CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT
2.3. Cơ sở lý thuyết mô hình thủy lực
2.3.1. Cơ sở lý thuyết MIKE FLOOD
Mặc dù mô hình MIKE 11 và MIKE 21 có những ưu điểm vượt trội trong việc mô phỏng dòng chảy 1 chiều trong mạng lưới sông phức tạp (MIKE 11) và có thể mô phỏng 2 chiều của dòng chảy tràn trên bề mặt đồng ruộng (MIKE 21).
Tuy nhiên nếu xét riêng lẻ chúng vẫn còn một số hạn chế trong việc mô phỏng ngập lụt. Đối với MIKE 11, sẽ rất khó khăn để mô phỏng dòng chảy tràn nếu không biết trước một số khu chứa và hướng chảy, không mô tả được trường vận tốc trên mặt ruộng hoặc khu chứa, còn trong MIKE 21, nếu muốn vừa tính toán dòng tràn trên bề mặt ruộng, vừa muốn nghiên cứu dòng chảy chủ lưu trong các kênh dẫn thì cần phải thu nhỏ bước lưới đến mức có thể thể hiện được sự thay đổi của địa hình trong lòng dẫn mà hệ quả của nó là thời gian tính toán tăng lên theo cấp số nhân.
Để kết hợp các ưu điểm của cả mô hình 1 và 2 chiều, đồng thời khắc phục được các nhược điểm của chúng, MIKE FLOOD cho phép kết nối 2 mô hình MIKE 11 và MIKE 21 trong quá trình tính toán, tăng bước lưới của mô hình (nghĩa là giảm thời gian tính toán) nhưng vẫn mô phỏng được cả dòng chảy trong lòng dẫn và trên mặt ruộng hoặc ô chứa.
Lưu lượng thoát ra từ biên của MIKE 11 sẽ tham gia vào trong MIKE 21- FM với dạng biên lưu lượng dạng điểm tại bước thời gian 1
n 2. Lưu lượng từ MIKE 11 tác động đến phương trình liên tục với dạng phương trình động lượng trong MIKE 21. MIKE 11 cần biên mực nước từ MIKE 21 tại bước thời gian
1
n để tính toán từ bước n đến n+1 trong MIKE 21. Để cung cấp một lưu lượng cho MIKE 21 tại bước thời gian 1
n 2, biên ảo được thiết lập với một lưu lượng
1 n 2
Q và sau đó chương trình sẽ tính lại biên mực nước và lưu lượng tại vị trí kết nối ở bước thời gian n.
1 2
. . 2
. .
n n n
Q H Q
t g A x A C R (2-5)
Trong MIKE FLOOD có 4 loại kết nối sau đây giữa mô hình 1 chiều (MIKE 11) và 2 chiều (MIKE 21): Kết nối tiêu chuẩn, kết nối bên, kết nối, kết nối công trình, kết nối khô.
a. Kết nối tiêu chuẩn
Trong kết nối này, thì một hoặc nhiều ô lưới của MIKE 21 sẽ được liên kết với một đầu của phân đoạn sông trong MIKE 11. Loại kết nối này rất thuận tiện cho việc nối một lưới chi tiết của MIKE21 với một hệ thống mạng lưới sông lớn hơn trong MIKE 11, hoặc nối các công trình trong mô hình MIKE 21. Các cách áp dụng có thể của nó được chỉ ra trong hình 2.2 dưới đây.
Hình 2-2: Các ứng dụng trong kết nối tiêu chuẩn b. Kết nối bên
Kết nối bên cho phép một chuỗi các ô lưới trong MIKE 21 có thể liên kết vào hai bên của một đoạn sông, một mặt cắt trong đoạn sông hoặc toàn bộ một nhánh sông trong MIKE 11. Dòng chảy khi chảy qua kết nối bên được tính toán bằng cách sử dụng các phương trình của các công trình hoặc các bảng quan hệ Q-H. Loại kết nối này đặc biệt hữu ích trong việc tính toán dòng chảy tràn từ trong kênh dẫn ra khu ruộng hoặc bãi, nơi mà dòng chảy tràn qua bờ đê bối sẽ được tính bằng công thức đập tràn đỉnh rộng. Một ví dụ của loại kết nối này được minh họa trong hình 2.3
Hình 2-3: Một ứng dụng trong kết nối bên c. Kết nối công trình (ẩn)
Kết nối công trình là nét mới đầu tiên trong một loạt các cải tiến dự định trong MIKE FLOOD. Kết nối công trình lấy thành phần dòng chảy từ một công trình trong MIKE 11 và đưa chúng trực tiếp vào trong phương trình động lượng của MIKE 21. Quá trình này là ẩn hoàn toàn và vì thế không ảnh hưởng đến các bước thời gian trong MIKE 21. Ví dụ về loại kết nối này được minh họa trong hình 2.4
Hình 2-4: Một ví dụ trong kết nối công trình d. Kết nối khô (zero flow link)
Một ô lưới MIKE 21 được gán là kết nối khô theo chiều x sẽ không có dòng chảy chảy qua phía bên phải của ô lưới đó. Tương tự, một kết nối khô theo chiều y sẽ không có dòng chảy chảy qua phía trên của nó. Các kết nối khô này được phát triển để bổ sung cho các kết nối bên. Để chắc chắn rằng dòng chảy tràn trong MIKE 21 không cắt ngang từ bờ này sang bờ kia của sông mà không
liên kết với MIKE 11, các kết nối khô này được đưa vào để đóng các dòng trong MIKE 21. Một cách khác để sử dụng kết nối khô là gán cho các ô lưới là đất cao, mà tùy thuộc vào độ phân giải của lưới tính có thể chưa mô tả được. Kết nối khô cũng được sử dụng để mô tả các dải phân cách hẹp trong đồng ruộng ví dụ như đê bối, đường, ... và khi đó thay vì sử dụng một chuỗi các ô lưới được định nghĩa là đất cao thì nên sử dụng chuỗi các kết nối khô.
Sử dụng các kết nối trên đây ta có thể dễ dàng liên kết hai mạng lưới tính trong mô hình 1 chiều và 2 chiều với nhau. Khi chạy mô hình, để coupling chúng, MIKE FLOOD cung cấp 3 kiểu coupling sau đây tùy thuộc vào mục đích sử dụng mô hình:
- Coupling động lực: các kết nối sẽ chỉ chuyển các thông tin và thủy động lực (cần thiết cho các tính toán trong MIKE 11 và MIKE 21)
- Coupling truyền tải chất: các kết nối chỉ truyền các thông tin liên quan đến các quá trình vận tải và khuyếch tán (cần thiết cho các tính toán trong MIKE 11 và MIKE 21)
- Coupling cả động lực và truyền tải chất.
Các lựa chọn này sẽ được người sử dụng dễ dàng lựa chọn thông qua các hộp thoại trong mô hình.