Đang tải... (xem toàn văn)
Quảng Bình là một tỉnh thuộc vùng Bắc Trung bộ, dựa lưng vào dãy Trường Sơn hùng vĩ và trông ra Biển Đông rộng lớn. Lãnh thổ của tỉnh nằm trong khoảng từ 16o5508 đến 18o0512 vĩ độ Bắc và từ 105o3655 đến 106o5937 kinh độ Đông. Về phía Bắc, Quảng Bình giáp Hà Tĩnh (136.5 km), phía Nam giáp Quảng Trị (78,8 km), phía Đông giáp Biển Đông với đường bờ biển dài 126 km và phía Tây giáp với tỉnh Khăm Muộn của CHDCND Lào với đường biên giới dài 201.9 km. Cửa Nhật Lệ thuộc địa phận thành phố Đồng Hới, tỉnh Quảng Bình có toạ độ địa lý 17029 vĩ độ Bắc và 106038 kinh độ Đông. Trước khi đổ ra biển, đoạn cửa sông Nhật Lệ từ Quán Hầu cho tới thành phố Đồng Hới, có hướng gần như á kinh tuyến và khi đổ ra biển, cửa sông có hướng Đông Bắc, còn đường bờ biển khu vực cửa sông có hướng Tây Bắc Đông Nam. Vùng hạ lưu của lưu vực sông Kiến Giang là đồng bằng duyên hải, chủ yếu là các cồn cát, bậc thềm, đồi thấp... và xen lẫn giữa chúng là các đồng bằng nhỏ hẹp kéo dài theo thung lũng sông. Nằm trong đới khí hậu gió mùa chí tuyến, á đới nóng ẩm, Quảng Bình có khí hậu mang tính chất chuyển tiếp giữa miền Bắc và miền Nam với nét đặc trưng là vào tháng lạnh nhất, nhiệt độ đã vượt quá 18oC. Tuy nhiên, do front cực đới vẫn còn ảnh hưởng tương đối mạnh, nên vào mùa đông có ngày nhiệt độ xuống khá thấp. Nhiệt độ trung bình năm của Quảng Bình là 24 25oC, tăng dần từ Bắc vào Nam, từ Tây sang Đông. Cân bằng bức xạ năm đạt 70 80 kcalcm2. Số giờ nắng trung bình quân năm khoảng 1.700 2000 giờ. Do địa hình phức tạp nên khí hậu có sự phân hoá rõ theo không gian. Khí hậu Quảng Bình chia làm 2 mùa rõ rệt. Mùa mưa kéo dài từ tháng IX đến tháng XII, với lượng mưa trung bình năm là 2.315mm. So với các tỉnh phía Bắc, mùa mưa đến muộn hơn, cực đại vào tháng X và thường tập trung vào 3 tháng ( IX X XI). Vì thế, lũ lụt thường xảy ra trên diện rộng.
CHUYÊN ĐỀ: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN, PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN MƠ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰC ÁP DỤNG CHO KHU VỰC NGHIÊN CỨU MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU Giới thiệu chung khu vực nghiên cứu 1.1 Mạng lưới thủy văn hệ thống sơng Nhật Lệ Quảng Bình tỉnh thuộc vùng Bắc Trung bộ, dựa lưng vào dãy Trường Sơn hùng vĩ trông Biển Đông rộng lớn Lãnh thổ tỉnh nằm khoảng từ 16o55'08'' đến 18o05'12'' vĩ độ Bắc từ 105 o36'55'' đến 106o59'37'' kinh độ Đơng Về phía Bắc, Quảng Bình giáp Hà Tĩnh (136.5 km), phía Nam giáp Quảng Trị (78,8 km), phía Đơng giáp Biển Đơng với đường bờ biển dài 126 km phía Tây giáp với tỉnh Khăm Muộn CHDCND Lào với đường biên giới dài 201.9 km Cửa Nhật Lệ thuộc địa phận thành phố Đồng Hới, tỉnh Quảng Bình có toạ độ địa lý 17029' vĩ độ Bắc 106038' kinh độ Đông Trước đổ biển, đoạn cửa sông Nhật Lệ từ Quán Hầu thành phố Đồng Hới, có hướng gần kinh tuyến đổ biển, cửa sơng có hướng Đơng Bắc, đường bờ biển khu vực cửa sơng có hướng Tây Bắc - Đông Nam Vùng hạ lưu lưu vực sông Kiến Giang đồng duyên hải, chủ yếu cồn cát, bậc thềm, đồi thấp xen lẫn chúng đồng nhỏ hẹp kéo dài theo thung lũng sơng Nằm đới khí hậu gió mùa chí tuyến, đới nóng ẩm, Quảng Bình có khí hậu mang tính chất chuyển tiếp miền Bắc miền Nam với nét đặc trưng vào tháng lạnh nhất, nhiệt độ vượt 18oC Tuy nhiên, front cực đới ảnh hưởng tương đối mạnh, nên vào mùa đơng có ngày nhiệt độ xuống thấp Nhiệt độ trung bình năm Quảng Bình 24 - 25oC, tăng dần từ Bắc vào Nam, từ Tây sang Đông Cân xạ năm đạt 70 - 80 kcal/cm Số nắng trung bình quân năm khoảng 1.700 - 2000 Do địa hình phức tạp nên khí hậu có phân hố rõ theo khơng gian Khí hậu Quảng Bình chia làm mùa rõ rệt Mùa mưa kéo dài từ tháng IX đến tháng XII, với lượng mưa trung bình năm 2.315mm So với tỉnh phía Bắc, mùa mưa đến muộn hơn, cực đại vào tháng X thường tập trung vào tháng ( IX - X - XI) Vì thế, lũ lụt thường xảy diện rộng Trung bình 10 năm năm có bão lụt lớn Mùa khô từ tháng I đến tháng VIII, với tháng có nhiệt độ trung bình 25oC Nóng tháng VI, VII Nhiệt độ tối cao tuyệt đối lên đến 42,2oC, xảy vào tháng VII Mùa khơ nắng gắt, có gió Tây (gió Lào), xuất từ tháng III ñến tháng VIII, nhiều vào tháng VII, trung bình đợt kéo dài 10 ngày, thời tiết khơ nóng, lượng bốc lớn, gây hạn hán nghiêm trọng Khí hậu Quảng Bình, nhìn chung khắc nghiệt Điều thể qua chế độ nhiệt, ẩm tính chất chuyển tiếp khí hậu Mùa mưa trùng với mùa bão Tần suất bão nhiều vào tháng IX (37%) Bão thường xuất từ tháng VII kết thúc vào tháng XI Bão kèm theo mưa lớn lãnh thổ lại hẹp ngang, độ dốc lớn nên thường gây lũ lụt đột ngột, ảnh hưởng nhiều đến hoạt động sản xuất đời sống Rõ ràng thời kỳ ẩm ướt trùng với mùa mưa bão hạn chế nhiều đến khả tăng vụ tăng suất mùa màng Còn thời kỳ khơ đến sớm, lại có gió Tây khơ nóng tác động mạnh đến trổ lúa phát triển công nghiệp ăn Mạng lưới sơng ngòi Quảng Bình nhìn chung phong phú Mật độ trung bình đạt 0,8 - 1,1 km/km2, vùng núi km/km2, ven biển 0,6 - 0,8 km/km2 Do lãnh thổ hẹp ngang, độ dốc lớn nên sơng ngòi thường ngắn, dốc, có tượng đào lòng mạnh Hướng chảy từ Tây sang Đơng Lượng dòng chảy năm tương đối phong phú với mơđun dòng chảy bình qn 57 lít/s.km2 (tương đương với tỷ m3/năm) Thuỷ chế có mùa rõ rệt, tương ứng với mùa mùa khô Trong mùa mưa, vùng đồi núi, sơng suối có khả tập trung nước nhanh, lũ không kéo dài nhờ khả thoát nước tốt Mùa lũ tập trung vào tháng X, XI, XII chiếm 60 - 80% tổng lượng dòng chảy năm Vào mùa này, sơng ngòi thường có lũ đột ngột, gây úng trầm trọng vùng cửa sông Trong mùa khô, nhiều đoạn suối bị cạn dòng, vùng cửa sơng, thuỷ triều tăng cường xâm nhập vào đất liền Dòng chảy kiệt kéo dài trung bình tới - tháng (dài 10 tháng, ngắn tháng) Trong mùa kiệt có mưa lũ tiểu mãn Bảng 1.1 Sông hệ thống sông Quảng Bình T T Chiều dài Hệ thống sơng Lưu vực Sông Hệ thống Gianh sông 158 Hệ sơng Kiến Giang Diện tích (km2) Độ cao bình quân lưu vực Phụ lưu Mật độ sông suối (km/km2) 121 4,680 360 13 1,04 96 59 2,605 234 0,84 Sơng Rn 30 21 261 138 0,88 Sơng Lý Hồ 22 16 177 130 0,7 Sông Dinh 37 25 212 203 0,93 Trên lãnh thổ Quảng Bình có hệ thống sơng Từ Bắc xuống Nam có sơng Ròn (dài 30 km, diện tích lưu vực 261 km2), sơng Gianh (158 km 4.680 km2), sơng Lý Hồ (22 km 177 km 2), sông Dinh (37 km 212 km2) sông Nhật Lệ (96 km 2.647 km 2) Lớn sông Gianh sông Nhật Lệ - Hệ thống sông Nhật Lệ: Đây hệ thống sông lớn thứ tỉnh, sau hệ thống sông Gianh Sông Nhật Lệ nhận nước từ sơng sông Kiến Giang sông Long Đại Đoạn sông mang tên Nhật Lệ tính từ ngã sơng Long Đại (cách cầu Long Đại 1,5 km) đến cửa Nhật Lệ (Đồng Hới) dài 17 km Nếu tính từ nguồn Kiến Giang đến cửa Nhật Lệ có chiều dài 96 km Hệ thống sơng Nhật Lệ có lưu vực rộng 2.647 km2 Hệ thống sông bao gồm 24 phụ lưu vực 45 km2, bình qn sơng, suối lưu vựa có chiều dài 0,84 km/km2.[6, 16] - Sơng Kiến Giang: Là hợp lưu nhiều nguồn sông suối phát nguyên từ vùng núi phía Tây - Nam huyện Lệ Thủy đổ phường Luật Sơn (xã Trường Thủy, Lệ Thủy) chảy theo hướng Nam Bắc Từ đây, sông chảy theo hướng Tây NamĐông Bắc, đến ngã ba Thượng Phong, sông chảy theo hướng Đông NamTây Bắc, đến đoạn ngã ba Phú Thọ (An Thủy, Lệ Thủy), sông đón nhận thêm nước sơng Cẩm Ly (chảy từ hướng Tây đổ về), tiếp tục chảy theo hướng trên, băng qua cánh đồng trũng huyện Lệ Thủy (đoạn sông hẹp) Sắp hết đoạn đồng trũng huyện Lệ Thủy để vào địa phận huyện Quảng Ninh, sông mở rộng chảy băng qua phá Hạc Hải (có chiều dài gần 2km) đến xã Duy Ninh (Quảng Ninh), sông tiếp tục chảy ngược hướng Tây đến ngã ba Trần Xá hợp lưu với sơng Long Đại đổ nước vào sông Nhật Lệ Sông kiến Giang có độ dốc nhỏ - Sơng Long Đại: Đây hợp lưu phụ lưu Nhánh phía Bắc phát nguyên từ vùng núi Cô-Ta-Rum biên giới Việt Lào, chảy trọn vùng địa hình Karst Bố Trạch đến động Hiềm (gần bến Tiêm huyện Quảng Ninh) gặp sơng Long Đại Trước đổ nước vào sơng Nhật Lệ, sơng Long Đại đón thêm nước hai phụ lưu Rào Trù Rào Đá (xã Trường Xuân, Quảng Ninh) Ba nhánh sông đầu nguồn sông Long Đại nằm vùng núi có lượng mưa lớn, nên mùa lũ sông nước lên lớn Sông Long Đại không lớn sông Gianh cường độ cấp nước lũ ngang với sơng Gianh (70-85m3/s/km2) 1.2 Tình hình lũ lụt hệ thống sông Nhật Lệ Tại hạ lưu sông