CHƯƠNG 2: THIẾT LẬP BÀI TOÁN VÀ LỰA CHỌN CÁC MÔ HÌNH MÔ PH ỎNG PHÙ HỢP VỚI MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN
2.2. PHÂN TÍCH, L ỰA CHỌN CÔNG CỤ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG
Trong nghiên cứu các quá trình thủy lực, thủy văn ta gặp ba loại mô hình hóa chủ yếu sau đây: mô hình vật lý, mô hình tương tự điện và mô hình toán học. Mô hình vật lý khôi phục và dự báo bức tranh thủy lực theo tỷ lệ thu nhỏ của vùng nghiên cứu. Để có được một mô hình vật lý, chúng ta phải đầu tư rất nhiều thời gian, kinh phí và địa điểm xây dựng. Mô hình tương tự điện cũng cho bức tranh thủy lực nhưng trong một phạm vi hẹp hơn và thường là cho từng công trình cụ thể nhờ sự tương tự giữa các phương trình mô tả dòng điện, các phương trình mô tả dòng chảy và chủ yếu sử dụng cho các bài toán thấm. Hai loại mô hình này ít mềm dẻo và khá tốn kém, còn mô hình toán nhờ tính mềm dẻo và kinh tế, nó thích ứng cho nhiều bài toán với các kích cỡ khác nhau, điều kiện khác nhau, thời gian khác
nhau và đặc biệt là với các bài toán về quy hoạch và thiết kế ta có thể thay đổi phương án một cách dễ dàng.
Trong những năm gần đây, nhờ sự hoàn thiện của các thế hệ máy tính, đặc biệt là máy tính cá nhân, công nghệ thông tin và công nghệ thông tin địa lý (GIS), mô hình toán học đã là một công cụ đắc lực cho các nhà quy hoạch và quản lý nguồn nước. Với sự bùng nổ của khoa học và công nghệ trên toàn thế giới mà nước ta không là ngoại lệ, việc sử dụng mô hình toán trong các bài toán thực tế giúp rút ngắn thời gian, giảm bớt công sức và tiền của mà kết quả tính toán vẫn đạt được độ chính xác cần thiết. Việc lựa chọn mô hình từ những mô hình hiện có phục vụ cho bài toán vận hành liên hồ chứa phụ thuộc vào một số yếu tố sau:
+ Phù hợp với mục đích.
+ Có khả năng thương mại và giá cả.
+ Linh hoạt và dễ sử dụng.
Do đó bộ mô hình phải đáp ứng được các yêu cầu tối thiểu sau:
Tính toán quá trình dòng chảy trên các tiểu lưu vực từ số liệu mưa.
Mô phỏng mực nước, lưu lượng dòng chảy trên hệ thống sông.
Mô phỏng hoạt động của các hồ chứa chính phục vụ cho cấp nước, thủy điện,...
Xem xét xu hướng của lượng mưa và dòng chảy trong lưu vực do sự thay đổi khí hậu gây ra.
Có khả năng mô phỏng các tác động của các phương án vận hành hồ đối với dòng chảy sông.
Cho ra nhiều loại kết quả, chuỗi thời gian về dòng chảy sông và đường quá trình lưu lượng, mực nước.
Mô hình cho phép trình bày bằng đồ họa hoặc bảng biểu các kết quả mô hình kết hợp. Khuôn thức phải linh họat cho phép thực hiện các thao tác xuất khẩu dữ liệu hoặc kết nối với các phần mềm khác, ví dụ: phần mềm
sọan thảo văn bản.
Mô hình có thể chạy tốt trên máy vi tính có dung lượng hạng trung bình vận hành trên hệ điều hành Windows XP.
Mô hình có thể kiểm tra các dữ liệu đã được thu thập về mặt lịch sử.
Mô hình đã được nhiều đơn vị trong nước và nước ngoài sử dụng cho lưu vực nghiên cứu.
Căn cứ theo các tiêu chí nêu trên và tình hình ứng dụng các mô hình toán trong nghiên cứu ở Việt Nam những năm gần đây, luận văn lựa chọn các mô hình tính toán vận hành liên hồ chứa lưu vực sông Đồng Nai – Sài Gòn mùa cạn bao gồm:
1. Tính toán lưu lượng gia nhập khu giữa bằng mô hình NAM.
2. Mô phỏng các kịch bản vận hành hệ thống hồ chứa bằng mô hình Hec- Ressim.
3. Mô hình MIKE 11
2.3. TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH ĐƯỢC CHỌN 2.3.1. Mô hình NAM
Nguồn gốc, xuất xứ của mô hình:
Mô hình NAM được viết tắt từ chữ Đan Mạch Nedbor – Afstromming - Model, nghĩa là mô hình mưa - dòng chảy. Mô hình NAM thuộc loại mô hình tất định, thông số tập trung, và là mô hình mô phỏng liên tục. Mô hình NAM hiện nay được sử dụng rất nhiều nơi trên thế giới và gần đây cũng hay được sử dụng ở Việt Nam. Đây là mô hình quan niệm, mô tả đặc tính vật lý của lưu vực, trên cơ sở đó tính toán dòng chảy từ mưa. NAM là mô đun trong bộ phần mềm MIKE do Viện Thủy lực Đan Mạch DHI phát triển. Điểm mạnh của mô hình là có một giao diện rất thuận tiện, kết nối với GIS và có chức năng tự động hiệu chỉnh thông số của mô hình. Nam là mô hình thông số tập trung, thông số và biến số trình bày giá trị trung bình cho toàn bộ lưu vực.
Kết quả thông số cuối cùng được xác định dựa trên so sánh giữa dòng chảy tính toán và dòng chảy thực đo. Sau khi kết thúc quá trình mô phỏng, NAM sẽ cung cấp đầu vào cho mô hình Hec-Ressim.
Cấu trúc của mô hình:
Mô hình NAM là mô hình thuỷ văn mô phỏng quá trình mưa – dòng chảy diễn ra trên lưu vực. Là một mô hình toán thủy văn, mô hình NAM bao gồm một tập hợp các biểu thức toán học đơn gian để mô phỏng các quá trình trong chu trình thuỷ văn. Mô hình Nam là mô hình nhận thức, tất định, thông số tập trung. Đây là một mođun tính mưa từ dòng chảy trong bộ phần mềm thương mại MIKE 11 do Viện Thủy lực Đan Mạch xây dựng và phát triển.
Hình 2. 2:Sơ đồ mô phỏng cấu trúc mô hình NAM
Mô hình NAM mô phỏng quá trình mưa – dòng chảy một cách liên tục thông qua việc tính toán cân bằng nước ở bốn bể chứa thẳng đứng, có tác dụng qua lại lẫn nhau để diễn tả các tính chất vật lý của lưu vực. Các bể chứa đó gồm:
Bể tuyết (chỉ áp dụng cho vùng có tuyết)
Bể mặt
Bể sát mặt hay bể tầng rễ cây
Bể ngầm
Dữ liêu đầu vào của mô hình là mưa và bốc hơi tiềm năng. Kết quả đầu ra của mô hình là dòng chảy trên lưu vực, mực nước ngầm, và các thông tin khác trong chu trình thuỷ văn, như sự thay đổi tạm thời của độ ẩm của đất và khả năng bổ xung nước ngầm. Dòng chảy lưu vực được phân một cách gần đúng thành dòng chảy mặt, dòng chảy sát mặt, dòng chảy ngầm.
Mô hình NAM đơn bao gồm 9 thông số cần được hiệu chỉnh:
Bảng 2. 1: Các thông số hiệu chỉnh của mô hình NAM
Thông số mô hình Mô tả
LRmax
Lượng nước tối đa trong bể chứa tầng rễ cây. LRmaxRcó thể gọi là lượng ẩm tối đa của tầng rễ cây để thực vật có thể hút để thoat hơi nước.
URmax
Lượng nước tối đa trong bể chứa mặt. Lượng trữ này có thể gọi là lượng nước để điền trũng, rơi trên mặt thực vật, và chứa trong vài Cm của bề mặt của đất.
CQOF Hệ số dòng chảy mặt (0 ≤ CQOF ≤ 1). CQOF quyết định sự phân phối của mưa hiệu quả cho dòng chảy ngầm và thấm.
TOF
Giá trị ngưỡng của dòng chảy mặt (0 ≤ TOF ≤ 1). Dòng 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 ≤ TOF ≤ 1). Dòng chảy sát mặt chỉ được hình thành khi chỉ số ẩm tương đối của tầng rễ cây lớn hơn TIF.
TG
Giá trị ngưỡng của lượng nước bổ sung cho dòng chảy ngầm (0
≤ TOF ≤ 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.
CKIF
Hằng số thời gian của dòng chảy sát mặt. CKIF cùng với Umax quyết định dòng chảy sát mặt. Nó chi phối thông số siễn toán dòng chảy sát mặt CKIF >> CK12.
CK12
Hằng số thời gian cho diễn toán dòng chảy mặt và sát mặt.
Dòng chảy mặt và dòng chảy sát mặt được diễn toán 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
Thông số mô hình Mô tả
chứa ngầm được tạo ra sử dụng mô hình bể chứa tuyến tính với hằng số thời gian CKBF.
Ưu điểm của mô hình:
Bao gồm chương trình nạp lại nước ngầm.
Đơn giản dễ sử dụng.
Liên kết trực tiếp với Mike Basin và Mike 11.
Phù hợp với điều kiện ở Việt Nam.
Việc phát triển hiện nay được DHI đảm bảo.
Kết nối với cơ sở dữ liệu chung và hệ thống thông tin địa lý GIS.
Liên kết tốt với các chương trình DHI khác.
Có thể tích hợp trong một hệ thống ra quyết định.
Có thể chuyển đổi với các mô hình khác như HEC, ISIS.
2.3.2. Mô hình Hec-ResSim
Nguồn gốc, xuất xứ của mô hình:
Hec-ResSim là mô hình mô phỏng hệ thống hồ chứa của Trung tâm Kỹ thuật Thủy văn (HEC), Cục Công binh Mỹ. Đây là dạng mô hình mô phỏng hệ thống diễn toán dòng chảy sông ngòi theo trình tự từ thượng lưu xuống hạ lưu. Mô hình có thể mô phỏng một hoặc nhiều hồ chứa làm nhiệm vụ phòng lũ, cấp nước, phát điện, v.v.. Các yêu cầu về nước có thể được chỉ định tại hồ và tại vị trí ở hạ du (gọi là các điểm kiểm soát). Các yêu cầu về nước có thể được đáp ứng từ một hoặc nhiều hồ chứa ở thượng lưu dựa trên dữ liệu đầu vào. Việc vận hành hệ thống hồ chứa để đáp ứng yêu cầu về nước được thực hiện thông qua các ràng buộc về điều kiện vật lý, các mực nước và dung tích đặc trưng của hồ chứa, các quy tắc vận hành, ...
Hình 2. 3:Giao diện khi khởi động mô hình Hec-ResSim
Cấu trúc mô hình:
Mô hình Hec-ResSim được cấu tạo bởi 3 mô đun chính:
- UMôđun thiết lập lưu vực (Watershed Setup)U:
Người sử dụng có thể thiết lập và định nghĩa lưu vực nghiên cứu cho các ứng dụng khác nhau thông qua môđun này. Một lưu vực được định nghĩa bao gồm: hệ thống sông suối, các công trình thủy lợi (hồ chứa, đập, kênh dẫn...) và vùng bị ảnh hưởng ngập lụt ... Trong môđun này các hạng mục công trình được miêu tả bởi các tính chất vật lý. Ngoài ra người sử dụng có thể nhập một bản đồ từ ngoài vào để thiết lập một lưu vực mới.
- UMôđun mạng lưới hồ (Resevoir Network)U:
Trong môđun này, dựa vào một sườn chung đã xác định ở môđun thiết lập lưu vực để hoàn chỉnh hệ thống mạng lưới hồ chứa. Trong môđun này các nút, các đoạn sông, mạng lưới công 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 mô tả tính chất vật lý, vận hành của các yếu tố, và các phương án tính toán của bài toán cũng được khai báo trong môđun này. 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 toán bao gồm: khai báo cấu hình (định hình hệ thống), mạng lưới hồ, tập hợp các phương án vận hành, điều kiện ban đầu, chuỗi số liệu đầu vào của từng phương án.
- UMôđun mô phỏng (Simulation)U:
Quá trình mô phỏng hệ thống hồ chứa, các tính chất của hệ thống và tính toán theo các phương án đã định ở môđun mạng lưới hồ được thực hiện trong môđun này. Trước hết phải thiết lập một cửa sổ thời gian mô phỏng, bước thời gian tính toán, sau đó các thành phần của phương án tính toán sẽ được lựa chọn. Chúng ta cũng có thể thay đổi, chỉnh sửa các số liệu trong môđun này. Sau khi mô phỏng được thực hiện thì kết quả sẽ được hiển thị thông qua bảng hoặc biểu đồ, chuỗi số liệu kết quả được lưu trữ bằng một file dạng DSS.
Hình 2. 4:Sơ đồ cấu trúc mô hình Hec-ResSim
Ưu điểm của mô hình:
- Mô hình có giao diện đồ họa thân thiện với người sử dụng (GUI). Các thao tác sử dụng mô hình bao gồm nhập dữ liệu, điều chỉnh thông số, chạy mô hình, xuất kết quả ... đều có thể thực hiện một cách đơn giản.
- Mô hình cho phép mô phỏng đầy đủ các thông số và chức năng của hồ chứa đa mục tiêu.
- Mô hình được thiết kế để chạy cho tối đa là 40 hồ chứa, 80 điểm kiểm soát, 40 nhánh chuyển nước, 35 nhà máy, ...
- Thời đoạn tính toán rất linh hoạt có thể theo giờ, ngày, tuần, tháng
- Các phương pháp diễn toán dòng chảy trên sông gồm: phương pháp hệ số;
phương pháp Muskingum, phương pháp Muskingum-Cunge lòng dẫn 8 điểm, phương pháp Muskingum Cunge lòng dẫn lăng trụ, phương pháp Puls hiệu chỉnh, phương pháp SSARR, phương pháp R&D.
- Mô hình được thiết kế để có thể vận hành kiểm soát lũ cho các công trình có cửa hoặc không có cửa điều khiển. Các hồ chứa có cửa điều khiển được vận hành cho mỗi thời đoạn để phòng lũ cho hạ du và tháo dung tích kiểm soát lũ càng nhanh càng tốt mà không làm vượt mức dòng chảy tối đa ở một hoặc nhiều điểm dưới hạ du.
- Mô hình được thiết kế để phát điện đáp ứng yêu cầu về công suất đảm bảo do người sử dụng đưa ra. Khi người sử dụng không đưa ra yêu cầu về công suất bảo đảm thì mô hình sẽ tối đa hóa sản lượng điện phát hàng năm. Mô hình cũng có thể mô phỏng các công trình tích năng.
- Đặc điểm nổi bật của mô hình là vận hành hệ thống hồ chứa. Mô hình có thể vận hành hệ thống hồ chứa làm nhiệm vụ cấp nước, phòng lũ và phát điện dựa trên các mức cân bằng dung tích của hệ thống hồ chứa. Phương pháp mặc định của mô hình là phương pháp Ẩn cho phép vận hành hệ thống hồ chứa theo tỉ lệ dung tích tương đương. Ngoài ra mô hình cho phép người sử dụng điều chỉnh mức cân bằng dung tích (phương pháp Hiện) theo ý muốn.
- Mô hình quản lý dữ liệu vào và ra trong cơ sở dữ liệu HEC-DSS vì vậy có tính liên thông với mọi phần mềm thủy văn, thủy lực họ HEC và các phần mềm của khác.
Các quy tắc điều khiển hồ chứa:
Kế hoạch điều hành của hầu hết hồ chứa được mô tả bằng đường mực nước mục tiêu thay đổi theo mùa còn gọi là Guide Curve (đường điều phối). Phần dung tích hồ chứa nằm phía trên đường này thường là dung tích phòng lũ. Dung tích phía dưới đường này gọi là dung tích hữu ích.
Việc xác định lưu lượng xả ra khỏi hồ chứa khi đó được dựa vào mực nước hiện tại có quan hệ thế nào với đường điều phối. Trong điều kiện cơ bản, nếu mực
nước nằm dưới đường điều phối, khi đó mục tiêu cơ bản của người điều phối là giảm lưu lượng xả nhằm tích đầy hồ; nếu mực nước hồ nằm trên đường điều phối, khi đó người điều hành sẽ tăng lưu lượng xả để giảm bớt mực nước hồ. Các mục tiêu và ràng buộc khác được áp dụng tạm thời như kế hoạch vận hành cứng nhắc.
2.3.3. Mô hình Mike 11
Nguồn gốc mô hình:
MIKE 11 do DHI Water & Environment phát triển, là một gói phần mềm dùng để mô phỏng dòng chảy/ lưu lượng, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát ở các cửa sông, sông, kênh tưới và các vật thể nước khác.
MIKE 11 là mô hình động lực một chiều và thân thiện với người sử dụng nhằm phân tích chi tiết, thiết kế, quản lý, vận hành cho sông cũng như hệ thống kênh dẫn đơn giản và phức tạp. Với môi trường đặc biệt thân thiện với người sử dụng, linh hoạt và tốc độ, MIKE 11 cung cấp một môi trường thiết kế hữu hiệu về kỹ thuật công trình, tài nguyên nước, quản lý chất lượng nước và các ứng dụng quy hoạch.
Mô-đun thủy động lực (HD) là một phần trọng tâm của mô hình MIKE 11 và hình thành cơ sở cho hầu hết các mô-đun bao gồm Dự báo lũ, Tải khuyếch tán, Chất lượng nước và các mô-đun vận chuyển bùn cát không, có cố kết.
Các công trình được mô phỏng trong MIKE 11 bao gồm:
- Đập ( đập đỉnh rộng, đập tràn).
- Cống (cống hình chữ nhật, hình tròn...) - Bơm
- Hồ chứa
- Công trình điều tiết - Cầu
Hệ phương trình Saint Venant và thuật toán trong mô hình thủy lực MIKE11.
a. Hệ Phương trình Saint Venant.
Hệ phương trình sử dụng trong mô hình là hệ phương trình Saint Venant, viết ra dưới dạng thực hành cho bài toán một chiều không gian, tức quy luật diễn biến của độ cao mặt nước và lưu lượng dòng chảy dọc theo chiều dài dòng sông/kênh và theo thời gian.
Hệ phương trình Saint Venant gồm hai phương trình: phương trình liên tục và phương trình động lượng:
Phương trình liên tục: