Phân tích lựa chọn mô hình toán mô phỏng dòng chảy và diễn biến lòng dẫn khu vực cửa lấy nước

Một phần của tài liệu Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn đề xuất vị trí hợp lý của cửa lấy nước vào sông Đáy đảm bảo yêu cầu cấp nước và tạo dòng chảy thường xuyên cho sông Đáy (Luận án tiến sĩ) (Trang 67 - 75)

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN LỰA CHỌN VỊ TRÍ LẤY NƯỚC HỢP LÝ ĐẢM BẢO YÊU CẦU LẤY NƯỚC MÙA KIỆT VÀ THOÁT LŨ

2.2 Cơ sở lý thuyết dòng phân tầng/dòng dị trọng tại khu vực cửa lấy nước 50

2.2.2 Phân tích lựa chọn mô hình toán mô phỏng dòng chảy và diễn biến lòng dẫn khu vực cửa lấy nước

Để tính toán thủy lực mô phỏng đánh giá diễn biến lòng dẫn khu vực cửa vào sông Đáy và xác định vị trí hợp lý của cửa lấy nước vào sông Đáy, đảm bảo yêu cầu lấy nước và tạo dòng chảy thường xuyên cho sông Đáy, luận án sử dụng phương pháp mô hình toán thủy lực 1chiều và 3 chiều để mô phỏng khu vực nghiên cứu.

Trên thế giới việc nghiên cứu, áp dụng các mô hình thủy văn, thủy lực trong việc diễn toán dòng chảy trong sông đã được sử dụng khá phổ biến, nhiều mô hình đã được xây dựng và áp dụng cho dự báo lũ cho hệ thống sông, vận hành hồ chứa hay các công trình thủy lợi phục vụ cho công tác quy hoạch phòng lũ, quản lý hiệu quả hệ thống thủy lợi.

57

Với sự phát triển của khoa học công nghệ đặc biệt là sự trợ giúp của máy tính, rất nhiều mô hình thủy lực hiện nay đã được áp dụng rộng rãi và cho hiệu quả để diễn toán dòng chảy trong hệ thống sông.

Hiện nay ở nước ta một số mô hình đã được áp dụng như: WENDY, FWQ86M, MEKSAL, MASTER MODEL, SOGREAH, VRSAP, KOD, HECRAS, MIKE11, EFDC, DEFT3D, MIKE21C, MIKE21FM…trong đó MIKE11 và MIKE2FM đã và đang được áp dụng rộng rãi và cho hiệu quả tốt đối với tình hình sông ngòi thực tế tại Việt Nam.

Trong các mô hình 1 chiều có khả năng mô phỏng thủy lực mạng lưới sông có mô hình MIKE11 do DHI Water & Environment phát triển. Là một gói phần mềm có khả năng 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.

Là 1 mô hình động lực, một chiều 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, MIKE11 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 khác.

Mô-đun thủy động lực (HD) là một phần trọng tâm của gói các ứng dụng của mô hình MIKE11. Trọn gói các ứng dụng của nó bao gồm dự báo lũ, tải khuyếch tán, chất lượng nước và các mô-đun vận chuyển bùn lắng không có cố kết. Mô-đun MIKE11 HD giải các phương trình tổng hợp theo phương đứng để đảm bảo tính liên tục và động lượng (momentum), nghĩa là giải phương trình Saint Venant. Mô-đun ST có khả năng mô phỏng vận chuyển bùn cát trong sông, diễn biến đáy lòng dẫn theo chiều dọc sông dựa trên mô-đun HD là mô-đun chính của mô hình. Có rất nhiều công thức để tính toán sự truyền tải bùn cát trong mô-đun MIKE11ST, có phương pháp sử dụng cho toàn bộ bùn cát như công thức của Engelund – Hansen, Ackers – White, Smart – Jaeggi, có phương pháp phân biệt bùn cát đáy và bùn cát lơ lửng như công thức của Engelund – Fredsoe, Van Rijn, Ashida và Michiue Model…. Tùy thuộc đặc điểm hệ thống sông mà ta có thể lựa chọn các công thức khác nhau.

58

Với những ưu điểm của mô hình MIKE11, mô hình đã được sử dụng trong nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi vào thực tiễn ở Việt Nam. Trường Đại học Thủy Lợi đã ứng dụng mô hình MIKE11 trong việc nghiên cứu cơ sở khoa học cho việc xóa bỏ khu chậm lũ sông Hồng, sông Đáy và sông Hoàng Long, và nhiều đề tài, dự án khác nữa.

