CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN VỊ TRÍ CỬA LẤY NƯỚC VÀO SÔNG ĐÁY
3.2 Ứng dụng mô hình toán MIKE3FM mô phỏng chế độ thủy lực, diễn biến lòng dẫn khu vực cửa vào sông Đáy
3.2.6 Kết quả hiệu chỉnh, kiểm định mô hình thủy động lực MIKE3FM
Về nguyên tắc việc hiệu chỉnh và kiểm định mô hình để tính toán thủy lực, hình thái bằng mô hình toán 2 chiều, 3 chiều gồm các yếu tố sau:
- Cho việc tính toán thủy lực:
+ Kiểm định tương tự về mực nước (H).
+ Kiểm định tương tự về lưu lượng (Q).
- Cho tính toán hình thái:
+ Kiểm định tương tự về vận chuyển bùn cát (Qs).
+ Kiểm định tương tự về diễn biến lòng dẫn (theo mặt cắt ngang, theo chiều dọc sông).
Trong nghiên cứu diễn biến hình thái sông thì nguyên nhân cơ bản của diễn biến lòng sông là sự mất cân bằng trọng tải cát. Do đó có thể xác định bộ thông số mô phỏng diễn biến hình thái dựa trên các thông số liên quan đến vận chuyển bùn cát, các thông số này đóng vai trò chính quyết định độ chính xác của tính toán diễn biến. Vận chuyển bùn cát là hàm chịu ảnh hưởng của các yếu tố chính như:
- Chế độ thủy lực (vận tốc dòng chảy, độ dốc mặt nước).
- Kích thước của đường kính hạt cát và phân bố của chúng .
97
- Dạng vật liệu và các đặc trưng vật lý của vật liệu đáy sông.
- Điều kiện địa hình, địa chất,hình dạng mặt cắt và độ nhám lòng sông.
Đối với mô hình hình thái sông các thông số của mô hình được xác định trên cơ sở kiểm định mô hình. Các thông số của mô hình được trình bày trong mục 5 nội dung 3.2.4 của luận án.
Tuy nhiên, để kiểm định mô hình đòi hỏi phải có tài liệu thực đo liên quan đến hình thái sông ở mức độ chi tiết trước và sau từng trận lũ bao gồm: Tài liệu bùn cát, tài liệu địa hình… Đó là vấn đề hết sức khó khăn khi nghiên cứu trên mô hình hai chiều cũng như đã gặp phải khi nghiên cứu trên mô hình vật lý lòng động. Để làm được chính xác theo yêu cầu của mô hình thì cần công sức và kinh phí khá lớn. Trong đó, để kiểm định về hình thái sông, cần tiến hành đo đạc địa hình trước và sau mùa lũ. Căn cứ vào những tài liệu đo đạc địa hình, tiến hành kiểm định mô hình để xác định được thông số về hình thái từ đó tiến hành công tác dự báo diễn biến trong thời kỳ nhiều năm. Do đo, trong phạm vi nghiên cứu của luận án lựa chọn kiểm định hình thái bằng quan hệ lưu lượng dòng chảy và lượng ngậm cát (Q~ρ) dựa trên tài liệu đo đạc bùn cát bổ sung do trường ĐH Thủy Lợi thực hiện trong mùa lũ 8/2012 tại khu vực cống Cẩm Đình-Vân Cốc.
Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định tại nhiều vị trí khác nhau trên đoạn sông nghiên cứu nhằm đảm bảo tính đại diện và nâng cao độ tinh cậy của mô hình để đánh giá ảnh hưởng đến diễn biến lòng dẫn đến khả năng lấy nước của công trình lấy nước.
a. Hiệu chỉnh kiểm định trong mùa kiệt
Với dòng chảy mùa kiệt chủ yếu trong lòng sông, nên việc hiệu chỉnh bộ thông số là thay đổi độ nhám của lòng dẫn.
Theo đúng nguyên tắc, để xác định bộ thông số cho mô hình cần dựa vào số liệu thực đo. Tuy nhiên, trên đoạn sông nghiên cứu không bố trí một trạm thủy văn nào, do đó dựa vào số liệu tính toán đã được kiểm định từ mô hình một chiều MIKE 11 để hiệu chỉnh và kiểm định cho mô hình MIKE 3FM.Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình
98
cho mùa kiệt năm 2001 được thể hiện trong phụ lục từ hình 3 đến hình 16. Kết quả tính toán sai số hiệu chỉnh và kiểm định như sau:
Bảng 3.6. Kết quả kiểm định mô hình MIKE 3FM, trường hợp dòng chảy kiệt 2001
Mặt cắt Vị trí (m)
Mô hình (MIKE11)
Mô hình (MIKE3FM)
Sai số hiệu chỉnh Hmin
(m)
Qmin (m3/s)
Hmin (m)
Qmin (m3/s)
H
(m) Q(%) NASH
MC1 8445 4,90 1227 4,90 1225 0,00 0,16 0,91
MC2 11015 4,74 1227 4,75 1229 0,01 0,16 0,93 MC3 13615 4,62 1229 4,62 1219 0,00 0,81 0,88 MC4 17165 4,58 1230 4,58 1231 0,00 0,08 0,90 MC5 20285 4,27 1232 4,28 1227 0,01 0,41 0,91 MC6 24665 4,14 1229 4,15 1227 0,01 0,16 0,93 MC7 27085 3,94 1231 3,92 1229 0,02 0,16 0,89 Bảng 3.7. Kết quả kiểm định mô hình MIKE 3FM, trường hợp dòng chảy kiệt 2003
Mặt cắt Vị trí (m)
Mô hình (MIKE11)
Mô hình (MIKE3FM)
Sai số hiệu chỉnh Hmin
(m)
Qmin (m3/s)
Hmin (m)
Qmin (m3/s)
H
(m) Q(%) NASH
MC1 8445 4,90 1227 4,90 1225 0,00 0,16 0,91
MC2 11015 4,74 1227 4,75 1229 0,01 0,16 0,93 MC3 13615 4,62 1229 4,62 1219 0,00 0,81 0,88 MC4 17165 4,58 1230 4,58 1231 0,00 0,08 0,90 MC5 20285 4,27 1232 4,28 1227 0,01 0,41 0,91 MC6 24665 4,14 1229 4,15 1227 0,01 0,16 0,93 MC7 27085 3,94 1231 3,92 1229 0,02 0,16 0,89 Mực nước và lưu lượng nhỏ nhất mùa kiệt chênh lệch ít (∆H<0,02m, ∆Q<0,8%) đường quá trình mực nước tính toán giữa mô hình MIKE11 và mô hình MIKE3FM tương đối phù hợp về pha và đỉnh, hệ số NASH đạt giá trị > 0,8.
b. Hiệu chỉnh kiểm định thủy lực trong mùa lũ cho mô hình MIKE3FM
Việc hiệu chỉnh thông số mô hình chủ yếu được tiến hành bằng cách thay đổi độ nhám. Kiểm tra tính hợp lý tại các điều kiện biên. Trường hợp dòng chảy lũ có hiện tượng tràn bãi thì trên mỗi mặt cắt còn chia ra nhám lòng dẫn và nhám bãi.
99
Sử dụng kết quả tính toán lũ thực tế tháng VIII/1996 cho việc hiệu chỉnh và số liệu lũ tháng VIII/2002 từ mô hình MIKE11 cho việc hiệu chỉnh, kiểm định mô hình MIKE3FM để đánh giá độ tin cậy và sự phù hợp của mô hình.
Kết quả hiệu chỉnh mực nước, lưu lượng tại các mặt cắt kiểm tra của mô hình cho trận lũ tháng 8/1996 và 8/2002 tại các mặt cắt tính toán cho kết quả như sau:
Bảng 3.8.Kết quả hiệu chỉnh mô hình MIKE 3FM, trường hợp lũ 1996:
Kết quả hiệu chỉnh mô hình cho thấy đường quá trình mực nước tính toán và thực đo khá phù hợp, mực nước đỉnh lũ tính toán từ mô hình MIKE3FM và tính toán từ mô hình MIKE11 chênh lệch không lớn (<0,08m). Tiêu chí NASH đánh giá sai số mực nước tính toán và thực đo khá cao (>0,88). Tuy nhiên đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo có sự chênh lệch nhiều hơn, lưu quá trình lưu lượng có sự phù hợp chỉ đạt ở các giai đoạn mực nước thấp. Sai số chênh lệch lưu lượng đỉnh lũ lớn nhất đạt 5,1%. Kết quả kiểm định mô hình MIKE3FM cho chỉ tiêu NASH khá tốt (NASH>0,8) quá trình mực nước và đỉnh lũ so sánh trong cả 2 trường hợp chênh nhau không nhiều.
Dựa vào các thông số đã hiệu chỉnh tiến hành kiểm định mô hình với trận lũ thực đo tháng 8/2002. Kết quả kiểm định được trình bày dưới đây:
Mặt cắt Vị trí (m)
Mô hình (MIKE11)
Mô hình (MIKE3FM)
Sai số hiệu chỉnh
Hmax (m)
Qmax (m3/s)
Hmax (m)
Qmax (m3/s)
H (m)
Q (%)
NASH MC1 8445 15,25 22560 15,33 22132 -0,08 1,9 0,88 MC2 11015 14,92 22528 14,88 21375 0,04 5,1 0,91 MC3 13615 14,59 22503 14,56 21925 0,03 2,6 0,91 MC4 17165 14,33 22475 14,41 21744 -0,08 3,3 0,90 MC5 20285 14,13 22426 14,16 21329 -0,03 4,9 0,91 MC6 24665 13,89 22402 13,93 21605 -0,04 3,6 0,92 MC7 27085 13,68 22350 13,71 21887 -0,03 2,1 0,91
100
Bảng 3.9.Kết quả kiểm định mô hình MIKE 3FM, trường hợp lũ 2002
Mặt cắt
Vị trí (m)
Mô hình 1 chiều (MIKE11)
Mô hình 3 chiều (MIKE3FM)
Sai số hiệu chỉnh
Hmax (m)
Qmax (m3/s)
Hmax (m)
Qmax (m3/s)
H (m)
Q(%) NASH MC1 8445 15,10 22459 15,11 21085 -0,01 6,1 0,89 MC2 11015 14,75 22422 14,66 20990 0,09 6,4 0,91 MC3 13615 14,40 22395 14,35 20961 0,04 6,4 0,90 MC4 17165 14,11 22360 14,22 20921 -0,11 6,4 0,87 MC5 20285 13,88 22306 13,90 21208 -0,01 4,9 0,91 MC6 24665 13,62 22277 13,74 21390 -0,11 4,0 0,84 MC7 27085 13,35 22222 13,42 21508 -0,07 3,2 0,93 Kết quả kiểm định và hiệu chỉnh mô hình MIKE3FM cho chỉ tiêu NASH khá tốt(NASH>0,8) quá trình mực nước và đỉnh lũ so sánh trong cả 2 trường hợp đều khá phù hợp, mực nước và lưu lượng nhỏ nhất mùa kiệt chênh lệch ít (∆H<0,02m,
∆Q<0,8%) đường quá trình mực nước mùa kiệt có sự phù hợp tốt hơn mùa lũ, tuy nhiên quá trình lưu lượng trong mùa lũ có sự sai khác lớn chỉ phù hợp ở các giai đoạn mực nước thấp. Nguyên nhân chủ yếu là do mô hình MIKE3FM có tính toán đến khả năng tràn lên các bãi trong các trường hợp mực nước trên sông lớn .
Từ kết quả kiểm định mô hình MIKE3FM cho thấy quá trình mực nước và lưu lượng so sánh là khá tốt chứng tỏ việc thiết lập mô hình và lựa chọn các thông số thủy lực cho mô hình MIKE3FM là hợp lý và có thể sử dụng để tính toán các kịch bản vị trí lấy nước khác nhau khu vực cửa vào sông Đáy để từ đó xác định được vị trí lấy nước hợp lý, đảm bảo lấy nước mùa kiệt và thoát lũ, phục vụ phát triển kinh tế xã hội.
c. Hiệu chỉnh kiểm định môđun bùn cát mô hình MIKE3FM
Tài liệu đo đạc bổ sung bùn cát vào mùa lũ từ ngày 7/VIII-4/IX năm 2012 để kiểm định kết quả tính toán lưu lượng bùn cát từ mô hình MIKE3FM. Trên cơ sở kết quả đo đạc thực tế năm 2012, xây dựng quan hệ lưu lượng Q~ρ tại 3 mặt cắt khu vực cống
101
Cẩm Đình-Vân Cốc với mỗi mặt cắt là 30 giá trị để làm các mặt cắt kiểm tra độ tin cậy kết quả tính toán bùn cát trong mùa lũ từ mô hình MIKE3FM phục vụ đánh giá diễn biến lòng dẫn khu vực cửa vào sông Đáy.
Hình 3.14.Tương quan giữa lưu lượng nước và lưu lượng bùn cát tính toán và thực đo tại mặt cắt MC-1 trong thời đoạn lũ năm 1996 theo mô phỏng mô hình MIKE3FM
Hình 3.15. Tương quan giữa lưu lượng nước và lưu lượng bùn cát tính toán và thực đo tại mặt cắt MC-1 trong thời đoạn lũ năm 2002 theo mô phỏng mô hình MIKE3FM
102
Từ kết quả tính toán từ mô hình MIKE3 môđun vận chuyển bùn cát trong mùa lũ 8/1996 và 8/2002, xây dựng tương quan giá trị lưu lượng và lưu lượng bùn cát Q~ρ tại mặt cắt 1. Việc hiệu chỉnh xác định thông số mô hình đạt yêu cầu khi hai đường tương quan có giá trị gần bằng nhau. Kết quả như trên hình 3.14 và 3.15.
Dựa theo số liệu đo đạc thực tế có thể thấy quan hệ lưu lượng nước và lưu lượng bùn cát trong thời đoạn đo đạc bổ sung có quan hệ khá tốt. Kết quả hiệu chỉnh với lũ 1996 và kiểm định lũ năm 2002 cho quan hệ lưu lượng bùn cát tính toán nằm trong thời đoạn đo đạc đều cho tương quan tốt. Như vậy có thể thấy tương quan lưu lượng nước và bùn cát trong mùa lũ là khá tốt. Kết quả hiệu chỉnh, kiểm định mô hình môđun vận chuyển bùn cát với hệ số NASH đạt 0,6 -0,8. Căn cứ vào các kết quả này, mô hình được thiết lập đảm bảo độ tin cậy để tính toán, mô phỏng chế độ thuỷ động lực và diễn biến hình thái trên đoạn sông với các kịch bản, trường hợp tính toán khác nhau tại các vị trí cửa lấy nước khác nhau trong trường hợp cấp nước thường xuyên và thoát lũ khi có phân lũ trong mùa lũ.