Nhật Lệ đến mùa mưa lũ việc tiêu lũ xảy chậm gặp nhiều khó khăn nhiều nguyên nhân kết hợp với tạo nên Mùa mưa lệch cuối hè sang thu kéo đến đầu đông với lượng mưa lớn ảnh hưởng hình thái gây mưa gió mùa đơng bắc kết hợp với nhiễu động gây mưa lớn diện rộng bão, áp thấp nhiệt đới, hội tụ nhiệt đới, (do có vị trí gần biển nên chịu ảnh hưởng lớn bão) dẫn đến thừa nước, chí gây lũ lụt, úng ngập hạ lưu Lượng mưa chiếm 65-70% lượng mưa năm nên lưu lượng nước mùa mưa chiếm 70-80% lượng nước năm Hơn mùa mưa lại trùng vào với thời kỳ khơng khí ẩm thời gian hoạt động khối khơng khí lạnh cực đối biến tính, tháng độ ẩm tháng đạt 85 90% nên bầu trời lãnh thổ đầy mây mưa Những tháng mùa Đông thời kỳ ẩm khối khơng khí lạnh biến tính qua biển mang theo nước gây mưa Với lượng nước lớn gây nên lũ lớn vậy, khu vực nghiên cứu (KVNC) lại có địa hình bề ngang hẹp, nơi hẹp khoảng 45km bên phía tây lại có vùng núi trung bình thấp nên sông vừa ngắn lại vừa dốc tạo điều kiện để tập trung nhanh lượng nước hình thành lũ nhanh chóng đổ hạ lưu Còn hạ lưu nơi cuối nguồn sơng, nơi khác sau nhận nước từ thượng nguồn chảy thẳng biển nhiều cửa sông (sông Cửu Long ) Nhưng đây, sau nhận lượng nước khổng lồ thượng nguồn đổ với tốc độ nhanh khơng thể đổ thẳng biển gặp phải dãy cồn cát cao (30- 40m) chạy song song với bờ biển đê chắn lũ ngăn dòng chảy đổ thẳng biển mà buộc uốn khúc chảy dọc theo dãy cồn cát, có cửa cửa Nhật Lệ Sự xuất hệ thống cồn cát yếu tố địa hình bất lợi nhiều mặt Dưới tác động gió, tượng cát bay, cát chảy làm cho cồn cát tiến dần phía lục địa, thu hẹp đồng bằng, làm tăng tình trạng úng lụt vùng cửa sông Nhật Lệ Như sau nước tập trung hạ lưu gây ngập lụt thời gian tiêu nước, ngập úng trở nên khó khăn Mưa lớn gây ngập úng ngập cửa lũ KVNC, cửa biển Nhật Lệ bão kèm theo nước dâng sinh chế hiệu ứng nước dồn gió thổi mạnh (trong mùa sóng dâng cao từ 4,5- 6.0m đo Cồn Cỏ) Khi mùa lũ đến, dòng chảy sơng lấn át dòng triều, triều lên dòng lũ dòng triều ngược gây tượng nước dồn ứ khu vực cửa sơng Trong mùa lũ, dòng chảy sơng ngòi tăng lên nhanh, tỷ lệ thời gian chảy ngược chảy xi giảm mạnh biến hồn tồn có dòng lũ lớn Ngồi bão đổ vào đất liền thường kèm theo tượng nước dâng, mùa mưa trùng với mùa bão, dòng lũ từ sông chảy va nước dâng từ biển chảy vào gây dồn ứ nước cửa sông, làm cho việc tiêu lũ khó khăn chậm trễ Ngồi ra, thời gian tiêu lũ chậm gây nhiều thiệt hại không bị định điều kiện địa lý tự nhiên mà điều kiện kinh tế xã hội ảnh hưởng tới Khi nước lũ tràn gây ngập úng điều kiện kinh tế góp phần làm tăng thêm tình trang ngập úng Ở huyện Quảng Ninh, Lệ Thủy thành phố Đồng Hới có mật độ dân số lớn tập trung nhiều dân cư Họ sinh sống bên bờ sông Nhật Lệ, đặc biệt Đồng Hới tập trung mật độ dân số cao tỉnh Việc tập trung dân cư đông đúc với mật độ cao hai bên bờ sơng Nhật Lệ gây khó khăn cho việc lũ Nhật Lệ Những cơng trình xây dựng nhà cửa, đê điều làm cản dòng chảy lũ Dân cư sinh sống hai bên bờ sông phát triển nghề nuôi trồng thủy sản mạnh, hoạt động kinh tế trực tiếp làm biến đổi, thay đổi dòng sơng, lấy nước, xây hồ nuôi tôm cá sông Đặc biệt Đồng Hới, khu công nghiệp, dân số, sở kinh doanh tập trung dày đặc hai bên bờ sông gây cản trở lớn cho dòng chảy bị ngăn cản nhiều, làm cho dòng chảy chậm hơn, tăng thời gian úng ngập đồng Mặt khác đời sống dân cư nghèo làm cho cơng trình phục vụ dân sinh sản xuất chất lượng không đủ độ bền vững, sơ sài dễ bị phá huỷ có thiên tai bão - lũ Chính vật liệu từ cơng trình dân sinh làm gia tăng, chí trực tiếp gây bồi lấp luồng lạch sông Nhật Lệ Hệ thống đường giao thông vận tải đường bộ, đường sắt đường thủy nội địa có hướng vng góc với dòng chảy sơng nên làm giảm khả tiêu thoát nước, tuyến đường Quốc lộ 1A đường sắt Bắc - Nam, chúng trở thành tuyến đê ngăn cản đường tiêu thoát lũ Nếu khơng có tuyến đường dòng chảy khơng bị ngăn cản dòng chảy phải vượt qua tuyến đường có tác động đê chắn lũ, phần nước bị chúng giữ lại làm cho tình trạng úng ngập thêm trầm trọng Tại có nhiều cơng trình thủy lợi xây dựng để phục vụ đời sống sản xuất nông nghiệp Cụ thể