5. Phạm vi nghiên cứu
3.1. Giới thiệu các mơ hình
3.1.2. Giới thiệu chung về các mơ hình
3.1.2.1. Mơ hình MIKE NAM
Mơ hình NAM là mơ hình và cải tiến của mơ hình Nielsen-Hansen, được cơng bố trong tạp chí “Nordic Hydrology” năm 1973 và sau này được Viện Thủy lực Đan Mạch phát triển và đổi thành NAM (là 3 từ viết tắt tiếng Đan Mạch của mơ hình mưa - dịng chảy). Mơ hình gồm 4 bể chứa, ngun lý tính tốn trong mỗi bể chứa là giải phương trình cân bằng theo quy luật phi tuyến (dạng đường cong nước rút) [14, 15].
Hình 3.1. Cấu trúc của mơ hình NAM [14, 15]
Mơ hình NAM là mơ hình thủy văn mơ phỏng q trình mưa - dịng chảy diễn ra trên lưu vực. Là một mơ hình tốn thủy văn, mơ hình Nam gồm một tập hợp các biểu thức tốn học đơn giản để mơ phỏng các q trình trong chu trình thủy văn. Mơ hình NAM là mơ hình nhận thức, tất định, thông số tập trung. Đây là một mơ đun tính mưa từ dịng chảy trong bộ phần mềm thương mại MIKE 11 do Viện Thủy lực Đan Mạch xây dựng và phát triển.
Mơ hình NAM mơ phỏng q trình mưa – dịng chảy một cách liên tục thơng qua việc tính tốn cân bằng nước ở bốn bể chứa thẳng đứng, có tác dụng qua lại lẫn nhau để diễn tả các tính chất vật lý của lưu vực. Các bể chứa đó gồm: Bể tuyết (chỉ áp dụng cho vùng có tuyết); bể mặt; bể sát mặt hay bể tầng rễ cây; bể ngầm.
Dữ liệu đầu vào của mô hình là mưa, bốc hơi tiềm năng, và nhiệt độ. Kết quả đầu ra của mơ hình là dịng chảy trên lưu vực, mực nước ngầm, và các thông tin khác trong chu trình thủy văn, như sự thay đổi tạm thời độ ẩm của đất và khả năng bổ sung nước ngầm. Dòng chảy lưu vực được phân một cách gần đúng thành dòng chảy mặt, dòng chảy sát mặt, dịng chảy ngầm.
Mơ hình NAM thuộc loại mơ hình tất định, thơng số tập trung, và là mơ hình mơ phỏng liên tục. Những ứng dụng chủ yếu của mơ hình NAM gồm:
- Phân tích thủy văn: Phân phối dịng chảy, ước tính thấm và bốc hơi.
- Dự báo lũ: Dòng chảy lưu vực nhỏ đổ vào mơ hình sơng, liên kết với các mơ hình khí tượng.
- Kéo dài số liệu dịng chảy: Phục hồi những số liệu bị thiếu, cơ sở xác định các giá trị cực đoan.
- Dự báo dịng chảy kiệt: Phục vụ tưới.
3.1.2.2. Mơ hình MIKE 11 [14, 15]
MIKE 11 do DHI Water & Environment (Đan Mạch) phát triển, là một gói phần mềm kỹ thuật chuyên môn để mô phỏng lưu lượng, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát ở cửa sông, sông, hệ thống tưới, kênh dẫn và các vật thể nước khác.
MIKE 11 là cơng cụ lập mơ hình động lực, một chiều được sử dụng nhằm phân tích chi tiết, thiết kế, quản lý và vận hành cho sông và hệ thống kênh dẫn đơn giản và phức tạp. Với môi trường đặc biệt thân thiện với người sử dụng, linh hoạt và tốc độ tính tốn khá cao, MIKE 11 cung cấp một môi trường thiết kế hữu hiệu về kỹ thuật cơng trình, tài nguyên nước, quản lý chất lượng nước và các ứng dụng phục vụ cho quy hoạch.
Mơ đun mơ hình thủy động lực (HD) là một phần trọng tâm của hệ thống mơ 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 lắng khơng kết dính. Mơ đun HD giải các phương trình tổng hợp theo phương đứng để đảm bảo tính liên tục và bảo toàn động lượng, nghĩa là giải hệ phương trình Saint-Venant. Các ứng dụng liên quan đến mô đun HD bao gồm:
- Các phương pháp mơ phỏng kiểm sốt 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 sơng và cửa sông.
Đặc trưng cơ bản của hệ thống mơ hình MIKE 11 là cấu trúc mơ đun tổng hợp với nhiều loại mô đun được thêm vào mỗi mô phỏng các hiện tượng liên quan đến hệ thống sơng.
Ngồi các mơ đun HD đã mô tả ở trên, MIKE bao gồm các mô đun bổ sung đối với: Thủy văn; tải khuyếch tán; các mơ hình cho nhiều vấn đề về chất lượng nước; vận chuyển bùn cát có cố kết (có tính dính); vận chuyển bùn cát khơng có cố kết (khơng có tính dính). Phương trình liên tục: q t A x Q (1) Phương trình động lượng 2 2 0 AR Q gQ Q A Q h gA t x x C (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;
- α: Hệ số sửa chữa động lượng; - R: Bán kính thủy lực (m).
Phương pháp giải hệ phương trình Saint-Venant
Hệ phương trình Saint-Venant là một hệ gồm hai phương trình vi phân đạo hàm riêng phi tuyến bậc nhất. Trong trường hợp tổng qt, hệ phương trình có dạng này không giải được bằng phương pháp giải tích, do đó, phương trình này được giải bằng phương pháp gần đúng (phương pháp số) và MIKE11 cũng dùng phương pháp này để
giải hệ phương trình Saint-Venant với lược đồ sai phân hữu hạn 6 điểm sơ đồ ẩn Abbott-Ionescu.
Hình 3.2. Sơ đồ sai phân 6 điểm Abbott [14, 15] 3.1.2.3. Mơ hình MIKE 21 [16]
Mơ đun dịng chảy trong mơ hình MIKE 21 FM được phát triển bởi phương pháp lưới phần tử hữu hạn. Mô đun này được dựa trên nghiệm số của hệ các phương trình Navier-Stokes cho chất lỏng khơng nén được 2 hoặc 3 chiều kết hợp với giả thiết Boussinesq và giả thiết về áp suất thủy tĩnh. Do đó, mơ đun bao gồm các phương trình: phương trình liên tục, động lượng, nhiệt độ, độ muối và mật độ và chúng khép kín bởi sơ đồ khép kín rối. Với trường hợp ba chiều sử dụng hệ tọa độ sigma.
Việc rời rạc hóa khơng gian của các phương trình cơ bản được thực hiện bằng việc sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn trung tâm. Miền khơng gian được rời rạc hóa bằng việc chia nhỏ miền liên tục thành các ô lưới/phần tử không trùng nhau. Theo phương ngang thì lưới phi cấu trúc được sử dụng cịn theo phương thẳng đứng trong trường hợp 3 chiều thì sử dụng lưới có cấu trúc. Trong trường hợp hai chiều các phần tử có thể là phần tử tam giác hoặc tứ giác. Trong trường hợp ba chiều các phần tử có thể là hình lăng trụ tam giác hoặc lăng trụ tứ giác với các phần tử trên mặt có dạng tam giác hoặc tứ giác.
Phương trình liên tục
Phương trình động lượng theo phương x và y tương ứng
(4)
(5)
Trong đó: t là thời gian; x, y và z là tọa độ Đề các; là dao động mực nước; d là độ sâu; h=+d là độ sâu tổng cộng; u, v và w là thành phần vận tốc theo phương x, y và z; f=2sin là tham số Coriolis; g là gia tốc trọng trường; là mật độ nước; t là nhớt rối thẳng đứng; pa là áp suất khí quyển; o là mật độ chuẩn; S là độ lớn của lưu lượng do các điểm nguồn và (us,vs) là vận tốc của dịng lưu lượng đi vào miền tính. Fu, Fv là các số hạng ứng suất theo phương ngang.
3.1.2.4. Mơ hình MIKE URBAN [17]
MIKE URBAN là phần mềm lập mơ hình nước đơ thị, khả dụng, độ linh hoạt cao, tính mở, được tích hợp với hệ thống GIS, sử dụng mơ hình tính tốn hiệu quả ổn định và tin cậy về khoa học.
MIKE URBAN có thể tính tốn và mơ phỏng tồn bộ mạng lưới nước trong thành phố bao gồm hệ thống cấp nước, hệ thống thoát nước mưa và nước thải trong một hệ thống thoát thải gộp hoặc riêng biệt.
Dưới đây là danh sách một số ứng dụng điển hình của phần mềm MIKE URBAN:
Lập mơ hình Hệ thống thốt nước:
- Lập mơ hình hệ thống thốt nước thải và nước mưa;
- Quản lý hệ thống nước thải;
- Lập kế hoạch tổng thể thoát nước;
- Dự báo ngập lụt cục bộ (vị trí ngập và mức độ ngập);
- Phân tích hệ thống thốt thải gộp (SCOs) và hệ thống riêng biệt (SSOs);
- Đánh giá được khả năng tải chịu của hệ thống cống và những điểm bị tắc nghẽn;
- Ước tính lượng vận chuyển bùn cát và bồi lắng trong hệ thống cống;
- Phân tích chất lượng nước và các vấn đề bùn cát;
- Tối ưu hóa và thiết kế các giải pháp vận hành theo thời gian thực (Real-Time Control Solution);
- Lập mơ hình theo thời gian thực (RTC Model) nhúng trong các giải pháp vận hành theo thời gian thực (RTC Solution).
Lập mơ hình Hệ thống cấp nước:
- Quản lý áp lực nước và áp lực khu vực;
- Ước tính nhu cầu nước tại nút cấp;
- Phân tích lưu lượng dịng chảy và áp lực trong đường ống dành cho cứu hỏa;
- Dự báo tuổi của nước và hàm lượng clo trong ống;
- Dự báo sự lan truyền và xác định vị trí của các chất ơ nhiễm có trong nước;
- Lập kế hoạch dự phòng và đánh giá rủi ro;
- Lập quy mơ và tính tốn kích thước hồ chứa, bể chứa.
MIKE URBAN được xây dựng trên nền tảng phát triển của ESRI ArcObjects có nghĩa là cùng cách lưu trữ dữ liệu, xử lý, các quá trình và phương pháp trực quan giống như các công cụ của ArcGIS. Dữ liệu MIKE URBAN được lưu trong định dạng Geodatabase chuẩn dễ dàng truy xuất đầy đủ với bộ công cụ ArcGIS của ESRI. MIKE URBAN cho phép phát triển cả mơ hình hệ thống cấp nước và mơ hình hệ thống thốt nước trong cùng một dữ liệu tích hợp GIS. Sản phẩm có thể cài đặt trên một giao diện đồ họa duy nhất cho tất cả các mơ hình nước mưa, nước thải, các mơ hình nước và tất cả các mơ hình có thể chuyển đổi tương tác với nhau. MIKE URBAN bao gồm các thành phần sau:
Hệ thống thoát nước (Collection System):
Hệ thống thoát nước dựa trên 2 lõi tính tốn lập mơ hình là MOUSE-HD và SWMM5. Gồm có các Module con:
- CS – PipeFlow: Mơ phỏng dịng chảy khơng ổn định trong ống và kênh dẫn; - CS – Control: được xem là có khả năng vận hành giám sát theo thời gian thực
các đập tràn, cửa xả, máy bơm… Nó cho phép mơ tả hoạt động của các thiết bị điều khiển và đưa ra lô gic rõ ràng về cách thức vận hành của thiết bị điều khiển;
- CS – Rainfall-Runoff: Mơ phỏng lượng mưa – dịng chảy theo thời gian trong khu vực, theo sóng động lực, hồ chứa tuyến tính;
- CS – Pollution Transport: Mô phỏng sự lan truyền và khuếch tán các chất ơ nhiễm trong đó có cả bùn cát. Bao gồm cả lập mơ hình chất lượng nước khi lập mơ hình lan truyền các chất ơ nhiễm từ nước mặt xuống hệ thống thải;
- CS – Biological Processes: Mơ phỏng chất hóa học và tiến trình sinh học của hệ thống bị ô nhiễm hoặc hệ thống gộp.
Hệ thống cấp nước (Water Distribution):
Các thành phần của hệ thống WD được dựa trên sự mở rộng cao cấp của DHI đối với lõi tính tốn chuẩn EPANET và lõi mơ phỏng dịng chảy chậm WH của DHI. Các thành phần cơ bản của hệ thống WD:
- Mơ phỏng dịng chảy đều;
- Mô phỏng theo các giai đoạn mở rộng;
- Mô phỏng chất lượng nước theo thời gian;
- Mơ phỏng dịng chảy chậm. Phân tích dịng chảy cho cứu hoả:
- Cho phép phân tích nhanh chóng các đề xuất cải tiến hệ thống cấp nước đáp ứng nhu cầu dòng chảy trong ụ cứu hoả;
- Tính tốn áp lực cịn dư đã thiết kế và lưu lượng dịng chảy có sẵn. Phân bố và cấp nước theo nhu cầu:
- Xây dựng và tính tốn nhu cầu tại nút, dựa trên hệ thống GIS;
- Mã hóa địa chỉ kết hợp với dữ liệu tiêu dùng nước;
- Tính tốn nhu cầu nước tại mỗi điểm nút trong hệ thống dựa trên phương pháp phân bổ nước.
Phân tích chất lượng nước:
- Lẫn tạp chất từ các nguồn nước khác nhau; - Tuổi của nước trên toàn hệ thống;
- Hàm lượng Clo dư;
- Gia tăng hàm lượng các chất tẩy trùng; - Sự di chuyển các chất ô nhiễm.
3.1.2.5. Mơ hình MIKE FLOOD
MIKE FLOOD là một cơng cụ mạnh liên kết mơ hình MIKE 11 một chiều và mơ hình MIKE 21 hai chiều để mơ phỏng lũ trên một lưu vực và vùng cửa sông; liên kết mơ hình MIKE URBAN và mơ hình MIKE21 để mô phỏng ngập lụt đô thị, thuộc bộ phần mềm MIKE.
Bộ phần mềm MIKE bao gồm: MIKE 11, MIKE 21, MIKE MOUSE, MIKE FLOOD, MIKE VIEW, MIKE SHE, MIKE BASIN được Viện thủy lực Đan Mạch xây dựng để dự báo và điều khiển lũ. Phần mềm này đã được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước bởi nhiều đặc điểm tiện ích: Sử dụng giao diện Window, tương thích với nhiều phần mềm GIS, nhập được số liệu đầu vào từ nhiều nguồn... Hiện tại, phần mềm này vẫn không ngừng được cải tiến để đáp ứng nhu cầu của người sử dụng.