CHƯƠNG II PHÂN TÍCH LỰA CHỌN MÔ HÌNH THỦY VĂN VÀ VẬN DỤNG ĐỂ TÍNH BIÊN ĐẦU VÀO CHO MÔ HÌNH THUỶ LỰC
2.1. Phân tích lựa chọn mô hình thủy văn
Có nhiều mô hình toán thuỷ văn tính chuyển từ mưa ra dòng chảy như mô hình đường đơn vị NASH, mô hình mô hình TANK và mô hình NAM. Tuy nhiên các mô hình này là mô hình thông số tập trung, chỉ thích hợp cho những lưu vực nhỏ. Trong khi đó mô hình HEC-HMS là một mô hình được Cục Công binh Mỹ thiết lập ra có dao diện dễsử dụng, có khả năng tính toán, liên kết các tiểu lưu vực nhỏ, nên có thể áp dụng cho những lưu vực lớn. Để tính biên đầu vào cho mô hình thuỷ lực trên lưu vực sông Cả, học viên đã chọn mô hình HEC-HMS vì đây là một mô hình được sử dụng rộng rãi trên thế giới, đặc biệt là trong tính lũ thiết kế hoặc tính tiềm năng lũ lưu vực và không đòi hỏi quá nhiều các số liệu, tài liệu chi tiết của lưu vực và dòng chảy lũ. Một trong những ưu điểm lớn của mô hình HEC HMS là có thể phân chia nhỏ lưu vưc để tính toán. Việc này rất thích hợp đối với những lưu vực có diện tích lớn như lưu vực đang nghiên cứu.
Mô hình HEC-HMS là mô hình tính toán mưa dòng chảy trên toàn lưu vực, được chạy trên môi trường Window. Tiền thân của mô hình là mô hình HEC-1 (HEC-1988) được chạy trên môi trường DOS, số liệu nhập không thuận tiện, kết quả in ra khó theo dõi. Hiện nay phiên bản mới nhất của HEC-HMS là version 4.0.
Phần mềm HEC-HMS bao gồm: giao diện đồ họa, các thành phần phân tích thủy văn, lưu trữ số liệu, các công cụ quản lý và các bản ghi.
Việc tính toán dòng chảy từ mưa trong mô hình HEC-HMS bao gồm 3 thành phần chính: tính toán tổn thất; chuyển đôi từ mừa thành dòng chảy và xác định dòng chảy ngầm.
2.1.2. Giới thiệu qua mô hình HEC-HMS 2.1.2.1 Nguồn gốc mô hình
Mô hình HEC-HMS là sản phẩm của tập thể các kỹ sư thuỷ văn thuộc quân đội Hoa Kỳnó đã góp phần quan trọng trong việc tính toán dòng chảy lũ tại những
con sông nhỏ không có trạm đo lưu lượng. Tính cho đến thời điểm này, đã có không ít đề tài nghiên cứu khả năng ứng dụng thực tế. Tuy nhiên, HEC-1 được viết từ những năm 1968- chạy trong môi trường DOS, số liệu nhập không thuận tiện, kết quả in ra khó theo dõi. Hơn nữa, đối với những người không hiểu sâu về chương trình kiểu Format thường rất lúng túng trong việc truy xuất kết quả mô hình nếu không muốn làm thủ công. Do vậy, HEC-HMS là một giải pháp, nó được viết để
“chạy” trong môi trường Windows- hệ điều hành rất quen thuộc với mọi người.
Phiên bản đầu tiên của HEC- HMS là version 2.0, hiện nay phiên bản mới nhất của HEC- HMS là version 4.0.0.
Phần mềm bao gồm: giao diện đồ họa, các thành phần phân tích thủy văn, lưu trữ số liệu, các công cụ quản lý và các bản ghi. Chương trình đã kết hợp các ngôn ngữ lập trình C, C++ và Fortran. Phương tiện tính toán và giao diện đồ họa được lập trình theo hướng đối tượng C++. Các thuật toán thủy văn được viết bằng Fortran và được tổ chức trong một thư viện Lib Hydro. Quản lý số liệu được trình bày dùng thư viện HEC- Lib. Mặc dù đã được kết hợp trong một chương trình nhưng vẫn có sự tách biệt rõ ràng giữa giao diện, công cụ tính toán và lưu trữ số liệu.
2.1.2.2.Các thành phần của mô hình a. Mô hình lưu vực
Các đặc trưng vật lý của khu vực và của các sông được miêu tả trong mô hình lưu vực. Các yếu tố thủy văn như: lưu vực con, đoạn sông, hợp lưu, phân lưu, hồ chứa, nguồn, hồ, đầm được gắn kết trong một hệ thống mạng lưới để tính toán quá trình dòng chảy. Các quá trình tính toán được bắt đầu từ thượng lưu đến hạ lưu.
Hình 2.1: Giao diện phần mền Hec-HMS 4.0.0 b. Mô hình khí tượng
Mô hình khí tượng tính toán mưa làm đầu vào của mô hình lưu vực. Mô hình khí tượng có khả năng tính toán cả 2 dạng mưa điểm cũng như mưa lưới và nó cũng có khả năng mô phỏng cả mưa tuyết và sự bốc thoát hơi nước trên lưu vực.
c. Mô hình điều khiển
Mô hình điều khiển là một phần quan trọng trong mô hình Hec-HMS. Nó không chứa đựng các thông số, mục đích của nó là để điều khiển khoảng thời gian cũng như bước thời gian tính toán.
* Chuỗi dữ liệu
Ngoài ra trong mô hình Hec-HMS còn có nơi để nhập các dữ liệu tính toán, thực đo. Các chuỗi số liệu này được nhập vào các gage. Có rất nhiều loại gage, và các gage này có thể đượcliên kết với các mô hình lưu vực và mô hình khí tượng.
Số liệu đầu vào và kết quả tính ra có thể biểu thị dưới hệ đơn vị mét hay đơn vị của Anh và được tự động chuyển khi cần thiết.
2.1.2.3. Khảnăng ứng dụng của mô hình
Về lý thuyết, HEC- HMS cũng dựa trên cơ sở lý luận của mô hình HEC-1 nhằm mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy. Mô hình bao gồm hầu hết các phương
pháp tính dòng chảy lưu vực và diễn toán, phân tích đường tần suất lưu lượng, công trình xả của hồ chứa và vỡ đập của mô hình HEC-1. Chức năng phân tích thiệt hại lũ không được xây dựng trong mô hình HEC-HMS mà được trình bày trong phần mềm HEC-FDA.
Những phương pháp tính toán mới được đề cập trong mô hình HEC-HMS tính toán đường quá trình liên tục trong thời đoạn dài và tính toán dòng chảy phân bố trên cơ sở các ô lưới của lưu vực. Việc tính toán liên tục có thể dùng một bể chứa đơn giản biểu thị độ ẩm của đất hay phức tạp hơn là mô hình 5 bể chứa bao gồm sự trữ nước tầng trên cùng, sự trữ nước trên bề mặt, trong lớp đất và trong hai tầng ngầm. Dòng chảy phân bố theo không gian có thểđược tính toán theo sự chuyển đổi phân bố phi tuyến (Mod Clak) của mưa và thấm cơ bản.
2.1.2.4.Lý thuyết mô hình
Mô hình HEC-HMS được sử dụng để mô phỏng quá trình mưa- dòng chảy khi nó xảy ra trên một lưu vực cụ thể. Ta có thể biểu thị mô hình bằng sơ đồ sau:
Mưa (X) ---> Dòng chảy (Y) ---> Đường quá trình lũ (Q~t).
Ta có thể hình dung, bản chất của sự hình thành dòng chảy của một trận lũ như sau: Khi mưa bắt đầu rơi cho đến một thời điểm tinào đó, dòng chảy mặt chưa được hình thành, lượng mưa ban đầu đó tập trung cho việc làm ướt bề mặt và thấm. Khi cường độmưa vượt quá cường độ thấm (mưa hiệu quả) thì trên bề mặt bắt đầu hình thành dòng chảy, chảy tràn trên bề mặt lưu vực, sau đó tập trung vào mạng lưới sông suối. Sau khi đổ vào sông, dòng chảy chuyển động về hạlưu, trong quá trình chuyển động này dòng chảy bị biến dạng do ảnh hưởng của đặc điểm hình thái và độ nhám lòng sông.
+ Tổn thất
Một tập hợp các phương pháp khác nhau có sẵn trong mô hình để tính toán tổn thất. Có thể lựa chọn một phương pháp tính toán tổn thất trong số các phương pháp : Phương pháp tính thấm theo hai giai đoạn- Thấm ban đầu và thấm hằng số (Initial and Constant), thấm theo số đường cong thấm của cơ quan bảo vệ đất Hoa Kỳ (SCS
Tổn thất(P) Đường lũ đơn vị
Curve Number), thấm theo Gridded SCS Number và thấm theo hàm Green and Ampt. Phương pháp Deficit and Constant có thể áp dụng cho các mô hình liên tục đơn giản. Phương pháp tính độ ẩm đất bao gồm 5 lớp đước áp dụng cho các mô hình mô phỏngquá trình thấm phức tạp và bao gồm bốc hơi.
+ Chuyển đổi dòng chảy
Có nhiều phương pháp để chuyển lượng mưa hiệu quả thành dòng chảy trên bề mặt của khu vực. Các phương pháp đường đơn vị bao gồm: đường đơn vị tổng hợp Clack, Snyder và đường đơn vị không thứ nguyên của cơ quan bảo vệđất Hoa Kỳ. Ngoài ra phương pháp tung độ đường đơn vị xác định bởi người sử dụng cũng có thểđược dùng. Phương pháp Clark sửa đổi (Mod Clark) là một phương pháp đường đơn vị không phân bố tuyến tính được dùng với lưới mưa. Mô hình còn bao gồm cả phương pháp sóng động học.
+ Diễn toán kênh hở
Một sốphương pháp diễn toán thủy văn được bao gồm để tính toán dòng chảy trong các kênh hở. Diễn toán mà không tính đến sự suy giảm có thểđược mô phỏng trong phương pháp trễ. Mô hình bao gồm cả phương pháp diễn toán truyền thống Muskingum. Phương pháp Puls sửa đổi cũng có thể được dùng để mô phỏng một đoạn sông như là một chuỗi các thác nước, các bể chứa với quan hệ lượng trữ - dòng chảy ra được xác định bởi người sử dụng. Các kênh có mặt cắt ngang hình thang, hình chữ nhật, hình tam giác hay hình cong có thể được mô phỏng với phương pháp sóng động học hay Muskingum- Cunge. Các kênh có diện tích bãi được mô phỏng với phương pháp Muskingum- Cunge và phương pháp mặt cắt ngang 8 điểm.
+ Tính toán mưa - dòng chảy
Chương trình tính toán được tạo bằng cách kết hợp mô hình lưu vực, mô hình khí tượng - thủy văn và mô hình điều khiển chương trình.
Các kết quả tính toán được xem từ lược đồ mô hình lưu vực. Bảng tổng kết chung và bảng tổng kết từng phần chứa các thông tin về lưu lượng đỉnh lũ và tổng lượng. Mỗi một yếu tố đều có các bảng tổng kết và đồ thị.
+ Hiệu chỉnh thông số
Hầu hết thông số của các phương pháp có trong mô hình lưu vực và trong yếu tốđoạn sông đều có thểước tính bằng phương pháp dò tìm tối ưu. Mô hình gồm có 4 hàm mục tiêu để dò tìm thông số. Việc dò tìm thông số tối ưu nhằm mục đích tìm ra bộ thông số thích hợp nhất để cho kết quả tính toán phù hợp với kết quả thực đo.
* Phương pháp tính mưa trong mô hình - Biểu đồ mưa
Mưa được sử dụng là đầu vào cho quá trình tính toán dòng chảy ra của lưu vực.
Mô hình HEC- HMS là mô hình thông số tập trung, mỗi lưu vực con có một trạm đo mưa đại diện. Lượng mưa ở đây được xem là mưa bình quân lưu vực (phân bố đồng đều trên toàn lưu vực). Dù mưa được tính theo cách nào đều tạo nên một biểu đồ mưa như hình 2.2. Biểu đồ mưa biểu thị chiều sâu lớp nước trung bình trong một thời đoạn tính toán.
Hình 2.2: Biểu đồ mưa
*. Số liệu mưa
Phương pháp tính lượng mưa trung bình trên diện tích tính toán gồm có:
phương pháp trung bình số học và phương pháp trung bình có trọng số; phương pháp sau còn có thể chia ra: phương pháp đa giác Thiessen, phương pháp đường đẳng trị mưa… Tài liệu mưa được lấy từ trận mưa thực đo, số liệu mưa cung cấp cho mô hình theo hai cách:
- Mưa tính theo phương pháp trung bình số học:
Thời gian (giờ)
Cường độmưa (mm)
t0 t1 t2 t3 t4 t5
Lớp nước mưa trung bình trên lưu vực là giá trị trung bình số học của lượng mưa tại các trạm đo mưa nằm trên lưu vực.
( )
n X X
n
i
∑ i
= =1 (2.1)
Trong đó:
Xi: lượng mưa tại trạm thứ i n : số trạm đo mưa trên lưu vực
- Mưa tính theo phương pháp trung bình có trọng số:
+ Phương pháp đa giác Thiessen: Trọng số là hệ số tỷ lệ giữa phần diện tích của lưu vực do một trạm mưa nằm trong lưu vực hoặc bên cạnh lưu vực đạibiểu với toàn bộ diện tích lưu vực. Diện tích bộ phận khống chế bởi mỗi trạm mưa được xác định như sau: Nối liền các trạm đo mưa bằng các đoạn thẳng chia lưu vực thành nhiều hình tam giác, kẻ các đường trung trực của các cạnh tam giác, các đường này sẽ làgiới hạn diện tích bộ phận của từng trạm đo.
Lượng mưa trung bình trên lưu vực được tính theo công thức sau:
∑
∑
=
= =n
i i n
i i i
f f X X
1
1 (2.2)
Trong đó:
Xi : lượng mưa đo được tại trạm thứ i fi: diện tích lưu vực bộ phận thứ i
n : số trạm đo mưa ( cũng là số diện tích lưu vực bộ phận ) + Phương pháp đường đẳng trị mưa:
Trọng số là tỷ số giữa diện tích kẹp giữa hai đường đẳng trị mưa và diện tích toàn bộ của lưu vực.
Trong công thức (2.2) thì Xi là lượng mưa trung bình của hai đường đẳng trị mưa kề nhau, fi là diện tích bộ phận nằm giữa hai đường ấy.
* Tính tổn thất trong mô hình
Lượng nước mưa chứa đầy các điền trũng và thấm vào đất được gọi là lượng tổn thất trong HEC-HMS. Lượng điền trũng và thấm được biểu thị bằng lượng trữ nước trên bề mặt của lá cây hay cỏ, lượng tích đọng cục bộ ở các chỗtrũng trên bề mặt đất, trong các vết nứt, kẽ hở hoặc trên mặt đất ởđó nước không tự do di chuyển như dòng chảy trên mặt đất. Thấm biểu thị sự di chuyển của nước xuống những vùng nằm dưới mặt đất.
Hai nhân tố quan trọng cần được chú ý khi tính toán tổn thất mưa: Thứ nhất là lượng mưa không tham gia vào quá trình dòng chảy được coi là bị tổn thất từ hệ thống; Thứ hai là các phương trình được dùng để tính toán lượng tổn thất không tính đến sự phục hồi độ ẩm hay lượng trữ bề mặt đất. Thực tế này đã cho biết chương trình HEC-HMS là mô hình có xu thế áp dụng cho hiện tượng mưa - lũ đóng.
Tính toán tổn thất mưa có thể được sử dụng theo cả đường đơn vị hay các thành phần mô hìnhsóng động học. Trong trường hợp dùng thành phần đường đơn vị, lượng tổn thất được xem là đều trên toàn lưu vực (phân bố đều trên toàn lưu vực). Theo cách khác lượng tổn thất mưa riêng biệt có thể được xác định cho mỗi vùng dòng chảy riêng biệt trên mặt đất trong thành phần sóng động học. Lượng tổn thất được xem là phân bố đều trên toàn bộ mỗi vùng dòng chảy tràn qua.
Trong vài trường hợp cá biệt có những lượng tổn thất không đáng kể theo vị trí của lưu vực con. Điều này đúng cho những vùng là hồ tự nhiên, hồ nhân tạo hay những vùng không thấm. Trong trường hợp này tổn thất không được tính toán theo phần trăm xác định của diện tích không thấm.
Mô hình HEC-HMS có 4 phương pháp được dùng để tính toán tổn thất. Sử dụng bất kỳ phương pháp nào ta đều tính được lượng tổn thất trung bình trong một thời đoạn tính toán, lượng mưa hiệu quả được dùng để tính toán đường quá trình dòng chảy ra cho lưu vực. Một hệ số không thấm tính theo phần trăm được sử dụng với các phương pháp để bảo đảm tại phần diện tích không thấm đó 100% mưa sẽ sinh dòng chảy. Sau đây chỉ giới thiệu phương pháp dùng trong đồ án là: chỉ số CN ( SCS Curve Number)
Cơ quan bảo vệ thổ nhưỡng Hoa Kỳ (1972) đã phát triển một phương pháp để tính tổn thất dòng chảy từ mưa gọi là phương pháp SCS. Mục đích là thành lập một hệ thống phân loại đất để sử dụng trong bản đồ dùng đất trên toàn nước Mỹ. Trong một trận mưa, lớp nước mưa hiệu dụng hay độ sâu dòng chảy trực tiếp Pe không bao giờ vượt quá độ sâu lớp nước mưa P. Tương tự như vậy, sau khi quá trình dòng chảy bắt đầu, độ sâu nước bị cầm giữ có thực trên lưu vực Fa bao giờ cũng nhỏ hơn hoặc bằng một độ sâu nước cầm giữ tiềm năng tối đa S nào đó (hình 2.2). Ta còn có một lượng mưa Iabị tổn thất hết nên không sinh dòng chảy, đó là lượng tổn thất ban đầu trước thời điểm sinh nước đọng trên bề mặt lưu vực. Do đó, ta có lượng dòng chảy tiềm năng là P – Ia. Trong phương pháp SCS, người ta giả thieets rằng: tỷ số giữa hai đại lượng có thực Pe và Fa thì bằng với tỷ số giữa hai đại lượng tiềm năng P – Ia và S. Vậy ta có:
a e a
I P
P S
F
= − (2.3)
Từ nguyên lý liên tục, ta có:
P = Pe + Ia + Fa (2.4)
Kết hợp (2.3) và (2.4) để giải:
( )
S I P
I P P
a a
e − +
= −
2
(2.5)
Đó là phương trình cơ bản của phương pháp SCS để tính độ sâu mưa hiệu dụng hay dòngchảy trực tiếp từ một trận mưa.
Qua nghiên cứu các kết quả thực nghiệm trên nhiều lưu vực nhỏ, người ta đã xây dựng được qua hệ kinh nghiệm:
Ia = 0,2*S (2.6)
Do đó:
( )
S P
S Pe P
8 , 0
2 ,
0 2
+
= − (2.7)
Lập đồ thị quan hệ giữa P và Pe bằng các số liệu của nhiều lưu vực, người ta đã tìm ra được họ các đường cong. Để tiêu chuẩn hoá các đường cong này, người ta
sử dụng số liệu của đường cong CN làm thông số. Đó là một số không thứ nguyên, lấy giá trị trong khoảng (0,100). Đối với bề mặt không thấm nước hoặc mặt nước, CN = 100; đối với bề mặt tự nhiên, CN < 100.
Hình 2.3: Tổn thất dòng chảy theo phương pháp SCS
Theo phương pháp này, lưu vực được chia thành các ô nhỏ và CN được tính toán cho từng ô nhỏ, sau đó lấy giá trị trung bình cho toàn lưu vực:
∑
∑
−
= = n
i i n
i
i i
A CN A II
CN
1
) 1
( (2.8)
Trong đó:
CN(II) là độ ẩm thời kỳ trước của đất trong điều kiện bình thường Ailà diện tích của từng ô tính toán trên lưu vực
CNi là độ ẩm của từng ô tính toán n là số ô tính toán
Độ ẩm của đất trước trận mưa đang xét được gọi là độ ẩm kỳ trước. Độ ẩm này được chia thành ba nhóm: độ ẩm kỳ trước trong điều kiện bình thường (ký hiệu là AMC II), trong điều kiện khô (AMC I) và trong điều kiện ướt (AMC III ).
Đối với điều kiện khô ( AMC I ) hoặc điều kiện ướt ( AMC III ), các số liệu đường cong tương đương có thể được suy ra như sau:
10 0.0568* ( )
) (
* 2 . ) 4
( CN II
II I CN
CN = − (2.9)
Pe
Fa
Ia
Cờ độ