Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán mô phỏng lũ tràn đồng trên hệ thống sông Hương tỉnh Thừa Thiên Huế

-2-

Lời cảm ơn

Luận văn thạc sĩ khoa học "Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán mô phỏng lũ
tràn đồng trên hệ thống sông Hương tỉnh Thừa Thiên Huế" đã được hoàn thành
tại Khoa Khí tượng - Thủy văn - Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự
nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội tháng 6 năm 2008. Trong quá trình học tập,
nghiên cứu và hoàn thành luận văn, tác giả đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ
của thầy cô và đồng nghiệp.
Trước hết, tác giả luận văn xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Nguyễn
Tiền Giang là người trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ trong quá trình nghiên cứu và
hoàn thành luận văn.
Tác giả cũng chân thành cảm ơn TS. Lê Văn Nghị và các đồng nghiệp tại
Viện Khoa học Thủy lợi, Viện Quy hoạch Thủy lợi đã hỗ trợ chuyên môn, thu
thập các tài liệu liên quan để luận văn được hoàn thành. Xin gửi lời cảm ơn sâu
sắc đến PGS. TS. Nguyễn Văn Tuần và GS. TS. Hoàng Tư An đã quan tâm chỉ bảo
trong suốt quá trình làm luận văn.
Trong khuôn khổ của luận văn, do thời gian và điều kiện hạn chế nên không
tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy, tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng
góp quý báu của độc giả và những người quan tâm.


Tác giả












-3-

mục lục
Trang
Lời cảm ơn
................................................................................................................. 2
Danh mục bảng
......................................................................................................... 5
Danh mục hình
.......................................................................................................... 7
Mở đầu...............................................................................................................9
Chương 1. Tổng quan về các mô hình và những nghiên cứu trước đây
......... 11
1.1. Một số mô hình mưa rào - dòng chảy thông dụng....................................11
1.1.1. Mô hình đường đơn vị.......................................................................11
1.1.2. Mô hình TANK ................................................................................13
1.1.3. Mô hình SSARR...............................................................................14
1.1.4. Mô hình NAM..................................................................................15
1.2. Một số mô hình thủy lực thông dụng.......................................................16
1.2.1. Mô hình VRSAP...............................................................................17
1.2.2. Mô hình HEC-RAS...........................................................................19
1.2.3. Mô hình MIKE 11 ............................................................................20
1.2.4. Mô hình MIKE 21 ............................................................................23
1.2.5. Mô hình MIKE FLOOD ...................................................................25
1.2.6. Một số mô hình khác ........................................................................28
1.3. Những nghiên cứu trước đây về lưu vực...................................................30


1.4. Nhận xét .................................................................................................32
Chương 2. Tổng quan về lưu vực sông Hương
................................................... 34
2.1. Đặc điểm địa lý tự nhiên lưu vực.............................................................34
2.1.1. Vị trí địa lý.......................................................................................34
2.1.2. Đặc điểm địa hình.............................................................................35
2.1.3. Đặc điểm địa chất.............................................................................39
2.1.4. Thảm phủ thực vật ............................................................................40
2.1.5. Đặc điểm khí tượng ..........................................................................42
2.1.6. Đặc điểm thủy văn............................................................................47
2.2. Tình hình mưa - lũ trên hệ thống sông Hương .........................................52
2.2.1. Mưa lũ và các hình thế thời tiết gây mưa lũ lớn.................................52
2.2.2. Tổ hợp mưa lũ trên 3 nhánh sông......................................................53
2.2.3. Đặc điểm dòng chảy lũ.....................................................................55
-4-
2.3. Các công trình tác động đến dòng lũ .......................................................59
2.4. Tình hình dân sinh kinh tế.......................................................................62
2.5. Nhận xét .................................................................................................64
Chương 3. Tính toán thủy lực hệ thống sông Hương
bằng mô hình kết hợp 1 và 2 chiều
.................................................. 65
3.1. Tình hình tài liệu.....................................................................................65
3.1.1. Tài liệu chuỗi thời gian.....................................................................65
3.1.2. Dữ liệu địa hình và không gian .........................................................67
3.2. Thiết lập mô hình một chiều MIKE 11 ....................................................69
3.2.1. Phạm vi mô phỏng MIKE 11 ............................................................69
3.2.2. Thiết lập mô hình thủy lực mạng sông ..............................................71
3.2.3. Mô phỏng, hiệu chỉnh sơ bộ..............................................................75
3.3. Thiết lập biên trên cho mô hình MIKE 11 ...............................................78
3.3.1. Phân chia lưu vực..............................................................................78
3.3.2. Xác định trọng số các trạm quan trắc................................................79
3.3.3. Hiệu chỉnh mô hình ..........................................................................80
3.3.4. Xác định thông số.............................................................................81
3.3.5. Kết quả mô phỏng mưa - dòng chảy..................................................83
3.3.6. Kết nối mô hình NAM với mô hình MIKE 11...................................84
3.4. Thiết lập mô hình hai chiều MIKE 21 .....................................................86
3.4.1. Thiết lập bản đồ cao độ số Bathymetry .............................................86
3.4.2. Các thông số cơ bản của mô hình......................................................88
3.4.3. Điều kiện biên của mô hình ..............................................................89
3.4.4. Mô phỏng sơ bộ................................................................................91
3.5. Hiệu chỉnh mô hình MIKE FLOOD với trận lũ 11/2004..........................91
3.5.1. Thiết lập các kết nối..........................................................................91
3.5.2. Mô phỏng và hiệu chỉnh mô hình......................................................94
3.5.3. Kết quả mô phỏng ............................................................................98
3.6. Kiểm định mô hình MIKE FLOOD với trận lũ 11/1999 ........................102
3.6.1. Kiểm định mô hình.........................................................................102
3.6.2. Kết quả mô phỏng ..........................................................................105
3.6.3. So sánh kết quả tính toán ................................................................109
3.6.4. Nhận xét, đánh giá trận lũ tháng 11/1999........................................112
Kết luận
.................................................................................................................. 113
Tài liệu tham khảo
................................................................................................ 116
Phụ lục
-5-

