3Di dành cho các nhà thủy văn và nhà mô hình học

Toán học và vật lý đóng vai trò nền tảng trong việc xây dựng mô phỏng thủy động lực học của 3Di. Lõi tính toán được thiết kế thông minh, đảm bảo kết quả mô phỏng chính xác, ổn định và nhanh chóng.

Nhờ hợp tác với Tiến sĩ Guus Stelling, chúng tôi đã tích hợp thành công các kiến thức toán học tiên tiến nhất vào phần mềm. Với khả năng mô phỏng đồng thời ba loại miền dòng chảy (1D, 2D, nước ngầm), 3Di giúp loại bỏ các giới hạn trong mô hình hóa thủy lực, đồng thời đảm bảo tính bảo toàn khối lượng, mang đến những giải pháp hiệu quả cho các vấn đề thực tế.

Các quy trình có thể mô phỏng

Các quy trình quan trọng nhất trong chu trình thủy văn: Dòng chảy nước thải, dòng chảy kênh hở, dòng chảy nước ngầm, quá trình thấm nước, thảm thực vật và tường chắn.

Các công trình như đập tràn, cống và máy bơm (bao gồm cả điều kiện kiểm soát) và các lỗ thủng/vỡ trên các công trình.

Các quy trình thoát nước mưa đơn giản hóa dòng chảy 0D (tuân thủ quy định của NWRW của Hà Lan) hoặc các đặc điểm khác tùy theo nhu cầu người sử dụng.

Các kịch bản có thể bị thay đổi tuy theo lượng mưa, sức gió, một số thượng nguồn và bồn chứa, mức độ rò rỉ và nhiều điều kiện biên khác nhau.

Các thành phần mô hình được cấu hình thành Raster 2D

DEM

Độ ma sát

Độ thấm

Vật cản dòng chảy

Nước ngầm

Dòng chảy

Mực nước ban đầu

Thảm thực vật

Lõi tính toán 3Di

Lõi tính toán của 3Di được phát triển cùng với Stelling Hydraulics và dựa trên những phát hiện khoa học mới nhất.

3Di cho phép xây dựng các mô hình thủy lực phức tạp bằng cách kết hợp linh hoạt các thành phần 0D, 1D và 2D. Điểm độc đáo của 3Di là sử dụng một ma trận thống nhất để giải toàn bộ hệ phương trình, loại bỏ sự kết hợp rời rạc các mô hình dòng chảy bề mặt và dòng chảy nước ngầm. Nhờ đó, quá trình trao đổi nước giữa các miền 1D, 2D và 3D diễn ra ổn định và bảo toàn khối lượng một cách nghiêm ngặt, đảm bảo độ tin cậy cao cho kết quả mô phỏng.

Phương pháp subgrid (lưới con) & lưới tính toán

3Di tính toán dựa trên phương pháp lưới con. Phương pháp này có thể nhận thông tin có độ phân giải cao mà không làm tăng đáng kể chi phí tính toán. Hơn nữa, mối quan hệ phi tuyến tính giữa thể tích và mực nước cũng được phép tính này sử dụng. Ngoài ra, lưới con còn có thể tự động phân biệt được lụt và cạn ở khu vực nơi lúc có nước, lúc lại không mà không cần thao tác thêm thông tin.

Với phương pháp này, 3Di cho phép người dùng mô hình hóa chi tiết các khu vực có địa hình phức tạp mà không làm giảm hiệu suất tính toán. Phương pháp này còn có khả năng tự động điều chỉnh để mô phỏng chính xác các khu vực thường xuyên thay đổi mực nước, như vùng ngập lụt hoặc cạn kiệt.

Kết hợp cùng lưới con là lưới tính toán hình vuông so le. Kích thước do người dùng xác định và có thể thay đổi theo không gian. Chương trình sẽ tinh chỉnh lưới, dựa trên cấu trúc cây tứ phân. Các đặc điểm toán học của lưới này được chọn để đảm bảo độ chính xác cao nhất có thể khi giải các phương trình về nước.

Trình tạo lưới là một phần không thể thiếu của quy trình mô hình hóa và hoàn toàn tự động. Nếu cần, người dùng có thể xác định các khu vực riêng của họ để tinh chỉnh lưới.

Lưới con khi so sánh với độ sâu trung bình

Để dễ dàng hình dùng điểm khác biệt của việc sử dụng lưới con trong mô phỏng, chúng tôi đã xây dựng 2 mô hình: sử dụng lưới con và không sử dụng lưới con.

Các ô tính toán và tất cả các thiết lập mô phỏng đều giống nhau trong ví dụ này.

Hình ảnh bên trái cho thấy kết quả mô phỏng lũ khi không chia nhỏ vùng tính toán thành các lưới con. Do đó, mỗi ô chỉ đại diện cho một giá trị độ cao duy nhất, dẫn đến kết quả mô phỏng khá thô và có thể không chính xác về lưu lượng và thời gian xảy ra lũ. Ngược lại, hình ảnh bên phải sử dụng phương pháp lưới con, cho phép sử dụng dữ liệu độ cao chi tiết hơn cho từng ô tính toán, từ đó nâng cao độ chính xác của kết quả mô phỏng.

Chúng ta có thể thấy sự khác biệt rất rõ ràng: với lưới con, chúng tôi có được kết quả tốt hơn và thời gian tính toán là ngang nhau!

Lỗ hổng/vỡ trong đê/đập

Điểm vỡ được xác định trước trong mô hình là vị trí giả định mà con đê có thể bị vỡ trong trường hợp xảy ra sự cố. Tại vị trí này, mô hình chuyển từ mô tả dòng chảy một chiều (1D) sang mô tả dòng chảy hai chiều (2D), giúp mô phỏng chính xác hơn quá trình nước tràn và lan tỏa sau khi đê vỡ. Để mô phỏng quá trình mở rộng của điểm vỡ, chúng tôi sử dụng công thức Verheij en Van der Knaap, đồng thời áp dụng công thức tính lưu lượng qua đập tràn để xác định lượng nước chảy qua vị trí vỡ.

Mặt cắt dọc của vết nứt cho thấy các thông số phát triển của vết nứt.

Trong công thức vết nứt, chúng ta hầu hết đã biết tất cả các biến số như vật liệu của đê (cát hoặc đất sét), chiều rộng vết nứt ban đầu, độ sâu vết nứt tối đa và thời gian cần thiết để đạt đến độ sâu này.

Công thức này chia sự phát triển của vết nứt thành hai giai đoạn; trong giai đoạn đầu, vết nứt sâu hơn và trong giai đoạn thứ hai, vết nứt mở rộng hơn.

Đây là một công thức thực nghiệm, được coi rộng rãi là công thức tốt nhất hiện có trong lĩnh vực thủy động lực học.

Dòng chảy có áp suất

Để giải quyết cho các hệ thống ống kín, chúng tôi đã triển khai phương pháp newton lồng nhau. Đây là phần mở rộng của phương pháp tích hợp mối quan hệ phi tuyến tính giữa mực nước và thể tích. Điều này có nghĩa là chúng tôi có thể xử lý các cấu hình kín mà không cần giải pháp thay thế như khe Preissman. Dưới đây là một số những lợi ích của điều này:

Chuyển đổi mượt mà giữa dòng chảy không có áp suất và có áp suất

Tính toán chính xác hơn

Bảo toàn khối lượng nghiêm ngặt

Nắm bắt thực tế thủy văn bằng 3Di

Trong 3Di, chúng tôi phân biệt giữa:

Sơ đồ hóa

Threedimodel

Mẫu mô phỏng

Sơ đồ hóa là mô tả thực tế, ví dụ như đồ hoạ raster, cơ sở dữ liệu SpatiaLite và các thiết lập để thiết lập lưới tính toán và bảng 3Di

Threedimodel là sơ đồ hóa đã chuyển đổi mà 3Di có thể tính toán.

Một mẫu mô phỏng 3Di là một tập hợp đầy đủ các thông tin cần thiết để thực hiện một phép mô phỏng. Nó bao gồm:

Tình trạng ban đầu của nguồn nước

Các sự kiện có thể xảy ra trong quá trình mô phỏng, ví dụ như vỡ đê, thay đổi cấu trúc đập, điều chỉnh các công trình thủy lợi

Các yếu tố tác động bên ngoài như mưa, dòng chảy từ các nhánh sông, và các điều kiện giới hạn của mô hình

Các cài đặt chi tiết cho quá trình mô phỏng

Với cách thiết lập này:

Sau khi có threedimodel, bạn có thể thực hiện bất kỳ mô phỏng nào và lưu trữ thông tin đằng sau mô phỏng này dưới dạng mẫu. Điều này giúp bạn hoặc đồng nghiệp dễ dàng thực hiện lại chính xác cùng một mô phỏng hoặc xem lại mô phỏng lịch sử và xem những thiết lập nào đã được sử dụng trong một mô phỏng nhất định

Ngân hàng kiểm tra

Để đảm bảo chất lượng cao nhất, chúng tôi có một hệ thống thử nghiệm chuyên biệt. Mỗi khi có tính năng mới hoặc bản cập nhật, chúng tôi sẽ đưa ngay vào hệ thống này để kiểm tra kỹ lưỡng. Qua quá trình phân tích kết quả, chúng tôi sẽ đánh giá hiệu quả và độ ổn định của tính năng đó trước khi triển khai rộng rãi.

Nghiên cứu chuẩn mực về công cụ mô hình hóa

Các nghiên cứu chuẩn mực thường xuyên phân tích độ tin cậy của các công cụ mô hình hóa ngập lụt. 3Di đã được chuẩn mực hóa trong hai nghiên cứu, một do STOWA thực hiện và một do Cơ quan Môi trường thực hiện.

STOWA

STOWA là nền tảng cho nghiên cứu ứng dụng về nước tại Hà Lan, sứ mệnh của tổ chức này là phát triển kiến thức hỗ trợ cho những nhà quản lý nước Hà Lan. Nghiên cứu chuẩn thủy lực cho thấy 3Di là gói mô hình duy nhất có thể thực hiện chính xác mọi trường hợp thử nghiệm. Vì 3Di cung cấp kết quả chính xác cho mọi trường hợp thử nghiệm, nên đây là giải pháp mô hình thủy lực đáng khuyến nghị cho bất kỳ người quản lý nước nào. Các công cụ mô hình được STOWA thử nghiệm bao gồm: 3Di, D-HYDRO, InfoWorks ICM, HEC-RAS, SOBEK 2, TELEMAC, SIMGRO, WOLK và TYGRON

Cơ quan Môi trường

Cơ quan Môi trường là cơ quan công bảo vệ và cải thiện môi trường tại Anh. Vào tháng 8 năm 2013, họ đã công bố báo cáo ‘Đánh giá chuẩn thế hệ mới nhất của các gói mô hình thủy lực 2D‘. Sau khi vượt qua chuẩn STOWA, nhóm 3Di đã thực hiện lại bài kiểm tra chuẩn của cơ quan môi trường và công bố kết quả trong báo cáo này. Kể từ đó, 3Di đã được chấp thuận sử dụng tại Vương quốc Anh.

Khoa học đằng sau 3Di

Chúng tôi dành sự quan tâm đặc biệt đến toán học và vật lý trong cốt lõi của các mô phỏng thủy động lực học của 3Di. Chúng tôi làm việc chặt chẽ với Giáo sư Tiến sĩ Guus Stelling và sử dụng những hiểu biết toán học mới nhất để giải các phương trình St. Venant đầy đủ với sự bảo toàn khối lượng và động lượng. Các nghiên cứu đằng sau 3Di có thể được tham khảo đầy đủ tại đây:

Các ấn phẩm khoa học

SẴN SÀNG ĐỂ BẮT ĐẦU?

Bạn có tìm hiểu thêm về cách 3Di hoạt động và đăng ký sử dụng nó không? Vui lòng sử dụng mẫu này để yêu cầu tài khoản truy cập. Chúng tôi sẽ liên hệ với bạn để DEMO trực tuyến và sẽ trả lời tất cả các câu hỏi của bạn.