Xây dựng mơ hình mơ phỏng diễn toán lũ trên hệ thống sông

8. Cấu trúc luận án:

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 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 mơ 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 mơđuyn này các hạng mục cơng trình được miêu tả bởi các tính chất vật lý. Mơđuyn 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 môđuyn thiết lập lưu vực để hoàn 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 sơng và mạng lưới hồ, cần có các mơ phỏng lozic mô tả sự liên kết giữa các nút của hệ thống: nút nhập lưu, nút hồ chứa, các nút sông (cho các đoạn sông)

(3) Mơđuyn mơ phỏng:

Mơđuyn phỏng hệ thống trong mơ hình bao gồm những mô 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 q trình lưu lượng thực đo (nếu có) hoặc q trình lưu lượng được tính từ mơ hình mưa rào-dịng chảy.

- Mơ phỏng q 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 tơi 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 quân của lưu vực. Các đặc trưng này hoàn toàn 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 khơng thứ ngun. 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 không 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 = qsUmax và t = tsTL (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 qn 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 thốt 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 (PN = U1- Umax) sẽ hình thành dịng chảy mặt và thấm xuống dưới. QOF là một phần của PN, tham gia hình thành dịng chảy mặt, nó tỷ lệ thuận với PN và thay đổi tuyến tính với độ ẩm tương đối L/Lmax của tầng rễ cây:

QOF = ax 1 m N L TOF L CQOF P TOF      

 Với L/Lmax >TOF (3.7)

0 Với L/Lmax < TOF

Trong đó: CQOF là hệ số dịng chảy mặt (0 ≤ CQOF≤ 1 ) TOF là ngưỡng của dòng chảy mặt (0 ≤ TOF≤ 1)

Phần còn lại của PN sẽ thấm xuống dưới. Một phần (PN -QOF) thấm xuống dưới này sẽ làm tăng lượng ẩm L của bể chứa tầng rễ cây. Phần còn lại sẽ thẩm thấu xuống sâu hơn để bổ sung cho bể chứa tầng ngầm.

5. Dòng chảy sát mặt

Dòng chảy sát mặt cũng phụ thuộc vào độ ẩm của tầng rễ cây:

QIF = ( ) 1 max 1 L TIF L CKIF Ui TIF        

Với L/Lmax >TIF (3.8)

= 0 Với L/Lmax < TIF

CKIF là hằng số thời gian của dòng chảy sát mặt 6. Bổ sung dòng chảy ngầm

Lượng nước thấm xuống G, bổ sung cho bể chứa ngầm phụ thuộc vào độ ẩm của đất ở tầng rễ cây: G =         TG TG L L QOF PN 1 max ) ( Với L/Lmax > TG (3.9) = 0 Với L/Lmax ≤ TG

Với TG là giá trị của lượng nước bổ sung cho tầng ngầm (0 ≤ TG≤ 1) 7. Lượng ẩm của đất

Bể chứa tầng sát mặt biểu thị lượng nước có trong tầng rễ cây. Lượng mưa hiệu quả sau khi trừ đi lượng nước tạo dòng chảy mặt, lượng nước bổ sung cho tầng ngầm, sẽ bổ sung và làm tăng độ ẩm của đất ở tầng rễ cây L bằng một lượng DL : DL = PN - QOF – G.

8. Diễn tốn dịng chảy mặt và dịng chảy sát mặt

Dòng chảy mặt và dòng chảy sát mặt sẽ được diễn tốn thơng qua hai bể chứa tuyến tính theo thời gian với cùng một hằng số thời gian CK1,2.

9. Diễn tốn dịng chảy ngầm

Dịng chảy ngầm được diễn tốn thơng qua một bể chứa tuyến tính theo thời gian với hằng số thời gian CKBF. Các tham số chính của mơ hình thống kê trong bảng 3.1.

3.2.2.2. Lựa chọn phương pháp diễn tốn lũ mạng sơng

Diễn tốn dịng chảy cho từng đoạn sơng được mô phỏng theo phương pháp Muskingum, theo đó, lưu lượng dịng chảy ở mặt cắt dưới của mỗi đoạn sông tại thời điểm t+∆t được xác định theo công thức (3.10):

Qd(t+∆t) = C0.Qtr(t+∆t) + C1.Qtr(t) + C2.Qd(t+∆t) (3.10) Với: C0 = t kx k kx t      2 2 2 C1 = t x k k x k t      . . 2 . 2 . 2

C2 = t x . k . 2 k . 2 t x . k . 2 k . 2      

Trong đó: x và k là các hằng số; ∆t là thời đoạn tính tốn; Qd, Qtr tương ứng là lưu lượng mặt cắt dưới và mặt cắt trên của đoạn sông tại thời điểm t và t+∆t.

Bảng 3.1: Các thơng số chính trong mơ hình NAM

Thơng số

Đơn vị

tính Mơ Tả

Lmax [mm]

Lượng nước tối đa trong bể chứa tầng rễ cây. Lmax có thể gọi là lượng ẩm tối đa của tầng rễ cây để thực vật có thể hút để thốt hơi nước.

Umax [mm]

Lượng nước tối đa trữ trong bể chứa mặt. Có thể gọi là lượng nước điền trũng, rơi trên mặt thực vật và chứa trong vài cm của bề mặt đất.

CQOF [-] Hệ số dòng chảy mặt (0≤CQOF≤1). Quyết định sự phân phối của mưa hiệu quả cho dòng chảy ngầm và thấm.

CKIF [hours]

CKIF là hằng số thời gian của dòng chảy sát mặt. CKIF cùng với Umax quyết định dịng chảy sát mặt. Nó chi phối thơng số diễn tốn dòng chảy sát mặt CKIF >>CK12.

TOF [hours]

Giá trị ngưỡng của dòng chảy mặt (0≤TOF≤1). Dịng chảy mặt chỉ hình thành khi lượng ẩm tương đối của đất ở tầng rễ cây lớn hơn TOF.

TIF [-]

Giá trị ngưỡng của dòng chảy sát mặt (0≤TIF≤1). Dòng chảy sát mặt chỉ hình thành khi lượng ẩm tương đối của tầng rễ cây lớn hơn TIF.

CK12 [-]

Hằng số thời gian cho diễn tốn dịng chảy mặt và sát mặt. Dòng chảy mặt và sát mặt được diễn tốn theo các bể chứa tuyến tính theo chuỗi với cùng một hằng số thời gian CK12.

CKBF [-]

Hằng số thời gian dòng chảy ngầm. Dòng chảy ngầm từ bể chứa ngầm được tạo ra sử dụng mơ hình bể chứa tuyến tính với hằng số thời gian CKBF.

TG [hours]

Giá trị ngưỡng của lượng nước bổ sung cho dòng chảy ngầm (0≤TG≤ 1). Lượng nước bổ sung cho bể chứa ngầm chỉ được hình thành khi chỉ số ẩm tương đối của tầng rễ cây lớn hơn TG.

3.2.2.3. Diễn toán lưu lượng qua hồ chứa

giải đồng thời phương trình cân bằng nước (3.11) và khả năng xả qua cơng trình xả lũ (3.12): Q(t) Q (t) dt dV x   (3.11) Qx(t) =f(Zt, Zh, A) (3.12)

Trong đó: V là dung tích hồ chứa; Q(t) là lưu lượng đến hồ tại thời điểm t; Qx(t) là lưu lượng xả qua cơng trình xả lũ; Zt, Zh là mực nước hồ và mực nước sau cơng trình xả lũ; A là thơng số hình thức mơ tả loại cơng trình xả, số cửa xả được mở và độ mở của mỗi cửa xả lũ.

3.2.2.4. Mơ phỏng tích hợp mơ hình

Sự tích hợp được các mơ hình trong một mơ hình mơ phỏng: các nút nhập lưu được mô tả nút nhập này sẽ nối với đoạn sông nào của hệ thống; mỗi đoạn sông cũng được mô tả sự nối tiếp với đoạn trên và đoạn dưới như thế nào (một đoạn sơng có thể nối tiếp với nhiều đoạn sơng phía trên nó; cũng tương tự như vậy với các nút hồ chứa.

3.2.3. Lập chương trình tính tốn cho mơ hình MOPHONG-LU

Chương trình tính tốn được xây dựng trên cơ sở thuật toán liên kết giữa các mơ hình thành phần và các đoạn sông được đặt tên là MOPHONG-LU. Chương trình tính tốn được viết bằng ngơn ngữ FORTRAN 77 gồm chương trình chính và 5 chương trình con. Chương trình đã lập được trình bày ở phụ lục 3

3.2.3.1. Thuật tốn và chương trình tính cho các mơ hình thành

a. Chương trình tính tốn nhập lưu theo đường đơn vị SCS