Hình 3.2 Minh họa cân bằng hồ chứa theo phương pháp Explicit (hiện)
Mơ hình MIKE 11
Mơ hình MIKE 11 là loại mơ hình thích hợp cho dự báo lũ và vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ. Tuy nhiên, tương tự như mơ hình HEC-RESSIM, để ứng dụng cho bài toán vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ vẫn cần phải viết các câu lệnh vận hành các cửa xả lũ và cũng rất phức tạp. Mơ hình này đã được thử nghiệm trong công tác vận hành hệ thống hồ chứa trên sông Hồng theo thời gian thực thời kỳ mùa lũ. Tuy nhiên, việc thiết lập các câu lệnh điều hành cũng rất phức tạp nên trong thực tế cũng hạn chế sử dụng.
3.1.2. Tóm tắt một số ứng dụng mơ hình mơ phỏng trong vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực thống hồ chứa theo thời gian thực
Hiện nay có hai xu hướng ứng dụng mơ hình mơ phỏng trong vận hành hệ thống hồ chứa: (1) Sử dụng những mơ hình có sẵn đã trình bày trên đây trong vận hành thực tế và (2) Phát triển các mơ hình mới phù hợp với bài tốn vận hành hệ thống hồ chứa phịng lũ theo thời gian thực.
1. Xu hướng sử dụng các mơ hình có sẵn
Do những ưu, nhược điểm của các mơ hình thương mại được thống kê trên, khi sử dụng các mô hình có sẵn cho bài toán vận hành hệ thống thường phải tiến hành theo hai cách sau đây:
- Chọn một mơ hình phù hợp với bài toán cụ thể đang nghiên cứu. Cách làm này thường thích hợp với các bài tốn vận hành hồ chứa có thời gian vận hành dài (điều tiết, phát điện, cấp nước). Đối với các bài tốn loại này khơng cần phải xử lý thơng tin nhanh nên các mơ hình HEC-RESSIM, MIKE 11 và một số mơ hình khác đều có thể ứng dụng được.
- Sử dụng cùng một lúc hai hoặc nhiều mơ hình có sẵn. Cách thức này đã được sử dụng nghiên cứu quy trình vận hành hệ thống hồ chứa trên sơng Cả với sự tích hợp 2 mơ hình HEC-HMS và mơ hình HEC-RESSIM [50]. Tuy nhiên, nếu sử dụng để vận hành hệ thống theo thời gian thực thì việc ứng dụng cũng rất khó khăn.
2. Phát triển mơ hình mới phù hợp với bài tốn vận hành hệ thống hồ chứa theo thời gian thực.
Đây là xu hướng đang được nghiên cứu phát triển ở một số nước trong đó có Việt Nam. Theo xu hướng này, mơ hình phát triển theo hai hướng như sau: (1) Phát triển hoàn chỉnh một mơ hình mới, (2) Chỉ phát triển một phần mơ hình đối với vùng thượng du, nơi có các hồ chứa phịng lũ, vùng hạ du sẽ liên kết với mơ hình sẵn có và thường là các mơ hình thủy lực. Trong trường hợp này kết quả tính tốn của vùng thượng du là số liệu đầu vào của mơ hình khu vực hạ du. Các mơ hình vùng thượng du thường là các mơ hình thủy văn.
quản lý lũ cho các lưu vực ở Trung Quốc dựa trên ý tưởng của mơ hình HEC1 và HEC5 và các mơ hình dự báo lũ do các tác giả của Trung Quốc xây dựng.
- Đối với lưu vực sơng Hồng, Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương đã phát triển mơ hình dự báo khu vực thượng du tính đến Hà Nội trên cơ sở tích hợp mơ hình TANK và mơ hình MUSKINGUM-CUNGE [15] để dự báo lũ đến hồ và các nhập lưu. Kết quả tính tốn của mơ hình trên là đầu vào cho bài toán dự báo lũ vùng đồng bằng sơng Hồng khi liên kết với mơ hình MIKE11.
- Viện Cơ học Việt Nam đã phát triển mơ hình thủy văn IMECH- HYDROLOGY (FIRR) để dự báo lũ cho vùng thượng du sông Hồng. Khu vực hạ du từ Hà Nội đến cửa sơng sử dụng mơ hình MIKE11 hoặc mơ hình IMECH-1D (Viện Cơ học xây dựng), kết quả tính tốn khu vực thượng du sẽ là số liệu đầu vào cho mơ hình mơ phỏng vùng hạ du.
3. Nhận xét
Từ những nội dung đã trình bày trên có thể rút ra một số nhận xét như sau: Rất khó ứng dụng các mơ hình có sẵn cho bài toán vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ theo thời gian thực do những quy tắc vận hành hồ chứa cần được cập nhật trong quá trình ứng dụng các mơ hình này.
Xu hướng chung hiện nay là phát triển mới hoặc phát triển một phần các mơ hình dự báo và vận hành hệ thống hồ chứa để khắc phục những yếu điểm của các mơ hình thương mại có sẵn khi mơ phỏng các hoạt động của hồ chứa. Các mơ hình được phát triển thường liên quan đến khu vực thượng du là khu vực có các hồ chứa phịng lũ.
Các mơ hình dự báo lũ và vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ mới chỉ được nghiên cứu ứng dụng đối với lưu vực sơng Hồng là lưu vực có số trạm đo đạc thủy văn khá dày so với các lưu vực thuộc khu vực miền Trung.
Mơ hình TANK là mơ hình bể chứa mơ tả quan hệ mưa-dịng chảy có bộ thơng số khá lớn (36 thông số). Bộ thông số của mơ hình giữa các lưu vực khác nhau trong cùng một khu vực có sự biến đổi lớn hơn so với mơ hình bể chứa NAM, mơ hình này đã được sử dụng trong mơ hình MIKE NAM. Do vậy, đối với các lưu
vực có ít trạm đo lưu lượng như lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn, nếu sử dụng mơ hình NAM sẽ khắc phục được những hạn chế về số lượng trạm đo trên lưu vực nghiên cứu.
3.1.3 Xác định hướng mơ hình phục vụ mơ phỏng lũ.
Trên cơ sở những nhận xét trên đây, tác giả nghiên cứu xây dựng một mơ hình mơ phỏng tổng qt (MOPHONG-LU) phục vụ cho bài toán vận hành hệ thống hồ chứa phịng lũ. Mơ hình sẽ được ứng dụng trên sông Vu Gia-Thu Bồn và đánh giá khả năng áp dụng cho những lưu vực khác có điều kiện tương tự.
3.2. Xây dựng mơ hình mơ phỏng diễn toán lũ trên hệ thống sông MOPHONG_LU sử dụng trong quản lý vận hành hồ chứa phòng lũ MOPHONG_LU sử dụng trong quản lý vận hành hồ chứa phịng lũ
3.2.1. Cấu trúc mơ hình
Tác giả phát triển một mơ hình mơ phỏng hệ thống trên cơ sở kết hợp ý tưởng của mô hình HEC-HMS và mơ hình HEC-RESSIM. Các mơ hình loại này được tích hợp bởi 3 mơ hình thành phần: mơ hình tính tốn q trình lũ đến các nhập lưu và hồ chứa, mơ hình diễn tốn lũ trong sơng và mơ hình mơ phỏng vận hành của hồ chứa.
Tương tự như các mơ hình trên, mơ hình MOPHONG-LU mà tác giả xây dựng cũng được cấu trúc gồm các khối mô phỏng.
(1) Môđuyn thiết lập lưu vực:
Một lưu vực được định nghĩa bao gồm: hệ thống sông suối và các công hồ chứa, đập. Trong môđuyn này các hạng mục cơng trình được miêu tả bởi các tính chất vật lý. Môđuyn thiết lập lưu vực được thiết lập với mục đích xác định tham số của mơ hình. Khi xác định tham số và kiểm định mơ hình, chế độ vận hành các hồ chứa trong hệ thống được đưa vào theo tài liệu quan trắc vận hành tại các nút hồ chứa.
(2) Môđuyn mạng lưới hồ:
Trong môđuyn này, dựa vào một sườn chung đã xác định ở mơđuyn thiết lập lưu vực để hồn chỉnh hệ thống mạng lưới hồ chứa. Trong môđuyn này các nút, các đoạn sơng, mạng lưới cơng trình được đưa thêm vào để tạo thành một mối liên hệ
chung giữa các yếu tố trong hệ thống mạng lưới hồ chứa. Ngoài ra các số liệu mơ tả tính chất vật lý (đường quan địa hình hồ chứa hệ Z~V, Z~F; các thơng số cơng trình xả lũ...) và vận hành của các yếu tố. Khi hoàn thành xác định sơ đồ mạng lưới, khai báo các tính chất vật lý của các thành phần trong hệ thống thì tiến hành đặt các phương án cho bài tốn bao gồm: khai báo cấu hình (sự liên kết giữa các hồ chứa với các nút sông, và nhập lưu), mạng lưới hồ, tập hợp các phương án vận hành, điều kiện ban đầu, chuỗi số liệu đầu vào của từng phương án.
Trong khi thiết lập mạng sông và mạng lưới hồ, cần có các mơ phỏng lozic mơ tả sự liên kết giữa các nút của hệ thống: nút nhập lưu, nút hồ chứa, các nút sông (cho các đoạn sông)
(3) Môđuyn mô phỏng:
Mơđuyn phỏng hệ thống trong mơ hình bao gồm những mơ phỏng sau đây: - Mơ phỏng q trình lưu lượng tại các nút nhập lưu từ các lưu vực con vào hệ thống sơng: có thể là quá trình lưu lượng thực đo (nếu có) hoặc quá trình lưu lượng được tính từ mơ hình mưa rào-dịng chảy.
- Mô phỏng quá trình truyền lũ trên hệ thống sông cho từng đoạn sơng: có thể diễn tốn theo mơ hình thủy văn, thủy lực.
- Diễn toán lưu lượng qua hồ chứa. - Liên kết giữa các nút trên hệ thống.
- Quá trình hoạt động của hệ thống thông qua các phương án vận hành hệ thống hồ chứa.
3.2.2. Lựa chọn các mơ hình thành phần trong mơ hình MOPHONG-LU
3.2.2.1. Lựa chọn phương pháp tính tốn q trình lưu lượng lũ đến hồ và các nút nhập lưu
Lưu lượng đến hồ và các nút nhập lưu trong trường hợp khơng có tài liệu thực đo lưu lượng được tính tốn theo mơ hình mưa-dịng chảy. Có nhiều phương pháp tính tốn khác nhau, trong nghiên cứu này chúng tôi chọn hai phương pháp tính tốn: Phương pháp đường đơn vị tổng hợp SCS và phương pháp tính tốn theo mơ hình NAM.
Hai phương pháp này phù hợp với lưu vực nghiên cứu vì những lý do sau - Mơ hình NAM có ít thơng số (9 thơng số) so với mơ hình TANK (36 thơng số), các tham số của mơ hình ít biến động đối với các lưu vực nhập lưu của cùng lưu vực sông. Bởi vậy, đối với lưu vực ít tài liệu như lưu vực sơng Vu Gia-Thu Bồn sẽ có sai số tính tốn nhỏ hơn so với các mơ hình khác.
- Mơ hình đường đơn vị SCS có các tham số chỉ phụ thuộc vào các đặc trưng hình thái của lưu vực: Diện tích lưu vực, chiều dài sơng, độ dốc bình qn của lưu vực. Các đặc trưng này hồn tồn được xác định từ tài liệu địa hình và khơng cần phải xác định theo tài liệu thực đo của lưu vực. Vì vậy, mơ hình này khơng những phù hợp với lưu vực có ít tài liệu đo đạc mà cịn được sử dụng để tính dịng chảy nhập lưu khơng có điều kiện kiểm định mơ hình. Hơn nữa, mơ hình SCS được tổng hợp từ rất nhiều lưu vực sông, cho kết quả đáng tin cậy và đã được sử dụng trong các mơ hình HEC-HMS, MIKE 11. v.v...
a. Phương pháp đường đơn vị tổng hợp SCS
Giả sử đường đơn vị U~t đã được xác định, được rời rạc hoá theo thời gian bằng cách chia đáy đường đơn vị thành n thời đoạn t. Khi đó ta có thể tính được
q trình lưu lượng ở cửa ra của lưu vực theo công thức xếp chồng như sau:
M k m m i m i P U Q 1 1 (3.1)
Trong đó: - M là số thời đoạn mưa hiệu quả;
- k là số lượng thời đoạn mưa hiệu quả có mặt trong mỗi phép lấy tổng. Điều kiện k M có nghĩa là số số hạng Pj của mỗi tổng Qi tại thời đoạn i lớn nhất cũng chỉ bằng số thời đoạn mưa hiệu quả M;
- Pj là mưa hiệu quả tại thời đoạn j (j =1, 2,.. , k, .., M) đã quy đổi theo lượng mưa đơn vị; - Qi là lưu lượng tại tuyến cửa ra của lưu vực tại thời đoạn thứ i (i =1, 2, 3, ..., N), N là số thời đoạn của q trình lưu lượng có giá trị là N = n+M-1, trong đó n là số thời đoạn của đường đơn vị.
- Ui-j+1 là tung độ đường đơn vị tại mỗi thời đoạn tính tốn thứ i với điều kiện i-j+1 n, trong đó n là số thời đoạn của đáy đường đơn vị. Với điều kiện này, các số
hạng có chỉ số i-j+1>n của Ui-j+1 sẽ khơng có mặt trong phép tính tổng Qi ở thời đoạn thứ i.
Đường đơn vị U~t xác định theo đường đơn vị tổng hợp không thứ nguyên SCS do cơ quan bảo vệ thổ nhưỡng Hoa Kỳ đề xuất. Đường đơn vị tổng hợp không thứ nguyên qs~ts là quan hệ giữa hai đại lượng không thứ nguyên. Trong đó qs là tung độ đường đơn vị bằng giá trị U tại thời điểm t bất kỳ chia cho giá trị Umax của đường đơn vị tính tốn U~t, ts là trục thời gian khơng thứ nguyên, bằng tỷ số thời gian t bất kỳ và khoảng cách thời gian từ điểm ban đầu đến thời điểm đạt Umax của đường đơn vị tính tốn U~t):
ts = t/tL và qs = U/Umax (3.2)
Nếu Umax, TL đã xác định, có thể chuyển đường đơn vị không thứ nguyên qs~ts thành đường đơn vị U~t theo công thức (3.3):
U = qsUmax và t = tsTL (3.3) Hai đặc trưng này được xác định như sau:
- Umax xác định theo công thức (4):
L max
T 2.08F
U (3.4)
Trong đó: F là điện tích lưu vực (Km2). - TL được tính theo cơng thức (3.5): TL Tc
3 2
(3.5)
Tc là thời gian tập trung nước được tìm qua quan hệ với thời gian trễ tp:
p
c t
T
3 5
, trong đó tp tính theo cơng thức (3.6):
5 . 0 7 . 0 7 . 0 8 . 0 p Y CN 104 , 14 CN 86 . 22 2540 L t (3.6)
Trong đó: tp: Thời gian trễ (giờ)
Tc: Thời gian tập trung dòng chảy (giờ) L: Chiều dài sơng chính (m)
y: Độ dốc bình quân lưu vực (m/m)
Giá trị CN được xác định theo đường cong dịng chảy khơng thứ ngun (có bảng tra sẵn theo từng loại đất). Đối với các lưu vực trên sông Vu Gia – Thu Bồn chọn CN =60.
b. Phương pháp mơ hình NAM
NAM là từ viết tắt của tiếng Đan Mạch “Nedbor – Afstromnings – Model”, có nghĩa là mơ hình mưa – dịng chảy. Mơ hình này đầu tiên do Khoa Tài Nguyên nước và Thuỷ lợi của Trường Đại học Đan Mạch xây dựng (Nielsen và Hansen, 1973). Mơ hình NAM là loại mơ hình bể chứa được sử dụng tính dịng chảy từ mưa đã được mơ phỏng trong mơ hình MIKE 11. Mơ hình NAM được xây dựng trên nguyên tắc xếp 3 bể chứa theo chiều thẳng đứng và 2 bể chứa tuyến tính nằm ngang (hình 3.3).
1. Bể chứa mặt
Lượng ẩm trữ trên bề mặt của thực vật, cũng như lượng nước điền trũng trên bề mặt lưu vực được đặc trưng bởi lượng trữ bề mặt. Umax đặc trưng cho giới hạn trữ nước tối đa của bể này. Lượng nước U trong bể chứa mặt sẽ giảm dần do bốc hơi, do thất thốt theo phương nằm ngang (dịng chảy sát mặt). Khi lượng nước này vượt quá ngưỡng Umax thì một phần của lượng nước vượt ngưỡng PN sẽ chảy vào suối dưới dạng dòng chảy tràn bề mặt phần còn lại sẽ thấm xuống bể sát mặt và bể ngầm.
Hình 3.3. Cấu trúc mơ hình Nam
Bể này thuộc phần rễ cây, là lớp đất mà thực vật có thể hút nước để thốt ẩm. Lmax đặc trưng cho lượng ẩm tối đa mà bể này có thể chứa.
Lượng ẩm của bể chứa này được đặc trưng bằng đại lượng L. L phụ thuộc vào lượng tổn thất thoát hơi của thực vật. Lượng ẩm này cũng ảnh hưởng đến lượng nước sẽ đi xuống bể chứa ngầm để bổ xung nước ngầm.
3. Bốc thoát hơi
Nhu cầu bốc thoát hơi nước trước tiên là để thỏa mãn tốc độ bốc thoát hơi tiềm năng của bể chứa mặt. Nếu lượng ẩm trong bể chứa mặt nhỏ hơn nhu cầu này, thì nó sẽ lấy ẩm từ tầng rễ cây theo tốc độ Ea. Trong đó Ea là tỷ lệ với lượng bốc thoát hơi tiềm năng Ep: Ea = Ep L/Lmax
4. Dòng chảy mặt
Khi bể chứa mặt tràn nước, U1 ≥ Umax, thì lượng nước vượt ngưỡng PN