8. Cấu trúc luận án:
3.2.4. Ứng dụng mô hình MOPHONG-LU cho lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn
Bồn
Mô hình MOPHONG-LU được áp dụng cho thượng nguồn sông Vu Gia – Thu Bồn. Ứng dụng mô hình gồm 2 nội dung : (1) Xác định bộ thông số mô hình và (2) ứng dụng trong vận hành các hồ chứa theo thời gian thực. Trong mục này trình bày kết quả ứng dụng thuộc nội dung (1), kết quả ứng dụng theo nội dung (2) trình bày trong chương 4.
3.2.4.1. Đặc điểm hệ thống sông Vu Gia-Thu Bồn
Hệ thống sông Vu Gia-Thu Bồn gồm 2 sông Vu Gia và Thu Bồn có lưu vực nằm trọn vẹn trong địa phận Quảng Nam-Đà Nẵng. Hai sông nối với nhau tại khu vực sông Quảng Huế. Về mùa lũ, khi có lũ lớn dòng chảy từ sông Vu Gia chảy vào hạ lưu sông Thu Bồn không chỉ qua sông Quảng Huế mà còn tràn qua các bãi sông. Khu vực thượng du từ nguồn đến Hội Khách (trên sông Vu Gia), đến Nông Sơn (trên sông Thu Bồn), nói chung không có chảy tràn trên bãi, dòng chảy chủ yếu tập trung trong khu vực lòng sông. Khu vực hạ du từ Nông Sơn và Hội Khách đến cửa sông, khi có lũ lớn nước lũ chảy tràn trên một diện rộng của lưu vực ven sông. Ngoài ra, các nhập lưu của các nhánh sông Con, sông Túy Loan, sông Ly Ly .. cũng tham gia vào khu vực chảy tràn của khu vực hạ du.
3.2.4.2. Đặc điểm mạng lưới khí tượng, thủy văn
Hệ thống trạm khí tượng, thủy văn và thời gian quan trắc trên lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn được thống kê trong bảng 3.2 và các hình 3.10 và 3.11. Trên lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn có 18 trạm đo mưa, 2 trạm đo lưu lượng và 6 trạm đo mực nước. Theo quy hoạch lưới trạm của Bộ Tài nguyên và Môi trường trong tương lai sẽ có thêm 4 trạm đo thủy văn – tài nguyên nước là Hiệp Đức, Khâm Đức, Hiên và A Vương (xem hình 3.10). Ngoài ra, khi các hồ chứa thủy điện được xây dựng sẽ có thêm số liệu đo về mưa và mực nước thượng, hạ lưu hồ chứa tại vị trí xây dựng hồ.
Hiện tại, lưới trạm đo mưa rất thưa và không đại biểu, ở vùng đồng bằng số trạm đo bố trí khá dày nhưng vùng thượng du lại rất ít trạm đo, thậm chí thượng nguồn sông Bung thuộc lưu vực thủy điện Sông Bung 2 và sông Bung 4 vẫn chưa
có trạm đo mưa. Trong tương lai khi các trạm đo khí tượng, thủy văn được phát triển theo quy hoạch với sự bổ sung tài liệu quan trắc từ các đập thủy điện thì số liệu đo mưa sẽ được cải thiện.
Bảng 3.2: Mạng lưới trạm đo khí tượng thủy văn trên lưu vực Vu Gia - Thu Bồn
TT Tên trạm Tên sông D.tích lưu vực (km2) Yếu tố quan trắc Thời gian quan trắc 1 Thành Mỹ Vu Gia 1850 Q, H, , X 1976-2012 2 Nông Sơn Thu Bồn 3150 Q, H, , X 1976-2012
3 Hội Khách Vu Gia X, H 1976-2012
4 Ái Nghĩa Vu Gia X, H 1976-2012
5 Giao Thuỷ Thu Bồn X, H 1976-2012
6 Câu Lâu Thu Bồn X, H 1976-2012
7 Cẩm Lệ Vu Gia X, H 1976-2012 8 Hội An Thu Bồn X,H 61-66,76-12 9 Đà Nẵng X, T, U, Z, V 46-74,76-12 10 Trà My X, T, U, Z, V 28-41,76-2012 11 Bà Nà X 1977-1994 12 Tiên Phước X 1977-2012 13 Thăng Bình X 1977-1994 14 Sơn Tân X 1976-2012 15 Hiên X 1979-2012 16 Quế Sơn X 1977-2012 17 Khâm Đức X 1979-2012 18 Phước Sơn X 1978-2012
*Ghi chú: H mực nước, Q lưu lượng, phù sa, X mưa, T nhiệt độ, Z bốc hơi, U độ ẩm, V tốc độ gió.
Trên lưu vực sông hiện tại chỉ có 2 trạm đo lưu lượng là Thành Mỹ (trên nhánh sông Vu Gia) và Nông Sơn (trên nhánh sông Thu Bồn). Trên sông Bung không có trạm đo lưu lượng là một bất lợi khi xây dựng các mô hình mô phỏng lũ. Các trạm mực nước được đặt tại các vị trí ở hạ lưu sông thuộc khu vực có dòng chảy tràn trên lưu vực sông. Riêng trạm Hội Khách nằm trên ranh giới giữa khu vực
thượng và hạ lưu sông.
Lưới trạm đo thủy văn hiện tại được xây dựng để phục vụ công tác dự báo và quản lý lũ trong trường hợp không có các hồ chứa được xây dựng trên thượng du. Với sự phát triển các hồ chứa thủy điện như hiện nay thì lưới trạm đo khí tượng, thủy văn hiện tại không đáp ứng được yêu cầu quản lý lũ lụt, dự báo thủy văn và rất khó khăn cho việc thiết lập mô hình mô phỏng lũ.
Hình 3.10. Sơ đồ lưới trạm khí tượng thủy văn lưu vực Vu Gia- Thu Bồn
3.2.4.3. Hệ thống hồ chứa phòng lũ
Hệ thống Vu Gia - Thu Bồn bao gồm 5 hồ chứa lớn điều tiết phòng lũ (hình 3.11): trên sông Vu Gia có bốn hồ chứa trong đó có hai dạng hồ nối tiếp là sông Bung 2 và sông Bung 4, hai hồ này song song với A Vương và ĐăkMi 4a, hồ Sông tranh 2 trên lưu vực Thu Bồn. Các thông số chính của các hồ chứa được thống kê trong bảng 3.3.
Sơ đồ hệ thống bao gồm các đoạn sông, nút nhập lưu, nút hồ chứa và các nút kiểm soát. Khu vực nghiên cứu được mô phỏng gồm 17 nhập lưu, 15 đoạn sông và 5 nút hồ chứa. Có 3 nút kiểm soát được chọn tại các ví trí trạm thủy văn Nông Sơn, Thành Mỹ và Hội Khách, trong đó trạm Hội Khách chỉ đo mực nước, trạm Thành Mỹ và Nông Sơn đo cả lưu lượng và mực nước, được dùng để kiểm định thông số của mô hình hệ thống. Sơ đồ mạng sông được mô tả trên hình 3.12, các đặc trưng lưu vực của các nhập lưu và lưu vực hồ chứa thống kê ở bảng 3.4. Các lưu vực nhập lưu LV3, LV4, LV5, LV6, LV7 là các lưu vực ghép. Các lưu vực LV4, LV5, Túy Loan, Ly Ly và LV7 thuộc hạ du không thuộc sơ đồ của vùng thượng du, tính toán quá trình của các lưu vực này được sử dụng cho mô hình thủy lực khu vực hạ du.
Hình 3.11. Sơ đồ lưới trạm khí tượng , thủy văn theo quy hoạch
(Nguồn: Cục Quản lý Tài nguyên nước – Bộ Tài nguyên và Môi trường)
Bảng 3.3: Các thông số chính của các hồ chứa
Các thông số hồ chứa Đakmi 4 A Vương Sông Tranh 2
Sông Bung 2
Sông Bung 4
Công suất thiết kế (MW) 148 210 190 100 156 Dung tích thiết kế (106m3) 312,38 343,55 729,2 94,3 510,8 MNDBT (m): 258 380 175 605 222,5 MNDGC (m): 258,2 382,2 178,5 608,11 228,11 MNC (m) 240 340 140 565 205 Mực nước đón lũ (m) 253 375 171 600* 218* Cao trình ngưỡng tràn (m) 242,5 363 161 363 210,5 Qmax qua nhà máy (m3/s) 128 78,4 245 54,5 166
Số cửa van 5 3 6 3 6
Kích thước van (m x m) 14 x 16 14 x 16 16 x 16 14 x 16 12 x 12
Năm vận hành 2011 2009 2011 2015 2015
Ghi chú: (*) mực nước đón lũ do tác giả đề nghị giả định vì các hồ chứa này chưa thuộc quy trình vận hành liên hồ chứa đã phê duyệt.
Bảng 3.4: Các đặc trưng lưu vực của các nhập lưu và lưu vực hồ chứa
TT Tên lưu vực Thuộc sông
Diện tích lưu vực (km2) Chiều dài sông (km) Độ dốc bình quân lưu vực (m/m)
1 Sông Tranh 2 Thu Bồn 1100 65,1 0,40
2 Sông Trường Thu Bồn 296 32,6 0,40
3 Sông Tum Thu Bồn 98,0 16,3 0,28
4 Sông Tiên Thu Bồn 620 57,0 0,204
5 S Trần Thu Bồn 88,0 21,9 0,21
6 Sông Triêng Thu Bồn 480 38,0 0,227
7 Sông Không tên Thu Bồn 238 26,6 0,292
8 Sông Diên Ne Thu Bồn 230 27,3 0,240
9 Đak mi 4 Vu Gia 1125 59,0 0,37
10 LV6 Vu Gia 230 29,0 0,24
11 Giằng Vu Gia 496 62,0 0,237
12 LV3 Vu Gia 1046 47 0,31
13 A Vương A Vương 680 42 0,40
14 Bung 2 Sông Bung 334 30,4 0,37
15 SBN1 Sông Bung 608 32,0 0,37
16 SBN2 Sông Bung 357 23,4 0,37
Hình 3.12: Sơ đồ hệ thống khu vực thượng du sông Vu Gia-Thu Bồn
3.2.4.5. Hiệu chỉnh, và kiểm định mô hình
1. Lựa chọn số liệu hiệu chỉnh và kiểm định mô hình
Trên lưu vực sông có các trận lũ lớn xảy ra vào các năm 1996, 1998, 1999, 2007 và 2009. Tuy nhiên, chỉ có năm 2007 và 2009 là có tài liệu quan trắc mưa giờ khá đầy đủ và đồng bộ trên tất cả các trạm đo mưa. Vì vậy, tác giả quyết định chọn
lũ năm 2009 để hiệu chỉnh và kiểm định với năm 2007. Tài liệu đo mưa giờ của 12 trạm đo mưa được sử dụng trong hiệu chỉnh và kiểm định. Lượng mưa bình quân các lưu vực nhập lưu được tính theo bình quân trọng số được thống kê trong phụ lục 2. Khi hiệu chỉnh mô hình với lũ năm 2009 mới chỉ có hồ A Vương được đưa vào sơ đồ hệ thống của hình 3.12, chế độ vận hành hồ A Vương lấy theo tài liệu vận hành thực tế. Kiểm định mô hình cho lũ năm 2007 thì tất cả các hồ chứa không có mặt trong sơ đồ 3.12.
2. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình
a. Trường hợp nhập lưu tính theo mô hình đường đơn vị SCS
Trong trường hợp này các tham số của đường đơn vị đã được xác định các đặc trưng hình thái sông theo các công thức từ 3.2 đến 3.6. Do vậy, chỉ phải xác định các tham số K và X của 15 đoạn sông, tổng cộng có 30 tham số. Chọn số liệu quan trắc lưu lượng, mực nước của 3 trạm thủy văn Nông Sơn, Thành Mỹ và Hội Khách là biên dưới để xác định bộ thông số của mô hình, trong đó trạm thủy văn Hội Khách chỉ đo mực nước nên chỉ được chọn để xác định hệ số K và X nếu thấy đỉnh lũ tính toán và đỉnh lũ thực đo có chênh lệch thời gian xuất hiện không lớn. Các tham số mô hình được xác định theo phương pháp thử sai.
b. Trường hợp nhập lưu được tính theo mô hình NAM
Trong trường hợp này, số tham số mô hình tăng lên đáng kể. Mỗi một lưu vực thành phần tại nút nhập lưu có 9 tham số mô hình NAM, với 17 nhập lưu và 15 đoạn sông thì tổng số tham số mô hình sẽ là 179. Để xác định bộ thông số mô hình cũng phải kết hợp phương pháp dò tìm tối ưu và phương pháp thử sai với các nút kiểm tra là Thành Mỹ, Nông Sơn và Hội Khách. Kết quả mô phỏng đối với mô hình NAM đối với trận lũ từ 25-9 đến 6-10 năm 2009 có bộ thông số được thống kê trong bảng 3.5. Hệ số K diễn toán theo MUSKINGUM của các đoạn sông được thống kê trong bảng 3.6.
Bảng 3.5: Các tham số của mô hình NAM xác định theo lũ năm 2009
Thông số mô hình NAM TT Tên lưu vực
Umax Lmax CQOF CKIF TOP TIF CK1,2 CKBF TG 1 S. Tranh 2 18 200 0.75 600 18 0.66 0.14 0.2 2000
2 S. Trường 13.5 145 0.75 500 18 0.66 0.14 0.1 1500 3 S. Tum 10.5 105 0.74 500 17 0.7 0.14 0.1 1500 4 S. Tiên 16 165 0.74 500 17 0.7 0.18 0.1 1010 5 S.Trần 10 100 0.7 500 12 0.7 0.17 0.1 1500 6 S.Triêng 13.6 140 0.7 500 20 0.7 0.16 0.1 1500 7 S. Không tên 12 135 0.7 500 18 0.7 0.15 0.1 1500 8 S. Diên Ne 13 140 0.7 500 17 0.7 0.1 0.1 1500 9 Đak mi 4 18 120 0.76 550 12 0.7 0.1 0.39 1007 10 LV6 18 130 0.75 650 10 0.7 0.1 0.1 2000 11 Giằng 18 120 0.75 600 11 0.7 0.1 0.12 2000 12 LV3 18 120 0.7 550 12 0.7 0.1 0.2 2000 13 A Vương 16 110 0.72 550 12 0.7 0.21 0.42 2000 14 Bung 2 23 191 0.6 600 10 0.7 0.21 0.55 2000 15 SBN1 23 180 0.58 550 9.5 0.7 0.21 0.55 2000 15 SBN2 20 170 0.6 550 8.5 0.7 0.21 0.55 2000 17 SBN3 18 160 0.6 550 8 0.7 0.21 0.55 2000
Bảng 3.6: Hệ số K diễn toán theo MUSKINGUM
TT Đoạn sông Hệ số
K
TT Đoạn sông Hệ số
K 1 S.Tranh2 – S.Trường 0,8 9 Đakmi 4 – S.Giằng 1,5 2 S.Trường – S.Tum 2,2 10 S.Giằng – Thành Mỹ 1,0 3 S.Tum - S.Tiên 1,4 11 S.Bung 2 – SBN2 1,0
4 S.Tiên – S.Trầu 0,7 12 SBN2 – SBN3 0,22
5 S.Trầu – Triêng 0,6 13 SBN3-S.Bung 4 0,25 6 S.Triêng – S.Không tên 1,0 14 S. Bung 4+A Vương- LV3 2,0 7 S.Không tên – S.Diên Ne 0,7 15 Thành Mỹ+LV3-Hội Khách 2,0 8 S.Diên Ne – Nông Sơn 0,7
Đánh giá chất lượng hiệu chỉnh kiểm định mô hình NAM và mô hình đường đơn vị SCS theo tài liệu thực đo tại Thành Mỹ, Nông Sơn và A Vương của trận lũ
bảng 3.7. NASH = 1- (3.13)
Bảng 3.7: Hệ số Nash kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình
So sánh kết quả tính toán lưu lượng nhập lưu giữa 2 phương pháp cho thấy, phương pháp đường đơn vị thường cho đỉnh cao nhưng dạng lũ gầy hơn so với mô hình NAM (xem Phụ lục 3). Tuy nhiên, tính tổng lượng lũ của kết quả tính toán theo hai mô hình không chênh lệch nhau nhiều.
Tính toán lưu lượng tại các nút nhập lưu xác định theo 2 phương pháp trên thực hiện cho 2 trận lũ từ 25-9 đến 6-10 năm 2009 (hiệu chỉnh) và trận lũ ngày 8- 11 đến ngày 14 tháng 11 năm 2007 (Kiểm định) theo tài liệu mưa giờ của 11 trạm đo mưa trên lưu vực, sau đó diễn toán về các trạm đo Thành Mỹ, Nông Sơn và Hội Khách. Kết quả hiệu chỉnh với nút kiểm tra tại trạm thủy văn Nông Sơn và Thành Mỹ được thể hiện trên hình 3.13, hình 3.14 và hình 3.15. Kết quả kiểm định tại trạm thủy văn Nông Sơn và Thành mỹ trận lũ năm 2007 được thể hiện trên các hình 3.16 và 3.17.
Do số trạm đo mưa không nhiều lại không đại diện cho các lưu vực thành phần, đặc biệt là các nút nhập lưu thượng du, nên kết quả tính theo hai phương pháp có thể chấp nhận. Kết quả mô phỏng theo mô hình NAM tương đối sát với thực tế hơn. Mô hình đường đơn vị có kết quả kém chính xác hơn do các tham số mô hình của các nút nhập lưu lấy cố định theo các đặc trưng hình thái của lưu vực. Tuy nhiên, mô hình đường đơn vị có thể áp dụng tính toán dòng chảy lũ từ mưa cho các lưu vực thuộc hạ lưu khi mà mô hình NAM không có điều kiện áp dụng.
Nông Sơn Thành Mỹ A Vương
Hệ số Nash Hiệu chỉnh (2009) Kiểm định (2007) Hiệu chỉnh (2009) Kiểm định (2007) Hiệu chỉnh (2009) Theo mô hình NAM 0,98 0,99 0,99 0,79 0,97 Theo mô hình đường đơn vị 0,89 0,77 0,95 0,89
Hình 3.13: Kết quả hiệu chỉnh trận lũ từ 25-9-. 6/ 10/ 2009 tại trạm thủy văn Nông Sơn
Hình 3.14: Kết quả mô phỏng trận lũ từ 25-9=> 6/10/2009 tại trạm thủy văn Thành Mỹ
Hình 3.15: Kết quả hiệu chỉnh trận lũ từ 25-9=> 6/10/2009 tại hồ chứa A Vương (lũ tại A Vương thực đo lấy theo số liệu phục hồi lũ của TĐ A Vương)
Hình 3.16: Kết quả kiểm định trận lũ từ đợt ngày 8/11 đến 11/ 11/ 2007 tại trạm thủy văn Nông Sơn
Hình 3.17: Kết quả kiểm định trận lũ từ 8-11/ 11/ 2007 tại trạm thủy văn Thành Mỹ