ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE 11 ĐỂ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG LÀM VIỆCLẬP QUY TRÌNH VẬN HÀNH CỦA CÁC CỐNG THUỘC HỆ THỐNG THỦY LỢINGỌT HÓA GÒ CÔNG

Nghiên cứu khoa học chun ngành ỨNG DỤNG MƠ HÌNH MIKE 11 ĐỂ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG LÀM VIỆC LẬP QUY TRÌNH VẬN HÀNH CỦA CÁC CỐNG THUỘC HỆ THỐNG THỦY LỢI NGỌT HĨA GỊ CƠNG – TIỀN GIANG THÍCH ỨNG VỚI BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU – NƯỚC BIỂN DÂNG HVCH Mai Đức Phú* PGS.TS Dương Văn Viện** Biến đổi khí hậu, nước biển dâng làm cho loạt cống ven biển thay đổi chế độ thủy văn, thủy lực, cần phải đánh giá khả thích ứng chúng Nghiên cứu ứng dụng mơ hình MIKE 11 với module liên quan tiến hành để đánh giá khả làm việc cống vùng triều thuộc dự án hóa Gị Cơng - Tiền Giang theo kịch nước biển dâng (NBD) Kết mô định lượng tác động từ NBD (theo kịch Bộ Tài Nguyên Mơi trường cơng bố), từ đưa giải pháp kỹ thuật cho cống nhằm thích nghi với NBD phát triển bền vững Bài báo tóm tắt nội dung chuyên đề: Nghiên cứu lập quy trình vận hành hệ thống thủy lợi thuộc dự án Gị Cơng – Tiền Giang để thích ứng với nước biển dâng biến đổi khí hậu (thuộc đề tài luận văn cao học) ĐẶT VẤN ĐỀ Biến đổi khí hậu (BĐKH) kéo theo nước biển dâng (NBD) nhiều ảnh hưởng xấu khác nhà khoa học dự báo Đồng sông Cửu Long (ĐBSCL) vùng bị ảnh hưởng nghiêm trọng Năm 2009, chấp thuận Chính phủ Tài ngun Mơi trường cơng bố Kịch Biến đổi khí hậu - Nước biển dâng cho giai đoạn đến năm 2100 để Bộ ngành làm xem xét Trong đời sống kinh tế - xã hội vùng ven biển hệ thống cống vùng triều đóng vai trị quan trọng Tuy nhiên, hệ thống cống thiết kế trường hợp chưa xét đến điều kiện BĐKH cần phải nghiên cứu khả làm việc có thay đổi NBD từ tìm giải pháp nâng cấp để phù hợp với yêu cầu Việc xác định thông số thủy văn, thủy lực cống hệ thống sông điều kiện tương ứng với kịch NBD BĐKH địi hỏi phải sử dụng mơ hình tốn Tại ĐBSCL việc phát triển ứng dụng mơ hình tốn quy hoạch quản lý tài nguyên nước nói chung trọng suốt gần bốn thập kỷ qua Chuyên đề tập trung nghiên cứu ứng dụng mô hình Mike11 tốn dịng chảy kiệt dịng chảy lũ nhằm đánh giá khả hoạt động cống tương thích với kịch NBD để góp phần phục vụ khai thác quản lý bền vững tài nguyên nước lưu vực sông Tiền thuộc địa phận tỉnh Tiền Giang KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 2.1 Giới thiệu tóm tắt mơ hình MIKE11 Qua nghiên cứu mơ hình cho thấy MIKE 11 DHI Water & Environment phát triển, phần mềm dùng để mơ dịng chảy/lưu lượng, chất lượng nước vận chuyển bùn cát cửa sông, sông, kênh mạng lưới sơng Đây mơ hình động lực phân tích chi tiết hỗ trợ cho cơng tác thiết kế, quản lý, vận hành hệ thống sông, kênh Với môi trường đặc biệt thân thiện, linh hoạt tốc độ, MIKE 11 công cụ thiết kế hữu * Giảng viên khoa Thủy lợi ** Hiệu trường Trường Cao đẳng Nông nghiệp Nam Bộ 75 Nghiên cứu khoa học chuyên ngành Hiệu kỹ thuật cơng trình, tài ngun nước, quản lý chất lượng nước ứng dụng quy hoạch - Module HD - Thủy động lực học phần cốt lõi MIKE 11 với tính năng: - Giải tốn thủy động lực học St Venant cho kênh hở - Giải tốn sóng khuyếch tán, sóng động học cho số nhánh định trước - Giải toán Muskingum cho số nhánh định trước - Tự động hiệu chỉnh cho điều kiện dịng chảy êm, dịng chảy xiết - Mơ hầu hết loại cơng trình sơng cầu, cống, trạm bơm, đập Ngồi mơ-đun HD AD mơ tả trên, MIKE cịn bao gồm số mô-đun bổ sung vấn đề: - Thủy văn (Mike-NAM) - Chất lượng nước (Mike – WQ) - Vận chuyển bùn cát có cố kết (có tính dính) (Mike -ST) - Vận chuyển bùn cát khơng có cố kết (khơng có tính dính) (Mike ST) 2.2 Giới thiệu vài liệu vùng nghiên cứu Tài liệu địa hình sử dụng tính tốn trích xuất từ đồ thủy lực mùa cạn ĐBSCL chi tiết hóa cho vùng nghiên cứu với nhánh sơng Một phần số liệu kế thừa kết nghiên cứu nhiều năm Viện Vùng dự án hóa Gị Cơng nằm phía Đơng tỉnh Tiền Giang Đây vùng tưới tiêu chịu ảnh hưởng triều biển Đông với chế Đặc trưng mơ hình MIKE 11 cấu trúc tổng hợp với nhiều mô-đun thêm vào để mô tượng liên quan đến hệ thống sông Các mô-đun MIKE 11 bao gồm: Khoa học Thuỷ lợi Miền Nam Viện Quy hoạch Thủy lợi miền Nam Sông Tiền chịu ảnh hưởng mạnh mẽ thủy triều biển Đông, triều lên tạo dịng chảy phía thượng lưu ngược lại; hai tỉnh giáp biển nên biến đổi khí hậu mà đặc biệt NBD ảnh hưởng lớn đến hoạt động phát triển kinh tế, thông qua đặc trưng thủy văn, thủy lực, đặc biệt tình hình thiếu nước ngày trở nên trầm trọng có diễn biến bất thường, dễ nhận mùa khô năm 2004, 2005 gần năm 2010 Ở vùng nghiên cứu, cơng trình thuỷ lợi xây dựng qua nhiều thời kỳ, thiết kế chưa đề cập đến yếu tố BĐKH Cống làm việc có hiệu lưu lượng mực nước đảm bảo mức thiết kế trước Hiện nay, vào mùa khô lưu lượng sông nhỏ nước mặn xâm nhập sâu vào nội địa, gây thiếu nguồn nước ảnh hưởng đến sản xuất nông nghiệp tác động xấu đến môi trường sinh thái; cao độ mặt đất tự nhiên thấp, vào mùa mưa lũ gặp triều cường dâng cao, với tượng NBD nước thượng nguồn sông Mekong đổ gây ngập lụt lâu hơn, sâu phần lớn diện tích vùng ven biển, ven sơng Tiền Giang tỉnh nằm khu vực đồng sơng Cửu Long (phía Đơng Bắc ĐBSCL) theo nhà khoa học đánh giá khu vực nhạy cảm dễ bị tổn thương từ tác động biến đổi khí hậu nước biển dâng xâm nhập mặn; lũ lụt, tiêu thoát nước sạt lở đất; bão áp thấp nhiệt đới; hạn hán độ bán nhật triều biên độ triều cao đạt 3,5m Phạm vi vùng dự án giới hạn bởi: 76 Nghiên cứu khoa học chun ngành - Phía Đơng : Biển Đơng - Phía Tây : Kênh Chợ Gạo - Phía Nam : sơng Cửa Tiểu - Phía Bắc : Sơng Vàm Cỏ Tổng diện tích tự nhiên khu vực 54.400 có 42.589,29ha đất trồng trọt, có 29.589,86 trồng lúa, 1.263,2ha đất luân canh lúa màu, 4.470,75ha đất luân canh hoa màu, 7.265,49ha đất trồng lâu năm Hình Bản đồ khu vực nghiên cứu 2.3 Sơ đồ Thủy lực Mạng sông Sơ đồ tính tốn trích xuất từ đồ thủy lực ĐBSCL chi tiết hóa cho vùng nghiên cứu Bến Tre - Tiền Giang số liệu đo đạc từ năm 1998 - 2000 Một phần số liệu thu thập dựa số kết nghiên cứu nhiều năm Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam Viện Quy hoạch Thủy lợi miền Nam 77 Nghiên cứu khoa học chun ngành Hình Sơ đồ tính tốn mạng thủy lực Tiểu, Cửa Đại, cửa Ba Lai, cửa