MIKE 11 là một phần mềm kỹ thuật chuyên dụng do DHI (Viện Thuỷ lực Đan Mạch) xây dựng và phát triển trong khoảng 20 năm trở lại đây,được ứng dụng để mô phỏng lưu lượng, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát ở cửa sông, sông, hệ thống tưới, kênh dẫn và các hệ thống dẫn nước khác. MIKE 11 là một phần mềm độc lập trong bộ phần mềm MIKE bao gồm rất nhiều các phần mềm con có các chức năng và nhiệm vụ khác nhau như MIKE 11,MIKE 21, MIKE 31, MIKE GIS, MIKE BASIN, MIKE SHE, MIKE MOUSE... và trong MIKE 11 lại bao gồm nhiều mô-đun có các khả năng và nhiệm vụ khác nhau như:
- Mô đun thuỷ lực (HD)
- Mô đun mưa dòng chảy (RR)
- Mô đun tải - khuyếch tán (AD)
- Mô đun chất lượng nước (WQ) và một số các mô đun khác.
Trong mô hình MIKE 11 thì mô đun thuỷ lực (HD) là phần trung tâm của mô hình, tuy nhiên, tuỳ theo mục đích mà chúng ta kết hợp sử dụng với các mô đun khác một cách hợp lý và khoa học.
Trong hoàn cảnh cụ thể, đôi khi không có đủ số liệu thực đo về lưu lượng để làm biên đầu vào cho mô hình thuỷ lực, do đó ta phải tìm cách xây dựng và khôi phục lại số liệu dòng chảy từ các số liệu đã có, cụ thể là trong đề tài này, mô đun mưa - dòng chảy (RR) được áp dụng để tính toán, khôi phục các số liệu dòng chảy cần thiết phục vụ cho đầu vào của mô hình thuỷ lực [32]
2.5.1.1. Cơ sở lý thuyết của mô hình mưa dòng chảy (mô hình NAM)
a) Giới thiệu mô hình NAM
Để tính toán quá trình hình thành dòng chảy từ mưa trên các lưu vực sông thì MIKE11 với mô đun mô hình NAM là công cụ khá mạnh. Mô hình NAM là cụm từ viết tắt của Nedbor-Afstromnings Model. Mô hình này được Nielsen và Hansen xây dựng tại khoa Tài nguyên nước và Thủy động lực - Trường Đại học Bách Khoa Đan Mạch năm 1973.
35
NAM là một mô hình thủy văn nhận thức dạng bể chứa, mô hình quan niệm lưu vực là các bể chứa xếp chồng nhau, trong đó mỗi bể chứa đặc trưng cho một môi trường có chứa các yếu tố gây ảnh hưởng đến quá trình hình thành dòng chảy trên lưu vực, và các bể chứa được liên kết với nhau bằng các biểu thức toán học. Trong mô hình NAM, mỗi một lưu vực được xem như một đơn vị xử lý với các thông số là đại diện cho các giá trị được trung bình hóa trên toàn lưu vực. Mô hình NAM tính toán quá trình mưa dòng chảy theo cách tính liên tục hàm lượng ẩm trong các bể chứa riêng biệt tương tác lẫn nhau. Cấu trúc của các bể bao gồm :
Bể chứa tuyết được kiểm soát bằng các điều kiện nhiệt độ và bức xạ, tuy nhiên sẽ không được xét đến trong điều kiện ở Việt Nam.
Bể chứa mặt bao gồm lượng ẩm bị chặn do lớp phủ thực vật, lượng điền trũng và lượng ẩm trong tầng mặt. Umax biểu thị giới hạn trên của lượng nước trong bể này.
Bể chứa tầng dưới là vùng rễ cây mà từ đó thảm thực vật có thể lấy nước phục vụ cho sự thoát hơi nước của cây. Do vậy, bể chứa này còn gọi là bể chứa ẩm. Lmax biểu thị giới hạn trên của bể chứa này.
Sau cùng là bể chứa ngầm có xét đến khả năng khai thác nước ngầm. Mô hình NAM có tổng cộng 19 thông số gồm các thông số về dòng chảy mặt, thông số bốc hơi, thông số tưới... Và theo thực tế tính toán cho thấy chỉ có 5 thông số ảnh hưởng mạnh đến quá trình hình thành dòng chảy, đó là Umax; Lmax; CK1,2; CQOF; CQIF.
b) Các tham số quan trọng trong mô hình NAM
Lmax: Là hàm lượng độ ẩm của đất trong tầng đáy hay là khả năng trữ độ ẩm của đất. Tham số này ảnh hưởng chủ yếu tới dòng tràn mặt đất/độ thấm, sự thoát/ bốc hơi nước, dòng chảy cơ bản. Kết quả nếu tăng Lmax thì sự bốc hơi cao hơn, dòng tràn mặt đất giảm, thấm nhiều hơn, dòng chảy cơ bản giảm.
Umax: Là hàm lượng nước tối đa trong trữ lượng bề mặt hay là dung lượng đọng, vùng trũng và bề mặt đất. Tham số này ảnh hưởng chủ yếu tới dòng tràn mặt đất/ độ thấm, sự thoát/ bốc hơi nước, dòng hội lưu. Kết quả nếu tăng Umax thì dòng
36
tràn mặt đất giảm (đặc biệt là khi bắt đầu giai đoạn ướt), bốc hơi nhiều hơn, độ thấm giảm, dòng hội lưu cao hơn.
Thường thì : Umax 0,1Lmax Umax 10-20 mm
CQOF: Là hệ số dòng chảy tràn mặt đất. Xác định dòng chảy tràn mặt đất và độ thấm. ứng với các giá trị CQOF khác nhau dẫn tới sự khác biệt giữa dòng chảy tràn mặt đất và độ thấm.
CQIF: Là hệ số tiêu dòng chảy sát mặt (interflow drainage coefficient). CQIF thông thường = 500-1000 giờ. Kết quả nếu tăng CQIF thì dòng chảy mặt khuyếch đại tuyến tính, độ thấm giảm, dòng tràn mặt đất giảm.
CK1,2: Là hằng số thời gian đối với đường quá trình dòng chảy. CK1 và CK2 đối với đường quá trình dòng chảy tràn mặt đất và dòng chảy sát mặt dọc theo độ dốc lưu vực và thông qua các lòng dẫn xuống cống thoát nước của lưu vực. Thiết lập thông thường CK1 = CK2.
c) Dữ liệu đầu vào, đầu ra của mô hình NAM
- Đầu vào của mô hình NAM
Dữ liệu đầu vào của mô hình NAM bao gồm: Số liệu mưa thực đo của trạm khí tượng, số liệu bốc hơi trung bình và lưu lượng ở mặt cắt cửa ra với diện tích của lưu vực mà mưa rơi xuống.
Các thông số mô phỏng bao gồm: Số lưu vực bộ phận, diện tích từng lưu vực bộ phận, các điều kiện ban đầu của lượng ẩm trong các bể và các thành phần dòng chảy.
- Đầu ra của mô hình NAM
Kết quả của mô hình NAM được mô phỏng qua đường quá trình lưu lượng theo thời gian.
2.5.1.2. Cơ sở lý thuyết mô hình diễn toán thủy lực Mike 11
Hệ phương trình
Mô hình MIKE 11 là mô hình tính toán mạng sông dựa trên việc giải hệ phương trình một chiều Saint -Venant:
37 Phương trình liên tục: t A x Q (2.5) hoặc 0 t h b x Q (2.6) Phương trình chuyển động: 0 2 2 AR C Q gQ x h gA x A Q t Q . (2.7)
Trong đó: A là diện tích mặt cắt ngang (m2); t là thời gian (s); Q là lưu lượng nước (m3/s); x là biến không gian; g là gia tốc trọng trường (m/s2); là mật độ của nước (kg/m3); b là độ rộng của lòng dẫn (m) và R là bán kính thủy lực (m).
Phương pháp giải
Hệ phương trình Saint - Venant về nguyên lý là không giải được bằng các phương pháp giải tích, vì thế trong thực tế tính toán người ta phải giải gần đúng bằng cách rời rạc hóa hệ phương trình. Có nhiều phương pháp rời rạc hóa hệ phương trình, và trong mô hình MIKE 11, các tác giả đã sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott.
Điều kiện biên và điều kiện ban đầu
Hệ phương trình (2.5 - 2.7) khi được rời rạc theo không gian và thời gian sẽ gồm có số lượng phương trình luôn ít hơn số biến số, vì thế để khép kín hệ phương trình này cần phải có các điều kiện biên và điều kiện ban đầu.
Trong mô hình MIKE 11, điều kiện biên của mô hình khá linh hoạt, có thể là điều kiện biên hở hoặc điều kiện biên kín. Điều kiện biên kín là điều kiện tại biên đó không có trao đổi nước với bên ngoài. Điều kiện biên hở có thể là đường quá trình của mực nước theo thời gian hoặc của lưu lượng theo thời gian, hoặc có thể là hằng số.
Các điều kiện ban đầu bao gồm mực nước và lưu lượng trên khu vực nghiên cứu. Thường lấy lưu lượng xấp xỉ bằng 0 còn mực nước lấy bằng mực nước trung bình.
38
Điều kiện ổn định
Để sơ đồ sai phân hữu hạn ổn định và chính xác, cần tuân thủ các điều kiện sau:
- Địa hình phải đủ tốt để mực nước và lưu lượng được giải một cách thoả đáng. Giá trị tối đa cho phép đối với x phải được chọn trên cơ sở này.
- Điều kiện Courant dưới đây có thể dùng như một hướng dẫn để chọn bước thời gian sao cho đồng thời thoả mãn được các điều kiện trên. Điển hình, giá trị của
Cr là 10 đến 15, nhưng các giá trị lớn hơn (lên đến 100) đã được sử dụng:
x gy V t Cr ( ) với V là vận tốc.
Cr thể hiện tốc độ nhiễu động sóng tại nước nông (biên độ nhỏ). Số Courant biểu thị số các điểm lưới trong một bước sóng phát sinh từ một nhiễu động di chuyển trong một bước thời gian. Sơ đồ sai phân hữu hạn dùng trong MIKE 11 (sơ đồ 6 điểm Abbott), cho phép số Courant từ 10- 20 nếu dòng chảy dưới phân giới (số Froude nhỏ hơn 1).