Mơđun tính tốn cân bằng nước lưu vực
Mơ hình MIKE BASIN là một mơ hình phân tích hệ thống bao gồm 7 loại nút cân bằng nƣớc:
+ Nút đơn (simple node): là nút khởi đầu của hệ thống (biên trên);
+ Nút hứng nƣớc (catchment node): là nút đƣợc xác định ở cuối của lƣu vực; + Nút chuyển nƣớc (offtake node) là những nút từ đó nƣớc đƣợc lấy ra để cung cấp cho các nhu cầu tƣới hoặc sử dụng nƣớc;
+ Nút cung cấp nƣớc (water supply): là những nơi sử dụng nƣớc dùng cho sinh hoạt, công nghiệp và các nhu cầu khác;
+ Nút hồ chứa (reservoir): là vị trí các hồ chứa;
+ Nút thủy điện (hydropower): là nơi đặt các nhà máy thủy điện.
a) Dữ liệu đầu vào
* Dữ liệu vào của mơ hình gồm có :
+ Bản đồ lƣu vực số hóa theo độ cao (DEM) hoặc bản đồ lƣu vực file ảnh dƣới dạng bitmap (*.bmp)
+ Các chuỗi dữ liệu theo thời gian + Các giá trị đặc trƣng cho từng nút
Chuỗi dữ liệu thời gian đƣa vào mơ hình gồm 2 loại dữ liệu cơ bản: dữ liệu trạng thái và dữ liệu thông lƣợng.
+ Dữ liệu trạng thái đƣợc hiểu là giá trị chính xác ở mốc thời gian. Ví dụ: mực nƣớc;
+ Dữ liệu thông lƣợng đƣợc hiểu là những giá trị trung bình trong một khoảng thời gian bắt đầu ở mốc thời gian trên đến mốc thời gian ở hàng sau của dữ liệu. Ví dụ: lƣu lƣợng;
Các chuỗi thời gian trong MIKE BASIN đƣợc cho dƣới dạng dfs0- file. Các dfs0-file đƣợc ấn định một cách tự động trong phần TSEdit. Dữ liệu đƣa vào TSEdit có thể thành cột từ file ASCII hoặc từ Excel. Sơ đồ minh họa cấu trúc của mơ hình MIKE BASIN đƣợc thể hiện trong hình 3.
b) Dữ liệu đầu ra
- Kết quả đầu ra là lƣợng nƣớc đến và lƣợng nƣớc thiếu tại các nút cân bằng. - Kết quả đầu ra của mơ hình đƣợc biểu diễn dƣới nhiều dạng khác nhau nhƣ video *.avi, file *.html, hay *.dfs0.
- Các số liệu đầu ra đƣợc biểu diễn dƣới dạng các chuỗi số liệu theo thời gian tại các nút, khu tƣới, khu sử dụng nƣớc. Cụ thể cho từng nút nhƣ sau:
2.3.4. Mơ đun mưa - dịng chảy NAM
MIKE BASIN đƣợc tích hợp với mơđun mƣa – dịng chảy NAM của MIKE 11 để tính tốn số liệu dịng chảy đầu vào của lƣu vực từ số liệu mƣa.
Mơ hình NAM đƣợc xây dựng tại Khoa Thuỷ văn Viện Kỹ thuật Thuỷ Động lực và Thuỷ lực thuộc Đại học Kỹ thuật Đan Mạch năm 1982. Mơ hình NAM đã đƣợc sử dụng rộng rãi ở Đan Mạch và một số nƣớc nằm trong nhiều vùng khí hậu khác nhau nhƣ Srilanca, Thailand, Ấn Độ, v.v. và Việt Nam. Trong mơ hình NAM, mỗi lƣu vực đƣợc xem là một đơn vị xử lý. Do đó, các thơng số và các biến là đại diện cho các giá trị đƣợc trung bình hóa trên tồn lƣu vực. Mơ hình tính q trình mƣa-dịng chảy theo cách tính liên tục hàm lƣợng ẩm trong năm bể chứa riêng biệt có tƣơng tác lẫn nhau.
Cấu trúc mơ hình NAM đƣợc xây dựng trên nguyên tắc các hồ chứa theo chiều thẳng đứng và các hồ chứa tuyến tính, gồm có 5 bể chứa theo chiều thẳng đứng nhƣ hình 4 [16].
- Bể chứa tuyết tan đƣợc kiểm soát bằng các điều kiện nhiệt độ. Đối với điều kiện khí hậu nhiệt đới ở nƣớc ta thì khơng xét đến bể chứa này.
- Bể chứa mặt: lƣợng nƣớc ở bể chứa này bao gồm lƣợng nƣớc mƣa do lớp phủ thực vật chặn lại, lƣợng nƣớc đọng lại trong các chỗ trũng và lƣợng nƣớc trong tầng sát mặt. Giới hạn trên của bể chứa này đƣợc ký hiệu bằng Umax.
- Bể chứa tầng dưới: là vùng đất có rễ cây nên cây cối có thể hút nƣớc cho bốc, thốt hơi. Giới hạn trên của lƣợng nƣớc trong bể chứa này đƣợc ký hiệu bằng Lmax, lƣợng nƣớc hiện tại đƣợc ký hiệu là L và tỷ số L/Lmax biểu thị trạng thái ẩm của bể chứa.
- Bể chứa nước ngầm tầng trên.
Mƣa hoặc tuyết tan đều đi vào bể chứa mặt. Lƣợng nƣớc (U) trong bể chứa mặt liên tục cung cấp cho bốc hơi và thấm ngang thành dòng chảy sát mặt. Khi U đạt đến Umax, lƣợng nƣớc thừa là dòng chảy tràn trực tiếp ra sơng và một phần cịn lại sẽ thấm xuống các bể chứa tầng dƣới và bể chứa ngầm.
Nƣớc trong bể chứa tầng dƣới liên tục cung cấp cho bốc thoát hơi và thấm xuống bể chứa ngầm. Lƣợng cấp nƣớc ngầm đƣợc phân chia thành hai bể chứa: tầng trên và tầng dƣới, hoạt động nhƣ các hồ chứa tuyến tính với các hằng số thời gian khác nhau. Hai bể chứa này liên tục chảy ra sơng tạo thành dịng chảy gốc.
Dòng chảy tràn và dịng chảy sát mặt đƣợc diễn tốn qua một hồ chứa tuyến tính thứ nhất, sau đó các thành phần dịng chảy đƣợc cộng lại và diễn tốn qua hồ chứa tuyến tính thứ hai. Cuối cùng cũng thu đƣợc dịng chảy tổng cộng tại cửa ra.
Mơ hình có các thơng số cơ bản, gồm:
- CQOF: Hệ số dịng chảy tràn khơng có thứ nguyên, có phạm vi biến đổi từ
0.0 đến 0.9. Nó phản ánh điều kiện thấm và cấp nƣớc ngầm. Vì vậy nó ảnh hƣởng nhiều đến tổng lƣợng dịng chảy và đoạn cuối của đƣờng rút. Thông số này rất quan trọng vì nó quyết định phần nƣớc dƣ thừa để tạo thành dòng chảy tràn và lƣợng nƣớc thấm. Các lƣu vực có địa hình bằng phẳng, cấu tạo bởi cát thơ thì giá trị CQOF tƣơng đối nhỏ, ở những lƣu vực mà tính thấm nƣớc của thổ nhƣỡng kém nhƣ sét, đá tảng thì giá trị của nó sẽ rất lớn [16].
- CQIF: Hệ số dòng chảy sát mặt, có thứ nguyên là thời gian (giờ)-1. Nó chính là phần của lƣợng nƣớc trong bể chứa mặt (U) chảy sinh ra dòng chảy sát mặt trong một đơn vị thời gian. Thông số này ảnh hƣởng không lớn đến tổng lƣợng lũ, đƣờng rút nƣớc [16].
- CBL: là thơng số dịng chảy ngầm, đƣợc dùng để chia dòng chảy ngầm ra
làm hai thành phần: BFU và BFL. Trƣờng hợp dịng chảy ngầm khơng quan trọng thì có thể chỉ dùng một trong 2 bể chứa nƣớc ngầm, khi đó chỉ cần CBFL=0- tức là lƣợng cấp nƣớc ngầm đều đi vào bể chứa ngầm tầng trên [16].
- CLOF, CLIF: Các ngƣỡng dƣới của các bể chứa để sinh dòng chảy tràn,
dòng chảy sát mặt và dịng chảy ngầm, khơng có thứ ngun và có giá trị nhỏ hơn 1. Chúng có liên quan đến độ ẩm trong đất. Khi các giá trị của ngƣỡng này nhỏ hơn L/Lmax thì sẽ khơng có dịng chảy tràn, dịng chảy sát mặt và dòng chảy ngầm. Về ý nghĩa vật lý, các thông số này phản ánh mức độ biến đổi trong không gian của các đặc trƣng lƣu vực sông. Do vậy, giá trị các ngƣỡng của lƣu vực nhỏ thƣờng lớn so với lƣu vực lớn [16].
- Umax, Lmax: Thông số khả năng chứa tối đa của các bể chứa tầng trên và tầng dƣới. Do vậy, Umax và Lmax chính là lƣợng tổn thất ban đầu lớn nhất, phụ thuộc và điều kiện mặt đệm của lƣu vực. Một đặc điểm của mơ hình là lƣợng chứa Umax phải nằm trong sức chứa tối đa trƣớc khi có lƣợng mƣa vƣợt quá, PN xuất hiện, tức là U< Umax. Do đó trong thời kỳ khơ hạn, tổn thất của lƣợng mƣa trƣớc khi có dịng chảy tràn xuất hiện có thể đƣợc lấy làm Umax ban đầu [16].
- CK1,2, CKBF: là các hằng số thời gian về thời gian tập trung nƣớc. Chúng
là các thông số rất quan trọng, ảnh hƣởng đến dạng đƣờng quá trình và đỉnh [16].
Thành phần cơ bản của mơ hình Lượng trữ bề mặt:
Lƣợng ẩm bị giữ lại bởi thực vật cũng nhƣ đƣợc trữ trong các chỗ trũng trên tầng trên cùng của bề mặt đất đƣợc coi là lƣợng trữ bề mặt. Umax biểu thị giới hạn trên của tổng lƣợng nƣớc trong lƣợng trữ bề mặt. Tổng lƣợng nƣớc U trong lƣợng trữ bề mặt liên tục bị giảm do bốc hơi cũng nhƣ do thấm ngang.
Khi lƣợng trữ bề mặt đạt đến mức tối đa, một lƣợng nƣớc thừa PN sẽ gia nhập vào sơng với vai trị là dòng chảy tràn trong khi lƣợng còn lại sẽ thấm vào tầng thấp bên dƣới và tầng ngầm.
Lượng trữ tầng thấp hay lượng trữ tầng rễ cây:
Độ ẩm trong tầng rễ cây, lớp đất bên dƣới bề mặt đất, tại đó thực vật có thể hút nƣớc để bốc thốt hơi đặc trƣng cho lƣợng trữ tầng thấp. Lmax biểu thị giới hạn
trên của tổng lƣợng nƣớc trữ trong tầng này. Độ ẩm trong lƣợng trữ tầng thấp cung cấp cho bốc thoát hơi thực vật. Độ ẩm trong tầng này điều chỉnh tổng lƣợng nƣớc gia nhập vào lƣợng trữ tầng ngầm, thành phần dòng chảy mặt, dòng sát mặt và lƣợng gia nhập lại.