www.vncold.vn Hội Đập lớn Phát triển nguồn nước Việt Nam NỐI GHÉP MƠ HÌNH MỘT CHIỀU TRONG SƠNG VỚI MƠ HÌNH HAI CHIỀU NGANG TRÊN BIỂN CHO TÍNH TĨAN THỦY LỰC VÀ MẶN ĐỒNG BẰNG SƠNG CỬU LONG KHI KỂ TỚI BIẾN ĐỔI THƯỢNG LƯU, KHAI THÁC TRÊN ĐỒNG BẰNG VÀ CÁC ĐIỀU KIỆN KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN NGỊAI BIỂN (1) PGS-TS Nguyễn Tất Đắc, ThS-NCS Lương Quang Xơ, Viện Quy Họach Thủy Lợi miền Nam Tóm tắt nc I- Đặt vấn đề ol d Báo cáo trình bầy tóm tắt mơ hình ghép nối mơ hình thủy lực chiều sơng với mơ hình chiều ngang biển dùng tính tóan dòng chảy chảy mặn phương án quy họach, khai thác sử dụng tài ngun nước ĐBSCL kể tới biến đổi dòng chảy thượng lưu, phát triển Đồng thay đổi ngòai biển gió chướng, nước dâng Một sơ đồ cụ thể cho Đồng vùng cửa sơng ĐBSCL xây dựng tính thử cho điều kiện thực tháng 3-4/2004 Kết tính tóan cho thấy mơ hình phản ánh hợp lý chất vật lý tượng cần mơ Về mặt học thuật báo cáo giới thiệu cách xây dựng mơ hình chiều ngang biển phương pháp phần tử hữ hạn lưới tam giác cách sử dụng kết mơ hình chiều có với số cải biên để ghép nối mơ hình với theo điều kiện bảo tòan lưu lượng cửa sơng w w w v Mơ hình tóan cơng cụ khơng thể thiếu tính tóan phương án khai thác phát triển tài ngun nước Đồng Bằng sơng Cửu Long (ĐBSCL) Cho đến mơ hình thủy lực mặn chiều (của nước nước ngòai) sử dụng phổ biến để tính tóan phương án quy họach Với mơ hình điều kiện biên lưu lượng thượng lưu Kratie, Căm Pu Chia, biên hạ lưu mực nước độ mặn thực đo cửa sơng ĐBSCL Về mặt tóan học điều kiện biên (đặc biệt mực nước độ mặn cửa sơng) phải giá trị khơng bị chi phối biến đổi bên Đồng bằng, điều kiện khí tượng thủy văn ngòai biển Trên thực tế để tính tóan cho phương án quy họach tương lai ta khơng thể có giá trị biên thực đo cửa sơng, đặc biệt có gió chướng hay nước biển dâng Mặt khác cửa sơng thường rộng (từ đến vài km) khơng thể đo đạc độ mặn đặc trưng, mà có thực đo đạc tốn Mặt khác khai thác Đồng ngày gia tăng (làm cầu cống mới, đào kênh mới, cần nhiều nước cho nơng, cơng nghiệp, thủy sản), nước thượng lưu gia tăng khai thác lấy nước (thủy điện, nơng nghiệp, thay đổi điều tiết biển Hồ,…) làm cho lưu lượng thượng lưu Đồng thay đổi Sự thay đổi làm thay đổi mạnh độ mặn (và mực nước) cửa sơng Vì cần phải tạo cơng cụ tính tóan thay đổi nêu phương án quy họach Hình cách sơ đồ hóa mối quan hệ ĐBSCL với yếu tố chi phối Ta biết xa ngòai biển (cách bờ cỡ 100km ĐBSCL) độ mặn thường khơng đổi theo mùa (cỡ 