b) Phương pháp giải của mô hình khuếch tán
2.2.4. Hiệu chỉnh bộ thông số cho mô hình
Căn cứ sơ đồ trên hình 2.1 và bộ số liệu biên thực đo các biên trên, số liệu mực nƣớc và độ mặn thực đo (từ Hình 2. 4 đến Hình 2. 10), tiến hành thực hiện tính toán hiệu chỉnh bộ thông số mô hình cho toàn bộ mạng sông Hồng – Thái Bình với bƣớc thời gian tính toán thủy lực là 10 phút và tính toán lan truyền mặn với bƣớc thời gian tính là 5 giây.
Dƣới đây là kết quả hiệu chỉnh lần lƣợt cho từng mô đun với các trạm thủy văn có số liệu thực đo đồng bộ làm căn cứ chính để hiệu chỉnh các thông số.
QUÁ TRÌNH LƯU LƯỢNG TẠI TRẠM CHŨ THÁNG 1 NĂM 2006
Lưu lượng (Q m^3/s) 100 50 0 -50 -100 -150 0 72 144 216 288 360 432 504 576 648 Thời gian
QUÁ TRÌNH LƯU LƯỢNG TẠI TRẠM HƯNG THI THÁNG 1 NĂM 2006 Lưu lượng (Q m^3/s) 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 72 144 216 288 360 432 504 576 648 Thời gian
Hình 2. 8. Đƣờng quá trình lƣu lƣợng thực đo tại trạm Hƣng Thi 1/2006
Hình 2. 9. Đƣờng quá trình mực nƣớc triều của các trạm thủy văn cửa sông thuộc hệ thống sông Hồng – Thái Bình năm 2006
Hình 2.10. Đƣờng quá trình độ mặn tại các cửa sông thuộc hệ thống sông Hồng – Thái Bình
2.2.4.1. Hiệu chỉnh thông số cho mô đun thủy lực
Các thông số thủy lực đƣợc hiệu chỉnh chủ yếu là hệ số nhám lòng dẫn và điều kiện ban đầu. Nhƣ đã giới thiệu phần trên điều kiện ban đầu trong lần chạy đầu tiên đƣợc xác định dựa trên mực nƣớc, lƣu lƣợng tại các trạm thủy văn từ đó nội suy tuyến tính cho các mặt cắt còn lại. Đối với các lần chạy sau, điều kiện ban đầu đƣợc xác định bằng cách lấy toàn bộ trạng thái thủy lực ở bƣớc thời gian trƣớc đó làm điều kiện ban đầu, tính năng này đƣợc tích hợp trong mô hình và nhƣ vậy có thể dễ dàng xác định đƣợc điều kiện ban đầu cho mỗi lần tính toán (xem giao diện trên Hình 2. 11).
Đối với hệ số nhám, việc hiệu chỉnh có thể tự động, tuy nhiên trong thực tế đối với vùng nghiên cứu thì hệ số nhám đƣợc chỉnh theo thứ tự, ban đầu là xác định sơ bộ hệ số nhám căn cứ vào địa hình lòng dẫn của từng đoạn sông, tiếp theo tiến hành thay đổi thủ công với hàm mục tiêu là sự phù hợp giữa mực nƣớc, lƣu lƣợng tính toán và thực đo tại các vị trí kiểm tra. Sau nhiều lần thay đổi thông số của mô hình, kết quả hệ số nhám trung bình trong từng sông đƣợc thể hiện trong Bảng 2.1.
Hình 2. 11. Giao diện hiệu chỉnh thông số mô hình
Bảng 2. 1. n ng ng ng ng ng – B n
TT Tên sông Nhám bãi trái Nhám lòng dẫn Nhám bãi phải
1 Hồng 0.023-0.032 0.02-0.029 0.023-0.032 2 Ninh Cơ 0.028 0.025 0.028 3 Đuống 0.033 0.03 0.033 4 Luộc 0.025 0.021 0.025 5 Trà Lý 0.025 0.021 0.025 6 Thƣơng 0.033 0.03 0.033 7 Lục Nam 0.035 0.03 0.035 8 Thái Bình 0.03 0.025 0.03 9 Kinh Thầy 0.03 0.025 0.03 10 Kinh Môn 0.03 0.025 0.03 11 Lai Vu 0.03 0.025 0.03 12 Văn úc 0.03 0.025 0.03 13 Gùa 0.03 0.025 0.03 14 Mía 0.03 0.025 0.03 15 Mới 0.03 0.025 0.03 16 Hoá 0.03 0.025 0.03
TT Tên sông Nhám bãi trái Nhám lòng dẫn Nhám bãi phải 17 Lạch chay 0.03 0.025 0.03 18 Đáy 0.03 0.025 0.03 19 Cầu 0.035 0.03 0.035 20 Đào 0.025 0.017 0.025 21 Cấm 0.03 0.025 0.03 22 Đá Bạch 0.03 0.025 0.03
Sai số giữa mực nƣớc, lƣu lƣợng tính toán và thực đo trong bƣớc hiệu chỉnh mô hình đƣợc đánh giá theo chỉ số Nash-Sutcliffe.
n
R2 =1- [Hobs,i H sim,i]2
i1n (2.10)
[Hobs,i H obs ]2
i1
Trong đó: Hobs, i: mực nƣớc thực đo tại thời điểm thứ i Hsim, i: mực nƣớc tính toán tại thời điểm thứ i
H obs: mực nƣớc thực đo trung bình các thời đoạn
Kết quả hiệu chỉnh mô hình tại các trạm thủy văn cơ bản đƣợc thể hiện trong Bảng 2. 2 và Hình 2. 11(chi tiết cho các trạm) sau đây:
Bảng 2. 2. Kế quả đ n g ín n và ự đ ạ ộ ạ k ể TT Trạm Sai số đỉnh (%) Chỉ số NASH Trạm đo lƣu lƣợng 1 Hà Nội 11.15 0.954 2 Thƣợng Cát 10.51 0.937 Trạm đo mực nƣớc 1 Hà Nội 5.21 0.950 2 Thƣợng Cát 6.30 0.954 3 Bến Bình 4.58 0.842 4 Cát Khê 9.06 0.854 5 Trung Trang 8.61 0.781 6 Phả Lại 8.45 0.835 7 Triều Dƣơng 9.74 0.785 8 Đông Quý 11.35 0.975 Nhận xét:
Từ Bảng 2. 2 trên đây có thể thấy đƣờng quá trình mực nƣớc, lƣu lƣợng tính toán và thực đo tại một số trạm kiểm tra khá phù hợp. Đƣờng quá trình mực nƣớc, lƣu lƣợng tính toán tại các trạm nằm giữa biên trên Sơn Tây và các trạm Hà Nội, Thƣợng Cát bám sát đƣờng quá trình thực đo với chỉ số NASH khoảng 0.95. Sai số lệch đỉnh của các trạm này cũng đảm bảo tiêu chuẩn cho phép (khoảng 10% đối với lƣu lƣợng lớn nhất, với mực nƣớc lớn nhất). Tại các trạm bên dƣới dùng để so sánh quá trình mực nƣớc (Bến Bình, Cát Khê, Phả Lại, Triều Dƣơng và Đông Quý) do ảnh hƣởng của triều nên đƣờng quá trình mực nƣớc có dạng sóng triều và kết quả tính toán cũng sai số khá lớn so với thực đo. Chỉ số NASH tại những trạm này vào khoảng 0.7-0.8, sai số đỉnh khoảng 11%. Nhƣ vậy quá trình hiệu chỉnh mô hình cho mô đun thủy lực đƣa ra kết quả các chỉ tiêu đánh giá (NASH, sai số lệch đỉnh) nằm trong giới hạn cho phép. Vậy, bộ thông số của mô đun đƣợc chấp nhận và sử dụng để kiểm định cho mùa cạn năm 2007.
2.2.4.2. Hiệu chỉnh thông số cho mô đun khuếch tán – lan truyền mặn
Từ các thông số cho mô đun thủy lực, tiến hành tích hợp mô đun khuếch tán và hiệu chỉnh mô đun này cho số liệu đầu vào có thời gian tƣơng ứng với tính toán thủy lực. Với nguồn số liệu thực đo độ mặn tại các cửa sông việc hiệu chỉnh mô hình dựa trên việc thay đổi hệ số triết giảm cho từng đoạn sông ứng với mỗi cửa sông tƣơng ứng. Quá trình hiệu chỉnh thông số mô hình dựa trên sự phù hợp giữa tính toán và thực đo tại các trạm kiểm tra, cụ thể là sự phù hợp về giá trị đỉnh mặn. Chỉ tiêu đánh giá về đỉnh dựa trên sai số tƣơng đối, tuyệt đối và thời gian xuất hiện đỉnh mặn. Dƣới đây là bảng kết quả đánh giá sai số và thời gian xuất hiện đỉnh cho các vị trí kiểm tra trên hệ thống sông Hồng – Thái Bình.
Bảng 2. 3. Kết quả đánh giá sai số độ mặn tính toán và thực đo tại các vị trí kiểm tra trên hệ thống sông Hồng – Thái Bình cho tháng 1 năm 2006
Smax Smax Chênh lệch
tính Sai số lệch đỉnh thời gian
thực đo
TT Trạm Sông toán xuất hiện
(o/oo) (o/oo) Tuyệt Tƣơng đỉnh
đối (%) đối (%) (giờ)
1 Ba Lạt Hồng 20.5 26.8 6.3 30.7 2
2 Phú Lễ Ninh Cơ 27.3 28.6 1.3 4.8 0
3 Đông Xuyên Thái Bình 11.1 10.5 0.6 5.4 24
4 Định Cƣ Trà Lý 16.7 17.9 1.2 7.2 1
Smax Smax Chênh lệch
TT Trạm Sông thực đo tính Sai số lệch đỉnh thời gian
toán xuất hiện
6 Cửa Cấm Sông Cấm 20.2 24.9 4.7 23.3 4
Nhận xét:
Qua kết quả cho thấy hầu hết các vị trí kiểm tra đỉnh mặn tính toán và thực đo có sự phù hợp tốt, thời gian xuất hiện tính toán đỉnh hầu hết là trùng với thời gian xuất hiện đỉnh mặn thực đo. Quá trình độ mặn tính toán và thực đo tại hầu hết các vị trí nhìn chung có tƣơng quan tốt.
Kết luận hiệu chỉnh thông số mô hình:
Bộ thông số của mô hình cho hai mô đun thủy lực và khuếch tán đã đƣợc xác định bằng việc so sánh kết quả tính toán và thực đo tại các vị trí kiểm tra. Các thông số cho mô đun thủy lực và khuếch tán đều nằm trong phạm vi cho phép của mô hình và có tính chất đặc trƣng cho từng đoạn sông, từng cửa sông. Đây là bộ thông số sẽ đƣợc sử dụng cho kiểm nghiệm mô hình cho mùa cạn tiếp theo.
2.2.5. Kiểm định bộ thông số cho mô hình MIKE 11 cho mạng sông Hồng – Thái Bình
Với sơ đồ tính toán, bộ thông số đã đƣợc xác định trong phần trên, tiến hành kiểm định bộ thông số này bằng cách thay đổi các biên trên, dƣới, điều kiện ban đầu ứng với thời gian tháng 1 năm 2007. Dƣới đây là bảng, hình vẽ kết quả kiểm nghiệm bộ thông số cho mô hình.
Q_SonTay_2007 QSonTay_2007 [m^3/s] 2300 2200 2100 2000 1900 1800 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 07:00 07:00 07:00 07:00 07:00 07:00 07:00 2007-01-01 01-06 01-11 01-16 01-21 01-26 01-31
Hình 2. 12. Đƣờng quá trình lƣu lƣợng thực đo tại trạm Sơn Tây 1/2007
Q_GiaBay_2007 QGiaBay_2007 [m^3/s] 12.10 12.00 11.90 11.80 11.70 11.60 11.50 11.40 11.30 11.20
Q_Chu_2007 7.6 QChu_2007 [m^3/s] 7.5 7.4 7.3 7.2 7.1 7.0 6.9 6.8 6.7 6.6 6.5 6.4 6.3 6.2 6.1 6.0 5.9 5.8 5.7 5.6 5.5 5.4 5.3 5.2 5.1 5.0 4.9 4.8 07:00 07:00 07:00 07:00 07:00 07:00 07:00 2007-01-01 01-06 01-11 01-16 01-21 01-26 01-31
Hình 2. 14. Đƣờng quá trình lƣu lƣợng thực đo tại trạm Chũ 1/2007
Bảng 2. 4. Kết quả đánh giá sai số tính toán và thực đo tại một số trạm kiểm tra trên hệ thống sông Hồng – Thái Bình tháng 1 năm 2007
TT Trạm Sai số đỉnh (%) Chỉ số NASH Trạm đo lƣu lƣợng 1 Hà Nội 11.2 0.95 2 Thƣợng Cát 10.5 0.94 Trạm đo mực nƣớc 1 Hà Nội 5.21 0.95 2 Thƣợng Cát 6.30 0.95 3 Bến Bình 38.6 0.84 4 Cát Khê 31.1 0.85 5 Trung Trang 50.6 0.78 6 Phả Lại 28.4 0.84 7 Triều Dƣơng 30.7 0.78 8 Đông Quý 5.4 0.98
Bảng 2. 5. Kết quả đánh giá sai số độ mặn tính toán và thực đo tại các vị trí kiểm tra trên hệ thống sông Hồng – Thái Bình cho tháng 1 năm 2007
Sông Smax Smax Sai số lệch đỉnh Chênh lệch
thực đo tính toán thời gian
TT Trạm
(‰) (‰) Tuyệt đối Tƣơng xuất hiện
(%) đối (%) đỉnh(giờ)
1 Ba Lạt Hồng 25.0 27.9 2.9 11.8 2 giờ
2 Phú Lễ Ninh Cơ 28.8 29.1 0.3 0.9 1 giờ
3 Đông Thái Bình 0.8 1.1 0.4 42.5 3 giờ
Xuyên
4 Định Cƣ Trà Lý 23.0 20.3 2.7 11.7 2 giờ
5 Nhƣ Tân Đáy 24.4 21.7 2.7 11.1 3 giờ
6 Cửa Cấm Sông Cấm 20.8 23.9 2.1 1.10 2 giờ
2.2.6. Kiểm định bộ thông số cho mô hình MIKE 11 cho mạng sông Sò
Mục đích:
Trên cơ sở bộ thông số mô hình MIKE 11 đã xác định qua hiệu chỉnh và kiểm định cho mạng sông Hồng –Thái Bình, trong mục này sử dụng mô hình MIKE 11 tính toán kiểm định quá trình xâm nhập mặn vào hệ thống sông Sò. Qua kiểm định sẽ xác định đƣợc bộ thông số ổn định để xác lập các bài toán xâm nhập mặn theo các kịch bản nƣớc biển dâng SLR cho lƣu vực sông Sò.
Do trong hệ thống sông Sò không có các trạm đo mặn nên việc kiểm định chỉ căn cứ vào một số lần đo mặn (đƣợc thực hiện đo kiểm tra lấy nƣớc ngọt tại cống Nhất Đỗi 2).
Dƣới đây trình bày các bƣớc thực hiện bài toán kiểm định cho lƣu vực sông Sò tƣơng tự nhƣ đối với bài toán hiệu chỉnh và kiểm định cho hệ thống sông Hồng – Thái Bình.
2.2.6.1. Sơ đồ tính toán thủy lực hệ thống sông
Sơ đồ thủy lực kiểm định bộ thông số của mô hình MIKE 11 tính toán xâm nhập mặn sông Sò đƣợc thiết lập ở hình 2.16.
Trong mô hình MIKE 11 chạy cho sông Sò – Nam Định biên trên của mô hình bao gồm 17 biên:
a) Biên vào:
• Số liệu các biên lƣu lƣợng thƣợng lƣu các kênh nội đồng đƣợc tính toán bằng mô hình mƣa – dòng chảy đƣợc thống kê trong Bảng 2.6.
b) Biên ra: Mực nƣớc, độ mặn tại cửa sông Sò (Cồn Tàu)
c) Vị trí các biên của mô hình đƣợc giới thiệu trong sơ đồ thủy lực Hình
2. 16.
Hình 2.15. Sơ đồ thủy lực cho hệ thống sông Sò a) Dữ liệu mặt cắt của hệ thống sông
Dữ liệu về mặt cắt sông bao gồm hai bộ dữ liệu, dữ liệu thô và dữ liệu đã xử lý. Dữ liệu thô là bộ số liệu đƣợc mô tả dƣới dạng cột từ tài liệu mặt cắt đo đạc đƣợc bằng cách dùng trục tọa độ (x,z) thƣờng đƣợc lấy từ tài liệu khảo sát, đo đạc lòng sông.
Dữ liệu đã xử lý đƣợc tính từ dữ liệu thô và có chứa các giá trị tƣơng ứng về cao trình, diện tích mặt cắt, chiều rộng sông, bán kính thủy lực, lực cản. Bảng dữ liệu đã xử lý đƣợc dùng trực tiếp vào mô đun tính toán (Hình 2. 17)
Hình 2. 16. Mặt cắt ngang sông của lƣu vực sông Sò trong giao diện của mô hình MIKE 11
b Điều kiện biên cho mô hình
Sử dụng chuỗi số liệu thời đoạn 01/2/2006 đến 28/02/2006 để kiểm định bộ thông số mô hình tính xâm nhập mặn cho lƣu vực sông Sò.
1. Biên trên: Quá trình lƣu lƣợng vào tại vị trí cống Ngô Đồng và các cống trên hệ thống đê sông Hồng, Ninh Cơ là số liệu tính toán đƣợc lấy từ quá trình chạy mặn của mạng sông lớn (mạng sông Hồng –Thái Bình).
- Biên mực nƣớc tại cửa sông Sò là số liệu tính toán từ số liệu triều đƣợc trung bình hai trạm Ba Lạt và Phủ Lễ trong thời gian tính toán kiểm định.
- Biên mặn cửa sông Sò bao gồm: Số liệu mặn đầu ra tại vị trí cửa sông Sò là số liệu tính toán tƣơng quan từ số liệu mặn thực đo của hai trạm Ba Lạt và Phủ Lễ trong thời gian kiểm định.
3. T nh toán lưu lượng gia nhập khu giữa
Lƣợng gia nhập khu giữa của lƣu vực đƣợc tính toán từ mô hình RUNOFF cho mỗi tiểu lƣu vực và đƣợc gán vào vị trí đầu các kênh, cống. Xem danh sách các vị trí gia nhập khu giữa trên sơ đồ hình 2.16 và bảng 2.6 dƣới đây.
Bảng 2. 6. Các vị trí biên lƣu lƣợng gia nhập vào hệ thống kênh, cống trong lƣu vực sông Sò
TT Biên trên Vị trí Vai trò của hệ thống biên
1 Cống số7 Đầu kênh Cống số7 2 Sông Quất Lâm Đầu Sông Quất Lâm 3 Cống Chợ Đê Đầu Cống Chợ Đê 4 Kênh Đồng Nê Đầu kênh Đồng Nê
5 Kênh Mã Đầu kênh Mã
6 Kênh Láng Đầu kênh Láng 7 Kênh Cát Xuyên Đầu kênh Cát Xuyên 8 Kênh Thanh Quan Đầu kênh Thanh Quan 9 Kênh Trung Kính Đầu kênh Trung Kính 10 Kênh Trà Thƣợng Đầu Kênh Trà Thƣợng 11 Kênh Tàu Đầu kênh Tàu
iên lưu lượng được t nh toán
12 Kênh Giao Sơn Đầu kênh Giao Sơn
từ mô hình mưa – dòng chảy.
13 Kênh Cồn Giữa Đầu kênh Cồn Giữa Giữa 14 Kênh Thức Hoa Đầu kênh Thức Hoa 15 Kênh Tàu 2 Đầu kênh Tàu 2 16 Kênh Cát Đầm Đầu kênh Cát Đầm
2.2.6.2. Điều kiện tính toán kiểm định
Bài toán kiểm định mô hình tuân thủ Quy trình vận hành của hệ thống thủy nông Xuân Thủy hiện trạng, hệ thống cống, đập trong hệ thống sông Sò, cửa van cống làm nhiệm vụ ngăn triều mặn thƣờng đƣợc vận hành nhƣ sau:
- Trong thời gian triều kém không có nguy cơ mặn xâm nhập vào trong sông, các cửa cống mở hoàn toàn cho nƣớc lƣu thông bình thƣờng, cửa van kiểu sập trục dƣới, nằm ở vị trí đáy cống.
- Khi triều lên, cửa cống đóng không cho nƣớc triều xâm nhập vào khu vực sông phía sau cống và khu nội đồng.
-Khi triều rút cửa cống mở để nƣớc trong sông có thể chảy ra phía cửa biển.
2.2.6.3. Kết quả hiệu chỉnh mặn trong hệ thống sông Sò
Do trong hệ thống sông Sò không có mạng quan trắc độ mặn nên căn cứ vào số liệu đo mặn tại 2 ngày 2/2 và 7/2/2006 đo kiểm tra mở cống tại hạ lƣu cống Nhất Đỗi 2 (tài liệu do Công ty TNHH một thành viên khai thác CTTL Xuân Thủy cấp) để so sánh với kết quả tính toán bằng mô hình.