Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán số 2dh vào tính toán dòng chảy trong sông sài gòn (đoạn quanh bán đảo thanh đa)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

VÕ QUANG TƯỜNG

Nghiên cứu ứng dụng mơ hình tốn số TELEMAC 2D
vào tính tốn dịng chảy trong sơng Sài Gịn
(đoạn quanh bán đảo Thanh Đa)
Chun ngành : Xây dựng cơng trình thủy
Mã số: 605840

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2013


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học :.....................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 :...........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 :...........................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG
Tp. HCM ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn
thạc sĩ)
1. ..............................................................

2. ..............................................................
3. ..............................................................
4. ..............................................................
5. ..............................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


LỜI CẢM ƠN
]^

Để hồn thành luận văn này, tơi đã nhận được sự giúp đỡ rất nhiều từ bạn bè,
đồng nghiệp và q thầy cơ.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Huỳnh Thanh Sơn đã tận tình
chỉ bảo và hướng dẫn trong suốt quá trình làm luận văn.
Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp đã cho tơi những
ý kiến đóng góp q báu để luận văn hồn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn Trung tâm điều hành chương trình chống ngập nước
TP HCM đã tạo mọi điều kiện tốt nhất giúp đỡ tơi trong q trình học tập và hồn thành
luận văn này.
Đồng thời xin cảm ơn Phòng đào tạo Sau đại học trường Đại học Bách Khoa
TPHCM, quí thầy cô trong bộ môn Tài nguyên nước đã tạo điều kiện để tơi học tập
và hồn thành tốt khóa học.
Trong q trình làm luận văn khơng thể tránh khỏi những thiếu sót, sai lầm
rất mong nhận được các ý kiến đóng góp q báu của q thầy cơ và các bạn để luận
văn hoàn thiên hơn.
TPHCM, ngày 14 tháng 06 năm 2013

Học viên
Võ Quang Tường


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Võ Quang Tường ............................................MSHV: 10201112...........
Ngày, tháng, năm sinh: 02/11/1981 ...........................................Nơi sinh: Bình Phước .....
Chun ngành: Xây dựng cơng trình thủy ................................. Mã số: 605840 .............
I. TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU BƯỚC ĐẦU DÒNG THẤM VÀ SỰ ỔN ĐỊNH CỦA
BỜ SÔNG TRONG VÙNG CHỊU ẢNH HƯỞNG TRIỀU............................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu ứng dụng mơ hình tốn số 2DH vào
tính tốn dịng chảy trong sơng Sài Gịn (đoạn quanh bán đảo Thanh Đa)...................
........................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: ......................................................................................
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: .....................................................................
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS. HUỲNH THANH SƠN ....................................

.............................................................................................................................................

Tp. HCM, ngày 14 tháng 06 năm 2013
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA
(Họ tên và chữ ký)


TĨM TẮT

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƠ HÌNH TỐN SỐ TELEMAC 2D
VÀO TÍNH TỐN DỊNG CHẢY TRONG SƠNG SÀI GỊN
(ĐOẠN QUANH BÁN ĐẢO THANH ĐA)
Mục đích của luận văn là nghiên cứu ứng dụng mơ hình tốn số TELEMAC 2D
vào mơ phỏng dịng chảy trên sơng Sài Gịn (đoạn quanh bán đảo Thanh Đa).
Luận văn gồm 4 chương:
− Chương 1 trình bày tổng quan về luận văn, bao gồm đặt vấn đề, mục tiêu,
nội dung, phương pháp và phạm vi nghiên cứu của luận văn.
− Chương 2 trình bày phần cơ sở lý thuyết của mơ hình TELEMAC 2D, bao
gồm các phương trình tính tốn dịng khơng ổn định 2DH cùng với phương pháp
giải.
− Chương 3 trình bày vùng nghiên cứu, các số liệu tính tốn và kết quả tính
tốn ứng với nhiều thông số và điều kiện khác nhau, cũng như so sánh và nhận xét các
kết quả thu được từ mơ hình.
− Chương 4 trình bày việc phát triển mơ hình tính vận tốc theo phương thẳng

đứng từ vận tốc trung bình theo phương ngang nhận được từ TELEMAC 2D và so
sánh kết quả với số liệu thực đo.
Một số kết luận và kiến nghị được trình bày ở cuối luận văn.

 


ABSTRACT 
STUDY AND APPLICATION OF THE TELEMAC 2D NUMERICAL MODEL
FOR FLOW IN THE SAIGON RIVER
(SEGMENT SURROUNDING THE THANH DA PENINSULA)

The purpose of this thesis is to study and apply the TELEMAC 2D numerical model
to calculate the flow in the Sai Gon river (segment surrounding the Thanh Đa
peninsula).
The thesis includes 4 chapters:
- Chapter 1: General introduction of the thesis, including problem position, objectives,
main contents, methods and scope of study.
- Chaper 2: Brief presentation of the basic theory of the TELEMAC 2D model
including the system of equations for unsteady flow and numerical method of
resolution.
- Chapter 3: Presentation of the study area, input data and results for different
parameters and modelling cases with comparisons and comments.
- Chapter 4: Development of a simple model for calculating the vertical velocity from
horizontal averaged velocities obtained with TELEMAC 2D and comparison with data
from ADCP measurement.
Some conclusions and recommendations are presented at the end of thesis.


