Cấu trúc mô hình NAM được xây dựng trên nguyên tắc các hồ chứa theo chiều thẳng đứng và các hồ chứa tuyến tính, gồm có 5 bể chứa theo chiều thẳng đứng như hình 2.12.
- Bể chứa tuyết tan được kiểm soát bằng các điều kiện nhiệt độ. Đối với điều kiện khí hậu nhiệt đới ở nước ta thì không xét đến bể chứa này.
- Bể chứa mặt: lượng nước ở bể chứa này bao gồm lượng nước mưa do lớp phủ thực vật chặn lại, lượng nước đọng lại trong các chỗ trũng và lượng nước trong tầng sát mặt. Giới hạn trên của bể chứa này được ký hiệu bằng Umax.
- Bể chứa tầng dưới: là vùng đất có rễ cây nên cây cối có thể hút nước cho bốc, thoát hơi. Giới hạn trên của lượng nước trong bể chứa này được ký hiệu là Lmax, lượng nước hiện tại được ký hiệu là L và tỷ số L/Lmax biểu thị trạng thái ẩm của bể chứa.
- Bể chứa nước ngầm tầng dưới.
Mưa hoặc tuyết tan đều đi vào bể chứa mặt. Lượng nước (U) trong bể chứa mặt liên tục cung cấp cho bốc hơi và thấm ngang thành dòng chảy sát mặt. Khi U đạt đến Umax, lượng nước thừa là dòng chảy tràn trực tiếp ra sông và một phần còn lại sẽ thấm xuống các bể chứa tầng dưới và bể chứa ngầm.
Nước trong bể chứa tầng dưới liên tục cung cấp cho bốc thoát hơi và thấm xuống bể chứa ngầm, lượng cấp nước ngầm được phân chia thành hai bể chứa: tầng trên và tầng dưới, hoạt động như các hồ chứa tuyến tính với các hằng số thời gian khác nhau. Hai bể chứa này liên tục chảy ra sông tạo thành dòng chảy cơ bản.
Dòng chảy tràn và dòng chảy sát mặt được diễn toán qua một hồ chứa tuyến tính thứ nhất, sau đó các thành phần dòng chảy được cộng lại và diễn toán qua hồ chứa tuyến tính thứ hai. Cuối cùng cũng thu được dòng chảy tổng cộng tại cửa ra.
1. Các thống số của mô hình NAM
Mô hình có các thông số cơ bản sau:
- CQOF: Hệ số dòng chảy tràn không có thứ nguyên, có phạm vi biến đổi từ 0.0 đến 0.9. Nó phản ánh điều kiện thấm và cấp nước ngầm. Vì vậy nó ảnh hưởng nhiều đến tổng lượng dòng chảy và đoạn cuối của đường rút. Thông số này rất quan trọng vì nó quyết định phần nước dư thừa để tạo thành dòng chảy tràn và lượng nước thấm. Các lưu vực có địa hình bằng phẳng, cấu tạo bởi cát thô thì giá trị CQOF tương đối nhỏ, ở những lưu vực mà tính thấm nước của thổ nhưỡng kém như sét, đá tảng thì giá trị của nó sẽ rất lớn.
- CQIF: Hệ số dòng chảy sát mặt, có thứ nguyên là thời gian (giờ)-1. Nó chính là phần của lượng nước trong bể chứa mặt (U) chảy sinh ra dòng chảy sát mặt trong một đơn vị thời gian. Thông số này ảnh hưởng không lớn đến tổng lượng lũ, đường rút nước.
- CBL: là thông số dòng chảy ngầm, được dùng để chia dòng chảy ngầm ra làm hai thành phần: BFU và BFL. Trường hợp dòng chảy ngầm không quan trọng thì có thể chỉ dùng một trong 2 bể chứa nước ngầm, khi đó chỉ cần CBFL=0, tức là lượng cấp nước ngầm đều đi vào bể chứa ngầm tầng trên.
- CKOF, CKIF: Là các ngưỡng dưới của các bể chứa để sinh dòng chảy tràn, dòng chảy sát mặt và dòng chảy ngầm, các thông số này không có thứ nguyên và có giá trị nhỏ hơn 1. Chúng có liên quan đến độ ẩm trong đất, khi các giá trị của ngưỡng này nhỏ hơn L/Lmax thì sẽ không có dòng chảy tràn, dòng chảy sát mặt và dòng chảy ngầm. Về ý nghĩa vật lý, các thông số này
phản ánh mức độ biến đổi trong không gian của các đặc trưng lưu vực sông. Do vậy, giá trị các ngưỡng của lưu vực nhỏ thường lớn so với lưu vực lớn. - Umax, Lmax: Thông số biểu diễn khả năng chứa tối đa của các bể chứa tầng
trên và tầng dưới. Do vậy, Umax và Lmax chính là lượng tổn thất ban đầu lớn nhất, phụ thuộc và điều kiện mặt đệm của lưu vực. Một đặc điểm của mô hình là lượng chứa Umax phải nằm trong sức chứa tối đa trước khi có lượng mưa vượt thấm, khi đó lượng nước thừa sẽ PN xuất hiện, tức là U< Umax. Do đó trong thời kỳ khô hạn, tổn thất của lượng mưa trước khi có dòng chảy tràn xuất hiện có thể được lấy làm Umax ban đầu.
- CK1,2, CKBF: là các hằng số thời gian biểu thị thời gian tập trung nước. Chúng là các thông số rất quan trọng, ảnh hưởng đến dạng đường quá trình và đỉnh.
Hình 2.12. Cấu trúc của mô hình NAM
2. Thành phần cơ bản của mô hình NAM
Lượng trữ bề mặt: Lượng ẩm bị chắn lại bởi thực vật cũng như được trữ trong các chỗ trũng trên tầng trên cùng của bề mặt đất được coi là lượng trữ bề
mặt. Umax biểu thị giới hạn trên của tổng lượng nước trong lượng trữ bề mặt. Tổng lượng nước U trong lượng trữ bề mặt liên tục bị giảm do bốc hơi cũng như do thấm ngang. Khi lượng trữ bề mặt đạt đến mức tối đa, một lượng nước thừa PN sẽ gia nhập vào sông với vai trò là dòng chảy tràn trong khi lượng còn lại sẽ thấm vào tầng thấp bên dưới và tầng ngầm.
Lượng trữ tầng thấp hay lượng trữ tầng rễ cây: Độ ẩm trong tầng rễ cây, lớp đất bên dưới bề mặt đất, tại đó thực vật có thể hút nước để bốc thoát hơi đặc trưng cho lượng trữ tầng thấp. Lmax biểu thị giới hạn trên của tổng lượng nước trữ trong tầng này. Độ ẩm trong lượng trữ tầng thấp cung cấp cho bốc thoát hơi thực vật, độ ẩm trong tầng này điều chỉnh tổng lượng nước gia nhập vào lượng trữ tầng ngầm, thành phần dòng chảy mặt, dòng sát mặt và lượng gia nhập lại.
Bốc thoát hơi nước: Nhu cầu bốc thoát hơi đầu tiên được thoả mãn từ lượng trữ bề mặt với tốc độ tiềm năng. Nếu lượng ẩm U trong lượng trữ bề mặt nhỏ hơn yêu cầu (U < Ep) thì phần còn thiếu được coi rằng là do các hoạt động của rễ cây rút ra từ lượng trữ tầng thấp theo tốc độ thực tế Ea. Ea tương ứng với lượng bốc hơi tiềm năng và biến đổi tuyến tính theo quan hệ lượng trữ ẩm trong đất, L/Lmax, của lượng trữ ẩm tầng thấp.
(2.8)
Dòng chảy mặt: Khi lượng trữ bề mặt đã tràn, U > Umax, thì lượng nước thừa PN sẽ gia nhập vào thành phần dòng chảy mặt. Thông số QOF đặc trưng cho phần nước thừa PN đóng góp vào dòng chảy mằt. Nó được giả thiết là tương ứng với PN và biến đổi tuyến tính theo quan hệ lượng trữ ẩm đất, L/Lmax, của lượng trữ ẩm tầng thấp.
(2.9)
trong đó:
CQOF = hệ số dòng chảy tràn trên mặt đất (0 ≤ CQOF ≤ 1),
TOF = giá trị ngưỡng của dòng chảy tràn (0 ≤ TOF ≤ 1).
Phần lượng nước thừa PN không tham gia vào thành phần dòng chảy tràn sẽ thấm xuống lượng trữ tầng thấp. Một phần trong đó, ∆L, của nước có sẵn cho thấm, (PN-QOF), được giả thiết sẽ làm tăng lượng lượng ẩm L trong lượng trữ ẩm tầng thấp. Lượng ẩm còn lại, G, được giả thiết sẽ thấm sâu hơn và gia nhập lại vào lượng trữ tầng ngầm.
Dòng chảy sát mặt: Sự đóng góp của dòng chảy sát mặt, QIF, được giả thiết là tương ứng với U và biến đổi tuyến tính theo quan hệ lượng chứa ẩm của lượng trữ tầng thấp.
(2.10)
trong đó CKIF là hằng số thời gian dòng chảy sát mặt và TIF là giá trị ngưỡng tầng rễ cây của dòng sát mặt (0 ≤ TIF ≤ 1).
Diễn toán dòng chảy mặt và dòng sát mặt: Dòng sát mặt được diễn toán qua chuỗi hai hồ chứa tuyến tính với cùng một hằng số thời gian CK12, diễn toán dòng chảy mặt cũng dựa trên khái niệm hồ chứa tuyến tính nhưng với hằng số thời gian có thể biến đổi.
(2.11)
trong đó OF là dòng chảy tràn (mm/hr) OFmin là giới hạn trên của diễn toán tuyến tính (= 0,4 mm/giờ), và õ = 0,4. Hằng số õ = 0,4 tương ứng với việc sử dụng công thức Manning để mô phỏng dòng chảy mặt.
Theo phương trình trên, diễn toán dòng chảy mặt được tính bằng phương pháp sóng động học, và dòng chảy sát mặt được tính theo mô hình NAM như dòng chảy mặt (trong lưu vực không có thành phần dòng chảy mặt) được diễn toán như một hồ chứa tuyến tính.
Lượng gia nhập nước ngầm: Tổng lượng nước thấm G gia nhập vào lượng trữ nước ngầm phụ thuộc vào độ ẩm chứa trong đất trong tầng rễ cây.
(2.11)
trong đó TG là giá trị ngưỡng tầng rễ cây đối với lượng gia nhập nước ngầm (0 ≤ TG ≤ 1).
Độ ẩm chứa trong đất: Lượng trữ tầng thấp biểu thị lượng nước chứa trong tầng rễ cây. Sau khi phân chia mưa giữa dòng chảy mặt và dòng thấm xuống tầng ngầm, lượng nước mưa còn lại sẽ đóng góp vào lượng chứa ẩm (L) trong lượng trữ tầng thấp một lượng ∆L.
Dòng chảy cơ bản: Dòng chảy cơ bản BF từ lượng trữ tầng ngầm được tính toán như dòng chảy ra từ một hồ chứa tuyến tính với hằng số thời gian CKBF.
3. Dữ liệu đầu vào cho mô hình NAM
Yêu cầu đầu vào cơ bản của mô hình NAM gồm:
- Điều kiện lưu vực: diện tích lưu vực, sự phân chia các lưu vực con;
- Điều kiện ban đầu;
- Số liệu khí tượng bao gồm mưa và bốc hơi;
- Số liệu lưu lượng để hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình;
Việc xử lý số liệu mưa đầu vào của mô hình phụ thuộc vào mục đích nghiên cứu và mức độ phản ứng của lưu vực, nhiều trường hợp chỉ yêu cầu đầu vào là mưa ngày nhưng với lưu vực phản ứng nhanh, yêu cầu mô phỏng chính xác dòng chảy đỉnh lũ thì yêu cầu số liệu mưa đầu vào với thời gian quan trắc ngắn hơn. Số liệu mưa với bất kỳ thời khoảng nào đều có thể được sử dụng làm đầu vào của mô hình, mô hình NAM sau đó sẽ thực hiện việc nội suy cần thiết theo các bước thời gian tính toán.
Khi sử dụng bước thời gian ngày chỉ yêu cầu giá trị bốc hơi trung bình tháng là đủ, đối với những bước thời gian nhỏ thì sự biến đổi hàng ngày của bốc hơi là rất quan trọng. Số liệu bốc hơi được xử lý như là tổng lượng tích luỹ mà theo đó bốc hơi ở bất cứ thời điểm nào đều là bốc hơi tính từ giá trị trước.
Mô hình NAM là một mô hình có thông số tập trung vì vậy cần phải kết hợp số liệu khí tượng từ các trạm khác nhau trong lưu vực hay trong lưu vực con thành chuỗi số liệu trung bình có trọng số. Chuỗi số liệu kết quả sẽ biểu thị các giá trị mưa và bốc hơi tiềm năng theo diện tích thực đối với mỗi lưu vực. Trọng số được xác định bởi người sử dụng mô hình và có thể được thực hiện theo phương pháp đa giác Thiessen.
Trong hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình, số liệu lưu lượng quan trắc tại vị trí cửa ra của lưu vực được dùng để so sánh với lưu lượng được tính toán bởi mô hình.
CHƯƠNG 3. ÁP DỤNG MÔ HÌNH MIKE FLOOD KHOANH VÙNG NGUY CƠ NGẬP LỤT CHO ĐỊA BÀN THÀNH PHỐ HÀ NỘI 3.1. Xây dựng cơ sở dữ liệu
Để khoanh vùng nguy cơ ngập lụt cho khu vực Hà Nội bằng mô hình MIKE FLOOD, công tác chuẩn bị các dữ liệu đầu vào cùng các thông số là vấn đề đòi hỏi nhiều thời gian và khá phức tạp, các dữ liệu đầu vào có vai trò hết sức quan trọng vì nó sẽ quyết định mức độ chính xác của mô hình. Các dữ liệu được sử dụng trong mô hình gồm: Các loại bản đồ địa hình tỷ lệ 1/25.000; bản đồ cao độ số (DEM) với độ phân giải (15x15)m; dữ liệu địa hình mặt cắt ngang lòng dẫn; dữ liệu khí tượng thủy văn; các thông tin về tình hình ngập lụt (vết lũ, nguy cơ, diện tích, mức độ ảnh hưởng,…); hệ thống các công trình tiêu, thoát nước.
1. Bản đồ địa hình tỷ lệ 1/25.000 với bảy lớp thông tin gồm: địa hình, ranh giới hành chính, giao thông, thảm phủ thực vật, thủy hệ, cơ sở, dân cư. Các bản đồ này được sử dụng làm bản đồ nền để thể hiện kết quả khoanh vùng ngập lụt khu vực Hà Nội.
2. Mô hình cao độ số (DEM) với độ phân giải (15x15)m: trên dữ liệu bản đồ địa hình tỷ lệ 1: 25.000 tiến hành gán thuộc tính của các đường đồng mức, thuộc tính của các điểm cao độ, sau đó sẽ xây dựng mô hình cao độ số để làm đầu vào dưới dạng nền địa hình cho mô hình MIKE 21.
3. Dữ liệu địa hình mặt cắt ngang lòng dẫn: được thu thập từ các đề tài, dự án đã thực hiện, số liệu mặt cắt trên các sông được cập nhật đến năm 2010.
4. Dữ liệu khí tượng thủy văn: dữ liệu khí tượng thủy văn được sử dụng làm đầu vào của mô hình gồm số liệu lưu lượng giờ tại trạm Sơn Tây; số liệu mực nước giờ tại trạm Hưng Yên, Thượng Cát, Ba Thá, Phủ Lý; số liệu mưa giờ và bốc hơi ngày trạm Láng, Sơn Tây, Hà Đông, Ba Thá, Lâm Sơn.
3.2. Thiết lập mô hình một chiều MIKE 11
3.2.1. Thiết lập mô hình thủy lực mạng sông
1. Mạng sông mô phỏng
Phạm vi mô phỏng thủy lực mô hình MIKE 11 là đoạn sông Hồng từ Sơn Tây đến Hưng Yên và toàn bộ các nhánh sông chính nằm ở bờ Hữu sông Hồng chảy qua địa bàn thành phố Hà Nội bao gồm: Sông Đáy, Sông Tích, Sông Nhuệ....
Mạng sông được thiết lập dựa trên bản đồ số khu vực Hà Nội gồm 16 đoạn sông chính với 1001 mặt cắt, trong đó sông Đáy gồm 269 mặt cắt, sông
Nhuệ 201 mặt cắt. Sơ đồ mạng lưới sông và các thông số mạng lưới sông tính toán được thể hiện trong Hình 3.1 và Bảng 3.1.
Hình 3.1. Sơ đồ tính toán thủy lực hệ thống sông chảy qua địa bàn Hà Nội Bảng 3.1. Số liệu mặt cắt, chiều dài lòng sông của khu vực nghiên cứu
STT Tên Sông MCNSố Chiều dài sông (m) Kết nối biên trên Khoảng cách (m) Kết nối biên dưới Khoảng cách (m) 1 SongDuong 07 2530 SongHong 62557 2 TICH 113 69000 BUI 0 3 DAY 269 136004 4 BUI 45 24130 DAY 59980
5 VAN COC W 03 40 DAY G 0
6 VAN COC C 03 40 DAY G 0
7 DAY G 02 42 DAY 506
8 Songchaugiang 38 22000 songnhue 74511
9 Tolich 53 15957 songnhue 18346
10 La Khe 33 6600 songnhue 13950 DAY 26569
11 Song Set 32 6700 kimnguu 8884
12 trambomyenso 11 2812 kimnguu 6973 SongHong 78187
13 kimnguu 36 12000 Tolich 14962
14 songnhue 201 75000 DAY 126122
STT Tên Sông Số MCN Chiều dài sông (m) Kết nối biên trên Khoảng cách (m) Kết nối biên dưới Khoảng cách (m)
16 Vandinh 17 11800 DAY 80660 songnhue 45900
2. Mặt cắt sông
Các sông trong hệ thống được đưa vào mô hình dưới dạng cơ sở dữ liệu mặt cắt. Trên các mặt cắt được đánh dấu các điểm bờ đê phía bờ trái, bờ phải, điểm đáy lòng sông - điểm sâu nhất của mặt cắt (Hình 3.2). Số mặt cắt, vị trí kết nối của các sông được thống kê trong Bảng 3.1.
Hình 3.2. Mặt cắt ngang tại vị trí 6.062 m trên sông Nhuệ
3. Điều kiện biên của mô hình
Do toàn bộ lượng nước trên sông Tô Lịch, sông Kim Ngưu, Sông Sét được bơm ra sông Hồng qua trạm bơn Yên Sở bởi vậy trong bài toán thủy lực một chiều MIKE 11 các biên trên Sông Tô Lịch, sông Sét, Sông Kim Ngưu được giả thiết như là biên đóng. Trạm bơm Yên Sở được giả thiết là kết nối công trình cấp nước cho sông Hồng với công suất 45m3/s.
Các biên được sử dụng làm biên đầu vào của mô hình bao gồm biên lưu lượng của lưu vực sông Tích, lưu vực sông Đáy, lưu vực sông Nhuệ, trạm Sơn Tây và biên mực nước tại trạm Thượng Cát, Hưng Yên, Phủ Lý. Các trạm dùng