4. Phạm vi và đối tượng nghiờn cứu:
3.1. Lựa chọn mụ hỡnh toỏn:
Vấn đề tớnh toỏn và nghiờn cứu khả năng lấy nước của cụng trỡnh bằng mụ hỡnh đó được nhiều nhà nghiờn cứu ở cỏc nước phỏt triển như Mỹ, Hà Lan, Anh quan tõm từ khoảng 40-50 năm trở lại đõy. Với thành tựu của khoa học và cụng nghệ được phỏt triển cực nhanh trong thời gian gần đõy, cụng nghệ tin học, thuỷ lực học và thuỷ văn học hiện đại đó gặp lại nhau ở nhiều mặt, mặc dự chưa phải là hoàn toàn đồng nhất.
Cỏc phương phỏp tớnh toỏn diễn biến mực nước, lưu lượng và xõm nhập mặn đầu tiờn thường sử dụng bài toỏn một chiều khi kết hợp với hệ phương trỡnh Saint - Venant. Những mụ hỡnh 1 chiều đó được xõy dựng do nhiều tỏc giả trong đú cú Ippen và Harleman (1971). Giả thiết cơ bản của cỏc mụ hỡnh này là cỏc đặc trưng dũng chảy và mật độ là đồng nhất trờn mặt cắt ngang. Ưu thế đặc biệt của cỏc mụ hỡnh loại một chiều là yờu cầu tài liệu vừa phải và nhiều tài liệu đó cú sẵn trong thực tế.
Năm 1971, Prichard đó dẫn xuất hệ phương trỡnh 3 chiều để diễn toỏn quỏ trỡnh xõm nhập mặn nhưng nhiều thụng số khụng xỏc định được. Hơn nữa mụ hỡnh 3 chiều yờu cầu lượng tớnh toỏn lớn, yờu cầu số liệu quỏ chi tiết trong khi kiểm nghiệm nú cũng cần cú những số liệu đo đạc chi tiết tương ứng. Vỡ vậy cỏc nhà nghiờn cứu buộc phải giải quyết bằng cỏch trung bỡnh hoỏ theo 2 chiều hoặc 1 chiều. Sanker và Fischer, Masch (1970) và Leendertee (1971) đó xõy dựng cỏc mụ hỡnh 2 chiều và 1 chiều trong đú mụ hỡnh 1 chiều cú nhiều ưu thế trong việc giải cỏc bài toỏn phục vụ yờu cầu thực tế tốt hơn.
Cỏc nhà khoa học cũng thống nhất nhận định rằng, cỏc mụ hỡnh 1 chiều thường hữu hiệu hơn cỏc mụ hỡnh sụng đơn và mụ hỡnh hai chiều. Chỳng cú thể ỏp dụng cho cỏc vựng cửa sụng cú địa hỡnh phức tạp gồm nhiều sụng, kờnh nối với nhau với cấu trỳc bất kỳ.
Dưới đõy thống kờ một số mụ hỡnh thủy lực, mặn thụng dụng trờn thế giới đó được giới thiệu trong nhiều tài liệu tham khảo:
*) Mụ hỡnh động lực cửa sụng FWQA: thường được đề cập đến trong cỏc tài liệu là mụ hỡnh ORLOB theo tờn gọi của Tiến sỹ Geral T. Orlob. Mụ hỡnh đó được ỏp dụng trong nhiều vấn đề tớnh toỏn thực tế. Mụ hỡnh giải hệ phương trỡnh Saint - Venant kết hợp với phương trỡnh khuếch tỏn và cú xột đến ảnh hưởng của thuỷ triều thay vỡ bỏ qua như trong mụ hỡnh khụng cú thuỷ triều. Mụ hỡnh được ỏp dụng đầu tiờn cho đồng bằng Sacramento - San Josquin, Califorlia.
Mụ hỡnh thời gian thuỷ triều của Lee và Harleman và của Thatcher và Harleman
Lee và Harleman(1971) và sau được Thatcher và Harleman cải tiến đó đề ra một cỏch tiếp cận khỏc, xõy dựng lời giải sai phõn hữu hạn đối phương trỡnh bảo toàn mặn trong một sụng đơn. Sơ đồ sai phõn hữu hạn dựng để giải phương trỡnh khuếch tỏn là sơ đồ ẩn 6 điểm. Mụ hỡnh cho kết quả tốt trong việc dự bỏo trạng thỏi phõn phối mặn tức thời cả trờn mụ hỡnh vật lý cũng như của sụng ngũi thực tế. *) Mụ hỡnh SALFLOW của Delf Hydraulics (Hà Lan)
Một trong những thành quả mới nhất trong mụ hỡnh hoỏ xõm nhập mặn là mụ hỡnh SALFLOW của Delf Hydraulics (Viện Thuỷ lực Hà Lan) được xõy dựng trong khuụn khổ hợp tỏc với Ban Thư ký Uỷ ban sụng Mờ Cụng từ năm 1987.
*) Mụ hỡnh MIKE 11
Là mụ hỡnh thương mại nổi tiếng thế giới do Viện Thuỷ lực Đan Mạch xõy dựng. Đõy thuộc lớp mụ hỡnh thuỷ lực và chất lượng nước loại một chiều (trường hợp riờng là xõm nhập mặn) một và hai chiều cú độ tin cậy rất cao, thớch ứng với cỏc bài toỏn thực tế khỏc nhau. Mụ hỡnh này đó được ỏp dụng rất phổ biến trờn thế giới để tớnh toỏn, dự bỏo lũ, chất lượng nước và xõm nhập mặn.
*) Mụ hỡnh ISIS (Anh)
Mụ hỡnh do cỏc nhà thuỷ lực Anh xõy dựng, thuộc lớp mụ hỡnh thuỷ lực một chiều kết hợp giải bài toỏn chất lượng nước và cú nhiều thuận lợi trong khai thỏc. Mụ hỡnh cũng được nhiều nước sử dụng để tớnh toỏn xõm nhập mặn.
*) Mụ hỡnh EFDC (Environmental Fluid Dynamic Code)
Mụ hỡnh được cơ quan Bảo vệ Mụi trường Mỹ (US EPA) phỏt triển từ năm 1980. Là mụ hỡnh tổng hợp dựng để tớnh toỏn thuỷ lực kết hợp với tớnh toỏn lan truyền chất 1, 2,3 chiều. Mụ hỡnh cú khả năng dự bỏo cỏc quỏ trỡnh dũng chảy, quỏ trỡnh sinh, địa hoỏ và lan truyền mặn.
Bảng 3- 1: Túm tắt một số mụ hỡnh toỏn thường được sử dụng ở Việt Nam
TT Tờn mụ hỡnh Tỏc giả, bản quyền Loại mụ hỡnh
1 VRSAP Nguyễn Như Khuờ 1 chiều ẩn
2 KOD01 Nguyễn Ân Niờn 1 chiều hiện
3 WENDY Delf Hydraulics , Hà Lan 1 chiều ẩn
4 SALHO Trần Văn Phỳc 1 chiều ẩn
5 SSARR Hoa Kỳ 1 chiều
6 Mụ hỡnh nhận dạng lũ
sụng Hồng Trịnh Quang Hoà
Thuỷ văn, thuỷ lực kết hợp
7 KODO2 Nguyễn Ân Niờn 2 chiều hiện
8 EXTRAN EPA - Hoa Kỳ 1 chiều hiện
9 TELEMAC EDF - Phỏp 2 chiều bằng FFM
10 FLDWAV Fread - Cục Khớ tượng Hoa
Kỳ 1 chiều ẩn
11 HEC1 Mỹ 1 chiều
12 HMS Hoa Kỳ Hai chiều ẩn
13 iSIS Hà Lan 1 và hai chiều ẩn
14 TANK Nhật Thuỷ văn
15 Phần mềm MIKE Đan Mạch Thủy văn, thủy lực 1,
2 chiều
Từ những mụ hỡnh toỏn đó nờu ở trờn, mụ hỡnh được lựa chọn cho Luận văn là mụ hỡnh MIKE 11. MIKE11 do Viện Thuỷ lực Đan Mạch xõy dựng đó và đang được ứng dụng cho sụng và kờnh dẫn. Hiện nay bộ mụ hỡnh bộ MIKE là cụng cụ mạnh và được sử dụng rộng rói ở Việt Nam để tớnh toỏn, dự bỏo dũng chảy cả về chất và lượng và hỗ trợ quản lý tổng hợp lưu vực sụng ở nước ta.
MIKE 11 là một hệ thống mụ hỡnh một chiều gồm rất nhiều cỏc mụ đun liờn kết chặt chẽ với nhau và tuỳ vào khả năng nguồn số liệu hiện cú mà người sử dụng cú thể sử dụng cỏc mụ đun độc lập hoặc liờn kết với nhau.
Một điểm rất thuận lợi khi sử dụng hệ thống mụ hỡnh này là cú phần giao diện khỏ hoàn thiện cũng với cỏc khả năng như được giới thiệu ở trờn vỡ vậy MIKE11 được lựa chọn để tớnh toỏn thuỷ văn, thuỷ lực kết hợp mụ phỏng quỏ trỡnh và dự bỏo xõm nhập mặn cho hệ thống sụng Hồng-Thỏi Bỡnh.
3.2. Mụ hỡnh Mike 11
3.2.1. Cơ sở lý thuyết mụ hỡnh Mike 11
MIKE 11 là một phần mềm kỹ thuật chuyờn dụng mụ phỏng lưu lượng, chất lượng nước và vận chuyển bựn cỏt ở cửa sụng, sụng, hệ thống tưới, kờnh dẫn và cỏc hệ thống dẫn nước khỏc. MIKE 11 là cụng cụ lập mụ hỡnh động lực một chiều, thõn thiện với người 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 thuỷ động lực (HD) là một phần trung 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. Mụ đun MIKE 11 HD giải cỏc phương trỡnh tổng hợp theo phương đứng để đảm bảo tớnh liờn tục và bảo toàn động lượng (phương trỡnh Saint Venant).
Cỏc ứng dụng liờn quan đến mụ đun MIKE 11 HD bao gồm: - Dự bỏo lũ và vận hành hồ chứa
- Cỏc phương phỏp mụ phỏng kiểm soỏt lũ - Vận hành hệ thống tưới và tiờu thoỏt nước mặt - Thiết kế cỏc hệ thống kờnh dẫn
- Nghiờn cứu súng triều và dũng chảy do mưa ở sụng và cửa sụng
Đặc trưng cơ bản của hệ thống lập mụ hỡnh MIKE 11 là cấu trỳc mụ đun tổng hợp với nhiều loại mụ đun được thờm vào mụ phỏng cỏc hiện tượng liờn quan
đến hệ thống sụng. Ngoài cỏc mụ đun thuỷ lực đó mụ tả ở trờn, MIKE bao gồm cỏc mụ đun bổ sung đối với:
Thuỷ văn Tải khuyếch tỏn Cỏc mụ hỡnh chất lượng nước Vận chuyển bựn cỏt cú cấu kết Vận chuyển bựn cỏt khụng cấu kết 3.2.2. Phương trỡnh cơ bản
Phương trỡnh cơ bản cho tớnh toỏn thuỷ lực
Hệ phương trỡnh cơ bản của MIKE 11 là hệ phương trỡnh Saint Venant viết cho trường hợp dũng chảy một chiều trong lũng kờnh dẫn hở, bao gồm:
+ Phương trỡnh liờn tục là: q t A x Q = ∂ ∂ + ∂ ∂ (4.1) + Phương trỡnh động lượng cú dạng: α t Q ∂ ∂ + x ∂ ∂ (β A Q2 ) + gA x h ∂ ∂ + g RA 2 C | Q | Q = 0 (4.2) Trong đú:
Q: Lưu lượng qua mặt cắt (m3/s) Q: Lưu lượng qua mặt cắt (m3
/s) A: Diện tớch mặt cắt ướt (m2
) x: Chiều dài theo dũng chảy (m)
t: Thời gian tớnh toỏn (s) q: Lưu lượng nhập lưu
α: Hệ số động năng β: Hệ số phõn bố lưu tốc
g: Gia tốc trọng trường g= 9.81 m/s2
C: Hệ số Sờ-di R: Bỏn kớnh thủy lực