THIẾT LẬP MÔ HÌNH HEC – HMS DỰ BÁO LƯU VỰC NƯỚC VÀO HỒ TUYÊN QUANG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ KHOA CƠ HỌC KỸ THUẬT VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ THIẾT LẬP MƠ HÌNH HEC – HMS DỰ BÁO LƯU VỰC NƯỚC VÀO HỒ TUYÊN QUANG Giảng viên hướng dẫn : Ths Dương Thị Thanh Hương Sinh viên thực : Trương Khánh Duy Lớp : K63 – H2 MSSV : 18020415  BÁO CÁO VỀ THIẾT LẬP MƠ HÌNH HEC-HMS DỰ BÁO LƯU VỰC NƯỚC VÀO HỒ TUYÊN QUANG GỒM: PHẦN I: Tổng quan mơ hình HEC-HMS PHẦN II: Lưu vực nghiên cứu (Lưu vực Tuyên Quang) PHẦN III: Thiết lập mơ hình: - Số liệu đầu vào - Thiết lập mơ hình (Phân chia lưu vực,…) PHẦN IV: Kết mô trận lũ PHẦN V: Kết luận PHẦN I: Tổng quan mơ hình HEC-HMS Giới thiệu phần mềm HEC - HMS (Hydrologic Engineering Center - Hydrologic Model System) sản phẩm tập thể kỹ sư thủy văn thuộc hiệp hội thủy văn qn đội Hoa Kỳ Mơ hình góp phần quan trọng việc tính tốn dịng chảy lũ sơng nhỏ, khơng có trạm đo lưu lượng Hình 1: Cửa sổ phần mềm HEC – HMS 1.1 Ứng dụng phần mềm HEC- HMS xây dựng dựa sở lý luận mơ hình HEC-1 nhằm mơ q trình mưa - dịng chảy Mơ hình bao gồm hầu hết phương pháp tính dịng chảy lưu vực diễn tốn, phân tích đường tần suất lưu lượng, cơng trình xả hồ chứa vỡ đập mơ hình HEC-1 Mơ hình HEC – HMS thích hợp cho việc tính tốn dịng chảy lũ sơng khơng có trạm đo lưu lượng, trước có trạm đo lưu lượng trạm đo khơng cịn họat động, thích hợp cho việc tính tốn mơ lưu vực nhỏ Cơ sở lý thuyết phần mềm Mô hình HEC - HMS được sử dụng để mô phỏng quá trình hình thành dòng chảy lũ lưu vực theo sơ đồ sau: Tổn thất (Z) Đường lũ đơn vị Mưa (X) Dòng Chảy (Y) Đường trình lũ (Q ~t) Y=X–Z qP Ta hình dung chất hình thành dịng chảy trận lũ sau: Khi mưa bắt đầu rơi thời điểm t i đó, dịng chảy mặt chưa hình thành, lượng mưa ban đầu tập trung cho việc làm ướt bề mặt thấm Khi cường độ mưa vượt cường độ thấm (mưa hiệu quả) bề mặt bắt đầu hình thành dòng chảy, chảy tràn bề mặt lưu vực, sau tập trung vào mạng lưới sơng suối Sau đổ vào sơng, dịng chảy chuyển động hạ lưu, q trình chuyển động dịng chảy bị biến dạng ảnh hưởng đặc điểm hình thái độ nhám lịng sơng Theo sơ đờ này HEC - HMS bao gồm tổ hợp nhiều phương pháp tính toán: Tính tốn mưa bình qn lưu vực Tính tốn tổn thất bề mặt lưu vực Tính toán dòng chảy đơn vị Diễn toán dòng chảy lũ Diễn toán dịng chảy qua hồ chưa Diễn tốn dịng chảy qua cơng trình hồ chưa (Đập, tràn xả lũ, cửa lấy nước …) + Tổn thất + Chuyển đổi dòng chảy + Diễn tốn kênh hở + Tính tốn mưa - dịng chảy + Hiệu chỉnh thơng số 2.1 Các phương pháp tính mưa mơ hình Trong phần mềm HEC – HMS bao gồm phương pháp tính tốn mưa bình quân lưu vực sau:  Phương pháp biểu đồ mưa  Phương pháp tính mưa