Cấu trỳc mụ hỡnh LTANK

Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật Ngành Thủy văn học - 54 -

Với giả thiết lưu vực sụng là một chuỗi các bể chứa quá trình thuỷ văn xảy ra trờn lưu vực như là quá trình vận động của nước qua các bể chứa điều tiết. Mụ hình được cấu tạo gồm ba bể chứa xếp theo phương thẳng đứng, mỗi bể cú một cửa ra ở đáy và một số cửa ở thành bờn. Quá trình thấm trờn lưu vực được mụ phỏng bằng quá trình nước chảy qua cửa ra ở đáy các bể chứa.

Quá trình dũng chảy được hình thành từ quá trình nước chảy qua các cửa ra ở thành bờn của các bể chứa. Dũng chảy của lưu vực là sự tổ hợp của ba loại dũng chảy thành phõ̀n.

1. Dũng chảy mặt được sinh ra bởi bể chứa trờn cựng (bể A)

2. Dũng chảy sát mặt được sản sinh ra do bể chứa tõ̀ng giữa (bể B) 3. Dũng chảy ngõ̀m là do bể chứa dưới cựng (bể C)

Lượng dũng chảy qua các cửa ra của các bể phụ thuộc vào lượng nước chứa trong các bể đú theo quan hệ sau:

RRiR = f(SRiR) ( 3-12 ) Trong đú: RRiR= lượng dũng chảy qua các cửa ra của bể chứa thứ i; SRiR= lượng nước chứa trong bể chứa thứ i.

Hỡnh 3.5: Cấu trỳc mụ hỡnh LTANK B1 B2 C1 C2 A1 A2 A3 KB KB KA KB KC KC KC KC KA nA nB nC AK BK CK BK CK AK AK EA SC SB SA SM X QB QC QA Qt = QA+QB+QC RB RC

Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật Ngành Thủy văn học - 55 -

Mối quan hệ (3-12 ) cú thể là tuyến tớnh, hoặc khụng tuyến tớnh. Tớnh chất này tuỳ thuộc vào đặc tớnh cơ lý của các loại đất đai trờn lưu vực. Nhiều nghiờn cứu cho thấy chỉ cú dũng chảy mặt thì mối quan hệ (3-12 ) là khụng tuyến tớnh, cũn đối với các bể chứa tõ̀ng dưới mối quan hệ ( 3-12 ) được coi là tuyến tớnh. Giải quyết mối quan hệ khụng tuyến tớnh này mụ hình tăng số lượng cửa ra ở thành bờn (ớt nhất hai cửa) (hình 3.5).

Ta biết rằng, khi các dũng chảy thành phõ̀n được tạo ra, mụ hình TANK M.sagawara (Nhật) đó hợp nhất chúng lại đổ vào một bể chứa điều tiết lũng sụng. Bể chứa này cú nhiệm vụ diờ̃n toán dũng chảy tổng hợp đến mặt cắt cửa ra của lưu vực. Trong khi đú S.Bergstrửm (Thủy Điển) trong mụ hình HBV dựng một hàm truyền kinh nghiệm là đường chảy đẳng thời để diờ̃n toán dũng chảy tổng hợp. Rừ ràng cách diờ̃n toán như trờn là chưa thỏa đáng, bởi lẽ lượng dũng chảy sinh ra trờn các sườn lưu vực đổ vào lũng dẫn theo suốt chiều dài sụng chứ khụng phải đổ vào đõ̀u nguồn con sụng, và đặc tớnh tập trung dũng chảy của ba dũng chảy thành phõ̀n trờn lưu vực là khác nhau. Vì lý do đú, mụ hình LTANK đó coi ba loại dũng chảy thành phõ̀n được chảy riờng qua các dóy bể chứa tuyến tớnh và hợp nhất thành dũng chảy lưu vực ở mặt cắt cửa ra. Sự tác động của các hệ thống bể chứa tuyến tớnh đối với các dũng chảy thành phõ̀n cú thể mụ phỏng bằng hàm truyền Nash với hai hàm số như sau: ( ) K t 1 n e K t n K.Γ 1 U(t) − − ì       ì = (3-13)

Trong đú: U(t) = Tung độ hàm truyền tại thời điểm t

n và k = hai tham số (n là số lượng bể chứa tuyến tớnh và k là hệ số trữ nước của mỗi bể)

) (n

Γ = hàm phõn phối Gama của n

Những ưu điểm cơ bản của lý thuyết hàm truyền Nash là nú được rút ra từ những nghiờn cứu lý thuyết rừ ràng, số lượng tham số khụng nhiều và các tham số này cú thể ước tớnh sơ bộ từ tài liệu thực đo dũng chảy (Hỡnh 3. 6 và 3.7), mặt khác

Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật Ngành Thủy văn học - 56 -

các tham số đều mang ý nghĩa vật lý rất rừ ràng (Chow V.T. 1964). Hàm truyền này ngày nay được dựng khá phổ biến trong tớnh toán, dự báo thuỷ văn. Núi một cách khác là ba tõ̀ng bể chứa làm nhiệm vụ phõn cắt ba thành phõ̀n dũng chảy, cũn ba hệ thống bậc thang bể chứa tuyến tớnh (hàm Nash) làm nhiệm vụ diờ̃n toán ba loại dũng chảy thành phõ̀n đến mặt cắt cửa ra của lưu vực.

Hỡnh 3.6: Đường quỏ trỡnh dũng chảy thực đo dựng để ước tớnh tham số k của hàm Nash.

Hỡnh 3.7: Ước tớnh tham số k của hàm Nash từ đường quỏ trỡnh dũng chảy thực đo.

* Hiệu chỉnh tham số:

Hiệu chỉnh tham số mụ hình là tìm một bộ tham số cú khả năng mụ phỏng tốt nhất quá trình mưa dũng chảy của lưu vực nghiờn cứu, núi một cách khác là tìm bộ tham số cho mụ hình để quá trình dũng chảy tớnh toán bằng mụ hình phự hợp nhất với biểu đồ dũng chảy thực đo. Đõy là bài toán kiểm tra các giả thiết của mụ hình đối với lưu vực cụ thể.

- Chỉ tiờu chất lượng quá trình được dựng là chỉ tiờu Nash-Sutcliffe so sỏnh hai quá trình dũng chảy thực đo và tớnh toán:

100% F F F R 2 o 2 2 o 2 = − ì (3-14) trong đú:

Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật Ngành Thủy văn học - 57 - ∑ = − = n 1 j 2 bqd dj 2 o (Q Q ) F (3-15) ∑ = − = n 1 j 2 dj tj 2 ) Q Q ( F (3-16)

ở đõy QRtjR và QRdjR = lưu lượng tớnh toán và thực đo tại thời điểm j; QRbqdR= lưu lượng bình quõn của chuỗi dũng chảy thực đo; n = độ dài chuỗi dũng chảy dựng để đánh giỏ mụ hỡnh trong hiệu chỉnh tham số.

- Chỉ tiờu đánh giá độ sai đỉnh lũ lớn nhất của hai quá trình tớnh toán và thực đo.

CR1R=min|QRmaxtR – QRmaxdR| (3-17)

- Chỉ tiờu cõn bằng tổng lượng:

CR2R=min|WRtR – WRdR| (3-18)

trong đú: WRtR và WRdR= tổng lượng dũng chảy tớnh toán và thực đo.

Phương pháp hiệu chỉnh tham số mụ hình được dựng cú thể là thử sai hoặc tối ưu. Ngày nay, tốc độ xử lý thụng tin cực nhanh của máy tớnh cho nờn việc hiệu chỉnh tham số mụ hình rất nhanh đạt được bộ tham số tối ưu của mụ hình đối với những lưu vực nghiờn cứu.

Mụ hình LTANK sử dụng chỉ tiờu tổng hợp cú dạng như sau: CR0R= kR1R*CR1R+kR2R*CR2R+kR3R*RP

2

P

(3-19)

Trong đú, tổng các trọng số: kR1R+kR2R+kR3R=1.0

Mụ hình LTANK cú ưu điểm là phõ̀n mềm của mụ hình được Nghiờm Tiến Lam chuyển sang viết bằng ngụn ngữ Visual Basic chạy trờn mụi trường EXCEL cú sử dụng SOLVER trong tối ưu húa tham số mụ hình nờn đó giúp cho người ứng dụng dờ̃ dàng và nhanh chúng cú được bộ tham số thớch hợp đảm bảo chất lượng của kết quả tớnh toán. Trong thực tế sản xuất ở các cụng ty tư vấn thiết kế LTANK

Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật Ngành Thủy văn học - 58 -

được lựa chọn để khụi phục các chuỗi số liệu dũng chảy ngày và tớnh toán lũ thiết kế.

 Ứng dụng mụ hỡnh LTank tớnh toỏn đầu vào cho mụ hỡnh thủy lực Mike 11

3.2.2.1 Lựa chọn bộ thụng số của lưu vực

Hỡnh 3.8: Bản đồ tiểu lưu vực vựng nghiờn cứu

Mụ tả sơ đồ mụ phỏng của mụ hỡnh:

Lưu vực sụng Bến Hải tớnh đến trạm thủy văn Gia Vũng cú diện tớch lưu vực là 265 kmP

2

P

trờn lưu vực cú 1 trạm thủy văn Gia Vũng đại diện cho lưu vực.

Khả năng bốc hơi trờn lưu vực phụ thuộc vào điều kiện mặt đệm và các yếu tố khớ hậu như nhiệt độ khụng khớ, nắng, giú, độ ẩm… Theo tài liệu bốc hơi bằng ống Piche hàng năm trờn lưu vực nghiờn cứu lượng bốc hơi vào khoảng 800 - 900

Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật Ngành Thủy văn học - 59 -

mm/năm, vựng núi bốc hơi khoảng 800mm/năm. Vựng đồng bằng ven biển bốc hơi nhiều hơn khoảng 900mm/năm. Vì vậy ở đõy ta lấy số liệu bốc hơi trung bình cho sáu giờ của lưu vực nghiờn cứu là 0.3mm.

 Nhập dữ liệu đõ̀u vào cho mụ hình

 Nhập dữ liệu trong Sheet DATA.

Tại trạm Gia Vũng cú số liệu đo mưa 6 giờ tương ứng với lưu lượng Q thực đo tại trạm Gia Vũng nờn ta cú thể sử dụng ngay tài liệu mưa 6 giờ này làm đõ̀u vào cho LTank. Luận văn chọn trận lũ năm 2009 ( Từ 21/IX/2009 đến 11/XI/2009) để hiệu chỉnh mụ hình.

- Nhập số liệu mưa giờ cho trạm Gia Vũng theo thời đoạn 6 giờ ( cột 4) - Nhập dũng chảy đo đạc tại trạm Gia Vũng theo 6 giờ ( Từ 21/IX/2009 đến 11/XI/2009) (Cột 5)

- Nhập số liệu bốc hơi trờn lưu vực (Cột 2)

Tất cả các số liệu được nhập vào mụ hình LTank được mụ phỏng như bảng (Phụ lục 3.1)

 Nhập giá trị ban đõ̀u cho bộ thụng số trong mụ hình LTank:

Đõ̀u tiờn ta nhập những giá trị từng thụng số trong mụ hình LTank trước khi hiệu chỉnh, tối ưu thụng bộ thụng số đú.

Nhập diện tớch của lưu vực tớnh đến trạm thủy văn Gia Vũng là 265 kmP

2

P

. Căn cứ vào đường nước rút mà ta ước tớnh và nhập các tham số hàm truyền Nash của từng bể dựa vào dũng chảy đo đạc ta nhập số liệu thụng số dũng chảy cơ bản. Giá trị các thụng số được nhập thể hiện như ở (Phụ lục 3.2)

Tối ưu bộ thụng số mụ hỡnh LTank:

Sau khi đó nhập bộ thụng số trong mụ hình LTank trờn thanh Menu chớnh ta vào LTank và click chuột vào tối ưu thụng số.

Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật Ngành Thủy văn học - 60 -

Ta chỉnh bộ thụng số sao cho chỉ tiờu Nash và tổng lượng, chỉ tiờu đỉnh đạt yờu cõ̀u ta sẽ được bộ thụng số của lưu vực (Bảng 3.3) với chỉ tiờu đạt được của mụ hỡnh (Bảng 3.2,Hỡnh 3.9, Phụ lục 3.3).

Bảng 3.2: Chỉ tiờu của bộ thụng số trong mụ hỡnh Ltank (mụ phỏng năm 2009) Chỉ tiêu tổng hợp: C0 = 90.12%

Chỉ tiêu đỉnh: C1 = 5.29%

Chỉ tiêu tổng lợng: C2 = 1.91%

Chỉ tiêu Nash: R2 = 89.42%

Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật Ngành Thủy văn học - 61 -

Bảng 3.3: Bộ thụng số của vựng nghiờn cứu

Bộ thơng số mơ hình

Tên lu vực Trạm Gia Vòng - Sông Bến Hải

Diện tích lu vực F = 265 km2

Chỉ tiêu tổng hợp: C0 = 90.12%

Chỉ tiêu đỉnh: C1 = 5.29% Trọng số 0.05

Chỉ tiêu tổng lợng: C2 = 1.91% Trọng số 0.05

Chỉ tiêu Nash: R2 = 89.42% Trọng số 0.9

TT Bể Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Min Max

1 Bể

A

Ngỡng cửa đáy HA0 = 49.984 mm 0 20

2 Hệ số cửa đáy CA0 = 0.396

3 Ngỡng cửa bên 1 HA1 = 0.01 mm 0 40

4 Hệ số cửa bên 1 CA1 = 0.018

5 Ngỡng cửa bên 2 HA2 = 144.93 mm 40 500

6 Hệ số cửa bên 2 CA2 = 0.585

7 Độ ẩm ban đầu SA = 0.01 mm

8 Tham số hàm truyền Nash nA = 7.91 1 10

9 Tham số hàm truyền Nash kA = 0.165

10 Bể B B Ngỡng cửa đáy HB0 = 23.921 mm 0 30 11 Hệ số cửa đáy CB0 = 0.99 12 Ngỡng cửa bên HB1 = 68.039 mm 50 200 13 Hệ số cửa bên CB1 = 0.01 14 Độ ẩm ban đầu SB = 0.01 mm

15 Tham số hàm truyền Nash nB = 9.126 1 10

16 Tham số hàm truyền Nash kB = 0.01

17 Bể C C Ngỡng cửa đáy HC0 = 12.898 mm 0 30 18 Hệ số cửa đáy CC0 = 0.027 19 Ngỡng cửa bên HC1 = 192.326 mm 30 200 20 Hệ số cửa bên CC1 = 0.973 21 Độ ẩm ban đầu SC = 0.01 mm

22 Tham số hàm truyền Nash nC = 7.39 1 10

23 Tham số hàm truyền Nash kC = 0.146

24 Ngỡng ẩm giới hạn SM = 0.17609 mm

25 Dòng chảy cơ bản Qng = 28 m3/s

26 Thời gian trễ TLag = 2 giờ

27 Thời gian bắt đầu Td = 6 giờ

CA0+CA1+CA2 1

CB0+CB1 1

CC0+CC1 1

Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật Ngành Thủy văn học - 62 -

Kiểm định mụ hỡnh:

Luận văn chọn năm 2008 (7/IX/2008 đến 13/XI/2008) để kiểm định mụ hình. Dựng bộ thụng số ta vừa tìm được ở phõ̀n hiệu chỉnh mụ hình để đưa vào kiểm định cho trận lũ này (Hỡnh 3.10, Phụ lục 3.4). Ta thu được kết quả như sau.

Bảng 3.4: Chỉ tiờu của bộ thụng số trong mụ hỡnh Ltank mụ phỏng năm 2008 Chỉ tiêu tổng hợp: C0 = 79.69%

Chỉ tiêu đỉnh: C1 = 5.29%

Chỉ tiêu tổng lượng: C2 = 0.92%

Chỉ tiêu Nash: R2 = 77.73% Nhận xột:

Các sai số trong hiệu chỉnh và kiểm định trờn đều nằm trong sai số cho phộp nờn kết quả đạt yờu cõ̀u. Vì vậy, bộ thụng số đó tìm được ở trờn là tốt, phự hợp với đặc tớnh của lưu vực nghiờn cứu, cú thể sử dụng để tớnh toán đõ̀u vào cho mụ hình thủy lực Mike 11.

Kết luận

Lưu vực tớnh toán khụng cú đõ̀y đủ số liệu đo đạc dũng chảy vì vậy ta phải tớnh toán khụi phục dũng chảy cho những lưu vực khụng cú số liệu đo đạc dũng chảy. Để cú thể áp dụng mụ hình toán cho tớnh toán nhập lưu, cõ̀n phải cú bộ thụng số ổn định cho mụ hình. Vì vậy Luận văn đó sử dụng số liệu đo mưa và dũng chảy thời đoạn 6 giờ của trạm Gia Vũng để xác định bộ thụng số cho mụ hình LTank. Từ kết quả hiệu chỉnh và kiểm định ta thấy rằng mụ hình LTank cú khả năng mụ phỏng tốt quá trình mưa ra dũng chảy cho lưu vực nghiờn cứu. Như vậy ta cú thể sử dụng mụ hình mưa-dũng chảy và bộ thụng số này để tớnh toán khụi phục dũng chảy cho những lưu vực khụng cú số liệu đo đạc dũng chảy trờn lưu vực nghiờn cứu.

Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật - 63 - Ngành Thủy văn học

Q trình dịng chảy tính theo mơ hình LTANKtrạm Gia vịng - Năm 2009