2.4.2.1. Giới thiệu mô hình MIKE FLOOD
MIKE FLOOD là một trong các mô hình có kết hợp tính toán 1 và 2 chiều tiên tiến nhất thế giới hiện nay, được sử dụng trong hầu hết các trường đại học, viện nghiên cứu và các đơn vị tư vấn ở trong và ngoài nước với các lợi thế:
- Cơ sở toán học chặt chẽ, chạy ổn định, thời gian tính toán nhanh - Có giao diện thân thiện, dễ sử dụng, có khả năng tích hợp với một số phần mềm chuyên dụng khác
Bộ mô hình MIKE bao gồm nhiều mô đun đảm nhận các công việc khác nhau:
MIKE 11 tính toán thủy lực mạng sông 1 chiều với các tiểu mô đun về tính thủy lực, tiểu mô đun tính dòng chảy từ mưa, tiểu mô đun cho tính lan truyền chất và vận chuyển bùn cát. MIKE 21 tính toán thủy lực hai chiều. MIKE FLOOD kết nối mô hình 1 chiều và 2 chiều để tính toán và xây dựng bản đồ ngập lụt. MIKE BASIN tính toán và quản lý, quy hoạch lưu vực...
Với mục đích tính toán lũ cho hệ thống sông và đồng bằng ngập lũ, trong khuôn khổ dự án này sẽ sử dụng 3 mô hình trong bộ mô hình MIKE đó là: MIKE11, MIKE21 và MIKE FLOOD, trong đó mô hình MIKE 11 đã có kèm mô đun MIKE NAM.
2.4.2.2. Giới thiệu mô hình MIKE 11
Hệ phương trình
67 Mô hình MIKE 11 là mô hình tính toán mạng sông dựa trên việc giải hệ phương
trình một chiều Saint -Venant:
Phương trình liên tục:
(1)
hoặc (2) Phương trình chuyển động:
, (3)
Trong đó: A là diện tích mặt cắt ngang (m2); t là thời gian (s); Q là lưu lượng
nước (m3/s); x là biến không gian; g là gia tốc trọng trường (m/s2); là mật độ của nước (kg/m3); b là độ rộng của lòng dẫn (m) và R là bán kính thủy lực (m).
Phương pháp giải
Hệ phương trình Saint – Venant về nguyên lý là không giải được bằng các phương pháp giải tích, vì thế trong thực tế tính toán người ta phải giải gần đúng bằng cách rời rạc hóa hệ phương trình. Có nhiều phương pháp rời rạc hóa hệ phương trình,
và trong mô hình MIKE 11, các tác giả đã sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott (Hình 15). Hình 16 dưới đây mô tả các cách bố trí sơ đồ Abbott 6 điểm với các phương trình và các biến trong mặt phẳng x~t.
Figure 15: Sơ đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott
t A x Q
0
t b h x Q
2 0
2
AR C
Q gQ x gA h x
A Q
t
Q
68
Figure 16: Sơ đồ sai phân 6 điểm ẩn Abbott trong mặt phẳng x~t
Trong phương pháp này, mực nước và lưu lượng dọc theo các nhánh sông được tính trong hệ thống các điểm lưới xen kẽ như dưới đây (hình 17).
Figure 17: Nhánh sông với các điểm lưới xen kẽ
Đối với mạng lưới sông phức tạp, mô hình cho phép giải hệ phương trình cho nhiều nhánh sông và các điểm tại các phân lưu/nhập lưu. Cấu trúc của các nút lưới ở nhập lưu, tại đó ba nhánh gặp nhau, thể hiện trong hình sau (18):
Figure 18: Cấu trúc các điểm lưới xung quanh điểm nhập lưu
69
Figure 19: Cấu trúc các điểm lưới mạng vòng
Cấu trúc các điểm lưới trong mạng vòng được thể hiện trong hình 19. Tại một điểm lưới, mối quan hệ giữa biến số Zj (cả mực nước hj và lưu lượng Qj) tại chính điểm đó và tại các điểm lân cận được thể hiện bằng phương trình tuyến tính sau:
(4)
Từ giờ trở đi ta quy ước các chỉ số dưới của các thành phần trong phương trình biểu thị vị trí dọc theo nhánh, và chỉ số trên chỉ khoảng thời gian. Các hệ số , , và
trong phương trình (4) tại các điểm h và tại các điểm Q được tính bằng sai phân hiện đối với phương trình liên tục và với phương trình động lượng.
Tất cả các điểm lưới theo phương trình (4) được thiết lập. Giả sử một nhánh có n điểm lưới; nếu n là số lẻ, điểm đầu và cuối trong một nhánh luôn luôn là điểm h. Điều này làm cho n phương trình tuyến tính có n+2 ẩn số. Hai ẩn số chưa biết là do các phương trình được đặt tại điểm đầu và điểm cuối h, tại đó Zj-1và Zj+1 là mực nước, theo đó phần đầu/cuối của nhánh phân/nhập lưu được liên kết với nhau.
Điều kiện biên và điều kiện ban đầu
Hệ phương trình (1-3) khi được rời rạc theo không gian và thời gian sẽ gồm có số lượng phương trình luôn ít hơn số biến số, vì thế để khép kín hệ phương trình này cần phải có các điều kiện biên, và điều kiện ban đầu cần thiết để sử dụng trong tính toán.
Trong mô hình MIKE 11, điều kiện biên của mô hình khá linh hoạt, có thể là điều kiện biên hở hoặc điều kiện biên kín. Điều kiện biên kín là điều kiện tại biên đó không có trao đổi nước với bên ngoài, Điều kiện biên hở có thể là đường quá trình của
mực nước theo thời gian hoặc của lưu lượng theo thời gian, hoặc có thể là hằng số.
Các điều kiện ban đầu bao gồm mực nước và lưu lượng trên khu vực nghiên cứu.
Thường lấy lưu lượng xấp xỉ bằng 0 còn mực nước lấy bằng mực nước trung bình.
j n j j n j j n j
jZ Z Z
11 1 11
70
Điều kiện ổn định
Để sơ đồ sai phân hữu hạn ổn định và chính xác, cần tuân thủ các điều kiện sau:
- Địa hình phải đủ tốt để mực nước và lưu lượng được giải một cách thoả đáng, Giá trị tối đa cho phép đối với x phải được chọn trên cơ sở này.
- Điều kiện Courant dưới đây có thể dùng như một hướng dẫn để chọn bước thời gian sao cho đồng thời thoả mãn được các điều kiện trên. Điển hình, giá trị của Cr là 10 đến 15, nhưng các giá trị lớn hơn (lên đến 100) đã được sử dụng:
với V là vận tốc.
Cr thể hiện tốc độ nhiễu động sóng tại nước nông (biên độ nhỏ). Số Courant biểu thị số các điểm lưới trong một bước sóng phát sinh từ một nhiễu động di chuyển trong một bước thời gian. Sơ đồ sai phân hữu hạn dùng trong MIKE 11 (sơ đồ 6 điểm Abbott), cho phép số Courant từ 10- 20 nếu dòng chảy dưới phân giới (số Froude nhỏ hơn 1).
2,4,2,3, Giới thiệu mô hình MIKE 21
Hệ phương trình cơ bản sử dụng trong mô hình MIKE 21 bao gồm 1 phương
trình liên tục và 2 phương trình chuyển động:
Phương trình liên tục :
t d y q x p
t
(5) Phương trình chuyển động :
0
1
2 2
2 2 2
a w
x
q xy
xx w
x p fVV h
y h x h
h C
q p gp gh x
h pq y h
p x t p
(6)
0
1
2 2
2 2 2
a w
y
q xy
yy w
xy p fVV h
x h y h
h C
q p gp gh y
h pq x h
p y t p
(7)
Trong đó :
) , , (x yt
:mực nước (m)
x gy V
Cr t
( )
71 )
, , (x y t h :độ sâu dòng chảy (m) h d
) , , (x y t
d :cao độ đáy (m)
) , , ( ), , , (x y t q x y t p :lưu lượng đơn vị theo phương x và y
C(x,y) :hệ số Chezy (m0,5/s)
g :gia tốc trọng trường (m/s2)
f(V) :hệ số sức cản của gió
V,Vx,Vy(x,y,t :vận tốc của gió theo phương x và y )
, (x y
:hệ số Coriolit
) , , (x yt pa :áp suất khí quyển (kg/m/s2)
W :khối lượng riêng của nước
xx,xy,yy :thành phần ma sát bên Để giải hệ phương trình trên, người ta đã sử dụng phương pháp ADI (Alternating Direction Implicit) để sai phân hoá theo lưới không gian - thời gian. Hệ phương trình theo từng phương và tại mỗi điểm trong lưới được giải theo phương pháp Double Sweep (DS), Biểu diễn các thành phần theo các phương được thể hiện trên hình 20.
Figure 20: Các thành phân theo phương x và y
72
2.4.2.4. Giới thiệu các kết nối MIKE FLOOD
Mặc dầu mô hình MIKE 11 và MIKE 21 có những ưu điểm vượt trội trong việc mô phỏng dòng chảy 1 chiều trong mạng lưới sông phức tạp (MIKE 11) và có thể mô phỏng bức tranh 2 chiều của dòng chảy tràn trên bề mặt đồng ruộng (MIKE 21), tuy
nhiên nếu xét riêng rẽ chúng vẫn còn một số hạn chế trong việc mô phỏng ngập lụt.
Đối với MIKE 11, sẽ rất khó khăn để mô phỏng dòng chảy tràn nếu không biết trước một số khu chứa và hướng chảy, không mô tả được trường vận tốc trên mặt ruộng hoặc khu chứa, còn trong MIKE 21, nếu muốn vừa tính toán dòng tràn trên bề mặt ruộng, vừa muốn nghiên cứu dòng chảy chủ lưu trong các kênh dẫn thì cần phải thu nhỏ bước lưới đến mức có thể thể hiện được sự thay đổi của địa hình trong lòng dẫn
mà hệ quả của nó là thời gian tính toán tăng lên theo cấp số nhân (DHI, 2004).
Để kết hợp các ưu điểm của cả mô hình 1 và 2 chiều đồng thời khắc phục được các nhược điểm của chúng, MIKE FLOOD cho phép kết nối 2 mô hình MIKE 11 và MIKE 21 trong quá trình tính toán, tăng bước lưới của mô hình (nghĩa là giảm thời gian tính toán) nhưng vẫn mô phỏng được cả dòng chảy trong lòng dẫn và trên mặt ruộng hoặc ô chứa (DHI, 2004). Trong MIKE FLOOD có 4 loại kết nối sau đây giữa mô hình 1 và 2 chiều:
73 Kết nối tiêu chuẩn
Trong kết nối này, thì một hoặc nhiều ô lưới của MIKE 21 sẽ được liên kết với một đầu của phân đoạn sông trong MIKE 11. Loại kết nối này rất thuận tiện cho việc nối một lưới chi tiết của MIKE21 với một hệ thống mạng lưới sông lớn hơn trong MIKE 11, hoặc nối các công trình trong mô hình MIKE 21. Các cách áp dụng có thể của nó được chỉ ra trong hình 21 dưới đây.
Figure 21: Các ứng dụng trong kết nối tiêu chuẩn
Kết nối bên
Kết nối bên cho phép một chuỗi các ô lưới trong MIKE 21 có thể liên kết vào hai bên của một đoạn sông, một mặt cắt trong đoạn sông hoặc toàn bộ một nhánh sông trong MIKE 11. Dòng chảy chảy qua kết nối bên được tính toán bằng cách sử dụng các phương trình của các công trình hoặc các bảng quan hệ Q-H. Loại kết nối này đặc biệt
hữu ích trong việc tính toán dòng chảy tràn từ trong kênh dẫn ra khu ruộng hoặc bãi, nơi mà dòng chảy tràn qua bờ đê bối sẽ được tính bằng công thức đập tràn đỉnh rộng.
Kết nối công trình (ẩn)
Kết nối công trình là nét mới đầu tiên trong một loạt các cải tiến dự định trong
MIKE FLOOD. Kết nối công trình lấy thành phần dòng chảy từ một công trình trong MIKE 11 và đưa chúng trực tiếp vào trong phương trình động lượng của MIKE 21.
Quá trình này là ẩn hoàn toàn và vì thế không ảnh hưởng đến các bước thời gian trong MIKE 21.
74
Kết nối khô (zero flow link)
Một ô lưới MIKE 21 được gán là kết nối khô theo chiều x sẽ không có dòng chảy chảy qua phía bên phải của ô lưới đó. Tương tự, một kết nối khô theo chiều y sẽ không có dòng chảy chảy qua phía trên của nó. Các kết nối khô này được phát triển để bổ sung cho các kết nối bên. Để chắc chắn rằng dòng chảy tràn trong MIKE 21 không cắt
ngang từ bờ này sang bờ kia của sông mà không liên kết với MIKE 11, các kết nối khô này được đưa vào để đóng các dòng trong MIKE 21. Một cách khác để sử dụng kết nối khô là gán cho các ô lưới là đất cao, mà tùy thuộc vào độ phân giải của lưới tính có thể chưa mô tả được. Kết nối khô cũng được sử dụng để mô tả các dải phân cách hẹp trong động ruộng ví dụ như đê bối, đường... và khi đó thay vì sử dụng một chuỗi các ô lưới được định nghĩa là đất cao thì nên sử dụng chuỗi các kết nối khô.
Sử dụng các kết nối trên đây ta có thể dễ dàng liên kết hai mạng lưới tính trong mô hình 1 chiều và 2 chiều với nhau. Khi chạy mô hình, để coupling chúng, MIKE FLOOD cung cấp 3 kiểu coupling sau đây tùy thuộc vào mục đích sử dụng mô hình:
- Coupling động lực: các kết nối sẽ chỉ chuyển các thông tin và thủy động lực (cần thiết cho các tính toán trong MIKE 11 và MIKE 21)
- Coupling truyền tải chất: các kết nối chỉ truyền các thông tin liên quan đến các quá trình vận tải và khuyếch tán (cần thiết cho các tính toán trong MIKE 11 và MIKE 21)
- Coupling cả động lực và truyền tải chất, Các lựa chọn này sẽ được người sử dụng dễ dàng lựa chọn thông qua các hộp thoại trong mô hình, tuy nhiên trong khuôn khổ dự án này, theo yêu cầu công việc sẽ chỉ sử dụng kiểu coupling động lực.
75
Figure 22: Một ứng dụng trong kết nối bên
2.4.2.5. Thiết lập mô hình thủy lực 1 chiều
Mạng sông
Mạng sông đưa vào tính toán thuỷ lực bao gồm toàn bộ dòng chính và các phụ lưu chính của vùng trung, hạ du trong lưu vực sông Nhật Lệ, cụ thể như sau:
Dòng chính sông Nhật Lệ: từ đoạn hợp lưu của sông Long Đại với sông Kiến Giangđến cửa sông (Cửa Nhật Lệ).
Sông Long Đại: từ trạm thuỷ văn Tám Luđến nhập lưu vào sông Nhật Lệ.
Sông Kiến Giang: từ trạm thuỷ văn Kiến Giangđến nhập lưu vào sông Nhật Lệ.
Các nhánh kênh Hói Dài, Sao Vàng và các kênh nội đồng khác Tổng chiều dài mạng thủy lực của lưu vực sông Nhật Lệ, tỉnh Quảng Bình là 189km với 54 mặt cắt.
76
Figure 23: Mạng thủy lực 1D lưu vực sông Nhật Lệ
Figure 24: Sơ đồ mạng thủy lực 1D vùng nghiên cứu
Figure 25: Sơ đồ mạng thủy lực 1D trong Mike 11
77
Figure 26: Thiết lập mặt cắt trong MIKE 11
b, Nhiệm vụ tính toán:
Tính toán thuỷ lực trong mạng sông Nhật Lệ - Kiến Giang trong mùa lũ, sau đó kết nối với mô hình 2 chiều, tính toán các yếu tố thủy lực trên bãi ngập lũ và xây dựng bản đồ ngập lụt.
Điều kiện biên
Biên trên của mô hình
Với mạng sông tính toán đã được xác định ở trên, biên trên của mô hình thuỷ lực là quá trình lưu lượng theo thời gian Q=f(t) cụ thể như sau:
- Tại Kiến Giang: Biên lưu lượng được tính toán từ mô hình thủy văn dưa trên các tài liệu khí tượng.
- Tại Tám Lu: Biên lưu lượng được tính toán từ mô hình thủy văn
Biên dưới của mô hình
Biên dưới của mô hình thuỷ lực là quá trình mực nước theo thời gian Z=f(t) tại Cửa Nhật Lệ. Quá trình mực nước này được tính toán dựa trên bộ hằng số điều hòa toàn cầu.
Biên khu giữa của mô hình
Tính toán từ mô hình thủy văn, sử dụng số liệu mưa tại các trạm: Trường Sơn, Kiến Giang, Đồng Hới.
Figure 27: Thiết lập điều kiện biên trong MIKE 11
78
2,4,2,6, Thiết lập mô hình thủy lực 2 chiều
Thiết lập miền tính hai chiều trong MIKE 21
Mô hình MIKE 21 được sử dụng để tính toán dòng chảy trên bãi ngập lũ, vùng tính toán 2 chiều trong vùng nghiên cứu được xác định trên cơ sở bản đồ địa hình kết
hợp số liệu điều tra khảo sát các trận lũ lịch sử nhằm đảm bảo vùng tính toán bao trùm được vùng ngập trên lưu vực.
Figure 28: Lưới tính 2D lưu vực sông Nhật Lệ
Từ bản đồ địa hình 1:10.000 do Bộ Tài nguyên và Môi trường cấp, nghiên cứu đã tiến hành xây dựng lưới tính cho miền tính 2 chiều bao gồm các bãi chứa lũ dọc theo các sông từ biên trên của mô hình thủy lực 1D ra đến cửa biển. Khu vực tính toán 2 chiều với diện tích là 333km2 được rời rạc hóa thành 52.569 phần tử hữu hạn (FEM) với kích thước mỗi cạnh ô lưới từ 100 – 200m cho khu vực có địa hình tương đối bằng phẳng, còn với những khu vực có sự thay đổi nhiều về địa hình như hệ thống giao thông, đê kè, hay các khu dân cư thì lưới tính nhỏ hơn với kích thước thay đổi dần từ 30 – 100m.
2.4.2.7. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình Mike Flood
Bộ mô hình thủy lực trên lưu vực sông Nhật Lệ - Kiến Giang cũng được tiến hành hiệu chỉnh và kiểm định với trận lũ từ 1/11 đến 11/11/1999 và trận lũ từ 1/10 đến 25/10/2010. Kết quả tính toán được so sánh với giá trị thực đo tại trạm Lệ Thủy và trạm Đồng Hới. Kết quả đánh giá sai số theo chỉ tiêu NASH thuộc loại tốt ( R> 80%) (Hình 29 – 32).
79
Figure 29: So sánh đường quá trình mực nước tính toán và thực đo tại trạm Lệ Thủy(trận lũ 11/1999)
Figure 30: So sánh đường quá trình mực nước tính toán và thực đo tại trạm Đồng Hới (trận lũ 11/1999)
Figure 31: So sánh đường quá trình mực nước tính toán và thực đo tại trạm Lệ Thủy (trận lũ 10/2010)
Figure 32: So sánh đường quá trình mực nước tính toán và thực đo tại trạm Đồng Hới (trận lũ 10/2010)
Qua đó thấy rằng, với mạng lưới thủy lực đã xây dựng và bộ thông số của mô hình thủy văn và thủy lực đã chọn cho lưu vực sông Nhật Lệ - Kiến Giang là có đủ độ tin cậy trong việc mô phỏng lại các trận lũ trên lưu vực các sông.
80
HOẠT ĐỘNG 2.5. ĐỀ XUẤT BỘ TIÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ RỦI RO LŨ LỤT
Bên cạnh việc lựa chọn phương pháp đánh giá rủi ro do lũ quét thì việc lựa
chọn các tiêu chí cũng rất quan trọng, quyết định tính hợp lý, hiệu quả cũng như độ chính xác trong đánh giá rủi ro do lũ lụt. Dựa trên mức độ sẵn có của nguồn số liệu, độ phù hợp với điều kiện và hoàn cảnh địa phương cũng như bám sát các chiến lược phát triển kinh tế - xã hội của lưu vực nghiên cứu để lựa chọn bộ tiêu chí. Các tiêu chí được xây dựng dựa trên kế thừa trong và ngoài nước, kết hợp với phương pháp điều tra phỏng vấn trực tiếp và tham vấn chuyên gia. Bộ tiêu chí bao gồm bộ các tiêu chí thứ cấp để tính toán tính dễ bị tổn thương, nguy cơ lũ lụt và mức độ phơi nhiễm. Cụ thể cho từng yếu tố cho lưu vực sông Nhật Lệ - Kiến Giang như sau.