Tuy n t p Báo cáo ể ậ H i ngh Sinh viên Nghiên c u Khoa h cộ ị ứ ọ l n th 7 Đ i h c Đà N ng năm 2010ầ ứ ạ ọ ẵ
NG D NG MÔ HÌNH RIVER2D VÀO M T S BÀI TOÁN TH Y L IỨ Ụ Ộ Ố Ủ Ợ
APPLYING RIVER 2D MATHEMATICAL MODEL
FOR MANY HYDRAULIC PROBLEMS
SVTH: Võ Nguy n Đ c Ph cễ ứ ướ 1, Huỳnh Th Thu Trâmị2
L p: ớ106X2A, 206X2B, Khoa Xây d ng Th y l i - Th y đi n, Tr ng ĐHBKự ủ ợ ủ ệ ườ
GVHD: GS.TS Nguy n Th Hùngễ ế
Khoa Xây d ng Th y l i - Th y đi n, Tr ng ĐHBKự ủ ợ ủ ệ ườ
TÓM T TẮ
Vi c xác đ nh đ c tr ng v n t c, s phân b v n t c và đ sâu dòng ch y trong sôngệ ị ượ ườ ậ ố ự ố ậ ố ộ ả
là m t vi c r t quan tr ng trong ngành giao thông th y, ch nh tr sông và công trình ven b . Vi cộ ệ ấ ọ ủ ỉ ị ờ ệ
xác đ nh tr ng v n t c b ng nh ng công th c gi i tích hay bán kinh nghi m th ng cho k t quị ườ ậ ố ằ ữ ứ ả ệ ườ ế ả
không chính xác. Cùng v i s phát tri n c a công c máy tính và s ra đ i các ph n m m ngớ ự ể ủ ụ ự ờ ầ ề ứ
d ng, vi c xác đ nh các y u t đ t tr ng trong sông hay vi c ki m tra tác đ ng lên công trình ngàyụ ệ ị ế ố ặ ư ệ ể ộ
càng tr nên sát v i th c t h n. Ph n m m RIVER_2D là m t trong s các ph n m m ng d ngở ớ ự ế ơ ầ ề ộ ố ầ ề ứ ụ
đó. Trong bài vi t này, các tác gi ng d ng mô hình RIVER_2D tính toán cho m t s bài toánế ả ứ ụ ộ ố
nh : d báo tr ng l u t c và m c n c m t vùng h du sông Hàn, đo n sông cong Hòa M -ư ự ườ ư ố ự ướ ở ộ ạ ạ ỹ
sông V tr c và sau khi b trí các m hàn ch nh tr .ệ ướ ố ỏ ỉ ị
ABSTRACT
Defining velocity field and depth of flow is very impotant in transport engineering, river and
coastal training engineering. The results of analytical formulas or semi_empirical formulas of many
complex flow problems are sometimes not good when compare with exact solutions. Using many
advantages of numerical model and application softwares, the flow problems may be solve more
and more exact; River2D is the model for the purposes. In the paper, Authors apply RIVER2D
solving for many problems: forecasting velocity fields and water level at downstream Han River,
curved reach river at Hoa My of Ve river for defining characteristic elements of currents and verifing
some affections on hydraulic structures.
