Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số trong mô hình thủy lực một chiều đến tỷ lệ phân lưu nhánh sông - áp dụng xây dựng mô hình mạng sông trong thực tế

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ







TRẦN THỊ HƢƠNG






NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ
TRONG MÔ HÌNH THỦY LỰC MỘT CHIỀU ĐẾN
TỶ LỆ PHÂN LƢU NHÁNH SÔNG – ÁP DỤNG
XÂY DỰNG MÔ HÌNH MẠNG SÔNG TRONG THỰC TẾ







LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ HỌC KỸ THUẬT

HÀ NỘI 2012
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ





TRẦN THỊ HƢƠNG





NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ
TRONG MÔ HÌNH THỦY LỰC MỘT CHIỀU ĐẾN
TỶ LỆ PHÂN LƢU NHÁNH SÔNG – ÁP DỤNG
XÂY DỰNG MÔ HÌNH MẠNG SÔNG TRONG THỰC TẾ


Ngành: Cơ học kỹ thuật

Chuyên ngành: Cơ học kỹ thuật
Mã số: 60 52 02


LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠ HỌC KỸ THUẬT



NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. HÀ NGỌC HIẾN








HÀ NỘI 2012

MỤC LỤC
 1
 2
 4
 5

RUNGE  KUTTE 7
 7
 7
 Kutta 11
 13

 13
 14
 21

HÌNH HEC   22
2.1. Mô hình HEC  RAS 22
 22
 23
 25
-
-Kutta 26
 26
2.2. 29
 42

VU GIA  HÀN 43
 Hàn 43
 Hàn 43
 44
 RAS 46
 46
 50
 52
 53
 64
 69
 71
 72
 73
2

DANH MỤC HÌNH VẼ
 7
 8
 13
 15

3
/s 15

3
/s 16
 17
  19
 20
Hình 2-RAS 22
 27
  28
 29
00m
3
/s 31

3
/s 32
 
3
/s 32
 33

3

/s 34

3
/s 35

3
/s 35
 36

3
/s 37

3
/s 38
 38
vào 2500m
3
/s 40

3
/s 40

3
/s 41
 41
Hình 3.1 Hàn 44
  48
 Hàn trong HEC  RAS 48
  49
 50

3
 52
  55
 56
 56
 57
Hìn 57
 58
 58
 59

 60

 60
 62
Hình 3.18: M 62
 63
  64
  65
 65
 66
4
DANH MỤC BẢNG
 
 33
 
 36
  tích
 39
 

 42
-2001) 45
 46
 46
 53
 61
 63
-
 63
-ra mô hình 68
5
MỞ ĐẦU
gây ra  
 - 
x


 


    



 

 


khá chính xác 

 Tuy nhiên, 
khá 

g khá lâu.


            



 


 


 


6
ng



các thôn 


 có tên: “Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số trong mô hình thủy lực 1 chiều
đến tỷ lệ phân lưu nhánh sông – Áp dụng để xây dựng mô hình mạng sông trong thực
tế” 

 Kutta 


sông Vu Gia  
Yên.
L3 

 1             
Kutta
2  RAS

3 Hàn

. h

.
 
 
 
 

7
CHƯƠNG 1: LỜI GIẢI BÀI TOÁN PHÂN LƯU BẰNG PHƯƠNG PHÁP
RUNGE – KUTTE
trung 
 Kutta. 
 

.
1.1. Bài toán phân lưu và các giả thiết của bài toán

1.1.1. Mô tả bài toán
 
sang hai nhánh sông khác. Trong bài toán 

a. Về hình học:
Hình 1.1 và hình 1.2 c nhánh sông trong bài
toán.
  hình    dài L, 
I.
Phía hhai nhánh sông L
1
và L
2
, là hai nhánh sông
  
B
1
và B
2
sông  các sông là I
1
, I
2
.
b. Về điều kiện biên:
 vào Q.  hai H
b1
,
H
b2

.

B
H

Hình 1.1: Mặt cắt sông hình chữ nhật
8

Hình 1.2: Sơ đồ hình học nhánh sông phân lưu
  
Q
2
/Q
1

du. Trên     .
 ta xét Saint  
[7]:

2
0
f
Q Q Z
gA S
t x A x


  

   



  


(1.1)

Q= Q(x,t)  
Z= Z(x,t)  
x
t
A
g
β
S
f

2
2 4/3
f
n Q Q
S
AR


R
n
Gdòng c
B,  à H.
9

 [2]:
2
BH
R
BH


(1.2)
H= Z-Z
b

Z
b
: 
 H 
B 1.2) thành R= H [2].
 
0
Q
t





1



A= B*H

Gq =Q/B 
 (1.
2 2 2 2
2 4/3
0
d q B dH n q
gBH I
dx BH dx H H
   
    
   
   

2 2 2
2 2 4/3
0
q B dH dH n q
gBH I
H dx dx H H

     



2 2 2
3 10/3
0
q dH dH n q
I
gH dx dx H


     





22
10/3
2
3
1
nq
I
dH
H
q
dx
gH



(1.3)

b
I dZ dx

 (1.3)    
 
 1.

 
xHf
dx
dH
,
(1.4)
H(L
b
)=H
b
. L
b
và H
b
là

              
Runge  Kutta là .
10
Runge  1.

 
tyf
dt
dy
,
(1.5)
 y
0

.
P Kutta 4  [1]. 1.5)


1 1 2 3 4
( 2 2 ), 0,1,2,
6
nn
h
y y k k k k n

     
(1.6)

1
1
2
2
3
43
( , );
( , );
22
( , );
22
( , ).
nn
nn
nn
nn

k f y t
hk
h
k f y t
hk
h
k f y t
k f y hk t

  
  

(1.7)

y
n+1

y
n
 k
i
, i= 1, 2, 3, 4 f 

  
 
1. Chn h = dx= L/n (Ln
chia sông, x= ).
n= 0, H
1
= H

b

3 k
1
, k
2
, k
3
, k
4
1.7).
4  H
n+1
  Kut     
(1.6):
 
1 1 2 3 4
1
22
6
nn
H H k k k k

    

 nên 
nhánh chính  

Q
1

là Q
2
l
Q= Q
1
+ Q
2
.
 Q
1
và Q
2

nhánh sông phía  (1.3) cho hai nhánh sông này ta có:
11
22
11
1
10/3
11
2
1
3
1
1
nq
I
dH H
q
dx

gH



và
22
22
2
10/3
22
2
2
3
2
1
nq
I
dH H
q
dx
gH





I
1
, I
2


q
1
, q
2

n
1
, n
2
Manning 
g
có 
H
1
(0)= H
b1
; H
2
(0)= H
b2
.
          
g du:
Q= Q
1
+Q
2
(1.8)
hay

Bq= B
1
q
1
+ B
2
q
2

 
hai  H
p1l
= H
pl2
= H
pl
.  
(1.4) tính ra Q
1
và Q
2
.
1.1.2. Thuật toán giải bài toán phân lưu bằng Runge – Kutta




q
1


pháp Runge  (1.3). Ta
 H
pl1
.
(1.8) có:
12
Q Q Q

1 1 2 2
Bq B q B q


11
2
2
Bq B q
q
B


(1.9)
12
Do 
q
2
theo (1.9).
 
H
pl2
.


H
pl1
= H
pl2
q
1
và q
2
n
q
1

             
12pl pl
HH


.
 H
pl1
H
pl2

 và
. q
1

11
qq




0


 



>0 
 1.3 .
(1.3) theo Runge  
sông In I
n    
Q
1
, Q
2
 
I và n 
.
L B 
H
b

Fortran
(xin 
xem 
xác  Kudx. 




13

CTC
H
pl1,
H
pl2



q
2


q
1

12pl pl
HH




q
1,
q
2

sai
11
qq

  




KT

Hình 1.3: Lưu đồ thuật toán giải bài toán phân lưu
1.2. Kết quả của bài toán
1.2.1. Số liệu áp dụng

, 

 
 
 
 
 
 

sau:
14
1. 0.00002 
2. 5000m m

3.  n= 0.01 n= 0.08
4. m m

t. Ldòng
    sông chính        2500m
3
/s 
10500m
3
/s.
1.2.2. Ảnh hưởng của các thông số
a. Ảnh hưởng của độ dốc

Nhánh 1: Cchính 
- 
- Cdài là: 15000m
-  500m
- H
- Mm

- 
- C L= 15000m
-  500m
- Hn= 0.025
- M) H= 5m
 2500m
3
/s m
3
/s.

15
Tỷ lưu phụ thuộc độ dốc
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0.00E+00 5.00E-05 1.00E-04 1.50E-04 2.00E-04 2.50E-04 3.00E-04 3.50E-04
I
Q2/Q1
Q= 2500m3/s
Q= 4500m3/s
Q= 6500m3/s
Q=8500m3/s
Q= 10500m3/s

Hình 1.4: Biến thiên tỷ lệ phân lưu phụ thuộc vào độ dốc và lưu lượng vào
Mực nước dọc theo hai nhánh hạ du ứng với lưu lượng 2500m3/s
0
1
2
3
4
5
6
7
0 5 10 15
L(km)

H(m )
nhánh 1 (Q=2500m3/s,I=0.004%)
nhánh 2 (Q=2500m3/s,I=0.004%)
nhánh 1 (Q=2500m3/s,I=0.01%)
nhánh 2 (Q=2500m3/s,I=0.01%)

Hình 1.5: Mực nước dọc theo hai nhánh hạ du ứng với lưu lượng 2500m
3
/s
16
Mực nước dọc theo hai nhánh hạ du ứng với lưu lượng 8500m3/s
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 5 10 15
L(km)
H(m )
nhánh 1(Q=8500m3/s,I=0.004%)
nhánh 2(Q=8500m3/s,I=0.004%)
nhánh 1(Q=8500m3/s,I=0.01%)
nhánh 2(Q=8500m3/s,I=0.01%)

Hình 1.6: Mực nước dọc theo hai nhánh hạ du ứng với lưu lượng 8500m
3

/s

1.4 
Q
2
/Q
1
49 2.82 I
2

0.000    I
1
 0      
Q=10500 m
3
/s thì  
54Q= 2500 m
3
/s thì  
0.49 2.82I
1
=I
2
=0.0001) t
 

b. Ảnh hưởng của độ dài nhánh phân lưu

Nhánh 1: Cchính  
- 

- Cdài là: 15000m
-  500m
- H
- m

17
- 
- Cm
-  500m
- Hn= 0.025
- M) H= 5m
2500m
3
/s m
3
/s.
Tỷ lưu phụ thuộc độ dài
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
2.2
5 10 15 20 25 30 35
L(km)

Q2/Q1
Q= 2500m3/s
Q= 4500m3/s
Q= 6500m3/s
Q=8500m3/s
Q= 10500m3/s

Hình 1.7: Biến thiên tỷ lệ phân lưu phụ thuộc chiều dài và lưu lượng vào
1.7 nh ông .
m
3
/s, 6km 
 km này iên 
  
là 1.81.         L
1
=L
2
=15000m     
         
nhánh trên mà    
2 
1. 6000m
3
/s (Q> 6000m
3
/s)
Trong vùng   
 này
  1.24 8 


18
6500m
3
/s .
Trong   6.
  
 

 
2. m
3
/s (Q< 6000m
3
/s)
Trong vùng   
   
 0.22 lên 2.03   
2500m
3
/s 
               
nhánh sông  
c. Ảnh hưởng của hệ số nhám


- : 0.0001
- C là: 15000m
-  500m
- H

- M 5m

- 
- Csông là 15000m
-  500m
- H1 08
- MH= 5m
ng 2500m
3
/s m
3
/s.
19
Tỷ lưu phụ thuộc hệ số nhám
0.2
0.5
0.8
1.1
1.4
1.7
2
0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09
n
Q2/Q1
Q= 2500m3/s
Q= 4500m3/s
Q= 6500m3/s
Q=8500m3/s
Q= 10500m3/s

Hình 1.8: Biến thiên tỷ lệ phân lưu phụ thuộc hệ số nhám và lưu lượng vào

1.8 
 


(Q= 2500m
3
/s), 
 9 500m
3
/s)  
3 
d. Ảnh hưởng của biên mực nước:

Nhánh 1: C
- : 0.0001
- C là: 15000m
-  500m
- H
- M H= 5m

- 
- Csông là: 15000m
20
-  500m
- Hlà: 0.025
- Mm m
2500m
3

/s m
3
/s.
Tỷ lưu phụ thuộc mực nước cửa ra
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5
H(m )
Q2/Q1
Q= 2500m3/s
Q= 4500m3/s
Q= 6500m3/s
Q=8500m3/s
Q= 10500m3/s

Hình 1.9: Biến thiên tỷ lệ phân lưu phụ thuộc biên mực nước và lưu lượng vào
Hình 1.9   

.
Bhai hai 
Nhánh nào có nh 
  âm. Q
2
/Q
1

= -0.37 
Q= 2500m
3
/s m
  y    khi   H
b2

 H
b1

nhánh hai vào
nhánh .
e. Ảnh hưởng của bề rộng các nhánh sông:



Q
1
/Q
2
=B
1
/B
2

21
1.3. Kết luận


các nhánh sông. t


* T l  ph thuc mnh vào s khác bit v  dc ca 2 nhánh sông
i vng vào ln, ng c dc nh  c li
ng vào nh dc ng càng l.
* T l  ph thu  dài t 
n biên h du) không ln bin phc tp. Có mt kho
ng 6500m
3
/si vt l phân
 h thu dài ca 2 nhánh. T l  gim dn
 ng vào lc ln
ng nh 
* T l   ph thuc khá ln vào s khác bit v  nhám ca 2 nhánh
sông. Tuy nhiên, t l   h       ln c 
i.
* T l  ph thuc khá ln vào mc biên ca ra ca nhánh sông và
biu vào l
  khi áp
 
22
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ
TRONG MÔ HÌNH HEC – RAS ĐẾN TỶ LỆ PHÂN LƯU
i dung ch yu tp chung vào vic gii thiu mô hình HEC 
RAS và thit lp mô hình s mô ph1. Kt
qu tính toán trong mô hình s  so sánh vi li gii c
c gi Kutta. T  t
vic áp dng hiu chnh mô hình tính toán thc t.
2.1. Mô hình HEC – RAS
2.1.1. Giới thiệu mô hình
Mô hình HEC  RAS (Hydrologic Engineering Centers River Analysis System) là


 [8]
m
       RAS, HEC  HMS, HEC  ResSIM, HEC 
GeoRAS, HEC  EFM, HEC   
Hình 2. 
 RAS.

Hình 2.1: Các chức năng chính trong giao diện của HEC-RAS
file, edit, run, view, option, help 
[7   
RAS.
23
HEC - 
g
 
ác nhau:
  

L 
.
HEC RAS có ba mô un 





.
, 


2.1.2. Phương trình cơ bản
- 

“tính toán dòng chảy ổn định” 
    “tính toán dòng chảy không ổn định”. Trong

  toán dòng
- - 


só 


 
0





q
t
SA
x
Q
(2.1)


 
0
















hf
SS
x
z
gA
x
VQ
t
Q
(2.2)

Q= Q(x,t)  