lập một số các công trình trực tiếp trên mô hình thủy lực MIKE 21 như một số công trình đường giao thông. Căn cứ trên vị trí, thông số thiết kế kỹ thuật của các công trình giao thông để thiết lập bộ thông số mô phỏng các công trình trong mô hình bao gồm công trình quốc lộ 1A, đường sắt Bắc – Nam.
Bộ thông số mô phỏng các công trình được thiết lập trong module thiết lập công trình “structure” và được lưu trữ đồng thời trong file thiết lập mô hình MIKE 21 *.m21fm. Thông tin được đưa vào mô hình bao gồm tên, tọa độ các điểm xác định công trình và hình dạng công trình.
Hình 3.18. Thiết lập công trình trên vùng ngập