Hàm Lng cửa Cổ Chiên Hệ thống biên mơ hình - Biên trên: Là trình lưu lượng ngày thực đo trạm thuỷ văn khống chế bao gồm Mỹ Thuận (sông Tiền), Trị An (sông Đồng Nai), Dầu Tiếng (sơng Sài Gịn), Cần Đăng (sơng Vàm Cỏ Đơng), Mộc Hố (sơng Vàm Cỏ Tây) Độ mặn biên 2.4 Hiệu chỉnh thông số mơ hình Sử dụng phương pháp thử dần thơng thường hiệu chỉnh thơng số Hiệu chỉnh mơ hình tiến hành cho giai đoạn dòng chảy kiệt tháng I đến tháng VI/1998 mùa lũ tháng VII - XII/2000, hạn chế viết nên nêu số kết mơ hiệu chỉnh trình bày trạm Mỹ Tho (Tiền Giang) trạm Chợ Lách (Bến Tre) - Biên dưới: trình mực nước quan trắc cửa sơng hệ thống bao gồm trạm: Vũng Tàu, Cửa [ m e te r ] W a te r L e v e l T IE N _ S 5 T im e S e r ie s W a te r L e v e l E x te r n a l T S M y T h o 0 0 -0 -0 -0 -0 -1 -1 -1 -1 -1 -4 -1 9 -4 -1 9 -4 -1 9 -4 -1 9 -4 -1 9 1 -4 -1 9 -4 -1 9 -4 -1 9 -4 -1 9 -4 -1 9 -4 -1 9 -4 -1 9 -4 -1 9 -4 -1 9 Hình Biểu đồ kết hiệu chỉnh trình mực nước tính tốn thực đo trạm Mỹ Tho 78 Nghiên cứu khoa học chuyên ngành [ m e te r ] T im e S e rie s W a te r W a te r L e v e l H A M L U O N G _ S L e v e l 0 E x te r n a l T S O B S _ H _ c h o la c h 0 - - - - - - - - - - 9 - - 9 - - 9 2 - - 9 - - 9 - - 9 - - 9 1 - - 9 Hình Biểu đồ kết hiệu chỉnh trình mực nước tính tốn thực đo trạm Chợ Lách [ m e te r ] T im e S e r ie s W a te r W a te r L e v e l T IE N _ S L e v e l E x te r n a l T S M N M y T h o - 0 - Q G 0 - - - - - - - - - - 0 - - 0 1 - - 0 - - 0 - - 0 - - 0 - - 0 - - 0 - - 0 - - 0 Hình Biểu đồ kết kiểm định q trình mực nước tính tốn thực đo năm 2000 trạm Mỹ Tho, Chỉ tiêu NASH mực nước 97,9% [ m e te r ] T im e S e r ie s W a te r W a te r L e v e l H A M L U O N G _ S L e v e l E x te r n a l T S O B S _ H _ c h o 0 - - - - - - - - - 0 - - 0 1 - - 0 - - 0 - - 0 - - 0 - - 0 - - 0 - - 0 - - 0 - - 0 Hình Biểu đồ kết kiểm định q trình mực nước tính tốn thực đo năm 2000 trạm Chợ Lách, Chỉ tiêu NASH mực nước 95% Hình Biểu đồ kết hiệu chỉnh mặn tính tốn thực đo sơng Cửa tiểu năm 1998 cống xuân hòa 79 0 la c h Nghiên cứu khoa học chuyên ngành Hình Biểu đồ kết hiệu chỉnh mặn tính tốn thực đo sơng Cửa tiểu năm 1998 cống vàm giồng Hình Biểu đồ kết hiệu chỉnh mặn tính tốn thực đo sông Cửa tiểu năm 1998 cống Long ng Hình 10 Biểu đồ kết hiệu chỉnh mặn tính tốn thực đo sơng Vàm cỏ năm 1998 cống Gị cơng 80 Nghiên cứu khoa học chuyên ngành Hình 11 Biểu đồ kết kiểm định mặn tính tốn thực đo sơng Cửa tiểu năm 1998 cống Xn hịa Hình 12 Biểu đồ kết kiểm định mặn tính tốn thực đo sông Cửa tiểu năm 1998 cống Vàm giồng Hình 13 Biểu đồ kết kiểm định mặn tính tốn thực đo sơng Cửa tiểu năm 1998 cống Long ng Hình 14 Biểu đồ kết kiểm định mặn tính tốn thực đo sơng Vàm cỏ năm 1998 cống Gị cơng 81 Nghiên cứu khoa học chuyên ngành Số liệu đo đạc lưu lượng, mực nước trạm thời gian sử dụng để hiệu chỉnh mô hình kiệt mơ hình lũ Đầu tiên q trình hiệu chỉnh xem xét việc cân tổng lượng thực đo tính tốn, việc hiệu chỉnh mơ hình hiệu chỉnh mực nước Nhận xét Nhìn chung tồn hệ thống, kết mô thể xu biến đổi đặc trưng lưu lượng mực nước khu vực nghiên cứu Tuy số vị trí kết mô thể chưa tốt, chưa thể hết biến đổi chuỗi số liệu thực đo Nhìn chung thơng số mơ tốt biến đổi đặc trưng mực nước lưu lượng hầu hết nhánh sông - vị trí có số liệu đo đạc Do việc sử dụng số liệu cho bước tính phương án hồn tồn chấp nhận 2.5 Tính tốn mơ phương án vận hành hệ thống theo kịch trạng & nước biển dâng Các trường hợp đưa vào để tính toán chuyên đề tập trung đánh giá khả làm việc cống vùng dự án khả cấp nước từ đưa tính tốn kịch sau: (i) Kịch trạng (KBHT): mùa khơ sử dụng dịng chảy kiệt lưu vực biên mực nước triều từ tháng I - VI/1998, mùa lũ sử dụng dòng chảy lũ lưu vực biên mực nước triều từ tháng VII – XII/2000 năm khô cạn lũ đặc trưng ĐBSCL, (ii) Kịch (KB1): ứng với KBHT NBD 33cm, (iii) Kịch (KB2): ứng với KBHT NBD 71cm, (iv) Kịch (KB3): ứng với KBHT NBD 100cm Trích xuất kết tính từ mơ hình Mike 11 phân tích theo kịch sau: Bảng Diễn biến độ mặn max cống Xn Hịa sơng Cửa Tiểu Tháng Độ mặn (g/l) theo kịch HT 1.8 2.72 7.23 6.31 5.36 1.88 KB1 1.87 2.79 7.33 6.53 5.55 2.01 KB2 1.96 2.91 7.56 6.82 5.76 2.1 KB3 2.03 7.73 7.07 5.94 2.18 Bảng Mực nước trước cống Xuân Hòa theo kịch Mực nước biển dâng Mực nước trước cống (m) Mực nước max trước cống (m) KB1 (33 cm) -0.977 2.031 KB2 (71 cm) -0.651 2.398 KB3 (100cm) -0.396 2.687 82 Nghiên cứu khoa học chuyên ngành Hình 15 Bản đồ phân vùng tưới Tiến hành đánh giá khả cấp nước cho hệ thống từ cống lấy nước đầu mối, điều kiện vận hành cống dự án vào mùa khơ: - Các cống lấy nước cống xuân hòa, vàm giồng mở để lấy nước liên tục thỏa mãn đồng thời điều kiện sau: Chênh lệch mực nước ngồi sơng đồng ≥ 0.1 m độ mặn sông < g/l - Các cống lại làm nhiệm vụ tiêu nước mực nước nội đồng > 0.85 m xổ xả định kỳ để cải thiện nguồn nước hệ thống chênh lệch mực nước đồng ngồi sơng ≥ 0.1 m Vào mùa mưa: - Các cống lấy nước cống xn hịa, vàm giồng mở để lấy nước liên tục thỏa mãn đồng thời điều kiện sau: Chênh lệch mực nước ngồi sơng đồng ≥ 0.1 m độ mặn sông < g/l - Các cống lại làm nhiệm vụ tiêu nước mực nước nội đồng > 0.85 m xổ xả định kỳ để cải thiện nguồn nước hệ thống - Ngồi cống (Xn Hịa, Vàm Giồng) tiến hành xả mưa lớn mực nước đồng > 0.85 m 83 Nghiên cứu khoa học chuyên ngành Hình 16 Mạng thủy lực 17 điểm cấp nước, 22 cống dự án Hình 17 Kết mơ lưu lượng lấy qua cống Xn Hịa mùa khơ Hình 18 Kết mơ vận hành kiểm sốt mặn cống Xn Hịa mùa khơ 84 Nghiên cứu khoa học chun ngành Hình 19 Kết mơ lưu lượng lấy qua cống Vàm Giồng mùa khơ Hình 20 Kết mơ vận hành kiểm sốt mặn cống Vàm Giồng mùa khô Bảng Bảng đánh giá khả cấp nước cho hệ thống cống Xuân hịa, Vàm giồng, Rạch chợ theo tính tốn tương ứng với kịch NBD Tháng VHHT VHKB1 VHKB2 VHKB3 W nhu cầu W W W 6 6 (10 m) (10 m ) (10 m ) (10 m ) % % W (10 m ) % % 100.13 117 148.26 173 163.29 190 132.67 155 85.81 65.79 92 105.90 148 128.23 179 115.10 161 71.46 15.35 95 37.78 233 61.94 381 63.87 393 16.25 2.56 4.51 5.92 7.78 120.03 23.77 26 34.30 37 65.01 71 63.12 69 91.48 54.44 74 61.00 83 121.47 165 146.68 200 73.48 64.87 115 55.90 99 68.01 120 66.24 117 56.47 11.95 126 27.08 285 64.02 674 56.71 597 9.50 33.72 91 56.44 152 49.36 133 41.47 112 37.15 10 14.36 168 42.44 495 41.19 481 39.59 462 8.57 11 70.02 93 79.76 106 68.55 91 72.54 97 74.97 12 57.74 93 74.05 119 56.96 91 56.67 91 62.25 Mùa khô 262.03 57 391.75 85 545.87 119 529.22 115 458.50 Mùa mưa 252.66 102 335.67 135 348.07 140 333.22 134 248.91 85 Nghiên cứu khoa học chuyên ngành Nhận xét Kết cho thấy tổ hợp vận hành đáp ứng 57% nhu cầu nước hệ thống cho mùa khô 102% vào mùa mưa Kết vận hành cống theo tính tốn mơ hình gần giống với kết vận hành thực tế KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 3.1 Kết luận Việc áp dụng phương pháp tìm biện pháp vận hành cơng trình tối ưu nêu cách kiểm tra kết tính tốn khả cấp nước hệ thống cung cấp thông tin khả cung cấp nước cho vùng dự án, nhờ giúp cho việc tính tốn điều chỉnh quy hoạch sử dụng đất cho phù hợp với mục tiêu khả phát triển thực tế, lựa chọn cấu trồng mùa vụ cho vùng; tác giả đưa kết luận sau đây: (i) Phần mềm tính tốn Mike 11 phù hợp với việc tính tốn mơ hóa hệ thống có mạng kênh mương phức tạp dự án hóa Gị Cơng, (ii) Từ thơng số mơ hình, điều kiện ban đầu, điều kiện biên mô hệ thống cho kết tính tốn phù hợp với tài liệu thực đo, (iii) Có thể sử dụng mơ hình thủy lực công cụ quan trọng việc tính tốn dự báo phương án vận hành cống theo chế độ thủy lực nhằm lấy đủ nước cho vùng dự án vào mùa khơ, (iv) Có thể áp dụng phần mềm mike phục vụ cho công tác dự báo khả nhiễm mặn sông cửa tiểu, tạo sở cho việc định vận hành công trình phù hợp với biển đổi thủy văn Kết tính tốn dựa cơng cụ điều khiển mơ hình mike 11 theo phương án vận hành kết hợp kiểm soát mặn cống khẳng định, với việc vận hành dự đoán trước thời gian trữ xả nước nâng cao mực nước hệ thống cống hiến vấn đề nghiên cứu Việc ứng dụng khoa học công nghệ công nghệ thông tin điều khiển nhằm nâng cao công tác quản lý vận hành hệ thống 3.2 Kiến nghị Qua nghiên cứu, mơ hình Mike11 thể nhiều tính ưu việt như: (i) có tính đồng cao thể qua việc kết nối với mơ hình thành phần khác Mike ứng dụng liên quan, (ii) hệ thống file số liệu tổ chức có tính khoa học cao, tiện lợi giải toán lớn, phức tạp, (iii) độ ổn định cao tính tốn với hệ thống mã báo lỗi chi tiết thuận tiện cho người sử dụng Tuy vậy, số điểm cần tiếp tục cải tiến thêm như: (i) cần cải tiến hệ thống giao diện Mike theo hướng đơn giản thân thiện với người sử dụng nữa, (ii) cần chi tiết nội dung hướng dẫn thiết lập/vận hành hệ thống cơng trình sơng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] DHI Water & Environment: MIKE 11-A Modelling System for Rivers and Channels Reference Manual, 2000 [2] Bộ Tài ngun mơi trường, (2009) “Kịch biến đổi khí hậu, nước biển dâng cho Việt Nam” [3] Địa chí Tiền Giang, thông tin website http://www.tiengiang.gov.vn [4] Thông tin website http://www.bentre.gov.vn [5] Cty TNHH thành viên Khai thác Cơng trình Thủy lợi tỉnh Tiền Giang; Hồ sơ lý lịch cơng trình tài liệu quan trắc mực nước [6] PGS.TS Dương Văn Viện nnk, (2010), Nghiên cứu nâng cấp cống vùng triều vừa nhỏ để thích ứng với nước biển dâng biến đổi khí hậu Tiền Giang Bến Tre, đề tài sở cấp Bộ năm 2010 86