Mơ hình tính tốn của mơ hình NAM

- Dòng chảy sát mặt (QIF)

QIF giả thiết là tƣơng ứng với U và biến đổi tuyến tính theo quan hệ lƣợng trữ ẩm của lƣợng trữ tầng thấp:

Trong đó: CKIF là hằng số thời gian dịng chảy sát mặt, nó chính là phần U tạo thành dịng chảy sát mặt trong một đơn vị thời gian và CQIF < 1, TIF là ngƣỡng

dƣới của dòng chảy sát mặt (0  TIF<1)

- Dòng chảy mặt (QOF)

Khi lƣợng trữ bề mặt đã tràn, U > Umax, thì lƣợng nƣớc thừa Pn sẽ tạo ra dịng chảy mặt. Dòng chảy mặt QOF đƣợc giả thiết là tƣơng ứng với Pn và biến đổi tuyến tính theo quan hệ lƣợng trữ ẩm đất, L/Lmax, của tầng thấp:

Trong đó: CQOF là hệ số dịng chảy mặt, khơng có thứ ngun, phản ánh

điều kiện thấm (0  CQOF  1); TOF là ngƣỡng dƣới của dòng chảy tràn (0  TOF

< 1), Pn là phần thừa khi U  Umax và Pn = U – Umax.

- Lượng nước ngầm cung cấp cho bể chứa ngầm (G)

Phần lƣợng nƣớc thừa (Pn – QOF) không tham gia vào thành phần dòng chảy tràn sẽ thấm xuống làm tăng lƣợng trữ ẩm tầng thấp và một phần đƣợc giả thiết sẽ thấm xuống sâu hơn và gia nhập vào lƣợng trữ tầng ngầm (G)

  / max OF / max 1 0 / max n n L L TG G P Q P khi L L TG TG G khi L L TG             - Lượng ẩm của đất

Bể chứa tầng sát mặt biểu thị lƣợng nƣớc có trong tầng rễ cây. Lƣợng mƣa hiệu quả sau khi trừ đi lƣợng nƣớc tạo dòng chảy mặt, lƣợng nƣớc bổ sung cho tầng ngầm, sẽ bổ sung và làm tăng độ ẩm của đất ở tầng rễ cây L bằng một lƣợng DL:

 n OF

DL P Q G (4)

- Diễn tốn dịng chảy

Dịng chảy sát mặt đƣợc thơng qua hai bể chứa tuyến tính với một hằng số thời gian CK12. Q trình dịng chảy mặt cũng dựa trên khái niệm bể chứa tuyến tính nhƣng với giá trị thời gian biến đổi.

(5) Trong đó :

OF : là dòng chảy mặt (mm/h)

min

OF : là giới hạn trên của q trình dịng chảy (OFmin= 0,4 mm/h)

Hằng số  = 0,4 tƣơng ứng với việc sử dụng cơng thức Manning để thiết lập mơ hình dịng chảy mặt. Công thức trên thể hiện rõ quá trình động lực của dịng chảy mặt. Trong khi đó theo NAM, dịng chảy sát mặt và dòng chảy tràn đƣợc xác định nhƣ là một bể chứa tuyến tính.

Hằng số thời gian của q trình dịng chảy mặt và sát mặt đƣợc tính bằng đơn vị giờ. Nó xác định hình dạng và đỉnh của q trình thủy văn. Các giá trị đó phụ thuộc vào kích thƣớc của lƣu vực và cƣờng độ mƣa. Hằng số này có thể đƣợc xác định từ việc kiểm định thời gian xuất hiện đỉnh của quá trình. Nếu đỉnh quá trình đến quá chậm hoặc q trễ thì có thể tăng, giảm để hiệu chỉnh mô phỏng.

