Mô hình toán Hec HMS

mô hình toán hec- hms I Tổng quan mô hình nghiên cứu I-1 Giới thiệu mô hình Mô hình HEC sản phẩm tập thể kỹ s thuỷ văn thuộc quân đội Hoa Kỳ HEC-1 góp phần quan trọng việc tính toán dòng chảy lũ sông nhỏ trạm đo lu lợng Tính thời điểm này, có không đề tài nghiên cứu khả ứng dụng thực tế Tuy nhiên, HEC-1 đợc viết từ năm 1968- chạy môi trờng DOS, số liệu nhập không thuận tiện, kết in khó theo dõi Hơn nữa, ngời không hiểu sâu chơng trình kiểu Format thờng lúng túng việc truy xuất kết mô hình không muốn làm thủ công Do vậy, HEC-HMS giải pháp, đợc viết để chạy môi trờng Windows- hệ điều hành quen thuộc với ngời Phiên HECHMS version 2.0, phiên HEC- HMS version 3.2 Phần mềm bao gồm : giao diện đồ họa, thành phần phân tích thủy văn, lu trữ số liệu, công cụ quản lý ghi Chơng trình kết hợp ngôn ngữ lập trình C, C++ Fortran Phơng tiện tính toán giao diện đồ họa đợc lập trình theo hớng đối tợng C++ Các thuật toán thủy văn đợc viết Fortran đợc tổ chức th viện Lib Hydro Quản lý số liệu đợc trình bày dùng th viện HEC- Lib Mặc dù đợc kết hợp chơng trình nhng có tách biệt rõ ràng giao diện, công cụ tính toán lu trữ số liệu Mô thành phần lu vực Các đặc trng vật lý khu vực sông đợc miêu tả mô hình lu vực Các yếu tố thủy văn nh: lu vực con, đoạn sông, hợp lu, phân lu, hồ chứa, nguồn, hồ, đầm đợc gắn kết hệ thống mạng lới để tính toán trình dòng chảy Các trình tính toán đợc thợng lu đến hạ lu + Tổn thất Một tập hợp phơng pháp khác có sẵn mô hình để tính toán tổn thất Có thể lựa chọn phơng pháp tính toán tổn thất số phơng pháp : Phơng pháp tính thấm theo hai giai đoạn- Thấm ban đầu thấm số (Initial and Constant), thấm theo số đờng cong thấm quan bảo vệ đất Hoa Kỳ(SCS Curve Number), thấm theo Gridded SCS Number thấm theo hàm Green and Ampt Phơng pháp Deficit and Constant áp dụng cho mô hình liên tục đơn giản Phơng pháp tính độ ẩm đất bao gồm lớp đớc áp dụng cho mô hình mô trình thấm phức tạp bao gồm bốc + Chuyển đổi dòng chảy Có nhiều phơng pháp để chuyển lợng ma hiệu thành dòng chảy bề mặt khu vực Các phơng pháp đờng đơn vị bao gồm: đờng đơn vị tổng hợp Clack, Snyder đờng đơn vị không thứ nguyên quan bảo vệ đất Hoa Kỳ Ngoài phơng pháp tung độ đờng đơn vị xác định ngời sử dụng đợc dùng Phơng pháp Clark sửa đổi (Mod Clark) phơng pháp đờng đơn vị không phân bố tuyến tính đợc dùng với lới ma Mô hình bao gồm phơng pháp sóng động học + Diễn toán kênh hở Một số phơng pháp diễn toán thủy văn đợc bao gồm để tính toán dòng chảy kênh hở Diễn toán mà không tính đến suy giảm đợc mô phơng pháp trễ Mô hình bao gồm phơng pháp diễn toán truyền thống Muskingum Phơng pháp Puls sửa đổi đợc dùng để mô đoạn sông nh chuỗi thác nớc, bể chứa với quan hệ lợng trữ - dòng chảy đợc xác định ngời sử dụng Các kênh có mặt cắt ngang hình thang, hình chữ nhật, hình tam giác hay hình cong đợc mô với phơng pháp sóng động học hay Muskingum- Cunge Các kênh có diện tích bãi đợc mô với phơng pháp Muskingum- Cunge phơng pháp mặt cắt ngang điểm + Tính toán ma - dòng chảy Chơng trình tính toán đợc tạo cách kết hợp mô hình lu vực, mô hình khí tợng - thủy văn mô hình điều khiển chơng trình Các kết tính toán đợc xem từ lợc đồ mô hình lu vực Bảng tổng kết chung bảng tổng kết phần chứa thông tin lu lợng đỉnh lũ tổng lợng Mỗi yếu tố có bảng tổng kết đồ thị + Hiệu chỉnh thông số Hầu hết thông số phơng pháp có mô hình lu vực yếu tố đoạn sông ớc tính phơng pháp dò tìm tối u Mô hình gồm có hàm mục tiêu để dò tìm thông số Việc dò tìm thông số tối u nhằm mục đích tìm thông số thích hợp kết tính toán phù hợp với kết thực đo Số liệu đầu vào kết tính biểu thị dới hệ đơn vị mét hay đơn vị Anh đợc tự động chuyển cần thiết I-2 Khả mô hình Về lý thuyết, HEC- HMS dựa sở lý luận mô hình HEC-1: nhằm mô trình ma- dòng chảy Mô hình bao gồm hầu hết phơng pháp tính dòng chảy lu vực diễn toán, phân tích đờng tần suất lu lợng, công trình xả hồ chứa vỡ đập mô hình HEC-1 Chức phân tích thiệt hại lũ không đợc xây dựng mô hình HEC-HMS mà đợc trình bày phần mềm HEC-FDA Những phơng pháp tính toán đợc đề cập mô hình HEC-HMS : tính toán đờng trình liên tục thời đoạn dài tính toán dòng chảy phân bố sở ô lới lu vực Việc tính toán liên tục dùng bể chứa đơn giản biểu thị độ ẩm đất hay phức tạp mô hình bể chứa bao gồm trữ nớc tầng cùng, trữ nớc bề mặt, lớp đất hai tầng ngầm Dòng chảy phân bố theo không gian đợc tính toán theo chuyển đổi phân bố phi tuyến (Mod Clak) ma thấm I-3 Lý thuyết mô hình Mô hình HEC-HMS đợc sử dụng để mô trình ma- dòng chảy xảy lu vực cụ thể Ta biểu thị mô hình sơ đồ sau: Tổn thất(P) Đờng lũ đơn vị Ma (X) > Dòng chảy (Y) -> Đờng trình lũ (Q~t) qp Y=X-P Ta hình dung chất hình thành dòng chảy trận lũ nh sau: Khi ma bắt đầu rơi thời điểm ti đó, dòng chảy mặt cha đợc hình thành, lợng ma ban đầu tập trung cho việc làm ớt bề mặt thấm Khi cờng độ ma vợt cờng độ thấm (ma hiệu quả) bề mặt bắt đầu hình thành dòng chảy, chảy tràn bề mặt lu vực, sau tập trung vào mạng lới sông suối Sau đổ vào sông, dòng chảy chuyển động hạ lu, trình chuyển động dòng chảy bị biến dạng ảnh hởng đặc điểm hình thái độ nhám lòng sông I-3-1 Ma A Biểu đồ ma Ma đợc sử dụng đầu vào cho trình tính toán dòng chảy lu vực Mô hình HEC- HMS mô hình thông số tập trung, lu vực có trạm đo ma đại diện Lợng ma đợc xem ma bình quân lu vực (phân bố đồng toàn lu vực) Dù ma đợc tính theo cách tạo nên biểu đồ ma nh hình 2.1 Biểu đồ ma biểu thị chiều sâu lớp nớc trung bình thời đoạn tính Cờng độ ma (mm/ giờ) toán B Số liệu ma t0 t1 Hình 2.1: Biểu đồ ma t2 t3 t4 t5 Thời gian ( ) Phơng pháp tính lợng ma trung bình diện tích tính toán gồm có: phơng pháp trung bình số học phơng pháp trung bình có trọng số; phơng pháp sau chia ra: phơng pháp đa giác Thiessen, phơng pháp đờng đẳng trị ma Tài liệu ma đợc lấy từ trận ma thực đo, số liệu ma cung cấp cho mô hình theo hai cách: * Ma tính theo phơng pháp trung bình số học: Lớp nớc ma trung bình lu vực giá trị trung bình số học lợng ma trạm đo ma nằm lu vực n X= X( ) i i =1 (2.1) n Trong đó: Xi : lợng ma trạm thứ i n : số trạm đo ma lu vực * Ma tính theo phơng pháp trung bình có trọng số: + Phơng pháp đa giác Thiessen: Trọng số hệ số tỷ lệ phần diện tích lu vực trạm ma nằm lu vực bên cạnh lu vực đại biểu với toàn diện tích lu vực Diện tích phận khống chế trạm ma đợc xác định nh sau: Nối liền trạm đo ma đoạn thẳng chia lu vực thành nhiều hình tam giác, kẻ đờng trung trực cạnh tam giác, đờng giới hạn diện tích phận trạm đo Lợng ma trung bình lu vực đợc tính theo công thức sau: n X = X i =1 n i =1 i fi (2.2) fi Trong đó: Xi : lợng ma đo đợc trạm thứ i fi : diện tích lu vực phận thứ i n : số trạm đo ma ( số diện tích lu vực phận ) + Phơng pháp đờng đẳng trị ma: Trọng số diện tích kẹp hai đờng đẳng trị ma tính lợng ma trung bình theo công thức (2.2) Trong đó: X i lợng ma trung bình hai đờng đẳng trị ma kề nhau, fi diện tích phận nằm hai đờng I-3-2 Tổn thất Nớc ma điền trũng thấm đợc gọi lợng tổn thất HEC-HMS Lợng điền trũng thấm đợc biểu thị lợng trữ nớc bề mặt hay cỏ, lợng tích đọng cục bề mặt đất, vết nứt, kẽ hở mặt đất nớc không tự di chuyển nh dòng chảy mặt đất Thấm biểu thị di chuyển nớc xuống vùng nằm dới mặt đất Hai nhân tố quan trọng nên đợc ý tính toán tổn thất ma Thứ nhất, lợng ma không tham gia vào trình dòng chảy đợc coi bị tổn thất từ hệ thống Thứ hai, phơng trình đợc dùng để tính toán lợng tổn thất không tính đến phục hồi độ ẩm hay lợng trữ bề mặt đất Thực tế cho biết chơng trình HEC-HMS mô hình có xu áp dụng cho