Danh mục bảng
Trang
Bảng 2.1.1. Lượng mưa trung bình nhiều năm tại các trạm đo
.............................. 44
Bảng 2.1.2. Lượng mưa lớn nhất năm 1999
............................................................ 46
Bảng 2.1.3. Thống kê số trận bão đổ bộ vào Việt Nam từ năm 1891 đến 1999
... 46
Bảng 2.1.4. Các đặc trưng thủy văn tại một số tuyến quan trắc
............................. 48
Bảng 2.1.5. Diện tích úng ngập tại Thừa Thiên Huế một số năm
.......................... 49
Bảng 2.2.1. Chênh lệch thời gian xuất hiện các trận mưa lũ lớn nhất hàng năm
của 3 trạm mưa đại biểu
....................................................................... 54
Bảng 2.2.2. Thống kê mực nước lũ các năm tại Thừa Thiên Huế
.......................... 57
Bảng 2.2.3. Lưu lượng lũ lớn nhất chính vụ trên sông Hương
............................... 57
Bảng 2.2.4. Lũ tiểu mãn thực đo trên sông Hương
................................................. 58
Bảng 2.2.5. Mực nước lớn nhất trên sông Hương qua các trận lũ lớn
................... 58
Bảng 2.2.6. Mực nước lũ lớn nhất dọc sông Hương
............................................... 58
Bảng 2.3.1. Thông số của một số công trình trên hệ thống
.................................... 62
Bảng 3.1.1. Các trạm quan trắc khí tượng
............................................................... 65
Bảng 3.1.2. Các trạm quan trắc thủy văn
................................................................ 66
Bảng 3.2.1. Thông số mạng lưới sông tính toán
..................................................... 71
Bảng 3.2.2. Thống kê mặt cắt trên hệ thống
........................................................... 73
Bảng 3.2.3. Biên trong mô hình thủy lực MIKE 11
................................................ 74
Bảng 3.3.1. Diện tích các tiểu lưu vực
..................................................................... 79
Bảng 3.3.2. Các thông số của mô hình NAM
......................................................... 82
Bảng 3.3.3. Kết quả mô phỏng dòng chảy từ mô hình NAM năm 2004
............... 83
Bảng 3.3.4. Danh sách nối mô hình NAM vào mô hình MIKE 11
....................... 84
Bảng 3.5.1. Các kết nối trong mô hình MIKE FLOOD
......................................... 91
Bảng 3.5.2. Giá trị mực nước và lưu lượng lũ lớn nhất tại một số vị trí
................ 98
Bảng 3.5.3. Chỉ tiêu đánh giá sai số giữa thực đo và tính toán
tại trạm Phong Bình trên sông Ô Lâu
.................................................. 99
-6-
Bảng 3.5.4. Chỉ tiêu đánh giá sai số giữa thực đo và tính toán
tại trạm Phú ốc trên sông Bồ
............................................................... 99
Bảng 3.5.5. Chỉ tiêu đánh giá sai số giữa thực đo và tính toán
tại trạm Kim Long trên sông Hương
................................................... 99
Bảng 3.5.6. Chỉ tiêu đánh giá sai số giữa thực đo và tính toán
tại trạm Bình Điền trên sông Hữu Trạch
........................................... 100
Bảng 3.6.1. Lượng mưa ngày gây lũ 1999 tại Thừa Thiên Huế
........................... 102
Bảng 3.6.2. Giá trị mực nước và lưu lượng lũ lớn nhất tại một số vị trí
.............. 105
Bảng 3.6.3. Chỉ tiêu đánh giá sai số giữa thực đo và tính toán
tại trạm Phú ốc trên sông Bồ
............................................................. 106
Bảng 3.6.4. Chỉ tiêu đánh giá sai số giữa thực đo và tính toán
tại trạm Kim Long trên sông Hương
................................................. 106
Bảng 3.6.5. Kết quả tính toán mực nước lũ lớn nhất tại một số vị trí
.................. 111

-7-

Danh mục Hình
Trang

Hình 1.1.1. Cấu trúc mô hình NAM ..................................................................16
Hình 1.2.1. Bảo toàn khối lượng ........................................................................22
Hình 1.2.2. Sơ đồ kết nối chuẩn.........................................................................26
Hình 1.2.3. Sơ đồ kết nối hai bên.......................................................................27
Hình 1.2.4. Sơ đồ kết nối công trình ..................................................................27
Hình 2.1.1. Vị trí địa lý vùng nghiên cứu...........................................................34
Hình 2.1.2. Bản đồ địa hình tỉnh Thừa Thiên Huế..............................................36
Hình 2.1.3. Địa hình tỉnh Thừa Thiên Huế nhìn từ hạ lưu ..................................36
Hình 2.1.4. Đường đẳng trị lượng mưa bình quân năm lưu vực sông Hương ......45
Hình 3.1.1. Vị trí các trạm khí tượng - thủy văn.................................................66
Hình 3.1.2. Mô hình cao độ số (DEM) độ phân giải 90 m 90 m......................67
Hình 3.1.3. Số liệu mặt cắt năm 1999 trên sông Bồ tại vị trí 2.010.....................68
Hình 3.1.4. Địa hình vùng đồng bằng sông Hương ............................................68
Hình 3.1.5. Bình đồ đầm phá và cửa biển...........................................................68
Hình 3.1.6. Địa hình đáy biển............................................................................68
Hình 3.1.7. Sơ đồ thủy lực hệ thống sông Hương trong mô hình VRSAP...........69
Hình 3.2.1. Phạm vi mô phỏng của mô hình ......................................................70
Hình 3.2.2. Mạng lưới sông tính toán ................................................................70
Hình 3.2.3. Vị trí các mặt cắt trong hệ thống .....................................................72
Hình 3.2.4. Các công trình trên hệ thống ...........................................................73
Hình 3.2.5. Vị trí các biên trong mô hình MIKE 11...........................................74
Hình 3.2.6. Các điểm tính toán lưu lượng và mực nước......................................76
Hình 3.2.7. Mực nước thực đo và tính toán tại 2 trạm Phú ốc và Phong Bình.....77
Hình 3.2.8. Mực nước thực đo và tính toán tại 2 trạm Kim Long và Bình Điền ..77
Hình 3.3.1. Sơ đồ khối xây dựng mô hình NAM................................................78
Hình 3.3.2. Phân vùng các tiểu lưu vực..............................................................79
Hình 3.3.3. Đường lũy tích tổng lượng tại trạm Thượng Nhật ............................80
-8-
Hình 3.3.4. Đường quá trình lưu lượng tại trạm Thượng Nhật............................80
Hình 3.3.5. Đường lũy tích tổng lượng tại trạm Cổ Bi........................................81
Hình 3.3.6. Đường quá trình lưu lượng tại trạm Cổ Bi........................................81
Hình 3.3.7. Dòng chảy sinh ra trên 7 tiểu lưu vực từ ngày 20/11 04/12/2004 ..83
Hình 3.3.8. Vị trí nối mô hình NAM vào mô hình MIKE 11..............................86
Hình 3.4.1. Phạm vi mô phỏng mô hình MIKE 21.............................................87
Hình 3.4.2. Dữ liệu địa hình đầu vào của bản đồ DEM ......................................87
Hình 3.4.3. Bản đồ cao độ số Bathymetry với độ phân giải 120 m 120 m........88
Hình 3.4.4. Địa hình vùng nghiên cứu mô phỏng bằng MIKE 21.......................88
Hình 3.4.5. Mực nước thực đo ở phía ngoài cửa Thuận An 11/2004...................90
Hình 3.4.6. Mực nước thực đo ở phía ngoài cửa Tư Hiền 11/2004......................90
Hình 3.5.1. Mô hình MIKE FLOOD .................................................................93
Hình 3.5.2. Mực nước thực đo và tính toán tại trạm Phong Bình
trên sông Ô Lâu ..............................................................................96
Hình 3.5.3. Mực nước thực đo và tính toán tại trạm Phú ốc trên sông Bồ ..........96
Hình 3.5.4. Mực nước thực đo và tính toán tại trạm Kim Long
trên sông Hương .............................................................................97
Hình 3.5.5. Mực nước thực đo và tính toán tại trạm Bình Điền
trên sông Hữu Trạch .......................................................................97
Hình 3.5.6. Phạm vi ngập lụt lớn nhất lúc 20h00 ngày 26/11/2004 ....................98
Hình 3.5.7. Trường vận tốc chi tiết tại cửa Thuận An và ngã ba Sình
lúc 20h00 ngày 26/11....................................................................101
Hình 3.6.1. Kết quả mô phỏng từ mô hình NAM với trận lũ tháng 11/1999 .....103
Hình 3.6.2. Mực nước thực đo và tính toán tại trạm Phú ốc trên sông Bồ ........104
Hình 3.6.3. Mực nước thực đo và tính toán tại trạm Kim Long
trên sông Hương ...........................................................................104
Hình 3.6.4. Trường vận tốc tại ngã ba Sình lúc 15h00 ngày 02/11/1999...........107
Hình 3.6.5. Phạm vi ngập lụt lớn nhất lúc 10h00 ngày 03/11/1999 ..................108
Hình 3.6.6. Diễn biến ngập lụt trên hệ thống sông Hương................................109
Hình 3.6.7. Phạm vi ngập lụt lúc 03h00 ngày 06/11/1999................................110
Hình 3.6.8. ảnh vệ tinh ngày 06/11/1999 ........................................................110
-9-

