Chương 2. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.2.2 Phương pháp mô hình
MIKE URBAN là một trong các sản phẩm của DHI (Danish Hydraulic Institute - Viện Nghiên cứu tài nguyên nước Đan Mạch). MIKE URBAN là một trong các mô hình về thành phố của DHI bao gồm MIKE URBAN, WEST và MIKE FLOOD trong đó MIKE URBAN giải quyết các vấn đề về mô phỏng tích hợp nước đô thị, WEST mô hình hóa và mô phỏng các kế hoạch xử lý nước thải và MIKE FLOOD giải quyết các vấn đề vềlũ ở đô thị, bờ biển và ven sông.
Hiện nay bộ phần mềm MIKE URBAN được phát triển hoàn thiện liên tục đồng thời với bộ MIKE của DHI đến phiên bản năm 2017 và hoạt động tương thích với phần mềm thông tin địa lý ArcGIS 10.5 của ESRI.
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 mô hình hệ thống cấp nước và mô hình hệ thống thoát nước trong cùng một dữ liệu tích hợp GIS.
Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống quản lý mô hình Mike Urban - MOUSE
Trong mô hình có sự kết hợp giữa mô hình thủy văn và mô hình mô phỏng hệ thống thoát nước 1 chiều với mô hình mô phỏng dòng chảy bề mặt 2 chiều.
Quá trình mưa dòng chảy Mô phỏng dòng chảy bề mặt + Thời gian diện tích (TA) + Sóng động học (KM) + Hồ chứa tuyến tính + UHM và RDI
Dòng chảy trong hệ thống – mô phỏng 1D Diễn toán dòng chảy trong hệ thống kết nối điểm tập trung nước, đường dẫn cống, kết cấu
Mô phỏng dòng chảy 1D và dòng chảy tràn mặt 2D
Điều khiển hệ thống Điều khiển nâng cao các kết cấu như cửa, van, bơm, đập
a)Mô hình thủy văn (Catchment Hydrology model)
Mô hình này mô phỏng dựa trên các phương trình thủy văn, dòng chảy được tính toán từmưa dựa trên các đặc điểm của lưu vực. Khái quát quá trình mô phỏng mưa – dòng chảy của mô hình này thể hiện như hình….
Hình 2.3: Sơ đồ tính toán mưa – dòng chảy
Tính toán các dòng chảy bề mặt khác nhau trong mô hình thủy văn được thể hiện ở bốn mô hình dòng chảy khác nhau:
Với biên mưa đầu vào là số liệu thực đo tại các trạm khí tượng cơ bản và điểm đo mưa, dựa trên đặc điểm tiểu lưu vực (khu vực được chia thành các tiểu lưu vực bằng công cụ phân chia tiểu lưu vực của MIKE URBAN dựa vào vị trí phân bổ hố ga thu nước).
Số liệu mưa kết hợp với hình dạng lưu vực ảnh hưởng của trạm mưa đó, mô hình dựa vào các phương trình thủy văn cơ bản sẽ mô phỏng quá trình dòng chảy trên lưu vực đó.
Hầu hết các mô hình thủy văn là mô hình khái niệm, dựa trên tập hợp các thông số thực nghiệm mà cần phải được hiệu chỉnh từ các phép đo thực địa. Mô hình dòng chảy bề mặt đô thị không cho phép người sử dụng thiết lập mô phỏng thủy động lực
học dòng chảy; về cơ bản mô hình này được sử dụng làm đầu vào cho mô hình mạng lưới thoát nước.
Biên mưa của mô hình mưa – dòng chảy
Số liệu mưa đưa vào tính toán phải là một chuỗi số liệu với dạng cường độmưa (Rainfall Intensity)
Mô hình tính toán cường độ mưa cho từng bước thời gian tính toán, vì vậy lượng mưa theo bước thời gian tính toán trong mô hình sẽ bao phủđược bước thời gian hiện tại, có thể nói tổng lượng mưa theo bước thời gian tính toán bằng tổng lượng mưa có trong các bước thời gian từ số liệu đầu vào.
Hình 2.4: Dữ liệu mưa đầu vào và Dữ liệu mưa được mô hình áp dụng
b)Mô hình 1D: Mô hình hệ thống thoát nước 1 chiều (Drainage Network ID model) Đây là mô hình giải quyết bài toán dòng chảy một chiều sử dụng phương trình Saint-Venant để mô phỏng các quá trình dòng chảy trong mạng lưới đường ống thoát nước, bao gồm cả các thiết bị phức tạp như máy bơm, cửa, đập tràn, van... Chất lượng của các mô hình này phụ thuộc vào chất lượng của dữ liệu đầu vào và quá trình hiệu chỉnh. Mô hình 1D thường xử lý dòng chảy có áp và tự do. Biên sử dụng trong mô
hình thường là dòng chảy lưu vực hoặc dòng chảy mùa khô tại các biên thu nước và mực nước tại các cửa ra.
Hình 2.5: Sơ đồ tính toán dòng chảy trong hệ thống thoát nước 1 chiều
Mô hình 1D không mô phỏng định tuyến lũ bề mặt, cộng với mực nước được tính trong việc lưu trữ ảo không liên quan đến thực tế của nước tràn.
Hệ phương trình Saint – Vernant tính toán dòng chảy không ổn định trong hệ thống đường ống trong mô hình MOUSE dựa trên các giả thiết sau:
+ Nước không bịnén và đồng nhất, nghĩa là không có sựthay đổi về mật độ. + Ma sát đáy nhỏ, do đó cos của góc đáy có thể coi bằng 1.
+ Bước sóng lớn hơn độ sâu mực nước. Điều này cho phép dòng chảy ở mọi nơi có thể coi như có hướng song song với đáy nghĩa là bỏ qua gia tốc dọc và giả định áp lực thủy tĩnh theo chiều dọc.
Phương trình liên tục:
Phương trình động lượng:
∂Q
∂x +
∂A
∂t = 0
∂Q
∂t +
∂ (α Q A )2
∂x + gA ∂Q
∂x + gAIf = gAI0
Dòng chảy 1D và trao đổi
giữa 2 lớp
Trong đó: Q = lưu lượng dòng chảy (m3/s).
A = diện tích dòng chảy (m2).
y = lớp dòng chảy (m).
g = gia tốc trọng trường (m/s2).
x = khoảng cách theo hướng dòng chảy (m).
t = thời gian (s).
α = hệ số phân phối vận tốc.
I0 = độ dốc đáy.
If = độ dốc ma sát.
c) Mô hình 1D - 2D: Kết hợp mô hình mô phỏng hệ thống thoát nước 1 chiều với mô hình mô phỏng dòng chảy bề mặt 2 chiều
Dòng chảy hệ thống thoát nước vẫn được mô phỏng trong mô hình 1 chiều nhưng dòng chảy bề mặt được tính bằng giải phương trình Saint-Venant cho dòng chảy 2 chiều. Mô hình 2 chiều được sử dụng để mô phỏng chính xác địa hình bề mặt đô thị, bao gồm các tòa nhà, ao, các công trình kiến trúc khác. Tính toán thủy động lực học dòng chảy sử dụng mô hình bề mặt 2 chiều cho phép tính toán như dòng chảy với vận tốc 2 hướng thành phần.
Hình 2.6: Sơ đồ kết hợp mô hình 1 chiều và 2 chiều
Dòng chảy 2D và trao đổi với dòng
chảy 1D
Việc trao đổi nước giữa mạng 1 chiều và mạng 2 chiều sẽ được xử lý thông qua các liên kết nối, thường nằm ở hố ga, các nút của mạng lưới hệ thống thu nước 1D sẽ được kết nối với ô lưới của mô hình bề mặt 2D. Như vậy, kết quả của mô hình 1D - 2D phụ thuộc nhiều vào độ chính xác và mức phân giải của dữ liệu địa hình (mật độ
& độ cao, các tòa nhà...) tạo lưới trong mô hình bề mặt 2D. Kích thước lưới khuyến khích dùng cho mô hình bề mặt 2D đô thị thường là 1m đến 5m.
Sử dụng công cụ GIS để xử lý số liệu để đảm bảo các đặc điểm địa hình chính sẽ được cung cấp đẩy đủ vào mô hình 2D.
Từ các lớp dữ liệu tính toán tổng hợp các thông tin tạo lập dữ liệu địa hình thể hiện đầy đủ dữ liệu các lớp nhà cửa, đường phố, diện tích công viên, diện tích sử dụng đất, ao hồ. Càng xử lý chính xác dữ liệu địa hình thì kết quả tính toán 2D càng chính xác.