CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT HẠ DU VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CẮT LŨ CỦA HỒ BẢN LẢI
4.1. Phân tích lựa chọn mô hình
Trên thế giới việc nghiên cứu, áp dụng các mô hình thủy văn, thủy lực trong việc diễn toán lũ trong sông đã được sử dụng khá phổ biến; nhiều mô hình đã được xây dựng và áp dụng cho dự báo hồ chứa, dự báo lũ cho hệ thống sông, cho công tác quy hoạch phòng lũ.
Một số mô hình thủy lực đã được áp dụng có hiệu quả để diễn toán dòng chảy trong hệ thống sông và vùng ngập lụt ở nước ta. Mô hình SOGREAH đã được áp dụng thành công trong công tác khai thác, tính toán dòng chảy tràn trong hệ thống kênh rạch và các ô trũng. Mô hình MASTER ứng dụng trong nghiên cứu quy hoạch cho vùng hạ lưu sông Cửu Long vào năm 1988, mô hình MEKSAL được xây dựng vào năm 1974 để tính toán sự phân bố dòng chảy mùa cạn và xâm nhập mặn trong vùng hạ lưu các sông.
Mô hình VRSAP đã được áp dụng cho việc tính toán dòng chảy lũ và dòng chảy mùa cạn cho vùng đồng bằng.
Hiện nay tại Việt Nam một số mô hình đã được áp dụng như: WENDY, FWQ86M, MEKSAL, MASTER MODEL, SOGREAH, VRSAP, KOD, HECRAS, MIKE…
Bộ mô hình MIKE được xây dựng và phát triển bởi Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) đã và đang ứng dụng thành công trên một số lưu vực ở Việt Nam như: sông Hồng, sông Mã, sông Bến Hải, sông Vu Gia- Thu Bồn,... với các nội dung như mô phỏng thủy lực, tính toán ngập lụt, xây dựng dòng chảy từ mưa hay tính toán cân bằng nước cho lưu vực.
Mô hình MIKE 11 là mô hình động lực, một chiều nhằm phân tích chi tiết, thiết kế, quản lý và vận hành cho sông và 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
Mô hình MIKE 21 FM là một công cụ mạnh trong việc tính toán, mô phỏng dòng chảy 2 chiều, kỹ thuật này đã và đang được phát triển cho các ứng dụng liên quan đến môi trường cửa sông, khu vực ven biển, đại dương và tràn lũ trong đất liền.
Mô hình MIKE FLOOD là một công cụ tích hợp các mô hình trong bộ Mike thành một hệ thống, kết hợp giữa các mô hình hai chiều với một làm tăng khả năng mô phỏng bên cạnh đó giúp giảm thời gian tính toán.
Với những ưu điểm của bộ mô hình MIKE, đã được sử dụng trong nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi vào thực tiễn ở Việt Nam, vậy nên tác giả lựa chọn bộ mô hình MIKE làm công cụ tính toán trong luận văn.
4.1.2. Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE FLOOD
Mặc dù 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).
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. 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 cũng như mô phỏng được quá trình thủy văn, thủy lực qua hệ thống công trình.
Đây là công đoạn cuối cùng trong việc xây dựng mô hình thủy lực và tràn bãi. Tuy nhiên, việc kết nối giữa hai mô hình thủy lực 1 chiều và 2 chiều ở trên với nhau không thật sự đơn giản. Các bước xây dựng như sau:
- Nhập mô hình thủy lực 1 chiều và 2 chiều vào mô hình Mike Flood.
- Xác định các kiểu liên kết giữa mô hình 1 chiều và 2 chiều: Dựa vào đặc điểm kết nối của những đoạn sông trên MIKE 11 và cùng lưới địa hình của mô hình hai chiều MIKE 21 mà sử dụng các kiểu liên kết khác nhau trong mô hình Mike Flood giữa mô hình 1 chiều MIKE11 và mô hình 2 chiều MIKE 21 bao gồm: kết nối chuẩn, kết nối bên, kết nối bên và kết nối không dòng chảy.
