Chuong 3 mô hình hóa hệ thống tài nguyên nướcb

Các mô hình mô phỏng Trong bài toán phân tích hệ thống mô hình mô phỏng được sử dụng để phân tích hiệu quả của từng phương án quy hoạch, từ đó tìm ra phương án có lợi nhất.. Khái niệm

TS Lê Hùng Khoa Xây dựng Thủy lợi Thủy điện Trường Đại học Bách Khoa

Đ

1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHĐN

-Giúp cho việc nhận thức cũng như ứng xử hệ thống đầy đủ hơn-Dễ dàng cung cấp các kịch bản vận hành hệ thống khác nhau

-Là cầu nối giữa nhà nghiên cứu và nhà quản lý chính sách

Những thách thức khi mô hình hóa hệ thống TNN

a Thách thức của mô hình hóa

-Giai pháp hoàn thiện cho việc quy hoạch TNN hiếm khi tồn tại: Các kế hoạch dự án là động, phát triển theo thời gian;

-Bất kỳ quyết định lớn nào cũng bao gồm nhiều quyết định nhỏ thực hiện bởi các cơ quan khác nhau có trách nhiệm về các khía cạnh khác nhau của dự án;

-Thời gian danh cho việc nghiên cứu TNN nói riêng thường ngắn hơn so với yêu cầu Nếu có đủ thời gian thì mục tiêu của các nghiên cứu có thể thay đổi đáng kể

Những thách thức khi mô hình hóa hệ thống TNN

b Thách thức của những nhà hoạch định chính sách, quản lý

-Xác định được các lựa chọn nhằm giải quyết bài toán

-Tìm hiểu các nhu cầu của các nhóm lợi ích nhằm được sự đồng

thuận về các vấn đề cần làm

-Thiết lập và sử dụng mô hình đưa ra các kết quả để mọi hộ

dùng nước đạt được sự thỏa thuận chung phù hợp với các giá trị riêng của họ

-Ra quyết định và thực hiện chúng, đưa ra sự khác biệt của các ý

tưởng, giá trị xã hội và mục tiêu

Khung phân tích chung của các

nghiên cứu

HTTNN

Thách thức trong việc áp dụng mô hình vào thực tế

- Luôn có một khoảng cách giữa những nghiên cứu về sản phẩm mô hình hóa HTTNN với thực tế sử dụng

- Không phải những nghiên cứu công bố nào cũng sẵn sàng hay hiệu quả trong việc sử dụng

- Liệu mô hình mới (chương trình máy tính) có làm cho người sử dụng dễ dàng giải quyết các vấn đề của họ hay không?

Đặc điểm của những bài toán mô hình hóa hệ thống TNN

- Mục tiêu quy hoạch và quản lý TNN được xác định rõ ràng và các tổ chức và cá nhân có thể nhận dạng được ai có thể đạt được lợi từ kết quả mô hình

- Tồn tại nhiều quyết định khác nhau mà có thể thoả mãn các mục tiêu, và quyết định tốt nhất chưa rõ ràng

- Hệ thống TNN và các mục tiêu có thể miêu tả tường minh bằng các hàm toán học

- Thông tin cần thiết như những tác động thuỷ văn, kinh tế, môi trường, sinh thái từ quyết định nào đó có thể được ước tính tốt hơn thông qua sử dụng mô hình

- Thông số của những mô hình xác định từ dữ liệu có khả năng đạt được dễ dàng

- Một số hệ thống thực thi các mục tiêu mâu thuẫn với nhau

Trong trường hợp này, mô hình có thể giúp định ra các thỏa hiệp hiệu quả giữa các giải pháp mâu thuẫn đó

- Đòi hỏi các tiếp cận theo hướng mô hình hóa mô phỏng hay tối ưu nhằm nghiên cứu phân tích hệ thống tài nguyên nước

3.2 Phương pháp mô hình hóa

3.2 Phương pháp mô hình hóa

b/ Đặc điểm của những bài toán mô hình hóa hệ thống TNN

- Mục tiêu quy hoạch và quản lý TNN được xác định rõ ràng

và các tổ chức và cá nhân có thể nhận dạng được ai có thể

đạt được lợi từ kết quả mô hình

- Tồn tại nhiều quyết định khác nhau mà có thể thoả mãn các mục tiêu, và quyết định tốt nhất chưa rõ ràng

- Hệ thống TNN và các mục tiêu có thể miêu tả tường minh bằng các hàm toán học

- Thông tin cần thiết như những tác động thuỷ văn, kinh

tế, môi trường, sinh thái từ quyết định nào đó có thể được ước tính tốt hơn thông qua sử dụng mô hình

- Thông số của những mô hình xác định từ dữ liệu có khả năng đạt được dễ dàng

3.2 Phương pháp mô hình hóa

a Các mô hình mô phỏng

Mô phỏng (Simulation): Quá trình sao chép lại hành vi

của một hệ thống đang tồn tại hoặc được đề xuất

- Thiết kế một mô hình của hệ thống và tiến hành thực

nghiệm với mô hình đó nhằm để hiểu rõ hơn về chức năng của hệ thống hoặc để đánh giá những chiến lược quản

lý khác nhau của hệ thống đó

- Bản chất của mô phỏng là xác định lại động thái của hệ

thống ở các mặt quan trọng để trả lời câu hỏi hệ thống phản ứng như thế nào với những điều kiện có thể áp đặt vào nó hoặc có thể phát sinh trong tương lai

3.3 Mô hình mô phỏng và mô hình tối ưu

a Các mô hình mô phỏng

Trong bài toán phân tích hệ thống mô hình mô phỏng

được sử dụng để phân tích hiệu quả của từng phương án quy hoạch, từ đó tìm ra phương án có lợi nhất

Phương án mô phỏng chỉ đưa ra được phương án gần

tối ưu (phương án hợp lý) Do phương án tốt nhất được xác lập trên cơ sở các kịch bản về phương

án quy hoạch và do đó có thể bỏ sót các phương

án tốt hơn do không tạo ra được không gian đầy

đủ các phương án

3.3 Mô hình mô phỏng và mô hình tối ưu

b Các mô hình tối ưu

Cho phép đưa ra các giải pháp tối ưu từ một miền giới hạn

các giải pháp khả thi

Hạn chế:

- Không phải bài toán quy hoạch nào có thể mô tả được

bằng mô hình tối ưu

- Nhiều trường hợp bài toán tối ưu không giải được

- Có thể nghiệm bài toán tối ưu là nghiệm cục bộ.

3.3 Mô hình mô phỏng và mô hình tối ưu

Các mô hình kết nối kỹ thuật tối ưu với mô hình mô phỏng 3.3 Mô hình mô phỏng và mô hình tối ưu

1 Khái niệm

Mô hình toán dòng chảy sông ngòi là sự biểu đạt các quy luật của hệ thống

nguồn nước bao gồm các quá trình vật lý và động thái của hệ thống bằng các biểu thức toán học

2 Phân loại: Có hai loại mô hình chính:

a Mô hình dòng chảy sông ngòi

Mô phỏng các quá trình dòng chảy trên lưu vực và dòng chảy trong mạng

sông Các mô hình này thường là các mô hình thành phần của mô hình hệ thống

b Mô hình lưu vực (Mô hình hệ thống)

Không chỉ mô phỏng các quá trình dòng chảy sông ngòi mà còn mô tả đầy

đủ các hoạt động của hệ thống công trình, hệ thống các công trình sử dụng nước trên hệ thống sông Nó là sự lắp ghép của các mô hình thành phần

3.3 Mô hình mô phỏng và mô hình tối ưu

3.3.1 Mô hình mô phỏng hệ thống

Mô hình toán dòng chảy

Mô hình thông số tập trung Mô hình thông số phân phối

Mô hình hộp

đen

Mô hình quan niệm

Mô hình sóng động học

Mô hình sóng động lực

Mô hình sóng khuếch tán

Sơ đồ phân loại mô hình toán dòng chảy

3.3 Mô hình mô phỏng và mô hình tối ưu

3.3.1 Mô hình mô phỏng hệ thống

a Mô hình thông số tập trung

Nguyên lý chung về mô phỏng quá trình dòng chảy sông ngòi (mô tả trong mô hình MIKE11)

MIKE 11

dòng chảy sẵn có (RR):

Sơ đồ khối mô phỏng quá trình hình thành dòng chảy trong mô hình Stanford – 4

(Theo A.K Biswas trong cuốn “Systems Approach to water Managenment, 1976”).

B c h i th c ốc hơi thực ơi thực ực

tế Bay h i ơi thực Dung tích th m ảm

trên Dòng ch y sát m tảm ặtBay h i ơi thực

Tiêu n c vùng trên ước Vùng d i ước

Dung tích vùng

d i ước Bay h i ơi thực

Di n toán dòng ch y ễn toán dòng chảy ảm trong sông

Dung tích b n c ể nước ước

ng m t ng trên ần đất không ần đất không

N c ng m ước ần đất không Bay h i ơi thực

Chảy vào sông suối

Chảy vàos sông suối

3.3 Mô hình mô phỏng và mô hình tối ưu

a Mô hình thông số tập trung

• Đường quá trình lưu lượng đơn vị là

đường quá trình lưu lượng ở tuyến cửa

ra của một lưu vực sông được tạo ra

bởi lượng mưa hiệu quả (đã trừ tổn

thất thấm) bằng 1 đơn vị phân bố đều

trên lưu vực trong khoảng thời gian

mưa hiệu quả t, ta ký hiệu U~t là

đường đơn vị

• Lượng mưa đơn vị có thể chọn bất kỳ,

tuy nhiên để thuận tiện trong quá trình

tính toán người ta thường chọn bằng 1

cm =10 mm (đối với hệ SI) và bằng 1

inch (đối với hệ Anh)

Mô hình đường đơn vị

Mô tả đường quá trình đơn vị do lựợng mưa 10 mm sinh ra trên lưu vực

t

Lượng mưa đơn vị bằng 10 mm

Đường quá trình đơn vị t i tuy n ại tuyến ế

c a ra c a luu v c ửa ra của luu vực ủ ực thời đoạn t

t U

n t

U 1

U2

3.3 Mô hình mô phỏng và mô hình tối ưu

a Mô hình thông số tập trung

Mô tả quá trình lưu lượng lũ tại tuyến cửa ra của lưu vực khi đường đơn vị

j

j i j

- M là số thời đoạn mưa hiệu quả;

- k là số lượng thời đoạn mưa hiệu quả có mặt trong mỗi phép lấy tổng Điều kiện k  M có nghĩa là số số hạng Pj của mỗi tổng Qi tại thời đoạn i lớn nhất cũng chỉ bằng số thời đoạn mưa hiệu quả M

- Pj là mưa hiệu quả tại thời đoạn j (j =1, 2, , , k, , M) đã quy đổi theo lượng mưa đơn vị Ví dụ chọn lượng mưa đơn

vị bằng 10mm, với lượng mưa hiệu quả là X= 26,5 mm sẽ

có P =2,65;

- Qi là lưu lượng tại tuyến cửa ra của lưu vực tại thời đoạn thứ i (i =1, 2, 3, , N), N là số thời đoạn của quá trình lưu lượng có giá trị là N = n+M-1, trong đó n là số thời đoạn của đường đơn vị Ví dụ nếu số thời đoạn mưa M = 3, số thời đoạn của đường đơn vị n = 6 ta có số thời đoạn của đường quá trình lưu lượng N = 6+12-1 = 8.

- Ui-j+1 là tung độ đường đơn vị tại mỗi thời đoạn tính toán thứ i với điều kiện i-j+1 n, trong đó n là số thời đoạn của đáy đường đơn vị Với điều kiện này, các số hạng có chỉ số i-j+1>n của Ui-j+1 sẽ không có mặt trong phép tính tổng

3.3 Mô hình mô phỏng và mô hình tối ưu

a Mô hình thông số tập trung

Do chỉ số j chạy từ 1 đến k mà giá trị của k

lại không vượt quá M = 3, nên số số hạng lớn nhất của các phép tổng Q không vượt quá 3

Tính quá trình lưu lượng nước tại

tuyến cửa ra của lưu vực sinh ra do

3 thời đoạn mưa với đường đơn vị

có đáy gồm 6 thời đoạn.