Trong các mô hình 2 chiều đã và đang được sử dụng tại Việt Nam hiện nay thì mô hình MIKE 21FM được xây dựng và kết hợp các kỹ thuật mô hình mới sử dụng cách tiếp cận lưới phi cấu trúc (lưới tam giác) cho kết quả khá tốt. 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 21FM là phần mềm kỹ thuật chuyên nghiệp để tính toán dòng chảy, sóng, vận chuyển trầm tích và sinh thái học trong sông, hồ, cửa sông, vịnh, các vùng biển ven bờ và biển ngoài khơi. MIKE 21FM cung cấp môi trường thiết kế hoàn chỉnh và có hiệu quả cho các ứng dụng kỹ thuật, quản lý tổng hợp vùng bờ và lập kế hoạch. Sự kết hợp giữa giao diện đồ họa dễ sử dụng với kỹ thuật tính toán có hiệu quả đã tạo ra một công cụ hữu ích cho các nhà quản lý cũng như nhà thiết kế công trình trên toàn thế giới.

Mô hình dòng chảy này được xây dựng dựa trên phương pháp lưới phần tử hữu hạn.

Mô hình được phát triển bằng việc tìm nghiệm số của hệ các phương trình Navier- Stokes hai chiều trung bình Reynolds cho chất lỏng không nén, kết hợp với giả thiết Boussinsq và giả thiết về áp suất thuỷ tĩnh. Do đó, mô hình bao gồm các phương trình: Phương trình liên tục, phương trình động lượng, phương trình truyền nhiệt, phương trình bảo toàn muối và mật độ. Hệ các phương trình này được khép kín bởi sơ đồ khép kín rối. Mô-đun thuỷ lực là thành phần quan trọng nhất trong toàn kết cấu của mô hình MIKE 21FM, cung cấp các đặc trưng cơ bản về thuỷ động lực cho mô-đuyn truyền tải và mô-đuyn sinh thái.

Hiện có nhiều mô hình thủy động lực có khả năng tính toán mô phỏng vận chuyển bùn cát và dự báo diễn biến trên các lòng dẫn sông ngòi trong đó có thể kể đến HEC-6 (1D), GSTAR (1, 2D), bộ mô hình SMS (1, 2D), DELF, bộ mô hình MIKE (11, 21, 3), TREM (2D), CCHE2D, HSCTM2D,… và trong số đó có nhiều mô hình đã và đang được ứng dụng rộng rãi ở trên thế giới và cả ở Việt Nam.

59

Khu vực cửa lấy nước có chế độ dòng chảy phức tạp, thường hình thành dòng phân tầng. Chính vì vậy, việc mô tả dòng chảy phải xem xét trên cả chiều dọc, chiều ngang và chiều sâu. Mô hình MIKE21 FM chưa mô phỏng được theo chiều sâu.

Mô hình MIKE 3 Flow Model FM mô phỏng dòng chảy 3 chiều và những vấn đề liên quan đến bùn cát cũng như chất lượng nước,...Dòng chảy đoạn sông cong chịu tác dụng của lực hướng tâm. Dòng chảy trong sông được chia theo các lớp tính toán khác nhau, do đó mô phỏng cụ thể được các hệ số nhớt rối và ma sát của lòng dẫn, mô phỏng được dòng chảy xoắn ba chiều đoạn sông cong với việc sử dụng lưới phi cấu trúc. Phiên bản lưới Flexible Mesh sử dụng phương pháp dung tích hữu hạn tập trung ô lưới giải phép toán rời rạc của phương trình dòng chảy và phương trình vận chuyển.

Trên hướng nằm ngang (toạ độ Cartesian hoặc toạ độ không gian) sử dụng lưới phi cấu trúc, bao gồm các phần tử tam giác và tứ giác. Sử dụng lưới phi cấu trúc với độ linh hoạt tối đa cho nhiều mức phân giải khác nhau cho mô hình. Trên hướng thẳng đứng, sử dụng cấu trúc phân tầng với lưới tích hợp dòng chảy bề mặt. Theo chiều đứng các phần tử được chia có cấu trúc dựa theo cao trình, địa hình hoặc kết hợp cả hai mức sigma và z-level giúp mô tả dòng chảy được chia tầng phức tạp một cách tốt hơn.

Mô hình MIKE 3 Flow Model FM trong bộ mô hình MIKE là mô hình số trị 3 chiều được ứng dụng để mô phỏng các biến động 3 chiều của mực nước và dòng chảy trong hồ, cửa sông, vịnh, khu vực ven biển.

Mô hình MIKE 3Flow Model FM: đây là mô hình phát triển dựa trên các nghiên cứu khoa học gần đây, tính toán dòng chảy và bùn cát 3 chiều (3D). Hệ thống này có thể mô phỏng rất tốt sự phân bố dòng chảy và bùn cát theo không gian 3 chiều, rất thích hợp để nghiên cứu với độ chính xác cao bài toán bồi, xói lở ở các đoạn sông và đặc biệt rất thích hợp để áp dụng cho các vấn để xói lở của các đoạn sông cong, cửa sông và ven biển,…

Mô hình MIKE3 Flow Model FM được xây dựng và kết hợp các kỹ thuật mô hình mới sử dụng cách tiếp cận lưới phi cấu trúc hoặc lưới hình vuông. 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.

60 MIKE 3 Flow Model FM bao gồm các modul sau:

- Modul thuỷ động lực (Hydrodynamics HD): Modul HD mô phỏng biến đổi mực nước và dòng chảy theo các phương trình lực khác nhau. Nó bao gồm một loạt các hiện tượng thuỷ lực trong mô phỏng và có thể sử dụng cho mô phỏng dòng chảy tự do 3 chiều;

- Modul truyền tải (Advection-DispersionAD): Mô phỏng vận chuyển, tải khuếch tán của các chất hoà tan và chất lơ lửng. Chủ yếu sử dụng tính toán làm lạnh nước và theo dõi ô nhiễm;

- Modul sinh thái (Ecological Modelling EL);

- Modul vận chuyển bùn cát (MT, PT, SA, ST);

+ Mud Transport MT: Mô hình tính toán nhiều tầng và nhiều phần tử mô tả xói, bồi và vận chuyển bùn (bùn cát kết dính);

+ Particle Tracking PT: Mô tả chuyển động của những chất lơ lửng và hoà tan. Được sử dụng để phân tích rủi ro, tai nạn tràn hoặc giám sát nạo vét,…;

+ Spill Analysis SA: Mô phỏng sự lan toả và tràn của các chất lơ lửng và được sử dụng cho mô phỏng dự báo tràn dầu, các kịch bản tràn dầu,…;

+Sand TransportST: Mô hình vận chuyển bùn cát theo không gian 3 chiều.

Modul thuỷ lực là thành phần quan trọng nhất trong toàn kết cấu của mô hình MIKE3Flow Model FM, cung cấp các đặc trưng cơ bản về thuỷ động lực cho modul truyền tải và modul sinh thái. Trong MIKE3Flow Model FM, modul thuỷ động lực được áp dụng cho việc nghiên cứu một loạt các hiện tượng quan trọng liên quan tới sự thay đổi thuỷ lực dòng chảy 3 chiều.

Cơ sở toán học của mô hình thuỷ động lực là giải phương trình Navier Stokes với chất lỏng không nén được trong nước nông và phương pháp xấp xỉ Boussinesq. Với mô hình 3 chiều, các phương trình mô phỏng như sau:

Phương trình liên tục:

61

u v w S

x y z

   

   (2.24) Phương trình động lượng theo phương x và phương y:

2

0

0 0

w 1

1

a

xx xy

u t s

z

p

u u vu u

fv g

t x y z x x

s s

g u

dz F v u S

x h x y z z

 

        

     

  

          

2

0

0 0

wv 1

1

a

yx yy

v t s

z

p

v v uv

fu g

t y x z y y

s s

g v

dz F v v S

y h x y z z

 

          

     

 

 

          

(2.25)

Trong đó:

t: Thời gian (s);

x, y, z: Các tọa độ Descartes ; η: Cao trình mực nước (m) ; d: Độ sâu dòng chảy (m) ;

h= η + d là tổng độ sâu dòng chảy ;

u, v, w: Vận tốc dòng chảy theo hướng x, y, z (m/s) ; f=2sin là tham số coriolis;

g: Gia tốc trọng trường (m2/s);

ρ: Tỷ trọng của nước;

o: Mật độ tiêu chuẩn;

pa: Áp suất khí quyển;

S: Độ lớn của lưu lượng do các điểm nguồn và (us,vs) là vận tốc của dòng lưu lượng đi vào miền tính.

Ứng suất tiếp đáy b bx,by

được xác định theo định luật ma sát bậc hai.