tợng ma - lũ đóng Tính toán tổn thất ma đợc sử dụng theo đờng đơn vị hay thành phần mô hình sóng động học Trong trờng hợp dùng thành phần đờng đơn vị, lợng tổn thất đợc xem toàn lu vực (phân bố toàn lu vực) Theo cách khác lợng tổn thất ma riêng biệt đợc xác định cho vùng dòng chảy riêng biệt mặt đất thành phần sóng động học Lợng tổn thất đợc xem phân bố toàn vùng dòng chảy tràn qua Trong vài trờng hợp cá biệt có lợng tổn thất không đáng kể theo vị trí lu vực Điều cho vùng hồ tự nhiên, hồ nhân tạo hay vùng không thấm Trong trờng hợp tổn thất không đợc tính toán theo phần trăm xác định diện tích không thấm Mô hình HEC-HMS có phơng pháp đợc dùng để tính toán tổn thất Dùng phơng pháp ta tính đợc lợng tổn thất trung bình thời đoạn tính toán, lợng ma hiệu đợc dùng để tính toán đờng trình dòng chảy cho lu vực Một hệ số không thấm tính theo phần trăm đợc sử dụng với phơng pháp để bảo đảm phần diện tích không thấm 100% ma sinh dòng chảy A Tốc độ thấm ban đầu thấm ổn định (Intial and Constant Rate) Khái niệm phơng pháp là: Tỷ lệ tiềm lớn tổn thất ma fc, không đổi suốt trận ma Do vậy, pt lợng ma khoảng thời gian từ t đến t + t, lợng ma hiệu pet thời đoạn đợc cho bởi: pet = pt fc pt > fc pet = pt fc (2.3) Quá trình thấm cờng độ thấm Ia đó, sau giảm dần đạt tới giá trị không đổi fc Tổn thất ban đầu đợc thêm vào mô hình để biểu thị hệ số trữ nớc lu vực Hệ số trữ kết giữ nớc thảm phủ thực vật lu vực, nớc đợc trữ chỗ lõm bị thấm hay bốc gọi tổn thất điền trũng Tổn thất xảy trớc hình thành dòng chảy lu vực Khi lợng ma rơi lu vực cha vợt lợng tổn thất ban đầu cha sinh dòng chảy Lợng ma hiệu đợc tính theo công thức: pet = pi < Ia pet = pt - fc pi > Ia pt > fc (2.4) pi > Ia pt< fc pet = Những thông số phơng pháp biểu thị đặc trng vật lý lớp đất lu vực, điều kiện ẩm kỳ trớc Nếu lu vực điều kiện bão hòa ẩm, tổn thất ban đầu tiến dần tới Nếu lu vực khô hạn, tổn thất ban đầu lớn biểu thị lớp nớc ma lớn rơi lu vực nhng không sinh dòng chảy, điều phụ thuộc vào địa hình lu vực, việc sử dụng đất, loại đất việc xử lý đất B SCS Curve Number ( Chỉ số CN) Cơ quan bảo vệ thổ nhỡng Hoa Kỳ (1972) phát triển phơng pháp để tính tổn thất dòng chảy từ ma gọi phơng pháp SCS Mục đích thành lập hệ thống phân loại đất để sử dụng đồ dùng đất toàn quốc Ta thấy, trận ma, độ sâu ma hiệu dụng hay độ sâu dòng chảy trực tiếp P e không vợt độ sâu ma P Tơng tự nh vậy, sau trình dòng chảy bắt đầu, độ sâu nớc bị cầm giữ có thực lu vực Fa nhỏ độ sâu nớc cầm giữ tiềm tối đa S (hình 2.2) Ta có lợng ma Ia bị tổn thất hết nên không sinh dòng chảy, lợng tổn thất ban đầu trớc thời điểm sinh nớc đọng bề mặt lu vực Do đó, ta có lợng dòng chảy tiềm P Ia Trong phơng pháp SCS, ngời ta giả thiết rằng: tỷ số hai đại lợng có thực Pe Fa với tỷ số hai đại lợng 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: Cờng độ ma Pe = ( P Ia ) (2.7) P Ia + S Đó phơng trình phơng pháp SCS để tính độ sâu ma hiệu dụng hay dòng chảy trực tiếp từ trận ma Pe Ia Fa Thời gian Hình 2.2: Tổn thất dòng chảy theo phơng pháp SCS Qua nghiên cứu kết thực nghiệm nhiều lu vực nhỏ, ngời ta xây dựng đợc qua hệ kinh nghiệm: Ia = 0,2*S (2.8) Do đó: Pe ( P 0,2 S ) = (2.9) P + 0,8S Lập đồ thị quan hệ P P e số liệu nhiều lu vực, ngời ta tìm đợc họ đờng cong Để tiêu chuẩn hoá đờng cong này, ngời ta sử dụng số liệu đờng cong CN làm thông số Đó số không thứ nguyên, lấy giá trị khoảng (0ữ100) Đối với bề mặt không thấm nớc mặt nớc, CN = 100; bề mặt tự nhiên, CN < 100 Theo phơng pháp này, lu vực đợc chia thành ô nhỏ CN đợc tính toán cho ô nhỏ, sau lấy giá trị trung bình cho toàn lu vực: n CN ( II ) = A CN i i =1 i (2.10) n A i i Trong đó: CN(II) độ ẩm thời kỳ trớc đất điều kiện bình thờng Ai diện tích ô tính toán lu vực CNi độ ẩm ô tính toán n số ô tính toán Số hiệu đờng cong CN S liên hệ với qua phơng trình: 1000 10 * CN CN ( hệ Anh ) (2.11) 25400 254 * CN CN ( hệ met ) (2.12) S= S = Độ ẩm đất trớc trận ma xét đợc gọi độ ẩm kỳ trớc Độ ẩm đợc chia thành ba nhóm: độ ẩm kỳ trớc điều kiện bình thờng ( ký hiệu AMC II), điều kiện khô (AMC I) điều kiện ớt (AMC III ) Đối với điều kiện khô ( AMC I ) điều kiện ớt ( AMC III ), số liệu đờng cong tơng đơng đợc suy nh 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 ) = Các số hiệu đờng cong CN đợc quan bảo vệ thổ nhỡng Hoa Kỳ lập thành bảng tính sẵn dựa phân loại đất tình hình sử dụng đất Đất đợc phân thành nhóm theo định nghĩa sẵn nh sau: Nhóm A: cát tầng sâu, hoàng thổ sâu phù sa kết tập Nhóm B: hoàng thổ nông, đất mùn pha cát Nhóm C: mùn pha sét, mùn pha cát tầng nông, đất có hàm lợng chất hữu thấp đất pha sét cao Nhóm D: đất nở rõ rệt ớt, đất sét dẻo nặng đất nhiễm mặn Nếu lu vực tạo thành nhiều loại đất có nhiều tình hình sử dụng đất khác nhau, ta tính giá trị hỗn hợp CN C Phơng pháp tính thấm Green Ampt Green Ampt (1911) đề nghị tranh giản hoá thấm nh minh hoạ hình 2.3 Front ớt biên giới rõ rệt phân chia đất có hàm lợng ẩm i bên dới với đất bão hoà có hàm lợng ẩm bên Front ớt thâm nhập vào đất tới độ sâu L thời điểm t tính từ thấm bắt đầu Trên mặt đất có lớp n ớc đọng mỏng với chiều sâu h0 ho Vùng ớt (độ ẩm K) L Front ớt r i e Hình 2.3: Các biến số phơng 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 ớt mặt đất độ sâu L Nếu lúc đầu, đất có hàm lợng ẩm i toàn chiều sâu hàm lợng ẩm đất tăng lên từ i tới (độ rỗng) front ớt qua Hàm lợng ẩm i tỷ số thể tích nớc đất so với tổng thể tích bên thể tích kiểm tra, lợng gia tăng nớc trữ bên thể tích kiểm tra thấm L( - i ) đơn vị diện tích mặt cắt ngang Độ sâu luỹ tích nớc ma thấm vào đất đợc tính: F(t) = L( - i ) = L (2.15) với = i Khi tìm đợc F, ta xác định đợc tốc độ thấm f phơng trình sau: f (t ) = K + F (t ) Trong đó: (2.16) K độ dẫn thuỷ lực đất cột nớc mao dẫn front ớt khả thấm tầng đất F độ sâu luỹ tích nớc thấm vào đất F (t ) F (t ) = Kt + ln1 + (2.17) Phơng trình (2.17) phơng trình phi tuyến F, giải phơng trình phơng pháp thay liên tiếp Cho trớc giá trị K, t, Trớc hết, giả thiết giá trị thăm dò F gán vào vế phải (2.17) (nên chọn giá trị thăm dò F = Kt), từ tính đợc giá trị F vế trái Giá trị lại đợc coi giá trị thăm dò thứ hai F để gán vào vế phải, lặp lại giá trị tính toán F hội tụ số Giá trị tính toán cuối F đợc thay vào (2.16) để xác định tốc độ thấm tiềm f tơng ứng Khi áp dụng mô hình Green- Ampt cần phải ớc lợng đợc thông số K, Quan hệ biến đổi cột nớc mao dẫn độ dẫn thuỷ lực theo hàm lợng ẩm 10 Đờng trình lũ trạm dới đợc tính theo biểu thức sau: I t t < lag Qt = I t lag t lag (2.75) đó: Qt tung độ đờng trình dòng chảy trạm dới thời gian t It tung độ đờng trình dòng chảy trạm thời gian t lag thời gian trễ Phơng pháp dạng đặc biệt phơng pháp khác, kết giống phơng pháp khác ta chọn lựa thông số phơng pháp naỳ cẩn thận Ví dụ: phơng pháp Muskingum, ta chọn X= 0.5 K= t đờng trình dòng chảy tính toán trạm trạm dới với thời gian trễ K Từ đờng trình thực đo, ta ớc lợng thời gian trễ khoảng thời gian nằm hai đỉnh đờng trình lu lợng trạm trạm dới biểu đồ 33 1 0.804 = S D n m= D 1 z z 0.94 Z = S n 1+ Z m= 1 0.72 = S n m= W 1.49 = S W n m= W 1 z z Q= 1.49 S A n W + 2Y + Z W Hình 2.4: Hình dạng số mặt cắt kênh 34 II ứng dụng mô hình tính toán cho lu vực sông Cả II-1 Chia lu vực tính toán Khi áp dụng mô hình tính toán cho lu vực, để đảm bảo tính xác ta phải phân chia lu vực thành lu vực nhỏ, có lợng ma phân bố tơng đối đồng toàn lu vực Căn vào địa hình, đặc điểm ma mạng lới trạm quan trắc ta chia lu vực thành lu vực với diện tích lần lợt nh sau: Lu vực 1: S1 = 180.8 Km2 Lu vực 2: S2 = 213.6 Km2 Lu vực 3: S3 = 335.5 Km2 Lu vực 4: S4 = 167.9 Km2 Tiến hành tính toán dòng chảy cho lu vực phận, diễn toán dòng chảy tổng hợp cửa lu vực lớn ta xác định đợc đờng trình lũ tính toán toàn lu vực II-2 Đa lu vực tính toán vào mô hình Một bớc cải tiến mô hình HEC-HMS chức hiển thị sơ đồ lu vực giúp ta hình dung lu vực tính toán cách tơng đối cụ thể Trên mô hình lu vực tính toán đợc hiển thị dới dạng đờng biên (đờng phân thuỷ) mạng lới sông suối lu vực Lu vực sông Giăng hiển thị mô hình HEC-HMS dới dạng lu vực phận với diện tích phân chia đoạn sông lu vực nhỏ Cách làm cụ thể giới thiệu chơng V II-3 Kết nối hệ thống lu vực Mô hình cho phép phân chia lu vực nghiên cứu thành: - Lu vực phận (Subbasin) - Đoạn sông (Reach) - Hồ chứa (Reservoir) - Hợp lu (Junction) - Công trình dẫn dòng (Diversion) - Nguồn sông (Source) - Đầm lầy (Sink) 35 Mô hình chạy ta kết nối phận lu vực thành hệ thống mạng lới Theo cách chia ta phải dùng Subbasin đoạn sông (yếu tố đoạn sông đợc sử dụng phải diễn toán dòng chảy lu vực qua lu vực khác) để biểu diễn lu vực nghiên cứu Sơ đồ kết nối hệ thống lu vực nghiên cứu nh hình sau: III Cơ sở liệu 3-1 Yêu cầu số liệu đầu vào Số liệu cần nhập vào mô hình gồm có: + Số liệu ma thực đo + Số liệu đờng trình lu lợng thực đo Trong đồ án mô hình đợc áp dụng để tính toán dòng chảy lũ nên số liệu ma yêu cầu nhập vào mô hình ma thực đo Đờng trình lu lợng thực đo đa vào để kiểm định đờng trình mô hình tính toán đợc, từ đánh giá khả mô hình 36 3-2 Phân tích, xử lý số liệu Nh trình bày chơng II, mạng lới trạm đo vùng tha phân bố không đồng lu vực; trạm hoạt động không đồng thời, số liệu đo đạc không đồng bộ, yếu tố quan trắc không đầy đủ, gây khó khăn cho việc tính toán Vì số liệu thu thập đợc dùng để tính toán đề tài không đồng bộ: bao gồm lợng ma ngày ma tự ghi Trớc nhập vào mô hình để tính toán ta phải tiến hành bớc đồng hoá số liệu, cụ thể tính toán phân phối tổng lợng ma ngày đo đợc lợng ma để sử dụng Có nhiều phơng pháp để thực công việc Mô hình HEC- HMS cung cấp cách tính toán phân phối tổng lợng ma ngày (96 giờ) lợng ma theo công thức kinh nghiệm sau: Total depth = Trong đó: (R i =1 24 HR (i ) * SPFE ) SPFE số ma lũ tính inch R24HR(i) tỷ lệ phần trăm ngày ma thứ i (lợng ma ngày thứ i), xác định theo công thức kinh nghiệm sau: R24HR (1) = 3.5 R24HR (2)= 15.5 R24HR (4)= 6.0 R24HR(3)= 182.15 - 14.3537 * In ( TRSDA+ 80) TRSDA- diện tích ma tính mile2 Trong lợng ma ngày thiết kế ta lại chia thành ma theo công thức sau: R6HR(1) = R6HR(4) 0.033 13.42 R6HR(3) = ( SPFE + 11) 0.93 R6HR(2) = 0.055*(SPFE - 6)0.51 R6HR(4) = 0.5*[1 R6HR(3) R6HR(2)] + 0.0165 HEC cho phép phân bố lợng ma thành lợng ma ứng với thời khoảng tính toán (tính theo công thức sau): PRCP= 0.01 * R24HR * R6HR * SPFE * t t thời khoảng tính toán 37 Công thức dùng để tính toán lợng ma thời đoạn ngày, dùng để tính toán cho lu vực nghiên cứu có thời gian ma ngày (trong thời gian lũ xảy từ ngày 26/9 đến 2/10/1978) Sau áp dụng số phơng pháp tính toán khác dùng kết đa vào chạy mô hình, em thấy tính phân phối ma ngày lợng ma theo tần suất trạm ma đại biểu cho dạng đờng lũ tính toán phù hợp với đờng trình thực đo Vì vậy, em lựa chọn phơng pháp thu phóng ma để tính toán phân phối từ tổng lợng ma ngày lợng ma cho trạm số liệu ma tự ghi Cụ thể, phơng pháp tiến hành theo bớc sau: * Tính tổng lợng ma ngày ngày trạm ma đại biểu từ số liệu ma tự ghi * Tính tần suất ma theo trạm ma đại biểu * Lấy ma ngày trạm cần thu phóng nhân với số phần trăm trạm đại biểu Mô hình HEC- HMS mô hình thông số tập trung, nghĩa số liệu đo đạc trạm ma đại diện cho lu vực Trên lu vực, ta chọn trạm ma để tính toán cho lu vực phân chia nh sau: + Lu vực dùng số liệu đo