CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA HỒ ĐẾNDÒNG CHẢY LŨ DÒNG CHẢY LŨ

Đánh giá được ảnh hưởng của hồ tới dịng chảy lũ chính là đánh giá, nhận xét các đặc trưng lũ trước và sau khi có hồ hay đánh giá đặc trưng lũ trong trường hợp khơng có hồ hoạt động hoặc có hồ hoạt động. Các đặc trưng lũ được đưa ra để đánh giá là tổng lượng lũ, biên độ lũ, thời gian lũ lên, chân lũ lên, thời gian lũ xuống, đỉnh lũ, cường suất lũ, vận tốc lũ…

Để đánh giá được các đặc trưng lũ khách quan, ta cần số liệu trận lũ, đường quá trình lũ của thời điểm trước và sau khi có hồ để so sánh với nhau. Sau đây trình bày một số phương pháp phục vụ đánh giá ảnh hưởng của hồ tới dòng chảy lũ.

2.1.1.Phương pháp thống kê, xử lý số liệu

Phương pháp thống kê [6] ở đây là phương pháp đơn giản, dễ tính tốn nhưng dựa trên cơ sở số liệu đã có phải tốt. Số liệu đã qua xử lý sẽ được phân tích cụ thể.

Bản chất của phương pháp phân tích, thống kê này chính là thu thập chuỗi số liệu dòng chảy, xử lý số liệu đồng nhất. Rồi dựa vào số liệu đã xử lý để phân tích.

Phân tích tần suất: Thơng qua đường tần suất kinh nghiệm. Đường tần suất

kinh nghiệm là đường cong tần suất được vẽ theo các điểm kinh nghiệm biểu thị quan hệ giữa tần suất và giá trị quan trắc.

Phân tích chuỗi thời gian thủy văn: Trong thực tế, các giá trị của đại lượng

thủy văn xuất hiện có trật tự theo thời gian và khơng gian. Ví dụ sự xuất hiện dịng chảy trong một con lũ, có nhánh lên, nhánh xuống, sự xuất hiện dòng chảy theo mùa, theo tháng hay theo các năm khơng hồn tồn ngẫu nhiên. Số liệu đo đạc thu thập tạo thành một chuỗi số liệu thủy văn, đó là sự rời rạc hóa một q trình thủy văn diễn ra liên tục. Vì vậy cần phát hiện tìm hiểu ra quy luật dao động và mối liên hệ giữa các số hạng của chúng. Để giải quyết vấn đề này cần phải phân tích chuỗi thời gian thủy văn.

Các yếu tố được phân tích chính trong chuỗi thời gian, số liệu thủy văn và đường tần suất kinh nghiệm chính là các đặc trưng của lũ, nó thể hiện lũ lớn hay lũ

nhỏ, có các đặc trưng khác nhau như thế nào. Tại thời điểm trước và sau hồ, bằng phương pháp thống kê với dãy số liệu lớn, tương đương nhau tại hai thời điểm trước và sau khi có hồ, ta mới có thể khái quát được sự biến đổi của dòng chảy ở từng thời điểm trước hay sau hồ như các đặc trưng: tần suất lũ, biên độ lũ trung bình, thời gian lũ lên trung bình, thời gian lũ xuống trung bình, thời gian kéo dài lũ trung bình hay cường suất lũ trung bình. Khi này, các giá trị chỉ đánh giá ở dạng trung bình và khái qt, chưa mang tính cụ thể.

2.1.2.Phương pháp mơ hình hóa

Mục đích của phương pháp mơ hình hóa [7] chính là để đánh giá cụ thể hơn ảnh hưởng của hồ chứa tới các đặc trưng dòng chảy lũ. Bằng cách so sánh trực tiếp 2 trận lũ, đường quá trình lũ với nhau để định lượng, định tính được các thay đổi đặc trưng của dòng chảy.

Phương pháp thực hiện mơ phỏng, tính tốn và đưa ra kết quả là trận lũ trong trường hợp còn lại mà số liệu thực có. Ta sẽ tính tốn hồn ngun dịng chảy khơng có hồ chứa để so sánh với số liệu thực cũng tại trạm đó trong 1 trận lũ trong năm đã có hồ chứa hoạt động, hoặc tính tốn ngược lại, mô phỏng điều tiết lũ hồ chứa theo quy trình vận hành để so sánh với số liệu năm chưa có hồ hoạt động tại trạm đó. Các số liệu đưa vào tính tốn lũ gồm mưa, bốc hơi được sử dụng chính là số liệu thực ứng với trận lũ so sánh. Trước khi tiến hành tính tốn mơ phỏng, hồn ngun lũ để đánh giá, mơ hình cần được hiệu chỉnh, kiểm định để thấy tính hợp lý, chính xác và sự tin tưởng.

Các mơ hình tốn được nhắc tới sử dụng ở đây gồm mơ hình hồn ngun lũ - mơ hình mưa rào - dịng chảy (NAM) và mơ hình điều tiết vận hành hồ chứa.

Trong luận văn sử dụng mơ hình cụ thể để tính tốn hồn ngun dịng chảy là mơ hình tương mại Mike - NAM, mơ hình tính tốn điều tiết hồ chứa và diễn toán lũ là mơ hình HEC - RESSIM.

2.1.3. Lựa chọn phương pháp đánh giá ảnh hưởng của hồ tới dòng chảy lũ

Để thực hiện đánh giá ảnh hưởng của hồ chứa tới dòng chảy lũ theo các phương pháp được nêu trên, cần dựa vào nhiều yếu tố, nhưng quan trọng nhất là số liệu.

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, vì vậy luận văn đã tiến hành lựa chọn hồ chứa vào đánh giá là hồ thủy điện Sông Tranh 2 theo tiêu chí lựa chọn hồ trình bày ở mục 3.1.1, nhưng hồ thủy điện Sông Tranh 2 mới đi vào hoạt động năm 2011, ứng với chuỗi số liệu trước và sau có hồ hoạt động rất chênh lệch, số lượng trận lũ năm tại thời điểm sau hồ rất ít (từ năm 2011 đến 2013 là 5 trận lũ năm theo thống kê của trung tâm dự báo Khí tượng Thủy văn Trung Ương, phụ lục số 01), chưa đủ điều kiện cơ sở dữ liệu để có thể đánh giá khách quan bằng phương pháp thống kê, xử lý số liệu.

Vì vậy, luận văn đã sử dụng phương pháp mơ hình hóa để thực hiện mục tiêu nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của hồ chứa tới dòng chảy lũ lưu vực sông Thu Bồn.

2.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MƠ HÌNH NAM, HEC – RESSIM

Mục tiêu chính xây dựng mơ hình: Xây dựng mơ hình NAM để tính tốn hồn ngun dịng chảy lũ đến trạm sau hồ chứa. Mơ hình HEC - RESSIM dùng để tính tốn mơ phỏng điều tiết lũ qua hồ và diễn tốn lũ trong trường hợp đoạn sơng có hồ chứa.

Các mơ hình được kết hợp và xây dựng gồm: - Mơ hình NAM.

- Mơ hình điều tiết lũ qua hồ có điều khiển thơng qua phương pháp Runge – Kutta.

- Mơ hình diễn tốn dịng chảy theo Muskingum.

 Khối vận hành hồ chứa

Khối vận hành hồ chứa là một trong những khối quan trọng nhất. Với đầu vào của hệ thống là đường quá trình dịng chảy đến theo thời gian (Q-t), q trình đầu vào này ta thu được sau khi sử dụng mơ hình NAM (mơ hình mưa-dịng chảy). Mơ hình NAM khơi phục số liệu dịng chảy đến trong các đoạn sơng trước khi đến hồ. Dựa vào thơng số của cơng trình xả lũ, quá trình lũ đến, thơng q q trình

điều tiết lũ của nhà máy và ta đưa ra được phương thức vận hành hồ chứa đạt hiệu quả cao nhất, tránh được lũ và đảm bảo an tồn cho hạ lưu và cơng trình, nhà máy. Nhiệm vụ của khối này do mơ hình điều tiết lũ qua hồ chứa đảm nhiệm kết hợp với mơ hình NAM cho ta kết quả của đầu vào.

 Khối diễn toán dòng chảy trong kênh

Sản phẩm sau khi diễn toán đơn hồ chứa chỉ là lưu lượng vào các hồ chứ khơng có khả năng diễn tốn dịng chảy xuống hạ du, vì vậy, cần phải dùng phương pháp diễn tốn dịng chảy xuống hạ du. Phương pháp sử dụng ở đây là phương pháp diễn toán Muskingum.

2.2.1. Cơ sở lý thuyết mơ hình NAM [9][10]

 Xây dựng mơ hình

Nam là chữ viết tắt của chữ Đan Mạch “Nedbor – Afstromming – Model”, nghĩa là mơ hình mưa – dịng chảy. Mơ hình NAM thuộc loại mơ hình thủy văn tất định – nhận thức – gộp, được xây dựng vào khoảng năm 1982 tại khoa Thủy Văn Viện kỹ thuật thủy động lực và thủy lực thuộc trường Đại học kỹ thuật Đan Mạch.

Mơ hình NAM là một hệ thống các diễn đạt bằng cơng thức tốn học dưới dạng định lượng đơn giản thể hiện trạng thái của đất trong chu kỳ thủy văn. Mơ hình NAM cịn được gọi là mơ hình mang tính xác định, tính khái niệm và khái quát với yêu cầu dữ liệu đầu vào trung bình.

Mơ hình NAM đã được sử dụng tốt ở nhiều nơi trên thế giới với các chế độ thủy văn và khí hậu khác nhau như Borneo, Mantania, Srilanca, Thái Lan, Ấn Độ... Ở Việt Nam, mơ hình này đã được nghiên cứu sử dụng trong tính tốn dự báo lũ trên nhiều hệ thống sông.

Hiện nay trong mơ hình thủy động lực MIKE 11 (do Viện Thủy Lực Đan Mạch – DHI xây dựng), mơ hình NAM đã được tích hợp như một mơđun tính q trình dịng chảy từ mưa.

Mơ hình NAM được xây dựng trên nguyên tắc xếp 5 bể chứa theo chiều thẳng đứng và 2 bể chứa tuyến tính nằm ngang:

Bể chứa tuyết tan được kiểm sốt bằng các điều kiện nhiệt độ. Đối với điều kiện khí hậu nhiệt đới ở Việt Nam, khơng xét đến bể chứa này.

- Bể chứa mặt

Lượng ẩm trữ trên bề mặt của thực vật, lượng nước điền trũng trên bề mặt lưu vực và lượng nước trong tầng sát mặt được đặc trưng bởi lượng trữ ẩm bề mặt. Giới hạn trữ nước tối đa trong bể chứa này được ký hiệu bằng Umax.

Lượng nước U trong bể chứa mặt sẽ giảm dần do bốc hơi, do thất thoát theo phương nằm ngang (dòng chảy sát mặt). Khi lượng nước này vượt quá ngưỡng Umax thì một phần của lượng nước vượt ngưỡng Pn này sẽ chảy vào suối dưới dạng chảy tràn trên bề mặt, phần còn lại sẽ thấm xuống bể ngầm.

Lượng nước ở bể chứa mặt bao gồm lượng nước mưa do lớp phủ thực vật chặn lại, lượng nước đọng lại trong các chỗ trũng và lượng nước trong tầng sát mặt.

Hình 2.1. Cấu trúc của mơ hình NAM

Bể này thuộc tầng rễ cây, là lớp đất mà thực vật có thể hút ẩm để thốt ẩm. Giới hạn trên của lượng ẩm tối đa trong bể chứa này được kí hiệu là Lmax. Lượng ẩm của bể chứa sát mặt được đặc trưng bằng đại lượng L, phụ thuộc vào lượng tổn thất thoát hơi của thực vật. Lượng ẩm này cũng ảnh hưởng đến lượng nước sẽ đi xuống bể chứa ngầm để bổ sung nước ngầm. Tỷ số L/Lmax biểu thị trạng thái ẩm của bể chứa.

Bốc thoát hơi nước của thực vật được ký hiệu là Ea, tỷ lệ với lượng bốc thoát hơi bể chứa mặt (Ep). Bốc thoát hơi nước thực vật là để thỏa mãn nhu cầu bốc hơi của bể chứa mặt. Nếu lượng ẩm U trong bể chứa mặt nhỏ hơn bốc thốt hơi thực đo thì bể chứa mặt bị bốc hơi hết. Lượng bốc hơi còn thiếu sẽ được bổ sung từ tầng dưới (Ea). Ban đầu nó sẽ bốc hơi lượng ẩm trong đất ở tầng dưới còn thừa ở các giai đoạn trước nếu thiếu nó tiếp tục bốc hơi lượng nước chứa trong đất ở tầng dưới. Do đó lượng bốc thốt hơi (Ea) phụ thuộc vào lượng trữ ẩm có trong đất.

- Bể chứa ngầm

Lượng nước bổ sung cho dòng chảy ngầm phụ thuộc vào độ ẩm của đất trong tầng rễ cây.

Mưa hoặc tuyết tan trước tiên đi vào bể chứa mặt. Lượng nước U trong bể chứa mặt liên tục tiêu hao do bốc thốt hơi và thấm ngang để tạo thành dịng chảy sát mặt. Khi lượng nước U vượt quá giới hạn Umax, phần lượng nước thừa sẽ tạo thành dòng chảy tràn để tiếp tục chảy ra sơng, phần cịn lại sẽ thấm xuống các bể chứa tầng dưới và bể chứa tầng ngầm.

Lượng cấp nước ngầm được chia ra thành 2 bể chứa: bể chứa nước ngầm tầng trên và bể chứa nước ngầm tầng dưới. Hoạt động của hai bể chứa này như các hồ chứa tuyến tính với các hằng số thời gian khác nhau. Nước trong hai bể chứa này sẽ tạo thành dòng chảy ngầm.

Dòng chảy tràn và dịng chảy sát mặt được diễn tốn qua một hồ chứa tuyến tính thứ nhất. Sau đó, tất cả các thành phần dịng chảy được cộng lại và diễn tốn qua một hồ chứa tuyến tình thứ hai. Cuối cùng sẽ được dòng chảy tổng cộng tại cửa ra.

Hình 2.2. Mơ hình nhận thức của mơ hình NAMBốc thốt hơi Bốc thốt hơi Chảy mặt OF Chảy ngầm BF Bể diễn tốn mặt Bể diễn tốn ngầm Lưu lượng tính tốn (Q) Chảy sát mặt IF Bể chứa tầng dưới (DL) Bể chứa tầng ngầm (G) Bể chứa mặt (QOF) Tràn (Pn) Bể chứa sát mặt (QIF) Lượng trữ (U) Giáng Thủy (R) Thấm (Pn – QOF)

Mơ hình tốn

Hình 2.3. 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

Dịng 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 công 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 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.