MIKE 21 yêu cầu sự thay đổi dữ liệu nhập vào
- Gắn lưới đã tạo (Domain)
- Khai báo bước thời gian tính toán (Time)
- Ngập lũ và cạn (Flood and Dry)
- Độnhám đáy (Bed Resistance)
- Các điều kiện gió
- Wind Conditions
- Các điểm nguồn/ điểm rò (Sources/Sinks)
- Điều kiện ban đầu (Initial Conditions)
111
Hình 4. 2. Giao diện MIKE 21. FM
Tạo lƣới
MIKE Zero - > File - > New - > File - > MIKE Zero - > Mesh Generator (.mdf)
Hình 4. 3. Cách tạo lƣới trong sơ đồ Mesh Generator
Từ Data Menu -> Import Scatter Data, để gắn dữ liệu địa hình DEM, sau đó chọn hệ tọa độ khai báo (ở đây DEM này sử dụng utm-48 do đó chọn hệ tọa độ utm-48)
112
Hình 4. 4. Gắn dữ liệu XYZ từ bản đồ DEM
Vẽ đƣờng bao vùng cần chia lƣới: Click chuột vào biểu tƣợng , sau đó vẽ đƣờng
bao khu vực cần tính, Hình 4.4 vẽ đƣờng bao lƣu vực hạ lƣu Vu Gia – Hàn (phạm vi Đà Nẵng)
Hình 4. 5. Vẽ đƣờng bao tạo lƣới khu vực tính toán (sông Trà Khúc – sông Vệ)
Muốn mật độ lƣới dày hay thƣa lựa chọn các thông số chia phần tử lƣới:
Mesh menu/Tragulate
Maximum element area: Diện tích lưới phần tử lớn nhất;
Smaillest allowable angle: Góc nhỏ nhất của phần tử được chia lưới;
Maximum number of nodes: Số điểm nút lớn nhất.
Sau khi chọn 3 thông số trên, bạn Click chuột vào Triangulate thì lưới sẽ tự tạo và với
các thông số tự tìm ra từ các ô sau:
113 Number of nodes: tổng số nút.
Hình 4. 6. Thông số giới hạn về phần tử nút lƣới
Để nội suy độ cao các ô lưới từ Mesh menu/Interpolation…
Hình 4. 7. Nội suy độ cao cho ô lƣới
Xuất kết quả lưới đã nội suy ra file: Mesh menu/ Export Mesh,
Chọn kiểu dạng xuất file lưới Mesh File, từ File name: chọn đường dẫn và đặt tên file lưới cần lưu.
114
Hình 4. 8. Lƣu file kết quả lƣới tọa độ địa hình
Kết quả của file địa hình
Hình 4. 9. Hiển thị File lƣới địa hình (Mesh)
Gắn file lƣới đã lƣu vào MIKE 21
115
Hình 4. 10. Tạo mới mô hình MIKE 21
Từ giao diện MIKE 21 ta gắn lưới tạo ở trên bằng cách vào Doman-> Mesh file
và tìm đến thư mục có chứa file địa hình DEM ở trên .
116
Hình 4. 12. Bản đồ DEM sau khi được gắn lưới vào bao gồm thang màu cao độ
Chọn bước thời gian và thời đoạn tính toán MIKE 21 Flow Model FM/ Time.
No. of time steps: Số bước thời gian cần mô phỏng;
Time step interval: Bước thời gian mô phỏng;
Simulation start date: Ngày giờ bắt đầu mô phỏng;
117
Hình 4. 13. Khai báo bước thời gian tính toán (VD: trận lũ 11/15/2013 đến
11/18/2013
MIKE 21 Flow Model FM/ Module Selection:
Lựa chọn Module cần tính toán trong các module:
- Mô đun thủy động lực học: Hydrodynamic
- Mô đun tải khuếch tán: Transport
- Mô đun chất lƣợng nƣớc và sinh thái học: ECO Lab
- Mô đun vận chuyển bùn : Mud Transport
- Mô đun vận chuyển cát (chỉ áp dụng cho tính toán 2D): Sand Transport
- Mô đun phổ sóng: ParricleTracking.
118 Ở đây chọn Module Thủy động lực học Hydrodynamic .
Khai báo các thông số của Mô-đun thủy lực học
MIKE 21 Flow Model FM/Hydrodynamic Module/Solution Technique: Kỹ thuật giải mô hình 2D
Hình 4. 15. Khai báo các thông số kỹ thuật trong MIKE 21 Flow Model FM
Thời gian tính và độ chính xác có thể kiểm soát bằng cách xác định rõ loại kết hợp số mà đƣợc dùng trong tính toán mô phỏng số. Kết hợp loại thấp thì tính toán nhanh hơn, nhƣng kết quả kém chính xác.
Tích phân số của phƣơng trình nƣớc nông và phƣơng trình vận chuyển đƣợc thể hiện trong sơ đồ hiện. Do giới hạn ổn định sử dụng sơ đồ hiện, bƣớc thời gian phải chọn sao cho hệ số CFL (Courant Friedric-Le‟vy) nhỏ hơn 1. Khoảng thay đổi bƣớc thời gian đƣợc sử dụng trong tính toán cả phƣơng trình nƣớc nông và phƣơng trình vận chuyển đƣợc xác định để hệ số CFL nhỏ hơn hệ số CFL tới hạn tại tất cả các nút tính toán.
Shallow water equations: hệ phương trình nước nông;
Time integration: Lựa chọn bậc cần tích phân theo thời gian (bậc thấp hay cao, thuật toán nhanh, chậm, thường nên để thông số này mặc định);
Space discretization: Rời rạc theo không gian cũng tương tự như theo thời gian;
Minimum time step: bước thời gian nhỏ nhất tính toán cho phép;
Maximum time step: bước thời gian lớn nhất tính toán cho phép.
MIKE 21 Flow Model FM/ Hydrodynamic Module/Flood and Dry.
119 Nếu mô hình đƣợc áp dụng cho vùng có cả vùng ngập và cạn thì phải kích hoạt tiện ích flood và dry. Khi đó cần phải xác định độ sâu mực nƣớc ngập, độ sâu mực nƣớc cạn và độ sâu ƣớt.
Nếu độ sâu mực nƣớc nhỏ hơn độ sâu ƣớt thì bài toán sẽ đƣợc thiết lập lại, và chỉ khi độ sâu nƣớc của một ô nào đó nhỏ hơn độ sâu cạn thì ô đó sẽ bị loại ra khỏi mô hình. Độ sâu mực nƣớc ngập đƣợc sử dụng để xác định xem khi nào một ô đƣợc coi là ngập (nghĩa là đƣợc nhập lại mô hình tính toán). Việc thiết lập lại đƣợc tiến hành bằng cách đặt dòng động lƣợng (momentum fluxes) bằng không và chỉ xét đến các vận chuyển vật chất (mass fluxes).
Nếu các tiện ích flood và dry không đƣợc kích hoạt thì ngƣời sử dụng cần phải xác định một ngƣỡng độ sâu tối thiểu, ngƣỡng này nhỏ hơn 0. Nếu ô nào đó có tổng độ sâu nhỏ hơn 0 thì sẽ xuất hiện sự không ổn định và mô hình bị dừng.
Hình 4. 16. Các thông số ngập và cạn
Các giá trị mặc định: hdry = 0.005m, hflood = 0.05m và hwet = 0.1m Yêu cầu bắt buộc: hdry ≤ hflood ≤ hwet
MIKE 21 Flow Model FM/ Hydrodynamic Module/ Density.
Tỷ trọng (Density)
Tỷ trọng đƣợc giả sử là một hàm của độ mặn và nhiệt độ. Nếu lựa chọn
Barotropic thì cả nhiệt độ và độ mặn (TS) sẽ là hằng số và chúng không đƣợc cập
nhật trong suốt quá trình mô phỏng. Khi tỷ trọng đƣợc xem là hàm của nhiệt độ và/hoặc độ mặn (Mode baroclinic) thì phƣơng trình truyền muối và/hoặc độ mặn sẽ đƣợc giải. Kết quả của việc giải các phƣơng trình này sẽ tự động đƣợc viện dẫn và tỷ trọng đƣợc cập nhật trong trƣờng TS.
Tỷ trọng đƣợc tính toán bằng cách sử dụng các phƣơng trình tiêu chuẩn của UNESCO về nƣớc biển. Các mối liên hệ này có thể áp dụng đƣợc cho nƣớc biển ở nhiệt độ từ 2.1oC đến 40oC và độ mặn ở trong khoảng từ 0-45 PSU (Practical Salinity Unit - Đơn vị đo độ mặn thực tế).
Hình 4. 17. Giao diện khai báo tỷ trọng
Nhiệt độ và độ mặn tham khảo có thể đƣợc sử dụng để cải thiện tính chính xác của việc tính toán tỷ trọng, bởi vì tài liệu tham khảo này đƣợc trích từ trƣờng TS trƣớc khi tính toán tỷ trọng. Nếu tỷ trọng chỉ là hàm của riêng nhiệt độ thì nó sẽ đƣợc tính bằng cách sử dụng nhiệt độ thực và số liệu mặn tham chiếu, ngƣợc lại nếu là hàm của riêng độ mặn thì đƣợc tính bằng cách sử dụng độ mặn thực và nhiệt độ tham chiếu.
Nếu mô phỏng cả tỷ trọng thì thời gian chạy chƣơng trình tăng lên đáng kể do phải giải thêm một hoặc hai phƣơng trình truyền tải.
Hình 4. 18. Khai báo hệ số nhớt rối (Eddy Viscosity)
Nhớt rối theo chiều ngang có thể đƣợc cụ thể hóa theo ba cách khác nhau: - Không xoáy;
- Công thức xoáy cố định; - Công thức xoáy Smagorinsky.
Ngƣời mô phỏng có thể sử dụng các hệ số xoáy để làm giảm tính không ổn định. Ngƣời sử dụng chỉ nên làm điều này khi không còn lựa chọn nào khác để giải quyết vấn đề ổn định: phƣơng pháp đo độ sâu và các điều kiện biên thƣờng là những nguyên nhân chính gây ra sự mất ổn định.
Khi sử dụng công thức Smagorinsky để thể hiện sự hỗn loạn thì thời gian chạy mô hình sẽ tăng lên.
Nhám (bed Resistance)
Resistance Type: Nhám có thể đƣợc xác định theo 3 cách sau: (hình 4-19)
- Không có nhám;
- Hệ số Chezy (Chezy number) : C (m1/2/s);
- Hệ số Manning (manning number) : M (m1/3/s);
Khi có nhám thì cả hai hệ số trên đều có thể chọn Format theo hai cách: hệ số nhám hằng số (Constant) hoặc hệ số nhám thay đổi trong miền làm việc (Varying domain)
- Constant Value: chọn khai báo hằng số thì sẽ nhập giá trị này vào ô này
- Data file anh item: Nếu ta chọn nhám theo vùng thì lựa chọn file nhám đã tạo
Hình 4. 19. Khai báo hệ số nhám của miền tính toán
Trong trƣờng hợp không phải là hằng số thì ngƣời sử dụng phải chuẩn bị file số liệu hệ số Chezy hoặc hệ số Manning trƣớc khi thiết lập mô hình thủy động lực. Đây phải là file số liệu phi cấu trúc 2D (Dfsu) hoặc file số liệu lƣới 2D (Dfs2). Vùng trong file phải bao trùm kín vùng làm việc của mô hình. Nếu file Dfsu đƣợc sử dụng thì nội suy tuyến tính cho từng ô đƣợc sử dụng để đƣa số liệu vào bản đồ. Nếu sử dụng file Dfs2 thì nội suy tuyến tính phân đoạn đƣợc sử dụng để đƣa số liệu vào bản đồ.
