5. Bố cục của luận văn
2.1.1.1 Một số mô hình có khả năng áp dụng
Mô hình toán thủy lực thực hiện có nhiều loại, từ những phiên bản miễn phí đến các phiên bản thương mại. Về mặt lý thuyết, hầu hết đã tương đối phát triển, được công nhận và áp dụng rộng rãi.
Hầu hết những mô hình này đã được xây dựng thành các phần mềm mấy tính để tiện lợi những việc sử dụng, tuy nhiên mỗi loại để có thiết kế giao diện khác nhau nên dẫn đến sự đợn giản trong quá trình thiết lập cũng khác nhau. Có loại dễ sử dụng và cũng có loại khá phức tạp, và vấn đề khác nữa cũng phụ thuộc là thói quen và sự thành thạo của người sử dụng vào loại mô hình ứng dụng.
Có thể điểm qua một vài loại mô hình thủy lực thông dụng, về cơ sở lý thuyết, tính năng kỹ thuật, khả năng vận hành và yêu cầu số liệu.
a. Mô hình KOD
Do GS.TSKH Nguyễn Ân Niên đề xuất, ra đời từ năm 1974. Mô hình được lập ra để giải bài toán thủy lực nói chung và bài toán lũ nói riêng cho mạng lưới kênh sông.
Ưu điểm chính của mô hình KOD là có thể tính cho mọi lưới sông ở ô chứa phức tạp nhất, độ chính xác cao tính toán đơn giản, gọn nhẹ, kết quả tính đáp ứng tốt các bài toán thực tế đặt ra.
Nhiều điểm chính của mô hình là bước thời gian ∆t bị hạn chế bởi điều kiện Courant-Lewy, những mô hình không phải tính lặp các hệ số nên tốc độ tính toán vẫn nhanh chóng, không mất thời gian thành lập và giải hệ đại số tuyến tính tổng thời gian mỗi lớp tính cũng nhỏ.
Tuy nhiên, mô phỏng hệ thống của KOD chưa thật đầy đủ ví dụ như quá trình trao đổi nước trên khu vực. Các công trình trao đổi nước cũng như phương thức điều khiển chưa được xem xét đầy đủ nhất là thực trạng tiêu úng trong những điều kiện tác động của con người trong quá trình điều khiển hệ thống. Đây chính là hạn chế của mô hình.
b. Mô hình VRSAP
VRSAP là từ viết tắt của Vietnam River Systerm and Plains do GS.TS Nguyễn Như Khuê đề xuất trên cơ sở cải tiến mô hình KRSAL xây dựng từ năm 1978. Đây là mô hình toán dòng chảy lũ và thủy triều trên hệ thống sông ngòi, hồ chứa và đồng ruộng được cải tiến và phát triển trên sơ đồ sai phân ẩn của Dronker – Hà Lan. Mô hình mô tả chuyển động dòng chảy trong sông thiên nhiên kha tốt. Mô hình VRSAP được ứng dụng rộng rãi, có hiệu quả cao, giải quyết được nhiều bài toán thông thường và một số bài toán lớn.
c. Mô hình WENDY
Do viện thủy lợi Delf (nay là công ty Deltares) – Hà Lan xây dựng, là mô hình thủy động lực học sử dụng sơ đồ sai phân ẩn, mô hình cho phép tính: Thủy lực dòng hở, phù sa lơ lửng xâm nhập mặn.
Tính toán thủy lực dòng hở: Mô hình tính đặc trưng thủy lực lòng dẫn như lưu lượng, mực nước, độ sâu dòng chảy, vận tốc trung bình mặt cắt, hệ số Chezy... Mô hình sử dụng thuận tiện, truy cặp số liệu dễ dàng, cho phép thay đổi mạng sông, các công trình thủy lực trên mạng. Tuy
nhiên mô hình chỉ quản lý mạng sông nhỏ hơn 400 mặt cắt và còn hạn chế khâu tính lượng mưa gia nhập vào dòng chảy, chưa xét đến sự điều tiết của các ô đồng ruộng như mô hình VRSAP, SOGREAH...
d. Mô hình SOBEK
SOBEK là một gói tổng hợp các phần mềm sử dụng trong lĩnh vực phát triển và quản lý nguồn nước. SOBEK được phát triển bởi Viện thủy lực Delf Hà Lan (Delf Hydraulic Institute). SOBEK đó là: SOBEK RURAL, SOBEK URBAN và SOBEK-RIVER.
Trong dòng sản phẩm SOBEK RURAL, module thủy lực đã được tích hợp mô hình 1 chiều và 2 chiều với nhau được gọi là SOBEK – Overland Flow, Mô hình này tính toán thủy lực của vùng ngập lụt (độ sâu dòng chảy, vận tốc...). Mô hình có thể ứng dụng trong hầu hết các nghiên cứu về quản lý và phát triển nguồn nước:
- Quy hoặch phòng chống lũ - Phân tích vỡ đập
- Quản lý thiên tai - Quy hoặch tái định cư - Phân tích thiệt hại do lũ - Phân tích rủi ro
- Quy hoặch cơ sở hạ tầng, phát triển nông thôn... SOBEK được thiết lập tích hợp với giao diện GIS. Kết quả tính toán được xuất ra ngày dưới dạng bản đồ ngập lụt hoặc phân bố trường vận tốc.
SOBEK đã được ứng dụng trong các nghiên cứu thuộc các lưu vực sông ở Hà Lan, Bangladet, Australia... và mới đây (năm 2003) SOBEK đã
được áp dụng cho hai lưu vực sông Trà Bồng và Trà Khúc (Tỉnh Quảng Ngãi) cho kết quả được đánh giá rất cao.
e. Mô hình thủy lực của SOGEAH
Mô hình lũ đồng bằng Sông Cửu Long do các chuyên gia thủy lực hãng SOGREAH-Pháp lập năm 1967 theo đơn đặt hàng của UNESCO. Mô hình nghiên cứu sự truyền lũ trên châu thổ sông Mê Kông và cung cấp thông tin về điều kiện thủy văn và địa hình. Mô hình đề cặp đến cả hai mặt ý nghĩa vật lý và tính toán theo phương pháp số. Dòng chảy lũ biến thiên theo không gian và thời gian (không gian hai chiều).
Hệ phương trình truyền sóng lũ được viết tương tự như phương trình truyền triều với thành phần cần tuân theo định luật Stricler, cùng với giả thiết giản hóa khi tính toán thiết lập hệ phương trình liên tục cho một ô và phương trình động lực dòng chảy. Mô hình SOGEAH thiết lập trên phương trình Saint – Venant viết cho dòng một chiều không ổn định trong kênh hở. Do hạn chế của mấy tính thời đó nên sơ đồ tính của mô hình rất đơn giản.
g. Mô hình MIKE
Bộ mô hình Mike là phần mềm kỹ thuật chuyên dùng do DHI (Viện thủy lực Đan Mạch) xây dựng và phát triển trong khoảng 20 năm trở lại đây, được ứng dụng để mô phỏng lưu lượng, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát ở các cửa sông, cân bằng nước lưu vực, hệ thống tưới, kênh dẫn và các hệ thống dẫn nước khác. Ngoài ra có thể mô phổng vỡ đập.
Bộ mô hình MIKE là một trong những mô hình tiên tiến được sử dụng phổ biến , có khả năng phổ phổng vỡ đập, được sử dụng trong hầu hết các trường đại học, viện nghiên cứu và các đơn vị tư vấn ở trong
nước và ngoài nước với các lợi thế khác:
- Có cơ sở toán học chặt chẽ, chạy ổn định, thời gian tính toán nhanh.
- Có giao diện thân thiện, dễ sử dụng, có khả năng tích hợp với một
số phần mềm chuyên dụng khác.
- Bộ mô hình MIKE bao gồm nhiều mô đun đảm bảo công việc khác nhau như:
+ MIKE 11 tính toán thủy lực mạng sông một chiều và các tiểu mô đun về tính thủy lực, tiểu mô đun tính dòng chảy từ mưa, tiểu mô đun cho tính lan truyền chất và vận chuyển bùn cát;
+ MIKE 21 tính toán thủy lực hai chiều
+ MIKE FLOOD kết nối giữa hai mô hình một và hai chiều để tính toán và xây dựng bản đồ ngập
+ MIKE BASIN tính toán và quản lý, quy hoặch lưu vực
h. Mô hình HEC – RAS
HEC – RAS là một hệ thống mô hình thủy lực 1 chiều do Trung tâm kỹ thuật Thủy văn – Thuộc quân đội Hoa Kỳ (the Hydrologic Engineering Center) xây dựng và phát triển thành trương trình mấy tính. HEC – RAS là phần mềm miễn phí được cung cấp trên mạng internet, hiện được sử dụng nhiều nơi trên thế giới phần mềm HEC – RAS (the Hydrologic Engineering Center – River Analysis System) là kết quả nâng cấp phần mềm HEC-2 cả về kỹ thuật thủy lực và kỹ thuật lập trình. Phiên bản 1.0 được công bố năm 1995 và đến nay đã qua nhiều lần cải tiến và phát triển qua nhiều phiên bản.
việc trong môi trường sử dụng đa mục tiêu. Hệ thống bao gồm giao diện đồ họa, các thành phần phân tích thủy lực tách biệt, phần lưu trữ dữ liệu và các năng lực quản lí, đồ họa và các tính năng thực hiện báo cáo. Đặc biệt có khả năng mô phỏng vỡ đập.
Về cơ bản, hệ thống được cấu thành từ 3 thành phần phân tích thủy lực một chiều:
+ Tính năng mực nước mặt cắt dọc sông cho dòng ổn định. + Mô phỏng dòng không ổn định.
+ Tính toán biến động của vận chuyển bùn cắt.
Điểm mấu chốt là cả 3 thành phần này sẽ sử dụng chung một bộ số liệu về địa hình, hình thái sông và các hàm tính thủy lực. Để bổ sung vào 3 thành phần tính thủy lực, hệ thống còn có tính năng tính toán thiết kế thủy lực, những tính năng này sẽ được gọi đến mỗi khi tính toán mực nước mặt cắt dọc sông được thực hiện.
Mô hình HEC-RAS có khả năng thực hiện tính toán một chiều mực nước dọc sông cho dòng thay đổi đều, ổn định trong sông hoặc hệ thống kênh mương. Mực nước dòng sông chảy êm, dòng chảy xiết, và chế độ dòng chảy hỗn hợp có thể được tính toán.
