2 Hình : Sơ đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott
3.2 TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG LŨ TRONG SÔNG
3.2.1 Tài liệu s d ng trong mô hình
3.2.1.1 Tài liệu địa hình
a. Tài liệu địa hình lòng sông
Qua nghiên cứu cụ thể về các nguồn tài liệu cơ bản về địa hình lòng dẫn sông hiện có trong lƣu vực sông Ba, chúng tôi đã thu thập và sẽ sử dụng tài liệu trắc dọc và ngang sông Ba bao gồm 24 mặt cắt ngang sông t Củng Sơn tới cầu Phú Lâm do Viện Quy hoạch đo đạc và hiệu chỉnh năm 1997, và 3 mặt cắt ngang t Cầu Phú Lâm ra tới cửa biển đƣợc đo năm 2003.
Mặt cắt ngang sông đƣợc đo theo hệ cao độ Quốc gia. Đặc trƣng cơ bản các đoạn sông trong Bảng 3.9.
Bảng 3.9 Đặc trƣng địa hình mặt cắt ngang sông trong sơ đồ tính toán thủy lực
STT V tr Cao trình đáy Cao trình ờ tả Cao trình ờ hữu Ghi ch 1 0 22,86 39,3 38,11 Trạm TV. Củng Sơn 2 2103 22,63 44,94 39,35 3 4753 23,96 37,03 40,64 4 6368 23,84 31,97 36,13 5 7678 22,80 32,50 31,29 Sông Con+Sông Bạc 6 10293 18,21 34,97 42,09 7 12043 20,84 32,50 31,96 Đập dâng Đồng Cam 8 13253 8,23 23,34 22,99 9 15088 7,55 21,20 22,09 10 17398 5,95 19,96 21,10 Sông Cái 11 18848 5,47 19,87 19,91 12 20363 7,07 19,77 19,58 13 23013 7,16 18,55 18,26 14 25023 6,69 17,28 17,93 Sông Đồng Bò 15 28548 6,06 15,95 17,71 16 30369 4,82 15,56 14,55 17 32289 2,82 11,54 11,59
18 34089 2,73 11,34 11,72 Suối Cái - Duy Tôm
19 35890 -2,07 8,41 10,62
20 37849 0,53 7,85 8,89
21 40296 0,26 6,10 8,88
22 42469 -0,47 5,77 6,84
STT V tr Cao trình đáy Cao trình ờ tả Cao trình ờ hữu Ghi ch 24 45904 -1,01 7,29 7,20 Trạm TV. Phú Lâm NC2 47000 -4,6 1,9 5,9 Sông Chùa NC3 48000 -1,3 2,3 3,0 NC4 49400 -4,8 7,17 7,5 Cửa Đà Rằng
Về hình dạng mặt cắt ngang sông phổ biến nhƣ Hình 3.4. Qua đó cho thấy mặt cắt ngang hệ thống sông Ba gần nhƣ ở trạng thái hoàn toàn tự nhiên bao gồm phần lòng dẫn và phần bãi tràn. Khi nƣớc lũ lên cao sẽ tràn tự do vào các bãi tràn ven 2 bên bờ sông.
Hình 3.4: Mặt cắt ngang phổ biến của sông Ba (cách trạm TV.Củng Sơn 37849m)
b. Tài liệu về các khu bãi ngập
Các tài liệu chính của các khu bãi ngập đã đƣợc thu thập bao gồm:
- Bình đồ vùng hạ lƣu đập Đồng Cam tỷ lệ 1/10000 đo năm 1976 và đã đƣợc Sở Thuỷ lợi tỉnh Phú Yên chỉnh lý năm 1995. Bình đồ đƣợc xây dựng theo cao độ Quốc gia.
Dựa trên 2 nguồn tài liệu này, chúng tôi đã sử dụng để xây dựng 20 đƣờng quan hệ cao độ diện tích của các ô ngập lũ trong phạm vi giới hạn bởi 2 kênh chính Bắc Nam và 19 ô ngập lũ ngoài phạm vi giới hạn của 2 kênh chính Bắc Nam. Vị trí các ô bãi ngập lũ nhƣ Hình 3.5.
