Kết nối giữa mô hình dòng chảy một chiều trong hệ thống sông và mô hình dòng chảy hai chiều trong vùng ngập.
Mô hình một chiều dòng chảy trong sông và mô hình hai chiều dòng chảy trong vùng ngập được liên kết qua sự trao đổi dòng chảy vùng ngập và dòng chảy
trong sông. Dựa trên cơ sở nguyên tắc liên tục và trao đổi dòng chảy trong sông và vùng ngập lụt thông qua điều kiện biên trong dưới dạng công trình như bờ sông, đê bao, đập tràn… trên cơ sở lý thuyết được thể hiện trong công trình nghiên cứu.
Mô hình 1 chiều dòng chảy trong sông và mô hình chảy tràn được kết nối dựa trên phương trình trao đổi nước giữa sông và ô lưới.
t O I V V t t t l t l+1 = +( +1− +1)∆ Trong đó:
Vl: thể tích nước trong ô tại thời điểm t+1 hoặc t, phụ thuộc vào mực nước. I: dòng chảy từđoạn sông vào ô lưới gần kề.
O: dòng chảy từ ô lưới ra đoạn sông gần kề.
Dựa theo công thức đập tràn đỉnh rộng, dòng chảy vào hoặc ra ô lưới được tính theo công thức sau:
L h h s c I = f b( r − w)3/2∆ nếu hr >hw và hr >hfp L h h s c O= f b( fp− w)3/2∆ nếu hfp >hw và hfp >hr Trong đó: cf: hệ số lưu lượng.
hfp: mực nước trong khu ngập. ∆L: chiều dài đoạn sông. hr: mực nước trong sông.
hw: cao trình bờ.
sb: hệ số dòng chảy ngập. 3.2 YÊU CẦU CỦA MÔ HÌNH
3.2.1 Yêu cầu về mô phỏng
Miền tính được mô phỏng là các ô lưới hình vuông có kích thước như nhau, mỗi ô lưới được đánh số thứ tự từ trái sang phải, từ trên xuống dưới. Ô lưới chia càng nhỏ thì độ phân giải càng cao, mô phỏng càng sát với thực tế. Tuy nhiên ô lưới càng nhỏ thì sô lượng ô lưới càng lớn khi đó số lượng phép tính quá lớn dẫn đến tình trạng tràn bộ nhớ trong quá trình tính toán.
Các công trình được mô phỏng theo biên của các ô, sông suối được mô phỏng theo các đường gấp khúc đi qua trung tâm của các ô. Vì vậy ô lưới càng nhỏ thì mô phỏng công trình và sông suối càng chính xác. Chiều rộng của sông lớn nhất không được lớn hơn kích thước của ô nên cần xác định kích thước ô lưới phù hợp đểđảm bảo số lượng ô lưới không quá nhiều, sông suối nằm trọn trong ô lưới và có độ phân giải phù hợp đểđảm bảo độ chính xác cho mô phỏng công trình, mô phỏng sông. Hệ thống ô lưới được bao hết cả vùng có khả năng ngập dùng để diễn toán ngập lụt. Các ô lưới được tạo liên kết hệ thống với các ô lưới xung quanh thông qua số thứ tự của ô lưới đã được đánh dấu. Các công trình như đường giao thông, đê được tạo liên kết công trình để xác định lượng nước tràn bờ giữa các ô lưới, đánh giá tác động của công trình đến diễn toán ngập lụt. Cao độ ô lưới được tính toán từ bản đồđịa hình, mỗi ô lưới được xác định một trị số cao độ nền của ô được tính từ cao độ nền địa hình. Hệ số nhám ô lưới được xác định vào điều kiện lớp phủ và thổ nhưỡng bề mặt của vùng diễn toán ngập lụt. Ngoài tạo liên kết hệ thống ô lưới còn phải tạo liên kết sông với ô lưới mà sông chảy qua, đối với các ô lưới này hệ số nhám được xác định là hệ số nhám trung bình của lòng sông và địa hình được xác định trên cơ sở số liệu mặt cắt ngang. Tổng cao trình đáy sông và độ sâu bằng cao trình nền của ô lưới có sông chảy qua nên sau sau khi tính toán các đặc trưng của mặt cắt thì cần phải kiểm tra lại.
3.2.2 Yêu cầu về số liệu
Địa hình nền ảnh hưởng rất lớn đến diễn toán ngập lụt nên số liệu địa hình sử dụng trong mô hình càng chi tiết càng tốt. Bản đồ địa hình có thể sử dụng là bản đồ giấy, tuy nhiên loại bản đồ này rất bất tiện khi sử dụng. Để thuận tiện tính toán số liệu địa hình thì bản đồđịa hình cần được số hóa và có thuộc tính cao độ của đường bình đồ và điểm cao độ. Tạo thêm các lớp về lưới tính và số ô lưới trên bản đồ sốđể dễ dàng biên tập, xử lý và tính toán. Mỗi ô lưới nên có ít nhất một điểm cao độ và giá trị cao độ nền ô lưới được tính trung bình của các điểm trong ô, các ô lưới không có điểm cao độ thì được nội suy từ các ô lưới lân cận.
Số liệu mặt cắt đo đạc được dẫn cao độ với hệ cao độ và tọa độ thống nhất với bản đồ địa hình nền. Số liệu mặt cắt sông càng nhiều thì càng tốt, tuy nhiên vì điều kiện kinh tế không thểđo mặt cắt ngang nhiều vì vậy để đảm bảo độ chính xác của trong quá trình diễn toán ngập lụt thì cần đo mặt cắt tại những vị sông cong, sông co thắt hoặc mở rộng đột ngột, những đoạn sông có thay đổi nhiều về các yếu tố thủy lực. Mỗi ô lưới có sông chảy qua đều phải tính toán mặt cắt, tuy nhiên không phải ô lưới nào cũng có mặt cắt được đo vì vậy các ô lưới không được đo mặt cắt thì được nội suy và ngoại suy từ số liệu mặt cắt thực đo. Các số liệu mặt cắt nội suy và ngoại suy sau khi tính toán thì được kiểm tra tính hợp lý với cao độ của bản đồđịa hình nền.
Số liệu Khí tượng Thủy văn dùng để kiểm định mô hình là số liệu của một trận mưa lũ quan trắc đồng bộ. Để mô phỏng đúng với thực tế, ngoài các trạm Thủy văn đang sử dụng cần phải bổ sung thêm các trạm mới, khống chế tất cả các nhánh sông gây ngập lụt cho hạ lưu. Các số liệu quan trắc đều được chỉnh biên tại Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Nam Trung Bộ, đảm bảo số liệu sử dụng là chính xác, theo đúng quy trình quy phạm của ngành Khí tượng Thủy văn. Các số liệu đo đồng bộ trên lưu vực sông Cái Nha Trang gồm lưu lượng của sông Thác Ngựa, sông Chò, sông Suối Dầu, số liệu thủy triều tại cầu Bình Tân, cầu Trần Phú, số liệu mực nước kiểm tra tại 5 trạm mực nước từ biên trên xuống biên dưới. Các trạm mực nước kiểm tra được bố trí trên, dưới Quốc lộ 1 và đường sắt, bên trái và phải đường 23/10 vì đây là các công trình ảnh hưởng nhiều đến diễn toán ngập lụt ở hạ lưu.
Số liệu khí tượng, thủy văn, hải văn dùng để chạy cho các kịch bản ngập được thống kê và tính theo các tần suất thiết kế là 1%, 3%, 5%, 10%. Các số liệu thống kê để tính tần suất càng dài thì càng tốt, đối với lưu vực sông Cái Nha Trang sử dụng số liệu thống kê của trạm Khí tượng Nha Trang, trạm Thủy văn Đồng Trăng và điểm đo mưa Khánh Vĩnh. Vì sông đổ ra biển nên biên dưới của mô hình cần phải tính toán số liệu mực nước triều ứng với các kịch bản ngập. Số liệu triều của các mô hình dự báo đều tính theo “0” Hải đồ nên phải chuyển cao độ số liệu mực nước triều cùng hệ cao độ với bản đồđịa hình nền.
CHƯƠNG 4
ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HDM XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT HẠ LƯU
SÔNG CÁI NHA TRANG
4.1 TÍNH TOÁN SỐ LIỆU ĐẦU VÀO
4.1.1 Tính toán số liệu địa hình
* Địa hình
Dữ liệu địa hình là dữ liệu rất quan trọng của mô hình thủy lực, số lượng tính toán rất lớn, đòi hỏi độ chính xác cao. Dữ liệu địa hình của lưu vực sông Cái Nha Trang được tính toán từ bản đồ tỷ lệ 1/10.000 hệ tọa độ VN 2000 do Bộ Tài nguyên Môi trường xây dựng năm 2006 bằng công nghệ hàng không và được lưu ở dạng Microstation. Trên lưu vực sông Cái Nha Trang thu thập bản đồ dùng để tính số liệu địa hình gồm có 46 xã, phường, thị trấn, tập trung ở huyện Diên Khánh, Cam Lâm và thành phố Nha Trang. Bản đồđược lưu thành các mảnh theo các xã riêng biệt, xã ít nhất có 1 mảnh bản đồ, xã nhiều nhất có 12 mảnh bản đồ. Để có dữ liệu địa hình cho lưu vực sông Cái Nha Trang thì cần phải chuyển đổi và ghép các mảnh bản đồ thành bản đồ lưu vực hoàn chỉnh bao gồm các lớp thông tin là đường bình đồ, giao thông, sông suối, điểm cao độ và tên địa danh. Đã dùng phần mềm MapInfo 11.0 để chuyển đổi bản đồ từ Microstation sang MapInfo, hệ quy chiếu và hệ tọa độ VN 2000 - Khánh Hòa múi 3.
Cao độ địa hình đầu vào của mô hình là cao độ của các ô lưới, các cao độ này được tính từ bản đồ địa hình trên. Từ các đường bình đồ và các điểm cao độ trên bản đồ tính toán được cao độ của các ô lưới. Các điểm cao độ và các đường bình đồ đều chưa được cấy các giá trị, sau khi chuyển đổi từ bản đồ gốc ở dạng Microstation bản đồ mới chỉ ở dạng số, chưa có thuộc tính về cao độ. Để tính toán cao độ ô lưới được dễ dàng và xử lý kết quả chạy mô hình sau này thì cần phải gán cao độ cho các đường bình đồ và điểm cao độ. Các đường bình đồ sau khi gán cao độ dược chuyển thành các điểm bằng phần mềm Vertical Maper 3.0 dùng để tính toán số liệu đầu vào và xử lý kết quảđầu ra của mô hình. Các điểm cao độđược cập nhật tọa độ tựđộng bằng phần mềm MapInfo 11.0.
Ngoài ra do bản đồđịa hình được xây dựng từ năm 2006, sau 7 năm đã có sự thay đổi ở một số vùng phía tây thành phố Nha Trang do xây dựng các công trình. Việc đô thị hóa của thành phốđã xây dựng nhiều khu đô thị, kéo theo đó là việc san lấp mặt bằng để xây dựng công trình đã ảnh hưởng đến ngập cục bộ của các vùng này. Các khu đô thị được cập nhật thay đổi cao độ nền so với trước đây là khu đô thị Phước Long, Mỹ Gia, Vĩnh Điềm Trung, Nam Sông Cái, tăng cao độ nền thêm từ 1,5 - 2,0m. Những thay đổi cao độ địa hình tại các khu đô thị được cập nhật bổ sung trên nền bản đồđịa hình và sử dụng để tính toán số liệu đầu vào cho mô hình.
* Mặt cắt
Các mặt cắt được đo tại vị trí sông cong, lòng sông bị biến đổi nhiều, có sự thay đổi về thủy lực. Trên lưu vực sông Cái Nha Trang được bố trí 32 mặt cắt ngang, trong đó 3 mặt cắt trùng với trạm đo lưu lượng, 4 mặt cắt trùng với trạm đo mực nước kiểm tra và 2 mặt cắt tại cửa ra trùng với trạm đo thủy triều. Mặt cắt được dẫn cao độ Quốc gia, đã được kiểm tra thẩm định và kế thừa từ dự án “Lập bản đồ lưu vực sông Dinh Ninh Hòa và sông Cái Nha Trang” do Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Nam Trung Bộ thực hiện năm 2010. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Các mặt cắt ngang sông được bố trí trên sông Thác Ngựa, sông Chò, sông Cái, sông Suối Dầu và sông Quán Trường trên lưu vực sông Cái Nha Trang. Ngoài ra còn xác định thêm các mặt cắt ở mương Bầu Sấu, sông Tháo và sông Tắc để mô phỏng phù hợp với thực tế. Ngập lụt ở vùng hạ lưu do sông Cái Nha Trang và sông Suối Dầu gây ra vì vậy mặt cắt của trên các sông này có vai trò rất quan trọng trong mô hình, đối với mương Bầu Sấu, sông Tháo và sông Tắc không gây ngập lụt nhưng lại ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình thoát lũ.
Các số liệu mặt cắt đo từ năm 2010, đến nay tại một số đoạn sông đã có sự thay đổi của việc xây dựng các công trình thủy lợi. Xác định vị trí thay đổi do xây dựng kè ở khu vực thị trấn Diên Khánh và thành phố Nha Trang để đo lại mặt cắt ngang. Vùng hạ lưu sông Cái Nha Trang có 03 mặt cắt được đo lại và đo thêm 02 mặt cắt vào giữa năm 2013 để kịp thời cập nhật sự thay đổi. Ngoài ra do dự án chỉnh trị sông Tắc và sông Quán Trường đã xây dựng kè 2 bờ bằng đá hộc với mặt
cắt được mở rộng gấp khoảng 3 lần trước đây và cao trình bờ sông được nâng cao gấp khoảng 2 lần. Sông được chỉnh trị ngắn và thẳng hơn trước đã tăng khả năng thoát lũ cho phía tây thành phố Nha Trang. Những thay đổi do chỉnh trị sông Tắc và sông Quán Trường được cập nhật dựa trên hồ sơ thiết kế thi công và bản đồ quy hoạch của dự án này (hình 42 - phụ lục).
Hình 4. Tính toán các yếu tố mặt cắt ngang
Hình 5. Phân bố các mặt cắt ngang trên hệ thống sông Cái Nha Trang
Mỗi mặt cắt ngang được tính toán các yếu tố về độ sâu, cao trình đáy sông, chiều ngang sông ứng với các mức độ sâu khác nhau, hệ số nhám lòng sông. Mặt
cắt ngang tính cho từng ô lưới có sông chảy qua, đối với ô lưới không được đo mặt cắt thì nội suy và ngoại suy từ các ô lưới có số liệu đo.
* Số liệu công trình
Các công trình giao thông thủy lợi ảnh hưởng đến diễn biến ngập lụt ở hạ lưu vì vậy cần phải nhập dữ liệu công trình vào mô phỏng ngập lụt. Dữ liệu công trình bao gồm cao độ của đường giao thông, đập tràn, thông số của cống ngầm…. Các dữ liệu này được đo đạc ở ngoài thực địa, hồ sơ kỹ thuật các công trình và trên bản đồ số hóa. Các công trình được mô phỏng theo đường biên của các ô lưới, cao độ công trình sẽ quyết định đến việc lượng nước tràn từ ô này sang ô khác. Cao độ của một đường giao thông trên thực tếở các đoạn đường khác nhau không cùng một trị số, số điểm cao độ của đường giao thông trên bản đồ là không nhiều, chính vì vậy cần phải bổ sung thêm cao độ từ các hồ sơ kỹ thuật xây dựng và điều tra khảo sát thực địa. Các công trình ảnh hưởng đến quá trình ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang bao gồm đường Quốc lộ 1A, đường sắt, đường 23 tháng 10. Các đường liên huyện, liên xã và đường làng ít ảnh hưởng, có những đoạn đường không ảnh hưởng đến quá trình ngập lụt. Những đường và đoạn đường không ảnh hưởng đến ngập lụt là những đường và đoạn đường có cao trình thấp hơn cao độ vùng đất hai bên đường. Các con đường ảnh hưởng nhiều đến ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang có cao trình từ 4,5 đến 5,0 m và cao hơn vùng đất hai bên đường từ 0,5 đến 2,5 m. Đường Quốc lộ 1A và đường sắt chạy theo hướng bắc - nam nên ảnh hưởng rất nhiều đến thoát lũ hạ lưu, gây ngập lụt sâu về phía thượng lưu các con đường này. Đối với đường 23 tháng 10 ảnh hưởng đến việc trao đổi nước giữa sông Cái Nha Trang và sông Quán Trường. Trên các con đường này có nhiều cầu cống bắc qua các kênh, mương và sông nhỏ, đáng chú nhất là cầu Lùng trên Quốc lộ 1A không bắc qua sông mà qua một cái hồ nhỏ và có ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình thoát lũ hạ lưu sông Cái Nha Trang. Khi lũ trên sông Cái lớn hơn sông Suối Dầu thì lượng nước trên sông Cái tràn chảy ngược vào sông Suối Dầu khiến mực nước phía tây nam thị trấn Diên Khánh dâng cao lúc đó sẽ có lượng nước đáng kể qua cầu Lùng xuống phía hạ lưu đường Quốc lộ 1A và nhập vào sông Quán Trường. Các cầu lớn khác ít
ảnh hưởng đến quá trình ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang như cầu Phú Cốc, cầu Sông Cái, cầu Suối Cát, cầu Hà Dừa, cầu Vĩnh Phương, cầu Bình Tân và cầu Trần