4. Kết quả của đề tài
3.2.1. Xây dựng, hiệu chỉnh, kiểm định mô hình thủy văn mưa dòng chảy lưu vực sông
sông Ba
Trên cơ sở kết quả tính toán từ bộ thông số ban đầu, tiến hành hiệu chỉnh và kiểm định mô hình mưa dòng chảy lưu vực sông Ba với số liệu thực đo các trận lũ 10/1993 và 11/2009 tại Củng Sơn.
Điều kiện để kết quả tính toán của mô hình đảm bảo độ tin cậy bao gồm:
Không có độ chênh lệch lớn trong cân bằng nước, giữa tổng lượng tính toán và thực đo.
Hình dạng đường quá trình tính toán và thực đo phải phù hợp với nhau.
Mô phỏng dòng chảy trong phần dòng chảy thấp không đóng vai trò quan trọng. Đặc biệt quan tâm đến kết quả mô phỏng dòng chảy lũ.
Kết quả mô phỏng trận lũ 10/1993 tại trạm Củng Sơn
R2=0.937. WBL= -9.8% (obs=10966mm/y, sim=12037mm/y), NASH=0.88
Hình 3.6. Kết quả mô phỏng trận lũ 10/1993 tại trạm Củng Sơn
Kết quả mô phỏng trận lũ 11/2009 tại trạm Củng Sơn Tính toán
R2=0.967. WBL= -0.1% (obs=8217mm/y, sim=8227mm/y), NASH=0.86
Hình 3.7. Kết quả mô phỏng trận lũ 11/2009 tại trạm Củng Sơn
Nhận xét:
Đối với mô hình mưa dòng chảy lưu vực sông Ba, bộ thông số mô hình NAM cho dòng chảy lũ tại trạm thủy văn Củng Sơn là bộ thông số ổn định ít nhiễu động nên cho hệ số tương quan giữa thực đo và tính toán R2 > 0,9 và đảm bảo đỉnh và lượng. Vì vậy có thể sử dụng bộ thông số tại các trạm đo trên để sử dụng tính toán cho các biên thủy văn phục vụ tính toán cho mô hình thủy lực.
Bảng 3.1. Bộ thông số mô hình NAM – lưu vực sông Ba
Tên Flv (km2) Umax Lmax CQOF CKIF CK1,2 TOF TIF TG CKBF
Củng sơn 12.800 18,4 293,0 0,46 857,00 22,73 0,16 0,98 0,623 3855
3.2.2. Xây dựng, hiệu chỉnh, kiểm định mô hình thủy lực lưu vực sông Ba
Căn cứ trên yêu cầu nhiệm vụ của luận văn, học viên tiến hành xây dựng mô hình thủy lực cho lưu vực sông Ba bao gồm mô hình thủy lực 1 chiều MIKE 11 (diễn toán chế độ động thủy lực lòng sông), mô hình thủy lực 2 chiều MIKE 21 (diễn toán chế độ động thủy lực trên khu vực bãi tràn), mô hình thủy lực kết hợp 1 chiều MIKE 11 và 2 chiều
Tính toán
MIKE 21 là mô hình MIKE FLOOD (diễn toán kết hợp chế độ thủy lực của cả lòng sông và bãi tràn). Các bước xây dựng từng mô hình được trình bày cụ thể theo trình từ xây dựng mô hình thủy lực 1 chiều, xây dựng thủy lực 2 chiều và xây dựng mô hình thủy lực kết hợp, cụ thể như sau:
3.2.2.1 Xây dựng mô hình thủy lực 1 chiều MIKE 11
a. Xử lý tài liệu để thiết lập mạng sông tính toán
Căn cứ trên tài liệu GIS đã được thu thập, tổng hợp, cập nhật từ bản đồ số hóa 1/10.000 của tỉnh Phú Yên tiến hành trích xuất các lớp dữ liệu thủy hệ (sông, suối…), công trình hạ tầng (giao thông, thủy lợi…) theo ranh giới của vùng lưu vực sông Ba và lưu trữ dưới dạng shapefile (*.shp). Sau đó, các lớp dữ liệu GIS này sẽ được trích nhập vào file cơ sở dữ liệu nền của mạng lưới thủy lực MIKE 11 (*.nwk11) để phục vụ công tác số hóa mạng sông tính toán trong mô hình thủy lực MIKE 11 theo vị trí không gian chính xác so với thực tế.
Hình 3.8. Dữ liệu nền mạng lưới thủy lực MIKE 11
b. Thiết lập sơ đồ thủy lực mạng sông
Căn cứ trên cơ sở dữ liệu nền đã được xử lý, trích nhập vào file mạng lưới thủy lực (*.nwk11) và yêu cầu tính toán của đồ án, tiến hành mô hình hóa mạng lưới thủy lực lưu
vực sông Ba. Mạng thủy lực 1 chiều được mô phỏng từ trạm thủy văn Củng Sơn đến cửa biển cụ thể các đoạn sông được đưa vào mô hình thủy lực 1 chiều Mike 11 với tổng chiều dài từ trạm thủy văn Củng Sơn đến cửa Đà Rằng là 50,35 km.
Hình 3.9. Sơ đồ mạng lưới thủy lực MIKE 11
c. Thiết lập tài liệu địa hình tính toán cập nhật số liệu mặt cắt ngang
Thông số dữ liệu mặt cắt là thông số quan trọng tiếp theo cần được xác lập đưa vào mô hình. Dựa trên các số liệu khảo sát địa hình, học viên xây dựng file dữ liệu mặt cắt *.xns11 như sau:
Hình 3.10. Vị trí các mặt cắt trên định dạng *.kmz
Sau khi thực hiện việc khảo sát địa hình, thực hiện trích xuất các tọa độ mặt cắt sang định dạng file *.kmz, thông qua phần mềm Google Earth mở file và xác định vị trí các mặt cắt.
Hình 3.11. Thông số mặt cắt cơ bản
Từ vị trí các mặt cắt xác định trên file *.kmz, mở file *.nwk11 và thực hiện vẽ các mặt cắt. Số liệu các mặt cắt được xác định qua file *.xls (Excel).
Đối với file dữ liệu mặt cắt, cần xác định 3 vị trí quan trọng (1) : Vị trí bờ trái, (2) : Vị trí tim lạch sâu, (3) : Vị trí bờ phải. Sau khi xác định xong các vị trí (1) (2) và (3), lưu file và tiếp tục thực hiện đối với các mặt cắt tiếp theo. Kết thúc việc xây dựng file dữ liệu mặt cắt (file *.xns11)
d. Thiết lập các điều kiện biên
Thông số dữ liệu biên là thông số tiếp theo cần được xác lập đưa vào mô hình. Từ số liệu tính toán thủy văn mô hình MIKE NAM (mô hình tính toán thủy văn dòng chảy) đưa ra các thông số biên. Đối với số liệu biên đầu vào tương tự như thông số dữ liệu mặt cắt, đưa các dữ liệu biên thượng lưu, nhập lưu và hạ lưu vào mô hình thông qua các vị trí node trên mạng sông đã được xây dựng.
Để xây dựng số liệu biên đầu vào (file *.bnd11) trước tiên cần xây dựng chuỗi số liệu theo thời gian Time Series (file *.dfs0). Chuỗi số liệu theo thời gian là các số liệu được tính toán theo mô hình thủy văn MIKE NAM. Từ các số liệu MIKE NAM trích xuất ra dạng dữ liệu *.xls hoặc *.xlsx (Excel). Từ số liệu Excel đưa vào chuỗi số liệu theo thời gian (file *.dfs0).
Đối với biên dưới là đường quá trình mực nước triều học viên căn cứ trên kết quả khôi phục mực nước triều của Trung tâm Hải văn - Tổng cục Biển và Hải đảo Việt Nam tại Cửa Đà Rằng với liệt số liệu từ 1977÷ 2009.
Chi tiết vị trí các biên như sau:
Biên trên của mô hình: Đường quá trình lưu lượng tại trạm thủy văn Củng Sơn, sử dụng số liệu lưu lượng thực đo tại trạm đối với công tác hiệu chỉnh và kiểm định mô hình, sử dụng chuỗi số liệu lưu lượng tính toán (thu phóng theo trận lũ 10/1993) đối với công tác tính toán trận lũ tần suất 5% và 10% tại trạm thủy văn Củng Sơn.
Biên dưới của mô hình: Đường quá trình mực nước giờ tại Cửa Đà Rằng (Sông Ba), sử dụng số liệu mực nước triều giờ tương ứng với các trận lũ hiệu chỉnh, kiểm định, sử dụng chuỗi số liệu mực nước triều tính toán tần suất 5% khi tính toán trận lũ trận lũ tần suất 5%, 10%.
Biên nhập lưu dọc sông:
Đường quá trình lưu lượng theo giờ suối Cái (68 km2)
Đường quá trình lưu lượng theo giờ sông Đồng Bò (119 km2) Đường quá trình lưu lượng theo giờ suối Thá (127 km2)
Đường quá trình lưu lượng theo giờ sông Bầu Gỗ - Bầu Đăng (48 km2) Đường quá trình lưu lượng theo giờ khu giữa Bầu Bèo (38 km2)
Đường quá trình lưu lượng theo giờ khu giữa Bầu Quay – Bầu Hương (43 km2) e. Thiết lập điều kiện ban đầu
Điều kiện ban đầu được xác định bằng giá trị mực nước, lưu lượng tại từng điểm nút tính toán trên mạng lưới thủy lực một chiều. Để xác định được điều kiện ban đầu phù hợp với từng kịch bản, trường hợp tính toán cần tiến hành thực hiện tính toán mô hình với lựa chọn điều kiện ban đầu là dạng file thông số thủy lực “parameter file”, tiếp theo dựa vào diễn biến chế độ thủy lực từ kết quả tính toán thủy lực đã được tính toán, tiến hành xác định thời điểm và giá trị phù hợp để thiết lập điều kiện biên ban đầu theo dạng “hostart”. Hiệu quả của công tác xác định điều kiện ban đầu theo dạng “hostart” sẽ đảm
bảo cho mức độ ổn định và chính xác trong công tác tính toán các kịch bản, các trường hợp tính toán khác nhau.
g. Xác định thông số mô hình thủy lực cơ bản
Thông số mô hình thủy lực (*.hd11) là thông số cuối cùng cần đưa vào mô hình. Thông số bao gồm các số liệu về : hệ số Manning, gió (Wind), sóng (Wave Approx)…
Hình 3.12. Bảng thông số chính của file *.hd11
3.2.2.2 Xây dựng mô hình thủy lực 2 chiều MIKE 21
a. Xử lý tài liệu để thiết lập lưới tính toán
Căn cứ trên cao độ địa hình của vùng lưu vực sông Ba, xác định phạm vi vùng có nguy cơ chịu ảnh hưởng ngập lụt ở vùng hạ lưu lưu vực sông Ba. Vùng xử lý tài liệu bao gồm toàn bộ vùng hạ du lưu vực sông Ba từ trạm thủy văn Củng Sơn đến Cửa Đà Rằng với tổng diện tích khoảng 796 km2.
Căn cứ trên phạm vi vùng có nguy cơ chịu ảnh hưởng ngập lũ, để xây dựng lưới tính toán Bathymetry cho vùng ngập lũ lưu vực sông Ba, toàn bộ cao độ địa hình từ bản đồ 1/10.000, 1/5.000, 1/2.000 và bản đồ DEM của tỉnh Phú Yên được trích xuất và tổng hợp thành file dữ liệu nền cơ sở với 32,25 triệu điểm cao độ địa hình. Dữ liệu địa hình được trích xuất và chuyển về định dạng file dữ liệu địa hình (*.XYZ) của phần mềm
MIKE và được sử dụng làm cơ sở dữ liệu nền để thiết lập lưới tính toán cho mô hình MIKE 21.
Hình 3.13. Dữ liệu cao độ địa hình lưu vực sông Ba
Hình 3.14. Bản đồ cao độ số DEM 10x10 được xây dựng từ bản đồ địa hình 1/2.000; 1/5.000, 1/10.000 của Bộ Tài nguyên và Môi trường
b. Xây dựng lưới tính toán 2 chiều
Lưới 2 chiều được xây dựng mở rộng trên toàn bộ vùng nghiên cứu khoảng 796 km2 từ khu vực trạm thủy văn Củng Sơn đến cửa Đà Rằng.
Bảng 3.2. Phạm vi mạng thủy lực 2 chiều phần bãi sông TT X Y 1 850.800,07 1.478.027,17 2 850.800,07 1.504.311,40 3 880.803,01 1.504.311,40 4 880.803,01 1.478,027,17
Hình 3.15. Lưới tính toán mô hình MIKE 21 được xây dựng Lưới mô hình thủy lực 2 chiều được thiết lập với kích thước ô lưới 120x120m. c. Thiết lập điều kiện biên
Căn cứ vào mục đích, yêu cầu của luận văn là thực hiện xây dựng mô hình thủy lực 1 chiều, 2 chiều và kết nối 1 và 2 chiều nên phần thiết lập điều kiện biên được thực hiện trên mô hình thủy lực một chiều. Trong quá trình diễn toán lũ, mô hình thủy lực 1 chiều sẽ kết nối với mô hình thủy lực 2 chiều và sẽ cấp biên liên tục cho mô hình thủy lực 2 chiều trong suốt thời gian tính toán.
d. Thiết lập điều kiện ban đầu
Điều kiện ban đầu được xác định bằng giá trị độ sâu ngập nước, vận tốc, lưu tốc dòng chảy tại từng điểm nút lưới tính toán trên mạng lưới thủy lực một chiều. Để xác định được điều kiện ban đầu phù hợp với từng kịch bản, trường hợp tính toán cần tiến hành thực hiện tính toán mô hình với lựa chọn điều kiện ban đầu là “constant”, tiếp theo dựa vào diễn biến chế độ thủy lực từ kết quả tính toán thủy lực đã được tính toán, tiến hành
xác định thời điểm và giá trị phù hợp để thiết lập điều kiện biên ban đầu theo dạng “Spatially varying water depth and velocities”. Hiệu quả của công tác xác định điều kiện ban đầu theo dạng biến đổi theo không gian sẽ đảm bảo cho mức độ ổn định và chính xác trong công tác tính toán các kịch bản, các trường hợp tính toán khác nhau.
e. Thiết lập các thông số thủy lực cơ bản
Một số các thông số thủy lực cơ bản cho mô hình thủy lực 2 chiều MIKE 21 sẽ được thiết lập như hệ số nhám, hệ số nhớt, bước thời gian ... cụ thể như sau:
Hệ số nhám
Hệ số nhám là hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thảm phủ, độ rộng lòng sông, các ao hồ trong bãi ngập lũ. Đối với vùng ngập lũ, sử dụng hệ số nhám Mannings M thay vì hệ số nhám Mannings (n) được sử dụng trên sông và kênh. Mannings M là nghịch đảo của Mannings (n), giá trị của Mannings (n) thường nằm trong khoảng 0,01 (kênh mịn) đến 0,1 (kênh có thảm phủ dày), điều này tương ứng giá trị của Mannings M trong khoảng 100÷10. Hiện nay có nhiều có nhiều phương pháp để xác định hệ số nhám. Phương pháp trực tiếp xác định hệ số này rất tốn kém và tốn nhiều thời gian vì đỏi hỏi chúng ta phải đo được độ dốc thủy lực, lưu lượng và một số mặt cắt ngang dọc vùng ngập lũ. Do vậy thực tế tính toán, áp dụng các công thức kinh nghiệm và các bảng tra hệ số đã được đúc kết từ các nghiên cứu trước đó.