34-36g/L) dùng phương pháp số điều www.vncold.vn Hội Đập lớn Phát triển nguồn nước Việt Nam hòa để dự báo mực nước triều (ở mức độ xác đó) Nếu biết điều kiện cửa sơng sử dụng mơ hình tóan chiều ngang với vùng biển cửa sơng ta tính ảnh hưởng gió chướng thổi trực tiếp vào cửa sơng, lực quay trái đất (Coriolis), nước biển dâng đến thay đổi độ mặn mực cửa sơng (khi triều vào), đồng thời tính ảnh hưởng lưu lượng sơng đến thay đổi độ mặn mực nước cửa sơng triều rút Mơ hình chiều sơng tốt quen thuộc với kỹ sư, vấn đề lại làm nối kết mơ hình chiều biển với mơ hình chiều sơng có kể tương tác sơng biển (z) Đây phần kết đề tài cấp Bộ “ Nghiên cứu xác định biên tính tóan thủy lực mặn ĐBSCL”, nghiệm thu 4-2007; đồng thời phần nội dung luận án TS NCS Lương quang Xơ, Bộ GDĐT đồng ý cho bảo vệ cấp Nhà nước ol d Nội dung báo cáo nhằm giới thiệu việc xây dựng mơ hình ghép nối theo ý tưởng việc áp dụng cho ĐBSCL Ả NH HƯỞ N G CỦ A CÁ C ĐIỀ U KIỆ N TỰNHIÊ N & SỰPHÁ T TRIỂ N ĐẾ N ĐỒ N G BẰ N G SÔ N G CỬ U LONG DÒ NNG YY DÒ G CHẢ CHẢ THƯ THƯNNG G LƯU O LƯU VÀ VÀ O ĐBSCL ĐBSCL ĐIỀ UU TIẾ TT ĐIỀ TIẾ CỦ AA CỦ BIỂ NN HỒ BIỂ HỒ MƯA NN MƯA TRÊ TRÊ CH UU THỔ CH THỔ MEKONG MEKONG nc CAMPUCHIA CAMPUCHIA Các điều kiện cần phản ánh mơ hình ghép nối 1-2 chiều VIET VIETNAM NAM CÁC HỌAT ĐỘNG PHÁT TRIỂN TRÊN ĐỒNG BẰNG w v THỦ YY TRIỀ UU THỦ TRIỀ GIÓ CHƯỚ NNG GIÓ CHƯỚ G NƯỚ CC BIỂ NN D NNG NƯỚ BIỂ D G Hình 1: Mối quan hệ ĐBSCL yếu tố tác động Mơ hình ghép nối chiều sơng chiều ngang biển: w w Để xây dựng mơ hình tóan cần số bước sau: i) Lựa chọn phương trình bản, điều kiện biên điều kiện đầu; ii) Lựa chọn thuật tóan số để giải phương trình Bước quan trọng, phản ánh độ xác mơ hình chất vật lý tượng mơ phỏng, đồng thời định cách lập trình thời gian tính tóan máy; iii) Lập trình máy tính để thể thuật tóan Hiện có nhiều ngơn ngữ lập trình cơng cụ GIS hỗ trợ Việc lựa chọn ngơn ngữ, viết giao diện, sử dụng cơng cụ GIS để biểu diễn kết bước cần xem xét xây dựng mơ hình; iv) Tiếp theo thử nghiệm mơ hình xây dựng với số tóan mẫu nhằm kiểm tra định tính u cầu đặt với mơ hình (như tính khơng âm nồng độ, bảo tòan, ); v) Nếu qua bước dùng cho tóan cụ thể để xác định số tham số mơ hình Nếu chưa qua bước iv) cần xem xét lại, chủ yếu từ thuật tóan Nếu qua bước ta có mơ hình làm việc (operational model) Do tính phức tạp bước nêu www.vncold.vn Hội Đập lớn Phát triển nguồn nước Việt Nam tóan ghép nối 1-2 chiều ta nêu vắn tắt điểm Để biết chi tiết xin xem [2] Hệ phương trình phương phápgiải a) Hệ Saint-Venant lan truyền chất chiều cho tóan sơng: ∂Z ∂Q + = q (1) ∂t ∂x 4/3 ∂Z gn B Q Q ∂Q ∂ ⎛⎜ Q ⎞⎟ + gA + − BL1W cos ψ = + / ⎜ ⎟ ∂x ∂t ∂x ⎝ A ⎠ A BC (2) q S q +Q r S r ∂S Q ∂S ∂ ⎛ ∂S ⎞ q + Qr + Qm + = S+ ⎜ AD ⎟ − ∂t A ∂x A ∂x ⎝ ∂x ⎠ A A (3) Hình 2: Mặt cắt ngang sơng nc ol d Trong (1), (2), (3) Z, Q, A, S tương ứng mực nước, lưu lượng , diện tích mặt cắt ngang (hình 2), độ mặn; q lưu lượng gia nhập; Qr, Qm tương ứng lưu lượng trao đổi ruộng-kênh, lượng mưa; W, ψ tương ứng vận tốc gió góc gió; D hệ số phân tán (dispersion); n hệ số nhám Manning; Sq, Sr tương ứng độ mặn dòng gia nhập ruộng w v Sau sử dụng sơ đồ sai phân điểm Preissmann cho (1), (2) tuyến tính hóa (bỏ đại lượng nhỏ bậc 2) ta hệ phương trình sai phân tuyến tính hóa sau cho đọan sơng nằm mặt cắt i i+1 w ⎧ A1.Z i + B1.Qi + C1.Z i +1 + D1.Qi +1 = E1 (4) ⎨ ⎩ A2.Z i + B 2.Qi + C 2.Z i +1 + D 2.Qi +1 = E Trong A1, B1,…,E1, E2 hệ số biết, Z, Q ẩn số (4) giải cách trước tiên tìm mực nước hợp lưu, sau tìm Z, Q cho mặt cắt nhánh theo cơng thức truy trứng (Chi tiết xem [1] ) Cơng thức truy trứng sau dùng cho nối ghép: ςi + ς j w Q jN = p jN − q jN p jN ZI − r jN p jN = Qsea (5) Trong (5) QjN lưu lượng từ sơng Hình 3: Nhánh sơng J1,JN chảy ra, Qsea lưu lượng từ biển chảy vào/ra nối với phần tử tam giác (i,j,k) ngòai biển ZI mực nước hợp lưu I, ζi, ζj mực nước hai đỉnh tam giác ngòai biển (hình 3) p , q, r hệ số truy trứng Hệ phương trình có ẩn số mực nước hợp lưu sơng có dạng: www.vncold.vn Hội Đập lớn Phát triển nguồn nước Việt Nam A II Z I + LN ∑ AI J Z J + ∑ BI K ζ K I ≠J K = CI I = 1,2, , LN ( 6) ol d với LN tổng số nút hợp lưu AII, BIK hệ số ma trận, CI hệ số véc tơ cột vế phải Mỗi nút hợp lưu ta có phương trình (6), với LN nút có LN phương trình với ẩn số Z1, Z2,…ZLN mực nước ζ phần tử chiều lân cận Đây phần nối kết, mà để giải cần phải giải đồng thời phần chiều trình bầy phần Trong tóan chiều mơ hình sơng trước giá trị mực nước ζ cửa sơng cho trước (bằng thực đo) giải hệ (6) Lưu ý LN tổng số hợp lưu khơng kể biên điểm nối bậc nhỏ so với tổng số mặt cắt giải trực tiếp hệ sai phân (4) cho tòan hệ sơng Cách giải hệ (6) trình bầy [1,3] thiết lập hệ phương trình đầy đủ cho chiều Khi giải hệ (6) ta biết mực nước tất nút hợp lưu dùng cơng thức truy đuổi để tính mực nước lưu lượng mặt cắt nhánh sơng Phương trình (3) giải phương pháp đường đặc trưng với việc sử nội suy spline bậc b) Hệ phương trình Saint-Venant chiều ngang cho dòng chảy: (7) nc ∂ς ∂ ∂ + ( HU ) + ( HV ) = q ∂t ∂ x ∂y U (1 − ξ) V (1 − ξ) ; δV = H H w δU = + w v ⎛ ∂U ∂ς ∂ζ ∂U ∂U ⎞ ⎟⎟ + σU − fV + g = λ1 + N Δ( HU ) + + ξ⎜⎜ U +V ∂x ∂t ∂t ∂y ⎠ ⎝ ∂x ⎛ ∂V ∂ζ ⎡ ∂V ∂V ⎞⎤ ∂ς ⎟⎟⎥ + fU + σV + g +V δV +⎢ + ξ⎜⎜U = λ + N Δ ( HV ) ∂t ⎣ ∂t ∂y ⎠⎦ ∂y ⎝ ∂x δU (8) (9) ρ a Cd 2 ; λ1 = H ρ W cos ψ ; λ = KW sin ψ (10) w Hình 4: Sơ đồ cho tóan chiều ngang Trong (7) đến (10) ζ mực nước biển, H độ sâu, U, V thành phần vận tốc; f hệ số Coriolis; σ liên quan tới hệ số cản; W, ψ vận tốc góc gió Một số hệ số khác xem [2] Chú ý mặt học thuật phương trình (8), (9) có thêm www.vncold.vn Hội Đập lớn Phát triển nguồn nước Việt Nam số hạng δU, δV N so với mơ hình hai chiều có [3] khảo sát ảnh hưởng số hạng đến kết tính tóan Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn lưới tam giác để giải (7) đến (9) Sau áp dụng tích phân Galerkine cho phương trình ta hệ phương trình đại số cho phần tử tam giác sau (chi tiết việc thu nhận phương trình xem [3] ): ⎧ A1.ζ + B1.U + C1.V + D1.Ζ = E1 ⎪ = E2 ⎨ A2.ζ + B2.U + C2.V ⎪ A3.ζ + B3.U + C3.V = E3 ⎩ (11) = F1 = F2 (12) nc ⎧ A.Ζ + B.ζ + 0.U + 0.V ⎨ ⎩0 Ζ + C ζ + D.U + E V ol d (11) ζ , U, V mực nước vận tốc theo hướng x y miền chiều, Z mực nước nút hợp lưu sơng nối với biển Các ma trận hệ số A1, B1, C1, D1, A2, B2, C2, A3, B3, C3 có bậc 3; ζ, U, V, Z, E1, E2, E3 véc tơ cột có thành phần i, j, k Các ma trận hệ số véc tơ có dạng tương ứng với điều kiện biên Hệ phương trình (6) (11) liên kết với nhờ điều kiện (5) ta có hệ phương trình dạng ma trận: w v (12) A,B,C,D,E làcác ma trận hệ số, Z, ζ, U, V, F1, F2 véc tơ cột Việc xây dựng ma trận giải hệ (12) vấn đề khơng dễ dàng cho thực hành cho lập trình Vấn đề bàn [2,3] Phương trình chiều ngang cho độ mặn C: q (C q − C ) ∂ ∂C ∂C ∂C ∂ ∂C ∂C ( HD x )− ( HD y )= − +V +U H H ∂y ∂y ∂x ∂y H ∂x ∂x ∂t (13) w w Trong D hệ số phân tán, U, V thành phần vận tốc, Cq độ mặn nguồn gia nhập q đơn vị diện tích mặt; H chiều sâu Phương pháp phần tử hữu hạn lưới tam giác áp dụng cho (13) Xem chi tiết [2,3] Mơ hình nối ghép 1-2 chiều cho ĐBSCL: Dựa thuật tóan nêu tóm tắt chương trình máy tính mang tên 1-2D Coupling xây dụng tính thử cho ĐBSCL Một sơ đồ nối ghép 1-2 chiều cho ĐBSCL gồm hệ Sài gòn-Đồng Nai xây dựng gồm 508 nhánh sơng với 1699 mặt cắt Biên thượng lưu gồm Kratie, Dầu tiếng, Tri an, Gò Dầu, nhập lưu biển Hồ.Các cống kiểm sóat mặn Bán đảo Cà Mâu vùng Tứ giác Long Xun 271-285 điểm lấy nước (tùy thuộc