3.5.1. Thiết lập các kết nối
Các kết nối được sử dụng trong mô hình gồm có kết nối chuẩn (Standard (E)); kết nối công trình (tiêu tán năng lượng - Structure (I)); kết nối hai bên (Lateral) và kết nối không có dòng chảy (XFLOW = 0; YFLOW = 0).
Các kết nối chuẩn và kết nối có công trình trong mô hình được đặt vào cuối các nhánh sông tại vị trí biên dưới của mạng sông MIKE 11. Các kết nối còn lại là kết nối hai bên và kết nối không có dòng chảy được thiết lập dọc theo các đoạn sông hoặc nhánh sông. Các kết nối của mô hình được nêu trong bảng 3.5.1.
Bảng 3.5.1. Các kết nối trong mô hình MIKE FLOOD
Vị trí trong M11
TT Loại kết nối Sông
Bắt đầu Kết thúc
Số ô kết nối trong M21
Phía kết nối đối với M11
1 Standard (E) Ô Lâu 32.100 – 5 Trái
2 Lateral Ô Lâu 2.000 32.100 201 –
3 XFLOW = 0 Ô Lâu 2.000 32.100 202 –
4 YFLOW = 0 Ô Lâu 2.000 32.100 202 –
5 Lateral Ô Lâu 2.000 32.100 197 Trái
6 Lateral Bồ 3.500 30.200 260 Trái
7 XFLOW = 0 Bồ 3.500 30.200 265 –
8 YFLOW = 0 Bồ 3.500 30.200 265 –
9 Lateral Bồ 3.500 30.200 253 Trái
10 Standard (E) An Xuân 10.300 – 3 –
11 Lateral An Xuân 0 10.300 91 Trái
12 XFLOW = 0 An Xuân 0 10.300 93 –
Vị trí trong M11
TT Loại kết nối Sông
Bắt đầu Kết thúc
Số ô kết nối trong M21
Phía kết nối đối với M11
14 Lateral An Xuân 0 10.300 86 Phải
15 Standard (E) Diên Hồng 5.700 – 3 –
16 Lateral Diên Hồng 0 5.700 61 Trái
17 XFLOW = 0 Diên Hồng 0 5.700 61 –
18 YFLOW = 0 Diên Hồng 0 5.700 61 – (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
19 Lateral Diên Hồng 0 5.700 61 Phải
20 Lateral Nham Biều 0 13.400 112 Phải
21 Standard (E) Quán Cửa 5.300 – 3 –
22 Lateral Quán Cửa 0 5.300 51 Trái
23 XFLOW = 0 Quán Cửa 0 5.300 53 –
24 YFLOW = 0 Quán Cửa 0 5.300 53 –
25 Lateral Quán Cửa 0 5.300 52 Phải
26 Structure (I) Hương 31.100 – 7 –
27 Lateral Hương 8.900 31.100 225 Trái
28 XFLOW = 0 Hương 8.900 31.100 228 –
29 YFLOW = 0 Hương 8.900 31.100 228 –
30 Lateral Hương 8.900 31.100 220 Phải
31 Lateral Bạch Yến 0 5.400 33 Trái
32 Lateral An Hòa 0 2.800 31 Trái
33 Lateral Kẻ Vạn 0 2.400 27 Trái
34 Lateral Đông Ba 0 2.600 31 Trái
35 Standard (E) La ỷ 7.000 – 4 – 36 Lateral La ỷ 0 7.000 73 Trái 37 XFLOW = 0 La ỷ 0 7.000 72 – 38 YFLOW = 0 La ỷ 0 7.000 72 – 39 Lateral La ỷ 0 7.000 70 Phải 40 Lateral Đập Đá 0 14.600 153 Trái
41 Standard (E) Cầu Long 5.800 – 3 –
42 Lateral Cầu Long 0 5.800 54 Phải
43 XFLOW = 0 Cầu Long 0 5.800 56 –
Vị trí trong M11
TT Loại kết nối Sông
Bắt đầu Kết thúc
Số ô kết nối trong M21
Phía kết nối đối với M11
45 Lateral Cầu Long 0 5.800 57 Trái
46 Standard (E) Lợi Nông 28.100 – 5 –
47 Lateral Lợi Nông 0 28.100 259 Trái
48 XFLOW = 0 Lợi Nông 0 28.100 293 –
49 YFLOW = 0 Lợi Nông 0 28.100 293 – (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
50 Lateral Lợi Nông 0 28.100 289 Phải
51 Lateral Nông 1.600 8.800 48 Trái
52 Lateral Nông 3.000 8.800 48 Phải
53 Standard (E) Truồi 9.750 – 3 –
54 Lateral Truồi 3.000 9.750 64 Trái
55 Lateral Truồi 3.000 9.750 63 Phải
Hình 3.5.1. Mô hình MIKE FLOOD
Các kết nối hai bên và kết nối không có dòng chảy được thiết lập dọc theo các đoạn sông trong mô hình MIKE 11. Tuy nhiên, trong các kết nối hai bên, có những đoạn vị trí kết nối lại trùng với các ô lưới trong MIKE 21 có cao trình điểm đất là 6,5 m nên tại các vị trí này không được thiết lập liên kết vì điểm này không có nước tràn trong toàn bộ thời gian mô phỏng.
Các kết nối không có dòng chảy là kết nối nhằm mục đích không cho nước chảy trực tiếp từ bãi tràn bờ bên này sang bãi tràn bờ bên kia của một đoạn sông. Do đó, căn cứ vào các tài liệu có và qua nhiều lần hiệu chỉnh, các kết nối không có dòng chảy được thiết lập như trong bảng 3.5.1.
Trên toàn bộ hệ thống, có duy nhất một kết nối công trình l>m nhiệm vụ tiêu tán năng lượng tại vị trí đập Thảo Long ở hạ lưu sông Hương đoạn đổ ra đầm phá. Các vị trí đổ vào đầm phá của các đoạn sông khác đều được thiết lập kết nối chuẩn vì tại đó đã có đập hoặc cống điều tiết. Các kết nối chuẩn này có nhiệm vụ nối các công trình trong MIKE 11 vào một hoặc một vài ô lưới trong MIKE 21 để thực hiện việc trao đổi nước giữa hai mô hình tại vị trí biên hạ lưu của MIKE 11.
3.5.2. Mô phỏng và hiệu chỉnh mô hình
Trận lũ mô phỏng diễn ra từ ngày 23/11/2004 đến ngày 30/11/2004. Trong trận lũ này, mực nước tại các trạm Phong Bình, Phú ốc, Kim Long và Bình Điền được quan trắc. Sau khi thực hiện mô phỏng, các số liệu quan trắc được tại 4 trạm được dùng vào việc hiệu chỉnh cho mô hình.
Bước thời gian mô phỏng trong mô hình một chiều MIKE 11 là không hạn chế do thuật giải của mô hình là sơ đồ sai phân ẩn. Nhưng khi kết hợp với mô hình hai chiều MIKE 21 thông qua mô hình MIKE FLOOD thì bước thời gian trong tính toán bị ràng buộc bởi điều kiện Courant về độ ổn định và hội tụ của mô hình. Với thuật giải của mô hình MIKE 21 sử dụng sơ đồ sai phân hiện nên phải đảm bảo rằng bước thời gian t và bước lưới x luôn thỏa mãn ràng buộc:
max x t v c Trong đó: vmax - vận tốc lớn nhất (m/s);
c - vận tốc truyền sóng trong nước tĩnh (m/s), c gh. h - độ sâu (m);
g - gia tốc trọng trường (m/s2).
Trong mô hình MIKE 21, khái niệm số Courant được thiết lập nhằm cảnh báo khả năng hội tụ nghiệm của mô hình.
t t Cr c gh x x
Vì bước lưới trong bản đồ cao độ số Bathymetry đã được thiết lập với khoảng cách x = y = 120 m nên bước thời gian được lựa chọn để mô phỏng là 6 s. Khi đó mô hình đã tính toán và cảnh báo số Cr = 0,81183 è 1 thỏa mãn điều kiện ổn định và hội tụ mô hình. Như vậy với bước thời gian lựa chọn là 6 s thì mô hình phải thực hiện 100.000 bước tính, trong đó 1.000 bước tính đầu được dùng để làm “nóng” mô hình.
Bước hiệu chỉnh mô hình được thực hiện đầu tiên là kiểm tra và xử lý những điểm còn chưa phù hợp khi “đặt” mạng sông trong mô hình một chiều MIKE 11 lên trên nền địa hình Bathymetry của mô hình hai chiều MIKE 21. Bước hiệu chỉnh này phải thực hiện sao cho đường sông chính trong mô hình MIKE 11 phải “trùng” với đường sông trên nền mô hình MIKE 21. Điểm kết nối chuẩn hay kết nối công trình ở hạ lưu các đoạn sông nơi đổ ra đầm phá phải có độ sâu tương ứng giữa hai mô hình.
Ngoài ra, xét về mặt địa hình, dữ liệu về độ rộng và độ sâu phải có sự đồng nhất tương đối giữa các mặt cắt trong mô hình một chiều với số điểm lưới và độ sâu các điểm lưới trong mô hình hai chiều. Độ rộng và độ sâu các mặt cắt rất khó phù hợp một cách tuyệt đối vì bản thân bản đồ Bathymetry được xây dựng dựa trên việc nội suy từ bản đồ cao độ số DEM với độ phân giải 90 m 90 m. Độ sâu các điểm lưới trên bản đồ Bathymetry chỉ là độ sâu trung bình cho một vùng có diện tích 120 m 120 m, còn độ sâu tại từng mặt cắt trong mô hình một chiều lại được đo theo từng điểm trên thủy trực đo sâu. Sự sai khác đó sẽ được hiệu chỉnh sơ bộ k’ m theo việc hiệu chỉnh các thông số khác của mô hình như hệ số nhám, các trọng số sai phân theo không gian và thời gian, hệ số nhớt rối hay hệ số ma sát gió...
Việc hiệu chỉnh hệ số nhám được hiệu chỉnh đồng bộ giữa hai mô hình. Kết quả hiệu chỉnh hệ số nhám cho toàn bộ hệ thống là nlòng = 0,018, nbãi = 0.035 đối với mô hình MIKE 11, tương ứng là Mlòng = 55, Mbãi = 25 đối với mô hình MIKE 21. Vì các đoạn sông và các khu chứa có đặc thù khác nhau nên hệ số nhám của chúng cũng khác nhau. Một số vị trí trong lòng và trên bãi được hiệu chỉnh cục bộ với hệ số nhám lòng thay đổi nlòng = 0,017 0,020, nbãi = 0,030 0,045.
Kết quả tính toán mực nước lũ tại bốn vị trí có tài liệu mực nước thực đo được thể hiện trên các hình từ 3.5.2 đến 3.5.5.
Water level - tính toán; External TS 1 - thực đo
Hình 3.5.2. Mực nước thực đo và tính toán tại trạm Phong Bình trên sông Ô Lâu
Water level - tính toán; External TS 1 - thực đo
Water level - tính toán; External TS 1 - thực đo
Hình 3.5.4. Mực nước thực đo và tính toán tại trạm Kim Long trên sông Hương
Water level - tính toán; External TS 1 - thực đo
Hình 3.5.5. Mực nước thực đo và tính toán tại trạm Bình Điền trên sông Hữu Trạch (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.5.6. Phạm vi ngập lụt lớn nhất lúc 20h00 ngày 26/11/2004
3.5.3. Kết quả mô phỏng
Từ các kết quả đạt được sau khi thực hiện hiệu chỉnh mô hình, các giá trị mực nước và lưu lượng lũ lớn nhất của trận lũ tháng 11/2004 tại một số vị trí được nêu trong bảng 3.5.2.
Bảng 3.5.2. Giá trị mực nước và lưu lượng lũ lớn nhất tại một số vị trí
Mực nước Hmax (m)
TT Địa danh Vị trí trên sông Lưu lượng
Qmax (m3
/s) Thực đo Tính toán
1 Bình Điền Hữu Trạch 518.5 3.361,46 9,15 9,02
2 Ngã ba Tuần Hương 0.0 7.669,85 6,26
3 Hòn Chén Hương 1943 7.667,56 5,90
4 Nham Biều Hương 9400 7.766,07 4,47
5 Thiên Mụ Hương 10120 6.944,00 4,39
6 Kim Long Hương 12190 6.948,74 4,02 4,04
7 Ngã ba Sình Hương 24660 3.930,17 2,43
8 Cổ Bi Bồ 0.0 3.014,95 7,00
9 An Lỗ Bồ 5160 3.407,94 5,99
Mực nước Hmax (m)
TT Địa danh Vị trí trên sông Lưu lượng
Qmax (m3
/s) Thực đo Tính toán
11 Đầu kênh An Xuân An Xuân 0.0 2.046,94 3,25
12 Thượng lưu cống An Xuân An Xuân 9800 166,43 2,90
13 Hạ lưu cống An Xuân An Xuân 10300 161,42 2,40
14 Đầu kênh Diên Hồng Diên Hồng 0.0 248,40 3,15
15 Thượng lưu cống Phú Cam Hương 13990 6.713,13 3,80
16 Hạ lưu cống Phú Cam Lợi Nông 300 255,02 2,52
17 Thượng lưu Đập Đá Hương 17464 5.490,26 3,00
18 Hạ lưu Đập Đá Đập Đá 1000 81,46 1,74
19 Thượng lưu đập La ỷ Hương 20000 3.645,47 2,79 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
20 Hạ lưu đập La ỷ La ỷ 500 222,44 1,99
21 Bao Vinh Hương 21259 4.465,92 2,75
22 Thượng lưu cống Quan Lợi Nông 27300 460,88 1,80
23 Phong Bình Ô Lâu 16300 696,63 3,13 3,19
24 Thượng lưu Cửa Lác Ô Lâu 31100 993,81 2,66
25 Hạ lưu Cửa Lác Ô Lâu 32100 930,48 2,61
Để kiểm chứng sự chính xác của mô phỏng, các chỉ tiêu đánh giá được sử dụng theo quy phạm 94TCN-91 của Tổng cục Khí tượng Thủy văn (Phụ lục PL.2.2).
Bảng 3.5.3. Chỉ tiêu đánh giá sai số giữa thực đo và tính toán tại trạm Phong Bình trên sông Ô Lâu
Hmax (cm) tmax (h) R2 P (%)
6,0 3 0,70 78
Bảng 3.5.4. Chỉ tiêu đánh giá sai số giữa thực đo và tính toán tại trạm Phú ốc trên sông Bồ
Hmax (cm) tmax (h) R2 P (%)
16,0 13 0,78 83
Bảng 3.5.5. Chỉ tiêu đánh giá sai số giữa thực đo và tính toán tại trạm Kim Long trên sông Hương
Hmax (cm) tmax (h) R2 P (%)
Bảng 3.5.6. Chỉ tiêu đánh giá sai số giữa thực đo và tính toán tại trạm Bình Điền trên sông Hữu Trạch
Hmax (cm) tmax (h) R2 P (%)
13,0 6 0,82 87
Các chỉ tiêu đánh giá sai số được liệt kê trong các bảng từ 3.5.3 3.5.6 cho thấy, mô phỏng tại trạm Kim Long là tốt nhất với sai số giá trị mực nước đỉnh lũ
Hmax giữa thực đo và tính toán chỉ là 2 cm, với mức đảm bảo và chỉ số Nash- Sutcliff R2 đạt trên 90%, mô phỏng được đánh giá là tốt. Tuy nhiên sai số thời gian xuất hiện mực nước đỉnh lũ lại lớn nhất, thời gian xuất hiện đỉnh lũ trong mô phỏng đến sớm hơn thực đo là 15 giờ. Xét về mặt sai số đỉnh lũ và thời gian xuất hiện đỉnh thì mô phỏng tại trạm Phong Bình trên sông Ô Lâu cho kết quả đáng tin cậy nhất. Hai trạm còn lại là Phú ốc và Bình Điền có kết quả mô phỏng cho thấy giá trị sai lệch đỉnh lũ cao hơn, chưa “bắt” được chính xác thời điểm xuất hiện đỉnh lũ, nhưng xét theo chỉ số mức đảm bảo và chỉ số Nash-Sutcliff thì cả hai trạm này đều đạt yêu cầu. Đánh giá theo chỉ tiêu mức đảm bảo của cả bốn trạm có số liệu mực nước quan trắc trên toàn bộ hệ thống thì tại trạm Phong Bình trên sông Ô Lâu tuy có giá trị thấp hơn so với ba trạm còn lại, nhưng theo ngưỡng đánh giá của chỉ số này thì P = 78% là đạt yêu cầu. Ba trạm còn lại thì trị số này đều có giá trị lớn hơn 82% và được đánh giá là tốt.
Từ kết quả tính toán lưu lượng, lũ chính vụ tháng 11/2004 là trận lũ tương đối lớn với lưu lượng tại Cổ Bi là 3.015 m3/s, tại Bình Điền là 3.362 m3/s, tại ngã ba Tuần là 7.670 m3/s và tại Kim Long là 6.949 m3/s. Tại ngã ba Tuần, mực nước tăng thêm 4,46 m chỉ sau 11 giờ. Đoạn từ ngã ba Tuần về Kim Long dài hơn 12 km, đỉnh lũ tại Kim Long xuất hiện lúc 3h00 ngày 26/11 và muộn hơn 6 giờ so với tại ngã ba Tuần. Tại Bao Vinh, do đây là vùng đồng bằng ven biển nên tại đây mực nước lũ cũng lên chậm hơn, sau 29 giờ mực nước chỉ tăng được 1,35 m và đạt đỉnh ở ngưỡng 2,75 m lúc 5h00 ngày 26/11, như vậy Bao Vinh cách Kim Long khoảng 10 km, đỉnh lũ đã xuất hiện chậm hơn 2 giờ. Tại ngã ba Sình, do chỉ cách Bao Vinh khoảng 3,5 km nên dạng quá trình lũ không khác là mấy so với tại Bao Vinh tuy giá trị mực nước và lưu lượng đỉnh lũ có thấp hơn.
Trên sông Bồ, tuy Phú ốc cách Cổ Bi khoảng gần 10 km nhưng mực nước
đỉnh lũ tại Cổ Bi là 7,00 m lúc 2h00 ngày 26/11 và tại Phú ốc là 5,11 m xuất hiện gần như đồng thời tại Cổ Bi. Điều này chứng tỏ rằng lưu vực sông Bồ có độ dốc lớn nên lũ tập trung nhanh khi có mưa lớn xảy ra, tốc độ dòng chảy lớn nên vận tốc truyền lũ cao.
Quá trình ngập lụt trên toàn bộ lưu vực sông Hương bắt đầu diễn ra từ lúc 7h00 ngày 25/11 (Phụ lục PL.2), đến 20h00 ngày 26/11 diện tích ngập lụt trên toàn hệ thống là lớn nhất với tổng diện tích ngập lụt gần 20.000 ha (Hình 3.5.6), và kéo dài đến hết ngày 29/11 (Phụ lục PL.2). Thời gian ngập trên lưu vực tồn tại hơn 3 ngày vì khả năng thoát nước của hệ thống là chậm. Với trận lũ này, toàn bộ đồng bằng phía hạ lưu bị ngập, lũ trên sông Bồ và sông Hương gặp nhau tại ngã ba Sình (Hình 3.5.7) làm cho lũ rút chậm khiến tình trạng ngập kéo dài gây ảnh hưởng đến hoạt động dân sinh kinh tế xã hội trong vùng, đặc biệt là khu vực nội thành Huế. Dòng chảy lũ trên sông Cầu Long đổ vào đầm phá một phần chảy theo đầm Hà Trung - Thủy Tú rồi đổ ra biển thông qua cửa Tư Hiền, một phần lại được nhập lưu vào dòng chính của sông La ỷ đổ ra biển thông qua cửa Thuận An. Điều này đã góp phần làm cho trường vận tốc tại cửa Thuận An lớn hơn. Thời điểm xảy ra hiện tượng ngập lụt lớn nhất cũng trùng với thời điểm mực nước triều tại hai cửa Thuận An và Tư Hiền đạt đỉnh của chu kỳ triều (Hình 3.4.5 và 3.4.6) làm khả năng thoát lũ của toàn hệ thống thông qua cửa biển gặp khó khăn. Hiện