Giới thiệu các mô hình được lựa chọn.

2.4.1. Mô hình Mike Nam. a. Giới thiệu mô hình.

Mô hình thủy văn NAM mô phỏng quá trình lượng mưa – dòng chảy mặt xảy ra tại phạm vi lưu vực sông. Mô hình NAM hình thành nên một phần của mô đun lượng mưa dòng chảy (RR) của hệ thống lập mô hình MIKE 11. Môdun lượng mưa – dòng chảy mặt có thể được áp dụng độc lập, được sử dụng để trình bày một hoặc nhiều lưu vực tham gia mà tạo ra dòng chảy kế bên vào một mạng sông. Theo cách này thì việc xử lý một lưu vực sông nhỏ riêng rẽ hoặc xử lý một lưu vực sông lớn có chứa nhiều lưu vực sông nhỏ và một mạng sông ngòi phức tạp trong một khung công việc đều có thể thực hiện bằng lập mô hình toán.

NAM là từ viết tắt của tiếng Đan Mạch “Nedbor – Afstromnings – Model” có nghĩa là mô hình giáng thủy – dòng chảy mặt. Mô hình này đầu tiên do khoa Tài nguyên nước và Thủy lợi của trường đại học Đan Mạch xây dựng (Nielsen và Hansen, 1973).

Mô hình thủy văn toán học giống như Nam là một biểu thức toán học kết nối mô tả, bằng hình thức chất lượng toán học đơn giản, hành vi các giai đoạn của đất trong chu kỳ thủy văn. NAM trình bày các thành tố khác nhau trong quá trình lượng mưa – dòng chảy mặt bằng xem xét liên tục các thành phần của nước trong bốn trữ lượng khác nhau và tương tác nhau. Mỗi trữ lượng trình bày một thành phần vật lý khác nhau của lưu vực sông nhỏ. NAM có thể sử dụng hoặc cho việc lập mô hình thủy văn liên tục cho một loạt các dòng chảy hoặc cho việc mô phỏng những sự kiện riêng lẻ.

Mô hình NAM được đặc tính như một mô hình khái niệm trọn gói và có tính quyết định với các yêu cầu về đầu vào dữ liệu trung tính. Một bản mô tả về việc phân loại mô hình được cung cấp trong Abbott và Refsgaard (1996). Refsgaard và Knudsen (1997) đã so sánh một số các mô hình thủy văn khác nhau bao gồm cả mô hình NAM xét cả khía cạnh yêu cầu dữ liệu và vận hành mô hình.

Mô hình NAM là một công cụ kỹ thuật được chứng minh tốt rằng nó được áp dụng cho một số các lưu vực nhỏ trên thế giới, trình bày cơ chế thủy văn và điều kiện khí hậu khác nhau.

b. Cấu trúc mô hình.

Một mô hình khái niệm giống như NAM được dựa trên phương trình và cấu trúc vật lý được sử dụng cùng với cấu trúc bán kinh nghiệm. Là một mô hình trọn gói, NAM xử lý mỗi một lưu vực như là một đơn vị riêng lẻ.

Mô hình NAM mô phỏng giai đoạn đất trong chu kỳ thủy văn. NAM mô phỏng quá trình lượng mưa – dòng chảy mặt bằng việc giải thích liên tục và khác nhau mà trình bày thành tố vật lý của lưu vực. Những lưu trữ như sau:

• Lưu trữ tuyết (snow melt): không dùng ở Việt Nam.

• Lưu trữ bề mặt (surface storage): lượng nước bể chứa này bao gồm. + Lượng nước mưa (X) do lớp phủ chặn lại.

+ Lượng nước điền trũng.

+ Lượng nước trong tầng sát mặt.

→_{Giới hạn trên của bể chứa: Umax} • Lưu trữ tầng dưới.

+ Là vùng đất có rễ cây nên cây cối có thể hút nước cho bốc thoát hơi. + Giới hạn trên: Lmax

+ Lượng nước hiện tại: L

max

L L

: Trạng thái ẩm

• Lưu trữ tầng ngầm trên.

• Lưu trữ tầng ngầm dưới.

Ngoài ra NAM cho phép xử lý can thiệp của con người trong chu kỳ thủy văn như tưới và bơm nước ngầm.

Dựa trên dữ liệu thủy văn NAM sản xuất dòng chảy của lưu vực cũng như thông tin về thành tố khác của giai đoạn đất trong chu kỳ thủy văn chẳng hạn như biến đổi thời gian của sự bốc hơi, thành phần độ ẩm của đất, lượng ngấm nước bề mặt và mức nước ngầm. Dòng chảy lưu vực kết quả được chia theo từng dòng chảy trên mặt đất, chảy vào các dòng chảy phía dưới.

Hình 2-1: Sơ đồ mô phỏng mô hình MIKE NAM. c. Các thông số cơ bản của mô hình MIKE NAM.

- CQOF: Hệ số dòng chảy không thứ nguyên + CQOF = 0 ÷_0.9

+ Lưu vực có địa hình bằng phẳng, cát thô → _{CQOF tương đối nhỏ}

+ Lưu vực có tính thấm nước của thổ nhưỡng kém: sét, đá tảng → _CQOF rất lớn.

- CQIF: Hệ số dòng chảy sát mặt

[( )

]

gio

- Là phần lượng nước trong bể chứa mặt (U) sinh ra dòng chảy sát mặt trong một đơn vị thời gian.

Ảnh hưởng không lớn đến lượng trữ, đường nước rút. CBL: Thông số nước ngầm

Dùng để chia dòng chảy ngầm làm 2 TP: BFU và BFL

Trong trường hợp dòng chảy ngầm không quan trọng, chỉ dùng 1 trong 2 bể ngầm

→ _CBFL=0 → _{tất cả lượng nước ngầm đều đi vào bể chứa ngầm tầng trên.}

- CKOF, CKIF: Là ngưỡng dưới của các bể chứa sinh dòng chảy tràn, dòng chảy sát mặt và dòng chảy ngầm.

+ Hệ số không thứ nguyên < 1 + Khi CKOF, CKIF<

max

L L

→_{không có dòng chảy tràn, dòng chảy sát mặt và}

dòng chảy ngầm.

+ CKOF, CKIF của lưu vực nhỏ > lưu vực lớn.

- Umax, Lmax: Khả năng chứa tối đa của bể chứa tầng trên và tầng dưới.

+ Umax, Lmax: Lượng tổn thất ban đầu max, phụ thuộc vào điều kiện mặt đệm lưu vực.

+ Umax: Phải nằm tổng sức chứa tối đa trước khi mưa vượt thấm. Dẫn đến lượng nước thừa PN xuất hiện, tức là U<Umax.

+ Tổn thất của lượng mưa (X) trước khi có dòng chảy tràn xuất hiện →_{lấy làm}

Umax ban đầu.

- CK1,2, CKBF: Hằng số thời gian biểu thị thời gian tập trung nước. Là thông số quan trọng, ảnh hưởng đến dạng đường quá trình và đỉnh.

d. Yêu cầu về dữ liệu cho mô hình.

Những yêu cầu cơ bản về dữ liệu cho mô hình NAM bao gồm : + Tham số mô hình.

+ Điều kiện ban đầu.

+ Dữ liệu về dòng chảy cho việc thẩm định và công nhận mô hình. Yêu cầu về dữ liệu khí tượng thủy văn cơ bản là :

+ Lượng mưa.

+ Việc bốc hơi tiềm năng.

Trong trường hợp lập mô hình về tuyết, một số dữ liệu yêu cầu thêm về khí tượng thủy văn:

+ Nhiệt độ.

+ Phóng xạ (tùy chọn).

e. Ứng dụng của mô hình MIKE NAM.

Mô hình NAM thuộc loại mô hình tất định, thông số tập trung và là mô hình mô phỏng liên tục. Mô hình NAM hiện nay được sử dụng rất nhiều nơi trên thế giới và gần đây cũng hay được sử dụng ở Việt Nam. Những ứng dụng chủ yếu của mô hình NAM bao gồm:

• Phân tích tính toán thủy văn - Phân phối dòng chảy. - Ước tính thấm và bốc hơi.

• Dự báo lũ

- Dòng chảy lưu vực nhỏ đổ vào mô hình sông. - Liên kết với các mô hình khí tượng.

• Kéo dài số liệu dòng chảy - Phục hồi những số liệu bị thiếu. - Cơ sở xác định các giá trị cực đoan.

• Dự báo dòng chảy kiệt - Phục vụ tưới.

- Quản lý chất lượng nước.

2.4.2. Mô hình MIKE 11. a. Giới thiệu mô hình.

MIKE 11 là một gói phần mềm kỹ thuật chuyên môn để mô phỏng lưu lượng, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát ở cửa sông, sông, hệ thống tưới, kênh dẫn và các vật thể nước khác. Bộ mô hình MIKE 11 được xây dựng và phát triển bởi Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI). MIKE 11 là công cụ lập mô hình động lực, một chiều và thân thiện với người sử dụng nhằm phân tích chi tiết, thiết kế, quản lý và vận hành cho sông và hệ thống kênh dẫn đơn giản và phức tạp. Với môi trường đặc biệt thân thiện với người sử dụng, linh hoạt và tốc độ, MIKE 11 cung cấp một môi trường thiết kế hữu hiệu về kỹ thuật công trình, tài nguyên nước, quản lý chất lượng nước và các ứng dụng quy hoạch. MIKE 11 đã và đang ứng dụng thành công trên một số lưu vực ở Việt Nam như: sông Trà Khúc, sông Vệ, sông Kôn,...và hiện đang được nghiên cứu áp dụng cho các lưu vực sông khác.

b. Cấu trúc mô hình.

Trong mô hình MIKE 11 mô-đun mô hình thủy động lực (HD) là một phần trọng tâm của hệ thống lập mô hình MIKE 11 và hình thành cơ sở cho hầu hết các mô - đun khác bao gồm : Dự báo lũ, Tải khuyếch tán, Chất lượng nước và các mô- đun vận chuyển bùn lắng không có cố kết. Mô-đun MIKE 11 HD giải các phương

trình tổng hợp theo phương đứng để đảm bảo tính liên tục và động lượng (momentum), nghĩa là phương trình Saint Venant.

Đặc trưng cơ bản của hệ thống lập mô hình MIKE 11 là cấu trúc mô-đun tổng hợp với nhiều loại mô-đun được thêm vào mỗi mô phỏng các hiện tượng liên quan đến hệ thống sông. Ngoài các mô-đun HD đã mô tả ở trên, MIKE bao gồm các mô-đun bổ sung đối với:

- Thủy văn - Tải khuyếch tán

- Các mô hình cho nhiều vấn đề về chất lượng nước - Vận chuyển bùn cát có cố kết (có tính dính)

- Vận chuyển bùn cát không có cố kết (không có tính dính)

Hình 2-2: Cấu trúc mô đun trong MIKE 11.

c. Nguyên lý tính toán mô hình thủy lực MIKE 11.

Phương pháp tính toán thủy lực trong báo cáo là phương pháp mô hình toán. Với các đặc điểm của vùng nghiên cứu, tôi sử dụng mô hình thủy lực Mike 11 để tính toán. Kết hợp với mô hình Mike 11 GIS để xây dựng bản đồ ngập lụt, từ đó đánh giá được rủi ro do lũ gây ra trên lưu vực.

Khi được áp dụng với trường hợp xem xét tất cả các thành phần trong phương trình sóng động lực, Mike 11 giải hệ phương trình bảo toàn khối lượng và động lượng (Phương trình Saint Venant). Phương trình Saint Venant được thiết lập từ dạng phương trình chuẩn đối với việc bảo toàn khối lượng và động lượng dựa trên bốn giả thiết sau:

• Nước là chất đồng nhất, không nén được, có thể bỏ qua thay đổi về khối lượng riêng.

• Độ dốc của sông nhỏ, nên giá trị Cosine của góc độ dốc có thể coi bằng 1.

• Bước sóng của mặt nước phải lớn hơn độ sâu của sông, điều đó để đảm bảo rằng dòng chảy tại mọi nơi có thể coi là song song với đường đáy sông.

• Trạng thái dòng chảy là dưới tới hạn. Trạng thái dòng chảy tới hạn thì phương trình moment được giải với trường hợp tối giản, trong đó bỏ qua các thành phần không tuyến tính.

Với những giả thiết nêu trên, hệ phương trình chuẩn về bảo toàn khối lượng và động lượng có thể chuyển đổi thành phương trình 1 và 2 dưới đây, trong đó có xét đến dòng chảy nhập lưu bên trong phương trình liên tục.

Phương trình liên tục

q t A x Q = ∂ ∂ + ∂ ∂ (3.1) Phương trình động lượng

0 R 2 2 = + ∂ ∂ + ∂ ^   ∂ + ∂ ∂ A C Q Q g x h gA x A Q t Q α (3.2) Trong đó: Q: lưu lượng (m3/s).

x: chiều dài dọc theo dòng chảy (m). g: gia tốc trọng trường (m3/s)

q: lưu lượng gia nhập bên đơn vị (m2/s) R: bán kính thuỷ lực (m)

A: diện tích mặt cắt ướt (m2) T: thời gian (s)

H: cao trình mặt nước (m) C: hệ số Chezy.

α_{: Hệ số phân bố động lượng.}

Hình 2-3: Mô tả hệ phương trình Saint – Venant.

- Thuật toán:

Mike 11 là chương trình thủy lực trên mạng sông, kênh có thể áp dụng với chế độ sóng động lực hoàn toàn cấp cao. Trong chế độ này, Mike 11 có khả năng tính toán với dòng chảy nhanh, lưu lượng thủy triều, hiệu quả nước đọng thay đổi nhanh, sóng lũ, lòng dẫn dốc. Trong Mike 11, các phương trình trong hệ Saint - Venant được giải bằng cách dùng lược đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn là Abbott - Inonescu. Trong lược đồ này, các cấp mực nước và lưu lượng dọc theo các nhánh sông được tính trong một hệ thống các điểm lưới xen kẽ nhau:

Hình 2-4: Các điểm nút tính toán trong mô hình Mike 11.

Ngoài ra, Mike 11 còn có thể giải quyết được bài toán mạng sông có nhiều nhánh và nút tính toán.

Để có thể giải chính xác và ổn định cho phương trình sai phân hữu hạn cần có các điều kiện sau:

• Số liệu địa hình phải tốt, giá trị cho phép tối đa với Δx lựa chọn trên cơ sở này.

• Bước thời gian cần thiết cho một phương trình sóng, ví dụ như khoảng thời gian tối đa cho mô phỏng thủy triều là 30 phút.

• Điều kiện Courant được dùng để lựa chọn bước thời gian sao cho thỏa mãn đồng thời các điều kiện trên:

( )

x

gx

V

Cr

∆

+

∆

=

Với V là lưu tốc, Cr trong khoảng 10-15 nhưng giá trị lớn hơn 100 đã được sử dụng.

d. Yêu cầu dữ liệu cho mô hình MIKE 11.

• Định nghĩa lưu vực ( Catchment delineation ).

• Mạng sông (nhánh và node) và dữ liệu địa hình (river and floodplain topography).

• Dữ liệu thủy văn cho những điều kiện biên (Hydrometric data for boundary conditions).

• Dữ liệu thủy văn cho kiểm định và hiệu chỉnh mô hình (Hydrometric data for calibration / validation).

• Dữ liệu về công trình và vận hành của nó (Man – made interventions).

2.4.3. Ứng dụng mô hình MIKE 11.

Mô hình Mike 11 với các module HD (thủy động lực), AD (tải khuyếch tán), WQ (chất lượng nước), EU (phú dưỡng), ST (truyền tải bùn cát) có khả năng ứng dụng rộng rãi, giải quyết được hầu hết các bài toán một chiều (1D) trong sông.

- Các công trình được mô phỏng trong Mike 11:

• Đập (đập đỉnh rộng, đập tràn).

• Cống (cống hình chữ nhật, cống tròn).

• Bơm

• Hồ chứa

• Công trình điều tiết

• Cầu

- Các ứng dụng liên quan đến module Mike 11 – HD:

• Dự báo lũ và vận hành hồ chứa

• Các phương pháp mô phỏng kiểm soát lũ

• Vận hành hệ thống tưới và tiêu thoát nước bề mặt

• Thiết kế các hệ thống kênh dẫn

• Nghiên cứu sóng triều và dâng nước do mưa ở sông và cửa sông.

- Các ứng dụng liên quan đến module Mike 11 – HD: Dự báo lũ và vận hành hồ chứa, các phương pháp mô phỏng kiểm soát lũ, vận hành hệ thống tưới và tiêu thoát nước bề mặt, thiết kế các hệ thống kênh dẫn, nghiên cứu sóng triều và dâng nước do mưa ở sông và cửa sông. Module Mike 11 – HD : có thể trao đổi dữ liệu hai chiều giữa MIKE 11 và ArcGis. Dữ liệu được khai thác từ mạng lưới sông, khu vực- đường cong độ cao và mặt cắt ngang cấu hình từ độ cao kĩ thuật số (DEM). Xây dựng một mặt lưới nước và so sánh trên dữ liệu này với DEM để tạo độ sâu ngập lụt và thời gian dựa trên thông tin riêng từ MIKE 11.

2.4.4. Ứng dụng Arc Gis

Chức năng cơ bản của GIS.

+ Quản lý dữ liệu.

+ Xử lý và phân tích dữ liệu. + Xuất và trình bày dữ liệu.

Phần mềm ArcGIS.

Phần mềm ArcGIS là phần mềm ứng dụng công nghệ hệ thống thông tin địa lý của Viện nghiên cứu hệ thống môi trường (ESRI). Bộ phần mềm ArcGIS của ESRI có khả năng khai thác hết chức năng GIS trên các ứng dụng khác nhau như : desktop, máy chủ ( bao gồm Web), hoặc hệ thống thiết bị di động.

Hệ phần mềm ArcGIS cung cấp những công cụ rất mạnh để quản lý và cập nhật, phân tích thông tin tạo nên một hệ thống thông tin địa lý hoàn chỉnh.

Chức năng của ArcGIS.

- Tạo và chỉnh sửa dữ liệu thích hợp (dữ liệu không gian thích hợp với giữ liệu thuộc tính).

- Truy vấn dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính từ nhiều nguồn và bằng nhiều cách khác nhau.

- Hiển thị, truy vấn và phân tích dữ liệu không gian kết hợp với dữ liệu thuộc tính.

CHƯƠNG III