(Nguồn: Chỉnh biên mực nước lưu lượng trạm Sơn Tây năm 2015)
H (cm) Q (m 3/s) dQ (m3/s) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 170 649 180 655 661 667 673 679 685 691 697 703 709 54.0 190 715 721 727 733 739 745 751 757 763 769 54.0 200 775 781 787 793 799 805 811 817 823 829 60.0 210 835 841 847 853 859 865 871 877 883 889 60.0 220 895 902 908 915 921 928 934 941 947 954 60.0 230 960 967 973 980 986 993 999 1010 1010 1020 65.0 240 1025 1030 1040 1040 1050 1060 1060 1070 1080 1080 65.0 250 1090 1100 1100 1110 1120 1120 1130 1140 1140 1150 65.0 260 1155 1160 1170 1170 1180 1190 1190 1200 1210 1210 65.0 270 1220 1230 1230 1240 1250 1250 1260 1270 1270 1280 65.0 280 1285 1290 1300 1300 1310 1320 1320 1330 1340 1340 65.0 290 1350 1360 1360 1370 1380 1390 1390 1400 1410 1410 65.0
300 1420 1430 1430 1440 1450 1460 1460 1470 1480 1480 70.0 310 1490 1500 1500 1510 1520 1530 1530 1540 1550 1550 70.0 320 1560 1570 1570 1580 1590 1600 1600 1610 1620 1620 70.0 330 1630 1640 1640 1650 1660 1670 1670 1680 1690 1690 70.0 340 1700 1710 1710 1720 1730 1740 1740 1750 1760 1760 70.0 350 1770 1780 1780 1790 1800 1810 1810 1820 1830 1830 70.0 360 1840 1850 1860 1860 1870 1880 1890 1890 1900 1910 70.0 370 1915 1920 1930 1940 1950 1950 1960 1970 1980 1980 75.0 380 1990 2000 2010 2010 2020 2030 2040 2040 2050 2060 75.0 390 2065 2070 2080 2090 2100 2100 2110 2120 2130 2130 75.0 400 2140 2150 2160 2160 2170 2180 2190 2190 2200 2210 75.0 410 2215 2220 2230 2240 2250 2250 2260 2270 2280 2280 75.0 420 2290 2300 2310 2310 2320 2330 2340 2350 2350 2360 75.0 430 2370 2380 2390 2390 2400 2410 2420 2430 2430 2440 80.0 440 2450 2460 2470 2470 2480 2490 2500 2510 2510 2520 80.0 450 2530 2540 2550 2550 2560 2570 2580 2590 2590 2600 80.0 460 2610 2620 2630 2630 2640 2650 2660 2670 2670 2680 80.0 470 2690 2700 2710 2710 2720 2730 2740 2750 2750 2760 80.0 480 2770 2780 2790 2790 2800 2810 2820 2830 2830 2840 80.0 490 2850 2860 2870 2880 2880 2890 2900 2910 2920 2930 80.0 500 2935 2940 2950 2960 2970 2980 2990 2990 3000 3010 85.0 510 3020 3030 3040 3050 3060 3070 3070 3080 3090 3100 85.0 520 3110 3120 3130 3140 3150 3160 3160 3170 3180 3190 90.0 530 3200 3210 3220 3230 3240 3250 3250 3260 3270 3280 90.0 540 3290 3300 3310 3320 3330 3340 3340 3350 3360 3370 90.0 550 3380 3390 3400 3410 3420 3430 3430 3440 3450 3460 90.0 560 3470 3480 3490 3500 3510 3520 3520 3530 3540 3550 90.0 570 3560 3570 3580 3590 3600 3610 3620 3630 3640 3650 90.0
580 3655 3660 3670 3680 3690 3700 3710 3720 3730 3740 95.0 590 3750 3760 3770 3780 3790 3800 3810 3820 3830 3840 95.0 600 3850 3860 3870 3880 3890 3900 3910 3920 3930 3940 100
Hình 5. Mực nước Sơn Tây - Hà Nội - Thượng Cát 2015
Hình 6. Lưu lượng Sơn Tây - Hà Nội 2015
Phương pháp mơ hình tốn được sử dụng để đánh giá tác động của lưu lượng Sơn Tây đối với tình hình xâm nhập mặn tại các cửa sơng. Bộ số liệu được sử dụng
để đánh giá ảnh hưởng này sử dụng năm điển hình 2015 với số liệu đo đạc chi tiết tại các biên. Kết quả của đánh giá này là diễn biến xâm nhập mặn tại các cửa sông tương ứng với các lưu lượng khác nhau tại Sơn Tây.
Từ tính tốn xâm nhập mặn trên mơ hình Mike 11 cho kết quả diễn biến mặn dọc các sông trên hệ thống Hồng - Đáy như sau:
Phương pháp mơ hình hiện nay là cơng cụ chủ đạo trong mô phỏng thủy lực và xâm nhập mặn cho vùng sơng có ảnh hưởng của thủy triều. Trong luận văn này học viên đã tiến hành lựa chọn bộ mơ hình tính tốn mơ phỏng thủy lực mùa kiệt và xâm nhập mặn, từ đó tiến hành xác định bộ thơng số cho mơ hình và xây dựng phương án dự báo mặn có tính khả thi cùng một số kết quả dự báo mặn thử nghiệm cho vùng cửa sông Hồng - Đáy.
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MƠ HÌNH MIKE 2.1 Cơ sở lý thuyết mơ hình MIKE11 2.1 Cơ sở lý thuyết mơ hình MIKE11
2.1.1 Giới thiệu 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 công cụ lập mơ hình động lực một chiều, thân thiện với 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. Với môi trường đặc biệt thân thiện với người sử dụng, linh hoạt và tốc độ, 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. Mô 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).
MIKE 11 do DHI Water & Envirronment (Đan Mạch) phát triển, là một gói phần mềm kỹ thuật chuyên môn để mô phỏng lưu lượng, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát ở cửa sông, sông, hệ thống tưới, kênh dẫn và các vật thể nước khác.
MIKE 11 là mơ hình động lực, một chiều được sử dụng nhắm phân tích chi tiết thiết kế, quản lý và vận hành cho sông và các hệ thống kênh dẫn đơn giản hay phức tạp. Với môi trường đặc biệt thân thiện, linh hoạt và tốc độ tính tốn khá cao, MIKE 11 cung cấp một moi trường thiết kế hữu hiệu về kỹ thuật cơng trình, tài nguyên nước, quản lý chất lượng nước và các ứng dụng phục vụ cho quy hoạch.
Mô đun mơ hình thủy động lực (HD) là một phần trọng tâm của hệ thống mơ hình MIKE 11 và hình thành cơ sở cho hầu hết các mô đun bao gồm: dự báo lũ, truyền tải khuếch tán, chất lượng nước và các mô-đun vận chuyển bùn lắng không cố kết. Mơ-đun HD giải các phương trình tổng hợp theo phương đứng để đảm bảo tính liên tục và bảo tồn động lượng, nghĩa là giải hệ phương trình Saint Venant.
- Dự báo lũ và vận hành hồ chứa,
- Các phương pháp mơ phỏng kiểm sốt lũ,
- Vận hành hệ thống thoát tưới và tiêu thoát bề mặt,
- Nghiên cứu sóng triều và nước dâng do mưa ở sơng và cửa sông. Đặc trưng cơ bản của hệ thống mơ hình MIKE 11 là cấu trúc mơ-đun tổng hợp nhiều loại mô-đun được thêm vào mô phỏng các hiện tượng liên quan đến hệ thống sông.
Ngồi các mơ-đun HD đã mơ tả ở trên, MIKE 11 bao gồm các mô-đun bổ sung đối với:
- Thủy văn, - Tải khuếch tán,
- Các mơ hình về chất lượng nước,
- Vận chuyển bùn cát có cố kết dính (có tính dính),
- Vận chuyển bùn cát khơng có cố kết (khơng có tính dính). * Phương trình cơ bản và phương pháp giải
Phương trình cơ bản của mơ hình để tính tốn cho trường hợp dịng khơng ổn định là hệ phương trình bao gồm phương trình liên tục và phương trình động lượng (hệ phương trình Saint Venant) với các giả thiết:
+ Dòng chảy thay đổi từ từ dọc theo lòng dẫn để áp suất thuỷ tĩnh chiếm ưu thế, gia tốc theo chiều thẳng đứng được bỏ qua.
+ Trục của lòng dẫn được coi như một đường thẳng.
+ Độ dốc đáy lòng dẫn nhỏ và đáy cố định, bỏ qua hiện tượng xói và bồi. + Có thể áp dụng hệ số sức cản của dòng chảy rối đều, ổn định cho dịng khơng ổn định để mô tả các tác động của lực cản.
+ Chất lỏng khơng nén được và có khối lượng khơng đổi trong tồn dịng chảy. * Phương trình liên tục:
𝜕𝑄 𝜕𝑥 + 𝜕𝐴
𝜕𝑡 = 𝑞 (1)
𝜕𝑄 𝜕𝑡 = 𝜕⌊∝ 𝑄2 𝐴⌋ 𝜕𝑥 + gA𝜕ℎ 𝜕𝑥 + 𝑔𝑄|𝑄| 𝐶2𝐴𝑅 = 0 (2) Trong đó : Q: Lưu lượng (m3/s),
A: Diện tích mặt cắt (m2),
q: Lưu lượng nhập lưu trên một chiều dài dọc sông (m3/s),
C: Hệ số Chezy,
𝛼: Hệ số động lượng,
R: Bán kính thủy lực (m).
Cơng thức dùng để tính tốn được lập từ việc sai phân hóa hệ phương trình (1) và (2). Do vậy, các sông trong hệ thống được chia thành các đoạn dài 1000 - 2000m, trong mỗi đoạn sông đặc trưng mặt cắt thay đổi khơng đáng kể, khơng có dịng chảy tập chung chảy vào. Bước thời gian tính tốn ∆t = 10 giây.
Việc sai phân hóa hệ phương trình cơ bản (1) và (2) được thực hiện cho mỗi đoạn sông, sau khi sai phân, ở mỗi đoạn sông thu được một hệ phương trình bậc nhất với các ẩn số lưu lượng Q và mực nước H ở hai đầu.
Hệ phương trình (1) và (2) được sai phân hóa, mạng sơng được chia thành các đoạn, trong mmooix đoạn có các đặc trưng lịng dẫn ít biến đổi, các cơng trình đập, cầu, cống được mơ phỏng như ngững đoạn sông đặc biệt.
Ngồi mơ đun thủy lực (HD) là trung tâm của mơ hình làm nhiệm vụ tính tốn các đặc trưng thủy lực của dịng chảy, MIKE 11 cũng cho phép tính tốn q trình xâm nhập mặn thơng qua mơ đun (AD).
Mô đun tải phân tán (AD) được dùng mô phỏng vận chuyển một chiều của chất huyền phù hoặc hòa tan (phân hủy) trong các lòng dẫn hở dựa trên phương trình bảo toàn khối lượng các chất hòa tan hoặc lơ lửng với giả thiết các chất này được hịa tan, nghĩa là khơng có thay đổi hoặc biến động trong cùng mặt cắt và dịng chảy khơng phân tầng (đồng đẳng).
* Phương trình chuyển tải - phân tán 𝜕𝐴𝐶 𝜕𝑡 +𝜕𝑄𝐶 𝜕𝑥 − 𝜕 𝜕𝑥(𝐴𝐷𝜕𝐶 𝜕𝑥) = −𝐴𝐾𝐶 + 𝐶2𝑞 (13) Trong đó:
A: Diện tích mặt cắt (𝑚2)
C: Nồng độ (kg/𝑚3)
D: Hệ số phân tán
q: Lưu lượng nhập lưu trên 1 đơn vị chiều dài dọc sông (𝑚2/𝑠)
K: Hệ số phân hủy sinh học, K chỉ được sử dụng khi các hiện tượng hay q trình xem xét có liên quan đến các phản ứng sinh hóa.
Hệ số phân hủy sinh học K bao hàm trong đó rất nhiều các hiện tượng và phản ứng sinh hóa. Hệ số này không cần xem xét trong bài toán lan truyền chất thơng thường.
Phương trình (13) thể hiện hai cơ chế truyền tải, đó là truyền tải đối lưu do tác dụng của dòng chảy và truyền tải phân tán do Gradien nồng độ gây ra.
Sự phân tán theo chiều dọc sông gây ra do sự kết hợp của dòng chảy rối và sự phân tán. Sự phân tán dọc theo sông do ảnh hưởng của chảy rối lớn hơn rất nhiều so với sự phân tán hỗn loạn của các phân tử đơn lẻ. Về mặt trị số, thành phần phân tán rối lớn hơn nhiều so với thành phần phân tán phân tử. Sự phân tán của thành phần phân tán rối trong dịng chảy là khơng đồng đều, nó phụ thuộc vào hướng của tốc độ dòng chảy và khoảng cách đến thành ống, do đó hệ số phân tán rối khác nhau theo các hướng khác nhau.
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG THỰC TIỄN CHO KHU VỰC VEN BIỂN ĐỒNG BẰNG BẮC BỘ
3.1 Sơ đồ dự báo xâm nhập mặn vùng đồng bằng sông Hồng - Đáy
Xuất phát từ điểm trên cho thấy việc dự báo xâm nhập mặn cho vùng ĐBSH- Đáy sẽ bao gồm phần chính đó là:
1- Dự báo lưu lượng đến Sơn Tây trên sông Hồng, dự báo lưu lượng trên sông Đáy đến Như Tân;
2- Dự báo độ mặn, mực nước tại 4 các cửa sông gồm: cửa Đáy, Ninh Cơ, Ba Lạt, Trà Lý.
3- Phần cuối cùng sẽ kết hợp hai khối dự báo biên trên, dưới và tiến hành mô phỏng dự báo mặn tại các vị trí cần thiết trong sơng bằng mơ hình 1 chiều.
3.2 Lựa chọn công cụ Giới thiệu tổng quan Giới thiệu tổng quan
Vấn đề tính tốn và nghiên cứu triều mặn bằng mơ hình đã được nhiều nhà nghiên cứu ở các nước phát triển như Mỹ, Hà Lan, Anh quan tâm từ khoảng 40 - 50 năm trở lại đây. Với thành tựu của khoa học và công nghệ được phát triển nhanh, công nghệ tin học, thuỷ lực học và thuỷ văn học hiện đại đã gặp lại nhau ở nhiều mặt, mặc dù chưa phải hoàn toàn đồng nhất.
Mơ hình tốn được lựa chọn theo tiêu chí sau:
- Có giao diện và dễ dàng sử dụng trong cơng tác dự báo;
- Có thể mơ phỏng tốt các q trình thủy lực, truyền chất, khuếch tán và tích hợp các điều kiện về cơng trình;
- Thời gian tính tốn mơ phỏng trên máy tính phải đảm bảo cho công tác dự báo;
Từ những mơ hình tốn đã nêu ở trên, Đề tài chọn mơ hình MIKE 11. MIKE do Viện Thuỷ lực Đan Mạch xây dựng đã và đang được ứng dụng cho sông và kênh dẫn. Hiện nay bộ mơ hình MIKE là cơng cụ mạnh và được sử dụng rộng rãi ở Việt
Nam để tính tốn, dự báo dịng chảy cả về chất và lượng, hỗ trợ quản lý tổng hợp lưu vực sông ở nước ta.
MIKE 11 là một hệ thống mơ hình một chiều gồm rất nhiều các mơ đun liên kết chặt chẽ với nhau và tuỳ vào khả năng nguồn số liệu hiện có mà người sử dụng có thể sử dụng các mơ đun độc lập hoặc liên kết với nhau.
Một điểm rất thuận lợi khi sử dụng hệ thống mơ hình này là có phần giao diện khá hoàn thiện cũng với các khả năng như được giới thiệu ở trên vì vậy MIKE11 được lựa chọn để tính tốn thuỷ văn, thuỷ lực kết hợp mơ phỏng q trình và dự báo xâm nhập mặn cho hệ thống sông Hồng - Đáy.
3.3 Hiệu chỉnh và kiểm định bộ thơng số mơ hình MIKE 11
Áp dụng mơ hình MIKE 11 để tính tốn hiệu chỉnh cho mạng sơng Hồng - Đáy. Bộ thông số được hiệu chỉnh dựa trên số liệu thực đo mùa kiệt năm 2015 (năm xảy ra kiệt trên hệ thống sông Hồng - Đáy, mực nước kiệt nhất tại Sơn Tây 1.79m và Hà Nội xuống đến 0.24m ngày 26/02). Với bộ thông số đã được hiệu chỉnh sẽ tiến hành kiểm nghiệm dựa trên số liệu kiệt thực đo năm 2016 trên hệ thống sông Hồng – Đáy.
3.3.1. Chọn sơ đồ mạng sông
Hệ thống sông Hồng - Đáy là hệ thống sông lớn và phức tạp chịu tác động đồng thời của nhiều nhân tố ảnh hưởng ngẫu nhiên và tất nhiên như quy luật phân bố mưa, tác động của các cơng trình hồ chứa thượng lưu, hệ thống thuỷ nông nội đồng và tác động ảnh hưởng của thuỷ 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 hưởng lẫn nhau về mặt thuỷ văn, thủy lực. Do vậy, một cách hợp lý nhất khi nghiên cứu một đoạn sơng hay một cơng trình cần phải xem xét cả hệ thống.
Trong tính tốn thuỷ lực, khơng gian mơ phỏng hệ thống trải ra đến đâu cần có các điều kiện biên về khí tượng, thủy văn, thuỷ lực đến đó.
Sơ đồ mạng sông Hồng - Đáy bao gồm các sông chính thuộc hai hệ thống sơng Hồng và Đáy, cụ thể:
• Hệ thống sơng Hồng:
Bao gồm các sông Hồng (kể từ Sơn Tây), Đuống, Luộc, Trà Lý, Ninh Cơ, Đào và hệ thống sông Đáy.
Tài liệu mặt cắt ngang toàn bộ hệ thống sông Hồng - Đáy được sử dụng trong mơ hình từ kết quả đo đạc năm 1999 - 2000 trong Chương trình Phịng chống lũ sơng Hồng - Thái Bình do Bộ NN&PTNT 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 được mô tả dưới dạng cột từ tài liệu mặt cắt đo đạc được bằng cách dùng trục toạ độ (x,z) thường được lấy từ những cuộc khảo sát, đo đạc lịng sơng.
Mỗi một mặt cắt đơn nhất được xác định bằng ba yếu tố chủ yếu sau đây: