CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT
2.2. TỔNG QUAN VỀ CÁC MƠ HÌNH THỦY VĂN, THỦY LỰC TÍNH TỐN
nhiều lợi ích thiết thực trong thực tiễn cơng tác phòng chống lụt bão và giảm nhẹ thiên tai.
Do vậy luận văn này sẽ tập trung giới thiệu và phân tích các nhóm mơ hình thủy văn, thủy lực có khả năng ứng dụng trong xây dựng bản đồ ngập lụt, nhằm làm cơ sở lựa chọn phƣơng pháp sử dụng cho khu vực nghiên cứu cùng với việc giới thiệu các quy trình và cơng cụ xây dựng bản đồ ngập lụt tích hợp kết quả mơ phỏng bằng mơ hình thủy động lực với hệ thống cơ sở dữ liệu GIS.
2.2. TỔNG QUAN VỀ CÁC MƠ HÌNH THỦY VĂN, THỦY LỰC TÍNH TỐN NGẬP LỤT NGẬP LỤT
2.2.1. Các mơ hình mƣa dịng chảy:
Mơ hình Ltank: do PGS.TS Nguyễn Văn Lai đề xuất năm 1986, là một phiên bản cải tiến từ mơ hình Tank gốc của tác giả Sugawara (1959). Mơ hình tốn mƣa rào dịng chảy dựa trên quá trình trao đổi lƣợng ẩm giữa các tầng mặt, ngầm lƣu vực, và bốc hơi. Ứng dụng tốt cho lƣu vực vừa và nhỏ.
Mơ hình HEC-HMS: là mơ hình mƣa dịng chảy của trung tâm thủy văn kỹ thuật quân đội Hoa Kỳ đƣợc phát triển từ mơ hình HEC-1, mơ hình có những cải tiến đáng kể cả về kỹ thuật tính tốn và khoa học thủy văn thích hợp với các lƣu vực sơng vừa và nhỏ. Là dạng mơ hình tính tốn thủy văn đƣợc dùng để tính dịng chảy từ số liệu đo mƣa trên lƣu vực. Trong đó các thành phần mơ tả lƣu vực sơng gồm các cơng trình thủy lợi, các nhánh sơng.
Kết quả của HEC-HMS đƣợc biểu diễn dƣới dạng sơ đồ, biểu bảng tƣờng minh rất thuận tiện cho ngƣời sử dụng. Ngồi ra, chƣơng trình có thể liên kết với cơ sở dữ liệu dạng DSS của mơ hình thủy lực HEC-RAS.
Mơ hình NAM: đƣợc xây dựng năm 1982 tại khoa thủy văn viện kỹ thuật
thủy động lực và thủy lực thuộc đại học kỹ thuật Đan Mạch. Mơ hình dựa trên nguyên tắc các bể chứa theo chiều thẳng đứng và hồ chứa tuyến tính. Mơ hình tính q trình mƣa – dịng chảy theo cách tính liên tục hàm lƣợng ẩm trong năm bể chứa riêng biệt tƣơng tác lẫn nhau. NAM mơ phỏng q trình mƣa - dịng chảy bằng việc mơ tả liên tục cho các thành phần trong 4 vùng trữ lƣợng tƣơng tác lẫn nhau bao gồm: trữ lƣợng tuyết; Trữ lƣợng nƣớc mặt; Trữ lƣợng nƣớc sát mặt; Trữ lƣợng nƣớc ngầm.
Các mơ hình thủy văn trên đây cho kết quả là các q trình dịng chảy tại các điểm khống chế (cửa ra lƣu vực) vì vậy tự thân chúng đứng độc lập chƣa đủ khả năng để đƣa ra các thơng tin về diện tích và mức độ ngập lụt mà phải kết hợp cới một số các công cụ khác nhƣ GIS, hoặc là biên cho các mơ hình thủy động lực 1-2 chiều khác. [3]
2.2.2. Mơ hình thủy lực:
Mơ hình VRSAP (Vietnam River System And Plains): tiền thân là mơ hình KRSAL do cố PSG.TS Nguyễn Nhƣ Khuê xây dựng từ 1965 đến 1993 và đƣợc sử dụng rộng rãi ở nƣớc ta trong khoảng 25 năm trở lại đây.
Đây là mơ hình tốn thủy văn - thủy lực của dòng chảy một chiều trên hệ thống sơng ngịi có nối với đồng ruộng và các khu chứa khác. Dòng chảy trong các đoạn sơng đƣợc mơ tả bằng hệ phƣơng trình Saint-Venant đầy đủ, khơng bỏ bớt một vài số hạng nhƣ trong một số mơ hình khác. Dịng chảy qua các cơng trình đƣợc mơ tả bằng các cơng thức thủy lực đã biết và đƣợc đƣa vào cùng một số hạng nhƣ phƣơng trình của các đoạn sơng. Dịng chảy tràn vào các ô ruộng hay khu chứa đƣợc mơ phỏng theo tƣ tƣởng chung của mơ hình SOGREAH. Các khu chứa nƣớc và các ô đồng ruộng trao đổi nƣớc với sông và trao đổi nƣớc với nhau qua các tràn hay cống điều tiết. Do đó, mơ hình đã chia các khu chứa và các ơ đồng ruộng thành hai loại chính. Loại kín trao đổi nƣớc với sông qua cống điều tiết, loại hở trao đổi nƣớc với sông qua tràn mặt hay trực tiếp gắn với sông nhƣ các khu chứa thông thƣờng.
Mơ hình VRSAP cũng xét đến sự gia nhập của mƣa trong tính tốn thủy lực dịng chảy trong các hệ thống sơng khi diễn tốn lũ hay tính tiêu nƣớc cho hệ thống thủy nơng. Mơ hình c ̣ũng xét đến khả năng truyền mặn trên hệ thống sông và đồng ruộng. Sơ đồ tính trong VRSAP là sơ đồ sai phân ẩn lƣới chữ nhật có xét đến trọng số đối với các bƣớc sai phân theo thời gian t và khơng gian x.
Mơ hình VRSAP phù hợp với điều kiện Việt Nam, có thể sử dụng để:
+ Tính tốn và tìm ra quy luật thay đổi của lƣu lƣợng Q và mực nƣớc Z tại từng mặt cắt trên hệ thống sông và ô chứa kể cả vùng bị ảnh hƣởng của thủy triều.
+ Giải bài toán tiêu úng, thốt lũ và cấp nƣớc trên các hệ thống cơng trình thủy lợi vùng đồng bằng và ven biển.
+ Lập các phƣơng án quy hoạch quản lý và khai thác thủy lợi trên lƣu vực sông lớn nhỏ và các hệ thống cơng trình thủy lợi.
+ Tính truyền triều và truyền mặn trên các hệ thống sông v.v...
Mơ hình VRSAP là mơ hình mã nguồn mở, nên từ đó nhiều tác giả đã cải tiến để mơ hình có thể tính đƣợc truyền tải phù sa, tính tiêu thốt nƣớc đơ thị. Các loại mơ hình tốn này hiện cũng đang đƣợc ứng dụng ở nƣớc ta và cho kết quả tốt. Một số ứng dụng của mơ hình cho hệ thống sơng Hồng, sơng Thái Bình, sơng Cả, sông Nhật Lệ, sông Hƣơng, sông Thu Bồn, sông Cửu Long... đủ đạt các kết quả tin cậy. Mơ hình VRSAP ứng dụng rất có hiệu quả đối với việc tính tốn thủy lực tƣới, tiêu các hệ thống thủy nông, quy hoạch và lập các dự án quản lý, khai thác hệ thống thủy nơng, tính tốn quy mơ các cơng trình trên hệ thống, quản lý lƣu vực và tài nguyên ở nƣớc ta.
Chuyển động của chất lỏng trong lịng dẫn hở có thể mơ tả bằng hệ phƣơng trình Saint - Venant. Trong mơ hình VRSAP, hệ phƣơng trình Saint - Venant của dịng chảy một chiều là hệ phƣơng trình thủy động lực viết cho dòng chảy một chiều trong lòng dẫn hở:
Phƣơng trình liên tục:
Phƣơng trình động lực:
( ) Mơ hình VRSAP chỉ giải quyết đƣợc bài tốn mà dịng chảy có số
(tức là dịng chảy êm).
Hai hệ phƣơng trình trên là hệ phƣơng trình Saint – Venant có hai ẩn số là :
+ Q=Q(x,t) là lƣu lƣợng trung bình mặt cắt phụ thuộc vào trục x và thời điểm t. + Z=Z(x,t) là mặt nƣớc tại mặt cắt x, thời điểm t.
Trong đó, biến khơng gian x và thời gian t là hai biến độc lập. Ý nghĩa của các đại lƣợng trong hệ phƣơng trình Saint - Venant:
Bc - chiều rộng toàn mặt cắt ngang sông, Bc = B + Bb; B - chiều rộng lịng sơng;
Bb - chiều rộng bãi sơng;
q - lƣu lƣợng dịng chảy gia nhập trên một đơn vị dài theo đoạn sông;
J - độ dốc thủy lực, đƣợc tính theo cơng thức tổn thất của dịng chảy ổn định,
R- là bán kính thủy lực, A - diện tích mặt cắt ƣớt; P - chu vi ƣớt;
C - hệ số Chezy. Nếu tính theo cơng thức Manning, C= R1/ 6 n - hệ số nhám Manning;
hệ số động lƣợng; α hệ số sửa chữa động năng
Tuy nhiên mơ hình VRSAP khơng phải là một mơ hình thƣơng mại, mà là mơ hình có mã nguồn mở chỉ thích hợp với những ngƣời có sự am hiểu sâu rộng về
kiến thức mơ hình; cịn đối với cơng tác dự báo, cảnh báo nhanh cho một khu vực cụ thể, nhất là khu vực miền Trung thì mơ hình tỏ ra chƣa phù hợp.
Mơ hình KOD-01 và KOD-02 của GS.TSKH Nguyễn Ân Niên dùng để tính thủy lực dịng chảy hở một và hai chiều trên hệ thống sơng có cơng trình điều tiết và đồng ruộng. Hệ phƣơng trình Saint - Venant đƣợc sử dụng ở dạng rút gọn. Sơ đồ tính là sơ đồ hiện tam giác hỗn hợp. Sơ đồ tính cho phép giải các bài tốn dịng khơng ổn định một chiều nhƣ tính tốn truyền triều, truyền lũ, phân phối nƣớc, tiêu nƣớc... cho mạng lƣới sơng, ơ chứa, cơng trình điều tiết với độ phức tạp bất kỳ. Sơ đồ tính có thể phục vụ tính tốn quy hoạch dự báo lũ và phân phối nƣớc, phục vụ thiết kế và quản lý hệ thống kênh tƣới tiêu và các mục đích khác trong cơng tác thủy lợi ở nƣớc ta.
Mơ hình WENDY: do Viện thủy lực Hà Lan (DELFT) xây dựng cho phép tính thủy lực dịng chảy hở, xói lan truyền, chuyển tải phù sa và xâm nhập mặn.
Mơ hình HEC-RAS: do Trung tâm Thủy văn kỹ thuật quân đội Hoa Kỳ (Hydrologic Engineering Center of US Army Corps of Engineers) xây dựng. Mơ hình có ƣu điểm là cho kết quả rõ ràng, có sơ đồ mạng lƣới sơng, mặt cắt của từng nút sông. Các quan hệ Q ~ t và Z ~ t đƣợc trình bày ở dạng biểu bảng và đồ thị, đƣờng mặt nƣớc trong sơng đƣợc mơ tả chi tiết. Mơ hình HEC-RAS là mơ hình tính dịng chảy một chiều của hệ thống sơng, dịng chảy trong sơng đƣợc mô tả bằng hệ phƣơng trình Saint - Venant đầy đủ và đƣợc xây dựng theo sơ đồ sai phân ẩn có xét đến trọng số đối với các bƣớc sai phân theo thời gian t và chiều dọc theo dịng chảy x. Mơ hình có hạn chế là khơng xét đến lƣợng mƣa rơi xuống các khu chứa sau đó gia nhập dòng chảy. Trong những năm gần đây HEC-RAS đã đƣợc sử dụng ở nƣớc ta trong các nghiên cứu về lũ, đặc biệt là trong công tác đào tạo tại các trờng đại học.
Dòng chảy trong sông thiên nhiên đƣợc coi là dịng khơng ổn định biến đổi chậm chảy một chiều, thay đổi theo không gian và thời gian. Các yếu tố đƣợc mơ tả bằng hệ phƣơng trình Saint - Venant, gồm phƣơng trình liên tục và phƣơng trình động lực. Hệ phƣơng trình Saint - Venant trong mơ hình này có dạng:
Phƣơng trình động lực:
Để giải hệ gồm hai phƣơng trình liên tục (2.3) và động lực (2.4) dùng phƣơng pháp sai phân hữu hạn thay các đạo hàm riêng bằng tỷ số các sai phân. Giống nhƣ mơ hình VRSAP, trong mơ hình HEC-RAS cũng sử dụng sơ đồ ẩn (lƣới sai phân chữ nhật) để giải hệ phƣơng trình Saint-Venant.
Họ mơ hình MIKE: do viện thủy lực Đan Mạch (DHI) xây dựng đƣợc tích hợp rất nhiều các cơng cụ mạnh, có thể giải quyết các bài toán cơ bản trong lĩnh vực tài ngun nƣớc. Tuy nhiên đây là mơ hình thƣơng mại, phí bản quyền rất cao nên khơng phải cơ quan nào cũng có điều kiện sử dụng.
MIKE 11: là mơ hình một chiều trên kênh hở, bãi ven sơng, vùng ngập lũ, trên sơng kênh có kết hợp mơ phỏng các ô ruộng mà kết quả thủy lực trong các ô ruộng là “giả hai chiều”. MIKE 11 có một số ƣu điểm nổi trội so với các mơ hình nhƣ:
i. Liên kết với GIS;
ii. Kết nối với các mơ hình thành phần khác của bộ MIKE ví dụ mơ hình mƣa rào - dịng chảy NAM, mơ hình thủy động lực học 2 chiều MIKE 21, mơ hình dịng chảy nƣớc dƣới đất, dòng chảy tràn bề mặt và dịng bốc thốt hơi thảm phủ (MIKE SHE);
iii. Tính tốn chuyển tải chất khuyếch tán; iv. Vận hành cơng trình;
v. Tính tốn q trình phú dƣỡng;
Hệ phƣơng trình sử dụng trong mơ hình là hệ phƣơng trình Saint - Venant một chiều khơng gian, với mục đích tìm quy luật diễn biến của mực nƣớc và lƣu lƣợng dọc theo chiều dài sông hoặc kênh dẫn và theo thời gian.
Mơ hình MIKE 11 đã đƣợc ứng dụng rộng rãi tại Việt Nam và trên phạm vi toàn thế giới. Tuy nhiên MIKE 11 khơng có khả năng mơ phỏng tràn bãi nên trong
các bài toán ngập lụt MIKE 11 chƣa mô phỏng một cách đầy đủ quá trình nƣớc dâng từ sơng vào tràn bãi vào ruộng và ngƣợc lại để cái thiện vấn đề này bộ MIKE có thêm mơ hình thủy lực hai chiều MIKE 21 và bộ kết nối MIKE FLOOD.
MIKE 21 & MIKE FLOOD: là mơ hình thủy động lực học dòng chảy 2 chiều trên vùng ngập lũ đã đƣợc ứng dụng tính tốn rộng rãi tại Việt Nam và trên phạm vi tồn thế giới. Mơ hình MIKE 21 HD là mơ hình thủy động lực học mơ phỏng mực nƣớc và dịng chảy trên sơng, vùng cửa sơng vịnh và ven biển. Mơ hình mơ phỏng dịng chảy không ổn định hai chiều ngang đối với một lớp dịng chảy.
Mike 21 HD có thể mơ hình hóa dịng chảy tràn với nhiều điều kiện đƣợc tính đến, gao gồm:
i. Ngập và tiêu nƣớc cho vùng tràn ii. Tràn bờ
iii. Dịng chảy qua cơng trình thủy lợi iv. Thủy triều
v. Nƣớc dâng do mƣa bão
Phƣơng pháp mô phỏng bao gồm phƣơng trình liên tục kết hợp với phƣơng trình động lƣợng mơ tả sự biến đổi của mực nƣớc và lƣu lƣợng. Lƣới tính tốn sử dụng trong mơ hình là lƣới hình chữ nhật.
Tuy nhiên MIKE 21 nếu độc lập cũng khó có thể mơ phỏng tốt quá trình ngập lụt tại một lƣu vực sơng với các điều kiện ngập thấp. Để có thể tận dụng tốt các ƣu điểm và hạn chế những khuyết điểm của cả hai mơ hình một chiều và hai chiều trên, DHI đã cho ra đời một cơng cụ nhằm tích hợp cả hai mơ hình trên; đó là cơng cụ MIKE FLOOD.
MIKE FLOOD là một công cụ tổng hợp cho việc nghiên cứu các ứng dụng về vùng bãi tràn và các nghiên cứu về dâng nƣớc do mƣa bão. Ngoài ra, MIKE FLOOD cịn có thể nghiên cứu về tiêu thốt nƣớc đơ thị, các hiện tƣợng vỡ đập, thiết kế cơng trình thủy lợi và tính tốn cho các vùng sơng lớn.
MIKE FLOOD đƣợc sử dụng khi cần có sự mơ tả hai chiều ở một số khu vực (MIKE 21) và tại những nơi cần kết hợp mơ hình một chiều (MIKE 11). Trƣờng hợp cần kết nối một chiều và hai chiều là khi cần có một mơ hình vận tốc chi tiết
cục bộ (MIKE 21) trong khi thay đổi dịng chảy sơng đƣợc điều tiết bởi các cơng trình phức tạp (cửa van, cống điều tiết, các cơng trình thủy lợi đặc biệt…) mơ phỏng theo mơ hình MIKE 11. Khi đó mơ hình một chiều MIKE 11 có thể cung cấp điều kiện biên cho mơ hình MIKE 21 và ngƣợc lại.
Bộ mơ hình MIKE 11 và MIKE 11-GIS của viện thủy lực đan mạch (DHI) sử dụng để xây dựng bản đồ ngập lụt cho vùng hạ lƣu sông. MIKE 11-GIS là bộ cơng cụ mạnh trong trình bày và biểu diễn về mặt khơng gian và thích hợp cơng nghệ mơ hình bãi ngập và sơng của MIKE 11 cùng với khả năng phân tích khơng gian của hệ thông tin địa lý trên môi trƣờng ARCGIS 9.1.
MIKE 11-GIS có thể mơ phỏng diện ngập lớn nhất, nhỏ nhất hay diễn biến từ lúc nƣớc lên cho tới lúc nƣớc xuống trong một trận lũ. Độ chính xác của kết quả tính từ mơ hình và thời gian tính tốn phụ thuộc rất nhiều vào độ chính xác của DEM. Nó cho biết diện ngập và độ sâu tƣơng ứng từng vùng nhƣng không xác định đƣợc hƣớng dịng chảy trên đó.
Mơ hình MIKE SHE: mơ hình tốn vật lý thông số phân bổ mô phỏng hệ thống tổng hợp dòng chảy mặt, dịng chảy ngầm lƣu vực sơng. Mơ phỏng biến đổi về lƣợng và chất hệ thống tài nguyên nƣớc. Bao gồm dòng chảy trong lòng dẫn, dịng chảy tràn bề mặt, dịng chảy ngầm tầng khơng áp, dịng chảy ngầm tầng có áp, dịng chảy tầng ngầm chuyển tiếp giữa tầng có áp và tầng khơng áp, bốc thốt hơi từ tầng thảm phủ, truyền chất, vận chuyển bùn cát. Ứng dụng thực tiễn: đã đƣợc ứng dụng tính tốn rộng rãi trên phạm vi toàn thế giới. Ở Việt Nam MIKE SHE đƣợc ứng dụng mơ phỏng dịng hệ thống dịng chảy ngầm, mặt lƣu vực.
Qua thực tế việc sử dụng các mơ hình thủy văn, thủy lực hiện nay trên thế giới và tại Việt Nam; với mong muốn mô phỏng một cách chính xác nhất q trình ngập lụt trong khu vực nghiên cứu, tác giả nhận thấy bộ mơ hình MIKE-FLOOD của