Trạm Thạnh Mỹ là biên đầu vào cho lƣu lƣợng. Đây là trạm thủy văn cấp I trong lƣu vực có đầy đủ các số liệu về mực nƣớc và lƣu lƣợng trong nhiều năm. Các số liệu tại trạm này có thể đƣợc sử dụng làm cơ sở để tính toán dòng chảy tại các biên dòng chảy khác trong lƣu vực không có số liệu thực đo.
Sông Bung là hợp lƣu với sông Vu Gia tại vị trí cách trạm Thạnh Mỹ 11 km theo chiều dòng nƣớc xuôi về phía hạ lƣu. Biên vào tại sông Bung cũng chọn là biên lƣu lƣợng. Dòng chảy tại đây chỉ có các số liệu thực đo từ các đợt khảo sát ngắn ngày. Vì vậy lƣu lƣợng vào tai biên này đƣợc xác định trên cơ sở dòng chảy Thạnh Mỹ và phƣơng pháp lƣu vực tƣơng tự hoặc từ mô hình thủy văn.
Tƣơng tự, sông Côn hợp lƣu với sông Vu Gia cách trạm Thạnh Mỹ 28 km theo chiều xuôi dòng hạ lƣu. Toàn bộ lƣu lƣợng nƣớc của sông Côn cũng đƣợc chảy đến hợp lƣu này. Điều kiện biên của sông Côn đƣợc chọn là biên lƣu lƣợng.
Tiếp theo nhƣ trong sơ đồ hệ thống sông Vu Gia – Hàn là sông Quảng Huế – con sông thoát nƣớc của sông Vu Gia sang sông Thu Bồn vào mùa lũ. Biên này là biên ra của hệ thống, điều kiện biên cho tại đây là cho độ dốc mặt nƣớc (bằng độ dốc trung bình của lòng sông). Dòng chảy tại phân lƣu này khá phức tạp do có những thay đổi về lòng dẫn từ năm 2001. Các thông số tại biên này cần đƣợc điều chỉnh trên cở sở số liệu mực nƣớc thực đo tại trạm thủy văn Ái Nghĩa.
Sông Vĩnh Điện nằm phía hạ lƣu của lƣu vực sông. Sông này chịu ảnh hƣởng bởi thủy triều truyền từ cửa Hàn của Vịnh Đà Nẵng. Tính từ trạm Thạnh Mỹ trên thƣợng lƣu thì hợp lƣu Vĩnh Điện – Vu Gia – Hàn tại vị trí cách đó 60.5 km và cách cửa Hàn khoảng 8 km. Cũng theo các nghiên cứu thống kê trƣớc đó thì vào mùa lũ dòng chảy chỉ chảy theo hƣớng từ sông Thu Bồn về Vu Gia – Hàn. Nhƣ vậy, có thể chọn điều kiên biên tại đây là biên lƣu lƣợng vào. Dòng chảy tại đây phức tạp, tuy nhiên ảnh hƣởng đến dòng chảy lũ trên sông Hàn là nhỏ vì vậy dòng chảy tại đây đƣợc lấy là dòng chảy trung bình trong mùa lũ hàng năm dựa trên các số liệu thực đo trƣớc đây.
Sông Túy Loan là đoạn sông chảy hợp lƣu vào sông Yên và hiện tại do có rất ít số liệu mặt cắt cũng nhƣ các số liệu về dòng chảy. Lƣu lƣợng đầu vào tại đây đƣợc lấy theo tỷ lệ diện tích lƣu vực chiếm từ 20% đến 40 % lƣơng lƣợng tại Thạnh Mỹ (khoảng 10 % đến 20 % lƣu lƣợng vào sông Hàn).
Cửa Hàn của Vịnh Đà Nẵng chịu ảnh hƣởng trực tiếp của nƣớc triều nên điều kiện biên tại đây là biên mực nƣớc.
Nhƣ vậy, các biên của hệ thống đƣợc thiết lập nhƣ sau: Trạm thủy văn Thạnh Mỹ: biên lƣu lƣợng.
Sông Bung, Côn, Túy Loan, Vĩnh Điện: biên lƣu lƣợng
Sông Quảng Huế: biên cho độ dốc mặt nƣớc (bằng độ dốc trung bình của lòng sông).