Ta có:

- Số thời đoạn mưa M =3

- Số tời đoạn đáy đường đơn vị n

=6

Số thời đoạn của đường quá trình

lũ: N= 6+12-1= 8

3.3 Mô hình mô phỏng và mô hình tối ưu

1 Mô hình thông số tập trung

Xây dựng đường đơn vị từ tài liệu thực đo và ứng dụng tính toán lũ thiết kế

P

U P Q

P Q

U3  3  3  2 2

1

M N M

N M

N 1 M N M

N M

U P U

P U P U P

k

k j j

U P

Q U

1 Mô hình thông số tập trung

Hệ phương trình Saint Venant

Hệ phương trình Saint Venant

q t

A x

y g

x

V V

t V

2 Mô hình thông số phân phối

* Phân loại mô hình

3.3 Mô hình mô phỏng và mô hình tối ưu

DIỄN TOÁN LŨ TRONG SÔNG

hệ toán học để tính toán dòng chảy ra dựa trên những tài liệu đã biết về dòng chảy vào sông (kênh), lượng nhập lưu bên, và các đặc trưng của sông (kênh dẫn)

điều kiện dòng chảy trong sông tự nhiên (kênh dẫn hở) loại trừ những dòng chảy qua cống tháo nước mưa

không ổn định trông sông hoặc kênh dẫn

điều kiện, thường được hoán đổi cho nhau Điều này có nghĩa là hầu hết các áp dụng diễn toán dòng chảy kênh dẫn thì liên quan đến phân tích dòng chảy lũ, thiết kế công trình kiểm soát lũ, hoặc dự báo lũ…

DIỄN TOÁN LŨ TRONG SÔNG

 Có 2 phương pháp tổng quát để diễn toán lũ trong sông (kênh dẫn):

o Phương pháp diễn toán thủy văn: Dựa trên quan niệm về lượng

trữ, ví dụ như trường hợp diễn toán dòng chảy trong hồ chứa

o Phương pháp diễn toán thủy lực: Dựa vào định luật bảo toàn khối

lượng và định luật bảo toàn momentum

 Sóng động học, sóng khuếch tán, sóng động lực là 3 dạng phổ biến của

pháp pháp diễn toán thủy lực Trong đó sóng động lực là mô hình tiếp cận khát quát nhất của dòng chảy không ổn định trong sông Trong khi

mô hình sóng khuếch tán và sóng động học là các mô hình xấp xỉ thực hành và thích hợp

 Một phương pháp tiếp cận thay đổi (luân chuyển) giữa diễn toán thủy

văn và thủy lực đã xuất hiện trong những năm gần đây Phương pháp này thì tương tự như các phương pháp diễn toán thủy văn (không bao gồm những thông tin vật lý đầy đủ như các phương pháp diễn toán thủy lực phức tạp) Phương pháp Muskingum-Cunge trong diễn toán lũ là một

ví dụ đặc trưng cơ bản của phương pháp tiếp cận luân chuyển đó

DIỄN TOÁN LŨ TRONG SÔNG

1) Phương pháp Muskingum

 Giả thiết của phương pháp: Phương pháp Muskingum giả thiết

rằng lượng trữ trong đoạn sông có quan hệ tuyến tính với trung bình gia quyền giữa dòng chảy vào I và dòng ra O Gọi W là lượng trữ trong đoạn sông giới hạn bởi hai mặt cắt 1-1 và 2-2, dài Δx

DIỄN TOÁN LŨ TRONG SÔNG

DIỄN TOÁN LŨ TRONG SÔNG

2x I I 2 1 x O O

     



DIỄN TOÁN LŨ TRONG SÔNG

DIỄN TOÁN LŨ TRONG SÔNG

W K.Q'

W



Phương trình động lượng bao gồm các thành phần thuộc các quá trình vật lí của động lượng Các thành phần này là:

- Thành phần gia tốc địa phương mô tả sự biến thiên của động lượng theo thời gian do sự thay đổi của vận tốc theo thời gian;

- Thành phần chuyển tải (còn gọi là đối lưu) của gia tốc

mô tả sự biến thiên động lượng theo dọc theo kênh gây ra bởi sự thay đổi của vận tốc dọc theo kênh;