1. M c đích nghiên c uụ ứ
- Gi i thi u chi ti t và đ y đ toàn b cách th c s d ng ph n m m River2D.ớ ệ ế ầ ủ ộ ứ ử ụ ầ ề
- Tính toán dòng ch y n đ nh có th dùng đ thi t k m hàn, kè lát mái, c ngả ổ ị ể ể ế ế ỏ ố
qua đ ng, m các tr c u, c a l y n c. Bên c nh đó vi c tính toán dòng n đ nh làườ ố ụ ầ ử ấ ướ ạ ệ ổ ị
đi u ki n b t bu c đ làm s li u biên đ u vào c a tính dòng không n đ nh, đ a raề ệ ắ ộ ể ố ệ ầ ủ ổ ị ư
đi u ki n ban đ u chính xác đ phép tính l p n đ nh.ề ệ ầ ể ặ ổ ị
- Tính toán dòng ch y không n đ nh dùng đ d báo lũ, tìm đ c các cao trìnhả ổ ị ể ự ượ
và v n t c mà dòng ch y tác d ng lên các công trình thi t k khi lũ v .ậ ố ả ụ ế ế ề
2. Ch ng trình RIVER2Dươ
2.1. C s tính toán c a mô hình RIVER2Dơ ở ủ
River2D là mô hình th y đ ng hai chi u d a trên “ủ ộ ề ự Mô hình toán n c nông haiướ
chi u ngang”.ề Nghĩa là gi thi t v n t c theo ph ng th ng đ ng b ng không. Doả ế ậ ố ươ ẳ ứ ằ
không tính v n t c theo chi u đ ng nên nh ng vùng có s thay đ i dòng ch y và đ sâuậ ố ề ứ ữ ự ổ ả ộ
233
Tuy n t p Báo cáo ể ậ H i ngh Sinh viên Nghiên c u Khoa h cộ ị ứ ọ l n th 7 Đ i h c Đà N ng năm 2010ầ ứ ạ ọ ẵ
l n c n tăng đ dày đ c và tam giác đ u đ n h n. Ta c n chú ý v s quan tr ng c aớ ầ ộ ặ ề ặ ơ ầ ề ự ọ ủ
vi c r i r c hóa này.ệ ờ ạ
2.1.1. Mô hình v t lýậ
D a vào hai nguyên lý c b n là b o toàn kh i l ngự ơ ả ả ố ượ
và đ ng l ng.ộ ượ
- B o toàn kh i l ng:ả ố ượ
Ta rút ra đ c ph ng trình liên t c:ượ ươ ụ
0
y
xq
q
H
t x y
t
t
t+ + =
++=
Phát bi uể: l ng n c có trong ph n t b ng t ngượ ướ ầ ử ằ ổ
l ng vào tr l ng đi ra.ượ ừ ượ
-B o toàn đ ng l ng:ả ộ ượ
Theo ph ngươ x:
Theo phu ng y:ơ
V i: H là đ sâu dòng ch y; U và V là v n t c trung bình theo đ sâu, theo các h óng xớ ộ ả ậ ố ộ ư
và y t ng ng; qx và qy là l u l ng đ n v các theo h ng x và y; τươ ứ ư ượ ơ ị ướ ij là ng su t theoứ ấ
các ph ng ij; Sươ ox, Soyma sát đáy theo các ph ng x, y t ng ng.ươ ươ ứ
2.1.2. Mô hình toán h cọ
Dùng 3 ph ng pháp trong bài toán r i r c baoươ ờ ạ
g m ph n t h u h n, th tích h u h n, sai phân h uồ ầ ử ữ ạ ể ữ ạ ữ
h n. Bài toán thành l p bi n phân và s r i r c hóaạ ậ ế ự ờ ạ
c a ph ng trình liên t c d n đ n h ph ng trìnhủ ươ ụ ẫ ế ệ ươ
tuy n tính trong đó v n t c và đ sâu t i các nút l iế ậ ố ộ ạ ướ
là n s .ẩ ố
T mô hình v t lí ta có th vi t g n:ừ ậ ể ế ọ
234
Tuy n t p Báo cáo ể ậ H i ngh Sinh viên Nghiên c u Khoa h cộ ị ứ ọ l n th 7 Đ i h c Đà N ng năm 2010ầ ứ ạ ọ ẵ
C(H,U,V)=0 Mx(H,U,V)=0 My(H,U,V)=0
Dùng phép l p th d n v i các đi u ki n biên ban đ u c a H,U, V, ta cóặ ử ầ ớ ề ệ ầ ủ
^ ^ ^
( , , ) C
C H U V R=
;
^ ^ ^
( , , )
XX
M H U V R=
;
^ ^ ^
( , , )
yy
M H U V R=
Đây là bài toán th d n đ n khi Rử ầ ế c, Rx, Ry ti n v không. Tích phân toàn b , bàiế ề ộ
toán s d ng ph ng pháp bi n phân Galerkin, hay còn g i là ph ng pháp tr ng s dử ụ ươ ế ọ ươ ọ ố ư
và gi i h ph ng trình b ng ph ng pháp l p conjugate gradient.ả ệ ươ ằ ươ ặ
Ch ng trình ch n ph ng pháp ph n t h u h n đ gi i bài toán. V i ph ngươ ọ ươ ầ ử ữ ạ ể ả ớ ươ
pháp này ta chia mi n tính toán thành các ph n t r i r c và n i v i nhau b i các nút vàề ầ ử ờ ạ ố ớ ở
v n gi đ c t cẫ ữ ượ ố
đ gi i ch ng trình nh cũ.ộ ả ươ ư
2.1.3. Các s đ gi i đ c dùng đ gi i bài toánơ ồ ả ượ ể ả
River2D k t h p 2 s đ gi i là s đ hi n và s đ n và dùng phép l pế ợ ơ ồ ả ơ ồ ệ ơ ồ ẩ ặ
conjugate gradient đ tìm ra nghi m. S đ hi n thì tính toán toán đ n gi n, nhanhể ệ ơ ồ ệ ơ ả
chóng, nh ng s n đ nh ph thu c vào b c th i gian tính ∆t. S đ n s n đ như ự ổ ị ụ ộ ướ ờ ơ ồ ẩ ự ổ ị
không ph thu c vào b c th i gian tính ∆t, nh ng tính toán lâu h n.ụ ộ ướ ờ ư ơ
2.2. Ch ng trình River2dươ
Ch ng trình River 2D đ c phát tri n b i tr ng đ i h c University of Alberta,ươ ượ ể ở ườ ạ ọ
và g m có 4 modul nh Bed, Ice, Mesh, và River 2D, m i modul có m t ch c năng riêng:ồ ỏ ỗ ộ ứ
R2D_BED đ a và x lý s li u đ a hình;ư ử ố ệ ị
R2D_ICE mô t bài toán khi có băng tuy t trên m t n c;ả ế ặ ướ
R2D_MESH r i r c hóa t o l i ph n ờ ạ ạ ướ ầ t và thi t l p đi u ki n biên;ử ế ậ ề ệ
RIVER2D tính toán các đ t tr ng c a dòng ch y n đ nh và không n đ nh.ặ ư ủ ả ổ ị ổ ị
2.3. Quá trình tính toán trên River2D
+ Nh p s li u đ a hình, công trình n u có, đ nhám, v đ ng biên c a mi nậ ố ệ ị ế ộ ẽ ườ ủ ề
tính toán trong R2D_BED.
+ T o l i và thi t l p đi u ki n biên trong R2D_MESH.ạ ướ ế ậ ề ệ
+ Ch y dòng không n đ nh, hi n th k t qu và hoàn thi n l i mesh trong R2D.ạ ổ ị ể ị ế ả ệ ạ
+ T o đi u ki n biên dòng n đ nh, ch y ch ng trình Transient và xu t k tạ ề ệ ổ ị ạ ươ ấ ế
qu .ả
3. ng d ngch ng trình RIVER-2D cho m t s bài toán th y l iỨ ụ ươ ộ ố ủ ợ
3.1. D báo quá trình ng p l t vùng h du sông Hànự ậ ụ ạ
3.1.1. S li u đ u vào và l i ph n t h u h nố ệ ầ ướ ầ ử ữ ạ
Mi n tính toán là vùng ng p l t năm 1999 v i năm biên l ng c a sông Hàn, sôngề ậ ụ ớ ỏ ử
Tuý-Loan t n su t 1%, sông Yên, Sông Quá-Giáng và sông Vĩnh-Đi n t n su t 5%. Biênầ ấ ệ ầ ấ
m c n c h l u (Tr m Tiên-Sa) ch n con tri u tính toán 7 ngày t n su t 5%.ự ướ ạ ư ạ ọ ề ầ ấ
235
Tuy n t p Báo cáo ể ậ H i ngh Sinh viên Nghiên c u Khoa h cộ ị ứ ọ l n th 7 Đ i h c Đà N ng năm 2010ầ ứ ạ ọ ẵ
Hình 1: T o l i tính toán cho vùng ng p l t h du sông Hànạ ướ ậ ụ ạ
3.1.2. K t qu c a quá trình d báoế ả ủ ự
đ sâu các tr m trong quá trình lũộ ạ
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
4.50
5.00
012345678
s ngày ố
TL58
NB47
HX38
HX34
SY81
SY16
HX51
NHS15
NHS22
NHS47
Hình 2: K t qu d báo t i m t s v trí vùng ng p l t h du sông Hànế ả ự ạ ộ ố ị ậ ụ ạ
Di n ng p l n nh t trong quá trìnhệ ậ ớ ấ lũ
Hình 3 K t qu d báo ng p l t vùng h du sông Hànế ả ự ậ ụ ạ
3.1.3. Nh n xétậ
RIVER2D là mô hình thu l c hai chi u, d báo đ c m c n c, tr ng v nỷ ự ề ự ượ ự ướ ườ ậ
t c bi n thiên theo th i gian và trong mi n tính toán.ố ế ờ ề
K t qu tính toán g n sát v i th c t lũ năm 1999. Đ chính xác c a k t quế ả ầ ớ ự ế ộ ủ ế ả
tính toán ph thu c vào s li u đ u vào. Ch ng trình có th dùng đ d báo lũ cho cácụ ộ ố ệ ầ ươ ể ể ự
con sông n u có đ y đ s li u đ u vào.ế ầ ủ ố ệ ầ
3.2. Áp d ng cho tính toán thi t k công trình kè m hàn b o v bụ ế ế ỏ ả ệ ờ
Xây d ng kè m hàn nh m m c đích b o v b l m, đ y dòng ch l u ra xa bự ỏ ằ ụ ả ệ ờ ỏ ẩ ủ ư ờ
236
Tuy n t p Báo cáo ể ậ H i ngh Sinh viên Nghiên c u Khoa h cộ ị ứ ọ l n th 7 Đ i h c Đà N ng năm 2010ầ ứ ạ ọ ẵ
l m, ch nh tr lòng sông ph c v giao thông th y…ỏ ỉ ị ụ ụ ủ
Hình 4: T o l i tính toán cho đo n sông cong Hòa M - sông Vạ ướ ạ ỹ ệ
3.2.1. S li u đ u vào và l i tam giác mô hình.ố ệ ầ ướ
Thi t k công trình ch nh tr cho đo n sông V qua thôn Hòa M xã Hành Ph cế ế ỉ ị ạ ệ ỹ ướ
- Nghĩa Hành – Qu ng Ngãi, đo n sông này tình hình s t l r t nghiêm tr ng. Đo n sôngả ạ ạ ở ấ ọ ạ
cho 2 biên l ng th ng l u và h l u. Th c hi n tính toán v i l u l ng t o lòng vàỏ ượ ư ạ ư ự ệ ớ ư ượ ạ
m cự n c t ng ng c a nó.ướ ươ ứ ủ
3.2.2. Quá trình th c hi nự ệ
Tính toán v i mô hình dòng ch y n đ nh khi ch a có công trình đ xác đ nh tr cớ ả ổ ị ư ể ị ụ
ch l u c a dòng ch y; làm c s cho công tác v ch tuy n, b trí và thi t k công trình;ủ ư ủ ả ơ ở ạ ế ố ế ế
ki m tra l i các đi u ki n đ t ra khi thi t k .ể ạ ề ệ ặ ế ế
3.2.3. K t qu tính toánế ả
a. Tr ng v n t c dòng ch y trên sông khi ch a có công trìnhườ ậ ố ả ư
Hình 5: Tr ng v n t c t i đo n sông cong gây xói t i Hòa M - sông V ,ườ ậ ố ạ ạ ạ ỹ ệ
khi ch a b trí công trình kè m hànư ố ỏ
Sau khi b trí công trình: ch ng trình ki m tra l i đ t tr ng dòng ch y, choố ươ ể ạ ặ ư ả
phép ta b trí h p lý v kho ng cách và ph ng c a các m hàn.ố ợ ề ả ươ ủ ỏ
237