Cơng thức diễn tốn dịng chảy mặt và dòng chảy sát mặt:

    / 12 / 12 1 / / 1 OF OF 1 OF . OF OF 1 OF . t CK t CK i t CK t CK i Q e e Q e e                 (6)  / 12 / 12 1 IFf QIF 1et CK IFf .i et CK (7)

Dịng chảy ngầm đƣợc diễn tốn thơng qua một bể chứa tuyến tính với hằng số thời gian CKBF

 /  / 1

BFG 1et CKBF BF ei. t CKBF (8) - Cơng thức dịng chảy tại mặt cắt cửa ra:

Ytt = OF + IFf + BF (mm) (9)

Qtt = (Ytt . Flv)/t (m3/s) (10)

Các thơng số của mơ hình mưa-dịng chảy

- Umax: Là lƣợng nƣớc tối đa trong bể chứa mặt (mm) - Lmax: Lƣợng ẩm lớn nhất trong bể chứa tầng rễ cây (mm)

- CQOF: Là hệ số dịng chảy mặt, khơng thứ nguyên, phản ánh điều kiện thấm - TOF: Là ngƣỡng dƣới của dòng chảy tràn

- TIF: Là ngƣỡng dƣới của dòng chảy sát mặt - TG: Là giá trị ngƣỡng tầng rễ cây

- CKIF: Là hệ số thời gian dòng chảy sát mặt, nó chính là phần U tạo thành dòng chảy sát mặt trong một đơn vị thời gian.

- CK12: Là hằng số thời gian chảy truyền của dòng chảy mặt - CKBF: Là hằng số thời gian chảy truyền của dịng chảy ngầm Các thơng số trên đƣợc xác định thơng qua hiệu chỉnh mơ hình

Những giá trị thƣờng gặp của các thơng số chính:

- Umax: (5 – 35 mm) - Lmax: (50 – 350 mm) - CQOF: (0.01 – 0.99 mm) - CKIF: (50 – 1000 giờ) - TOF: (0.0 – 0.9) - TIF: (0.0 – 0.9) - TG: (0.0 – 0.9) - CK12: (3 – 72 giờ) - CKBF: (500 – 5000 giờ)

2.2.2. Mơ hình HEC-RESSIM

Hec-ResSim là chƣơng trỡnh tính tốn mơ phỏng điều hành hệ thống hồ chứa,bao gồm các cơng cụ: mơ phỏng, tính tốn, lƣu trữ số liệu, quản lý, đồ hoạ và bó cáo hệ thống nguồn nƣớc. HEC dùng HEC-DSS (Data Storage System) để lƣu trữ và sửa đổi các hệ thống số liệu vào ra. ResSim là phần kế tiếp của HEC-5 (mô phỏng các hệ thống ngăn chặn và kiểm soát lũ) bao gồm 3 môđun: thiết lập lƣu vực (Watershed setup), mạng lƣới hồ (Reservoir Network) và mụ phỏng (Simulation), xem hình 1 Mỗi 1 mơđun có 1 mục đích riêng và tập hợp các công việc thực hiện qua bảng chọn (menu, toolbar) và biểu đồ.

Hình 2.4: Sơ đồ tổng qt các mơdun của mơ hình HEC-ResSim

+ Mơđun thiết lập lƣu vực (Watershed setup): cung cấp 1 sƣờn chung để thiết lập và định nghĩa lƣu vực nghiên cứu cho các ứng dụng khác nhau. Một lƣu vực bao gồm hệ thống sông suối, các cơng trình thuỷ lợi (hồ chứa, đập chắn, dẫn

dòng), vùng ảnh hƣởng ngập lụt,… và hệ thống các tram quan trắc đo đạc thuỷ văn, khí tƣợng. Trong mơđun này khi tổng hợp các hạng mục thì phải mơ tả đƣợc tính chất vật lý của lƣu vực. Ta có thể nhập các bản đồ từ ngoài vào để thiết lập 1 lƣu vực mới. Xác định đơn vị, các lớp bao gồm các thông tin chung về lƣu vực, liên kết giữa các sông và các thành phần định hình.

+ Mơđun mạng lƣới hồ (Reservoir Network): xây dựng sơ đồ mạng lƣới sông, mô tả các thành phần vật lý, điều hành của hồ chứa và các phƣơng án lựa chọn cần phân tích trong mơđun này. Dựa vào các định hình mơ tả ở mơđun trên để tạo cơ sở cho 1 hệ thống hồ chứa hồn chỉnh. Các tuyến sơng và các mạng lƣới hệ thống cơng trình có thể đƣợc đƣa thêm vào và hoàn thành các mối liên hệ trong mạng lƣới cần ứng dụng. Khi hoàn thành xác định mạng lƣới, các số liệu mô tả vật lý hệ thống cơng trình và phƣơng án điều hành thì các lựa chọn phƣơng án chạy cho bài tốn bao gồm: định hình hệ thống, xác định mạng lƣới hồ, tập hợp các phƣơng án điều hành, điều kiện ban đầu và số liệu đầu vào của bài toán.

+ Môđun mơ phỏng (Simulation): Phần tính tốn và hiển thị kết quả đƣợc thực hiện trong môđun này. Trƣớc hết phải tạo ra 1 cửa sổ thời gian mơ phỏng, thời đoạn tính tốn và sau đó các thành phần lựa chọn sẽ đƣợc phân tích. Ta cũng có thể lựa chọn các phƣơng án, nhập và sửa số liệu, các đặc tính của các thành phần tham gia trong hệ thống. Khi mô phỏng đƣợc thực hiện qua việc tính tốn và phân tích kết quả sử dụng đồ hoạ và biểu bảng.

Mơ hình HEC-ResSim đƣợc xây dựng để đánh giá vai trò của hồ chứa trong hệ thống nhằm trợ giúp nghiên cứu quy hoạch nguồn nƣớc, đặc biệt trong vai trị kiểm sóat lũ và xác định dung tích hiệu dụng trong bài toán đa mục tiêu của hệ thống.

Ngun lý tính tốn điều tiết phịng lũ của mơ hình HEC-ResSim a. Bài tốn điều tiết phịng lũ hạ du

Giả sử có hệ thống các hồ chứa lũ tƣơng ứng tại các tuyến hồ chứa và khu giữa. Biết trƣớc mực nƣớc trƣớc lũ, các đƣờng cong địa hình của các hồ chứa,

đƣờng quan hệ qxả ~Zhồ. u cầu xác định dung tích phịng lũ tại các tuyến phịng lũ và mực nƣớc gia cƣờng tƣơng ứng.

Để giải của bài toán đƣợc xác định theo phƣơng pháp thử dần với các bƣớc nhƣ sau:

1. Chọn phƣơng án vận hành hệ thống hồ: trong mơ hình HEC-ResSim cần chọn ƣu tiên hồ chứa nào sẽ tham gia cắt lũ trƣớc, hồ nào sẽ là hồ ƣu tiên sau đó...

2. Thử dần các lƣu lƣợng xả từ các hồ chứa đảm bảo khống chế mực nƣớc hạ du theo yêu cầu phòng lũ (trong mơ hình HEC-ResSim quá trình này đƣợc thực hiện tự động).

3. Tƣơng ứng với mỗi phƣơng án vận hành cắt lũ sẽ cho kết quả dung tích phịng lũ cho từng hồ. Phân tích kết quả tính tốn để chọn lời giải cuối cùng.

thƣợng nguồn cần điều tiết phòng lũ cho hạ du để đảm bảo mực nƣớc tại tuyến phòng lũ không vƣợt mực nƣớc khống chế. Cho trƣớc quá trình lũ thiết kế (theo tiêu chuẩn phịng lũ) tại tuyến phịng lũ và q trình

1. Tính tốn xác định lũ thiết kế theo tiêu chuẩn phịng lũ cho các tuyến

phòng lũ, các nút nhập lƣu khu giữa và các tuyến hồ chứa

2. Chọn lƣu lƣợng an tồn qat tại tuyến phịng lũ tƣơng ứng với mực

nƣớc khống chế tại tuyến phịng lũ

Tính tốn điều tiết hồ chứa và diễn toán lũ trên hệ thống sơng

về tuyến phịng lũ theo mơ hình HEC-Ressim

(Biên trên của mơ hình diễn tốn lũ là các quá trình xả lũ tại các hồ chứa và lƣu lƣợng tự nhiên tại các tuyến khống chế khu giữa: từ các tuyến hồ chứa

Hình 2.5: Sơ đồ sử dụng mơ hình mơ phỏng tính tốn điều tiết phịng lũ

b. Ngun lý tính tốn

Mơ hình HEC-ResSim có nhiều mơ đun và có thể ứng dụng tính tốn điều tiết phát điện, cấp nƣớc, điều tiết phòng lũ cho hạ du cho hệ thống hồ chứa lợi dụng tổng hợp. Trong tài liệu này chỉ ứng trình bày ngun lý tính tốn đối với bài tốn phịng lũ hạ du.

Điều tiết lũ hồ chứa

Nguyên lý tính tốn điều tiết dũng chảy trong hồ chứa dựa vào hệ phƣơng trình cân bằng nƣớc và phƣơng trình động lực cùng với các đƣờng đặc trƣng, tham số mô tả đặc tính của hệ thống cơng trình.

- Phƣơng trình cân bằng nƣớc:

dt

dV

= Q(t) – qr(t)

- Phƣơng trình động lực cho các cơng trình xả lũ có dạng tổng quát là hàm của 3 tham số:

Qxi(t) = fi[ Ai , Z(t) , Zhi(t) ] , i = 1, 2, …, n

lựa chọn phương án vận hành hệ thống hồ chứa

Trong đó: Q(t) là q trình lũ đến, qr(t) là q trình lƣu lƣợng xả khỏi hồ bao gồm lƣu lƣợng xả qx(t) qua cơng trình xả lũ (có điều khiển vµ chảy tự do), lƣu lƣợng qua cơng trình lấy nƣớc qc(t), qua tuốc bin nhà máy thủy điện và lƣu lƣợng tổn thất do thấm và bốc hơi.

Giải hệ phƣơng trình trên ta xác định đƣợc đƣờng quá trình lƣu lƣợng xả qx(t) sự thay đổi mực nƣớc và dung tích của hồ chứa.

Dung tích phịng lũ: VPL=   2  1 t t x(t) q ) t ( Q dt. Dung tích phịng lũ chính là phần diện tích mầu xẫm ở hình 2.6.

Hình 2.6: Quá trinh lũ đến và lũ xả tại tuyến hồ chứa Mơ hình Muskingum diễn tốn dịng chảy trong đoạn sơng

Có nhiều phƣơng pháp diễn tốn dịng chảy cho đoạn sông đã và đang đƣợc sử dụng. Trong HEC-ResSim, diễn tóan trong sơng: theo 1 trong 6 phƣơng pháp sau:

Muskingum,

Muskingum-Cunge kênh 8 điểm,

Muskingum-Cunge kênh lăng trụ,

Modified Puls;

Diễn toỏn theo mơ hình SSARR.

Trƣờng hợp khơng diễn tốn trong đoạn sơng đó (khơng có thời gian trễ hay sự lan truyền) thì cụ thể lựa chọn Null Rounting xuất phát từ hai phƣơng trình viết cho đoạn sông.

Giả sử ta sử dụng phƣơng pháp Muskingum, phƣơng trình cơ bản của phƣơng pháp Muskingum viết cho 1 đoạn sơng nhƣ sau:

- Phƣơng trình cân bằng nƣớc: vao ra Q Q dt dW   - Phƣơng trình lƣợng trữ: W = K. Q’

Phƣơng pháp Muskingum cho rằng lƣu lƣợng đại biểu cho đoạn sông Q’ tỉ lệ với lƣu lƣợng chảy vào và ra của đoạn sông.

Q’= xQvao (1x)Qra

W = K.xQvao (1x)Qra

Trong đó: x, K là các hằng số (K có ý nghĩa nhƣ thời gian chảy truyền của đoạn sông, x là hằng số biểu thị chiều dài đoạn sơng tính tốn).

Phƣơng trình tổng quát tính lƣu lƣợng trạm dƣới nhƣ sau:

Trong đó: Co=2k 2kx t kx 2 t      C1=2k 2kx t kx 2 t      C2=2k 2kx t t kx 2 k 2       Do đó : C0+ C1+ C2=1

Giỏ trị t là thông số quan trọng trong phƣơng pháp Muskingum, đƣợc lựa

chọn thoả mãn điều kiện:

k k    t 2

Đối với hệ thống sơng phức tạp, mỗi đoạn sơng có bộ thơng số x, k và các tham số này sẽ đƣợc xác định theo phƣơng pháp tối ƣu hoá hoặc bằng phƣơng pháp thử sai. Lấy ví dụ mạng sơng có cấu trúc nhƣ hình 4a gồm 7 đoạn sơng (1-3; 2-3;4- 5; 3-5; 5-7; 6-7; 7-8) và tƣơng ứng sẽ có 7 bộ thơng số k và x. Việc diễn toán lũ theo mơ hình Muskingum sẽ đƣợc thực hiện cho tứng đoạn sông. Tại những nút hợp lƣu giữa hai đoạn sơng thì lƣu lƣợng đầu đoạn hợp lƣu sẽ bằng tổng của lƣu lƣợng tại các đoạn tạo nên hợp lƣu đó. Ví dụ tại nút 5 ta có lƣu lƣợng đầu đoạn 5-7:

Qtr(5-7)(t) = Qd(4-5)(t)+Qd(3-5)(t)

Trong đó Qtr(5-7)(t), Qd(4-5)(t) Qd(3-5)(t) tƣơng ứng là lƣu lƣợng đầu đoạn (5-7) và các lƣu lƣợng cuối đoạn (4-5) và đoạn (3-5).

Hình 2.7 : Cấu trúc đoạn sơng trong mơ hình Muskingum

1 2 3 k1, x1 k2, x2 k3, x3 k4, x4 k6, x6 k5, x5 k7, x7 4 5 6 7 8

CHƢƠNG 3: ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỔI ĐẶC TRƢNG DÕNG CHẢY LŨ LƢU VỰC SƠNG LAM TRƢỚC VÀ SAU KHI CĨ HỒ

Với mục đích xem xét, đánh giá biến đổi đặc trƣng của dịng chảy lũ trƣớc và sau khi có hồ lƣu vực sơng Lam, ta cần thực hiện phân tích chuỗi dịng chảy tại các trạm trên lƣu vực tại thời điểm có hồ và khơng có hồ để đánh giá sự thay đổi đặc trƣng dòng chảy lũ nhƣ thời gian chảy truyền của lũ, đỉnh lũ, tổng lƣợng lũ…. Từ sự thay đổi trên để đánh giá sự thay đổi đặc trƣng dòng chảy, đánh giá sự tác động của cơng trình hồ chứa đối với dịng chảy lũ lƣu vực sơng Lam.

Để có thể thực hiện phân tích các chuỗi số liệu đánh giá, ta cần có số liệu dịng chảy tại trạm đƣợc đánh giá thời điểm chƣa có hồ và có hồ. Để so sánh khách quan nhất về ảnh hƣởng của cơng trình hồ chứa tới đặc trƣng lũ bằng thì bằng cách ta so sánh trong cùng một trận lũ, khi có hồ thì dịng chảy lũ nhƣ thế nào và khi khơng có hồ thì dịng chảy lũ nhƣ thế nào.

Vì thế, phƣơng pháp mơ hình hóa đƣợc sử dụng trong nghiên cứu để khơi phục dịng chảy cho lƣu vực trong trƣờng hợp chƣa có hồ với trận lũ thực tại thời điểm có hồ. Mơ hình NAM (mƣa-dịng chảy) đƣợc lựa chọn cho nghiên cứu này do nó là mơ hình tập trung và thích hợp trong các lƣu vực nhỏ và địa hình tƣơng đối đồng nhất.

Từ mơ hình NAM, ta khơi phục dữ liệu dịng chảy tại các trạm trên lƣu vực sông Lam. Sử dụng kết hợp với phƣơng pháp thống kê để đánh giá, tính tốn thêm các trận lũ với tần suất khác nhau, đánh giá sự thay đổi dòng chảy lũ qua các năm từ trƣớc khi có hồ đến khi đã có hồ hoạt động.

3.1. Hệ thống hồ chứa lựa chọn để đƣa vào đánh giá

Trên hệ thống sơng có rất nhiều hồ chứa lớn, vừa và nhỏ đa mục tiêu nhƣ: phát điện, phục vụ thủy lợi, phòng chống lũ, …. Trong luận văn tiến hành lựa chọn các hồ chứa tiêu biểu có tác động lớn đến dịng chảy lũ xuống hạ lƣu để đƣa vào mơ hình mơ phỏng.

3.1.1. Các tiêu chí lựa chọn cơng trình

* Mục tiêu: đánh giá mức độ ảnh hƣởng của các hoạt động cơng trình thủy

điện, thủy lợi đến dòng chảy lũ.