ma trạm Thác Muối để tính toán + Lu vực lấy số liệu ma ngày trạm Dừa thu phóng theo trạm Thác Muối + Lu vực lấy số liệu ma ngày trạm Môn Sơn thu phóng theo trạm Thác Muối + Lu vực tính toán ma theo số liệu đo trạm Con Cuông Ngoài hai trạm Thác Muối Con Cuông có số liệu ma giờ, trạm lại có số liệu ma ngày Ta tính toán ma cho hai trạm cách thu phóng theo lợng ma đại biểu trạm Thác Muối Kết tính toán đợc ghi bảng (phụ lục) Số liệu ma hai trạm Thác Muối Con Cuông nh sau: BảngIV-1: Số liệu ma trận lũ từ ngày 26/09- 02/10/1978 trạm Thác Muối Thời gian (giờ) Trạm Thác Muối Ngày 26/09 Ngày 27/09 Ngày 28/09 Ngày 29/09 Ngày 30/09 Ngày 01/10 Ngày 02/10 34.6 66.0 34.6 66.0 31.9 11.5 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 38 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 37.9 24.7 92.3 75.7 72.5 44.5 26.3 49.4 56.1 34.6 31.4 27.9 24.7 19.8 0.0 14.8 8.3 0.1 0.0 23.1 4.8 9.9 37.9 24.7 92.3 75.7 72.5 44.5 26.3 49.4 56.1 34.6 31.4 27.9 24.7 19.8 0.0 14.8 8.3 0.1 0.0 23.1 4.8 9.9 36.8 2.2 10.4 7.1 3.8 5.5 2.7 4.9 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 Tổng 80.3 779.5 117 0.0 0.0 0.0 0.0 BảngIV-2: Số liệu ma trận lũ từ ngày 26/09- 02/10/1978 trạm Con Cuông Thời gian Trạm Con Cuông Ngày 26/09 Ngày 27/09 Ngày 28/09 Ngày 29/09 Ngày 30/09 Ngày 01/10 Ngày 02/10 20.4 5.8 0.0 0.0 0.0 0.0 39 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 0 0 0 2.5 3.2 0.9 1.7 3.2 0.8 2.5 5.3 12.1 2.7 2.6 12.4 13.3 0.0 40.8 39.0 0.1 30.2 49.7 14.2 18.6 13.3 24.0 15.0 35.5 10.7 16.9 8.0 4.5 26.6 0.0 18.6 5.3 2.1 6.7 0.4 1.9 1.3 0.7 0.5 0.9 0 0 0 0 0 0 0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 Tổng 43.6 419.7 21.3 0.0 0.0 0.0 0.0 IV-3-3 Cách nhập số liệu vào mô hình Mô hình HEC- HMS cho ta cách nhập số liệu vào mô hình để tính toán: Nhập số liệu trực tiếp vào mô hình tay Số liệu sau phân tích xử lý đợc nhập vào mô hình theo bớc sau: Trong form mô hình chọn menu Data, menu Data gồm có lựa chọn sau : - Precipitation Gages Manager: để nhập số liệu ma đo - Dischange Gages Manager: dể nhập giá trị lu lợng thực đo - Unit Hydrograph Manager: sử dụng đờng trình đơn vị - Soil Moisture Accounting Units Editor: để nhập số liệu bốc Khi nhập số liệu ma ta phải chọn đơn vị, kiểu ma gồm có: ma trận ma luỹ tích; thời gian thời khoảng tính toán 40 Lu lợng thực đo nhập vào mô hình nhằm so sánh đờng trình lũ tính toán với đờng thực đo Khi nhập ta phải chọn đơn vị m3/s ft3/s Nhập số liệu vào mô hình thông qua chơng trình Số liệu đợc nhập vào bảng tính excel theo dới dạng trờng sau: ngày- giờ- lu lợng thực đo- lợng ma Ghi file dới dạng đuôi .prn, sau chạy chơng trình DSSult để chuyển file số liệu sang dạng đuôi .dss đa vào mô hình IV-4 Chạy mô hình IV-4-1 Kiểm chứng mô hình Theo nguyên tắc: dùng phơng pháp hiệu chỉnh để xác định thông số mô hình, nhằm tìm thông số tốt dùng tính toán Bộ thông số đ ợc chọn thông số tính toán đợc đờng trình tính toán phù hợp với đờng thực đo Hầu hết thông số phơng pháp có mô hình lu vực yếu tố đoạn sông ớc tính phơng pháp dò tìm tối u - Tối u thông số hàm tổn thất - Tối u thông số đờng trình lũ đơn vị - Tối u thông số diễn toán lũ sông Mô hình gồm có hàm mục tiêu để dò tìm thông số Việc dò tìm thông số tối u nhằm mục đích tìm thông số thích hợp kết tính toán phù hợp với giá trị thực đo Thông số phơng pháp tính toán đợc sử dụng * Tính toán tổn thất Dùng phơng pháp Initial Loss-constants Loss Rate để tính toán tổn thất cho lu vực Thấm khâu quan trọng trình hình thành dòng chảy, vị trí tổn thất hình thành dòng chảy có vai trò quan trọng + Các thông số phơng pháp cách ớc tính: Phơng pháp Initial Loss-constants Loss Rate cần tới thông số là: - f0: cờng độ thấm ban đầu (lớp nớc ma bị tổn thất tính từ lúc bắt đầu