đập Mỹ Trung sau vào hoạt động làm xuất nhiều bãi nổi, bãi cạn nằm so le, bãi làm cho dòng chảy bị ngăn cản chậm lại Các hồ chứa nhiều đa số với dung tích nhỏ chủ yếu nhằm phục vụ cho việc tưới tiêu vào mùa khơ để phòng chống lũ với dung tích nhỏ lại đứng trước lũ lớn, hai hồ chứa lớn An Mã Cẩm Ly lại nằm đầu nguồn nên việc làm giảm lượng nước, tiêu lũ khơng có tác dụng hạ lưu Ngoài hệ thống đê điều KVNC nằm vùng trũng dải địa hình hẹp Trung nước, lượng mưa lớn lượng dòng chảy tập trung nhanh nên khu vực đồng hạ du sông Nhật Lệ thường bị ngập úng Khi lũ tiểu mãn xuất hay lũ việc chống ngập úng hồn tồn Nhưng lũ lớn hệ thống đê lại hồn tồn ngập nước góp phần làm cho việc tiêu lũ trở nên khó khăn, tăng tình trạng ngập úng hạ lưu sơng Nhật Lệ Mơ hình thủy văn, thủy lực tính tốn ngập lụt 2.1 Các mơ hình mưa- dòng chảy - Mơ hình Ltank: PGS TS Nguyễn Văn Lai đề xuất năm 1986 Th.S Nghiêm Tiến Lam chuyển giao diện máy tính ngơn ngữ Visual Basic, phiên cải tiến từ mơ hình Tank gốc tác giả Sagawara (1956) Mơ hình tốn mưa rào dòng chảy dựa trình trao đổi lượng ẩm tầng mặt, ngầm, bốc Mơ hình ứng dụng tốt cho lưu vực vừa nhỏ - Mơ hình HEC-HMS: Do trung tâm thủy văn kỹ thuật qn đội Hoa Kỳ phát triển từ mơ hình HEC-1, mơ hình có cải tiến đáng kể kỹ thuật tính tốn khoa học thủy văn thích hợp với lưu vực sông vừa nhỏ Là dạng mơ hình tính tốn thủy văn dùng để tính dòng chảy từ số liệu đo mưa lưu vực Trong thành phần mơ tả lưu vực sơng gồm cơng trình thủy lợi, nhánh sơng Kết Hec-HMS biểu diễn dạng sơ đồ, biểu bảng tường minh thuận tiện cho người sử dụng Ngồi ra, chương trình liên kết với sở liệu dạng DSS mơ hình thủy lực Hec-RAS - Mơ hình NAM: xây dựng 1982 khoa thủy văn viện kỹ thuật thủy động lực thủy lực thuộc đại học kỹ thuật Đan Mạch Mơ hình dựa ngun tắc bể chứa theo chiều thẳng đứng hồ chứa tuyến tính Mơ hình tính q trình mưa - dòng chảy theo cách tính liên tục hàm lượng ẩm năm bể chứa riêng biệt tương tác lẫn Các mơ hình thủy văn cho kết trình dòng chảy điểm khống chế (cửa lưu vực) tự thân chúng đứng độc lập chưa đủ khả để đưa thông tin diện tích mức độ ngập lụt mà phải kết hợp với số công cụ khác GIS, biên cho mơ hình thủy động lực 1-2 chiều khác 2.2 Mơ hình thủy lực: - Mơ hình VRSAP: tiền thân mơ hình KRSAL cố PGS.TS Nguyễn Như Khuê xây dựng sử dụng rộng rãi nước ta vòng 25 năm trở lại Đây mơ hình tốn thuỷ văn-thuỷ lực dòng chảy chiều hệ thống sơng ngòi có nối với đồng ruộng khu chứa khác Dòng chảy đoạn sơng mơ tả hệ phương trình Saint-Venant đầy đủ Các khu chứa nước ô đồng ruộng trao đổi nước với sông qua cống điều tiết Do đó, mơ hình chia khu chứa ô đồng ruộng thành hai loại Loại kín trao đổi nước với sơng qua cống điều tiết, loại hở trao đổi nước với sông qua tràn mặt hay trực tiếp gắn với sông khu chứa thơng thường Tuy nhiên mơ hình VRSAP khơng phải mơ hình thương mại, mà mơ hình có mã nguồn mở thích hợp với người có am hiểu sâu rộng kiến thức mơ hình; Còn cơng tác dự báo, cảnh báo nhanh cho khu vực cụ thể, khu vực miền Trung mơ hình tỏ chưa phù hợp - Mơ hình KOD-01 KOD-02 GS.TSKH Nguyễn Ân Niên phát triển dựa kết giải hệ phương trình Saint-Venant dạng rút gọn, phục vụ tính tốn thủy lực, dự báo lũ - Mơ hình WENDY: Viện thủy lực Hà Lan (DELFT) xây dựng cho phép tính thủy lực dòng chảy hở, xói lan truyền, chuyển tải phù sa xâm nhập mặn - Mơ hình HEC-RAS: Trung tâm Thủy văn kỹ thuật quân đội Hoa Kỳ xây dựng áp dụng để tính tốn thủy lực cho hệ thống sơng Phiên bổ sung thêm modul tính vận chuyển bùn cát tải khuếch tán Mơ hình HECRAS xây dựng để tính tốn dòng chảy hệ thống sơng có tương tác chiều dòng chảy sơng dòng chảy vùng đồng lũ Khi mực nước sông dâng cao, nước tràn qua bãi gây ngập vùng đồng bằng, mực nước sông hạ thấp nước chảy lại vào sơng - Họ mơ hình MIKE: Viện thủy lực Đan mạch (DHI) xây dựng tích hợp nhiều cơng cụ mạnh, giải toán lĩnh vực tài nguyên nước Tuy nhiên mơ hình thương mại, phí quyền cao nên quan có điều kiện sử dụng + MIKE 11: mơ hình chiều kênh hở, bãi ven sơng, vùng ngập lũ, sơng kênh có kết hợp mơ ô ruộng mà kết thuỷ lực ruộng “giả chiều” MIKE 11 có số ưu điểm trội so với mô hình khác như: (i) liên kết với GIS, (ii) kết nối với mơ hình thành phần khác MIKE ví dụ mơ hình mưa rào-dòng chảy NAM, mơ hình thuỷ động lực học chiều MIKE 21, mơ hình dòng chảy nước đất, dòng chảy tràn bề mặt dòng bốc thảm phủ (MIKE SHE), (iii) tính tốn chuyển tải chất khuyếch tán, (iv) vận hành cơng trình, (v) tính tốn q trình phú dưỡng… Hệ phương trình sử dụng mơ hình hệ phương trình Saint-Venant chiều khơng gian, với mục đích tìm quy luật diễn biến mực nước lưu lượng dọc theo chiều dài sông kênh dẫn theo thời gian Mơ hình MIKE 11 ứng dụng tính tốn rộng rãi Việt Nam phạm vi tồn giới Tuy nhiên MIKE Mơ hình NAM có tổng cộng 19 thơng số gồm thơng số dòng chảy mặt, thơng số bốc hơi, thơng số tưới Và theo thực tế tính tốn cho thấy có thơng số ảnh hưởng mạnh đến q trình hình thành dòng chảy, Umax; Lmax; CK1,2; CQOF; CQIF Hình 2.1 Cấu trúc mơ hình Nam - Đầu vào mơ hình NAM Mơ hình NAM mơ hình mưa rào - dòng chảy nên liệu đầu vào mơ hình số liệu mưa mưa ngày thực đo trạm khí tượng số liệu bốc trung bình với diện tích lưu vực mà mưa rơi xuống - Đầu mơ hình Kết mơ hình biểu diễn qua đường q trình lưu lượng theo thời gian (thời gian tính ngày tùy thuộc vào thời gian mưa thực đo) 2.3.2 Mơ hình MIKE 11 Mơ hình MIKE 11 mơ hình tính tốn mạng sơng dựa việc giải hệ phương trình chiều Saint -Venant: Phương trình liên tục: (2.1) (2.2) (2.3) đó: A diện tích mặt cắt ngang (m2); t thời gian (s); Q lưu lượng nước (m3/s); x biến không gian; g gia tốc trọng trường (m/s2); mật độ nước (kg/m3); b độ rộng lòng dẫn (m) R bán kính thủy lực (m) [20, 21] Phương pháp giải Hệ phương trình Saint - Venant nguyên lý khơng giải phương pháp giải tích, thực tế tính tốn người ta phải giải gần cách rời rạc hóa hệ phương trình Có nhiều phương pháp rời rạc hóa hệ phương trình, mơ hình MIKE 11, tác giả sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn điểm ẩn Abbott Dưới mơ tả cách bố trí sơ đồ Abbott điểm với phương trình (hình 2.2), biến mặt phẳng x~t (hình 2.3) Trong phương pháp này, mực nước lưu lượng dọc theo nhánh sơng tính hệ thống điểm lưới xen kẽ (hình 2.4) Đối với mạng lưới sơng phức tạp, mơ hình cho phép giải hệ phương trình cho nhiều nhánh sơng điểm phân lưu/nhập lưu Cấu trúc nút lưới nhập lưu, ba nhánh gặp nhau, thể hình sau (hình 2.5) Hình 2.2 Sơ đồ sai phân hữu hạn điểm ẩn Abbott Hình 2.3 Sơ đồ sai phân điểm ẩn Abbott mặt phẳng x-t Hình 2.4 Nhánh sơng với điểm lưới xen kẽ Cấu trúc điểm lưới mạng vòng (hình 2.6) Tại điểm lưới, mối quan hệ biến số Zj (cả mực nước hj lưu lượng Qj) điểm điểm lân cận thể phương trình tuyến tính sau: Hình 2.5 Cấu trúc điểm lưới xung quanh điểm nhập lưu Hình 2.6 Cấu trúc điểm lưới mạng vòng Ta quy ước số thành phần phương trình biểu thị vị trí dọc theo nhánh, số khoảng thời gian Các hệ số α, β, γ và σ phương trình (2.4) điểm h điểm Q tính sai phân phương trình liên tục với phương trình động lượng Tất điểm lưới theo phương trình (2.4) thiết lập Giả sử nhánh có n điểm lưới; n số lẻ, điểm đầu cuối nhánh luôn điểm h Điều làm cho n phương trình tuyến tính có n+2 ẩn số Hai ẩn số chưa biết phương trình đặt điểm đầu điểm cuối h, Zj-1và Zj+1 mực nước, theo phần đầu/cuối nhánh phân/nhập lưu liên kết với [20, 21] Điều kiện biên điều kiện ban đầu Hệ phương trình (2.1-2.3) rời rạc theo khơng gian thời gian gồm có số lượng phương trình ln số biến số, để khép kín hệ phương trình cần phải có điều kiện biên điều kiện ban đầu Trong mơ hình MIKE 11, điều kiện biên mơ hình linh hoạt, điều kiện biên hở điều kiện biên kín Điều kiện biên kín điều kiện biên khơng có trao đổi nước với bên ngồi Điều kiện biên hở đường trình mực nước theo thời gian lưu lượng theo thời gian, số Các điều kiện ban đầu bao gồm mực nước lưu lượng khu vực nghiên cứu Thường lấy lưu lượng xấp xỉ mực nước lấy mực nước trung bình Điều kiện ổn định Để sơ đồ sai phân hữu hạn ổn định xác, cần tuân thủ điều kiện sau: - Địa hình phải đủ tốt để mực nước lưu lượng giải cách thoả đáng Giá trị tối đa cho phép Δx phải chọn sở - Điều kiện Courant dùng hướng dẫn để chọn bước thời gian