Hình 19: Kết quả hiệu chỉnh mơ hình tại trạm Hàm n
Hình 21: Kết quả hiệu chỉnh mơ hình tại trạm Vụ Quang
b. Kết quả kiểm định mơ hình NAM
Hình 22: Kết quả kiểm định mơ hình tại trạm Bảo Yên
Hình 24: Kết quả kiểm định mơ hình tại trạm Đạo Đức
Hình 25: Kết quả kiểm định mơ hình tại trạm Hàm n
Hình 27: Kết quả kiểm định mơ hình tại trạm Vụ Quang
Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình cho thấy, mơ hình NAM mơ phỏng khá tốt q trình hình thành dịng chảy từ mƣa trên lƣu vực sơng Lơ. Vì vậy, có thể sử dụng bộ thơng số tìm đƣợc từ q trình hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình để mơ phỏng dịng chảy từ mƣa theo các kịch bản BĐKH.
3.2. Mơ hình thủy lực
Để mô phỏng thủy lực trên lƣu vực sông Lơ, mơ hình MIKE 11 đã đƣợc sử dụng.
3.2.1. Cơ sở lý thuyết mơ hình MIKE 11
a. Hệ phƣơng trình Saint – Venant
Mơ hình MIKE 11 là mơ hình tính tốn mạng sơng dựa trên việc giải hệ phƣơng trình một chiều Saint –Venant, với các giả thiết cơ bản sau đây:
- Chất lỏng (nƣớc) là khơng nén đƣợc và đồng nhất (xem nhƣ khơng có sự khác biệt về trọng lƣợng riêng của nƣớc)
- Độ dốc đáy sông (kênh) là tƣơng đối nhỏ
- Chiều dài sóng là tƣơng đối dài so với độ sâu dịng chảy (điều kiện nƣớc nơng – xem rằng tại mọi điểm trong hệ thống, véc-tơ lƣu tốc luôn song song với đáy kênh và khơng có sự biến đổi của lƣu tốc theo phƣơng thẳng đứng, từ đó có thể áp dụng giả thiết áp suất thủy tĩnh trong kênh)
- Dòng chảy trong hệ thống là dịng chảy êm (có số Froude lớn hơn 1) Hệ phƣơng trình Saint-Venant bao gồm hai phƣơng trình:
- Phƣơng trình liên tục: q t A x Q - Phƣơng trình chuyển động:
0 2 2 AR C Q gQ x h gA x A Q t Q
trong đó: A là diện tích mặt cắt ngang (m2); t là thời gian (s); Q là lƣu lƣợng nƣớc (m3/s); x là biến không gian; q là lƣu lƣợng gia nhập dọc theo một đơn vị chiều dài sông (m2/s); g là gia tốc trọng trƣờng (m/s2); ρ là mật độ của nƣớc (kg/m3); h là độ sâu dịng nƣớc (m); R là bán kính thủy lực (m), α là hệ số động lƣợng, C là hệ số Chezy Ry
n C 1
theo Manning y = 1/6. b. Phƣơng pháp giải
Hệ phƣơng trình Saint – Venant về ngun lý là khơng giải đƣợc bằng các phƣơng pháp giải tích, vì thế trong thực tế tính tốn ngƣời ta phải giải gần đúng bằng cách rời rạc hóa hệ phƣơng trình. Có nhiều phƣơng pháp rời rạc hóa hệ phƣơng trình, và trong mơ hình MIKE 11, các tác giả đã sử dụng phƣơng pháp sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott. Hình 28 và Hình 29 dƣới đây mơ tả các cách bố trí sơ đồ Abbott 6 điểm với các phƣơng trình và các biến trong mặt phẳng x~t.
Hình 28: Sơ đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott
Hình 29: Sơ đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott trong mặt phằng x~t
Trong phƣơng pháp này, mực nƣớc và lƣu lƣợng dọc theo các nhánh sơng đƣợc tính trong hệ thống các điểm lƣới xen kẽ nhƣ dƣới đây (Hình 30).