ma lúc sinh dòng chảy bề mặt lu vực) 41 - fc: cờng độ thấm ổn định (lớp nớc ma không đổi bị tổn thất suốt thời gian ma ) Hai thống số phụ thuộc vào: nhân tố ma, điều kiện độ ẩm ban đầu đất, đặc tính tầng đất thổ nhỡng, địa hình lớp phủ thực vật Độ ẩm thực tế đất trình biến đổi liên tục theo thời gian rõ nét Thời gian tính toán cho lu vực thời kỳ mùa lũ- lợng ma bổ xung lợng ẩm cho đất thời kỳ dài liên tục Giai đoạn này, độ ẩm lớn gần đạt trị số bão hoà Rõ ràng trờng hợp tốc độ thấm nhỏ nhanh chóng đạt tới giá trị thấm ổn định + Xác định thông số cho đờng cong thấm sử dụng Có hai cách xác định thông số đờng cong thấm: - Dựa vào tài liệu thực nghiệm đo thấm - Tính từ tài liệu ma- lũ thực đo Vì tài liệu đo thấm thực nghiệm lu vực cần tính toán nên ta tiến hành theo cách hai: Tính từ tài liệu ma- lũ thực đo để xác định thông số f0 fc cho mô hình Theo phơng pháp thử dần: - Giả thiết thông số - Vẽ đờng cong thấm tính lợng tổn thất thấm - Tính lợng ma hiệu : Xhq=X-Pth (Pth tổn thất thấm) - Tính dòng chảy từ biểu đồ dòng chảy thực đo (đã cắt nớc ngầm) - So sánh Xhq Y, chênh lệch không đáng kể thông số giả thiết Nếu cha phù hợp tiến hành giả định lại đạt yêu cầu Ngoài hai thông số có thông số gọi hệ số không thấm S kt (phần trăm diện tích không thấm lu vực: hồ chứa, đờng trải nhựa, ) Thông số đợc xác định theo đồ hành lu vực tính toán, diện tích không thấm coi nh không xảy tổn thất thấm tức 100% ma sinh dòng chảy * Tính toán chuyển đổi dòng chảy Trong mô hình có nhiều phơng pháp để chuyển lợng ma hiệu thành dòng chảy bề mặt lu vực Khi tính toán cho lu vực ta chọn phơng pháp đờng đơn vị tổng hợp Snyder (đã trình bày chơng lý thuyết mô hình) 42 Phơng pháp yêu cầu hai thông số: + tLag: thời gian lũ lên (tính từ lúc xảy đỉnh ma đến lúc xảy đỉnh lũ) Theo công thức: tLag = C1*(L*Lc)0.3 (*) đó: C1: hệ số phụ thuộc độ dốc khả trữ nớc lu vực, chọn từ (1.8- 2.2) trung bình chọn L: chiều dài sông từ đầu nguồn đến tuyến cửa lu vực Lc: chiều dài từ tuyến cửa đến vị trí trọng tâm lu vực Qua đo đạc, tính toán đồ ta xác định đợc hệ số L Lc cho lu vực phận + Cp: Hệ số phụ thuộc vào độ dốc khả trữ nớc lu vực, đợc chọn khoảng (0,4- 0,8) Qua đo đạc đồ lu vực, ta xác định đợc: giá trị L Lc lu vực phận Chọn hệ số C1 = 1.8, dùng công thức (*) để tính toán xác định đợc giá trị tLag Cp cho lu vực phận Kết tính toán bảng sau: BảngIV- 3: Tính toán thông số cho phơng pháp đờng đơn vị Snyder Tên Lu vực Lu vực Lu vực Lu vực L(km) 10.2 21.7 37.6 22.4 Thông số Lc(km) tLag(giờ) 4.1 7.2 8.7 7.3 Cp 0.40 0.40 0.40 0.40 * Phơng pháp diễn toán lũ Khi tính toán dòng chảy đoạn sông lu vực tính toán, ta dùng phơng pháp diễn toán truyền thống Muskingum Macarthy đa Phơng pháp yêu cầu hai thông số : + X số phụ thuộc vào hình dạng dung tích chứa đoạn sông mô hình hoá 43 Giá trị X nằm khoảng (0- 0,5), sông thiên nhiên X lấy giá trị 0,3 với giá trị trung bình gần với 0,2 Việc xác định X với độ xác cao không cần thiết kết tính toán phơng pháp tơng đối nhạy cảm với thay đổi giá trị X + K: thời gian chảy truyền đoạn sông Giá trị K đợc ớc tính, nhập vào mô hình xác định thông qua phơng pháp dò tìm tối u * Tính toán dòng chảy ngầm Dùng đờng cong nớc rút để cắt nớc ngầm theo phơng pháp độ dốc biến đổi, dùng phơng pháp yêu cầu ba thông số : + Q0 : lu lợng dòng ngầm ban đầu (khi cha xảy lũ) Q0 phụ thuộc vào lu lợng dòng chảy thờng xuyên sông, lu vực có giá trị Q0 xác định Giá trị Q0 toàn lu vực tổng giá trị Q0 lu vực + Hằng số nớc rút (RC) + Ngỡng dòng ngầm (TQ) Cách xác định hai hệ số nh sau: vẽ đờng trình lu lợng thực đo (Q~t) Từ điểm bắt đầu đờng trình dòng chảy mặt, ta kéo dài đờng trình dòng đáy phía trớc Mặt khác, từ diểm kết thúc dòng chảy mặt kéo dài đờng trình dòng chảy đáy phía sau gặp đờng thẳng đứng qua điểm uốn nhánh nớc hạ Sau đó, nối liền giao điểm đoạn thẳng ta xác định đợc số nớc rút ngỡng dòng chảy ngầm cho lu vực cần tính toán Sử dụng phơng pháp dò tìm tối u mô hình Mô hình cung cấp cho ta phơng pháp dò tìm tối u cho thông số cần đa vào mô hình tính toán Nhập thông số ớc tính cho phơng pháp vào mô hình, sử dụng phơng pháp dò tìm tối u ta xác định đợc thông số chung để tính toán lũ cho lu vực nh sau: BảngIV-4: Các thông số dò tìm theo phơng pháp tối u dùng để tính toán mô hình 44 Các thông số Tên Lu vực Lu vực Lu vực Lu vực f0 fc Skt tLag (mm) (mm/h) (%) (h) 0.4 0.5 0.8 0.5 0.05 0.05 0.05 0.05 10 10 10 Cp 0.40 0.40 0.40 0.40 Q0 (cms) 40 45 81 30 RC 0.65 0.5 0.72 0.60 TQ (cms) 250 260 300 250 Bảng IV- 5: ảnh hởng thông số tới đờng trình tính toán: Thông số f0 fc tLag Cp Q0 RC TQ ảnh hởng Làm tăng, giảm số đỉnh thời gian lên đỉnh lũ Làm tăng, giảm lu lợng đỉnh lũ Làm tăng, giảm thời gian xuất đỉnh lũ Làm tăng, giảm giá trị lu lợng đỉnh lũ Làm tăng, giảm đờng trình dòng chảy ban đầu (trớc đỉnh lũ) Làm tăng, giảm đờng trình dòng chảy sau đỉnh lũ Thay đổi giá trị ngỡng dòng chảy ngầm IV-4-2 Chạy mô hình Quá trình tính toán theo thứ tự bớc sau đây: * Tính toán dòng chảy cho lu vực * Diễn toán đờng trình từ cửa lu vực đến Junction (qua Reach 3) * Tính toán dòng chảy cho lu vực * Diễn toán đờng trình tổ hợp từ Junction đến Junction (qua Reach 2) * Tính toán dòng chảy cho lu vực * Diễn toán đờng trình tổ hợp từ Junction đến Junction (qua Reach 1) * Tính toán dòng chảy cho lu vực tổ hợp với dòng chảy đến từ Junction Junction (cửa lu vực lớn) Sau nhập: số liệu ma thông số yêu cầu cho lu vực vào mô hình, ta tiến hành xác định đờng trình dòng chảy lũ cho lu vực phận Tổng hợp dòng chảy cửa lu vực, ta thu đợc đờng trình dòng chảy tính toán cho toàn lu vực Các kết chi tiết hình vẽ kèm theo (phụ lục) Đờng trình lu lợng tính toán cửa lu vực sông Giăng theo hình sau: Hình 4.1: Đờng trình tính toán cửa lu vực sông Giăng 45 46 Phân tích kết tính toán + Khả mô hình: - Mô hình Tank: Chỉ dùng để tính toán lu vực, không giải đợc cho toán hệ thống Mô hình tính toán với phơng pháp thiết lập sẵn để tính toán chung cho tất lu vực Số lợng thông số đa vào mô hình nhiều (nhiều giả thiết) - Mô hình HEC- HMS: dùng tính toán cho lu vực nhỏ cho hệ thống Đối với lu vực lớn, ta chia nhỏ thành nhiều lu vực phận, đoạn sông, hồ chứa tính toán cho đơn nguyên hệ thống, sau kết hợp lại cho toàn lu vực Mô hình có nhiều phơng pháp tính toán để lựa chọn cho phù hợp với đặc điểm riêng lu vực cụ thể Không yêu cầu nhiều thông số tính toán Đa lu vực tính toán vào mô hình HEC-HMS Trong mô hình, lu vực tính toán đợc hiển thị dới dạng đờng biên (đờng phân thuỷ) mạng lới sông ngòi Nh ta phải dùng hai lớp đồ là: lớp ranh giới lớp mạng lới sông số hoá Lu vực đợc đa vào mô hình dới dạng file .map Để xây dựng file .map ta làm nh sau: - Mở hai lớp đồ phần mềm Mapinfo, phân chia lu vực tính toán thành lu vực nhỏ - Kết hợp đoạn sông thành đối tợng - Ghi file dạng .mif - Dùng chơng trình Turbo Pascal để mở file MIF xếp lại liệu sau ghi thành file map đa vào mô hình 47 ... chứa vỡ đập mô hình HEC- 1 Chức phân tích thiệt hại lũ không đợc xây dựng mô hình HEC- HMS mà đợc trình bày phần mềm HEC- FDA Những phơng pháp tính toán đợc đề cập mô hình HEC- HMS : tính toán đờng... chuyển cần thiết I-2 Khả mô hình Về lý thuyết, HEC- HMS dựa sở lý luận mô hình HEC- 1: nhằm mô trình ma- dòng chảy Mô hình bao gồm hầu hết phơng pháp tính dòng chảy lu vực diễn toán, phân tích đờng... + Tính toán ma - dòng chảy Chơng trình tính toán đợc tạo cách kết hợp mô hình lu vực, mô hình khí tợng - thủy văn mô hình điều khiển chơng trình Các kết tính toán đợc xem từ lợc đồ mô hình lu