cho đồng thời thoả mãn điều kiện Điển hình, giá trị Cr 10 đến 15, giá trị lớn (lên đến 100) sử dụng Courant biểu thị số điểm lưới bước sóng phát sinh từ nhiễu động di chuyển bước thời gian Sơ đồ sai phân hữu hạn dùng Mike 11 cho phép số Cr từ 10-20 dòng chảy phân giới (Fr < 1) 2.3.2 Cơ sở lý thuyết mơ hình Mike 21 Module thủy lực MIKE21HD FM hợp phần tính tốn hệ thống mơ hình dòng chảy cung cấp sở thủy động lực học cho module vận chuyển (transport module); module môi trường (ecolab module), mdule vận chuyển bùn (mud transport module), module vận chuyển cát (sand transport module) Mơ hình MIKE21HD FM mơ hình thủy động tính tốn dòng chảy mực nước khơng ổn định, phương trình Navier Stokes trung bình theo chiều sâu với số Reynolds khơng nén Mơ hình gồm phương trình liên tục, động lượng, nhiệt độ, độ mặn mật độ Trong mặt phẳng nằm ngang, hệ tọa độ Cartesian tọa độ cầu (Spherical) Với giả thiết dòng chảy có tính chất đồng mật độ theo chiều thẳng đứng Các phương trình mơ q trình bảo tồn khối nước, động lượng tích phân theo chiều thẳng đứng sau: ∂ς ∂p ∂q + + =0 ∂t ∂x ∂y ∂p ∂ p ∂ pq ∂ς + + + gh + gp ∂t ∂x h ∂y h ∂x h ∂ ( pa ) = − Ωq − fVV x + ρ w ∂x ∂q ∂ q ∂ pq ∂ς + + + gh + gq ∂t ∂y h ∂x h ∂y h ∂ ( pa ) = − Ωp − fVV y + ρ w ∂y (2.4) p2 + q2 ∂ ( hτ xx ) + ∂ ( hτ xy ) − 2 ρ w ∂x ∂y C h (2.5) p2 + q2 ∂ ( hτ yy ) + ∂ ( hτ xy ) − 2 C h ρ w ∂y ∂x (2.6) Phương pháp giải ẩn luân hướng với thuật toán lần - phương pháp đại, tiên tiến cho kết hiệu Sự rời rạc hóa khơng gian phương trình ngun thủy thực với sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn lưới trung tâm Miền tính rời rạc chia nhỏ chuỗi nguyên tố/ô lưới không trùng Trên mặt bằng, lưới không cấu trúc sử dụng bao gồm tam giác học nguyên tố biên bậc Phương pháp giải xấp xỉ Riemum sử dụng để tính tốn dòng đối lưu, việc tính tích phân sử dụng sơ đồ Phạm vi ứng dụng Mơ hình MIKE21HD FM: Nói chung giải vấn đề mà dòng chảy tượng vận chuyển quan trọng, đặc biệt áp dụng vùng cửa sơng, bờ biển thuộc tính linh động lưới phi cấu trúc hữu dụng 2.3.4 Mơ hình MIKE FLOOD Mặc dù mơ hình MIKE 11 MIKE 21 có ưu điểm vượt trội việc mơ dòng chảy chiều mạng lưới sơng phức tạp (MIKE 11) mơ tranh chiều dòng chảy tràn bề mặt đồng ruộng (MIKE 21) Tuy nhiên xét riêng rẽ chúng số hạn chế việc mô ngập lụt Đối với MIKE 11, khó khăn để mơ dòng chảy tràn trước số khu chứa hướng chảy, không mô tả trường vận tốc mặt ruộng khu chứa, MIKE 21, muốn vừa tính tốn dòng tràn bề mặt ruộng, vừa muốn nghiên cứu dòng chảy chủ lưu kênh dẫn cần phải thu nhỏ bước lưới đến mức thể thay đổi địa hình lòng dẫn mà hệ thời gian tính tốn tăng lên theo cấp số nhân Để kết hợp ưu điểm mơ hình chiều đồng thời khắc phục nhược điểm chúng, MIKE FLOOD cho phép kết nối mơ hình MIKE 11 MIKE 21 q trình tính tốn, tăng bước lưới mơ hình (nghĩa giảm thời gian tính tốn) mơ dòng chảy lòng dẫn mặt ruộng chứa Trong MIKE FLOOD có loại kết nối sau mơ hình chiều: Kết nối tiêu chuẩn Trong kết nối này, nhiều ô lưới MIKE 21 liên kết với đầu phân đoạn sông MIKE 11 Loại kết nối thuận tiện cho việc nối lưới chi tiết MIKE21 với hệ thống mạng lưới sông lớn MIKE 11, nối cơng trình mơ hình MIKE 21 Các cách áp dụng hình 2.8 Kết nối bên Kết nối bên cho phép chuỗi ô lưới MIKE 21 liên kết vào hai bên đoạn sơng, mặt cắt đoạn sơng tồn nhánh sơng MIKE 11 Dòng chảy chảy qua kết nối bên tính tốn cách sử dụng phương trình cơng trình bảng quan hệ Q-H Loại kết nối đặc biệt hữu ích việc tính tốn dòng chảy tràn từ kênh dẫn khu ruộng bãi, nơi mà dòng chảy tràn qua bờ đê bối tính cơng thức đập tràn đỉnh rộng Một ví dụ loại kết nối minh họa hình 2.9 Hình 2.8: Các ứng dụng kết nối tiêu chuẩn Kết nối cơng trình (ẩn) Kết nối cơng trình nét loạt cải tiến dự định MIKE FLOOD Kết nối công trình lấy thành phần dòng chảy từ cơng trình MIKE 11 đưa chúng trực tiếp vào phương trình động lượng MIKE 21 Quá trình ẩn hồn tồn khơng ảnh hưởng đến bước thời gian MIKE 21 Ví dụ loại kết nối minh họa hình 2.10 Hình 2.9: Một ứng dụng kết nối bên Hình 2.10: Một ví dụ kết nối cơng trình Kết nối khô (zero flow link) Một ô lưới MIKE 21 gán kết nối khô theo chiều x khơng có dòng chảy chảy qua phía bên phải lưới Tương tự, kết nối khơ theo chiều y khơng có dòng chảy chảy qua phía Các kết nối khơ phát triển để bổ sung cho kết nối bên Để chắn dòng chảy tràn MIKE 21 không cắt ngang từ bờ sang bờ sông mà không liên kết với MIKE 11, kết nối khơ đưa vào để đóng dòng MIKE 21 Một cách khác để sử dụng kết nối khô gán cho ô lưới đất cao, mà tùy thuộc vào độ phân giải lưới tính chưa mơ tả Kết nối khơ sử dụng để mô tả dải phân cách hẹp đồng ruộng ví dụ đê bối, đường, thay sử dụng chuỗi ô lưới định nghĩa đất cao nên sử dụng chuỗi kết nối khơ [24, 25] Sử dụng kết nối ta dễ dàng liên kết hai mạng lưới tính mơ hình chiều chiều với Khi chạy mơ hình, để coupling chúng, MIKE FLOOD cung cấp kiểu coupling sau tùy thuộc vào mục đích sử dụng mơ hình: o Coupling động lực: kết nối chuyển thông tin thủy động lực (cần thiết cho tính tốn MIKE 11 MIKE 21) o Coupling truyền tải chất: kết nối truyền thông tin liên quan đến trình vận tải khuyếch tán (cần thiết cho tính tốn MIKE 11 MIKE 21) o Coupling động lực truyền tải chất Các lựa chọn người sử dụng dễ dàng lựa chọn thơng qua hộp thoại mơ hình Mơ hình phỏ sóng MIKE 21 SW/FM Mơ hình MIKE 21 SW FM mơ hình mơ q trình hình thành, suy giảm, lan truyền sóng gió (wind-generated waves) sóng lừng (swell) vùng nước sâu ven biển Mơ hình sử dụng để dự báo đánh giá xu sóng ngồi khơi khu vực ven bờ Mơ hình có xét đến tượng sóng khúc xạ, sóng nước nơng, ảnh hưởng gió, suy giảm lượng ma sát đáy, sóng vỡ, tương tác sóng – dòng chảy, … MIKE 21 SW cho phép người dùng lựa chọn cách mô sau: - Phương pháp 1: Sử dụng hệ phương trình bảo tồn động lượng sóng tần số sóng tham số hóa coi biến phụ thuộc theo đề xuất Holthuijsen (1989) [Directional decoupled parametric formulation] - Phương pháp 2: Sử dụng hệ phương trình bảo tồn động lượng sóng đề cập Komen et al (1994) Young (1999) phổ tác động tần số - hướng sóng xem biến phụ thuộc [Fully spectral fomulation] Về nguyên tắc, phương pháp thứ phương pháp tổng quát, sử dụng để nghiên cứu phát triển, suy giảm, lan truyền sóng gió sóng lừng khu vực ngồi khơi ven bờ Tuy nhiên, khối lượng tính toán theo phương pháp lớn nhiều so với phương pháp Trong phần lớn trường hợp, phương pháp sử dụng trường sóng nghiên cứu thỏa mãn điều kiện sau: - Phạm vi mơ hình tính tốn nhỏ (từ 10 đến 50 km) Sóng mơ sóng phát triển đầy đủ Sóng lừng (và kết hợp sóng lừng sóng gió) thành phần khơng quan trọng Lưu ý rằng, lực tác động gió khơng xét đến sử dụng phương pháp Nếu sử dụng phương pháp tính này, ảnh hưởng gió đến sóng tính tốn dựa vào cơng thức kinh nghiệm (empirical relationships - MIKE 21 SW User Guide, 2007) Phương pháp phương pháp tính tốn sử dụng MIKE 21 NSW (với khác biệt nhất: lưới tính tốn lưới chữ nhật) Trên sở mục đích, u cầu nội dung tính tốn đề tài phân tích mục 1, nghiên cứu sử dụng phương pháp (fully spectral formulation) để mơ trường sóng khu vực dự án Điều cho phép sử dụng số liệu trường gió (phân bố theo khơng gian biến đổi theo thời gian) sóng ngồi khơi (chiều cao, chu kỳ, hướng biến đổi theo thời gian) để mô tả biến đổi trường sóng khu vực dự án theo thời gian, ảnh hưởng gió xét đến cách đầy đủ Việc mô biến đổi trường sóng (chiều cao, chu kỳ, hướng, ) theo thời gian có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đến kết phân tích diễn biến bờ biển, cửa sơng Mơ hình MIKE 21 SW có xét đến tượng vật lý sau: - Sóng phát triển tác động gió Tương tác phi tuyến sóng sóng Phân tán lượng sóng vỡ khơi Phân tán lượng ma sát đáy Phân tán lượng sóng vỡ phát sinh độ sâu khu nước giảm Khúc xạ lan truyền sóng nước nơng Tương tác sóng dòng chảy Ảnh hưởng biến đổi mực nước, có xét đến vùng thay đổi mực nước - Phạm vi ứng dụng MIKE 21 SW MIKE 21 SW áp dụng để dự báo sóng khu vực ngồi khơi ven biển, đánh giá điều kiện sóng – chiều cao sóng, chu kỳ sóng, hướng sóng - phục vụ cho việc thiết kế xây dựng cơng trình biển, cơng trình cảng, cơng trình bảo vệ bờ Ngồi ra, kết tính trường ứng suất sóng dùng để phục vụ cho toán vận chuyển bùn cát diễn biến đường bờ 7400000 7300000 7200000 7100000 7000000 6900000 6800000 6700000 6600000 6500000 6400000 6300000 6200000 6100000 Bathymetry [m] Above -250 -500 - -250 -750 - -500 -1000 - -750 -1250 - -1000 -1500 - -1250 -1750 - -1500 -2000 - -1750 -2250 - -2000 -2500 - -2250 -2750 - -2500 -3000 - -2750 -3250 - -3000 -3500 - -3250 Below -3500 Undefined Value 6000000 5900000 5800000 5700000 5600000 -200000 0:00:00 12/30/1899 Time Step of 200000 400000 600000 Hình 1: Ví dụ lưới tính tốn sử dụng MIKE 21 SW Một ứng dụng quan trọng MIKE 21 SW dùng để tính sóng phục vụ cho thiết kế cơng trình khơi ven biển điều kiện thời tiết khắc nghiệt Để đánh giá mức độ an toàn tính kinh tế thiết kế, việc xác định xác tải trọng sóng lên cơng trình điều quan trọng Các số liệu đo đạc khu vực cơng trình thường khơng đủ dài để đánh giá cách xác chế độ sóng điều kiện thiết kế (sóng bão) Trong trường hợp này, số liệu thực đo sử dụng để bổ sung cho mô trường sóng mơ hình MIKE 21 SW Mơ hình MIKE 21 SW phù hợp để dự báo phân tích sóng cho phạm vi lớn (đại dương) nhỏ (khu vực nghiên cứu) Trong mô phỏng, thông thường lưới mơ hình lựa chọn thưa phía ngồi khơi dày phía gần bờ khu vực quan tâm (hình 3.21) Đây ưu việt lớn MIKE 21 SW, cho phép người dùng chủ động việc lựa chọn kích thước lưới theo yêu cầu tốn, giúp việc mơ hình hóa đạt hiệu tối ưu Kết trường ứng xuất sóng mơ hình MIKE 21 SW sử dụng làm liệu đầu vào cho tính tốn vận chuyển bùn cát sóng Dòng chảy sóng tính tốn sở trường ứng suất sóng khu vực sóng vỡ sử dụng phần mềm MIKE 21 Flow Model FM Kết mơ chế độ sóng thời đoạn định (1 bão, mùa, vài năm) mơ hình MIKE 21 SW thơng tin quan trọng để phân tích chế độ dòng ven, chuyển động bùn cát diễn biến bờ biển, cửa sơng phần mềm MIKE21/LITPACK Đây nội dung nghiên cứu quan trọng đề tài a) Hệ phương trình Hệ phương trình sử dụng chương trình hệ phương trình bảo tồn động lượng sóng viết hệ tọa độ đề (Cartesian) hệ tọa độ cầu (MIKE 21SW User Guide, 2007) Chi tiết trình bày Komen et al (1994) Young (1999) - Trong hệ tọa độ Cartesian Trong hệ tọa độ Cartesian, phương trình cân tác dụng sóng sau: ∂N r S + ∇.(vN ) = ∂t σ (3) Các đặc trưng vận tốc truyền xác định theo công thức: ( c ,c ) x y r r ur d x uu = = cg + U dt r r ∂U dσ ∂σ ∂d r cσ = = + U ∇ x d − cg k dt ∂d ∂t ∂s r dθ ∂σ ∂d r ∂U cθ = = + k dt k ∂d ∂m ∂m (4) (5) (6) Trong s tọa độ khơng gian hướng sóng θ, m tọa độ vng góc với s, ∇x tốn tử vi phân hai chiều không gian Kết luận kiến nghị Tính tốn thủy động lực cho khu vực nghiên cứu có vai trò quan trọng, nhằm mơ phân tích chế độ dòng chảy sơng, dòng chảy triều, chế độ sóng…thuộc phạm vi nghiên cứu Các kết tính tốn sở cho đánh giá mức độ, khả ngập lụt vấn đề rủi ro ngập lụt yếu tố thủy hải văn Như vậy, chọn lựa mơ hình phù hợp giúp hồn thành mục tiêu tính tốn nghiên cứu Các kết nghiên cứu từ có tính chất phù hợp giá trị xứng đáng với tầm quan trọng chúng Trong chuyên đề phân tích khả ứng dụng mạnh nhiều mô hình thủy động lực khác Từ đó, chọn lựa mơ hình phù hợp cho vùng nghiên cứu sau: - Tính tốn dòng chảy mưa rào: Mơ hình NAM Tính tốn ngập lụt: MIKE FLOOD Tính tốn dòng chảy triều: MIKE 21 HD/ FM - Tính tốn chế độ sóng: MIKE 21 SW Tài liệu tham khảo Hồng Thái Bình (2009) Xây dựng đồ ngập lụt hạ lưu hệ thống sông Nhật Lệ (Mỹ Trung- Tám Lu- Đồng Hới) Luận văn thạc sỹ khoa học Trần Ngọc Anh (2011) Xây dựng đồ ngập lụt hạ lưu sông Bến Hải Thạch Hãn, tỉnh Quảng Trị Tạp chi KH ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 27, số 1S (2011) ... Lan áp ứng yêu cầu xây dựng đồ ngập lụt cho khu vực nghiên cứu lý sau đây: Bộ mô hình MIKE bao gồm: mơ hình thủy văn MIKE NAM, dùng để tính tốn biên đầu vào cho mơ hình thủy lực chiều MIKE. .. nhập khu cho mơ hình thủy lực hai chiều MIKE 21 Mơ hình thủy lực chiều MIKE 11 mơ dòng chảy chiều sơng mơ hình hai chiều MIKE 21 mơ dòng chảy hai chiều ngang tràn bãi Bộ mơ hình phù hợp để mô ngập... thiện vấn đề mơ hình MIKE có thêm mơ hình thủy lực hai chiều MIKE 21 kết nối MIKE FLOOD + MIKE 21 & MIKE FLOOD: Là mô hình thuỷ động lực học dòng chảy chiều vùng ngập lũ ứng dụng tính tốn rộng