Tiểu luận Sử dụng công nghệ GIS vào mô hình phân tích chất lượng nước

eân (thôøi ñieåm khaùc 0 taïi caùc ñieåm bieân) ta coù theå giaûi töøng nhaùnh vaø döïa treân cơ sôû giaûi töøng nhaùnh ta coù theå giaûi ñöôïc cho caû maïng soâng ( thöïc chaát laø giaûi nhaùnh vaø hôïp löu noái vôùi nhaùnh). Ñieàu kieän taïi hôïp löu: Taïi thôøi ñieåm t, neáu doøng chaûy treân nhaùnh k coù chieàu chaûy vaøo hôïp löu, thì noàng ñoä taïi maët caét saùt hôïp löu treân nhaùnh naøy seõ chi phoái noàng ñoä taïi hôïp löu vaø noàng ñoä taïi caùc maët caét saùt hôïp löu treân caùc nhaùnh coù chieàu doøng chaûy ra khoûi hôïp löu. Phöông phaùp giaûi Phöông phaùp naøy döïa vaøo ñieàu kieän möïc nöôùc coù theå thay ñoåi theo thôøi gian. Ta söû duïng nhöõng giaû thieát sau: - Treân caùc nhaùnh chaûy ra, do xaûy ra quaù trình xaùo troän hoaøn toaøn trong oâ chöùa hôïp löu, noàng ñoä taïi hôïp löu vaø noàng ñoä taïi caùc maët caét saùt hôïp löu treân caùc nhaùnh naøy laø baèng nhau. - Theo ñònh luaät baûo toaøn khoái löôïng, trong khoaûng thôøi gian dt, toång khoái löôïng chaát do caùc doøng chaûy mang tôùi hôïp löu baèng toång khoái löôïng chaát chaûy ra khoûi hôïp löu coäng vôùi khoái löôïng chaát thay ñoåi taïi hôïp löu. Töø hai giaû thieát treân, ta coù phöông trình sau vieát cho caân baèng noàng ñoä chaát taïi hôïp löu J: (1.13) Trong ñoù: CJ – noàng ñoä chaát taïi hôïp löu J. l – soá nhaùnh chaûy vaøo hôïp löu J. m - soá nhaùnh chaûy ra hôïp löu J. - noàng ñoä chaát treân nhaùnh chaûy ra khoûi hôïp löu. - noàng ñoä maët caét aùp hôïp löu cuûa nhaùnh vaøo thöù i. - löu löôïng maët caét aùp hôïp löu cuûa nhaùnh vaøo thöù i. - löu löôïng maët caét aùp hôïp löu cuûa nhaùnh ra thöù i. W – theå tích hôïp löu J. Ñieàu kieän taïi ñieåm thaûi: Cô sôû lyù thuyeát cho hôïp löu taïi nhaùnh giaû cuõng töông töï nhö cô sôû lyù thuyeát cho hôïp löu. Taïi thôøi ñieåm t, neáu doøng chaûy treân nhaùnh k coù chieàu chaûy vaøo hôïp löu, thì noàng ñoä taïi maët caét saùt hôïp löu treân nhaùnh naøy seõ chi phoái noàng ñoä taïi hôïp löu vaø noàng ñoä taïi caùc maët caét saùt hôïp löu treân caùc nhaùnh coù chieàu doøng chaûy ra khoûi hôïp löu. Phöông trình caân baèng noàng ñoä chaát taïi hôïp löu taïi nhaùnh giaû nhö sau: (1.14) Trong ñoù: Sai phaân hoaù: Heä phöông trình Saint Venant Xeùt nhaùnh soâng coù chieàu daøi L. Soâng ñöôïc chia nhoû thaønh N-1 ñoaïn coù chieàu daøi Dx (coù theå khoâng baèng nhau) bôûi N maët caét ngang nhö trong hình (2.1). Taïi caùc maët caét naøy ta caàn tính caùc giaù trò nhö möïc nöôùc, löu löôïng, vaän toác, töông öùng vôùi töøng thôøi ñieåm nhaát ñònh. 1 i 2 N-1 N Maët caét Dx X t n n+1 Dt i-1 i+1 Trong hình trên, truïc khoâng gian X ñöôïc ñaët doïc theo chieàu daøi soâng. Truïc thôøi gian t ñöôïc ñaët vuoâng goùc. Caùc yeáu toá löu löôïng Q, möïc nöôùc z ñaët taïi caùc nuùt cuûa löôùi. Heä phöông trình Saint Venant: (2.1) Theo phöông phaùp sai phaân höõu haïn, heä phöông trình treân ñöôïc sai phaân hoaù treân löôùi X-t. Ta xem xeùt ôû ñaây moät sô ñoà sai phaân aån khaù phoå bieán, sô ñoà sai phaân aån Preissmann (xem taøi lieäu tham khaûo [1], [8]). Trong moät böôùc thôøi gian Dt giöõa hai thôøi ñieåm n vaø n+1 vaø böôùc khoâng gian Dx giöõa hai maët caét i vaø i+1, theo sô ñoà Preissmann, caùc ñaïo haøm rieâng ñöôïc phaân raõ theo coâng thöùc: (2.2) (2.3) Vôùi: f – haøm baát kì ñaëc tröng cho caùc yeáu toá thuyû löïc cuûa soâng (löu löôïng Q, möïc nöôùc z, dieän tích maët caét ngang A, beà roäng maët thoaùng B…). Trong sô ñoà Preissmann, troïng soá khoâng gian ñöôïc choïn laø 0.5. Troïng soá thôøi gian q, vôùi . Thoâng thöôøng trong tính toaùn choïn q=0.6667. Söû duïng caùc coâng thöùc sai phaân daïng (2.2), (2.3) vaø tính giaù trò cuûa heä soá, haøm phuï thuoäc vaøo caùc yeáu toá thuyû löïc [8], theo coâng thöùc sau: (2.4) Caùc thaønh phaàn sai phaân ñöôïc theå hieän baèng moái lieân heä vôùi töông öùng 4 ñieåm treân löôùi sai phaân neân sô ñoà coøn coù teân goïi laø sô ñoà sai phaân 4 ñieåm ñoái vôùi töøng ñoaïn löôùi chia giöõa hai maët caét i vaø i+1. Sô ñoà Preissmann Sô ñoà coù ñoä chính xaùc baäc 2 theo böôùc khoâng gian Dx vaø böôùc thôøi gian Dt khi q=0.5, vaø coù ñoä chính xaùc baäc 1 theo böôùc thôøi gian Dt khi q¹0.5. Heä phöông trình (2.1) ñöôïc sai phaân thaønh hai phöông trình ñaïi soá phi tuyeán tính theo caùc coâng thöùc (2.2), (2.3) vaø (2.4), ta ñöôïc heä phöông trình nhö sau: (2.5) Saép xeáp heä phöông trình (2.5) thaønh daïng töông ñöông: Vôùi caùc heä soá trong phöông trình ñöôïc tính nhö sau: Trong caùc heä soá, … , caùc ñaïi löôïng phaûi laáy trung bình 4 ñieåm theo coâng thöùc (3.4). Caàn löu yù raèng, caùc heä soá, … cuûa heä phöông trình (2.5) laïi phuï thuoäc vaøo caùc aån soá caàn tìm: löu löôïng Q, möïc nöôùc z taïi thôøi ñieåm n+1. Ta söû duïng thuaät tính laëp ñeå tính cho nhöõng heä soá naøy. Thuaät giaûi laëp Laàn thöù 1 taïm tính caùc heä soá f1, f2, … taïi thôøi ñieåm n+1 theo caùc yeáu toá böôùc thôøi ñieåm n (laø caùc yeáu toá ñaõ bieát). Ñöa caùc heä soá vöøa tìm ñöôïc vaøo heä phöông trình (2.6) –(2.7), keát quaû giaûi ra ñöôïc caùc nghieäm soá gaàn ñuùng. Caùc nghieäm cuûa laàn giaûi thöù 1 naøy seõ ñöôïc ñöa vaøo heä phöông trình (2.6) –(2.7) ñeå tính laïi caùc heä soá f1, f2, … roài tieán haønh giaûi laàn thöù 2 (gioáng nhö laàn 1) tìm nghieäm gaàn ñuùng hôn. Quaù trình laëp ñöôïc thöïc hieän cho ñeán khi keát quaû hai laàn tính laëp lieân tieáp chæ coøn sai khaùc so vôùi sai soá cho pheùp laø ñöôïc. Giaù trò löu löôïng Q vaø möïc nöôùc z ôû böôùc laëp cuoái ñöôïc choïn laøm nghieäm cuûa baøi toaùn [8]. Giaû söû eQ, ez laø sai soá cho pheùp veà löu löôïng vaø möïc nöôùc. Khi tính laëp ñeán laàn thöù k, ñöôïc Qk, zk, ta duøng caùc trò soá ñoù ñeå giaûi laàn thöù k+1, ta ñöôïc Qk+1, zk+1. Xeùt ñieàu kieän: (2.8) Neáu ñieàu kieän (3.8) ñöôïc thoaû thì nghieäm gaàn ñuùng cuûa heä phöông trình (3.6) vaø (3.7) ñaõ tìm thaáy, neáu khoâng cöù laëp laïi böôùc laëp ñeán khi thoaû ñieàu kieän (2.8). Giaûi heä phöông trình (2.5) hay heä phöông trình (goàm 2 phöôøng trình 2.6 vaø 2.7) coù nhieàu caùch: bieán ñoåi Q theo z roài chæ giaûi bieán z, hoaëc ngöôïc laïi bieán ñoåi z theo Q roài giaûi Q. Trong khoaù luaän naøy thì chuùng ta giaûi ñoàng thôøi theo Q laãn z. Khöû Qj+1 ôû phöông trình (3.6) vaø khöû zj ôû phöông trình (2.7), ta coù heä: Trong ñoù: Giaû söû nhaùnh soâng ñöôïc chia ra laøm N nuùt, ñöôïc ñaùnh soá töø 1 ñeán N. Taïi moãi nuùt ta coù hai aån löu löôïng Q vaø möïc nöôùc z, neân doïc soâng coù 2 aån caàn tính. Baèng caùch saép xeáp xen keõ hai phöông trình (3.9) vaø (3.10) ta ñöôïc heä phöông trình sau: (2.11) Heä phöông trình (3.13) coù (2N-2) phöông trình nhöng coù 2N aån soá möïc nöôùc z vaø löu löôïng taïi caùc maët caét. Neân heä phöông trình naøy ñöôïc giaûi khi coù 2 ñieàu kieän bieân Q (hay z) ôû 2 ñaàu keânh. Heä phöông trình naøy coù daïng phöông trình truy ñuoåi 3 ñöôøng cheùo chính. Caùc tröôøng hôïp khaùc nhau cuûa ñieàu kieän bieân Tröôøng hôïp bieân z-z Bieân ñaàu soâng laø möïc nöôùc z vaø cuoái soâng cuõng laø möïc nöôùc z. ñaõ coù ñöôïc töø ñieàu kieän bieân, theá vaøo heä 2.11 vaø loaïi baûo phöông trình cuoái . Vaäy heä phöông trình 2.11 ñöôïc vieát laïi nhö sau: Trong ñoù: Giaûi heä phöông trình teân vaø tính laïi , Tröôøng hôïp bieân Q-z Bieân ñaàu soâng laø löu löôïng Q vaø cuoái soâng laø möïc nöôùc z. Döïa vaøo ñieàu kieän bieân ta tìm ñöôïc ,, theá vaøo phöông trình 2.11 vaø boû phöông trình ñaàu vaø phöông trình cuoái cuûa heä, ta ñöôïc: Giaûi heä phöông trình teân vaø tính laïi , Tröôøng hôïp bieân z-Q Bieân ñaàu soâng laø möïc nöôùc z vaø cuoái soâng laø löu löôïng Q. , ñaõ coù töø ñieàu kieän bieân, thay vaøo heä 2.11, ta ñöôïc: Sau khi giaûi heä treân thì tính laïi , Tröôøng hôïp bieân Q – Q Bieân ñaàu soâng laø löu löôïng Q vaø cuoái soâng cuõng laø löu löôïng Q. Theá , vaøo heä phöông trình 2.11, vaø boû phöông trình ñaàu, ta ñöôïc: Giaûi heä phöông trình sau ñoù tính , Tính z, Q taïi thôøi ñieåm sau theo caùc coâng thöùc: Giaûi caùc ñieàu kieän bieân taïi hôïp löu Sai phaân phöông trình (1.10), ta ñöôïc: Suy ra: (2.12) Trong ñoù, caùc giaù trò löu löôïng Q ñöôïc tính ôû böôùc thôøi gian sau (böôùc thôøi gian n+1). Löu yù raèng, böôùc tính naøy ñöôïc thöïc hieän cuøng vôùi thuaät giaûi laëp. Döïa vaøo phöông trình (2.11), tính ñöôïc möïc nöôùc z taïi taâm cuûa hôïp löu J, suy ra möïc nöôùc z laân caän hôïp löu theo phöông trình (1.9): zJ = zk1 ( hay zkN) Trong ñoù, zk1, zkN laø möïc nöôùc taïi maët caét saùt hôïp löu J cuûa nhaùnh k. Neáu heä thoáng coù M nuùt hôïp löu thì ta coù M phöông trình daïng (2.12). Giaûi caùc phöông trình naøy ta ñöôïc möïc nöôùc z taïi caùc maët caét saùt hôïp löu treân taát caû caùc nhaùnh. Möïc nöôùc naøy seõ laø ñieàu kieän bieân z cho moãi nhaùnh noái vôùi hôïp löu. Giaûi ñieàu kieän bieân taïi ñieåm thaûi Sai phaàn phöông trình (2.11) ta thu ñöôïc: (2.13) Suy ra: (2.14) Aùp duïng caùch tìm chieàu doøng chaûy vaø tính caùc löu löôïng ra vaø vaøo hôïp löu taïi nhaùnh giaû, ta suy ra ñöôïc möïc nöôùc taïi hôïp löu taïi nhaùnh giaû vaø möïc nöôùc ôû caùc maët caét noái theo coâng thöùc zk = zhl vôùi k nhaùnh noái vôùi hôïp löu. Trình töï giaûi: Sô ñoà khoái giaûi thuyû löïc cho maïng soâng ,: z hôïp löu taïi thôøi ñieåm n+1, n ,: z hôïp löu taïi giaû thôøi ñieåm n+1, n Tính caùc heä soá f1,f2,f3,f4,f5 ½Qn+1- Qk½< eQ ½zn+1- zk½< ez Qn+1, zn+1 Ñuùng Qn+1 = Qn zn+1 = zn Qk = Qn+1 zk = zn+1 Tính caùc heä soá a1,b1,c1,d1, a2,b2,c2,d2 Heä phöông trình truy ñuoåi Ñieàu kieän bieân Q hay z Sai … ñònh nghóa q: troïng soá thôøi gian g: gia toác troïng tröôøng n: heä soá nhaùm A: dieän tích maët caét öôùt B: beà roäng maët thoaùng Ñaàu tieân, ta khôûi taïo ñieàu kieän ban ñaàu cho heä thoáng (möïc nöôùc z vaø löu löôïng Q) öùng vôùi thôøi gian t=0. Ñoàng thôøi, giaû ñònh caùc giaù trò löu löôïng Qk, möïc nöôùc zk ôû böôùc thôøi gian sau (cho baèng vôùi giaù trò taïi böôùc thôøi gian ban ñaàu). Ñoái vôùi moãi böôùc thôøi gian tính, thöïc hieän caùc böôùc nhö sau: Böôùc 1: tính möïc nöôùc z taïi taát caû caùc hôïp löu theo (2.12) vaø suy ra möïc nöôùc taïi caùc maët caét saùt hôïp löu cuûa caùc nhaùnh noái vôùi hôïp löu. Xem treân taát caû caùc nhaùnh xem coù toàn taïi ñieåm thaûi hay khoâng. Neáu coù thì aùp duïng coâng thöùc (2.14) ñeå tính ñöôïc cao ñoä möïc nöôùc taïi hôïp löu roài suy ra cao ñoä möïc nöôùc taïi caùc maët caét noái hôïp löu. Böôùc 2: xaùc ñònh caùc heä soá f1, f2, … cuûa phöông trình (2.6) vaø (2.7). Roài laàn löôït saép xeáp caùc phöông trình veà daïng (2.11). Xaùc ñònh caùc heä soá a1, a2, b1, b2,… Böôùc 3: gheùp ñieàu kieän bieân löu löôïng DQ hay möïc nöôùc Dz vaøo caùc bieân cuûa moãi nhaùnh, cuøng vôùi möïc nöôùc taïi caùc hôïp löu vöøa tìm ñöôïc ñeå giaûi caùc giaù trò taïi caùc maët caét trong moãi nhaùnh baèng caùc heä phöông trình daïng (2.11). Soá heä phöông trình baèng vôùi soá nhaùnh trong heä thoáng keânh. Böôùc 4: töø vöøa tính ñöôïc taïi caùc maët caét cho töøng nhaùnh, suy ra löu löôïng Q, möïc nöôùc z taïi caùc maët theo phöông trình: Böôùc 5: kieåm tra ñieàu kieän laëp (2.8). Neáu ñieàu kieän (2.8) khoâng thoaû, thì vôùi giaù trò Q vaø z ôû thôøi ñieåm sau vöøa tìm ñöôïc, ta quay laïi böôùc 1. Neáu ñieàu kieän ñöôïc thoaû vôùi moïi maët caét treân heä thoáng keânh, xem nhö ta ñaõ tìm ñöôïc nghieäm Q, z taïi moïi maët caét. Khi coù Q, z ta suy ra ñöôïc vaän toác vôùi coâng thöùc Trong ñoù, Ai laø dieän tích maët caét ngang taïi nuùt i. Giaù trò z, Q vaø U laø cô sôû ñeå thöïc hieän nhöõng baøi toaùn truyeàn chaát. Giaù trò z, Q taïi böôùc thôøi gian vöøa tìm ñöôïc laøm ñieàu kieän ban ñaàu ñeå tính cho böôùc thôøi gian tieáp theo. Sai phaân hoaù phöông trình lan truyeàn chaát: Ta vieát laïi phöông trình lan truyeàn chaát (1.12) cho nhaùnh soâng: (2.15) Trong ñoù: C – noàng ñoä chaát. A – dieän tích maët caét ngang. U – vaän toác doøng chaûy. E – heä soá khueách taùn doïc. K – haèng soá phaân huyû toång coäng, bao goàm: phaûn öùng, laéng ñoïng, gia nhaäp, …. p – heä soá töï do, khoâng phuï thuoäc vaøo C, ví duï: nguoàn noäi taïi vaø laéng ñoïng (maát chaát höõu cô cuûa taûo, nguoàn sinh vaät ñaùy, …). Coù nhieàu sô ñoà ñöôïc ñöa ra ñeå giaûi baøi toaùn lan truyeàn chaát. Trong khoaù luaän naøy phaàn lan truyeàn ñöôïc tính theo sô ñoà sai phaân Upwind aån trung taâm. Sô ñoà Upwind aån trung taâm: Sai phaân phöông trình (2.12) theo lyù thuyeát Upwind, vieát laïi phöông trình lan truyeàn (2.17) Sai phaân thaønh phaàn khuyeách taùn : : i-1 i i+1 Dxi-1 Dxi Khoaûng caùch 2 nuùt trong phaân tích chuoãi Taylor (2.18) (2.19) Coäng (2.18) vaø (2.19), ta suy ra ñöôïc sai phaân baäc 2 treân: (2.20) Khi sai phaân thaønh phaàn chuyeån taûi coù tham gia cuûa vaän toác doøng chaûy ta sai phaân theo 2 tröôøng hôïp. Vaø keát hôïp vôùi phaàn sai phaân khuyeách taùn (coâng thöùc 2.20), ta seõ thu ñöôïc phöông trình sai phaân cuûa phöông trình (2.15). i i-1 i i+1 n+1 n Doøng chaûy Tröôøng hôïp 1: Löôùi sai phaân theo sô ñoà Upwind (tröôøng hôïp 1). Phöông trình lan truyeàn ñöôïc sai phaân trong tröôøng hôïp 1 nhö sau: (2.16) Saép xeáp laïi phöông trình (2.16), ta ñöôïc phöông trình coù daïng: (2.21) Trong ñoù: Tröôøng hôïp 2: i i-1 i i+1 n+1 n Doøng chaûy Löôùi sai phaân theo sô ñoà Upwind (tröôøng hôïp 2) Tieán haønh caùc böôùc sai phaân töông töï tröôøng hôïp 1. Keát quaû thu ñöôïc: (2.22) Saép xeáp laïi phöông trình (2.22), ta ñöôïc phöông trình coù daïng: (2.23) Trong ñoù: Nhöõng giaù trò ai, bi, ci, di tính ñöôïc ôû böôùc thôøi gian n. Theo sô ñoà ñoaïn soâng trong hình 3.1, ñoaïn soâng ñang xeùt coù N maët caét. Vieát laïi caùc phöông trình naøy vôùi i=2 ñeán i=N-1, ta ñöôïc heä phöông trình sau: (2.24) Heä phöông trình coù (N-2) phöông trình , vaø N aån noàng ñoä C taïi caùc maët caét treân nhaùnh soâng. Baøi toaùn ñöôïc giaûi vôùi ñieàu kieän ban ñaàu vaø hai ñieàu kieän bieân. Giaûi ñieàu kieän bieân taïi hôïp löu Sai phaân phöông trình hôïp löu (1.13) (2.25) Vôùi giaû thieát taïi hôïp löu xaûy ra quaù trình xaùo troän hoaøn toaøn, noàng ñoä taïi hôïp löu J vaø noàng ñoä taïi caùc maët caét aùp saùt hôïp löu cuûa caùc nhaùnh chaûy ra laø baèng nhau. Ta coù: (2.26) Trong ñoù, - noàng ñoä taïi maët caét saùt hôïp löu treân nhaùnh chaûy ra. (2.27) Phöông trình (2.27) duøng ñeå tính noàng ñoä cho caùc maët caét saùt hôïp löu cuûa caùc nhaùnh chaûy ra khoûi hôïp löu. Giaûi ñieàu kieän bieân taïi ñieåm thaûi Trong quaù trình giaûi nhaùnh, neáu nhaùnh ñoù coù chöùa ñieåm thaûi, töùc laø nhaùnh coù chöùa hôïp löu taïi nhaùnh giaû, neân ta môùi baét ñaàu tính hôïp löu taïi nhaùnh giaû: Sai phaân phöông trình caân baèng theå tích (2.14) trong hôïp löu taïi nhaùnh giaû thu ñöôïc: (2.28) vaø söû duïng ñieàu kieän pha troän hoaøn toaøn (2.29) Trong ñoù, - noàng ñoä taïi maët caét saùt hôïp löu treân nhaùnh chaûy ra. Keát hôïp (3.24) vaø (3.25), suy ra: (2.30) Phöông trình (3.26) duøng ñeå tính noàng ñoä cho caùc maët caét saùt hôïp löu cuûa caùc nhaùnh chaûy ra khoûi hôïp löu taïi nhaùnh giaû. Trình töï giaûi Qn+1, zn+1 Qn , zn Cn Cra: noàng ñoä taïi hôïp löu Civao: noàng ñoä nhaùnh vaøo Wn+1,Wn: theå tích hôïp löu sau, ñaàu Qivao, Qira: löu löôïng vaøo, ra khoûi hôïp löu Cin+1 Un+1 = Qn+1/An+1 Un = Qn/An caùc heä soá E: heä soá khuyeách taùn doïc vaø caùc heä soá khaùc (tuyø thuoäc vaøo töøng loaïi chaát) Ñieàu kieän bieân Cra: noàng ñoä taïi hôïp löu Civao: noàng ñoä nhaùnh vaøo Wn+1,Wn: theå tích hôïp löu sau, ñaàu Qivao, Qira: löu löôïng vaøo, ra khoûi hôïp löu Sô ñoà khoái giaûi lan truyeàn chaát cho maïng soâng Khôûi taïo ñieàu kieän ban ñaàu cho noàng ñoä chaát taïi caùc maët caét treân heä thoáng keânh soâng. Taïi moãi böôùc thôøi gian tính, thöïc hieän caùc böôùc nhö sau: Böôùc 1: töø vieäc giaûi baøi toaùn thuyû löïc ôû phaàn 3.1.5 , coù ñöôïc giaù trò caùc yeáu toá löu löôïng Q, möïc nöôùc z, vaän toác U cuûa doøng chaûy taïi töøng maët caét treân heä thoáng keânh soâng. Böôùc 2: xaùc ñònh caùc heä soá a, b, c, d trong heä phöông trình (2.21), (2.22). Böôùc 3: döïa vaøo yeáu toá thuyû löïc cuûa töøng nhaùnh soâng, xaùc ñònh chieàu doøng chaûy cuûa caùc nhaùnh ñoái vôùi hôïp löu. Böôùc 4: söû duïng ñieàu kieän noàng ñoä ôû bieân vaø ñieàu kieän taïi hôïp löu vöøa tìm ñöôïc ñöa heä phöông trình (2.21), (2.22) veà daïng ba ñöôøng cheùo chính. Caùc heä phöông trình naøy ñöôïc giaûi baèng phöông phaùp truy ñuoåi ñeå tìm noàng ñoä chaát taïi taát caû caùc maët caét treân caû maïng soâng (soá heä caàn giaûi baèng vôùi soá nhaùnh trong heä thoáng soâng). Giaù trò noàng ñoä chaát tính ñöôïc cuûa böôùc thôøi gian naøy seõ laøm ñieàu kieän ban ñaàu ñeå tính cho böôùc thôøi gian tieáp theo sau. Sô ñoà khoái tính baøi toaùn thuyû löïc vaø lan truyeàn cho maïng soâng nhö sau: Chuù giaûi cho caùc sô ñoà tính: ® - gaùn giaù trò vaøo. Þ - noäi suy giaù trò. t – thôøi gian tính. n – böôùc thôøi gian tính. T - toång thôøi gian phaûi tính. Qn, zn, Cn – caùc yeáu toá taïi böôùc thôøi gian n. Qn+1, z n+1, C n+1 – caùc yeáu toá taïi böôùc thôøi gian n+1. Qk – giaù trò Q taïi böôùc laëp tröôùc (ñeå kieåm tra ñieàu kieän laëp). zk – giaù trò z taïi böôùc laëp tröôùc (ñeå kieåm tra ñieàu kieän laëp). (Xem quaù trình tính ôû treân ñoái vôùi phaàn tính thuyû löïc vaø tính lan truyeàn) Sô ñoà khoái tính toaùn lan truyeàn oâ nhieãm Nhaäp soá lieäu Nhaäp ñieàu kieän ban ñaàu n = 1 Tính lan truyeàn Xuaát keát quaû t < T n=n+1 Qn+1, zn+1, Cn+1 zn = zn+1 Qn = Qn+1 Cn = Cn+1 sai ñuùng Tính thuûy löïc Þ ÑK bieân t = nDt 5.Giới thiệu một số loại mô hình Mô hình thuỷ lực Công cụ quan trọng nhất để kiểm tra lại ý tưởng và hoàn thiện việc xây dựng phương án của dự án quy hoạch thuỷ lợi chính là mô hình thuỷ lực. Trong báo cáo đến việc sử dụng 3 mô hình thuỷ lực là MIKE 11, VRSAP và HYDROGIS nhưng thực tế các kết quả hình vẽ chỉ có HYDROGIS. Các mô hình nói trên đều là mô hình 1 chiều. Bài toán thuỷ lực rất phức tạp, độ tin cậy của tính toán đòi hỏi phải có các chuyên gia chuyên sâu về mô hình cùng thảo luận, đánh giá lựa chọn sơ đồ và các điều kiện biên thượng và hạ lưu cho tính toán. Hạn chế thấy rõ nhất là các tính toán thuỷ lực đều sử dụng mô hình 1 chiều, mới chỉ dừng ở lại việc mô phỏng, đánh giá hệ thống kênh cấp 1, chưa mô phỏng, đánh giá được vùng nội thị, nội đồng, hệ thống các đường ống ngầm là một trong những nguyên nhân gây nên ngập lụt. Xin lưu ý, theo nghiên cứu của Công ty CDM (Mỹ) và Black & Veatch cho lưu vực kênh Nhiêu Lộc - Thị Nghè và Tân Hoá – Lò Gốm tính cho trường hợp biên mực nước ngoài cửa tiêu chỉ vào khoảng 0,8-1,0 m (gần tương đương với mực nước triều khống chế của dự án quy hoạch thuỷ lợi chống ngập lụt TP.HCM đề xuất là 0,5 - 0,8 m) và hệ thống kênh, đường ống đã được cải tạo nhưng một số khu vực vẫn phải chấp nhận ngập khoảng 20 cm. Như vậy, nếu chỉ trông chờ vào hệ thống đê và cống không thể giải quyết hết việc chống ngập. Báo cáo thuỷ lực của Viện Khoa học Thuỷ lợi miền Nam tương đối cụ thể nhưng việc đưa mô hình NAM và MIKE 11 để tính toán xây dựng bản đồ ngập lụt cho TP.HCM chưa được hợp lý bởi vì: - NAM: là mô hình mưa dòng chảy. Kết quả của NAM sẽ đưa vào MIKE 11 thông qua các mặt cắt, đoạn sông kênh, như vậy là không thực tế với TP. HCM do mưa rơi trên diện rộng (trong các khu vực dân cư). Việc đưa mưa vào sông kênh sẽ làm nước sông kênh dâng nhanh hơn, như vậy không thể phản ánh được mức độ ảnh hưởng gây ngập, thời gian tồn đọng của mưa, sau đó mới thoát ra kênh mương qua bề mặt và cống tiêu. - MIKE 11: là mô hình một chiều trên sông kênh có kết hợp mô phỏng các ô ruộng mà kết quả thuỷ lực trong các ô ruộng là “giả 2 chiều” (Thuật ngữ kỹ thuật). Tác động của triều dâng, khả năng tiêu thoát của TP.HCM phụ thuộc nhiều vào mực nước ngầm, hệ thống cống ngầm. Nhưng MIKE 11 không có khả năng mô phỏng khả năng tiêu thoát của cống ngầm. Đây là một thiếu sót lớn khi sử dụng MIKE 11 trong mô tả ngập lụt khu đô thị. - MIKE FLOOD: có 2 khả năng xây dựng bản đồ ngập lụt TP.HCM bằng mô hình hiện có. Thứ nhất là từ kết quả của MIKE 11 sẽ được chuyển qua MIKE FLOOD để xây dựng bản đồ ngập lụt. Thứ hai là xây dựng trực tiếp bản đồ ngập lụt từ mô hình MIKE FLOOD. Tuy nhiên, nếu làm theo các cách này sẽ gặp những hạn chế như sau: + MIKE FLOOD là mô hình hình thái, mới chỉ có thể xây dựng trên một đoạn sông gắn với một khu vực ven sông rất nhỏ, khó có thể đáp ứng được yêu cầu là xây dựng bản đồ ngập lũ cho toàn khu vực TP.HCM. Việc chuyển kết quả từ MIKE 11 qua MIKE FLOOD để xây dựng bản đồ ngập lụt, có hạn chế vì bản thân kết quả MIKE 11 đã chưa thoả đáng (như đã phân tích ở trên), nay thêm một lần “trung chuyển” thì kết quả chắc chắn có sai lệch. Hiện nay, trên thế giới đã có nhiều phần mềm thuỷ lực 2 chiều phục vụ công tác xây dựng bản đồ ngập lụt, như: SMS, FLO-2D, RMA 2 v.v… được áp dụng rộng rãi ở Mỹ và Châu Âu. Tổ công tác cần nghiên cứu có thể áp dụng mô hình 2 chiều trong dự án quy hoạch thuỷ lợi chống ngập lụt TP.HCM!. Tuy nhiên, việc này còn tuỳ thuộc vào nguồn nhân lực, phần mềm và đặc biệt là số liệu đầu vào của mô hình. Trong trường hợp chưa thể áp dụng ngay trong dự án quy hoạch, cần p hải kiến nghị cơ quan chức năng cho nghiên cứu áp dụng mô hình 2 chiều nói trên dưới dạng đề tài nghiên cứu khoa học cấp Nhà nước hoặc cấp Bộ. Trong phạm vi hiểu biết của mình tôi xin nêu một số ưu điểm của mô hình FLO-2D: Mô hình FLO-2D: Urban Flood Mapping - Bản đồ ngập lụt đô thị FLO-2D là mô hình thuỷ động lực học mô phỏng lũ lụt thông qua mô phỏng dòng chảy sông kênh, dòng chảy tràn và dòng chảy trong đô thị. Mô hình thể hiện mức độ ngập lụt tương ứng với địa hình, địa vật phức tạp trong khi vẫn đánh giá được cân bằng thể tích, đây là chìa khoá chính của việc đánh giá chính xác sự ngập lụt. Mô hình sử dụng phương trình động lượng sóng động đầy đủ, kết hợp giữa thuỷ văn và thuỷ lực. FLO-2D có thể được áp dụng tại các khu vực có các vấn - Ngập lụt ven sông Dòng chảy cửa phức tạp về ngập lụt bao gồm: sông và sự bồi lắng Bản đồ ngập lụt thành phố: mô phỏng dòng chảy trên đường phố, sự cản trở dòng chảy và các khu vực bị ngập Sóng thần và sóng dâng do bão Dòng chảy bùn cát Trận mưa và lưu lượng mưa và đường thuỷ phân Giảm thiểu lũ lụt Lưu lượng gia nhập hoặc trận mưa Lưu lượng gia nhập được gắn vào các đoạn hoặc mặt cắt sông kênh. Trận mưa được phân phối trên các khu chảy ngập hoặc trong các dòng suối nhỏ và khe rãnh cho đến khi nó chảy vào kênh chính. - Tổn thất lưu lượng do thấm và bốc hơi Tổn thất lưu lượng có thể được tính toán như là sự rỉ ra hoặc do bốc hơi. Thấm trong kênh, khu ngập theo không gian, thời gian được mô tả qua mô hình thấm GreenAmpt. Sự bay hơi bề mặt nước được tính toán cho khu ngập và kênh dựa vào sự biến đổi thời tiết hằng ngày. - Dòng chảy tràn và trên kênh, sự trao đổi nước giữa kênh và ô ngập Với sự ngập lụt đô thị, mô hình mô phỏng: dòng chảy tràn từ sông kênh xuyên qua nơi cư ngụ thông qua đường phố xung quanh và sự cản trở dòng chảy, sau đó mới quay trở lại sông kênh. - Đường phố Trong đô thị thì đường phố đóng vai trò quan trọng tới phân phối luồng dòng chảy và có ảnh hưởng một cách đáng kể đến vùng ngập lụt. Trong FLO-2D, đường phố được mô tả như những kênh hình chữ nhật nông với một chiều cao chiều rộng hạn chế. - Công trình Mô hình có khả năng mô tả: Cầu, cống ngầm, Đê, bờ sông,những đập ngăn sông hoặc các dạng công trình điều khiển khác. Nhà cửa, và sự cản trở dòng chảy Được mô tả thông qua cao trình của đường hay bờ sông Những toà nhà, biến đổi địa hình... có ảnh hưởng đến sự thay đổi diện tích ngập đều được thống nhất mô tả trong mô hình thông qua hệ số giảm diện tích. - Kết quả Bao gồm: Độ sâu mực nước (H), lưu tốc (V), Lưu lượng (Q) và mực nước (Z) với sự biến đổi theo không gian và thời gian. Kết quả H, Vmax, cùng với vùng lụt lội có thể được xem bằng đồ thị trong bản đồ và MAXPLOT. Bản đồ thể hiện một số tuỳ chọn của đầu ra bao gồm những đường đẳng trị H, Z, V cùng với đó là hệ thống màu mô tả sự thay đổi của V, Z, H; Làm video mô phỏng ngập lụt và những phép nội suy tính Z, H thông qua kết quả mô hình và hệ thống DEM. Suối nhỏ và khe rãnh Mô phỏng dòng chảy bề mặt Mô hình lưu vực sông: MIKE BASIN, MIKE SHE, MITSIM, REBASIN. - Mô hình thuỷ văn: SSARR, NAM, TANK, AR, ARIMA. - Mô hình thuỷ lực: VRSAP(GS. Nguyễn Như Khuê), MIKE11, MIKE 11 GIS, MIKE21, MIKE FLOOD, ISIS, SOBEK, WENDY, TELEMAC-2D. - Hệ thống thông tin địa lý GIS: MAPINFO, ArcView... Mô hình chất lượng nước: QUALL2, MIKE BASIN-WQ, MIKE 11 WQ, MIKE EcoLab Mô hình phân tích tối ưu trong quy hoạch, quản lý, vận hành hệ thống: GAMS. Mô hình tính toán nhu cầu nước cho cây trồng: Mô hình đánh giá tác động CROPWAT, các mô hình quản lý hệ thống tưới. trường RIAM Xây dựng và phát triển Mô hình VRSAP Xuất xứ: GS. Nguyễn Như Khuê. Trong tính toán nguồn nước, tính toán lũ, kiệt... trong thiết kế quy hoạch thủy lợi, tính toán thủy lực là một bài toán rất phức tạp nhưng bằng mọi cách p