BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN VIỆN QUI HOẠCH THỦY LỢI ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KH&CN CẤP BỘ: “NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ ĐỂ PHÁT TRIỂN BỀN VỮNG LƯU VỰC SÔNG HỒNG” Chủ nhiệm đề tài: TS. Tô Trung Nghĩa _________________________________________________ BÁO CÁO TỔNG KẾT CÁC CHUYÊN ĐỀ NGHIÊN CỨU: Chủ đề: CÁC CƠ SỞ MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN 7226-2 19/03/2009 HÀ NỘI - 2008 NCCSKH VÀ GII PHÁP CÔNG NGH  PHÁT TRIN BN VNG LV SÔNG HNG D:\A-Tep KQNC- DOC\7226\Nhom 2\28-CD-28.doc 1 B NÔNG NGHIP VÀ PHÁT TRIN NÔNG THÔN VIN QUY HOCH THU LI BÁO CÁO TỔNG KẾT CHUYÊN ĐỀ CƠ SỞ MÔ PHỎNG THỦY ĐỘNG LỰC HỌC VÀ LIÊN KẾT MẠNG SÔNG Ch nhêm  tài: TS. Tô Trung Ngha Ch nhim chuyên : Ths. Phan Th Hng CƠ QUAN CHỦ TRÌ THỰC HIỆN Hà nội, 2007 NCCSKH VÀ GII PHÁP CÔNG NGH  PHÁT TRIN BN VNG LV SÔNG HNG D:\A-Tep KQNC- DOC\7226\Nhom 2\28-CD-28.doc 2 MỤC LỤC 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI – MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU 3 1.1. Giới thiệu chung 3 1.2. Mục đích, yêu cầu 4 2. GIỚI THIỆU VỀ MẠNG LƯỚI SÔNG SUỐI VÙNG NGHIÊN CỨU 4 3. CƠ SỞ MÔ PHỎNG THỦY ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG SÔNG VÀ CÔNG TRÌNH THỦY LỢI 6 3.1. Cơ sở toán học quá trình thủy động lực học kênh hở 8 3.2. Cơ sở toán học quá trình thủy động lực học hệ thống công trình 21 3.2.1 Các dạng công trình 21 3.2.2 Công trình có kiểm soát 22 3.2.2 Công trình tự động 23 4. KẾT LUẬN 25 NCCSKH VÀ GII PHÁP CÔNG NGH  PHÁT TRIN BN VNG LV SÔNG HNG D:\A-Tep KQNC- DOC\7226\Nhom 2\28-CD-28.doc 3 1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỀ TÀI – MỤC ĐÍCH, YÊU CẦU. 1.1. Giới thiệu chung Mc tiêu ca  tài là xây dng lun c khoa hc và gii pháp công ngh phc v quy hoch phát trin bn vng lu vc sông Hng. T ó  xut mt s vn  v chin lc phát trin tng hp bn vng phc v phát trin kinh t  xã hi lu vc sông. Mc tiêu c th: • Xây dng mô hình tính toán kinh t, cân bng nc, và môi trng ngun nc phc v phát trin ngun nc lu vc sông Hng. •  xut và ánh giá nh lng các kch bn phát trin bn vng a mc tiêu ngun nc bng ng dng mô hình toán/công ngh GAMS (s.Hng), MIKE 11 (s.Nhu), EcoLab (s.Nhu). •  xut mt s vn  chin lc phát trin t ng hp bn vng phc v phát trin KTXH lu vc sông. T mc tiêu Xây dng lun c khoa hc và gii pháp công ngh phc v quy hoch phát trin bn vng lu vc sông Hng, nghiên cu s bt u bng bc rà soát các nghiên cu liên quan  la chn, xác nh các gii pháp c th cho các vn  c thù ca lu vc nghiên cu lu v c sông Hng-Thái Bình cng nh các vn  liên quan nh phân b ti u ngun nc, d báo nh lng các tác ng v ch  dòng chy và din bin cht lng môi trng nc trong vùng. Tip theo nghiên cu s la chn các công c tiên tin trong và ngoài nc, phù hp vi trình  khoa hc công ngh ca các c quan trong nc, phù hp vi c thù ca lu vc nghiên c u là lu vc sông Hng-Thái Bình cng nh kh nng có th áp ng v s liu hin ti. Qua vic xây dng các kch bn nghiên cu cho lu vc sông Hng, phát trin và ng dng các công ngh tin tin trong d báo nh lng tác ng ca các hot ng phát trin kinh t xã hi nghiên cu,  tài s khuyn cáo mt s vn  v chin lc phát trin bn vng lu vc sông Hng - Thái Bình cng nh các bin pháp qun lý gim thiu ô nhim môi trng nc lu vc sông Nhu. Mt trong nhng nhim v ca  tài là xây dng mô hình thu ng lc hc và liên kt mng sông vùng nghiên cu th nghim - H thng thu li sông Nhu. NCCSKH VÀ GII PHÁP CÔNG NGH  PHÁT TRIN BN VNG LV SÔNG HNG D:\A-Tep KQNC- DOC\7226\Nhom 2\28-CD-28.doc 4 1.2. Mục đích, yêu cầu Chuyên  này s nêu rõ c s mô phng thy ng lc hc h thng sông và công trình thy li, t ó la chn c phng trình tính toán phù hp vi a hình và công trình vùng lu vc sông Nhu.  t c các mc ích ã nêu  trên chuyên  phi nêu c các vn  sau: - C s toán hc quá trình thy ng l c hc kênh h. - C s toán hc quá trình thy ng lc hc h thng công trình. 2. GIỚI THIỆU VỀ MẠNG LƯỚI SÔNG SUỐI VÙNG NGHIÊN CỨU Vùng nghiên cu th nghim c chn là lu vc sông Nhu. ây là mt lu vc sông nhánh ca lu vc sông Hng. Lu vc sông Nhu nm trong 3 tnh Hà Ni, Hà Tây và Hà Nam bao bc bi 3 sông Hng, áy, Châu. Lu v c có ta  a lý: 22 o 71’ - 23 o 38’ v  Bc 5 o 63’ - 6 o 08’ kinh  ông Có gii hn : + Phía Bc và phía ông giáp sông Hng + Phía Tây và Tây Nam giáp sông áy + Phía Nam giáp sông Châu Giang H thng sông Nhu có mng li sông ngòi tng i dày, các sông ln bao bc là sông Hng và sông áy, trong ni ng có hàng chc sông ln nh, mt s sông ln trong ni ng là Tô Lch, La Khê, Vân ình, Nhu, Duy Tiên, Châu Giang…Sông Nhu là sông ni ng ln nht dài 75km là trc ti tiêu kt hp. • Sông Nhuệ: Nm  phía Tây Nam, bt ngun t cng Liên Mc (sông Hng), chy qua huyn T Liêm, ti Thanh Trì, Hoài c và tip tc chy xung phía Nam v tnh Hà Nam, nhp vi sông áy ti Ph Lý. Chiu dài sông 74,0km. • Sông Duy Tiên: Sông Duy Tiên bt ngun t sông Nhu ni vào sông Châu giang. Chiu dài sông 21,0km • Sông Châu Giang: Ni t sông Duy Tiên vào sông Nhu. • Sông La Khê: Sông La Khê ni t sông Nhu và sông áy. Chi u dài sông 6,8km • Sông Vân Đình: t sông Nhu sang sông áy, chiu dài sông 11,8km NCCSKH VÀ GII PHÁP CÔNG NGH  PHÁT TRIN BN VNG LV SÔNG HNG D:\A-Tep KQNC- DOC\7226\Nhom 2\28-CD-28.doc 5 H thng công trình thy li ã góp phn to ln cho s nghip phát trin kinh t cho lu vc. Tuy vy hu ht các công trình trên h thng do ã c xây dng t lâu, t nhng nm 30, 40 ca th k trc nên hin ti h thng công trình ã xung cp, hiu qu hot ng thp cùng vi