Đề tài ứng dụng mô hình mike 21 mô phỏng quá trình lan truyền phù sa trên Đoạn sông tiền qua huyện hồng ngự, tỉnh Đồng tháp

Ứng dụng mô hình MIKE 21 mô phỏng quá trình lan truyền phù sa trên đoạn sông Tiền qua huyện Hồng Ngự, tỉnh Đồng Tháp SVTH: Đỗ Thị Thùy Trang MSSV: 20170115 GVHD: PGS.TS.. Quá trình lan

———————>-+E7«:l‹»®©=-©=—————

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA MOI TRUONG

eRe ce WeWwrare Sak

MÔ HÌNH THỦY LỰC

Năm học 2023 - 2024

XN

Bao cao

Dé tai: UNG DUNG MO HINH MIKE 21 MO PHONG QUA TRINH LAN TRUYEN PHU SA TREN DOAN SONG TIEN QUA HUYỆN

HONG NGU, TINH DONG THAP

:

y

A

{

\

ý

Y

Ậ

: Th§ Nguyễn Thị Diễm Thúy

SVTH : Đỗ Thị Thùy Trang - 20170115

a a

TP Hé Chi Minh, ngay 29 thang 05 nam 2023

r= SK C=

MUC LUC

_ˆ\ vn e 1

0000157 2

2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VA THU THẬP DỮ LIỆU - 55-5: 3

2.1.L Giới thiệu khu vực nghiên CỨU .- SH nh kh ht 3

2.1.2 Cơ sở lý thuyết mô hình ¿62 St 2t S332 2313381932123 E 153151 5121111111111 HE rke 3 2.1.3 Quy trình thiết lập mô hình - ¿2 3c S323 E938 1833323 EEEEEE2EEEEEEEEEEEESEEEExsrrkrrri 5

2.1.5 Thông số thiết lập mô hình: ¿E22 S21 *E33EE2EEEEEEEEEEEEEEEsEekekrrkerexerrsrrei 6

3 KẾT QUÁ VÀ THẢO LUẬN nhìn TT n HT TH TH HH Hàng ro 7

3.1 Hiệu chỉnh và kiểm định Module MIKE 2IFM HD ¿5c 225252 St stscexexserrsees 7

3.1.2 Hiệu chỉnh và kiểm dinh Module MIKE 21FM 'TTanSPOF -QQQQ nàn hhehee 8

3.1.3 Kết quả mô hình thủy lực - -¿- 2:2 232323 3815351211 1518151 1115111811111 E111 re 9 1“ àan n0 4 10

1

Ứng dụng mô hình MIKE 21 mô phỏng quá trình lan truyền phù sa trên đoạn sông Tiền qua huyện Hồng Ngự, tỉnh Đồng Tháp

SVTH: Đỗ Thị Thùy Trang

MSSV: 20170115

GVHD: PGS.TS Đào Nguyên Khôi

ThS Nguyễn Thị Diễm Thúy

Tóm tắt:

Đoạn sông Tiên qua huyện Hồng Ngự, tỉnh Đông Tháp hay còn được gọi là thượng nguồn sông MeKong Báo cáo nảy tập trung vào việc đánh giá khả năng mô phỏng của mô hình MIKE 21FM và phân tích tầm ảnh hưởng của phù sa tại khu vực nghiên cứu Sông Tiền đóng vai trò quan trọng trong đời sống kinh tế và xã hội của khu vực Đồng Bằng Sông Cửu Long Quá trình lan truyền phù sa được tháo luận và mô hình toán, trong đó module HD được chọn đề mô phỏng

dòng chảy với hệ số Manning M là 200-250 m!3⁄s va quá trình lan truyền phù sa được mô phỏng

bởi module Transport với hệ số khuếch tán D là 1 m2⁄s Bài báo cáo được mô phỏng vào tháng

6/2018 và kiếm định lại vào tháng 7/2018 Hiệu quá mô phỏng được đánh giá bằng các chỉ số R7,

NSE cho kết quá mực nước tốt với hệ số R? và NSE tiền đến gần bằng 1 Với điển biến lan truyền phù sa có sự thay đôi dạng tương tự đường lưu lượng tuy nhiên mức độ dao động trong từng đoạn sông có khác nhau, dòng cháy tự nhiên thì vận tốc đòng cháy hầu như nằm trong khoáng 1.095 — 1.305 m/s Tại nhánh sông thuộc khu vực tỉnh Đồng Tháp nồng độ phù sa mô phỏng tương đối

cao hơn so với các khu vực khác, đạt giá trị cao nhất khoang 68,8 mg/L

Từ khóa: MIKE21FM; Thủy động lực đòng chảy, Phù sa, sông Tiền, Đồng Tháp

Abstract

The Tien River passing through Hong Ngu District, Dong Thap Province, also known as the upper stream of the Mekong River This report focuses on the evaluation of the simulation capabilities of the MIKE 21FM model and the analysis of the impact of sediment transport in the research area The Tien River plays a crucial role in the economic and social life of the Mekong Delta region The sediment transport process is discussed and modeled, with the HD module chosen to simulate flow with a Manning's coefficient M of 200-250 m'/s, and the sediment transport process simulated by the Transport module with a dispersion coefficient D of 1 m?/s, The report was simulated in June 2018 and revalidated in July 2018 The simulation's

effectiveness is evaluated using the R? and NSE indices, with the water level results showing a

1

high coefficient of determination (R*) and Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) approaching 1 Với diễn biến lan truyền phù sa có sự thay đổi dạng tương tự đường lưu lượng tuy nhiên mức độ đao động trong từng đoạn sông có khác nhau, đòng chảy tự nhiên thì vận tốc đòng chảy hầu như nằm trong khoảng 1.095 — 1.305 m/s Tại nhánh sông thuộc khu vực tỉnh Đồng Tháp nồng độ phủ sa

mô phỏng tương đối cao hơn so với các khu vực khác, đạt gia trị cao nhất khoang 68,8 mg/L Keywords MIKE21FM; Flow hydrodynamics, Alluvium, Tien river, Dong Thap

1 MỞ ĐẦU

Sông Tiền, một trong những dòng sông lớn tại Đồng Bằng Sông Cửu Long, đóng vai trò quan trọng trong đời sống kinh tế và xã hội của khu vực Quá trình lan truyền phù sa xảy ra khi phù sa,

hoặc các hạt cát, đất, và các hạt khác, di chuyển từ một vị trí đến vị trí khác dưới tác động của

nước, gió, hoặc các yếu tố môi trường khác Tuy nhiên, sự đi chuyển của phù sa không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng nước mà còn góp phần vào sự thoái hóa đất, sự sụt lún dat đai, và nguy cơ

lũ lụt

Mô hình toán, một phương pháp hiện đại, được phát triển mạnh trong may chục năm trở lại

đây ở nước ta cũng như trên thể giới Việc áp dụng phương pháp này đòi hỏi kiến thức liên ngành

của nhiều chuyên gia và phải qua nhiều bước như lựa chọn, xây dựng mô hình, hiệu chỉnh xác

định thông số của mô hình và cuối cùng là ứng dụng mô hình để đánh giá, dự báo Các mô hình toán ngày càng chứng tỏ là một công cụ mạnh và đắc lực bởi khả năng cho kết quả tính toán

nhanh, giá thành rẻ, phạm vị ứng dung rộng, để dàng thay đổi các kịch bản bải toán, nhất là trong

việc tính toán, mô phỏng các hệ thống lớn [1]

Đề đánh giá lan truyền phù sa trên sông, cửa sông có nhiều mô hình có thê mô phỏng diễn biến đi chuyên, truyền tải, nhưng một trong số những mô hình toán áp dụng nhiều và có độ tin cậy cao sử dụng trong hâu hết các nghiên cứu những năm qua cho vùng sông, cửa sông ven biển

là mô hình MIKE 21FM Bộ mô hình MIKE 21FM đã được ứng dụng hiệu quả trong việc mô

phỏng chế độ thủy lực, cũng như điển biến hình thái đáy sông [2], quá trình nạo vét [3], nguy cơ

xói lở [4], lan truyền trầm tích tại nhiều khu vực trên thế giới [5] [6] [7] và tại Việt Nam [8] [9]

[10] Điều này chứng minh việc lựa chọn mô hình này để mô phỏng dòng cháy, quá trình lan truyền phù sa tại sông Tiền có tính khả thi và kết quá nghiên cứu có độ tin cậy cao

Mục tiêu chính của nghiên cứu là đánh giá quá trình lan truyền phù sa trên đoạn sông Tiền qua huyện Hồng Ngự, tỉnh Đồng Tháp Với hai mục tiêu cụ thể bao gồm: (1) Đánh giá khá năng

2

mô phỏng của mô hình MIKE 21FM cho mô hình dòng chảy và lan truyền phù sa, (2) Phân tích tầm ánh hưởng của phù sa tại khu vực nghiên cứu

2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THU THẬP DỮ LIỆU

2.1 Phương pháp nghiên cứu

2.1.1 Giới thiệu khu vực HnghiÊn cứu

Khu vực thượng nguồn sông Mekong, cụ thê là phần đoạn sông Tiền qua huyện Hồng Ngự, tỉnh Đồng Tháp, là một khu vực đây rẫy tiềm năng vẻ tài nguyên nước và sinh thái Với sự kết hợp giữa dòng chảy nước từ nguồn và địa hình đa dang, khu vực này đóng vai tro quan trong trong việc cung cấp nước và hỗ trợ đời sống cũng như nông nghiệp cho cộng đồng địa phương Phù sa gop phan la một trong các yếu tô quan trọng tại đây, chúng thường giàu chất đinh dưỡng, làm cho đất trở nên màu mỡ và rất phù hợp cho nông nghiệp Nó cũng đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì độ bền của bờ sông và sinh thái đa dạng của vùng đất ven sông Phù sa còn giúp tạo ra những cánh đồng lúa màu mỡ và làm giàu nguồn tài nguyên thiên nhiên cho khu vực

+———RUNG QUỐC ———-—+———+———+ 8 HỆ

»

“| rào 5 TRUONG QUOC

Be ——

QD Holing Sa

a Yr = CAMPUCHIA

2À

hài BIEN ĐÔNG

Fi CAMPUCHIA 1 LỆ 2

a Pew QD Tring Sa | _

BIEN DONG

Hình 1 Bản đồ khu vực nghiên cứu

2.1.2 Cơ sở lý thuyết mô hình

Bộ mô hình MIKE 21FM nam trong gói MIKE, được phát triển bởi Viện thủy lực Đan Mạch

(DHD), la gói phần mềm đùng để mô phỏng dòng cháy hai chiều: lưu lượng, mực nước, chất lượng nước, vận chuyển bùn cát và các quá trình môi trường trong hồ, cửa sông, vịnh, vùng ven bờ và

biển [H]

Module thủy động lực MIKE 2IEM HD

Module mô hình thủy động lực (HD) là phần trung tâm của hệ thống mô hình MIKE 21 và

hình thành cơ sở cho hau hét các mô đun báo gồm: tải khuyếch tán, chất lượng nước, module vận chuyến bùn cát, module thuy lyc trong MIKE 21 giai các phương trình tổng hợp theo phương dòng chảy để đám báo tính liên tục và bảo toàn động lượng (hệ phương trình Sant Venant)

Hệ phương trình cơ bản sử dụng trong mô đun thủy động lực MIKE 21 HD là phương trình liên tục (1) và phương trình động lượng theo phương x và y (2), (3) [11]

oh ðhu1 ohw

` ta a eh as 1

Phương trình động lượng theo phương x và y tương ứng:

é anul? oAuto dỗ hạ h2 1 aS as a

a Ww fidh- gh 2S 36,1% toe E(B Oy py

at ax ay aX po aX 209 OX 0o 0o 00 Ox oy ax

a

y

a ae =-ffh- gh—- ——2 2 2, Se (Pe Sy Ser)

a

T 2) + hu,S (3)

y

Trong đó: t là thời gian (s); x, y và z là toạ độ Descart; 1,LILI là vận tốc ở độ sâu trung binh

theo phương x, y (m/s); ;, 0 là vận tốc nhập bên theo phương x, y (m⁄s); § là lưu lượng nguồn

(m/s4m?); h là độ sâu nước (m); 6 là dao động mực nước (m); @ là vĩ độ địa lý, @ là vận tốc quay

của Trai Dat; f= 2wsing la tham s6 Coriolis (Rad/s); g la gia tốc trong trudng (m/s); Pp là khối lượng riêng tham chiếu của nước (kg/m°); ø là khối lượng riêng cua nude (kg/m*); P, ap suất khí

quyền trên bề mặt (N/m?); 7¿„.7zy là ứng suất ma sát bề mặt theo phương x, y (N/m”); Tpy, Thy là

ứng suất ma sát đáy theo phương x, y (N/m?)

Hệ số Manning M: Giá trị Manning M tương quan với độ sâu địa hình đáy sông, được xác

định theo công thức sau:

Trong d6: M, Mmax, Mmin la gia tri Manning tai node thu 1, max va min; hi, hmax, hmin là độ sân dia hinh tai node thứ 1, max và min

Module MIKE 21FM Transport

Module Transport trong phan mém Mike 21 FM được sử dụng để mô phỏng sự đi chuyên và truyền tai các chất lượng trong môi trường nước, bao gồm các yếu tố như hòa tan, phân tán, và

4

định tính chất lượng nước Module này tích hợp các phương pháp tính toán chuyển động chất lượng nước và mô phỏng quy trình chất lượng nước qua mô phỏng sóng và dòng nước

Hệ phương trình cơ bản sử dụng trong mô đun thủy động lực MIKE 21 Transport là phương

trình chuyền tải — khuếch tán (4) [11]

Phương trình chuyển tải - khuếch tan:

ecO «cD eO 1 a eX, 1 2 ec 1

—'t# —+U —= -—{hÐ + (ID +QICt —-Š 5

at ax 3ÿ háx ứD, me h y y > Qui: h 6)

Trong đó: cHl là nồng độ trung bình theo độ sâu (g/m?); u, v là vận tốc trung bình theo độ sâu (m/s); D,, Dy la hé số khuếch tán theo phương x, y (m2/s); h là độ sâu nước (m), § là chu kỳ sối/ bồi tụ (g/m*/s); QL là lưu lượng nguồn trên mỗi đơn vị diện tích theo phương ngang (mŸ/s/m?); CL

là nồng độ lưu lượng nguồn (g/m))

Hệ số khuếch tán D — Dispersion: Là một tham số trong lý thuyết khuếch tán và nó đo lường mức độ lan truyền của chất trong một môi trường và là thông số hiệu chỉnh chính trong module này Chủ yêu được xác định bằng kinh nghiệm người dùng hoặc thử và sai trong quá trình hiệu

chỉnh

2

Trong đó: D là hệ số khuếch tán (m?/ s); k là hằng số; Ax là mật độ lưới; At là bước thời gian

Bộ thông số thủy lực

ban đầu

2.1.3 Quy trình thiết lập mô hình

Dữ liệu địa hình đáy sông Điều kiện biên: lưu lượng

và mực nước

Hình 2 Sơ đồ cấu trúc nghiên cứu

Nghién ctru str dung module MIKE 21FM HD [12] dé mé phong ché dé dong chay va module

MIKE 2IFM Transport được dùng để mô phỏng quá trình lan truyền phù sa và tại khu vực sông

Tiền thuộc địa bàn huyện Hồng Ngự, tỉnh Đồng Tháp

Quy trình thiết lập mô hình được tiền hành thông qua các bước cơ bản như sau: (1) Chuẩn bị

đữ liệu mô hình bao gồm dữ liệu lưu lượng, mực nước, phù sa, đường bờ, địa hình đáy; (2) Xây

dựng lưới tính, sau đó nội suy địa hình đáy sông; (3) Thiết lập mô—đun MIKE FM HD, hiệu chỉnh

và kiểm định mực nước, lưu lượng; (4) Thiết lập mô-đun MIKE FM Transport, higu chinh và kiểm định nồng độ phù sa; (5) Thiết lập các kịch bản lan truyền phủ sa tại khu vực sông Tiền; (6)

Đánh giá tác động do lan truyền phù sa tại khu vực Quy trình chỉ tiết được trình bày trong Hình

2

2.1.4 Dữ liệu đầu vào

Vùng tính có 2 lỏng là dữ liệu lưu lượng (biên trên) và mực nước (biên dưới) theo giờ vào na

2018 tại các trạm biê Bên cạnh đó, dữ liệu lưu lượng Q (mỶ/s), mực nước H (m) và nông độ phù

sa (mg/L) duge do theo gio tai cac tram ST1, ST2 va ST3 Số liệu được sử dụng trong bài nghiên cứu được ThS Nguyễn Thị Diễm Thúy cung cấp Để đảm bao dé tin cậy thì mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định lại với số liệu thực đo từ trạm thủy văn S12 (Hình 3a)

Lưới tính được xây đựng là lưới phi cầu trúc gồm 3022 phân tử, 2057 nút, góc nhỏ nhất giữa các phần tử tam giác là 26°, trong 100m có 10 điểm khoảng cách (Hình 3b)

im Luœ _tinh mdf

im 1208000 {TT T

= - : 120500

1205000 41A1 *”ˆ-**?* - In: |

: : 1204009 + -|

1202009 -| ý,

1200000 -†^\ Đà -¬¬^¬~ -~¬¬- nan | 200000 ||

1195000 <h - ` ——— ⁄ Teen : 4000

2000

H ‘ 1h" 48'

' : 183000

ĐỨC 520000 530000 540000 teanoo E| te 3 , &| ! § : 3 Hư rkrrrrr Ẻ 3 3

Im}

Hình 3 VỊ trí biên và khu vực nghiên cứu (a), Lưới tính khu vực nghiên cứu (b)

2.1.5 Thông số thiết lập mô hình

Bước thời gian tính toán (Time step Interval): 120s

Hệ số Manning M dung để hiệu chỉnh mô hình thủy lực HD Hệ số M được thay đổi tuyến

tính theo độ sâu địa hình đáy sông với M từ 200 đến 250 m!3⁄s (Hình 4)

[mj

1206000 4 -

1204000 + -~

1202000

200000

1198000

1198000

4194000

1192000

1190000

1188000

2.2 Đánh giá hiệu quả mô phỏng của mô hình

Kết quả mô phỏng được so sánh với dữ liệu quan trắc bằng đồ thị và phương pháp chỉ số thống kê nhằm đánh giá khả năng mô phỏng của mô hình Đối với nghiên cứu này, hệ số tương quan (R?), hệ số hiệu quá Nash-Sutcliffe (NSE) là hai chỉ số chính đánh giá kết quả mô phỏng

Mô hình càng đạt hiệu quá cao khi giá trị của R? và NSE càng gần 1, phân mức hiệu quả của mô phỏng cụ thê được thê hién trong Bang 1

Bảng 1 Dánh giá mức độ mô phỏng

Hiệu quả mô phóng R2 NSE

Rất tốt 0,85 < Rˆ<1.0 0,8< NSE<1.0

Tất 0,7 < R?<0,85 0,7 < NSE<0,8

Phù hợp 0,5< Rˆ<0,7 0,5<NSE<0,7

Không phù hợp Rˆ<0,5 NSE<0,5

(Ngu wn: Moriasi va céng sự, 2015)

3 KET QUA VA THAO LUAN

3.1 Hiện chỉnh và kiếm dinh Module MIKE 21FM HD

Mô hình được hiệu chỉnh trong 3 ngày từ 10g00 06/6/2018 đến 23g00 09/6/2018 và kiểm

định lại vào mùa mưa trong 3 ngày từ 00g00 06/7/2018 đến 10g00 09/7/2018 Hệ số Manning M

7

động trong khoảng 200-250 m!3/s Kết quá hiệu chỉnh và kiếm định mô hình được thê hiện trong

Hình 5, 6 và Bảng 2

Bảng 2 Kết quá đánh giá mô hình

Kết quả hiệu chỉnh lưu lượng và mực nước tại trạm SŠ'Ï2 tương đối tốt Số liệu mô phỏng so với số liệu thực đo ở trạm này có tương quan tốt với mực nước và lưu lượng (R7 > 0,7) Kết quả

kiểm định mực nước cũng tốt (R? >0,7), tuy nhiên kết quá kiểm định lưu lượng lại cho kết qua không tốt, các giá trị rơi vào khoảng không phù hợp (R7 < 0,5)

R?=0.78, NSE = 0.26 R*= 0.82, NSE = 0.56

Hinh 5 Két quả hiệu chỉnh lưu lượng (a) va myc nuce (b) tai tram ST2

R2=0.45, NSE = 0.08 R2=0.73, NSE = 0.60

Hinh 6 Két qua kiểm định lưu lượng (a) và mực nước (b) tại trạm S”T2

3.1.2 Hiệu chỉnh và kiểm định Module MIKE 21EM Transport

Mô hình được hiệu chỉnh trong 3 ngày từ 10g00 06/6/2018 đến 21g30g00 09/6/2018 và kiêm

định lại vào mùa mưa trong 3 ngày từ 02ø00 06/7/2018 đến 09g00 09/7/2018 Hệ số khuếch tán

D bằng 1 m'⁄s Kết quá hiệu chỉnh và kiếm định mô hình được thể hiện cụ thể trong Hình 7.