Ngày tiêu qht (l/s-ha) Quy trình điều tiết qht sau khi hiệu
chỉnh (l/s-ha) Trữ Xả 22/10 2.75 2.75 23/10 25.66 5.31 20.36 24/10 24.93 4.57 20.36 25/10 6.12 2.45 8.57 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 16.00 18.00 22/10 23/10 24/10 25/10 26/10 2.23 16.11 16.11 10.15 10.15 q (l/s-ha) Ngày
Luận văn thạc sĩ
26/10 1.14 7.43 8.57
Tổng 60.60 9.88 9.88 60.60
Từ bảng kết quả tính tốn hệ số tiêu ta cho thời kỳ hiện tại ta xây dựng được giản đồ hệ số tiêu của hệ thống theo thời gian sau khi đã hiệu chỉnh hình 2.2.
Hình 2. 2. Giản đồ hệ số tiêu hiệu chỉnh thời kỳ tương lai 2030.
Nhận xét: Giản đồ hệ số tiêu sau khi hiệu chỉnh có mức độ đồng đều cao hơn, tuy
nhiên vẫn còn hơi cao. Để đảm bảo khả năng tiêu của hệ thống ta chọn giá trị tương đối lớn và phù hợp.
Sau khi hiệu chỉnh hệ số tiêu theo phương án quy hoạch sử dụng đất đến năm 2030 lớn hơn so với hệ số tiêu theo hiệng trạng. Nếu chọn hệ số tiêu theo hiên trạng làm hệ số tiêu thiết kế sẽ giảm được vốn đầu tư. Tuy nhiên để đảm bảo an tồn và đảm bảo cơng trình có thể phục vụ tốt nhu cầu trong tương lai ta chọn phưng án có hệ số tiêu lớn hơn làm hệ số tiêu thiết kế. Vậy ta chọn qtk = 20.36 (l/s-ha). 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 22/10 23/10 24/10 25/10 26/10 2.75 20.36 20.36 8.57 8.57 q (l/s-ha) Ngày
Luận văn thạc sĩ
CHƯƠNG 3: ĐỀ XUẤT VÀ LỰA CHỌN CÁC GIẢI PHÁP TIÊU NƯỚC CHO HỆ THỐNG THỦY LỢI NAM NGHỆ AN
3.1. Phân tích lựa chọn mơ hình phù hợp với bài tốn tiêu nước cho hệ thống.
Dưới đây là khái quát một số mơ hình tiêu biểu đang được sử dụng rộng rãi ở nước ta. Hiện nay có rất nhiều mơ hình tính tốn thủy lực đang được ứng dụng để tính tốn phân tích dịng chảy trên sơng.
3.1.1. Mơ hình VRSAP (Vietnam river systerm and plains:)
Mơ hình do cố GS.TS.Nguyễn Như Khuê thiết lập. VRSAP là phiên bản cải tiến cuối cùng của mơ hình gốc KRSAL. KRSAL là mơ hình tốn dịng chảy lũ và thủy triều trên hệ thống sơng ngịi, hồ chứa và đồng ruộng, được xây dựng từ năm 1978 phát triển trên sơ đồ sai phân ẩn của Dronker - Hà Lan. Mơ hình VRSAP mơ tả chuyển động sông thiên nhiên phức tạp như hệ thống sơng Hồng và sơng Thái Bình khá tốt, được ứng dụng rộng rãi, giải quyết được nhiều bài tốn thơng thường và một số bài toán lớn mang đặc thù riêng của đồng bằng sông Hồng cũng như đồng bằng sơng Cửu Long (có bổ sung thêm phần xâm nhập mặn). Tuy nhiên mơ hình này cịn có một số nhược điểm chính sau:
- Giao diện đơn giản, khai thác kết quả mất rất nhiều công và yếu về đồ họa.
- Các thửa ruộng hai bên đều được coi là đổ trực tiếp vào kênh, chia thành nhiều cấp cao độ. Trong nội bộ ơ ruộng kín khơng cho phép chảy tràn từ cao xuống thấp. Điều này chỉ đúng trong điều kiện hệ thống thủy lợi được hoàn chỉnh từ đầu mối đến mặt ruộng, có bờ vùng, bờ kênh đến từng khoảnh, bờ ruộng canh tác có chiều cao đủ sức chống tràn.
- Xét đến hoạt động của các trạm bơm tiêu vào hệ thống một cách đơn giản thông qua hệ số tiêu và diện tích vùng bơm, mà hệ số tiêu thì khơng thể hiện được quá trình bơm một cách thực tiễn và phù hợp với thực tiễn vận hành các trạm bơm tiêu để đảm bảo yêu cầu tiêu nước.
Chương trình gốc được viết bằng ngơn ngữ FORTRAN. Qua q trình áp dụng tính tốn quy hoạch vùng đồng bằng sơng Hồng và đồng bằng sơng Cửu Long mơ hình đã được cải tiến nâng cấp dần. Hiện nay mơ hình được viết lại bằng VisualBasic trong mơi trường Windows, có giao diện thuận tiện hơn. Tuy nhiên giao diện chưa trực quan và
Luận văn thạc sĩ
chưa có kết nối GIS. Việc áp dụng mơ hình tương đối phức tạp, cần nhiều kinh nghiệm xử lý cụ thể. Mơ hình dựa trên bài tốn một chiều nên việc ứng dụng cũng có những hạn chế nhất định.
3.1.2. Mơ hình SOBEK:
Mơ hình do Delft Hydraulics - Hà Lan xây dựng,sử dụng sơ đồ sai phân ẩn, cho phép tính tốn thủy lực dịng hở, xói lan truyền, phù sa lơ lửng và xâm nhập mặn và các đặc trưng thuỷ lực lòng dẫn hở như lưu lượng, mực nước, độ sâu dòng chảy, vận tốc trung bình mặt cắt, hệ số chezy... Ngồi ra, mơ hình cũng cho phép tính tốn xói mịn do mất cân bằng phù sa trong lịng dẫn như ảnh hưởng của đập. Tính lượng phù sa tưới cho đồng ruộng, tính nồng độ muối tại các vị trí khác nhau trên mạng sơng. Ưu điểm của mơ hình là sử dụng thuận tiện, truy nhập số liệu dễ dàng, cho phép thay đổi mạng sơng, các cơng trình thủy lực trên mạng. Tuy nhiên mơ hình chỉ quản lý mạng sông nhỏ hơn 400 mặt cắt, chưa xét đến sự điều tiết của các ô đồng ruộng như mơ hình VRSAP, SOGREAH. Mơ hình WENDY mang tính chất quản lý lưu vực, khi sử dụng có thể đưa thêm sơ đồ hình thái kênh mương, cầu cống, cơng trình thủy lợi, giả định các tình huống về nguồn nước và khai thác nguồn nước. Tuy nhiên mơ hình khơng mơ phỏng dịng bổ sung ngang từ mưa trên lưu vực như mơ hình SSARR, lượng mưa gia nhập khu giữa chỉ có thể được tính trực tiếp từ dịng chảy trên các sông con, không mô tả khối lượng mưa rơi trực tiếp trên các ơ ruộng, khơng có hệ thống liên kết các ơ ruộng như trong các mơ hình SOGREAH, VRSAP. Dùng mơ hình WENDY bắt buộc phải có PLUG (một bộ phận khoá cứng do Delft Hydraulics độc quyền chế tạo).
Trong dự án quy hoạch tổng thế đồng bằng sông Hồng (VIE 89/034) Công ty tư vấn SMEC (Úc) phối hợp với Delft Hydraulics (Hà Lan) cùng các chuyên gia của Việt Nam đã đưa mơ hình WENDY vào ứng dụng cho tồn mạng Sơng Hồng - Thái Bình. Do bộ nhớ của mơ hình có hạn, chỉ đưa được tối đa 400 mặt cắt nên cấu trúc mạng sơng của đồng bằng sơng Hồng có bị giảm bớt đi.
3.1.3. Mơ hình kết hợp TL1D + ECOMOD-2D:
Đây là mơ hình kết nối giữa mơ hình thuỷ lực 1 chiều (mơ hình TL1D) và 2 chiều (mơ hình ECOMOD-2D) - kết quả nghiên cứu trong dự án FLOCODS giữa Viện Cơ học Việt Nam thuộc Trung tâm Khoa học tự nhiên và công nghệ Quốc gia và Giáo sư
Luận văn thạc sĩ
Nguyễn Kim Đan - Khoa Toán Cơ (Viện đại học Caen, Pháp) thực hiện năm 2004. Mơ hình dùng để tính tốn cho một hệ thống sông tại một số điểm cục bộ (như đoạn sơng cong bị xói lở, vùng cửa sơng, khu phân chậm lũ...), có thể tính tốn bằng mơ hình thuỷ lực 2 chiều:
- TL1D là mơ hình thuỷ lực 1 chiều do Viện Cơ học thiết lập, hiện đã được áp dụng tính tốn cho hệ thống sơng Hồng - sơng Thái Bình.
- ECOMOD-2D là mơ hình thuỷ lực 2 chiều, là kết quả nghiên cứu của 10 luận án tiến sỹ trong khoảng thời gian 18 năm tại Khoa Toán cơ - Viện đại học Caen, Pháp.
Hiện nay cả 2 mơ hình đều có chương trình nguồn, khi sử dụng có thể bổ sung cho phù hợp với yêu cầu bài toán nghiên cứu (tuy nhiên địi hỏi người lập trình phải có kinh nghiệm và chuyên sâu).
3.1.4. Mơ hình thuỷ lực một chiều MIKE 11:
Là mơ hình thủy lực một chiều MIKE 11 của Viện thủy lực Đan Mạch DHI phát triển, là phần mềm dùng để mô phỏng dòng chảy, lưu lượng, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát ở các cửa sông, sông, kênh tưới và các vật thể nước khác. MIKE 11 là một mô hình mạnh và có nhiều điểm thuận lợi trong q trình tính tốn thuỷ lực, áp dụng với chế độ sóng động lực hồn tồn ở cấp độ cao, có khả năng tính tốn với dịng chảy biến đổi nhanh, lưu lượng thủy triều, hiệu quả nước đọng thay đổi nhanh, sóng lũ và lịng dẫn có độ dốc lớn.
Luận văn thạc sĩ
Bảng 3. 1. Tóm tắt một số mơ hình tốn thường được sử dụng ở Việt Nam
TT Tên mơ hình Tác giả, bản quyền Loại mơ hình
1 VRSAP Nguyễn Như Khuê 1 chiều ẩn
2 KOD01 Nguyễn Ân Niên 1 chiều hiện
3 WENDY Delf Hydraulics , Hà Lan 1 chiều ẩn
4 SALHO Trần Văn Phúc 1 chiều ẩn
5 SSARR Hoa Kỳ 1 chiều
6 Mơ hình nhận dạng
lũ sơng Hồng Trịnh Quang Hồ Thuỷ văn, thuỷ lực kết hợp
7 KODO2 Nguyễn Ân Niên 2 chiều hiện
8 EXTRAN EPA - Hoa Kỳ 1 chiều hiện
9 TELEMAC EDF - Pháp 2 chiều bằng FFM
10 FLDWAV Fread - Cục Khí tượng Hoa Kỳ 1 chiều ẩn
11 HEC1 Mỹ 1 chiều
12 HMS Hoa Kỳ Hai chiều ẩn
13 iSIS Hà Lan 1 và hai chiều ẩn
14 TANK Nhật Thuỷ văn
15 Phần mềm MIKE Đan Mạch Thủy văn, thủy lực 1, 2 chiều
Kết luận: Tất cả các mơ hình giới thiệu ở trên đều được xây dựng trên cơ sở phương
trình liên tục và quy luật bảo tồn động lượng. Mỗi mơ hình có một cách tiếp cận và đều cho phép tính tốn chế độ thuỷ lực trong kênh dẫn hở để tìm ra những thơng số cần thiết phục vụ việc thiết kế, quản lý các hệ thống thuỷ lợi. Trong tất cả các chương trình tính tốn trên, họ chương trình MIKE đã được cải tiến nhiều lần cho phù hợp với điều kiện về tài liệu cũng như khai thác kết quả tính tốn. Đây là họ chương trình tiên tiến, đã được nhiều cơ quan đầu ngành trong lĩnh vực tài nguyên nước kiểm nghiệm. Trong nghiên cứu này học viên sử dụng mơ hình MIKE 11 để thực hiện các tính tốn thuỷ văn, thuỷ lực nhằm đưa ra các giá trị mực nước lưu lượng tại tất cả các mặt cắt của hệ thống sơng từ đó xác định được diện và độ sâu ngập lụt gây ra bởi mỗi trận lũ.
3.2. Thiết lập mơ hình thủy lực cho bài tốn tiêu nước cho hệ thống.
3.2.1 Cơ sở lý thuyết mơ hình MIKE11
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 cơng cụ lập mơ hình động lực một chiều, thân thiện với
Luận văn thạc sĩ
người sử dụng nhằm phân tích chi tiết, thiết kế, quản lý và vận hành cho sông và hệ thống kênh dẫn đơn giản và phức tạp. MIKE 11 cung cấp một môi trường thiết kế hữu hiệu về kỹ thuật cơng trình, tài ngun nước, quản lý chất lượng nước và các ứng dụng quy hoạch.
Mơ đun mơ hình thuỷ động lực (HD) là một phần trung tâm của hệ thống lập mơ hình MIKE 11 và hình thành cơ sở cho hầu hết các mơ đun bao gồm: dự báo lũ, tải khuyếch tán, chất lượng nước và các mô đun vận chuyển bùn cát. Mơ đun MIKE 11 HD giải các phương trình tổng hợp theo phương đứng để đảm bảo tính liên tục và bảo tồn động lượng (phương trình Saint Venant).
Các ứng dụng liên quan đến mô đun MIKE 11 HD bao gồm: - Dự báo lũ và vận hành hồ chứa
- Các phương pháp mơ phỏng kiểm sốt lũ - Vận hành hệ thống tưới và tiêu thoát nước mặt - Thiết kế các hệ thống kênh dẫn
- Nghiên cứu sóng triều và dịng chảy do mưa ở sơng và cửa sông
Đặc trưng cơ bản của hệ thống lập mơ hình MIKE 11 là cấu trúc mô đun tổng hợp với nhiều loại mô đun được thêm vào mô phỏng các hiện tượng liên quan đến hệ thống sơng. Ngồi các mơ đun thuỷ lực đã mô tả ở trên, MIKE bao gồm các mô đun bổ sung đối với, thuỷ văn, tải khuyếch tán, các mơ hình chất lượng nước, vận chuyển bùn cát có cấu kết và khơng cấu kết.
Phương trình cơ bản cho tính tốn thuỷ lực
Hệ phương trình cơ bản của MIKE 11 là hệ phương trình Saint Venant viết cho trường hợp dịng chảy một chiều trong lòng kênh dẫn hở, bao gồm:
Phương trình liên tục là: q t A x Q (3.1) Phương trình động lượng có dạng:
Luận văn thạc sĩ t Q + x ( A Q2 ) + gA x h + g RA 2 C | Q | Q = 0 (3.2) Trong đó:
Q: Lưu lượng qua mặt cắt (m3/s) Q: Lưu lượng qua mặt cắt (m3/s) A: Diện tích mặt cắt ướt (m2) x: Chiều dài theo dòng chảy (m) t: Thời gian tính tốn (s) q: Lưu lượng nhập lưu
: Hệ số động năng : Hệ số phân bố lưu tốc
g: Gia tốc trọng trường g= 9.81 m/s2 C: Hệ số Sê-di R: Bán kính thủy lực
Phương pháp giải hệ phương trình
Mơ hình Mike11 sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott để giải hệ phương trình Saint-Venant với các điều kiện biên, điều kiện ban đầu, điều kiện ổn định.
Điều kiện biên và điều kiện ban đầu: Điều kiện biên: Các điều kiện biên gồm có điều kiện mực nước theo thời gian và lưu lượng theo thời gian tại vị trí các mặt cắt khống chế cửa ra và cửa vào của đoạn sơng tính tốn.
Điều kiện ban đầu: Các điều kiện ban đầu bao gồm các điều kiện về mực nước, lưu lượng trên khu vực nghiên cứu (thường lấy lưu lượng bằng 0, mực nước bằng mực nước trung bình).
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.
3.2.2.Thiết lập sơ đồ mạng sông
Tiến hành thiếp lập mạng sông bằng cách số hố các tuyến sơng chính và sơng nhánh trên cơ sở bản đồ hệ thống thủy lợi Nam Nghệ An dưới dạng ảnh (file namnghean.JPEG). Gắn thơng số về lý trình cho các nút ở điểm đầu, điểm cuối, các
Luận văn thạc sĩ
cơng trình trên các sơng để xác định chiều dài của sông. Nhập thông số kỹ thuật cho công trình đầu mối và các cơng trình điều tiết trên sơng trong bảng TabularView. File mạng sơng được lưu có định dạng NWK11.
Hình 3. 1. Sơ đồ thủy lực hệ thống Nam Nghệ An
3.2.3. Điều kiện biên của mơ hình.
- Biên đầu ra của mơ hình: Biên đầu ra của mơ hình là biên triều tại hạ lưu cống Nghi Quang và cống Bến Thủy. Hai biên mực nước này được tính tốn từ mơ hình mực nước triều 7 ngày max với tần suất thiết kế P (10%) cho thời điểm hiện tại và tương lai năm 2030. Chi tiết về biên mực nước của mơ hình được thể hiện ở hình 3.2.
1000.0 1500.0 2000.0 2500.0 3000.0 3500.0 4000.0 4500.0 5000.0 5500.0 6000.0 6500.0 7000.0 7500.0 8000.0 8500.0 [meter] 1400.0 1600.0 1800.0 2000.0 2200.0 2400.0 2600.0 2800.0 3000.0 3200.0 3400.0 3600.0 3800.0 4000.0 4200.0 4400.0 4600.0 4800.0 5000.0 5200.0 5400.0 5600.0 5800.0 6000.0 6200.0 6400.0 6600.0 6800.0 7000.0 7200.0 7400.0 7600.0 7800.0 8000.0 8200.0 8400.0 8600.0 8800.0 9000.0 9200.0
[meter] Standard - So do he thong TL Nam Nghe An.res11
NHANH NDAN CU NHANH NDAN MOI
NHANH NDAN MOI KENH THAP KENH THAP
KENH THAP KENH THAP KENH THAP KENH THAP KENH THAP KENH THAP
KENH THAP KENH THAP KENH THAP KENH THAP KENH THAP KENH THAP KENH THAP KENH THAP KENH THAP KENH HOANG CAN KENH HOANG CAN KENH HOANG CAN
KENH HOANG CAN KENH HOANG CAN KENH HOANG CAN KENH HOANG CAN
KENH HOANG CAN KENH HOANG CAN KENH HOANG CAN KENH HOANG CAN
KENH HOANG CAN SONG CUA TIEN
SONG CUA TIEN KENH GAI KENH GAI KENH GAI KENH GAI KENH GAI KENH GAI KENH GAI KENH GAI KENH GAI SONG CAM SONG CAM SONG CAM SONG CAM
SONG CAM SONG CAM
KENH THO SON KENH THO SON KENH THO SON
SONG LAM TRA
SONG LAM TRA
SONG LAM TRA KENH KHE CAI KENH KHE CAI KENH KHE CAI KENH KHE CAI KENH KHE CAI KENH KHE CAI
KENH LE XUAN DAO KENH LE XUAN DAO
KENH LE XUAN DAO KENH HUNG NGHIA