- Thành phần áp lực tỷ lệ với sự thay đổi độ sâu của nước dọc theo kênh

- Thành phần trọng lực tỷ lệ với độ dốc đáy So;

- Và thành phần lực ma sát tỷ lệ với độ dóc ma sát Sf

Phương trình động lượng bao gồm các thành phần thuộc các quá trình vật lí của động lượng Các thành phần này là:

- Thành phần gia tốc địa phương mô tả sự biến thiên của động lượng theo thời gian do sự thay đổi của vận tốc theo thời gian;

- Thành phần chuyển tải (còn gọi là đối lưu) của gia tốc

mô tả sự biến thiên động lượng theo dọc theo kênh gây ra bởi sự thay đổi của vận tốc dọc theo kênh;

- Thành phần áp lực tỷ lệ với sự thay đổi độ sâu của nước dọc theo kênh

- Thành phần trọng lực tỷ lệ với độ dốc đáy So;

- Và thành phần lực ma sát tỷ lệ với độ dóc ma sát Sf

Sóng động học

Sóng khuếch tán Sóng động lực

y x

A

Q gA t

V g

V t

TT Loại mụ hỡnh Phương trỡnh liờn tục Phương trỡnh động lượng

Chỉ bỏ qua thành phần quán tính địa ph ơng (giữ nguyên thành phần áp lực và quá tính đối l u, tành phần trọng lực và thành phần ma sát)

6 Dòng chảy không ổn định Đầy đủ Đầy đủ

q x

Q







b Thiết lập sơ đồ hệ thống

Sơ đồ hệ thống thể hiện ý đồ mô phỏng hệ thống và khả năng sử

dụng mô hình để phân tích động thái và chất lượng của hệ thống

Việc thiết lập sơ đồ hệ thống bao gồm những nội dung sau:

1 Lên sơ đồ hệ thống bao gồm hệ thống các nút và mô tả sự

liên kết giữa các nút

2 Mã hoá các nút của hệ thống theo vai trò và tính chất của các nút trong hệ thống

3 Những dữ liệu sử dụng cho mô tả hoạt động của từng nút

3.3.2 Mô hình lưu vực (mô hình hệ thống)

3.3 Mô hình mô phỏng và mô hình tối ưu

c Các loại nút cơ bản của hệ thống

Các nút trong sơ đồ hệ thống chính là những điểm đặc trưng mà

tính chất và hoạt động của nó sẽ quyết định toàn bộ động thái của hệ thống cần mô phỏng

Có thể phân loại những nút cơ bản như sau:

1) Nút dòng chảy: tại đó được mô tả quá trình nước đến của các

lưu vực thành phần (dòng chảy trong năm, dòng chảy lũ) Quá trình dòng chảy có thể được đưa vào dưới dạng đồ thị, bảng biểu hoặc bằng một mô hình toán quá trình dòng chảy sông ngòi (chẳng hạn như mô hình TANK, Mô hình đường đơn vị )

2) Nút hợp lưu: là những nút mô tả sự hoà nhập của dòng chảy, sự

cân bằng nước giữa các sông nhánh và sông chính.

3.3.2 Mô hình lưu vực (mô hình hệ thống)

3.3 Mô hình mô phỏng và mô hình tối ưu

3) Nút hồ chứa: là nút mô tả quá trình dòng chảy qua hồ chứa và

hoạt động điều tiết của hồ chứa Đối với nút hồ chứa cần mô

tả quy mô của hồ chứa, các thông số của hồ, chế độ làm việc

và các phương trình mô tả quá trình điều tiết và cân bằng nước của hồ và các mô tả khác có liên quan đến hoạt động của hồ

4) Nút cấp nước: tại đó cần mô tả yêu cầu về cấp nước, quy mô

công trình lấy nước và chế độ cấp nước tại nút

5) Nút phòng lũ: Cần thiết mô tả yêu cầu về phòng lũ, các mô

hình tính toán truyền lũ v v

3.3.2 Mô hình lưu vực (mô hình hệ thống)

c Các loại nút cơ bản của hệ thống

3.3 Mô hình mô phỏng và mô hình tối ưu