b) Phương pháp giải của mô hình khuếch tán
2.2.1. Xây dựng sơ đồ mạng sông
Hệ thống sông Hồng - Thái Bình là hệ thống sông lớn và phức tạp chịu tác động đồng thời của nhiều nhân tố ảnh hƣởng ngẫu nhiên và tất nhiên nhƣ quy luật phân bố mƣa, tác động của các công trình hồ chứa thƣợng lƣu, hệ thống thủy nông nội đồng và tác động ảnh hƣởng của thủy triều vịnh Bắc Bộ. Mỗi một nhánh sông trong hệ thống, dù lớn hay nhỏ, dài hay ngắn đều có mối ràng buộc và ảnh hƣởng lẫn nhau về mặt thủy văn, thủy lực. Do vậy, một cách hợp lý nhất khi nghiên cứu một đoạn sông hay một công trình cần phải xem xét cả hệ thống.
Trong tính toán thủy lực, không gian mô phỏng hệ thống trải ra đến đâu cần có các điều kiện biên về khí tƣợng, thủy văn, thủy lực đến đó.
Sơ đồ toàn mạng sông Hồng - Thái Bình bao gồm các sông chính thuộc hai hệ thống sông Hồng và Thái Bình, cụ thể:
Hệ thống sông Hồng:
Bao gồm các sông Hồng (kể từ Sơn Tây), Đuống, Luộc, Trà Lý, Ninh Cơ, Đào và hệ thống sông Đáy.
Hệ thống sông Thái Bình:
Bao gồm các sông Cầu, Thƣơng, Lục Nam, Thái Bình, Kinh Thầy, Đá Bạch, Cửa Cấm, Lạch Tray, Văn Úc, sông Gùa, sông Mía, sông Mới, sông Hoá, Kinh Môn.
Toàn hệ thống gồm 22 sông chính bao gồm 823 mặt cắt. Trong đó:
-Sông Hồng có 8 nhánh gồm 262 mặt cắt,
-Hệ thống sông Thái Bình có 5 nhánh gồm 206 mặt cắt, -Sông Luộc có 1 nhánh gồm 34 mặt cắt,
-Sông Đuống 1 nhánh gồm 31 mặt cắt.
Sơ đồ tính thủy lực đƣợc trình bày trong hình 2.2. và đƣợc vẽ trong giao diện của mô hình MIKE 11 trên hình 2.3.
Tài liệu mặt cắt ngang toàn bộ hệ thống sông Hồng - Thái Bình đƣợc sử dụng trong mô hình từ kết quả đo đạc năm 1999 - 2000 trong Chƣơng trình Phòng chống lũ sông Hồng - Thái Bình do Bộ NN&PTNT [7] chủ trì.
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 toạ 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.
Mỗi một mặt cắt đơn nhất đƣợc xác định bằng ba yếu tố chủ yếu sau đây: • Tên sông (river name) là chuỗi, không giới hạn độ dài.
• Đặc điểm địa hình (Topo ID) là chuỗi không giới hạn độ dài. • Vị trí (chainage) là số biểu thị vị trí của mặt cắt trên sông.
Hình 2. 3. Sơ đồ mạng sông Hồng – Thái Bình trong giao diện Mike 11 2.2.2. Thiết lập điều kiện biên
Việc thiết lập điều kiện biên để thực hiện bài toán thủy lực trên mô hình MIKE 11 cho hệ thống sông Hồng – Thái Bình đƣợc mô tả theo sơ đồ trên hình 2.2, cụ thể:
Các biên lƣu lƣợng vào tại các vị trí đầu các nhánh sông nhập lƣu Quá trình lƣu lƣợng thực đo trong tháng 1/2006 đƣợc chọn làm tháng kiệt để chạy hiệu chỉnh mô hình thủy lực, cụ thể đối với các biên nhƣ sau:
Hệ thống sông Hồng:
-Trạm Sơn Tây: Sông Hồng
-Trạm Gia Bảy: trên sông Cầu -Trạm Cầu Sơn: trên sông Thƣơng -Trạm Chũ: trên sông Lục Nam
-Trạm Hƣng Thi, Ba Thá trên hệ thống sông Đáy
Đối với các biên tại các trạm thủy văn hiện nay không còn đo lƣu lƣợng sẽ sử dụng quan hệ mực nƣớc - lƣu lƣợng của các năm trƣớc để khôi phục lƣu lƣợng cho các trạm tƣơng ứng.
Các biên mực nƣớc, độ mặn: Bao gồm 9 biên mực nƣớc, độ mặn tại các cửa sông đƣợc tính toán từ mô hình 2 chiều (MIKE 21) đƣợc lấy từ các công trình [11], [6], cụ thể:
1- Cửa Bạch Đằng: sông Đá Bạch
2- Cửa Cấm: sông Cấm
3- Cửa Nam Triệu: sông Lạch Tray
4- Cửa Văn Úc: sông Văn Úc
5- Cửa Thái Bình: sông Thái Bình
6- Cửa Trà Lý: sông Trà Lý
7- Cửa Ba Lạt: sông Hồng
8- Cửa Ninh Cơ: sông Ninh Cơ
9- Cửa Đáy: sông Đáy
Đối với các biên triều, sẽ sử dụng số liệu mực nƣớc, độ mặn thực đo tại các trạm cửa sông để làm đầu vào cho quá trình hiệu chỉnh bộ thông số cho mô hình.
Dƣới đây trình bày các quá trình lƣu lƣợng biên trên các sông Hồng, sông Cầu, sông Lục Nam từ tài liệu thực đo trên các hình 2.4, 2.5, 2.6. Do các điểm đo tại các trạm đo lƣu lƣợng không liên tục nên các đƣờng quá trình lƣu lƣợng đƣợc nối thẳng theo các điểm đo. Mô hình tính toán sẽ nội suy tuyến tính giữa các điểm đo để tạo thành chuỗi số liệu giờ liên tục.
Q_SonTay_2006 1700 QSonTay_2006 [m^3/s] 1650 1600 1550 1500 1450 1400 1350 1300 1250 1200 1150 1100 1050 1000 950 900 850 800 07:00 07:00 07:00 07:00 07:00 07:00 07:00 2006-01-01 01-06 01-11 01-16 01-21 01-26 01-31
Hình 2. 4. Đƣờng quá trình lƣu lƣợng thực đo tại trạm Sơn Tây 1/2006
14.0 Q_Chu_2006 QChu_2006 [m^3/s] 13.5 13.0 12.5 12.0 11.5 11.0 10.5 10.0 9.5 9.0 8.5 8.0 7.5 7.0 07:00 07:00 07:00 07:00 07:00 07:00 07:00 2006-01-01 01-06 01-11 01-16 01-21 01-26 01-31
Q_GiaBay_2006 20.0 QGiaBay_2006 [m^3/s] 19.0 18.0 17.0 16.0 15.0 14.0 13.0 12.0 11.0 10.0 07:00 07:00 07:00 07:00 07:00 07:00 07:00 2006-01-01 01-06 01-11 01-16 01-21 01-26 01-31
Hình 2. 6. Đƣờng quá trình lƣu lƣợng thực đo tại trạm Gia Bảy 1/2006 2.2.3. Thiết lập điều kiện ban đầu
Mực nƣớc và lƣu lƣợng ban đầu trên toàn hệ thống sông đƣợc lấy tại thời điểm bắt đầu tính cho mỗi thời điểm tính toán theo số liệu thực đo tại các trạm thủy văn cơ bản. Mực nƣớc ban đầu tại từng nút tính toán đƣợc nội suy tuyến tính theo khoảng cách từ mực nƣớc của các nút có số liệu thực đo mực nƣớc. Lƣu lƣợng đầu đoạn và cuối đoạn ban đầu của từng đoạn sông đƣợc tính toán từ lƣu lƣợng thực đo tại các trạm thủy văn dựa trên tỷ số phân chia lƣu lƣợng trung bình giữa các nhánh sông, với giả định chế độ chảy tại thời điểm ban đầu là ổn định đều. Trƣờng hợp khác có thể sử dụng dạng dữ liệu theo định dạng của mô hình dƣới dạng tệp hoststart.
Đối với độ mặn trên các sông, tại các sông thƣợng lƣu có thể lấy bằng 0, đối với vùng cửa sông độ mặn ban đầu đƣợc lấy giá trị độ mặn tại các trạm có đo mặn trên hệ thống và tiến hành nội suy tuyến tính đối với các vị trí trên sông không có số liệu thực đo. Cũng nhƣ mực nƣớc và lƣu lƣợng, độ mặn ban đầu cũng có thể tạo ra bằng công cụ trong mô hình dƣới dạng tệp hoststart.
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