yêu cu s dng nc cho quá trình phát trin ngày càng cao cùng vi yêu c u nc cho môi trng sinh thái ã là mt yêu cu bt buc trong thi gian gn ây ã vt quá kh nng chuyn ti cp nc ca h thng. NCCSKH VÀ GII PHÁP CÔNG NGH  PHÁT TRIN BN VNG LV SÔNG HNG D:\A-Tep KQNC- DOC\7226\Nhom 2\28-CD-28.doc 6 H thng thu nông sông Nhu có a hình cng rt phc tp, hng dc chính theo hng Bc - Nam và dc t phía sông Hng, sông áy vào sông Nhu. Cao  a hình thay i rt nhiu t -3m n +1m. Toàn b h thng sông ni ng trong h thng sông Nhu ã c xây ê bao. Nc trong mùa l chy qua các cng và bng bm t ni ng ra sông. Nh vy ch  dòng chy trong sông  ây có th coi là dòng mt chiu. 3. CƠ SỞ MÔ PHỎNG THỦY ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG SÔNG VÀ CÔNG TRÌNH THỦY LỢI Mô hình thu ng lc hc là loi mô hình mô phng iu kin dòng chy trong sông, liên kt vi vùng ngp l. Mô hình c phân loi tu theo kh nng mô phng các iu kin dòng chy khác nhau. Mc dù dòng chy t nhiên là dòng chy 3 chiu, nh ng dòng chy trong sông có th xem nh là dòng chy mt chiu hoc hai chiu. Tng t nh vy iu kin dòng chy có th phân ra thành dòng n nh hay dòng không n nh, hoc dòng chy u hay không u. Phng pháp din toán dòng chy da trên phng trình St. Venant. Phng trình St. Venant gm hai phng trình o hàm riêng phn có th gii bng phng pháp sai phân mô t ng nng và bo toàn khi lng.  Vit Nam, mô hình thu  ng lc hc kênh h ã c u t nghiên cu và phát trin t hàng thp k trc. Nhiu mô hình toán ã c xây dng hoàn chnh và a vào tính toán thc t áp ng c nhu cu ca công tác quy hoch, qun lý ngun nc, gim nh thiên tai  Vit Nam. i u trong s ó là mô hình VRSAP ca c giáo s, anh hùng lao ng Nguyn Nh Khuê (Vin Quy hoch Thu  li), mô hình này ã c a vào ng dng rng trong các nghiên cu  Vit Nam cho n nay. Ngoài ra  Vit Nam mt s mô hình trong nc khác cng c s dng khá ph bin, cùng vi mt s mô hình thng mi ca các nc phát trin nh WENDY (Hà Lan), ISIS (Newzeeland) , SOBEK (Hà Lan). Các phn mm thng mi này u có u im chung là có giao tin p, thân thin, có các môun kt ni vi nhau r t linh hot, d s dng phn mm này có linh hot, d s dng, có tr giúp trc tuyn, kt ni vi GIS, CAD, có kh nng hin th kt qu di dng ng…. Chúng u có mô un mô phng quá trình ma – dòng chy ca tng tiu lu vc. Các phn mm này u có các h thng kênh h hoàn chnh, bao gm các vòng, nhánh, bãi ngp l và ô tr, mô phng theo h phng trình chun và các k thut mô phng cho các công trình trong h thng bao gm p, cng, cu, cng lun, bm, siphon, tràn t do và thác nc. Ngoài ra, chúng cng có các mô un kt ni vi nhau, nh mô un cht lng nc, mô un tính bùn cát…. NCCSKH VÀ GII PHÁP CÔNG NGH  PHÁT TRIN BN VNG LV SÔNG HNG D:\A-Tep KQNC- DOC\7226\Nhom 2\28-CD-28.doc 7 B mô hình MIKE ca Vin Thu lc an Mch (DHI) c gii thiu  Vit Nam gn ây, trong s ó MIKE 11 là mt trong nhng thành phn chính, MIKE 11 c thit k  x lý bài toán dòng không n nh 1 chiu, gi 2 chiu trong kênh h. MIKE 11 và MIKE nói chung có mt s u im so vi các mô hình thng mi khác và cng so vi các mô hình hin c ang s dng rng rãi  Vi t Nam, mt s u im chính ca MIKE 11 nh: 1. Liên kt vi GIS. 2. Liên kt vi các mô hình thành phn khác ca b MIKE nh Mô hình ma -dòng chy NAM, Mô hình thu ng lc hc 2 chiu MIKE 21 (MIKE FLOOD) 3. Tính toán chuyn ti cht khuch tán. 4. Tính vn hành h cha. 5. Tính v p. 6. Tính toán vn hành công trình. 7. Tính toán quá trình phú dng. 8. Tính toán mô phng vùng t ngp nc. V giao din, MIKE11 c bit u vit hn nhiu phn mm khác. T ban u, MIKE 11 c vn hành/ s dng thông qua h thng trình n tng tác (interactive menu system) hu hiu vi các layout có h thng và các menu xp dãy tun t.  mi bc trong cây trình n (menu tree), mt h tr trc tuyn s c cung cp trong màn hình Help menu. Trong khuôn kh này - phiên bn 3.20 ã c phát trin lên. Th h mi ca MIKE 11 kt hp các c tính và kinh nghim t MIKE 11 ‘Classic’, giao din ngi s dng da trên c s các tính nng hu hiu trong Windows bao gm các tin ích chnh sa s  (graphical editing facilities) và tng tc  tính toán bng cách tn dng ti a công ngh 32- bit. • u vào/ chnh sa, các c tính trong MIKE 11 bao gm: - Nhp d liu/ chnh sa bn  - Nhiu dng d liu u vào/ chnh sa mang tính mô phng - Tin ích copy và dán  nhp/xut trc tip, ví d nh t các chng trình trang bng tính. - Bng s liu tng hp và ca s s  (graphical windows) - Nhp d liu v mng sông và a hình t ASCII text files NCCSKH VÀ GII PHÁP CÔNG NGH  PHÁT TRIN BN VNG LV SÔNG HNG D:\A-Tep KQNC- DOC\7226\Nhom 2\28-CD-28.doc 8 - Layout cho ngi s dng xác nh cho tt c các ca s s  (màu sc, cài t font, ng, các dng im vch du marker, v.v ) • V u ra, có các tính nng trình bày báo cáo tiên tin, bao gm: - Màu ca bn  trong horizontal plan cho h thng d liu và kt qu trình bày kt qu bng hình ng trong s  mt ngang, dc và chui thi gian th hin các kt qu bng hình ng ng thi trình bày chui thi gian m rng tin ích copy và dán (paste)  xut các bng kt qu hoc trình bày bn  vào các ng dng khác (trang bng tính, word hoc các dng khác). Chính vì vy mà  tài “Nghiên cứu khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền vững lưu vực sông Hồng” ã chn MIKE 11  áp dng cho vùng nghiên cu. 3.1. Cơ sở toán học quá trình thủy độ ng lực học kênh hở Mô hình dòng chy không n nh c thành lp da trên 3 yu t c bn (Hình 1): - Quan h vi phân din t các quy lut vt lý t nhiên - Lc  sai phân hu hn bao gm các phng trình i s. - Thut toán  gii các phng trình NCCSKH VÀ GII PHÁP CÔNG NGH  PHÁT TRIN BN VNG LV SÔNG HNG D:\A-Tep KQNC- DOC\7226\Nhom 2\28-CD-28.doc 9 Hình 1. S  hình thành mô hình dòng chy 3.1.1. Phương trình cơ bản Ch  dòng chy cho mt on sông n c mô t bng h phng trình vi phân o hàm riêng Saint-Venant (bao gm phng trình liên tc và phng trình ng lng). H phng trình c bn mô t ch  thu lc nh sau: + Phương trình liên tục: i vi cht lng không nén c, nguyên lý sau luôn c tuân th: L ượng vào – lượng ra = Thay đổi về lượng trữ HÖ THèNG Tù NHI£N M¹ng l−íi s«ng ngßi B·i ngËp lò Ke á t cÊu/ c«ng tr×nh C¸C LUËT Tù NHI£N Bo toàn khi lng Bo toàn ng lng SƠ ĐỒ HÓA Th hin bng mt Lc  n gin SAI PHÂN Mô t mi quan h bng các PT sai phân M « h×nh Biªn K Õt q u¶ [...]... loi cụng trỡnh sau: - p - Cng, cu - Bm mụ t cỏc loi cụng trỡnh, ngi ta thay th phng trỡnh ng lng bi mt mi quan h h-Q-h, h-Q hoc Q-t Cỏc cụng trỡnh c t im Q B qua ma sỏt ỏy vỡ cỏc im h thng v h lu cụng trỡnh nm rt gn A1 A2 As J-1 J J+1 h Q h Cú th chia thnh hai loi: 1 Loi cụng trỡnh vn hnh bi ngi s dng vi mi iu kin chy, gm c cụng trỡnh cú quỏ trỡnh dũng chy bin i theo thi gian Q-t v loi quỏ trỡnh... trng - Cỏc ngun thi t cỏc ng khúi ca cỏc nh mỏy vo khớ quyn - Cỏc cht ụ nhim c bo ton khi c thi vo sụng h - Cỏc cht ụ nhim khụng c bo ton khi c thi vo sụng h - Nc thi cha x lý khi chy vo h thng x lý sinh hoỏ - Cỏc ngun gõy ụ nhim ting n trong mụi trng ụ th - ễ nhim cụng nghip vo cỏc mch nc ngm - Nc thi cụng nghip Cú ba c ch vt lý xy ra trong quỏ trỡnh vn chuyn cht ụ nhim trong dũng chy lng : - Chuyn... c gi chung l cỏc cụng trỡnh t ng D:\A-Tep KQNC- DOC\7226\Nhom 2\28-CD-28.doc 21 NCCSKH V GII PHP CễNG NGH PHT TRIN BN VNG LV SễNG HNG 3.2.2 Cụng trỡnh cú kim soỏt a Dũng chy bin i theo thi gian Q-t (bm, mt s loi h cha, mt s loi cng) Quan h Q-t s thay th phng trỡnh ng lng ti im Q v chia mụ hỡnh thnh 2 nhỏnh: thng v h lu Lu lng s c ni suy tuyn tớnh trc tip t bng Q-t cho trc b Hm theo h hoc/v Q Cụng trỡnh... Sain-Venant, dũng chy c D:\A-Tep KQNC- DOC\7226\Nhom 2\28-CD-28.doc 17 NCCSKH V GII PHP CễNG NGH PHT TRIN BN VNG LV SễNG HNG coi l mt chiu trong kờnh h, min tớnh toỏn khụng cú s thay i t ngt, tuõn th nguyờn lý bo ton v khi lng, vỡ vy ngi ta ó s dng phng phỏp sai phõn hu hn Cú mt s loi lc n hoc hin nh Phng phỏp ng c tớnh (Method of Characteristics), Lc Preissman, Lc Abbott-Ionescu Lc Abbott-Ionescu... gi l iu kin ban u ca bi toỏn (Z=f(x,0)); (Q=f(x,0)) D:\A-Tep KQNC- DOC\7226\Nhom 2\28-CD-28.doc 20 NCCSKH V GII PHP CễNG NGH PHT TRIN BN VNG LV SễNG HNG 3.1.3 Quan h ti im ni cỏc on, im nhp v phõn lu Trong mt h thng sụng, kờnh thng cú cỏc im nhp lu hoc phõn lu, ti tt c mt im ni no ta u cú: - Mc nc ti im ni l bng nhau cho cỏc on chy n hoc chy i - Tng lng nc n tr tng lng nc i trong thi on t s bng th... j +1 Q j 1 Q j +1 Q j 1 = + x 2 2x 2x b= Ao j + Ao j +1 2x j (1) (2) (3) Trong ú: Ao j l din tớch b mt t im j-1 n j Ao j +1 l din tớch b mt t im j n j+1 D:\A-Tep KQNC- DOC\7226\Nhom 2\28-CD-28.doc 18 NCCSKH V GII PHP CễNG NGH PHT TRIN BN VNG LV SễNG HNG 2x j l khong cỏch t j-1 n j+1 Thay vo phng trỡnh liờn tc, thu c: + + j Q n11 + j Q n +1 + j Q n+11 = j j j j (4) Trong ú , , l hm ca... M: Khi lng (M) X: Khong cỏch (L) t: Thi gian (T) C: Nng (ML-3) Ax: Din tớch mt ct ngang (L2) DL: h s khuch tỏn (L2T-1) -1 u : Vn tc trung bỡnh (LT ) S: Ngun ngoi hay lng chỡm ỏy (MT-1) - Cỏc c tớnh thy lc : Gi thit rng ch thy lc ngun l n nh, tc ( Q ) = (Qx)i ti trong ú (Qx)I l tng ca dũng chy vo t bờn ngoi vo hoc s tỏch khi cỏc phõn t ny - H s dũng chy: Cỏc c tớnh thy lc khỏc c cỏc on sụng cú th c... h (v trớ a) v mc nc h hoc mc nc h lu (v trớ b) H y H cn V trớ a D:\A-Tep KQNC- DOC\7226\Nhom 2\28-CD-28.doc V trớ b 22 NCCSKH V GII PHP CễNG NGH PHT TRIN BN VNG LV SễNG HNG 3.2.2 Cụng trỡnh t ng Cỏc cụng trỡnh u cú iu kin chung bờn trong l: Q=f(mc nc thng lu v h lu ca cụng trỡnh) Thay phng trỡnh mụ men bng cõn bng nng lng cc b: HTL - HHL = Htn tht Trong ú: HTL: Ct nc ng nng thng lu cụng trỡnh HHL:... trỡnh ng lng, súng ng lc ton phn gii quyt c cỏc bi toỏn cho dũng bin i nhanh, dũng triu, nc vt, súng l Lu vc sụng Nhu cú cỏc iu kin phự hp vi cỏc gi thit trong h phng trỡnh Saint-Venant D:\A-Tep KQNC- DOC\7226\Nhom 2\28-CD-28.doc 25 B NễNG NGHIP V PHT TRIN NễNG THễN VIN QUY HOCH THU LI BO CO TNG KT CHUYấN C S Mễ PHNG QU TRèNH VN CHUYN, HO TAN, KHUYCH TN PHN T CC CHT ễ NHIM C QUAN CH TRè THC HIN Ch... vi bi toỏn ng lc cht lng, chia thi gian v khụng gian theo tng bc vi khong cỏch t v x t x n+1 t n j j-1 j+1 x o hm Q/t, Q/x cú th c tớnh xp x nh sau: n +1 n Q Q j Q j = t t n n Q Q j Q j 1 = x x Loi sai phõn hu hn ny l loi li cu trỳc, tc cú th chia min tớnh toỏn D:\A-Tep KQNC- DOC\7226\Nhom 2\28-CD-28.doc 14 NCCSKH V GII PHP CễNG NGH PHT TRIN BN VNG LV SễNG HNG thnh cỏc giỏ tr theo cỏc hng v ct theo . NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN VIỆN QUI HOẠCH THỦY LỢI ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KH&CN CẤP BỘ: “NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ ĐỂ PHÁT TRIỂN BỀN VỮNG LƯU VỰC SÔNG HỒNG”. LƯỚI SÔNG SUỐI VÙNG NGHIÊN CỨU 4 3. CƠ SỞ MÔ PHỎNG THỦY ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG SÔNG VÀ CÔNG TRÌNH THỦY LỢI 6 3.1. Cơ sở toán học quá trình thủy động lực học kênh hở 8 3.2. Cơ sở toán học quá. các bng kt qu hoc trình bày bn  vào các ng dng khác (trang bng tính, word hoc các dng khác). Chính vì vy mà  tài Nghiên cứu khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền