Thiết lập mụ hỡnh thủy lực Mike11 tớnh toỏn lũ trờn hệ thống sụng

b. Đặc điểm mưa, lũ trờn lưu vực sụng Thương

3.2.2.1 Thiết lập mụ hỡnh thủy lực Mike11 tớnh toỏn lũ trờn hệ thống sụng

Hồng –Thỏi Bỡnh

a. Phạm vi nghiờn cứu của mụ hỡnh thủy lực

Viợ̀c nghiờn cứu tính toán chế độ thủy lực sụng Thỏi Bỡnh cú liờn quan chặt chẽ đờ́n chờ́ đụ̣ thủy lực của cỏc sụng trong hệ thống sụng Hồng – Thỏi Bỡnh, do đó việc tớnh toỏn dũng chảy lũ được tiến hành cho toàn mạng sụng.

b. Sơ đồ thủy lực

Sơ đụ̀ mạng sụng đưa vào tính toán như sau: Sụng Đà, Thao, Lụ, Gõm, Chảy, Phú Đỏy, Hụ̀ng, Cõ̀u, Thương, Lục Nam, Đuụ́ng, Thái Bình, Văn Úc, Kinh Thõ̀y, Kinh Mụn, Lai Vu, Gùa, Đá Bạch, Mới, Mía, Luụ̣c, Lạch Tray, Hóa, Trà Lý, Đào, Hoàng Long, Ninh Cơ, Cấm và Đáy.

Sơ đồ thủy lực tớnh toỏn dũng chảy khu vực nghiờn cứu được chọn như hỡnh vẽ sau:

Hỡnh 3-1: Sơ đồ mạng thủy lực sụng Hồng – Sụng Thỏi Bỡnh và hệ thống biờn trờn- dưới mụ phỏng trờn mụ hỡnh Mike11 theo hệ tọa độ VN2000

 Điều kiện biờn:

Về biờn của bài toỏn, căn cứ vào sơ đồ tớnh toỏn, tỡnh hỡnh tài liệu thu thập được, cỏc biờn được sử dụng tớnh trong mụ hỡnh bao gồm:

Biờn trờn của mụ hỡnh:

Với mạng sụng tớnh toỏn đó được xỏc định ở trờn, biờn trờn của mụ hỡnh thủy lực là quỏ trỡnh lưu lượng theo thời gian Q = f (t) tại 11 vị trớ sau:

 Tại Yờn Bỏi trờn sụng Thao (FLV = 48.000km2)

 Tại hạ lưu cụng trỡnh hồ chứa Hũa Bỡnh trờn sụng Đà (FLV = 51.800km2)  Tại Na Hang trờn sụng Gõm (FLV = 12.690km2)

 Tại hạ lưu cụng trỡnh hồ chứa Thỏc Bà trờn sụng Chảy (FLV = 6.170km2)  Tại trạm Thủy văn Hàm Yờn trờn sụng Lụ (FLV = 11.900km2)

 Tại hạ lưu đập Liễn Sơn (trạm thủy văn Quảng Cư) trờn sụng Phú Đỏy (FLV = 1.223km2)

 Tại Bến Đế trờn sụng Hoàng Long  Tại trạm thủy văn Ba Thỏ trờn sụng Đỏy

 Tại trạm thủy văn Cầu Sơn trờn sụng Thương (FLV = 2.330km2)  Tại trạm thủy văn Chũ trờn sụng Lục Nam (FLV = 980km2)  Tại trạm thủy văn Thỏc Bưởi trờn sụng Cầu (FLV = 2.220km2) Biờn dọc sụng của mụ hỡnh:

Biờn dọc của mụ hỡnh là cỏc đường quỏ trỡnh lưu lượng Q = f(t) gia nhập khu giữa được tớnh toỏn bằng mụ hỡnh thủy văn (mụ hỡnh NAM) tại 9 vị trớ trờn hệ thống sụng Hồng – Thỏi Bỡnh.

Biờn dưới của mụ hỡnh:

Biờn dưới là quỏ trỡnh mực nước giờ tại cỏc cửa sụng trờn hệ thống bao gồm Cửa Đỏy, Cửa Ninh Cơ, cửa Ba Lạt, cửa Trà Lý, cửa Thỏi Bỡnh, cửa Văn Úc, cửa

Lạch Tray, cửa Cấm, cửa Đỏ Bạch. Do thực tế hiện nay khụng cú tài liệu mực nước thực đo ngay tại cửa sụng vỡ cỏc trạm đo mực nước đều cỏch cửa sụng 6-10 km. Mặt khỏc theo kết quả phõn tớch tương quan mực nước triều tại Hũn Dỏu với mực nước cỏc trạm cửa sụng, thấy cỏc hệ số tương quan rất cao (γ = 0.96 - 0.99), nờn trong mụ hỡnh đó nội suy mực nước giữa cỏc trạm cửa sụng với mực nước triều tại Hũn Dỏu cho tất cả cỏc biờn mực nước.

 Điều kiện ban đầu:

Mực nước và lưu lượng ở cỏc mặt cắt tớnh toỏn tại thời điểm bắt đầu quỏ trỡnh mụ phỏng

d. Cỏc tài liệu cơ bản sử dụng trong mụ hỡnh

 Các cụng trình hụ̀ chứa có nhiợ̀m vụ cắt giảm lũ cho hạ du:

Hụ̀ Hòa Bình trờn sụng Đà:

+ Cao trình mực nước dõng bình thường: 117,0 m

+ Mực nước dõng gia cường 122,0 m

+ Mực nước trước lũ thṍp nhṍt 88,0 m

+ Dung tích cắt, giảm lũ cho hạ du 4,9 tỷ m3.

+ Xả đáy: 12 cửa, b x h = (10 x 6) m, cao trình ngưỡng 56 m

+ Xả mặt: 6 cửa, b x h = (10 x 15) m, cao trình ngưỡng 102 m  Hụ̀ Thác Bà trờn sụng Chảy:

+ Cao trình mực nước dõng bình thường: 58,0 m

+ Mực nước dõng gia cường 61,0 m

+ Mực nước trước lũ thṍp nhṍt 56,0 m

+ Dung tích cắt, giảm lũ cho hạ du 0,45 tỷ m3

 Hụ̀ Tuyờn Quang trờn sụng Gõm:

+ Cao trình mực nước dõng bình thường: 120,0 m

+ Mực nước dõng gia cường 122,55 m

+ Mực nước trước lũ thṍp nhṍt 90,0 m

+ Dung tích cắt, giảm lũ cho hạ du 1,0 tỷ m3

+ Xả đáy: 8 cửa, b x h = (4,5 x 6) m, cao trình ngưỡng 79 m

+ Xả mặt: 4 cửa, b x h = (15 x 15,87) m, cao trình ngưỡng 104,45 m  Hụ̀ Sơn La trờn sụng Đà (thượng du của hụ̀ chứa Hòa Bình, đang được

xõy dựng):

+ Cao trình mực nước dõng bình thường: 215,0 m

+ Mực nước dõng gia cường 217,83 m

+ Dung tích cắt, giảm lũ cho hạ du 4,0 tỷ m3 (kờ́t hợp với hụ̀ Hòa Bình)

+ Xả đáy: 8 cửa, b x h = (4,5 x 8) m, cao trình ngưỡng 240 m

+ Xả mặt: 4 cửa, b x h = (15 x 13) m, cao trình ngưỡng 282 m

Trong giai đoạn từ nay đờ́n 2010, hụ̀ Hòa Bình, hụ̀ Thác Bà và hụ̀ Tuyờn Quang sẽ vọ̃n hành cắt giảm lũ cho hạ du. Từ sau năm 2010 tṍt cả các hụ̀ chứa hụ̀ Hòa Bình, hụ̀ Thác Bà và hụ̀ Tuyờn Quang, hụ̀ Sơn La sẽ vọ̃n hành cắt giảm lũ cho hạ du, khi đó các hụ̀ chứa trờn bọ̃c thang sụng Đà sẽ có tụ̉ng dung tích 7,0 tỷ m3 và hợ̀ thụ́ng sụng Lụ, Gõm là 1,5 tỷ m3 cắt lũ cho hạ du.

 Tài liợ̀u địa hình:

Tài liệu địa hỡnh bao gồm mặt cắt ngang, trắc dọc toàn tuyến hệ thống sụng Hồng - Thỏi Bỡnh, được đo năm 1999-2000 trong dự ỏn phũng chống lũ đồng bằng sụng Hồng và được cỏc dự ỏn thuỷ điện Sơn La, và thuỷ điện Tuyờn Quang thực

hiện. Cỏc tài liệu cú độ tin cậy cao và đó được cỏc cơ quan sử dụng trong cỏc dự ỏn thuộc đồng bằng sụng Hồng. Riờng tài liợ̀u mụ̣t sụ́ đoạn mới đo được cọ̃p nhọ̃t như:

+ Số liệu 15 mặt cắt trờn sụng Lụ đo thỏng 1 và thỏng 2/2008.

+ Số liệu 94 mặt cắt đoạn sụng Hồng qua Hà Nội đo năm 2006

+ Số liệu mới đo đạc của dự ỏn của cỏc sụng trờn địa bàn tỉnh Hải Dương vào thỏng 5/2009.

Đõy là bộ số liệu khỏ hoàn chỉnh và đồng bộ, khoảng cỏch đo đạc giữa cỏc mặt cắt ngang biến đổi trong phạm vi từ 2 ữ 4 km. Tất cả cỏc mặt cắt đó được kiểm tra về mốc cao độ và kiểm tra về vị trớ. Dưới đõy là bảng thống kờ tài liệu và số lượng mặt cắt địa hỡnh lũng dẫn mạng sụng sử dụng trong mụ hỡnh.

Bảng 3-6: Địa hỡnh lũng dẫn sụng Hồng- Thỏi Bỡnh

TT Tờn sụng Năm đo Chiều dài(m) Số mặt cắt

1 Đà 2000 55000 47 2 Lụ 2000 137755 50 3 Gõm 2000 39300 10 4 Chảy 2000 1500 2 5 Thao 2000 71923 35 6 Thao - Hồng 2000 26000 27 7 Phú Đỏy 2000 28350 8 8 Hồng 2000, 2006 228953 196 9 Đuống 2000 56740 32 10 Đỏy 2000 191781 96 11 Hoàng Long 2000 22150 7 12 Đào 2000 25240 9 13 Ninh Cơ 2000 43450 25 14 Luộc 2000 62800 34 15 Húa 2000 36650 19 16 Trà Lý 2000 59300 34 17 Cầu 2000 137420 47 18 Thương 2000 87650 32 19 Lục Nam 2000 53150 15 20 Thỏi Bỡnh 2000 90970 51 21 Kinh Thầy 2000 45750 25

22 Kinh Mụn 2000 35450 17 23 Văn Úc 2000 34961 20 24 Gựa 2000 1367 3 25 Mớa 2000 1350 2 26 Mới 2000 2300 3 27 Lai Vu 2000 24750 13 28 Lạch Tray 2000 40727 24 29 Cấm 2000 24240.27 13 30 Đỏ Bạch 2000 20550 12

 Tài liệu khớ tượng thủy văn:

Để xõy dựng mụ hỡnh thủy lực lũ cho sụng Hồng – Thỏi Bỡnh, cỏc tài liệu thủy văn đó được thu thập và phõn tớch gồm: tài liệu về mực nước và dũng chảy.

Tài liệu dũng chảy tại cỏc trạm phớa thượng lưu và tài liệu mực nước tại cỏc cửa sụng được dựng làm biờn trờn và biờn dưới của mụ hỡnh. Quỏ trỡnh mực nước và lưu lượng tại cỏc trạm bờn trong sơ đụ̀ thủy lực được sử dụng để hiệu chỉnh và kiểm định mụ hỡnh.

Tài liệu mưa và cỏc tài liệu khớ tượng khỏc cũng được thu thập để tớnh toỏn dũng chảy cho cỏc sụng khụng cú tài liệu đo mực nước.

Tài liệu mực nước và lưu lượng:

Lấy trận lũ lớn xảy ra vào thỏng VIII/1996 để hiệu chỉnh và trận lũ thỏng VIII/2002 để kiờ̉m định lại bụ̣ thụng sụ́ của mụ hình thủy lực. Tài liệu tại cỏc trạm trong lưu vực được cung cấp bởi Trung tõm tư liợ̀u. Tài liệu thủy văn hiện cú quy định phạm vi nghiờn cứu của mụ hỡnh, cụ thể là biờn trờn của mỗi sụng được kộo dài đến trạm thủy văn nơi cú tài liệu đo đạc.

Cửa sụng của mỗi chi lưu được chọn là biờn dưới của mụ hỡnh. Tài liệu về mực nước của tất cả cỏc cửa sụng vựng hạ lưu được lấy dựa trờn tài liệu thực đo tại trạm Hũn Dấu truyền vào 9 cửa sụng.

Ngoài tài liệu tại cỏc trạm ngoài sử dụng như cỏc biờn của mụ hỡnh thủy lực, tài liệu tại cỏc trạm đo của cỏc sụng bờn trong cũng được thu thập và sử dụng cho

việc hiệu chỉnh mụ hỡnh sau này. Kết quả tớnh toỏn mực nước và lưu lượng từ mụ hỡnh Mike 11 sẽ được so sỏnh với cỏc giỏ trị thực đo tại cỏc trạm để kiểm định và xỏc định bộ thụng số của mụ hỡnh thủy lực. Cỏc trạm dựng để hiệu chỉnh và kiểm định mụ hỡnh được thống kờ trong bảng sau:

Bảng 3-7: Các trạm thủy văn dùng đờ̉ hiệu chỉnh và kiờ̉m định mụ hình

TT Tờn trạm Tờn sụng Vị trớ 1 Trung Hà(H) Đà 52100 2 Gềnh Gà(H) Lụ 44780 3 Tuyờn Quang(H) Lụ 48680 4 Sơn Tõy(Q,H) Hồng 28037 5 Hà Nội(Q,H) Hồng 72390 6 Hưng Yờn(H) Hồng 131091

7 Giỏn Khẩu(H) Đỏy 132815

8 Quyết Chiến(H) Trà Lý 2000

9 Thỏi Bỡnh(H) Trà Lý 26250

10 Thượng Cỏt(Q,H) Đuống 4600

11 Bến Hồ(H) Đuống 34620

12 Triều Dương(H) Luộc 0

13 Chanh Chữ Luộc 42750 14 Đỏp Cầu(H) Cầu 103310 15 Phả Lại(H) Thỏi Bỡnh 0 16 Cỏt Khờ(H) Thỏi Bỡnh 11010 17 Phỳ Lương(H) Thỏi Bỡnh 30690 18 Bến Bỡnh(H) Kinh Thầy 9550

19 Trung Trang(H) Văn Úc 2030

Tài liệu mưa và cỏc tài liệu khớ tượng khỏc:

Đối với những sụng khụng cú tài liệu thực đo thi mụ hỡnh NAM đó được sử dụng để tớnh toỏn tài liệu dũng chảy cho cỏc sụng đú. Dũng chảy sinh ra từ cỏc lưu vực nằm trong phạm vi nghiờn cứu của mụ hỡnh cũng được tớnh toỏn bằng phương phỏp nờu trờn. Dũng chảy tớnh toỏn sau đấy được dựng làm biờn nhập lưu khu giữa cho mụ hỡnh thủy lực sau này. Tài liệu mưa, bốc hơi và cỏc đặc trưng về lưu vực được thu thập để tiến hành xõy dựng mụ hỡnh NAM.

e. Hiệu chỉnh và kiểm định mụ hỡnh

Thiết lập mạng sụng (Network Editor):

Căn cứ vào sơ đồ thủy lực mạng sụng đó núi ở trờn, tiến hành thiếp lập mạng sụng. Mạng sụng tớnh toỏn được số húa từ thượng nguồn xuống cỏc cửa sụng, được thiết lập trờn cơ sở bản đồ (dạng điểm ảnh *.bmp, *.jpg, *.gif) mạng lưu vực sụng Hồng.

Trong quỏ trỡnh thiết lập mạng sụng, lưu lượng yờu cầu cho cỏc vựng trờn dũng chớnh tại cỏc nỳt gắn cũng được gắn vào lưới sụng trục chớnh. File mạng sụng được lưu trong file cú đuụi *.nwk11.

Thiết lập dữ liệu địa hỡnh (Cross-Section Editor):

Căn cứ tài liệu đo đạc cỏc mặt cắt dọc theo nhỏnh sụng đó thu thập được, tiến hành xõy dựng file dữ liệu về địa hỡnh cho mụ hỡnh. Số liệu mặt cắt được lưu trong file cú đuụi *.xns11.

Thiết lập điều kiện biờn (Boundary Editors):

Cỏc điều kiện biờn trong Mike 11 được xỏc định bằng cỏch sử dụng phối hợp dữ liệu chuỗi thời gian đó làm trong Editor chuỗi thời gian (Time Series Editor) và mụ tả tại vị trớ cỏc điểm biờn và dạng biờn .… trong Editor biờn. Nghĩa là, “Boundary Editors” bao gồm Editor chuỗi thời gian và Editor biờn. Cả hai Editor này đều cần được hoạt hoỏ nhằm xỏc định một điều kiện biờn trong Mike 11.

“Time Series Editor” được thiết lập căn cứ vào chuỗi số liệu thủy văn tại cỏc trạm thủy văn dựng để hiệu chỉnh và kiểm định mụ hỡnh. File được lưu trong file cú đuụi *.dfs0.

Sau khi đó thiết lập được cỏc file chuỗi thời gian, tiến hành thiết lập điều kiện biờn tại cỏc vị trớ và dạng biờn tương ứng. Cỏc thụng tin được xỏc định trong “Boundary Editor” được lưu trong một tập tin editor biờn thủy động lực (*.bnd11).

Thiết lập file thụng số mụ hỡnh (Parameter File Editor):

Trong mụ hỡnh Mike11, file thụng số bao gồm cỏc Editor thủy động lực, tải khuyếch tỏn, chất lượng nước, vận chuyển bựn cỏt và mưa-dũng chảy mặt. “Parameter Editors” cú chứa thụng tin về cỏc biến liờn quan đến dạng tớnh toỏn đó chọn. Trong

trường hợp tớnh toỏn này, file thụng số được thiết lập cho mụ đun thủy động lực học (HD Parameter Editor), gồm thụng tin về lực cản đỏy- một biến quan trọng trong tớnh toỏn thủy lực và điều kiện ban đầu ...

Đối với hệ thống sụng phức tạp như sụng Hồng-Thỏi Bỡnh, cỏc điều kiện ban đầu được lấy một cỏch tương đối căn cứ theo tài liệu tại cỏc trạm thủy văn vào thời điểm tớnh toỏn đầu tiờn tại lần chạy thử đầu tiờn, sau đú cỏc lần chạy tiếp theo, điều kiện ban đầu sẽ được lấy từ một tập tin kết quả hiện cú. Sau một số bước tớnh toỏn, ảnh hưởng của điều kiện ban đầu sẽ bị mờ đi. Tất cả cỏc thụng tin được xỏc định trong “HD Parameter Editor” được lưu trong một tập tin Editor thụng số thủy động lực (*.hd11).

Thiết lập một mụ phỏng cho mụ hỡnh (Simulation Editor):

Mụ đun mụ phỏng (Simulation Editor) kết hợp tất cả cỏc thụng tin cần thiết cho Mike 11 để thể hiện một mụ phỏng. Thụng tin này bao gồm dạng mụ hỡnh để chạy, tờn và vị trớ của cỏc tập tin dữ liệu đầu vào, thời đoạn mụ phỏng, bước thời gian… và tờn của cỏc tập tin kết quả.

Tất cả cỏc thụng tin được xỏc định trong “Simulation Editor” được lưu trong một tập tin Editor mụ phỏng (*.sim11)

 Hiệu chỉnh thụng số mụ hỡnh thủy lực Mike 11:

Việc hiệu chỉnh thụng số mụ hỡnh chủ yếu được tiến hành bằng cỏch thay đổi hệ số nhỏm và kiểm tra tớnh hợp lý của cỏc điều kiện biờn. Trong trường hợp dũng chảy lũ cú hiện tượng tràn bói thỡ trờn mỗi mặt cắt ta chia ra làm nhỏm lũng dẫn và nhỏm bói sụng. Với dũng chảy kiệt dũng chảy chủ yếu trong lũng sụng, nờn việc hiệu chỉnh bộ thụng số chủ yếu là thay đổi độ nhỏm của lũng dẫn. Phương phỏp hiệu chỉnh thụng số ở đõy dựng phương phỏp thử-sai. Ta cú sơ đồ khối quỏ trỡnh hiệu chỉnh bộ thụng số mụ hỡnh như sau:

Quỏ trỡnh hiệu chỉnh cú thể túm tắt thành cỏc bước sau đõy:

Bước 1: Giả thiết bộ thụng số (chủ yếu là hệ số nhỏm), điều kiện ban đầu.

Bước 2: Sau khi đó cú bộ thụng số giả thiết, tiến hành chạy mụ hỡnh.

Bước 3: So sỏnh kết quả tớnh toỏn với số liệu thực đo tại cỏc trạm cú số liệu đo đạc lưu lượng và mực nước.

Việc so sỏnh này cú thể tiến hành bằng trực quan (so sỏnh hai đường quỏ trỡnh tớnh toỏn và thực đo trờn biểu đồ), đồng thời kết hợp đỏnh giỏ cỏc chỉ tiờu Nash, sai số tổng lượng và thời gian để kiểm tra.

Ta cú cụng thức tớnh toỏn chỉ tiờu Nash, như sau:

( ) ( ) ∑ ∑ − − − = 2 2 , , , 1 Xo i Xo i Xs i Xo Nash

Trong đú: Xo,i: Giỏ trị thực đo

Xs,i: Giỏ trị tớnh toỏn hoặc mụ phỏng. Xo: Giỏ trị thực đo trung bỡnh

Bước 4: Nếu kết quả so sỏnh tốt thỡ dừng hiệu chỉnh và lưu bộ thụng số. Nếu kết quả khụng đạt, tiến hành phõn tớch đỏnh giỏ sai lệch, sau đú tiếp tục hiệu chỉnh lại bộ thụng số.

Sau khi đó thiết lập được mụ hỡnh ta tiến hành hiệu chỉnh thụng số theo bốn bước kể trờn với khoảng thời gian tớnh toỏn là trọ̃n lũ thỏng VIII/1996.

Trong quỏ trỡnh hiệu chỉnh cần luụn kết hợp so sỏnh kết quả tớnh mực nước với số liệu thực đo để chỉnh hệ số nhỏm. Kết quả hiệu chỉnh mụ hỡnh được thể hiện dưới dạng cỏc biểu đồ so sỏnh kết quả tớnh toỏn và thực đo, chỉ số kiểm định Nash, chỉ số sai số tổng