Hình 30: Nhánh sơng và các điểm lưới xen kẽ
Đối với mạng lƣới sơng phức tạp, mơ hình cho phép giải hệ phƣơng trình cho nhiều nhánh sông và các điểm tại các phân lƣu/nhập lƣu. Cấu trúc của các nút lƣới ở nhập lƣu, tại đó ba nhánh gặp nhau, thể hiện trong hình sau (Hình 31):
Hình 31: Cấu trúc các điểm lưới xung quanh điểm nhập lưu
Hình 32: Cấu trúc các điểm lưới trong mạng vòng
Cấu trúc các điểm lƣới trong mạng vịng đƣợc thể hiện trong Hình 32. Tại một điểm lƣới, mối quan hệ giữa biến số Zj (cả mực nƣớc hj và lƣu lƣợng Qj) tại chính điểm đó và tại các điểm lân cận đƣợc thể hiện bằng phƣơng trình tuyến tính sau:
j n j j n j j n j jZ Z Z 11 1 1 1
Từ giờ trở đi ta quy ƣớc các chỉ số dƣới của các thành phần trong phƣơng trình biểu thị vị trí dọc theo nhánh, và chỉ số trên chỉ khoảng thời gian. Các hệ số α, β, γ và δ trong phƣơng trình trên tại các điểm h và tại các điểm Q đƣợc tính bằng sai phân hiện đối với phƣơng trình liên tục và với phƣơng trình động lƣợng.
Tất cả các điểm lƣới theo phƣơng trình trên đƣợc thiết lập. Giả sử một nhánh có n điểm lƣới; nếu n là số lẻ, điểm đầu và cuối trong một nhánh luôn luôn là điểm h. Điều này làm cho n phƣơng trình tuyến tính có n+2 ẩn số. Hai ẩn số chƣa biết là do các phƣơng trình đƣợc đặt tại điểm đầu và điểm cuối h, tại đó Zj-1 và Zj+1 là mực nƣớc, theo đó phần đầu/cuối của nhánh phân/nhập lƣu đƣợc liên kết với nhau.
c. Điều kiện biên và điều kiện ban đầu
Hệ phƣơng trình Saint – Venant khi đƣợc rời rạc theo khơng gian và thời gian sẽ gồm có số lƣợng phƣơng trình ln ít hơn số biến số, vì thế để khép kín hệ phƣơng trình này cần phải có các điều kiện biên và điều kiện ban đầu.
Trong mơ hình MIKE 11, điều kiện biên của mơ hình khá linh hoạt, có thể là điều kiện biên hở hoặc điều kiện biên kín. Điều kiện biên kín là điều kiện tại biên đó khơng có trao đổi nƣớc với bên ngồi. Điều kiện biên hở có thể là đƣờng q trình của mực nƣớc theo thời gian hoặc của lƣu lƣợng theo thời gian, hoặc có thể là hằng số.
Các điều kiện ban đầu bao gồm mực nƣớc và lƣu lƣợng trên khu vực nghiên cứu. Thƣờng lấy lƣu lƣợng xấp xỉ bằng 0 còn mực nƣớc lấy bằng mực nƣớc trung bình.
d. Điều kiện ổn định
Để sơ đồ sai phân hữu hạn ổn định và chính xác, cần tuân thủ các điều kiện sau: Địa hình phải đủ tốt để mực nƣớc và lƣu lƣợng đƣợc giải một cách thoả đáng. Giá trị tối đa cho phép đối với ∆x phải đƣợc chọn trên cơ sở này.
Điều kiện Courant dƣới đây có thể dùng nhƣ một hƣớng dẫn để chọn bƣớc thời gian sao cho đồng thời thoả mãn đƣợc các điều kiện trên. Điển hình, giá trị của Cr là 10 đến 15, nhƣng các giá trị lớn hơn (lên đến 100) đã đƣợc sử dụng:
x gy V t Cr ( ) Với V là vận tốc.
Cr thể hiện tốc độ nhiễu động sóng tại nƣớc nơng (biên độ nhỏ). Số Courant biểu thị số các điểm lƣới trong một bƣớc sóng phát sinh từ một nhiễu động di chuyển trong một bƣớc thời gian. Sơ đồ sai phân hữu hạn dùng trong MIKE 11 (sơ đồ 6 điểm Abbott), cho phép số Courant từ 10- 20 nếu dòng chảy dƣới phân giới (số Froude nhỏ hơn 1).
3.2.2. Yêu cầu số liệu đầu vào
Sơ đồ mạng lƣới sông của lƣu vực sông Lô đƣợc mơ phỏng trên mơ hình MIKE 11 có giao diện nhƣ trên Hình 33
Hình 33: Mạng lưới sơng trên mơ hình MIKE 11
b. Điều kiện biên
- Biên trên: là quá trình lƣu lƣợng giờ thực đo tại các trạm thuỷ văn khống chế bao gồm: trạm Thác Bà (Sông Chảy), trạm Hàm Yên (sông Lô), trạm Chiêm Hố (sơng Gâm), trạm Quảng Cƣ (sơng Phó Đáy).
- Biên dƣới: là quá trình mực nƣớc thực đo giờ tại trạm Việt Trì. c. Tài liệu địa hình lịng dẫn
Tài liệu địa hình đƣợc sử dụng trong tính tốn là tài liệu thực đo trong khoảng thời gian từ 1998 – 2000 do Viện Quy hoạch Thuỷ Lợi và Đồn Khảo sát tồn bộ sơng Hồng (sông Lô là một nhánh của sông Hồng) đo đạc bao gồm 182 mặt cắt. Hệ số nhám đƣợc tính riêng cho từng mặt cắt tuỳ theo điều kiện thực tế của từng mặt cắt theo công thức kinh nghiệm và thƣờng dao động trong khoảng 0,018-0,045. Trong quá trình hiệu chỉnh mơ hình kết hợp tham khảo thơng tin điều tra thực địa.
d. Tài liệu khí tƣợng thủy văn
Để mơ phỏng lũ trên lƣu vực sông Lô, số liệu lƣu lƣợng, mực nƣớc các trạm trên lƣu vực các tháng VIII các năm 1996 và 2002 đƣợc sử dụng để hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình.
Để mơ phỏng các trận lũ trong tƣơng lai theo các kịch bản biến đổi khí hậu, các trận lũ đƣợc thu phóng từ trận lũ lịch sử năm 1996.
3.2.3. Hiệu chỉnh, kiểm định mơ hình thủy lực
Việc hiệu chỉnh thơng số mơ hình đƣợc tiến hành bằng cách điều chỉnh các thơng số mơ hình bằng phƣơng pháp thử-sai. Trong trƣờng hợp dịng chảy lũ có hiện tƣợng tràn bãi thì trên mỗi mặt cắt còn chia ra nhám lòng dẫn và nhám bãi..
Hình 34: Sơ đồ q trình hiệu chỉnh bộ thơng số mơ hình
Q trình hiệu chỉnh có thể tóm tắt thành các bƣớc sau đây: Bƣớc 1: Giả thiết bộ thông số, điều kiện ban đầu.
Bƣớc 2: Sau khi đã có bộ thơng số giả thiết, tiến hành chạy mơ hình.
Bƣớc 3: So sánh kết quả tính tốn với số liệu thực đo tại các trạm có số liệu đo đạc lƣu lƣợng và mực nƣớc.
Việc so sánh này có thể tiến hành bằng trực quan (so sánh hai đƣờng q trình tính toán và thực đo trên biểu đồ), đồng thời kết hợp chỉ tiêu NASH để kiểm tra.
2 2 , , , 1 Xo i Xo i Xs i Xo NASH
Xo,i: Giá trị thực đo
Xs,i: Giá trị tính tốn hoặc mơ phỏng.
Xo : Giá trị thực đo trung bình
Bƣớc 4: Nếu kết quả so sánh tốt thì dừng hiệu chỉnh và lƣu bộ thông số. Nếu kết quả khơng đạt, tiến hành phân tích đánh giá sai lệch, sau đó tiếp tục hiệu chỉnh lại bộ thông số.
3.2.4. Kết quả hiệu chỉnh, kiểm định mơ hình thủy lực cho mùa lũ
Mơ hình đƣợc hiệu chỉnh theo số liệu thực đo của trận lũ VIII/1996. Các bƣớc hiệu chỉnh mơ hình đƣợc thực hiện nhƣ trên Hình 34.
Kết quả hiệu chỉnh thơng số của mơ hình mơ phỏng dịng chảy lũ trên lƣu vực sơng Lơ đƣợc thể hiện nhƣ trên Hình 35.
Hình 35: Đường q trình mực nước tính tốn và thực đo tại trạm Vụ Quang – VII/1996
Kết quả hiệu chỉnh tại trạm Vụ Quang (NASH = 0,93) cho thấy với bộ thơng số tìm đƣợc, mơ hình đã mơ phỏng khá tốt dịng chảy lũ trên lƣu vực sơng Lơ.
b. Kết quả kiểm định mơ hình
Bộ thơng số mơ phỏng dịng chảy lũ tìm đƣợc trong bƣớc hiệu chỉnh cần đƣợc kiểm tra đối với trận lũ ở thời khoảng khác để xác định độ tin cậy của nó. Trận lũ năm VIII/2002 đƣợc lựa chọn để kiểm định bộ thơng số đã tìm đƣợc ở bƣớc hiệu chỉnh mơ hình.
Kết quả kiểm định cho thấy có thể sử dụng bộ thơng số tìm đƣợc để mơ phỏng các trận lũ khác trên lƣu vực sông Lô. Chỉ tiêu đánh giá NASH tại trạm Vụ Quang là khá cao (NASH = 0.92). Đƣờng q trình thực đo và tính tốn đƣợc thể hiện nhƣ trong Hình 36 cũng cho thấy mơ hình bắt khá tốt đƣờng quá trình lũ cũng nhƣ giá trị đỉnh lũ và thời gian xuất hiện đỉnh lũ.
Từ kết quả hiệu chỉnh và kiểm định với kết quả mô phỏng đạt mức tin cậy trong bài tốn thuỷ lực, mơ hình MIKE 11 đƣợc tiếp tục áp dụng cho bài tốn tính tốn dịng chảy lũ cho lƣu vực sơng Lơ theo các kịch bản biển đổi khí hậu.
3.3. Mơ hình cân bằng nƣớc
3.3.1. Giới thiệu mơ hình MIKE BASIN
Việc đánh giá tài ngun nƣớc trong tƣơng lai trên một lƣu vực sơng cần phải có sự phân tích tổng hợp và kết quả tính tốn cân bằng nƣớc. MIKE BASIN là một công cụ quản lý tài nguyên nƣớc, hay nói đúng hơn MIKE BASIN là một cơng cụ tính tốn cân bằng giữa nhu cầu về nƣớc và nƣớc có sẵn theo cách tối ƣu nhất, nó hỗ trợ các nhà quản lý trong việc lựa chọn các kịch bản phát triển, khai thác và bảo vệ nguồn nƣớc phù hợp trong tƣơng lai.
Tính tốn cân bằng nƣớc của lƣu vực sông Hồng - Thái Bình dựa trên mơ hình MIKEBASIN trong đó có sử dụng đến mơ hình NAM để tính tốn dịng chảy đến. Sau đây chúng tôi xin giới thiệu sơ bộ về mơ hình này.
Có thể đƣa ra các kiểu sơ đồ sau đây:
Kết hợp các sông nhỏ vào một nhánh duy nhất ở thƣợng lƣu một điểm lấy nƣớc. Kết hợp các diện tích tƣới nhỏ vào một hệ thống tƣới duy nhất với một điểm lấy nƣớc.
Kết hợp cấp nƣớc thành phố và cấp nƣớc công nghiệp làm một.
Việc lập sơ đồ biểu diễn các hoạt động phát triển ở các mức độ chi tiết mong muốn, đồng thời kết hợp các nhu cầu nƣớc giống nhau và các nguồn nƣớc nào khơng cần có sự phân biệt trong tính tốn sau này.
Hình 37: Sơ đồ mơ hình MIKE BASIN
Kết quả của mơ hình sẽ cho ta thơng tin về hoạt động của các hồ chứa và các hộ dùng nƣớc trong tồn bộ thời gian mơ phỏng bao gồm cả mức độ thiếu nƣớc và thời gian thiếu nƣớc. Hơn nữa liệt dòng chảy tháng tại tất cả các nút cũng đƣợc đƣa ra cho phép ta xác định và đánh giá đƣợc ảnh hƣởng tổng hợp của các cơng trình cũng nhƣ các khu tƣới đối với dòng chảy trong sơng.
Kết quả có thể đƣợc xem nhƣ là chuỗi thời gian tại mỗi nút hoặc chụp nhanh trong thời gian nhƣ tổng quan của một khu vực mơ hình toàn bộ trong ArcView. Ngƣời sử dụng có thể tạo một sự mơ phỏng hình hoạt và xem hình ảnh địa lý của kết quả đặc biệt phát triển nhƣ thế nào.
3.3.2. Phân khu sử dụng nƣớc
Dựa trên các tài liệu quy hoạch thủy lợi, tồn bộ lƣu vực sơng Lơ đƣợc chia thành 15 khu. Chi tiết phân khu đƣợc trình bầy trong Phụ lục 1.
3.3.3. Số liệu đầu vào mơ hình
a. Sơ đồ hệ thống
Hệ thống sơng Lơ có 4 khu lớn đó là: Lƣu vực sơng Chảy, Lơ, Gâm và Phó Đáy đi qua địa bàn 7 tỉnh: Hà Giang, Lào Cai, Yên Bái, Phú Thọ, Tuyên Quang, Cao Bằng, Bắc Cạn, Vĩnh Phúc.
1. Sông Chảy: bao gồm các huyện Hồng Su Phì, Xí Mần (Hà Giang), Bắc Hà, Mƣờng Khƣơng, Bảo Yên (Lào Cai), Yên Bình, Lục Yên (Yên Bái), 12 xã thuộc huyện Đoan Hùng (Phú Thọ).
2. Sông Lô: bao gồm các huyện Quản Bạ, Vị Xuyên, TX Hà Giang, Bắc Quang (Hà Giang), Hàm Yên, 2 xã thuộc huyện Chiêm Hóa (Tuyên Quang).
3. Sông Gâm: bao gồm huyện Đồng Văn, Mèo Vạc, Yên Minh, 13 xã thuộc huyện Bắc Mê, 1 xã thuộc huyện Vị Xuyên (Hà Giang), Bảo Lâm, Bảo Lạc 3 xã huyện Nguyên Bình (Cao Bằng), huyện Sơn Dƣơng, Yên Sơn,10 xã thuộc huyện Na
Hùng, 16 xã thuộc huyện Phong Châu, Tp. Việt Trì (Phú Thọ), huyện Ba Bể, Pắc Nặm và 3 xã thuộc huyện Ngân Sơn, 3 xã thuộc huyện Chợ Đồn, (Bắc Cạn), 16 xã thuộc huyện Lập Thạch (Vĩnh Phúc).
4. Sơng Phó Đáy: bao gồm 10 xã thuộc huyện Chợ Đồn (Bắc Cạn), 4 xã thuộc huyện Yên Sơn, 17 xã thuộc huyện Sơn Dƣơng (Tuyên Quang), 22 xã thuộc huyện Lập Thạch, 8 xã thuộc huyện Tam Đảo, 6 xã thuộc huyện Vĩnh Tƣờng (Vĩnh Phúc).
Bảng 8: Phân chia khu sử dụng nước trên lưu vực sơng Lơ
TT Khu Diện tích (km2 ) 1 Sông Chảy 4612 2 Sông Lô 4133 3 Sông Gâm 10191 4 Sơng Phó Đáy 1553 Tổng 20489
Đối với các hồ chứa hiện có trong vùng nghiên cứu, theo ngun lý mơ phỏng của mơ hình MKE BASIN có thể kết hợp các hồ chứa nhỏ vào làm một, nhƣ vậy trong sơ đồ cân bằng nƣớc lƣu vực sơng Lơ giai đoạn hiện trạng sẽ bao gồm có 2 hồ chứa lớn: Tuyên Quang và Thác Bà. Các hồ chứa nhỏ đƣợc gộp lại thành một hồ chứa lớn với các số liệu về đƣờng đặc tính và dung tích tƣợng trƣng.
b. Số liệu đầu vào
Số liệu khí tƣợng thủy văn:bao gồm số liệu mƣa và bốc hơi tại các trạm trên lƣu vực. Lƣu lƣợng đầu vào cho các khu cân bằng là q trình dịng chảy thời đoạn từ 1980 -