Cửa Hàn: biên mực nƣớc (dựa trên số liệu mực nƣớc thực đo tại trạm hải văn Tiên Sa).
Hình 3.6: Sơ đồ thủy lực và vị trí các biên mô hình
3.3. Hiệu chỉnh, kiểm tra mô hình dựa trên các thông số phân lưu
Các tham số trong mô hình HEC – RAS đƣợc hiệu chỉnh sao cho sai số giữa mô hình số và các số liệu quan trắc trong thực tế là nhỏ nhất. Trong đó các tham số hiệu chỉnh đƣợc phép dao động trong một giới hạn nhất định. Sau khi các tham số đã đƣợc hiệu chỉnh phù hợp, mô hình cần phải đƣợc kiểm tra với các số liệu quan trắc mới (khác với các số liệu quan trắc sử dụng trong hiệu chỉnh). Bộ tham số hiệu chỉnh mô hình thu nhận đƣợc từ bƣớc hiệu chỉnh cần đƣợc giữ nguyên và mô hình cần đƣợc chạy với các chuỗi số liệu khác tại các biên. Sai số giữa kết quả mô hình và số liệu quan trắc trong bƣớc kiểm tra này thể hiện độ tin cậy của mô hình trong tính toán dự báo cũng nhƣ phân tích các kịch bản khác nhau. Thông thƣờng, hệ số Nash-Sutcliffe đƣợc sử dụng để đánh giá chất lƣợng hiệu chỉnh và kiểm tra mô hình. Hệ số Nash-
Sutcliffe càng gần 1 và lƣợng số liệu so sánh giữa tính toán theo mô hình và quan trắc càng nhiều thì chất lƣợng mô hình càng tốt.
Kiểm tra mô hình đƣợc thực hiện cho các mùa lũ năm 1999 và 2009. Năm 1999 thời đoạn lũ kiểm tra là từ 31/10 đến 15/11. Năm 2009 thời đoạn kiểm tra là 4 tháng từ 1h 01/09 đến 19h 31/12.
Số liệu đầu vào và các kết quả: so sánh mực nƣớc thực đo – tính toán đƣợc trình bày và đƣa ra trong những phần phía dƣới đây.
3.3.1. Hiệu chỉnh mô hình
Quá trình hiệu chỉnh mô hình thƣờng đƣợc thực hiện theo phƣơng pháp “thử - sai” nên để có đƣợc bộ thông số phù hợp là rất khó khăn và tốn kém về mặt thời gian tính toán. Để khắc phục điều này, kết quả nghiên cứu trong chƣơng 2 của luận văn đã đƣợc áp dụng.
Từ sơ đồ thủy lực ta có thể thấy Ái Nghĩa và Cẩm Lệ là các trạm thủy văn cuối cùng cần phải so sánh giữa mực nƣớc tính toán bởi mô hình và mực nƣớc thực đo. Điều chỉnh để thu đƣợc kết quả mong muốn giữa thực đo và tính toán là khá khó khăn, đặc biệt là đối với trạm thủy văn Cẩm Lệ. Nhƣ vậy, ngoài việc điều chỉnh hợp lý các thông số cho phù hợp với các trạm phía trên nhƣ Ái Nghĩa, Thạnh Mỹ thì phân lƣu từ sông Vu Gia sang sông Yên và sông Lạc Thành cũng đƣợc xem xét điều chỉnh cho phù hợp. Mực nƣớc tại Ái Nghĩa và Cẩm Lệ sẽ là căn cứ để hiệu chỉnh phân lƣu.
