MIKE BASIN là một mô hình mô phỏng phân bổ nước thể hiện tính thuỷ văn của lưu vực về mặt thời gian và không gian. Về mặt kỹ thuật, đó là một mô hình mạng sông trong đó sông và các nhánh sông chính được hiển thị bằng một mạng lưới các nhánh và nút. Nhánh sông biểu diễn cho các dòng chảy riêng lẻ trong khi đó các nút thì biểu diễn các điểm tụ hội của sông, điểm chuyển dòng hoặc là vị trí mà ở đó có diễn ra các hoạt động liên quan đến nước hay những vị trí quan trọng mà kết quả mô hình yêu cầu.
Hình 11. MÔ HÌNH PHÂN PHỐI NƯỚC CỦA MIKEBASIN
b. Phương pháp và phương pháp luận
MIKE BASIN là sự trình bày toán học của lưu vực sông bao gồm cấu tạo của những con sông chính và sông nhánh, thuỷ văn của lưu vực xét về khía cạnh không gian và thời gian, dựa trên đó để đưa ra các phương án dùng nước và nhu cầu dùng nước của các phương án đó.
Khái niệm toán học trong MIKE BASIN là để tìm ra giải pháp đúng cho mỗi bước thời gian. MIKE BASIN có thể được sử dụng để tìm giá trị điển hình cho chất lượng nước và lưu lượng nước trong hệ thống dòng thay đổi chậm (ví dụ như chu kỳ
năm theo tháng). Lợi thế của MKIE BASIN là tốc độ tính toán của nó cho phép bao quát mặc dầu có thể sự tính toán chỉ là tương đối cho nhiều phương án.
Mô hình hoạt động dựa trên mạng sông được số hoá và thiết lập trực tiếp trên màn hình máy tính trong môi trường ArcView GIS. Tất cả các thông tin liên quan đến cấu hình của hệ thống mô phỏng dòng chảy, vị trí của người sử dụng nước, hồ chứa và các điểm lấy nước cũng như thải nước cũng được xác định bằng việc chỉnh sửa màn hình.
Đầu vào cơ bản của mô hình bao gồm chuỗi dữ liệu thời gian của dòng chảy cho mỗi nhánh trên lưu vực. File đầu vào bổ xung sẽ xác định tính chất của hồ chứa và nguyên tắc hoạt động cho mỗi hồ, chuỗi số liệu khí tượng thuỷ văn, dữ liệu về phương án cấp nước như yêu cầu về chuyển dòng và các thông tin khác...
Trong mô hình mạng MIKE BASIN có thể cùng một lúc có nhiều nhu cầu sử
dụng từ cùng một nguồn nước, tình huống này sẽđược giải quyết bằng cách đưa nhu cầu sử dụng nước tới một kết nối giao cắt cấp nước đơn lẻ. Trong trường hợp thiếu
nước, có sự xung đột trong vấn đề sử dụng nước MIKE BASIN có những hỗ trợ cho việc ưu tiên sử dụng nguồn nước theo hai loại nguyên tắc ưu tiên là ưu tiên địa phương (Vấn đề phân bổ thường được giải quyết cho các giao cắt lân cận mà được kết nối trực tiếp) và ưu tiên toàn cầu (thường được sử dụng trong những lưu vực sông mà ở đó người sử dụng có quyền ưu tiên).
c.Cơ sở lý thuyết
MIKE BASIN dùng hầu nhưđể lập mô hình cho tình trạng ổn định cho việc mô phỏng phân bổ nước. Do đó mô hình có một số phương trình vi phân và giải pháp số
cho nó. Mục đích của MIKE BASIN là tính toán để phục vụ, giải quyết những vấn đề
về phân bổ nước-nhu cầu nước của người dùng như thế nào và đáp ứng ra sao? - Phân bổ nước nói chung
MIKE BASIN là một mô hình mạng nhánh - giao cắt của sông với điểm giao cắt trình bày cho các điểm mà có nước hoặc có nhu cầu về nước. Thuật toán phân bổ nước có sẵn tại mỗi giao điểm đặc biệt đến giao điểm hạ lưu dược viết như sau:
if WaterDemand(DownstreamNode)<AvailableWater WaterToFlush=WaterDemand(DownstreamNode) else WaterToFlush= AvailableWater FlushWaterToNode(DownstreamNode, WaterToFlush) AvailableWater=AvailableWater-WaterToFlush
Hàm số WaterDemand cho được mức nhu cầu nước tại một điểm, hàm số
FlushWaterToNode biểu thị chuyển lượng nước được chỉ định sang giao điểm được chỉ định. Nếu được xác định sẽ tiến hành một tuyến qua nhánh sông nối vào hai giao
điểm.
Giải pháp trên toàn bộ mạng được tính lặp đi lặp lại nếu thấy cần thiết (nếu có sự
chuyển dòng). Sự cân bằng khối lượng tính toán tại mối giao điểm. Toàn bộ hệ thống
đó được ổn định "flushed" trong mỗi bước thời gian với loại trừ phần lưu giữ (hồ chứa, nước ngầm), các giá trị này sẽđược đưa từ bước thời gian này sang bước thời gian tiếp sau.
- Hồ chứa, nước ngầm
Quá trình tính toán nước ngầm có thểđược bổ xung vào nước mặt mặc định bằng cách kiểm tra trường tương ứng trong hộp hội thoại. Hộp hội thoại thuộc tính dòng chảy cụ thể và hộp thuộc tính điểm giao cắt sau đó có nút bổ sung nước cho việc thông tin nước ngầm tương ứng. Có các loại giá trị nước ngầm được đưa vào là
- Rỉ dòng chảy sông (nước từ sông vào tầng ngậm nước)
- Bổ sung nước ngầm (nước mặt từ trên lưu vực xuống tầng ngậm nước). - Cấp nước ngầm (nước từ tầng ngầm nước ra sông).
Trong mô hình nước ngầm là một lượng giữ mô tả bởi một phương trình vi phân. Giải pháp dòng chảy ổn định hồ chứa có xem xét đến đầu vào đồng thời với lượng ngầm vào và thoát ra của nước ngầm. Ngoài ra dòng chảy cũng được tính đồng thời như là sự tổng hợp dòng chảy từ phía trên (hàm số theo thời gian) và bơm (hàm số
Đối với hồ chứa tuyến tính với một điểm thoát tại h=0 biến số toán học là: trong đó: qi : lưu lượng q0 : lượng bơm h : đỉnh t : thời gian A: khu vực lưu vực k: hằng số Darcy
Cân bằng khối lượng tương tự có thể được đưa vào công thức (hàm số theo thời gian) cho khối lượng chất tan m:
trong đó:
c: sự cô cạn;
V: Thể tích;
ci: Nồng độđầu vào;
co: Nồng độđầu ra;
Phương trình ở trên là phương trình giải tích, Giải pháp giải tích chung được chỉnh sửa khi có tràn bề mặt hoặc hoàn thiện việc thoát nước. Trong những trường hợp trên, thời gian để tràn hoặc thời gian để thoát nước có thể được tính bằng cách giải quyết các giải pháp ở trên theo biến t với h(t)=hmax và h(t)=0.
III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Trên đây là một số khái niêm liên quan đến tính toán thuỷ văn và tính toán cân bằng nước và một số hướng tiếp cận của mô hình toán. Từđó có thể rút ra được những kết quả như sau :
- Đối với mô hình tính toán mưa - dòng chảy : Đã được áp dụng để tính toán dòng chảy ở những lưu vực không có trạm đo, kéo dài tài liệu bị thiếu… Việc áp dụng các mô hình mưa - dòng chảy vào mỗi lưu vực phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm của người tính toán cả về mô hình và các điều kiện tự nhiên của lưu vực đó (điển hình là mô hình NAM). Một yếu tố không thể bỏ qua đó là sự
tương quan giữa lượng mưa và dòng chảy, việc chọn trạm mưa cũng như phân phối lượng mưa trên lưu vực là việc làm hết sức quan trọng, ảnh hưởng lớn nhất
đến chất lượng dòng chảy tính toán. Mô hình TANK áp dụng rất tốt với những lưu vực nhỏ, có độ dốc lớn (miền núi). Mô hình NAM đang được xem là mô hình tốt nhất hiện nay với khả năng tính toán nhanh, tự động hoá trong việc kiểm định các thông số mô hình. i o q q h k lux outflux dt dh A× =(− +int )=− × − + ) ( ) ( ) ( c dt dh h dt dc A dt h c d A h A k c q c q c dt V c d dt dm o o o i i× − × − × × × = × × = × × + × = × =
- Đối với mô hình cân bằng nước : MIKE BASIN đã và đang được áp dụng rộng rãi trong các quy hoạch sử dụng và quản lý nguồn nước bởi những tính năng ưu việt: dễ sử dụng, mô phỏng tốt các hoạt động sử dụng nước trên lưu vực… Trong thời gian tới mô hình MITSIM được Viện qui hoạch thuỷ lợi cải tiến có thêm phần tính toán chất lượng nước chắc chắn cũng sẽ phát huy tốt trong các dự án quy hoạch thuỷ lợi.
IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Qua các phân tích đánh giá các khái niệm về tính toán thuỷ văn và cân bằng nước có thể rút ra một số kết luận và kiến nghị như sau :
- Tính toán thuỷ văn và tính cân bằng nước là các chuyên đề hết sức quan trọng trong quy hoạch thuỷ lợi cũng như trong quản lý tổng hợp tài nguyên nước, xác
định phương án quy hoạch và hoạch địch kế hoạch phát triển thủy lợi trước mắt và lâu dài.
- Tính toán thuỷ văn và tính cân bằng nước có thể áp dụng những chương trình máy tính hiện đại để tính toán nguồn cũng như nhu cầu dùng nước đồng thời có thể phối hợp ghép nối các chương trình để phục vụ tính toán. Mặt khác trong giai đoạn quá độ vừa có thể áp dụng việc tính toán đơn giản hoặc phức tạp để
vẫn đảm bảo mức độ chính xác cho phép, từng bước đi sâu vào các tiến bộ khoa học cao hơn.
- Chuyên đề này mong được giới thiệu những nét cơ bản về tính toán thuỷ văn và cân bằng nước để có thể hình dung tổng thể và chi tiết từ đó có thể đảm nhận
được các phần việc từđơn giản đến phức tạp.
Tuy nhiên qua đó chuyên đề có những kiến nghị như sau :
- Có bộ số liệu khí tượng thuỷ văn tương đối đầy đủđể có thể tính toán một cách chính xác.
- Có bộ số liệu sử dụng nước xác thực và chi tiết của từng khu sử dụng nước, mục đích sử dụng nước… để tính toán cân bằng nước.
- Có chuyên gia lập mô hình hợp tác để kết hợp tính toán.
- Có mã nguồn của chương trình để có thể đi sâu tìm hiểu, sửa chữa, nâng cấp phù hợp với điều kiện tự nhiên của vùng nghiên cứu.
Tóm lại, tính toán thuỷ văn và cân bằng nước là hai công việc không thể thiếu trong bất kỳ một nghiên cứu về quản lý tổng hợp tài nguyên nước là một điều có bản mà bất kỳ ai làm công tác thuỷ lợi phải hiểu và nắm bắt được
V. TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Giáo trình thuỷ văn công trình, Đại học thuỷ lợi, NXB Nông nghiệp 1993 2. Nguyên lý tính toán thuỷ văn, Đại học Thuỷ lợi
3. Bài giảng môn học thuỷ văn 2 - Mô hình ngẫu nhiên trong thủy văn - PGS. Nguyễn Đình Tiến
Đề tài NCKH: Nghiên cứu cơ sở khoa học và giải pháp công nghệđể phát triển bền vững lưu vực sông Hồng Chuyên đề: Rà soát, phân tích đánh giá các nguồn thông tin, tài liệu công nghệ GAMS và tính toán tối ưu