TT Khu tiêu Diện tích khu
tiêu (ha)
1 Khu tiêu Vọng Nguyệt 1.940
2 Khu tiêu Phù Khê - Hƣơng Mạc 1.022
3 Khu tiêu Phấn Động 2.270
4 Khu tiêu Vạn An 5.130
5 Khu tiêu Xuân Viên Hữu Chấp 1.951
6 Khu tiêu Trịnh Xá 4.810
7 Khu tiêu Kim Đôi 6.600
8 Khu tiêu Việt Thống 1.205
9 Khu tiêu Tõn Chi 6.420
10 Khu tiêu Tri Phƣơng 1.100
11 Khu tiêu Châu Cầu 1.710
12 Khu tiêu Phả Lại 1.420
13 Khu tiêu Phù Lãng 1.113
14 Khu tiêu Hiền Lƣơng 8.981
15 Khu tiêu Quế Tân 417
Tổng toàn vùng Bắc Đuống 46.089
CHƢƠNG III: PHƢƠNG PHÁP VÀ CƠ SỞ TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG NGUỒN NƢỚC VÀ NHU CẦU NƢỚC CHO HỆ THỐNG THỦY LỢI
BẮC ĐUỐNG, TỈNH BẮC NINH
3.1. Tổng quan về mô hình mô phỏng
Vấn đề tính toán và nghiên cứu khả nƣớc lấy nƣớc của công trình bằng mô hình đã đƣợc nhiều nhà nghiên cứu ở các nƣớc phát triển nhƣ Mỹ, Hà Lan, Anh quan tâm từ khoảng 40-50 năm trở lại đây. Với thành tựu của khoa học và công nghệ đƣợc phát triển cực nhanh trong thời gian gần đây, công nghệ tin học, thuỷ lực học và thuỷ văn học hiện đại đã gặp lại nhau ở nhiều mặt, mặc dù chƣa phải là hoàn toàn đồng nhất.
Các phƣơng pháp tính toán diễn biến mực nƣớc, lƣu lƣợng và xâm nhập mặn đầu tiên thƣờng sử dụng bài toán một chiều khi kết hợp với hệ phƣơng trình Saint - Venant. Những mô hình 1 chiều đã đƣợc xây dựng do nhiều tác giả trong đó có Ippen và Harleman (1971). Giả thiết cơ bản của các mô hình này là các đặc trƣng dòng chảy và mật độ là đồng nhất trên mặt cắt ngang. Mặc dù điều này khó gặp trong thực tế nhƣng kết quả áp dụng mô hình lại có sự phù hợp khá tốt, đáp ứng đƣợc nhiều mục đích nghiên cứu và tính toán mặn. Ƣu thế đặc biệt của các mô hình loại một chiều là yêu cầu tài liệu vừa phải và nhiều tài liệu đã có sẵn trong thực tế.
Năm 1971, Prichard đã dẫn xuất hệ phƣơng trình 3 chiều để diễn toán quá trình xâm nhập mặn nhƣng nhiều thông số không xác định đƣợc. Hơn nữa mô hình 3 chiều yêu cầu lƣợng tính toán lớn, yêu cầu số liệu quá chi tiết trong khi kiểm nghiệm nó cũng cần có những số liệu đo đạc chi tiết tƣơng ứng. Vì vậy các nhà nghiên cứu buộc phải giải quyết bằng cách trung bình hoá theo 2 chiều hoặc 1 chiều. Sanker và Fischer, Masch (1970) và Leendertee (1971) đã xây dựng các mô hình 2 chiều và 1 chiều trong đó mô hình 1 chiều có nhiều ƣu thế trong việc giải các bài toán phục vụ yêu cầu thực tế tốt hơn.
Các nhà khoa học cũng thống nhất nhận định rằng, các mô hình 1 chiều thƣờng hữu hiệu hơn các mô hình sông đơn và mô hình hai chiều. Chúng có thể áp dụng cho các vùng cửa sông có địa hình phức tạp gồm nhiều sông, kênh nối với nhau với cấu trúc bất kỳ.
Dƣới đây thống kê một số mô hình thủy lực, mặn thông dụng trên thế giới đã đƣợc giới thiệu trong nhiều tài liệu tham khảo:
Mô hình động lực cửa sông FWQA
Mô hình FWQA thƣờng đƣợc đề cập đến trong các tài liệu là mô hình ORLOB theo tên gọi của Tiến sỹ Geral T. Orlob. Mô hình đã đƣợc áp dụng trong nhiều vấn đề tính toán thực tế. Mô hình giải hệ phƣơng trình Saint - Venant kết hợp với phƣơng trình khuếch tán và có xét đến ảnh hƣởng của thuỷ triều thay vì bỏ qua nhƣ trong mô hình không có thuỷ triều. Mô hình đƣợc áp dụng đầu tiên cho đồng bằng Sacramento - San Josquin, Califorlia.
Mô hình thời gian thuỷ triều của Lee và Harleman và của Thatcher và
Harleman
Lee và Harleman (1971) và sau đƣợc Thatcher và Harleman cải tiến đã đề ra một cách tiếp cận khác, xây dựng lời giải sai phân hữu hạn đối phƣơng trình bảo toàn mặn trong một sông đơn. Sơ đồ sai phân hữu hạn dùng để giải phƣơng trình khuếch tán là sơ đồ ẩn 6 điểm. Mô hình cho kết quả tốt trong việc dự báo trạng thái phân phối mặn tức thời cả trên mô hình vật lý cũng nhƣ của sông ngòi thực tế.
Mô hình SALFLOW của Delf Hydraulics (Hà Lan)
Một trong những thành quả mới nhất trong mô hình hoá xâm nhập mặn là mô hình SALFLOW của Delf Hydraulics (Viện Thuỷ lực Hà Lan) đƣợc xây dựng trong khuôn khổ hợp tác với Ban Thƣ ký Uỷ ban sông Mê Công từ năm 1987.
Mô hình MIKE 11
Là mô hình thƣơng mại nổi tiếng thế giới do Viện Thuỷ lực Đan Mạch xây dựng. Đây thuộc lớp mô hình thuỷ lực và chất lƣợng nƣớc loại một chiều (trƣờng hợp riêng là xâm nhập mặn) một và hai chiều có độ tin cậy rất cao, thích ứng với các bài toán thực tế khác nhau. Mô hình này đã đƣợc áp dụng rất phổ biến trên thế giới để tính toán, dự báo lũ, chất lƣợng nƣớc và xâm nhập mặn.
Mô hình ISIS (Anh)
Mô hình do các nhà thuỷ lực Anh xây dựng, thuộc lớp mô hình thuỷ lực một chiều kết hợp giải bài toán chất lƣợng nƣớc và có nhiều thuận lợi trong khai thác. Mô hình cũng đƣợc nhiều nƣớc sử dụng để tính toán xâm nhập mặn.
Mô hình EFDC (Environmental Fluid Dynamic Code)
Mô hình đƣợc cơ quan Bảo vệ Môi trƣờng Mỹ (US EPA) phát triển từ năm 1980. Là mô hình tổng hợp dùng để tính toán thuỷ lực kết hợp với tính toán lan truyền chất 1, 2,3 chiều. Mô hình có khả năng dự báo các quá trình dòng chảy, quá trình sinh, địa hoá và lan truyền mặn.
Bảng 3.1. Tóm tắt một số mô hình toán thường được sử dụng ở Việt Nam
TT Tên mô hình Tác giả, bản quyền Loại mô hình
1 VRSAP Nguyễn Nhƣ 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 Mô hình nhận dạng lũ sông Hồng Trịnh Quang Hoà 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 tƣợng 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
3.2. Thiết lập mô hình tính toán khả năng nguồn nƣớc và nhu cầu nƣớc phục vụ sản xuất nông nghiệp cho hệ thống thủy lợi Bắc Đuống
3.2.1. Cơ sở lý thuyết lựa chọn mô hình MIKE 11
Từ những mô hình toán đã nêu ở trên, mô hình đƣợc lựa chọn cho Luận văn là mô hình MIKE 11. MIKE11 do Viện Thuỷ lực Đan Mạch xây dựng đã và đang đƣợc ứng dụng cho sông và kênh dẫn. Hiện nay bộ mô hình bộ MIKE là công cụ mạnh và được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam để tính toán, dự báo dòng chảy cả về chất và lượng và hỗ trợ quản lý tổng hợp lưu vực sông ở Việt Nam.
MIKE 11 là một hệ thống mô hình một chiều gồm rất nhiều các mô đun liên kết chặt chẽ với nhau và tuỳ vào khả năng nguồn số liệu hiện có mà ngƣời sử dụng có thể sử dụng các mô đun độc lập hoặc liên kết với nhau.
Một điểm rất thuận lợi khi sử dụng hệ thống mô hình này là có phần giao diện khá hoàn thiện cũng với các khả năng nhƣ đƣợc giới thiệu ở trên vì vậy MIKE11 đƣợc lựa chọn để tính toán khả năng nguồn nƣớc và nhu cầu nƣớc cho hệ thống Bắc Đuống của tỉnh Bắc Ninh.
MIKE 11 là một phần mềm kỹ thuật chuyên dụng mô phỏng lƣu lƣợng, chất lƣợng nƣớc và vận chuyển bùn cát ở cửa sông, sông, hệ thống tƣới, kênh dẫn và các hệ thống dẫn nƣớc khác. MIKE 11 là công cụ lập mô hình động lực một chiều, thân thiện với ngƣời 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. Với môi
trƣờng đặc biệt thân thiện với ngƣời sử dụng, linh hoạt và tốc độ, MIKE 11 cung cấp một môi trƣờng thiết kế hữu hiệu về kỹ thuật công trình, tài nguyên nƣớc, quản lý chất lƣợng nƣớc và các ứng dụng quy hoạch. Bên cạnh đó, Mike11 đã đƣợc áp dụng phổ biến tại nƣớc ta, nên việc sử dụng mô hình Mike11 để mô phỏng và dự báo nguồn nƣớc đến HTTL Bắc Đuống là phù hợp hơn cả vì mô hình này là bộ phần mềm tích hợp đa tính năng, giao diện thân thiện, dễ sử dụng, đã đƣợc kiểm nghiệm qua thực tế, tính toán thủy lực và chất lƣợng nƣớc với độ chính xác cao; Kết quả mô phỏng phù hợp với thực tế tại Việt Nam
Mô đun mô hình thuỷ 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 lƣợng nƣớc và các mô đun vận chuyển bùn cát. Mô đun MIKE 11 HD giải các phƣơng trình tổng hợp theo phƣơng đứng để đảm bảo tính liên tục và bảo toàn động lƣợng (phƣơng trình Saint Venant).
3.2.2. Xây dựng sơ đồ mô phỏng và dự báo nguồn nước đến HTTL Bắc
Đuống
Để mô phỏng và dự báo dòng chảy cho hệ thống thủy lợi Bắc Đuống, chọn mùa khô năm 2010 để mô phỏng hiệu chỉnh mô hình. Vì năm 2010 là năm có tài liệu thuỷ văn và số liệu dòng chảy tƣơng đối đầy đủ và đƣợc đánh giá có diễn biến mực nƣớc, lƣu lƣợng bất lợi cho sản xuất nông nghiệp. Việc kiểm định mô hình tƣơng ứng với mùa khô 2011.
Số liệu theo không gian
Dữ liệu địa hình: Các mặt cắt ngang sông cho khu vực nghiên cứu thu thập trực tiếp từ Công ty TNHH MTV Khai thác công trình thuỷ lợi Bắc Đuống. Bao gồm có 282 mặt cắt cho 11 sông/kênh chính với tổng chiều dài 399,4 km. Một số sông/kênh chính trong hệ thống: sông Đuống (56,74km) với 36 mặt cắt, sông Ngũ Huyện Khê (29,34km) với 38 mặt cắt, Sông Cầu Chạm (31,69 km) với 34 mặt cắt; Kênh Chính Bắc (28 km) với 34 mặt cắt; kênh Chính Nam (38 km) với 34 mặt cắt…
Số liệu về các công trình (cống, đập): Các công trình đƣợc thể hiện đầy đủ về số lƣợng (4 cống; 18 trạm bơm và 2 đập) cùng chế độ vận hành. Số liệu về các công trình trên hệ thống đƣợc thu thập từ Công ty TNHH MTV Khai thác công trình thuỷ lợi Bắc Đuống; Quy trình vận hành của các công trình đó đƣợc lấy theo thực tế vận hành.
Số liệu theo thời gian
thuỷ văn Quốc gia đo đạc, nên số liệu đảm bảo tin cậy cho cân chỉnh và hiệu chỉnh mô hình.
- Khả năng cấp nƣớc của các hệ thống phụ thuộc cả về lƣu lƣợng và mực nƣớc trên các triền sông do đó phƣơng pháp tính cân bằng nƣớc trong khu vực là dùng mô hình thủy lực tính toán cho thời kỳ dùng nƣớc căng thẳng nhất là thời kỳ tƣới ải (từ 20/1-28/02) và thời kỳ tƣới dƣỡng (tháng 3).
- Số liệu nhu cầu sử dụng nƣớc: Nhu cầu sử dụng nƣớc đƣợc đƣa vào mô hình bằng các lƣu lƣợng phân bố dọc theo các sông kênh rạch chính.
- Tính toán tải lƣợng xả thải từ khu dân cƣ, sản xuất nông nghiệp và công nghiệp trong hệ thống.
Điều kiện biên
- Biên thƣợng lƣu: là biên lƣu lƣợng (Q xả các hồ chứa thƣợng lƣu) - Biên hạ lƣu: biên mực nƣớc tại trạm Hà Nội, Bến Bình và Cát Khê.
Điều kiện ban đầu: đây là điều kiện đƣợc đặt ra cho các trị số lƣu lƣợng và mực nƣớc tại từng điểm trên lòng dẫn. Trong nghiên cứu này, điều kiện ban đầu đƣợc tạo ra bằng cách chạy mô hình trong thời gian một tháng từ 1/1/2010 đến 31/1/2010 và lấy kết quả ngày 1/2/2010 làm điều kiện ban đầu.
Hệ số nhám: đây là hệ số rất quan trọng và ảnh hƣởng rất lớn đến kết quả mô phỏng và đƣợc rút ra từ thí nghiệm mô hình, từ kinh nghiệm thực tế. Hệ số này cũng là hệ số để hiệu chỉnh mô hình thủy lực.Trong mô hình này, hệ số nhám của các sông kênh trong khoảng 0,02 - 0,035 (phổ biến là 0,025).
Thiết lập sơ đồ mạng lƣới sông, kênh và các CT - HTTL Bắc Đuống
Khả năng cấp nƣớc của các hệ thống phụ thuộc cả về lƣu lƣợng và mực nƣớc trên các triền sông do đó phƣơng pháp tính cân bằng nƣớc trong khu vực là dùng mô hình thủy lực tính toán:
Hình 3.1. Sơ đồ mạng lƣới sông, kênh và các công trình HTTL Bắc Đuống
3.2.3. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định bộ thông số mô hình
Hiệu chỉnh thông số mô hình thủy lực
Việc hiệu chỉnh thông số mô hình chủ yếu đƣợc tiến hành bằng cách thay đổi độ nhám.Kiểm tra tính hợp lý tại các điều kiện biên.Phƣơng pháp hiệu chỉnh thông số ở đây dùng phƣơng pháp thử dần.
Quá trình hiệu chỉnh có thể tóm tắt thành các bƣớc sau đây: Bƣớc 1: Giả thiết độ nhám, điều kiện ban đầu.
Bƣớc 2: Chạy mô hình.
Bƣớc 3: So sánh kết quả tính toán với số liệu thực đo tại các trạm có số liệu đo đạc lƣu lƣợng và mực nƣớc.
So sánh kết quả tính toán và thực đo trên biểu đồ và chỉ tiêu Nash để đánh giá và kết thúc bƣớc hiệu chỉnh. Nash = 1 - 2 2 , , , Xo i Xo i Xs i Xo
Bảng 3.2. Vị trí mô phỏng mực nước mô hình thủy lực mùa khô năm 2010
TT Trạm Tên sông Thời gian mô phỏng Hệ số Nash
1 Sơn Tây Hồng Mùa khô năm 2010 0,91
2 Thƣợng Cát Đuống Mùa khô năm 2010 0,9
3 Phả Lại Thái Bình Mùa khô năm 2010 0,87
4 Long Tửu Sông Đuống Mùa khô năm 2010 0,81 5 Trịnh Xá Ngũ Huyện Khê Mùa khô năm 2010 0,82 6 Tân Chi Kênh chính Tân Chi Mùa khô năm 2010 0.83
Sông, kênh Công trình
Sai số giữa số liệu thực đo và tính toán đƣợc đánh giá theo chỉ số Nash- Sutcliffe. Kết quả mô phỏng chế độ dòng chảy hệ thống sông/kênh của HTTL Bắc Đuống là khá tốt. Qua so sánh, có thể thấy kết quả tính toán khá phù hợp với tài liệu thực đo. Mức hiệu quả của mô hình (đƣợc xác định theo chỉ số NASH) đạt giá trị lớn nhất là 92,0%.
Hình 3.2. Mực nƣớc mô phỏng và thực đo mùa khô 2010 - trạm Sơn Tây thực đo mùa khô 2010 - trạm Sơn Tây
Hình 3.3. Mực nƣớc mô phỏng và thực đo mùa khô 2010 - trạm thực đo mùa khô 2010 - trạm
Thƣợng Cát
Hình 3.4. Mực nƣớc mô phỏng và thực đo mùa khô 2010 - trạm Phả Lại thực đo mùa khô 2010 - trạm Phả Lại
Hình 3.5. Mực nƣớc mô phỏng và thực đo mùa khô 2010 - Cống Long thực đo mùa khô 2010 - Cống Long
Tửu
Hình 3.6. Mực nƣớc mô phỏng và Hình 3.7. Mực nƣớc mô phỏng và
thực đo mùa khô 2010 - Trạm bơm Trịnh Xá
thực đo mùa khô 2010 - Trạm bơm Tân Chi
Kiểm định mô hình
Bảng 3.3. Vị trí mô phỏng mực nước mô hình HD mùa khô 2011
TT Trạm Tên sông Thời gian mô phỏng Hệ số Nash
1 Sơn Tây Hồng Mùa khô 2011 0,91
2 Thƣợng Cát Đuống Mùa khô 2011 0,9
3 Phả Lại Thái Bình Mùa khô 2011 0,87
4 Long Tửu Sông Đuống Mùa khô 2011 0,81
5 Trịnh Xá Ngũ Huyện Khê Mùa khô 2011 0,82 6 Tân Chi Kênh chính Tân Chi Mùa khô 2011 0.83
Hình 3.8. Mực nƣớc mô phỏng và thực đo mùa khô 2011 - trạm Sơn Tây thực đo mùa khô 2011 - trạm Sơn Tây
Hình 3.9. Mực nƣớc mô phỏng và thực đo mùa khô 2011 - trạm thực đo mùa khô 2011 - trạm
Thƣợng Cát
Hình 3.10. Mực nƣớc mô phỏng và thực đo mùa khô 2011 - trạm Phả Lại thực đo mùa khô 2011 - trạm Phả Lại
Hình 3.11. Mực nƣớc mô phỏng và thực đo mùa khô 2011 - Cống Long thực đo mùa khô 2011 - Cống Long
Tửu
Hình 3.12. Mực nƣớc mô phỏng và thực đo mùa khô 2011 - Trạm bơm