Mở đầu
1. Đặt vấn đề
Trong lịch sử tồn tại và phát triển của dân tộc ta, lũ lụt luôn là mối đe dọa
hàng đầu và đã gây ra nhiều thiệt hại về người và của. Cùng với sự tăng trưởng
của các ngành kinh tế, đòi hỏi mức độ an toàn chống lũ lụt ngày càng cao và hạn
chế tối đa thiệt hại.
Hệ thống sông Hương - tỉnh Thừa Thiên Huế bắt nguồn từ phía Đông dãy
Trường Sơn và núi Bạch Mã, dòng chính chảy theo hướng Nam - Bắc đổ ra biển
thông qua cửa Thuận An và Tư Hiền. Lưu vực tập trung tới 70% dân số và chiếm
tới 90% tổng sản phẩm hàng năm của cả tỉnh. Thành phố Huế nằm ở trung tâm
của lưu vực, đây là trung tâm kinh tế, văn hóa, chính trị và là một trong những
trung tâm du lịch lớn nhất cả nước.
Trong quá trình phát triển kinh tế - xã hội, việc khai thác tổng hợp tài
nguyên nước cho các mục đích khác nhau trên hệ thống sông Hương đã đem lại
những giá trị to lớn đóng vai trò quan trọng cho các ngành kinh tế trong tỉnh như:
du lịch, công nghiệp, thủy lợi, thủy sản, nông nghiệp...
Tỉnh Thừa Thiên Huế là tỉnh thường xuyên phải gánh chịu thiệt hại do lũ lụt
gây ra như phá hủy cơ sở hạ tầng, gây ngập lụt trên diện rộng, làm đình trệ sản
xuất, ngoài ra còn gây mất mát về người và tài sản của nhân dân và nhà nước.
Đặc biệt, thành phố Huế do địa hình thấp nên bị ngập trong nước lũ làm hư hỏng
di tích lịch sử, gây tổn hại đến di sản văn hóa của đất nước và thế mạnh du lịch
của tỉnh. Điển hình như trận lũ tháng 11 năm 1999 đã gây ngập lụt trên diện rộng,
làm chết 358 người, ước tính tổng thiệt hại về kinh tế lên tới 1.738 tỷ đồng, gây
phá hủy nhiều công trình, cơ sở hạ tầng, làm sập nhiều nhà dân.
Do vậy, "Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán mô phỏng lũ tràn đồng trên hệ
thống sông Hương tỉnh Thừa Thiên Huế" là rất cần thiết, đang là mối quan tâm
của các nhà quản lý và những người làm khoa học.
2. Mục đích của đề tài
+ Phân tích nguyên nhân gây ngập lụt trên hệ thống sông Hương.
+ Nghiên cứu mô phỏng chi tiết tình trạng ngập lụt trên toàn hệ thống.
-10-
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
+ Đối tượng: Dòng chảy lũ trên hệ thống sông Hương.
+ Phạm vi nghiên cứu: Lưu vực sông Hương - Thừa Thiên Huế (gồm toàn bộ
đồng bằng và đầm phá ven biển).
4. Phương pháp nghiên cứu
+ Phân tích tổng hợp tài liệu.
+ Mô hình toán thủy văn thủy lực: Mô hình MIKE FLOOD (1D + 2D).
5. Bố cục của luận văn
Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm 3 chương chính:
+ Chương 1. Tổng quan về các mô hình và những nghiên cứu trước đây.
+ Chương 2. Tổng quan về lưu vực sông Hương.
+ Chương 3. Tính toán thủy lực hệ thống sông Hương bằng mô hình MIKE
FLOOD kết hợp 1 và 2 chiều.
-11-

Chương 1
Tổng quan về các mô hình
và những nghiên cứu trước đây
1.1. Một số mô hình mưa rào - dòng chảy thông dụng
Mô hình hệ thống thủy văn có thể là mô hình vật lý, mô hình tương tự hay
mô hình toán học. Mô hình vật lý bao gồm các mô hình tỷ lệ tức là các mô hình
biểu thị hệ thống thật dưới dạng thu nhỏ như mô hình thủy lực của đập tràn. Mô
hình tương tự là một mô hình vật lý khác có tính chất tương tự như mô hình
nguyên thể, ví dụ như mô hình tương tự điện trong thủy lực.
Mô hình toán học miêu tả hệ thống dưới dạng toán học. Mô hình toán học là
tập hợp các phương trình toán học, các mệnh đề logic thể hiện các quan hệ giữa
các biến và các thông số của mô hình để mô phỏng hệ thống tự nhiên hay nói
cách khác mô hình toán học là một hệ thống biến đổi đầu vào (hình dạng, điều
kiện biên, lực v.v...) thành đầu ra (tốc độ dòng chảy, mực nước, lưu lượng v.v...).
Các mô hình thủy văn có thể được dùng để xác định điều kiện biên cho mô
hình thủy lực. Trong thủy văn có nhiều dạng hàm tập trung nước và có nhiều
phương pháp xây dựng nó. Phương pháp chảy đẳng thời dựa vào tốc độ chảy biến
đổi để xác định diện tích chảy đằng thời, từ đó xác định được đường tập trung
nước. Phương pháp đường lưu lượng đơn vị lần đầu tiên do Sherman đề nghị, sau
đó được nhiều tác giả phát triển và hoàn thiện. Đường tập trung nước của Kalinin
- Miliukov và đường đơn vị Nash đều xem sự điều tiết trong sông hay trong lưu
vực tương đương với sự điều tiết của một hệ thống hồ chứa tuyến tính đồng nhất.
Từ giả thiết đó, tuy bước đi và cách giải quyết cụ thể có khác nhau, nhưng cả hai
đều dẫn tới đường tập trung nước có dạng tương tự dạng hàm Gamma. Một số
dạng đường đơn vị tổng hợp như Snyder, SCS, Clark... được nghiên cứu xây dựng
để tính toán cho lưu vực không có tài liệu quan trắc dòng chảy.
1.1.1. Mô hình đường đơn vị
Mô hình được Sherman đề xuất năm 1932, là một dạng mô hình thủy văn tất
định hộp đen ra đời sớm nhất trên thế giới. Bản chất của phương pháp là xử lý hàm
tập trung nước bằng đường đơn vị. Đường đơn vị được định nghĩa là đường quá
trình dòng chảy trực tiếp được tạo ra bởi một đơn vị lượng mưa vượt quá thấm
-12-
(hay mưa hiệu quả) phân bố đều trên lưu vực và có cường độ mưa không đổi trong
khoảng thời gian mưa hiệu quả. Mối quan hệ lượng mưa vào và lượng dòng chảy
ra của hệ thống được biểu đạt thông qua một hàm truyền, còn gọi là hàm tập trung
nước hoặc hàm ảnh hưởng hoặc đường đơn vị tổng hợp. Hàm truyền thường được
tính ngược từ tài liệu thực đo của lượng vào và lượng ra của hệ thống. Khi hàm
truyền được xác định, lượng ra của hệ thống được tính theo tích phân Duhamel:
[8, 27, 35]




t
0
Q t h .f t .d
(1.1.1)
Trong đó:
Q(t) - lưu lượng tại thời điểm t bất kỳ;
h() - lượng mưa hiệu quả;
f(t ) - hàm ảnh hưởng.
Có 3 phương pháp thường dùng để xác định đường đơn vị:
+ Xây dựng đường đơn vị trực tiếp từ tài liệu thực đo.
+ Tính toán đường đơn vị từ phương trình rời rạc của tích phân chập Duhamel.
+ Phương pháp đường đơn vị dạng Nash.
Đường đơn vị tổng hợp:
Phương pháp này được áp dụng khi lưu vực không có tài liệu quan trắc dòng
chảy. Có 3 dạng đường thường dùng là Snyder; Clark và SCS.
- Đường đơn vị tổng hợp Snyder: Phương pháp do Snyder đề xuất năm 1938
dựa theo mối quan hệ giữa các đặc trưng hình dạng của một đường quá trình
đơn vị chuẩn. Các đặc trưng của đường đơn vị cần xác định đối với thời gian
mưa hiệu quả cho trước là: thời gian trễ T
p
; lưu lượng đỉnh trên một đơn vị
diện tích của lưu vực q
p
; độ dài thời gian đáy t
b
và các chiều rộng W của
đường quá trình tại các tung độ bằng 50%; 75%... của lưu lượng đỉnh. Sử dụng
các đặc trưng này có thể xác định được đường quá trình đơn vị theo yêu cầu.
- Đường quá trình đơn vị Clark: Phương pháp này được đề xuất năm 1945,
đòi hỏi phải xác định 3 yếu tố làm cơ sở cho tính toán đường đơn vị, đó là
thời gian tập trung dòng chảy T
c
; hệ số lượng trữ R và đường quan hệ thời
gian ~ diện tích lưu vực.
-13-
- Đường đơn vị không thứ nguyên SCS: Phương pháp do Cơ quan Bảo vệ thổ
nhưỡng Hoa Kỳ đề xuất năm 1972, cho phép tính đường đơn vị thông qua
các đặc trưng lưu vực và giới hạn giữ nước tối đa trên lưu vực được tính từ
phương pháp đường cong SCS. Phương pháp này đơn giản và đã được áp
dụng cho nhiều lưu vực sông suối ở nước ta.
1.1.2. Mô hình TANK
Mô hình TANK ra đời năm 1956 tại trung tâm quốc gia phòng chống lũ lụt
Nhật, tác giả là M. Sugawar. Lưu vực được mô tả như một chuỗi các bể chứa sắp
xếp theo hai phương thẳng đứng và nằm ngang. Giả thiết cơ bản của mô hình:
dòng chảy mặt cũng như dòng thấm là các hàm số của lượng nước trữ trong các
tầng đất. Mô hình có hai dạng cấu trúc đơn và kép. [8, 27, 35]
+ Mô hình TANK đơn: không xét sự biến đổi của độ ẩm đất theo không gian,
phù hợp với những lưu vực nhỏ trong vùng ẩm ướt quanh năm. Lưu vực
được mô tả bởi bốn bể chứa xếp theo chiều thẳng đứng. Mỗi bể chứa có một
hoặc một vài cửa ra ở thành bên và một cửa ra ở đáy. Lượng mưa rơi xuống
mặt đất đi vào bể trên cùng. Sau khi khấu trừ tổn thất bốc hơi một phần sẽ
thấm xuống bể dưới theo cửa ra ở đáy, một phần cung cấp cho dòng chảy
trong sông theo các cửa ra ở thành bên. Quan hệ giữa lượng dòng chảy qua
các cửa với lượng ẩm trong các bể là tuyến tính.
Y =

