Sử dụng các phần mềm họ Mike trong nghiên cứu lũ, lũ do vỡ đập và dự báo lũ tại Viện khoa học thuỷ lợi pdf

www.vncold.vn Trang tin in t Hi p ln Vit Nam 300 Sử DụNG CáC PHầN MềM Họ MIKE TRONG NGHIÊN CứU Lũ, Lũ DO Vỡ ĐậP Và Dự BáO Lũ TạI VIệN KHOA HọC THUỷ LợI GS.TS. Trần Đình Hợi 1 TS. Nguyễn Văn Hạnh 2 Tóm tắt: Bài viết trình bày về việc ứng dụng các phần mềm họ MIKE trong công tác nghiên cứu về lũ và dự báo lũ cũng nh nghiên cứu lũ do vỡ đập. Các mô hình toán phục vụ nghiên cứu lũ và lũ do vỡ đập trong toàn bộ hệ thống sông Hồng đợc thiết lập và tính toán đánh giá các kịch bản. Các mô hình đã đợc áp dụng hiệu quả vào một số đề tài cấp Nhà nớc và cấp Bộ. Mô hình dự báo lũ kết hợp các mô hình thuỷ văn và thuỷ lực cũng đã đợc thiết lập, phục vụ công tác t vấn điều hành hồ Hoà Bình hàng năm. 1. Giới thiệu Nghiên cứu lũ và các vấn đề liên quan đến lũ là một vấn đề hết sức quan trọng đối với nớc ta, cả ở đồng bằng Bắc Bộ và cả nớc. Trong phạm vi lớn, phơng pháp mô hình toán là phơng pháp chủ đạo do giá thành giảm đáng kể trong việc xây dựng mô hình cũng tiến hành các nghiên cứu khi thay đổi các phơng án. Tại nớc ta, một số tác giả cũng đã xây dựng và áp dụng tơng đối hiệu quả các chơng trình tính toán dòng chảy phục vụ công tác nghiên cứu lũ. Một số tác giả và chơng trình điển hình là GS.TSKH. Nguyễn Ân Niên với bộ chơng trình KOD, GS.TS. Nguyễn Nh Khuê với chơng trình VRSAP, PGS.TS. Nguyễn Tất Đắc với chơng trình TLUC, Viện Cơ học với các chơng trình TL1 và TL2. Mặc dù đã có những ứng dụng hiệu quả nhng nhìn chung các chơng trình trong nớc cha có tính thơng mại hoá nên thờng khó sử dụng. Đồng thời các chơng trình này cũng chỉ giải quyết mô phỏng dòng chảy cho chế độ dòng chảy êm. Vào đầu những năm 1990, Viện Khoa học Thuỷ lợi, thông qua một dự án tài trợ của UNDP, đợc trang bị phần mềm WENDY của Hà Lan. Tại thời điểm đó, chơng trình đã phát huy tác dụng tốt phục vụ nghiên cứu về xây dựng hành lang thoát lũ. Tuy nhiên, về mặt lý thuyết vẫn còn nhiều khiếm khuyết và giao diện cho môi trờng DOS cũng trở nên lạc hậu nên không thể sử dụng đợc nữa. Từ năm 2002 đến nay, Viện Khoa học Thuỷ lợi cùng với một số các đơn vị trong ngành, thông qua dự án "Nâng cao năng lực các Viện ngành nớc" do Chính phủ Đan Mạch tài trợ, đã đợc trạng bị một số các phần mềm họ MIKE của Viện Nghiên cứu Thuỷ lực Đan Mạch nh ________________ 1, 2. Viện Khoa học Thuỷ lợi. www.vncold.vn Trang tin in t Hi p ln Vit Nam 301 MIKE 11, MIKE 21, MIKE FLOOD, MIKE BASIN, Đây là một bộ công cụ tơng đối tốt, đợc nhiều nớc tại châu á và thế giới sử dụng. Chúng tôi đã sử dụng các mô hình này để