Khuyến cáo: Nếu độ sâu biến đổi đáng kể thì cần phải xác định hệ số Manning,
thƣờng sử dụng giá trị từ 20-30 (m1/3/s), nếu không có thông tin thì có thể dùng giá trị 32 (m1/3/s).
Nếu dùng số Chezy thì giá trị trong khoảng 30-50 (m1/3/s) thƣờng đƣợc áp dụng cho các vùng cửa sông và ven biển.
Chú ý:
Do định nghĩa về lực cản, nếu hệ số nhám nhỏ thì nghĩa là lực cản lòng sông lớn và ngƣợc lại.
Nếu các điều kiện biên ở một hoặc nhiều biên không chính xác và nhƣ vậy xuất hiện vấn đề về ổn định ở biên này thì ngƣời sử dụng có thể khoanh vùng nhỏ ở biên đó và cho sức cản lòng rất lớn để loại bỏ nhiễu do biên gây ra. Hệ số Manning trong khoảng từ 5-10(m1/3/s) hoặc độ cao nhám nhỏ hơn một mét đã đƣợc áp dụng thành công. Tuy nhiên, phƣơng pháp này chỉ nên sử dụng nếu không thể cải thiện điều kiện biên. Ngoài ra, các kết quả mô phỏng trong vùng có sức cản lòng lớn cần đƣợc sử dụng một cách thận trọng.
Hình 4. 20. Bảng đồ hệ số nhám theo vùng (Hệ số nhám 2D)
Coriolis Forcing (Lực Coriolis)
Ảnh hƣởng của lực Coriolis có thể đƣợc đƣa vào theo ba cách: - Không có lực Coriolis;
- Lực Coriolis là hằng số;
- Lực Coriolis thay đổi trong vùng làm việc.
Nếu lựa chọn Coriolis là hằng số thì lực Coriolis sẽ đƣợc tính toán bằng cách sử dụng một hằng số đƣợc xác định từ tham khảo vĩ độ (đơn vị là độ).
Nếu chọn lực Coriolis thay đổi trong vùng làm việc thì lực này đƣợc tính toán trên cơ sở các thông tin địa lý trong file mesh.
Wind Forcing (Lực gió)
Cũng có thể tính đến ảnh hƣởng của gió đến trƣờng dòng chảy. Định dạng về số liệu gió có thể xác định là:
- Hằng số. Gió thổi đến từ cùng một hƣớng và cùng độ lớn trong toàn bộ thời gian mô phỏng và trên toàn bộ vùng làm việc;
- Biến đổi theo thời gian nhƣng là hằng số theo không gian. Độ lớn và hƣớng gió thay đổi trong khoảng thời gian mô phỏng nhƣng giống nhau trên toàn bộ vùng làm việc;
- Biến đổi theo thời gian và không gian. Độ lớn và hƣớng gió thay đổi trong toàn bộ khoảng thời gian mô phỏng và trên toàn bộ vùng làm việc.
hồ từ hƣớng Bắc đến hƣớng gió thổi.
Ice Coverage (băng tuyết): Khai báo về tuyết, ở Việt Nam nói chung không
khai báo thông số này.
Tidel Potential (thủy triều): Thủy triều là một lực đƣợc tạo ra bởi sự thay đổi về
trọng lực gây ra do chuyển động tƣơng đối giữa trái đất, mặt trăng và mặt trời. Thủy triều ảnh hƣởng tới toàn bộ vùng làm việc. Lực thủy triều đƣợc xem là tổng của một số lực điều hòa, mỗi lực đặc trƣng cho một phần tử cụ thể và đƣợc xác định riêng rẽ.
Soures: Các loại nguồn nƣớc
Ảnh hƣởng của sông, điểm lấy nƣớc, cống từ nhà máy điện .v.v có thể đƣợc mô phỏng trong mô hình bằng cách sử dụng nguồn điểm.
Có hai cách khác nhau để xác định các nguồn. Trong danh mục các nguồn, ngƣời sử dụng có thể tạo ra một nguồn mới bằng cách nhấn chuột vào nút “New source” và cũng có thể xóa bằng cách chọn và nhấn nút “Delete source”. Với mỗi nguồn có thể gắn tên và xác định có nên đƣa vào mô phỏng hay không. Sau đó sẽ xác định thông tin chi tiết cho nguồn bằng cách nhấn vào nút “Go to”.
Có thể tạo nguồn mới trong GIS bằng cách nhấn đúp chuột vào một vị trí nào đó trên bản đồ hoặc chọn “New Source” từ thanh công cụ “context”. Có thể sửa vị trí của nguồn và các thông tin khác. Trong mô hình MIKE FLOOD vì điều kiện biên lưu lượng và mực nước được khai báo từ mô hình MIKE 11, tự động kết nối qua mô hình MIKE 21, do đó thông số này chúng ta không khai báo ở trong mô hình MIKE 21.Initial Conditions: Điều kiện ban đầu
Hình 4. 21. Khai báo điều kiện ban đầu cao trình mực nước (Surface elevation, vận tốc
Các giá trị ban đầu của các biến thủy động lực có thể đƣợc xác định theo ba cách:
- Hằng số;
- Biến đổi theo chiều cao mặt nƣớc; - Biến đổi theo độ sâu nƣớc và lƣu tốc.
Nếu lựa chọn khai báo hằng số (constant) thì khai báo các thông số sau:
Surface elevation: Khai báo mực nước ban đầu;
u-velocity: Khai báo vận tốc theo phương u;
v-velocity: Khai báo vận tốc theo phương v.
Nếu chọn khai báo theo cao trình mặt nước (Spatially varying surface elevation) thì gắn các file cao độ mực nước ban đầu ta tạo sẵn từ file Dfsu.
Nếu chọn khai báo theo độ sâu và lưu tốc (Spatially varying water depth and
velocities) thì gắn các file chiều sâu mực nước và vận tốc theo phương u,v mà ta đã
tạo sẵn từ file Dfsu.
Decoupling :Tách biệt.
Trong nhiều ứng dụng, một số mô phỏng đƣợc thực hiện, trong đó các thông số mô hình cho các mô-đun thêm vào là thay đổi, nhƣng các thông số mô hình cho mô phỏng thủy động lực cơ bản là không thay đổi.
Nếu thông tin dòng chảy cơ bản từ một mô phỏng thủy động lực đƣợc lƣu lại trong một số file kết quả riêng thì có thể chạy lại mô phỏng đó trong một mode tách biệt, trong đó mô hình sẽ lấy các thông tin từ các file này thay vì phải tính toán các thông tin dòng chảy. Chạy mô phỏng ở mode tách biệt có thể tiết kiệm đáng kể thời gian tính toán.
Nếu chọn lƣu số liệu tách biệt thì ngƣời sử dụng phải xác định tên hai file kết quả. Cũng phải xác định bƣớc thời gian mà số liệu sẽ đƣợc lƣu. Cuối cùng, cần phải đặt tên một file xác định để mô phỏng tách biệt. Thiết lập và chạy một mô phỏng sử dụng file xác định này thì không cần phải thay đổi các thông số cơ bản trong hộp thoại vùng làm việc và hộp thoại thời gian và các thông số trong mô hình thủy động lực, nhƣng phải cho phép thay đổi các thông số của các m đƣa thêm vào.
Lƣu ý, bƣớc thời gian trong mô phỏng tách biệt sẽ là bƣớc thời gian chung trong hộp thoại thời gian nhân với hệ số bƣớc thời gian. Trong mode tách biệt bƣớc thời gian không bị hạn chế bởi điều kiện ổn định CFL khi giải các phƣơng trình dòng chảy, nhƣng bị hạn chế bởi điều kiện ổn định khi giải các phƣơng trình vận chuyển.