TUYE
Å
N TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016
VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 231
Phần II
CHÆNH TRÒ SOÂNG - BAÛO VEÄ BÔØ SOÂNG,
BÔØ BIEÅN - PHOØNG CHOÁNG THIEÂN TAI
– XAÂY DÖÏNG COÂNG TRÌNH
TUYE
Å
N TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016
232 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM
TUYE
Å
N TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016
VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 233
TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰC VÀ VẬN CHUYỂN BÙN
CÁT, KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG VÀ ĐÀO TẠO
GENERAL INFORMATION OF SEDIMENT MOVEMENT AND HYDRO-
MOTIVE MODELS FOR TRAINING AND APPLICATION SOFWARE
TS. Hồ Trọng Tiến, NCS. Lê Ngọc Anh
Đại học Tài Nguyên và Môi Trường TP.HCM
TÓM TẮT
Quản lý hiệu quả tài nguyên nước mặt là một trong những nhiệm vụ quan trọng
và trong bối cảnh biến đổi khí hậu cùng với sự xuất hiện ngày càng nhiều của các
loại hình thời tiết cực đoan thì điều đó càng trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Để
có thể quản lý hiệu quả tài nguyên nước mặt thì cần phải có những công cụ dự
báo nhanh với độ tin cậy cao. Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ thông
tin, nhiều mô hình toán thủy động lực và vận chuyển bùn cát ra đời và trở thành
công cụ hổ trợ tích cực cho các nhà hoạch định chiến lược trong quản lý tài
nguyên nước. Bài báo này sẽ tổng quan một số mô hình thủy động lực phổ biến
trong nước và trên thế giới và khả năng ứng dụng của nó trong nghiên cứu và
đào tạo.
Từ khóa: Mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát, Telemac, mô hình toán.
1. GIỚI THIỆU
Sự phát triển nhanh chóng của mô hình toán trong thời gian qua có sự đóng góp
tích cực của điều kiện về khoa học công nghệ và điều kiện kinh tế xã hội. Với điều kiện
về khoa hoc công nghệ, đó là sự phát triển của ngành khoa máy tính, sự ra đời của các
siêu máy tính đã tạo ra khả năng tính toán vượt trội. Với điều kiện kinh tế - xã hội, đó là
do yêu cầu về sự phát triển kinh tế - xã hội làm nảy sinh các vấn đề phức tạp về quản lý
tài nguyên nước mà con người phải đối mặt giải quyết. Trong điều kiện đó, đó mô hình
toán thủy động lực và vận chuyển bùn cát cũng có những bước phát triển dài.
Nhìn chung, các mô hình toán thủy động lực và vận chuyển bùn cát đều ứng
dụng phương pháp số để giải các phương trình vi phân chủ đạo của phương trình liên
tục, phương trình động lượng cùng với phương trình vi phân liên tục của bùn cát. Một
trong những ưu điểm của mô hình toán là chúng có thể ứng dụng cho các miền tính vật
lý khác nhau, tiết kiệm thời gian và chi phí hơn nhiều so với mô hình vật lý vốn chỉ ứng
dụng trong những trường hợp đặt biệt và phạm vi nhỏ. Hơn nữa, mô hình toán không
phụ thuộc vào các điều kiện ràng buộc về các điều kiện khắc khe về thủy lực như số
Reynolds, số Froude, tỷ lệ hình học như đối với mô hình vật lý.
Hòa chung sự phát triển đó, các nhà khoa học trong nước đã không ngừng học
hỏi và nắm bắt những công nghệ mới của thế giới và đã xây dựng nhiều mô hình thủy
động lực và đã áp dụng khá thành công tại Việt Nam.
TUYE
Å
N TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016
234 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM
Mục tiêu của bài báo này gồm hai mục tiêu chính: (1) tổng quan lại một số mô
hình trong nước và thế giới; (2) giới thiệu mô hình trong đào tạo và nghiên cứu.
2. TỔNG QUAN MỘT SỐ MÔ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰC VÀ VẬN CHUYỂN
BÙN CÁT PHỔ BIẾN
2.1. Trong nước
Mô hình VRSAP
Theo [1], đây là mô hình thủy lực được xem là khởi đầu cho quá trình áp dụng
mô hình toán để giải quyết các bài toán thủy lực kênh hở ở Việt Nam trên các mạng
máy lớn (main frame) trước kia. Mô hình xuất phát chỉ có phần dòng chảy và được cố
Pgs. Nguyễn Như Khuê du nhập từ Hà Lan vào năm 1978 qua quá trình học tập và công
tác. Trong quá trình áp dụng, VRSAP được cải tiến, phát triển liên tục và được thêm
phần tính mặn vào năm 1988 dựa trên thuật toán sai phân trung tâm tương tự thuật toán
của MEKSAL. VRSAP được nhóm mô hình của VQHTLMN liên tục phát triển và bổ
xung các tiện ích và chuyển sang Visual Basic để tận dụng bộ nhớ mở rộng của máy
tính cũng như sự phát triển của công nghệ thông tin. Mô hình VRSAP cho đến bây giờ
vẫn được đánh giá là mô hình mô phỏng khá tốt chế độ thủy lực cho khu vực đồng bằng
sông Cửu Long.
Mô hình SAL và VRSAP-SAL
Do GS.TSKH. Nguyễn Tất Đắc phát triển từ năm 1980 và sau đó được nâng cấp
và kết hợp với mô hình VRSAP để tạo thành mô hình mang tên VRSAP-SAL hoàn
thiện hơn về thuật toán và chương trình. SAL là một mô hình được xây dựng chặt chẽ
về mặt toán học, dựa trên sơ đồ sai phân ẩn 4 điểm của Preissman, nhưng lấy trọng số
bằng 2/3 để giảm thiểu sai số trong phép sai phân. Lan truyền chất trong SAL dựa trên
thuật toán phân rã, giải phương trình tải thuần túy dùng phương pháp đường đặc trưng
ẩn với cách nội suy spline bậc 3. Mô hình đã được ứng dụng rộng rãi cho hệ thống sông
Đồng Nai và Đồng bằng sông Cửu Long [2].
Mô hình KOD1
Do GS.TSKH. Nguyễn Ân Niên phát triển. Đây là mô hình giải phương trình
Saint – Venant bằng phương pháp sai phân hiện phục vụ cho việc tính toán dự báo lũ.
Nhược điểm chính của mô hình là hạn chế bước thời gian, nhưng do không phải khử
đuổi, tính lặp nên khối lượng tính toán nhỏ. Mặt khác sơ đồ hiện chỉ bảo đảm tính bảo
toàn cục bộ địa phương và đôi khi gặp khó khăn trong bảo toàn toàn cục.
Mô hình HydroGIS
Do TS. Nguyễn Hữu Nhân phát triển có sử dụng bộ công cụ GIS để kết nối dữ
liệu và trình bày kết quả. HydroGIS cũng giải hệ phương trình Saint-Venant 1D bằng sơ
đồ sai phân Preissmann, tuy nhiên khả năng tính toán chậm và chưa được áp dụng
nhiều. Gần đây, mô hình được bổ xung thêm tính toán đối với trường hợp dòng chảy
xiết bằng phương pháp sóng động học.
Mô hình MK4
Do PGS.TS. Lê Song Giang, Đại học Bách Khoa TP.HCM phát triển. Đây là
TUYE
Å
N TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016
VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 235
phần mềm mang tính học thuật và dùng nhiều cho mục đích giảng dạy và nghiên cứu,
chưa thấy áp dụng phổ biến trong thực tế và các dự án. Phần mềm cũng đang trong giai
đoạn hoàn thiện và phát triển.
2.2. Mô hình ngoài nước
Hiện nay, trên thế giới đang có rất nhiều mô hình toán ứng dụng cho việc dự báo
thủy động lực và vận chuyển bùn cát gồm cả mô hình một chiều (1D), mô hình hai
chiều (2D), mô hình ba chiều (3D). Một số các mô hình 1D, 2D, 3D có thể nói đến sau:
Nhóm mô hình 1D
Sớm xuất hiện từ những năm 1980, và đã thành công trong nhiều ứng dụng thực tế
và nghiên cứu. Hầu hết các mô hình 1D được xây dựng trong hệ tọa độ thẳng, giải phương
trình Saint – Venant cho dòng chảy và quá trình vận chuyển bùn cát sử dụng phương trình
của Exner bằng sơ đồ sai phân hữu hạn. Một số mô hình 1D có thể kể đến như:
Mô hình MOBED được phát triển bởi Krishnappan (1981) giải phương trình
Saint – Venant viết dưới dạng bảo toàn cho dòng không ổn định và phương trình liên
tục bùn cát [3]. MOBED có thể dự báo được đặc tính bùn cát của đáy sông như là một
hàm số của thời gian và khoảng cách đối với dòng chảy đơn vị khác nhau.
IALLUVIAL được phát triển bởi Karim and Kennedy (1982), mô hình này chỉ
ứng dụng trong trường hợp đối với dòng chảy ổn định [4].
SEDICOUP được phát triển bởi Holly và Rahuel (1990), đây là mô hình mô
phỏng biến đổi đáy dựa vào phương trình Saint – Venant tính cho bùn cát hỗn hợp,
thành phần bùn cát lơ lửng và bùn cát đáy được xử lý riêng biệt [5].
Mô hình 3ST1D được phát triển bởi Papanicolaou et al. (2004); nó có khả năng
tính được nước nhảy thủy lực và mô phỏng được dòng chảy tới hạn; vì thế nó có khả
năng ứng dụng trong điều kiện dòng không ổn định, biến đổi nhanh như dòng chảy
trong các sông miền núi [6]. Tuy nhiên, mô hình 3ST1D chỉ tính cho vận chuyển bùn
cát tổng mà không tách biệt được giữa bùn cát đáy và bùn cát lơ lửng.
HEC-6 do Thomas và Prashum (1977) phát triển, sử dụng sơ đồ sai phân hữu
hạn trong hệ tọa độ thẳng, giải phương trình vi phân ở dạng bảo toàn năng lượng thay
cho phương trình động lượng [7]. HEC-6 không áp dụng được đối với dòng chảy không
ổn định.
FLUVIAL 11 được phát triển bởi Chang (1984), sử dụng hệ tọa độ cong để giải
phương trình Saint – Venant 1D đối với dòng chảy. FLUVIAL 11 có tính đến dòng
chảy thứ cấp trong sông cong bằng cách biến đổi độ lớn của vận tốc theo chiều dòng
chảy [8].
GSTARS được phát triển bởi Molinas và Yang (1986), mô hình được phát triển
trong hệ tọa độ cong. Molinas và Yang đã bổ xung lý thuyết dòng năng lượng nhỏ nhất
để xác định chiều rộng và hình dạng tối ưu để ổn định điều kiện thủy lực và bùn cát [9].
OTIS được phát triển bởi Runkel và Broshears (1991) [10], sử dụng hệ tọa độ
cong. Runkel và Broshears đã biến đổi phương trình tải và khuếch tán với số hạn thêm