LỜI CAM ĐOAN

]^

Tôi xin cam đoan các số liệu, thông tin được sử dụng trong luận văn là trung
thực. Các kết quả trình bày chưa từng được cơng bố trong các cơng trình nghiên cứu
khác.
TPHCM, ngày 14 tháng 06 năm 2013
Học viên
Võ Quang Tường


i

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1 ........................................................................................................... - 1 1.1 Đặt vấn đề....................................................................................................... - 1 1.2

Các nghiên cứu trong và ngoài nước........................................................... - 2 -

1.2.1 Nghiên cứu trong nước ............................................................................ - 2 1.2.2 Nghiên cứu ngồi nước............................................................................ - 4 1.3

Mục đích, nội dung, phương pháp và phạm vi nghiên cứu của luận văn ... - 8 -

1.3.1 Mục đích nghiên cứu ............................................................................... - 8 1.3.2 Nội dung và phương pháp nghiên cứu..................................................... - 8 1.3.3

Phạm vi nghiên cứu ................................................................................ - 9 -

CHƯƠNG 2 ......................................................................................................... - 11 2.1

Tổng quan về các mơ hình tốn số tính dịng chảy................................... - 11 -

2.1.1

Hệ phương trình Reynolds [8] .............................................................. - 11 -

2.1.2

Hệ PT nước nông [8] ........................................................................... - 15 -

2.2

Mơ hình Telemac....................................................................................... - 18 -

2.2.1 Giới thiệu sơ lược mơ hình Telemac ..................................................... - 18 2.2.2

Cấu trúc của Telemac ........................................................................... - 19 -

2.2.3

Cơ sở lý thuyết của Telemac 2D [10]................................................... - 20 -

2.2.4

Thuật toán của phần mềm Telemac 2D ............................................... - 22 -

CHƯƠNG 3 ......................................................................................................... - 23 3.1 Giới thiệu đoạn sông nghiên cứu................................................................... - 23 3.1.1 Địa hình khu vực nghiên cứu [11]........................................................ - 23 3.1.2 Địa chất khu vực nghiên cứu................................................................. - 23 3.1.3 Thủy văn khu vực nghiên cứu [11] .............................................................. - 27 3.2 Thiết lập mơ hình tính tốn cho đoạn sơng nghiên cứu ................................ - 31 3.2.1 Thiết lập địa hình đáy sơng...................................................................... - 31 3.2.2 Thiết lập lưới tính tốn .......................................................................... - 33 3.2.3 Thiết lập điều kiện biên ......................................................................... - 33 3.2.4 Thiết lập thời gian tính và bước thời gian tính ...................................... - 34 Mục lục


ii

3.2.5 Lựa chọn mơ hình rối và hệ số nhám .................................................... - 34 3.3

Kết quả tính tốn và phân tích cho trường hợp cùng hệ số nhám (n =

0,025) ứng với các mơ hình rối khác nhau........................................................... - 36 3.4 Kết quả tính tốn và phân tích cho trường hợp cùng mơ hình rối M3 (K-ε) - 43 3.5

Phân tích kết quả mơ hình với các thơng số đã chọn ................................ - 44 -

3.5.1 Phân tích sự phân bố lưu lượng trên sơng Sài Gịn và trên kênh Thanh Đa- 44 3.5.2 Phân tích sự phân bố vận tốc trên sơng Sài Gịn và trên kênh Thanh Đa- 48 3.5.3 Phân tích sự phân bố trạng thái chảy trên Sơng Sài Gòn và trên Kênh
Thanh Đa theo số Froude.................................................................................. - 52 3.5.4 Phân tích sự phân bố vận tốc ma sát trên Sơng Sài Gịn và trên Kênh
Thanh Đa........................................................................................................... - 54 CHƯƠNG 4 ......................................................................................................... - 57 4.1 Lý thuyết...................................................................................................... - 57 4.2

Áp dụng vào đoạn sơng Sài Gịn............................................................... - 59 -

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. - 69 Kết luận ................................................................................................................ - 69 Kiến nghị .............................................................................................................. - 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... - 71 PHỤ LỤC ............................................................................................................ - 73 -

Mục lục


iii

DANH SÁCH HÌNH
Hình 3.1 Mặt bằng thể hiện vị trí các hố khoan khu vực bán đảo Thanh Đa .....- 25 - 
Hình 3.2 Mặt cắt địa chất .....................................................................................- 26 - 
Hình 3.3 Biểu đồ mực nước và lưu lượng theo thời gian ...................................- 29 - 
Hình 3.4 Vị trí khu vực nghiên cứu ....................................................................- 30 - 
Hình 3.5 Vị trí các điểm đo trắc ngang địa hình .................................................- 31 - 
Hình 3.6 Địa hình sau khi nội suy cao độ số.......................................................- 32 - 
Hình 3.7 Địa hình đáy sơng mơ phỏng ...............................................................- 32 - 
Hình 3.8 Lưới tính tốn......................................................................................- 33 - 
Hình 3.9 Điều kiện biên tính tốn ......................................................................- 34 - 
Hình 3.10 Vị trí các điểm phân tích .....................................................................- 36 - 

Hình 3.11 Đường q trình mực nước theo thời gian ứng với các mơ hình rối khác
nhau tại điểm thượng lưu TL701. ........................................................................- 37 - 
Hình 3.12 Đường q trình mực nước theo thời gian ứng với mơ hình rối khác nhau
..............................................................................................................................- 38 - 
Hình 3.13 Đường quá trình mực nước theo thời gián ứng với các mơ hình rối khác
nhau tại điểm HL869............................................................................................- 38 - 
Hình 3.14 Đường quá trình mực nước theo thời gián ứng với các mơ hình rối khác
nhau tại điểm TD1500..........................................................................................- 38 - 
Hình 3.15 Đường quá trình vận tốc theo thời gian ứng với các mơ hình rối khác
nhau tại điểm TL701 ............................................................................................- 39 - 
Hình 3.16 Đường quá trình vận tốc theo thời gian ứng với các mơ hình rối khác
nhau tại điểm SC579 ............................................................................................- 39 - 
Hình 3.17 Đường quá trình vận tốc theo thời gián ứng với các mơ hình rối khác
nhau tại điểm HL869............................................................................................- 40 - 
Hình 3.18 Đường quá trình vận tốc theo thời gián ứng với các mơ hình rối khác
nhau ......................................................................................................................- 40 - 
Hình 3.19 Biểu đồ hệ số nhớt rối của các mơ hình rối tại điểm TL701 theo thời gian.
..............................................................................................................................- 41 - 
Danh sách hình


iv

Hình 3.20 Biểu đồ hệ số nhớt rối của các mơ hình rối tại điểm HL579 theo thời
gian. ......................................................................................................................- 41 - 
Hình 3.21 Biểu đồ hệ số nhớt rối của các mơ hình rối tại điểm TD1500 theo thời
gian. ......................................................................................................................- 42 - 
Hình 3.22 Đường quá trình mực nước theo thời gian ứng với các hệ số nhám khác
nhau và kết quả thực đo tại điểm TL701..............................................................- 43 - 
Hình 3.23 Vị trí các mặt cắt phân tích lưu lượng................................................- 45 - 

Hình 3.24 Phân tích lưu lượng với phần mềm Fudaa-Prepro ............................- 46 - 
Hình 3.25 Phân bố lưu lượng tại các mặt cắt theo thời gian..............................- 47 - 
Hình 3.26 Phân bố vận tốc trung bình UV lúc 13 giờ........................................- 48 - 
Hình 3.27 Chi tiết phân bố vận tốc trung bình UV lúc 13 giờ...........................- 49 - 
Hình 3.28 Phân bố vận tốc trung bình UV lúc 9 giờ..........................................- 50 - 
Hình 3.29 Phân bố vận tốc trung bình UV lúc 19 giờ........................................- 51 - 
Hình 3.30 Phân bố số Froude lúc 13 giờ............................................................- 52 - 
Hình 3.31 Phân bố số Froude lúc 19 giờ............................................................- 53 - 
Hình 3.32 Phân bố vận tốc U* lúc 13 giờ...........................................................- 54 - 
Hình 3.33 Phân bố vận tốc U* lúc 19 giờ...........................................................- 55 - 
Hình 4.1 Đường quan hệ X(ks/δ) theo Einstein [9]...........................................- 58 - 
Hình 4.2 So sánh giữa profile vận tốc tính theo qui luật logarith và đo đạc.....- 68 - 

Danh sách hình


v

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 3.1: Bảng kết quả chỉ tiêu cơ lý đất nguyên dạng......................................- 24 Bảng 3.2: Tổng hợp mực nước, lưu lượng, lưu tốc dòng chảy, trạm đo..............- 28 -

Danh sách bảng


-1-

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1 Đặt vấn đề
Sơng ngịi đóng vai trị rất quan trọng trong cuộc sống và sự phát triển của xã

hội. Việc nghiên cứu về sơng ngịi đã được tiến hành từ rất lâu với sự đóng góp
cơng sức của nhiều thế hệ các nhà khoa học. Có nhiều phương pháp để nghiên cứu
sơng ngịi như đo đạc thực tế, phân tích ảnh viễn thám, mơ hình vật lý (lịng cứng,
lịng mềm), mơ hình tốn (tốn giải tích, tốn số).
Ngày nay cùng với với sự ra đời và phát triển vượt bậc của máy tính điện tử,
phương pháp mơ hình tốn số đã có những bước tiến nhanh chóng và được sử dụng
ngày càng phổ biến. Các chế độ thuỷ lực, chuyển tải bùn cát và biến hình lịng sơng
được mơ phỏng trên máy tính thơng qua các mơ hình tốn số từ đơn giản đến phức
tạp: từ mơ hình một thứ nguyên (1D), hai thứ nguyên nằm ngang (2DH), hai thứ
nguyên thẳng đứng (2DV) đến ba thứ nguyên (3D).
So với các mơ hình tốn số 1D thường được sử dụng khi phải tính tốn cho
một con sơng dài hay một mạng lưới sông phức tạp với yêu cầu không cao về thơng
tin cấu trúc dịng chảy, cịn các mơ hình tốn số 3D địi hỏi phải có nhiều dữ liệu
đầu vào phức tạp thì các mơ hình tốn số 2DH tỏ ra có nhiều ưu điểm đủ đáp ứng
những u cầu thực tế về tính tốn trường lưu tốc, chuyển tải bùn cát và xói - bồi
lịng dẫn.
Cho đến nay, trong khi việc nghiên cứu áp dụng mơ hình dịng chảy 3D cịn bị
hạn chế thì việc nghiên cứu áp dụng mơ hình tốn số 2DH là một sự chọn lựa thích
hợp. Có khá nhiều mơ hình tốn số 2DH được phát triển và sử dụng hiện nay. Có
thể kể đến các mơ hình RMA2, CCHE 2D, MIKE 21, MIKE 21C, TELEMAC 2D,
…