bình quân  Phương pháp bình quân số học  Phương pháp trung bình có trọng số  Phương pháp đa giác Theissen  Phương pháp đường đẳng trị mưa 2.2.1 Phương pháp biểu đồ mưa Mưa sử dụng đầu vào cho q trình tính tốn dịng chảy lưu vực Mơ hình HEC- HMS mơ hình thơng số tập trung, lưu vực có trạm đo mưa đại diện Lượng mưa xem mưa bình quân lưu vực (phân bố đồng tồn lưu vực) Dù mưa tính theo cách tạo nên biểu đồ mưa hình Biểu đồ mưa biểu thị chiều sâu lớp nước trung bình thời đoạn tính tốn Hình 2: Biểu đồ mưa tính tốn 2.2.2 Phương pháp tính mưa bình qn lưu vực  Tính mưa theo phương pháp trung bình số học Lớp nước mưa trung bình lưu vực giá trị trung bình số học lượng mưa trạm đo mưa nằm lưu vực  Tính mưa theo phương pháp trung bình có trọng số  Phương pháp đa giác Theissen Trọng số hệ số tỷ lệ phần diện tích lưu vực trạm mưa nằm lưu vực bên cạnh lưu vực đại biểu với tồn diện tích lưu vực  Phương pháp đường đẳng trị mưa: Trọng số tỷ số diện tích kẹp hai đường đẳng trị mưa diện tích tồn lưu vực Hình 3: Phương pháp tính mưa theo đa giá Theissen đường đẳng trị mưa 2.2 Các phương pháp tính tổn thất Nước mưa điền trũng thấm gọi lượng tổn thất HEC-HMS Lượng điền trũng thấm biểu thị lượng trữ nước bề mặt hay cỏ, lượng tích đọng cục bề mặt đất, vết nứt, kẽ hở mặt đất nước khơng tự di chuyển dòng chảy mặt đất Thấm biểu thị di chuyển nước xuống vùng nằm mặt đất Hai nhân tố quan trọng nên ý tính tốn tổn thất mưa Thứ nhất, lượng mưa khơng tham gia vào q trình dịng chảy coi bị tổn thất từ hệ thống Thứ hai, phương trình dùng để tính tốn lượng tổn thất khơng tính đến phục hồi độ ẩm hay lượng trữ bề mặt đất Mơ hình HEC-HMS có phương pháp dùng để tính tốn tổn thất - Phương pháp tốc độ thấm ban đầu thấm ổn định (Intial and Constant Rate) - Phương pháp số CN (SCS Curve Number) - Phương pháp tính thấm Green Ampt - Phương pháp tính tốn độ ẩm đất (Soil Moisture Accounting) 2.2.1 Phương pháp tốc độ thấm ban đầu thấm ổn định (Intial and Constant Rate) Khái niệm phương pháp là: Tỷ lệ tiềm lớn tổn thất mưa fc, khơng đổi suốt trận mưa Do vậy, p t lượng mưa khoảng thời gian từ t đến t + t, lượng mưa hiệu pet thời đoạn cho bởi: pet = pt – fc pt  fc (2.3) pet = pt  fc Lượng mưa hiệu tính theo công thức: pet =  pi  Ia pet = pt - fc  pi  Ia pt  fc (2.4) pet =  pi  Ia pt fc 2.2.2 Phương pháp số thấm CN (SCS Curve Number) Ta thấy, trận mưa, độ sâu hiệu dụng hay độ sâu dịng chảy trực tiếp Pe khơng vượt q độ sâu mưa P Tương tự vậy, sau trình dỏng chảy bắt đầu, độ sâu nước bị cầm giữ có thực lưu vực F a nhỏ độ sâu nước cầm giữ tiềm tối đa S (hình 4) Ta cịn có lượng mưa Ia bị tổn thất hết nên khơng sinh dịng chảy, lượng tổn thất ban đầu trước thời điểm sinh nước đọng bề mặt lưu vực Do đó, ta có lượng dòng chảy tiềm P – Ia Trong phương pháp SCS, người ta giả thieets rằng: tỷ số hai đại lượng có thực P e Fa với tỷ số hai đại lượng tiềm P – Ia S Vậy ta có: Fa P = e S P−I a (2.5) Từ nguyên lý liên tục, ta có: P = P e + Ia + F a Kết hợp (2.5) (2.6) để giải: Pe= (2.6) ( P−I a ) P−I a +S (2.7) Đó phương trình phương pháp SCS để tính độ sâu mưa hiệu dụng hay dịng chảy trực tiếp từ trận mưa Cường độ mưa Ia Pe Fa Thời gian Hình Tổn thất dịng chảy theo phương pháp SCS 2.2.3 Phương pháp tính thấm Green Ampt Frônt ướt biên giới rõ rệt phân chia đất có hàm lượng ẩm θi bên với đất bão hồ có hàm lượng ẩm η bên Front ướt thâm nhập vào đất tới độ sâu L thời điểm t tính từ thấm bắt đầu Trên mặt đất có lớp nước đọng mỏng với chiều sâu h0 ho Vùng ướt (độ ẩm K) L Front ướt Hình Các biến số phương pháp thấm Green- Ampt Khi áp dụng mơ hình Green- Ampt cần phải ước lượng thông số K, η ψ 2.2.4 Phương pháp tính tốn độ ẩm đất (Soil Moisture Accounting) Phương pháp tính tốn độ ẩm đất ( SMA ) dùng hệ thống bể chứa lớp bao gồm trữ nước tầng cùng, trữ nước bề mặt, tầng sát mặt đất hai tầng ngầm với bốc để mơ thấm Dung tích trữ tỉ lệ thấm lớn xác định riêng biệt từ lưu vực đơn vị SMA, nhiều lưu vực dùng đơn vị SMA Sơ đồ biểu diễn tổn thất tính tốn mưa- dịng chảy: Hình Sơ đồ tính thấm theo độ ẩm đất Tính tốn thấm cho bước thời gian tính trước bốc Lượng trữ yêu cầu cho bước thời gian theo trình tự sau: + Trữ tầng + Trữ bề mặt + Trữ lớp đất sát mặt + Nước ngầm tầng + Nước ngầm tầng Bốc tính tốn theo trình tự sau: + Canopy interception ( Bị giữ tán cây) + Surface depression ( Điền trũng) + Surface runoff ( Dòng chảy mặt) + Soil profile storage ( Lớp đất sát mặt ) 2.3 Đường trình lũ đơn vị Đường trình đơn vị đồ thị hàm phản ứng dải xung đơn vị hệ thống thủy văn tuyến tính Nó mơ hình đơn giản mà ta sử dụng để xây dựng đường q trình dịng chảy sông tạo lượng mưa vượt thấm Lý thuyết mơ hình gắn liền với giả thiết sau: * Mưa vượt thấm có cường độ mưa khơng đổi suốt thời gian mưa * Mưa vượt thấm phân bố tồn diện tích lưu vực * Thời gian đáy đường q trình dịng chảy trực tiếp (tức thời gian trì dịng chảy trực tiếp) tạo mưa vượt thấm thời gian mưa cho trước khơng đổi * Tung độ đường q trình dịng chảy trực tiếp thời gian đáy chung tỷ lệ thuận với tổng lượng dòng chảy trực tiếp biểu thị đường trình * Đối với lưu vực ch trước, đường q trình dịng chảy tạo trận mưa hiệu dụng cho trước phản ánh đặc trưng không thay đổi lưu vực Đường đơn vị đưa trực tiếp vào chương trình đường đơn vị tổng hợp tính tốn từ thơng số cung cấp người sử dụng 2.3.1 Phương pháp Phương trình chập thời gian rời rạc cho phép ta tính tốn lưu lượng dịng chảy trực tiếp Qn cho mưa vượt thấm Um đường trình đơn vị Xn-m+1 Biểu đồ mưa hiệu chuyển thành dòng chảy lưu vực cách sử dụng phương trình sau: n≤M Qn = ∑ U m X n−m+1 m=1 Khi đường trình đơn vị xác định, ta áp dụng để tính biểu đồ q trình dịng chảy trực tiếp q trình dịng chảy sơng 2.3.2 Đường q trình đơn vị tổng hợp Phương pháp xây dựng đường trình đơn vị từ số liệu mưa dòng chảy áp dụng cho lưu vực cho vị trí dịng sơng có số liệu đo đạc dịng chảy Có kiểu đường q trình đơn vị tổng hợp là: (1) đường trình đơn vị dựa theo mối quan hệ đặc trưng hình dạng đường cong, (2) đường q trình đơn vị khơng thứ nguyên, (3) đường trình đơn vị dựa mơ hình lượng trữ nước lưu vực A Đường trình đơn vị tổng hợp Clark Nước trữ thời đoạn ngắn khu vực: đất, bề mặt kênh đóng vai trị quan trong việc chuyển lượng mưa hiệu thành dòng chảy Mơ hình bể chứa tuyến tính biểu thị chung tác động tới trữ Mô hình bắt đầu với phương trình liên tục: dS =I (t )−Q(t ) dt (2.16) dS Trong đó: dt lượng trữ nước hệ thống thời gian t I(t) lưu lượng chảy vào hồ chứa thời điểm t Q(t) lưu lượng chảy khỏi hồ chứa thời điểm t B Đường trình đơn vị tổng hợp Snyder Ta, xác định đặc trưng cần thiết đường trình đơn vị thời gian mưa hiệu dụng cho trước: lưu lượng đỉnh đơn vị diện tích q pR, thời gian trễ lưu vực tpR, thời gian đáy tb chiều rộng W đường trình đơn vị tung độ 50% 75% lưu lượng đỉnh Sử dụng đặc trưng này, ta vẽ đường trình đơn vị yêu cầu Snyder đưa định nghĩa đường trình đơn vị chuẩn Đó đường đơn vị có thời gian mưa tr liên hệ với thời gian trễ lưu vực qua phương trình: = 5.5*tr C Đường đơn vị tổng hợp khơng thứ ngun SCS Trong đường q trình đơn vị không thứ nguyên này, tung độ lưu lượng biểu thị tỷ số lưu lượng q so với lưu lượng đỉnh q p thời gian biểu thị tỷ số thời gian t so với thời gian nước lên Tp đường trình đơn vị D Đường đơn vị xác định người sử dụng Cho phép điều khiển xác mối quan hệ kinh nghiệm đơn vị lượng mưa dòng chảy trực tiếp nhận Tung độ đường trình phải nhập vào thời đoạn bước thời gian mơ hình Các thơng số u cầu tung độ đường trình thời đoạn tung độ E Phương pháp sóng động học ( Kinematic Wave) Phương pháp sóng động học dùng phương trình liên tục phương trình động lượng để chuyển lượng mưa hiệu thành dịng chảy (sẽ trình bày phần dưới) F Phương pháp Mod Clack Phương pháp Mod Clack phương pháp chuyển đổi tuyến tính áp dụng lưu vực có dạng lưới Lượng mưa vượt thấm cho có thời gian trễ diễn tốn hồ chứa tuyến tính Mỗi ô chứa thông tin toạ độ, diện tích số thời gian chảy truyền lưu vực Thời gian trễ cho ô theo số thời gian tập trung nước, lưu vực có hệ số trữ Các thông số yêu cầu thời gian tập trung nước toàn lưu vực, thời gian chảy truyền hệ số trữ lưới 2.4 Tính tốn dịng chảy ngầm Dịng chảy sơng bao gồm hai thành phần: dịng chảy mặt nước mưa cung cấp, dòng chảy ngầm nguồn nước ngầm cung cấp Vì lượng dịng chảy ngầm cấp cho sông tương đối ổn định, không phụ thuộc rõ rệt vào lượng mưa dòng chảy mặt cho nên, tính tốn dịng chảy từ mưa người ta tính lớp dịng chảy mặt, sau cộng thêm thành phần dòng chảy ngầm để xác định dòng chảy thực đo Dịng chảy ngầm khơng đo đạc trực tiếp mà tính theo suy đốn hợp lý Mơ hình HEC-HMS cung cấp phương pháp tính dịng chảy ngầm: thường xảy mùa mưa bão với lượng mưa trung bình hàng năm đạt từ 1.700 - 1.500 mm Nhiệt độ trung bình hàng năm đạt 22 - 240C Cao trung bình 33 - 350C, thấp trung bình từ 12 - 130C; tháng lạnh tháng 11 12 (âm lịch) gây tượng sương muối   Tỉnh Tuyên Quang nằm trung tâm lưu vực sơng Lơ, sơng Gâm, sơng Phó Đáy Mạng lưới sơng ngịi tỉnh tương đối dày với mật độ 0.9km/km² phân bố đồng Ở lưu vực có đặt trạm mưa Đồng Văn, Yên Minh, Bảo Lạc, Bắc Mê, Đầu Đẳng, Chợ Rã, NaHang, Chiêm Hố Gồm có 30 lưu vực, nhánh sơng trạm mưa : Lưu vực: - W520,W550,W600,W760,W750,W670,W660,W620,W690,W780,W770,W720, W680,W610,W540,W450,W430,W460,W500,W420,W440,W480,W470,W560, W650,W640,W570,W590,W630,W710 Trạm mưa: - BacMe - BaoLac - ChiemHoa - ChoRa - DauDang - DongVan - NaHang PHẦN III: THIẾT LẬP MƠ HÌNH HEC – HMS DỰ BÁO LƯU LƯỢNG NƯỚC VÀO HỒ TUYÊN QUANG Từ 1h00 ngày 01/09/2020 đến 19h00 ngày 30/09/2020 - Mơ hình lưu vực bao gồm: +30 luu vực (chấm xanh hình) +13 hợp lưu nơi lưu vực chảy nước (chấm màu đỏ hình) + Các đoạn sơng (đường màu đỏ) + Điểm chảy cuối tất lưu vực, hợp lưu - Lượng mưa thiết kế (mưa ngày max, mưa giờ, thu phóng mơ hình mưa ngày thành mưa thiết kế) - Tài liệu thơng tin lưu vực: Diện tích lưu vực, phân chia diện tích lưu vực theo lưu vực con, đồ lưu vực … - Tài liệu liên quan lưu vực sông: Các sông nhánh, sơng - Tài liệu thực đo lưu lượng lũ lưu vực, tài liệu dịng chảy, mực nước, khí tượng thủy văn khu vực … Sơ đồ tính tốn lưu vực mơ hình HEC_HMS Các kí hiệu bắt đầu là: + W kí hiệu lưu vực + J kí hiệu hợp lưu + R kí hiệu đoạn sơng + Outlet: điểm cuối toàn lưu vực Tuyên Quang Khai báo thông số trận mưa *Khai báo đơn vị tính, thời gian tính Đơn vị tính: milimeters Khoảng cách lần đo liên tục: *Khai báo thời gian mưa Tên trạm đo: BacMe Thời gian: 1h00 01/09/2020 đến 19h00 30/09/2020 *Nhập số liệu mưa Xem dạng đồ thị Tương tự cách nhập dạng số liệu lại: Lưu lượng, mực nước,… Khai báo đặc trưng lưu vực bao gồm: ngầm) Diện tích lưu vực: Phương pháp tính tổn thất: Phương pháp diễn tốn: Phương pháp cắt nước ngầm: 100 km2 SCS Cuve Number Snyder Unit Hydrograph None (hiện mơ hình khơng xét đến nước Khai báo thông số tổn thất thấm