Khi xây dựng mô hình mạng sông Vu Gia – Hàn, chiều dài các sông Vu Gia, sông Yên, sông Lạc Thành khá chính xác. Vậy nên việc điều chỉnh chiều dài các sông là không nhiều. Hơn nữa, ảnh hƣởng của chiều dài nhánh sông tới tỷ lệ phân lƣu không đáng kể. Biên cửa ra của hệ thống sông là mực nƣớc tại cửa Hàn đƣợc lấy từ số liệu thực đo tại trạm hải văn Tiên Sa. Biên này cách trạm Cẩm Lệ khoảng 15km, cách trạm thủy văn Ái Nghĩa khoảng 30km nên mực nƣớc tại đây chỉ có khả năng ảnh hƣởng tới trạm Cẩm Lệ. Ảnh hƣởng của biên này hầu nhƣ không có tới Ái Nghĩa. Do đó để hiệu chỉnh mô hình thì hệ số nhám n và độ dốc I đƣợc ƣu tiên sử dụng. Các thông số sử dụng để hiệu chỉnh mô hình là các hệ số nhám của lòng sông, bãi sông và độ dốc lòng sông. Bề rộng của nhánh sông cũng có thể đƣợc hiệu chỉnh trong mức độ cho phép.
Các trƣờng hợp điều chỉnh đƣợc trình bày trong bảng 3.4 dƣới đây. Bảng 3.4: Các trƣờng hợp hiệu chỉnh tỷ lệ phân lƣu
Ái Nghĩa Cẩm Lệ Đánh giá Phƣơng án hiệu chỉnh
Thiên cao Thiên cao Q–Lạc Thành<Q–thực tế Giảm n–Lạc Thành, Tăng I– Lạc Thành, tăng B–Lạc Thành
Thiên thấp Thiên cao Q-Yên>Q–thực tế Tăng n–Yên, giảm I–Yên, giảm B- Yên
Thiên cao Thiên thấp Q–Yên<Q–thực tế Giảm n–Yên, Tăng I–Yên, tăng B–Yên
Thiên thấp Thiên thấp Q–Lạc Thành>Q–thực tế
Tăng n–Lạc Thành, Giảm I– Lạc Thành, giảm B–Lạc
Thành Trong đó:
Q–thực tế: lƣu lƣợng thực tế
Q–Lạc Thành: lƣu lƣợng đổ vào nhánh sông Lạc Thành Q–Yên: lƣu lƣợng đổ vào nhánh sông Yên
n–Lạc Thành: hệ số nhám nhánh sông Lạc Thành n–Yên: hệ số nhám nhánh sông Yên
I–Lạc Thành: độ dốc nhánh sông Lạc Thành I–Yên: độ dốc nhánh sông Yên
B–Lạc Thành: chiều rộng nhánh sông Lạc Thành B–Yên: chiều rộng nhánh sông Yên
Trong bảng 3.4 các phƣơng án hiệu chỉnh trong mô hình có thể áp dụng một trong các phƣơng án đã đƣợc đề ra hoặc kết hợp các phƣơng án trong cùng một trƣờng hợp.
Nếu mực nƣớc tại Ái Nghĩa và Cẩm Lệ đều thiên cao hơn so với thực tế thì chứng tỏ rằng lƣu lƣợng từ Vu Gia phân lƣu sang nhánh sông Lạc Thành nhỏ hơn so với thực tế. Để giảm mực nƣớc tại Ái Nghĩa và mực nƣớc tại Cẩm Lệ ta có thể chọn một phƣơng án hoặc kết hợp các phƣơng án hiệu chỉnh sau: giảm hệ số nhám đoạn sông Lạc Thành, tăng độ dốc đoạn sông này. Bề rộng của nhánh sông Lạc Thành cũng có thể cho phép đƣợc mở rộng. Tuy nhiên tăng bề rộng của nhánh sông cũng chỉ trong mức độ cho phép. Việc tăng bề rộng không thể điều chỉnh quá nhiều.
Tƣơng tự với các trƣờng hợp khác, các phƣơng án hiệu chỉnh cũng đƣợc chọn để điều chỉnh sao cho mực nƣớc tại 2 trạm này có sự phù hợp giữa tính toán và thực đo.
Bộ thông số thu đƣợc trong quá trình hiệu chỉnh sẽ đƣợc dùng để áp dụng trong kiểm tra cho toàn bộ mô hình.
Mô hình thủy lực mạng sông Vu Gia – Hàn đƣợc hiệu chỉnh theo các số liệu thực đo mùa lũ năm 2006 và 2007 tại các trạm thủy văn Thạnh Mỹ, Hội Khách, Ái Nghĩa và Cẩm Lệ.
a. Số liệu đầu vào
Về mặt hình học, các nhánh sông của hệ thống sông Vu Gia – Hàn đã đƣợc thiết lập với các số liệu đo đạc đƣợc cung cấp bởi [10], [11] và các đợt khảo sát của Viện Công nghệ môi trƣờng.
Trạm thủy văn Thạnh Mỹ là biên đầu vào lƣu lƣợng. Số liệu thực đo là lƣu lƣợng nƣớc tại trạm theo những mốc thời gian khác nhau là 1h, 2h, 3h, 6h. Nhƣng do đặc thù của mô hình tính toán cần số liệu lƣu lƣợng đo theo chu kỳ 1h nên số liệu thực đo đã đƣợc xử lý nội suy để có đƣợc dạng số liệu nhƣ mong muốn. Hình 3.7 và hình 3.8 dƣới đây thể hiện lƣu lƣợng đầu vào của mô hình tại Thạnh Mỹ tƣơng ứng năm 2006 và 2007.
Các biên tính toán khác nhƣ: biên lƣu lƣợng vào sông Kone, sông Bung, sông Túy Loan đƣợc lấy từ kết quả tính toán thủy văn.
Biên cửa Hàn chọn là biên mực nƣớc lấy từ số liệu tại trạm hải văn Sơn Trà. Số liệu mực nƣớc đƣợc xử lý theo từng giờ trong năm 2006, 2007. Hình 3.9 và hình 3.10 thể hiện mực nƣớc đã đƣợc xử lý cho tƣơng ứng năm 2006, 2007.
Hình 3.8: Biên lưu lượng tại trạm đo Thạnh Mỹ năm 2007 để hiệu chỉnh mô hình
Hình 3.10: Biên mực nước tại cửa Hàn năm 2007 để hiệu chỉnh mô hình b. Kết quả tính toán hiệu chỉnh mô hình
Kết quả tính toán hiệu chỉnh đƣợc so sánh với số liệu lũ thực đo của năm 2007 tại các trạm thủy văn: Thạnh Mỹ, Hội Khách, Ái Nghĩa, Cẩm Lệ.
Hình 3.12: Mực nước thực đo và tính toán tại trạm đo Hội Khách năm 2007
Hình 3.14: Mực nước thực đo và tính toán tại trạm đo Cẩm Lệ năm 2007
Hình 3.11 và hình 3.12 cho thấy mực nƣớc tính toán theo mô hình HEC – RAS gần sát với mực nƣớc thực đo tại các trạm thủy văn Thạnh Mỹ và Hội Khách cả về pha và biên độ. Tại Hội Khách và Cẩm Lệ (hình 3.13, hình 3.14), về pha tuy có sự phù hợp nhƣng chênh lệch giữa mực nƣớc thực đo và tính toán lại khá lớn.
Tại Ái Nghĩa (hình 3.13), mực nƣớc tính toán theo mô hình cao hơn mực nƣớc thực tế tại mọi thời điểm tính toán. Tại trạm này mực nƣớc thiên cao hơn so với thực tế. Tại Cẩm Lệ (hình 3.14) mực nƣớc tính toán theo mô hình thấp hơn so với mực nƣớc thực đo tại đỉnh lũ tháng 10, ngày 11 tháng 11, tháng 12 năm 2007. Các đỉnh lũ nhỏ khác tuy tính toán cao hơn so với thực tế nhƣng phía chân lũ lại thấp hơn nhiều. Nhƣ vậy, tại trạm này mực nƣớc là thiên thấp hơn so với thực tế.
Để điều chỉnh phù hợp giữa thực đo và tính toán theo mô hình, cần giảm mực nƣớc tính toán tại trạm Ái Nghĩa và tăng mực nƣớc tính toán tại trạm Cẩm Lệ. Dựa trên các phƣơng án hiệu chỉnh đƣa ra trong bảng 3.4, hệ số nhám, độ dốc và chiều rộng của các nhánh sông: sông Yên, sông Lạc Thành đã đƣợc điều chỉnh lại. Hệ số nhám của nhánh sông Yên giảm, độ dốc và bề rộng của nhánh sông tăng thêm.
Sau một số lần hiệu chỉnh đã cho kết quả khá tốt cả về pha và biên độ tại 2 trạm đo này.
Hình 3.15 và hình 3.16 dƣới đây đƣa ra kết quả so sánh giữa mực nƣớc tính toán từ mô hình HEC – RAS và mực nƣớc thực đo tại 2 trạm thủy văn Ái Nghĩa và Cẩm Lệ sau khi đã đƣợc điều chỉnh.
Hình 3.15: Mực nước thực đo và tính toán tại trạm đo Ái Nghĩa năm 2007 (sau khi được hiệu chỉnh)
Hình 3.16: Mực nước thực đo và tính toán tại trạm đo Cẩm Lệ năm 2007(sau khi được hiệu chỉnh)
Sai số của mô hình đƣợc đánh giá theo hệ số Nash – Sutcliffe. Hệ số này đƣợc xác định nhƣ sau: N i N N ci i i Q Q Q Q Q Q Nash 1 2 1 1 2 2 Trong đó:
Qi: giá trị của thông số thực đo thực đo tại thời điểm i
Q: Giá trị trung bình của thông số độ thực đo
Qci: giá trị của thông số tính toán tại thời điểm i N: Số số liệu quan trắc sử dụng để hiệu chỉnh
Thông thƣờng, nếu hệ số Nash 0.75 thì kết quả hiệu chỉnh là chấp nhận đƣợc. Bảng 3.5 dƣới đây đƣa ra giá trị hệ số Nash ứng với lần thay đổi đầu tiên và lần cuối cùng các thông số trong mô hình.
Kết quả cho thấy hệ số Nash tại 2 trạm đều tăng sau mỗi lần hiệu chỉnh các thống số của mô hình. So với các thông số đƣợc lựa chọn lần đầu, tại trạm Ái Nghĩa trị số này tăng từ gần 0.6 lên đến 0.91. Tại trạm Cẩm Lệ năm tuy chỉ đạt giá trị 0.7 cho lần hiệu chỉnh cuối cùng là thấp nhƣng xét về pha dao động và giá trị đỉnh lũ thì kết quả trên có thể đƣợc chấp nhận. Trị số này tại đây thấp đƣợc giải thích là do mực nƣớc ở đây dao động mạnh vì ảnh hƣởng của triều và dòng chảy trên sông Túy Loan – tại đây không có các số liệu quan trắc trong thời gian hiệu chỉnh.
Bảng 3.5: Hệ số Nash ứng với lần đầu, cuối thay đổi thông số
Vị trí Sông Hệ số Nash
Đổi thông số lần đầu Đổi thông số lần cuối
Ái Nghĩa Vũ Gia 0.589 0.91
Cẩm Lệ Yên 0.593 0.705
Kết quả hiệu chỉnh mô hình cho mùa lũ năm 2006 đƣợc chỉ ra trong các hình từ hình 3.17 đến hình 3.19 dƣới đây.
Hình 3.17: Mực nước thực đo và tính toán tại trạm đo Thạnh Mỹ năm 2006
Hình 3.19: Mực nước thực đo và tính toán tại trạm Ái Nghĩa năm 2006
Sai số giữa mô hình và số liệu thực đo đƣợc trình bày trong bảng 3.6. Hệ số Nash cho từng điểm quan trắc đƣợc đƣa ra trong bảng 3.7.
Bảng 3.6: Kết quả mực nƣớc tính toán và thực đo lũ chính vụ tại một số vị trí Năm Vị trí Sông Hthực đo max
(m) Hmô phỏng max (m) Sai số (m) 2006 Thạnh Mỹ Vũ Gia 22.84 22.94 0.01 Hội Khách Vũ Gia 17.01 17.15 0.14
Ái Nghĩa Vũ Gia 9.75 9.61 0.14
Cẩm Lệ Vũ Gia (Yên) 1.53 1.7 0.17
2007
Thạnh Mỹ Vũ Gia 24.72 24.65 0.07
Hội Khách Vũ Gia 18.97 19.08 0.11
Ái Nghĩa Vũ Gia 10.36 9.98 0.38
Cẩm Lệ Vũ Gia (Yên) 4.4 4.5 0.1
Bảng 3.7: Hệ số Nash-Sutcliffe cho các điểm quan trắc mực nƣớc giai đoạn hiệu