Giáo trình Đĩa kĩ thuật - Phần 2: Chỉnh trị sông-Bảo vệ bờ sông, bở biển-Phòng chống thiên tai-Xây dựng công trình

AL INFORMATION OF SEDIMENT MOVEMENT AND HYDRO- MOTIVE MODELS FOR TRAINING AND APPLICATION SOFWARE TS. Hồ Trọng Tiến, NCS. Lê Ngọc Anh Đại học Tài Nguyên và Môi Trường TP.HCM TÓM TẮT Quản lý hiệu quả tài nguyên nước mặt là một trong những nhiệm vụ quan trọng và trong bối cảnh biến đổi khí hậu cùng với sự xuất hiện ngày càng nhiều của các loại hình thời tiết cực đoan thì điều đó càng trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Để có thể quản lý hiệu quả tài nguyên nước mặt thì cần phải có những công cụ dự báo nhanh với độ tin cậy cao. Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ thông tin, nhiều mô hình toán thủy động lực và vận chuyển bùn cát ra đời và trở thành công cụ hổ trợ tích cực cho các nhà hoạch định chiến lược trong quản lý tài nguyên nước. Bài báo này sẽ tổng quan một số mô hình thủy động lực phổ biến trong nước và trên thế giới và khả năng ứng dụng của nó trong nghiên cứu và đào tạo. Từ khóa: Mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát, Telemac, mô hình toán. 1. GIỚI THIỆU Sự phát triển nhanh chóng của mô hình toán trong thời gian qua có sự đóng góp tích cực của điều kiện về khoa học công nghệ và điều kiện kinh tế xã hội. Với điều kiện về khoa hoc công nghệ, đó là sự phát triển của ngành khoa máy tính, sự ra đời của các siêu máy tính đã tạo ra khả năng tính toán vượt trội. Với điều kiện kinh tế - xã hội, đó là do yêu cầu về sự phát triển kinh tế - xã hội làm nảy sinh các vấn đề phức tạp về quản lý tài nguyên nước mà con người phải đối mặt giải quyết. Trong điều kiện đó, đó mô hình toán thủy động lực và vận chuyển bùn cát cũng có những bước phát triển dài. Nhìn chung, các mô hình toán thủy động lực và vận chuyển bùn cát đều ứng dụng phương pháp số để giải các phương trình vi phân chủ đạo của phương trình liên tục, phương trình động lượng cùng với phương trình vi phân liên tục của bùn cát. Một trong những ưu điểm của mô hình toán là chúng có thể ứng dụng cho các miền tính vật lý khác nhau, tiết kiệm thời gian và chi phí hơn nhiều so với mô hình vật lý vốn chỉ ứng dụng trong những trường hợp đặt biệt và phạm vi nhỏ. Hơn nữa, mô hình toán không phụ thuộc vào các điều kiện ràng buộc về các điều kiện khắc khe về thủy lực như số Reynolds, số Froude, tỷ lệ hình học như đối với mô hình vật lý. Hòa chung sự phát triển đó, các nhà khoa học trong nước đã không ngừng học hỏi và nắm bắt những công nghệ mới của thế giới và đã xây dựng nhiều mô hình thủy động lực và đã áp dụng khá thành công tại Việt Nam. TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 234 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM Mục tiêu của bài báo này gồm hai mục tiêu chính: (1) tổng quan lại một số mô hình trong nước và thế giới; (2) giới thiệu mô hình trong đào tạo và nghiên cứu. 2. TỔNG QUAN MỘT SỐ MÔ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰC VÀ VẬN CHUYỂN BÙN CÁT PHỔ BIẾN 2.1. Trong nước Mô hình VRSAP Theo [1], đây là mô hình thủy lực được xem là khởi đầu cho quá trình áp dụng mô hình toán để giải quyết các bài toán thủy lực kênh hở ở Việt Nam trên các mạng máy lớn (main frame) trước kia. Mô hình xuất phát chỉ có phần dòng chảy và được cố Pgs. Nguyễn Như Khuê du nhập từ Hà Lan vào năm 1978 qua quá trình học tập và công tác. Trong quá trình áp dụng, VRSAP được cải tiến, phát triển liên tục và được thêm phần tính mặn vào năm 1988 dựa trên thuật toán sai phân trung tâm tương tự thuật toán của MEKSAL. VRSAP được nhóm mô hình của VQHTLMN liên tục phát triển và bổ xung các tiện ích và chuyển sang Visual Basic để tận dụng bộ nhớ mở rộng của máy tính cũng như sự phát triển của công nghệ thông tin. Mô hình VRSAP cho đến bây giờ vẫn được đánh giá là mô hình mô phỏng khá tốt chế độ thủy lực cho khu vực đồng bằng sông Cửu Long. Mô hình SAL và VRSAP-SAL Do GS.TSKH. Nguyễn Tất Đắc phát triển từ năm 1980 và sau đó được nâng cấp và kết hợp với mô hình VRSAP để tạo thành mô hình mang tên VRSAP-SAL hoàn thiện hơn về thuật toán và chương trình. SAL là một mô hình được xây dựng chặt chẽ về mặt toán học, dựa trên sơ đồ sai phân ẩn 4 điểm của Preissman, nhưng lấy trọng số bằng 2/3 để giảm thiểu sai số trong phép sai phân. Lan truyền chất trong SAL dựa trên thuật toán phân rã, giải phương trình tải thuần túy dùng phương pháp đường đặc trưng ẩn với cách nội suy spline bậc 3. Mô hình đã được ứng dụng rộng rãi cho hệ thống sông Đồng Nai và Đồng bằng sông Cửu Long [2]. Mô hình KOD1 Do GS.TSKH. Nguyễn Ân Niên phát triển. Đây là mô hình giải phương trình Saint – Venant bằng phương pháp sai phân hiện phục vụ cho việc tính toán dự báo lũ. Nhược điểm chính của mô hình là hạn chế bước thời gian, nhưng do không phải khử đuổi, tính lặp nên khối lượng tính toán nhỏ. Mặt khác sơ đồ hiện chỉ bảo đảm tính bảo toàn cục bộ địa phương và đôi khi gặp khó khăn trong bảo toàn toàn cục. Mô hình HydroGIS Do TS. Nguyễn Hữu Nhân phát triển có sử dụng bộ công cụ GIS để kết nối dữ liệu và trình bày kết quả. HydroGIS cũng giải hệ phương trình Saint-Venant 1D bằng sơ đồ sai phân Preissmann, tuy nhiên khả năng tính toán chậm và chưa được áp dụng nhiều. Gần đây, mô hình được bổ xung thêm tính toán đối với trường hợp dòng chảy xiết bằng phương pháp sóng động học. Mô hình MK4 Do PGS.TS. Lê Song Giang, Đại học Bách Khoa TP.HCM phát triển. Đây là TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 235 phần mềm mang tính học thuật và dùng nhiều cho mục đích giảng dạy và nghiên cứu, chưa thấy áp dụng phổ biến trong thực tế và các dự án. Phần mềm cũng đang trong giai đoạn hoàn thiện và phát triển. 2.2. Mô hình ngoài nước Hiện nay, trên thế giới đang có rất nhiều mô hình toán ứng dụng cho việc dự báo thủy động lực và vận chuyển bùn cát gồm cả mô hình một chiều (1D), mô hình hai chiều (2D), mô hình ba chiều (3D). Một số các mô hình 1D, 2D, 3D có thể nói đến sau: Nhóm mô hình 1D Sớm xuất hiện từ những năm 1980, và đã thành công trong nhiều ứng dụng thực tế và nghiên cứu. Hầu hết các mô hình 1D được xây dựng trong hệ tọa độ thẳng, giải phương trình Saint – Venant cho dòng chảy và quá trình vận chuyển bùn cát sử dụng phương trình của Exner bằng sơ đồ sai phân hữu hạn. Một số mô hình 1D có thể kể đến như: Mô hình MOBED được phát triển bởi Krishnappan (1981) giải phương trình Saint – Venant viết dưới dạng bảo toàn cho dòng không ổn định và phương trình liên tục bùn cát [3]. MOBED có thể dự báo được đặc tính bùn cát của đáy sông như là một hàm số của thời gian và khoảng cách đối với dòng chảy đơn vị khác nhau. IALLUVIAL được phát triển bởi Karim and Kennedy (1982), mô hình này chỉ ứng dụng trong trường hợp đối với dòng chảy ổn định [4]. SEDICOUP được phát triển bởi Holly và Rahuel (1990), đây là mô hình mô phỏng biến đổi đáy dựa vào phương trình Saint – Venant tính cho bùn cát hỗn hợp, thành phần bùn cát lơ lửng và bùn cát đáy được xử lý riêng biệt [5]. Mô hình 3ST1D được phát triển bởi Papanicolaou et al. (2004); nó có khả năng tính được nước nhảy thủy lực và mô phỏng được dòng chảy tới hạn; vì thế nó có khả năng ứng dụng trong điều kiện dòng không ổn định, biến đổi nhanh như dòng chảy trong các sông miền núi [6]. Tuy nhiên, mô hình 3ST1D chỉ tính cho vận chuyển bùn cát tổng mà không tách biệt được giữa bùn cát đáy và bùn cát lơ lửng. HEC-6 do Thomas và Prashum (1977) phát triển, sử dụng sơ đồ sai phân hữu hạn trong hệ tọa độ thẳng, giải phương trình vi phân ở dạng bảo toàn năng lượng thay cho phương trình động lượng [7]. HEC-6 không áp dụng được đối với dòng chảy không ổn định. FLUVIAL 11 được phát triển bởi Chang (1984), sử dụng hệ tọa độ cong để giải phương trình Saint – Venant 1D đối với dòng chảy. FLUVIAL 11 có tính đến dòng chảy thứ cấp trong sông cong bằng cách biến đổi độ lớn của vận tốc theo chiều dòng chảy [8]. GSTARS được phát triển bởi Molinas và Yang (1986), mô hình được phát triển trong hệ tọa độ cong. Molinas và Yang đã bổ xung lý thuyết dòng năng lượng nhỏ nhất để xác định chiều rộng và hình dạng tối ưu để ổn định điều kiện thủy lực và bùn cát [9]. OTIS được phát triển bởi Runkel và Broshears (1991) [10], sử dụng hệ tọa độ cong. Runkel và Broshears đã biến đổi phương trình tải và khuếch tán với số hạn thêm TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 236 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM vào gồm dòng chảy nhập bên, số hạng phân rã bậc 1, sự thấm hút của các chất hòa tan không kết dính và sự tích trữ trong thời gian ngắn của các chất hòa tan. Phần lớn các mô hình 1D đại diện ở trên đều có thể dự báo các thông số đơn giản trong sông như: vận tốc, mực nước, biến đổi đáy sông và vận chuyển bùn cát. Chúng có thể dự báo được tổng lượng vận chuyển bùn cát và phân phối kích thước hạt không đồng nhất. Mô hình 1D yêu cầu về dữ liệu đầu vào và khả năng xử lý của máy tính ít hơn nhiều so với mô hình 2D hay 3D nên nó tỏ ra hiệu quả cho việc dự báo nhanh mà không cần độ chính xác cao Nhóm mô hình 2D Mô hình 2D có xu hướng phát triển bắt đầu từ những năm 1990. Phần lớn các mô hình 2D hiện nay được xây dựng hướng đến việc xây dựng giao diện một cách trực quan và dễ dàng sử dụng. Điều đó làm cho nó trở nên thân thiện với người sử dụng và phổ biến rộng rãi. Mô hình 2D (trung bình theo chiều sâu) có thể cung cấp các thông tin biến đổi theo không gian về chiều sâu nước, các thành phần vận tốc trung bình theo hướng dòng chảy và hướng ngang, cao trình đáy sông, hồ và cửa sông... Hầu hết các mô hình 2D đều giải phương trình liên tục và phương trình Navier-Stokes trung bình theo phương đứng cùng với phương trình cân bằng khối lượng bùn cát bằng phương pháp sai phân hữu hạn, phần tử hữu hạn, hoặc thể tích hữu hạn. SERATRA: là mô hình vận chuyển bùn cát và chất ô nhiễm được phát triển bởi Onishi và Wise (1982), giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn cho dòng chảy không ổn định. Mô hình có khả năng dự báo được sự di chuyển của thuốc trừ sâu trên mặt đất và trong sông và có thể đánh giá được khả năng tác động đến quần thể ngập nước trong thời gian ngắn hoặc dài [11]. SUTRENCH-2D: Mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát do van Rijn và Tan phát triển (1985) [12], mô phỏng vận chuyển bùn cát và sự biến đổi đáy trong điều kiện kết hợp của dòng chảy xem như ổn định với sóng trên bùn cát đáy. Mô hình giả thuyết vận tốc dòng chảy và nồng độ bùn cát cục bộ là hằng số theo phương Y, vận chuyển bùn cát lơ lửng trong dòng chảy phân tán và hội tụ bên bằng cách đưa vào thông số chiều rộng (b) của dòng chảy. Mô hình giải phương trình tải và khuếch tán kết hợp với hệ số trễ đối với bùn cát lắng đọng. MOBED2D: mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát được Spasojevic và Holly phát triển (1990) [13], giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn. Mô hình có khả năng tính toán dòng chảy, vận chuyển bùn cát, biến đổi đáy trong hồ chứa, cửa sông và khu vực ven biển. ADCIRC-2D: được phát triển bởi Luettich et al. (1992) [14]. Đây là mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong hệ tọa độ thẳng, có khả năng ứng dụng cho miền tính lớn bằng cách giải phương trình nước nông 2D đối với phương thức bên ngoài "external mode" nhưng sử dụng phương thức bên trong "internal mode" để thu được vận tốc chi tiết và ứng suất tại những khu vực được xác định. Phương thức bên trong nhận được bằng cách xác định sự phân tán động lượng và ứng suất đáy trong các số hạng vận tốc theo phương thẳng đứng. TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 237 Mike 21: do DHI (Danish Hydraulic Institute) (1993) phát triển ứng dụng cho việc mô phỏng dòng chảy, sóng, vận chuyển bùn cát, chất lượng nước và hệ sinh thái trong sông, hồ, cửa sông, vịnh, các khu vực ven biển và đại dương. Mike 21 giải hệ phương trình nước nông bằng phương pháp phần tử hữu hạn hoặc sai phân hữu hạn, sử dụng lưới tam giác hoặc lưới chữ nhật, cũng có thể kết hợp cả lưới chữ nhật (mô tả cho sông) và lưới tam giác (mô tả cho khu vực ngoài biển). Mike21 có 4 module chính: thủy động lực, sóng, vận chuyển bùn cát, chất lượng nước và sinh thái học. Module thủy động lực và sóng tính có khả năng cung cấp các thông tin về các yếu tố thủy lực dòng chảy (mực nước, vận tốc trung bình theo hai phương) và sóng (chiều cao sóng, chu kỳ, hướng sóng, ứng suất sóng). Module vận chuyển bùn cát có khả năng mô phỏng diễn biến đường bờ và vận chuyển cát. Module chất lượng nước dùng để mô phỏng quá trình lan truyền của các chất ô nhiễm trong sông. Đây là sản phẩm thương mại được sử dụng nhiều trong các nghiên cứu tại Việt Nam. Tuy nhiên, chúng có giá thành khá đắt và thường chỉ dùng cho các tổ chức có đủ khả năng về tài chính. UNIBEST-TC2: mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát được phát triển bởi Bosboom et al. (1997) [15], giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn trong hệ tọa độ thẳng. Nó có khả năng mô phỏng quá trình thủy động lực của sóng và dòng có hướng ngang bờ bằng cách giả thuyết có sự xuất hiện của dòng chảy dọc bờ trung bình. Quá trình bùn cát đáy và bùn cát lơ lửng được mô hình hóa bằng cách giả thuyết các điều kiện cân bằng cục bộ (bỏ qua độ trể giữa dòng chảy và bùn cát). FAST2D: là một mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn trong hệ tọa độ đường cong với lưới bám khớp với biên [16]. Module vận chuyên bùn cát sử dụng các mô hình bán kinh nghiệm đối với bùn cát lơ lửng và bùn cát đáy. Mô hình có xét một cách gián tiếp đến ảnh hưởng của dòng chảy thứ cấp trong sông cong. FLUVIAL 12: mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn trong hệ tọa độ đường cong do Chang phát triển (1998) [17]. Nó xét đến các ảnh hưởng của chế độ thủy lực, vận chuyển bùn cát, và sự thay đổi của lòng sông đối với từng thời đoạn của dòng chảy. Đây là mô hình đáy biến đổi nhanh có khả năng mô phỏng sự biến đổi đáy sông, độ rộng, thành phần bùn cát đáy bao gồm cả trong sông cong. DELFT-2D: mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn có khả năng mô phỏng sóng và dòng chảy. Mô hình có thể mô phỏng quá trình vận chuyển bùn cát đáy và bùn cát lơ lửng bằng cách sử dụng phương pháp cả trạng thái cân bằng hoặc không cân bằng cục bộ. Mô hình cũng có thể cho thấy ảnh hưởng của chuyển động sóng lên độ lớn và hướng vận chuyển bùn cát [18]. CCHE2D: mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn do Jia và Wang phát triển (1999) [19]. Các nút khô và ướt trên biên đã được xử lý một cách tự động trong trong trường hợp mô phỏng đối với dòng chảy không ổn định với sự thay đổi của mực nước. Mô hình mô phỏng quá trình bùn cát lơ lửng bằng cách giải phương trình tải và khếch tán, quá trình bùn cát đáy sử dụng các công thức kinh nghiệm. Mô hình có xét đến dòng chảy thứ cấp trong sông cong. TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 238 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM Tất các mô hình nói trên đều ứng dụng cho dòng chảy không ổn định trừ mô hình SUTRENCH-2D và UNIBEST-TC2. Các mô hình đều dự báo được bùn cát tổng, chỉ có MOBED2, USTARS, FLUVIAL 12, và CCHE2D có thể tính toán cho nhiều cấp hạt và có thể tách biệt bùn cát tổng ra hai thành phần bùn cát đáy và bùn cát lơ lửng. DELFT-2D và FAST2D có thể tách ra hai thành phần bùn cát đáy và bùn cát lơ lửng, nhưng chúng chỉ ứng dụng được cho các hạt có kích thước đồng nhất. Nhóm mô hình 3D Trong nhiều nghiên cứu về thủy động lực học, mô hình 3D được lựa chọn trong trường hợp cần mô tả chi tiết hơn các quá trình vật lý tại những nơi có điều kiện thủy động lực phức tạp mà mô hình 2D không phù hợp. Ví dụ như mô phỏng dòng chảy qua trụ cầu hoặc tại nơi gần các công trình. Cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin như: kỹ thuật máy tính, tốc độ máy tính, khả năng tính toán song song, khả năng lưu trữ dữ liệu làm cho khả năng ứng dụng mô hình 3D phổ biến hơn. Phần lớn các mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát ở dạng ba chiều đều giải phương trình liên tục và Navier – Stokes kết hợp với phương trình cân bằng khối lượng bùn cát bằng phương pháp sai phân hữu hạn, phần tử hữu hạn hoặc thể tích hữu hạn. Phương trình Navier – Stokes được giải bằng phương pháp trung bình hóa của Reynolds. Phương trình Reynolds có thể chia thành hai dạng: dạng thủy tĩnh và phi thủy tĩnh. Mô hình dạng thủy tĩnh có độ chính xác không cao khi tính toán dòng chảy ở những nơi có sự thay đổi ứng suất lớn. Ngược lại, mô hình dạng phi thủy tĩnh có độ chính xác cao hơn và có khả năng mô tả những đặc tính phức tạp của dòng chảy thứ cấp trong một miền tính phức tạp. Một số các mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát chính được sử dụng trên thế giới có thể kể đến như. ECOMSED: mô hình thủy động lực, sóng và vận chuyển bùn cát sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn trong hệ tọa độ đường cong trực giao, được phát triển bởi Blumberg và Mellor (1987) [20]. Mô hình giả thuyết ứng suất tuân theo quy luật thủy tĩnh, có khả năng dự báo các yếu tố thủy lực dòng chảy và vận chuyển bùn cát trong một khối nước lớn như hồ và đại dương. RMA-10: mô hình thủy động lực sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn, có thể tính toán mực nước và các thành phần vận tốc theo phương nằm ngang đối với dòng chảy tầng [21]. Nó được xây dựng với giả thuyết gia tốc dòng chảy theo phương thẳng đứng rất nhỏ và có thể bỏ qua (áp suất theo quy luật thủy tĩnh). Mô hình giải phương trình chuyển tải đối với độ mặt, nhiệt độ và bùn cát lơ lửng và kết hợp với ảnh hưởng của khối lượng lên khối lượng riêng của chất lỏng. Mô hình thích hợp cho việc tính toán chế độ thủy động lực cho vùng ngập triều và vùng đầm lầy. Mô hình chỉ có thể ứng dụng đối với bùn cát đồng nhất. GBTOXe: là một mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát, giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn trong hệ tọa độ đường thẳng [22]. Thành phần thủy động lực của mô hình (GBHYDRO) giả thuyết dòng chảy theo quy luật thủy tĩnh và có tính đến quá tình xáo trộn và lưu thông của cột nước; thành phần vận chuyển bùn cát (GBSED) chỉ tính đối với bùn cát kết dính. TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 239 EFDC3D: là mô hình thủy động lực và chất lượng nước, sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn trong trong hệ tọa độ lưới đường cong trực giao hoặc lưới đường thẳng với phép xấp xỉ sigma trên phương đứng [23]. Mô hình giải phương trình 3D, dòng chảy theo quy luật thủy tĩnh, có xét đến sự thay đổi khối lượng riêng của chất lỏng. Mô hình có thể ứng dụng trong các khu vực cửa sông, hồ và ven biển. Nó có thể mô phỏng được chất ô nhiễm và chất lượng nước. ROMS: Đây là mô hình sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn trong hệ tọa độ lưới cong trực giao với phép xấp xỉ sigma theo phương đứng [24]. Mô hình có thể mô phỏng dòng chảy mặt thủy tĩnh tuần hoàn trên đại dương và các thông số ảnh hưởng của sóng mặt lên ứng suất và độ nhám ở đáy. CH3D-SED: mô hình sai phân hữu hạn trên hệ tọa độ không trực giao với đường cong khớp với biên, sử dụng phép biến đổi xấp xỉ sigma theo phương thẳng đứng [25]. Vận chuyển bùn cát sẽ được tính toán dựa trên phương trình cân bằng khối lượng bùn cát đối với bùn cát đáy và kết hợp với phương trình tải – khuếch tán đối với bùn cát lơ lửng. SSIIM: mô hình thủy động lực và vận chuyển bùn cát, sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn giải phương trình Navier – Stokes và mô hình rối k – ε trên lưới phi cấu trúc [26]. Mô hình có khả năng mô phỏng vận chuyển bùn cát trên đáy sông biến đổi với dạng địa hình phức tạp. Nó có thể ứng dụng cho các dạng đáy trong sông, vận chuyển bùn cát đáy và bùn cát lơ lửng của các hạt không đồng dạng. Mô hình cũng có thể ứng dụng trong mô phỏng chất lượng nước trong sông. MIKE3: là mô hình thủy động lực sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn được phát triển bởi Danish Hydraulic Institute (1993) [27]. Nó bao gồm các thành phần tải – khuếch tán, chất lượng nước, trao đổi nhiệt độ với áp suất không khí, xử lý ngập và khô trong khu vực ảnh hưởng triều và quá trình vận chuyển bùn cát. Mike3 được ứng dụng trong việc mô phỏng dòng chảy tại cửa sông, vịnh và khu vực bờ biển cũng như đại dương. FAST3D: là mô hình thủy động lực, sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn với giả thuyết phi thủy tĩnh [28]. Mô hình có thể ứng dụng cho các miền tính phức tạp do bổ xung thêm thuật toán có khả năng tính toán song song. Thành phần bùn cát của mô hình DELFT3D: Mô hình Delft3D được phát triển bởi Delft Hydraulics (www.wldelft.nl), nó có khả năng mô phỏng quá trình thủy động lực trong sông và vùng ven biển, quá trình vận chuyển bùn cát, sóng, chất lượng nước, biến đổi hình thái lòng dẫn, dòng chảy biển. Module Delft3D-Flow là hạt nhân của hệ thống mô hình Delft3D tính toán dòng chảy dựa trên phương trình nước nông đối với dòng không ổn định. Nhiều báo cáo, nghiên cứu khoa học về hình thái cửa sông, ven biển đã ứng dụng mô hình Delft3D. TELEMAC-3D: Đây là một trong những mô hình thủy động lực hình thái sông hàng đầu trên thế giới có thể đáp ứng cho việc dự báo quá trình biến đổi hình thái cho vùng cửa sông, ven biển. TELEMAC-3D sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn hoặc thể tích hữu hạn, giải phương trình Navier – Stokes dạng phi thủy tĩnh hoặc thủy tĩnh với lưới phi cấu trúc, đặc biệt rất mạnh với khả năng tính toán song song. Module SISYPHE dùng để mô phỏng quá trình vận chuyển bùn cát, module TOMAWAC tính TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 240 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM toán sóng và module TELEMAC-3D/2D là hạt nhân của mô hình có khả năng kết nối với các module khác. 3. KẾT LUẬN VÀ THẢO LUẬN Nhiều mô hình trong nước đã được các nhà khoa học trong nước phát triển, và đã ứng dụng được rộng rãi và thành công. Tuy nhiên, phần lớn các mô hình trong nước chỉ tập trung vào giải quyết bài toán thủy động lực và lan truyền chất mà chưa/ hoặc ít mô hình đề cập đến vận chuyển bùn cát. Các mô hình trong nước do các cá nhân phát triển nên về mặt thương mại còn hạn chế ở khả năng linh hoạt trong xây dựng sơ đồ toán cũng như tổ chức số liệu đầu vào, trình bày kết quả mặc dù tính học thuật không kém gì các mô hình thương mại khác. Các mô hình khác nhau về các điều kiện sử dụng, yêu cầu về số liệu đầu vào cho mô hình, mức độ phức tạp, tốc độ tính toán và độ chính xác Tuy nhiên, nói chung không có mô hình nào được xem là tốt nhất mà chỉ có mô hình phù hợp và những yếu tố ảnh hưởng nhiều đến việc lựa chọn mô hình có thể được kể đến như sau: (1) số liệu đầu vào và đầu ra của mô hình; (2) khả năng ứng dụng; (3) mục đích của người sử dụng; (4) khả năng đáp ứng về phần cứng máy tính; (5) chi phí mua phần mềm; (6) khả năng cập nhật. Gần đây, xu hướng mã nguồn mở đem đến cho người sử dụng những trãi nghiệm mới mẻ. Tuy nhiên, mã nguồn mở thường khó sử dụng hơn so với các mô hình thương mại. Nếu xem xét đến sáu yếu tố lựa chọn mô hình ở trên thì TELEMAC có thể xem là mô hình rất thích hợp trong nghiên cứu, đặc biệt thích hợp cho các cá nhân hay tổ chức không có khả năng về kinh phí. Ưu điểm lớn của mô hình Telemac là: (1) hổ trợ rất mạnh cho khả năng tính toán song song cho phép vận hành trên các máy chủ lớn có nhiều vi xử lý, do đó có thể rút ngắn được thời gian tính toán khi giải quyết bài toán lớn; (2) đây là mô hình mã nguồn, qua đó người sử dụng có thể dễ dàng thay đổi mã nguồn để có thể đưa vào những ý tưởng hay thay đổi một số các công thức cho phù hợp với thực tế; (3) có khả năng tính toán cho trường hợp bùn cát hỗn hợp bao gồm kết dính và không kết dính (bùn – cát); (4) hoàn toàn miễn phí; (5) được cập nhật thường xuyên; (6) được sự hổ trợ đắc lực của nhóm tác giả phát triển mô hình và cộng đồng TELEMAC trên khắp thế giới. Có thể nói trong giai đoạn trước đây khái niệm tính toán song song ứng dụng trong mô hình toán chưa phát triển nhiều nên một trong những khó khăn cho việc thiết lập mô hình là giới hạn số lượng phần tử do khả năng giới hạn của phần cứng máy tính, điều này cũng làm giảm chất lượng của mô hình. Đến năm 2000 kỹ thuật tính toán song song đã bắt đầu xuất hiện, Hervouet J.-M đã phát triển phương pháp tính toán song song (parallel) với độ chính xác rất cao và áp dụng vào mô hình TELEMAC để mô phỏng trường hợp vỡ đập Malpasset tại Pháp vào năm 1959 [29]. Đến năm 2012, Riadh Ata. đã bổ xung thêm sơ đồ toán giải phương trình Saint-Venant bằng phương pháp thể tích hữu hạn vào mô hình TELEMAC [30]; nghiên cứu cho thấy, phương pháp thể tích hữu hạn cho kết quả rất tốt về chiều sâu nước, bảo toàn khối lượng, số hạng rối rất nhỏ và khả năng xử lý khô/ướt. Những kết quả cũng mở ra những triển vọng mới trong việc ứng dụng mô hình thủy động lực trong mô phỏng quá trình vật lý đòi hỏi sự chính xác TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 241 cao. Sau đó nhiều nghiên cứu đã bắt đầu ứng dụng Telemac2d trong mô phỏng vỡ đập tại Việt Nam như [31], [32], [33], [34], [35]... Như vậy, có thể thấy rằng xu hướng mã nguồn mở đang và sẽ trở thành xu hướng mới trong việc ứng dụng công cụ mô hình toán trong đánh giá, dự báo tài nguyên nước. Do tính mở nền Telemac kích thích sự sáng tạo và sự hứng thú trong nghiên cứu. Điều đó đã được chứng minh trong thời gian gần đây thông qua các chương trình hợp tác và chuyển giao của AFD với Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam. Chính vì vậy, Telemac là một trong những công cụ có khả thi trong ứng dụng công cụ mô hình toán trong đào tạo và nghiên cứu khoa học. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Tất Đắc (2009), Về các mô hình thủy lực và chất lượng nước phục vụ cho công tác quy hoạch các hệ thống sông/kênh, Tập san Khoa học và Công nghệ Quy hoạch thủy lợi, Viện Quy hoạch Thủy lợi miền Nam. 2. Nguyễn Tất Đắc (2005), Mô hình toán cho dòng chảy và chất lượng nước trên hệ thống sông kênh, NHÀ XUẤT BẢN NÔNG NGHIỆP, Tp. Hồ Chí Minh, pp. 149-150. 3. KRISHNAPP B. G. (1985), " Comparison of MOBED and HEC-6 river flow models", Can. J. Civ.Eng. 12 (3), pp. 464-471. 4. Karim M.F. and Kennedy J.F. (1982), IALLUVIAL : a commuter based flow and sediment routing for alluvial treams and its application to the Missouri River, Iowa Institute of Hydraulic Research, The University of Iowa. 5. Holly F. M. and Rahuel J. L. (1990), "New numerical/physical framework for mobile-bed modelling", Journal of Hydraulic Research. 28 (4), pp. 401-416. 6. PAPANICOLAOU A. N., BDOUR A., et al. (2004), "One-dimensional hydrodynamic/sediment transport model applicable to steep mountain streams", Journal of Hydraulic Research. 00 (0), pp. 1 - 19. 7. Thomas W. A. and Prashum A. I (1977), "Mathematical model of scour and deposition", J. Hydr. Div. 110 (11), pp. 1613–1641. 8. Chang Howard H. (1984), "Modeling of River Channel Changes", Journal of Hydraulic Engineering. 110 (2), pp. 157-172. 9. Molinas A. and Yang J. C. (1986), Computer program user’s manual for GSTARS, U.S. 10. Runkel R. L. and Broshears R. E. (1991), OTIS: One-dimensional transport with inflow and storage: A solute transport model for small streams, CADSWES Technical Rep. 11. Onishi Y. and Wise S. E. (1982), SERATRA: User’s manual for the instream sediment- contaminant transport model, Technical Rep. 12. van Rijn L. C. and Tan G. L. (1985), Sutrench model: Two dimensional vertical mathematical model for sedimentation in dredged channels and trenches by currents and waves, Rijskwaterstaat communications, pp. 11. 13. Spasojevic M. and Holly F. M. (1990), MOBED2: Numerical simulation of two- dimensional mobile-bed processes, Iowa Institute of Hydraulic Research. TUYEÅN TAÄP KEÁT QUAÛ KHOA HOÏC & COÂNG NGHEÄ 2016 242 VIEÄN KHOA HOÏC THUÛY LÔÏI MIEÀN NAM 14. Luettich R. A., Westerink J. J., et al. (1992), ADCIRC: An advanced three-dimensional circulation model for shelves, coasts, and estuaries: Report 1, theory and methodology of ADCIRC-2DDI and ADCIRC-3DL, US Army Corps of Engineers. 15. Bosboom J., Aarninkhof S. G., et al. UNIBEST TC-2.0 model: Overview of formulations, Delft Hydraulics. 16. Bùi Minh Đức (1998), Depth-average numerical modeling of flow and sediment transport in the Elbe River, 3rd Int. Conf. on Hydroscience and Eng., Berlin. 17. Chang H. H. (1998), Generalized computer program: Users’ manual for FLUVIAL-12: Mathematical model for erodible channels, San Diego. 18. Walstra D. J., van Rijn L. C., et al. (1998), Sand transport at the lower shoreface of the Dutch coast, delft hydraulics. 19. Jia Y. and Wang S. (1999), "Numerical model for channel flow and morphological change studies", Journal of Hydraulic Engineering. 125 (9), pp. 924-933. 20. Blumberg A. F. and Mellor G. L. (1987), "A description of a threedimensional coastal ocean circulation model", Coastal and Estuarine Sciences. 4, pp. 1-16. 21. King I. P. (1988), A finite element model for three dimensional hydrodynamic systems, U.S. Army Corps of Engineers. 22. Bierman V. J. (1992), Development and validation of an integrated exposure model for toxic chemicals in Green Bay, Lake Michigan, Environmental Research Laboratory, Duluth, Minn. 23. Hamrick J. H. (1992), A three-dimensional environmental fluid dynamics computer code: Theoretical and computational aspects, Marine Science and Ocean Engineering, Virginia Institute of Marine Science, Gloucester Point, Va. 24. Song Y. T. and Haidvogel D. (1994), "A semi-implicit primitive equation ocean circulation model using a generalized topographyfollowing coordinate system.", Journal of computational physics. 115, pp. 228-244. 25. Spasojevic M. and Holly F. M. (1994), Three-dimensional numerical simulation of mobile- bed hydrodynamics, U.S. Army Engineer Waterways Experiment Station, Vicksburg, Miss. 26. Olsen N.R.B. (1994), "SSIIM - a three-dimensional numerical model for simulation of water and sediment flow", Transactions on Ecology and the Envir