2.3.1. Chuẩn dòng chảy năm
Chuẩn dòng chảy năm (hay dòng chảy bình quân nhiều năm) của một lưu vực là trị số trung bình của đặc trưng dòng chảy trong thời kỳ nhiều năm, với điều kiện cảnh quan địa lý, điều kiện địa chất không thay đổi và không kể đến sự thay đổi quy luật tự nhiên của dòng chảy do hoạt động dân sinh kinh tế con người.
Chuẩn dòng chảy năm là giá trị quan trọng có ý nghĩa trong tính toán thủy văn thiết kế các công trình thủy lợi. Nó là giá trị đặc trưng cho trữ lượng tài nguyên nước của một lưu vực.
Chuẩn dòng chảy năm là một thành phần quan trọng trong phương trình cân bằng nước. Nó là cơ sở cho phép ta xác định các đặc trưng khác như dòng chảy năm, dòng chảy mùa hay dòng chảy tháng.
Chuẩn dòng chảy năm là đại lượng ổn định tương đối theo từng vùng địa lý thủy văn. Tương đối vì nếu thay đổi điều kiện khí hậu và hoạt động kinh tế của con người sẽ dẫn tới thay đổi chuẩn dòng chảy năm.
Tính chất ổn định trên thể hiện ở hai mặt:
+ Chuẩn dòng chảy năm là đại lượng trung bình nhiều năm, nếu thêm vào chuỗi một vài năm quan trắc thì nó không thay đổi hoặc thay đổi không đáng kể.
+ Chuẩn dòng chảy năm Q0 là một hàm số phụ thuộc chủ yếu vào điều kiện khí hậu mà ngay bản thân khí hậu như X0 và Z0 cũng ổn định tương đối theo từng khu vực trong thời kỳ nhiều năm.
Đối với một lưu vực, có nhiều phương pháp để xác định chuẩn dòng chảy năm, phụ thuộc vào điều kiện tài liệu dòng chảy hiện có.
− Khi có đủ tài liệu quan trắc dòng chảy: Ta có chuỗi số liệu tính trung bình nhiều năm được Q0.
− Khi có ít tài liệu quan trắc dòng chảy: Kéo dài tài liệu, sau đó tính Q0 như có đủ tài liệu bình thường.
− Khi không có tài liệu quan trắc dòng chảy: Có nhiều các tính khác nhau: 1) dùng lưu vực tương tự mà có tài liệu thực đo để tính, 2) dùng mô hình để khôi phục dòng chảy từ mưa (Tank, SSARR, NAM…).
Tính toán dòng chảy năm cho một số trạm thủy văn trên lưu vực
Lưu lượng dòng chảy năm bình quân nhiều năm:
Lưu lượng dòng chảy bình quân nhiều năm, thường ký hiệu là Q0, đơn vị tính là m3/s: là lưu lượng tính bình quân cho thời đoạn là nhiều năm. Lưu lượng dòng chảy bình quân nhiều năm được tính theo công thức:
n Q Q n i i 1 0 (m3/s)
Mô duyn dòng chảy năm bình quân nhiều năm: Mô duyn dòng chảy năm ký hiệu M0, đơn vị (l/s.km2), là mô duyn dòng chảy tính cho thời đoạn một năm:
M0= 0 3 10 . F Q (l/s.km2)
Tổng lượng dòng chảy năm bình quân nhiều năm:
Tổng lượng dòng chảy năm của một lưu vực sông thường ký hiệu là W0, đơn vị tính là m3: là lượng dòng chảy qua mặt cắt cửa ra của lưu vực tính trong thời khoảng một năm
W0= 31,5 . 106 . Q0 (m3).
Lớp dòng chảy năm bình quân nhiều năm:
Lớp dòng chảy năm ký hiệu là Y0, đơn vị (mm), là lớp dòng chảy tính cho thời đoạn là một năm:
Y0= 0.103
F W
(mm)
Hệ số dòng chảy năm bình quân nhiều năm:
Hệ số dòng chảy năm ký hiệu α là tỷ số gữa lớp dòng chảy và lượng mưa năm tưng ứng.
α = 0
X Y
Chuẩn dòng chảy năm biểu thị dưới hình thức mô đuyn dòng chảy bình quân năm hay lớp nước dòng chảy bình quân năm, không phụ thuộc vào diện tích lưu vực cũng như các thành phần khí hậu khác (mưa, bốc hơi..) biến đổi nhịp nhàng theo lãnh thổ nên có thể biểu thị bằng bản đồ đẳng trị. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
a. Tình hình tài liệu
Nhìn chung các trạm thủy văn trên các sông của tỉnh Hà Tĩnh được thành lập cùng thời điểm với các trạm khí tượng trên lưu vực. Nhưng đa phần các trạm này chỉ hoạt động ổn định trong khoảng 10 đến 20 năm đầu, sau đó vì những lí do khác nhau mà tạm mà tạm ngưng ko đo được số liệu nữa. Số liệu thu thập về đặc điểm thủy văn từ các trạm thủy văn trên một số sông của tỉnh Hà Tĩnh được thống kê dưới bảng (3-1)
Bảng 2-29: Thống kê tài liệu được của tỉnh Hà Tĩnh
Stt Tên trạm Diện tích(km2) Tên sông Thời gian
1 Hương Đại 408 Ngàn Trươi 1965-1976
2 Hòa Duyệt 1880 Ngàn Sâu 1959-1981
3 Trại Trụ 96.2 Tiêm 1964-1980
4 Kè Gỗ 229 Rào Cái 1957-1975
5 Sơn Diệm 790 Ngàn Phố 1961-1980
6 Sông Trí 273 Trí Không có
Nhận xét: Đa phần số liệu về đặc trưng thủy văn của các trạm đều chỉ kéo dài tới năm 1980.Và chuỗi số liệu là ngắn không đủ để tính toán các đặc trưng thủy văn của tỉnh. Bài toán đặt ra là ta phải kéo dài chuỗi số liệu thủy văn của các trạm. Với những phương pháp như phương pháp tương quan mưa dòng chảy hay phương pháp mô hình...Trong bài này em sử dụng phương pháp mô hình cụ thể là sử dụng mô hình Tank để khôi phục và tính toán số liệu dòng chảy cho các trạm.
b. Ứng dụng mô hình TANK để tìm ra bộ thông số Giới thiệu chung về mô hình TANK:
Mô hình TANK (M.Suguwara – 1956) là mô hình hộp xám dạng bể chứa, mô phỏng dòng chảy lũ trên lưu vực sông.
Mô hình thưởng gồm một dãy bể chứa A,B,C,D xếp theo chiều thẳng đứng. Cách mô tả này tuân theo nguyên tắc nước đi từ trên bề mặt xuống các tầng sâu.
Về nguyên tắc, có thể chọn số bể chứa tùy ý nhưng thường chỉ chọn 3 hay 4 bể chứa là đủ. Có khi chỉ chọn 2 bể chứa, nhưng bao giờ cũng phải có bể thứ nhất.
Bể thứ nhất A: • Cấu trúc:
- Gồm có 2 phần: phần trên và phần dưới. Giữa 2 phần có sự truyền ẩm lên xuống trong một số điều kiện.
- Các thông số mô tả lượng ẩm bão hòa của phần trên và phần dưới của tầng trữ ẩm là PS và SS
- Có 2 cửa ra thành bên A1, A2 và một cửa ra ở đáy A0 xuống tầng B.
- Bể thứ nhất dùng để mô phỏng độ ẩm của lớp đất phía trên, có độ dày từ mặt đất đến độ sâu nào đó, sao cho khi mặt đất khô đi do bốc hơi thì lượng nước từ dưới sâu có thể truyền lên mặt đất do mao dẫn.
- Độ dày của lớp đất thuộc bể thứ nhất không cố định mà thay đổi theo đặc tính lưu vực, thay đổi theo cấu tạo thổ nhưỡng của lớp đất bề mặt và thảm phủ thực vật.