* Dạng kết nối chuẩn ( Standard link)
Dạng liên kết cơ bản này dùng để nối một hoặc nhiều ô lưới trong Mike 21 được liên kết với nhánh cuối cùng của Mike 11. Kiểu liên kết này rất hữu ích cho việc kết nối cụ thể của những ô lưới trong Mike 21 vào mạng lưới rộng lớn của Mike 11, hoặc kết nối với các công trình trong mạng (với phạm vi 1 hoặc nhiều ô lưới). Dòng chảy vào hoặc ra ở nhánh một chiều MIKE 11 được áp dụng như nguồn cấp hoặc nguồn thu đối với các ô hai chiều trong MIKE 21.
Hình 4. 1. Kết nối chuẩn trong Mike Flood
* Dạng kết nối bên (Lateral link)
Một liên kết bên cho phép một chuỗi các ô lưới trong Mike 21 là các liên kết bên đối với một đoạn sông trong Mike 11, hoặc một mặt cắt của nhánh sông hoặc toàn bộ nhánh sông. Dòng chảy qua các liên kết bên được tính toán sử dụng một phương trình cho công trình hoặc sử dụng quan hệ Q~H. Kiểu liên kết này đặc biệt hữu ích cho việc mô phỏng dòng chảy tràn từ sông vào các bãi tràn mà tại đó dòng chảy qua đê được tính bằng một phương trình đập tràn, 1 ví dụ như hình miêu tả dưới đây:
Hình 4. 2. Kết nối bên trong Mike Flood
* Dạng kết nối công trình( Structure link)
Công trình kết nối lấy thành phần lưu lượng từ một công trình trong MIKE 11 và đưa trực tiếp vào phương trình động lượng MIKE 21. Công trình này hoàn toàn ẩn, vì vậy nó sẽ không ảnh hưởng đến bước thời gian trong MIKE 21. Liên kết bao gồm 3 điểm của nhánh sông trong Mike 11 (mặt cắt thượng lưu, công trình và mặt cắt hạ lưu), thành phần dòng chảy được đưa vào một hoặc một nhóm các ô lưới trong Mike 21.
Hình 4. 3. Kết nối công trình trong Mike Flood
* Dạng kết nối không có dòng chảy (x và y)
Một ô lưới trong Mike 21 như một liên kết dòng chảy bằng 0 theo hướng X sẽ có dòng chảy bằng không khi qua mặt cắt phía bên phải của ô lưới. Tương tự như vậy, liên kết dòng chảy bằng 0 theo hướng Y có lưu lượng bằng 0 khi đi qua phía trên của ô lưới.
Liên kết dòng chảy bằng 0 được phát triển nhằm bổ sung cho liên kết dòng chảy bên đảm bảo rằng dòng chảy tràn trong Mike 21 không đi trực tiếp qua sông tới phía đối diện của bãi tràn mà không qua Mike 11, liên kết dòng chảy bằng 0 được đưa vào để cản dòng chảy trong Mike 21. Một trường hợp khác áp dụng kết nối này là đưa vật chặn dòng hẹp vào vùng bãi tràn như đường giao thông hoặc đê thay vì dùng một chuỗi các ô đất hoặc cũng có thể dùng một chuỗi các ô không có ḍòng chảy.
Kết nối không có dòng chảy (x=0, y=0) đưa vào đoạn sông nối các công trình trên MIKE 11 vào MIKE 21 để đảm bảo dòng chảy qua công trình đó chỉ chảy trên mô hình MIKE 11.
Căn cứ vào hệ thống đường giao thông trong vùng, hệ thống đê của các sông để xác định các kiểu liên kết khác nhau. Hệ thống các sông trong mô hình 1 chiều liên kết với 2 chiều qua các liên kết bên (lateral link).