tháng) Phần chiều gồm 353 phần tử tam giác, 224 điểm nút, 33 nút biên biển, 19 www.vncold.vn Hội Đập lớn Phát triển nguồn nước Việt Nam điểm cửa sơng nối biển Sơ đồ tính hình Q trình tính tóan thực cho tháng 2,3, năm 2004 Lượng nước lấy tưới tháng 1084m3/s Gió ngòai biển dựa số liệu trạm Bạch Hổ sử dụng hệ số gió cho điểm trình bầy mơ hình phân tích điều hòa [2] Tài liệu kiểm chứng gồm trạm lưu lượng Tân châu, Châu đốc, Cần thơ, Mỹ thuận, trạm mực nước Tân châu, Mỹ thuận, Cần thơ, Vàm kênh, Bến trại, Mỹ thanh, Gành Hào, Rạch giá; có trạm mặn Vàm kênh nc ol d Hình 5: Sơ đồ mạng sơng điểm ngòai biển sơ đồ ghép nối 1-2 chiều cho ĐBSCL w v Một số kết tính tóan ban đầu mực nước độ mặn nêu LƯU LƯỢNG TÂN CHÂU 500 w -1500 1200 800 Q (m /s) 2500 Q (m /s) 4500 LƯU LƯỢNG CHÂU ĐỐC 60 120 -1200 180 240 Thời gian (giờ) w Kết đo đạc 300 360 Kết tính tốn 120 180 240 Thời gian (giờ) 300 360 Kết tính tốn H×nh 6: Q tÝnh to¸n vμ thùc ®o tr¹m T©n Ch©u vμ Ch©u §èc LƯU LƯỢNG MỸ THUẬN LƯU LƯỢNG CẦN THƠ 10000 5000 Q (m /s) 5000 3 60 Kết đo đạc 10000 Q (m /s) -400 -800 -3500 400 -5000 -5000 -10000 -10000 -15000 60 Kết đo đạc 120 180 240 Thời gian (giờ) 300 Kết tính tốn 360 60 Kết đo đạc 120 180 240 Thời gian (giờ) 300 Kết tính tốn H×nh 7: Q tÝnh to¸n vμ thùc ®o tr¹m CÇn Th¬ vμ Mü Thn 360 www.vncold.vn Hội Đập lớn Phát triển nguồn nước Việt Nam MỰC NƯỚC TẠI MỸ THANH 150 100 100 50 50 H (cm) H (cm) MỰC NƯỚC TẠI BẾN TRẠI 150 -50 -100 -50 -100 -150 -150 -200 -200 60 120 180 240 Thời gian (giờ) Kết đo đạc 300 360 60 Kết tính tốn 120 180 240 Thời gian (giờ) Kết đo đạc 300 360 Kết tính tốn H×nh 8: H tÝnh to¸n vμ thùc ®o tr¹m BÕn Tr¹i, Mü Thanh ĐỘ MẶN TẠI VÀM KÊNH 20 16 12 60 120 180 Thời gian (giờ) 240 300 360 Kết tính tốn ol d Kết thực đo Độmặn(g/l) 24 H×nh 9: §é mỈn S tÝnh to¸n vμ thùc ®o tr¹m Vμm Kªnh MỰC NƯỚC MAX, MIN, TRUNG BÌNH Cửa Giang Thành 100 -50 Cửa Đại 43 52 84 92 10 11 12 14 15 18 19 21 21 -200 20 Cửa Ơng Đốc 65 Cửa Cổ Chiên nc -150 22 Cửa Hàm L ng Cửa Tranh Đề -100 15 H(cm) Cửa Định A n Cửa Gành Hào 50 39 150 Vị trí mặt cắt Max Min Trung bình w v H×nh 10: BiÕn ®ỉi mùc n−íc Max, Min, TB ven biĨn §BSCL ĐỘ MẶN MAX, MIN, TRUNG BÌNH Cửa Giang Thành Cửa Ơng Đốc Cửa Gành Hào Cửa H àm Lng 40 Cửa Định An 30 20 10 w Độmặn(g/l) 50 Cửa Tranh Đề Cửa Cổ Chiên C ửa Đại w 39 43 52 84 65 92 10 11 12 14 15 15 18 19 20 21 21 22 Vị trí mặt cắt Max Min Trung bình H×nh 11: BiÕn ®ỉi SMax, SMin, STB ven biĨn §BSCL Nhận xét kết luận: So sánh kết tính tóan thực đo cho thấy chương trình 1-2D Coupling chạy ổn định, nhanh (1 phút /1tháng cho sơ đồ trên) phản ánh tượng vật lý xẩy thực tế Kết mực nước tính tóan thực đo trạm Tân châu, Mỹ thuận, Cần thơ hòan tòan phù hợp pha, giá trị trung bìng sai khác từ 10-12cm www.vncold.vn Hội Đập lớn Phát triển nguồn nước Việt Nam Tạicác trạm ven biển Vàm kênh, Bến trại, Mỹ thanh, Gành Hào, Rạch giá kết tính tóan thực đo gần phù hợpcả pha vàbiên độ Giá trị Hmax, Hmin sai khác từ 8-10cm Độ mặn tính tóan thực đo (hình 9) tương đối phù hợp pha biên độ Độ mặn max sai khác từ 0.7 đến 1.3g/L Các hệ số ξ, N cơng thức (8) đến (10) có ảnh hưởng tới kết tính tóan Kết tính tóan cho Hmax, Hmin, Hbq, Smax, Sbq, Smin hình 10, 11 cho vùng ven biển ĐBSCL từ Sòai rạp đến Hà tiên cho thấy việc lấy trạm biên cho vùng lớn mơ hình chiều khơng phù hợp, đặc biệt vùng biển Tây từ Ơng Đốc-Rạch giá-Hà tiên ol d Triết giảm độ mặn cửa sơng lớn mực nước khơng đáng kể Khi lưu lượng Kratie tăng lên cỡ 600m3/s độ mặn giảm từ 0.8 đến 4g/L tùy vị trí cách cửa biển mực nước hầunhư khơng thay đổi Một số khảo sát định tính cho thấy độ mặn hai bờ cửa sơng có khác nhau, độ mặn nhậy với gió chướng ngòai biển, w v nc Tóm lại: Kết việc thử nghiệm cho ĐBSCL cho thấy mơ hình ghép nối 1-2 chiều cho nhiều kết thú vị bổ xung điểm yếu mơ hình chiều, giá trị biên cửa sơng giải tóan quy họach Để thay mơ hình chiều tính tóan quy họach cần có thử nghiệm thêm đặc biệt cho mùa lũ Tài liệu tham khảo w w 1- Nguyễn Tất Đắc, Mơ hình tóan cho dòng chảy chất lượng nước hệ thống kênh sơng NXB Nơng nghiệp 2005 2- Nguyễn Tất Đắc, Báo cáo tổng kết đề tài NCKH cấp Bộ “ Nghiên cứu xác định biên tính tóan thủy lực mặn cho ĐBSCL”, tháng 4-2007 3- Lương Quang Xơ (2007), Nghiên cứu tính tóan triều mặn vùng cửa sơng Cửu Long có tính đến tương tác sơng biển, Luận án Tiến sỹ Kỹ thuật  ... triều vào), đồng thời tính ảnh hưởng lưu lượng sơng đến thay đổi độ mặn mực nước cửa sơng triều rút Mơ hình chiều sơng tốt quen thuộc với kỹ sư, vấn đề lại làm nối kết mơ hình chiều biển với mơ hình. .. thử nghiệm cho ĐBSCL cho thấy mơ hình ghép nối 1-2 chiều cho nhiều kết thú vị bổ xung điểm yếu mơ hình chiều, giá trị biên cửa sơng giải tóan quy họach Để thay mơ hình chiều tính tóan quy họach... dụng mơ hình tóan chiều ngang với vùng biển cửa sơng ta tính ảnh hưởng gió chướng thổi trực tiếp vào cửa sơng, lực quay trái đất (Coriolis), nước biển dâng đến thay đổi độ mặn mực cửa sơng (khi triều