(X H) (1.1.2)
Y
0
=

X (1.1.3)
Trong đó:
X - lượng mưa;
H - độ cao cửa ra thành bên;
, - hệ số cửa ra thành bên và đáy;
Y, Y
0
- dòng chảy tại cửa ra thành bên và đáy.
Mô hình TANK mô phỏng cấu trúc ẩm trong các tầng đất của lưu vực.
Lượng dòng chảy hình thành từ các bể thể hiện đặc tính các thành phần dòng
chảy mặt sát mặt và dòng chảy ngầm. Dòng chảy hình thành từ tất cả các bể chứa
mô tả sự biến dạng dòng chảy do tác dụng điều tiết của dòng sông là lớp nước có
sẵn ban đầu trong sông.
-14-
+ Mô hình TANK kép: xét đến sự biến đổi độ ẩm của đất theo không gian.
Lưu vực được chia thành các vành đai có độ ẩm khác nhau. Một vành đai
được diễn tả bằng một mô hình TANK đơn. Về nguyên tắc số lượng vành
đai có thể bất kỳ. Nhưng trong thực tế tính toán thường lấy 4 vành đai mỗi
vành đai có 4 bể, tổng cộng toàn mô hình có 16 bể chứa.
Với sự mô phỏng này, trên toàn lưu vực có những phần ẩm, phần khô biến
đổi theo quy luật nhất định. Khi mưa bắt đầu, phần lưu vực ẩm ướt sẽ phát triển từ
khu hẹp ven sông lan dần đến những vùng cao hơn theo thứ tự S
4
, S
3
, S
2
, S
1
(trong
đó S
i
biểu thị vành đai thứ i so với toàn lưu vực). Ngược lại, khi mùa khô bắt đầu
do lượng ẩm ướt cung cấp ít dần hoặc không có, lưu vực sẽ khô dần từ những
vành đai cao nhất đến vành đai thấp hơn theo thứ tự S
1
, S
2
, S
3
, S
4
. Trong cấu trúc
kép, lớp nước tự do trong mỗi bể được chuyển động theo hai hướng: thẳng đứng
và nằm ngang. Mỗi bể chứa nhận được nước từ phía bể trên cùng vành đai và từ
bể phía trước ở cùng tầng. Đối với mô hình TANK kép thì còn có thêm các thông
số S
i
(i = 1, 2, 3, 4).
1.1.3. Mô hình SSARR
Mô hình SSARR do Rockwood đề xuất từ năm 1956. Khi xây dựng mô hình
này, tác giả quan niệm rằng hệ thống sông ngòi dù phức tạp cũng chỉ gồm các
thành phần cơ bản sau: các lưu vực sông nhỏ; các hồ chứa tự nhiên và nhân tạo;
các đoạn sông. Do đó, tác giả xây dựng mô hình toán cho từng loại. Sau cùng tập
hợp lại để có được một mô hình toán của cả hệ thống sông. Các mô hình toán
thành phần đều sử dụng hai phương trình cơ bản là phương trình liên tục và
phương trình lượng trữ. [8]
Phương trình liên tục:


1 1 2 2
t t 1 t t 1 t 1 t
1 1
Q Q t Q Q t W W
2 2


(1.1.7)
Phương trình lượng trữ:

s
W T Q
(1.1.8)
Trong đó: T
s
- thời gian trữ nước; Chỉ số trên - vị trí mặt cắt; Chỉ số dưới - thời đoạn.
Như vậy nếu biết được lưu lượng chảy vào trung bình, lưu lượng chảy ra ở
đầu thời đoạn tính toán Q
t
và thời gian trữ nước của hồ T
s
thì có thể tính được lưu
lượng chảy ra ở cuối thời đoạn tính toán Q
2
.
-15-
Các mô hình thành phần trong SSARR gồm có:
+ Mô hình lưu vực.
+ Mô hình dòng chảy trong sông.
+ Mô hình hồ chứa.
+ Mô hình hệ thống sông.
1.1.4. Mô hình NAM
Mô hình thủy văn NAM mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy xảy ra tại
phạm vi lưu vực sông. NAM là một mô đun mưa - dòng chảy (RR) của hệ thống
mô hình sông MIKE 11. Mô đun này có thể áp dụng độc lập hoặc sử dụng để tính
toán cho một hoặc nhiều lưu vực tham gia tạo dòng chảy gia nhập khu giữa vào
một mạng sông. Do đó có thể thực hiện việc tính toán riêng một lưu vực nhỏ hoặc
xử lý một lưu vực lớn có nhiều lưu vực nhỏ và một mạng sông ngòi phức tạp. [15,
19, 22, 44]
NAM là từ viết tắt của tiếng Đan Mạch Nedbor - Afstromnings - Model,
có nghĩa là Mô hình Giáng thủy - Dòng chảy mặt. Mô hình này do Khoa Tài
nguyên nước và Thủy lợi của trường Đại học Đan Mạch xây dựng (Nielsen và
Hansen, 1973).
Mô hình thủy văn toán học như NAM là một bộ biểu thức toán học kết nối
mô tả bằng hình thức toán học đơn giản có xét đến cả quá trình tổn thất thấm qua
đất trong chu trình thủy văn. NAM tính đến các yếu tố khác nhau trong quá trình
mưa - dòng chảy thông qua việc xem xét liên tục các thành phần của nước trong
bốn dạng trữ khác nhau và tương tác nhau. Mỗi dạng trữ thể hiện một thành phần
vật lý khác nhau của lưu vực sông nhỏ. NAM có thể sử dụng cho việc thiết lập
một loạt mô hình thủy văn liên tục hoặc mô phỏng những sự kiện riêng lẻ.
Mô hình NAM là một công cụ kỹ thuật tốt, đã được áp dụng cho một số lưu vực
sông nhỏ trên thế giới, với các hiện tượng thủy văn và điều kiện khí hậu khác nhau.
NAM là một mô hình khái niệm dựa trên phương trình và cấu trúc vật lý
cùng với cấu trúc bán kinh nghiệm. Mô hình NAM xử lý mỗi một lưu vực như là
một đơn vị riêng lẻ. Do đó, tham số và biến số thể hiện giá trị trung bình cho toàn
lưu vực. Một vài tham số mô hình được xác định từ dữ liệu lưu vực vật lý nhưng
giá trị tham số cuối cùng phải được tiến hành bằng cách thẩm định với chuỗi
quan trắc thực đo.
-16-
NAM hình thành nên một phần mô đun mưa - dòng chảy (RR) của hệ thống
mô hình MIKE 11. Cấu trúc NAM được trình bày theo sơ đồ (Hình 1.1.1).

Ghi chú: các ký hiệu như trong phụ lục PL.1.1
Hình 1.1.1. Cấu trúc mô hình NAM
NAM mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy bằng việc mô tả liên tục cho các
thành phần trong 4 vùng trữ lượng tương tác lẫn nhau bao gồm:
- Trữ lượng tuyết;
- Trữ lượng mặt;
- Trữ lượng sát mặt;
- Trữ lượng nước ngầm.
Ngoài ra NAM cho phép xử lý các can thiệp của con người trong chu kỳ
thủy văn như tưới và bơm nước ngầm. Các thành phần cơ bản của mô hình MIKE
NAM được trình bày trong phần phụ lục (PL.1.1).
1.2. Một số mô hình thủy lực thông dụng
Hiện nay, ở nước ta và trên thế giới đang sử dụng nhiều mô hình thủy lực để
tính toán các đặc trưng khác nhau của dòng chảy. Các mô hình được sử dụng
-17-
nhiều nhất và phổ biến nhất là các mô hình toán thủy lực dòng chảy hở một chiều
để xác định lưu lượng Q và mực nước Z trong nhiều bài toán như truyền triều,
truyền lũ... trên hệ thống sông và kênh dẫn. Ngoài ra còn có các mô hình truyền
chất (mặn, phù sa...) trên hệ thống sông, mô hình tính toán thủy lực dòng chảy
xiết trên kênh có độ dốc lớn, mô hình tính thủy lực công trình...
1.2.1. Mô hình VRSAP
Mô hình VRSAP (Vietnam River System And Plains) do cố PGS. TS.
Nguyễn Như Khuê xây dựng từ 1965 đến 1993.