Hình 3.5: Vị trí các ô bãi ngập lũ
c. Tài liệu về đập dâng Đồng Cam
Tài liệu về các thông số kỹ thuật của đập dâng Đồng Cam do Ban Quản lý đập cung cấp. Các thông số kỹ thuật cơ bản của đập dâng Đồng Cam đƣợc thống kê trong Error! Reference source not found.. Cao độ các hạng mục đã đƣợc chuyển về cao độ Quốc gia.
Bảng 3.10 Thông số chính đập dâng Đồng Cam
Hạng mục Chiều dài (m) Cao trình (m)
Đập dâng 590,0
Tràn bậc 1 65,0 25,30
Tràn bậc 2 335,8 24,20
Tràn bậc 3 93,0 24,15
Tràn bậc 4 96,2 24,10
3.2.1.2 Tài liệu thủy văn
Nhƣ trên đã phân tích, vùng hạ lƣu sông Ba trên lƣu vực hiện có 3 trạm thủy văn có tài liệu đo đạc t năm 1977 tới nay. Dựa vào liệt tài liệu thuỷ văn của các trạm và tài liệu địa hình đã đo đạc hiện có, phạm vi nghiên cứu của mô hình sẽ đƣợc giới hạn trong phạm vi t trạm thủy văn Củng Sơn ra tới cửa sông Đà Rằng. Nhƣ vậy, tài liệu thủy văn cần thiết cho cả trƣờng hợp mô phỏng và các phƣơng án tính toán sẽ là đƣờng quá trình mực nƣớc, lƣu lƣợng tại Củng Sơn, đƣờng quá trình mực nƣớc tại trạm Phú Lâm và đƣờng quá trình mực nƣớc tại cửa Đà Rằng và các đƣờng quá trình lƣu lƣợng của các nhánh nhập lƣu của các khu giữa vào mạng sông. Về mực nƣớc tại cửa sông Đà Rằng, do có cùng chế độ chiều của vùng biển t Quảng Ngãi đến Nha Trang, mặt khác hiện tại chỉ có tài liệu quan trắc triều tại Quy Nhơn nên mực nƣớc tại cửa Đà Rằng đƣợc tính t mực nƣớc triều tại trạm Quy Nhơn bằng phƣơng pháp phân tích điều hòa.
Việc mô phỏng và kiểm định các thông số của bộ mô hình đã đƣợc thực hiện cho 3 con lũ lớn lịch sử, lũ trung bình và lũ nhỏ.
- Lũ lịch sử tháng 10/1993 có lƣu lƣợng đỉnh lũ tại Củng Sơn đạt 20700 m3/s tƣơng ứng tần suất 1%, mực nƣớc đỉnh lũ tại Củng Sơn đạt 39,90m vƣợt mức báo động III khoảng 6m. Chúng tôi đã chọn con lũ này để mô phỏng bởi đây là con lũ lịch sử lớn nhất đã t ng xảy ra trên lƣu vực sông Ba, mục đích mô phỏng ngoài việc lựa chọn bộ thông số cho mô hình thuỷ lực, hiện trạng ngập lũ vùng hạ du cả về mức độ ngập sâu cũng nhƣ phạm vi diện ngập cũng sẽ đƣợc xem xét. Những số liệu này sẽ làm cơ sở cho việc đánh giá thiệt hại do lũ gây ra. Sau khi mô phỏng, bản đồ ngập lũ toàn bộ vùng hạ lƣu sông Ba sẽ đƣợc xây dựng. Bộ thông số của mô hình thuỷ lực sẽ đƣợc chọn khi sai số về mực nƣớc, lƣu lƣợng giữa tính toán và thực đo đủ nhỏ nằm trong giới hạn cho phép. Ngoài tài liệu thực đo tại các trạm thủy văn Củng Sơn, Phú Lâm, có khoảng 40 vị trí vùng hạ lƣu sông Ba đã đƣợc điều tra vết lũ. Những số liệu này sẽ là cơ sở để mô phỏng mô hình.
- Lũ trung bình: Sau khi mô phỏng, bộ thông số thủy lực đã đƣợc chọn sẽ đƣợc kiểm định.cho con lũ 11/1988 để kiểm định mô hình. Đây là con lũ có mức độ lớn trung bình thƣờng xuyên xảy ra trên lƣu vực. Lƣu lƣợng đỉnh lũ tại Củng Sơn đạt 10500m3/s tƣơng đƣơng tần suất khoảng 10%; Mực nƣớc tại Củng Sơn đạt 36,84m cao hơn mức báo động III 3,84m. Con lũ này chỉ có tài liệu thủy văn đo đạc tại trạm thuỷ văn Phú Lâm và Củng Sơn làm cơ sở để kiểm định mô hình.
