Mô hình trong nước

5. Nội dung nghiên cứu chính và cấu trúc luận văn

1.2.1. Mô hình trong nước

Hiện nay, ở nước ta có một số mô hình thủy lực và chất lượng nước (trong đó chủ yếu là tính độ mặn) khá tốt, đã được ứng dụng trong các nghiên cứu tính toán ở ở khu vực ĐBSCL. Một số mô hình tiêu biểu có thể kể đến như sau: SAL (GS.TS Nguyễn Tất Đắc), VRSAP (Cố PSG.TS Nguyễn Như Khuê), KOD (GS.TSKH Nguyễn Ân Niên). HYDROGIS (TS. Nguyễn Hữu Nhân).

Hiện nay, tất cả các mô hình đều dựa vào hệ phương trình cơ bản là hệ phương trình thủy động lực Saint Venant và phương trình tải – khuếch tán một chiều mô tả xâm nhập mặn, vốn đã trở thành kinh điển. Chi tiết về học thuật, các công cụ sử dụng trong mô hình, tiện ích ... có thể xem trong các báo cáo chuyên đề nghiên cứu xâm nhập mặn sử dụng mô hình tính toán.

- Mô hình SAL

SAL là chương trình thủy lực và xâm nhập mặn một chiều, được sử dụng rộng rãi ở nước ta, nhất là ĐBSCL, và Ủy ban Mekong quốc tế cũng đã nhiều lần chọn chýõng trình này trong nghiên cứu của mình.

Đối với tính mặn, SAL sử dụng phương pháp phân rã nước, trước tiên giải phương trình tải thuần túy (bằng phương pháp đường đặc trưng), sau đó giải phương trình khuếch tán thuần túy (bằng phương pháp sai phân). SAL là một chương trình tính mặn có tính bảo tồn cao.

Hiện nay SAL đã không ngừng được cải tiến và đã có phiên bản mới SAL2000, không hạn chế về kích thước đang tinh học hóa mạnh hơn cho chương trình để nâng cao các tiện ích và khả năng khai thác của chương trình.

- Mô hình VRSAP

Mô hình VRSAP phù hợp với điều kiện Việt Nam, có thể sử dụng để:

+ Tính toán và tìm ra quy luật thay đổi của lưu lượng Q và mực nước Z tại từng mặt cắt trên hệ thống sông và ô chứa kể cả vùng bị ảnh hưởng của thủy triều.

+ Giải bài toán tiêu úng, thoát lũ và cấp nước trên các hệ thống công trình thủy lợi vùng đồng bằng và ven biển.

+ Lập các phương án quy hoạch quản lý và khai thác thủy lợi trên lưu vực sông lớn nhỏ và các hệ thống công trình thủy lợi.

+ Tính truyền triều và truyền mặn trên các hệ thống sông v.v...

Mô hình VRSAP là mô hình mã nguồn mở, nên từ đó nhiều tác giả đã cải tiến để mô hình có thể tính được truyền tải phù sa, tính tiêu thoát nước đô thị. Các loại mô hình toán này hiện cũng đang được ứng dụng ở nước ta và cho kết quả tốt. Một số ứng dụng của mô hình cho hệ thống sông Hồng, sông Thái Bình, sông Cả, sông Nhật Lệ, sông Hương, sông Thu Bồn, sông Cửu Long... đều đạt các kết quả tin cậy.

VRSAP là chương trình thủy lực – mặn một chiều đã và đang được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam, đặc biệt là ở ĐBSCL, trong các dự án quốc tế, với các quy mô khác nhau, không bị hạn chế về kích cỡ.

Hiện nay VRSAP đang được cải tiến tăng cường sử dụng các kỹ thuật hiện đại của tin học nhằm phát huy tốt hơn việc khai thác chương trình.

- Mô hình KOD01, KOD02

KOD01 là một phần mềm thủy lực và truyền chất một chiều, ra đời từ rất sớm (đầu những năm 1970), được ứng dụng rộng rãi trong nước, cho các hệ thống sông kênh, ô đồng ngập lũ trong các châu thổ sông lớn, độ phức tạp không hạn chế.

Trong định hướng phát triển thành một phần mềm tổng hợp, KOD đang phát trển để tính các thành phần nguồn nước và tính các chỉ tiêu chất lượng khác.

Mô hình KOD - 01 và KOD - 02 của GS. TSKH. Nguyễn Ân Niên dùng để tính thủy lực dòng chảy hở một và hai chiều trên hệ thống sông có công trình điều tiết và đồng ruộng. Hệ phương trình Saint-Venant ðýợc sử dụng ở dạng rút gọn. Sõ ðồ tính là sõ ðồ hiện tam giác hỗn hợp. Sõ ðồ tính cho phép giải các bài toán dòng không ổn định một chiều như tính toán truyền triều, truyền lũ, phân phối nước, tiêu nước... cho mạng lưới sông, ô chứa, công trình điều tiết với độ phức tạp bất kỳ. Sơ đồ tính có thể phục vụ tính toán quy hoạch dự báo lũ và phân phối nước, phục vụ thiết kế và quản lý hệ thống kênh tưới tiêu và các mục đích khác trong công tác thủy lợi ở nước ta.

HYDROGIS là một phần mềm thủy lực và truyền chất một chiều, có khả năng mô phỏng thủy lực và mặn. Đây là một mô hình được tin học hóa rất cao, thuận tiện cho người sử dụng.

Do sẵn có mô hình dự báo triều trong lõi chương trình, HYDROGIS khá thuận lợi cho dự báo mặn nền. Đây cũng là mặt mạnh và độc đáo của chương trình này.

1.2.2. Mô hình nước ngoài

- Mô hình MIKE 11

Mô hình MIKE 11 là một phần mềm kỹ thuật chuyên dụng do Viện Thuỷ lực Đan Mạch (DHI) xây dựng và phát triển trong khoảng 20 năm trở lại đây, được ứng dụng để mô phỏng chế độ thủy lực, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát vùng cửa sông, trong sông, hệ thống tưới, kênh dẫn và các hệ thống dẫn nước khác. MIKE 11 bao gồm nhiều mô đun có các khả năng và nhiệm vụ khác nhau như: mô đun mưa dòng chảy (RR), mô đun thuỷ động lực (HD), mô đun tải - khuếch tán (AD), mô đun sinh thái (Ecolab) và một số mô đun khác. Trong đó, mô đun thuỷ lực (HD) được coi là phần trung tâm của mô hình, tuy nhiên tuỳ theo mục đích tính toán mà chúng ta kết hợp sử dụng với các mô đun khác một cách hợp lý và khoa học. Thực tế các cơ quan như Viện khoa học thủy lợi, Viện khí tượng Thủy Văn, Viện quy hoạch, trung tâm dự báo khí tượng thủy văn quốc gia… đã sử dụng mô hình MIKE 11 rất thành công trong việc dự báo lũ cho đồng bằng sông Hồng - Thái Bình, cho hệ thống sông Cả và rất nhiều lưu vực sông khác ở nước ta. Chính vì lẽ đó mà hiện nay MIKE 11 đã trở thành một công cụ hữu ích để mô phỏng và giải quyết các bài toán lũ, xâm nhập mặn ở hầu hết các lưu vực sông ở Việt Nam.

- Mô hình ISIS

Mô hình ISIS do công ty Halcrow và Viện Nghiên cứu Thuỷ lực Wallingford xây dựng sử dụng chương trình thuỷ động lực học dòng chảy một chiều mô phỏng dòng chảy không ổn định trong mạng trong sông kênh và ô đồng. Mô hình ISIS dựa trên hệ phương trình Saint-Venant giải theo phương pháp sai phân dùng sơ đồ sai phân ẩn 6 điểm của Abbott và Ionescu. Hệ phương trình viết cho một mạng sẽ tạo

nên hệ phương trình bậc nhất có chứa ẩn số. Mực nước ở một điểm bất kỳ có thể biểu diễn bằng hàm của mực nước tại các nút lân cận.

1.3. Giới thiệu khu vực nghiên cứu

1.3.1. Đặc điểm tự nhiên lưu vực sông Mã

a. Vị trí địa lý:

Hình 1.4: Bản đồ lưu vực sông Mã.

Hình 1.2. Bản đồ lưu vực sông Mã.

Lưu vực nằm ở tọa độ từ 19037’30’’ - 22037’33’’ vĩ độ Bắc và 103005’10’’ - 106005’10’’ kinh độ Đông. Dòng chính sông Mã bắt nguồn từ sườn phía nam dãy Pu Huổi Long ở Tuần Giáo (Điện Biên), chảy theo hướng Tây Bắc – Đông Nam qua Sơn La, Sầm Nưa (Lào), Hòa Bình, Thanh Hóa rồi đổ ra biển tại 3 cửa: cửa Lạch Sung, cửa Lạch Trường và cửa Hới.

Giới hạn phía Đông Bắc là đường phân nước sông Đà – sông Mã, phía Tây Nam là sông Mê Kông, phía Nam là sông Cả, phía Đông Nam giáp biển Đông.

Lưu vực sông Mã có diện tích lưu vực đứng thứ 5 ở Việt Nam sau các sông Mê Kông, sông Hồng – Thái Bình, sông Đồng Nai và sông Cả. Tổng diện tích toàn lưu vực là 28.400 km2, trong đó diện tích thuộc lãnh thổ Việt Nam là khoảng 17.600 km2 (62%), diện tích thuộc lãnh thổ Lào là 10.800 km2 (38%).

b. Địa hình:

Địa hình lưu vực thấp dần từ Tây Bắc xuống Đông Nam và được tạo bởi 3 vùng rõ rệt:

- Vùng núi cao thuộc thượng du hệ thống sông Mã có diện tích khoảng 21.900km2 được tính từ Quan Hóa và Thường Xuân trở lên, là vùng núi cao không đều, với hai cánh cung phía Bắc, Nam sông Mã, là phần kéo dài của dãy Hoàng Liên Sơn và phần bắt đầu của dãy Trường Sơn với đỉnh cao nhất là đỉnh Phu Lan, cao 2.275m.

- Vùng gò đồi thuộc trung lưu hệ thống sông Mã, có diện tích khoảng 3.500km2, bao gồm các huyện Tân Lạc, Lạc Sơn, Thạch Thành, Bá Thước, Ngọc Lặc, Lang Chánh, Triệu Sơn, tạo thành vành đai ôm lấy đồng bằng Thanh Hóa.

- Vùng đồng bằng nằm trên địa phận Thanh Hóa là phần hạ du của sông có diện tích khoảng 3.000km2, được tính từ Cẩm Ngọc, Kim Tân, Bái Thượng trở xuống có độ cao từ 0,5 – 20m, nghiêng từ Tây Bắc xuống Đông Nam, trong đó rải rác còn những ngọn núi như: Sầm Sơn, Lạch Trường và Hàm Rồng. Chính sự chia cắt đó của địa hình đã tạo nên sự biến đổi của khí hậu và thủy văn theo vùng.

c. Địa chất

Địa chất trên lưu vực được chia làm 3 vùng:

- Vùng thượng nguồn sông Mã, sông Chu và sông Bưởi nham thạch chủ yếu là trầm tích Macma. Dọc theo sông có nhiều cát sỏi.

- Vùng trung lưu sông Mã, sông Chu là phần kéo dài đới sông Mã ở thượng lưu nhưng đã chìm xuống dưới nếp phủ, đôi chỗ có nhô lên, không liên tục. Vùng này tầng phủ dày (15-20m), vật liệu xây dựng rất phong phú.

- Vùng hạ lưu được tạo bởi tầng Preterozoi Nậm Cò (móng của đới) và hệ tầng Paleozoi sớm Đông Sơn phát triển rộng rãi ở Tp. Thanh Hóa với trầm tích Merozoi là chủ yếu.

d. Thổ nhưỡng, thảm phủ thực vật

Trên lưu vực sông Mã có mặt hơn 40 loại đất trong số 60 loại của cả nước và được xếp thành 11 nhóm đất chính.

Trong 11 loại đất ở lưu vực, đất phù sa là loại đất chủ yếu ở vùng đồng bằng và là loại đất quan trọng tạo nên một nền nông nghiệp bền vững ở địa phương.

Tỷ lệ rừng tự nhiên là 77,7% thuận tiện cho quá trình điều hòa dòng chảy và chất lượng nước. Thảm phủ thực vật đóng vai trò quan trọng đối với khả năng hình thành lũ lụt và quá trình điều tiết nước.

e. Đặc điểm khí tượng, khí hậu

Chế độ mưa

Mưa trên lưu vực sông Mã được chia thành 3 vùng có tính chất đặc thù khác nhau. Vùng thượng nguồn dòng chính sông Mã nằm trong chế độ mưa Tây Bắc – Bắc Bộ, mùa mưa đến sớm và kết thúc sớm hơn vùng Trung Bộ. Lưu vực sông Chu nằm trong vùng mưa Bắc Trung Bộ mùa mưa đến muộn hơn Bắc Bộ 15 – 20 ngày cũng kết thúc muộn hơn Bắc Bộ 10 – 15 ngày. Khu vực đồng bằng hạ du sông Mã mang nhiều sắc thái của chế độ mưa Bắc Bộ, mùa mưa đến bắt đầu từ tháng V hàng năm và kết thúc vào tháng XI.

Trên lưu vực sông Mã có 2 tâm mưa lớn là tâm mưa Bá Thước – Quan Hóa và tâm mưa Thường Xuân. Tâm mưa ở Thường Xuân có lượng mưa năm lớn hơn tâm mưa bá Thước – Quan Hóa. Tâm mưa nhỏ nằm ở thượng nguồn sông Mã thuộc thung lũng huyện Sông Mã của Sơn La và vùng Hủa – Phăn thuộc Lào.

Lượng mưa bình quân trên lưu vực biến đổi từ 1100mm/năm đến 1860mm/năm. Một năm có hai mùa rõ rệt: mùa mưa và mùa khô. Mùa mưa phía thượng nguồn sông Mã bắt đầu từ tháng V và kết thúc vào tháng XI. Mùa mưa phía sông Chu bắt đầu từ cuối tháng VI và kết thúc vào đầu tháng XII, tổng lượng mưa 2

mùa chênh nhau đáng kể. Tổng lượng mưa mùa mưa chiếm 65 – 70% tổng lượng mưa năm, tổng lượng mưa mùa khô chỉ chiếm từ 30 – 35% tổng lượng mưa năm.

Bảng 1.2: Đặc trưng mưa năm lưu vực sông Mã .

TT Trạm TB (mm) Max (mm) Năm Min (mm) Năm Max/Min 1 Bái Thượng 1962 2943 1994 1120 1991 2.6 2 Hồi Xuân 1787 2672 1963 1229 1976 2.2 3 Lang Chánh 1950 2744 1980 806 1968 3.4 4 Ngọc Lạc 1713 2465 1975 1068 1986 2.3 5 Như Xuân 1691 2691 1963 617 1977 4.4 6 Thanh Hóa 1722 3020 1963 932 1991 3.2 7 Yên Định 1546 2425 1994 849 1991 2.9 8 Cẩm Thủy 1668 2674 1963 1014 1977 2.6 9 Cụ Thôn 1549 2957 1994 814 1991 3.6 10 Mường Lát 1204 1640 1963 569 1998 2.9 11 Ngọc Trà 1726 2752 1978 672 1984 4.1 12 Sao Vàng 1830 2721 1964 975 1976 2.8 13 Nông Cống 1650 2801 1963 807 1977 3.5 14 Bát Mọt 1717 2956 1990 1061 1981 2.8 15 Lý Nhân 1486 2293 1994 844 1991 2.7 16 Giàng 1695 2476 1978 1006 1987 2.5 17 Thống Nhất 1420 2511 1963 509 1991 4.9 18 Lạc Sơn 1998 2757 1996 1337 1998 2.1 19 Hàm Rồng 1755 2876 1973 1120 1998 2.6

Bảng 1.3: Lượng mưa trung bình nhiều năm, năm mưa lớn và năm mưa nhỏ của một số trạm đại biểu trên lưu vực sông Mã thuộc Thanh Hóa .

Trạm đo Thời kỳ đo đạc X0 (mm)

Năm mưa lớn Năm mưa nhỏ X (mm) Năm X (mm) Năm

Mường Lát 1962 – 2000 1228 1642 1963 712 1976

Hồi Xuân 1960 – 2000 1856 2680 1973 1229 1976

Trạm đo Thời kỳ đo đạc X0 (mm)

Năm mưa lớn Năm mưa nhỏ X (mm) Năm X (mm) Năm Cẩm Thủy 1960 – 2000 1712 2674 1963 1131 1987 Vĩnh Lộc 1960 – 2000 1356 1860 1964 844 1977 Yên Định 1962 – 2000 1500 2269 1980 831 1977 Giàng 1960 – 2000 1677 2440 1963 1006 1987 Lạc Sơn 1960 – 2000 1897 2571 1973 1406 1988 Lạc Thủy 1960 – 2000 1874 3007 1973 1011 1988 Thạch Thành 1962 – 2000 1348 1916 1973 990 1974 Xuân Du 1960 – 2000 1608 2462 1980 884 1968 Thanh Hóa 1960 – 2000 1767 3009 1963 1044 1976 Sầm Sơn 1960 – 2000 1674 2300 1964 - - Hoằng Hóa 1960 – 2000 1430 2324 1980 816 1984 Lạch Trường 1960 – 2000 1625 2442 1978 930 1976 Hậu Lộc 1961 – 2000 1609 2570 1963 607 1960 Nga Sơn 1960 – 2000 1494 2402 1973 990 1974 Thường Xuân 1960 – 2000 2234 2881 1980 1976 1969 Sông Âm 1961 – 2000 1443 2311 1963 666 1988 Bái Thượng 1960 – 2000 1950 2601 1975 1224 1969 Chế độ gió

Chế độ gió trên lưu vực sông Mã phụ thuộc vào quy luật hoạt động của hoàn lưu khí quyển. Mùa đông do hoàn lưu phương Bắc mạnh nên có gió mùa Đông Bắc, tốc độ gió trung bình 2 – 3m/s. Gió mùa Đông Bắc xuất hiện từ tháng XI đến tháng II năm sau. Mùa hè do hoàn lưu phương Nam và vị trí thấp của vùng Vịnh Bắc Bộ nên hướng gió thịnh hành là Đông Nam, mang nhiều hơi ẩm dễ gây mưa rào. Tốc độ gió bình quân 2 – 2,5m/s. Loại gió này xuất hiện từ tháng III và kết thúc vào tháng X hàng năm.

Trên lưu vực sông Mã có 2 vùng có chế độ nhiệt khác nhau:

- Vùng miền núi, mùa đông bắt đầu từ tháng XI đến tháng II, mùa hè từ tháng III đến tháng X. Nhiệt độ vùng này trùng với nhiệt độ vùng Tây Bắc.

- Vùng đồng bằng hạ du sông Mã. Nhiệt độ bình quân năm cao hơn miền núi. Mùa đông kết thúc sớm hơn Bắc Bộ từ 15 – 20 ngày. Nhiệt độ tối cao tuyệt đối trung bình năm lại cao hơn ở vùng miền núi.

Trên toàn lưu vực nhiệt độ bình quân năm dao động từ 22,4 – 23,60C. Số giờ nắng bình quân trên lưu vực là 1756,7 giờ - 1896,4 giờ/năm, các tháng mùa đông có số giờ nắng ít hơn các tháng mùa hè.

f. Đặc điểm thủy văn, hải văn

Hình thái mạng lưới sông

Lưu vực sông Mã có diện tích 28.400km2, với chiều dài sông là 512km, trong đó độ dài trên địa phận Việt Nam là 410 km. Chiều dài lưu vực là 421km, độ cao bình quân lưu vực là 762m, độ dốc bình quân lưu vực là 17,6% và độ rộng bình quân lưu vực là 68,8km. Mật độ lưới sông biến đổi từ 0,47 km/km2 đến 0,66 km/km2, hệ số uốn khúc 1,79. Hệ số hình dạng 0,17. Hệ số phát triển đường phân nước 1,88. Hệ số không cân bằng lưới sông -0,32.

Đặc điểm các sông suối chính ở lưu vực sông Mã.