III.2 Xây dựng bộ công cụ mô phỏng chế độ thủy văn thủy lực trên lưu vực sông Mã
III.2.3. Xây dựng mô hình thủy lực một chiều sông Mã
Căn cứ vào mục đích, nhiệm vụ tính toán, trên cơ sở các tài liệu khảo sát địa hình đã có, mạng lưới trạm thủy văn cùng tài liệu mực nước, lưu lượng đã quan trắc, cũng như hệ thống sông ở trung, hạ du lưu vực, giới hạn mạng sông đưa vào tính toán thủy lực phục vụ cho nghiên cứu này như sau:
Phạm vi mô phỏng của dự án bao gồm toàn bộ dòng chính 7 con sông với tổng chiều dài gần 315 km:
- Dòng chính sông Mã được mô phỏng từ trạm thủy văn Cẩm Thủy đến Cửa Hới, dài 89.26 km với 50 mặt cắt ngang.
- Sông Chu được mô phỏng từ đập Cửa Đạt đến ngã ba Giàng dài gần 80 km với tổng cộng 53 mặt cắt ngang.
- Sông Bưởi được mô phỏng từ trạm thủy văn Kim Tân đến ngã ba Vĩnh Khang, đổ ra sông Mã dài 25.86 km với 13 mặt cắt ngang.
- Sông Lèn được mô phỏng từ cửa phân lưu của sông Mã tại ngã 3 Bông đến cửa biển Lạch Sung, dài 37.6 km, với 34 mặt cắt ngang.
- Sông Báo Văn được mô phỏng từ trạm Tứ Thôn đến nhập lưu sông Lèn, dài 9.52 km với 10 mặt cắt ngang.
Học viên: Vũ Kim Thắng 78 - Kênh De được mô phỏng từu phân lưu sông Lèn đến nhập lưu sông Lạch Trường, dài 6,572 km với 8 mặt cắt ngang.
- Sông Lạch Trường được mô phỏng từ cửa phân lưu sông Mã đến cửa biển Lạch Trường dài 23,4 km với 17 mặt cắt ngang.
Địa hình các sông được thu thập từ dữ liệu mới nhất mà tư vấn có sẵn hoặc đo đạc bổ sung theo cao độ tiêu chuẩn VN2000 đảm bảo độ chính xác cao cho quá trình tính toán dòng chảy lũ trên hệ thống.
Trong mô hình còn mô phỏng các công trình trên sông ảnh hưởng trực tiếp đến dòng chảy mùa lũ như đập Cửa Đạt, đập Bái Thượng.
Bảng 27: Các sông được mô phỏng trong mô hình
TT Sông Đầu Cuối Dài (km) Số MC
1 Mã Cẩm Thủy Cửa Hới 89,26 50
2 Chu Cửa Đạt Giàng 79,200 53
3 Bưởi Kim Tân Vĩnh Khang 25,86 13
4 Lèn Sông Mã Lạch Sung 37,6 34
5 Báo Văn Tứ Thôn Lèn 9,52 10
6 Kênh De Lèn Lạch Trường 6,572 8
7 Lạch Trường Mã Biển 23,4 17
Điều kiện biên
(1) Biên trên của mô hình thủy lực
Với mạng sông tính toán đã xác định ở trên, biên trên của mô hình thủy lực là quá trình lưu lượng theo thời gian Q=f(t) tại các vị trí sau:
+ Trạm Cẩm Thủy trên sông Mã.
+ Trạm Cửa Đạt trên sông Chu.
+ Trạm Kim Tân trên sông Bưởi.
+ Trạm Tứ Thôn trên sông Báo Văn (2) Biên dưới của mô hình thủy lực
Biên dưới của mô hình thủy lực là quan hệ Q=f(H) tại các trạm thủy văn:
+ Trạm Hoàng Tân trên sông Mã + Trạm Lạch Sung trên sông Lèn
Học viên: Vũ Kim Thắng 79 + Trạm Lạch Trường trên sông Lạch Trường.
(3) Biên dọc sông của mô hình thủy lực
Biên dọc sông là các đường quá trình quan hệ Q=f(H) gia nhập khu giữa tại được tính toán bằng mô hình Mike Nam.
Bảng 28: Chỉ tiêu cơ bản của các lưu vực gia nhập khu giữa TT Tên lưu vực Nhập vào sông Diện tích (km2)
1 Lưu vực sông Âm Chu 761
2 Lưu vực sông Đạt Chu 276
3 Lưu vực sông Đằng Chu 385
4 Lưu vực Khe Bông Mã
5 Lưu vực Cẩm Trướng Mã
6 Lưu vực Eo Lê Mã
Hình 14: Sơ đồ tính toán thủy lực mạng sông Mã (4) Biên kiểm tra
- Trạm Lý Nhân trên sông Mã.
- Trạm Xuân Khánh trên sông Chu.
Học viên: Vũ Kim Thắng 80 b. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực
Việc hiệu chỉnh thông số mô hình chủ yếu được tiến hành bằng cách thay đổi hệ số nhám và kiểm tra tính hợp lý của các điều kiện biên. Trong trường hợp dòng chảy lũ có hiện tượng tràn bãi thì trên mỗi mặt cắt ta chia ra làm nhám lòng dẫn và nhám bãi sông. Với dòng chảy kiệt dòng chảy chủ yếu trong lòng sông, nên việc hiệu chỉnh bộ thông số chủ yếu là thay đổi độ nhám của lòng dẫn. Phương pháp hiệu chỉnh thông số ở đây dùng phương pháp thử-sai. Ta có sơ đồ khối quá trình hiệu chỉnh bộ thông số mô hình như sau:
Giả thiết bộ thông
số
Chạy mô hình
So sánh thực đo và
tính toán
Đạt
Dừng
Không đ ạ t
Thay đổi bộ thông
số
Quá trình hiệu chỉnh có thể tóm tắt thành các bước sau đây:
Bước 1: Giả thiết bộ thông số (chủ yếu là hệ sốnhám), điều kiện ban đầu.
Bước 2: Sau khi đã có bộ thông số giả thiết, tiến hành chạy mô hình.
Bước 3: So sánh kết quả tính toán với số liệu thực đo tại các trạm có số liệu đo đạc lưu lượng và mực nước.
Việc so sánh này có thể tiến hành bằng trực quan (so sánh hai đường quá trình tính toán và thực đo trên biểu đồ), đồng thời kết hợp đánh giá các chỉ tiêu Nash, sai số tổng lượng và thời gian để kiểm tra, sai số đỉnh lũ.
Ta có công thức tính toán chỉ tiêu Nash, như sau:
( )
( )
∑
∑
−
− −
= 2
2
, , 1 ,
Xo i Xo
i Xs i Nash Xo
Trong đó: Xo,i: Giá trị thực đo
Xs,i: Giá trị tính toán hoặc mô phỏng.
Xo: Giá trị thực đo trung bình
Học viên: Vũ Kim Thắng 81 Bước 4: Nếu kết quả so sánh tốt thì dừng hiệu chỉnh và lưu bộ thông số. Nếu kết quả không đạt, tiến hành phân tích đánh giá sai lệch, sau đó tiếp tục hiệu chỉnh lại bộ thông số. Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình thủy lực trong mùa lũ
1. Thời gian tính toán
- Thời gian hiệu chỉnh: 3/10/2007 11:00:00 pm đến 10/10/2007 00:00:00 am.
- Thời gian kiểm định: 14/08/1996 1:00:00 am đến 20/08/1996 11:00:00 pm 2. Hiệu chỉnh mô hình thủy lực
Hình 15: Mực nước thực đo – tính toán trạm Xuân Khánh X/2007
Hình 16: Mực nước thực đo – tính toán trạm Lý Nhân X/2007
Học viên: Vũ Kim Thắng 82 3. Kiểm định mô hình thủy lực
Hình 17: Mực nước thực đo – tính toán trạm Xuân Khánh VIII/1996
Hình 18: Mực nước thực đo – tính toán trạm Lý Nhân VIII/1996 4. Nhận xét kết quả
Trận lũ hiệu chỉnh 3/10/2007 11:00:00 pm đến 10/10/2007 00:00:00am: Kết quả mô phỏng trận lũ 10/2007 đã đạt kết quả khá tốt tại các trạm đo thủy văn Xuân Khánh, Lý Nhân. Tại các trạm thủy văn, đường quá trình mực nước giữa tính toán và thực đo khá phù hợp về hình dạng, quá trình lũ lên, quá trình lũ xuống cũng như thời gian xuất hiện đỉnh lũ. Hệ số tương quan khá cao. Vì vậy, có thể nói rằng bộ thông số
Học viên: Vũ Kim Thắng 83 của mô hình thủy chọn được trong quá trình mô phỏng đã phù hợp cho phép mô tả được khá chuẩn xác chế độ thủy lực mùa lũ của lưu vực sông Mã
Trận lũ kiểm định 14/08/1996 1:00:00 am đến 20/08/1996 11:00:00 pm: Kết quả tính toán kiểm định cho thấy với bộ thông số của mô hình cho hệ số tương quan giữa mực nước thực đo và tính toán là khá cao, chấp nhận được. Như vậy, mô thủy lực có đủ tin cậy để áp dụng tính toán cho lưu vực sông nghiên cứu.
Bảng 29: Kết quả tính toán chỉ số Nash tại các vị trí kiểm tra
TT Điểm Trên sông Hệ số Nash
Hiệu chỉnh 2007
Hệ số Nash Kiểm định 1996
1 Xuân Khánh Chu 0,93 0,86
2 Lý Nhân Mã 0,89 0,88
Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình thủy lực trong mùa cạn 1. Thời gian tính toán
- Thời gian hiệu chỉnh: 1/12/1992 – 30/6/1994 - Thời gian kiểm định: 1/1/1998 – 30/6/1999 2. Hiệu chỉnh mô hình thủy lực
Hình 19: Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại trạm thủy văn Lý Nhân
Học viên: Vũ Kim Thắng 84 Hình 20: Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại trạm thủy văn Xuân Khánh 3. Kiểm định mô hình thủy lực
Để kiểm định độ tin cậy của bộ thông số mô hình, ta dùng bộ thông số này tiến hành chạy kiểm tra với chuỗi số liệu ngày từ 1/1/1998 – 30/6/1999.
Kết quả kiểm định mô hình như sau:
Hình 21: Kết quả kiểm định mực nước tại trạm thủy văn Lý Nhân
Học viên: Vũ Kim Thắng 85 Hình 22: Kết quả kiểm định mực nước tại trạm thủy văn Xuân Khánh 4. Nhận xét kết quả tính toán
Chuỗi số liệu hiệu chỉnh từ 1/12/1992 – 30/6/1994:
Kết mô phỏng đã đạt kết quả khá tốt tại các trạm đo thủy văn (Lý Nhân và Xuân Khánh). Tại các trạm thủy văn, đường quá trình mực nước giữa tính toán và thực đo khá phù hợp về hình dạng, quá trình nhánh lên, quá trình nhánh xuống cũng như thời gian xuấthiện, đặc biệt là trong thời gian mùa cạn. Hệ số tương quan tại các vị trí tính toán và thực đo khá cao, lần lượt là R2 = 0,95; 0,85. Vì vậy, có thể nói rằng bộ thông số của mô hình thủy lực chọn được trong quá trình mô phỏng đã phù hợp cho phép mô tả được khá chuẩn xác chế độ thuỷ lực mùa cạn của lưu vực sông Mã.
Chuỗi số liệu kiểm định từ 1/1/1998 – 30/6/1999:
Kết quả tính toán kiểm định cho thấy hệ số tương giữa lưu lượng thực đo và tính toán với bộ thông số của mô hình là khá cao, chấp nhận được. Hệ số tương quan tại các vị trí tính toán và thực đo lần lượt là R2=0,93; 0,89. Như vậy mô hình thuỷ lực có đủ tin cậy để áp dụng tính toán cho lưu vực sông trong phạm vi nghiên cứu đã xác định ở trên.