62

b b f

b c uu

0

(2.26) Với cf là hệ số kéo và ub ub,vb

là vận tốc dòng chảy sát đáy. Vận tốc ma sát liên đới với ứng suất đáy theo công thức:

Ubcf ub 2 (2.27) Với các tính toán hai chiều ub

là vận tốc trung bình theo độ sâuvà hệ số kéo có thể được xác định từ số Chezy C hay số Manning M:

C2

cfg (2.28)

Mhg162

cf  (2.29)

Với các tính toán ba chiều hệ số cf được tính toán như sau:

2

0

1 1 ln

f

b

c

z

K z

  

  

  

 

(2.30)

Với K là hằng số Kaman, K = 0,4,Z0 là độ cao nhám Z0=mks. Hệ số nhám M được xác định theo công thức sau :

25.41/6

s

Mk (2.31) Các công thức tính toán vận chuyển bùn cát trong mô hình MIKE3Flow Model FM như sau :

- Tính toán bùn cát tổng cộng: Công thức Engelund – Hansen (1972)

- Tính toán bùn cát đáy và bùn cát lơ lửng: Công thức của Engelund – Fredsoe (1976);

công thức của Van Rijn (1984)

- Tính toán bùn cát đáy công thức của Meyer Peter and Mueller (1948) Điều kiện ổn định của mô hình

Để sơ đồ sai phân hữu hạn ổn định và chính xác, cần tuân thủ các điều kiện:

- Địa hình phải đủ tốt để mực nước và lưu lượng được giải một cách thoả đáng.

63

Giá trị tối đa cho phép đối với ∆x phải được chọn trên cơ sở:

- Điều kiện Courant dưới đây có thể dùng như một hướng dẫn để chọn bước thời gian sao cho đồng thời thoả mãn được các điều kiện trên.

Phương trình nước nông trong toạ độ Đề các số CFL (Courant - Friedrich-Lesvy) được xác định như công thức sau:

   

y v t x gh

u t gh CFLHD

 

 

 

 (2.32)

Trong đó:

H: Độ sâu mực nước (m);

u và v: Thành phần lưu tốc theo phương x, y (m/s);

g: Gia tốc trọng trường;

Δx, Δy: Độ dài đặc trưng theo phương x,y;

Δt: Độ lớn bước thời gian (s).

Độ dài đặc trưng Δx, Δy được lấy xấp xỉ bằng chiều dài biên nhỏ nhất cho mỗi phần tử, độ sâu và thành phần vận tốc được đánh giá ở trung tâm phần tử.

Từ các nhận xét trên luận án sử dụng mô hình thủy lực 1 chiều MIKE11 và 3 chiều MIKE3FM với các modul HD và ST để tiến hành nghiên cứu diễn biến lòng dẫn và đề xuất vị trí hợp lý của cửa lấy nước vào sông Đáy.

Để mô hình ổn định và chính xác theo điều kiện Courant thì bước thời gian mô phỏng phải phù hợp với kích thước của mắt lưới. Việc hiệu chỉnh bộ thông số của mô hình thuỷ lực được thực hiện chủ yếu qua việc thay đổi hệ số nhám Manning, hệ số nhớt của dòng xoáy,…

Số Counrant có quan hệ chặt chẽ với bước thời gian tính toán, độ sâu điểm tính và kích thước ô lưới. Nó rất cần thiết trong việc lựa chọn bước thời gian lớn nhất cho mô hình

64

nhằm giảm thời gian chạy cho mỗi trường hợp mà vẫn đảm bảo độ chính xác và ổn định của mô hình.

Kết quả tính toán được đánh giá bởi chỉ tiêu đánh giá sai số dưới đây:

- Sai số đỉnh lũ: ∆H = Hđtt - Hđtđ

- Sai số của đường quá trình (dùng chỉ tiêu Nash- sutcliffe):

 

 

T

t

td td

T

t

td tt

t X t X

t X t X NASH

1 1

2

) ( ) (

) ( ) (

1 (2.33)

Trong đó:

- ∆H:Chênh lệch mực nước đỉnh lũ;

- Hđtt: Mực nước đỉnh lũ tính toán từ mô hình Mike 3 Flow Model FM;

- Hđtđ: Mực nước đỉnh lũ thực đo (hoặc tính toán từ mô hình một chiều Mike11);

- Xtt(t): Giá trị tính toán từ mô hình MIKE 3 Flow Model FM;

- Xtd(t): Giá trị thực đo;

- Xtd(t): Giá trị thực đo trung bình;

T

t td

td X t

t T X

1

) 1 (

)

( (2.34)

- T: Số thời đoạn tính toán.

Một phần của tài liệu Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn đề xuất vị trí hợp lý của cửa lấy nước vào sông Đáy đảm bảo yêu cầu cấp nước và tạo dòng chảy thường xuyên cho sông Đáy (Luận án tiến sĩ) (Trang 67 - 75)

Tải bản đầy đủ (PDF)

(181 trang)