Khai báo diễn tốn dịng chảy Khai báo đặc trưng đoạn sơng + Phương pháp diễn tốn sông: + Tổn thất thấm đoạn sông: Muskingum Bỏ qua Khai báo mơ hình khí tượng + Kết nối mơ hình khí tượng với chuỗi số liệu khí tượng thực đo, mơ hình khí tượng với mơ hình lưu vực Tạo mơ hình điều khiển: Control Specifications Manager Vào Componets/ Control Specifications Manager Khai báo thời gian mô Mô Kết Dạng đặc trưng Dạng đồ thị Thay đổi phương pháp Recession  phương pháp Nonlinear Boussinesq Đồ thị lưu vực: W600 W760 Đồ thị hợp lưu: J121 J137 Đồ thị đoạn sông: R220 R270 So sánh số liệu tính tốn phần mềm excel Trường hợp 1: So sánh phương pháp Recession phương pháp Nonlinear Boussinesq (Đường màu xanh số liệu pp Recession, đường màu cam số liệu pp Nonlinear Boussinesq) Trường hợp 2: Phương pháp Nonlinear Boussinesq với: Initial Discharge (m3/s):8; Ratio: 0.4; Conductivity (mm/hr):10; Porosity: 0.3 (Đường màu xanh số liệu thực tế, đường màu cam số liệu tính tốn từ phần mềm) PHẦN IV: KẾT LUẬN 4.1 Kết tính tốn HEC – HMS Quan sát kết tính tốn thu từ phần mềm HEC – HMS sau thực vẽ đồ thị phần mềm Excel rút số nhận xét: Lưu lượng nước chảy vào hồ Tuyên Quang nhìn chung tăng dần theo thời gian tính tốn, có giai đoạn tăng nhanh (1h00 ngày 01/09/2020 đến 19h00 ngày 30/09/2020) Lưu lượng nước vào hồ đạt cực đại ngày 25/09/2020 (> 26000 m3/s vào lúc 2h9h) Lưu lượng nước vào hồ đạt ngày 01/09/2020 (240 m3/s) Các giai đoạn từ ngày 07/09 14/09, lưu lượng chảy vào hồ Tuyên Quang tăng mạnh, giải đoạn từ ngày 14/09  22/09, lưu lượng vào hồ giảm dần khơng q mạnh, giai đoạn cịn lại tháng, lưu lượng ổn định 4.2 So sánh kết tính tốn với kết thực đo - Khi so sánh hai phương pháp Recession phương pháp Nonlinear Boussinesq cho thấy có chênh lệch tương đối - Với thông số kết hợp với việc quan sát dạng đồ thị số liệu tính tốn so sánh với số liệu thực đo đem đối chiếu có khác biệt lớn, đặc biệt từ ngày 07/09 trở - Nguyên nhân đến từ việc thơng số cho phương pháp chưa thực phù hợp, sử dụng đến lượng mưa ghi nhận từ trạm mưa số trạm mưa liên quan đến lưu vực Tuyên Quang (ngay em giảm thơng số phương pháp)  dẫn tới số liệu kết tính tốn từ Hec-Hms có chênh lệch lớn so với file kết thực đo mà cô cung cấp Trong trình tiếp thu kiến thức truyền đạt, chuẩn bị tìm hiểu nghiên cứu đề tài, , kiến thức chun ngành thuỷ khí cịn hạn chế, nên báo cáo em cịn nhiều sai sót, em mong quan tâm, đóng góp ý kiến để báo cáo em hồn thiện đầy đủ Lời cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn hai cô Dương Thị Thu Hương cô Trần Thu Hà cho em hội tiếp cận với môn học, hướng dẫn, bảo cho bọn em nhiệt tình chu đáo !!! Chúc hai cô dồi sức khoẻ nhiệt huyết nghiệp trồng người ạ!!