A.1. Khái quát
Có nhiều mô hình 2D có thể dùng hiệu quả cho các bài toán sông ngòi. Tuy nhiên, với thủy lực công trình giao thông, hiện chỉ ít mô hình có đầy đủ tính năng cho một phân tích toàn diện. Vì vậy, từ năm 2013 FHWA đã hợp tác với U.S. Bureau of Reclamation để phát triển mô hình thủy lực SRH-2D phục vụ các ứng dụng thủy lực công trình giao thông.
Đồng thời, nhằm nâng cao hiệu quả quy trình mô hình và giúp người dùng mới dễ tiếp cận hơn, FHWA cũng hỗ trợ phát triển giao diện đồ họa (GUI) cho SRH-2D trong bộ phần mềm SMS – Surface-water Modeling System.
Trong khi nội dung chính của sổ tay này đưa ra hướng dẫn chung khi dùng mô hình 2D, phụ lục này cung cấp thông tin và nguồn lực cụ thể để sử dụng giao diện SMS khi phát triển mô hình 2D.
A.1.1. Cách sử dụng Phụ lục
Phụ lục A giới thiệu ngắn gọn quy trình phát triển một mô hình SRH-2D bằng GUI tùy biến của SMS. Các chi tiết và hướng dẫn từng bước có trong SMS Wiki và SMS Tutorials (bản trực tuyến).
Trong phụ lục có chèn các siêu liên kết tới bài viết chi tiết trong SMS Wiki hoặc tài liệu tham khảo khác; lưu ý liên kết có thể thay đổi theo thời gian—nếu gặp lỗi, hãy tìm theo chủ đề/cụm từ trong SMS Wiki hoặc qua công cụ tìm kiếm web.
Các gạch đầu dòng dưới đây tóm tắt những mục chính của phụ lục; tùy kinh nghiệm, bạn có thể đọc trực tiếp mục phù hợp nhất thay vì toàn bộ tài liệu. Có liên kết tới từng mục:
- Software Overview – Mô tả ngắn về phần mềm SMS và SRH-2D, cách chúng làm việc cùng nhau, và các nguồn tài liệu sẵn có.
- Using the SMS Interface – Các tính năng nền tảng của SMS dùng để phát triển mô hình SRH-2D.
- Steps to Create an SRH-2D Model in SMS – Các bước chi tiết để tạo mô hình SRH-2D trong SMS.
- Modeling Bridges and Other Structures – Cách bổ sung cầu, cống, đập tràn/weir và các công trình khác vào một mô hình SRH-2D hiện có.
- Model Calibration/Sensitivity Tools in SMS – Công cụ hiệu chỉnh và phân tích độ nhạy trong SMS.
- Postprocessing and Graphical Visualization Tools in SMS – Các khả năng hậu xử lý và trực quan hóa nâng cao trong SMS.
A.2. Tổng quan phần mềm
Có hai thành phần dùng để phát triển mô hình thủy lực SRH-2D:
(1) mô hình số SRH-2D, và (2) SMS – đóng vai trò giao diện người dùng cho SRH-2D. Cách ghép này tận dụng ưu điểm của cả hai: SRH-2D là mô hình số hiện đại, miễn phí để tính toán thủy lực; còn giao diện SMS cung cấp nền tảng mạnh để dùng DEM, dữ liệu GIS và các thông tin khác nhằm thiết lập nhanh, chạy mô hình, và trực quan hóa kết quả. Kết hợp hai phần mềm tạo nên một hệ thống linh hoạt, hiệu quả để xây dựng và trình bày mô hình 2D.
A.2.1. SRH-2D
SRH-2D (Sedimentation and River Hydraulics – 2-Dimensional model) là mô hình 2D cho thủy lực, bùn cát và nhiệt độ trong môi trường sông ngòi, được Dr. Yong Lai (USBR) phát triển từ năm 2004. SRH-2D dùng lưới linh hoạt gồm phần tử tứ giác và tam giác, giải hệ phương trình dynamic wave 2D (St. Venant trung bình theo chiều sâu) bằng phương pháp thể tích hữu hạn ổn định – bền vững, với tích phân thời gian ẩn và thuật toán khô-ướt liên tục.
Các khả năng chính:
- Dòng ổn định và không ổn định.
- Dòng tới hạn dưới, chuyển tiếp, và tới hạn trên.
- Nhiều biên vào/ra khác nhau.
- Biên trong miền (nguồn/hút).
- Nhám biến thiên theo chiều sâu.
- Chảy áp lực qua cầu và tràn qua mặt đường.
- Trụ cầu và các công trình khác thể hiện như “lỗ” trong lưới.
- Vật cản bịt nghẽn (blocked obstructions).
- Thủy lực cống: 1D (kết nối HY-8) và 2D (khi có chảy áp lực qua cầu).
- Cửa van (gates).
- Đập tràn/weir.
- Vận chuyển bùn cát.
Thông tin chi tiết xem USBR SRH-2D webpage và SRH-2D Reference Manual (mô tả mô hình và các giả thiết).
A.2.2. SMS
SMS là GUI được phát triển hơn 20 năm cho nhiều mô hình 2D (gồm cả SRH-2D). Giao diện tùy biến cho SRH-2D trong SMS cung cấp một nền tảng trực quan và toàn diện, hỗ trợ người dùng suốt quy trình mô hình: từ thu thập/chỉnh sửa dữ liệu đến xem xét kết quả và chuẩn bị hình ảnh trình bày. Các tính năng/chức năng chính:
- Tự động chuyển chiếu hệ tọa độ.
- Nhập mô hình số độ cao (DEM) ở dạng vector và raster (ví dụ: XYZ, TIF).
- Lọc & biến đổi dữ liệu (ví dụ dữ liệu LiDAR).
- Công cụ xem, chỉnh sửa, gộp nhiều bộ dữ liệu cao độ.
- Tạo và chỉnh sửa breakline.
- Nhập ảnh vệ tinh/ảnh chụp từ trên cao (trực tuyến và nguồn khác).
- Nhập dữ liệu GIS/CAD.
- Công cụ tạo lưới tự động.
- Công cụ kiểm tra chất lượng lưới.
- Khai báo nhám Manning theo vùng đa giác.
- Định nghĩa điều kiện biên.
- Monitoring coverage để theo dõi kết quả và kiểm tra ổn định, tính liên tục.
- Mô hình hóa công trình thủy: chảy áp lực qua cầu, cống, đập tràn (weir), cửa van (gate), trụ cầu.
- Run Queue để chạy và giám sát tiến độ một hay nhiều mô phỏng SRH-2D.
- Tự động nhập tệp kết quả SRH-2D.
- Vẽ trắc dọc quan trắc hoặc mặt cắt.
- Biểu đồ đồng mức và vectơ tùy chỉnh.
- Máy tính dữ liệu để suy tính thêm tham số từ kết quả 2D (ví dụ cỡ đá riprap).
- Công cụ so sánh bộ dữ liệu (ví dụ WSE/vận tốc hiện trạng vs. đề xuất).
- Bảng tổng hợp giá trị min/max/trung bình theo mặt cắt.
- Xuất CAD/ArcGIS/Google Earth (*.kmz).
- Phân loại theo vùng (zonal classification) để làm nổi bật khu vực đạt tiêu chí (ví dụ giá trị sinh cảnh).
- Trình chiếu film loop và hoạt ảnh theo thời gian.
- Góc nhìn bề mặt chức năng (ví dụ: địa hình 3D và mặt nước).
- Công cụ tham chiếu FEMA floodplain (DFIRM, bản đồ nguy cơ lũ).
- Công cụ khoanh định floodplain & floodway.
- Công cụ đánh giá xói cầu.
Thêm thông tin về các tính năng trên có tại SMS Wiki.
A.2.3. Luồng dữ liệu
Hình A.1 cho thấy luồng dữ liệu để phát triển và chạy mô hình bằng SRH-2D trong SMS:
- Raw Data (Dữ liệu thô)
- Cao độ
- Ảnh
- Tệp GIS
- Tệp CAD
- SRH-2D Input Files (Tệp đầu vào SRH-2D)
- Lưới (mesh)
- Các tham số
- SRH-2D Output Files (Tệp đầu ra SRH-2D)
- Các tệp nghiệm (solution)
- Tóm tắt chạy (run summary)
- Phần dư sai số (error residuals)
SMS có thể nhập dữ liệu cao độ số thô cần thiết để phát triển mô hình 2D cùng với dữ liệu từ các nguồn khác như ảnh, dữ liệu GIS hoặc dữ liệu CAD. Các công cụ tiền xử lý trong SMS được dùng để đơn giản hóa và tự động hóa việc phát triển mô hình. SMS tạo và ghi các tệp đầu vào SRH-2D cho SRH-2D. SRH-2D sau đó được thực thi bằng các tệp đầu vào chuẩn do SMS tạo. Mô hình SRH-2D chạy trong giao diện SMS. Sau khi chạy mô hình xong, các tệp nghiệm SRH-2D được đọc vào SMS, và các công cụ hậu xử lý đồ họa trong SMS được dùng để xem và phân tích kết quả mô hình.
Nhiều loại tệp có thể được nhập trực tiếp vào SMS để dùng với SRH-2D. Có thể xem một danh sách (không đầy đủ) trên trang wiki “Non-native SMS Files”.
A.2.4. Cấp phép
Mô hình SRH-2D thuộc phạm vi công cộng (public domain) và có thể sử dụng tự do, không bị hạn chế. Giao diện SMS là phần mềm sở hữu độc quyền; tuy nhiên có một phiên bản cộng đồng miễn phí có thể dùng để xây dựng, chạy và xem lại kết quả mô hình. Các công cụ bổ sung cho phân tích dữ liệu và trực quan đồ họa có trong phiên bản thương mại hay “pro” của SMS. Chi tiết về khả năng và giới hạn của SMS Community Version có thể xem trên trang wiki “SMS Community Version”.
Có thể tải SMS từ trang tải xuống trên website của nhà phát triển. Bộ cài SMS sẽ cài đặt cả SMS và SRH-2D. Khi khởi động SMS lần đầu, sẽ xuất hiện thông báo không tìm thấy giấy phép, kèm tùy chọn Đăng ký SMS (Register SMS) hoặc dùng Community Edition. Nếu chọn Community Edition thì không cần đăng ký thêm.
Cần mã giấy phép để đăng ký phần mềm. Người mua giấy phép thương mại sẽ nhận mã giấy phép kèm theo khi mua. Với người dùng cơ quan chính phủ (FHWA hoặc DOT), giấy phép sẽ do nhân sự của FHWA Resource Team cấp. Trên trang đăng ký có tùy chọn yêu cầu cấp giấy phép. Trên trang yêu cầu giấy phép (xem Hình A.2) có các lựa chọn: mua giấy phép thương mại, yêu cầu giấy phép chính phủ, nhận bản đánh giá đầy đủ tính năng trong 2 tuần, hoặc yêu cầu phiên bản cộng đồng.
Hiện FHWA cung cấp giấy phép “pro” của SMS kèm giao diện tùy biến SRH-2D cho toàn bộ nhân sự của FHWA và các Sở Giao thông vận tải (DOT) cấp bang. Người dùng khác có thể dùng phiên bản cộng đồng miễn phí hoặc mua giấy phép thương mại. Nhân sự FHWA và DOT cấp bang nhận giấy phép thông qua FHWA Resource Center; các đối tượng khác nhận giấy phép từ Aquaveo.
Lời người dịch:
Các nội dung tiếp theo của Phụ lục này có sẵn trên những trang web nêu ở phần trên, chúng có thể xem online với chế độ ngôn ngữ tiếng Việt trong trình duyệt Chrome của Google.
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.