Chương 1 TỔNG QUAN
1.5 CÔNG CỤ NGHIÊN CỨU CÂN BẰNG NƯỚC
1.5.1. Mơ hình tốn
Mơ hình tốn là sự biểu đạt các quy luật của hệ thống bao gồm các quá trình vật lý và động thái của hệ thống bằng các biểu thức tốn học.
Các mơ hình tốn có thể tính tốn cân bằng nước là các mơ hình tốn thủy văn, thủy lực. Có thể chia làm ba loại: mơ hình tốn tất định, mơ hình tốn ngẫu nhiên và mơ hình tốn tất định – ngẫu nhiên. Mơ hình tốn tất định coi q trình khí tượng thủy văn là kết quả tất nhiên của các yếu tố vật lý là chủ yếu, còn vai trò của ngẫu nhiên chỉ thể hiện bởi sự giao động của chúng. Mơ hình tốn ngẫu nhiên coi q trình khí tượng thủy văn chủ yếu là kết quả
có tính ngẫu nhiên do nhiều yếu tố tác động thành, cịn tính tất nhiên thể hiện bởi tính chu kỳ thủy văn của chúng. Mơ hình tốn tất định – ngẫu nhiên là sự kết hợp giữa hai dạng mơ hình tốn tất định và mơ hình tốn ngẫu nhiên trong tính tốn thủy văn.
Mơ hình tốn tất định có thể phát triển theo ba hướng: mơ hình hộp đen, mơ hình nhận thức và mơ hình tốn thủy lực. Khi ứng dụng để giải bài toán cân bằng nước trong phát triển hệ thống Kinh tế - Xã hội – Môi trường, mơ hình tốn thủy văn mang các tên khác nhau theo đối tượng nghiên cứu mơ hình tốn nhu cầu nước, mơ hình tốn cân bằng nước hệ thống, mơ hình tốn quản lý lưu vực, mơ hình tốn quản lý tổng hợp tài ngun nước... Các mơ hình tốn thủy lực diễn tốn dịng chảy trong hệ thống kênh, diễn tốn chuyển tải nước và xâm nhập mặn vùng chịu ảnh hưởng của thủy triều.
Mỗi mơ hình được xây dựng cho một số chức năng nhất định, phục vụ cho từng đối tượng nghiên cứu, phụ thuộc vào tình hình số liệu và có những điểm mạnh, yếu khác nhau. Với những bài tốn lớn, phức tạp thường có sự kết hợp hay kết nối giữa hai loại mơ hình thủy văn và thủy lực.
Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều mơ hình mơ phỏng các yếu tố thủy văn cũng như chất lượng nước như mơ hình MITSIM, WUS, RIBASIN, TANK, WASP5, ĐYNHY5... Một trong những bộ phần mềm được sử dụng phổ biến hiện nay là “DHI Software” của Viện Thủy lợi Đan Mạch. Bộ phần mềm này bao gồm các công cụ xử lý dữ liệu và cơng cụ tính tốn cho các lĩnh vực nguồn nước khác nhau, hỗ trợ các chuyên gia quản lý nguồn nước có những phân tích phù hợp và cho phép lập kế hoạch quản lý cho tương lai. Các hệ thống lập mơ hình trong nhóm này được mơ tả như sau:
TT Tên phần mềm
Tính năng cơ bản Được sử dụng để…
mơ tả q trình truyền lũ, truyền chất và bùn cát dọc theo chiều dòng chảy
thủy lực học trên sông, chuyển động trầm tích, chất lượng nước và dự báo lũ lụt.
2 MIKE NAM Là mơ hình mưa - dịng
chảy, tính tốn q trình hình thành dịng chảy từ số liệu mưa và bốc hơi. Phục vụ cho các mục tiêu tính tốn, bổ sung và kéo dài chuỗi số liệu dòng chảy
Lập mơ hình mưa - dịng chảy cho các lưu vực thượng lưu. Tính tốn q trình hình thành dịng chảy từ lượng mưa dự báo.
3 MIKE BASIN Là mơ hình lưu vực có khả năng tính tốn cân bằng nước dựa trên mô phỏng trực quan bằng công cụ GIS
Được sử dụng để phân chia lưu vực tính tốn dựa trên bản đồ cao độ số (DEM). Xác định lưới trạm KTTV. Tính tốn các trọng số cho các trạm mưa và bốc hơi 4 MIKE 11 - GIS Là công cụ hiển thị trực quan các kết quả tính tốn của MIKE 11. Đồng thời cũng là một cơng cụ hữu ích cho phép tính tốn các thơng số địa hình phục vụ lập mơ hình thủy động lực học Được sử dụng để phân tích các tài liệu địa hình, mơ tả các ô chứa. Phân tích mạng sơng, xác định tọa độ các mặt cắt.. vv
Trong nội dung của luận văn này, mơ hình được đưa vào khai thác sử dụng là mơ hình MIKE BASIN với mơ đun mô phỏng lượng mưa – dòng chảy mặt MIKE NAM.
1.5.2. Hệ thống thông tin địa lý GIS
Theo định nghĩa của Viện nghiên cứu hệ thống môi trường ESRI – Mỹ thì GIS là cơng cụ trên cơ sở máy tính để lập bản đồ và phân tích những cái đang tồn tại và những sự kiện xảy ra trên trái đất. Cơng nghệ GIS tích hợp các theo tác cơ sở dữ liệu như truy vấn và phân tích thống kê với lợi thế quan sát và thống kê bản đồ. Có rất nhiều chương trình máy tính sử dụng dữ liệu không gian như Autocad và các chương trình thống kê, nhưng chúng khơng phải là GIS vì chúng khơng có khả năng thực hiện các thao tác không gian.
GIS được xây dựng trên các tri thức của nhiều ngành khoa học khác nhau để tạo ra khoa học mới. Trong đó:
- Ngành địa lý là chuyên ngành liên quan mật thiết đến việc hiểu về thế giới. Nó có truyền thống lâu đời về phân tích khơng gian và nó cung cấp các kỹ thuật phân tích khơng gian khi nghiên cứu.
- Ngành bản đồ có truyền thống lâu đời cho việc thiết kế bản đồ, do vậy nó là khn mẫu quan trọng nhất của đầu ra GIS.
- Công nghệ viễn thám: các ảnh vệ tinh và ảnh máy bay là nguồn dữ liệu địa lý quan trọng cho hệ GIS. Viễn thám bao gồm cả kỹ thuật thu thập và xử lý dữ liệu mọi vị trí trên địa cầu với giá rẻ. Các dữ liệu đầu ra của hệ thống ảnh vệ tinh có thể được trộn với các lớp dữ liệu của GIS. - Ảnh máy bay và kỹ thuật đo chính xác của chúng là nguồn dữ liệu
chính về cao độ bề mặt trái đất được sử dụng làm đầu vào của GIS. - Bản đồ địa hình cung cấp dữ liệu có chất lượng cao về vị trí của ranh
- Khoa đo đạc là nguồn cung cấp các vị trí quản lý có độ chính xác khá cao cho GIS.
- Ngành thống kê: Rất nhiều kỹ thuật thống kê được sử dụng để phân tích dữ liệu GIS...
Ngày nay, công nghệ GIS ngày càng được sử dụng rộng rãi. Liệt kê một số ứng dụng thông dụng của GIS trong thực tế:
- Quản lý và lập kế hoạch mạng lưới đường phố. - Quản lý đất đai.
- Quản lý và lập kế hoạch các dịch vụ công cộng. - Lập các bản đồ theo các mục đích sử dụng.
- Quản lý sơng ngịi, các vùng lụt, vùng đất nông nghiệp, mưa, đất rừng, vị trí các cơng trình cơng cộng ...
Mơ hình MIKE BASIN là một mở rộng của ArcView GIS, để các thơng tin GIS có thể bao hàm trong mơ phỏng tài ngun nước. Mạng lưới sông và các nút cũng được soạn thảo trong ArcView.
Chương 2. THIẾT LẬP MƠ HÌNH TÍNH CÂN BẰNG NƯỚC
CHO LƯU VỰC SƠNG HƯƠNG
2.1 GIỚI THIỆU MƠ HÌNH MIKE NAM VÀ MIKE BASIN
2.1.1. Giới thiệu mơ hình MIKE NAM
NAM là từ viết tắt của cụm từ tiếng Đan Mạch Nedbor - Afstromnings Model. Mơ hình này đã được Nielsen và Hansen xây dựng tại Khoa Tài
nguyên nước và Thủy động lực - Trường Đại học Bách khoa Đan Mạch năm 1973.
NAM là một mơ hình thủy văn nhận thức dạng bể chứa, mơ hình quan niệm lưu vực (theo chiều thẳng đứng) là các bể chứa xếp chồng (xem hình 2.1). Trong đó mỗi bể chứa đặc trưng cho một mơi trường có chứa các yếu tố gây ảnh hưởng đến q trình hình thành dịng chảy trên lưu vực. Các bể chứa được liên kết với nhau bằng các biểu thức toán học. Qua đó sự hình thành dịng chảy trên lưu vực được mơ tả gần giống với hiện tượng thực tế.
Điểm khác biệt lớn nhất của mơ hình MIKE NAM và mơ hình NAM truyền thống là mơ hình MIKE NAM đã được mô tả thêm Module khai thác nước ngầm. Trong thực tế, việc khai thác nước ngầm cũng phải được xem như một chu trình Thủy văn nhỏ (Khai thác - Sử dụng - Nước thải).
Mơ hình MIKE NAM có tổng cộng 19 thơng số, với điều kiện Việt Nam có thể bỏ các thông số trong bể chứa tuyết (4 thông số), cịn lại 15 thơng số, nhưng có 5 thơng số ln cố định cịn 10 thơng số cần phải tính, trong đó 9 thơng số dưới đây cho phép thẩm định tự động, đó là:
+ Hàm lượng nước tối đa trong trữ lượng bề mặt Umax
+ Hàm lượng độ ẩm của đất trong tầng đáy Lmax
+ Hệ số dòng chảy tràn mặt đất CQOF
+ Hệ số tiêu dòng chảy sát mặt CQIF
+ Giá trị ngưỡng đối với dòng chảy sát mặt đất TIF
+ Giá trị ngưỡng đối với bổ cập nước ngầm TG
+ Hằng số thời gian đối với dòng chảy hội lưu và dòng chảy tràn CK1,2
+ Hằng số thời gian dòng chảy cơ bản CKBF
Hầu hết các thông số của mơ hình NAM mang tính chất kinh nghiệm, kết quả mô phỏng phải được thông qua kiểm định đảm bảo: cân bằng về lượng; khớp biểu đồ thủy văn về dòng chảy mặt và dòng chảy đỉnh.
Sau khi được kiểm định đạt kết quả tốt có thể sử dụng các thơng số để kéo dài liệt dữ liệu.
Do mơ hình NAM được kết nối với mơ hình MIKE BASIN nên có thể chạy trực tiếp mơ hình NAM trong MIKE BASIN hoặc chạy độc lập.
Rain P Umax U Ep Ea Lmax L Overland flow Interflow QF IF PN SURFACE STORAGE
LOWER ZONE STORAGE
GROUNDWATER STORAGE DL G BFu CKBF BF BASEFLOW GWL GWLBF0 QIF QOF CK1 CK2 CAFLUX GWPUMP
2.1.2. Giới thiệu mơ hình MIKE BASIN
MIKE BASIN là một phần mềm chuyên dụng để xây dựng và quản lý
lưu vực. Với các Module có tính năng tính tốn khác nhau, MIKE BASIN có thể mơ tả một cách khái quát các đối tượng có ảnh hưởng đến nguồn tài nguyên nước của lưu vực như: không gian lưu vực, các trạm Khí tượng - Thủy văn, các khu tưới, khu tiêu, khu dân cư sử dụng nước, các cơng trình Thủy lợi ..vv.. Với cơng cụ phần mềm cùng các kỹ năng tính tốn, người sử dụng có thể quy hoạch và quản lý một lưu vực sông khá dễ dàng và đạt hiệu quả cao.
Phần mềm MIKE BASIN do Viện Thuỷ lợi Đan Mạch (DHI) xây dựng, nó là một mơ hình toán học thể hiện lưu vực sông bao gồm sông chính và sơng nhánh, các yếu tố thuỷ văn theo không gian và thời gian, hệ thống sử dụng nước, nước ngầm và quá trình diễn biến của nước ngầm. Modul Mike Basin WQ cho phép mô phỏng chất lượng nước.
MIKE BASIN được xây dựng theo kiểu mơ hình mạng lưới trong đó sơng và các nhánh sơng chính được hiển thị bằng một mạng lưới các nhánh và nút. Nhánh sơng biểu diễn cho các dịng chảy riêng lẻ trong khi đó các nút biểu diễn các điểm tụ hội của sơng, điểm chuyển dịng hoặc là vị trí mà ở đó có diễn ra các hoạt động liên quan đến nước hay những vị trí quan trọng mà kết quả mơ hình u cầu.
Cơ sở tốn học trong mơ hình Mike Basin là tìm lời giải ổn định cho mỗi bước thời gian trên toàn hệ thống mạng lưới. Ưu điểm của Mike Basin là tốc độ tính tốn rất nhanh, do đó có thể tính tốn với nhiều kịch bản khác nhau để có được kết quả tối ưu nhất.
Mike Basin chạy trên nền của phần mềm ArcView, điều này rất thuận lợi cho việc phân tích, truy vấn dữ liệu, việc thiết lập mạng lưới được thực
hiện trực tiếp trên màn hình máy tính, các kết quả đầu ra cũng được hiển thị dưới dạng thông tin GIS.
Nhập dữ liệu chủ yếu của mơ hình bao gồm liệt dữ liệu khí tượng thuỷ văn, đặc tính hồ chứa và các nguyên tắc vận hành, nhu cầu sử dụng nước và thông tin về dịng hồi quy.
Trước khi xây dựng mơ hình cần xác định một sơ đồ phù hợp và các đặc trưng có liên quan. Đánh giá tài nguyên nước của một lưu vực sông phải đưa vào hàng loạt các nhu cầu riêng biệt, việc này thường đòi hỏi tốn rất nhiều cơng sức. Do đó trong q trình xây dựng mơ hình cần dựa vào mục tiêu của bài toán, khả năng của sự kiện và số liệu cần có để mơ hình có tính linh hoạt đồng thời phản ánh được các điều kiện tự nhiên tổng quát. Có thể áp dụng các hình thức kết hợp sau khi lập sơ đồ:
- Kết hợp các sông nhỏ vào một nhánh duy nhất với một điểm lấy nước.
- Kết hợp các diện tích tưới nhỏ vào một hệ thống tưới duy nhất với một điểm lấy nước.
- Kết hợp cấp nước thành phố và cấp nước công nghiệp làm một. Việc lập sơ đồ cần biểu diễn các hoạt động phát triển ở các mức độ chi tiết mong muốn, đồng thời kết hợp các nhu cầu nước giống nhau. Sơ đồ lưu vực thường có dạng như mơ tả ở hình 2.2.
Mơ hình Mike Basin rất linh hoạt trong xác định bước thời gian, có thể là ngày hoặc tháng. Tuy nhiên lựa chọn bước thời gian tuỳ thuộc vào dữ kiện hiện có và xuất liệu yêu cầu. Đối với những mơ hình lớn thời gian tính tốn và bộ nhớ sẽ tăng đáng kể khi giảm bước thời gian.
Hình 2.2. Sơ đồ lưu vực trong mơ hình Mike Basin
Kết quả của mô phỏng cho biết thông tin về mức độ thừa, thiếu nước, hoạt động của các hồ chứa, lượng nước sử dụng của các hộ dùng nước, lượng điện sản xuất. Liệt dòng chảy tháng cho phép đánh giá ảnh hưởng tổng hợp của các cơng trình cũng như các khu tưới đối với dịng chảy trên sơng.
Ngoài việc thể hiện kết quả dưới dạng bảng mơ hình cịn cho phép xem kết quả dưới dạng hình hoạt, cho phép thấy được một cách tổng quát quá trình mơ phỏng dịng chảy cho tồn lưu vực.
2.2 MƠ PHỎNG BÀI TỐN MƯA – DÒNG CHẢY MẶT
2.2.1. Tình hình quan trắc khí tượng
Lưu vực sơng Hương và tỉnh Thừa Thiên Huế nói chung có rất ít các số liệu quan trắc số liệu khí tượng thuỷ văn. Trước năm 1975 có 4 trạm quan trắc mực nước trên sông là Nguyệt Biểu (sơng Hương), Vân Trình (sơng Ơ Lâu), An Nơng (sơng Nơng), Cầu Truồi (sông Truồi) và 4 trạm đo mực nước vùng đầm phá là Ca Cút và Tân Mỹ (phá Tam Giang), Hoà Duân (đầm Thanh Lâm), Đá Bạc (đầm Cầu Hai). Các trạm quan trắc khí tượng là Huế, A Lưới,
Nam Đông. Số liệu đo đạc của các trạm khơng đồng bộ và bị thất thốt nhiều do chiến tranh. Nhìn chung các số liệu này có độ tin cậy thấp chỉ dùng để tham khảo. Sau năm 1975 đã có nhiều trạm quan trắc được xây dựng nhưng có một số trạm có thời gian hoạt động rất ngắn. Các trạm đo đạc dòng chảy thường được đặt gần phía thượng nguồn. Trong khi đó vùng hạ du của các sông chịu ảnh hưởng của thuỷ triều chỉ có các trạm đo mực nước. Điều này gây rất nhiều khó khăn cho việc phân tích tính tốn thuỷ văn cho lưu vực.
Hình 2.3. Mạng lưới trạm khí tượng thuỷ văn trong lưu vực sơng Hương
Bảng 2.1. Tình hình quan trắc số liệu khí tượng thuỷ văn
TT Tên trạm
Toạ độ
Yếu tố đo Sông
Thời kỳ quan trắc Kinh độ Vĩ độ 1 A Lưới 107013’ 16017’ X, U, V, Z 1976 - 2004 2 Thượng Nhật 107041’ 1608’ X, H, Q Tả Trạch 1979-2003 3 Nam Đông 107042’ 16010’ X, Z, T, U, V, N 1977-2004 4 Dương Hoà 107037’ 16019’ H, Q Tả Trạch 1986-1987 5 Bình Điền 107031’ 16021’ X, Q Hữu Trạch 1979-1985
6 Cổ Bi 107026’ 16030’ X, H, Q Bồ 1977-1985 7 Tà Lương 107023’ 16019’ X 1977-1999 8 Phú Ốc 107028’ 16032’ X, H Bồ 1977-2003 9 Huế (Kim Long) 107033’ 16027’ X, Z, T, U, V, N, H Hương 1977-2003 10 Truồi 107047’ 16016’ X, H, Q Truồi 1993-1996