CHƢƠNG 2 .CƠ SỞ Lí THUYẾT VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIấNCỨU
2.2. PHƢƠNG PHÁP NGHIấN CỨU
2.2.3. Phƣơng phỏp nghiờn cứu bằng mụ hỡnh toỏn
Phƣơng phỏp nghiờn cứu trờn MHT đƣợc ứng dụng để kiểm chứng hiệu quả của cỏc giải phỏp chỉnh trị sụng phõn lạch đĩ đƣợc luận ỏn đề xuất vào một đoạn sụng cụ thể.Ở đõy, trƣờng hợp nghiờn cứu ứng dụng cho chỉnh trị điều chỉnh lại tỷ lệ phõn chia lƣu lƣợng cho đoạn sụng phõn lạch Tõn Chõu- Hồng Ngự trờn sụng Tiền.
2.2.3.1. Lựa chọn mụ hỡnh nghiờn cứu
Đoạn sụng Tiền từ Tõn Chõu đến Hồng Ngự là một đoạn sụng Mekong khi ra khỏi Campuchia đi vào Việt Nam. Đõy là đoạn sụng nổi tiếng với lũng sụng sõu trờn 50m và những sự cố sạt lở bờ lớn, gõy nhiều tổn thất nghiờm trọng vào những năm 80 của thế kỷ trƣớc. Đõy là một đoạn sụng phõn lạch lớn với bĩi giữa là cự lao Long Khỏnh, hai lạch chớnh là Hồng Ngự bờn trỏi và
Long Khỏnh ở bờn phải, ngũai ra cú lạch nhỏ là sụng Cỏi Vừng. Vấn đề quan trọng ở đõy là biến động của tỷ lệ phõn chia lƣu lƣợng giữa hai lạch chớnh khụng ổn định, dẫn tới những hiệu quả bất lợi cho những họat động kinh tế - xĩ hội trong khu vực. Tuy cỏch biển hơn 230km, nhƣng đoạn sụng này vẫn chịu ảnh hƣởng của thủy triều Biển Đụng.Vị trớ địa lý của vựng nghiờn cứu (VNC) cú thể tỡm hiểu trờn hỡnh 2.8.
Hỡnh 2.8. Phạm vi nghiờn cứu
Hiện nay cú nhiều MHT mụ phỏng quỏ trỡnh diễn biến lũng dẫn sụng nhƣ: Mụ hỡnh toỏn họ MIKE của Viện kỹ thuật tài nguyờn nƣớc và mụi trƣờng Đan Mạch (DHI Water & Environment), mụ hỡnh HEC của Mỹ, WROCLAW của trƣờng Đại học Nụng nghiệp Warszaw (Ba Lan) v.v... Trong nƣớc cũng cú MHT Hydrogis của TS. Nguyễn Hữu Nhõn, MHT 3 chiều lũng động của TS. Lờ Song Giang đang trong giai đoạn thiết lập và thử nghiệm.
Trong cỏc loạiMHT nờu trờn thỡ mụ hỡnh MIKE 21C do Viện kỹ thuật tài nguyờn nƣớc và mụi trƣờng Đan Mạch thiết lập đĩ đƣợc ứng dụng khỏ nhiều để nghiờn cứu động lực và diễn biến xúi bồi lũng sụng, trong đú thƣờng sử dụng mụ hỡnh MIKE 11 để tớnh toỏn sơ bộ và lấy kết qủa làm điều kiện
biờn cho mụ hỡnh MIKE 21C. Một số dự ỏn trong và ngồi nƣớc đĩ ỏp dụng bộ mụ hỡnh họ MIKE cú thể kể đến nhƣ:
- Dự ỏn xõy dựng cầu qua sụng Bramaputra – Jamura ở Bangladesh. Kết qủa đĩ dự bỏo xúi diễn biến lũng sụng khu vực xõy dựng cầu trong giai đoạn ngắn hạn 3 năm và dài hạn 30 năm.
- Dự ỏn ổn định nỳt thắt nhập lƣu Chatomuk giữa cỏc sụng Bassac, Mekong, Tonlesap của Campuchia. Kết qủa đĩ mụ phỏng đƣợc đặc trƣng thủy lực và biến động hỡnh thỏi trong khu vực và đề xuất đƣợc cỏc giải phỏp ổn định khu vực này.
- Một số đoạn SCL đĩ đƣợc Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam ứng dụng mụ hỡnh MIKE 11 và MIKE 21C trong cỏc đề tài nghiờn cứu, từ những năm 2000 đến 2010 nhƣ sau:
+ Đoạn Long Xuyờn trờn sụng Hậu đĩ đƣợc mụ phỏng quỏ trỡnh xúi bồi, nhằm mục đớch chỉnh trị cho khu vực này.
+ Đoạn Tõn Chõu – Hồng Ngự trờn sụng Tiền đĩ đƣợc xem xột diễn biến trong giai đoạn 2004 – 2007 xem xột sự phỏt triển của nhỏnh Long Khỏnh và xu thế làm thoỏi hoỏ nhỏnh Hồng Ngự.
+ Đoạn sụng Sài Gũn, khu vực bỏn đảo Thanh Đa cũng đƣợc tớnh toỏn phõn bố trƣờng lƣu tốc và diễn biến xúi lở khu vực này.
- Một số đoạn sụng Hồng đĩ đƣợc Viện Khoa học Thủy lợi ứng dụng
mụ hỡnh MIKE 11 và MIKE 21C:
+ Đoạn Sơn Tõy – Liờn Trỡ đĩ đƣợc tỏi tạo lại chế độ dũng chảy và cỏc đặc trƣng thủy lực trong cỏc năm lũ lớn (1996-2000), dự bỏo biến hỡnh lũng dẫn khi đoạn bờ sụng trung Hà khụng cú hoặc cú cụng trỡnh bảo vệ bờ.
+ Đoạn sụng Thỏi Bỡnh, khu vực Hải Dƣơng đĩ đƣợc tỏi tạo lại chế độ dũng chảy và cỏc đặc trƣng thủy lực của đoạn sụng cong gấp trong cỏc năm lũ
lớn (1996-2000), dự bỏo biến hỡnh lũng dẫn khi đoạn bờ sụng khụng cú hoặc cú cụng trỡnh bảo vệ bờ.
Nhỡn chung kết quả mụ phỏng của mụ hỡnh MIKE 21C trong cỏc dự ỏn này đƣợc đỏnh giỏ là khỏ phự hợp thực tế. Vỡ vậy MIKE21C là một lựa chọn phự hợp và cú sơ sở thực tiễn kể cả trong và ngồi nƣớc.
Để xỏc định điều kiện biờn thủy lực cho đoạn sụng nghiờn cứu khi ứng dụng mụ hỡnh MIKE 21C, luận ỏn sử dụng mụ hỡnh MIKE11HD cho tồn hệ thống SCL (Xem phụ lục C).
2.2.3.2. Xỏc định cấu hỡnh làm việc cho đoạn sụng nghiờn cứu.
Nội dung chớnh của phần này là lý giải để xỏc lập phạm vi khụng gian để ỏp dụng mụ hỡnh MIKE 21C để nghiờn cứu cỏc quỏ trỡnh thủy động lực, bồi xúi trong điều kiện tự nhiờn và cú thờm cỏc cụng trỡnh chỉnh trị sụng.
chấp nhận đƣợc? Đạt Xõy dựng CSDL nhập cỏc loại (DEM, biờn KTTV, nhỏm, nhớt) Hiệu chỉnh thụng số mụ hỡnh So sỏnh số liệu tớnh toỏn và thực đo Kiểm tra CSDL nhập và hiệu chỉnh cỏc thụng số mụ hỡnh Cho kết quả
- Kết quả kiểm định kết quả tớnh toỏn
- Chốt bộ thụng số mụ hỡnh, lƣới tớnh, CSDL biờn….
Chƣa đạt
Đúng gúi kết quả về thủy lực, súng, bồi xúi
với bộ thụng số mụ hỡnh và CSDL đĩ chọn Mụ phỏng cỏc phƣơng ỏn hiện trạng
Hỡnh 2.9.Sơ đồ cỏc bước ứng dụng mụ hỡnhMIKE21C để nghiờn cứu thủy động lực và bồi xúi tại VNC
Đúng gúi kết quả dũng chảy, mực nƣớc , bồi xúi cho cỏc phƣơng ỏn hiện trạng
Thiết kế biờn cứng bao gồm cỏc thay đổi do cỏc phƣơng ỏn cụng trỡnh
Dự bỏo cỏc yếu tố dũng chảy, mực nƣớc, bồi xúi sau khi cú cỏc phƣơng ỏn cụng trỡnh
Phõn tớch đỏnh giỏ tỏc động của cỏc phƣơng ỏn cụng trỡnh
Chạy dự bỏo cỏc phƣơng ỏn cú cụng trỡnh
Cỏc bản đồ GIS, đồ thị, bảng biểu về thủy lực, bồi xúi hiện trạng tại VNC và bỏo cỏo Cỏc bản đồ, đồ thị, số liệu mụ tả sự thay đổi chế độ thủy lực, bồi xúi sau khi cú cụng trinh và bỏo cỏo
2.2.3.3. Dữ liệu mụ hỡnh
1. Dữ liệu đầu vào cho mụ hỡnh Mike 21C
a) Dữ liệu địa hỡnh
Bỡnh đồ địa hỡnh sụng Tiền khu vực Tõn Chõu - Hồng Ngự do Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam đo đạc khảo sỏt năm 2009, 2010.
Hỡnh 2.10. Địa hỡnh sụng Tiền khu vực Tõn Chõu - Hồng Ngự năm 2009 b) Dữ liệu thủy văn b) Dữ liệu thủy văn
Tài liệu lƣu lƣợng, mực nƣớc ở 2 biờn đƣợc trớch từ mụ hỡnh một chiều (MIKE 11 cho tồn đồng bằng) đĩ đƣợc kiểm định và đảm bảo độ tin cậy để mụ phỏng trong mụ hỡnh, số liệu thủy văn đƣợc đo đạc khảo sỏt thỏng 12/2010 và năm 2011 [12], [19].
c) Dữ liệu bựn cỏt
Tài liệu bựn cỏt đƣợc trớch từ mụ hỡnh một chiều (MIKE 11 cho tồn đồng bằng) đĩ đƣợc kiểm định và đảm bảo độ tin cậy để mụ phỏng trong mụ hỡnh. 520000 525000 530000 535000 1189000 1190000 1191000 1192000 1193000 1194000 1195000 1196000 1197000 1198000 1199000 1200000 1201000 1202000 1203000 1204000 1205000 1206000 MzResultView1 01/01/02 00:00:00, Time step 0 of 0 Data1 [-] Above 2.5 0 - 2.5 -2.5 - 0 -5 - -2.5 -7.5 - -5 -10 - -7.5 -12.5 - -10 -15 - -12.5 -17.5 - -15 -20 - -17.5 -22.5 - -20 -25 - -22.5 -27.5 - -25 -30 - -27.5 -32.5 - -30 Below -32.5 Undefined Value 520000 525000 530000 535000 1189000 1190000 1191000 1192000 1193000 1194000 1195000 1196000 1197000 1198000 1199000 1200000 1201000 1202000 1203000 1204000 1205000 1206000 MzResultView1
Đƣờng kớnh hạt cỏt, cấp phối hạt đƣợc xỏc định từ cỏc mẫu bựn cỏt đỏy do Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam khảo sỏt lấy mẫu trong thỏng 12/2010.
2.2.3.4. Thiết lập mụ hỡnh
1. Lưới tớnh toỏn
Miền tớnh toỏn của mụ hỡnh đƣợc tạo từ lƣới cong gồm (47x499) ụ lƣới,trong đú cú 499 ụ lƣớitheo chiều dọc (j=0 đến j= 498) và 47 ụ lƣới theo chiều ngang (k=0 đến k=46), kớch thƣớc cỏc ụ lƣới: j=15ữ60m; k=40ữ60m.
Hỡnh 2.11. Sơ đồ chia lưới khu vực Tõn Chõu - Hồng Ngự 2. Biờn tớnh toỏn
a) Biờn thủy lực
Biờn mụ hỡnh cú 2 biờn hở, trong đú tại biờn thƣợng lƣu sụng Tiền sử dụng biờn lƣu lƣợng, biờn hạ lƣu sử dụng biờn mực nƣớc (Hỡnh 2.12;2.13
11. 520000 525000 530000 535000 540000 1189000 1190000 1191000 1192000 1193000 1194000 1195000 1196000 1197000 1198000 1199000 1200000 1201000 1202000 1203000 1204000 1205000 1206000
Hỡnh 2.12. Biờn lưu lượng ở thượng lưu 2009-2011
Hỡnh 2.13. Biờn mực nước ở hạ lưu 2009-2011
Để mụ phỏng biến hỡnh lũng dẫn chọn thời đoạn mụ phỏng là 2 mựa lũ liờn tiếp từ năm 2009-2010.
b) Biờn bựn cỏt
Biờn bựn cỏt đƣợc trớch xuất từ mụ hỡnh MIKE 11 với 2 biờn thƣợng lƣu và hạ lƣu. Q_TC [m^3/s] 2009 2010 2011 0 5000 10000 15000 20000 25000 Tan Chau H_HLTC [meter] 2009 2010 2011 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 Tan Chau
Hỡnh 2.14. Số liệu bựn cỏt biờn thượng lưu 2009-2010
Hỡnh 2.15. Số liệu bựn cỏt biờn hạ lưu 2009-2010 c) Trỡnh tự mụ phỏng
- Cụng việc chuẩn bị đầu vào cho mụ hỡnh nhƣ: + Số húa địa hỡnh thành dạng file (x,y,z); + Thiết lập lƣới cong tớnh toỏn;
+ Nội suy địa hỡnh lũng sụng vào lƣới tớnh toỏn;
+Thiết lập file nhỏm theo địa hỡnh lũng sụng: Hệ số Manning (M) căn cứ vào địa hỡnh và kết quả kiểm định thủy lực, giỏ trị thay đổi từ 25ữ35 tựy thuộc vào đặc trƣng địa hỡnh lũng sụng.
- Thiết lập cỏc tham số liờn quan:
+ Bƣớc thời gian mụ phỏng tớnh toỏn phự hợp t = 30s; + Bƣớc thời gian khi chạy với Scaled Dynamic là: t = 5s;
SSC_TLTC [g/m^3] Jan 09 Feb 09 Mar 09 Apr 09 May 09 Jun 09 Jul 09 Aug 09 Sep 09 Oct 09 Nov 09 Dec 09 Jan 10 Feb 10 Mar 10 Apr 10 May 10 Jun 10 Jul 10 Aug 10 Sep 10 Oct 10 Nov 10 Dec 10 0 100 200 300 400 500 600 700 Tan Chau SSC_HLTC [g/m^3] Jan 09 Feb 09 Mar 09 Apr 09 May 09 Jun 09 Jul 09 Aug 09 Sep 09 Oct 09 Nov 09 Dec 09 Jan 10 Feb 10 Mar 10 Apr 10 May 10 Jun 10 Jul 10 Aug 10 Sep 10 Oct 10 Nov 10 Dec 10 0 50 100 150 200 250 Tan Chau
+ Hệ số nhớt động học: Smagorinsky formulation = 0,28; + Đƣờng kớnh hạt d50 = 0,25 mm;
+ Độ rỗng: 0,35; + Tỷ trọng cỏt: 2,65;
+ Thụng số Shield tới hạn: 0,056;
+ Tớnh toỏn vận chuyển bựn cỏt đỏy và bựn cỏt lơ lửng theo cụng thức Englund & Fredsoe.
- Thực hiện tớnh toỏn mụ phỏng. - Trớch xuất kết quả tớnh toỏn.
2.2.3.5 Hiệu chỉnh cỏc thụng số mụ hỡnh và kiểm định tớnh toỏn
Mụ hỡnh này đƣợc hiệu chỉnh với tài liệu lƣu lƣợng thực đo và phõn bố vận tốc từ ngày 25ữ28/12/2010 cho 3 vị trớ quan trắc tại MC1-1, MC2-2, MC3-3 (Hỡnh 2.16), kiểm định với lƣu lƣợng 2011 tại trạm quan trắc Tõn Chõu và kiểm định hỡnh thỏi đƣợc sử dụng tài liệu thực đo năm 2010.
Trong nghiờn cứu này để đỏnh giỏ độ chớnh xỏc từ cỏc kết quả của mụ hỡnh toỏn và số liệu thực đo, chỉ số hiệu quả Nash-Sutcliffe (NSE) và tỉ số độ lệch quan trắc tiờu chuẩn (RSR) đĩ đƣợc sử dụng.
Chỉ số NSE là một thụng số thống kờ xỏc định giỏ trị tƣơng đối của phƣơng sai dƣ so với phƣơng sai của chuỗi thực đo đƣợc tớnh toỏn nhƣ sau:
NSE = 1- (2.2)
Trong đú: NSE là hệ số Nash-Sutcliffe, là giỏ trị quan trắc tại
thời điểm i, là giỏ trị mụ phỏng tại thời điểm i, là giỏ trị quan
trắc trung bỡnh trong chuỗi số liệu, n là số lần quan trắc.
Tỉ số độ lệch quan trắc tiờu chuẩn (RSR) theo cụng thức:
Trong đú: RSR là tỉ số độ lệch quan trắc tiờu chuẩn, giỏ
trị , giống nhƣ trờn.
Bảng 2.6. Đỏnh giỏ độ chớnh xỏc của mụ hỡnh theo cỏc chỉ số NSE, RSR
Đỏnh giỏ độ chớnh xỏc của mụ hỡnh RSR NSE Rất tốt 0,00 RSR 0,50 0,75 < NSE 1,00 Tốt 0,50 < RSR 0,60 0,65 < NSE 0,75 Đạt 0,60 < RSR 0,70 0,50 < NSE 0,65 Khụng đạt RSR > 0,70 NSE 0,50
Hỡnh 2.16 thể hiện đƣờng quỏ trỡnh lƣu lƣợng tại cỏc vị trớ quan trắc MC1-1, MC 2-2, MC 3-3 giữa mụ hỡnh và thực đo trong giai đoạn hiệu chỉnh mụ hỡnh từ ngày 25ữ28/12/2010 cho thấy kết quả khỏ phự hợp. Hỡnh 2.17, 2.18 thể hiện phõn bố trƣờng vận tốc giữa mụ hỡnh và thực đo bằng thiết bị ADCP là tƣơng đối giống nhau. Trong giai đoạn kiểm định mụ hỡnh, kiểm định hỡnh thỏi năm 2010 giữa kết quả thực đo và mụ hỡnh tại mặt cắt ở hỡnh 2.19 cho thấy xu thế diễn biến hỡnh thỏi là giống nhau. Hỡnh 2.20thể hiện lƣu lƣợng đƣợc kiểm định năm 2011 giữa kết quả thực đo và mụ hỡnh là phự hợp, với chỉ số NSE = 0,917 và RSR = 0,096 so với cỏc giỏ trị cho phộp trong Bảng 2.6 chứng tỏ kết quả mụ phỏng là rất tốt.
Từ kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mụ hỡnh trờn cho thấy cỏc yếu tố thủy động lực học và diễn biến hỡnh thỏi do mụ hỡnh MIKE 21C mụ phỏng khụng sai khỏc nhiều so với thực tế. Vỡ vậy, việc sử dụng mụ hỡnh MIKE 21C để tớnh toỏn, mụ phỏng, dự bỏo cho cỏc giai đoạn sau là hợp lý.
Hỡnh 2.16. So sỏnh lưu lượng trớch xuất từ 21C vớ 1-1,2-2,3-3
So sỏnh phõn bố trường vận tốc. Hỡnh 2.17. Phõn bố lưu tốc mụ phỏng bằng MIKE 21C 16h57' 25-12-2010 MC1-1 16h30' 25-12-2010 MC2-2 16h20' 25-12-2010 MC3-3
Hỡnh 2.18. Phõn bố lưu tốc thực đo bằng thiết bị ADCP Kiểm định hỡnh thỏi và lưu lượng
Hỡnh 2.19. So sỏnh biến đổi lũng dẫn giữa mụ phỏng bằng MIKE 21C và
thực đo từ năm 2009 đến 2010
Hỡnh 2.20. So sỏnh Q thực đo và Q MIKE 21C tại Tõn Chõu năm 2011 MIKE 21C tại Tõn Chõu năm 2011
CHƢƠNG 3
KẾT QUẢ NGHIấN CỨU VỀ CÁC ĐẶC TRƢNG SễNG PHÂN LẠCH VÀ BỐ TRÍ KHễNG GIAN CễNG TRèNH CHỈNH TRỊCÁC ĐOẠN
PHÂN LẠCHTRấN SễNG CỬU LONG