Phương pháp mô hình toán Trong nghiên cứu tìm giải pháp chỉnh trị sông, đặc biệt là các cửa sông hay dự án xây công trình vượt sông ở những vùng có chế độ thuỷ văn và thuỷ lực phức tạp
Trang 11 71 , 3 981
) 8 , 10
x V
g
V Fr
M
M
nên dòng chảy trong mô hình cũng là dòng chảy êm
4 Kiểm tra đường mặt nước trong mô hình (tức là kiểm tra sự tương tự về độ nhám): Khi mở nước vào mô hình, tiến hành đo đường mặt nước tương ứng với ba cấp lưu lượng trên và so sánh với tài liệu thủy văn thực đo thì thấy đường mặt nước trong mô hình thấp hơn so với đường mặt nước thực tế Đã tiến hành tăng độ nhám trên mô hình (chủ yếu phần bãi sông) và kiểm tra lại Nói chung mực nước trong mô hình có nâng cao hơn nhưng cục bộ vẫn có chênh lệch thấp so với thực tế Do đó đã tăng tỷ lệ lưu lượng trên mô hình thành 26,21 l/s; 11,11 l//s và 7,11 l/s Khi đó, đường mặt nước trong mô hình được nâng cao xấp xỉ với đường mặt nước thực tế, chênh lệch nhiều nhất là 10cm (tương ứng với 1mm trên mô hình)
b Phương pháp mô hình toán
Trong nghiên cứu tìm giải pháp chỉnh trị sông, đặc biệt là các cửa sông hay
dự án xây công trình vượt sông ở những vùng có chế độ thuỷ văn và thuỷ lực phức tạp công cụ mô hình toán thường được áp dụng để nghiên cứu các quá trình động lực dòng chảy, dự báo xu thế diễn biến trong tương lai, nó giúp cho việc so sánh lựa chọn giải pháp công trình và phương án bố trí mặt bằng hợp lý
Hiện nay, bài toán biến hình lòng sông cho dòng chảy không ổn định 1D, 2D đã được nghiên cứu khá hoàn chỉnh, đã có các chương trình tự động hóa tính toán và phần mềm ứng dụng như các phần mềm HEC của Mỹ, MIKE của Đan Mạch, DELF của Hà Lan, TELEMAC của Pháp v.v
Bài toán 3D đang trong giai đoạn nghiên cứu, bước đầu đã có những thành tựu khả quan, trong đó có thể kể đến phần mềm DELFT-3D, MIKE-3
Dự báo diễn biến bằng mô hình toán để phục vụ cho công tác thiết kế các công trình vượt sông đã được sử dụng trong các dự án: cầu Mỹ Thuận (sông Tiền), cầu Thanh Trì, cầu Vĩnh Tuy, cầu Nhật Tân (sông Hồng), cầu Vàm Cống (sông Hậu) Dùng mô hình toán để đánh giá diễn biến là một vấn đề lớn, MIKE21 là hệ thống các phần mềm để nghiên cứu trong 4 lĩnh vực chủ yếu (Thuỷ lực sông - biển
và hải văn, sóng, các quá trình sa bồi và thuỷ lực môi trường) Sau đây xin giới thiệu tóm tắt có tính chất tham khảo, nội dung và khả năng ứng dụng mô hình MIKE 21C
Giới thiệu chung
Đầu tiên, mô hình MIKE 21C chỉ là một tiện tích nhỏ trong các mô đun MIKE21HD và MIKE21ST của bộ mô hình MIKE 21 [6] Do các yêu cầu tính toán về thủy lực - hình thái cho sông ngòi ngày càng nhiều và với độ chính xác cao, đặc biệt là việc mô phỏng chi tiết hình dạng cong bất kỳ của đường bờ, của bãi sông (bãi bên và bãi giữa) nên MIKE 21C đã được tách ra và được phát triển thành một mô hình độc lập chuyên về tính toán thủy lực - bùn cát và hình thái hai chiều trong sông
Trang 2Điểm mới nhất và khác biệt của mô hình MIKE 21C so với các phiên bản chuẩn của mô hình MIKE 21 là việc tạo lưới tính toán: Phiên bản chuẩn của mô hình MIKE 21 dựa trên lưới tính toán hình chữ nhật Đối với việc mô phỏng vùng biển và những vùng cửa sông, hoặc các đoạn sông thẳng đơn, những lưới như vậy cho độ chính xác vừa đủ Tuy nhiên, đối với các ứng dụng trong sông, nhất là các
đoạn sông cong hoặc tồn tại các bãi bồi giữa sông, yêu cầu phải có sự mô phỏng chính xác đường biên và điều đó đòi hỏi việc sử dụng lưới cong hoặc lưới phi cấu trúc
Mô hình MIKE 21C đã tạo lưới đường cong trong việc mô phỏng vùng tính toán, việc sử dụng lưới cong so với việc sử dụng lưới chữ nhật có ưu việt là số điểm lưới ít hơn, mô phỏng đường bao tốt hơn và do đó kết quả tính toán có độ chính xác cao hơn Trong mô hình lưới cong, bước thời gian dài hơn có thể được sử dụng
và độ phân rải của đường dòng chảy được cải thiện nhiều hơn bởi vì đường lưới luôn bám sát theo đường dòng chảy Và cuối cùng, khi chạy mô hình lưới cong, do
số điểm được định nghĩa và lưu trữ ít hơn nên hạn chế được dung lượng trữ
Hình 6.19 : So sánh lưới hình chữ nhật và lưới cong
Lưới cong được sử dụng trong MIKE 21C có được từ việc giải hệ phương trình:
0
n
x g
l n s
x g
0
n
y g
l n s
y g
trong đó:
x, y: toạ độ Đề các;
s, n : toạ độ cong (ngược chiều kim đồng hồ);
g: hàm tỷ trọng, là tỷ lệ giữa độ dài ô lưới theo phương s và độ dài ô lưới theo phương n
Trang 32 2
n
y n
x
s
y s
x
Khả năng ứng dụng của mô hình MIKE 21C [7]
Mô hình MIKE 21C có các khả năng ứng dụng sau:
- Nghiên cứu trường dòng chảy và lũ trên lòng sông và các bãi sông Một
hệ thống lưới cong cho phép độ phân rải thấp hơn của lòng dẫn bởi vì các đường lưới đi theo đường bờ sông Bởi vậy một mô hình sông hai chiều có thể áp dụng nghiên cứu trên phạm vi 100km (trong điều kiện hình thái lòng dẫn không quá phức tạp và không có phân nhập lưu)
- Nghiên cứu dự báo các sự thay đổi về hình thái với thời đoạn 2 - 3 năm trong các sông có lòng dẫn biến động mạnh liên quan tới việc thiết lập quy hoạch
và xây dựng các công trình trên sông
- Nghiên cứu xác lập các tiêu chuẩn thiết kế cho công trình chỉnh trị sông với các thông số về vận tốc, chiều sâu dòng chảy, chiều sâu xói, diễn biến đường
bờ
- Dự báo sự thay đổi hình thái trên mặt bằng bao gồm xói lở bờ và ảnh hưởng của việc co hẹp lòng sông tới dòng chảy lũ
- Phân tích sự lắng đọng và xói của vật liệu bùn cát gần các công trình cửa lấy nước, đập khoá các khu vực phân, nhập khu vực cửa vào các vùng cảng
- Thiết kế tối ưu tuyến giao thông và dự báo lượng nạo vét lòng dẫn hàng năm trên các tuyến giao thông
Vấn đề dự báo diễn biến sông của mô hình MIKE 21C [7]
MIKE 21C có khả năng tính toán dự báo diễn biến sông (trường hợp phát triển tự nhiên hay do tác động của công trình ) theo các thời đoạn khác nhau, nói chung có thể phân chia thành:
- Tính toán dự báo ngắn hạn: Dự báo trong một mùa, hoặc từ 1-3 năm trong các trường hợp tính toán dự báo diễn biến khi có các đột biến về chế độ thủy văn - dòng chảy trên con sông
- Tính toán dự báo dài hạn hơn (trên 5 năm): Trong các ví dụ tính toán đã nêu lên khả năng dự báo dài hạn của mô hình (tới 30 năm), trong trường hợp này các yếu tố thủy văn dòng chảy trong tính toán thường mang tính trung bình hay tính đại diện cho cả một thời đoạn (ví dụ: chỉ tính toán dự báo với giá trị lưu lượng tạo lòng hoặc lưu lượng trung bình nhiều năm, hay có thể tính toán với một vài giá trị lưu lượng đại diện cho cả thời kỳ dự báo bao gồm cả lưu lượng lũ lớn, lũ trung bình, lưu lượng kiệt, )
Trang 4Hình 6.20: Mô tả
kết quả tính toán
dự báo diễn biến
cho một đoạn sông
ở Bangladet
Một số kết quả nghiên cứu trên thế giới [7]
Việc ứng dụng mô hình MIKE 21C đã được phát triển rất mạnh mẽ trong nghiên cứu sông ngòi và nghiên cứu tác động của công trình trên sông đối với diễn biến lòng dẫn nhiều khu vực trên thế giới, đặc biệt trong khoảng 5 năm gần đây mô hình đã ứng dụng trong nhiều dự án thuộc lĩnh vực động lực học sông ở châu
á, sau đây là một vài nét tổng hợp các kết quả nghiên cứu chính dựa trên mô hình MIKE 21C
1 Dự án ổn định nút thắt nhập lưu Chatomuk giữa sông Bassac, MêKông, Tonléap của Campuchia: Nghiên cứu đánh giá các đặc trưng thủy lực và biến động
hình thái tại đoạn thắt Chatomuk từ đó mô phỏng lại chế độ thủy lực và các biến
động hình thái để đề ra các giải pháp ổn định khu vực này
Hình 6.21 : Mô phỏng trường dòng chảy giữa thực tế (trái) và mô hình
Trang 52 Dự án xây dựng cầu qua sông Bramputra - Jamura ở Bangladesh: Đã
ứng dụng mô hình MIKE 21C để nghiên cứu dự báo diễn biến hình thái tại lân cận khu vực xây dựng cầu với các dự báo ngắn hạn (13 năm), dài hạn (30 năm)
Hình 6.22: Mô tả kết quả tính toán dự báo diễn biến ngắn hạn (3 năm)
Một số kết quả nghiên cứu bước đầu tại Việt Nam
Viện khoa học thủy lợi đã ứng dụng mô hình MIKE 21C để nghiên cứu cho một số đoạn sông sau [7]:
+ Đoạn sông Hồng từ Sơn Tây - Liên Trì: với đặc trưng của đoạn sông cong không hoàn chỉnh
+ Đoạn sông Hồng qua Hà Nội từ Chèm đến Thanh Trì: Với đặc trưng của
đoạn sông vùng ngã ba (nhập lưu)
+ Đoạn sông Thái Bình khu vực thành phố Hải Dương với đặc trưng của
đoạn sông cong gấp đồng thời có các tác động công trình trên sông
Trong khuôn khổ dự án xây dựng cầu Vàm Cống qua sông Hậu, Tổng công
ty TVTK GTVT (TEDI) đã sử dụng mô hình MIKE 21C để nghiên cứu chế độ thủy lực, diễn biến lòng dẫn trước và sau khi xây dựng cầu Vàm Cống Kết quả nghiên cứu trích rút tóm tắt ở hình 6.23 [9]
