TT Sông Chiều dài (km) Số mặt cắt
1 Hữu Trạch (Bình Điền – Tuần) 8,7 18 2 Tả Trạch (Dương Hòa – Tuần) 14,5 24
3 Hương (Tuần – phá Tam Giang) 34,3 59
4 Bồ (Hương Điền – Sình) 31,3 37 5 Bồ (Bác Vọng – Đông Lâm) 4,2 8
6 Kênh An Xuân (Đông Lâm- An Xuân) 9,64 8
7 Kênh Diên Hồng (Đông Lâm- Hà Đồ) 10,2 8
8 Kim Đôi (Thanh Hà – Quán Cửa) 6,0 7
9 Kênh 5 xã, 7 xã (Nham Biều- sông Bồ) 14,3 17
10 Đại Giang (Phú Cam – cống Quan) 27,1 39
11 Như Ý (Đập Đá – sông Đại Giang) 15,1 29
12 Phổ Lợi (La Ỷ - cống Diên Trường) 5,9 8 13 Các sông quanh thành phố Huế 6,1 16
3) Thiết lập sơ đồ thủy lực hệ thống sông Hương
Các ô ruộng nằm ở hạ lưu sơng Hương có diện tích tương đối lớn. Khi lũ lên mực nước trong sơng sẽ tràn vào ơ ruộng, khi lũ xuống thì mực nước trong ô ruộng
cao hơn mực nước sông và nước sẽ chảy từ ruộng ra sơng. Do đó việc mơ phỏng
các ơ ruộng trong mạng lưới tính tốn là bước quan trọng. Vị trí, diện tích các ơ ruộng được xác định bởi ảnh vệ tinh LANDSAT cùng bản đồ địa hình và số hóa
như với mạng sơng, sau đó được tính tốn trong HEC-GeoRAS để xác định được
quan hệ Z ~ F cho từng ô ruộng dựa vào DEM 30m.
Mạng sông, mặt cắt ngang đã được số hố đưa vào mơ hình HEC-RAS để tính tốn thủy lực như hình 2.7.
Hình 2.7: Sơ đồ thủy lực hệ thống sơng Hương trong HEC-RAS
Sơ đồ thủy lực được xây dựng với các tuyến sơng chính là Tả Trạch, Hữu Trạch, sông Hương và sông Bồ, các nhánh sông phụ là sông Diên Hồng, An Xuân,
Kim Đôi, Phổ Lợi, Như Ý, Đại Giang,... với tổng số 278 mặt cắt được thu thập từ số
liệu khảo sát đã được trình bày ở phần trên. Có tất cả 27 ơ chứa được xây dựng với quan hệ Z-W được tính tốn từ phần mềm HEC-GeoRAS, 3 hồ chứa được đưa vào
sơ đồ tính với quan hệ Z-W được lấy từ qui trình vận hành và hồ sơ thiết kế (hình
2.8). Ngồi ra phá Tam Giang- Cầu Hai cũng được đưa vào sơ đồ tính tốn thủy lực.
4) Điều kiện biên
Biên thượng lưu là lưu lượng dòng chảy đến các tuyến hồ chứa Bình Điền,
Hương Điền, Tả Trạch được tính tốn bằng mơ hình HEC-HMS từ số liệu mưa thực đo tại các trạm trên lưu vực sơng Hương. Kết quả dịng chảy đến hồ từ HEC-HMS được mô đun HEC-DSS kết nối tự động làm biên đầu vào cho mơ hình HEC-RAS.
Biên lưu lượng nhập bên được tính theo mơ hình HEC-HMS từ số liệu mưa.
Các trạm kiểm tra kết quả tính tốn của mơ hình là Kim Long và Phú Ốc.
Biên dưới của mô hình là quá trình mực nước giờ tại cửa Thuận An và Tư
Hiền được tính tốn trên cơ sở phương trình độ cao mực nước triều:
Trong đó:
h(t) là độ cao mực nước thủy triều trên số không độ sâu vào giờ t của ngày
bất kỳ trong tương lai; h0 là độ cao của mực nước trung bình trên số khơng trạm (số
không độ sâu); fi là hệ số phụ thuộc các yếu tố thiên văn, gọi là hệ số suy biến;
(vi+ui) là những phần pha thiên văn của các phân triều biểu diễn các góc giờ của những tinh tú giả định tại thời điểm t, các đại lượng này được xác định từ số liệu thiên văn.
Hi là giá trị trung bình của biên độ phân triều, được xem như một thủy triều
độc lập gây bởi tác động của một tinh tú giả định quay theo quỹ đạo trịn trong mặt
phẳng xích đạo, mỗi tinh tú ấy có tốc độ góc ωi của riêng nó; gi những góc vị đặc
trưng cho hiệu giữa pha phân triều và pha của lực tạo triều.
Hi và gi được gọi là những hằng số điều hòa, chỉ phụ thuộc vào những điều kiện địa phương của địa điểm quan trắc và được xác định từ kết quả quan trắc thủy triều bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất với một khối lượng lớn các tính tốn phức tạp, bao gồm xác định các hằng số điều hồ của 30 sóng triều thành phần được phân tích từ số liệu mực nước triều thực đo sử dụng phần mềm phân tích thuỷ triều và chuyển cao độ 0 hải đồ về cao độ 0 lục địa. Luận án đã kế thừa sử dụng kết quả dự tính triều tại khu vực Thừa Thiên Huế của Nghiêm Tiến Lam [25, 84], một số kết quả được thể hiện ở hình 2.9.
Hình 2.9: Biên triều tại cửa Thuận An các thời đoạn tính tốn
2.4.2.5 Hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình HEC-HMS
a) Với dịng chảy ngày trong năm
Số liệu cần nhập vào mơ hình là số liệu mưa và lưu lượng thực đo. Trong nội dung này mơ hình được áp dụng để tính tốn dịng chảy trung bình ngày trong năm nên số liệu mưa yêu cầu nhập vào mơ hình là mưa ngày thực đo. Đường quá trình
lưu lượng thực đo đưa vào để so sánh với đường q trình lưu lượng tính tốn của mơ hình để hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình, từ đó đánh giá khả năng của mơ hình. Mơ hình được hiệu chỉnh và kiểm định dựa vào số liệu thời đoạn ngày với các lưu vực có trạm thủy văn khống chế. Các lưu vực cịn lại thơng số được lấy theo lưu vực tương tự. Sử dụng số liệu mưa ngày, lưu lượng bình quân ngày các năm
1983, 1986 để hiệu chỉnh mơ hình và số liệu mưa ngày, lưu lượng bình quân ngày
các năm 1984, 1987 để kiểm định mơ hình. Sau khi hiệu chỉnh mơ hình HEC-HMS, thu được bộ thông số cho các lưu vực bộ phận như trong bảng 2.15.
Bảng 2.15: Bộ thông số mơ hình HEC-HMS cho các lưu vực bộ phận
Lưu vực Các thông số CN Ia tLag (h) Cp Qbq (m3/s) Rc R x k (h) Sông Bồ 60 2 12 0,45 91,7 0,97 0,1 0,2 6 Hữu Trạch 60 2 12 0,52 68,2 0,97 0,05 0,2 6 Tả Trạch 60 2 6 0,42 76,5 0,97 0,1 0,2 6
Luận án sử dụng chỉ số Nash – Sutcliffe để đánh giá kết quả tính tốn của mơ hình. Chỉ số Nash xác định tỉ lệ tổng chênh lệch giữa chuỗi quan trắc và tính tốn,
được xác định theo cơng thức (2.7): 2 2 2 ) ( ) ( 1 ) ( Qobsaver Qobs Qobs Qcal EI R (2.7)
Trong đó: Qcal: Lưu lượng tính tốn (m3/s); Qobs: Lưu lượng thực đo (m3/s); Qobsaver: Lưu lượng thực đo trung bình (m3/s).
Theo Nguyễn Thanh Sơn [33] độ hiệu quả mơ phỏng của mơ hình được đánh giá qua chỉ số Nash (R2) theo tiêu chuẩn của tổ chức Khí tượng thế giới (WMO)
như sau :
R2 = 0,85 - 1 : Tốt R2 = 0,65 - 0,85 : Khá R2 = 0,40 - 0,65 : Đạt
Trong giai đoạn kiểm định, các giá trị thơng số mơ hình được giữ nguyên như trong hiệu chỉnh, nhưng được thực hiện với chuỗi số liệu đầu vào khác độc lập.
Kết quả tính chỉ số Nash cho hiệu chỉnh cho các năm 1983, 1986 và kiểm
định mơ hình các năm 1984 và 1987 ở bảng 2.16, cho thấy hầu hết đều đạt trên
0,60. Theo tiêu chuẩn WMO, mơ hình chấp nhận được.
Bảng 2.16: Chỉ số Nash hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình HEC-HMS
Lưu vực Tên trạm Hiệu chỉnh Kiểm định 1983 1986 1984 1987 Sông Bồ Cổ Bi 0,83 0,55 Hữu Trạch Bình Điền 0,68 0,68 Tả Trạch Dương Hòa 0,50 0,62
Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình HEC-HMS tại vị trí các trạm thủy
văn Cổ Bi (sông Bồ), Bình Điền (sơng Hữu Trạch), Dương Hịa (sơng Tả Trạch) được trình bày trong các hình từ 2.10 đến 2.15. Trong luận án, các kết quả hiệu
Đường q trình lưu lượng tính tốn
Đường quá trình lưu lượng thực đo
Hình 2.10: Đường quá trình lưu lượng thực đo và tính tốn tại Cổ Bi năm 1983
Hình 2.12: Đường q trình lưu lượng thực đo và tính tốn tại Bình Điền năm 1983
Hình 2.14: Quá trình lưu lượng thực đo và tính tốn tại Dương Hịa năm 1986
Kết quả mô phỏng dịng chảy trung bình ngày trong năm cho thấy dạng đường q trình dịng chảy tính tốn tương đối phù hợp với dạng đường quá trình
dịng chảy thực đo. Chỉ số Nash cho bước hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình tại các tuyến đo thủy văn Bình Điền, Dương Hòa và Cổ Bi có thể chấp nhận được. Tuy nhiên hệ số hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình chưa cao có thể do ngun nhân phân bố trạm đo mưa trên lưu vực không đều, chưa đại biểu, thời gian quan trắc không
đồng bộ, nên số liệu mưa không phản ánh đầy đủ chế độ mưa của lưu vực, điều này
dẫn đến kết quả tính tốn dịng chảy có thể thiên lớn hoặc thiên bé.
Ngoại trừ một vài đỉnh lũ tính tốn chênh lệch (lớn hơn hoặc nhỏ hơn) so với quan trắc, nhìn chung các giai đoạn đều thể hiện tương đối phù hợp giữa chuỗi dịng chảy quan trắc và tính tốn. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định có chỉ số Nash chấp nhận được, do đó có thể sử dụng bộ thơng số mơ hình vừa hiệu chỉnh và kiểm
định để tính tốn dịng chảy trên lưu vực sơng Hương.
b) Với dòng chảy lũ
Trong nội dung này mơ hình được áp dụng để tính tốn dịng chảy lũ nên số liệu mưa yêu cầu nhập vào mơ hình là mưa giờ thực đo. Thời gian số liệu lưu lượng dòng chảy lũ thực đo dùng để hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình lũ tại các trạm khống chế Cổ Bi, Bình Điền và Dương Hịa như bảng 2.17.
Bảng 2.17: Số liệu lũ thực đo dùng hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình HEC-HMS Lưu vực Số liệu dùng hiệu chỉnh Số liệu dùng kiểm định
Cổ Bi 14-16/10/1981 15-19/10/1985
Bình Điền 13-15/10/1984 15-18/10/1985
Dương Hòa 10-13/10/1986 17-23/11/1987
Kết quả hiệu chỉnh mơ hình tại Cổ Bi, Bình Điền và Dương Hịa (hình 2.16- 2.18) cho thấy đường quá trình lũ tính tốn và thực đo bám sát nhau kể cả đỉnh và quá trình. Chỉ số Nash đạt 0,90 – 0,94 – 0,92 tương ứng tại các trạm Cổ Bi, Bình Điền, Dương Hịa (bảng 2.18), các bộ thơng số mơ hình HEC-HMS đã hiệu chỉnh là
Hình 2.16: Kết quả hiệu chỉnh mơ hình HEC–HMS tại Cổ Bi
Hình 2.18: Kết quả hiệu chỉnh mơ hình HEC–HMS tại trạm Dương Hòa Bảng 2.18: Kết quả hiệu chỉnh thơng số mơ hình HEC-HMS cho các lưu vực
Lưu vực Các thông số CN Ia tLag (h) Cp Qbq (m3/s) Rc R x k (h) Nash Cổ Bi 69 50 5 0,75 400 0,5 0,5 0,25 2 0,90 Bình Điền 72 30 6 0,5 150 0,5 0,2 0,25 5 0,94 Dương Hòa 70 60 6 0,65 100 0,4 0,1 0,25 1 0,92 Kết quả kiểm định mơ hình cho các lưu vực Cổ Bi, Bình Điền và Dương Hịa (hình 2.19-2.21) cho thấy tuy vẫn cịn sai số do các trạm đo mưa trên lưu vực còn
thưa và chưa thực sự đại biểu, song đường quá trình lũ tính tốn và q trình thực đo nhìn chung bám khá sát nhau, chỉ số Nash lần lượt là 0,78; 0,9 và 0,95. Với kết
quả đó, bộ thơng số mơ hình qua hiệu chỉnh và kiểm định có thể chấp nhận được để tính tốn mơ phỏng dịng chảy lũ trên lưu vực sơng Hương.
Hình 2.19: Kết quả kiểm định mơ hình HEC–HMS tại Cổ Bi
Hình 2.21: Kết quả kiểm định mơ hình HEC–HMS tại trạm Dương Hòa
2.4.2.6 Hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình HEC-RAS
a) Với dịng chảy ngày trong năm
Việc hiệu chỉnh mơ hình được thực hiện dựa trên chuỗi số liệu thực đo mực
nước trung bình ngày năm 1984 tại trạm Kim Long và Phú Ốc, kiểm định mơ hình
sử dụng chuỗi số liệu thực đo năm 1999. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình tại trạm Kim Long xem hình 2.22-2.23, tại trạm Phú Ốc xem hình 2.24-2.25. Trong luận án, các kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình HEC-RAS được xuất từ màn hình với kí hiệu:
Đường quá trình mực nước tính tốn
Hình 2.22: Kết quả hiệu chỉnh mơ hình HEC-RAS năm 1984 tại Kim Long
Hình 2.24: Kết quả hiệu chỉnh mơ hình HEC-RAS năm 1984 tại Phú Ốc
Hình 2.25: Kết quả kiểm định mơ hình HEC-RAS năm 1999 tại Phú Ốc
Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình cho thấy đường tính toán và đường thực đo tương đối bám sát nhau cả về hình dạng lẫn pha dao động, song các giá trị
đỉnh cịn sai số, ngun nhân có thể do chuỗi số liệu dài cả năm, phân bố các trạm mưa thưa và chưa thực sự đại biểu. Tại Kim Long, chỉ số Nash hiệu chỉnh mơ hình
đạt 0,56 và kiểm định mơ hình đạt 0,66; tại Phú Ốc, kết quả hiệu chỉnh và kiểm định
có chỉ số Nash đạt tương ứng 0,57 và 0,59, đạt yêu cầu [33], bộ thơng số mơ hình có thể chấp nhận được để đánh giá thay đổi dòng chảy ngày theo các kịch bản.
b) Với dòng chảy lũ
Sử dụng số liệu thực đo trong trận lũ từ 13/X/1984 đến 30/X/1984 để kiểm
định mơ hình thủy lực HEC-RAS. Kết quả quá trình mực nước tính tốn tại Kim Long xem hình 2.26, và Phú Ốc xem hình 2.27.
Tại tuyến Kim Long, đường quá trình lưu lượng tính tốn và đường thực đo
tương đối bám sát nhau về pha dao động, tuy giá trị tính tốn đỉnh lũ thứ nhất thấp hơn đỉnh lũ thực đo nhưng đỉnh lũ thứ hai phù hợp với đỉnh lũ thực đo, chỉ số Nash đạt 0,63. Tại Phú Ốc, đường mực nước tính tốn và thực đo tương đối bám sát nhau
về pha dao động và giá trị đỉnh, chỉ số Nash đạt 0,77.
Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình tuy cịn một số hạn chế do các trạm
đo mưa trên lưu vực thưa và chưa thật sự đại biểu, song có thể chấp nhận được để
nghiên cứu đánh giá dịng chảy lũ trên sơng Hương.
Hình 2.27: Kết quả kiểm định dòng chảy lũ tháng X/1984 tại Phú Ốc
c) Với dòng chảy kiệt
Việc kiểm định mơ hình thủy lực dịng chảy kiệt được tiến hành bằng cách sử dụng chuỗi số liệu quan trắc mực nước trung bình ngày từ 01/VI/1984 đến 31/VIII/1984.
Kết quả kiểm định mơ hình tại Kim Long và Phú Ốc xem ở hình 2.28 - 2.29. Độ hiệu quả mơ hình theo chỉ số Nash đạt 0,62 cho cả Kim Long và Phú Ốc.
Hình 2.29: Kết quả kiểm định dòng chảy kiệt từ 1/VI-31/VIII/1984 tại Phú Ốc
Kết quả chỉ số Nash đạt yêu cầu, đường dịng chảy tính tốn và thực đo tương đối đồng bộ, mơ hình có thể chấp nhận được để đánh giá dòng chảy kiệt.
2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG II
Trên hệ thống sông Hương đến nay đã xây dựng nhiều cơng trình thủy lợi – thủy điện, trong số đó các cơng trình hồ chứa ở thượng lưu là Tả Trạch, Bình Điền,
Hương Điền và đập ngăn mặn Thảo Long ở hạ lưu là các cơng trình có vai trị quan
trọng và có tác động đáng kể đến chế độ thủy văn – thủy lực hạ du sông Hương. Luận án đã lựa chọn những cơng trình này cho nghiên cứu.
Kết quả nghiên cứu cho thấy hoạt động của các cơng trình Thảo Long, Bình
Điền và Hương Điền trong thời gian qua đã có những tác động đáng kể đến một số
yếu tố thủy văn – thủy lực hạ du sơng Hương, do đó cần được nghiên cứu đánh giá
định lượng trong các trường hợp khác nhau, đặc biệt là khi có thêm cơng trình hồ
Tả Trạch đi vào vận hành và xét đến biến đổi khí hậu. Việc đánh giá định lượng các