• Cơ cấu truyền ẩm:
Khi phần trên bão hòa ẩm, có lớp nước tự do trên bề mặt đất XA > PS, mà phần dưới chưa bão hòa XS < SS, thì có sự truyền ẩm từ trên xuống với tốc độ T2:
T2 = Tc(1 - XS/SS)
Khi phần trên chưa bão hòa ẩm XA < PS và phần dưới bão hòa ẩm XS = SS thì có sự truyền ẩm lên trên theo tốc độ T1:
Nếu lớp nước tự do trên bể A cao hơn ngưỡng tràn HA1 thì sinh ra dòng chảy mặt, ngược lại thấp hơn ngưỡng tràn thì lượng mưa chưa đủ thấm và dòng chảy tràn trên bề mặt bằng không.
Ngoài ra, nếu lượng mưa XA > HS là độ dày của bể A thì XA = HS, không xảy ra tràn bể.
• Dòng chảy cửa ra ở bể A:
+ Lượng nước trong bể:
XAi1 = XA0 + PRE*dt – E*dt , nếu lượng mưa vượt quá tổn thất bốc hơi theo thời gian trên bề mặt XA > E*dt (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nếu lượng mưa nhỏ hơn khả năng bốc hơi thì XA = 0
Trong bể A, có sự trao đổi ẩm trong tầng trữ ẩm giữa tầng trên và tầng duới.: XAi
2
= XA0 1
+ (T1-T2)dt
Và tồn tại sự trao đổi ẩm giữa bể A và bể B, có sự truyền ẩm lên từ bể B: XSi = XS0 + T2dt
+ Khi lượng ẩm bể A vượt bão hòa XA > PS
Xuất hiện dòng chảy tràn trên bề mặt Y1 và Y2:
Y2 = A2*(XA - HA2 - PS) nếu XA - PS > HA2 là ngưỡng cửa ra thứ 2
Y2 = 0 else
Y1 = A1*(XA - HA1- PS) nếu XA - PS > HA1, là ngưỡng cửa ra thứ 1
Y1 = 0 else
+ Tới khi XA thấp hơn ngưỡng cửa ra Y2 thì dòng chảy tràn trên bề mặt chấm dứt, chỉ còn lại thành phần thấm xuống các bể sâu hơn: YA0 = A0 * (XA – PS)
+ Lượng nước tự do ở bể A cuối thời đoạn là : XAi3 = XA – Y1*dt – Y2*dt – YA0*dt.
Bể thứ hai B, bể thứ ba C và bể thứ tư D:
Từ bể chứa thứ 2 đến bể chứa gần cuối cùng của mô hình TANK đều có cấu tạọ giống nhau. Các bể này chỉ có một cửa ra thành bên và một cửa ra ở đáy, không có cấu tạo truyền ẩm, nước chỉ chảy từ bể trên xuống bể dưới chứ không chảy ngược lại từ dưới lên trên, cũng không xảy ra hiện tượng bốc hơi ở các bể phía dưới này.
Riêng bể thứ tư, bể D do là bể dưới cùng nên không tiếp tục thấm xuống sâu hơn nữa, do tiếp dưới đó giả thiết là một lớp đất không thấm, nên chỉ có một cửa ra thành bên mà không có cửa ở đáy
Nếu độ sâu lớp nước tự do ở bể B cao hơn ngưỡng tràn XB > HB1 thì từ bể B có một lớp dòng chảy ngầm dưới đất chảy vào sông: YB = B1* (XB-HB1)
Ngược lại, khi độ sâu lớp nước tự do trong bể B thấp hơn ngưỡng tràn XB < HB thì lớp dòng chảy ngầm dưới đất YB = 0
Khi độ sâu lớp nước tự do trong bể B lớn hơn 0, sẽ tồn tại lớp dòng chảy quả cửa đáy bổ sung cho bể C: YB0 = B0*XB
Tuơng tự, bể C cũng tính được lớp dòng chảy ngầm dưới đất chảy vào sông: YC = C1* (XC – HC1) nếu XC > HC1
Cuối cùng ta có dòng chảy cửa ra lưu vực bao gồm chảy tràn trên mặt đất từ bể A và dòng chảy ngầm dưới đất của các bể phía dưới là:
YS = Y1 + Y2 + Y3 + Y4 + Y5
Bể điều tiết:
Bể điều tiết có cấu tạo gần giống các bể phía dưới bể A, nhưng không có cửa đáy mà chỉ có một cửa ra thành bên.
Bể điều tiết nhận nước từ tất cả các cửa ra thành bên của các bể chứa A, B, C, D nên lượng nước đi vào bể điều tiết không phải là nước mưa.
Dòng chảy đi ra khỏi bể điều tiết chính là dòng chảy tại mặt cắt cửa ra của lưu vực thủy văn:
YR= AR* (XR-HR) nếu XR>HR YR=0 nếu XR<HR
Với, AR là hệ số điều tiết dòng chảy trên lưu vực XRi = XRi-1 + YSi - YRi.
YS là dòng chảy thành bên của các bể chứa HR là ngưỡng cửa ra của bể điều tiết. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Ứng dụng mô hình TANK để kéo dài số liệu dòng chảy từ số liệu mưa • Hiệu chỉnh mô hình
Bộ thông số mô hình được xác định nhờ vào tài liệu đo mưa, dòng chảy bình quân với số liệu mưa và bốc hơi của trạm phù hợp.
Ta tiến hành tìm ra bộ thông số tối ưu cho các trạm Sơn Diệm và Hòa Duyệt, Hương Đại, Trại Trụ, Kè Gỗ. Số liệu dòng chảy tháng trung bình của các trạm này được thống kê trong các bảng từ bảng (1) đến bảng (5) của phụ lục.
Trạm Số liệu mưa Năm hiệu chỉnh Năm kiểm định
Hòa Duyệt 1961-1980 1961-1970 1971-1980
Sơn Diệm 1961-1980 1961-1970 1971-1980
Hương Đại 1965-1976 1965-1971 1971-1976
Trại Trụ 1964-1980 1964-1972 1972-1980
• Kiểm định mô hình
Kết quả kiểm định bộ thông số của mô hình, ta được chỉ tiêu NASH-SUTERLIFE của các trạm Sơn Diệm, Hòa Duyệt, Hương Đại, Trại Trụ, Kè Gỗ như bảng
Trạm Hòa Duyệt Sơn Diệm Hương Đại Trại Trụ Kè Gỗ
Chỉ số NASH 78.9 72.1 72.5 70.6 70
Bảng 2-30: Bộ thông số mô hình Tank các trạm của Hà Tĩnh
Trạm
STT Thông Số Hòa Duyệt Sơn Diệm Hương Đại Trại Trụ Kè Gỗ
1 A1 0,55 0,63 0,97 0,9 0,45 2 A2 0,2 0,19 0,12 0,12 0,2 3 B1 0,24 0,24 0,01 0,01 0,24 4 C1 0,3 0,3 0,55 0,55 0,3 5 D1 0,25 0,35 0,6 0,6 0,25 6 A0 0,25 0,59 0,88 0,8 0,65 7 B0 0,28 0,05 0,28 0,28 0,28 8 C0 0,25 0,3 0,2 0,2 0,25 9 D0 0 0 0 0 0 10 R1 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 11 R2 0,4 0,4 0,4 0,4 0,4 12 HR 20 20 20 20 20 13 XR 50 50 50 50 50 14 HA1 100 100 100 100 100 15 HA2 150 150 150 150 150 16 HB 100 100 100 100 100 17 HC 50 50 50 50 50 18 HD 200 200 200 200 200 19 HS 2000 2000 2000 2000 2000 20 PS 50 50 50 50 50 21 SS 20 20 20 20 20 22 XA 20 20 20 20 20 23 XS 20 20 20 20 20 24 XB 10 10 10 10 10 25 XC 10 10 10 10 10 26 XD 400 400 400 400 400 27 KXF 1 1 1 1 1 28 Kx1 1 1 1 1 1 29 Kx2 1 1 1 1 1
Trạm
STT Thông Số Hòa Duyệt Sơn Diệm Hương Đại Trại Trụ Kè Gỗ
30 Kx3 1 1 1 1 1 31 Kx4 1 1 0,5 0,5 1 32 Kx5 1 1 1 1 1 33 Kx6 1 1 0,5 0,5 1 34 Kx7 1 1 1 1 1 35 Kx8 1 1 1 1 1 36 Kx9 1 1 0,9 0,9 1 37 Kx10 1 1 1 1 1 38 Kx11 1 1 1 1 1 39 Kx12 1 1 1,6 1,6 1 40 Tlag 0 0 0 0 0 41 Wx1 1 1 1 1 1
Từ bộ thông số mô hình của 5 trạm ta khôi phục dữ liệu dòng chảy cho năm trạm đến năm 1999 bằng mô hình Tank. Kết quả khôi phục dữ liệu dòng chảy của 5 trạm được thống kê trong bảng từ (bảng 6) đến (bảng 10) của Phụ lục
Ta thấy huyện Kỳ Anh và huyện Cẩm Xuyên có sự tương đồng về mặt khí tượng cũng như đặc điểm tự nhiên vì vậy ta có thể sử dụng bộ thông số mô hình Tank của trạm Kè Gỗ sông Rào Cái để tính toán dòng chảy năm cho lưu vực sông Trí huyện Kỳ Anh. Áp dụng cho các trạm ta thu được kết quả các đặc trưng chuẩn dòng chảy năm như trong bảng sau:
Bảng 2-31: Kết quả các đặc trưng của chuẩn dòng chảy năm của các trạm tỉnh Hà Tĩnh
STT Tên trạm Sông F (km2) Q0 (m3/s) W0 (tỷ m3) M0 (l/s.km2) Y0 (mm)
1 Sông Trí Trí 273 21.4 0.665 77.3 2435.9
2 Sơn Diệm Ngàn Phố 790 48 1.513 60.8 1915.1
3 Hòa Duyệt Ngàn Sâu 1880 112.5 3.544 59.8 1885
4 Hương Đại Ngàn Trươi 408 34.2 1.076 83.7 2636.3
5 Trại Trụ Tiêm 96.2 6.5 0.206 67.9 2138.2
2.3.2. Dòng chảy năm thiết kế
Dòng chảy năm thiết kế là đặc trưng quan trọng cần phải xác định khi quy hoạch, thiết kế hệ thống công trình thủy lợi, đặc biệt là công trình hồ chứa nước. Dòng chảy năm thiết kế là căn cứ để hoạch định phương án quy hoạch và quy mô kích thước của công trình. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Từ chuỗi số liệu dòng chảy trung bình năm của các trạm vẽ đường tần suất lý luận sử dụng phần mềm FFC2008. Kết quả các đường tần suất thiết kế xem các hình từ (hình 13) đến (hình 18) của Phụ lục
Dòng chảy năm được thiết kế với tần suất P = 25%; 50%; 75% và 85%.
Kết quả tính toán dòng chảy năm ứng với tần suất thiết kế được thể hiện như dưới bảng (2-32)
Bảng 2-32: Bộ tham số thống kê và lượng dòng chảy năm ứng với tần suất thiết kế các trạm (m3/s) STT Tên trạm QTB Cv Cs P = 25% P = 50% P = 75% P= 85% 1 Sơn Diệm 48 0.35 0.26 58.7 47.3 36.4 30.9 2 Hòa Duyệt 112.5 0.31 0.48 133.8 109.4 87.4 76.6 3 Hương Đại 34.2 0.31 0.85 39.6 32.2 26 23.2 4 Trại Trụ 6.5 0.37 0.23 7.7 6 4.4 3.6 5 Kè Gỗ 15 0.31 0.89 16.9 13.8 11.1 10 6 Sông Trí 21.4 0.26 0.007 25.09 21.32 17.63 15.61
Hệ số biến đổi Cv của chuỗi dòng chảy các trạm nhỏ, thể hiện tính chất ổn định của chuỗi dòng chảy năm. Dòng chảy ít biến động, ổn định qua các thời kỳ.
Hệ số bất đối xứng Cs của trạm Kè Gỗ sông Rào Cái là lớn nhất, của trạm Sơn Diệm là nhỏ nhất. Các trạm đều có hệ số Cv dương điều này thể hiện trị số trung bình nằm