Cấp đê Đặc biệt I II III IV V
Tần suất thiết kế của Qmax(%) 0.4 (250 năm) 0.6 (166 năm) 1 (100 năm) 2 (50 năm) 3 (20 năm) >5 (>20 năm) -Tần suất trong bảng được kể cả các biện pháp cơng trình phịng chống lũ khác như hồ chứa nước, phân chậm lũ của hệ thống sông theo quy hoạch phòng lũ.
Tần suất thiết kế quy định là tần suất tối đa cho từng cấp đê. Tùy tình hình cụ thể, tần suất thiết kế cho mỗi cấp đê có thể nhỏ hơn (tiêu chuẩn chống lũ của đê cao hơn) những con số quy định dưới đây, nhưng không vượt quá tần suất tối đa của cấp trên kế cận. Ở đây ta sử dụng cấp đê đặc biệt tức là ứng với tần suất P=4% ứng với chu kỳ là 250 năm.
CHƢƠNG 2: TÍNH TỐN LŨ THIẾT KẾ CHO SƠNG TRÀ LÝ
Tính tốn lũ thiết kế đóng một vai trị hết sức quan trong trong quá trình quy hoạch lũ chi tiết sơng. Việc tính tốn lũ thiết kế cho ta thấy tuyến đê phịng chống lũ hiện tại có phòng được những con lũ thiết kế đó hay khơng để từ đó đưa ra các phương án quy hoạch lũ chi tiết cho tuyến sơng đó. Để tính tốn được lũ thiết kế, ta có thể sử dụng rất nhiều loại mơ hình để tính tốn. Trong luận văn này, em sử dụng mơ hình Mike 11 để tính tốn lũ thiết kế cho tun sơng Trà Lý tỉnh Thái bình.
2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT MƠ HÌNH MIKE 11
MIKE 11 do DHI Water và Environment 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 công cụ lập mơ hình động lực, một chiều và 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 cho việc tính tốn hiệu quả và tồn
diện, áp dụng cho quy hoạch và quản lý chất lượng, nguồn nước và các cơng trình thủy lợi.
Bộ mơ hình MIKE tương đối tồn diện, tính năng, hiệu quả truy cập thơng tin và giao diện đồ họa sinh động của cơng nghệ GIS, có thể là ứng dụng trong thiết kế, quy hoạch và quản lý tổng hợp nguồn nước.
Một số ưu điểm của mơ hình MIKE 11: - Liên kết GIS
- Liên kết với các mơ hình thành phần khác của bộ MIKE như: mơ hình mưa rào – dịng chảy; mơ hình thủy động lực học hai chiều MIKE 21 (Mike flood)
- Tính tốn chuyển tải chất khuếch tán. - Tính vận hành hồ chứa
- Tính tốn thủy lực cho bài tốn vỡ đập - Tính tốn vận hành cơng trình.
- Tính tốn mơ phỏng các vùng đất ngập nước.
Mơ-đun mơ hình thủy động lực (HD) là một phần trọng tâm của hệ thống lập mơ hình MIKE 11 và hình thành cơ sở cho hầu hết các mô-đun bao gồm Dự báo lũ, Tải khuyếch tán, Chất lượng nước và các mô-đun vận chuyển bùn lắng khơng có cố kết. Mơ-đun MIKE 11 HD giải các phương trình tổng hợp theo phương đứng để đảm bảo tính liên tục và động lượng (momentum), nghĩa là 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 mô phỏng kiểm soát lũ Vận hành hệ thống tưới và tiêu thoát bề mặt Thiết kế các hệ thống kênh dẫn
Nghiên cứu sóng triều và dâng nước do mưa ở sơng và cửa sông
Đặc trưng cơ bản của hệ thống lập mơ hình MIKE 11 là cấu trúc mơ-đun tổng hợp với nhiều loại mô-đun được thêm vào mỗi mô phỏng các hiện tượng liên quan đến hệ thống sơng.
Ngồi các mô-đun HD đã mô tả ở trên, MIKE bao gồm các mô-đun bổ sung đối với:
Thủy văn
Tải khuyếch tán
Các mơ hình cho nhiều vấn đề về Chất lượng nước Vận chuyển bùn cát có cố kết (có tính dính)
Vận chuyển bùn cát khơng có cố kết (khơng có tính dính)
MIKE 11 là chương trình tính thủy lực trên mạng lưới sơng kênh có thể áp dụng với chế độ động sóng động lực hồn toàn ở cấp độ cao. Trong chế độ này MIKE 11 có khả năng tính tốn với:
- Dịng biến đổi nhanh
- Lưu lượng và mực nước thủy triều vùng cửa sơng. - Sóng lũ
- Lịng dẫn dốc
Hệ phương trình sử dụng trong mơ hình là hệ phương trình Saint Venant, được viết dưới dạng thực hành cho bài tốn một chiều khơng gian, tức quy luật diễn biến của độ cao mặt nước và lưu lượng dịng chảy dọc theo chiều dài dịng sơng/kênh và theo thời gian. Hệ phương trình Saint – Venant gồm hai phương trình: phương trình liên tục và phương trình động lượng. - Phương trình liên tục: 0 q t A x Q (2.1) - Phương trình động lượng: 0 2 2 AR C Q gQ x h gA x A Q t Q (2.2) Trong đó: - t: thời gian tính tốn
- Q: lưu lượng dịng chảy qua mặt cắt (m3/s) - x: không gian (dọc theo dịng chảy) (m)
- A: diện tích mặt cắt ướt (m2)
- q: lưu lượng ra, nhập dọc theo đơn vị chiều dài (m3/s) - C: hệ số Chezy, được tính theo cơng thức C = y
R n 1 - n: hệ số nhám - R: bán kính thủy lực (m) - y: hệ số, theo Maning y = 1/6 - g: gia tốc trọng trường = 9,81 m/s2 hệ số động năng.
Thuật toán cho mạng lưới sơng kênh và tồn bộ hệ thống trên mạng lưới
Trong Mike 11, các phương trình Saint – Venant được giải bằng cách dùng lược đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn là Bbott – Inoescu. Trong lược đồ này, các cấp mực nước và lưu lượng dọc theo nhánh sơng được tính trong một hệ thống các điểm lưới xen kẽ như trong hình 2.1
hj-3
Qj-3
hj-1 Qj-1 hj
Qj+1 hj+1 Qj+2
Hình 1. Nhánh sông và các điểm lưới xen kẽ
Mike 11 có thể xử lý được nhiều nhánh và tại các nhập lưu nơi mà tại đó các nhánh gặp nhau. Một nút sẽ được tạo ra trong đó mực nước được tính tốn. Hình dạng của các điểm lưới quanh một nút trong đó có ba nhánh gặp nhau (hình 2.2)
QA.n-1 Qc.2 hA.n-1 hA.n hc.1 hc.3 Nh¸ nh C Nh¸ nh B Nh¸ nh A hB.n QB.n-1 hB.n-2
Mơ phỏng cơng trình trên sơng/kênh
Trong mơ hình Mike 11 đã mơ tả một loạt các cơng trình có tác dụng như các điểm điều khiển trong hệ thống. Việc vận hành các cơng trình được tính tốn theo các điều kiện dịng chảy khác nhau bằng các cơng thức quan hệ Q – h. Các cơng trình có điều khiển này khác với các cơng trình khơng điều khiển ở hai khía cạnh sau:
- Cơng trình có thể được mơ tả hoặc như cơng trình chảy ngầm, cơng trình chảy mặt hay cơng trình có cửa hướng tâm. Như vậy cơng trình có thể được mo tả như là một ngưỡng di động hay dạng nâng hạ cánh cửa cống.
- Đối với cơng trình vỡ đập thì nó khơng thể xác định trước quan hệ đặc trưng dòng chảy tới hạn Q – h của cơng trình.
Các điều kiện ổn định của mơ hình
Khơng thể chỉ dùng một định luật tổng quát để chọn các tham số x và t ( bước thời gian tính tốn) cho tất cả các trường hợp, trong Mike 11 đặt giả thiết rằng biến thiên tuyến tính của tất cả các biến số giữa mỗi khoảng cách thời gian và điểm lưới. Do đó, mỗi tiêu chuẩn đặt ra cho x và t là chúng phải đủ nhỏ sao cho có thể giải được từng biến thời gian và không gian tuyến tính.
Để mơ hình mang tính ổn định và chính xác thì phải hồn tất các điều kiện sau:
- Địa hình và số liệu
Địa hình và số liệu phải đồng bộ, tốt nhất là cùng một thời gian đo đạc. - Tiêu chuẩn Courant
Điều kiện Courant là một gợi ý để lựa chọn được khoảng thời gian đồng thời thỏa mãn được các điều kiện. Các giá trị điển hình C thường được chọn từ 10 đến 15, tuy nhiên một số giá trị lớn hơn cũng có thể được dùng.
Cr = x gy V t ( ) = 10 – 15 (2.3)
gy là tốc độ của sự nhiều loạn (sóng) tại nơi nước nông (khu vực nước thấp). Giả thiết này rất khó thỏa mãn được đối với sơng và lịng dẫn do tại đó tốc độ sóng là rất nhỏ.
Tiêu chuẩn Courant thường được áp dụng cho sông và lòng dẫn. Con số Courant thể hiện số các điểm lưới một bước sóng. Phát sinh từ một nhiễu loạn nhỏ, sẽ di chuyển trong một khoảng thời gian.
- Tiêu chuẩn lưu tốc
Điều kiện lưu tốc đưa ra dưới đây đơi khi có thể tạo ra một giới hạn về khoảng thời gian, t trong trường hợp này các mặt cắt ngang có dao động nhanh.
Điều kiện biên
Mơ hình Mike 11 cũng cần hai điều kiện biên : biên trên và các biên dưới. Biên trên là các biên lưu lượng. Trong trường hợp các nút biên trên chỉ có q trình mực nước mà khơng có tài liệu đo lưu lượng (khi xác định tham số hoặc kiểm định mơ hình) có thể thay biên trên bằng quá trình mực nước nhưng kèm theo nó phải có đường quan hệ mực nước ~ lưu lượng Q = f(H). Biên dưới là các biên mực nước được chọn sao cho quá trình thay đổi lưu lượng ở các biên trên và toàn bộ hệ thống không làm thay đổi mực nước ở nút biên dưới.
2.2 ỨNG DỤNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN THỦY LỰC CHO HỆ THỐNG SÔNG TRÀ LÝ SÔNG TRÀ LÝ
2.2.1 Phạm vi nghiên cứu của mơ hình thủy lực
Phần mềm sử dụng để tính tốn thủy lực tuyến sơng Hồng-Thái Bình là mơ hình thủy lực MIKE 11 được Viện Thủy Lực Đan Mạch xây dựng. MIKE 11 là mơ hình thủy lực một chiều để diễn toán mực nước và lưu lượng tại các nút và các ô trong hệ thống sông.
Mơ hình MIKE 11 sẽ tính tốn thủy lực cho toàn vùng trung du và đồng bằng sơng Hồng-Thái Bình. Phía thượng lưu sơng Hồng bao gồm các sơng Hồng. Phía thượng lưu sơng Thái Bình bao gồm các sơng Cầu, sông Thương và sông Lục Nam. Vùng đồng bằng bao gồm các sông Hồng, Đuống, Luộc, Ninh Cơ, Trà Lý,
Thái Bình, Nam Định, Đáy và trên địa bàn thành phố Hải Phịng gồm các sơng Đá Bạch, Cấm, Lạch Tray, Vân Úc, Thái Bình và Hóa. MIKE 11 sẽ tính cụ thể cho tuyến sơng Trà Lý tỉnh Thái Bình.
Sơng Cầu Sơng hồng Sông Thương Sông Lục Nam Sông Đà Bạch Sông Thái Bình Sơng Trà Lý
Hình 3. Sơ đồ tính thuỷ lực cho tồn mạng sơng bằng mơ hình MIKE 11
2.2.2 Biên tính tốn mơ hình thủy lực
a. Biên trên mơ hình
Với mạng sơng tính tốn đã được xác định ở trên, biên trên của mơ hình thuỷ lực là quá trình lưu lượng theo thời gian Q= f(t) tại các vị trí như sau:
+ Tại trạm thuỷ văn Cầu Sơn trên sông Thương (Flv= 2.330 km2
) + Tại trạm thuỷ văn Chũ trên sông Lục Nam (Flv= 980 km2
) + Tại trạm thuỷ văn Thái Ngun trên sơng Cầu (Flv= 2.220 km2
) + Q trình lưu lượng (Q~t) tại Sơn Tây
b. Biên dưới của mơ hình
Biên dưới của mơ hình là quá trình mực nước theo thời gian Z =f(t) tại 9 cửa sông đổ ra biển của lưu vực sơng Hồng – Thái Bình. Biên dưới của mơ hình thủy lực được đặt tại các vị trí giao tiếp giữa cửa sơng và biển. Danh sách các trạm tính đường q trình mực nước thống kê trong bảng sau: