toán dòng chảy lũ của mạng sông
Một số mô hình thủy lực đã được áp dụng có hiệu quả để diễn toán dòng chảy trong hệ thống sông và vùng ngập lụt ở nước ta. Mô hình SOGREAH đã được áp dụng thàng công trong công tác khai thác, tính toán dòng chảy tràn trong hệ thống kênh rạch và các ô trũng. Mô hình MASTER ứng dụng trong nghiên cứu quy hoạch cho vùng hạ lưu sông Cửu Long vào năm 1988, mô hình MEKSAL được xây dựng vào năm 1974 để tính toán sự phân bố dòng chảy mùa kiệt và sự xâm nhập mặn trong vùng hạ lưu các sông. Mô hình VRSAP là mô hình của cố giáo sư Nguyễn Như Khuê viết vào năm 1978 cũng được áp dụng cho việc tính toán dòng chảy lũ và dòng chảy mùa cạn cho vùng đồng bằng. Mô hình SAL và mô hình KOD đã có đóng góp đáng kể trong việc tính toán lũ và xâm nhập mặn đồng bằng cửa sông. Mô hình HECRAS do trung tâm thủy văn công trình thuộc hiệp hội kỹ sư quân sự Hoa Kỳ sản xuất dùng phân tích tính toán các đặc trưng thủy lực,.... Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, Viện DHI của Đan Mạch đã cho ra đời sản phẩm mô hình toán 1 chiều, đặc biệt là mô hình mike11 phiên bản 4 (năm 1997) đã mở ra một kỷ nguyên mới cho việc ứng dụng rộng rãi công cụ lập mô hình thủy động lực cho sông mà kênh dẫn. Mục tiêu mô hình là Mike 11 là giải quyết các bài toán về chất lượng nước, vận chuyển bùn cát, đặc biệt là vấn đề dự báo lũ ( đưa ra được các đường mực nước và lưu lượng lũ thiết kế)
Hiện nay ở Việt Nam một số mô hình đã được áp dụng như: WENDY, FWQ86, MEKSAL, MASTER MODEL, VRSAP, KOD, HECRAS, MIKE11,.... 2.2. ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN CHỐNG LŨ CHO LƯU VỰC
2.2.1. Cơ sở đề xuất phương án
- Dựa vào đặc điểm địa hình và mạng lưới sông của vùng nghiên cứu để xác định vùng úng ngập và hướng tiêu thoát cũng như khả năng xây dựng mới công trình.
- Dựa vào các công trình hiện có để xác định khả năng cải tạo mở rộng để tăng khả năng tiêu thoát.
hoạch chống lũ các tỉnh miền Trung từ Quảng Bình đến Bình Thuận (2011); Định hướng Quy hoạch lũ miền Trung (1997).
- Dựa vào định hướng phát triển kinh tế - xã hội của vùng nghiên cứu.
2.2.2. Đề xuất phương án phòng chống lũ cho vùng hạ du lưu vực sông Gianh
Đề tài nghiên cứu của em : «Nghiên cứu giải pháp phòng chống lũ phục vụ Phát triển kinh tế xã hội vùng hạ du lưu vực sông Gianh - tỉnh Quảng Bình » cũng đi theo hướng tiếp cận chung của thế giới hiện nay về công tác phòng chống lũ, trong đó tập trung đi sâu phân tích về hiện trạng công tác phòng chống lũ trên lưu vực sông Gianh ; phân tích tổng hợp lũ, nguyên nhân gây lũ ; từ đó đề xuất giải pháp công trình và phi công trình nhằm giảm thiểu tốt đa và có hiệu quả những tác động do lũ gây ra trên lưu vực sông Gianh tỉnh Quảng Bình.
2.2.2.1. Giải pháp công trình
Đối với lưu vực sông Gianh do thượng nguồn không có vị trí để xây dựng công trình hồ chứa cắt lũ cho hạ du, do vậy giải pháp chống lũ ở đây chủ yếu là đê, kè, chỉnh trị lòng dẫn thoát lũ. Các phương án công trình đề xuất:
- Phương án 1 (HT-10%): Tính toán lũ Hè thu xảy ra với tần suất 10%, đê hiện trạng
- Phương án 2 (LĐ-10%): Tính toán lũ Hè thu xảy ra với tần suất 10%, lên đê đảm bảo chống được lũ Hè thu không cho nước ngoài sông tràn vào đồng.
- Phương án 3 (CV-5%): Tính toán lũ chính vụ xảy ra với tần suất 5%, đê
hiện trạng.
- Phương án 4 (LĐ-5%): Tính toán lũ chính vụ xảy ra với tần suất 5%, lên đê đảm
bảo chống được lũ chính vụ không cho nước ngoài sông tràn vào đồng.