xây dựng các công cụ mô hình toán phục vụ nghiên cứu lũ và các vấn đề liên quan đến nó. Bớc đầu có thể thấy rằng đây là một trong những bộ chơng trình dễ sử dụng, hiệu quả đối với các lĩnh vực liên quan đến lũ. Điều đó đợc thể hiện khi áp dụng các mô hình toán đã xây dựng đợc vào một số các đề tài cấp Nhà nớc và cấp Bộ. 2. Xây dựng các mô hình toán dựa trên các mô hình họ mike và tính toán đánh giá một số kịch bản lũ Địa điểm và phạm vi nghiên cứu là đồng bằng sông Hồng - Thái Bình bao gồm các hệ thống sông Hồng, Thái Bình, Đáy và các vùng phân lũ và chứa lũ. Riêng đối với lu vực sông Đà phạm vi nghiên cứu tính từ biên giới. 2.1. Mô hình thuỷ động tính lũ tràn cho hệ thống sông Hồng - Thái Bình Mô hình đợc xây dựng trên toàn bộ hệ thống sông Hồng - Thái Bình, bao gồm mạng tính toán dòng chảy trong mạng lới sông, phân lũ, chậm lũ và lũ tràn đê vào các vùng đồng bằng. 450000.0 500000.0 550000.0 600000.0 650000.0 700000.0 750000.0 [meter] 2210000.0 2220000.0 2230000.0 2240000.0 2250000.0 2260000.0 2270000.0 2280000.0 2290000.0 2300000.0 2310000.0 2320000.0 2330000.0 2340000.0 2350000.0 2360000.0 2370000.0 2380000.0 2390000.0 2400000.0 2410000.0 [meter] Standard - RES1971_125YEARS_0HB.RES11 Hình 1. Mạng lới tính toán đầy đủ - Mạng lới sông: Mạng lới sông của mô hình bao gồm tất cả các hệ thống sông trên đồng bằng Bắc Bộ: + Hệ thống sông Hồng: sông Đà, sông Thao, sông Lô, sông Chảy, sông Phó Đáy, sông Hồng, sông Trà Lý, sông Đào, sông Ninh Cơ. + Hệ thống sông Thái Bình: sông Cà Lồ, sông Cầu, sông Thơng, sông Lục Nam, sông Thái Bình, sông Đuống, sông Luộc, sông Hoá, sông Kinh Thầy - Đá Bạch, sông Hàn, sông Cấm, sông Lai Vu, sông Kinh Môn, sông Lạch Tray, sông Văn úc, sông Gùa, sông Mía, sông Mới. + Hệ thống sông Đáy: sông Đáy, sông Tích, sông Hoàng Long. - Biên của mô hình: + Biên lu lợng thợng lu tại các trạm: Hoà Bình trên sông Đà, Yên Bái trên sông Thao, www.vncold.vn Trang tin in t Hi p ln Vit Nam 302 Thác Bà trên sông Chảy, Tuyên Quang trên sông Lô, Liên Sơn trên sông Phó Đáy, Phú Cờng trên sông Cà Lồ, Thác Huống trên sông Cầu, Cầu Sơn trên sông Thơng, Chũ trên sông Lục Nam, Chí Thuỷ trên sông Tích, Hng Thi trên sông Hoàng Long. + Biên mực nớc hạ lu: Cửa Đáy thuộc sông Đáy, cửa Ninh Cơ thuộc sông Ninh Cơ, cửa Ba Lạt thuộc sông Hồng, cửa Trà Lý thuộc sông Trà Lý, cửa Thái Bình thuộc sông Thái Bình, cửa Văn úc, cửa Lạch Tray, cửa Cấm, cửa Đá Bạch. - Các ô chứa lũ và kỹ thuật mô phỏng: Toàn bộ đồng bằng đợc chia thành 247 ô chứa lũ. Kỹ thuật sử dụng ô chứa lũ ở đây là kỹ thuật sử dụng các đoạn sông giả và các ô chứa lũ. Để mô hình có chất lợng cao cần nhiều thời gian hiệu chỉnh và nghiên cứu thực địa trong tơng lai. Sự phân chia thành các ô đợc dựa trên bản đồ mô hình số (DEM), ảnh vệ tinh, cao trình đê, cao trình các đờng giao thông. Đồng thời cũng hiệu chỉnh và làm đồng bộ giữa các tài liệu mặt cắt và bản đồ số để tạo ra các ô liền sông hay hiệu chỉnh mặt cắt sông. Từ các tài liệu trên xây dựng đợc một bản đồ mô hình số và hệ thống mặt cắt đồng bộ. Từ đó số hoá các ô chứa lũ, tính quan hệ cao trình diện tích, xác định đặc điểm và kiểu của các khu trữ lũ. - Các công trình trong hệ thống mạng: Với phiên bản hiện tại, cống Vân Cốc và đập Đáy là hai công trình trong mạng và chúng đợc xử lý đóng mở đúng theo quy trình điều hành hiện tại: + Cống Vân Cốc liên kết giữa hồ Vân Cốc và sông Hồng tại địa phận các huyện Đan Phợng và Phúc Thọ tỉnh Hà Tây. Cống có 26 cánh, mỗi cánh rộng 8m. Cao trình đáy cống là 12m và đỉnh cống là 14,4m. Trong 20 phút đầu cánh cống nâng từ cao trình 12m đến 12,6m để đảm bảo lu lợng khoảng 2000m 3 /s. Sau đó sẽ từ từ mở hết đến cao trình 14,4m trong vòng 1 giờ nữa. Khi mực nớc thợng lu cống tại sông Hồng giảm xuống dới 15m thì cống bắt đầu đóng. Thời gian đóng cống cũng là một giờ. Thời điểm bắt đầu mở của cống Vân Cốc phụ thuộc vào mực nớc Hà Nội (ví dụ khi mực nớc Hà Nội > 13,4m). + Đập Đáy là công trình liên kết giữa hồ Vân Cốc và sông Đáy đợc xây dựng từ năm 1934. Ban đầu đập có 7 cửa, mỗi cửa rộng 33,75m. Sau khi vận hành lần đầu tiên vào năm 1945 một cánh bị hỏng nên hiện tại còn 6 cửa hoạt động. Cao trình tờng ngực của đập là 13,9m, cao trình đáy là 9m. Các cánh đóng mở theo chu trình mở và nghỉ xen kẽ nhau. Mỗi chu trình là 1 giờ 35 phút bắt đầu từ cao trình 13,9m, xuống 12,9m, xuống 11,7m, xuống 10,35m, và cuối cùng xuống đến 9m. Tổng cộng hết 12 giờ 40 phút. Đập Đáy đợc mở khi chênh lệch mực nớc thợng, hạ lu lớn hơn 6m. 2.2. Mô hình thuỷ động một chiều mô phỏng sóng vỡ đập cho hệ thống sông Hồng - Thái Bình Mô hình đợc xây dựng trên toàn bộ hệ thống sông Hồng - Thái Bình, bao gồm mạng tính toán dòng chảy trong mạng lới sông, phân lũ, chậm lũ và lũ tràn đê vào các vùng đồng bằng. Trong trờng hợp này toàn bộ sông Đà từ biên giới Việt - Trung đến hồ Hoà Bình đợc bổ sung vào mạng lới tính toán với hai đập là Sơn La và Hoà Bình. www.vncold.vn Trang tin in t Hi p ln Vit Nam 303 200000.0 250000.0 300000.0 350000.0 400000.0 450000.0 500000.0 550000.0 600000.0 650000.0 700000.0 [meter] 2200000.0 2220000.0 2240000.0 2260000.0 2280000.0 2300000.0 2320000.0 2340000.0 2360000.0 2380000.0 2400000.0 2420000.0 2440000.0 2460000.0 2480000.0 2500000.0 [meter] Standard - DBRES1996_10000YEARS_3SECT_223M_N10.RES11 Hình 2. Mạng lới tính toán vỡ đập Sơn La và Hoà Bình Thực chất mô hình là sự kế thừa của mô hình thuỷ động trong trờng hợp lũ tự nhiên bằng cách thêm vào đoạn sông Đà từ biên giới Việt - Trung đến hồ Hoà Bình, và thêm hai công trình là đập Sơn La và đập Hoà Bình. 2.3. Đánh giá một số kịch bản lũ và lũ do vỡ đập 2.3.1. Các kịch bản lũ Mô hình đợc ứng dụng để tính toán và xây dựng các bản đồ lũ cho các kịch bản lũ tự nhiên với các chu kỳ lũ 125, 500 và 1000 năm, dạng lũ năm 1971 và năm 1996 có sự tham gia điều tiết và không điếu tiết của hồ Hoà Bình. Các số liệu về trận lũ đợc trích từ dự án Xây dựng công nghệ mô phỏng số phục vụ việc đánh giá và điều hành các biện pháp phòng chống lũ lụt trên đồng bằng sông Hồng. Đây là các kịch bản mà một số các tác giả khác cũng nh Viện Cơ học đã tính toán. Các kịch bản lũ đợc liệt kê trong Bảng 1. Các bản đồ lũ đợc mô tả nh trong Hình 3. Bảng 1. Các kịch bản tính toán mô hình lũ tràn Kịch bản Chu kỳ lũ (năm) Dạng lũ Điều tiết hồ Hoà Bình I không II 1971 có III không IV 125 1996 có V không VI 1971 có VII không VIII 500 1996 có IX không X 1971 có XI không XII 1000 1996 có www.vncold.vn Trang tin in t Hi p ln Vit Nam 304 Hình 3. Bản đồ ngập lụt Tóm tắt đánh giá các kịch bản nh sau: - Đối với lũ có chu kỳ 125 năm, nếu có sự tham gia điều tiết của hồ Hoà Bình thì cha cần phân lũ vào sông Đáy. Mực nớc tại Hà Nội ở giới hạn cho phép và đều duới 13,4 m. Nếu hồ Hoà Bình không tham gia điều tiết thì cần phân lũ vào sông Đáy. - Đối với lũ có chu kỳ 500 và 1000 năm thì kể cả điều tiết hồ Hoà Bình và phân lũ sông Đáy cũng không ngăn đợc dòng lũ tràn đê (xem các hình vẽ đờng mặt nớc dọc theo sông Hồng). - Lu lợng lớn nhất qua đập Đáy là nhỏ hơn so với các mô hình tính toán trớc đây. Lu lợng lớn nhất tính toán tại Sơn Tây cũng đều nhỏ hơn nhiều so với lu lợng thiết kế lũ. 2.3.2. Các kịch bản lũ do vỡ đập Bảng 2. Các kịch bản tính toán vỡ đập Kịch bản Z ban đầu SL-HB Số khoang vỡ tại Sơn La- Z đáy Phơng án đập Sơn La Phơng án nhám I 215-99 3-169 Thấp 0,010 II 215-99 3-169 Thấp 0,035 III 215-99 3-169 Thấp 0,050 IV 270-99 3-169 Cao 0,010 V 270-99 3-169 Cao 0,035 VI 270-99 3-169 Cao 0,050 VII 215-99 4-169 Thấp 0,010 VIII 215-99 3-169 Thấp 0,035 IX 215-99 3-169 Thấp 0,050 X 270-99 3-169 Cao 0,010 XI 270-99 3-169 Cao 0,035 XII 270-99 3-169 Cao 0,050 www.vncold.vn Trang tin in t Hi p ln Vit Nam 305 Khoảng cách thời gian vỡ 2 đập Sơn La và Hoà Bình đối với phơng án Sơn La thấp tính trung bình khoảng 22 giờ khi giả thiết đập Sơn La vỡ 3 cửa và khoảng 19 giờ khi Sơn La vỡ 4 cửa. Còn đối với các phơng án Sơn La cao, khoảng thời gian này là khoảng 8,33 giờ và 7,67 giờ. Nh vậy, quãng thời gian này là tơng đối lâu do có chế độ điều hành các hồ hợp lý. Thời gian từ khi vỡ đập Hoà Bình đến khi lu lợng đạt giá trị lớn nhất vào khoảng 2 giờ (vì thời gian ghi số liệu trong mô hình là 1 giờ một lần do phải tiết kiệm thời gian tính toán, cũng nh hạn chế độ lớn của tệp). Thời gian truyền đỉnh lũ tính theo mực nớc từ khi vỡ đập Hoà Bình đến Sơn Tây đối với các phơng án Sơn La thấp là 24,33 giờ và đối với phơng án Sơn La cao là 28 giờ. Tơng tự đối với phơng án Sơn La cao - đến Hà Nội là 32 và 33 giờ. Sở dĩ có hiện tợng nh vậy là do trong phơng án Sơn La cao, lợng nớc tràn qua đê ở diện dài hơn. Xét đến vận tốc, lu lợng, mực nớc ta có bức tranh tơng tự: các đại lợng này tại Hoà Bình đạt giá trị lớn nhất sớm hơn vận tốc tại Sơn Tây và sớm hơn cả các lu lợng đạt giá trị lớn nhất tơng ứng. Điều này bị ảnh hởng bởi 2 nguyên nhân. Chế độ xả của hồ Hoà Bình khi bắt đầu vỡ đập Sơn La. Lu lợng xả lớn nhất đến 34.000 m 3 /s tại hồ Hoà Bình gây cho vận tốc Hà Nội đạt giá trị lớn nhất là chủ yếu. Khi lũ do vỡ đập truyền xuống hạ lu, thì bị tràn qua đê ở trớc Sơn Tây một phần, còn phần lớn vẫn ảnh hởng đến việc gia tăng các đại lợng thuỷ lực tại Sơn Tây. Nhng sau đó thì một phần lớn dòng lũ tràn vào khu trũng trong lu vực sông Đáy, qua các tràn Hát Môn Thợng, Hát Môn Hạ, cống Vân Cốc và đập Đáy và các tuyến đê nên ảnh hởng của dòng lũ đến các đại lợng thuỷ lực tại Hà Nội không lớn. 2.4. Một số kết quả áp dụng thực tế - Đề tài cấp Nhà nớc: "Nghiên cứu cơ sở khoa học để xác lập đờng tràn cứu hộ đê chống lũ cực hạn hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình" (ThS. Đặng Quang Tính, Cục trởng Cục Quản lý đê điều và phòng chống lụt bão là chủ nhiệm): Đã xây dựng đợc 2 mô hình tính lũ tràn tự nhiên qua tràn cứu hộ tại huyện Đông Anh vào địa phận huyện Đông Anh. Mô hình một chiều dựa trên các chơng trình MIKE 11 và MIKE 11GIS. Mô hình hai chiều dựa trên chơng trình MIKE 21. áp dụng đánh giá lũ tràn qua tràn sự cố vào Đông Anh. - Đề tài cấp Nhà nớc: "Nghiên cứu mô hình đề xuất cơ sở khoa học cải tạo và nâng cấp hệ thống thoát lũ sông Đáy phục vụ công tác phòng chống lụt bão đồng bằng Bắc Bộ" (PGS. TS. Nguyễn Tuấn Anh, Viện trởng Viện Khoa học Thuỷ lợi là chủ nhiệm): Đã xây dựng đợc mô hình tính toán lũ tràn cho hạ lu sông Hồng và sông Đáy. Từ đó áp dụng đánh giá khả năng thoát lũ hiện trạng của lòng dẫn sông Đáy khi phân lũ lớn và mô phỏng quá trình lan truyền lũ trong các khu trữ lũ của hệ thống thoát lũ sông Đáy. - Đề tài cấp Bộ: "Nghiên cứu bài toán mô hình thuỷ lực vỡ đập công trình thuỷ điện Sơn La, phục vụ thiết kế và an toàn công trình" (PGS. TS. Trần Đình Hợi, Phó Viện trởng Viện Khoa học Thuỷ lợi là chủ nhiệm): Đã xây dựng đợc mô hình tính toán lũ do vỡ đập trên hệ thống sông Đà và tính toán một số kịch bản (mô phỏng vỡ đập Sơn La và Hoà Bình). - Tính toán t vấn điều hành hồ Hoà Bình vào các mùa lũ cho Ban chỉ đạo Phòng chống lụt bão Trung ơng. www.vncold.vn Trang tin in t Hi p ln Vit Nam 306 2.5. Mô hình dự báo lũ và công tác t vấn điều hành hồ Hoà Bình hàng năm trong mùa lũ Đã xây dựng mô hình ma - dòng chảy cho các lu vực sông tại thợng nguồn. Phạm vi của mô hình này là phần thợng nguồn của hệ thống sông Hồng - Thái Bình, bao gồm lu vực các sông Đà, Thao, Lô, Cà Lồ, Cầu, Thơng, Lục Nam. Bản đồ phân chia lu vực đợc minh hoạ trên Hình 4. Hình 4. Bản đồ phân chia lu vực thợng lu sông Hồng - Thái Bình Mô hình NAM này đợc kết hợp vào mô hình tính toán lũ tràn tạo thành mô hình có thể đánh giá các phơng án điều hành hồ Hoà Bình. Các kết quả dự báo của các năm 2001 và 2002 rất khả quan. 3. Kết luận Báo cáo đã trình bày về việc áp dụng các phần mềm họ MIKE phục vụ công tác nghiên cứu về lũ, lũ do vỡ đập, dự báo lũ, Qua đó thấy rằng các phần mềm này là một trong những công cụ tốt phục vụ công tác nghiên cứu, phục vụ phòng chống lũ lụt và giảm nhẹ thiên tai. Các mô hình toán đã xây dựng đợc là những công cụ tốt, và góp phần vào việc đổi mới công nghệ, nâng cao năng lực cán bộ trong Viện Khoa học Thuỷ lợi. Tài liệu tham khảo [2] Nguyễn Nh Khuê 1994: "Hớng dẫn thực hành xây dựng mô hình toán dòng chảy và nồng độ chất hoà tan", Tài liệu đánh máy, 1994. [3] Nguyễn Tất Đắc, Nguyễn Văn Điệp: "Tính toán dòng triều và xâm nhập mặn trong hệ thống sông có cấu trúc", Tuyển tập công trình khoa học Trung tâm Khoa học tự nhiên và Công nghệ quốc gia, 1985. [4] Nguyễn Văn Điệp: Báo cáo dự án "Xây dựng công nghệ mô phỏng số phục vụ việc đề xuất, đánh giá và điều hành các biện pháp phòng chống lũ trên đồng bằng sông Hồng-Thái Bình", Viện Cơ học, 2001. . bày về việc ứng dụng các phần mềm họ MIKE trong công tác nghiên cứu về lũ và dự báo lũ cũng nh nghiên cứu lũ do vỡ đập. Các mô hình toán phục vụ nghiên cứu lũ và lũ do vỡ đập trong toàn bộ hệ. www.vncold.vn Trang tin in t Hi p ln Vit Nam 300 Sử DụNG CáC PHầN MềM Họ MIKE TRONG NGHIÊN CứU Lũ, Lũ DO Vỡ ĐậP Và Dự BáO Lũ TạI VIệN KHOA HọC THUỷ LợI GS.TS. Trần Đình Hợi 1 TS. Nguyễn Văn Hạnh 2. việc áp dụng các phần mềm họ MIKE phục vụ công tác nghiên cứu về lũ, lũ do vỡ đập, dự báo lũ, Qua đó thấy rằng các phần mềm này là một trong những công cụ tốt phục vụ công tác nghiên cứu, phục