b. Phương ỏn 2: (Phương ỏn dẫn thẳng).
3.2Một số mụ hỡnh thuỷ lực diễn toỏn dũng chảy
Trờn thế giới việc nghiờn cứu, ỏp dụng cỏc mụ hỡnh thủy văn, thủy lực trong việc diến toỏn lũ trong sụng đó được sử dụng khỏ phổ biến; nhiều mụ hỡnh đó được xõy dựng và ỏp dụng cho dự bỏo hồ chứa, dự bỏo lũ cho hệ thống sụng, cho cụng tỏc quy hoạch phũng lũ.
Một số mụ hỡnh thủy lực đó được ỏp dụng cú hiệu quả để diễn toỏn dũng chảy trong hệ thống sụng và vựng ngập lụt ở nước ta. Mụ hỡnh SOGREAH đó được ỏp dụng thành cụng trong cụng tỏc khai thỏc, tớnh toỏn dũng chảy tràn trong hệ thống kờnh rạch và cỏc ụ trũng. Mụ hỡnh MASTER ứng dụng trong nghiờn cứu quy hoạch cho vựng hạ lưu sụng Cửu Long vào năm 1988, mụ hỡnh MEKSAL được xõy dựng vào năm 1974 để tớnh toỏn sự phõn bố dũng chảy mựa cạn và xõm nhập mặn trong vựng hạ lưu cỏc sụng. Mụ hỡnh VRSAP đó được ỏp dụng cho việc tớnh toỏn dũng chảy lũ và dũng chảy mựa cạn cho vựng đồng bằng. Mụ hỡnh SAL của Phú Giỏo sư Nguyễn Tất Đắc và mụ hỡnh KOD của Giỏo sư Nguyễn Ân Niờn đó cú những đúng gúp đỏng kể trong việc tớnh toỏn lũ và xõm nhập mặn đồng bằng cửa sụng
3.2.1 Mụ hỡnh VRSAP:
VRSAP là mụ hỡnh của cố giỏo sư Nguyễn Như Khuờ viết năm 1978. Về mặt lý thuyết, mụ hỡnh VRSAP coi mạng lưới sụng như một hệ thống cỏc đoạn sụng nhỏ, mỗi đoạn là một lũng dẫn cú mặt cắt lăng trụ. Mỗi nhỏnh sụng trờn thực tế là tập hợp gồm nhiều đoạn sụng nối tiếp nhau, cỏc đoạn sụng nối với nhau tại cỏc điểm nỳt.
Mụ hỡnh VRSAP là mụ hỡnh sai phõn ẩn và sai phõn hoỏ được thực hiện từ hệ phương trỡnh Saint – Venant viết cho từng đoạn sụng
0 = − ∂ ∂ + ∂ ∂ q t s Q ω (a) 2 0 2 ) ( 1 2 C v v t v g g v s s z + ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ α α (b)
Trong đú: (a) là phương trỡnh liờn tục, (b) là phương trỡnh động lượng, Q: lưu lượng (m3/s),
ω: diện tớch mặt cắt ướt,
Q:lưu lượng nhập lưu (m3/s/m), Z :cao độ mặt nước (m),
V: vận tốc trung bỡnh trờn toàn mặt cắt (m/s), g: gia tốc trọng trường (m/s2),
α: hệ số sửa chữa động năng, αR0R:hệ số sửa chữa động lượng , C: hệ số xờdi,
R: bỏn kớnh thuỷ lực m,
S: và t lần lượt là cỏc biến khụng gian (khoảng cỏch dọc sụng) và biến thời gian.
3.2.2 Mụ hỡnh ISIS:
Mụ hỡnh ISIS do cụng ty Halcrow và Viện Nghiờn cứu Thuỷ lực Wallingford xõy dựng sử dụng chương trỡnh thuỷ động lực học dũng chảy một chiều mụ phỏng dũng chảy khụng ổn định trong mạng trong sụng kờnh và ụ đồng. Mụ hỡnh ISIS dựa trờn hệ phương trỡnh Saint-Venant giải theo phương phỏp sai phõn dựng sơ đồ sai phõn ẩn 6 điểm của Abbott và Ionescu. Hệ phương trỡnh viết cho một mạng sẽ tạo nờn hệ phương trỡnh bậc nhất cú chứa ẩn số. Mực nước ở một điểm bất kỳ cú thể biểu diễn bằng hàm của mực nước tại cỏc nỳt lõn cận.
3.2.3 Mụ hỡnh HEC – RAS:
Mụ hỡnh HEC-RAS do trung tõm thủy văn cụng trỡnh thuộc hiệp hội kỹ sư quõn sự Hoa Kỳ sản xuất (Hydrologic Engineering Center of US Army Corps of Engineers) Trong đú HEC-RAS là một tổ hợp cỏc phần mềm được thiết kế dưới dạng thức cú thể tương trợ lẫn nhau dựng để phõn tớch, tớnh toỏn cỏc đặc trưng thủy lực. Sau khi file dữ liệu hỡnh học được nhập vào RAS, cỏc dữ liệu hỡnh học được hoàn chỉnh và kết hợp với số liệu dũng chảy để tớnh toỏn mặt nghiờng của bề mặt nước dựa trờn cỏc yếu tố thủy lực. Sau đú tài liệu mặt nghiờng của bề mặt nước sẽ được nhập vào HEC-GeoRAS để phõn tớch khụng gian và diễn toỏn diện tớch và độ sõu ngập lụt. Phần mềm HEC - RAS là chương trỡnh giải bài toỏn một chiều
3.2.4 Mụ hỡnh SOBEK
SOBEK là một gúi tổng hợp cỏc phần mềm sử dụng trong lĩnh vực phỏt triển và quản lý nguồn nước. SOBEK được phỏt triển bởi Viện thuỷ lực Deflt Hà Lan (Delft Hydraulic Institute). 10TSOBEK cú 7 module và việc kết hợp cỏc module này với nhau tạo ra ba sản phẩm10T10Tcơ bản của SOBEK đú là: SOBEK10T10TRURAL, SOBEK URBAN10T10Tvà SOBEK3T10T-3T10TRIVER.
Trong dũng sản phẩm SOBEK RURAL, module thuỷ lực đó được tớch hợp mụ hỡnh 1 chiều và 2 chiều với nhau được gọi là SOBEK 3T- Overland Flow. Mụ hỡnh này tớnh 3Ttoỏn thuỷ lực của vựng ngập lũ (Độ sõu dũng chảy, vận tốc…).
10T
SOBEK đó được ứng dụng trong cỏc nghiờn cứu thuộc cỏc lưu vực sụng ở Hà10T 10T
Lan, Bangladet, Australia… và mới đõy (năm 2003) SOBEK đó được ỏp dụng cho hai10T 10T
lưu vực sụng Trà Bồng và Trà Khỳc (Tỉnh Quảng Ngói) cho kết quả được10T10Tđỏnh giỏ rất10T cao.
3.2.5 Mụ hỡnh thủy lực của SOGREAH
Mụ hỡnh lũ đồng bằng Sụng Cửu Long do cỏc chuyờn gia thủy lực hóng SOGREAH – Phỏp lập năm 1967 theo đơn đặt hàng của UNESCO. Mụ hỡnh nghiờn cứu sự truyền lũ trờn chõu thổ sụng Mờ Kụng và cung cấp thụng tin về điều kiện thủy văn và địa hỡnh. Mụ hỡnh đề cập đến cả hai mặt ý nghĩa vật lý và tớnh toỏn theo phương phỏp số. Dũng chảy lũ biến thiờn theo khụng gian và thời gian (khụng gian hai chiều).
Hệ phương trỡnh truyền súng lũ được viết tương tự như phương trỡnh truyền triều với thành phần cản tuõn theo định luật Stricler, cựng với cỏc giả thiết giản húa khi tớnh toỏn thiết lập hệ phương trỡnh liờn tục cho một ụ và phương trỡnh động lực dũng chảy. Mụ hỡnh SOGREAH thiết lập trờn cơ sở hệ phương trỡnh Saint-Venant viết cho dũng một chiều khụng ổn định trong kờnh hở. Do hạn chế của mỏy tớnh thời đú nờn sơ đồ tớnh của mụ hỡnh rất đơn giản.
3.2.6 Mụ hỡnh KOD
Mụ hỡnh của GS-TS Nguyễn Ân Niờn, ra đời từ năm 1970. Đến năm 1980, tỏc giả đó phỏt triển sơ đồ hai chiều (2D). Đến năm 2005, trong luận văn tiến sĩ của Nguyễn Việt Hưng, sơ đồ này đó được hồn thiện thờm.
Tỏc giả dựng sơ đồ Lax cho phương trỡnh sai phõn tỡm mực nước cỏc ụ chứa z’ của lớp thời gian sau. Cũn phương trỡnh chuyển động giải theo kiểu ẩn, tức là sơ đồ tam giỏc ngược và cỏch giải này đó làm triệt tiờu sai số của sơ đồ Lax nếu bước thời gian nhỏ hơn bước thời gian giới hạn (theo tiờu chuẩn Levi-Freidrich-Courant). Tỏc giả đó sử dụng hệ phương trỡnh Saint-Venant trong tớnh toỏn dũng chảy và giải hệ phương trỡnh trờn bằng sơ đồ hiện với phương phỏp sai phõn bốn điểm Preismann.
3.2.7 Mụ hỡnh Mike 11 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mike 11 do DHI Water & Environment phỏt triển, là một gúi phần mềm dựng để mụ phỏng dũng chảy/lưu lượng, chất lượng nước và vận chuyển bựn cỏt ở cỏc cửa sụng, sụng, kờnh tưới và cỏc vật thể nước khỏc.
Mike 11 là mụ hỡnh động lực, một chiều nhằm phõn tớch chi tiết, thiết kế, quản lý và vận hành cho sụng và hệ thống kờnh dẫn đơn giản và phức tạp. Với mụi trường đặc biệt thõn thiện với người sử dụng, linh hoạt và tốc độ, Mike11 cung cấp một mụi trường thiết kế hữu hiệu về kỹ thuật cụng trỡnh, tài nguyờn nước, quản lý chất lượng
nước và cỏc ứng dụng khỏc.
Mụ-đun thủy động lực (HD) là một phần trọng tõm của gúi cỏc ứng dụng của Mike 11. Trọn gúi cỏc ứng dụng của nú bao gồm Dự bỏo lũ, Tải khuyếch tỏn, Chất lượng nước và cỏc mụ-đun vận chuyển bựn cỏt cú và khụng cú cố kết. Mụ-đun Mike 11HD giải cỏc phương trỡnh tổng hợp theo phương đứng để đảm bảo tớnh liờn tục và động lượng (momentum), nghĩa là phương trỡnh Saint-Venant
Ưu điểm nổi trội của Mụ hỡnh Mike 11
- Liờn kết với GIS.
- Kết nối với cỏc mụ hỡnh thành phần khỏc của bộ MIKE vớ dụ như mụ hỡnh
mưa rào - dũng chảy NAM, mụ hỡnh thuỷ động lực học 2 chiều MIKE 21, mụ hỡnh dũng chảy nước dưới đất, dũng chảy tràn bề mặt và dũng bốc thoỏt hơi thảm phủ (MIKE SHE)
Kết quả thử nghiệm dự bỏo tỏc nghiệp bằng mụ hỡnh MIKE 11 là rất khả
quan. Mụ-đun mụ hỡnh thủy động lực (HD) là một phần trọng tõm của hệ thống lập
mụ hỡnh MIKE 11 và hỡnh thành cơ sở cho hầu hết cỏc mụ-đun bao gồm:
- Dự bỏo lũ và vận hành hồ chứa.
- Vận hành hệ thống tưới và tiờu thoỏt bề mặt. - Thiết kế cỏc hệ thống kờnh dẫn.
- Nghiờn cứu súng triều và dũng chảy do mưa ở sụng và cửa sụng.
- Mụ hỡnh MIKE 11 được ỏp dụng để dự bỏo lũ và vận hành cỏc cụng trỡnh
phũng chống lũ cho hệ thống sụng Hồng - Thỏi Bỡnh.
Cơ sở lý thuyết
Hệ phương trỡnh sử dụng trong mụ hỡnh là hệ phương trỡnh Saint-Venant viết ra dưới dạng thực hành cho bài toỏn một chiều khụng gian, tức quy luật diễn biến của độ cao mặt nước và lưu lượng dũng chảy dọc theo chiều dài dũng sụng/kờnh và theo thời gian. Đối với hệ phương trỡnh Saint-Venant, ta chỉ cần xỏc định một vài thụng số thực nghiệm là nú sẽ biểu đạt đỳng đắn hiện tượng, đỏp số bằng cỏch mụ phỏng những quỏ trỡnh dũng chảy đó xảy ra và dự bỏo diễn biến trong tương lai theo cỏc biện phỏp cải tạo với độ tin cậy cao.
Cỏc giả thiết cơ bản
Mụ hỡnh Mike 11HD dựa trờn giả thiết về dũng chảy một chiều trong sụng: + Nước là chất lỏng khụng nộn được và đồng nhất (bỏ qua sự biến đổi trọng lượng riờng).
+ Độ dốc đỏy nhỏ (để cosin coi như bằng 1).
+ Súng lũ là súng dài để đảm bảo dũng chảy luụn song song với đỏy (tức là bỏ qua thành phần dũng chảy thẳng đứng)
+ Dũng là ờm (trong một số trường hợp đặc biệt, dũng chảy xiết cũng được mụ phỏng trong Mike 11).
Hệ phương trỡnh cơ bản
Hệ phương trỡnh cơ bản bao gồm phương trỡnh liờn tục và phương trỡnh động lượng: + Phương trỡnh liờn tục: q t A x Q = ∂ ∂ + ∂ ∂
+ Phương trỡnh động lượng: 0 ) ( 2 2 = + ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ RA C Q Q g x h gA A Q x t Q β α
Trong đó: B: Chiều rộng mặt nước ở thời đoạn tớnh toỏn (m) h: Cao trỡnh mực nước ở thời đoạn tớnh toỏn (m) t: Thời gian tớnh toỏn (s)
Q: Lưu lượng dũng chảy qua mặt cắt (mP 3
P/s) /s) x: Khụng gian (dọc theo dũng chảy) (m)
β: Hệ số phõn bố lưu tốc khụng đều trờn mặt cắt q: Lưu lượng ra nhập dọc theo đơn vị chiều dài (mP (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2P P /s) C: Hệ số Chezy, được tớnh theo cụng thức: y
R n C= 1
n: Hệ số nhỏm
R: Bỏn kớnh thuỷ lực (m) y: Hệ số, theo Maning y=1/6 g: Gia tốc trọng trường = 9,81 m/sP 2 α: Hệ số động năng dx Q Q Q x dx + ∂ ⋅ ∂ h(t+dt) h(t) thời điểm t thời điểm t+∆ t (2.8)
Hỡnh III.1: Mụ tả hệ phương trỡnh Saint-Vernant
Thuật toỏn
Mike 11 là chương trỡnh tớnh thủy lực trờn mạng sụng, kờnh cú thể ỏp dụng với chế độ súng động lực hoàn toàn ở cấp cao. Trong chế độ này, Mike 11 cú khả năng tớnh toỏn với dũng nhanh, lưu lượng thủy triều, hiệu quả nước đọng thay đổi nhanh, súng lũ, lũng dẫn dốc. Trong Mike 11, cỏc phương trỡnh trong hệ Saint-Venan được giải bằng cỏch dựng lược đồ sai phõn hữu hạn 6 điểm ẩn là Abbott- Inonescu. Trong lược đồ này, cỏc cấp mực nước và lưu lượng dọc theo cỏc nhỏnh sụng được tớnh trong một hệ thống cỏc điểm lưới xen kẽ nhau:
Hỡnh III.2: Cỏc điểm nỳt tớnh toỏn trong mụ hỡnh Mike 11
Ngoài ra, Mike 11 cũn cú thể giải quyết được bài toỏn mạng sụng cú nhiều nhỏnh và nỳt tớnh toỏn.
Để cú thể giải chớnh xỏc và ổn định cho phương trỡnh sai phõn hữu hạn cần cú cỏc điều kiện sau:
+ Số liệu địa hỡnh phải tốt, giỏ trị cho phộp tối đa với ∆x được lựa chọn trờn cơ sở này.
+ Bước thời gian cần thiết cho một phương trỡnh súng, vớ như khoảng thời gian tối đa cho mụ phỏng thủy triều là 30 phỳt
h (mực nước) Q ( lưu lượng) hj-4 hj-2 hj hj+2 Qj+3 Qj+1 Qj-3 Qj-1 hj+4
+ Điều kiện Courant được dựng để lựa chọn bước thời gian cho thỏa món sao cho thỏa món đồng thời cỏc điều kiện trờn:
( ) x gx V Cr t ∆ + ∆ = Trong đú : V là lưu tốc;
Cr trong khoảng 10-15, nhưng giỏ trị lớn hơn 100 đó được sử dụng.
Cấu trỳc mụ hỡnh
Đặc trưng cơ bản của mụ hỡnh MIKE 11 là cấu trỳc mụ-đun tổng hợp với nhiều mụ-đun, trong đú mỗi mụ đun mụ phỏng một hiện tượng liờn quan đến hệ thống sụng. Cỏc mụ đun trong bộ MIKE 11:
- Module HD – Thủy động lực học: Phần cốt lừi của MIKE 11, cú khả năng:
+ Giải bài toỏn thủy động lực học Saint-Venant cho kờnh hở. + Giải bài toỏn súng khuyếch tỏn, súng động học cho sụng, kờnh. + Giải bài toỏn Muskingum cho sụng, kờnh
+ Tự động hiệu chỉnh cho điều kiện dũng chảy ờm, dũng chảy xiết + Mụ phỏng hầu hết cỏc loại cụng trỡnh trờn sụng.
- Mụ-đun Mike11- AD: Mụ phỏng cỏc hiện tượng phõn tỏn, khuyếch tỏn và đối
lưu trong sụng.
- Mụ đun Mike 11-WQ: Giải quyết cỏc vấn đề về chất lượng nước khỏc nhau
như DO, BOD, chu trỡnh N, P, phỳ dưỡng, kim loại nặng, vi khuẩn coliform, nhiễm mặn, chất diệp lục…
- Mụ đun Mike 11- STnghiờn cứu truyền tải bựn cỏt trong sụng bao gồm cả vận chuyển bựn cú và khụng cú cố kết.
Khả năng ứng dụng của mụ hỡnh
Mụ hỡnh Mike 11 với cỏc mụ đun HD (thuỷ động lực), AD (tải khuếch tỏn), WQ (chất lượng nước), EU (phỡ dưỡng), ST (truyền tải bựn cỏt) cú khả năng ứng
dụng rộng rói, giải quyết được hầu hết cỏc bài toỏn một chiều (1D) trong sụng.
Phõn tớch lựa chọn mụ hỡnh một chiều cho tớnh toỏn dũng chảy kiệt và xõm nhập mặn (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mike 11, do DHI Water & Environment phỏt triển, là một gúi phần mềm dựng để mụ phỏng dũng chảy/ lưu lượng, chất lượng nước và vận chuyển bựn cỏt ở cỏc cửa sụng, sụng, kờnh tưới và cỏc vật thể nước khỏc.
Mike 11 là cụng cụ lập mụ hỡnh động lực, một chiều và thõn thiện với người (2.9)
sử dụng nhằm phõn tớch chi tiết, thiết kế, quản lý và vận hành cho sụng và hệ thống kờnh dẫn đơn giản và phức tạp. Với mụi trường đặc biệt thõn thiện với người sử dụng, linh hoạt và tốc độ, Mike 11 cung cấp một mụi trường thiết kế hữu hiệu về kỹ thuật cụng trỡnh, tài nguyờn nước, quản lý chất lượng nước và cỏc ứng dụng quy hoạch.
Mụ-đun mụ hỡnh thủy động lực (HD) là một phần trọng tõm của hệ thống lập mụ hỡnh Mike 11 và hỡnh thành cơ sở cho hầu hết cỏc mụ-đun bao gồm dự bỏo lũ, tải khuyếch tỏn, chất lượng nước và cỏc mụ-đun vận chuyển bựn cỏt cú hoặc khụng cú cố kết.
3.2.8 Lựa chọn mụ hỡnh tớnh toỏn
Trờn cơ sở phõn tớch cỏc mụ hỡnh thủy lực ứng dụng diễn toỏn dũng chảy trong sụng, mụ hỡnh MIKE 11 đó được lựa chọn để học viờn nghiờn cứu sử dụng trong luận văn. Đõy là mụ hỡnh thuộc bộ mụ hỡnh họ MIKE, với những cải tiến mới nhất của phiờn bản 2007 cho tớnh toỏn nghiờn cứu dũng chảy. Bộ mụ hỡnh Mike đó và đang được ứng dụng tốt cho cỏc lưu vực sụng trong cỏc dự ỏn do cỏc cơ quan trong và ngoài nước thực hiện. Bờn cạnh đú mụ hỡnh MIKE 11 cú thể kết nối dễ dàng với mụ hỡnh mưa – dũng chảy NAM trong họ MIKE để xỏc định biờn vào cho bài toỏn giỳp cho việc nghiờn cứu tớnh toỏn được thuận tiện hơn.