3.2.1. Phạm vi mô phỏng MIKE 11
Phạm vi xây dựng mô hình là toàn bộ các nhánh sông chính vùng đồng bằng Thừa Thiên Huế bao gồm cả sông Nông và sông Ô Lâu từ thượng nguồn ra đến đê đầm phá (Hình 3.2.1).
Mạng sông tính toán bao gồm (Hình 3.2.2):
- Các sông bắt nguồn từ phía Đông dãy Trường Sơn có: Ô Lâu, Bồ, Hữu Trạch, Tả Trạch, Nông, Truồi;
- Các sông đổ ra đầm phá: Diên Hồng, An Xuân, Quán Cửa, Hương, La ỷ, Cầu Long;
- Các sông phân lũ: Lợi Nông, Nham Biều, Đập Đá;
- Các sông quanh thành nội Huế: An Hòa, Kẻ Vạn, Đông Ba, Bạch Yến.
Hình 3.2.1. Phạm vi mô phỏng của mô hình
Toàn bộ mạng sông mô hình gồm 19 sông và nhánh sông khác nhau, có tổng chiều dài là: 235.859 m.
Vị trí bắt đầu mô phỏng của các sông trong hệ thống bắt nguồn từ sườn Đông dãy Trường Sơn:
- Sông Ô Lâu cách cầu Vân Trình về thượng lưu 8 km; - Sông Bồ cách trạm thủy văn Phú ốc về thượng lưu 7,5 km; - Sông Hữu Trạch bắt đầu từ tuyến thủy điện Bình Điền; - Sông Tả Trạch bắt đầu từ Dương Hòa;
- Sông Truồi bắt đầu từ hồ Truồi;
- Sông Nông bắt đầu từ vị trí cách cầu đường sắt 6 km.
3.2.2. Thiết lập mô hình thủy lực mạng sông
1. Mạng sông mô phỏng
Mạng sông được thiết lập dựa trên bản đồ số vùng đồng bằng sông Hương và cơ sở mạng sông của mô hình VRSAP. Mạng sông được thiết lập mô phỏng gồm 19 sông chính như đã nêu ở phần trên. Thông số của 19 sông được thể hiện trong bảng 3.2.1.
Bảng 3.2.1. Thông số mạng lưới sông tính toán
Bắt đầu từ Kết thúc tại
Tên sông Năm
đo Chiều dài (m) Sông Vị trị (m) Sông Vị trí (m) An Hòa 1998 2.800 Hương 21.259 An Xuân 1999 10.300 Bồ 15.300
Bạch Yến 1998 5.400 Nham Biều 730 Kẻ Vạn 1.600
Đập Đá 1999 14.600 Hương 17.464 Lợi Nông 10.150
Đông Ba 1998 2.600 Hương 17.464 Hương 21.259
Hữu Trạch 1999 7.700 Hương 0
Kẻ Vạn 1998 2.400 Hương 13.990 An Hòa 0
La ỷ 1999 7.000 Hương 20.000
Lợi Nông 1999 28.100 Hương 13.990
Bắt đầu từ Kết thúc tại
Tên sông Năm
đo Chiều dài (m) Sông Vị trị (m) Sông Vị trí (m) Ô Lâu 2001 32.100 Quán Cửa 1999 5.300 Bồ 29.900 Bồ 1999 30.233 Hương 24.660 Hương 2004 31.100
Nông 1999 8.800 Lợi Nông 24.100
Truồi 1999 9.750
Tả Trạch 1999 12.776 Hương 0
Cầu Long 1999 5.800 Đập Đá 8.651
Diên Hồng 1999 5.700 An Xuân 5.000
2. Mặtcắt sông
Các sông trong hệ thống được đưa vào mô hình dưới dạng cơ sở dữ liệu mặt cắt. Trên các mặt cắt được đánh dấu các điểm đê phía bờ trài, bờ phải, điểm sâu nhất (Hình 3.1.3; 3.2.3). Số liệu mặt cắt có nguồn gốc như đã nêu trong mục 3.1.
Toàn bộ hệ thống 19 con sông được thiết lập với 224 mặt cắt (Bảng 3.2.2).
Bảng 3.2.2. Thống kê mặt cắt trên hệ thống
TT Tên sông Số mặt cắt TT Tên sông Số mặt cắt
1 An Hòa 4 11 Ô Lâu 27
2 An Xuân 16 12 Quán Cửa 16
3 Bạch Yến 7 13 Bồ 10 4 Đập Đá 7 14 Hương 6 5 Đông Ba 29 15 Nông 37 6 Hữu Trạch 5 16 Truồi 33 7 Kẻ Vạn 5 17 Tả Trạch 5 8 La ỷ 8 18 Cầu Long 7
9 Lợi Nông 4 19 Diên Hồng 12
10 Nham Biều 6
3. Các công trình trên hệ thống
Các công trình trên hệ thống bao gồm các cống điều tiết như: cống Cửa Lác tại hạ lưu sông Ô Lâu trên phá Tam Giang, cống An Xuân tại hạ lưu sông An Xuân trên phá Tam Giang, cống Cầu Long tại hạ lưu sông Cầu Long trên đầm Hà Trung; cống Quan tại hạ lưu sông Lợi Nông trên đầm Cầu Hai. Toàn bộ hệ thống đã mô phỏng 16 công trình trên các sông và kênh chính (Hình 3.2.4).
4. Điều kiện biên của mô hình
Biên thủy lực của mô hình bao gồm biên mực nước và biên lưu lượng. Biên lưu lượng sử dụng số liệu tính toán từ mô hình NAM (trình bày ở mục 3.3). Biên mực nước được đặt tại hạ lưu các nhánh sông đổ vào đầm phá.
Nếu phân chia là biên trên và biên dưới thì biên trên trong mô hình này được cho là biên đóng (CLOSE), biên dưới là các biên hở (OPEN) cho giá trị mực nước (Bảng 3.2.3). Vị trí các biên trong mô hình được thể hiện trên hình 3.2.5.
Hình 3.2.5. Vị trí các biên trong mô hình MIKE 11 Bảng 3.2.3. Biên trong mô hình thủy lực MIKE 11
TT Biên Loại biên Sông Vị trị
1 Trên (Closed) Tả Trạch 0
2 Trên (Closed) Hữu Trạch 0
3 Trên (Closed) Bồ 0
4 Trên (Closed) Nông 0
5 Trên (Closed) Truồi 0
6 Trên (Closed) Ô Lâu 0
7 Dưới (Open) Mực nước Hương 31.100
TT Biên Loại biên Sông Vị trị
9 Dưới (Open) Mực nước La ỷ 7.000
10 Dưới (Open) Mực nước Lợi Nông 28.100
11 Dưới (Open) Mực nước Ô Lâu 32.100
12 Dưới (Open) Mực nước Quán Cửa 5.300
13 Dưới (Open) Mực nước Truồi 9.750
14 Dưới (Open) Mực nước Cầu Long 5.800
15 Dưới (Open) Mực nước Diên Hồng 5.700
Các biên trên (Close) được xác định từ mô hình mưa - dòng chảy NAM. Kết quả mô phỏng dòng chảy từ mưa và bốc hơi của NAM được kết nối trực tiếp vào các vị trí từ 1 đến 6 trong bảng 3.2.3 làm biên lưu lượng cho mô hình. Các biên hạ lưu còn lại là biên mực nước (Open) tại các vị trí đê đầm phá được gán với một giá trị mực nước là hằng số. Sau khi kết nối với mô hình hai chiều thì tại các biên hạ lưu này, mực nước được xác định từ các kết nối với mô hình MIKE 21.
3.2.3. Mô phỏng, hiệu chỉnh sơ bộ
Bài toán được đặt ra là mô phỏng lũ tràn đồng cho hệ thống sông Hương bằng mô hình kết hợp một và hai chiều. Do đó, trong bước thiết lập mô hình một chiều không đưa các ô chứa vào hệ thống. Việc thiết lập ô chứa đã được thay bằng việc kết hợp với nền địa hình của mô hình hai chiều. Vì vậy, thực hiện mô phỏng cho hệ thống ở bước này sẽ không chính xác do không có các ô chứa lũ và không có biên mực nước hạ lưu.
Tuy nhiên, theo khuyến cáo của các chuyên gia xây dựng mô hình thì để đảm bảo rằng mô hình kết hợp một và hai chiều MIKE FLOOD được thiết lập và mô phỏng thành công phải thực hiện mô phỏng và hiệu chỉnh sơ bộ cho mô hình một chiều. Kết quả cuối cùng có thể là không phù hợp với thực đo nhưng đã khẳng định rằng việc thiết lập mô hình một chiều được hoàn thành. Nếu quá trình thực hiện mô phỏng sơ bộ bị gián đoạn thì khi kết hợp với mô hình hai chiều sẽ gặp rất nhiều khó khăn trong việc hiệu chỉnh.
Mạng sông mô phỏng một chiều được hình thành cùng với các điểm tính Z - Q - Z trên toàn bộ hệ thống gồm 619 điểm tính (Hình 3.2.6). Khoảng cách giữa các điểm tính mực nước h hoặc lưu lượng q lớn nhất 1.000 m.
Hệ số nhám được xác định sơ bộ cho từng mặt cắt trên hệ thống dựa vào cơ sở hệ số nhám của các mô phỏng trước đây bằng mô hình VRSAP.
Hình 3.2.6. Các điểm tính toán lưu lượng và mực nước
Một số thông số thủy động lực học được thiết lập giả định như sau: + Mực nước ban đầu gán cho toàn bộ hệ thống Z0 = 0 m.
+ Hệ số nhám Manning n = 0,02.
+ Trọng số thời gian của thành phần trọng lực trong phương trình động lượng
t = 0,5;
+ Mực nước qua công trình thấp nhất có thể Zs = 0,01;
+ Hệ số phân bố lưu tốc của thành phần đối lưu trong phương trình động lượng = 1.
+ Trọng số = 1.
+ Sai số cho phép = 0,0001.
+ Một số thông số khác được sử dụng theo mặc định của mô hình.
Trận lũ mô phỏng là trận lũ diễn ra từ ngày 20/11/2004 đến ngày 4/12/2004. Kết quả mô phỏng được thể hiện trên các hình (3.2.7) v> (3.2.8).
Như đã đề cập ở trên, do hệ thống không được thiết lập ô chứa và biên mực nước ở hạ lưu là hằng số nên độ chính xác của mô phỏng là không cao, sai số
giữa đỉnh lũ thực đo và tính toán là rất lớn (hơn 20 m nước). Ngoài ra, do không có ô chứa nên thể hiện điều tiết lũ của địa hình là không rõ, vì vậy dạng đường quá trình cũng như thời gian xuất hiện đỉnh lũ là chưa phù hợp.
Water level - tính toán; External TS 1 - thực đo
Hình 3.2.7. Mực nước thực đo và tính toán tại 2 trạm Phú ốc và Phong Bình
Water level - tính toán; External TS 1 - thực đo
Tuy nhiên, kết quả nhận được lớn nhất ở đây là đã xây dựng thành công mạng sông trong mô hình MIKE 11 và đảm bảo thông mô hình làm tiền đề cho việc thiết lập các mô phỏng tiếp theo.
3.3. Thiết lập biên trên cho mô hình MIKE 11
Như đã trình bày ở mục 3.2, biên trên của mô hình là biên lưu lượng, được đưa vào hệ thống thông qua mô hình thủy văn mưa - dòng chảy NAM.
Mô hình thủy văn mưa - dòng chảy được thiết lập để xác định các biên lưu lượng cho mô hình thủy động lực từ số liệu mưa và bốc hơi. Quá trình xây dựng mô hình có thể được tóm tắt theo sơ đồ khối như trong hình 3.3.1.
Hình 3.3.1. Sơ đồ khối xây dựng mô hình NAM
3.3.1. Phân chia lưu vực
Việc phân chia lưu vực được thực hiện bằng mô hình MIKE BASIN. Lưu vực được phân thành 7 tiểu lưu vực theo đường phân thủy và đặc điểm địa hình, khí hậu. Trong đó có 4 tiểu lưu vực là biên thượng lưu của mô hình thuộc khu vực miền núi cao, 2 tiểu lưu vực là thuộc đồng bằng. Các lưu vực miền núi cao bao gồm: lưu vực Tả Trạch bao sông nhánh Tả Trạch có cửa ra là tuyến công trình Tả Trạch tại Dương Hòa; lưu vực Bình Điền bao sông Hữu Trạch có cửa ra là tuyến
đập của nhà máy thủy điện Bình Điền; lưu vực Ô Lâu bao sông Ô Lâu có cửa ra tại cửa Lác; lưu vực Cổ Bi bao sông Bồ có cửa ra tại Cổ Bi (Hình 3.3.2).
Hình 3.3.2. Phân vùng các tiểu lưu vực Bảng 3.3.1. Diện tích các tiểu lưu vực
TT Lưu vực Diện tích Sông
1 Cổ Bi 809,78 Bồ
2 Ô Lâu 946,32 Ô Lâu
3 Huế 940,52 Hạ lưu sông Hương
4 Bình Điền 673,28 Hữu Trạch
5 Cầu Hai 484,36 Đầm Cầu Hai
6 Tả Trạch 679,14 Tả Trạch
7 Thượng Nhật 229,56 Tả Trạch
Ghi chú: Lưu vực Thượng Nhật là một phần nhỏ của lưu vực Tả Trạch
3.3.2. Xác định trọng số các trạm quan trắc
Từ số liệu và vị trí các trạm quan trắc khí tượng trong lưu vực và các vùng lân cận (mục 3.1), thực hiện tính toán mô phỏng bốc hơi và lượng mưa theo thời gian cho từng tiểu lưu vực trong mô hình NAM. Có nhiều phương pháp khác nhau để tính toán giá trị lượng mưa hay bốc hơi trung bình lưu vực, phương pháp được lựa chọn sử dụng là phương pháp đa giác Theisson (Phụ lục PL.2.1).
3.3.3. Hiệu chỉnh mô hình
Trong lưu vực có rất ít số liệu thủy văn đặc biệt là số liệu lưu lượng dòng chảy. Toàn vùng nghiên cứu chỉ có duy nhất hai trạm đo lưu lượng là trạm Thượng Nhật có số liệu từ 1977 đến 2004 và trạm Cổ Bi có số liệu từ 1977 đến 1985. Với những chuỗi số liệu có được của hai trạm chỉ có thể thực hiện kiểm định mô hình NAM cho 2 lưu vực. Các lưu vực còn lại khác được lấy các thông số tương tự và sau đó sẽ tiếp tục tiến hành hiệu chỉnh theo số liệu mực nước khi gán vào mô hình thủy động lực MIKE 11.
Như đã nêu ở phần trên, lưu vực Thượng Nhật là một phần nhỏ của lưu vực Tả Trạch, lưu vực này có địa hình là núi cao. Xác định thông số cho mô hình và hiệu chỉnh mô hình được thực hiện bằng việc so sánh đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo sao cho phù hợp về đường quá trình luỹ tích tổng lượng và đường quá trình lưu lượng. Kết quả hiệu chỉnh mô hình cho lưu vực Thượng Nhật được thể hiện trên hình 3.3.3 và 3.3.4. Trong mô phỏng này, chuỗi số liệu có được chia làm hai giai đoạn: giai đoạn từ năm 1977 đến 1982 dùng để làm “nóng” mô hình NAM, tạo điều kiện ban đầu cho mô phỏng; giai đoạn từ năm 1982 đến năm 2004 dùng để kiểm định và hiệu chỉnh mô hình.
Hình 3.3.3. Đường lũy tích tổng lượng tại trạm Thượng Nhật
Lưu vực Cổ Bi bao quanh sông Bồ có cửa ra tại Cổ Bi, bao gồm phần lớn là miền núi cao và đồng bằng. Để xác định các thông số mô hình NAM của lưu vực Cổ Bi, thực hiện chia lưu vực này thành hai lưu vực nhỏ hơn gồm vùng núi cao ở thượng lưu và vùng đồng bằng ở hạ lưu, sau đó thiết lập một mô hình ghép cho cả lưu vực Cổ Bi. Các thông số sử dụng cho lưu vực nhỏ ở thượng lưu được lấy từ lưu vực Thượng Nhật, còn lưu vực nhỏ phía hạ lưu được thông số hóa và hiệu chỉnh sao cho phù hợp về cả đường quá trình lưu lượng lẫn tổng lượng. Kết quả hiệu chỉnh mô hình NAM cho lưu vực Cổ Bi được ở thể hiện trên hình 3.3.5 và 3.3.6.
Hình 3.3.5. Đường lũy tích tổng lượng tại trạm Cổ Bi
Hình 3.3.6. Đường quá trình lưu lượng tại trạm Cổ Bi
3.3.4. Xác định thông số
Qua kết quả tính toán lưu lượng tại hai trạm Thượng Nhật và Cổ Bi, nhận thấy kết quả tính toán ở trạm Thượng Nhật tốt hơn nhiều so với trạm Cổ Bi. Đối với lưu vực Cổ Bi, đường quá trình mô phỏng luôn thấp hơn đường quá trình tính toán và do đó lưu lượng tính toán thường nhỏ hơn lưu lượng thực đo. Nguyên nhân của sai số này vẫn là do chủ quan, nhưng bên cạnh đó thì số liệu ở đây quá ít và
đặc biệt là đặc trưng khí tượng thay đổi rất mạnh trên một vùng nhỏ nên không phản ánh đúng hình thái thời tiết ở đây. Đó là trở ngại lớn nhất của bài toán, gây khó khăn nhiều cho quá trình mô phỏng.
Để hoàn chỉnh mô hình mưa - dòng chảy, mô hình NAM được kết nối trực tiếp với mô hình thủy động lực một chiều, nhằm kiểm chứng mô hình theo số liệu mực nước thực đo tại các trạm cửa ra của lưu vực. Vì công cụ mô hình sử dụng là MIKE FLOOD nên trong bước thiết lập mô hình một chiều MIKE 11 đã không đưa ô chứa vào mô hình nên khả năng hiệu chỉnh tiếp theo ở bước này là không khả thi vì không phù hợp với thực tế. Do đó để có được bộ thông số của mô hình hoàn chỉnh thì phải thực hiện hiệu chỉnh cùng MIKE FLOOD. Như vậy, trong bước này thực hiện hiệu chỉnh mô hình cho lưu vực Tả Trạch, Bình Biền, Huế, Cầu Hai và Ô Lâu. Trên cơ sở các thông số mô hình của hai lưu vực đã hiệu chỉnh, tiếp tục hiệu chỉnh mô hình mưa theo mực nước thực đo trong các thời đoạn lũ của trạm Phong Bình trên sông Ô Lâu, trạm Bình Điền trên sông Hữu Trạch và trạm Phú ốc trên sông Bồ. Để hoàn thành một lần mô phỏng cho khoảng 10 ngày lũ với mô hình MIKE FLOOD thì cần tốn một khoảng thời gian là 38 42 giờ "chạy máy", trong khi cũng với con lũ đó, nếu được mô phỏng bằng mô hình MIKE 11 thì lại rất nhanh, chỉ mất khoảng 5 7 phút "chạy máy". Do đó, nhằm giảm thời gian xử lý bài toán, trong luận văn có tham khảo bộ thông số của mô hình NAM cho vùng nghiên cứu của Viện Khoa học Thủy lợi [22].
Qua các bước hiệu chỉnh mô hình, các thông số của mô hình NAM được xác định như thể hiện trong bảng 3.3.2.