- ưu vc sông Phan
2.1.3. Phạm vi ứng dụng của mô hình
Mô hình MIKE 11 được ứng dụng để mô phỏng chế độ thủy lực, chất lượng nước trong sông, hệ thống tưới, kênh dẫn và các hệ thống dẫn nước khác.
MIKE 11 bao gồm nhiều mô đun có các khả năng và nhiệm vụ khác nhau như: mô đun mưa dòng chảy (RR), mô đun thuỷ động lực (HD), mô đun tải - khuếch tán (AD), mô đun sinh thái (Ecolab) và một số mô đun khác.
Theo yêu cầu của nhiệm vụ nghiên cứu, tác giả đã sử dụng các mô đun: River Network, Cross Section, Boundary, Hydrodynamic, Advection-Dispersion, QW
37
ECO Lab trong bộ mô hình MIKE 11 để tính toán diễn biến chất lượng nước sông Phan.
2.2. C xây chất lƣợng nƣớc sông Phan
Hình 2.6. Sơ đồ Áp dụng mô hình Mike 11 tính toán diễn biến chất lượng nước
Điều kiện chạy mô hình thủy lực
Thông số Khuếch tán (AD Parameter) Thông số Sinh thái (Mike 11 Ecolab) Thông số chất lƣợng nƣớc Phần mềm Mike 11 HD
Mô hình thủy lực sau khi đã đƣợc hiệu chỉnh và kiểm định
phù hợp với thực tế
Phần mềm Mike 11 WQ
MÔ HÌNH CHẤT LƢỢNG NƢỚC
(sau khi đã được hiệu chỉnh và kiểm định phù hợp với thực tế)
Tính toán chất lƣợng nƣớc bằng phần mềm Mike 11
Phân tích kết quả tính toán
1. Sơ đồ mạng sông (River Network) 2. Mặt cắt (Cross Section) 3. Điều kiện biên (Boundary Condition) 4. Thông số thủy lực (HD Parameter)
38
2.2.1.
Phạm vi sông Phan, Vĩnh Phúc được mô hình hóa là đoạn từ xã Vũ Di, huyện Vĩnh Tường đến xã Quất Lưu, huyện Bình Xuyên (xem hình 2.6).
Hình 2.7.
Sông Phan được số hóa 437 điểm với 63 mặt cắt ngang cùng với các công trình thủy lợi hiện trạng trên sông
. Tổng chiều dài toàn tuyến nghiên cứu là 25 Km. Sơ đồ hóa mạng lưới sông Phan được thể hiện như hình 2.6.
2.2.2. ố liệu đầu vào phục vụ cho mô hình thuỷ lực và chất lượng nước
2.2.2.1. ố liệu đầu vào phục vụ cho mô hình thuỷ lực (HD) a. ng sông Phan (River Network)
+ - ); - Google Earth ( ). + - trong MIKE 11 Phan
39 Shape file (.shp). - Google Earth Google Earth. MIKE 11, + - .shp (L) - Google Earth xã Vũ Di - Vĩnh Tường (550299,6; 2346576,34) xã
Quất Lưu - Bình Xuyên (568536,57; 2357563,98)
b.
+
Số liệu mặt cắt ngang sông nghiên cứu ( 63
mặt cắt ) được tiến hành đo đạc trong
năm 2008, do Chi cục đê điều và phòng chống lụt bão tỉnh Vĩnh Phúc cung cấp. T
chung, số liệu mặt cắt sử dụng trong mô hình có độ tin cậy cao.
+
sông
(X) ( -
) ).
40
+
; (
c. (
Số liệu lưu lượng và mực nước thực đo dùng để làm điều kiện biên trên, biên dưới và hiệu chỉnh, kiểm nghiệm mô hình thuỷ lực.
- Biên trên: ện Vĩnh Tường và một số biên
nhập lưu dọc theo sông Phan; trong số các biên nhập lưu, đáng kể nhất phải kể đến biên nhập lưu từ kênh Bến Tre, sau khi đổ vào đầm Vạc sẽ nhập lưu vào hệ thống sông Phan.
- Mực nước (H) tại xã Quất Lưu, huyện Bình Xuyên.
Hiện nay trên hệ thống sông Phan không bố trí bất kỳ trạm đo đạc thủy văn nào (kể cả trạm đo lưu lượng (Q) hay trạm đo mực nước (H)) nên việc hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực sông Phan khu vực nghiên cứu là hết sức khó khăn.
Để giải quyết bài toán đặt ra, đề tài đã mô hình thủy lực MIKE 11 hệ thống sông Phan - sông Cà Lồ trong khuôn khổ dự án “Nghiên cứu một số giải pháp chống ngập úng cho thượng lưu sông Phan - Cà Lồ, Vĩnh Phúc” (2014), do Viện Quy Hoạch Thủy Lợi thực hiện sau đó hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực vừa xây dựng đối chiếu, so sánh kết quả với mô hình được xây dựng thành công trong khuôn khổ dự án (
).
Trong phạm vi khuôn khổ nghiên cứu của đề tài, giải pháp đưa ra ở trên được xem là có khả thi nhất; vừa phù hợp, vừa đảm bảo độ tin cậy khoa học.
+
-
+
- thu
41 - . - + d. (HD Parameter) Thô + - P - - + - (các cống
tưới có thước đo mực nước)
- :
+ - -
42
2.2.2.2.Số liệu chất lượng nước a. Số liệu quan trắc nước mặt
Được dùng để làm điều kiện biên trên, biên dưới và hiệu chỉnh, kiể trong mô hình chất lượng nước.
Số liệu chất lượng nước được “Quan trắc hiện trạng
môi trường tỉnh ” (DO, BOD, Nhiệt độ,
Tổng Nitơ, tổng Photpho) .
b. Số liệu nguồn thải và nguồn gây ô nhiễm
Nguồn thải là những nguồn gây ô nhiễm chính trên lưu vực sông Phan, được hình thành từ các hoạt động dân sinh kinh tế của con người. Số liệu nguồn thải được thu thập cho hai nguồn chính:
- Số liệu nước thải công nghiệp dựa trên các báo cáo quan trắc môi trường khu công nghiệp, quy mô và tần suất hoạt động.
- Số liệu nước thải sinh hoạt ước tính dựa trên dân số và lượng nước cấp trong từng khu vực, phân bổ theo mạng lưới kênh và sông nhánh.
Ngoài ra còn có một số các nguồn phụ khác, tác giả thu thập đầy đủ nhất có thể nhưng cũng không hoàn toàn chính xác do công tác quản lý các nguồn này còn nhiều hạn chế và bất cập như nước thải trực tiếp trên sông, nước thải nông nghiệp ...
+
-
-
-
43 - - - . + - ). nồng độ
Micro Gram/l (Mu-g/l).
- (ha) 40 m3 công nghi p ( nồng độ -g/l). - nông nông p ( nồng độ Gram/l (Mu-g/l). - chăn nuôi chăn
44 nuôi ( nồng độ -g/l). + - : 3 (Mu-g/l). - : 3 (Mu-g/l). - : 3 (Mu-g/l). - : 3 -g/l). c. + - Phan. - Phan. - sông Phan. + - ) trên sông. + - Dispersion ( 9).
45 d. + - - - + - . + - ( 11).
2.2.3. chất lượng nước sông Phan
2.2.3.1.
Để mạng sông Phan trong mô hình, đã sử dụng: 1) Bản đồ
mạng sông Phan - dạng Shape file, hệ tọa độ UTM 84; 2)
. Tổng chiều dài toàn tuyến là 25 Km
46
2.2.3.2. Thiết lập các mặt cắt ngang
Sau khi thiết lập được chính xác mạng lưới sông Phan, tiến hành đưa các số liệu mặt cắt ngang vào các nút (change) trên mạng sông.
Hình 2.9.M sông
Phan trong
Hình 2.10. sông được đưa vào mô hình MIKE 11
2.2.3.3.Thiết lập bộ thông số độ nhám
trên từng đoạn sông, tương ứng trên từng vùng của đoạn sông đó ( 8).
2.2.3.4.Thiết lập các điều kiện biên thủy lực
Thiết lập điều kiện biên thủy lực (quá trình lưu lượng và mực nước) cho các điểm nút tại các biên trên và biên dưới trên mạng lưới sông Phan.
47
2.2.3.5.Thiết lập các thông số trong modun tải khuyếch tán (AD)
Modul truyền tải khuếch tán (AD) được dùng để mô phỏng vận chuyển một chiều của các chất huyền phù hoặc hòa tan trong các lòng dẫn dựa trên phương trình để tích lũy với giả thiết các chất này hòa tan trộn lẫn nghĩa là không thay đổi hay biến động trong cùng một mặt cắt và dòng chảy không phân tầng.
Modun tải khuyếch tán (AD) bao gồm các thành phần sau trong :
- Các thành phần mô phỏng. - Hệ số khuếch tán.
- Điều kiện ban đầu của modun tải khuếch tán.
Hình 2.12.
2.2.3.6.Thiết lập các thông số trong modun chất lượng nước (Ecolab)
Modul chất lượng nước trong mô hình Mike 11 là modul miêu tả chất lượng nước tại những lưu vực sông ảnh hưởng môi trường do các hoạt động dân sinh kinh tế và các nguồn thải tập trung như các khu công nghiệp, bệnh viện, đặc biệt là các làng nghề là nguồn thải có nồng độ các chất chất ô nhiễm có nồng độ cao và có khối lượng lớn. Vì vậy trong mô phỏng của modul chất lượng nước ta mô phỏng các thông số chính sau:
- Các thông số chính trong mô hình mô phỏng chất lượng nước. - Các hệ số của modun Ecolab.
48
Hình 2.13.Mô hình MIKE 11 WQ Level
49
2.3. Nguyên chung
2.3.1.
- Mục đích của hiệu chỉnh mô hình là sử dụng phương pháp thử sai tìm ra bộ thông số mô hình phù hợp như hệ số nhám Manning (n) để điều chỉnh kết quả mô phỏng tiến đến các giá trị thực đo.
- Mục đích của công tác kiểm định mô hình nhằm đánh giá mức độ phù hợp của bộ thông số đã xác định trong phần hiệu chỉnh mô hình.
2.3.2. Nguyên hiệu chỉnh thông số mô hình
Nguyên tắc hiệu chỉnh, kiểm định mô hình là thay đổi để tìm ra bộ thông số mô hình hợp lí sao cho kết quả tính toán bằng mô hình toán gần nhất với số liệu thực đo.
Để so sánh giá trị tính toán với giá trị thực đo, có thể dùng chỉ số NASH làm hàm mục tiêu. NASH càng tiến đến 1 thì kết quả càng chính xác. Công thức xác định chỉ số NASH như sau:
NASH(EI) = 1- 2 0, , 2 0 0, ( ) ( ) i s i i H H H H Trong đó:
- H0,i: là giá trị mực nước thực đo. - Hs,i: là giá trị mô phỏng.
- H0: là giá trị thực đo trung bình.
Ngoài ra, có thể sử dụng các chỉ tiêu khác để đánh giá mức độ chính xác như: Sai số về đỉnh lũ, sai số về thời gian xuất hiện đỉnh lũ, hệ số tương quan R …
Công thức về sai số đỉnh lũ như sau: %Hmax = d ax ax d max tt t m m t H H H Trong đó: - axtt m
H : Chiều cao đỉnh lũ tính toán.
- d
ax
t m
50 %Hmax: Sai số đỉnh lũ.
2.3.3. thông số mô hình
Nguyên tắc của bước kiểm định mô hình là xác định xem bộ thông số đã tìm được ở bước hiệu chỉnh có phù hợp hay không. Nếu phù hợp thì bộ thông số đã tìm được là hợp lý và có thể áp dụng cho lưu vực, ngược lại thì cần thực hiện lại bước hiệu chỉnh.
51
CHƢƠNG 3
3.1. h ƣợng nƣớc sông Phan
3.1.1.Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực
3.1.1.1. Số liệu hiệu chỉnh và kiểm định
+ Thời gian hiệu chỉnh: Từ 15/04/2011 đến 15/05/2011 + Thời gian kiểm định: Từ 30/07/2013 đến 01/09/2013.
3.1.1.2. Vị trí hiệu chỉnh và kiểm định
Xóm Rừng, xã Thanh Trù, TP. Vĩnh Yên, huyện Vĩnh Phúc.
Hình 3.1.Vị trí hiệu chỉnh và kiểm định mô hình 3.1.1.3. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định
hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực đối chiếu,
so sánh kết quả với )
mô hình được xây dựng thành công trong khuôn khổ dự án “Nghiên cứu một số giải pháp chống ngập úng cho thượng lưu sông Phan - Cà Lồ, Vĩnh Phúc” (2014), do Viện Quy hoạch Thủy lợi thực hiện.
Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình được trình bày dưới dạng hình vẽ và bảng biểu dưới đây:
52
Hình 3.2.Lưu lượng nước tính toán và giá trị chuẩn tại xóm Rừng, Thanh Trù, TP. Vĩnh Yên, Vĩnh Phúc trên sông Phan, thời đoạn từ ngày 15/04-15/05/2011 Bảng 3.1.Thống kê đánh giá sai số lưu lượng trong hiệu chỉnh mô hình ngày 15/04-
15/05/2011 tại xóm Rừng, Thanh Trù, TP. Vĩnh Yên, Vĩnh Phúc trên sông Phan
Các yếu tố Tính toán Giá trị chuẩn
Qmax (m3/s) 43,3 43,8
Thời gian xuất hiện đỉnh cao nhất ngày 21/04/2011 09h00 AM ngày 11/04/2011 10h00 AM Sai số đỉnh lũ (%) 2,3 Hệ số NASH 0,89 Hệ số tƣơng quan (R) 0,93 Sai số về tổng lƣợng (%) 5,8 2,3
53
Hình 3.3.Mực nước tính toán và Giá trị chuẩn tại xóm Rừng, Thanh Trù, TP. Vĩnh Yên, Vĩnh Phúc trên sông Phan, thời đoạn từ ngày 31/07-01/09/2013
Bảng 3.2.Thống kê đánh giá sai số trận lũ kiểm định mô hình ngày 31/07- 01/09/2013 tại xóm Rừng, Thanh Trù, TP. Vĩnh Yên, Vĩnh Phúc trên sông Phan
Các yếu tố Tính toán Giá trị chuẩn
Hmax (m) 8,85 8,86
Thời gian xuất hiện đỉnh lũ ngày 11/08/2013 06h00 AM ngày 11/08/2013 04h00 AM Sai số đỉnh lũ (%) 6,1 Hệ số NASH 0,915 Hệ số tƣơng quan (R) 0,983 Sai số về tổng lƣợng (%) 6,5 8,9
Qua các kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình ở trên nhận thấy các chỉ số đánh giá tính phù hợp giữa kết quả tính toán và giá trị chuẩn là tương đối tốt. Do đó,
54
có thể sử dụng bộ thông số của mô hình sau quá trình hiệu chỉnh và kiểm định để phục vụ các tính toán tiếp theo.
3.1.2.Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình chất lượng nước sông Phan
3.1.2.1.
Mụ là để xác định bộ thông số chất lượng nước phù hợp nhất cho khu vực nghiên cứu. Do hạn chế về thời gian và tài liệu chất lượng nước nên trong nghiên cứu này tác giả chỉ tập trung vào tính toán một số chỉ tiêu chất lượng nước cơ bản quan tâm trong sông theo thời gian và không gian như DO, BOD, Nhiệt độ, Nitrat, Amoni, tương ứng với các điều kiện biên thủy lực và các nguồn thải.
3.1.2.2.Hiệu chỉnh mô hình
Các điều kiện biên phục vụ công tác hiệu chỉnh mô hình chất lượng nước sông Phan được thống kê chi tiết ở bên dưới:
+ Điều kiện biên trên là nồng độ chất lượng nước gồm 5 chỉ tiêu được đo từ 15/04/2011 đến 15/05/2011 tại điểm đo M41 (Sông Phan, Cầu Vũ Di, xã Vũ Di, Yên Lạc).
+ Điều kiện biên dưới là nồng độ chất lượng nước gồm 5 chỉ tiêu chất lượng nước đo từ 15/04/2011 đến 15/05/2011 tại Quất Lưu, Bình Xuyên.
+ Điều kiện biên nhập lưu là nồng độ chất lượng nước gồm 5 chỉ tiêu chất lượng nước cùng thời gian tại các vị trí nhập lưu (
) gồm: - NK23 ( - NK24_25_26 . - NUTND09 - NUTND11 . - NUTND12 Lưu).
55 - NUTND17 - NUTNK18 - NUTNK22 - NUTNK27 - NUTNK17
Kết quả hiệu chỉnh mô hình chất lượng nước tại hai điểm đo chất lượng nước
M44 (Sông Phan, Cầu Oai, P. Đồng Tâm, TP Vĩnh Yên) và M45 (Sông Phan, Cầu Mùi, xã Thanh Trù, TP Vĩnh Yên) với 04 chỉ tiêu DO, BOD, NH4+, NO3- được mô tả như trong các hình bên dưới:
56
Hình 3.5.So sánh chỉ tiêu DO giữa kết quả tính toán với số liệu thực đo tại vị trí M44, M45
Hình 3.6.So sánh chỉ tiêu BOD5 giữa kết quả tính toán với số liệu thực đo tại M44, M45
57
Hình 3.8.So sánh nồng độ NO3- giữa kết quả tính toán với số liệu thực đo tại M44 và M45
Theo kết quả tính toán biểu diễn ở trên cho thấy sai số giữa kết quả tính toán với kết quả thực đo nhỏ hơn 25%, như vậy chất lượng nước
3.1.2.3. định mô hình
Kiểm định mô hình nhằm đánh giá mức độ phù hợp của bộ thông số đã xác định trong phần hiệu chỉnh mô hình. Số liệu thực đo từ 30/07/2013 đến 01/09/2013 được dùng để kiểm định. Kết quả kiểm định mô hình tại hai điểm đo chất lượng nước NM15 (Xóm Rừng - xã Quất Lưu - huyện Bình Xuyên) và NM16 (Tân Nguyên - xã Trung Nguyên - huyện Yên Lạc) với hai chỉ tiêu DO và BOD được mô tả như trong các hình bên dưới:
58
Hình 3.9.Vị trí các điểm quan trắc môi trường nước mặt sông Phan đợt 1 năm 2013 [13]
Hình 3.10.So sánh chỉ tiêu DO giữa kết quả tính toán với số liệu thực đo tại NM16 và NM15
59
Hình 3.11.So sánh chỉ tiêu BOD5 giữa kết quả tính toán với số liệu thực đo tại NM16, NM15
Hình 3.12.So sánh nồng độ NH4+ giữa kết quả tính toán với số liệu thực đo tại NM16, NM15
Hình 3.13.So sánh nồng độ NO3- giữa kết quả tính toán với số liệu thực đo tại vị trí đo NM16 và NM15
60
Theo kết quả tính toán biểu diễn ở trên, ta thấy sai số giữa kết quả tính toán