TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
KHOA THỦY VĂN VÀ TÀI NGUYÊN NƯỚC

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CỦA MÔ
HÌNH iRIC

Giảng viên hướng dẫn: TS. Vũ Thanh Tú
Sinh viên thực hiện: Lê Thị Tú Anh – 54V
Hoàng Thị Minh Phương – 54V

HÀ NỘI – 2016


1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay, mô hình thủy lực 2 chiều ngày càng phát triển và trở thành công cụ hữu ích
trong nghiên cứu thủy lực trong sông và ven biển bao gồm lũ lụt, chỉnh trị sông, môi
trường sống và tính truyền tải chất gây ô nhiễm. Hiểu mô hình thủy lực và có thể áp dụng
chúng vào các lĩnh vực này đang dần trở thành một điều thiết yếu khi tham gia vào các dự
án nước mặt. Trong số các mô hình thủy lực mô phỏng 2 chiều, mô hình iRIC là một mô
hình miễn phí mới được xây dựng và đang được thử nghiệm nghiên cứu diễn biến lũ trên
các lưu vực sông của Nhật Bản và một số nước châu Á. Vì vậy đề tài đã tiến hành nghiên
cứu khả năng ứng dụng của mô hình từ đó tạo tiền đề xem xét khả năng khai thác mô hình
trong bài toán mô phỏng lũ trên các lưu vực sông ở Việt Nam.
2. NỘI DUNG
2.1.
Lý thuyết chung của mô hình

iRICXXX (International River Interface Cooperative) là gói phần mềm phân tích biến

động lòng sông và dòng chảy trong sông được kết hợp các chức năng của MD_SWMS,
phát triển bởi USGS ( U.S Geological Survey) và RIC-Nays, được phát triển bởi quỹ tài
trợ của Trung tâm Nghiên cứu Phòng chống Thiên tai sông Hokkaido.
Sự hợp nhất các mô đuyn của phần mềm đã được đề xuất bởi Giáo sư Yasuyuki
Shimizu (Đại học Hokkaido) và Tiến sĩ Jon Nelson (USGS), cùng đưa ra công nghệ phân
tích và phát triển phần mềm tích hợp của MD_SWMS và RIC-Nays.
Sau đây là một phác thảo của phần mềm iRIC, chức năng của nó, và các tính năng.


Hình 2.1.1: Giao diện phần mềm iRIC
2.2.
Một số modun của phần mềm
+ Nays 2D Flood phân tích dòng chảy dựa vào mô phỏng dòng chảy 2 chiều không

ổn định. Mô đun này dễ dàng cho phép người dùng thiết lập các điều kiện dòng
chảy vào của một số các con sông nhập vào từ thượng lưu hoặc hai phía của sông.
Nays2D Flood đã được áp dụng để phân tích dòng chảy lũ của các con sông có quy
mô vừa và nhỏ và vì những hướng giải quyết không yêu cầu dữ liệu kênh sông,
nên cũng được sử dụng để phân tích quá trình lũ của sông nguyên thủy và các con
sông ở các nước đang phát triển.
+ Nays2DH là một mô hình tính toán để mô phỏng hai chiều (2D) dòng chảy ngang,
vận chuyển bùn cát, thay đổi hình thái của đáy sông và bờ sông. Mặc dù iRIC đã
cung cấp một số tính năng như: 2D, như Nys2D, Morpho 2D, FaSTMECH, vv,
chúng tôi tin rằng những người sử dụng đôi khi có thể nhầm lẫn hướng giải quyết
là thích cho trường hợp của họ. Vì vậy, chúng tôi quyết định kết hợp Nays2D và
Morpho 2D để cung cấp một công cụ thân thiện mạnh mẽ hơn và sử dụng cho
người dùng iRIC, chúng tôi gọi nó Nays2DH.


+


EvaTRip ( Evaluation Tool for River enviromental Planning) được sử dụng trong
việc khảo sát các kế hoạch về tính ổn định kênh sông, môi trường trong sông và

bảo trì trong các con sông quy mô vừa và nhỏ.
+ NaysEddy: là bộ xử lý ba chiều để tính toán dòng chảy không ổn định bằng tọa độ
Descartes, là một công cụ mạnh để phân tích cấu trúc chi tiết của dòng chảy với
quy mô địa phương hoặc phân khúc sông.
+ ELIMO: Thực hiện các ước tính đồ cao sóng thần trong khu vực, từ đó cung cấp
các điều kiện cơ bản để thiết kế các kịch bản thảm họa; phát triển cơ sở hạ tầng,
bản đồ nguy cơ và quản lý di tản cho các kịch bản khác nhau.
2.3.
Ứng dụng mô hình:
2.3.1. Các dữ liệu đầu vào và cách thiết lập:
a. Thiết lập file địa hình dưới dạng topography file (*.tpo)
File dữ liệu địa hình (*.tpo) là một file
chứa các tọa độ X, Y, Z của các điểm.
Mỗi cột (hàng) mang ý nghĩa như sau:
Hàng 1: số điểm của dữ liệu
Cột 1: Tọa độ X
Cột 2: Tọa độ Y
Cột 3: Tọa độ Z

b. Thiết lập lưới tính toán


+

[Create grid from polygonal line and width]: Vẽ đường trung tâm lưới từ thượng
nguồn, nơi dòng chảy lũ đi vào đến cuối hạ lưu, lối ra của dòng chảy lũ. Để hoàn


+

tất, kích đúp vào cuối của đường trung tâm, hoặc nhấn phím "Enter".
[Create grid from from river survey data]: Hình dạng lưới được tự động được xác
định bằng số liệu khảo sát sông và thuật toán này có sẵn chỉ khi dữ liệu khảo sát

sông được tải lên.
+ [Create grid by dividing rectangular region]: Xác định khu vực hình chữ nhật đó để
tạo một mạng lưới và chiều rộng ô. Chiều rộng ô được sử dụng cho cả phương X
và phương Y.
+ [Create compound channel grid]: Tạo một đa giác là khu vực để tạo lưới và bao
bên trong một đa giác là khu vực kênh dẫn nước kiệt hãy thêm một dòng đa giác là
trung tâm sông.
+ Các khu vực kênh nước thấp nên được bao gồm trong khu vực tạo lưới điện,
+

andRiver đường trung tâm nên được bao gồm trong khu vực kênh nước thấp.
[Cartesian Grid for NaysEddy x64]: Lưới được tạo phục vụ cho mô đuyn

NaysEddy x64.
c. Thiết lập dữ liệu khảo sát sông và mặt cắt sông:


Dữ liệu #survey gồm 5 cột:
Cột 1: Mã số nhận dạng mặt cắt ngang
Cột 2: Tọa độ X của bờ trái.
Cột 3: Tọa độ Y của bờ trái.
Cột 4: Tọa độ X của bờ phải.
Cột 5: Tọa độ Y của bờ phải.

Dữ liệu #x-section:
Hàng 1 gồm 5 cột:
Cột 1: Mã số nhận dạng mặt cắt ngang.
Cột 2: Số điểm thuộc mặt cắt ngang.
Hàng 2 gồm 10 cột:
Cột 1,3,5,7.9: khoảng cách từ bờ trái đến
điểm đó.
Cột 2,4,6,8,10: Cao trình đáy sông tương
ứng với tọa độ mỗi điểm.


d. Thiết lập tập tin chứa dữ liệu đo:

File dữ liệu này gồm 4 cột:
Cột 1: Tọa độ X.
Cột 2: Tọa độ Y.
Cột 3: Sự chênh lêch giữa độ sâu ban đầu
(D1) và độ sâu sau khi sảy ra quá trình
diễn biến lòng sông (D2).
Cột 4: Độ sâu sau khi xảy ra quá trình
bồi, xói (D2).

Dz = D1 − D2
Ta có

2.3.2. Bài toán ứng dụng
2.3.2.1.
Bài toán 1: Sử dụng Nays2D Flood
∗ Mục tiêu bài toán:


Mô phỏng các chế độ dòng chảy (độ sâu của nước và vận tốc dòng chảy) bằng cách sử
dụng Nays2D Flood cho một đoạn sông thực tế với lưu lượng lũ, và xem liệu mô phỏng
có chạy thành công.
nI: Số lượng các ô chia theo hướng dọc.
nJ: Số lượng các ô chia theo hướng
ngang.
W: Chiều rộng lưới theo hướng ngang

∗

Các bước thực hiện:


−

Thiết lập điều kiện tính toán: [Calculation Conditions] - [Setting]
+ [Inflow/ Outflow Boundary Conditions].
•

•
•
•
•

•
•

Đơn vị thời gian của các tập tin
lưu lượng/cao trình mặt nước:
giây.

Điều kiện biên cho j = 1: dòng
chảy vào.
Điều kiện biên cho j = nj: dòng
chảy ra.
Nước mặt ở hạ lưu: Xả tự do.
Giá trị hằng số (m): Sử dụng giá
trị hằng số hoặc đọc từ tập tin khi
mực nước ở hạ lưu bị ảnh hưởng
bởi mực nước biển hoặc mức tràn
tại dòng chảy ra.
Lượng mưa: không có/có.
Chuỗi thời gian mưa (mm/h).

Mực nước ban đầu: Độ sâu = 0.
Độ dốc mặt nước ban đầu của kênh chính: Khi độ cao bề mặt nước đến cuối hạ lưu
có thể bị ảnh hưởng bởi mực nước biển hay mực nước lũ ở hạ lưu, sử dụng một giá
trị không đổi.
+ [Time]:
• Khoảng thời gian của kết quả tính toán (giây): 60.
• Bước thời gian tính toán (sec): 0.2
• Thời gian bắt đầu của kết quả tính toán (sec): 0
+ Thiết lập dòng chảy vào: [Boundary condition setting]-[Add inflow]:
• Khoanh vùng và nhập lưu lượng:
• Dòng chảy vào 1: qt1.csv
• Dòng chảy vào 2: qt2.csv
• Dòng chảy vào 3: qt3.csv
Các bước thời gian của tập tin xả cần phải được thiết lập tất cả giống nhau.
•
•



-

-

-

−
-

Thiết lập các chướng ngại vật:
Chọn [Geographic Data] - [Obstacle].- [Add] – [Polygon]-[ Edit Obstacle value]
-

Thiết lập chướng ngại vật như
đường sá, bờ và kè.

-

Lưu ý: Nếu các ô lưới tính toán đủ
nhỏ để miêu tả đường sá, bờ và kè
như một phần của địa hình, nếu
không thì thiết lập đường sá, bờ,
kè như những trở ngại.

-

Thiết lập độ nhám: [Geographic Data] - [Roughness condition].- [Add] –
[Polygon] – [Edit Roughness Condition Value]



-

Hệ số nhám: 0.03

-

Thiết lập hệ số nhám của Manning
bằng cách xem xét toàn diện các
mô hình tính toán, sử dụng đất.

-


∗

Kết quả tính toán:

-

Hình 2.3.1.1.1: Bản đồ đường đồng mức độ sâu nước cực đại

-

Nhận xét: Sau khi chạy mô phỏng cho ra kết quả về đường đồng mức độ sâu nước
cực đại, các giá trị dao động từ 0.01m đến 1.70 m. Tại điểm giao của inflow 1 và
inflow 2 ở thượng lưu thì độ sâu nước cực đại là 1.70 m còn dọc sông thì

-


Hình 2.3.1.1.2 : Đường quá trình dòng chảy lũ sau khi mô phỏng

Nhận xét:


-

-

Hình 2.3.1.1.3: Bản đồ đường đồng mức vận tốc dòng chảy tối đa theo thời gian
(m/s)

-


2.3.2.2.
Bài toán 1: Sử dụng Nays2DH
∗ Mục tiêu bài toán:
-

Bài toán này giúp ta hiểu được các hoạt động cơ bản của Nays2DH trong iRIC
thông qua toán dòng chảy và sự biến đổi hình thái của lòng sông trong một đoạn
sông uốn khúc. Từ đó cho phép ta có cái nhìn trực quan về sự diễn biến của lòng
đoạn sông cong .

Tạo lưới tính toán
− [Channel Shape]  select channel shape
∗

 Sine-generated curve


−

[Cross Sectional Shape Parameters]  Width : 0.3m

 Number of Grid in Lateral

-

Direction : 16
−

[Channel Shape Parameters]

 Wave Length of Meander : 4.7m

-

 Meander Angle : 28.6 degree

-

 Number of Grids in One Wave Length : 40

-

Từ các bước thiết lập trên ta thu được lưới tính toán như sau

−


[Bed and Channel Shape]  Channel Slope : 0.004


-

∗
−
−

Nhập hệ số nhám Manning
Chọn ô lưới nhập hệ số nhám
Trong bài toán này hệ số nhám của cả đoạn sông được lấy là 0.013

-

Điều kiện tính toán: Nhập dự liệu dòng chảy và mực nước
Bed deformation : Enabled
− Boundary conditions  Periodic boundary condition : Enabled
∗
−


−

 Time unit of discharge/water surface file : Second
Thời gian từ 0 - 1800 (sec) với dòng chảy không đổi là 0.04 m3/s

+
+
+

∗

Output time interval : 60 sec
Calculation time step : 0.01 sec
Start time of output : 0 sec
Kết quả tính toán

-

Nhập giá trị đo đạc đã thu được tại đoạn sông để đối chiếu với kết quả tính toán.


-


-

-

Hình 2.3.2.2.1: Sự thay đổi cao độ của đoạn sông cong

+

Nhận xét:

-

Hình ảnh trên cho ta thấy được sự thay đổi cao độ đáy sông của đoạn sông cong

sau khoảng thời gian là 1800s. Phía bờ lồi đáy sông ngày càng được nâng cao, phía bờ

lõm đáy sông ngày càng bị hạ thấp. Từ đó ta thấy rằng quá trình diễn biến của lòng sông
phù hợp với dòng chủ lưu.


-

+

Hình 2.3.2.2.2: Cao trình mặt nước

Nhận xét: Hình ảnh trên cho ta thấy tại đoạn sông cong mực nước bờ lõm cao hơn
mực nước bờ lỗi .


-

-

Hình 2.3.2.2.3: Cao độ đáy sông

Nhận xét: Trong lòng sông cong, phía bờ lồi thường xuyên xảy ra quá trình

bồi lắng nên cao độ đáy sông ngày càng tăng, độ sâu giảm; phía bờ lồi xảy ra quá trình
xói lở nên cao độ đáy sông ngày càng giảm , độ sâu tăng. Đối chiếu kết quả tính toán và
thực đo đã thu được tại đoạn sông ta thấy kết quả của mô hình là tương đối chính xác khi
sử dụng để mô phỏng quá trình diễn biến lòng sông tại đoạn sông cong.


-


-

Hình 2.3.2.2.4: Diễn biến sự thay đổi cao độ đáy sông và cao độ mặt nước tại đoạn
sông theo mặt cắt dọc sông

-


3. KẾT LUẬN

Phần mềm iRIC phần mềm phi thương mại có giao diện đơn giản với nhiều modun
nhằm phục vụ giải quyết các bài toán có mục đích khác nhau. Phần mềm cho kết quả mô
phỏng chế độ dòng chảy (độ sâu và vận tốc dòng chảy), mô phỏng dòng chảy lũ tại các
con sông có quy mô vừa và nhỏ. Đối với mô phỏng diễn biến lòng sông cong thì tương
đối chính xác có thể ứng dụng để mô phỏng quá trình diễn biến trong sông cong ở Việt
Nam. Ngoài ra phần mềm cho phép người sử dụng xem kết quả với nhiều lựa chọn như :
thể hiện kết quả dưới dạng hình ảnh, vecter, đường dòng, giúp người sử dụng có cách
nhìn trực quan hơn.
-

4. TÀI LIỆU THAM KHẢO
-

iRIC Project Changing River Science, truy cập ngày 10/03/2015,< />
-

Yasuyuki Shimizu (2015), Nays2D_Flood_Examples_en_2, Japan.

-