GIỚI THIỆU MÔ HÌNH MIKE 11, MIKE 21FM

CHƯƠNG III: GIỚI THIỆU VÀ THIẾT LẬP MÔ HÌNH MÔ HÌNH MIKE 11,

3.2. GIỚI THIỆU MÔ HÌNH MIKE 11, MIKE 21FM

MIKE 11 do DHI Water & Environment phát triển, là một gói phần mềm dùng để mô phỏng dòng chảy/ lưu lượng, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát ở các cửa sông, sông, kênh tưới và các vật thể nước khác.

MIKE 11 là mô hình động lực một chiều và thân thiện với người sử dụng nhằm phân tích chi tiết, thiết kế, quản lý, vận hành cho sông cũng như 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, MIKE 11 cung cấp một môi trường thiết kế hữu hiệu về kỹ thuật công trình, tài nguyên nước, quản lý chất lượng nước và các ứng dụng quy hoạch.

Mô-đun thủy động lực (HD) là một phần trọng tâm của mô 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 cát không, có cố kết.

3.2.2 Hệ ph ơng trình Saint Venant và thu t toán trong mô hình th y l c MIKE11.

a Hệ Ph ơng trình Saint Venant

Hệ phương trình sử dụng trong mô hình là hệ phương trình Saint Venant, viết ra dưới dạng thực hành cho bài toán một chiều không gian, tức quy luật diễn biến của độ cao mặt nước và lưu lượng dòng chảy dọc theo chiều dài dòng sông/kênh và theo thời gian.

Hệ phương trình Saint Venant gồm hai phương trình: phương trình liên tục và phương trình động lượng:

Phương trình liên tục:

t q A x

Q 







 (1)

Phương trình đ ng lượng:

0

2 

 

 



 





R C

V V x V V g t V g x

h   (2)

Trong đó:

B: Chiều rộng mặt nước ở thời đoạn tính toán (m) h: Cao trình mực nước ở thời đoạn tính toán (m) t: Thời gian tính toán (giây)

Q: Lưu lượng dòng chảy qua mặt cắt (m3/s) V: Tốc độ nước chảy qua mặt cắt ngang sông.

X: Không gian (dọc theo dòng chảy) (m)

: Hệ số phân bố lưu tốc không đều trên mặt cắt A: Diện tích mặt cắt ướt (m2)

q: Lưu lượng ra nhập dọc theo đơn vị chiều dài (m2/s) C: Hệ số Chezy, được tính theo công thức: Ry

C  n1 n: Hệ số nhám

R: Bán kính thu lực (m)

y: Hệ số, theo Maning y=1/6 g: Gia tốc trọng trường = 9,81 m/s2

: Hệ số động năng

3.2.2. Tổng quan về mô hình MIKE 21 a. Xu t xứ và c u trúc c a mô hình

Mô hình MIKE 21FM (MIKE 21 Flow Model FM) là mô hình thủy lực hai chiều thuộc họ phần mềm Mike, được xây dựng và phát triển bởi Viện Thủy Lực Đan Mạch (DHI) từ cuối những năm 90. Mô hình MIKE 21FM đã có mặt tại Việt Nam vào tháng 11 năm 2005 qua con đường chuyển giao công nghệ giữa DHI và Viện Quy hoạch Thủy Lợi. MIKE 21 là một phần mềm kỹ thuật chuyên dụng do Viện Thu lực Đan Mạch (DHI) xây dựng và phát triển ,được ứng dụng để mô phỏng các biến động 2 chiều của mực nước và dòng chảy trong hồ, cửa sông, vịnh, khu vực ven và ngoài biển.

Mô hình MIKE 21 Flow Model FM được xây dựng và kết hợp các kỹ thuật mô hình mới sử dụng cách tiếp cận lưới phi cấu trúc(lưới tam giác) . Kỹ thuật này đã và đang được phát triển cho các ứng dụng liên quan đến môi trường cửa sông, khu vực ven biển, đại dương và tràn lũ trong đất liền.

MIKE 21 Flow Model FM bao gồm các modul sau:

• Modul thu lực (HD);

• Modul truyền tải (ST);

• Modul sinh thái (EL).

Modul thu lực là thành phần quan trọng nhất trong toàn kết cấu của mô hình MIKE 21 Flow Model FM, cung cấp các đặc trưng cơ bản về thu động lực cho modul truyền tải và modul sinh thái.

b. Mô hình MIKE 21 Flow Model được xây dựng dựa trên phương pháp tìm nghiệm số của hệ phương trình Navier-Stock với chuyển động trung bình viết cho chất lỏng không nén được, trong đó hệ số nhớt phân tử được thay bằng các hệ số nhớt rối Reynold và dựa trên các giả thiết của Boussinesq và áp lực thu tĩnh. Do đó, mô hình bao gồm phương trình liên tục, động lượng, nhiệt, muối và phương trình trạng thái .

Ph ơng trình liên tục

z S w y v x

u 











 (3.1)

Ph ơng trình động l ng t ơng ứng theo thành phần x và y

S z u

v u F z

x dz g

x p g x

z fv wu y

vu x

u t u

s t

z u

a 



 











 

 

 



 



 

 













     

0 0

2 1

(2.32)

S z v

v v F z

y dz g

y p g y

z fu wv x

uv y v t v

s t

z v

a 



 











 

 

 



 



 

 













     

0 0

2 1

(3.2) Trong đó: t: là thời gian

x,y và z: là tọa độ đề các

: là cao độ bề mặt d: là độ sâu

h=+d là tổng độ sâu

u,v và w: là thành phần tốc độ theo phương x,y và z

f=2 sin là thông số Coriolis ( là tốc độ góc quay, và  là vĩ độ địa phương)

g: là gia tốc trọng trường

: là mật độ

vt: tốc độ nhiễu theo phương thẳng đứng pa: là áp suất khí quyển

o: là mật độ tham chiếu S: là độ lớn lưu lượng nguồn +us, vs: là tốc độ



 



 



 















 



 











 

x v y A u y A x

Fu x 2



 











 



 



 

 















 

y A v y x

v y A u

Fv x 2

Trong đó: A: là xoáy nhớt theo phương nằm ngang Trạng thái biên mặt và đáy đối với u,v và w được tính theo:

At z=

0

 

 







 w

v y x t







 sx sy

vt

z v z

u  

 ,

, 1

0





 













At z=-d

0

 

 



 w

y v d x d

 bx by

vt

z v z

u  

 ,

, 1

0





 













Trong đó:bx,by và bx,by là thành phần ứng suất gió bề mặt và ứng suất đáy.

Tổng độ sâu, h có thể nhận được từ trạng thái biên động học ở mặt. Một trường tốc độ được xác định từ phương trình mô men và phương trình liên tục. Tuy nhiên, một

công thức đầy đủ hơn nhận được bằng cách tích phân theo phương thẳng đứng của phương trình liên tục.

E P y hS

v h x

u h t

h   













Trong đó: P và E là tốc độ bốc hơi và mưa, đặc biệt u và v là tốc độ trung bình theo độ sâu.

Chất lỏng được xem là không nén được. Vì vậy mật độ  không phụ thuộc vào áp suất mà chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ T và độ mặn s qua công thức trạng thái:

=(T,s)

Ứng suất nội tại Tij (nhớt phần tử và nhớt rối) bao gồm ma sát do nhớt, do xoáy và bình lưu vi phân. Các giá trị này được xác định bằng công thức nhớt rối dựa trên gradient vận tốc trung bình tính theo độ sâu.

2 , , 2

x x

xx xy xy

u u v v

T A T A T A

y y

 

   

        

c. Phạm vi ứng dụng và ưu điểm của MIKE21FM

- MIKE21FM được xây dựng theo cấu trúc modul (các modul có thể hoạt động độc lập) theo từng lĩnh vực ứng dụng và có phần mềm trợ giúp cho việc chuẩn bị số liệu đầu vào, phân tích xử lý và hiển thị các kết quả tính toán.

Một số ưu điểm:

- MIKE21FM tính toán vùng nghiên cứu được mô phỏng địa hình qua lưới phần tử hữu hạn nên có độ chính xác cao hơn hẳn những mô hình mô phỏng qua lưới tính hình vuông. Điều này rất hữu ích đối với những đoạn sông cong, những đoạn có bãi bồi.

- MIKE21FM áp dụng phương pháp sai phân hữu hạn và phương pháp giải thông dụng hiệu quả đó là kỹ thuật ADI (Alternating Direction Implicit) để giải các phương trình bảo toàn khối lượng và động lượng trong miền không gian và thời

gian, các ma trận phương trình kết quả đối với mỗi hướng và bước tính toán đựơc giải bằng thuật giải quét đúp (Double sweep).

- Nghiên cứu chế độ thủy lực tổng thể trên toàn đoạn sông và chi tiết tại từng vị trí. Bao gồm những đặc trưng về mực nước, lưu lượng, vận tốc dòng chảy và phân bố của chúng theo phương ngang. Đặc biệt là khả năng tính toán dòng chảy ở những đoạn sông có chế độ thủy động lực phức tạp, đặc biệt cả với vùng chịu ảnh hưởng của thủy triều.

- Tính toán biến hình lòng dẫn (xói, bồi lòng sông) và xói lở bờ sông trong trạng thái tự nhiên cũng như khi có các công trình xây dựng trên sông.

- Mô hình MIKE21FM sử dụng phương pháp lưới phần tử hữu hạn (còn gọi là lưới mềm dẻo, linh hoạt – Flexible mesh) để giải các mô hình thủy động lực học dòng không ổn định là lựa chọn tối ưu cho các vùng có địa hình phức tạp, có chịu tác động của các công trình trên sông và chịu ảnh hưởng của dòng triều.

Đ ổn định, chính xác của mô hình và chỉ tiêu đánh giá sai số

Độ ổn định và chính xác của mô hình được xác định theo điều kiện Courant cụ thể như sau:

Phương trình nước nông trong tọa độ ĐềCác số CFL(courant-Friedrich-Lévy) được xác định như sau:

   

y v t x gh

u t gh CFLHD



 

 

 



Trong đó : h là toàn bộ độ sâu mực nước

u và v thành phần lưu tốc theo phương x, y g là gia tốc trọng trường

∆x, ∆y là độ dài đặc trưng theo phương x, y

∆t độ lớn bước thời gian

3.3. THIẾT LẬP MÔ HÌNH MIKE 11, MIKE 21FM CHO CÁC TUYẾN TUYẾN SÔNG THUỘC TỈNH HÀ NAM

3.3.1. Thiết lập mô hình thủy lực MIKE11 tính toán thủy lực hệ thống sông . Các tuyến sông thuộc tỉnh Hà Nam nằm trong hệ thống sông Hồng –Sông Thái Bình do vậy khí thiết lập hệ thống phải gắn chặt với toàn bộ hệ thống sông Hồng, sông Thái Bình.

Việc nghiên cứu tính toán chế độ thủy lực sông Thái Bình có liên quan chặt chẽ đến chế độ thủy lực của toàn mạng sông Hồng, do đó khi tính toán chúng tôi tiến hành tính toán cho toàn bộ mạng sông Hồng và sông Thái Bình. Tài liệu địa hình được sử dụng trong tính toán là tài liệu thực đo trong các năm từ 1998-2000 do Viện Quy hoạch Thu Lợi và Đoàn Khảo sát Sông Hồng đo đạc. Bộ tài liệu bao gồm 1187 mặt cắt của 47 sông chính thuộc hệ thống sông Hồng – Thái Bình đã được nhiều cơ quan khoa học sử dụng như bộ tài liệu chuẩn cho mô phỏng thủy động lực. Trong đó có bổ sung cập nhật một số số liệu địa hình đo đạc mới. Sơ đồ mạng sông đưa vào tính toán như sau:

Hình 3.1: Sơ đồ mạng thủy lực sông Hồng – Sông Thái Bình 3.3.1.1. Tài liệu địa hình:

Tài liệu địa hình được sử dụng trong tính toán là tài liệu thực đo trong các năm từ 1998 – 2000 do Viện Quy hoạch Thu Lợi và Đoàn Khảo sát Sông Hồng đo đạc. Bộ tài liệu bao gồm 1187 mặt cắt của 47 sông chính thuộc hệ thống sông Hồng – Thái Bình đã được nhiều cơ quan khoa học sử dụng như bộ tài liệu chuẩn cho mô phỏng thủy động lực. Trong đó có bổ sung cập nhật một số số liệu địa hình đo đạc mới như sau:

 Số liệu 15 mặt cắt trên sông Lô đo tháng 1 và tháng 2/2008.

 Số liệu 94 mặt cắt đoạn sông Hồng qua Hà Nội đo năm 2006,

 Số liệu mới đo đạc các sông trên địa bàn tỉnh Hải Dương vào tháng 7/2009.

 Số liệu mới đo đạc thuộc dự án nạo vét sông Hoàng Long do trường Đại học Thủy lợi thực hiện năm 2009.

 Số liệu mới đo đạc thuộc dự án nạo vét sông Đáy do trường Đại học Thủy lợi thực hiện năm 2009, 2010.

 Số liệu mới đo đạc trên các sông thuộc địa bàn tỉnh Hà Nam thực hiện vào tháng 8/2011.

 Số liệu mới đo đạc trên các sông thuộc địa bàn tỉnh Nam Định thực hiện vào tháng 4/2011.

 Số liệu địa hình các bối thuộc địa bàn tỉnh Hà Nam đo đạc năm 2011.

 Số liệu đo đạc trên sông Đáy năm 2008, 2011.

Đây là bộ số liệu khá hoàn chỉnh và đồng bộ, khoảng cách đo đạc giữa các mặt cắt ngang biến đổi trong phạm vi từ 2-4 km. Tất cả các mặt cắt đã được kiểm tra về mốc cao độ và kiểm tra về vị trí. Ngoài ra, trong mô hình các cầu qua sông cũng được đưa vào mạng sông tính toán.

3.3.1.2. Tài liệu hí t ng th y v n

Để xây dựng mô hình thủy lực lũ cho sông Hồng – Thái Bình, trận lũ lớn tháng VIII/1996 (từ ngày 9 đến ngày 28 tháng VIII ) và trận lũ VIII/2002 (từ ngày 14 đến ngày 24 tháng 8) được chọn để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình. Tài liệu khí tượng, thủy văn được thu thập và phân tích gồm:

- Tài liệu lưu lượng tại các trạm được chọn làm biên trên.

- Tài liệu mực nước tại các trạm được chọn làm biên dưới của mô hình: Tài liệu về mực nước của tất cả các cửa sông vùng hạ lưu được lấy dựa trên tài liệu thực đo tại trạm Hòn Dấu truyền vào 9 cửa sông.

- Mực nước và dòng chảy tại một số trạm trong hệ thống được sử dụng để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình.

- Tài liệu mưa và các tài liệu khí tượng khác cũng được thu thập để tính toán dòng chảy nhập lưu và cho các sông không có tài liệu đo lưu lượng, mực nước.

Kết quả tính toán mực nước và lưu lượng từ mô hình MIKE11 sẽ được so sánh với các giá trị thực đo tại các trạm để kiểm định và xác định bộ thông số của mô hình thủy lực.

Tài liệu tại các trạm trong lưu vực được cung cấp bởi Trung tâm tư liệu.

Các trạm dùng để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình được thống kê trong bảng sau:

Bảng 3.1: Các trạm thủy văn dùng để hiệu chỉnh và kiểm định thông số mô hình MIKE11

TT Tên trạm Tên sông Vị trí (m)

1 Trung Hà Đà 56168

2 Việt Trì Hồng 11514

3 Sơn Tây Hồng 29173

4 Hà Nội Hồng 78736

5 Hưng Yên Hồng 140201

6 Phủ Lý Đáy 128662

7 Thượng Cát Đuống 3662

8 Bến Hồ Đuống 29616

9 Triều Dương Luộc 5512,9

10 Chanh Chữ Luộc 49988

11 Đáp Cầu Cầu 102507

12 Phả Lại Thái Bình 3948

13 Cát Khê Thái Bình 11010

14 Phú Lương Thái Bình 27807

15 Trực Phương Ninh Cơ 5207

16 Quyết Chiến Trà Lý 2000

17 Nam Định Đào 5133

18 Bến Bình Kinh Thầy 9226

19 Quảng Đạt Lai Vu 14552

20 Gián Khẩu Hoàng Long 59240

3.3.1.3. Biên tính toán

Biên của bài toán, căn cứ vào sơ đồ tính toán, tình hình tài liệu thu thập được, các biên được sử dụng tính trong mô hình bao gồm:

Biên trên c a mô hình:

Với mạng sông tính toán đã được xác định ở trên, biên trên của mô hình thủy lực là quá trình lưu lượng theo thời gian Q = f(t) tại các vị trí như sau:

Tại Yên Bái trên sông Thao ( FLV = 48.000 km2)

Tại hạ lưu công trình hồ chứa Hòa Bình trên sông Đà (FLV = 51.800 km2) Tại Na Hang trên sông Gâm ( FLV = 12.690 km2)

Tại hạ lưu công trình hồ chứa Thác Bà trên sông Chảy (FLV = 6.170 km2) Tại trạm Thủy văn Hàm Yên trên sông Lô (FLV = 11.900 km2)

Tại hạ lưu đập Liễn Sơn trên sông Phó Đáy (FLV = 1.223 km2) Tại Bến Mắm trên sông Tích (FLV = 0 km2)

Tại Hưng Thi trên sông Hoàng Long (FLV = 664 km2)

Tại trạm thủy văn Cầu Sơn trên sông Thương ( FLV = 2.330 km2) Tại trạm thủy văn Chũ trên sông Lục Nam ( FLV = 980 km2) Tại trạm thủy văn Thác Bưởi trên sông Cầu ( FLV = 2.220 km2)

Biên dọc sông c a mô hình:

Biên dọc của mô hình là các đường quá trình lưu lượng Q = f(t) gia nhập khu giữa được tính toán bằng mô hình thủy văn (mô hình NAM). Chi tiết xem phụ lục báo cáo.