Chương 1: Tổng quan


-2-

1.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước
Trong những năm gần đây, nhiều tác giả đã có các nghiên cứu ứng dụng các
mơ hình tốn số tính dịng chảy và chuyển tải bùn cát trong sơng, có thể kể ra một

số tiêu biểu như sau:
1.2.1

Nghiên cứu trong nước

a. Nghiên cứu dịng chảy trong đoạn sơng Gành Hào bằng mơ hình toán số
2DH [1]
Tác giả: Huỳnh Thanh Sơn (ĐH Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh)
Bài báo này tác giả sử dụng mơ hình tốn số là mơ hình RMA2 hai chiều
ngang (2DH) với phương trình tính tốn là phương trình Saint – Venant 2DH để
tính chiều sâu nước và trường vận tốc dịng chảy rối.
Từ kết quả tính tốn, giá trị vận tốc dịng chảy tính được nhỏ hơn giá trị đo
được khoảng 20%. Để có kết quả tốt hơn cần phải điều chỉnh thêm một số thơng số
như đường kính hạt bùn cát, hệ số nhám, …
b. Ứng dụng mô hình MIKE 21 FM nghiên cứu ảnh hưởng của sơng và dịng
chảy đến cửa sơng Đà Rằng tỉnh Phú n [2]
Tác giả: Th.S Phạm Thu Hương, PGS.TS Nguyễn Bá Quỳ, TS. Ngô Lê Long
(ĐH Thủy Lợi).
Bài báo sử dụng mô hình MIKE 21 FM để nghiên cứu chế độ thủy động lực và
vận chuyển bùn cát khu vực cửa sông Đà Rằng. Qua kết quả mơ phỏng trường sóng
cho thấy, khi triều dâng sóng có khả năng tiến sâu vào trong cửa và khi triều rút thì
song ở cách xa bờ. Đối với kết quả trường dòng chảy; vào mùa gió Đơng Bắc, dịng
chảy lũ về cộng với thủy triều lên và sóng vào sâu gây ngập lụt khu vực cửa sông
Đà Rằng và lượng bùn cát lắng đọng gây bồi phía trong cửa; vào mùa gió Tây Nam,
dịng chảy ven bờ do sóng sẽ vận chuyển bùn cát và làm bồi lấp cửa trong thời kỳ
mùa cạn khi tác dụng của dịng triều và dịng chảy từ sơng ra biển bị yếu đi.
Kết quả phân tích trường sóng và dòng chảy tại cửa Đà Rằng theo các pha
triều lên và xuống có thể sơ bộ đánh giá ảnh hưởng của chúng đến diễn biến đường

Chương 1: Tổng quan

-3-

bờ vùng nghiên cứu và từ đó đưa ra các giải pháp chỉnh trị thích hợp cho việc phát
triển giao thông, kinh tế xã hội trong khu vực.
Nghiên cứu mới chỉ dừng ở việc ứng dụng mô đun thủy động lực học và mơ
đun phổ sóng ven bờ trong phân tích tính tốn dịng chảy và sóng mà chưa sử dụng
mơ đun hình thái học tính tốn diễn biến lịng dẫn nên kết quả mới dừng ở mức
đánh giá chung mang tính định hướng và sẽ được bổ sung trong các nghiên cứu tiếp
theo.
c. Đánh giá ảnh hưởng của phương án chỉnh trị đến khả năng bồi xói của
đoạn sơng Hồng từ cầu Long Biên đến Khuyến Lương bằng mô hình mơ phỏng
biến đổi lịng dẫn hai chiều [3]
Tác giả: Nguyễn Tiền Giang (ĐH Khoa Học Tự Nhiên, ĐHQGHN), Hoàng
Văn Đại (Viện Khoa Học Khí Tượng Thủy văn và Mơi trường)
Bài báo sử dụng mơ hình TREM để đánh giá ảnh hưởng của phương án chỉnh
trị đến khả năng bồi xói của đọan sơng từ cầu Long Biên đến Khuyến Lương. Mơ
hình đã được hiệu chỉnh với số liệu thực đo tại trạm Hà Nội của trận lũ tháng
8/1996 với các yếu tố lưu lượng, mực nước, lưu tốc hướng ngang tại các thời điểm
khác nhau.
Kết quả cho thấy khá phù hợp giữa giá trị mô phỏng và thực đo. So sánh kết
quả trường vận tốc của hai phương án (hiện trạng và mô phỏng) cho thấy phương án
mô phỏng có tác dụng ổn định trục động lực dịng chảy. Kết quả mơ phỏng cho thấy
nguy cơ xói lở ở các đỉnh cong lớn khơng cịn, tốc độ xói là nhỏ.
Ứng dụng mơ hình TREM cho khu vực nghiên cứu cho thấy có hai điểm mà
mơ hình cần cải tiến để hồn thiện hơn:
− Một là: mơ hình hiện trạng khơng cho phép tính tốn với các đoạn sơng có
nhập lưu và phân lưu.
− Hai là: mơ hình đang sử dụng sơ đồ ẩn để giải phương trình liện tục của bìn

cát lơ lửng. Thời gian lặp để tìm nghiệm hội tụ là rất lớn và trong rất nhiều lần chạy,
nghiệm không hội tụ.

Chương 1: Tổng quan


-4-

Do vậy, bài báo đề xuất cải thiện mơ hình để giải quyết hai vấn đề này trong
các nghiên cứu tiếp theo.
d. Nghiên cứu áp dụng mơ hình tốn số CCHE1D vào việc tính tốn dự báo
biến hình lịng dẫn [4]
Tác giả: Trần Văn Túc, Huỳnh Thanh Sơn (ĐH Bách Khoa TPHCM)
Trong bài báo này sử dụng mơ hình tốn số CCHE1D về tính tốn dịng chảy,
chuyển tải bùn cát trong sông và sạt lở bờ sông được nghiên cứu và áp dụng vào
thực tế. Do thiếu số liệu đo đạc, vấn đề khó khăn chung ở Viêt Nam hiện nay, nên
mơ hình chỉ mới được áp dụng vào một đạon song Lại Giang ở Bình Định.
Mơ hình này gồm 3 phần: phần tính tốn dịng chảy, phần tính tốn chuyển tải
bùn cát và biến hình đáy lịng dẫn và phần tính tốn sạt lở bờ.
Mơ hình CCHE1D là cơng cụ tốt để mơ phỏng dự báo q trình diễn biến lòng
song trong điều kiện hiện tại ở Việt Nam. Mơ hình này có nhiều ưu điểm: số liệu
đầu vào đơn giản, giải bài tốn có kể đến các ảnh hưởng của các cơng trình thủy lợi
trên sơng như: cầu, cống, đập ngăn nước, … có thể áp dụng nhiều cơng thức trong
mơ hình giúp người sử dụng có thể lựa chọn công thức phù hợp với thực tế. Tuy
nhiên, mơ hình cũng cần được bổ sung và cải tiến thêm, nhất là dịng chảy khơng ổn
định ở vùng triều.
v.v…
1.2.2 Nghiên cứu ngồi nước
a. Sử dụng mơ hình TELEMAC để chuẩn bị mơ hình thủy động học cho sơng
ST. Clair, nghiên cứu ảnh hưởng với thay đổi giao thông thủy [5]

Tác giả: Các tác giả thuộc trung tâm thủy lực Canada.
Một nhóm các nhà khoa học nghiên cứu sự thay đổi trên sông ST. Clair trong
vài thập niên qua. Các nhà khoa học đã sử dụng nhiều mơ hình tốn số khác nhau để
tìm hiểu ảnh hưởng của địa hình đáy sơng, hình thái sơng, địa chất đáy sơng hay hệ
số ma sát ở đáy sông.

Chương 1: Tổng quan


-5-

Các mơ hình tốn số được phát triển nhầm mơ phỏng tốt nhất các hiện tượng
vật lí của lịng sơng. Mỗi mơ hình đưa ra các giải pháp khác nhau. Do đó cần so
sánh kết quả của các mơ hình để đưa ra các giải pháp khác nhau.
Ủy ban quốc tế yêu cầu trung tâm thủy lực Canada (CHC) thuộc trung tâm
nghiên cứu quốc gia chuẩn bị một mơ hình tốn số để kiểm tra kết quả với mơ hình
tương tự. CHC đã chọn mơ hình Telemac - 2D, một mơ hình tốn số hai chiều để
thực hiện nhiệm vụ trên.
Bài báo mơ tả các bước chuẩn bị mơ hình như hiệu chỉnh và trình bài các kết
quả ứng với các kịch bản khác nhau được mô phỏng sự thay đổi trên sông St. Clair.
Bài báo mô tả các bước chuẩn bị mơ hình như mơ hình lưới 2 chiều, mơ hình
điều kiện biên, mơ hình các nhánh sơng, phương pháp mô phỏng rối cho
TELEMAC.
Bài báo cũng giới thiệu về địa hình như hồ Huron, hồ trên một nhánh sơng của
St. Clair và cả sông St. Clair. Các vấn đề về số hóa cao độ, hiệu chính địa hình vào
lưới TELEMAC cũng được đề cập trong bài báo này. Trong bài báo nghiên cứu mơ
phỏng địa hình đáy sơng qua các năm khác nhau. Các nhà nghiên cứu cũng đã đánh
giá ảnh hưởng của thay đổi địa hình đáy sơng ở cao độ cũng như hệ số nhám.
Bài báo rút ra các kết luận chính như sau:
− Phương pháp thu thập dữ liệu địa hình ảnh hưởng rất lớn đến mơ hình đáy

và f đo đó ảnh hưởng rất lớn đến kết quả mô phỏng thủy lực.
− Các thay đổi thủy lực trên sông không chỉ thay đổi ở hai bờ mà cịn thay đổi
tồn bộ dịng sơng.
− Có sự khác biệt khoảng 13 cm mực nước trong hồ Huron khi chạy mơ hình
với dữ liệu khảo sát năm 1971 và dữ liệu năm 2007 sau khi chuyển về cùng mật độ
khảo sát như năm 1971.
− Mực nước trong hồ Huron sẽ tương đương nhau giữa năm 1971 và năm
2007, nếu hệ số nhám trong đáy hồ năm 1971 tăng 10% so với hệ số nhám năm
2007. Điều này được giải thích sự tăng hệ số nhám giữa năm 1971 và 2007 là do
việc nạo vét trên đáy sông.

Chương 1: Tổng quan


-6-

− Phân phối các xói lỡ ở hạ lưu sơng St. Clair cũng góp phần ảnh hưởng vào
xói lở ở thượng lưu.
Bài báo cũng đề xuất một số kiến nghị như :
− Khảo sát thêm các số liệu địa hình năm ở thời điểm năm 2002.
− Điều tra thêm nguyên nhân thay đổi các hệ số nhám của đáy sông.
− Dùng các giá trị khác nhau của hệ số nhám để hiệu chỉnh mơ hình, để kết
quả mơ hình nằm trong phạm vi chấp nhận được.
Đây là một bài báo rất hữu ích trong cơng tác xây dựng mơ hình thủy lực.
b. Ngập lụt do thủy triều ở cửa sông: vận chuyển bùn cát và hình thái sơng [6]
Tác giả: J.M. Brown & A.G. Davies
Ngập lụt và thủy triều hạ thấp đóng vai trị quan trọng trong vấn đề hình thái
sông và vận chuyển bùn cát ở cửa sông. Bài báo nhgiên cứu các quá trình thủy triều
lên, xuống ở cửa sông Dyfi, Vương quốc Anh. Các nhà khoa học quan sát hệ thống
thủy triều xuống và dùng hệ thống mơ hình TELEMAC để dự báo vận chuyển bùn

cát ở cửa sông. Phụ thuộc vào sự phân bố của kênh và cửa sông, thủy triều gây ngập
và kéo bùn cát lên phía thượng lưu cửa sơng. Yếu tố thủy triều liên quan đến sự mở
rộng của kênh và bờ. Có thể suy đốn rằng, mỗi cửa sơng bị lấp dần từ kỉ băng hà
đến ngày nay, do dao động và cân bằng động lực học.
Bài báo rút ra các kết luận và lưu ý sau:
− Thiết lập 2 thông số đơn giản thể hiện cho vận tải bùn cát do lũ và triều thấp
qua cửa sông .
− Các thông số này có thể được áp dụng xác định vận chuyển bùn cát trong
kênh, các thay đổi ở cửa sông do bùn bồi lắng liên quan đến mặt cắt kênh (Pethick,
1994). Từ kết quá nghiên cứu cho thấy các kênh hẹp và sâu thì xuất hiện vận tải bùn
cát ở cửa sơng, nhưng khơng phải ở tồn bộ của sơng đó. Tương tự như hệ thống
kênh nước nơng cũng có bùn cát tại cửa sơng nhưng khơng phải tồn bộ cửa sơng
đó. Các thơng số được Pethick đưa ra (1994) phân loại khi nào thì áp dụng hệ thống
cửa sơng, khi nào thì sử dụng mặt cắt sơng riêng rẽ.

Chương 1: Tổng quan


-7-

− Nếu nhận thấy cửa sông bị mất bùn cát cần xem lại cân bằng động lực học.
Trước khi bùn cát bồi lắng cần xây dựng hệ thống bờ để tính triều xuống. Sử dụng
triều trung bình cho kết quả bùn cát lí tưởng hơn dùng chu kỳ triều cường triều thấp.
Trong thời gian triều cường hay triều hạ vận tải bùn cát tăng lên. Vận tải bùn cát
không tuyến tính và nhiều hơn khi triều cường. Vận tải bùn cát đơn vị trong quá
trình triều lên-xuống liên quan đến các hệ số chính khi triều cường, do đó khi áp
dụng các thơng số “trung bình” sẽ xác định được xu thế của chu kì triều đó.
− Bùn cát khơng chỉ liên quan đến mặt cắt kênh (bề rộng kênh, độ sâu kênh,
trạng thái khơ ướt của bờ) mà cịn phụ thuộc vào điểm đó có chịu ảnh hưởng của
sóng triều.

c. Phương pháp dự đốn trung bình vận tải bùn cát do sóng ở vùng duyên hải
phức tạp [7]
Tác giả : Jennifer M. Brown, Alan G. Davies
Dự báo trung hạn quá trình vận tải bùn cát và ứng xử hình thái ở vùng duyên
hải ngày càng quan trọng vì các hoạt động của con người đã tác động làm thay đổi
mơi trường.
Triều và sóng đóng vai trị quan trọng trong vận tải bùn cát đơn vị và hình thái
sơng vùng dun hải. Hệ thống mơ hình TELEMAC được sử dụng để mô phỏng
cửa sông Dyfi và bờ biển của con sơng này, trung tâm xứ Wale, với điều kiện sóng
trung bình và đưa ra các lưu lượng bùn cát. Phương pháp “giảm dữ liệu đầu vào”
yêu cầu quá trình một kịch bản thực tế để tính tốn thực hành. Các nhà khoa học đã
đi khảo sát thu thập dữ liệu cho mơ hình TELEMAC (năm 2006), và quan sát dự
đốn sóng truyền triều với mơ đun truyền sóng TOMAWAC. Để tăng mức độ chính
xác của mơ hìnháp dụng thêm mơdun truyền tải chất (SISYPHE). Ngồi ra cịn xem
thêm kết quả từ mơ hìnhnghiên cứu vận tải bùn cát UWB 1DV. Theo đó thì mơ đun
Sisyphe trong TELEMAC cho kết quả dự đốn hình thái sơng tốt hơn.
Bài báo rút ra các kết luận:
− Các mô đun trong hệ thống mô hìnhTELEMAC mơ phỏng hiệu quả tích
hợp triều, sóng, tải bùn cát trên sơng và sóng truyền triều cũng như đánh giá hình

Chương 1: Tổng quan


-8-

thái cửa sơng. Các kỉ thuật mơ hìnhhóa trình bày mơ phỏng trong điều kiện sóng
trung bình và thời gian tính tốn linh hoạt. Các dự liệu thực địa dùng để kiểm định
vận tải bùn cát và dự đoán độ nhám đáy sơng.
− Trong nghiên cứu này, kiểm sốt lưu lượng đơn vị bùn cát không đồng đều
qua cửa sông. Theo lý thuyết nguyên nhân do lực bùn cát ở cửa sông gây ra. Kết

quả cho thấy sự quan trọng của việc kết hợp triều và sóng để dự đốn vận tải bùn
cát đơn vị và phương pháp luận. Trong trường hợp này ành hưởng của sóng đến bùn
cát nhiều hơn triều ở của sơng. Đặc biệt khi sóng cao sẽ dẫn đến bùn cát mất đi
nhiều hơn sống dài.
− Khi xem xét vận tải bùn cát không chỉ quan tâm đến sóng mà cịn quan tấm
đến trạng thái khơ ướt ở khu vực ảnh hưởng bởi triều.
v.v…
1.3 Mục đích, nội dung, phương pháp và phạm vi nghiên cứu của luận văn
1.3.1

Mục đích nghiên cứu
• Nghiên cứu ứng dụng phần mềm TELEMAC 2D tính tốn dịng chảy trong

sơng Sài Gịn (đoạn quanh bán đảo Thanh Đa).
• Phát triển một mơ hình tốn đơn giản tính thêm thành phần vận tốc thẳng
đứng xuất phát từ hai thành phần vận tốc trung bình nằm ngang nhận được từ
TELEMAC 2D.
1.3.2

Nội dung và phương pháp nghiên cứu
• Nghiên cứu hệ PT Saint-Venant 2DH sử dụng trong TELEMAC 2D và các

phương pháp giải.
• Thu thập và phân tích số liệu đo đạc địa hình, địa chất, thủy văn, thủy lực
trong đoạn sông nghiên cứu từ kết quả đo đạc bằng thiết bị ADCP và các nguồn
khác.
• Mơ phỏng dịng chảy với phần mềm TELEMAC 2D ứng với nhiều thông số
đầu vào và trường hợp khác nhau.

Chương 1: Tổng quan

-9-

• Nghiên cứu tính tốn thành phần vận tốc dịng chảy theo phương đứng từ
hai thành phần vận tốc trung bình nằm ngang nhận được từ TELEMAC 2D, có so
sánh với kết quả đo đạc.
1.3.3

Phạm vi nghiên cứu

• Luận văn chỉ hạn chế tính tốn cho một đoạn sơng Sài Gịn dài khoảng 15 km
từ sơng Vàm Thuật đến cầu Sài Gòn với số liệu đo đạc mới nhất (2011) trong đoạn
sơng đó.
• Luận văn chỉ sử dụng mơ hình tốn số TELEMAC 2D có sẵn (phần mềm mã
nguồn mở) giải bài toán theo phương pháp phần tử hữu hạn, chưa sử dụng các
phương pháp giải khác hay mơ hình TELEMAC 3D.

Chương 1: Tổng quan


- 11 -

CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CỦA MƠ HÌNH TỐN SỐ TELEMAC 2D
2.1 Tổng quan về các mơ hình tốn số tính dịng chảy
2.1.1 Hệ phương trình Reynolds [8]
Trong hệ tọa độ Descartes, hệ phương trình (PT) Navier-Stokes đối với chất
lưu không nén được bao gồm PT liên tục (2.1) và PT Navier-Stokes (2.2) sau đây:

trong đó

i = 1, 2, 3;

∂ui
=0
∂x i

(2.1)

∂ui
∂u
∂ 2 ui
1 ∂p
+ uj i = −
+ gi + ν
ρ ∂xi
∂t
∂x j
∂x j ∂x j

(2.2)

ui: lưu tốc

u1 = u, u2 = v, u3 = w

xi: tọa độ

x1 = x, x2 = y, x3 = z

t:

thời gian

ρ: KLR của chất lưu,
p: áp suất,

ν: hệ số nhớt động học,

g: gia tốc trọng trường

Khi dòng chảy là chảy rối với số Reynolds lớn, có sự hiện diện của vơ số
xốy rối đủ kích cỡ thì việc tính tốn dịng chảy (nghĩa là giải hệ PT nói trên) sẽ bị
hạn chế vì khơng thể mơ phỏng tất cả các xốy rối. Chẳng hạn để mơ phỏng tất cả
các xốy rối trong một cơn bão có đường kính cái xốy lớn nhất là L = 1000 km và
đường kính cái xốy nhỏ nhất là lD = 1 cm, cần phải giải một hệ PT có ≈ (L/lD)3 =
1024 ẩn số ! Điều này vượt quá khả năng của máy tính, ngay cả đối với các siêu máy
tính hiện nay. Để vượt qua khó khăn này, Reynolds đã đề nghị một phương pháp
trung bình hóa các đại lượng rối theo thời gian bằng cách phân tích một đại lượng a
nào đó (có thể là lưu tốc, áp suất, …) thành 2 phần, một phần trung bình a và một
phần mạch động a’:
Chương 2: Cơ sở lý thuyết


- 12 -

a

=

+

a

a’

(2.3)

Nếu thay các biểu thức dạng tương ứng (2.3) vào hệ PT (2.1) và (2.2), sau một
số tính toán và biến đổi toán học ta sẽ nhận được hệ PT Reynolds với PT liên tục
trung bình (2.4) và PT Navier-Stokes trung bình (2.5):
∂ ui
=0
∂xi

(2.4)

∂ ui
∂u
1 ∂p
1 ∂
+ uj i = −
+ gi +
∂t
∂x j
ρ ∂x i
ρ ∂x j

trong đó số hạng μ

⎛ ∂ ui
⎞
− ρ ui′u′j ⎟
⎜⎜ μ
⎟
⎝ ∂x j
⎠

(2.5)

∂ ui
là ứng suất nhớt do tính nhớt của chất lưu; số hạng − ρ ui′u′j
∂x j

được gọi là ứng suất nhớt rối (hay ứng suất Reynolds) do các mạch động rối trong
dòng chảy tạo ra.
Đối với dòng rối có số Re lớn, μ

∂ ui
∂u
<< − ρ ui′u′j nên thường bỏ qua μ i .
∂x j
∂x j

(2.5) trở thành:
∂ ui
∂u
1 ∂p

∂
+ uj i = −
+ gi +
− ui′u′j
∂t
∂x j
∂x j
ρ ∂x i

(

)

(2.6)

Các tương quan mạch động rối − ui′u′j xuất hiện do tính phi tuyến của các số
hạng đối lưu u j ∂ui / ∂x j trong PT (2.2).
Do sự hiện diện của các tương quan mạch động rối nên hệ PT trung bình thời
gian (2.4) và (2.6) khơng cịn khép kín nữa (4 PT nhưng chứa 5 ẩn số gồm 3 ẩn số
lưu tốc ui, áp suất p và − ui′u′j ). Vì vậy tới đây thì vấn đề chủ yếu của bài tốn dịng
chảy rối là tìm cách xác định − ui′u′j .
Như đã biết, trong trường hợp chảy tầng, theo định luật ma sát trong của
Newton thì ứng suất tiếp τ l = μ

τ
∂u
∂u
và được viết dưới dạng: l = ν
, trong đó hệ
ρ

∂z
∂z

số nhớt động học ν (m2/s) là một đại lượng vật lý phụ thuộc vào mỗi chất lưu.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết


- 13 -

Còn trong trường hợp chảy rối, ứng suất nhớt rối − ρ ui′u′j được mơ hình hóa
theo các đại lượng trung bình tương tự dạng ứng suất khi chảy tầng như sau:
⎛ ∂u ∂u
− ui′u′j = ν t ⎜ i + j
⎜ ∂ x j ∂x i
⎝

trong đó

⎞ 2
⎟ − K δ ij
⎟ 3
⎠

(2.7)

νt được gọi là hệ số nhớt rối, là một đại lượng toán học, νt = νt (xi, t)
K: động năng rối ;

δij: ký hiệu Kronecker

1
2

. Nếu i = j thì δij = 1, K = ui′ui′

>0
⎛ ∂ ui ∂ u j
+
⎜ ∂x j ∂x i
⎝

. Nếu i ≠ j thì δij = 0 , − ui′u′j = ν t ⎜

(2.8)
⎞
⎟
⎟
⎠

(2.9)

Theo lý thuyết động học chất khí, hệ số nhớt động học ν tỉ lệ với lưu tốc trung
bình và chiều dài đường đi tự do trung bình của các phân tử.
Từ đó, hệ số nhớt rối νt cũng có thể được xem như tỉ lệ với một lưu tốc đặc
trưng Vˆ và một kích thước đặc trưng L của mạch động rối:
νt ∝ Vˆ L > 0

(2.10)

Khi mô phỏng − ui′u′j theo các đại lượng trung bình, bài tốn chảy rối trở thành

đi xác định νt. Mỗi cách xác định dẫn đến một loại mơ hình rối.
- Mơ hình rối khơng PT: . mơ hình νt = cts.
. mơ hình chiều dài xáo trộn rối của Prandtl.
- Mơ hình rối một PT: PT tính K.
- Mơ hình rối hai PT: PT tính K và PT tính một đại lượng khác đặc trưng cho
dịng rối. Ví dụ ε là tốc độ tiêu tán năng lượng rối (tạo thành mơ hình rối K-ε) hoặc
L là kích thước đặc trưng rối (tạo thành mơ hình rối K-L).
- Mơ hình ứng suất rối, tính trực tiếp − ui′u′j .
Tính phức tạp tăng dần từ mơ hình khơng PT đến mơ hình ứng suất rối.
Ngồi ra, để kể đến tác dụng của sự quay của Trái đất đối với dòng chảy, gia
tốc Coriolis

Chương 2: Cơ sở lý thuyết


- 14 -

r r
r
r
−2Ω ∧ V = fvi − fuj

(2.11)

sẽ được thêm vào vế phải của (2.6).

r

Trong (2.11), vận tốc quay của trái đất Ω =

f r
k , vận
2

tốc

dòng

chảy

r
r
r r
V = ui + vj + wk , với f = 2Ωsinϕ là thông số Coriolis, ϕ là vĩ độ ứng với miền
r r r
dòng chảy đang xét và i , j , k lần lượt là 3 véc tơ đơn vị trên 3 trục x, y, z.
Cuối cùng ta có hệ PT Reynolds viết dưới dạng tường minh:
.

∂u ∂v ∂w
+
+
=0
∂x ∂y ∂z

.

∂u
∂u
∂u

∂u
1 ∂p
∂ ⎡
∂u ⎤
+u +v +w =−
+ g x + fv + ⎢ 2ν th ⎥
∂t
∂x
∂y
∂z
∂x ⎣
∂x ⎦
ρ ∂x

(2.12)

+

∂ ⎡ ⎛ ∂u ∂v ⎞ ⎤ ∂ ⎡ ⎛ ∂u ∂w ⎞ ⎤
+
ν tv ⎜ + ⎟
⎢ν th
⎥+
∂y ⎣ ⎜⎝ ∂y ∂x ⎟⎠ ⎦ ∂z ⎢⎣ ⎝ ∂z ∂x ⎠ ⎥⎦
(2.13)

.

1 ∂p
∂v

∂v
∂v
∂v
∂ ⎡
∂v ⎤
+u +v +w =−
+ g y − fu + ⎢ 2ν th ⎥
ρ ∂y
∂t
∂x
∂y
∂z
∂y ⎣
∂y ⎦
+

∂ ⎡ ⎛ ∂v ∂u ⎞ ⎤ ∂ ⎡ ⎛ ∂v ∂w ⎞ ⎤
+
+
⎢ν th
⎥ + ⎢ν tv
⎥
∂x ⎣ ⎜⎝ ∂x ∂y ⎟⎠ ⎦ ∂z ⎣ ⎜⎝ ∂z ∂y ⎟⎠ ⎦
(2.14)

.

∂w
∂w
∂w

∂w
1 ∂p
∂ ⎡
∂w ⎤
+u
+v
+w
=−
+ g z + ⎢ 2ν tv
∂t
∂x
∂y
∂z
∂z ⎣
∂z ⎥⎦
ρ ∂z
+

∂ ⎡ ∂u
∂w ⎤ ∂ ⎡ ∂v
∂w ⎤
ν
ν
ν
ν
+
+
+
tv
th

tv
th
⎢
∂x ⎢⎣ ∂z
∂x ⎥⎦ ∂y ⎣ ∂z
∂y ⎥⎦
(2.15)

trong đó: . νth là hệ số nhớt rối theo phương ngang (x, y),
. νtv là hệ số nhớt rối theo phương đứng (z),

r

. gx, gy và gz là ba thành phần của g theo ba phương x, y và z.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết