Việc trình bày kết quả mô hình 2D giúp hiểu các điều kiện vật lý đang tồn tại trong kịch bản được mô phỏng (hiện trạng hoặc đề xuất). Kết quả 2D về vận tốc và WSE cũng là cơ sở tính các đại lượng khác như số Froude, ứng suất trượt đáy, và nhiều đại lượng số khác dựa trên một phần hoặc toàn bộ các trường vận tốc, WSE và độ sâu. Vẽ đường đồng mức/đường bao của các đại lượng này cho một biểu diễn trực quan của mặt nước và các mô hình dòng chảy trên toàn miền mô hình.
Ngoài việc cung cấp kết quả thủy lực chính xác hơn, mô hình 2D còn mở ra nhiều cách trình bày kết quả hơn so với mô hình 1D. Khác với 1D (chỉ cho kết quả tại các mặt cắt xác định), mô hình 2D cho kết quả thủy lực trên toàn vùng ngập của mô hình. Cách trình bày trực quan, giàu đồ họa giúp truyền đạt các khái niệm thủy lực phức tạp tới nhiều nhóm liên quan, qua đó cải thiện kết quả dự án.
Các phương pháp phổ biến nhất để trình bày kết quả gồm mặt bằng (plan), mặt cắt ngang (cross section), mặt cắt dọc/profil (profile) và góc xiên 3D (oblique); các mục sau giải thích chi tiết. Ngoài ra còn có đánh giá địa không gian và trình bày bằng hoạt hình.
7.1. Plan view
Trình bày kết quả mô hình 2D ở mặt bằng là cách mạnh và hiệu quả để truyền đạt kết quả thủy lực tới các nhóm liên quan có thể không có nhiều trải nghiệm về kỹ thuật thủy lực. Dưới đây là những loại kết quả và ứng dụng chuẩn ở mặt bằng.
7.1.1. Water Surface Elevation and Depth
Mặt bằng của WSE hoặc độ sâu giúp xác định giới hạn ngập, freeboard (khoảng cao an toàn) tại các công trình, và đường đi của dòng chảy dưới nhiều điều kiện mô phỏng khác nhau (Hình 7.1a và 7.1b). Kết quả mặt nước ở mặt bằng cũng hỗ trợ kỹ sư đánh giá các tham số/rủi ro liên quan đến các công trình vượt dòng hiện hữu hoặc đề xuất (ví dụ: đường bộ, cầu, cống). Chẳng hạn, mặt bằng WSE có thể hỗ trợ:
- Đánh giá lưu lượng khiến mặt đường bị tràn
- Xác định độ sâu dòng ngay thượng lưu trụ để tính xói cục bộ
- Xác định freeboard tại công trình
- Xác định cao trình bảo vệ chống xói bờ
- Ước lượng khi nào công trình vượt dòng làm việc trong chế độ áp lực
- So sánh WSE với cao độ lũ cơ sở (BFE)
- Đánh giá ngập tại khu đất/công trình và hạ tầng nằm kề dòng chảy
Các đồng mức cao trình mặt nước dự báo gần khu vực cầu, hữu ích để phân định ranh giới ngập dự kiến, xác định freeboard khả dụng, và đánh giá khả năng xảy ra dòng chảy áp lực cũng như tràn qua mặt đường.
Một lợi ích bổ sung của kết quả 2D là khả năng tạo các minh họa so sánh cho thấy các thay đổi tiềm năng của WSE giữa các phương án khác nhau (ví dụ: hiện trạng so với phương án đề xuất). Việc trực quan hóa chênh lệch WSE được cải thiện khi dùng sơ đồ tô màu hai tông; chẳng hạn, dùng các dải đường đồng mức màu đỏ và xanh để biểu diễn các vùng dự báo WSE tăng và giảm.
Hình 7.2 minh họa các thay đổi WSE khi thay cầu hiện hữu bằng cầu có nhịp dài hơn. Màu đỏ (giá trị dương) và màu xanh (giá trị âm) lần lượt cho thấy các vùng tăng và giảm WSE so với điều kiện hiện hữu. Vùng giảm (màu xanh) ở thượng lưu cầu thể hiện sự hạ thấp backwater do nhịp cầu nhỏ hơn trong điều kiện hiện trạng. Màu trắng biểu thị các khu vực không có thay đổi WSE, có thể là công cụ hữu ích khi đánh giá tác động của dự án.
Mô hình 2D có thể dùng để đánh giá các tác động mà một công trình đề xuất có thể gây ra đối với cao trình mặt nước gần vị trí băng qua dòng nước. Việc đánh giá này được thực hiện bằng cách xem xét chênh lệch giữa các cao trình mặt nước mô phỏng ứng với điều kiện phương án đề xuất và điều kiện cơ sở.
7.1.2. Vận tốc
Phân bố vận tốc nhìn theo mặt bằng hữu ích để nhận diện các vùng vận tốc lớn, như các vùng hình thành tại chỗ thắt dòng và tại các khúc uốn (Hình 7.3). Ngoài ra, bản đồ vận tốc mặt bằng có thể dùng để làm nổi bật các vùng vận tốc nhỏ, chẳng hạn các vùng ở thượng lưu của một công trình có khẩu độ không đủ do backwater (Hình 7.3), hoặc trong vùng “wake” phía sau các cấu trúc đổi hướng dòng chảy (Hình 7.4). Ở trường hợp sau, việc đánh giá phạm vi của vùng wake vận tốc thấp từ phân bố vận tốc mặt bằng có thể hỗ trợ xác định khoảng cách bố trí giữa các cấu trúc đổi hướng dòng chảy như barbs hoặc spurs.
Vì là đại lượng vectơ, hướng vận tốc có thể được thể hiện trên kết quả mặt bằng bằng các mũi vectơ để chỉ phương và độ lớn vận tốc trong trường dòng chảy. Các đồ thị vectơ giúp người mô hình và các bên liên quan hiểu và trực quan hóa tốt hơn các mẫu hình dòng chảy phức tạp. Vectơ cũng có thể dùng để hỗ trợ ước tính hướng dòng chảy phục vụ phân tích xói cọc trụ cầu hoặc các yếu tố thiết kế khác mà hướng dòng chảy có thể ảnh hưởng.
Velocity magnitude and vectors computed by a 2D model at an undersized bridge crossing
Biểu diễn theo mặt bằng các vận tốc từ mô hình 2D, có thể dùng để nhận diện các mẫu hình dòng chảy gần cầu. Các mẫu hình này có thể bao gồm sự giảm tốc ở thượng lưu công trình do hiệu ứng backwater, sự tăng tốc do các chỗ thu hẹp, cũng như sự tăng tốc và đổi hướng dòng chảy tại các khúc uốn.
Các đồ thị chênh lệch vận tốc tương tự như các đồ thị chênh lệch WSE đã nêu ở trên. Kết quả từ mô hình 2D có thể dùng để cho thấy các khác biệt tiềm năng trong phân bố vận tốc mặt bằng giữa các phương án (ví dụ: hiện trạng so với phương án đề xuất). Chẳng hạn, Hình 7.5 minh họa sự khác biệt của trường vận tốc khi có và khi không có các cấu trúc đổi hướng dòng chảy. Hình này làm rõ sự giảm tốc gần bờ (vùng màu xanh) và sự tăng vận tốc gần giữa dòng (vùng màu đỏ/vàng). Khi có các cấu trúc đổi hướng dòng chảy (ví dụ: barbs), kết quả mô hình cho thấy bờ và mặt đường được bảo vệ trong quá trình mô phỏng dòng chảy này.
Phân bố theo mặt bằng của vận tốc 2D cũng hữu ích để dự báo xói tại cọc trụ cầu. Các phương trình dự báo xói cọc trụ trong HEC-18 yêu cầu đầu vào là vận tốc và hướng ngay ở thượng lưu cọc trụ. Các tham số này có thể nhận dạng từ phân bố vận tốc mặt bằng của mô hình 2D. Do đó, việc áp dụng mô hình 2D cho phép người dùng xác định tính biến thiên không gian của vận tốc gần một công trình thủy lực để phục vụ thiết kế.
Biểu diễn theo mặt bằng độ lớn vận tốc và các mẫu hình dòng chảy xung quanh một chuỗi các cấu trúc đổi hướng dòng chảy ờ mặt bên.
Mô hình 2D có thể dùng để đánh giá các tác động mà một chuỗi cấu trúc đổi hướng dòng chảy đề xuất có thể gây ra đối với trường dòng chảy xung quanh. Việc đánh giá này được hỗ trợ bằng cách xây dựng một biểu đồ đồng mức thể hiện chênh lệch độ lớn vận tốc của phương án đề xuất so với điều kiện cơ sở.
7.1.3. Ứng suất tiếp đáy
Phân bố theo mặt bằng của ứng suất tiếp đáy có thể nhận diện các vùng có ứng suất lớn và nhỏ (Hình 7.6), qua đó hỗ trợ xác định các khu vực dễ xảy ra xói mòn và bồi tích trầm tích.
Phân bố theo mặt bằng của ứng suất tiếp đáy cũng hữu ích cho thiết kế bảo vệ bờ và tính toán xói. Chẳng hạn, giá trị ứng suất tiếp đáy lớn nhất tác dụng lên lớp đá dùng cho bảo vệ bờ có thể xác định từ kết quả mặt bằng, đồng thời dùng để suy ra cỡ đá tối thiểu vẫn ổn định theo các hướng dẫn trong HEC-23. Ngoài ra, việc trích xuất các giá trị ứng suất tiếp đáy quanh trụ và mố cầu từ kết quả mô hình 2D có thể dùng để nhận diện các vùng có tiềm năng xói lớn (HEC-18).
Plan view distribution of bed shear stress calculated by a 2D model.
Mô hình 2D có thể dự báo chính xác phân bố theo mặt bằng của ứng suất tiếp đáy cho một dòng chảy cho trước. Phân bố theo mặt bằng được dự báo này có thể dùng để nhận diện các vùng có ứng suất tiếp đáy nhỏ và lớn, và cung cấp đầu vào cho các phương trình dự báo xói.
7.1.4. Số Froude
Kết quả số Froude giúp đánh giá liệu dải giá trị hệ số nhám Manning (n) được dùng có phù hợp hay không. Nếu tồn tại dòng chảy siêu tới hạn trên một phần đáng kể của đoạn sông, điều đó có thể cho thấy các giá trị n dùng là quá nhỏ, và việc đánh giá lại hệ số nhám có thể chỉ ra rằng chưa tính hết các tổn thất năng lượng (Jarrett 1985). Bên cạnh việc dùng số Froude để hỗ trợ ước lượng nhám, phân bố số Froude cũng có thể trình bày theo mặt bằng để chỉ ra vị trí các chỗ thu hẹp mạnh.
Trong Hình 7.7, mô hình 2D dự báo các vùng dòng chảy siêu tới hạn ngay hạ lưu một cầu vòm bê tông, nơi xảy ra chảy áp lực trong sự kiện được mô phỏng với chu kỳ 100 năm. Mẫu hình dòng chảy này thường quan sát thấy tại các chỗ thắt dòng hoặc nơi địa hình đáy thay đổi nhanh. Ngược lại, hình cũng cho thấy các vùng dòng chảy dưới tới hạn ngay thượng lưu cầu do backwater gây ra bởi cầu hiện hữu.
Biểu diễn theo mặt bằng cho thấy phân bố của số Froude (tức dòng chảy dưới tới hạn và/hoặc siêu tới hạn) qua một công trình băng qua dòng nước khi xảy ra chảy áp lực.
7.2. Mặt cắt ngang và Trắc dọc
Các dạng xem theo mặt cắt ngang và trắc dọc là các phương pháp phổ biến để xem kết quả thủy lực do HEC-RAS được sử dụng rộng rãi. Các kết quả điển hình dạng mặt cắt và trắc dọc cho cao trình mặt nước, chiều sâu, vận tốc và ứng suất tiếp đáy được mô tả trong các mục dưới đây.
7.2.1. Cao trình mặt nước và chiều sâu
Mặt cắt ngang. Hiển thị mặt cắt ngang hữu ích để minh họa WSE và chiều sâu do các mô hình 2D tính toán. Hình 7.8 minh họa sự biến thiên của các đại lượng thủy lực, cụ thể là WSE và chiều sâu trong vùng lân cận một cây cầu. Trong ví dụ này, kết quả được vẽ ngay thượng lưu một cầu 3 nhịp, nơi mà trong điều kiện hiện hữu, các trụ cầu ảnh hưởng lớn đến WSE. Ngoài các kết quả mô hình 2D (đường màu xanh), vốn biến thiên theo mặt cắt, còn có một giá trị trung bình—tương tự kết quả mà mô hình 1D có thể cung cấp—được biểu diễn bằng đường gạch đỏ. Việc dùng giá trị trung bình (1D) có thể dẫn đến hệ quả lớn khi xác định freeboard cho cầu, tính xói cục bộ, hoặc thiết kế biện pháp chống xói. Do đó, người mô hình cần lựa chọn cẩn trọng mô hình phù hợp nhất cho hiện trường dự án để phục vụ thiết kế hạ tầng giao thông an toàn.
Mặc dù các phương trình xói cục bộ cần vận tốc trong vùng lân cận trụ, các phương trình xói do thu hẹp yêu cầu sử dụng các mặt cắt để trích xuất chiều sâu dòng chảy trung bình từ mô hình 2D. Chiều sâu dòng chảy trung bình được dùng vừa để xác định liệu dòng chảy ở thượng lưu cầu có đang vận chuyển vật liệu (ví dụ: live-bed hoặc clear-water) hay không, vừa cho tính toán xói do thu hẹp trong điều kiện clear-water (HEC-18).
Trắc dọc lòng dẫn. Để đánh giá dòng chảy biến thiên dần theo trắc dọc, có thể trích xuất các giá trị WSE từ kết quả mô hình 2D và vẽ cùng với cao trình địa hình dọc theo một tuyến do người dùng xác định. Trắc dọc WSE có thể cho thấy rõ sự tồn tại hay không của backwater ở thượng lưu một công trình, cũng như chiều dài ảnh hưởng của backwater. Ví dụ, Hình 4.7 và Hình 7.9 trình bày trắc dọc WSE trích xuất dọc theo tuyến tim sông do người dùng xác định gần một cây cầu. Ở Hình 7.9, cầu hiện hữu gần lý trình 1.600 ft tạo ra backwater kéo dài khoảng 500 ft về thượng lưu công trình và làm tăng WSE khoảng 3 ft tại mặt thượng lưu của cầu hiện hữu. Dạng đánh giá này có thể dùng để hỗ trợ xác định kích thước cầu (Mục 8.1.1) nhằm đáp ứng các yêu cầu thiết kế và quy định.
7.2.2. Vận tốc
Hình 7.10 minh họa sự biến thiên của vận tốc trong vùng lân cận một cây cầu. Trong ví dụ này, kết quả được vẽ ngay thượng lưu một cầu 3 nhịp; trong điều kiện hiện hữu, các trụ cầu ảnh hưởng lớn đến vận tốc. Vận tốc giảm ngay sát hai trụ đặt trong dòng (xấp xỉ tại các lý trình 110 và 255) và tăng giữa các trụ do sự thắt dòng qua mỗi nhịp.
Ngoài các kết quả mô hình 2D (đường màu xanh), vốn biến thiên theo mặt cắt, còn có một giá trị trung bình—tương tự kết quả mà mô hình 1D có thể cung cấp—được biểu diễn bằng đường gạch đỏ. Việc dùng giá trị trung bình (1D) có thể kéo theo hệ quả lớn đối với tính toán xói (HEC-18) hoặc thiết kế biện pháp chống xói (HEC-23). Nếu dùng kết quả vận tốc trung bình (1D) trong Hình 7.10, nó có thể đánh giá thấp vận tốc thực tới khoảng hệ số 2 (~16 ft/s so với ~8.5 ft/s). Vì vậy, trong khía cạnh này, kết quả mô hình 2D thường cung cấp thông tin chính xác hơn so với các mô hình 1D truyền thống cho thiết kế hạ tầng giao thông an toàn.
Cross section plot of 2D and average velocity.
7.2.3. Ứng suất tiếp đáy
Ứng suất tiếp đáy dọc theo một mặt cắt có thể dùng để tính giá trị trung bình theo mặt cắt của ứng suất tiếp đáy; giá trị này, cùng với thông tin về bùn cát và thủy lực, được sử dụng trong các công thức dự báo năng lực vận chuyển bùn cát. Ngoài ra, ứng suất tiếp đáy dọc theo các mặt cắt có thể dùng thay cho phân bố theo mặt bằng của ứng suất tiếp đáy khi dự báo xói mố cầu (HEC-18) và thiết kế bảo vệ bờ. Trong trường hợp này, giá trị ứng suất tiếp đáy lớn nhất trên mặt cắt tại vị trí công trình có thể được dùng trong các phương trình thích hợp.
7.3. Góc nhìn xiên
Bên cạnh các dạng xem theo mặt bằng, trắc dọc và mặt cắt, các góc nhìn xiên là phương tiện mạnh và hiệu quả để truyền đạt kết quả thủy lực cho các nhóm liên quan vốn có thể không có mức kinh nghiệm như kỹ sư thủy lực. Hình 7.11 minh họa góc nhìn xiên của cao trình địa hình, với ranh giới ngập ứng với WSE của trận 100 năm được hiển thị bằng màu xanh trong suốt. Hình 7.12 đưa ra ví dụ cầu ở dạng 3D và cho thấy cách dùng góc nhìn xiên để kiểm tra mức độ lưới biểu diễn địa hình và xác nhận sự phù hợp với bề mặt địa hình gốc. Ngoài các ảnh tĩnh thể hiện kết quả thủy lực, kết quả mô hình ở góc nhìn xiên còn có thể xuất thành video (trình bày thêm ở Mục 7.5).
Góc nhìn xiên của một hành lang sông nhìn về thượng lưu, với các đường đồng mức địa hình và phạm vi mặt nước của trận lũ 100 năm.
Góc nhìn xiên của lưới 2D với các giá trị cao trình tô màu và mô hình cầu 3D có hiển thị các trụ.
.
7.4. Phân tích địa không gian (Geospatial Analysis)
Kết quả mô hình hai chiều cung cấp phân bố theo không gian của các biến như WSE và vận tốc bằng cách tính giá trị của chúng tại mọi điểm tính toán trong miền và nội suy giữa các điểm. Phân bố không gian của WSE và vận tốc thu được hữu ích trong nhiều ứng dụng, chẳng hạn minh họa phạm vi của floodplain hoặc các mẫu hình dòng chảy quanh một công trình thủy lực (xem Mục 7.1). Các phân bố biến thiên theo không gian của WSE và vận tốc do mô hình số tính được cho phép người dùng thực hiện nhiều phân tích địa không gian, gồm:
- Tính các tham số kỹ thuật thủy lực khác
- So sánh các mô phỏng
- Chuyển đổi dữ liệu cho phần mềm khác
- Phân loại theo vùng
Các dạng phân tích địa không gian nêu trên cho phép hiểu sâu thêm về các mẫu hình dòng chảy phức tạp, có lợi cho một số ứng dụng kỹ thuật và địa mạo, đồng thời hỗ trợ truyền đạt kết quả cho các bên liên quan. Các loại phân tích này được trình bày chi tiết hơn bên dưới.
7.4.1. Tính các tham số thủy lực khác
Hầu hết các mô hình 2D có khả năng thực hiện các phép toán đại số, hình học và theo thời gian trên các tập dữ liệu WSE và vận tốc đã tính để tạo ra các tập dữ liệu mới. Ở dạng đơn giản nhất, các phép toán đại số này bao gồm tính chiều sâu dòng chảy, là hiệu giữa mặt nước và cao trình địa hình. Hiệu này, được thực hiện tại mỗi phần tử tính toán trong miền, cho ra một tập dữ liệu chiều sâu dòng chảy.
Trong thực tế, nhiều mô hình hiện có thực hiện thêm các tính toán sơ bộ trong thời gian chạy để tính và xuất các tập dữ liệu bổ sung kiểu này, bao gồm chiều sâu dòng chảy, ứng suất tiếp đáy và số Froude. Cũng có thể thực hiện các phép toán đại số phức tạp hơn trong hầu hết mô hình 2D, như tính lưu lượng riêng (unit discharge) và công suất riêng của dòng chảy (unit stream power). Việc tính lưu lượng riêng và công suất dòng chảy sẽ được bàn sâu hơn ở các tiểu mục sau.
Ngoài các phép toán đại số, có thể tính các tập dữ liệu mới dựa trên phân tích hình học (không gian) các giá trị để suy ra độ dốc và gradient của các tập dữ liệu (tức là sự thay đổi theo không gian). Thêm vào đó, có thể thực hiện phân tích theo thời gian trên các mô phỏng không ổn định để đánh giá đạo hàm theo thời gian của một tập dữ liệu, qua đó cho thấy cách phân bố không gian của tập dữ liệu tính được thay đổi theo thời gian.
Unit Discharge (Depth-Velocity Product) Lưu lượng riêng (tích Chiều sâu–Vận tốc). Tập dữ liệu lưu lượng riêng q có thể tính đơn giản bằng tích của các tập dữ liệu vận tốc và chiều sâu (q = V·H). Việc tính tập dữ liệu lưu lượng riêng (Hình 7.13) có nhiều ứng dụng, bao gồm:
- Tính và đánh giá trực quan phân bố dòng chảy tại một mặt cắt, đặc biệt ở cầu
- Đơn giản hóa việc tính vận tốc tới hạn
- Xác định các hành lang dòng chảy hiệu quả phục vụ xác định floodway
- Đánh giá thiệt hại tiềm tàng trong lập kế hoạch giảm nhẹ lũ
- Tính các tham số cho bài toán xói mố cầu
Unit Stream Power (Suất năng lượng riêng của dòng chảy). Suất năng lượng của dòng chảy là biến thủy lực biểu thị tốc độ mà con sông tiêu hao năng lượng do tiêu tán vào đáy và bờ. Phần lớn các phân tích địa mạo xét suất năng lượng trên một đơn vị diện tích mặt sông, bằng tích của trọng lượng riêng của nước, lưu lượng riêng và độ dốc đường năng lượng. Cách khác, suất năng lượng riêng có thể tính bằng tích của ứng suất tiếp đáy và vận tốc (HEC-18). Định nghĩa sau cho phép ước tính suất năng lượng riêng từ kết quả mô hình 2D bằng cách nhân các tập dữ liệu ứng suất tiếp đáy và vận tốc (Hình 7.14).
Suất năng lượng có thể dùng để đánh giá loại địa hình đáy tại đoạn sông mô phỏng dựa trên biểu đồ chế độ (Simons & Richardson 1961), và để dự đoán kiểu hình thái kênh (van den Berg 1995). Ngoài ra, suất năng lượng riêng có thể dùng để dự báo tốc độ vận chuyển bùn cát theo các công thức dựa trên suất năng lượng (ví dụ Bagnold 1980), và để dự báo xói trong đá dễ xói theo cách tiếp cận ở Mục 7.13 của HEC-18.
Mặc dù các phân tích vừa nêu dùng suất năng lượng suy ra từ tích ứng suất tiếp đáy và vận tốc của mô hình 2D, một số công thức và phân tích địa mạo khác có thể dùng định nghĩa khác về suất năng lượng. Chẳng hạn, công thức dự báo vận chuyển bùn cát của Yang (1972) yêu cầu đầu vào là suất năng lượng trên một đơn vị thể tích nước, tức lấy suất năng lượng trên đơn vị diện tích chia cho chiều sâu dòng chảy. Vì vậy, khi thực hiện các phân tích địa mạo dựa trên suất năng lượng từ kết quả mô hình 2D, khuyến nghị người dùng kiểm tra định nghĩa và đơn vị của suất năng lượng dùng trong bài toán và điều chỉnh các phép tính tập dữ liệu cho phù hợp.
7.4.2. So sánh mô phỏng
Ngoài việc trực quan hóa một mô phỏng đơn lẻ, kết quả còn có thể dùng để so sánh hai mô phỏng như đã nêu (xem Hình 7.2 và 7.5). Ví dụ, một mô phỏng biểu diễn điều kiện hiện trạng trong khu vực nghiên cứu, còn mô phỏng thứ hai thể hiện điều kiện đề xuất sau khi xây một hạng mục mới (như cầu) hoặc sau khi chỉnh sửa hình học sông. Các mô hình 2D thường có chức năng tính chênh lệch của một đại lượng thủy lực đã tính (ví dụ WSE hoặc vận tốc) tại các vị trí không gian tương ứng giữa mô phỏng hiện trạng và phương án đề xuất. Nhờ đó tạo ra một tập dữ liệu mới định lượng tác động của phương án lên độ lớn của đại lượng thủy lực. Ứng dụng thường gặp là so sánh WSE tại vị trí băng qua sông trước và sau khi xây cầu mới/thay cầu (Hình 7.2), và so sánh độ lớn cùng mẫu hình vận tốc quanh các công trình chỉnh trị sông (Hình 7.5).
7.4.3. Chuyển đổi dữ liệu cho phần mềm khác
Một số chương trình mô hình hóa có thể không bao gồm toàn bộ tính năng nêu trên, nhưng cần có khả năng xuất kết quả mô hình 2D sang các định dạng có thể dùng để phân tích tiếp trong phần mềm khác. Các gói phần mềm thường dùng để phân tích bổ trợ gồm:
- Ứng dụng GIS: ArcView, ArcMap, Global Mapper (các ứng dụng GIS thường hỗ trợ nhiều định dạng, nhưng hiếm khi hỗ trợ định dạng riêng của mô hình)
- Chương trình CAD: AutoCAD, MicroStation
- Phần mềm trực quan hóa: Paraview, TecPlot
Việc chuyển từ định dạng riêng của mô hình sang định dạng chuẩn, như định dạng cao độ số (ví dụ: xml, tif, asc, …) hoặc tệp điểm (ví dụ: .mnl, .las, .csv, …), cũng giúp dễ nhập và sử dụng dữ liệu. Nhiều giao diện đồ họa hiện nay hỗ trợ các dạng chuyển đổi này.
7.4.4. Phân loại theo vùng (Zonal Classification)
Bên cạnh cách đọc trực tiếp các tập dữ liệu do mô hình 2D tạo ra (và các tập dữ liệu dẫn xuất), có thể thu được hiểu biết sâu hơn bằng cách phân loại theo không gian các tập dữ liệu theo những tiêu chí xác định, gọi là phân loại theo vùng. Tiêu chí có thể dựa trên giá trị (khoảng giá trị) của tập dữ liệu và/hoặc thuộc tính vật liệu hay các thuộc tính khác quy định cho các vùng đa giác—phổ biến trong sản phẩm GIS. Chẳng hạn, có thể dùng phân loại theo vùng để khoanh định các khu vực trong vùng nghiên cứu dễ bị xói hoặc bồi. Khi đó, ta cô lập các vùng trong miền mô hình mà ứng suất tiếp đáy tính được lớn hơn (hoặc nhỏ hơn) ứng suất tới hạn cho bắt đầu chuyển động của vật liệu đáy sông. Vùng minh họa ở Hình 7.5 cho thấy nơi ứng suất tiếp đáy vượt quá ứng suất tới hạn, qua đó chỉ ra xói dưới sự kiện dòng chảy đã cho.
Một vùng có thể được xác định bởi một hoặc nhiều tiêu chí. Khi có nhiều tiêu chí, phân loại theo vùng thường lấy giao của các vùng (hoặc hợp các đa giác) thỏa mãn tiêu chí. Ví dụ, có thể dùng phân loại theo vùng để nhận diện những đoạn sông có thể phù hợp cho nơi đẻ trứng của một loài cá cụ thể. Trường hợp này, phân loại theo vùng làm nổi bật những nơi mà chiều sâu lớn hơn một ngưỡng tối thiểu và vận tốc nhỏ hơn một ngưỡng tối đa.
Biểu diễn theo mặt bằng các đường đồng mức của phân bố ứng suất tiếp đáy tính toán và các khu vực dễ bị xói dựa trên ứng suất tiếp tới hạn của vật liệu đáy kênh.
7.5. Hoạt hình
Kết quả phân tích thủy lực có thể biểu diễn một trường dòng chảy đang chuyển động khi nước chảy qua miền tính. Với thủy động lực học, không chỉ nước đang chảy mà tính chất của dòng chảy ấy cũng thay đổi theo thời gian. Một lợi ích khác của mô hình 2D là kết quả có thể trình bày dưới dạng hoạt hình hoặc phim, giúp hiểu trực quan hơn. Dưới đây mô tả nhiều lựa chọn mà hầu hết các mô hình đều có thể tạo ra.
Transient or Time Step Animations – Hoạt hình không ổn định hoặc theo bước thời gian. Tạo một chuỗi ảnh tăng dần theo dải thời gian của mô phỏng 2D sẽ cho ra hoạt hình không ổn định được tính từ nghiệm 2D. Cách này cần dữ liệu không ổn định và có thể gồm các đường đồng mức, các đồ thị vectơ, hoặc phối hợp cả hai.
Flow Trace and Drogue Animations – Hoạt hình “flow trace” và “drogue”. Dù nghiệm trạng thái ổn định hoặc một bước thời gian đơn lẻ không thay đổi theo thời gian, nó vẫn là một trường dòng chảy có thể trực quan hóa bằng hoạt hình. Tương đương ngoài thực địa có thể từ trò chơi thời thơ ấu thả que gỗ đua trên dòng suối đến các thí nghiệm khoa học thả chất đánh dấu (như thuốc nhuộm) vào trường dòng (Hình 7.16). Quan sát chuyển động của que hoặc thuốc nhuộm ngoài hiện trường cho ta cái nhìn về mẫu hình dòng chảy: nơi vật di chuyển nhanh gợi ý dòng mạnh hơn, còn nơi vật bị “mắc kẹt” gợi ý có các dòng xoáy. Trong kết quả tính toán, trường này có thể hiển thị bằng chức năng “flow trace” hoặc “velocity trace”.
Các cách tiếp cận này đưa vào một “hạt/theo dõi số” và tính quỹ đạo mà hạt đó đi theo trong trường dòng chảy. Hoạt hình được tạo bằng nhiều khung ảnh liên tiếp. Thường thì chuyển động có thể được phóng đại để tạo hiệu ứng thị giác mạnh hơn. Ngược lại, khi chuyển động phản ánh đúng tốc độ vật lý của trường dòng, hoạt hình được gọi là hoạt hình “drogue plot”.
Ảnh chụp từ trên cao của khu đô thị có công viên trung tâm và hệ thống thoát nước. Một nền đường đắp băng qua floodplain với một khẩu độ cầu ở giữa. Chồng lên đó là một ảnh flow trace thể hiện chuyển động hạt dự báo. Lớp nền ảnh màu đen cho thấy các vệt trắng dài, đậm, sít nhau tại nơi vận tốc lớn nhất—như ở khẩu độ cầu—và các vệt trắng ngắn hơn, nhạt hơn, thưa hơn ở nơi vận tốc nhỏ hơn. Ở cả thượng lưu và hạ lưu của khẩu độ cầu, xa khỏi đường dòng chính, xuất hiện các vùng xoáy.
Observation Profile Plot Animations – Hoạt hình đồ thị trắc dọc quan trắc. Ngoài việc trực quan hóa trường dòng 2D ở dạng mặt bằng, đầu ra mô hình còn có thể dùng để hiển thị các trích xuất cục bộ dọc theo trắc dọc hoặc mặt cắt ngang. Khi đó ta có một đồ thị 2D tại một tuyến xác định cắt qua miền mô hình. Nếu kết quả mô hình có dữ liệu không ổn định, đồ thị 2D này có thể được hoạt hình hóa để biểu diễn sự biến thiên theo thời gian của các biến quan tâm.
Hỗ trợ duy trì trang:
Tôi xây dựng trang này để chia sẻ các tài liệu kỹ thuật cốt lõi trong thiết kế hạ tầng giao thông.
Nếu bạn thấy nội dung hữu ích và muốn góp phần duy trì trang hoạt động bền vững, tôi rất trân trọng mọi sự ủng hộ.