Biên d ới c a mô hình:

Biên dưới: là quá trình mực nước giờ tại các cửa sông trên hệ thống bao gồm Cửa Đỏy, Cửa Ninh Cơ; cửa Ba Lạt, cửa Trà Lý, cửa Thỏi Bỡnh, cửa Văn ệc, cửa

Lạch Tray, cửa Cấm, cửa Đá Bạch. Do thực tế hiện nay không có tài liệu mực nước thực đo ngay tại cửa sông vì các trạm đo mực nước đều cách cửa sông 6-10 km.

Mặt khác theo kết quả phân tích tương quan mực nước triều tại Hòn Dấu với mực nước các trạm cửa sông, thấy các hệ số tương quan rất cao ( = 0.96-0.99), nên trong mô hình đã nội suy mực nước giữa các trạm cửa sông với mực nước triều tại Hòn Dấu cho tất cả các biên mực nước.

Biên trên và biên dưới của mô hình MIKE11 tại các trạm được mô phỏng trong các hình vẽ phần báo cáo chuyên đề tính toán thủy văn.

3.3.2. Thiết lập mô hình thủy lực MIKE21

Xây dựng mô hình mô phỏng hai chiều đoạn sông nghiên cứu bao gồm thiết kế hệ thống lưới tính toán, thiết lập địa hình, xác định các điều kiện biên và xác định bộ thông số của mô hình sau khi tính toán hiệu chỉnh sự phù hợp giữa mô hình và thực tế.

3.3.2.1. Xác định phạm vi và miền tính toán c a mô hình Phạm vi tính toán của mô hình bao gồm có:

- Bình đồ sông Hồng t lệ 1:5000 đoạn qua Hà Nam đo năm 2006, đo bổ sung năm 2009, 2011.

- Địa hình sông Đáy đoạn qua Hà Nam đo năm 1999, cập nhật một số mặt cắt năm 2007, 2009 và 2011.

- Bản đồ đê điều tỉnh Hà Nam bao gồm các tuyến đê sông Hồng và đê sông Đáy t lệ 1:70000.

- Bản đồ DEM kích thước 30x30 m giới hạn tỉnh Hà Nam.

- Phạm vi tính toán của mô hình với các biên khống chế như sau:

o Biên cứng: là hệ thống đê bờ tả và bờ hữu dọc đoạn sông nghiên cứu.

o Biên hở th ng l u: được trích từ kết quả tính toán bằng mô hình thủy lực một chiều MIKE11. Biên này được biểu diễn dưới dạng quá trình đường lưu lượng theo thời gian tính toán Q t.

o Biên hở hạ l u: được trích từ kết quả tính toán bằng mô hình thủy lực một chiều MIKE11. Biên này được biểu diễn dưới dạng quá trình đường mực nước theo thời gian tính toán Q t.

3.3.2.2. Thiết l p l ới tính toán

Lưới tính được số hóa từ bình đồ sau đó được đưa vào phần mềm chuyển đổi tọa độ từ dạng .DWG sang dạng .XYZ. File địa hình của vùng nghiên cứu được thể hiện hình lưới. Lưới tính sau khi được tạo xong được đưa vào trong mô hình MIKE21FM để gắn các file đầu vào, gán các điều kiện biên, thay đổi các tham số được sử dụng trong mô hình cho phù hợp với bài toán thực tế và thực hiện tính toán dựa trên mô đun này.

Số liệu trận lũ tháng 8 năm 1996 để hiệu chỉnh và lũ năm 2002 để kiểm định, là 2 trận lũ lớn gần đây nhất để tính toán thủy lực và đánh giá diễn biến xói lở vùng nghiên cứu. Căn cứ vào phạm vi tính toán của mô hình, tiến hành thiết kế hệ thống lưới tính toán. Hệ thống lưới thiết kế phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Trong hệ thống lưới các tuyến lưới bám sát theo đường bờ sông.

- Mặc dù chiều rộng lòng sông và bãi sông thay đổi dọc sông, song khi thiết kế vẫn phải đảm bảo các ô liền kề nhau không có sự sai khác quá lớn về kích thước.

- Kích thước các ô không đồng đều do chiều rộng lòng sông và bãi sông thay đổi dọc sông, song không có sự sai khác lớn về kích thước giữa các ô kề nhau. Lưới tính toán ở trong lòng sông được chia mau hơn so với phần bãi sông. Khu vực nghiên cứu có các công trình giao thông là cầu Khả phong, Quế, Đọ Xá, Hồng Phú, Phủ Lý, Kiện Khê, Đoan Vĩ. Tác động làm co hẹp dòng chảy của hai cầu cũng được đưa vào mô hình.