CHƯƠNG 1 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ VĂN TRỰC ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY VĂN MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY LŨ ĐẾN HỒ CHỨA NƯỚC ĐỊNH BÌNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY Đà[.]
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ VĂN TRỰC ỨNG DỤNG MƠ HÌNH THỦY VĂN MƠ PHỎNG DỊNG CHẢY LŨ ĐẾN HỒ CHỨA NƯỚC ĐỊNH BÌNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY Đà Nẵng - Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ VĂN TRỰC ỨNG DỤNG MƠ HÌNH THỦY VĂN MƠ PHỎNG DỊNG CHẢY LŨ ĐẾN HỒ CHỨA NƯỚC ĐỊNH BÌNH Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình thủy Mã số: 60.58.02.02 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH THỦY Người hướng dẫn khoa học: TS TÔ THÚY NGA Đà Nẵng - Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Lê Văn Trực TÓM TẮT LUẬN VĂN ỨNG DỤNG MƠ HÌNH THỦY VĂN MƠ PHỎNG DỊNG CHẢY LŨ ĐẾN HỒ CHỨA NƯỚC ĐỊNH BÌNH Học viên: Lê Văn Trực Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng cơng trình thủy Mã số: 60.58.02 02 Khóa:2016-2018 Trường Đại học Bách khoa -ĐHĐN Tóm tắt - Hồ Định Bình hồ chứa nhân tạo lớn Bình định- vùng duyên hải VN Với chiều dài 612m cao 54m, dung tích hồ chứa đến 226.106 m3 nước Nó cung cấp nguồn nước tưới tiêu cho 30.000ha cung cấp nước cho 800.000 người Tuy nhiên, nằm thượng nguồn hệ thống sông kôn, nơi thiên tai lũ lụt thường xuyên xảy nghiêm trọng, hoạt động hồ Định Bình chứa nhiều rủi ro tiềm ẩn hạ lưu Với mục đích đánh giá rủi ro tiềm ẩn, nghiên cứu thực cách ứng dụng phần mềm Hec-Hms để mơ hình hóa dịng chảy thượng lưu hệ thống sơng Kone nhằm phục vụ cho công tác dự báo lũ sông để giảm thiểu thiệt hại cho dân vùng Kết tính tốn hiệu chỉnh trận mưa lũ xảy năm 2013, 2016 2017 Từ khóa – Lưu vực hồ Định Bình, mơ dịng chảy lũ đến hồ, mơ hình Hec-Hms HYDROLOGIC MODELLING FOR THE SIMULATION OF RAINFALLRUNOFF AT DINH BINH RESERVOIR Student: Le Van Truc Major: Civil Engineering Code:60.58.02.02.Course:2016-2018 University of Technology – Da Nang university Summary – Dinh Binh reservoir is the largest artificial reservoir in Binh Dinh - a coastal area of Vietnam With a length of 612m and a height of 54m, the lake capacity can hold up to 226,106 m3 of water It provides irrigation water for more than 30,000 hectares and supplies water to 800,000 people However, in the upper part of the river system, where floods occur frequently and severely, the operation of the reservoir poses many potential risks to the downstream areas For the purpose of assessing potential risks, this study was conducted by applying Hec-Hms software to model the upstream flow of the Kone river system for flood forecasting and to minimize damage to local people Results of the analysis have been corrected by floods occurring in 2013, 2016 and 2017 Keywords - Dinh Binh reservoir, Hydrologic Modelling Simulation, Hec-Hms model MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN TÓM TẮT LUẬN VĂN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU DANH MỤC CÁC BẢNG 10 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ……………………………………………………………… 11 Mở đầu……………………………………………………………………………………… 12 1.Tính cấp thiết đề tài 12 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 14 Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài: 14 Phương pháp nghiên cứu: 14 Nội dung nguyên cứu: 14 Ý nghĩa thực tiễn đề tài: 15 Bố cục nội dung luận văn 15 Kế hoạch thực đề tài 15 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC HỒ CHỨA NƯỚC ĐỊNH BÌNH 16 1.1.1 Đặc điểm địa lý tự nhiên: 16 a Vị trí địa lý khu vực 16 b Đặc điểm địa hình, địa mạo 17 c Đặc điểm địa chất 17 d Điều kiện thổ nhưỡng, thảm thực vật 18 1.1.2 Điều kiện khí tượng, thủy văn: 18 a Khí Tượng: 20 b Thủy Văn: 20 c Dòng chảy năm: 22 d Dòng chảy lũ 25 e Dòng chảy kiệt 26 NHẬN XÉT 26 f Tài liệu nghiên cứu: 28 1.3 CÁC TRẬN LỤT LỊCH SỬ: 28 1.4 HỒ CHỨA NƯỚC ĐỊNH BÌNH 29 1.4.1 Tổng quan: 29 1.4.2 Vai trị Hồ chứa nước Định Bình điều tiết dịng chảy lũ hạ lưu sơng Kơn: ………………………………………………………….………………………………… 30 1.5 Tổng quan cơng trình ngun cứu ngập lụt Thế giới Việt Nam: 31 CHƯƠNG 2: THIẾT LẬP MƠ HÌNH THỦY VĂN 31 2.1 GIỚI THIỆU MƠ HÌNH HEC-HMS 34 2.1.1.Giới thiệu mô hình 34 2.1.2 Mô thành phần lưu vực 34 2.1.3 Khả mơ hình 35 2.2 LÝ THUYẾT MƠ HÌNH 36 2.2.1 Mưa 36 2.2.2 Tổn thất 38 2.2.3 Chuyển đổi dòng chảy 45 2.2.4 Tính tốn dịng chảy ngầm 52 2.2.5 Diễn tốn dịng chảy 54 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MƠ HÌNH HEC-HMS MƠ PHỎNG DỊNG CHẢY LŨ ĐẾN HỒ CHỨA NƯỚC ĐỊNH BÌNH………………………………………………………………….63 3.1 Thiết lập mơ hình thủy văn HEC-HMS cho lưu vực thượng nguồn hồ Định Bình…………………………………………………………………………… ………… .63 3.1.1 VỊ TRÍ LƯU VỰC TÍNH TỐN 63 3.1.2 ĐƯA LƯU VỰC TÍNH TỐN VÀO MƠ HÌNH 63 3.1.3 Tạo project mới…………………………………………………………… 64 3.1.4 Nhập thông tin tiểu lưu vực 64 3.1.5 Nhập thông tin mơ đun kiểm sốt 65 3.1.6 Nhập liệu mưa 65 3.2 CƠ SỞ DỮ LIỆU TỪ CÁC TRẠM 65 3.2.1 Yêu cầu số liệu đầu vào 65 3.2.2 Phân tích, xử lý số liệu 65 3.3 Hiệu chỉnh thơng số mơ hình……………………………………… …………….69 3.4 Xây dựng thông số mô hình HEC–HMS để mơ dịng chảy lũ đến hồ chứa nước Định Bình………………………………………… …………………………… 69 3.5 KẾT QUẢ HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM NGHIỆM MƠ PHỎNG BẰNG MƠ HÌNH HECHMS … 70 3.5.1 Hiệu chỉnh mơ hình 70 3.5.2 Kiểm nghiệm mơ hình 72 3.5.3 Phân tích, đánh giá, nhận xét kết mô 74 3.5.4 Nhận xét kết hiệu chỉnh, kiểm định …………………………… ………….74 3.6 BỘ THƠNG SỐ CỦA MƠ HÌNH HEC-HMS CHO CÁC TRẬN LŨ………………… 75 3.7 DỰ BÁO THỬ NGHIỆM BẰNG MƠ HÌNH HEC-HMS .76 Kết luận: 77 Kiến nghị: 79 Tài liệu tham khảo 80 Quyết định giao đề tài 81 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC CHỮ VIẾT TẮT TCKT TCTL GDP KTTV MNDBT MNLTK MNC MNLKT MNHL BNN TT :Tiêu chuẩn kỹ thuật :Tiêu chuẩn thủy lợi : Cơ cấu sản phẩm : Khí tượng thủy văn : Mực nước dâng bình thường : Mực nước lũ thiết kế : Mực nước chết : Mực nước lũ kiểm tra : Mực nước hạ lưu : Bộ Nông nghiệp : Thứ tự CÁC KÝ HIỆU F P% Q t Qp% Vc VMNDBT X Znc Z U Wtb Qđh R RMSE E : Diện tích lưu vực (Km2) : Tần suất : Lưu lượng : Thời gian : Lưu lượng tương ứng với tần suất : Thể tích chết : Thể tích mực nước dâng bình thường : Lượng mưa năm : Lượng bốc đo mực nước : Mực nước : Lượng ẩm : Dung tích tồn : Lưu lượng điển hình : Hệ số NASH : Sai số tuyệt đối cặp giá trị : Sai số tương quan cặp 10 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 0.1: Các thông số kỹ thuật hồ Định Bình: 13 Bảng 1.1: Các đặc trưng lưu vực hồ Định Bình 17 Bảng 2: Thống kê trận lũ lịch sử tỉnh Bình Định 28 Bảng 1.3: Các thơng số chủ yếu hồ chứa nước Định Bình 30 Bảng 3.1: Trọng số trạm mưa thượng nguồn lưu vực Hồ Định Bình 63 Bảng 3.2: Số liệu mưa trận lũ từ ngày 06h.15/11/2013- 07h.18/11/2013 66 Bảng 3.3: Số liệu mưa trận lũ từ ngày 0h.15/12/2016- 23h.17/12/2016 67 Bảng 3.4: Số liệu mưa trận lũ từ ngày 7h.03/11/2017- 23h 06/11/2017 68 Bảng 3.5: Chỉ tiêu Nash-Sutcliffe trận lũ 74 Bảng 3.6: Sơ đồ trình dự báo lũ 77 33 đến hồ chứa, từ xây dựng sở khoa học vận hành hệ thống hồ chứa phịng lũ cho lưu vực sơng Cả Năm 2011, Nguyễn Hữu Khải, Đã nghiên cứu tính tốn điều hành hệ thống hồ chứa lưu vực sông Ba mùa lũ mùa cạn, tác giả áp dụng mơ hình HEC-RESSIM, MIKE 11 để mơ tính tốn thủy văn, điều tiết hồ chứa, thủy lực, kết nghiên cứu làm sở để tác giả đề xuất Quy trình vận hành liên hồ chứa lưu vực sông Ba Năm 2013, Tô Thúy Nga, dùng mơ hình MOPHONGLU tác giả viết để dự báo lũ hồ phục vụ cho toán vận hành liên hồ chứa thủy điện lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn mùa lũ theo thời gian thực cho đảm bảo lợi ích mục tiêu phát điện hồ chứa, đồng thời giảm thiểu thiệt hại lũ gây cho hạ du Nhìn chung cơng trình nghiên cứu Việt Nam sử dụng mơ hình mơ cơng cụ chủ yếu để vận hành quản lý hồ chứa, dự báo lũ lụt 1.5.3 Tình hình nghiên cứu dự báo lũ cho hệ thống sông Kôn – Hà Thanh - Ủy ban nhân dân tỉnh Bình Định có dự án “ Xây dựng phương án phòng chống lũ, lụt cho hạ du đập hồ nước Định Bình Liên danh Viện khoa học thủy lợi Miền Trung phịng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia động lực học sông biển làm - Nguyễn Bá Tùng, Nguyễn Quang Ngân, Nguyễn Đức Anh, Nguyễn Nhật Cường (2017) ứng dụng mơ hình Hec –HMS dự báo lũ lưu vực sông Kôn – Hà Thanh 34 CHƯƠNG 2: THIẾT LẬP MƠ HÌNH THỦY VĂN 2.1 GIỚI THIỆU MƠ HÌNH HEC-HMS 2.1.1.Giới thiệu mơ hình Mơ hình HEC sản phẩm tập thể kỹ sư thuỷ văn thuộc quân đội Hoa Kỳ HEC-1 góp phần quan trọng việc tính tốn dịng chảy lũ sơng nhỏ khơng có trạm đo lưu lượng Tính thời điểm này, có khơng đề tài nghiên cứu khả ứng dụng thực tế Phiên HEC- HMS version 2.0, phiên HEC- HMS version 4.2 tháng năm 2016 Phần mềm bao gồm : giao diện đồ họa, thành phần phân tích thủy văn, lưu trữ số liệu, công cụ quản lý ghi Chương trình kết hợp ngơn ngữ lập trình C, C++ Fortran Phương tiện tính tốn giao diện đồ họa lập trình theo hướng đối tượng C++ Các thuật toán thủy văn viết Fortran tổ chức thư viện Lib Hydro Quản lý số liệu trình bày dùng thư viện HEC- Lib Mặc dù kết hợp chương trình có tách biệt rõ ràng giao diện, cơng cụ tính tốn lưu trữ số liệu 2.1.2 Mơ thành phần lưu vực Các đặc trưng vật lý khu vực sông miêu tả mơ hình lưu vực Các yếu tố thủy văn như: lưu vực con, đoạn sông, hợp lưu, phân lưu, hồ chứa, nguồn, hồ, đầm gắn kết hệ thống mạng lưới để tính tốn q trình dịng chảy Các q trình tính tốn thượng lưu đến hạ lưu + Tính tốn mưa - dịng chảy Chương trình tính tốn tạo cách kết hợp mơ hình lưu vực, mơ hình khí tượng - thủy văn mơ hình điều khiển chương trình Các kết tính tốn xem từ lược đồ mơ hình lưu vực Bảng tổng kết chung bảng tổng kết phần chứa thông tin lưu lượng đỉnh lũ tổng lượng Mỗi yếu tố có bảng tổng kết đồ thị + Tổn thất Một tập hợp phương pháp khác có sẵn mơ hình để tính tốn tổn thất Có thể lựa chọn phương pháp tính tốn tổn thất số phương pháp: Phương pháp tính thấm theo hai giai đoạn- Thấm ban đầu thấm số (Initial and Constant), thấm theo số đường cong thấm quan bảo vệ đất Hoa Kỳ(SCS Curve Number), thấm theo Gridded SCS Number thấm 35 theo hàm Green and Ampt Phương pháp Deficit and Constant áp dụng cho mơ hình liên tục đơn giản Phương pháp tính độ ẩm đất bao gồm lớp đước áp dụng cho mơ hình mơ q trình thấm phức tạp bao gồm bốc + Chuyển đổi dịng chảy Có nhiều phương pháp để chuyển lượng mưa hiệu thành dòng chảy bề mặt khu vực Các phương pháp đường đơn vị bao gồm: đường đơn vị tổng hợp Clack, Snyder đường đơn vị không thứ nguyên quan bảo vệ đất Hoa Kỳ Ngoài phương pháp tung độ đường đơn vị xác định người sử dụng dùng Phương pháp Clark sửa đổi (Mod Clark) phương pháp đường đơn vị không phân bố tuyến tính dùng với lưới mưa Mơ hình cịn bao gồm phương pháp sóng động học + Diễn tốn kênh hở Một số phương pháp diễn toán thủy văn bao gồm để tính tốn dịng chảy kênh hở Diễn tốn mà khơng tính đến suy giảm mơ phương pháp trễ Mơ hình bao gồm phương pháp diễn tốn truyền thống Muskingum Phương pháp Puls sửa đổi dùng để mô đoạn sông chuỗi thác nước, bể chứa với quan hệ lượng trữ - dòng chảy xác định người sử dụng Các kênh có mặt cắt ngang hình thang, hình chữ nhật, hình tam giác hay hình cong mơ với phương pháp sóng động học hay Muskingum- Cunge Các kênh có diện tích bãi mô với phương pháp Muskingum- Cunge phương pháp mặt cắt ngang điểm + Hiệu chỉnh thông số Hầu hết thông số phương pháp có mơ hình lưu vực yếu tố đoạn sơng ước tính phương pháp dị tìm tối ưu Mơ hình gồm có hàm mục tiêu để dị tìm thơng số Việc dị tìm thơng số tối ưu nhằm mục đích tìm thơng số thích hợp kết tính toán phù hợp với kết thực đo Số liệu đầu vào kết tính biểu thị hệ đơn vị mét hay đơn vị Anh tự động chuyển cần thiết 2.1.3 Khả mơ hình Về lý thuyết, HEC- HMS 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 36 lượng, cơng trình xả hồ chứa vỡ đập mơ hình HEC-1 Chức phân tích thiệt hại lũ khơng xây dựng mơ hình HEC-HMS mà trình bày phần mềm HEC-FDA Những phương pháp tính tốn đề cập mơ hình HEC-HMS : tính tốn đường q trình liên tục thời đoạn dài tính tốn dịng chảy phân bố sở ô lưới lưu vực Việc tính tốn liên tục dùng bể chứa đơn giản biểu thị độ ẩm đất hay phức tạp mơ hình bể chứa bao gồm trữ nước tầng cùng, trữ nước bề mặt, lớp đất hai tầng ngầm Dịng chảy phân bố theo khơng gian tính tốn theo chuyển đổi phân bố phi tuyến (Mod Clak) mưa thấm 2.2 LÝ THUYẾT MƠ HÌNH Mơ hình HEC-HMS sử dụng để mơ q trình mưa - dịng chảy xảy lưu vực cụ thể Ta biểu thị mơ hình sơ đồ sau: Đường lũ đơn vị Tổn thất(P) Mưa (X) > Dòng chảy (Y) -> Đường trình lũ (Q~t) Y=X-P qp Ta hình dung chất hình thành dịng chảy trận lũ sau: Khi mưa bắt đầu rơi thời điểm ti 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 dịng 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, trình chuyển động dòng chảy bị biến dạng ảnh hưởng đặc điểm hình thái độ nhám lịng sơng 2.2.1 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 (mm/ giờ) Cường độ mưa 37 (mm/giờ) t0 t1 t2 t3 t4 t5 Thời gian (giờ ) Hình 2.1: Biểu đồ mưa *Mưa tính 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 n X X i i 1 n (2.1) Trong đó: Xi : lượng mưa trạm thứ i n : số trạm đo mưa lưu vực * Mưa tính theo phương pháp trung bình có trọng số: + Phương pháp đa giác Thiessen: 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 Diện tích phận khống chế trạm mưa xác định sau: Nối liền trạm đo mưa đoạn thẳng chia lưu vực thành nhiều hình tam giác, kẻ đường trung trực cạnh tam giác, đường giới hạn diện tích phận trạm đo Lượng mưa trung bình lưu vực tính theo cơng thức sau: 38 n X X i 1 n f i 1 fi i i (2.2) Trong đó: Xi : lượng mưa đo trạm thứ i fi : diện tích lưu vực phận thứ i n : số trạm đo mưa ( số diện tích lưu vực phận ) + Phương pháp đường đẳng trị mưa: Trọng số diện tích kẹp hai đường đẳng trị mưa tính lượng mưa trung bình theo cơng thức (2.2) Trong đó: Xi lượng mưa trung bình hai đường đẳng trị mưa kề nhau, fi diện tích phận nằm hai đường 2.2.2 Tổn thất Nước mưa điền trũng thấm gọi lượng tổn thất HECHMS 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 Thực tế cho biết chương trình HEC-HMS mơ hình có xu áp dụng cho tượng mưa - lũ đóng Tính tốn tổn thất mưa sử dụng theo đường đơn vị hay thành phần mơ hình sóng động học Trong trường hợp dùng thành phần đường đơn vị, lượng tổn thất xem toàn lưu vực (phân bố toàn lưu vực) Theo cách khác lượng tổn thất mưa riêng biệt xác định cho vùng dịng chảy riêng biệt mặt đất thành phần sóng động học Lượng tổn thất xem phân bố tồn vùng dịng chảy tràn qua Trong vài trường hợp cá biệt có lượng tổn thất khơng đáng kể theo vị trí lưu vực Điều cho vùng hồ tự nhiên, hồ nhân 39 tạo hay vùng không thấm Trong trường hợp tổn thất khơng tính tốn theo phần trăm xác định diện tích khơng thấm Mơ hình HEC-HMS có phương pháp dùng để tính tốn tổn thất Dùng phương pháp ta tính lượng tổn thất trung bình thời đoạn tính tốn, lượng mưa hiệu dùng để tính tốn đường q trình dịng chảy cho lưu vực Một hệ số khơng thấm tính theo phần trăm sử dụng với phương pháp để bảo đảm phần diện tích khơng thấm 100% mưa sinh dòng chảy a.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, pt 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 Quá trình thấm cường độ thấm Ia đó, sau giảm dần đạt tới giá trị không đổi fc Tổn thất ban đầu thêm vào mơ hình để biểu thị hệ số trữ nước lưu vực Hệ số trữ kết giữ nước thảm phủ thực vật lưu vực, nước trữ chỗ lõm bị thấm hay bốc gọi tổn thất điền trũng Tổn thất xảy trước hình thành dịng chảy lưu vực Khi lượng mưa rơi lưu vực chưa vượt lượng tổn thất ban đầu chưa sinh dịng chảy Lượng mưa hiệu tính theo cơng thức: pet = pi Ia pet = pt - fc pi Ia pt fc pet = (2.4) pi Ia pt fc Những thông số phương pháp biểu thị đặc trưng vật lý lớp đất lưu vực, điều kiện ẩm kỳ trước Nếu lưu vực điều kiện bão hòa ẩm, tổn thất ban đầu tiến dần tới Nếu lưu vực khô hạn, tổn thất ban đầu lớn biểu thị lớp nước mưa lớn rơi lưu vực không sinh dịng chảy, điều phụ thuộc vào địa hình lưu vực, việc sử dụng đất, loại đất việc xử lý đất b SCS Curve Number (Chỉ số CN) 40 Cơ quan bảo vệ thổ nhưỡng Hoa Kỳ (1972) phát triển phương pháp để tính tổn thất dòng chảy từ mưa gọi phương pháp SCS Mục đích thành lập hệ thống phân loại đất để sử dụng đồ dùng đất toàn quốc Ta thấy, trận mưa, độ sâu mưa hiệu dụng hay độ sâu dòng chảy trực tiếp Pe không vượt độ sâu mưa P Tương tự vậy, sau q trình dịng chảy bắt đầu, độ sâu nước bị cầm giữ có thực lưu vực Fa nhỏ độ sâu nước cầm giữ tiềm tối đa S 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 dịng chảy tiềm P – Ia Trong phương pháp SCS, người ta giả thiết rằng: tỷ số hai đại lượng có thực Pe Fa với tỷ số hai đại lượng tiềm P – Ia S Vậy ta có: Fa Pe S P Ia (2.5) Từ nguyên lý liên tục, ta có: P = Pe + Ia + Fa (2.6) Kết hợp (2.5) (2.6) để giải: Pe P I a 2 P Ia S m a đ ộ C n g (2.7) Đó phương trình phương pháp SCS để tính độ sâu mưa hiệu dụng hay dòng chảy trực tiếp từ trận mưa Pe Ia Fa T h Hình 2.2: Tổn thất dịng chảy theo ờphương pháp SCS i Qua nghiên cứu kết thực nghiệm nhiều lưu vực nhỏ, người ta g xây dựng qua hệ kinh nghiệm: i a Ia = 0,2*S (2.8) n 41 Do đó: Pe P 0,2S 2 P 0,8S (2.9) Lập đồ thị quan hệ P Pe số liệu nhiều lưu vực, người ta tìm họ đường cong Để tiêu chuẩn hoá đường cong này, người ta sử dụng số liệu đường cong CN làm thơng số Đó số không thứ nguyên, lấy giá trị khoảng (0100) Đối với bề mặt không thấm nước mặt nước, CN = 100; bề mặt tự nhiên, CN < 100 Theo phương pháp này, lưu vực chia thành nhỏ CN tính tốn cho nhỏ, sau lấy giá trị trung bình cho toàn lưu vực: n CN ( II ) A CN i i 1 i n A i 1 (2.10) i Trong đó: CN(II) độ ẩm thời kỳ trước đất điều kiện bình thường Ai diện tích tính tốn lưu vực CNi độ ẩm tính tốn n số tính tốn Số hiệu đường cong CN S liên hệ với qua phương trình: 1000 10 * CN CN 25400 254 * CN Hoặc S = CN S= (hệ Anh) (2.11) (hệ mét) (2.12) Độ ẩm đất trước trận mưa xét gọi độ ẩm kỳ trước Độ ẩm chia thành ba nhóm: độ ẩm kỳ trước điều kiện bình thường (ký hiệu AMC II), điều kiện khô (AMC I) điều kiện ướt (AMC III) Đối với điều kiện khô ( AMC I ) điều kiện ướt ( AMC III ), số liệu đường cong tương đương suy sau: CN ( I ) 4.2 * CN ( II ) 10 0.0568* CN ( II ) (2.13) 23 * CN ( II ) 10 0.13 * CN ( II ) (2.14) CN ( III ) 42 Các số hiệu đường cong CN quan bảo vệ thổ nhưỡng Hoa Kỳ lập thành bảng tính sẵn dựa phân loại đất tình hình sử dụng đất Đất phân thành nhóm theo định nghĩa sẵn sau: Nhóm A: cát tầng sâu, hoàng thổ sâu phù sa kết tập Nhóm B: hồng thổ nơng, đất mùn pha cát Nhóm C: mùn pha sét, mùn pha cát tầng nơng, đất có hàm lượng chất hữu thấp đất pha sét cao Nhóm D: đất nở rõ rệt ướt, đất sét dẻo nặng đất nhiễm mặn Nếu lưu vực tạo thành nhiều loại đất có nhiều tình hình sử dụng đất khác nhau, ta tính giá trị hỗn hợp CN c Phương pháp tính thấm Green Ampt Green Ampt (1911) đề nghị tranh giản hoá thấm minh hoạ hình 2.3 Front ướt biên giới rõ rệt phân chia đất có hàm lượng ẩm i bên với đất bão hồ có hàm lượng ẩm 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 r i e Hình 3: Các biến số phương pháp thấm Green- Ampt Xét cột đất thẳng đứng có diện tích mặt cắt ngang đơn vị xác định thể tích kiểm tra thể tích bao quanh đất ướt mặt đất độ sâu L Nếu lúc đầu, đất có hàm lượng ẩm i toàn chiều sâu hàm lượng ẩm đất tăng lên từ i tới (độ rỗng) front ướt qua Hàm lượng ẩm i tỷ số thể tích nước đất so với tổng thể tích bên thể tích kiểm tra, lượng gia tăng nước trữ bên thể tích kiểm tra thấm 43 L( - i ) đơn vị diện tích mặt cắt ngang Độ sâu luỹ tích nước mưa thấm vào đất tính: F(t) = L( - i ) = L (2.15) Với = ( - i ) Khi tìm F, ta xác định tốc độ thấm f phương trình sau: f (t ) K 1 F (t ) Trong đó: (2.16) K độ dẫn thuỷ lực đất cột nước mao dẫn front ướt khả thấm tầng đất F độ sâu luỹ tích nước thấm vào đất F (t ) F (t ) Kt ln1 (2.17) Phương trình (2.17) phương trình phi tuyến F, giải phương trình phương pháp thay liên tiếp Cho trước giá trị K, t, Trước hết, giả thiết giá trị thăm dò F gán vào vế phải (2.17) (nên chọn giá trị thăm dò F = Kt), từ tính giá trị F vế trái Giá trị lại coi giá trị thăm dò thứ hai F để gán vào vế phải, lặp lại giá trị tính tốn F hội tụ số Giá trị tính tốn cuối F thay vào (2.16) để xác định tốc độ thấm tiềm f tương ứng Khi áp dụng mơ hình Green- Ampt cần phải ước lượng thông số K, Quan hệ biến đổi cột nước mao dẫn độ dẫn thuỷ lực theo hàm lượng ẩm Brooks Corey (1964) nghiên cứu Qua nhiều thí nghiệm nhiều loại đất khác nhau, hai ông kết luận cột nước mao dẫn biểu thị hàm logarit độ bão hoà hiệu dụng se d 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, 44 nhiều lưu vực dùng đơn vị SMA Sơ đồ biểu diễn tổn thất tính tốn mưa- dịng chảy Mưa ( Precipitation) Bốc hơi( Evapotranspiration) Canopy Interception (Bị giữ tán cây) Dòng chảy từ tán (Canopy Overflow) Surface (Depressi on) (Điền trũng) Tension Zone ( Vùng) )căn mặt) Soil Profile (trắc điện) (Trắc điện đất) Subsurface (Dòng chảy ngầm) (Surface Runoff) Thấm qua mặt đất (Infiltratio n) (Vùng căng mặt ngoài) Groundwater 1( lớp nước ngầm 1) (Lớp nước ngầm 1) (Subsurface Subsurface Runoff) Runoff Dòngchảymặt Groundwater 2( lớp nước ngầm 2) Percolati (Thấm ) (Percolatio n) Percolati (Thấ m) (Perco (Lớp nước ngầm 2) Percolation(Thấm tầnglation) Deep sâu) (Dòng chảy ngầm) Hình 2.4: Sơ đồ tính thấm theo độ ẩm đất Dịng chảy Tính tốn thấm cho bước thời gian tính trước bốc Lượng ngầm trữ yêu cầu cho bước thời gian theo trình tự sau: + Trữ tầng + Trữ bề mặt + Trữ lớp đất sát mặt 45 + Nước ngầm tầng + Nước ngầm tầng Lượng mưa rơi xuống lưu vực trước tiên giữ bề mặt Sau trữ đủ mưa trữ vào bề mặt đất Nước thấm từ bề mặt xuống lớp đất theo tỉ lệ tăng dần đến tỉ lệ thấm lớn Khi lượng tích đọng bề mặt đủ, mưa vượt tỉ lệ thấm lớn trở thành mưa hiệu sinh dòng chảy mặt Nước lớp đất thấm xuống tầng ngầm Nước tầng ngầm tạo thành dòng chảy ngầm chảy với tốc độ chậm sau thấm xuống tầng ngầm Nước tầng ngầm hình thành dịng chảy ngầm tiếp tục thấm sâu xuống tầng khơng thấm 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) Bốc mặt nước xảy có lớp nước mưa bề mặt đất Một thời gian sau mưa, bề mặt khô chuyển sang bốc mặt đất 2.2.3 Chuyển đổi dòng chảy a Đường đơn vị Tải FULL (82 trang): https://bit.ly/3ilFHPV Dự phịng: fb.com/TaiHo123doc.net Đường q trình đơn vị đồ thị hàm phản ứng dải xung đơn vị hệ thống thuỷ văn tuyến tính Do Sherman đưa vào năm 1932, đường trình đơn vị (lúc đầu gọi biểu đồ đơn vị) định nghĩa đường q trình dịng chảy trực tiếp tạo inch mưa vượt thấm (hay 1cm hệ met) phân bố lưu vực theo cường độ mưa không đổi đơn vị thời gian Đầu tiên, Sherman dùng từ “đơn vị” để đơn vị thời gian, sau từ “đơn vị” dùng để đơn vị độ sâu mưa vượt thấm Đường trình đơn vị mơ hình đơn giản mà ta sử dụng để xây dựng đường trình dịng chảy sơng 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 46 * 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 cho trước, đường q trình dịng chảy tạo trận mưa hiệu dụng cho trước phản ánh đặc trưng không thay đổi lưu vực Trong điều kiện tự nhiên, giả thiết thoả mãn hoàn toàn Tuy nhiên số liệu thuỷ văn dùng tính tốn chọn lọc để phù hợp tốt với giả thiết kết tính mơ hình đường đơn vị nói chung chấp nhận tính tốn thực tiễn (Heerdergen, 1974) Đường đơn vị đưa trực tiếp vào chương trình đường đơn vị tổng hợp tính tốn từ thơng số cung cấp người sử dụng Tải FULL (82 trang): https://bit.ly/3ilFHPV Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net 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 Xnm+1 Biểu đồ mưa hiệu chuyển thành dịng chảy lưu vực cách sử dụng phương trình sau: Qn n M U m 1 m X n m 1 (2.18) Ta cần áp dụng trình giải nghịch để suy đường trình đơn vị từ số liệu cho Um Qn Giả sử trận mưa tính tốn có M dải xung mưa vượt thấm N lưu lượng dịng chảy trực tiếp Ta thành lập N phương trình cho Qi, i = 1, 2, …, N theo N - M + ẩn đường trình đơn vị theo bảng sau: Q1 = U1X1 Q2 = U X1 + U X2 Q3 = U3X1 + U2X2 + U1X3 47 … QM = UMX1 + UM-1X2 +… + U1XM QM+1 = + UMX2 +… + U2XM + U1XM+1 … QN-1 =0 + +… + + +… + UMXN-M + UM-1XN-M-1 QN =0 + +… + + +… + + UMXN-M+1 Nếu Qn, Um giá trị cho trước Xn-m+1 giá trị cần tìm hệ phương trình bảng hệ vơ định, số phương trình N nhiều số ẩn N-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 Chọn biểu đồ trình mưa ước lượng tổn thất dòng chảy để xác định biểu đồ trình mưa vượt thấm Thời khoảng dùng để xác định tung độ đường trình mưa vượt thấm phải giống thời khoảng đường trình đơn vị Áp dụng phương trình (3.15), ta xác định đường q trình dịng chảy trực tiếp Đường q trình dịng chảy cộng thêm đường q trình dịng chảy đáy ước tính cho ta đường q trình dịng chảy sơng b 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 Người ta sử dụng thủ tục tính tốn đường trình đơn vị tổng hợp để xây dựng đường trình đơn vị cho địa điểm khác sông cho lưu vực kế cận đủ số liệu đo đạc có đặc điểm tương tự 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 (lưu lượng đỉnh, thời gian đáy…) với đặc trưng lưa vực(Snyder, 1938; Gray, 1961), (2) đường q trình đơn vị khơng thứ ngun (cơ quan bảo vệ thổ nhưỡng Hoa Kỳ, 1972), (3) đường q trình đơn vị dựa mơ hình lượng trữ nước lưu vực (Clark, 1943) A Đường trình đơn vị tổng hợp Clark Nước trữ thời đoạn ngắn khu vực: đất, bề mặt kênh đóng vai trị quan trọng việc chuyển lượng mưa hiệu 7740391 ... giả luận văn Lê Văn Trực TÓM TẮT LUẬN VĂN ỨNG DỤNG MƠ HÌNH THỦY VĂN MƠ PHỎNG DỊNG CHẢY LŨ ĐẾN HỒ CHỨA NƯỚC ĐỊNH BÌNH Học viên: Lê Văn Trực Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng cơng trình thủy Mã số:... pháp ứng dụng mơ hình tốn: dựa khả ứng dụng phổ cập mơ hình, nghiên cứu sử dụng mơ hình thủy văn phù hợp để mơ dịng chảy lũ đến hồ chứa nước Định Bình Nội dung nguyên cứu: - Thu thập số liệu thủy. .. 54 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MƠ HÌNH HEC-HMS MƠ PHỎNG DỊNG CHẢY LŨ ĐẾN HỒ CHỨA NƯỚC ĐỊNH BÌNH………………………………………………………………….63 3.1 Thiết lập mơ hình thủy văn HEC-HMS cho lưu vực thượng nguồn hồ Định Bình……………………………………………………………………………