Cho phộp mụ phỏng cỏc quỏ trỡnh, hiện tượng thuỷvăn, sựvậnđộng phức tạp của nước trong tựnhiờn dưới dạng cỏcphương tỡnh toỏn, logic.- Năm 60s, Uỷban sụng Mekongứng dụng mụ hỡnh SSARR Mỹ,
9/11/2014 MƠ HÌNH TỐN THỦY VĂN TẤT ĐỊNH TS Vũ Thanh Tú vutu@wru.vn BM Mơ hình tốn & DBKTTV, Giáo trình Mơ hình tốn thủy văn Keith J Beven (2002), Rainfall – Runoff modelling, John Wiley & Sons, LTD Daniel P Loucks et al (2005), Water Resources Systems Planning and Management, UN Educational, The Netherlands MỞ ĐẦU Mơ hình lưu vực đa dạng có ý nghĩa khác u cầu tính tốn nghiên cứu: - Quy hoạch phát triển - Thiết kế - Vận hành quản lý Mơ hình: Mơ q trình tự nhiên dịng chảy, bùn cát, chất lưu vực Các nghiên cứu: - Lũ lụt, hạn hán - Xói mịn, vận chuyển bùn cát - Ơ nhiễm nước - Xâm nhập mặn, Mơ hình vật lý Mơ hình vật lý: hệ vật lý mô lại cho lực chủ yếu tác dụng lên hệ mơ mơ hình tỷ lệ xác với hệ vật lý thực tế Thường sử dụng việc mô phỏng, nghiên cứu ảnh hưởng nhám bề mặt, dòng chảy bề mặt, sườn dốc tới vùng tiếp nhận Overview of Crane Beach Physical Model 9/11/2014 Mơ hình tốn Mơ hình thuỷ văn Mơ hình tốn: sử dụng phương trình tốn học để mơ tả tượng, diễn biến hệ thống Mơ hình tốn khơng sử dụng ngành kỹ thuật khoa học tự nhiên mà ngành khoa học xã hội, kinh tế Mơ hình thuỷ lực Mathematically, this process is described in the figure Mơ hình khơng gian Mơ hình khơng gian: phân tích đánh giá q trình có xét tới yếu tố liên quan tới địa lý (không gian) Chương I: Khái niệm mơ hình tốn thuỷ văn 1.1 Mục đích, ý nghĩa mơ hình tốn thuỷ văn Lý mà cần mơ hình hố ? - kỹ thuật đo đạc thuỷ văn nhiều hạn chế - liệu thu bị hạn chế thời gian khơng gian Mục đích việc sử dụng mơ hình ? - đưa dự báo có ích - nâng cao khả định quy hoạch tài nguyên nước, phòng lũ, giảm thiểu ô nhiễm, cấp phép sử dụng nước Hỗ trợ cho việc phân tích, đánh giá phân bổ tài nguyên để có kế hoạch khai thác hợp lý Trong điều kiện thay đổi thời tiết qua năm địi hỏi phải cải tiến mơ hình => Nâng cao khả định 9/11/2014 1.2 Q trình phát triển mơ hình tốn TV - Thành tựu phát triển lĩnh vực vật lý, tốn học với máy tính điện tử Cho phép mơ q trình, tượng thuỷ văn, vận động phức tạp nước tự nhiên dạng phương tình tốn, logic - Năm 60s, Uỷ ban sơng Mekong ứng dụng mơ hình SSARR (Mỹ), DELTA (Pháp) - Năm 70s, Mơ hình TANK (Nhật), ARMA Càng phức tạp có nghĩa có nhiều thơng số, có nhiều thơng số có nhiều vấn đề hiệu chỉnh, có nhiều vấn đề hiệu chỉnh có nhiều tính bất định tính tốn, 1.3 Phân loại mơ hình tốn thuỷ văn 1.3.1 Tiêu chí phân loại - Theo phương pháp tiếp cận - Theo loại toán - Theo tên gọi 1.3.2 Phân loại theo phương pháp tiếp cận - Mơ hình tập trung, mơ hình phân bố Mơ hình phân bố thực phép tính tốn đuợc phân bố theo khơng gian, cách phân chia lưu vực thành nhiều phận hay lưới giải phương trình cho biến toàn cục liên quan đến tất lưới Mơ hình tập trung coi lưu vực đơn vị với biến toàn cục trung bình hố tồn lưu vực 9/11/2014 - Mơ hình số lượng, mơ hình chất lượng nước Mô hình thống kê Mô hình nớc mặt Mô hình số lợng nớc Mô hình nớc ngầm Mô hình bùn cát Mô hình tất định MH dòng chảy sờn dốc MH dòng chảy sông MH quy hoach quản lý Mô hình chất lợng nớc Mô hình truyền chất - Mơ hình tất định, mơ hình ngẫu nhiên Mơ hình ngẫu nhiên coi q trình thuỷ văn mang tính ngẫu nhiên chuỗi số tập hợp giá trị tuân theo cỏc quy lut thng kờ Mô hình tất định Mô hình hộp đen MH tham số tập trung Mô hình nhận thức MH tham số phân bố Mụ hỡnh tất định coi trình thuỷ văn kết tất nhiên yếu tố vât lý 9/11/2014 + Hệ số/chỉ số hiệu Nash (EI) 1.4 Các tiêu đánh giá sai số n EI = ∑(X i =1 n i − X ) − ∑ ( X i − Yi ) i =1 n ∑ ( X i − X )2 i =1 + Độ lệch chuẩn (s) n sx = ∑ (X i =1 i n − X )2 ∑ (Y sy = n −1 i =1 i − Y )2 n −1 + Hệ số tương quan (R) ∑ ((X n A mathematical model fitted to Kettlewell's data The points are the experimental data; the solid curve is the model, and the error bars are 95% confidence The dashed curve is the model corrected + Sai số đỉnh (PPE) PPE = Yp − X p Xp × 100 VY − V X × 100 VX + Sai số tổng lượng (PVE) PVE = + Root Mean Square Error (RMSE) RMSE = n ∑ ( X i − Yi ) n i =1 cov XY R= sx s y cov XY = i =1 i )( − X × Yi − Y )) n −1 + Sai số trung bình trị tuyệt đối (MAE) MAE = n ∑ X i − Yi n i =1 + Sai số phần trăm trung bình (MPE) MPE = n X i − Yi ∑ n i=1 X i ×100 Trong đó: Xi : giá trị đo đạc thời điểm i Yi: giá trị tính tốn thời điểm i n : tổng số số liệu X : trung bình giá trị đo đạc Y : trung bình giá trị tính tốn Xp : giá trị lớn thực đo Yp : giá trị lớn tính tốn VX : tổng lượng dịng chảy đo đạc VY : tổng lượng dịng chảy tính tốn 9/11/2014 1.5 Các bước ứng dụng mơ hình tốn 1.5.1 Lựa chọn mơ hình tốn - Trong số mơ hình có, mơ hình thoả mãn cơng việc đặt hạn chế áp dụng ? Nên kế hoạch chọn mơ hình - Danh sách mơ hình xem xét - Các giả thiết mà mơ hình đưa ra, - Danh sách số liệu đầu vào - Danh sách giá trị tính tốn - Sử dụng mơ hình tập trung hay mơ hình phân bố ? - Sử dụng mơ hình tất định hay mơ hình ngẫu nhiên ? Liệu có mơ hình phù hợp với u cầu cơng việc chưa? - Mơ hình tính tốn giá trị mà dự án yêu cầu không? - Các giả thiết mơ hình có phù hợp với lưu vực tính tốn khơng ? - Với ngân sách thời gian hạn chế, tất liệu đầu vào mơ hình đáp ứng khơng? - Có thể xây dựng mơ hình khơng? 1.5.2 Hiệu chỉnh thơng số mơ hình Các thơng số dùng để biểu thị nhân tố quan hệ nhân tố ảnh hưởng đến trình dịng chảy mơ mơ hình, bao gồm: thơng số vật lý, thơng số q trình Các thơng số vật lý biểu thị đặc tính lưu vực hứng nước, mặt đệm xác định khoảng thời gian tính tốn thường đại biểu cho lưu vực Các thơng số q trình thơng số dùng mơ q trình thành phần mơ hình Ước tính thơng số việc đo đạc sử dụng kết tính tốn có gặp nhiều khó khăn Nên thơng số xác định thông qua bước hiệu chỉnh thông số 9/11/2014 Hiệu chỉnh thơng số mơ hình xác định gía trị thơng số mơ tốt qúa trình dịng chảy mặt cắt cửa lưu vực Mơ hình mơ tốt q trình dịng chảy tính tốn thực đo có thích hợp q trình lũ lên, xuống, thời điểm giá trị xuất đỉnh Các phương pháp xác định thơng số mơ hình + Thử sai Dựa việc tính thử kiểm tra sai số nhiều lần Các bước thực hiện: - Giả thiết giá trị ban đầu thơng số cần hiệu chỉnh - Tính tốn, so sánh kết đầu mơ hình với số liệu thực đo - Phân tích phù hợp dựa Nguyên nhân làm cho việc hiệu chỉnh thơng số trở nên khó khăn: - kỹ thuật đo đạc: phạm vi yêu cầu, sai số đo đạc - cấu trúc mơ hình tiêu chuẩn đánh giá độ xác + Phân tích độ nhạy thơng số mơ hình Lưu ý: - Giá trị thơng số có biên định - Hiểu rõ mơ hình ứng dụng: cách mơ phỏng, mức độ ảnh hưởng thông số - Hiểu rõ lưu vực nghiên cứu, cân dòng chảy - Hiệu chỉnh thơng số q trình trước - Thử dần phản ứng với thơng số q trình thử sai Trong thơng số phân thơng số phụ hay nhạy khơng nhạy Những thông số mà thay đổi nhỏ giá trị chúng nhận thấy phản ứng rõ rệt qua biến đổi độ lớn hình dạng đường q trình dịng chảy coi chúng thơng số M B C D E F 9/11/2014 Đánh giá độ nhạy thông số Độ nhạy phụ thuộc vào thời kỳ sử dụng liệu đặc biệt thành phần cụ thể mơ hình thử nghiệm thực tế với thời kỳ định - Sử dụng phương pháp thử sai đơn giản: Tăng, giảm giá trị thông số 10%, 20%, biểu diễn kết lên biểu đồ xét vai trị thơng số - Đánh giá tổ hợp thông số: Cách giải khác chạy mơ hình vừa đủ để đánh giá mơ hình tồn thơng số Nếu khơng (nếu thành phần sinh dòng chảy vượt thấm xét với mưa cực lớn) thơng số liên quan tới thành phần xuất cách mờ nhạt khơng nhạy Ví dụ mơ hình đơn giản với thông số: - xác lập khoảng giá trị cho thông số sử dụng 10 vi phân riêng lẻ khoảng giá trị thông số - tính tốn với tất tổ hợp thơng số - chấm giá trị tính phù hợp lên biểu đồ xác định mặt đặc trưng thông số dạng đường đồng mức Độ nhạy thường đánh giá dựa vùng thông số xác định tốt thông số xác định tối ưu sau hiệu chỉnh mơ hình Một số tốn thơng dụng vướng mắc độ khơng nhạy thông số: - xảy thông số ảnh hưởng tới kết mơ hình khoảng giới hạn giá trị - thành phần mô hình khơng liên quan chủ động tới thơng số q trình chạy mơ hình Mặt đặc trưng xét theo chiều thông số với kết phù hợp biểu diễn đương đồng mức 9/11/2014 + Tối ưu hố thơng số Tối ưu hố q trình thường cho lặp liên tục cho số liệu thực đo với tính tốn từ mơ hình phù hợp, mơ hình mơ tốt trung thực chuỗi số liệu Nhiều kết tính tốn lợi cho phép đánh giá tính khơng ổn định kết tính tốn; sau sử dụng tính khơng ổn định cho q trình định dự án sử dụng mơ hình Nếu khơng phải thơng số tối ưu mà nhiều thông số cho kết mơ chấp nhận việc kiểm định Một thông số tối ưu cho ta kết tính tốn Nhiều thơng số chấp nhận cho ta hàng loạt kết tính tốn lại mơ hình khó khăn 1.5.3 Kiểm định thơng số mơ hình 1.5.4 Ứng dụng mơ hình Kiểm định mơ hình thực cách chọn năm có đủ số liệu thực đo mưa, dịng chảy, dựa giá trị thơng số mơ hình xác định, thực tính tốn xác định q trình dịng chảy so sánh với giá trị thực đo + Mơ Nếu q trình dịng chảy thực đo tính tốn bước kiểm định phù hợp đảm bảo độ xác coi thơng số mơ hình xác định đảm bảo yêu cầu 9/11/2014 + Dự báo 10 10/17/2014 Cấu trúc mơ hình a Bể tuyết Nếu T > 00C lượng tuyết tan chuyển xuống bể mặt: Q melt = C Smelt T Trong Bốc biến đổi Ut Lượng bốc thoát tiềm bể chứa mặt Ep Nếu lượng ẩm U (bốc EU = Min(Ep, Ut) bể chứa mặt nhỏ nhu cầu này, lượng ẩm từ tầng rễ chuyển lên theo tốc độ Ea CSmelt = mm/ngày/K hệ số tuyết tan ngày b Bể chứa mặt Umax đặc trưng cho giới hạn trữ nước tối đa bể Lượng nước Ut, bể chứa mặt giảm dần bốc hơi, thất thoát theo phương nằm ngang (dòng chảy sát mặt) Khi U > Umax, phần lượng nước vượt ngưỡng PN chảy vào suối dạng dòng chảy tràn bề mặt, phần lại chuyển xuống bể sát mặt bể ngầm c Bể sát mặt (bể tầng rễ cây) Biểu thị lớp đất mà thực vật hút nước để thoát ẩm Lượng ẩm bể chứa đặc trưng đại lượng L Lượng ẩm ảnh hưởng đến lượng nước xuống bể chứa ngầm để bổ sung nước ngầm Ut (2) = Ut(1) - EU Ut (3) = Ut(2) - QIF Ut (4) = Ut(3) Ut(3) < Umax Ut (4) = Umax Ut(3) ≥ Umax d Bể ngầm Biểu thị tầng nước ngầm Lmax đặc trưng cho lượng ẩm tối đa mà bể chứa Lượng ẩm chuyển lên bể mặt theo tỷ lệ: Ea = EU Lt Lmax 10/17/2014 b/ Dòng chảy sát mặt Diễn tốn dịng chảy a/ Dịng chảy mặt Khi U ≥ Umax, lượng nước vượt ngưỡng PN hình thành dòng chảy mặt (QOF) thấm xuống (INF) L / Lmax − CLOF PN L / Lmax > CLOF CQOF − CLOF QOF = 0 L / Lmax ≤ CLOF Trong đó: CQOF hệ số dòng chảy mặt CLOF (0 ≤ CQOF ≤ 1) ngưỡng dòng chảy mặt (0 ≤ CLOF ≤ 1) Dòng chảy sát mặt, QIF, giả thiết tỉ lệ thuận với U biến đổi tuyến tính với độ ẩm tương đối bể chứa tầng rễ L / Lmax − CL IF U L / Lmax > CL IF CQ IF − CL IF QIF = 0 L / Lmax ≤ CL IF Trong đó: CLIF : giá trị ngưỡng dòng chảy sát mặt (0 ≤ CLIF ≤ 1) Lưu ý rằng: Ut (3) = Ut(2) - QIF • Phần cịn lại INF = PN – QOF làm tăng lượng ẩm bể chứa tầng rễ lượng DL, lại thấm xuống tầng sâu bổ xung cho bể chứa ngầm G DL = PN – QOF – G c/ Bổ sung dòng chảy ngầm Lượng nước thấm xuống G, bổ sung cho bể chứa ngầm phụ thuộc vào độ ẩm đất tầng rễ cây: L / Lmax − CLG L / Lmax > CLG (PN − QOF ) − CLG G= 0 L / Lmax ≤ CLG Trong đó: CLG: giá trị ngưỡng lượng nước bổ sung cho tầng ngầm (0 ≤ CLG ≤ 1) Dịng chảy ngầm diễn tốn thơng qua bể chứa tuyến tính với số thời gian CKBF BF u ,t ∆t ∆t = G (1 − e− CK BF ) + BF u ,t −1 e− CK BF Sự truyền ẩm từ bể ngầm lên bể chứa tầng rễ giả thiết phụ thuộc vào độ sâu tàng nước ngầm GWL tỉ lệ lượng ẩm bể chứa tầng rễ CAFLUX = ∆t ⋅ 1(day) L t −1 GWL t −1 1 − ⋅ L max GWLFL1 −α Lt = Lt −1 + CAFLUX + DL − E L Mực nước ngầm thay đổi: GWLt = GWLt −1 + BFt −1 + CAFLUX − BFu ,t 10/17/2014 d/ Diễn tốn dịng chảy mặt dịng chảy sát mặt Thơng số mơ hình Dịng chảy mặt dịng chảy sát mặt diễn tốn thơng qua bể chứa tuyến tính theo chuỗi thời gian với số thời gian CK1 CK2: Bể ∆t ∆t − − CK1 CK1 1,t −1 t , t = − + e OF e QOF OF ∆t ∆t − − CK1 CK1 1,t −1 , t , t = − + e e IF Q IF IF Bể ∆t − CK , t t = − OF e OF ∆t − CK t , t = − e IF IF ∆t − CK t −1 + OF e ∆t − CK t −1 + IF e OFt −1 − β OFt −1 > OFmin CK1 = CK1 OFmin OFmin: mức tối thiểu diễn tốn dịng chảy theo hàm tuyến tính bậc cao Các thơng số hiệu chỉnh mơ hình NAM Th số MH Lượng nước tối đa bể chứa tầng rễ Lmax gọi lượng ẩm tối đa tầng rễ để thực vật hút để thoat nước Umax Lượng nước tối đa bể chứa mặt Lượng trữ gọi lượng nước để điền trũng, rơi mặt thực vật, chứa vài Cm bề mặt đất CQOF Hệ số dòng chảy mặt (0 ≤ CQOF ≤ 1) CQOF định phân phối mưa hiệu cho dòng chảy ngầm thấm CLOF Giá trị ngưỡng dòng chảy mặt (0 ≤ CLOF ≤ 1) Dịng chảy mặt hình thành lượng ẩm tương đối đất tầng rễ lớn CLOF CLIF Giá trị ngưỡng dòng chảy sát mặt (0 ≤ CLIF ≤ 1) Dòng chảy sát mặt hình thành số ẩm tương đối tầng rễ lớn CLIF e/ Diễn tốn dịng chảy ngầm ∆t −1 BF t = 1( day ) (GWLFL − GWL t ).S y CK BF GWLt ≤ GWLFL0 f/ Tổng lượng dòng chảy Qt = OFt + IFt + BFt Các thơng số hiệu chỉnh mơ hình NAM (tiếp) Mơ tả Lmax Điều kiện ban đầu Điều kiện ban đầu theo u cầu mơ hình NAM gồm: CLG CKIF Giá trị ngưỡng lượng nước bổ sung cho dòng chảy ngầm (0 ≤ CLG ≤ 1) Lượng nước bổ sung cho bể chứa ngầm hình thành số ẩm tương đối tầng rễ lớn CLG Hằng số thời gian dòng chảy sát mặt CKIF với Umax định dòng chảy sát mặt Nó chi phối thơng số siễn tốn dịng chảy sát mặt CKIF >> CK1,2 CK1,2 Hằng số thời gian cho diễn tốn dịng chảy mặt sát mặt Dịng chảy mặt dịng chảy sát mặt diễn tốn theo bể chứa tuyến tính theo chuỗi với số thời gian CK1, CKBF Hằng số thời gian dòng chảy ngầm Dòng chảy ngầm từ bể chứa ngầm tạo sử dụng mơ hình bể chứa tuyến tính với số thời gian CKBF Lượng nước bể tuyết (nếu có), bể mặt, bể chứa tầng rễ cây, Giá trị ban đầu dòng chảy từ bể chứa tuyến tính cho dịng chảy mặt, sát mặt dịng chảy ngầm Thơng thường tất giá trị ban đầu lấy trừ lượng nước tầng rễ tầng ngầm Ước tính điều kiện ban đầu lấy từ lần mơ trước đó, năm trước đây, cần với thời gian bắt đầu mơ Trong việc hiệu chỉnh mơ hình, thơng thường nên bỏ qua kết mô nửa năm để loại bỏ ảnh hưởng sai số điều kiện ban đầu 10/17/2014 Khả ứng dụng mơ hình • Phân tích tính tốn thủy văn – Phân phối dịng chảy – Ước tính thấm bốc • Dự báo lũ – Dịng chảy lưu vực nhỏ đổ vào mơ hình sơng – Liên kết với mơ hình khí tượng • Kéo dài số liệu dòng chảy – Phục hồi số liệu bị thiếu – Cơ sở xác định giá trị cực đoan • Dự báo dịng chảy kiệt – Phục vụ tưới – Quản lý chất lượng nước TS1 Bài tập số Cho lưu vực A có diện tích F = trận mưa lượng bốc đo đạc bảng Các thông số mô hình NAM xác định cho lưu vực A thể bảng Thời đoạn tính tốn dt = 1ngày Hãy xác định lưu lượng dòng chảy cửa lưu vực theo mơ hình NAM từ thời điểm bắt đầu trận mưa ngày thứ kể từ ngày bắt đầu 10.000km2, Mưa (mm) Ngày Mưa (mm) Mưa (mm) Mưa (mm) Mưa (mm) Mưa (mm) Bốc 2 10 12 16 14 18 30 36 27 47 41 50 27 32 24 42 36 35 TS2 TS3 TS4 TS5 TS6 TS7 TS8 TS9 TS10 Umax = 20 16 24 18 22 25 24 23 22 21 mm Lmax = 200 160 240 180 220 230 240 230 220 200 mm CQOF = 0.5 0.4 0.6 0.4 0.5 0.6 0.6 0.6 0.6 0.5 CQIF = 0.04 0.03 0.05 0.04 0.04 0.05 0.05 0.05 0.04 0.04 CKIF = 30 24 36 26 32 35 36 34 34 31 CKBF = 50 40 60 45 55 57 60 60 55 55 day CKUZ = 1 1 1 1 1 day CK1 = 1 1 1 1 1 day CK2 = 1 1 1 1 1 day CLOF = 0.5 0.4 0.6 0.4 0.5 0.6 0.6 0.6 0.6 0.5 CLIF = 0.3 0.2 0.4 0.3 0.3 0.3 0.4 0.3 0.3 0.3 CLG = 0.5 0.4 0.6 0.5 0.5 0.7 0.6 0.7 0.6 0.6 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 Sy = day-1 day 10/17/2014 TS1 TS2 TS3 TS4 TS5 TS6 TS7 TS8 TS9 TS10 GWLFL0 = 4,000 3200 4800 3500 4300 4500 4730 4550 4480 4095 mm GWLFL1 = 2,000 1600 2400 1800 2200 2300 2420 2340 2240 2106 mm 10 12 11 11 12 11 11 11 mm/ day β= -0.33 -0.26 -0.40 -0.29 -0.36 -0.38 -0.39 -0.38 -0.37 -0.34 α= 2.5 2.0 3.0 2.0 3.0 2.5 3.3 2.6 2.8 2.34 2,000 1600 2400 1800 2200 2300 2400 2300 2200 2100 mm U0 = 0 0 0 0 0 mm L0 = 0 0 0 0 0 mm OF0 = 0 0 0 0 0 mm/ day IF0 = 0 0 0 0 0 mm/ day BF0 = 0 0 0 0 0 mm/ day BFu,0 = 0 0 0 0 0 mm/ day OFmin = GWL0 = 11/15/2014 Giới thiệu mơ hình MƠ HÌNH TANK M« hình TANK (M.Sugawara - 1956) lμ mét mô hỡnh mô tốt dòng chảy lũ l−u vùc s«ng Giới thiệu ệ mơ hình Cấu trúc mơ hình Các thơng số mơ hình Mơ hình TANK kép Ứng dụng mơ hình L−u vùc s«ng lμ mét d·y bĨ chøa (A, B C, B, C D) xÕp Õ theo th chiều hiề thẳng thẳ đứ đứng Mỗi bể chứa có cửa đáy v cửa thnh bên ã Dòng chảy qua cửa thnh bên l hm tuyến tính lợng trữ: Y = (X – HA).A HA) A Trong ®ã: X: l−ỵng trữ bĨ HA: ng−ìng cđa cưa A: hƯ sè cưa Cấu trúc mơ hình Dòng chảy cửa bể thứ a/ Bể thứ A Lượng nước bể Cấu trúc ẩm Trong bể thứ tác giả mô tả cấu trúc ẩm tầng mặt thành phần: Phần dưới, hai phần có truyền ẩm lên xuống số điều kiện Các thông số mô tả lượng ẩm bão hoà phần phần PS SS Cơ cấu truyền ẩm Khi phần có độ ẩm lớn, mà phần chưa bão hồ ẩm XP/PS > XS/SS, có truyền ẩm từ xuống với tốc độ T2: T2 = Tc(XP/PS T (XP/PS - XS/SS) Khi phần chưa bão hoà ẩm XP < PS phần bão hồ ẩm XS = SS có truyền ẩm lên theo tốc độ T1: T1 = Tb (1 - XP/PS) Lưu ý: Nếu XA < PS XP = XA(1) Else: XP = PS(1) • XA i(1) = XAi(0) – E*dt XA(0) > E*dt XAi(1) = • XAi(2) = XAi(1) + else ((T1 – T2)*dt ) • XAi(3) = XAi (2) + P • XSi = XSi-1 + T2*dt • XBi = XBi-1 – T1*dt Lưu ý: XA = HS Nếu XA > PS • Y2 = A2*(XA - HA2 - PS) Y2 XA - PS > HA2 =0 • Y1 = A1*(XA - HA1- PS) XA > HS else XA - PS > HA1 Y1 = else • YA0 = A0*(XA - PS) • XA (4) = XA (3) - (Y1 + Y2 + YA0)*dt Lưu ý đơn vị: Xx (mm); Yx(mm/day) 11/15/2014 f/ Bể điều tiết b/ Bể thứ hai B • XB1 = XB0 + YA0 *dt • Y3 = B1*( XB1 - HB1) XB1 > HB1 Y3 = else • YB0 = B0*XB1 • XB2 = XB1 – (Y3 + YB0) YB0)*dt dt BÓ chøa điều tiết cửa đáy, có cửa bên Dòng chảy khỏi bể chứa điều tiết l dòng chảy cửa lu vực Thuỷ văn: YR = AR*(XR HR) nu XR > HR YR = XR c/ Bể thứ ba C • XC1 = XC0 + YB0 *dt • Y4 = C1*( XC1 - HC1) XC1 > HC1 Y4 = else • YC0 = C0*XC1 • XC2 = XC1 – (Y4 + YC0)*dt i else XR i 1 YS i YR i YS YR XR HR d/ Bể thứ tư D • XD1 = XD0 + YC0 *dt • Y5 = D1*XD1 • XD2 = XD1 – Y5*dt Các thơng số mơ hình Bể A: A0, A1, A2 (1/day) HA1, HA2, XA, XS (mm) Tb, Tc (mm/day) e/ Tổng lượng dòng chảy: YS = Y1 + Y2 + Y3 + Y4 + Y5 g/ Lưu lượng cửa lưu vực: QE = F*YR Mụ hỡnh TANK kộp Mô hình TANK kép quan niƯm theo ph−¬ng n»m ngang, l−u vùc cịng cã nhiỊu bể chứa xếp liên tiếp nh phơng thẳng đứng Chẳng hạn có m bể chứa theo phơng nằm ngang, n bể chứa theo phơng thẳng đứng, ton lu vực đợc mô tả (n m) bể chứa B B: B0, B1 (1/day); HB1, XB (mm) Vμnh ®ai Bể C: C0, C1 (1/day); HC1, XC (mm) Bể D: D1 (1/day); XD (mm) Vμnh ®ai Bể điều tiết: AR (1/day); XR, HR (mm) Vμnh ®ai 2 11/15/2014 - Chú ý theo phơng nằm ngang, bể chứa có cửa đáy v nhiều Vnh ®ai Vμnh ®ai Vμnh ®ai cưa bªn, nhng