2.3.1. Giới thiệu chung
Bộ mơ hình MIKE là một phần mềm kỹ thuật chuyên dụng do DHI (Viện Thuỷ lực Đan Mạch) xây dựng và phát triển trong khoảng 20 năm trở lại đây, đƣợc ứng dụng để mô phỏng lƣu lƣợng, chất lƣợng nƣớc và vận chuyển bùn cát ở cửa
sông, cân bằng nƣớc lƣu vực, hệ thống tƣới, kênh dẫn và các hệ thống dẫn nƣớc khác. Bộ mơ hình MIKE đƣợc sử dụng nhiều và đem lại hiệu quả cao bởi vì nó đáp ứng đƣợc những tiêu chí sau:
- Là bộ phần mềm tích hợp đa tính năng;
- Là bộ phần mềm đã đƣợc kiểm nghiệm thực tế;
- Cho phép tính tốn cân băng nƣớc lƣu vực với độ chính xác cao; - Giao diện thân thiện, dễ sử dụng;
- Có ứng dụng kỹ thuật GIS, một kỹ thuật mới, với tính hiệu quả cao;
Trong bộ phần mềm MIKE bao gồm rất nhiều các phần mềm con có các chức năng và nhiệm vụ khác nhau nhƣ MIKE 11, MIKE 21, MIKE 31,MIKE GIS, MIKE BASIN, MIKE SHE, MIKE MOUSE.v.v... Trong số đó, mơ hình Mike Basin là một phần mềm độc lập trong bộ phần mềm MIKE, có thể ứng dụng để tính tốn phân phối nƣớc trên lƣu vực cả về lƣợng và chất và đã đƣợc ứng dụng để tính tốn cân bằng nƣớc đem lại hiệu quả cao cho nhiều lƣu vực trên thế giới nhƣ: lƣu vực sông LeBa ở BaLan, lƣu vực sông Cape Fear ở phía bắc Carolina,…
2.3.2. Giới thiệu về MIKE BASIN
MIKE BASIN là một mơ hình tính tốn phân phối nƣớc theo khơng gian và thời gian. Về kỹ thuật, nó là mơ hình mạng lƣới mà các sơng và các nhánh chính đƣợc đặc trƣng bởi mạng lƣới của các nhánh và các nút. Các nhánh đặc trƣng cho các phần dòng chảy riêng trong khi các nút thể hiện chỗ hợp dòng, tách dòng, hoặc những nơi mà mơ hình cần u cầu tính tốn. Việc tính tốn của Mike Basin đƣợc đƣa vào chƣơng trình tính tự động, linh hoạt hơn giúp ngƣời sử dụng dễ dùng và có thể tự động thay đổi tính tốn nếu muốn [14].
Mơ hình MIKE BASIN thực hiện các thao tác cơ bản trên mạng lƣới sơng số hố đƣợc tạo ra trực tiếp trên máy tính cùng cả các thơng tin đánh giá hình dạng của mạng lƣới sơng, vị trí ngƣời sử dụng nƣớc; kênh nhập, cửa ra đến và từ ngƣời sử dụng nƣớc, bể chứa.
MIKE BASIN sử dụng giao diện đồ hoạ (GUI), liên kết kỹ thuật tính toán của MIKE BASIN với ArcView-GIS. Giao diện đƣợc phát triển trong môi trƣờng ArcView-GIS và làm việc sử dụng các hàm ArcView-GIS, tạo sự thuận lợi và thân thiện với ngƣời sử dụng.
Mơ hình MIKE BASIN làm việc trong môi trƣờng ArcView-GIS và dựa vào phân tích và cân bằng nƣớc trên lƣu vực đã giải quyết đƣợc những vấn đề sau:
- Đánh giá tiềm năng của nguồn nƣớc trên lƣu vực và lập ra kế hoạch quản lý nguồn nƣớc nhằm đáp ứng nhu cầu dùng nƣớc của ngƣời dùng cả về chất lƣợng và số lƣợng.
- Đánh giá tác động của nguồn nƣớc tới nhu cầu dùng nƣớc trong hiện tại và tƣơng lai cũng nhƣ dự báo việc sử dụng nƣớc trên lƣu vực có ảnh hƣởng nhƣ thế nào đến chế độ thủy văn trên lƣu vực.
- Đƣa ra những chƣơng trình quản lí đầu tƣ nguồn tài nguyên nƣớc trong việc xác định vị trí để xây dựng những kho chứa nƣớc và các kênh dẫn nƣớc.
- Phát triển những chƣơng trình đầu tƣ cho việc bảo vệ chất lƣợng nƣớc thông qua việc xây dựng các khu xử lý nƣớc thải cho những nguồn điểm ô nhiễm sao cho hợp lý.
- Đánh giá tác động của sự phát triển, thay đổi đang diễn ra trên lƣu vực tới cấu trúc của tầng nƣớc mặt.
2.3.3 Cơ sở lý thuyết của mơ hình MIKE BASIN
Phương trình cân bằng nước
Cân bằng nƣớc là nguyên lý chủ yếu đƣợc sử dụng cho tính tốn, quy hoạch và quản lý tài nguyên nƣớc. Nó biểu thị mối quan hệ giữa lƣợng nƣớc đến, lƣợng nƣớc đi và lƣợng nƣớc trữ lại ở một khu vực, một lƣu vực hoặc của một hệ thống trong điều kiện tự nhiên hay có việc can thiệp của con ngƣời.
Nguyên lý cân bằng nƣớc xuất phát từ định luật bảo toàn vật chất, đối với một lƣu vực có thể phát biểu nhƣ sau: “ Hiệu số lượng nước đến và ra khỏi lưu vực
bằng sự thay đổi lượng nước trên lưu vực đó trong một thời đoạn tính tốn bất kỳ”.
Phƣơng trình cân bằng nƣớc là sự diễn tốn nguyên lý này.
Xét một lƣu vực có phía trên giới hạn bởi mặt đất của lƣu vực, phía dƣới giới hạn bởi lớp đất không thấm nƣớc ngăn cách mọi trao đổi của nƣớc trong lƣu vực với các tầng phía dƣới. Khi đó, phƣơng trình cân bằng nƣớc tổng quát là:
(X+ Z1 + Y1 + W1) - (Z2 + Y2 + W2) = U2 – U1 (2.1) trong đó:
X: lƣợng nƣớc mƣa rơi xuống lƣu vực;
Z1: lƣợng nƣớc ngƣng tụ từ khí quyển và đọng lại trên lƣu vực;
Y1: lƣợng dòng chảy mặt đi vào lƣu vực; W1: lƣợng dòng chảy ngầm đi vào lƣu vực; Z2: lƣợng nƣớc bốc hơi từ lƣu vực;
Y2: lƣợng dòng chảy mặt ra khỏi lƣu vực; W2: lƣợng dòng chảy ngầm ra khỏi lƣu vực.
Mơ hình MIKE BASIN làm việc trong mơi trƣờng ArcView. Do đó, nó đƣợc tích hợp những tính năng và sử dụng các hàm trong ArcView trong việc phân tích và số hóa các dữ liệu đầu vào. Cùng với việc sử dụng phƣơng trình cân bằng nƣớc trên lƣu vực mơ hình đã cho ta một cái nhìn tổng quát về tài nguyên nƣớc của lƣu vực. Từ đó hỗ trợ đƣa ra các phƣơng pháp quản lý nguồn tài nguyên nƣớc một cách hợp lý và tối ƣu nhất.
Các môđun trong MIKE BASIN
MIKE BASIN có nhiều mơđun có khả năng và nhiệm vụ khác nhau nhƣ: - Mơđun tính tốn cân bằng nƣớc lƣu vực
- Mơđun nƣớc ngầm.
- Môđun chất lƣợng nƣớc và một số mơđun khác.
Trong đó, mơđun cân bằng nƣớc lƣu vực là mơđun trung tâm của mơ hình MIKE BASIN . Tuy nhiên, tuỳ theo mục đích sử dụng mà ta có thể kết hợp các mơđun đó với nhau một cách hợp lý và khoa học.
Hình 3. Sơ đồ minh hoạ cấu trúc mơ hình MIKE BASIN
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.
Hình 4: Cấu trúc của mơ hình NAM
Nhu cầu bốc thoát hơi đầu tiên đƣợc thoả mãn từ lƣợng trữ bề mặt với tốc độ tiềm năng. Nếu lƣợng ẩm U trong lƣợng trữ bề mặt nhỏ hơn u cầu (U < Ep) thì phần cịn thiếu đƣợc coi rằng là do các hoạt động của rễ cây rút ra từ lƣợng trữ tầng thấp theo tốc độ thực tế Ea. Ea tƣơng ứng với lƣợng bốc hơi tiềm năng và biến đổi tuyến tính theo quan hệ lƣợng trữ ẩm trong đất, L/Lmax, của lƣợng trữ ẩm tầng thấp.
Dòng chảy mặt:
Khi lƣợng trữ bề mặt đã tràn, U > Umax, thì lƣợng nƣớc thừa PN sẽ gia nhập vào thành phần dịng chảy mặt. Thơng số QOF đặc trƣng cho phần nƣớc thừa PN đóng góp vào dịng chảy mặt. Nó đƣợc giả thiết là tƣơng ứng với PN và biến đổi