Đối với vùng ngập hạ lưu lưu vực sông Ba áp dụng nghiên cứu của Cowan’s (1956) tính cho kênh và sông được hiệu chỉnh bởi các hệ số để tính cho vùng ngập lũ. Hệ số nhám n tính cho đồng bằng ngập lũ theo công thức:
n = (nb + n1 + n2 + n3 + n4) x m Trong đó:
nb: một giá trị cơ sở của n cho bề mặt đất trống tự nhiên của đồng bằng ngập lụt n1: một yếu tố điều chỉnh ảnh hưởng của bất thường bề mặt trên đồng bằng ngập lụt n2: một giá trị cho các biến thể về hình dạng và kích thước của mặt cắt ngang đồng
bằng ngập lụt, giả định bằng 0
n4: một giá trị cho thảm thực vật trên đồng bằng ngập lụt m: Hệ số thay đổi bất thường của địa hình vùng ngập lũ
Căn cứ vào hiện trạng sử dụng đất vùng nghiên cứu, phân vùng nhám bao gồm ao hồ, đất lúa, đất trồng cây lâu năm, đất cơ sở hạ tầng…..Hệ số nhám Mannings M của các đối tượng được đưa vào lưới mô hình thủy lực 2 chiều để phục vụ tính toán.
Thông số mô hình thủy lực
Bước thời gian để chạy mô hình là 0,01 ÷ 10 giây; Chỉ số CFL max = 0.8
Có kể đến chế độ ngập và cạn
Hình 3.16. Thông số khai báo cạn và ngập Hệ số Density theo dạng Barotropic
Hệ số nhớt rối (Eddy) tính theo công thức Smagorinsky với các thông số sau:
Hình 3.17. Thông số nhớt Eddy
Ngoài những công trình đã được thiết lập trên mô hình thủy lực 1 chiều MIKE 11, thực hiện tiến hành thiết lập một số các công trình trực tiếp trên mô hình thủy lực MIKE 21 như một số công trình đường giao thông. Căn cứ trên vị trí, thông số thiết kế kỹ thuật của các công trình giao thông để thiết lập bộ thông số mô phỏng các công trình trong mô hình bao gồm công trình quốc lộ 1A, đường sắt Bắc – Nam.
Bộ thông số mô phỏng các công trình được thiết lập trong module thiết lập công trình “structure” và được lưu trữ đồng thời trong file thiết lập mô hình MIKE 21 *.m21fm. Thông tin được đưa vào mô hình bao gồm tên, tọa độ các điểm xác định công trình và hình dạng công trình.
Hình 3.18. Thiết lập công trình trên vùng ngập
3.2.2.3 Xây dựng mô hình thủy lực kết hợp 1 chiều và 2 chiều MIKE FLOOD
Sau khi xây dựng xong mô hình thủy lực Mike 11, Mike 21FM sử dụng mô đun Mike Flood để chạy kết nối giữa mô hình 1 chiều trong lòng dẫn với mô hình 2 chiều vùng bãi tràn mới tính toán được chế độ thủy lực cho toàn vùng hạ lưu sông Ba từ trạm thủy văn Củng Sơn đến cửa Đà Rằng.
Các kết nối được sử dụng trong mô hình bao gồm kết nối chuẩn, kết nối hai bên. Các kết nối hai bên được thiết lập dọc theo các tuyến sông. Các kết nối của mô hình được thiết lập như sau:
Mô hình 1 chiều MIKE 11 và MIKE 21FM được kết nối với nhau bằng các kết nối bên phía tả và hữu dọc theo các sông trục. Tổng cộng có 2 kết nối gồm 367 điểm kết nối. Cụ thể kết nối xem bảng dưới đây:
Bảng 3.3. Kết nối 2 mô hình 1 và 2 chiều
TT Sông Bờ
sông Kiểu nối
Đoạn sông (MIKE 11) Số ô nối (MIKE
21)