cửa bên hớng phía sông Y - Trong mo hinh TANK kep l−ỵng Èm chØ trun từ vnh đai cao xuống vnh đai thấp gần sông trờng hợp ngợc lại - Phơng trình c©n b»ng líp n−íc tù viÕt cho bĨ chøa thø nhÊt thuéc vμnh ®ai thø nhÊt lμ XA1[i] = XA1[i-1] + XM1[i] - E1[i] - T11[i] - YA1[i] - Yad1[i] Y Bể điều tiết Sơ đồ mô hình TANK kép - Phơng trình cân nớc viết cho bể chứa thứ thuộc vnh đai thứ hai ngoi lợng nhập ma: XM2[i] có thêm lợng nhập từ dòng chảy trn mặt đất bể chứa thứ nhÊt (bĨ A) thc vμnh ®ai thø nhÊt cung cÊp: XA2[i] = XA2[i-1] + XM2[i] + YA1[i]* - E2[i] - T12[i] - YA2[i] - Yad2[i] Trong ®ã YA1[i]* - chiỊu sâu lớp nớc vnh đai thứ hai lợng nớc chảy trn mặt đất từ bể A thuộc vnh đai thứ chảy vo vnh đai thứ hai - Tơng tự nh lối vnh đai thø hai trë thμnh lèi vμo cđa vμnh ®ai thø ba, cø nh− vËy cho tíi vμnh ®ai ci cïng l dòng chảy vo sông - Khi tính toán ta không cần biết vị trí xác cđa tõng vμnh ®ai Ứng dụng mơ hình TANK a Trong phân tích tính tốn thủy văn – Phân phối dịng chảy – Ước tính thấm bốc b Dự báo lũ - Dòng chảy lưu vực nhỏ đổ vào mạng lưới sơng - Kết hợp với mơ hình khí tượng để dự báo dịng chảy c Kéo dài số liệu dòng chảy - Phục hồi số liệu bị thiếu - Cơ sở xác định giá trị cực đoan d Dự báo dòng chảy kiệt - Phục vụ tưới - Quản lý chất lượng nước trªn l−u vùc mμ chØ −íc l−ỵng diƯn tÝch tõng vμnh ®ai so víi diƯn tÝch toμn l−u vùc sau ®ã tính dần 12/11/2014 Mễ HèNH SSARR Mễ HèNH SSARR Streamflow Synthesis And Reservoir Regulation I Giới thiệu mô hình M« hÌnh SSARR (Streamflow Synthesis and Reservoir Regulation) M« hènh tất định, nhn thc Mô hènh tổng hợp dòng chảy từ ma điều tiết hồ chứa Mô hènh cã thĨ sư dơng cho c¸c l−u vùc cã diƯn tích tơng đối lớn (từ n 444,000 km2) Mô hènh SSARR Rocwood đề xuất nm 1956 liên tục đợc hoàn thiện có tên Big SSARR Mô hènh SSARR ban u ch dùng để dự báo lũ vận hành hồ chứa, sau đợc mở réng phơc vơ cho thiÕt kÕ hå chøa hƯ thống sông, mô hènh đợc dùng cho vùng có lũ ma tuyết tan mô hènh mô hệ thống (lu vực, đoạn sông, hồ chứa vv) I Giới thiệu mơ hình II Cấu trúc mơ hình Hệ phương trình mơ hình Mơ hình lưu vực Mơ hình dịng chảy sơng Mơ hình hồ chứa III Các thơng số mơ hình IV Điều kiện ban đầu V Dữ liệu đầu vào VI Khả ứng dụng mơ hình Mơ hình SASRR Mơ hình SSARR Ch−¬ng trình nguồn mô hỡnh SSARR đợc viết ngôn ng Fortran miễn phí mạng: www.nwd-wc.usace.army.mil http://www.wmo.ch/web/homs/projects/Components/ English/j15201.htm II Cấu trúc mơ hình Mét hƯ thèng s«ng bao gồm tập hợp loại mụ hỡnh sau: -các lu vực nhỏ, -các đoạn sông -các hồ chứa (kể hồ chứa tự nhiên hồ chứa nhân tạo Mô hỡnh SSARR mô loại gọi mô hỡnh SSARR mô hỡnh hệ thống 12/11/2014 Mơ hình SASRR Mơ hình SSARR Hệ phương trình mơ hình Hệ phương trình mơ hình Mét hå chøa hay mét đoạn sông có đặc điểm chung có dung tích chứa lũ, có lu lợng chảy vào lu lợng chảy Sự thay đổi lợng tr đoạn sông tỷ lệ với thay đổi lu lợng qua đoạn sông Phơng trinh mô tả thay đổi gọi phơng trinh lợng tr: dW = TS dQ Mơ hình SSARR Hệ phương trình mơ hình Tõ ph−¬ng trình (2), (3) ta cã Q tr + Q tr Q d1 ∆ t − ∆ t + T s Q 2 Q tr + Q tr ∆t ∆t + Ts = ∆ t − Q d − Ts Q tr + Q tr t ∆ ∆ t + Q d + Ts − ∆ t = Q tr + Q tr ∆ t Q d ∆ t + Q d1 − = ∆t ∆t + Ts + Ts 2 ( Q tr + Q tr ) − Q d ∆ t = Q d1 + ∆t + Ts Q d Q d Q d Q d d = (3) Mô hình SASRR Hệ phương trình mơ hình ∆ t + T s Q Qd1, Qd2 - lu lợng chảy khỏi đoạn sông đầu cuối thời đoạn t Q tr + Q tr Q + Qd ∆t − d ∆ t = W − W1 2 dW - thay đổi lợng tr đoạn sông thời đoạn t dQ - thay đổi lu lợng qua đoạn sông thời đoạn t d W1, W2 - lợng tr đoạn sông đầu cuối thời đoạn t Phơng trỡnh cân nớc viết cho đoạn sông : TS - thời gian chảy truyền qua đoạn sông hồ chứa Trong ®ã: (1) Trong ®ã: Q Phương trình lượng trữ viết dới dạng sai phân: W = TS Q → W2 - W1 = TS (Qd2 - Qd1) (2) d1 ặt lu lợng trung bỡnh chảy vào đoạn sông thời gian ∆t lµ: Q +Q Qtr = ta cã: Qd2 = (Q tr tr tr 2 − Q d ) ∆ t + Q d1 t TS + (4) ây công thức để tính lu lợng chảy khỏi đoạn sông cuối thời đoạn t, biết lu lợng chảy vào đoạn sông thời gian chảy tr nớc Ts đoạn sông 12/11/2014 Mụ hỡnh SASRR Mụ hình SASRR Mơ hình lưu vực Mơ hình lu vc Mô hỡnh SSARR quan niệm lu vực nhỏ tập hợp ba chuỗi đoạn sông/hồ chứa liên tiếp áp dụng công thức (4) để tính toán Với lu vực kín, lợng nớc đến từ không trung gồm lợng ma tuyết rơi Một phần lợng nớc đến đợc gi lại bề mặt lu vực, làm ẩm đất, bốc vào khí quyển, phần lại tạo thành dòng chảy theo ba thành phần sau: Dòng chảy tràn mặt đất Dòng chảy ngầm sát dới mặt đất (dòng chảy sát mặt) Dòng chảy ngầm lớp đất tầng sâu Thành phần dòng chảy tràn mặt đất lợng nớc chảy vào hồ chứa chuỗi hồ chứa mô dòng chảy tràn mặt đất, sau lợng nớc chảy từ hồ chứa lợng nớc chảy vào hồ chứa Tơng tự thành phần dòng chảy sát mặt dòng chảy ngầm Tập hợp lợng nớc chảy từ hồ chứa cuối ba chuỗi hồ chứa mô dòng chảy mặt, dòng chảy sát mặt đất, dòng chảy ngầm tầng sâu lợng nớc chảy l−u vùc Mơ hình SASRR Mơ hình SASRR Mơ hình lưu vực Mơ hình lưu vực M−a Ym , n1 , Ts1 Tuyết tan Lợng nớc đến Ch số ẩm A Dòng chảy cửa lưu vc Ysm , n , Ts Tạo thành dòng chy Yng , n3 , Ts Làm ẩm ®Êt ChØ sè thÊm P Áp dụng liên tiếp công thc Qd Dòng chảy mặt Ym= G-Ysm Qtr − Qd ∆t +Q = d1 t Ts + Dòng chảy sát mặt Ysm = f4(G) Dòng chảy ngm ngầm tầng sâu Dòng chảy vào hồ chứa u tiờn chuỗi hồ chứa lu vc Sơ đồ mô hỡnh lu vực theo cách mô tả SSARR 12/11/2014 Mơ hình SSARR Mơ hình SSARR Mơ hình lưu vực Mơ hình lưu vực 2.2 TÝnh độ ẩm đất 2.1 Tính lợng ma trung bình lu vực Mô hình SSARR chọn cách tính lợng ma bình quân lu vực theo công thức sau: X = n ∑ X i n i =1 A2=A1 + X - Y - K1E tÝnh to¸n t thông thờng chọn t=1 ngày Q0 lu lợng trung bình nhiều năm cửa lu vực E= ► Mơ hình SSARR n ∑ γ i Ei n i =1 (6) Trong đó: Ei - khả bốc (bốc mặt nớc) đo đợc trạm thứ i thời đoạn tính toán t=1 ngµy Mơ hình SSARR Mơ hình lưu vực Mơ hình lưu vực 2.4 Dịng chảy ngầm 2.3 Líp dòng chảy tổng cộng: Y = .X K1: Hệ số chuyển đổi phụ thuộc vào độ ẩm lu vực K1=f1(A) Nếu thời đoạn tính toán t = 1ngày, lu vực có n trạm đo bốc X 0i Q0 t X0i lợng ma trung bình nhiều năm trạm thứ i X,Y lợng ma lợng dòng chảy thời khoảng t E: lợng bốc trung bình lu vực thời khoảng t n: số trạm đo ma toàn lu vực ai: Hệ số số (5) Trong : A1,A2 số độ ẩm lu vực đầu cuối thời đoạn tính toán t (4) Trong đó: Xi lợng ma đo đợc trạm thứ i thời đoạn = Chỉ số độ ẩm A đợc tính theo phơng trình cân nớc: Lớp dòng chảy ngầm tầng sâu tỷ lệ thuận với dòng chảy tổng cộng: (7) Với hệ số dòng chảy phụ thuộc vào độ Èm cđa ®Êt: α=f2(A) Y Yng = K3 ∆t (8) HƯ sè K3 phơ thc vµo chØ sè thÊm xng ®Êt P: K3 = f3(P) ► f3 - lµ mét hàm kinh nghiệm phụ thuc vào cấu tạo thổ nhỡng, thảm phủ thực vật địa tầng lu vực 12/11/2014 Mơ hình SSARR Mơ hình SSARR Mơ hình lu vc Chỉ số thấm P tính theo phơng trình kinh nghiÖm: Y 24 − P1 .∆t ∆t P2 = P1 + ∆t T+ 2 Mơ hình lưu vực 2.5 Dịng chảy sát mặt: M« hình SSARR phân chia dòng chảy tràn mặt đất dòng chảy ngầm sát dới mặt đất theo quan hệ kinh nghiệm: (9) Trong đó: T- thời gian trữ n−íc biÕn ®ỉi tõ 30 giê ®Õn 60 giê P1,P2 Chỉ số thấm đầu cuối thời khoảng t Khi Ysm< Ysm.max thì: Gọi G hiệu số lớp dòng chảy tổng cộng lớp dòng chảy ngầm tầng sâu: G = Y - Yng (10) Ysm = f4(G) (11) G Ysm = 0,1 + 0,2 G Ysm.max Ysm ≥ Ysm.max th× lÊy Ysm = Ysm.max ► Mơ hình SSARR Mơ hình SSARR Mơ hình lưu vực Mơ hình lưu vc 2.5 Dũng chy sỏt mt: Lớp dòng chảy sát dới mặt đất đạt tới trị số lớn Ysm.max giữ nguyên trị số mà số G vợt 200% giá trị lớp dòng chảy sát dới mặt đất lớn Ysm.max 2.6 Lớp dòng chảy tràn mặt đất: Ym = G - Ysm (12) Lớp dòng chảy sát dới mặt đất có trị số nhá nhÊt Ysm.min b»ng 10% cña G ► ► 12/11/2014 Mơ hình SSARR Mơ hình lưu vực 2.7 Tính lu lợng chảy khỏi lu vực Sau thực phân chia lợng ma hiệu thành ba thành phần: Lợng nớc tham gia dòng chảy tràn mặt đất, lợng nớc tham gia dòng chảy ngầm sát dới mặt đất, lợng nớc tham gia dòng chảy ngầm tầng sâu Ngời ta coi lợng nớc chảy vào ba hồ chứa ba chuỗi hồ chứa tởng tợng ứng với ba cách tạo thành dòng chảy Gọi n1,n2, n3 số hồ chứa chuỗi TS1, TS2, TS3 thời gian tr nớc tơng ứng ta tính đợc lợng nớc ch¶y tõ ba hå chøa ci cïng cđa ba chuỗi hồ chứa cách áp dụng liên tiếp công thức (4) Tổng lu lợng chảy từ ba hồ chứa cuối lợng nớc chảy cđa c¶ l−u vùc Mơ hình SSARR Mơ hỡnh dũng chy sụng Chia dòng sông thành nhiều đoạn liên tiếp nhau, dài từ đến 10 Km cho trạm đo lu lợng điểm phân chia đoạn sông Thời gian tr nớc đoạn s«ng tÝnh theo quan hƯ kinh nghiƯm : Ts = f5(Q) k Th«ng th−êng ng−êi ta chän : Ts = 4n Q Trong n k4 hệ số kinh nghiệm p dụng liên tiếp công thức (4) cho đoạn sông, ý lu lợng chảy đoạn sông phía lu lợng chảy vào đoạn dới So sánh kết tính toán mặt cắt đo lu lợng với số liệu thực đo, sai khác nhiều, cần chọn lại hệ số kinh nghiệm n k4 để thay đổi Ts chia lại đoạn sông Nh với nhánh sông có hai thông số để điều chỉnh là: số lợng đoạn sông m thời gian tr nớc Ts Mơ hình SSARR Mơ hình lưu vực Ym , n1 , Ts1 Dòng chảy cửa lưu vực Ysm , n , Ts Yng , n3 , Ts Áp dụng liên tiếp công thức Qd − Qtr − Qd ∆t +Q = d1 ∆t Ts + Mơ hình SSARR Mơ hình hồ chứa Víi hå tự nhiên, lu lợng chảy vào hồ coi nh đà biết từ số liệu thực đo tính toán, vấn đề lại tính thời gian tr nớc TS Thông thờng với hồ chứa ngời ta xây dựng đờng cong TS = f(H) Biết lu lợng chảy vào hồ, thời gian tr nớc TS dễ dàng tính đợc lu lợng chảy khỏi hồ chứa theo công thức (4) Với hồ chứa nhân tạo, đờng cong TS = f(H) cần phải biết thêm thông số hồ chứa nh: Mùc n−íc lín nhÊt Hmax Mùc n−íc nhá nhÊt Hmin Đ−êng cong mùc n−íc - dung tÝch hå H ∼ W Đ−êng cong mùc n−íc - diƯn tÝch mỈt n−íc hå H ∼ F Đ−êng cong mùc n−íc hå - lu lợng xả: HQ ứng với cửa xả ờng cong khả nng tháo nớc lớn hồ Qxả max ∼ H ► 12/11/2014 Mơ hình SSARR Các thụng s ca mụ hỡnh a Các thông số mô hỡnh lu vực là: Mụ hỡnh SSARR Mụ hỡnh h thng sụng Hệ thống sông bao gồm: Các lu vực nhỏ, Các hồ chứa Các đoạn sông ể mô hệ thống sông cần lắp ghép lại thành phần theo mô hỡnh đà đợc trỡnh bày Khi mô hệ thống sông, mô hỡnh thành phần kể phải ý tới ảnh hởng nớc vật lợng nớc lấy để tới ruộng, Các thông số tính ma bỡnh quân lu vực: Các thông số tính bốc hơi: K1, K2, i Các thông số tính lu lợng qua hồ chứa : n1,n2, n3,Ts1, Ts2, Ts3 vµ thêi gian trữ n−íc T, dïng tÝnh chØ sè thÊm Quan hÖ K1=f1(A) ®Ĩ tÝnh bèc h¬i Quan hƯ α=f2(A) ®Ĩ tÝnh hƯ số dòng chảy Quan hệ K3=f3(P) để tính lớp dòng chảy ngầm Quan hệ Ysm = f4(G) để tính lớp dòng chảy sỏt mặt Mụ hỡnh SSARR Mụ hỡnh SSARR Các thơng số mơ hình Các thơng số mơ hình Phương pháp hiệu chỉnh mơ hình: thư dÇn b Các thơng số mơ hình dịng chảy sơng Đối với nhánh sơng cã hai th«ng số để điều chỉnh là: số lợng đoạn sông m vµ thêi gian trữ n−íc Ts k Ts = 4n Q Mô hỡnh SSARR có nhiều thông số quan hệ kinh nghiệm nhng có loại ảnh hởng nhiều đến kết tính toán là: Các thông số tính ma bỡnh quân lu vực: Thời gian tr nớc Ts1 lớp dòng chảy mặt Quan hệ =f2(A) để tính hệ số dòng chảy Quan hệ K3=f3(P) để tính lớp dòng chảy ngầm Ngời ta thờng chọn mùa lũ thời kỳ có đờng trỡnh biến đổi nhiều để điêù chỉnh thông số sau thử lại cho thời kỳ khác