7. Đánh giá chung
4.1.1Hiệu chỉnh và kiểm định mạng tính mô hình thủy lực 1 chiều
a) Hiệu chỉnh
Với số liệu thực đo từngày 09/09 đến ngày 15/09/2010 ta tiến hành hiệu chỉnh mô hình với các điều kiện biên như đã miêu tảở trên, vịtrí các điểm dùng để kiểm tra và hiệu chỉnh mô hình là giá trị mực nước tại các trạm; trạm Hiền Lương trên sông Bến Hải, trạm Đông Hà trên sông Cam Lộ, trạm Thạch Hãn trên sông Thạch Hãn và số liệu quan trắc mực nước và lưu lượng tại cầu An Mô cũng được dùng để hiệu chỉnh mô hình.
Để đánh giá mức độ phù hợp giữa giá trị tính toán và thực đo có nhiều chỉ tiêu khác nhau, tuy nhiên trong khuôn khổ dự án này, chỉ số Nash-Sutcliffe được sử dụng do tính phổ biến cũng như khảnăng đánh giá chính xác của nó [18]. Cụ thể:
(4.25) ( )2 2 =∑ i − i o y y F (4.26) ( ) ∑ − = ' 2 2 i i y y F (4.27)
trong đó : yi : là giá trị thực đo
yi’ : là giá trị dự báo, tính toán
y: là giá trị trung bình của số liệu thực đo
Các kết quả so sánh giữa giá trị tính toán và giá trị thực đo được biểu diễn trên các hình từ Hình 4.11 đến Hình 4.15, các chỉtiêu đánh giá trình bày trong Bảng 4.7.
Bảng 4.7 Đánh giá sai số theo chỉ tiêu Nash
Trạm Đông Hà Thạch Hãn LươngHiền Mtại Cầu An ực nước Mô Lưu lượng tại cầu An Mô Chỉ tiêu Nash 93% 80% 81% 89% 74% Nhận xét:
Việc mô phỏng lại qua trình thuỷ lực từ ngày 09/09 đến ngày 15/09/2010 đạt kết quả khá tốt, tại các trạm kiểm soát, đường quá tính toán và thực đo khá phù hợp cả về hình dạng và giá trị, chỉ tiêu Nash-Sutcliffe đều đạt trên 70% . Do vậy sơ đồ thủy lực, địa hình mặt cắt, các công trình trên sông, bộ thông sốđộ nhám của mô hình có thể sử dụng
2 2 2 2 o o F F F R = −
trong đánh giá kiểm định ởbước tiếp theo.
Hình 4.11 Quá trình mực nước tính toán và thực đo tại trạm Đông Hà
Hình 4.13 Quá trình mực nước tính toán và thực đo tại trạm Thạch Hãn
Hình 4.15 Quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại cầu An Mô
b) Kiểm định
Sử dụng mạng lưới thuỷ lực và bộ thông sốđã hiệu chỉnh ở trên ta tiến hành kiểm định mô hình với chuỗi số liệu từngày 30/09 đến ngày 10/10/2010. Các kết quả so sánh giữa giá trị tính toán và giá trị thực đo được thể hiện trên các hình từ Hình 4.16 đến Hình 4.20, sai sốđánh giá theo chỉ tiêu Nash-Sutcliffe thể hiện trên bảng 4.8.
Bảng 4.8 : Đánh giá sai số theo chỉ tiêu Nash
Trạm Đông Hà Thạch Hãn Hiền Lương MCực nước tại ầu An Mô Lưu lượng tại cầu An Mô
Chỉ tiêu Nash 91% 85% 58% 82% 69%
Nhận xét
Các kết quả mô phỏng bằng mô hình tương đối bám sát với thực đo, cả về hình dạng đường quá trình và giá trị, đánh giá theo chỉ tiêu Nash trung bình đ ạt 77%, đạt loại khá, do vậy mạng thủy lực 1D với bộ thông sốtrên đây có đủđộ tin cậy đểứng dụng cho tính toán cùng với các mô đun khác trong phần tiếp theo.
Hình 4.16 Quá trình mực nước tính toán và thực đo tại trạm Đông Hà
Hình 4.18 Quá trình mực nước tính toán và thực đo tại trạm Hiền Lương
Hình 4.20 Quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại cầu An Mô 4.1.2 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình vận chuyển bùn cát
Sau khi hiệu chỉnh và kiểm định với mô hình thủy lực, tiếp tục thiết lập mạng lưới sông mô phỏng chếđộ vận chuyển bùn cát và sự bồi xói trong sông. Đểđáp ứng yêu cầu của nghiên cứu và dựa trên tình hình thực tế bồi xói của hệ thống sông Thạch Hãn đã thu gọn mạng lưới tính toán bùn cát lại bao gồm các sông:
- Sông Thạch Hãn: từ cầu Dakrong đến trạm Cửa Việt.
- Sông Cánh Hòm: từ ngã ba sông Cánh Hòm-sông Bến Hải đến ngã ba giao với sông Thạch Hãn.
- Sông Vĩnh Đình: từ ngã ba sông Vĩnh Đình-sông Ô Giang đến ngã ba giao với sông Thạch Hãn.
- Sông Cam Lộ: từ trạm Cam Tuyền đến ngã ba giao với sông Thạch Hãn. Mục đích của hiệu chỉnh mô hình là sử dụng phương pháp thử sai tìm ra bộ thông số mô hình phù hợp nếu như trong thủy lực các thông số đó là hệ số nhám, sự ảnh hưởng của gió.v.v. thì trong mô phỏng bùn cát các thông số cần tìm là tỉ lệ giữa bùn cát di đáy và bùn cát lơ lửng, độ dày của lớp hoạt động, mức độ bồi xói tại các mặt cắt, các đoạn sông .v.v. chúng ta hiệu chỉnh các thông số trên để điều chỉnh kết quả mô phỏng tiến đến các giá trị thực đo. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Việc so sánh mức độ sai số trong tính toán bùn cát cũng như độ hữu hiệu của các hàm bùn cát là rất khác so với trong thủy lực. Do đó, trong báo cáo này sử dụng phương pháp trực quan, dựa trên mối tương quan giữa các hàm bùn cát và giữa các giá trị bùn
cát tính toán – thực đo để so sánh.
Hình 4.21 Sơ đồ mạng lưới sông mô phỏng tính toán bùn cát trong mô hình Mike 11
Bảng 4.9 Danh sách các biên được dùng trong mô hình
TT Tên/Vị trí Sông Số liệu Mục đích
1 Cầu Đakrong Thạch Hãn Q,Qs Biên trên
2 Cam Tuyền Cam Lộ Q,Qs Biên trên
3 (Ngã ba sông Bến
Hải-Cánh Hòm) Cánh Hòm H,Qs Biên dưới
4 (Ngã ba sông Ô
Giang-Vĩnh Đình) Vĩnh Đình H,Qs Biên dưới
5 Trạm Cửa Việt Thạch Hãn H,Qs Biên dưới
6 Cầu An Mô Thạch Hãn H,Qs Hiệu chỉnh, kiểm nghiệm
Ngoài ra trong báo cáo này còn sử dụng thêm các chỉ tiêu: RMSE và RRMSE để so sánh và đánh giá các hàm vận chuyển bùn cát cũng như m ức độ hữu hiệu của mô hình Mike 11 bùn cát.
chúng càng nhỏ thì tính chính xác càng cao.
Trong mô đun bùn cát không kết dính của mình, MIKE 11 đưa ra một loạt các hàm vận chuyển bùn cát bao gồm hàm vận chuyển tổng cộng; các hàm tải cát di đáy và các hàm tải cát lơ lửng. Để tiến hành hiệu chỉnh và kiểm định mô đun bùn cát, đầu tiên chúng tôi phải lựa chọn hàm phù hợp nhất để mô phỏng chế độ vận chuyển bùn cát trong khu vực dự án. Chúng tôi đã s ử dụng 5 hàm gồm: 3 Hàm tải tổng cộng của Engelund - Hansen, Ackers-White và hàm của Smart - Jaeggi; 1 hàm tải di đáy của Mayer Peter – Muler và 1 hàm tải lơ lửng của Vanjin để tính toán. Sau đó dựa trên việc so sánh đường quan hệlưu lượng nước-lưu lượng bùn cát (Q-Qs) cũng như độ lệch của giá trịlưu lượng bùn cát tính toán được và giá trịlưu lượng bùn cát thực đo tại Cầu An Mô, chúng tôi để tìm ra hàm mô phỏng tốt nhất khu vực dự án.
a) Hiệu chỉnh
Quá trình hiệu chỉnh được thực hiện với trận lũ từ ngày 9/IX/2010-15/IX/2010, so sánh các kết quả mô phỏng với thực đo được trình bày trong bảng 4.10, và từ đó nhận thấy hàm tải bùn cát tổng cộng của Engelund – Hansen cho kết quả phù hợp nhất với lưu lượng bùn cát thực đo tại cầu An Mô (hình 4.22), và do vậy nó đã đư ợc lựa chọn cùng với các thông sốbùn cát khác để kiểm định và tính toán trong các bước tiếp theo.
Bảng 4.10 Kết quả tính toán mức độ sai số trong quá trình hiệu chỉnh
Hàm vận chuyển 9/IX/2010 -15/IX/2010
RMSE RRMSE
Acker và White 0.0027 3.00
Smart và Jaeggi 0.0016 1.88
Engelund và Hansen 0.0015 1.75
Hình 4.22: Đồ thị dạng logarit biểu diễn đường quan hệ lưu lượng nước-lưu lượng bùn cát tại vị trí cầu An Mô (9/IX/2010 -15/IX/2010)
b) Kiểm định
Sau khi đã tìm ra bộ thông số bùn cát bước đầu phù hợp trong phần hiệu chỉnh, tiếp tục dùng chuỗi số liệu thực đo từ ngày 5/X/2010 đến ngày 10/X/2010 để tiến hành kiểm định. Kết quả tính toán mức độ sai số theo hai chỉ tiêu RMSE và RRMSE được thống kê trong bảng 4.11 cho thấy bộ thông số và hàm tải bùn cát tổng cộng đã hiệu chỉnh có đủđộ tin cậy (hình 4.23) để sự dụng trong mô phỏng tiếp theo.
Bảng 4.11 Kết quả tính toán mức độ sai số theo hai chỉ tiêu RMSE và RRMSE
Hàm vận chuyển Bộ số liệu 5/X/2010 -10/X/2010
RMSE RRMSE (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Acker và White 0.027 0.424
Smart và Jaeggi 0.052 0.043
Engelund và Hansen 0.021 0.329
Mayer Peter và Muler
Hình 4.23 Đồ thị dạng logarit biểu diễn đường quan hệ lưu lượng nước-lưu lượng bùn cát tại vị trí cầu An Mô(5/X/2010 -10/X/2010)
Nhận xét
Trong dự án này đã sử dụng 4 loại hàm để mô phỏng và tính toán diễn biến bồi xói lòng của đoạn sông thuộc khu vực dự án. Trong đó có ba loại hàm là tính cho tải lượng bùn cát tổng cộng (hàm Ackers và White, hàm Smart và Jaeggi, hàm Engelund và Hansen) và một sự kết hợp giữa hàm tính cho bùn cát di đáy của Mayer Peter – Muler với hàm tính cho bùn cát lơ lửng của Vanjin. Với thực tế do không đo đạc được lưu lượng bùn cát di đáy nên trong dự án này đã sử dụng hệ số tương quan giữa bùn cát di đáy và bùn cát lơ lửng đểtính toán lưu lượng bùn cát di đáy. Đối với mỗi một con sông thuộc các vùng khác nhau thì hệ số này là khác nhau, trong dựa án này đã lấy lưu lượng bùn cát di đáy (Qs đáy) = 15% lưu lượng bùn cát lơ lửng (Qs lơ lửng). Hệ sốnày được lấy dựa trên cơ sở kinh nghiệm của các nhà thủy văn, thủy lực học nghiên cứu ở Việt Nam và cũng được kiểm chứng trong dự án với kết quả tương đối phù hợp. Dựa trên kết quả hiệu chỉnh và kiểm định bùn cát của Mike 11 tại vị trí cầu An Mô, chúng ta có thể rút ra một số nhận xét như sau :
− Nhìn chung mô hình đã mô phỏng tương đối chính xác xu hướng diễn biến cũng như là lưu lượng của bùn cát được đoạn sông chuyển tải. Đường quan hệ Q-Qs tính toán khá sát với đường quan hệ Q-Qs thực đo, đặc biệt là trong trường hợp sử dụng hàm tổng cộng của Engelund và Hansen mô phỏng tính toán cho mùa lũ. Chúng ta có thể thấy công thức này cho kết quả khá hợp lý, không có sự phân tán quá lớn của bùn cát giữa tính
toán và thực đo.
− Tuy nhiên trong trường hợp lũ thấp thì kết quả mô phỏng còn hạn chếở mặt lưu lượng. Nhưng điều này là hòan toàn có thể giải thích được vì khi đólưu lượng dòng chảy đến nhỏ (Qmax khoảng 200m³/s), vận tốc dòng chảy cũng nh ỏ nên tải lượng bùn cát được vận chuyển cũng rất nhỏ. Hơn nữa, nhìn vào tương quan và xu thế của các đường quan hệ chúng ta có thể thấy sự tương đồng về xu thế và có sự tập trung nồng độ bùn cát khá rõ nét giữa các hàm tính toán và giá trị thực đo.
− Mặt khác dựa trên cơ sở kết quả tính toán theo hai chỉ tiêu về độ lệch trung bình và độ lệch chuẩn cũng cho phép đi đến kết luận rằng mô hình Mike 11 đã mô phỏng khá tốt quá trình vận chuyển bùn cát trong khu vực dựán, và đây là cơ sở để tiến hành các bước tiếp theo: xây dựng các kịch bản và đưa ra những dự báo về diễn biến bồi xói trong tương lai.
4.5 ÁP DỤNG MÔ HÌNH 1D ĐỂ DỰ TÍNH XÓI LỞ VÀ BỒI LẮNG ĐẾN 2020
4.5.1. Xây dựng biên tính toán
- Biên lưu lượng: đối với với các bài toán dự báo diễn biến lòng dẫn sử dụng mô hình mô phỏng thủy động lực với khoảng thời gian dự báo từ10 đến 100 năm (không xét đến sựthay đổi của các nhân tốảnh hưởng) thì có một sốcách thường được sử dụng để tạo biên lưu lượng đầu vào tại các biên trên của mô hình:
+ Sử dụng chuỗi lưu lượng của một năm đại biểu có lưu lượng trung bình trong thời gian nhiều năm đểđưa vào mô phỏng dự báo
+ Sử dụng chuỗi lưu lượng của 10 hay 100 năm đã x ảy ra trong lịch sử để mô phỏng cho tương lai
+ Sử dụng lưu lượng thiết kế (lưu lượng tạo lòng, lưu lượng hữu hiệu, lưu lượng ngang bãi, v.v.) để mô phỏng diễn biến lòng dẫn trong tương lai
+ Sử dụng năm có số liệu đo đạc gần nhất làm đại diện và lặp lại 10 hay 100 năm để mô phỏng.
Trong dựán này, đối với dự báo xu thế bồi xói bằng mô hình MIKE 11 phương án cuối cùng đã được sử dụng. Chuỗi lưu lượng ngày trong mùa lũ của năm 2009 là năm có tài liệu đo đạc đồng bộ trên toàn lưu vực và có đỉnh lũ tháng 11 tương đối lớn, là điều kiện bất lợi cho các hiện tượng xói lở do vậy đã được lựa chọn làm năm đại biểu để tính toán và dự tính các quá trình diễn biến lòng sông. Tuy nhiên để rút ngắn thời gian mô phỏng và không ảnh hưởng đến kết quả tính toán, chỉ cần dùng lưu lượng 4 tháng mùa lũ để mô phỏng vì dòng chảy các tháng mùa kiệt gần như không ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển bùn cát và diễn biến lòng dẫn. Hình 4.24 minh họa biên lưu lượng đầu vào tại
Cam Tuyền được tính toán từ mô hình thủy văn cho mùa lũ 2009. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 8/1/ 2009 8/15/ 2009 8/29/ 2009 9/12/ 2009 9/26/ 2009 10/ 10/2009 10/ 24/2009 11/7/ 2009 11/ 21/2009 12/5/ 2009 12/ 19/2009 Thời gian Lư u lư
Hình 4.24. Biên lưu lượng tại cầu Cam Tuyền (Sông Hiếu) trong 1 mùa lũ 2009
- Biên mực nước: Giá trị mực nước thực đo tại trạm Cửa Việt từtháng 8 đến tháng 12 năm 2009 được sử dụng (hình 4.25). H cửa việt -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 7/6/2009 0:00 10/14/2009 0:00 1/22/2010 0:00 Thời gian(giờ) M ực n ướ c ( m ) Cua Viet
Hình 4.25. Biên mực nước tại Cửa Việt trong 1 mùa lũ năm 2009
- Biên bùn cát là các quan hệ Q-Qs đã xây dựng từ số liệu thực đo vào hai đợt tháng IX và tháng X năm 2010.
4.5.2. Kết quả tính toán
Với các điều kiện biên nêu trên, mô hình 1 chiều đã được sử dụng trong dựán để mô phỏng với chuỗi thời gian từ2010 đến 2020. Các đầu ra của mô hình có thể cung cấp
diễn biến theo thời gian trong khoảng từ 2010-2020 của mực nước, lưu lượng, lưu lượng bùn cát tại bất kỳ vị trí nào trong hệ thống (từ Đakrông đến Cửa Việt và Cam Tuyền đến Gia Độ) cũng như sự thay đổi của từng mặt cắt tính toán. Các số liệu chi tiết trình bày trong phụ lục 3. Từ các kết quả chi tiết đã tiến hành tính toán tổng hợp và đánh giá cân bằng bùn cát tổng cộng trong cảgiai đoạn từ 2010-2020 và trình bày trong bảng 4.12.
Bảng 4.12. Cân bằng bùn cát và đánh giá xu hướng bồi xói trên từng đoạn sông giai đoạn 2010-2020
Phân đoạnđoạn sông Tổng lượng bùn cát đi vào (tấn) Tổng lượng bùn cát đi ra (tấn) Cân bằng vào – ra (tấn) Nhận xét Cầu Đakrong-Phú Thành 11051 4736 6315 Bồi
Phú Thành-Hải Quy 4736 19464 -14728 Xói (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});