- Lũ tháng 9/2005: Đây là trận lũ nhỏ có lƣu lƣợng đỉnh lũ tại Củng Sơn chỉ đạt 3250 m3/s. Tuy nhiên mực nƣớc lũ tại Củng Sơn đạt 32,01m vẫn vƣợt mức báo động II là 0,51m.
Hình 3.6: Vị trí các đƣờng quá trình lƣu lƣợng gia nhập
3.2.2 Thiết lập mô hình
Bƣớc đầu tiên khi làm việc với mô hình MIKE 11 là tạo ra một đề án mới. Tại đây bạn sẽ tạo ra một thƣ mục mới, nơi ngƣời sử dụng làm việc trong đó và đặt tiêu đề cho đề tài bạn v a tạo. Để làm nhƣ vậy khởi động mô hình MIKE 11 vào File trong menu chính của MIKE 11 vào New File … xuất hiện cửa sổ New file và chọn nhƣ Hình 3.7
Hình 3.7: Cửa sổ bắt đầu dự án mới trong mô hình MIKE 11
Chọn OK xuất hiện cửa sổ nhƣ hình 9
Trong đồ án này chỉ đề cập đến chạy thủy lực nên ta chọn Hydrodynamic nhƣ Hình 3.8
Hình 3.8: Mô đun thủy lực (Hydrodynamic)
Hình 3.9: Cửa sổ điều khiển Simulation trong mô hình MIKE 11
Trong Hình 3.9 những ô đƣợc khoanh mầu đỏ chính là những File đầu vào cần cho mô hình. Bao gồm :
Network - dữ liệu về mạng sông *.NWK11
Cross-section - dữ liệu về mặt cắt *.XNS11 Boundary data- dữ liệu về biên *.BND11 HD parameter file- tập tin thông số thủy lực *.HD11
Mạng s ng và s đồ t nh toán
a. Mạng sông tính toán
Trên cơ sở các tài liệu địa hình đã có, mạng lƣới trạm thủy văn cùng tài liệu mực nƣớc, lƣu lƣợng đã quan trắc, giới hạn mạng sông tính toán thủy lực của sông Ba t Củng Sơn ra tới cửa biển với tổng chiều dài 49,4km
b. S đồ tính toán
Tính toán mực nƣớc và lƣu lƣợng tại các vị trí dọc mạng sông tính toán, xác định mức độ ngập lụt cho toàn bộ vùng hạ lƣu sông Ba t Củng Sơn ra tới biển.
Sơ đồ tính toán thuỷ lực sẽ bao gồm đƣờng quá trình lƣu lƣợng đến Củng Sơn, 5 đƣờng quá trình lƣu lƣợng gia nhập t Củng Sơn ra tới cửa biển, đƣờng quá trình mực nƣớc triều trạm Quy Nhơn, 20 ô ruộng trong phạm vi giới hạn và 18 ô ruộng ngoài phạm vi giới hạn 2 kênh chính Bắc Nam đập Đồng Cam. Sơ đồ tính toán thủy lực sông Ba đƣợc thiết lập trong MIKE 11nhƣ sau:
Nhập dữ liệu mạng lưới sông
Khi cửa sổ New File xuất hiện thì để lập mạng sông thì ta chọn nhƣ Hình 3.10
Hình 3.10: Cửa sổ để tạo ra file mạng sông
Chọn hệ tọa độ cho mạng sông (có thể để mặc định) OK Hiện lên cửa sổ chính để vẽ mạng sông.
Để vẽ mạng sông ta sử dụng thanh công cụ nhƣ Hình 3.11
Hình 3.11: Thanh công cụ trong MIKE 11
Mỗi con sông đƣợc vẽ t thƣợng lƣu tới hạ lƣu.Sau khi con sông hay nhánh sông đƣợc hoàn thành ngƣời sử dụng phải đặt tên cho con sông hay nhanh sông đó. (Để đặt tên và vào thuộc tính cho các nút, các sông, ta kích chuột phải vào một nút bất kì trên sông đó và chọn Edit… )
Để liên kết các nhánh sông với nhau ta sử dụng công cụ trong thanh công cụ ở Hình 3.11.
Tất cả các nhánh kênh liên kết thủy lực đều đƣợc thể hiện sơ đồ tính toán thủy lực trong sông Ba nhƣ ở Hình 3.12
Sau khi hoàn thành mạng lƣới sông, ngƣời sử dụng nhập số liêu mặt cắt ngang cũng nhƣ các công trình trên sông.
Nhập dữ liệu mặt cắt địa hình
Tƣơng tự nhƣ trên khi xuất hiện cửa sổ New File để vào dữ liệu mặt cắt ta chọn nhƣ
Hình 3.13
Hình 3.13: Cửa sổ tạo file để nhập mặt cắt
Chọn OK → Hiện lên cửa sổ chính để nhập mặt cắt vào các nhanh sông. Để thêm mặt cắt vào sông chọn Insert Cross Section nhƣ Hình 3.13
Hình 3.14: Cửa sổ Insert Branch
Số liệu có thể đƣợc nhập vào dƣới dạng excel
Xác lập các iên t nh toán
Theo giới hạn mạng sông của mô hình, các biên của mô hình thủy lực sẽ bao gồm: - Biên trên: Là đƣờng quá trình lƣu lƣợng tại Củng Sơn
- Biên dƣới: Là đƣờng quá trình mực nƣớc tại cửa Đà Rằng
- Biên dọc sông trục: Là đƣờng quá trình lƣu lƣợng của các nhánh suối gia nhập vào hệ thống. Bao gồm:
+ Sông Con, sông Bạc nhập vào sông Ba tại vị trí 7678 m + Sông Cái nhập vào sông Ba tại vị trí 17398 m
+ Sông Đồng Bò nhập vào sông Ba tại vị trí 25023 m + Suối Cái, Duy Tôm nhập vào sông Ba tại vị trí 34089 m + Sông Chùa nhập vào sông Ba tại vị trí 47000 m
3.2.3 Hiệu chính mô hình tính toán
Việc hiệu chỉnh thông số mô hình chủ yếu đƣợc tiến hành bằng cách thay đổi độ nhám. Hệ số nhám đƣợc tìm cho t ng mặt cắt và đƣợc hiệu chỉnh trong quá trình hiệu chỉnh mô hình kết hợp với thông tin điều tra thực địa. Kiểm tra tính hợp lý thông qua các tài liệu đo đạc của các trạm trung gian. Trong trƣờng hợp dòng chảy lũ có hiện tƣợng tràn bãi. Phƣơng pháp hiệu chỉnh thông số ở đây dùng phƣơng pháp thử dần.
Đạt
Hình 3.16: Sơ đồ quá trình hiệu chỉnh bộ thông số mô hình
Thay đổi bộ thông số D ng So sánh thực đo và tính toán. Đánh giá sai số theo tiêu chuẩn Nash Chạy mô hình Giả thiết bộ thông số Không đạt
Hiệu chỉnh mô hình đƣợc thực hiện với con lũ tháng 10/1993 là con lũ lịch sử lớn nhất đã xảy ra trên lƣu vực sông Ba với lƣu lƣợng đỉnh lũ tại Củng Sơn đạt 20700 m3/s tƣơng ứng với tần suất khoảng 1%. Con lũ này đã làm ngập phần lớn diện tích khu tƣới hạ lƣu đập Đồng Cam và phần lớn diện tích hạ lƣu sông Bàn Thạch.
Nhằm lựa chọn bộ thông số thủy lực thích hợp để tính toán xác định mức độ giảm nhẹ ngập lụt hạ lƣu của các hồ chứa thƣợng nguồn khi có lũ chính vụ lớn xảy ra, chúng tôi đã mô phỏng cho con lũ tháng 10/1993. Đây là con lũ có đầy đủ số liệu đo đạc đƣờng quá trình mực nƣớc, lƣu lƣợng tại các trạm thủy văn. Các số liệu đó sẽ là cơ sở để mô phỏng với phƣơng pháp thử dần. Các thông số chủ yếu đã đƣợc thử dần trong quá trình mô phỏng là hệ số nhám của các mặt cắt, vị trí kết nối các ô ruộng với sông, bề rộng kênh nhánh kết nối, cao trình kết nối.
Đƣờng quá trình mực nƣớc tính toán và thực đo tại trạm Phú Lâm đối với trận lũ tháng 10/1993 thể hiện trên Hình 3.17.
Để đánh giá kết quả của mô hình ta sử dụng chỉ tiêu Nash-Sutcliffe nhƣ sau:
Nash-Sutcliffe (%) = (1- ∑ ∑ 1 2 1 2 ) ( ) ( n i i tdoTB i tdo n i i tt i tdo Q Q Q Q = = )100%
Kết quả đánh giá đƣờng quá trình mực nƣớc lũ bằng chỉ tiêu Nash-Sutcliffe và kết quả so sánh mực nƣớc lũ lớn nhất tại trạm Phú Lâm giữa tính toán và thực đo đƣợc đƣa trong Bảng 3.11.
Bảng 3.11 Kết quả mô phỏng trận lũ tháng 10/1993 tại trạm Phú Lâm
Giá trị Thực đo Tính toán Chênh lệch Nash-Sutcliffe (%)
Hình 3.17: Kết quả mô phỏng trận lũ tháng 10/1993 tại Phú Lâm
Nhận xét kết quả m phỏng trận lũ 10/1993
Việc mô phỏng con lũ 10/1993 đã đạt kết quả khá tốt tại các trạm đo thủy văn. Tại trạm Phú Lâm đƣờng quá trình mực nƣớc giữa tính toán và thực đo khá phù hợp và có sai số đỉnh lũ rất nhỏ (0,02 m). Hệ số Nash-Sutcliffe đánh giá độ chính xác giữa đƣờng quá trình mực nƣớc tính toán và thực đo cho kết quả rất cao, đạt tới 97,17%. Vì vậy có thể kết luận bộ thông số thủy lực chúng tôi đã chọn có đủ độ tin cậy để tính toán các phƣơng án lũ sau này.
Bảng 3.12 Trích kết quả mực nƣớc tính toán lớn nhất và nhỏ nhất tại một số vị trí của con lũ tháng 10/1993
V tr trên sông Nhỏ nhất (m) Lớn nhất (m) Chênh lệch (m)
SONG BA 0.00 27.372 40.272 12.90 SONG BA 2103.00 26.288 37.647 11.36 SONG BA 4753.00 25.12 36.697 11.58 SONG BA 6368.00 24.793 36.698 11.91 SONG BA 7678.00 24.741 37.216 12.48 SONG BA 10293.00 24.792 36.745 11.95
V tr trên sông Nhỏ nhất (m) Lớn nhất (m) Chênh lệch (m) SONG BA 12043.00 24.79 36.22 11.43 SONG BA 13253.00 11.05 22.66 11.60 SONG BA 15088.00 11.06 23.71 12.65 SONG BA 17398.00 10.67 23.12 12.45 SONG BA 18848.00 10.51 21.63 11.12 SONG BA 20363.00 10.31 21.40 11.09 SONG BA 21000.00 10.16 21.16 11.00 SONG BA 22000.00 9.90 20.89 10.99 SONG BA 23013.00 9.57 20.74 11.18 SONG BA 24000.00 9.35 20.84 11.49 SONG BA 25023.00 9.25 20.84 11.59 SONG BA 25023.00 9.25 20.84 11.59 SONG BA 26000.00 9.11 20.80 11.68 SONG BA 27000.00 8.93 20.70 11.78 SONG BA 28548.00 8.49 20.23 11.74 SONG BA 28548.00 8.49 20.23 11.74 SONG BA 29000.00 8.32 19.91 11.59 SONG BA 30369.00 7.45 18.34 10.89 SONG BA 30369.00 7.45 18.34 10.89 SONG BA 31000.00 6.57 17.22 10.65 SONG BA 31500.00 5.99 16.26 10.28 SONG BA 32000.00 5.65 15.19 9.54 SONG BA 32289.00 5.35 14.48 9.13 SONG BA 32289.00 5.35 14.48 9.13 SONG BA 33000.00 4.90 12.63 7.73 SONG BA 34089.00 4.20 10.67 6.47 SONG BA 34089.00 4.20 10.67 6.47 SONG BA 35000.00 2.84 9.75 6.90 SONG BA 35890.00 2.80 9.50 6.70