Hình 2.4 Sơ đồ thủy lực hệ thống tưới cống Cầu Xe và cống An Thổ
d) Các điều kiện biên và điều kiện ban đầu của mơ hình
- Biên trên của mơ hình
Với mạng sơng tính tốn đã được xác định ở trên, biên trên của mơ hình thủy lực là quá trình lưu lượng theo thời gian Q= f(t) tại trạm Phú Lương (Ngọc Châu, TP Hải Dương) trên sơng Thái Bình và đường q trình lưu lượng theo thời gian Q= f(t) tại trạm Triều Dương (Tân Lễ, Hưng Hà, Thái Bình) trên sơng Luộc.
- Biên dưới của mơ hình
Biên dưới của mơ hình là đường quá trình mực nước theo thời gian Z = f(t) tại các mặt cắt phía hạ lưu các sơng. Trong sơ đồ thủy lực vừa được thiết lập hình thì biên dưới là đường mực nước thời đoạn giờ tại 5 vị trí như sau:
- Mực nước tại Cống Tranh (sông Kim Sơn); - Mực nước tại cống Neo (sông Cửa An)
e) Biên yêu cầu dùng nước
Là lưu lượng yêu cầu dùng nước của các tiểu vùng, từ tiểu vùng 1 tới tiểu vùng 13 đã chia ở trên.
Cách tính:
- Với nông nghiệp: Qtrồng trọt = HSTi . Si /1000 (m3/s) , trong đó:
HSTi : Hệ số tưới ứng với tháng i (l/s.ha) Si : diện tích của tiểu vùng ( ha)
- Với Chăn nuôi: Qchăn nuôi = Wchăn ni/ ( Ti. 12.3600) (m3/s) , trong đó:
Wchăn nuôi: Tổng lượng nước dùng cho chăn nuôi ( m3) Ti: Số ngày của tháng thứ i
- Với sinh hoạt và các ngành dùng nước khác Qi= W/ ( Ti. 24.3600) (m3/s), trong đó:
Wi: Tổng lượng nước dùng của ngành dùng nước đang tính ( m3) Ti: Số ngày của tháng thứ i
- Tổng yêu cầu nước:
∑Q = Qtrồng trọt + Qchăn nuôi + Qsinh hoạt + Qthủy sản + Qcơng nghiệp Trong đó:
∑Q: Tổng lưu lượng sử dụng nước (theo từng tháng);
Qtrồng trọt: Lưu lượng sử dụng nước cho trồng trọt (theo từng tháng); Qchăn nuôi: Lưu lượng sử dụng nước cho chăn nuôi (theo từng tháng); Qsinh hoạt: Lưu lượng sử dụng nước cho sinh hoạt (theo từng tháng);
Qcông nghiệp: Lưu lượng sử dụng nước cho công nghiệp (theo từng tháng); Qthủy sản: Lưu lượng sử dung nước cho thủy sản (theo từng tháng);
Kết quả tính tốn lưu lượng u cầu dùng nước của các tiểu vùng các giai đoạn hiện tại và tương lai được thể hiện ở các bảng dưới đây:
Bảng 2.45 Kết quả tính tốn lưu lượng u cầu dùng nước giai đoạn hiện tại
TT Tiểu vùng Lưu lượng nước yêu cầu các tháng các ngành (m3/s)
Tháng 1 2 3 4 5 1 Vùng 1 1,63 1,44 1,32 1,34 1,11 2 Vùng 2 0,94 0,83 0,76 0,78 0,64 3 Vùng 3 0,58 0,51 0,47 0,48 0,39 4 Vùng 4 1,70 1,50 1,38 1,40 1,15 5 Vùng 5 0,96 0,84 0,78 0,79 0,65 6 Vùng 6 1,43 1,25 1,15 1,17 0,96 7 Vùng 7 1,02 0,90 0,83 0,84 0,69 8 Vùng 8 0,50 0,44 0,40 0,41 0,33 9 Vùng 9 1,60 1,42 1,29 1,32 1,12 10 Vùng 10 0,47 0,41 0,38 0,38 0,32 11 Vùng 11 0,47 0,41 0,38 0,38 0,32 12 Vùng 12 1,73 1,54 1,40 1,43 1,21 13 Vùng 13 3,56 3,20 2,87 2,95 2,58 Tổng 16,59 14,69 13,39 13,69 11,48
Bảng 2.46 Kết quả tính tốn lưu lượng u cầu dùng nước giai đoạn 2030
TT Tiểu vùng Lưu lượng nước yêu cầu các tháng các ngành (m3/s)
Tháng 1 2 3 4 5 1 Vùng 1 1,78 1,67 1,44 1,48 1,27 2 Vùng 2 1,03 0,97 0,83 0,85 0,74 3 Vùng 3 0,63 0,59 0,51 0,52 0,45 4 Vùng 4 1,88 1,76 1,52 1,56 1,34 5 Vùng 5 1,06 0,99 0,86 0,88 0,75 6 Vùng 6 1,57 1,48 1,27 1,30 1,12 7 Vùng 7 1,13 1,06 0,91 0,94 0,80 8 Vùng 8 0,55 0,51 0,44 0,45 0,39 9 Vùng 9 1,82 1,72 1,48 1,52 1,35 10 Vùng 10 0,53 0,50 0,43 0,44 0,39 11 Vùng 11 0,53 0,50 0,43 0,44 0,39 12 Vùng 12 1,97 1,86 1,60 1,65 1,45 13 Vùng 13 3,97 3,78 3,21 3,33 3,01 Tổng 18,43 17,39 14,95 15,36 13,45
Bảng 2.47 Kết quả tính tốn lưu lượng u cầu dùng nước giai đoạn 2050
TT Tiểu vùng Lưu lượng nước yêu cầu các tháng các ngành (m3/s)
1 2 3 4 5 1 Vùng 1 1,83 1,75 1,53 1,55 1,40 2 Vùng 2 1,06 1,01 0,88 0,90 0,81 3 Vùng 3 0,65 0,62 0,54 0,55 0,50 4 Vùng 4 1,92 1,84 1,61 1,64 1,46 5 Vùng 5 1,08 1,04 0,91 0,92 0,83 6 Vùng 6 1,61 1,54 1,35 1,37 1,22 7 Vùng 7 1,15 1,11 0,97 0,98 0,88 8 Vùng 8 0,56 0,54 0,47 0,48 0,43 9 Vùng 9 1,89 1,82 1,59 1,62 1,49 10 Vùng 10 0,55 0,53 0,46 0,47 0,43 11 Vùng 11 0,55 0,53 0,46 0,47 0,43 12 Vùng 12 2,04 1,97 1,72 1,75 1,61 13 Vùng 13 4,17 4,02 3,47 3,56 3,35 Tổng 19,06 18,32 15,96 16,26 14,83 f) Vị trí kiểm tra
Trong mơ hình thủy lực, để đánh giá q trình mơ phỏng của mơ hình ta thường lựa chọn một số nút kiểm tra tại các vị trí mặt cắt trùng với các vị trí đo đạc thủy văn để kiểm tra kết quả tính tốn của mơ hình. Với ý nghĩa đó, căn cứ vào nhiệm vụ của bài toán, điều kiện thu thập số liệu mà có nút kiểm tra tại các cống Bá Thủy, cụ thể: - Đo lưu lượng và mực nước ở cống Bá Thủy trên sơng Đình Đào cách ngã ba Kim Sơn - Đình Đào 1,11 km về phía hạ lưu,
Hình 2.5 Vị trí cống Bá Thủy - điểm kiểm định tại các cống thuộc vùng tưới cống Cầu Xe và cống An Thổ
2.4.2.2 Hiệu chỉnh xác định bộ thơng số và kiểm định mơ hình
1. Nguyên tắc chung
Cũng tương tự như bất kỳ mơ hình nào, việc áp dụng mơ hình MIKE 11 để giải quyết các bài toán thực tế cần phải qua kiểm tra với một mùa kiệt thực. Kiểm tra mơ hình cần thực hiện 2 bước cơ bản:
Bước 1: Hiệu chỉnh mơ hình (Calibration)
Qua mơ phỏng hiện trạng với một mùa kiệt thực sẽ xác định được bộ thơng số cơ bản của mơ hình đã chọn và của lòng dẫn như:
- Bước thời gian tính với độ ổn định phù hợp nhất với mọi diễn biến thuỷ lực khắc
nghiệt nhất trong mô tả hiện trạng được định lượng qua điều kiện Curant,
- Bộ số liệu về lòng dẫn như hệ số nhám, chiều rộng lòng dẫn, khu chứa, khoảng cách
giữa các mặt cắt,
- Bộ thông số về cơng trình, cầu và trạm bơm,
Bước 2: Kiểm định mơ hình (Verification)
Yêu cầu bắt buộc của bước kiểm định này là: Giữ nguyên bộ thông số đã qua bước hiệu chỉnh mơ hình, và tính tốn mơ phỏng dòng chảy của hệ thống với 1 thời đoạn khác. Nếu qua kiểm tra có sự phù hợp giữa tính tốn và thực đo cho tất cả các giai đoạn được chọn thì mơ hình mới được sử dụng để tính tốn.
2. Hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình a) Lựa chọn thời đoạn tính tốn
Dựa vào số liệu thực đo về lưu lượng và mực nước theo giờ tại các cống điều tiết chính trong hệ thống qua các năm. Giai đoạn 01/10/2014 đến 30/10/2014 được dùng làm giai đoạn để hiệu chỉnh mơ hình và ta tiến hành kiểm định mơ hình với thời đoạn từ 25/01/2015 đến 28/2/2015.
b) Điều kiện ban đầu
Mực nước và lưu lượng tại thời điểm bắt đầu của dòng chảy trên tất cả các nút và các đoạn của hệ thống. Số liệu này được đánh giá là mực nước và lưu lượng trung bình trước trận lũ. Mặc dù có sai số do khơng có kết quả đo đạc nhưng sai số này chỉ ảnh hưởng đến một số giờ tính ban đầu (khoảng 3-5 giờ) và triệt tiêu ảnh hưởng ở các bước tính tiếp theo.
c) Hiệu chỉnh xác định bộ thơng số mơ hình Mike 11
Trong file tính tốn của mơ hình MIKE 11 đều có hai thành phần cơ bản là các thông số điều khiển chương trình do người lập trình qui định và các thơng số liên quan đến hệ thống cơng trình tưới tiêu mà người sử dụng nhập vào để tính tốn theo các mục tiêu đặt ra và phù hợp với khả năng của mơ hình. Trong đó thơng số của mơ hình bao gồm:
- Bước thời gian tính t với độ ổn định phù hợp nhất với mọi diễn biến thuỷ lực khắc nghiệt nhất trong mô tả hiện trạng và khai thác sử dụng,
- Tỷ lệ t/x ổn định, đặc biệt phải đạt mức cho phép trong sơ đồ hiện (điều kiện Curant),
- Bộ số liệu biên trên, dưới và điều kiện ban đầu,
- Bộ số liệu về lòng dẫn như hệ số nhám n, chiều rộng lòng dẫn, khoảng cách giữa các mặt cắt x,
- Bộ thơng số về kích thước cơng trình (cầu, cống, trạm bơm,,,),
Song trong thực tế đã chỉ ra rằng lượng và phân bố thời gian của quá trình lưu lượng chủ yếu phụ thuộc vào quá trình chảy tràn ở các lưu vực bộ phận và chảy tập trung trong hệ thống. Do vậy việc hiệu chỉnh thơng số mơ hình tổng hợp tập trung vào các thông số biểu thị trạng thái mặt đệm và lịng dẫn sau đây:
- Đặc tính lý, hố của phần đất tự nhiên còn lại trong các tiểu lưu vực, - Hệ số nhám bề mặt và hệ số nhám lịng dẫn (sơng, kênh tự nhiên và cống),
Việc hiệu chỉnh thơng số mơ hình chủ yếu được tiến hành bằng cách thay đổi độ nhám. Hệ số nhám được tìm cho từng mặt cắt và được hiệu chỉnh trong quá trình hiệu chỉnh mơ hình kết hợp với thơng tin điều tra thực địa. Kiểm tra tính hợp lý thơng qua các tài liệu đo đạc của các trạm trung gian. Phương pháp hiệu chỉnh thông số ở đây dùng phương pháp thử dần,
Để đánh giá kết tính tốn và mơ phỏng của mơ hình, đánh giá dị tìm bộ thơng số cho mơ hình thì tại các nút kiểm tra của mơ hình tiến hành tính tốn đánh giá sai số giữa kết quả tính tốn từ mơ hình thủy lực với kết quả thực đo dựa trên các chỉ số đánh giá chỉ tiêu sau:
- Chỉ số Nash: Có ý nghĩa đánh giá mức độ tương quan giữa kết quả tính tốn và kết
Nash = 1- n i i tdoTB i tdo n i i tt i tdo Q Q Q Q 1 2 1 2 ) ( ) ( (3-1) Trong đó:
Qtti : là lưu lượng tính tốn tại thời điểm i Qtđi : là lưu lượng thực đo tại thời điểm i
td
Q : là giá trị trung bình của chuỗi số liệu trung bình thực đo W: là tổng lượng dịng chảy tính tốn
- So sánh hình dạng đường quá trình mực nước kiệt tính tốn với đường quá trình mực nước kiệt thực đo,
Hình 2.6 Kết quả hình thành các giá trị tồn mạng lưới kênh tưới trong vùng tưới của cống Cầu Xe và cống An Thổ trong mơ hình MIKE 11
d) Kết quả hiệu chỉnh mơ hình
Giả thiết thơng số hệ số nhám của sơng trục chính và sơng nhánh như bảng
Bảng 2.48 Hệ số nhám tại vị trí mặt cắt trên các nhánh sơng
Sơng Vị trí mặt cắt Nhám Sơng Vị trí mặt cắt Nhám
Kim Sơn 0 đến 30260 0.022 Cầu Xe 0 đến 7340 0.028
Cửu An 33805 đến 56685 0.022 An Thổ 0 đến 6610 0.028 Đình Đào 0 đến 33302 0.022 Thạch Khôi 0 đến 12570 0.025 Hồng Đức 0 đến 16250 0.025 Quảng Giang 0 đến 10070 0.028 Với các biên của bài toán giai đoạn từ 01/10/2014 đến 30/10/2014. Kết quả hiệu chỉnh mơ hình thuỷ lực, cụ thể như sau:
Kết quả q trình thực đo tính tốn kiểm định tại các trạm kiểm tra như sau:
Hình 2.7 Q trình mực nước thực đo và tính tốn tại hạ lưu cống Bá Thủy 0h ngày
1/10/2014 đến 24h ngày 30/10/2014
Bảng 2.49 Kết quả mực nước lớn nhất giữa thực đo và tính tốn mơ phỏng
Vị trí đo Sơng HMax (m) Sai số (m)
Tính tốn Thực đo
Bá Thủy Đình Đào 1,83 1,78 0,05
Bảng 2.50 Kết quả mực nước nhỏ nhất giữa thực đo và tính tốn mơ phỏng
Vị trí đo Sơng HMin (m) Sai số (m)
Tính tốn Thực đo
Bá Thủy Đình Đào 0,61 0,72 0,11
Bảng 2.51 Kết quả kiểm tra hệ số Nash bước hiệu chỉnh mơ hình
Vị trí Sơng Nash
Nhận xét kết quả hiệu chỉnh tại vị trí kiểm tra:
- Kết quả cho thấy đường quá mực nước trong thời gian xảy ra lũ giữa đường tính tốn và đường thực đo tại các vị trí kiểm tra tương đối bám sát nhau về pha dao động. - Chênh lệch mực nước dâng lên lớn nhất, và chênh lệch mực nước hạ xuống thấp nhất giữa tính tốn và giá trị thực đo tại một số vị trí chênh nhau ít: 0,05 và 0,11 m Kết quả tính tốn hệ số NASH tại các vị trí cống trong trận lũ kiểm định từ ngày 1/10/2014 đến 30/10/2014 là khá cao 93,2%. Vì vậy chọn bộ thông số này và tiến hành kiểm định mơ hình.
e) Kiểm định mơ hình
Với bộ thơng số trên và các biên của bài toán giai đoạn từ 25/01/2015 đến 28/2/2015. Kết quả kiểm định mơ hình thuỷ lực, cụ thể như sau:
Kết quả q trình thực đo tính tốn hiệu chỉnh tại trạm kiểm tra như sau:
Hình 2.8 Q trình mực nước thực đo và tính tốn tại hạ lưu cống Bá Thủy từ 0h ngày 25/01/2015 đến 24h ngày 28/02/2015 lần thử thứ 1
Bảng 2.52 Kết quả mực nước lớn nhất giữa thực đo và tính tốn mơ phỏng
Vị trí đo Sơng HMax (m) Sai số (m)
Tính tốn Thực đo
TL Bá Thủy Đình Đào 2,07 2,10 0,03
Bảng 2.53 Kết quả mực nước nhỏ nhất giữa thực đo và tính tốn mơ phỏng
Vị trí đo Sơng HMin (m) Sai số (m)
Tính tốn Thực đo
TL Bá Thủy Đình Đào 0,68 0,68 0,00
Bảng 2.54 Kết quả kiểm tra hệ số Nash bước hiệu chỉnh mơ hình
Vị trí Sơng Nash
TL Bá Thủy Đình Đào 0,985
Nhận xét kết quả kiểm định tại vị trí kiểm tra:
- Kết quả cho thấy đường quá mực nước trong thời gian nước kiệt giữa đường tính
tốn và đường thực đo tại các vị trí kiểm tra tương đối bám sát nhau về pha dao động,
- Chênh lệch mực nước dâng lên lớn nhất và chênh lệch mực nước hạ xuống thấp
nhất giữa tính tốn và giá trị thực đo tại một số vị trí chênh nhau ít dưới 0,03 m. Kết quả tính tốn hệ số NASH tại các vị trí cống trong giai đoạn kiệt từ ngày 25/01/2015 đến 24h ngày 28/02/2015 là rất cao 98,5%. Vì vậy chọn bộ thơng số này làm bộ thơng số cho mơ hình phụ vụ tính tốn.
(1), Diễn biến mực nước trong thời gian kiểm định (0h ngày 25/01/2015 đến 24h ngày 28/02/2015) trên các trục sơng chính