Mơ hình tính tốn của mơ hình NAM

- Dòng chảy sát mặt (QIF)

QIF giả thiết là tương ứng với U và biến đổi tuyến tính theo quan hệ lượng trữ ẩm của lượng trữ tầng thấp: QIF = PN TIF TIF L L CKIF    1 / ) ( 1 max

Khi L/Lmax > TIF (2.1)

Trong đó: CKIF là hằng số thời gian dịng chảy sát mặt, nó chính là phần U tạo thành dòng chảy sát mặt trong một đơn vị thời gian và CQIF < 1, TIF là ngưỡng dưới của dòng chảy sát mặt (0  TIF<1)

- Dòng chảy mặt (QOF)

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

QOF= PN TOF TOF L L CQOF   1 / max

Khi L/Lmax > TOF (2.3)

QOF= 0 Khi L/Lmax TOF (2.4) Trong đó: CQOF là hệ số dịng chảy mặt, khơng có thứ nguyên, phản ánh điều kiện thấm (0  CQOF  1); TOF là ngưỡng dưới 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 lượng nước thừa (Pn – QOF) không tham gia vào thành phần dòng chảy tràn sẽ thấm xuống làm tăng lượng trữ ẩm tầng thấp và một phần được giả thiết sẽ thấm xuống sâu hơn và gia nhập vào lượng 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             (2.5) - Lượng ẩm của đất

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

 n OF

DL P Q G (2.6)

- Diễn tốn dịng chảy

Dòng chảy sát mặt được 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 nhưng với giá trị thời gian biến đổi.

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 tương 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 dòng chảy mặt. Trong khi đó theo NAM, dịng chảy sát mặt và dịng chảy tràn được xác định như là một bể chứa tuyến tính.

Hằng số thời gian của q trình dịng chảy mặt và sát mặt được tính bằng đơn vị giờ. Nó xác định hình dạng và đỉnh của quá trình thủy văn. Các giá trị đó phụ thuộc vào kích thước của lưu vực và cường độ mưa. Hằng số này có thể được 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 mơ phỏng.

Cơng thức diễn tốn dòng 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                 (2.7)  / 12 / 12 1 IFf QIF 1et CK IFf .i et CK (2.8) Dòng chảy ngầm được diễn tốn thơng qua một bể chứa tuyến tính với hằng số thời gian CKBF.

- Công thức diễn tốn dịng chảy ngầm:

 /  /

1

BFG 1et CKBF BFi.et CKBF (2.9) - Cơng thức dịng chảy tại mặt cắt cửa ra:

Ytt = OF + IFf + BF (mm) (2.10)

 Các thông số của mơ hình mưa- dịng chảy

- Umax: Là lượng nước tối đa trong bể chứa mặt (mm). - Lmax: Lượng ẩm lớn nhất trong bể chứa tầng rễ cây (mm).

- CQOF: Là hệ số dịng chảy mặt, khơng thứ ngun, phản ánh điều kiện thấm. - TOF: Là ngưỡng dưới của dòng chảy tràn.

- TIF: Là ngưỡng dưới của dòng chảy sát mặt. - TG: Là giá trị ngưỡng tầng rễ cây.

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

- CK1, 2: 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 được xác định thơng qua hiệu chỉnh mơ hình.

Những giá trị thường 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)

 Chỉ tiêu được sử dụng đánh giá mơ hình NAM

Chỉ tiêu Nash– Sutcliffe:

      n i n i i y y y y R 1 2 1 2 2 ) ( ) ' ( 1

trong đó: yi là giá trị thực đo thứ i, y’i là giá trị tính tốn

y là giá trị thực đo trung bình Tiêu chuẩn đánh giá như sau:

Chỉ tiêu Mức Loại

40-65% Đạt 65-85% Khá R2

>85% Tốt

2.2.2. Mơ hình HEC– RESSIM [3]

Mơ hình HEC – RESSIM là mơ hình mơ phỏng điều hành hệ thống hồ chứa. HEC – RESSIM bao gồm các công cụ: mơ phỏng, tính tốn, lưu trữ số liệu, quản lý, đồ họa và báo cáo hệ thống nguồn nước. HEC dùng HEC – DSS( Data Storage System) để lưu trữ và sửa đổi các hệ thống số liệu đầu ra.

 Cấu trúc mơ hình HEC– RESSIM

HEC - RESSIM giới thiệu 1 chương trình tính tốn mơ phỏng điều hành hệ thống hồ chứa. Bao gồm các cơng cụ: mơ phỏng, tính tốn, lưu trữ số liệu, quản lý, đồ hoạ và báo cáo hệ thống nguồn nước. HEC dùng HEC-DSS (Data Storage System) để lưu 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 sốt lũ) bao gồm 3 mơđun: thiết lập lưu vực (Watershed setup), mạng lưới hồ (Reservoir Network) và mô phỏng (Simulation). Mỗi 1 mơđun có 1 mục đích riêng và tập hợp các công việc thực hiện qua bảng chọn (menu, toolbar) và biểu đồ.

Mơ hình HEC - RESSIM bao gồm 3 mơđun : - Thiết lập lưu vực (Watershed Setup)

- Mạng lưới hồ (Reservoir Network) - Mơ phỏng (Simulation)

Hình 2.4.Sơ đồ tổng qt các mơđun của mơ hình HEC - RESSIM

+Mơđun thiết lập lưu vực: cung cấp 1 sườn chung để thiết lập và định nghĩa

lưu vực nghiên cứu cho các ứng dụng khác nhau. Một lưu vực bao gồm hệ thống sơng suối, các cơng trình thuỷ lợi (hồ chứa, đập chắn, dẫn dòng), vùng ảnh hưởng ngập lụt…. và hệ thống các tram quan trắc đo đạc thuỷ văn, khí tượng. Trong mơđun này khi tổng hợp các hạng mục thì phải mơ tả được tính chất vật lý của lưu vực. Ta có thể nhập các bản đồ từ ngồi vào để thiết lập 1 lưu vực mới. Xác định đơn vị, các lớp bao gồm các thông tin chung về lưu vực, liên kết giữa các sông và các thành phần định hình.

+ Mơđun mạng lưới hồ: xây dựng sơ đồ mạng lưới sông, mô tả các thành

phần vật lý, điều hành của hồ chứa và các phương 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 hoàn chỉnh. Các tuyến sông và các mạng lưới hệ thống cơng trình có thể được đưa thêm vào và hoàn thành các mối liên hệ trong mạng lưới cần ứng dụng. Khi hoàn thành xác định mạng lưới, các số liệu mô tả vật lý hệ thống cơng trình và phương án điều hành thì các lựa chọn phương án chạy cho bài toán bao gồm: định hình hệ thống, xác định mạng lưới hồ, tập hợp các phương án điều hành, điều kiện ban đầu và số liệu đầu vào của bài tốn.

Hình 2.6.Mơđun tạo mạng lưới hồ

 + Mơđun mơ phỏng: Phần tính tốn và hiển thị kết quả được thực hiện trong

môđun này. Trước hết phải tạo ra 1 cửa sổ thời gian mơ phỏng, thời đoạn tính tốn và sau đó các thành phần lựa chọn sẽ được phân tích. Ta cũng có thể lựa chọn các phương án, nhập và sửa số liệu, các đặc tính của các thành phần tham gia trong hệ thống. Khi mô phỏng được thực hiện qua việc tính tốn và phân tích kết quả sử dụng đồ hoạ và biểu bảng.

Hình 2.7.Mơđun mơ phỏng

Mơ hình HEC - RESSIM được xây dựng để đánh giá vai trò của hồ chứa trong hệ thống nhằm trợ giúp nghiên cứu quy hoạch nguồn nước, đặc biệt trong vai trị tính tốn điều tiết phục vụ bài tốn vận hành hồ chứa sao cho có hiệu quả nhất.

 Nguyên lý và phương pháp tính điều tiết phát điệnmơ hình HEC - RESSIM

- Nguyên lý để tính tốn điều tiết là hợp giải hệ phương trình cơ bản:

(2.12) Trong đó:

Q(t) là lưu lượng đến hồ tại thời điểm t

Lưu lượng đến hồ trên cùng là lưu lượng tự nhiên Lưu lượng đến hồ hạ lưu Q(t)= ∑qx(t)+Qkg(t)

qr (t) là lưu lượng chảy ra khỏi hồ tại thời điểm t, với:

(2.13) qtb(t) là lưu lượng chảy qua tuốc bin

qtt(t) là lưu lượng tổn thất

q(t) là lưu lượng lấy ra từ thượng lưu hồ qx(t) là lưu lượng xả thừa

) ( ) ( ) ( ) ( ) (t q t q t q t q t qr  tb  tt   x ) ), ( ), ( ( ) ( ) ( ) ( A t H t q f t N t q t Q dt dV tb r   

N(t) là công suất của trạm thuỷ điện tại thời điểm t H(t) là chênh lệch cột nước thượng hạ lưu tại thời điểm t

 Phương pháp tính tốn điều tiết phát điện của mơ hình HEC - RESSIM

- Mơ hình HEC - RESSIM tính tốn điều tiết phát điện theo phương pháp lặp, trình tự tính tốn được thực hiện theo các bước sau:

+Bước 1: Ước lượng dung tích trung bình hồ chứa

+Bước 2: Xác định mực nước hạ lưu. Chọn mực nước lớn nhất trong các lựa

chọn nhập vào ở phần Tailwater của Control Outlet.

+Bước 3: Tính tổng cột nước: Htt= ZTL- ZHL

+Bước 4: Tính lưu lượng xả với yêu cầu năng lượng theo công thức:

Qxả =

eht Ec

(2.14)

Trong đó:

E: Yêu cầu điện lượng trong thời đoạn t (Kwh)

c: hệ số đổi đơn vị (bằng 11.85 đối với hệ Anh và bằng 0.102 đối với hệ SI)

h: Tổng cột nước tính tốn (feet hoặc m)

t: thời gian (giờ)

Q: lưu lượng xả

+Bước 5: Tính tổn thất bốc hơi, thấm dựa vào diện tích và dung tích hồ tương

ứng ở thời điểm t

+Bước 6: Tính dung tích hồ cuối thời đoạn theo phương trình cân bằng nước: + Bước 7: Quay lại bước 1, 2, 3, 4 tính lại lưu lượng xả Qtt. So sánh Qtt với lưu lượng tính được tại bước 4 Qxả nếu sai số nhỏ hơn sai số cho phép thì đạt u cầu, nếu khơng đạt phải tính lặp cho đến khi thoả mãn yêu cầu

+ Bước 8: So sánh công suất phát điện với công suất giới hạn tại một thời

điểm bất kỳ nếu vượt q cơng suất giới hạn thì phải giảm lưu lượng xả

+ Bước 9: So sánh Q tính được với khả năng xả được của đường ống, nếu

vượt quá thì giảm lưu lượng xả đến giới hạn cho phép.

Từ đó tính được q trình xả của hồ để đáp ứng nhu cầu phát điện. Nếu hồ lợi dụng tổng hợp có nhiều u cầu thì hồ chứa sẽ vận hành theo nguyên tắc ưu tiên từ trên xuống dưới của các phương án xả tuỳ thuộc yêu cầu bài toán .

CHƯƠNG 3.ĐÁNH GIÁẢNH HƯỞNG CỦA HỒ CHỨA ĐẾN DỊNG CHẢY LŨ LƯU VỰC SƠNG THU BỒN

Với mục đích xem xét, đánh giá biến đổi đặc trưng của hồ đến dịng chảy lũ lưu vực sơng Thu Bồn, ta cần thực hiện phân tích chuỗi dịng chảy tại các trạm trên lưu vực tại thời điểm có hồ và khơng có hồ để đánh giá sự thay đổi đặc trưng dòng chảy lũ như thời gian chảy truyền của lũ, đỉnh lũ, tổng lượng lũ… Từ sự thay đổi trên để đánh giá sự thay đổi đặc trưng dòng chảy, đánh giá sự tác động của cơng trình hồ chứa đối với dịng chảy lũ lưu vực sơng Thu Bồn.

Để có thể thực hiện phân tích các chuỗi số liệu đánh giá, ta cần có số liệu dịng chảy tại trạm được đánh giá thời điểm chưa có hồ và trước có hồ. Để so sánh khách quan nhất về ảnh hưởng của cơng trình hồ chứa tới đặc trưng lũ bằng thì bằng cách ta so sánh trong cùng một trận lũ, khi có hồ thì dịng chảy lũ như thế nào và khi khơng có hồ thì dịng chảy lũ như thế nào. Từ đó đưa ra so sánh khách quan nhất.

Vì thế, phương pháp mơ hình hóa được sử dụng trong nghiên cứu để khôi phục dịng chảy cho lưu vực trong trường hợp chưa có hồ với trận lũ thực tại thời điểm có hồ. Mơ hình NAM (mưa - dịng chảy) được lựa chọn cho nghiên cứu này do nó là mơ hình tập trung và thích hợp trong các lưu vực nhỏ và địa hình tương đối đồng nhất.

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

3.1. HỆ THỐNG HỒ CHỨA LỰA CHỌN ĐỂ ĐÁNH GIÁ

Trên lưu vực sơng Thu Bồn có rất nhiều hồ chứa nhưng chủ yếu là các hồ chứa thủy lợi vừa và nhỏ có dung tích hữu ích nhỏ hơn 10 triệu m3. Trong luận văn tiến hành lựa chọn các hồ chứa tiêu biểu có tác động lớn đến dịng chảy lũ xuống hạ lưu để đưa vào mơ hình mơ phỏng.

3.1.1. Tiêu chí lựa chọn

 Tiêu chí chung:

b. Khi cơng trình hoạt động xả, cắt lũ tác động đến dòng chảy lũ làm thay đổi các đặc trưng lũ.

 Tiêu chí cụ thể:

Để đánh giá mức độ ảnh hưởng của lũ tính đến tuyến CT đối với tồn bộ lưu vực, chúng tôi xây dựng tỷ lệ: K1=WlũLV1%/WlũCT1%.

Để đánh giá khả năng điều tiết lũ của hồ chứa chúng tôi xây dựng tỷ lệ K2=WlũCT1%/Whi

Trong đó:

WlũLV1%: Là tổng lượng lũ 1% của lưu vực (nhánh chính). WlũCT1%: Là tổng lượng lũ 1% đến tuyến cơng trình. Whi: Là dung tích hữu ích của hồ chứa.

Từ số liệu thống kê các hồ chứa trên lưu vực lớn là sông Thu Bồn đã xây dựng được các bảng chỉ số.

Qua phân tích các bảng chỉ số, xem xét mức độ ảnh hưởng của lũ lưu vực, lũ đến tuyến cơng trình và mức độ ảnh hưởng của điều tiết lũ từ các cơng trình chúng tơi chọn chỉ tiêu cụ thể như sau:

- Các hồ có dung tích hữu ích (Whi> 0). - Các tỷ lệ: K1  10 và K2 10

3.1.2. Hồ chứa được lựa chọn

Sau khi xây dựng và lọc các chỉ tiêu, lựa chọn được các cơng trình đưa vào mơ phỏng như sau:

Bảng 3.1.Hồ chứa được lựa chọnTên hồ Flv (km2) W tổng Tên hồ Flv (km2) W tổng ( 106m3) W chết (106m3) W hữu ích (106m3) Năm xây dựng Ghi chú Sơng Tranh 2 1100 733.4 212.3 521.1 2010 Chọn

3.2. ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA HỒ CHỨA ĐẾN DỊNG CHẢY LŨTRƯỚC VÀ SAU KHI CĨ HỒ TRƯỚC VÀ SAU KHI CÓ HỒ

Để đánh giá được sự thay đổi của đặc trưng lũ trước và sau khi có hồ chứa, ta lựa chọn khôi phục dòng chảy lũ tại trạm thủy văn nằm dưới hạ lưu ngay sau hồ

chứa với điều kiện hồ chứa đó đã hoạt động, để ta có dữ liệu dịng chảy để so sánh