2.2.2.2. Giải pháp phi công trình
Để đem lại hiệu quả cao và bền vững ngoài các biện pháp công trình cần sử dụng thêm các biện pháp phi công trình đó là: Chuyển đổi cơ cấu mùa vụ, nâng cao ứng xử của người dân vùng lũ, tổ chức chỉ huy phòng chống lũ; dự báo, cảnh báo lũ sớm, trồng rừng và bảo vệ rừng đầu nguồn.
CHƯƠNG III
LỰA CHỌN GIẢI PHÁP PHÒNG CHỐNG LŨ CHO VÙNG HẠ DU LƯU VỰC SÔNG GIANH
3.1. LỰA CHỌN GIẢI PHÁP CÔNG TRÌNH
3.1.1. Xác định tiêu chuẩn phòng chống lũ
Như trên đã nêu, nghiên cứu này xác định tiêu chuẩn phòng chống lũ từ nay đến năm 2020, trên lưu vực sông Gianh:
- Chống với lũ Hè Thu để bảo vệ sản xuất, tần suất đảm bảo chống lũ là P=10%. - Đối với lũ chính vụ chủ động phòng, tránh và thích nghi để bảo vệ dân cư và cơ sở hạ tầng.
3.1.2. Tính toán lựa chọn giải pháp phòng chống lũ cho vùng hạ du lưu vực sông Gianh sông Gianh
3.1.2.1. Lựa chọn mô hình
Nội dung chủ yếu của các mô hình thuỷ lực là giải hệ phương trình Saint - Venant bằng phương pháp số theo sơ đồ ẩn hoặc hiện. Nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước đã nghiên cứu giải quyết vấn đề này.
Ở Việt Nam nhiều nhà khoa học đã đưa ra một số cách giải như: - Mô hình VRSAP của PGS. Nguyễn Như Khuê.
- Mô hinh SAL của PGS. Nguyễn Tất Đắc. - Mô hình KOD của GS. Nguyễn Ân Niên.
- Mô hình HYDROGIS của TS. Nguyễn Hữu Nhân.
Dưới đây là một số mô hình tính toán thuỷ lực được tính toán áp dụng của Việt Nam và Thế giới.
1. Mô hình KODcủa GS.TS Nguyễn Ân Niên, ra đời từ năm 1974 trong bài toán phân lũ sông Đáy, sau đó phối hợp với Cục dự báo KTTV trong việc tính lũ và tiêu úng cho toàn mạng sông Hồng và sông Thái Bình. Mô hình cũng có thể dùng để xem xét đánh giá nguồn nước, kiểm định hệ thống thuỷ nông, giải quyết các bài
toán quy hoạch thuỷ lợi... Mô hình được lập ra để giải bài toán thuỷ lực nói chung và bài toán lũ nói riêng cho mạng lưới kênh sông.
Mô hình dùng phương pháp giải theo sơ đồ hiện, về mặt cấu trúc có thể xem đó là sơ đồ sai phân hỗn hợp: Phương trình liên tục sai phân theo tam giác thuận (Lax) phương trình chuyển động sai phân theo sơ đồ tam giác ngược không cân. Theo cách tính của mô hình, sông được chia thành các ô chứa bởi các mặt cắt, lưu lượng được tính tại các mặt cắt này còn mực nước được tính ở tâm ô chứa.
Ưu điểm chính của mô hình KOD là có thể tính cho mọi lưới sông ô chứa phức tạp nhất, độ chính xác cao tính toán đơn giản, gọn nhẹ, kết quả đáp ứng tốt các bài toán thực tế đặt ra. Nhược điểm chính của mô hình là bước thời gian ∆t bị hạn chế bởi điều kiện Courant - Lewy, nhưng mô hình không phải tính lặp các hệ số nên tốc độ tính toán vẫn nhanh chóng, không mất thời gian thành lập và giải hệ đại số tuyến tính tổng thời gian mỗi lớp tính cũng nhỏ.
Mặt khác, việc mô phỏng hệ thống tiêu cũng chưa thật đầy đủ ví dụ như quá trình trao đổi nước trên khu vực tiêu. Các công trình trao đổi nước cũng như phương thức điều kiển chưa được xem xét đầy đủ nhất là các thực trạng tiêu úng trong những điều kiện tác động của con người trong quá trình điều khiển hệ thống.
2. Mô hình VRSAP (Viet Nam river Systerm and plains) của PGS.TS Nguyễn Như Khuê trên cơ sở cải tiến mô hình KRSAL xây dựng từ năm 1978 là mô hình toán dòng chảy lũ và thuỷ triều trên hệ thống sông ngoài, hồ chứa và đồng ruộng được cải tiến và phát triển trên sơ đồ sai phân ẩn của Dronker - Hà Lan. Mô hình mô tả chuyển động sông thiên nhiên khá tốt (Như hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình). Sau đó đến MEKRSAL (Uỷ ban sông Mê Công quốc gia) rồi tiếp tục cải tiến đến VRSAP cơ sở lý luận của mô hình là hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng Saint - Venant đầy đủ:
2 2 0 0 . . . . . K Q Q t Z xQ g B t g Q Z q t Z Bc x Q − = ∂ ∂ − ∂ ∂ + ∂ ∂ = ∂ ∂ + ∂ ∂ ω α ω α χ
Trong đó:
x: Biến số chỉ vị trí mặt cắt trên tuyến dòng chảy. t: Thời gian.
Q: Lưu lượng, được coi là dương nếu theo chiều dương của x. Z: Độ cao mặt nước so với mặt chuẩn nằm ngang.
ω: Diện tích mặt cắt dòng chảy và khu chứa nước bên bờ. K: Mô đun lưu lượng dòng chảy
q: Lưu lượng bổ sung trên mỗi đơn vị chiều dài ven sông, được coi là dương nếu từ ngoài sông chảy vào.
Biên dưới (cửa ra) thường là quá trình mực nước theo thời gian (Z~t).
Biên trên (cửa vào) thường là đường quá trình lưu lượng theo thời gian (Q∼t).
Hệ phương trình trên được giải theo sơ đồ sai phân ẩn cho hệ thống sông kênh. Dòng chảy tràn trên vùng ngập được mô phỏng theo tư tưởng của mô hình SOGREAH thành các ô trao đổi nước qua nhau bởi các công trình đập tràn giả định. Các ô ngập nước được chia thành hai loại: Ruộng kín và ruộng hở tương đương với các ô chứa nước kề sông như dòng bổ sung ngang kín được liên hệ với nút sông qua một cống điều tiết, sự chuyển nước từ sông vào khu ngập diễn ra từ từ có sự điều tiết. Mô hình VRSAP có sự mô phỏng hoạt động của các công trình thuỷ công như các loại đập tràn, cống xi phông... và xét lượng mưa rơi trực tiếp trên ô ruộng. Mô hình coi công trình trên kênh như một đoạn sông đặc biệt mà mặt cắt đầu là thượng lưu, mặt cắt cuối là hạ lưu công trình, nút được đồng nhất với mặt cắt các công trình thuỷ công.
Mô hình VRSAP được ứng dụng rộng rãi, có hiệu quả cao, giải quyết được nhiều bài toán thông thường và một số bài toán lớn riêng của đồng bằng sông Hồng cũng như đồng bằng sông Cửu Long (Có bổ sung thêm phần xâm nhập mặn).
Hiện nay mô hình VRSAP được sử dụng trong quá trình tính toán các phương án quy hoạch thuỷ lợi của Viện Quy hoạch Thuỷ lợi - Bộ Nông Nghiệp và PTNT. Tuy nhiên mô hình còn có nhược điểm sau:
- Giao diện đơn giản, phần khai thác kết quả mất rất nhiều công sức, đồ hoạ còn yếu, không đồng bộ với hiệu quả quy mô của mô hình.
- Các thửa ruộng hai bên đều được coi là đổ trực tiếp vào kênh, chia thành nhiều cấp cao độ. Trong nội bộ ô ruộng kín không cho phép chảy tràn từ cao xuống thấp. Điều này chỉ đúng trong điều kiện hệ thống thuỷ nông được hoàn chỉnh từ đầu mối đến mặt ruộng có bờ vùng, bờ kênh đến khoảng bờ ruộng canh tác cao đủ sức chống tràn.
- Xét đến hoạt động của các trạm bơm tiêu vào hệ thống một cách đơn giản thông qua hệ số tiêu và diện tích vùng bơm, mà hệ số tiêu thì không thể hiện được quá trình bơm một cách hợp lý, khoa học và phù hợp với thực tiễn vận hành các trạm bơm tiêu hiện nay.
Chương trình gốc được viết bằng ngôn ngữ FORTRAN. Qua quá trình áp dụng trong tính toán quy hoạch thiết kế của vùng đồng bằng sông Hồng, đồng bằng sông Cửu Long… chương trình đã được cải tiến nâng cấp dần. Hiện nay chương trình được viết lại bằng VisualBasic trong môi trường Windows, có giao diện thuận tiện hơn tuy nhiên giao diện chưa trực quan và chưa có kết nối GIS. Việc áp dụng mô hình tương đối phức tạp, cần nhiều kinh nghiệm xử lý cụ thể. Mô hình dựa trên bài toán một chiều nên việc ứng dụng cũng có những hạn chế nhất định.
3. Giới thiệu tóm tắt một số mô hình tính toán thuỷ lực 2 chiều và khả năng áp dụng.
a. Mô hình kết hợp TL1D + ECOMOD-2D.
Đây là kết quả nghiên cứu trong dự án FLOCODS giữa Trung tâm khoa học tự nhiên và công nghệ Quốc gia (Viện Cơ học Việt Nam) và Giáo sư Nguyễn Kim Đan, Khoa toán cơ (Viện đại học Caen, Pháp) thực hiện trong năm 2004. Đây là mô hình kết nối giữa mô hình thuỷ lực 1 chiều và 2 chiều, dùng tính toán cho một hệ thống sông tại một số điểm cục bộ (như đoạn sông cong bị xói lở, vùng cửa sông, khu phân chậm lũ...) có thể tính toán bằng mô hình thuỷ lực 2 chiều. Mô hình kết hợp bao gồm :
dụng tính toán cho hệ thống sông Hồng, sông Thái Bình.
- Mô hình ECOMOD-2D: Mô hình thuỷ lực 2 chiều, là kết quả nghiên cứu của 10 luận văn Tiến sỹ trong khoảng thời gian 18 năm tại Khoa toán cơ, Viện đại học Caen, Pháp.
Hiện nay cả 2 mô hình đều có chương trình nguồn, khi sử dụng có thể bổ xung cho phù hợp với yêu cầu bài toán nghiên cứu (tuy nhiên đòi hỏi người lập trình phải có kinh nghiệm và chuyên sâu).
b. Mô hình MIKE 21, MIKE 21C (2D) và MIKE FLOOD (1D-2D). * Mô hình MIKE 21.
Phần mềm ứng dụng MIKE 21 được phát triển bởi Viện thuỷ lực Đan Mạch (Denmark Hydraulic Institute). Mô hình 2 chiều lưới thẳng MIKE 21 (bao gồm các module thuỷ lực, thuỷ văn, chất lượng nước, vận chuyển bùn cát, vỡ đập...). Hiện nay mô hình đã được chuyển giao, đào tạo và ứng dụng có hiệu quả tại một số cơ quan trong Bộ NN & PTNT. Hiện đã được ứng dụng trong các nghiên cứu về Hệ thống mô hình dự báo dòng chảy tại các nước trên thế giới như: Anh, Ba Lan, Đức, Ấn Độ, Bangladest, Trung Phi, Thái Lan, Trung Quốc, Indonesia...
Mô hình thuỷ lực 2 chiều MIKE 21-HD là môđun thủy động lực dùng để mô hình hóa dòng chảy tràn. Được dùng để mô phỏng sự biến động mực nước, lưu lượng ứng với các thay đổi về chế độ thủy lực trong sông, hồ và các vùng chảy tràn. Mực nước, lưu lượng được tính trong lưới hình chữ nhật chứa khu vực nghiên cứu khi có dữ liệu địa hình, độ nhám đáy, điều kiện biên, trường gió...
* Mô hình MIKE 21C.
Mike 21C, “C” được viết tắt của từ tiếng Anh Curvilinear (nghĩa là đường cong), cho thấy ngay điểm nổi bật và khác biệt với những mô hình hai chiều khác về việc tạo lưới cong tính toán.
Mô hình MIKE 21C được xây dựng dựa trên việc giải hệ phương trình Saint Vernant cho dòng chảy 2 chiều (hướng dọc sông và hướng ngang), theo chiều sâu dòng chảy các yếu tố thuỷ lực và bùn cát được lấy trung bình.
trình:
Trong đó: x, y Tọa độ Đề Các.
s, n Tọa độ cong (ngược chiều kim đồng hồ). g Hàm tỉ trọng.
Hàm tỉ trọng là tỉ lệ giữa độ dài ô lưới theo phương s và độ dài ô lưới theo phương n. Hàm này được xác định như sau:
Mô hình Mike 21C được cấu trúc bởi 2 mô đun chính:
- Mô đun thuỷ động lực HD trong đó có xét tới tác động của dòng chảy vòng. - Mô đun tính toán hình thái M, bao gồm:
+ Tính toán dòng chảy vòng. + Tính toán vận chuyển bùn cát.
+ Tính toán sự thay đổi độ cao đáy của lòng sông. + Tính toán diễn biến xói lở đường bờ sông.
MIKE 21C gồm đầy đủ các phản hồi về sự thay đổi cao trình đáy sông và sự vận động của đường bờ trong tính toán dòng chảy. Nó thực sự là một mô hình động học về hình thái sông. Đối với mô phỏng thời đoạn dài, những giả thiết về dòng đều được chấp nhận. Đơn vị tính toán này được ứng dụng để khảo sát sự thay đổi hình thái sông, bao gồm những tác động của các công trình trên sông như kè, đập mỏ hàn, đập dâng, mố trụ cầu và việc nạo vét lòng sông. Những nghiên cứu điển hình bao trùm khảo sát hình thái sông ngắn hạn, trung hạn, dài hạn, từ hàng tuần đến hàng năm trên toàn bộ các nhánh sông dài từ 5 đến 100 km.