Tiền thân của nó là mô hình
KRSAL, được sử dụng rộng rãi ở nước ta trong khoảng 30 năm trở lại đây. Hiện
nay VRSAP cũng như KRSAL đã có nhiều cải tiến, chủ yếu là ở các thủ tục ra -
vào của chương trình tính, còn phần cốt lõi của của chương trình vẫn giữ nguyên.
Đây là mô hình toán thủy văn - thủy lực của dòng chảy một chiều trên hệ thống
sông ngòi có nối với đồng ruộng và các khu chứa khác. Dòng chảy trong các
đoạn sông được mô tả bằng hệ phương trình Saint-Venant đầy đủ, không bỏ bớt
một vài số hạng như trong một số mô hình khác [7]. Dòng chảy qua các công
trình được mô tả bằng các công thức thủy lực đã biết và được đưa về cùng một số
hạng như phương trình của các đoạn sông. Dòng chảy tràn vào các ô ruộng hay
khu chứa được mô phỏng theo tư tưởng chung của mô hình SOGREAH. Các khu
chứa nước và các ô đồng ruộng trao đổi nước với sông và trao đổi nước với nhau
qua các tràn hay cống điều tiết. Do đó, mô hình đã chia các khu chứa và các ô
đồng ruộng thành hai loại chính. Loại kín trao đổi nước với sông qua cống điều
tiết, loại hở trao đổi nước với sông qua tràn mặt hay trực tiếp gắn với sông như
các khu chứa thông thường.
Mô hình VRSAP cũng xét đến sự gia nhập của mưa trong tính toán thủy lực
dòng chảy trong các hệ thống sông khi diễn toán lũ hay tính tiêu nước cho hệ
thống thủy nông. Mô hình cũng xét đến khả năng truyền mặn trên hệ thống sông
và đồng ruộng. Sơ đồ tính trong VRSAP là sơ đồ sai phân ẩn lưới chữ nhật có xét
đến trọng số đối với các bước sai phân theo thời gian t và không gian x.
Mô hình VRSAP phù hợp với điều kiện Việt Nam, có thể sử dụng để:
+ Tính toán và tìm ra quy luật thay đổi của lưu lượng Q và mực nước Z tại từng
mặt cắt trên hệ thống sông và ô chứa kể cả vùng bị ảnh hưởng của thủy triều.
+ Giải bài toán tiêu úng, thoát lũ và cấp nước trên các hệ thống công trình
thủy lợi vùng đồng bằng và ven biển.
-18-
+ Lập các phương án quy hoạch quản lý và khai thác thủy lợi trên lưu vực
sông lớn nhỏ và các hệ thống công trình thủy lợi.
+ Tính truyền triều và truyền mặn trên các hệ thống sông v.v...
Mô hình VRSAP là mô hình mã nguồn mở, nên từ đó nhiều tác giả đã cải
tiến để mô hình có thể tính được truyền tải phù sa, tính tiêu thoát nước đô thị. Các
loại mô hình toán này hiện cũng đang được ứng dụng ở nước ta và cho kết quả
tốt. Một số ứng dụng của mô hình cho hệ thống sông Hồng, sông Thái Bình, sông
Cả, sông Nhật Lệ, sông Hương, sông Thu Bồn, sông Cửu Long... đều đạt các kết
quả tin cậy. Mô hình VRSAP ứng dụng rất có hiệu quả đối với việc tính toán thủy
lực tưới, tiêu các hệ thống thủy nông, quy hoạch và lập các dự án quản lý, khai
thác hệ thống thủy nông, tính toán quy mô các công trình trên hệ thống, quản lý
lưu vực và tài nguyên ở nước ta.
Chuyển động của chất lỏng trong lòng dẫn hở có thể mô tả bằng hệ phương
trình Saint-Venant. Trong mô hình VRSAP, hệ phương trình Saint-Venant của
dòng chảy một chiều là hệ phương trình thủy động lực viết cho dòng chảy một
chiều trong lòng dẫn hở: [1, 5, 7, 14, 19, 21]
+ Phương trình liên tục:

c
Q Z
B q
x t



(1.2.1)
+ Phương trình động lực:


*
c
2
2
*
0
2 3
B ' B
Z 1 Q Z
1 Fr Q
x gA t t
gA
Q
Q A
q J
x
gA gA








(1.2.2)
Mô hình VRSAP chỉ giải quyết được bài toán mà dòng chảy có số Froude
(
2
0
3
Q
Fr B
gA


) nhỏ hơn 1 (tức là dòng chảy êm).
Hệ gồm hai phương trình (1.2.1) và (1.2.2) là hệ phương trình Saint-Venant
có hai ẩn số là:
+ Q = Q(x, t) là lưu lượng trung bình mặt cắt phụ thuộc vị trí x và thời điểm t.
+ Z = Z(x, t) là mực nước tại mặt cắt x, thời điểm t.
Trong đó, biến không gian x và thời gian t là hai biến độc lập.
-19-
ý nghĩa của các đại lượng trong hệ phương trình Saint-Venant:
B
c
- chiều rộng toàn mặt cắt ngang sông, B
c
= B + B
b
;
B - chiều rộng lòng sông;
B
b
- chiều rộng bãi sông;
q - lưu lượng dòng chảy gia nhập trên một đơn vị dài theo đoạn sông;
J - độ dốc thủy lực, được tính theo công thức tổn thất của dòng chảy ổn định,
2 2
Q Q
J
A C R

;
R - bán kính thủy lực,
A
R
P

;
A - diện tích mặt cắt ướt;
P - chu vi ướt;
C - hệ số Chezy. Nếu tính theo công thức Manning,
1
6
1
C R
n

.
n - hệ số nhám Manning;

0
- hệ số động lượng;
- hệ số sửa chữa động năng;


*
= 2

0



1.2.2. Mô hình HEC-RAS
Mô hình HES-RAS của Trung tâm Thủy văn công trình thuộc hiệp hội kỹ sư
quân sự Hoa Kỳ (Hydrologic Engineering Center of US Army Corps of
Engineers) xây dựng. Mô hình có ưu điểm là cho kết quả rõ ràng, có sơ đồ mạng
lưới sông, mặt cắt của từng nút sông. Các quan hệ Q ~ t và Z ~ t được trình bày ở
dạng biểu bảng và đồ thị, đường mặt nước trong sông được mô tả chi tiết. Mô
hình HEC-RAS là mô hình tính dòng chảy một chiều của hệ thống sông, dòng
chảy trong sông được mô tả bằng hệ phương trình Saint-Venant đầy đủ và được
xây dựng theo sơ đồ sai phân ẩn có xét đến trọng số đối với các bước sai phân
theo thời gian t và chiều dọc theo dòng chảy x. Mô hình có hạn chế là không xét
đến lượng mưa rơi xuống các khu chứa sau đó gia nhập dòng chảy. Trong những
-20-
năm gần đây HEC-RAS đã được sử dụng ở nước ta trong các nghiên cứu về lũ,
đặc biệt là trong công tác đào tạo tại các trường đại học. [21]
Dòng chảy trong sông thiên nhiên được coi là dòng không ổn định biến đổi
chậm chảy một chiều, thay đổi theo không gian và thời gian. Các yếu tố được mô
tả bằng hệ phương trình Saint-Venant, gồm phương trình liên tục và phương trình
động lực. Hệ phương trình Saint-Venant trong mô hình này có dạng:
+ Phương trình liên tục:

c
A
A Q
q
t t x




(1.2.3)
+ Phương trình động lực:


VQ
Q Z
gA J 0
t x x







(1.2.4)
ý nghĩa các đại lượng toán học trong hai phương trình (1.2.3) và (1.2.4)
giống như trong mô hình VRSAP được nêu ở mục 1.2.1. Lưu lượng Q có giá trị
dương nếu dòng chảy xuôi từ mặt cắt trên xuống mặt cắt dưới (theo chiều dương
của x), có giá trị âm nếu dòng chảy theo chiều ngược lại. Tương tự, trong phương
trình liên tục (1.2.3) thì q
t
có giá trị dương nếu dòng chảy từ ngoài đổ vào sông.
Để giải hệ gồm hai phương trình liên tục (1.2.3) và động lực (1.2.4) dùng
phương pháp sai phân hữu hạn - thay các đạo hàm riêng bằng tỷ số các sai phân.
Giống như mô hình VRSAP, trong mô hình HEC-RAS cũng sử dụng sơ đồ ẩn
(lưới sai phân chữ nhật) để giải hệ phương trình Saint-Venant.
1.2.3. Mô hình MIKE 11
MIKE là một họ phần mềm gồm nhiều mô đun khác nhau, từ việc tính toán
cân bằng nước (MIKE BASIN), mưa - dòng chảy (MIKE NAM), dòng một chiều
(MIKE 11), hai chiều lưới thẳng (MIKE 21), hai chiều lưới cong (MIKE 21 C),
lưới bất kỳ (MIKE 21 FM) và ba chiều (MIKE 3); mô hình kết hợp một và hai
chiều MIKE FLOOD... Hiện nay, MIKE là bộ phần mềm được sử dụng khá rộng,
với khả năng bao trùm tất cả các vấn đề về quản lý khai thác tài nguyên nước.
[15, 22, 41]
Trong luận văn sử dụng mô hình MIKE FLOOD là mô hình kết hợp một
chiều MIKE 11 và hai chiều MIKE 21 để mô phỏng lũ tràn đồng trên hệ thống
sông Hương tỉnh Thừa Thiên Huế nên ở đây chỉ nêu tổng quan về ba mô hình
-21-
này. Các mô hình khác trong bộ mô hình MIKE đã được trình bày khá chi tiết tại
website http://www.dhigroup.com.
MIKE 11 do DHI Water & Environment phát triển, là một gói phần mềm
dùng để mô phỏng dòng chảy, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát ở các cửa
sông, sông, kênh tưới. 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 hình thủy động lực MIKE 11 (HD) là một phần trọng tâm của mô hình
MIKE 11, mô hình cho phép tính thủy lực trên mạng lưới sông, kênh có thể áp
dụng với chế độ sóng động lực hoàn toàn ở cấp độ cao. Trong chế độ này, MIKE
11 có khả năng tính toán với:
- Dòng thay đổi gấp.
- ảnh hưởng thủy triều.
- Sóng lũ.
- Lòng dẫn dốc.
- Thay đổi mặt cắt dòng chảy.
Các công trình được mô phỏng trong MIKE 11 bao gồm:
- Đập (đập tràn đỉnh rộng).
- Cống (Cống hình chữ nhật, hình tròn...).
- Trạm bơm.
- Hồ chứa.
- Công trình điều tiết.
- Cầu.
Hệ phương trình sử dụng trong mô hình là hệ phương trình Saint-Venant
một chiều không gian, với mục đích tìm quy luật diễn biến của mực nước và lưu
lượng dọc theo chiều dài sông hoặc kênh dẫn theo thời gian. Hệ gồm hai phương
trình: phương trình liên tục và phương trình động lượng:
-22-
+ Phương trình liên tục:

Q A
q
x t



(1.2.5)

Hình 1.2.1. Bảo toàn khối lượng
+ Phương trình động lượng:

2
2
Q Q
Q Q Z
gA g 0
t x A x
C AR







(1.2.6)
Trong đó:
Z - mực nước ở thời đoạn tính toán (m);
t - thời gian tính toán (s);
Q - lưu lượng dòng chảy qua mặt cắt (m
3
/s);
x - không gian (dọc theo chiều dòng chảy) (m);
A - diện tích mặt cắt ướt (m
2
);
q - lưu lượng gia nhập dọc theo đơn vị chiều dài (m
2
/s);
C - hệ số Chezy,
y
1
C R
n

;
n - hệ số nhám;
R - bán kính thủy lực (m);
y - hệ số, theo Manning y = 1/6;
g - gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s
2
;
- hệ số động lượng.
-23-
Thuật toán và phương pháp giải chung của mô hình MIKE 11 được trình
bày chi tiết trong phần phụ lục (PL.1.2).
1.2.4. Mô hình MIKE 21
Mô hình MIKE 21 là mô hình hai chiều, gồm các mô đun chính:
- Mô đun thủy động lực học (Hydrodynamic): mô phỏng chuyển động của
dòng chảy theo cả không gian và thời gian.
- Mô đun thủy động lực học và truyền tải khuếch tán (Hydrodynamic and
Advection - Dispersion) có mô phỏng thêm sự khuếch tán của các chất.
- Mô đun thủy động lực học và vận chuyển bùn cát (Hydrodynamic and Mud
Transport).
- Mô đun thủy động lực học và ECO Lab.
Với mục đích của đề tài là mô phỏng lũ nên trong luận văn chỉ sử dụng mô
đun thủy động lực học HD để tính toán.
MIKE 21 HD là một mô đun thủy động lực học dùng để mô hình hóa dòng
chảy tràn. Nó được dùng để mô phỏng sự biến động của mực nước và lưu lượng
ứng với các thay đổi về chế độ thủy lực trong sông, hồ và các vùng chảy tràn.
Mực nước và lưu lượng được tính trong lưới hình chữ nhật chứa khu vực nghiên
cứu khi có dữ liệu địa hình, độ nhám đáy, điều kiện biên, trường gió... [6, 22, 41]
MIKE 21 HD có thể mô hình hóa dòng chảy tràn với nhiều điều kiện được
tính đến, bao gồm:
+ Ngập và tiêu nước cho vùng tràn;
+ Tràn bờ;
+ Dòng chảy qua công trình thủy lợi;
+ Thủy triều;
+ Nước dâng do mưa bão.
Hệ thống giải hệ phương trình phi tuyến của phương trình liên tục và bảo
toàn động lượng theo thời gian. Phương pháp giải bằng cách sử dụng sơ đồ sai
phân hữu hạn ẩn có độ chính xác bậc hai. Các lực và hiện tượng được xét đến
trong giải pháp bao gồm:
+ ứng suất cắt đáy (ma sát đáy);
-24-
+ ứng suất cắt của gió tại bề mặt (ma sát gió);
+ Sự phân tán động lượng;
+ Lưu lượng qua công trình thủy lợi;
+ Vùng tràn ngập và cạn;
+ Bốc hơi.
Mô hình MIKE 21 HD là mô hình thủy động lực học mô phỏng mực nước
và dòng chảy trên sông, vùng cửa sông, vịnh và ven biển. Mô hình mô phỏng
dòng chảy không ổn định hai chiều ngang đối với một lớp dòng chảy.
Hệ phương trình mô phỏng bao gồm phương trình liên tục kết hợp với
phương trình động lượng chiều ngang (x, y) mô tả sự biến đổi của mực nước và
lưu lượng. Lưới tính toán sử dụng trong mô hình là lưới hình chữ nhật.
+ Phương trình liên tục:

Z p q
0
t x y



(1.2.7)
+ Phương trình động lượng theo chiều x:

2 2
2
2 2
w
gp p q
p p pq Z 1
gh
t x h y h x
C h















a
xx xy x
w
p
h
h h q fVV 0
x y x






(1.2.8)
+ Phương trình động lượng theo chiều y:

2 2
2
2 2
w
gq p q
q q pq Z 1
gh
t y h x h y
C h














a
yy xy y
w
p
h
h h p fVV 0
y x y






(1.2.9)
Trong đó:
h - độ sâu mực nước tại điểm (x, y) tính từ đáy, h = h(x, y, t) (m);
Z - cao trình mực nước (m), Z = Z(x, y, t) (m);
p - lưu lượng đơn vị theo chiều x, p = p(x, y, t) (m
3
/s/m),
p = uh
-25-
u - vận tốc bình quân thủy trực theo chiều x;
q - lưu lượng đơn vị theo chiều y, q = q(x, y, t) (m
3
/s/m),
q = vh
v - vận tốc bình quân thủy trực theo chiều y;
C - hệ số Chezy, C = C(x, y, t) (m
0,5
/s);
g - gia tốc trọng trường (m/s
2
);
f(V) - hệ số ma sát gió;
V - vận tốc gió, V = V(x, y, t) (m/s);
V
x
, V
y
- thành phần vận tốc gió theo hai chiều x và y;
- thông số Coriolis, = (x, y), phụ thuộc vào vĩ độ, (s
-1
);
p
a
- áp suất khí quyển, p
a
= p
a
(x, y, t) (kg/m/s
2
);

w
- mật độ nước (kg/m
3
);
x, y - tọa độ không gian (m);
t - thời gian (s);

xx
,
xy
,
yy
- các thành phần ứng suất tiếp.
Thuật toán chi tiết của mô hình MIKE 21 được trình bày trong phần phụ lục
(PL.1.3).
1.2.5. Mô hình MIKE FLOOD
MIKE FLOOD là một công cụ ghép nối các mô hình một chiều và hai
chiều, nhằm mục đích nghiên cứu kết hợp giữa dòng chảy một và hai chiều. Mô
hình một chiều có thể đưa vào để ghép nối trong MIKE FLOOD gồm mô hình
thủy lực mạng sông MIKE 11 và mô hình tiêu thoát nước đô thị MOUSE; mô
hình hai chiều gồm mô hình lưới chữ nhật (MIKE 21 HD), mô hình lưới cong
(MIKE 21 C) và mô hình lưới tuỳ ý - lưới tam giác (MIKE 21 FM).
Trong luận văn, MIKE FLOOD được sử dụng để ghép nối mô hình mạng
sông MIKE 11 HD và mô hình hai chiều lưới chữ nhật MIKE 21 HD. Mô hình
một chiều được sử dụng để mô phỏng hệ thống sông; mô hình hai chiều được sử
dụng để mô phỏng dòng chảy trên khu chứa và vùng đầm phá.
Việc liên kết mô hình một chiều và hai chiều được thực hiện bởi các kết nối
hiện. Sử dụng MIKE FLOOD sẽ mô phỏng được chi tiết điều kiện vật lý của hệ
-26-
thống. Mô hình hai chiều sẽ mô phỏng dòng chảy tại các vùng nước nông như:
khu chứa, vùng đất ngập nước, hệ đầm phá. Mô hình một chiều được sử dụng để
mô phỏng hệ thống sông bao gồm các công trình phức tạp mà mô hình hai chiều
không thực hiện được. MIKE FLOOD được sử dụng khi cần có sự mô tả hai
chiều ở một số khu vực (MIKE 21) và tại những nơi cần kết hợp mô hình một
chiều (MIKE 11). Trường hợp cần kết nối một chiều và hai chiều là khi cần có
một mô hình vận tốc chi tiết cục bộ (MIKE 21) trong khi sự thay đổi dòng chảy
của sông được điều tiết bởi các công trình phức tạp (cửa van, cống điều tiết, các
công trình thủy lợi đặc biệt...) mô phỏng theo mô hình MIKE 11. Khi đó mô hình
một chiều MIKE 11 có thể cung cấp điều kiện biên cho mô hình hai chiều MIKE
21 và ngược lại. [41]
Để kết nối được linh hoạt, mô hình cho phép thực hiện các kết nối sau:
1. Kết nối chuẩn
Kết nối này cho phép nối kết một hoặc nhiều ô lưới trong MIKE 21 với
phần cuối của một nhánh MIKE 11. Dạng kết nối này dùng để nối một lưới
MIKE 21 chi tiết vào một mạng MIKE 11 lớn hoặc để nối một công trình hay
một tính năng bên trong lưới MIKE 21. Dòng chảy vào hoặc ra ở nhánh một
chiều MIKE 11 được áp dụng như nguồn cấp hoặc nguồn thu đối với các ô hai
chiều trong MIKE 21 (Hình 1.2.2).
Kết nối chuẩn
Nối kết M11 vào
lưới chi tiết của M21
Nối kết công trình
trong M11 với M21
M

n
g

M
1
1
M

n
g

M
1
1
M

n
g

M
1
1
M

n
g

M
1
1
Lưới M21

Hình 1.2.2. Sơ đồ kết nối chuẩn
2. Kết nối hai bên
Kết nối này cho phép mỗi chuỗi các ô MIKE 21 được nối hai bên tạo nên
một đoạn kênh trong MIKE 11 hoặc một đoạn của một nhánh sông hay cả nhánh

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×