CÁC CÔNG C Ụ NGHIÊN CỨU PHỤC VỤ QUY HOẠCH PHÂN B Ổ TÀI NGUYÊN NƯỚC

5. N ỘI DUNG LUẬN VĂN

1.3. CÁC CÔNG C Ụ NGHIÊN CỨU PHỤC VỤ QUY HOẠCH PHÂN B Ổ TÀI NGUYÊN NƯỚC

Trong quy hoạch phân bổ tài nguyên nước có nhiều công cụ được sử dụng để trợ giúp việc ra quyết định. Trong số đó các công cụ mô hình toán được sử dụng phổ biến, trong đó có mô hình mưa dòng chảy và mô hình cân bằng nước lưu vực.

13

Hình 1.1: Sơ đồ hướng tiếp cận quy hoạch phân bổ tài nguyên nước 1.3.1. Mô hình mưa – dòng chảy

Mưa là một quá trình đóng vai trò chính trong sự hình thành dòng chảy trên lưu vực. Lượng mưa và quá trình mưa quyết định lưu lượng và quá trình dòng chảy.

Trên địa bàn tỉnh Bắc Giang do mạng lưới trạm quan trắc thủy văn còn thưa, vì vậy cần sử dụng thêm mô hình toán mưa dòng chảy để xác định dòng chảy phục vụ cho bài toán phân bổ tài nguyên nước.

Khi thiếu tài liệu việc tính toán thuỷ văn sẽ trở nên không chính xác sẽ ảnh hướng đến việc đánh giá đúng tài nguyên nước của lưu vực từ đó sẽ dẫn đến việc đưa ra phương án khai thác và sử dụng nguốn nước không hợp lý, gây ra những thiệt hại đến sự phát triến kinh tế xã hội của khu vực đó.

14

Có rất nhiều cách để kéo dài và bổ sung tài liệu, ngày nay khi khoa học công nghệ phát triển việc sử dụng mô hình toán kéo dài tài liệu dòng chảy từ số liệu mưa đang mang lại nhưng hiệu quả đáng kể và được cả thế giới áp dụng. Như mô hình Tank, Nielsen, Coren – Cusmen… và các mô hình toán thống kê khác.

Hiện nay, trong các mô hình tính toán dòng chảy từ số liệu mưa, mô hình Tank sử dụng kiểu bể chứa tuyến tính được coi là đơn giản, dễ sử dụng và cho kết quả phù hợp hơn cả. Mô hình Tank là mô hình toán cho phép kéo dài tài liệu dòng chảy từ tài liệu mưa và bốc hơi. Mô hình này có nhiều thông số nên việc tính toán theo mô hình đòi hỏi việc dò tìm bộ thông số hợp lý của mô hình cho lưu vực nghiên cứu

Mô hình Tank là mô hình nhận thức và tất định. Mô hình do Surawara ( Nhật) đưa ra từ năm 1956 và tới nay đã được tác giả cải tiến nhiều lần, được thế giới công nhận là một mô hình ứng dụng cho kết quả tốt.

Mô hình Tank có hai loại Tank đơn và Tank kép. Tank đơn thích hợp với các lưu vực vừa và nhỏ nằm trong vung ẩm ướt như ở nước ta. Trong phạm vi luận văn chỉ nghiên cứu mô hình Tank đơn.

Mô hình coi lưu vực sông như là một dãy bể chứa xếp theo chiều thẳng đứng. Bể thứ nhất mô tả lớp đất mặt nên có thêm cơ cấu truyền ẩm, còn từ bể thứ hai trở đi có cấu tạo tương tự nhau. Về nguyên tắc có thể chọn số bể chứa tuỳ ý nhưng thường chỉ chọn 3 hay 4 bể chứa là đủ. Có khi chỉ chọn 2 bể chứa, nhưng bao giờ cũng phải có bể chứa thứ nhất.

a) Bể thứ nhất:

Bể thứ nhất mô phỏng độ ẩm của lớp đất phía trên, có độ dày từ mặt đất đến độ sâu nào đó, sao cho khi mặt đất khô đi do bốc hơi thì lượng nước từ dưới sâu có thể truyền lên mặt đất phía trên theo mao dẫn.

Bể thứ nhất có hai lớp, đây là một phát hiện độc đáo của mô hình

15

TANK. Cách mô tả này vẫn tuân theo nguyên tắc của bể chứa là nước chỉ đi từ bể chứa phía trên xuống bể chứa phía dưới, không xảy ra trường hợp nước từ bể chứa phía dưới đi lên bể chứa phía trên. Thực tế vẫn xảy ra hiện tượng truyền ẩm từ lớp đất sâu lên lớp đất trên mặt, mô hình TANK đưa ra loại bể chứa đặc biệt, có hai lớp (bể thứ nhất) để mô tả hiện tượng này. Lớp sát mặt đất ký hiệu là AR1R, và lớp đất dưới sâu ký hiệu là AR2R, lớp AR1Rbiểu thị độ ẩm ở mặt đất và lớp AR2R biểu thị độ ẩm của lớp đất dưới mặt đất nhưng vẫn có liên hệ với lớp đất phía trên mặt.

Giả sử có lượng mưa XRmR mm/ngày rơi xuống bể A sẽ tạo ra lượng nước ngấm xuống lớp đất dưới sâu hơn: A2 tính theo công thức:



 



 − +

=

2 2 0

1 . 1

A A

C C X C T

Trong đó:

CR0R, C : là các hằng số. YRA3

X RA2R: lượng ẩm hiện có ở lớp AR2R HRA3RYRA2 CRA2R: lượng ẩm bão hòa ở lớp AR2R XRAR YRA1

Lớp nước tự do còn lại ở bể A là: HRA1R HRA2

XRAR = XRAoR + XRMR - E - TR1

Hình 1.2: Bể chứa thứ nhất

Nếu lớp nước tự do trên bể ARRcao hơn ngưỡng tràn: XRAR > HR1AR thì sinh ra dòng chảy mặt. Ngược lại khi lớp nước tự do trên bể A thấp hơn ngưỡng tràn: XRAR < HR1AR YRAd Rkhi đó lượng mưa chưa đủ thấm ướt điền trũng nên lượng

16

dòng chảy tràn trên mặt đất bằng không.

Bể thứ nhất được đặt từ 1 đến 3 cửa ra có các ngưỡng tràn tương ứng các độ cao: HR1AR, HR2AR và HR3A

- Khi XRAR > HR1AR , YR1AR = ( XRA R- HR1AR). αRA1R, khi XA < HR1ARthì lấy YR1AR = 0 - Nếu XRAR > HR2AR , YR2AR = ( XRAR - HR2AR). αRA2,R khi YR2AR < 0 thì lấy YR2AR = 0 Lớp nước tự do còn lại ở bể A là: XRAR = XRAoR + XRMR - E - TR1R - YR1AR - YR2A

- Nếu XRAR > HR3A R YR3AR = ( XRA R- HR3AR).αRA3

- Khi YR3AR < 0 thì lấy YR3AR = 0

αRAiR: RRLà hệ số của dòng chảy <1 và là thông số của mô hình Lớp nước tự do còn lại ở bể A là: XRAR = XRAoR + XRMR - E - T1 - YR1A

- Nếu XRA R> HR2AR , YR2AR = ( XRAR - HR2AR). αRA3

- Khi YR2AR < 0 thì lấy YR2A R= 0

Lớp nước tự do còn lại ở bể A là: XA = XAo + XM - E - T1 - YR1A R- YR2A

- Nếu XRAR > HR3AR , YR3A R= ( XRAR - HR3AR). αRA3

- Khi YR3AR < 0 thì lấy YR3AR = 0

Lớp nước tự do còn lại ở bể A là: XRAR = XRAoR + XRMR - E - TR1R - YR1AR - YR2AR - YR3A

Dòng chảy xuống bể B phía dưới cũng được coi là tỷ lệ thuận với lớp nước tự do trên bể A: YRAdR = αRAđR. XRA

Dòng chảy ra khỏi bể A là: YRAR = YR1AR + YR2AR + YR3AR + YRAd

Mực nước ở bể A vào cuối ngày thứ nhất là: XRAR = XRAoR - E - TR1R +XRMR - YRAR - YRAd

Thực ra quá trình bay hơi, thấm xuống lớp đất dưới, và sinh ra dòng chảy tràn trên mặt đất, dòng chảy xuống lớp đất sâu hơn xảy ra đồng thời. Các giá trị độ sâu lớp nước tự do ở bể A: XRARphải là trung bình cộng của hai giá trị tại đầu và cuối thời đoạn tính toán, như vậy sẽ phải tính lặp, để tránh tính lặp người ta coi độ sâu lớp nước tự do ở bể A trong thời đoạn t bằng giá trị tại đầu thời đoạn. Điều này chỉ đúng khi thời đoạn ngắn.

17

Cách liên tục điều chỉnh giá trị XRAR như trên chỉ để hạn chế sai số khi thời đoạn tính toán dài. Trường hợp không có mưa: XRMR = 0, sau một số thời đoạn tính toán, lớp nước tự do trên bể A sẽ cạn dần. Đầu tiên là dòng chảy tràn trên mặt đất sẽ chấm dứt khi khi lớp nước tự do trên bể A hạ xuống tới mức bằng hay thấp hơn ngưỡng tràn thấp nhất: XRAR <HR1AR. Sau đó lớp nước tự do trên bể A tiếp tục cạn đi vì lượng nước mất đi do bốc hơi: E, vì lượng nước mất đi do truyền ẩm xuống phía dưới T1 và lượng nước mất đi do truyềnxuống tầng đất sâu hơn, làm cho độ sâu lớp nước tự do trên bể A giảm tới số không: XRAR = 0. Khi đó dòng chảy qua cửa đáy chấm dứt YRAdR = 0. Khi lớp nước tự do trên bể A đã cạn hết: XRAR = 0, lớp đất phía trên AR1Rsẽ bị khô đi do bốc hơi. Lượng ẩm trong lớp đất phía trên AR1 Rsẽ chuyển từ mức bão hoà độ ẩm CRA1Rsang mức thiếu hụt ẩm XRA1

Khi lớp đất phía dưới AR2R lại truyền ẩm ngược lên lớp A1 theo tốc độ:

TR2R = bR0R+b(1-XRA1R/CRA1R) Trong đó: bR0R, b là các hằng số

XRA1R: là lượng ẩm hiện có trong lớp đất phía trên AR1

CRA1R: là lượng ẩm bão hòa trong lớp đất phía trên AR1

Cân bằng ẩm trong lớp đất phía trên AR1R là:

XRA1R[i] = XRA1R[i-1] - E[i] +TR2R[i] - TR1R[i]

Cân bằng ẩm trong lớp đất phía dưới AR2R là:

XRA2R[i] = XRA2R[i-1] - TR2R[i] + T1[i]

Cuối cùng lớp nước tự do còn lại trong bể ARlR:

XRAR [I] = XRAR[I-1] - E[I] - TR1R[I] +XRMR[I] - YRAR[I] - YRAdR[I]

Tới khi XRAR [I] < HR1Rthì dòng chảy tràn trên mặt đất chấm dứt, các thành phần YRA1R, YRA2R, YRA3R = 0 chỉ còn truyền ẩm xuống lớp đất phía dưới TR1R[I] dòng chảy qua cửa đáy YRAdR[I] và bay hơi E[I].

Nói cách khác, nếu mưa ngừng lại, lớp nước tự do trên mặt đất sẽ cạn

18

dần, khi lớp nước tự do trên mặt đất thấp hơn ngưỡng thấp nhất để sinh dòng chảy tràn thì thì dòng chảy tràn trên mặt đất chấm dứt, lúc đó lớp nước tự do còn lại được coi là lớp nước điền chỗ trũng, không sinh dòng chảy. Nếu các thời đoạn tiếp theo vẫn không có mưa bổ sung thêm thì:

XRAR [I] = XRAR[I-1] - E[I] - TR1R[I] - YRAdR[I]

Cho tới khi lớp nước tự do trên mặt đất cạn hết: XRAR = 0 thì dòng chảy qua cửa đáy xuống các bể phía dưới cũng chấm dứt: YRAdR = 0 và lớp đất phía trên AR1Rbắt đầu khô.

XRA1R[i] = XRA1R[i-1] - E[i] +TR2R[i] - TR1R[i]

Vì XRA1R[i] là lượng ẩm của lớp đất phía trên nên kết quả tính toán không nhận giá trị âm. Khi tính ra XRA1R[i] < 0 thì lấy XRA1R[i] = 0 và đương nhiên lượng bốc hơi E[i] > 0 chỉ còn là "khả năng bốc hơi", nếu lớp đất phía trên đã khô thì lớp đất phía dưới AR2R sẽ truyền ẩm lên lớp đất phía trên AR1 Rdo sự truyền ẩm này lớp đất phía dưới AR2 Rcũng bắt đầu khô.

XAR2R[i] = XRA2R[i-1] - TR2R[i] + TR1R[i]

Nhận được lượng ẩm T2[i] lớp đất phía trên A1 sẽ ẩm hơn XRA1R[i] = XRA1R[i-1] + TR2R[i] - E[i] - TR1R[i]

Nhưng lượng ẩm của lớp đất phía trên XRA1R[i] không thể vượt quá lượng ẩm bão hoà. Nếu XRA1R[i] > CRA1R. thì lấy XRA1R[i] = CRA1Rvà tính lại lượng ẩm truyền từ lớp đất phía dưới lên:

TR2R = TR2R - ( XRA1R - CRA1R)

Khi cả hai lớp đất phía trên và lớp đất phía dưới AR1R, AR2Rđều không còn bão hoà ẩm cần tính cả TR1 Rvà TR2Rsau đó tính cân bằng ẩm cho từng lớp đất.

Tóm lại ở bể chứa thứ nhất có 13 thông số sau: αRA1,R αRA2R, αRA3R, αRAđR, C, Co, b, bo,HR1AR, HR2AR, HR3AR, CRA1R, CRA2R và thêm 1 hay 2 thông số tuỳ theo cách chọn công thức tính bốc hơi E. Ở thời đoạn tính toán đầu tiên cần chọn trước 15 thông số trên và chọn thêm 2 giá trị điều kiện đầu XRA1R[i-1], XRA2R[i-1]. Sau

19

mỗi thời đoạn tính toán phải tính toán cân bằng ẩm ở hai lớp đất AR1R, AR2R và cân bằng lớp nước tự do ở bể A.

b) Bể chứa thứ hai:

Từ bể chứa thứ hai đến bể chứa thứ n của mô hình TANK đều cấu tạo giống nhau. Các bể loại nμy chỉ có một cửa đáy và một cửa bên, không có cấu tạo truyền ẩm. Nói cách khác, từ bể chứa thứ hai trở đi, nước chỉ chảy từ bể trên xuống bể dưới chứ không chảy ngược từ bể dưới lên bể trên, cũng không xảy ra hiện tượng bay hơi ở các bể chứa phía dưới. Các thông số của bể chứa thứ hai là:

αRBR, HRBR, αRBdRvà lớp nước ban đầu có trong bể XRBRgọi là điều kiện đầu.

Cân bằng nước bể chứa thứ hai giai đoạn 1 là: XiB = XBI−1+YAdi

Nếu độ sâu lớp nước tự do trong bể chứa thứ hai cao hơn ngưỡng tràn:

XRBR > HRBR thì từ bể chứa này có một lớp dòng chảy đi ngầm dưới đất chảy vào sông: YRBR =. αRBR (XRB R- HRBR), ngược lại khi độ sâu lớp nước tự do trong bể chứa thứ hai thấp hơn ngưỡng tràn: XRBR < HRBRthì lớp dòng chảy ngầm dưới đất từ bể chứa thứ hai bằng không: YRBR=0; Phươngtrình cân bằng nước bể chứa thứ hai giai đoạn này là:

Hình 1.3: Bể chứa thứ hai

Khi độ sâu lớp nước tự do trong bể chứa thứ hai lớn hơn không, sẽ tồn tại lớp dòng chảy qua cửa đáy bổ sung cho tầng sâu hơn: αRBđR là các hệ số dòng chảy nhỏ hơn 1và là thông số của mô hình.

20

Phương trình cân bằng nước tại bể chứa thứ hai trong giai đoạn này là:

XRBRP i

P = XRBRP

i-1

P+ YA RđR - YRBR - YRBD

Tương tự từ bể chứa thứ ba cũng tính được lớp dòng chảy đi ngầm dưới đất chảy vào sông: YRCR = αCR.R (XRCR - HRCR), tính được lớp dòng chảy qua cửa đáy bổ xung cho tầng sâu hơn: YRCdR = αRCdR . XRCR, tính được lớp nước trong bể chứa thứ ba tại cuối thời đoạn tính toán (bể C ) là:

XRCRP i

P = XRCRP

i-1

P+ YRBDR – YRCR – YRCD

Dòng chảy ở cửa ra lưu vực bao gồm dòng chảy tràn trên mặt đất từ bể A, và dòng chảy ngầm dưới đất từ các bể chứa phía dưới:

YRTC R= YRA1 R+ YRA2 R+ YRA3R + YRBR + YRC R+ ...

Chú ý rằng mô hình TANK đơn quan niệm lưu vực là một dãy bể chứa xếp theo phương thẳng đứng nên chỉ có bể chứa thứ nhất phản ánh quá trình hình thành dòng chảy tràn trên mặt đất. Theo cách tính toán như trên, dòng chảy xảy ra cùng lúc với mưa, không có thời gian tập trung nước trên sườn dốc, không có thời gian chảy truyền trong mạng sông suối và cũng chưa mô phỏng quá trình trữ nước trong lưới sông. Để khắc phục sai sót này người ta đưa thêm vào mô hình một bể chứa điều tiết để phản ánh khả năng trữ nước trong mạng lưới sông và cộng thêm thời gian trễ để tạo ra sự chênh lệch thời gian từ đỉnh mưa tới đỉnh lũ, nhằm phản ánh thời gian chảy truyền trên sườn dốc và chảy truyền trong lưới sông.

c) Bể chứa điều tiết:

Bể chứa điều tiết có cấu tạo gần giống bể chứa thứ hai nhưng không có cửa đáy, chỉ có một cửa bên. Bể chứa điều tiết nhận nước từ tất cả các cửa bên của các bể chứa xếp theo phương thẳng đứng nên lượng nước đi vào bể chứa điều tiết không phải là lượng mưa mà là dòng chảy qua cửa bên của tất cả các bể chứa xếp theo phương thẳng đứng YRTCR, dòng chảy đi ra khỏi bể chứa điều tiết chính là dòng chảy ở cửa ra của lưu vực thuỷ văn:

YRdt R=αRdtR. (XRdtR - HRdtR)

21

Nếu độ sâu lớp nước tự do trong bể điều tiết cao hơn ngưỡng tràn: XRdtR

> HRdtRthì từ bể chứa này có một lớp dòng chảy đi vào sông:

YRdtR = αRdtR. (XRdtR - HRdtR)

Ngược lại khi độ sâu lớp nước tự do trong bể điều tiết thấp hơn ngưỡng tràn: XRBR <HRBRthì lớp dòng chảy đi vào sông bằng không: YRdtR = 0

Phương trình cân bằng nước viết cho bể chứa điều tiết tại cuối thời đoạn tính toán là:

Hình 1.4: Bể chứa thứ 3 Dữ liệu đầu vào và đầu ra của mô hình TANK.

Đối với mô hình TANK tháng

- Dữ liệu đầu vào gồm: Lượng mưa tháng (XRthR), Lượng bốc hơi tháng (ERthR), Lưu lượng bình quân tháng thực đo (QRthđR).

- Dữ liệu đầu ra gồm: Lưu lượng bình quân tháng tính toán (QRthttR).

1.3.2. Mô hình cân bằng nước hệ thống

Tính toán cân bằng nước đóng vai trò quan trọng và có tính chất quyết định trong khi lập các phương án quy hoạch sử dụng nước cho một lưu vực sông hay một địa phương nào đó. Cân bằng nước sẽ xác định ra lượng nước được chia sẻ, phân bổ cho các ngành dùng nước trong trường hợp thiếu nước.

1.3.3.1. Các mô hình cân bằng nước hệ thống và khả năng ứng dụng a. Giới thiệu về mô hình cân bằng nước hệ thống sông

Mô phỏng một hệ thống bao gồm các sông, suối tự nhiên và các hệ

22

thống khai thác tài nguyên nước trên hệ thống qua nguyên lý cân bằng nước.

Hầu hết các mô hình cân bằng nước hệ thống đề đề cập khá đầy đủ các yếu tố có liên quan đến quá trình cân bằng nước tại các nút mà mô hình miêu tả như nút hồ chứa, nút hồ chứa kết hợp với nút thuỷ điện, nút cấp nước cho sinh hoạt, nút sử dụng nước cho hoạt động sản xuất nông nghiệp và công nghiệp

…Qua đó chúng ta nhận thấy rằng các mô hình này có thể đáp ứng được các yêu cầu đưa ra trong giai đoạn quy hoạch của bài toán quy hoạch phát triển tài nguyên nước.

Các thành phần của hệ thống bao gồm:

- Các lưu vực bộ phận

- Các đoạn sông (sông chính và sông nhánh)

- Các khu sử dụng nước bao gồm khu tưới, khu cấp nước sinh hoạt, công nghiệp và thuỷ điện

- Các công trình lấy nước như hồ chứa, đập dâng, trạm bơm…

Mô hình sẽ mô phỏng tính toán cân bằng nước từ thượng lưu đến hạ lưu trong đó tính toán nguồn nước đến các lưu vực bộ phận, nhập lưu địa phương, xem xét việc sử dụng nước trong các khu dùng nước và thông qua cân bằng nước tính toán dòng chảy tại các nút từ thượng lưu đến hạ lưu với thời đoạn tính toán là tháng từ đó ta có chuỗi dòng chảy tháng của các nút tính toán trên đoạn sông.

Thay đổi các điều kiện đầu vào khác nhau như nguồn nước đến, nhu cầu sử dụng nước của các ngành …thì mô hình có thể tính toán được theo các phương án khác nhau và kết quả sẽ được quá trình biến đổi dòng chảy trong sông ở hạ du phục vụ bài toán quy hoạch quản lý

b. Một số mô hình cân bằng nước hệ thống sông Mô hình MITSIM

Mô hình MITSIM do viện kỹ thuật Massachusets xây dựng năm 1977-

23

1978. Đây là mô hình mô phỏng một công cụ để đánh giá , định hướng quy hoạch và quản lý lưu vực sông. Mục đích của mô hình là đánh giá về mặt thuỷ văn và kinh tế của các phương án khai thác nước mặt. Đặc biệt mô hình có thể đánh giá những tác động của các phương án khai thác của hệ thống tưới, hồ chứa, nhà máy thủy điện, cấp nước sinh hoạt và công nghiệp tại nhiều vị trí khác nhau theo trình tự thực hiện trong phạm vi lưu vực.

Mô hình có thể đánh giá tác động về mặt kinh tế đối với việc khai thác tài nguyên nước thông qua các chỉ tiêu kinh tế. Mô hình cũng cho biết hiệu ích đầu tư khai thác cho từng lưu vực nhỏ trong lưu vực lớn cũng như các công trình trong khai thác tài nguyên nước.

Vai trò quan trọng nhất của mô hình là đánh giá các phương án khai thác tài nguyên nước trong lưu vực sông. Thực tế cho thấy, hoạt động của các công trình thuỷ lợi có thể biểu diễn dưới hàm phi tuyến, vì vậy khó có thể dùng các mô hình tổi ưu để tìm kết quả hoạt động của hệ thống.

Đầu vào của mô hình là các số liệu thủy văn và nhu cầu nước, thông qua vận hành các hệ thống công trình sẽ cho kết quả tương ứng.

Kết quả nghiên cứu theo mô hình có thể đáp ứng những vấn đề sau:

- Thực hiện nhiều phương án khai thác tài nguyên nước trong thời gian ngắn.

- Cân đối và lựa chọn các phương án khai thác với các mục tiêu khác nhau : phát điện, cấp nước tưới, sinh hoạt...

- Lựa chọn các quy tắc điều phối hồ chứa

- Lựa chọn các biện pháp khai thác nguồn nước - Lựa chọn quy mô khu tưới có lợi

Mô hình MITSIM có hạn chế là bộ nhớ chỉ mô tả được 100 nút, 35 nút hồ chứa, 20 nút khu tưới trong đó không có nút phân lưu. Tổ chức cập nhật số liệu còn cứng nhắc vì vào trực tiếp trên file theo format định sẵn. Chưa sử dụng menu vào điều hành chương trình, chưa áp dụng kỹ thuật đồ hoạ vào lập