Số liệu thủy văn

5. Điều kiện kinh tế xã hội

2.1.1 Số liệu thủy văn

Để phục vụ tính toán và xác định biên đầu vào cho mô hình thủy lực MIKE 11, luận văn đã sử dụng biên lưu lượng phía trên tại 3 trạm: Yên Thượng, Sơn Diệm, Hòa Duyệt được tính toán nội suy từ quan hệ Q = f(H) được xây dựng từ chuỗi số liệu quan trắc nhiều năm (theo bảng Phụ Lục 1). Biểu đồ quan hệ Q = f(H) tại 03 trạm Yên Thượng, Sơn Diệm và Hòa Duyệt được thể hiện trong hình 2-1 dưới đây.

Q (m3/s) Quan hệ Q=f(H) tại trạm Yên Thƣợng

7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 H (cm)

Q (m3/s) Quan hệ Q=f(H) tại trạm Sơn Diệm

3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 H (cm)

Q (m3/s) Quan hệ Q=f(H) tại trạm Hòa Duyệt 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 H (cm)

Hình 2-1: Xây dựng biểu đồ quan hệ Q = f(H) tại 03 trạm Yên Thượng, Sơn Diệm và Hòa Duyệt

Biên mực nước phía hạ lưu được sử dụng trong mô hình thủy lực được thu thập từ số liệu quan trắc thực đo tại trạm Cửa Hội từ năm 2014-2017.

Các trạm dùng để hiệu chỉnh và kiểm định gồm các trạm: Nam Đàn, Chợ Tràng và Linh Cảm từ năm 2014-2017

Số liệu dùng để hiệu chỉnh là 2 năm mùa cạn năm 2014 và 2015; dùng số liệu 2 năm mùa cạn năm 2016 và 2017 để kiểm định mô hình.

Trong luận văn sử dụng số liệu đo mặn tại duy nhất trạm Bến Thủy với số liệu thực đo mặn từ năm 2014-2017 trong đó số liệu đo mặn từ năm 2014-2015 phục vụ hiệu chỉnh mô hình truyền tải khuếch tán (AD), số liệu thực đo mặn năm 2016 và 2017 tại trạm Bến Thủy (sử dụng để kiểm định).

Biên dưới: số liệu mặn tại Cửa Hội lấy giá trị constant = 30‰.

2.1.2 Phương pháp nghiên cứu

Hiện nay có rất nhiều phương pháp có thể được sử dụng để giải quyết bài toán, cụ thể như sau:

a) Phương pháp kế thừa

Nghiên cứu tiếp thu và sử dụng có chọn lọc kết quả nghiên cứu và thành tựu khoa học công nghệ của các tác giả trong và ngoài nước đã nghiên cứu về những vấn đề có liên quan đến mô phỏng xâm nhập mặn. Cụ thể trong luận văn này đã kế thừa sơ đồ mạng lưới thủy lực của những nghiên cứu trước đây và có điều chỉnh phù hợp với nội dung nghiên cứu của luận văn.

b) Phương pháp điều tra thu thập và đánh giá

Điều tra thu thập tài liệu, khảo sát và nghiên cứu thực tế, phân tích đánh giá và tổng hợp tài liệu để từ đó rút ra các cơ sở khoa học và khả năng ứng dụng vào thực tiễn.

c) Phương pháp phân tích tổng hợp

Việc nghiên cứu diễn biến quá trình xâm nhập mặn có liên quan đến nhiều yếu tố như kỹ thuật, kinh tế, xã hội..., đặc biệt đối với dân cư khu vực ven biển, vì vậy việc phân tích tổng hợp là cần thiết đối với nghiên cứu này.

d) Phương pháp mô hình toán thủy văn, thủy lực

Ứng dụng mô hình toán vào nghiên cứu diễn biến quá trình xâm nhập mặn

là yêu cầu cần thiết bởi mô hình toán có những thế mạnh trong việc giải quyết các bài toán hệ thống,…Mô hình toán được lựa chọn sử dụng trong luận văn là mô hình một chiều MIKE 11 (HD, AD) của Viện thủy lực DHI. Đối với việc mô phỏng tính toán theo các kịch bản BĐKH cập nhật năm 2016, luân văn sử dụng thêm mô hình thủy văn MIKE Nam trong việc tính toán biên đầu vào cho mô hình thủy lực đối với kịch bản biến đổi mưa.

e) Kỹ thuật sử dụng

Nghiên cứu áp dụng kỹ thuật GIS quản lý và khai thác các loại dữ liệu theo không gian, thời gian phục vụ đánh giá, xây dựng bản đồ tổng quan lưu vực nghiên cứu. Kỹ thuật GIS được áp dụng để phân tích và xử lý thông tin về bản đồ DEM, bản đồ kết quả phân bố mặn theo các kịch bản BĐKH.

2.2 Giới thiệu về mô hình MIKE 11

Dựa trên tiến bộ công nghệ tin học và các mô hình công nghệ cập nhật trong những năm gần đây, luận văn sử dụng mô hình MIKE 11 để tính toán quá

trình xâm nhập mặn khu vực hạ lưu sông Cả đồng thời xây dựng các kịch bản xâm nhập mặn dưới tác động biến đổi khí hậu. Dưới đây là cơ sở lý thuyết và phương trình cơ bản của các mô đun trong bộ MIKE được sử dụng giải quyết bài toán.

2.2.1 Mô đun thủy lực MIKE 11 HD

MIKE 11 là một phần mềm kỹ thuật chuyên dụng 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 công cụ lập mô hình động lực một chiều nhằm phân tích chi tiết, thiết kế, quản lý và vận hành cho sông và hệ thống kênh dẫn đơn giản và phức tạp. Với môi trường đặc biệt thân thiện với người sử dụng, linh hoạt và tốc độ, MIKE 11 cung cấp một môi trường thiết kế hữu hiệu về kỹ thuật công trình, tài nguyên nước, quản lý chất lượng nước và các ứng dụng quy hoạch. Mô đun mô hình thu động lực (HD) là một phần trung tâm của hệ thống lập mô hình MIKE 11 và hình thành cơ sở cho hầu hết các mô đun bao gồm: dự báo lũ, tải khuyếch tán, chất lượng nước và các mô đun vận chuyển bùn cát. Mô đun MIKE 11 HD giải các phương trình tổng hợp theo phương đứng để đảm bảo tính liên tục và bảo toàn động lượng (phương trình Saint Venant) [8].

Hệ phương trình cơ bản của MIKE 11 là hệ phương trình Saint Venant viết cho trường hợp dòng chảy một chiều trong lòng kênh dẫn hở, bao gồm:

* Phương trình liên tục: Q A  q (2.1) x t * Phương trình động lượng Q +  ( Q 2 ) + gAh + g Q | Q | = 0 (2.2) t x A x C RA2

Trong đó: Q là lưu lượng (m3/s); A là diện tích mặt cắt (m2); q là lưu

lượng nhập lưu trên một đơn vị chiều dài dọc sông (m2/s); C là hệ số Chezy; α là hệ

và phương pháp sai phân hữu hạn, độ sâu dòng chảy (điểm h) và lưu lượng dòng chảy (điểm Q) tại các nút được tính toán (Hình 2-1).

* Phương pháp giải hệ phương trình Saint Venant

Hệ phương trình Saint Venant là một hệ gồm hai phương trình vi phân đạo hàm riêng phi tuyến bậc nhất. Trong trường hợp tổng quát, hệ phương trình có dạng này không giải được bằng phương pháp giải tích, do đó người ta giải phương trình này bằng phương pháp gần đúng (phương pháp số hoá) và MIKE 11 cũng dùng phương pháp này để giải hệ phương trình Saint-Venant với lược đồ sai phân hữu hạn 6 điểm sơ đồ ẩn Abbott-Inoescu (Hình 2-2) [8].

Hình 2-2: Sơ đồ nút điểm h và Q cho đoạn sông mô tả trong mô hình MIKE 11

Hình 2-3: Sơ đồ sai phân 6 điểm Abbott * Phương trình liên tục:

Trong phương trình liên tục, ta có

A  bh  Q  bh  q

Sai phân hoá phương trình trên tại bước thời gian thứ (n+1/2), ta thu được các phương trình sai phân: (Qn1 Qn ) (Qn1  Qn ) Q  j1 2 j 1 j1 2 j 1 x 2xj h  h n j1  h nj t t

Với b trong phương trình (2.3) được tính theo công thức:

b A0 j  A 0, j 1 2x j (2.4) (2.5) (2.6) Trong đó: A0j là diện tích mặt phân cách giữa 2 điểm lưới j-1 và điểm lưới j; A0j+1 là diện tích mặt phân cách giữa 2 điểm lưới j và điểm lưới j+1; 2xj: Khoảng cách giữa hai điểm lưới j-1và j+1.

Thế vào các phương trình sai phân, rút gọn các hệ số, được phương trình:

j Qnj11j hnj 1  j Qnj11   j (2.7) Với α, β, γ là hàm của b và δ, ngoài ra nó còn phụ thuộc vào giá trị Q và h tại bước thời gian n và giá trị Q tại bước thời gian n+1/2.

Hình 2-4: Sơ đồ sai phân 6 điểm Abbott cho phương trình liên tục

* Phương trình động lượng

Sai phân hoá phương trình động lượng:

Q  Q n

j1  Q nj

t t (2.8)

Q 2  Q 2 n1 / 2  Q 2 n1 / 2 (      A )   A  j 1  A  j 1 x 2xj (2.9) (h n1  h n )  (h n1  h n ) h  j 1 2 j 1 j 1 2 j 1 x 2x j (2.10)

Để xác định thành phần bậc 2 trong phương trình trên, sử dụng phương trình gần đúng:

Q2 .Qnj1.Qnj  ( 1).Qnj .Qnj (2.11) Với θ là hệ số do người sử dụng tự xác định (hệ số này được ghi trong mục Default value của mô đun HD và có mặc định từ 0 đến 1). Thế vào các phương trình sai phân và rút gọn các hệ số, được phương trình động lượng viết dưới dạng:  j hnj11   j Qnj 1   j hnj11   j (2.12) Trong đó:  j  f ( A) j f (Qnj,t,x, C, A, R) j f ( A) j  f ( A,x,t,, q,,, hnj1, Qnj11/ 2, Qnj, hnj1, Qnj11/ 2)

Từ đó, khi viết các phương trình này với đầy đủ các bước thời gian, thu được một ma trận tính toán. Sử dụng công cụ toán học giải các ma trận để tìm nghiệm của bài toán. Tính ổn định của phương pháp sai phân hữu hạn để giải hệ phương trình Saint Venant được bảo đảm khi các điều kiện sau được thoả mãn: Số liệu địa hình phải tốt, giá trị cho phép tối đa với x (dx-max) được lựa chọn trên cơ sở này. Bước thời gian Δt cần thiết đủ nhỏ để điều kiện ổn định Courant được thoả mãn. Tuy nhiên, khi giải hệ phương trình Saint Venant với sơ đồ ẩn thì điều kiện ổn định Courant không nhất thiết phải thoả mãn.

Hình 2-5: Sơ đồ sai phân 6 điểm cho phương trình động lượng

Ngoài ra trong mô hình MIKE 11 còn sử dụng các phương trình Darcy, phương trình Poisson cho tính toán dòng chảy nước ngầm.

Công thức dùng để tính toán được lập từ việc sai phân hóa hệ phương trình (2.1) và phương trình (2.2). Do vậy, các sông trong hệ thống được chia thành các đoạn có chiều dài từ 1000 - 2000 m, trong mỗi đoạn sông đặc trưng mặt cắt thay đổi không đáng kể, không có dòng chảy tập trung chảy vào. Bước thời gian tính toán t 10giây

.

Việc sai phân hóa hệ phương trình cơ bản (2.1) và phương trình (2.2) được thực hiện cho mỗi đoạn sông, sau khi sai phân, ở mỗi đoạn sông thu được một hệ phương trình bậc nhất với các ẩn số lưu lượng Q và mực nước H ở hai đầu.

Hệ phương trình (2.1) và phương trình (2.2) được sai phân hóa, mạng sông được chia thành các đoạn, trong mỗi đoạn có các đặc trưng lòng dẫn ít biến đổi, các công trình, đập, cầu, cống được mô phỏng như những đoạn sông đặc biệt.

2.2.2 Mô đun tải khuếch tán

Ngoài mô đun thu lực (HD) là phần trung tâm của mô hình làm nhiệm vụ tính toán các đặc trưng thu lực của dòng chảy, MIKE 11 cũng cho phép tính toán quá trình xâm nhập mặn thông qua mô đun AD (Advection dispersion).

Mô đun tải khuếch tán (AD) được dùng để mô phỏng vận chuyển một chiều của chất huyền phù hoặc hoà tan (phân hu ) trong các lòng dẫn hở dựa

các chất này được hòa tan, ngh a là không có thay đổi hay biến động trong cùng mặt cắt và dòng chảy không phân tầng (đồng đẳng).

*Phương trình truyền tải - khuếch tán

AC QC   C  (2.13)

   AD  AKC C2 q

t x x  x 

Trong đó A là diện tích mặt cắt (m2); C là nồng độ (kg/m3); D là hệ số phân tán; q là lưu lượng nhập lưu trên 1 đơn vị chiều dài dọc sông (m2/s);

K là hệ số phân hu sinh học, K chỉ được sử dụng khi các hiện tượng hay quá trình xem xét có liên quan đến các phản ứng sinh hóa.

Hệ số phân hu sinh học K bao hàm trong đó rất nhiều các hiện tượng và phản ứng sinh hoá. Hệ số này không cần xem xét trong bài toán lan truyền chất thông thường.

Phương trình (2.13) thể hiện hai cơ chế truyền tải, đó là truyền tải đối lưu do tác dụng của dòng chảy và truyền tải phân tán do Gradien nồng độ gây ra.

Sự phân tán theo chiều dọc sông gây ra do sự kết hợp của dòng chảy rối và sự phân tán. Sự phân tán dọc theo sông do ảnh hưởng của chảy rối lớn hơn rất nhiều so với sự phân tán hỗn loạn của các phân tử đơn lẻ. Về mặt trị số, thành phần phân tán rối lớn hơn nhiều so với thành phần phân tán phân tử.

Sự phân bố của thành phần phân tán rối trong dòng chảy là không đồng đều, nó phụ thuộc vào hướng của tốc độ dòng chảy và khoảng cách đến thành ống, do đó hệ số phân tán rối khác nhau theo các hướng khác nhau. Quá trình truyền tải phân tán tuân theo định luật Fick. Hệ số phân tán được xác định như là một hàm của dòng chảy trung bình:

n1/ 2 b

Dn+1j  a Qn1/ 2 (2.14)

A j

Trong đó: a, b là các hằng số do người dùng xác định.

*Phương pháp giải phương trình truyền tải phân tán

Người ta thường giải phương trình truyền chất theo phương pháp số với sơ đồ sai phân ẩn trung tâm. Sơ đồ sai phân hữu hạn này được xây dựng bằng cách xem xét lượng dòng chảy vào một thể tích kiểm tra xung quanh nút điểm j.

Các giới hạn biên của thể tích kiểm tra này là đáy sông, bề mặt nước và hai mặt cắt tại hai điểm j-1/2 và j+1/2.

Hình 2-6: Sơ đồ sai phân

Phương trình liên tục: V jn1/ 2 C n j 1 V jn1/ 2Cn j n 1/ 2 n 1/ 2 n 1/ 2 n 1/ 2 n 1/ 2 n(2.15) t  t T j 1/ 2 T j 1/ 2  q Cq V j KC j

Trong đó: C là nồng độ (mg/l); V là thể tích (m3); T là tải lượng qua thể tích tính toán (kg/s); q là lượng nhập lưu trên một đơn vị chiều dài dọc sông (m2/s); ∆t là bước thời gian; Cq là nồng độ của dòng nhập lưu (mg/l); K là hệ số phân hu .

* Phương trình truyền tải khuếch tán

n 1/ 2 n 1/ 2 * n1/ 2 C nj11/ 2Cnj1/ 2 (2.16) T j 1/ 2 Q j 1/ 2 C j 1/ 2 A j 1/ 2 D x n1/ 2

là lưu lượng qua mặt phân cách bên phải vùng tính toán Trong đó: Qj 1/ 2

3 Anj1/1/22 D 2); D là hệ

(m /s); là diện tích mặt phân cách bên phải vùng tính toán (m

số phân tán; C* C* được tính theo

j 1/ 2 là nồng độ nội suy phía thượng lưu; j 1/ 2 công thức:

* 1 n 1 n 1 n n 1  2  1 n n n

C j 1/ 2  (C j 1  C j C j 1  C j )  min   1   ,  (Cj1 2Cj  C(2.j117)

4  6 2  4 

với σ là số Courant σ = u∆t/∆x

Thay thế và sắp xếp các phương trình trên lại, thu được một phương trình sai phân hữu hạn sơ đồ ẩn

j C nj11j C nj1j Cnj11j (2.18) 44

2.3 Thiết lập hệ thống mô ph ng

a) Thiết lập mạng lưới thủy lực mô hình MIKE 11 HD

- Biên lưu lượng phía trên tại 3 trạm: Yên Thượng, Sơn Diệm, Hòa Duyệt. - Biên mực nước phía dưới tại trạm: Cửa Hội.

- Các trạm dùng để hiệu chỉnh và kiểm định gồm trạm: Nam Đàn, Chợ Tràng, Linh Cảm.

- Dùng trạm đo mặn Bến Thủy để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình lan truyền chất;

Số liệu dùng để hiệu chỉnh là 2 năm mùa cạn năm 2014 và 2015; dùng số liệu 2 năm mùa cạn năm 2016 và 2017 để kiểm định mô hình.

Số liệu mặt cắt:

+ Sông Cả có 71 mặt cắt ngang;

+ Sông Ngàn Phố có 40 mặt cắt ngang; +Sông Lam có 23 mặt cắt ngang; +Sông Ngàn Sâu có 14 mặt cắt ngang;

Mô phỏng mạng lưới: Sơ đồ các bước áp dụng mô hình MIKE 11 để xác định mực nước và lưu lượng mùa cạn tính toán cho lưu vực sông Cả ta thiết lập các biên của mô hình;

Biên trên:

+Trên sông Cả lấy lưu lượng tại trạm thủy văn Yên Thượng; +Trên sông Ngàn Phố lấy lưu lượng tại trạm thủy văn Sơn Diệm; +Trên sông Ngàn Sâu lấy lưu lượng tại trạm thủy văn Hòa Duyệt;