3. Bố cục của luận văn
3.2.2 Nghiên cứu ứng dụng mô hình thủy lực HEC-RAS diễn toán quá trình lũ tạ
tại hạ lưu hệ thống sông
a/ Xây dựng sơ đồ mạng lưới thủy lực tính toán
Nhƣ đã giới thiệu sơ đồ tính thủy lực cho hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn rất phức tạp. Hệ thống sông có nhiều nhánh nối với nhau, khi có lũ lớn tràn về mực nƣớc các nhánh sông chảy qua vùng đồng bằng hạ du đều tràn bờ gây ảnh hƣởng lụt nghiêm trọng.
Trên cơ sở phân tích thực trạng dòng chảy, mô hình lũ khu vực hạ lƣu lƣu vực sông Vu Gia – Thu Bồn đƣợc sơ đồ hoá nhằm mô phỏng cả dòng chảy trong sông (thông qua các nhánh sông) và dòng tràn trên mặt đất (thông qua các ô chứa). Các nhánh sông liên kết với nhau qua các nút sông còn các ô chứa liên kết với nhau và với sông lân cận bằng các dòng tràn qua biên của chúng. Mạng sông đƣa vào tính toán thuỷ lực vùng hạ lƣu hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn bao gồm toàn bộ dòng chính từ trạm Thủy văn Thành Mỹ và trạm Thủy văn Nông Sơn ra đến biển. Căn cứ vào mục tiêu, nhiệm vụ, phƣơng pháp tính toán và cơ sở tài liệu cơ bản đã có để lập ra sơ đồ tính toán thuỷ lực HEC - RAS trên hệ thống sông Thu Bồn – Vu Gia. Toàn bộ địa hình lòng sông sử dụng trong tính toán thuỷ lực đều theo hệ cao độ Quốc gia.
Hình 3.12: Sơ đồ mạng lưới thuỷ lực tính toán lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn
Hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn đƣợc sơ đồ hóa thành 7 sông, 17 đoạn, 10 nút sông, 4 biên và 409 mặt cắt ngang. Hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn có cấu tạo mạng lƣới tƣơng đối phức tạp và có rất nhiều nhánh sông, hình dạng mặt cắt biến đổi qua từng đoạn, từng nhánh sông nên khó xác định hình dạng mặt cắt sông đặc trƣng, khoảng cách giữa các mặt cắt là không đều nhau và có xu hƣớng thƣa ở đoạn thƣợng lƣu và dày ở đoạn hạ lƣu.
10 nút sông gồm: Vu Gia – Quảng Huế mới; Vu Gia – Quảng Huế cũ; Nhập lƣu Quảng Huế mới cũ; Quảng Huế - Thu Bồn; Thu Bồn – Vĩnh Điện; Ái Nghĩa – Yên - Lạc Thành; Lạc Thành – La Thọ - Quá Giáng; Vĩnh Điện – Thanh Quýt; Vĩnh Điện – Quá Giáng; Vĩnh Điện – Hàn.
4 biên gồm 2 biên trên và 2 biên dƣới và các nút nhập lƣu khu giữa: - Biên trên (Biên lƣu lƣợng):
+ Trạm Thủy văn Thành Mỹ trên sông Vu Gia + Trạm Thủy văn Nông Sơn trên sông Thu Bồn - Biên dƣới (Biên mực nƣớc):
+ Tại Cửa Hàn trên sông Vu Gia + Tại Cửa Đại trên sông Thu Bồn
Bảng 3.10: Mạng lưới hệ thống sông hạ lưu lưu vực Vu Gia – Thu Bồn
STT Tên sông Giới hạn Đoạn sông
1 Sông Thu Bồn Từ Nông Sơn đến Cửa Đại
Nông Sơn – Quảng Huế Quảng Huế - Vĩnh Điện Vĩnh Điện – Cửa Đại
2 Sông Vu Gia Từ Thành Mỹ đến Cửa Hàn
Thành Mỹ - Quảng Huế mới Quảng Huế mới – Quảng Huế cũ
Quảng Huế cũ - Ái Nghĩa Ái Nghĩa – Yên
Yên – Cửa Hàn 3 Sông Quảng Huế Nối giữa 2 sông Vu Gia
và Thu Bồn
Quảng Huế cũ Quảng Huế mới Nhập lƣu – Thu Bồn 4 Quá Giáng
Từ nhập lƣu 3 sông (Lạc Thành, La Thọ, Quá Giáng) đến sông Vĩnh Điện Quá Giáng 5 Sông La Thọ Từ nhập lƣu 3 sông Đến Thanh Quýt (Vĩnh Điện) La Thọ - Thanh Quýt
6 Sông Vĩnh Điện Nối từ Sông Thu Bồn sang sông Vu Gia
Thu Bồn – Thanh Quýt Thanh Quýt – Quá Giáng; Quá Giáng - Vu Gia 7 Sông Lạc Thành
Nối từ sông Vu Gia đến nhập lƣu 3 sông (Lạc Thành, La Thọ, Quá Giáng)
Lạc Thành
- Nhập lƣu khu giữa: Dòng chảy từ các lƣu vực nhập lƣu khu giữa đƣợc xác định thông qua mô hình thuỷ văn HEC - HMS.
Hình 3.13: Vị trí các biên và nhập lưu trong mô hình
b/ Xác định bộ thông số mô hình thủy lực HEC – RAS
Phƣơng pháp xác định
Dò tìm bộ thông số thuỷ lực trong mô hình thủy lực HEC – RAS trong đó yếu tố quan trọng là hệ số nhám Manning. Thông số mô hình HEC - RAS là phù hợp nếu dạng quá trình lũ và đỉnh lũ mô phỏng sát với thực tế. Mô hình thủy lực hoạt động theo nguyên tắc bảo toàn khối lƣợng, do vậy khi tổng lƣợng lũ tính toán hay lƣu lƣợng đỉnh lũ bị thấp hơn (hoặc cao hơn) thực đo quá nhiều thì bộ thông số của mô hình là không phù hợp và các chỉ tiêu đánh giá không cho kết quả tốt.
Thông số thuỷ lực đƣợc xác định thông qua các bƣớc hiệu chỉnh và kiểm định mô hình với phƣơng pháp sử dụng là thử sai. Đối với mô hình HEC-RAS, thông số đƣợc hiệu chỉnh chủ yếu là hệ số nhám ứng với các cấp mực nƣớc tại các đoạn sông. Vì các hệ số nhám tại các đoạn của sông là khó xác định chính xác trƣớc, các chƣơng trình tính toán thuỷ lực phải tìm cách hiệu chỉnh sao cho kết quả tính toán phù hợp với thực đo.
Mạng lƣới sông đƣợc phân chia thành 17 đoạn, mỗi đoạn đƣợc gắn liền với một giá trị nhám tƣơng ứng cho các mặt cắt. Khi hiệu chỉnh có thể hiệu chỉnh giá trị nhám cho từng mặt cắt. Nguyên tắc chung là tăng nhám làm đƣờng quá trình tăng cao, giảm nhám thì đƣờng quá trình xuống thấp. Cùng một cấp mực nƣớc quá trình lũ lên thƣờng có giá trị nhám cao hơn quá trình nƣớc xuống.
Sử dụng 2 trận lũ XI/1998, trận lũ 2009 lựa chọn xác định bộ thông số nhám của vùng hạ lƣu hệ thống sông Thu Bồn – Vu Gia. Sau nhiều lần tính toán thử sai với các bộ thông số khác nhau thì xác định bộ thông số thủy lực của hệ thống sông với kết quả mô phỏng nhƣ sau:
Bảng 3.11: Hệ số nhám trung bình của các đoạn sông
STT Sông Đoạn Hệ số nhám
1
Thu Bồn
Nông Sơn - Quảng Huế 0.010 - 0.031 2 Quảng Huế - Vĩnh Điện 0.015 - 0.041 3 Vĩnh Điện - Cửa Đại 0.025 -0.055 4
Vu Gia
Thành Mỹ - Quảng Huế mới 0.025 - 0.035 5 Quảng Huế mới - Quảng Huế cũ 0.020 - 0.040 6 Quảng Huế cũ - Ái Nghĩa 0.010 - 0.040
7 Ái Nghĩa - Yên 0.010 - 0.045
8 Yên - Hàn 0.025 - 0.040
9
Vĩnh Điện
Thu Bồn - Thanh Quýt 0.025 - 0.030 10 Thanh Quýt - Quá Giáng 0.025 - 0.030 11 Quá Giáng – Vu Gia 0.025 - 0.030 12
Quảng Huế
Quảng Huế mới 0.035 - 0.050
13 Quảng Huế cũ 0.025 - 0.035
14 Nhập lƣu - Thu Bồn 0.025 - 0.035 15 Lạc Thành Lạc Thành 0.025 - 0.030 16 Quá Giáng Quá Giáng 0.025 - 0.030 17 La Thọ-Thanh Quýt La Thọ-Thanh Quýt 0.025 - 0.030
Kết quả hiệu chỉnh trận lũ XI/1998
Kết quả diễn toán quá trình lũ trên hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn với trận lũ từ ngày 10/XI – 14/XI/ 1998 bằng mô hình thủy lực một chiều HEC-RAS thể hiện ở hình 3.14 và hình 3.15, cho thấy rằng có sự phù hợp giữa kết quả tính toán và thực đo về hình dạng đƣờng quá trình dòng chảy. Kết quả tính đánh giá sai số (bảng 3.12) cho hệ số NASH cho các trạm với kết quả tốt dao động trên 0.9 và hệ số tƣơng quan R nằm trong khoảng từ 0.89 đến 0.99. Các đƣờng quá trình mực nƣớc tính toán và thực đo tại các trạm cho thấy phần chân lũ lên và xuống thì kết quả mô phỏng là khá đạt, tuy nhiên phần đỉnh lũ có sự chênh là tƣơng đối nhƣng vẫn nằm trong phạm vi có thể chấp nhận đƣợc. Sự sai lệch này có thể là do rất nhiều nguyên nhân tác động sai lệch về số liệu dòng chảy đầu
vào, điều kiện ban đầu của lƣu vực, đặc điểm địa hình lòng sông và số liệu biên triều tại các cửa sông.
Sông Thu Bồn
a. Giao Thủy b.Hội An
Hình 3.14: Biểu đồ so sánh đường quá trình mực nước thực đo và tính toán tại các trạm trên sông Thu Bồn trận lũ 11/1998
Sông Vu Gia
a. Ái Nghĩa b. Cẩm lệ
Hình 3.15: Biểu đồ so sánh đường quá trình mực nước thực đo và tính toán tại các trạm trên sông Vu Gia trận lũ 11/1998
Bảng 3.12: Bảng đánh giá kết quả mô phỏng của trận lũ 11/1998
Chỉ tiêu Giao Thủy Câu Lâu Hội Khách Ái Nghĩa
Nash 0.994 0.979 0.998 0.993
R 0.998 0.991 0.898 0.996
Với kết quả hiệu chỉnh xác định hệ số nhám cho các mặt cắt trên hệ thống sông trên luận văn đi đánh giá mức độ tin cậy của mô hình cũng nhƣ các kết quả tính toán và tiến hành kiểm định mô hình thuỷ lực với trận lũ năm 2009.
Kết quả kiểm định với trận lũ năm 2009
Sông Thu Bồn
a. Giao thủy b. Câu lâu
Hình 3.16: Biểu đồ so sánh đường quá trình mực nước thực đo và tính toán tại các trạm trên sông Thu Bồn trận lũ 2009
Sông Vu Gia
a. Hội Khách b. Ái Nghĩa
Hình 3.17: Biểu đồ so sánh đường quá trình mực nước thực đo và tính toán tại các trạm trên sông Vu Gia trận lũ trận lũ năm 2009
Bảng 3.13: Bảng đánh giá kết quả mô phỏng của trận lũ năm 2009
Chỉ tiêu Giao Thủy Câu Lâu Hội Khách Ái Nghĩa
Nash 0.933 0.982 0.993 0.989
R 0.972 0.991 0.998 0.995
Kết quả kiểm định với trận lũ năm 2009 nhằm đánh giá độ chính xác khi mô phỏng thủy lực kết quả tính toán và số thực đo tại các trạm kiểm tra cho thấy kết quả tƣơng đối phù hợp. Các kết quả tính toán có sự đồng dạng, cùng pha với các số liệu thực tế, chênh lệch đỉnh tại 3 trạm Câu Lâu, Hội Khách và Ái Nghĩa là không nhiều tuy nhiên trạm Giao thủy chênh lệch đỉnh tƣơng đối lớn lên đến 0.44m. Đánh giá kết quả với hệ số NASH cho kết quả rất tốt nằm trong khoảng trên 0.9. Với kết quả kiểm định nhƣ vậy thì bộ thông số của mô hình hoàn toàn có thể ứng dụng vào các bƣớc tính toán tiếp theo.