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
3.2.5 Thiết lập mô hình MIKE11 mô phỏng dòng chảy và bùn cát làm số liệu đầu vào tính toán cho mô hình MIKE3FM
3.2.5.1 Đối với bài toán phục vụ cấp nước mùa kiệt
a. Sơ đồ tính toán thủy lực phục vụ cấp nước mùa kiệt
Việc nghiên cứu tính toán chế độ thủy lực sông Hồng, Đáy có liên quan chặt chẽ đến chế độ thủy lực của toàn mạng sông Hồng, do đó khi tính toán tiến hành tính toán cho toàn bộ mạng sông Hồng và sông Thái Bình.
tl b
bl k S
S .
tl s
sl k S
S .
3 50 2
2 5
) 1 ( 05
.
0 s gd
g
Stl C
86
Đối với dòng chảy mùa cạn, mực nước và lưu lượng trên sông đều nhỏ. Thời gian này cũng là giai đoạn nhu cầu nước đổ ải ở các địa phương sử dụng nước dọc sông lớn.
Tác động của các công trình lấy nước theo dọc sông ảnh hưởng trực tiếp đến dòng chảy trong sông do đó trong bài toán thủy lực mạng lưới sông mùa cạn các công trình lấy nước như các cống, trạm bơm lấy nước được đưa vào mô hình tính toán ở dạng các biên rút nước. Sơ đồ tính toán mạng thủy lực mùa kiệt như sau:
Hình 3.10.Sơ đồ mạng thủy lực mùa kiệt sông Hồng – Sông Thái Bình b. Tài liệu cơ bản sử dụng để tính toán bao gồm:
- Các công trình hồ chứa có nhiệm vụ điều tiết nước cho hạ du.
- Tài liệu địa hình được sử dụng trong tính toán cho mô hình 1 chiều MIKE 11 là tài liệu thực đo trong các năm từ 1999 – 2000 do Viện Quy hoạch Thuỷ Lợi và Đoàn Khảo sát Sông Hồng đo đạc 2000 trong dự án phòng chống lũ đồng bằng sông Hồng.
Bộ tài liệu bao gồm 792 mặt cắt của 25 sông chính thuộc hệ thống sông Hồng – Thái Bình đã được nhiều cơ quan khoa học sử dụng như bộ tài liệu chuẩn cho mô phỏng thủy động lực. Trong đó có bổ sung cập nhật một số số liệu địa hình đo đạc mới như sau: Số liệu 15 mặt cắt trên sông Lô đo tháng 1 và tháng 2/2008; Số liệu 94 mặt cắt đoạn sông Hồng qua Hà Nội đo năm 2006; Số liệu mới đo đạc các sông trên địa bàn
87
tỉnh Hải Dương vào tháng 7/2009; Số liệu mới đo đạc thuộc dự án nạo vét sông Hoàng Long do trường Đại học Thủy lợi thực hiện năm 2009; Số liệu mới đo đạc thuộc dự án nạo vét sông Đáy do trường Đại học Thủy lợi thực hiện năm 2009, 2010; Số liệu đo đạc trên sông Đáy năm 2008, 2011.
- Tài liệu khí tượng thủy văn:
Đối với mạng thủy lực mùa cạn lựa chọn các năm kiệt điển hình 2001(từ tháng 12/2000-5/2001) để hiệu chỉnh và năm 2003 (từ tháng 12/2002-5/2003) để kiểm định bộ thông số mùa kiệt cho mô hình. Tài liệu khí tượng, thủy văn được thu thập và phân tích bao gồm: Tài liệu lưu lượng dòng chảy tại các trạm được chọn làm biên trên; Tài liệu mực nước tại các trạm được chọn làm biên dưới của mô hình: Tài liệu về mực nước của tất cả các cửa sông vùng hạ lưu được lấy dựa trên tài liệu thực đo tại trạm Hòn Dấu truyền vào 9 cửa sông; Mực nước và lưu lượng dòng chảy tại một số trạm trong hệ thống được sử dụng để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình; Tài liệu mưa và các tài liệu khí tượng khác cũng được thu thập để tính toán dòng chảy nhập lưu và cho các sông không có tài liệu đo lưu lượng, mực nước; Tài liệu về biên dùng nước đối với mạng thủy lực mùa cạn bao gồm lưu lượng lấy vào các cống dọc các sông lấy theo lưu lượng thiết kế của cống, trạm bơm. Trường hợp không có số liệu thiết kế sử dụng tài liệu thực tế lấy nước tại vị trí cống và trạm bơm đó. Các cống trạm bơm nhỏ được tính gộp vào các cống trạm bơm lớn để đơn giản mô hình.
Kết quả tính toán mực nước và lưu lượng từ mô hình Mike11 sẽ được so sánh với các giá trị thực đo tại các trạm để kiểm định và xác định bộ thông số của mô hình thủy lực HD.
- Tài liệu bùn cát:
Trên hệ thống sông Hồng-Thái Bình có rất ít các trạm đo bùn cát chỉ có trạm Sơn Tây, Hà Nội trên sông Hồng và trạm Thượng Cát trên sông Đuống có số liệu quan trắc lưu lượng bùn cát lơ lửng trong nhiều năm. Do đó để phục vụ cho bài toán diễn biến lòng dẫn sử dụng mô hình MIKE 11 mô-đun ST tính toán các biên bùn cát bổ sung cho mô hình thủy lực 3 chiều MIKE3FM dựa vào số liệu bùn cát thực đo của các trạm trên bao gồm: Lưu lượng bùn cát lơ lửng thực đo tại trạm Sơn Tây được chọn làm biên trên;
88
Tài liệu bùn cát đáy: do không có kinh phí đo đạc bùn cát đáy, bùn cát tại các biên dưới được cho ở dạng sediment supply dựa theo tài liệu đường kính hạt bùn cát lơ lửng d50 (tại Sơn Tây là 0,029mm, tại Hà Nội là 0,022mm) trên sông Hồng. Trên sông Đáy là số liệu đường kính hạt d50 tại các vị trí bãi Kim Sơn (Ninh bình) d50=0,105mm, bãi Nghĩa Hưng(NamĐịnh) d50=0,015mm, cống tiêu Nghĩa Hưng (Nam Định) d50=0,015mm. Ngoài ra, sử dụng tài liệu đo đạc khảo sát lấy mẫu bùn cát tại vị trí cửa vào sông Đáy từ ngày 23/08/2012 đến ngày 01/09/2012, lấy mẫu độ đục và bùn cát để xác định d50, số lần lấy mẫu trùng với số lần đo lưu lượng vào 10h sáng. Độ đục thực đo tại trạm Hà Nội, Thượng Cát trên sông Hồng được lấy làm trạm kiểm tra. Sử dụng số liệu độ đục bùn cát tại các trạm Sơn Tây, Hà Nội và Thượng cát trên sông Hồng để tiến hành hiệu chỉnh module bùn cát cho mô hình.
- Biên tính toán
Biên của bài toán 1 chiều, căn cứ vào sơ đồ tính toán, tình hình tài liệu thu thập được, các biên được sử dụng tính trong mô hình bao gồm:
Biên trên của mô hình: Với mạng sông tính toán đã được 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 như sau:
Tại Yên Bái trên sông Thao (FLV = 48.000km2); Tại hạ lưu công trình hồ chứa Hòa Bình trên sông Đà (FLV = 51.800km2); Tại Na Hang trên sông Gâm (FLV = 12.690km2); Tại hạ lưu công trình hồ chứa Thác Bà trên sông Chảy (FLV = 6.170km2);. Tại trạm Thủy văn Hàm Yên trên sông Lô (FLV = 11.900km2); Tại hạ lưu đập Liễn Sơn trên sông Phó Đáy (FLV = 1.223km2); Tại Bến Mắm trên sông Tích (FLV = 0km2); Tại Hưng Thi trên sông Hoàng Long (FLV = 664km2);Tại trạm thủy văn Cầu Sơn trên sông Thương (FLV = 2.330km2); Tại trạm thủy văn Chũ trên sông Lục Nam (FLV = 980km2); Tại trạm thủy văn Thác Bưởi trên sông Cầu (FLV = 2.220km2).
Biên dưới của mô hình: Là quá trình mực nước giờ tại các cửa sông trên hệ thống bao gồm Cửa Đáy, Cửa Ninh Cơ, cửa Ba Lạt, cửa Trà Lý, cửa Thái Bình, cửa Văn Úc, cửa Lạch Tray, cửa Cấm, cửa Đá Bạch. Do thực tế hiện nay không có tài liệu mực nước thực đo ngay tại cửa sông vì các trạm đo mực nước đều cách cửa sông 6-10km. Mặt
89
khác theo kết quả phân tích tương quan mực nước triều tại Hòn Dấu với mực nước các trạm cửa sông, thấy các hệ số tương quan rất cao ( = 0,96 – 0,99), nên trong mô hình đã nội suy mực nước giữa các trạm cửa sông với mực nước triều tại Hòn Dấu cho tất cả các biên mực nước.
Biên lấy nước: Các cống lấy nước được mô phỏng như các đập tràn đỉnh rộng có điều kiện chảy tự do hoặc chảy ngập, lưu lượng lấy vào cống phụ thuộc vào mực nước ngoài sông và mực nước phía trong cống. Đối với các trạm bơm: Lưu lượng lấy vào phụ thuộc vào lưu lượng bơm của máy bơm tại các thời kì phụ thuộc vào nhu cầu nước và cao trình mực nước tại bể hút của máy bơm. Toàn bộ các cống lấy nước và các trạm bơm được cập nhật vào mô hình để tính toán.
c. Kết quả hiệu chỉnh mô hình thủy lực mùa kiệt
Sau khi đã thiết lập được mô hình, tiến hành hiệu chỉnh thông số mô hình. Trong quá trình hiệu chỉnh cần luôn kết hợp so sánh kết quả tính mực nước với số liệu thực đo để chỉnh hệ số nhám. Khi kết quả tính toán hiệu chỉnh mực nước khá gần với số liệu thực đo tại các trạm có số liệu kiểm định, bộ thông số tìm được là đạt và có thể dùng được trong tính toán phương án tiếp theo. Kết quả hiệu chỉnh mô hình được thể hiện dưới dạng các biểu đồ so sánh kết quả tính toán và thực đo tại vị trí các trạm thủy văn kiểm tra trên mạng sông đã nói ở trên và được trình bày trong phần phụ lục. Kết quả chi tiết chỉ số kiểm định NASH tương ứng tại các trạm đo như sau:
Bảng 3.2. Kết quả hiệu chỉnh thông số mô hình trong mùa kiệt 2001
STT Tên Trạm Tên Sông H max (m) ∆H
(m)
Nash (%) Tính Toán Thực đo
1 Trung Hà Đà 9,63 9,64 -0,01 88
2 Phú Thọ Thao 15,27 15,22 0,05 97
3 Vụ Quang Lô 12,96 12,87 0,09 89
4 Việt Trì Lô 8,10 8,10 0 95
5 Sơn Tây Hồng 6,2 6,34 -0,14 82
6 Thượng Cát Đuống 3,91 3,85 0,06 84
7 Hà Nội Hồng 3,46 3,45 0,01 91
8 Hưng Yên Hồng 1,78 1,70 0.08 86
9 Quyết
Chiến Trà Lý 1,76 1,75 0,01 99
10 Phả Lại Thái Bình 2,03 2,06 -0,03 91
90
STT Tên Trạm Tên Sông H max (m) ∆H
(m)
Nash (%) Tính Toán Thực đo
11 Nam Đinh Đào 1,70 1,66 0,04 96
12 Trực
Phương Ninh Cơ 1,72 1,55 0,17 92
Kết quả tính toán thử nghiệm mô hình mô phỏng mùa kiệt 2001 cho thấy sai số mực nước lũ lớn nhất giữa tính toán và đo đạc là trong khoảng từ 0 đến 0,20m. Đường quá trình tính toán và thực đo là phù hợp về dạng đường, hệ số NASH nằm trong khoảng từ 0,84 đến 0,97. Như vậy với bộ thông số trên có thể tiếp tục dùng để tính toán kiểm định mô hình.
2. Kết quả kiểm định mô hình thủy lực mùa kiệt
Tương tự với các tiêu chuẩn đánh giá bộ thông số khi tiến hành hiệu chỉnh mô hình.
Kết quả kiểm định mô hình như sau (chi tiết xem phụ lục):
Bảng 3.3. Kết quả kiểm định mô hình trong mùa kiệt 2003
STT Tên Trạm Tên Sông
H max (m)
∆H (m)
Nash Tính (%)
Toán Thực đo
1 Trung Hà Đà 12,18 12,5 -0,32 80,5
2 Phú Thọ Thao 16,16 16,45 -0,29 85
3 Vụ Quang Lô 14,86 14,81 0,05 86
4 Việt Trì Lô 10,92 10,58 0,34 87
5 Sơn Tây Hồng 6,07 6,19 -0,12 83
6 Thượng Cát Đuống 6,29 6,20 0,09 83
7 Hưng Yên Hồng 3,41 3,46 -0,05 92
8 Quyết Chiến Trà Lý 2,04 1,83 0,21 95
9 Hà Nội Hồng 6,18 6,09 0,09 92
10 Phả Lại Thái Bình 2,19 2,25 -0,06 96
11 Nam Đinh Đào 1,79 1,87 -0,08 96
12 Trực Phương Ninh Cơ 1,84 1,76 0,08 96
13 Triều Dương Luộc 2,84 2,73 0,11 90
14 Gián Khẩu Hoàng
Long 1,24 1,18 0,06 91
Nhận xét kết kiểm định môđuyn thủy lực:
91
- Qua kết quả tính toán ta thấy nhìn chung đường mực nước, lưu lượng tính toán và thực đo tương đối phù hợp về pha; về lượng sự phù hợp không cao, nhất là các trạm mực nước vùng ảnh hưởng thuỷ triều;
- Kết quả tính toán hệ số NASH tương đối tốt, nằm trong khoảng từ 0,8 đến 0,96 cho kết quả khá tốt.
Như vậy, với kết quả kiểm định và thử nghiệm mô hình trong mùa kiệt có thể dùng để tính toán mực nước và lưu lượng lũ thiết kế của hệ thống sông Hồng-Thái Bình và cho khu vực cửa vào sông Đáy phục vụ bài toán đưa nước và ổn định lòng dẫn sông Đáy.
Do trong thời gian mùa kiệt, lượng bùn cát đến rất nhỏ, quá trình trao đổi và vận chuyển bùn cát không đáng kể, ít có tác động đến quá trình diễn biến lòng dẫn nên yêu cầu về kiểm định, hiệu chỉnh bùn cát trong mùa kiệt sẽ không được xem xét đến.
3.2.5.2 Đối với bài toán phục vụ cấp nước thường xuyên và thoát lũ
a. Sơ đồ thủy lực tính toán trong mùa lũ
Về cơ bản mạng thủy lực mùa lũ không có khác biệt lớn so với mạng thủy lực mùa kiệt về thiết lập mạng, sử dụng các tài liệu địa hình, tài liệu biên và quy trình vận hành các hồ chứa thượng nguồn. Tuy nhiên, về mùa lũ, mực nước và lưu lượng trên sông lớn do đó tác động của việc sử dụng nước dọc sông ảnh hưởng nhỏ đến dòng chảy trong sông. Vì vậy để đơn giản hóa mô hình trong mạng thủy lực mùa kiệt không đưa các biên dùng nước như mùa kiệt vào mạng thủy lực tính toán. Để xây dựng mô hình thủy lực mùa lũ cho hệ thống sông Hồng – Thái Bình lựa chọn trận lũ lớn tháng VIII/1996 và trận lũ VIII/2002 được chọn để hiệu chỉnh và kiểm định bộ thông số mùa lũ cho mô hình.
Tài liệu bùn cát đo đạc bổ sung quan hệ Q~ρ tại khu vực cống Cẩm Đình do trường ĐH Thủy lợi thực hiện tháng VIII/2012 lấy làm trạm kiểm tra cho khu vực cống Cẩm Đình-Vân Cốc. Sơ đồ mạng thủy lực cho mùa lũ như sau:
92
Hình 3.11.Sơ đồ mạng thủy lực mùa lũ sông Hồng – Sông Thái Bình b. Kết quả hiệu chỉnh mô hình thủy lực mùa lũ
Lựa chọn trận lũ thực tế tháng 8/1996 để hiệu chỉnh bộ thông số của mô hình. Tương tự như mạng thủy lực mùa kiệt, tiến hành thay đổi các thông số thủy lực (chủ yếu là hệ số nhám lòng dẫn và bãi sông) để hiệu chỉnh đường quá trình tính toán. Kết quả như sau:
Bảng 3.4. Kết quả hiệu chỉnh thông số mô hình thủy lực với trận lũ 1996
TT Trạm Sông Vị trí
Hmax(m)
Sai số
(m) Nash Thực
đo Tính toán
1 Trung Hà Đà 56168 17,55 17,45 -0,10 0,916
2 Việt Trì Hồng 11514 16,85 16,85 0,00 0,878
3 Hà Nội Hồng 70932 12,43 12.42 -0,01 0,917
4 Hưng Yên Hồng 140201 7,86 7,91 0,05 0,915
5 Phủ Lý Đáy 128662 4,09 4,06 -0,03 0,836
6 Thượng Cát Đuống 3662 11,80 11,91 0,11 0,919
7 Bến Hồ Đuống 29616 9,02 8,91 -0,11 0,885
8 Triều Luộc 5513 6,70 6,73 0,03 0,921
93
TT Trạm Sông Vị trí
Hmax(m)
Sai số
(m) Nash Thực
đo Tính toán Dương
9 Chanh Chữ Luộc 49988 3,70 3,74 0,04 0,832
10 Đáp Cầu Cầu 102507 6,52 6,68 0,16 0,831
11 Phả Lại Thái Bình 3948 6,52 6,71 0,19 0,806
12 Cát Khê Thái Bình 11010 5,97 5,88 -0,09 0,835
13 Phú Lương Thái Bình 27807 4,40 4,42 0,02 0,808
14 Trực
Phương Ninh Cơ 5207 3,14 3,14 0,00 0,841
15 Quyết Chiến Trà Lý 2000 5,27 5,36 0,09 0,948
16 Nam Định Đào 5133 4,81 4,69 -0,12 0,902
17 Bến Bình Kinh Thầy 9226 5,11 5,08 -0,03 0,823
18 Quảng Đạt Lai Vu 14552 3,41 3,48 0,07 0,805
19 Gián Khẩu Hoàng
Long 9240 3,68 3,67 -0,01 0,896
c. Kết quả kiểm định mô hình thủy lực mùa lũ
Để đánh giá mức độ phù hợp của các thông số thủy lực mùa lũ sau khi hiệu chỉnh bằng trận lũ tháng 8/1996, lựa chọn trận lũ thực tế tháng 8/2002 để kiểm định lại bộ thông số đã hiệu chỉnh ở trên. Nếu cho kết quả không phù hợp cần tiến hành thay đổi lại các thông số ở quá trình hiệu chỉnh. Kết quả kiểm định bộ thông số cho trận lũ tháng 8/2002 cho kết quả như dưới đây:
Bảng 3.5. Kết quả kiểm định thông số mô hình thủy lực với trận lũ 2002
TT Trạm Sông Vị trí
Hmax(m)
Sai số
(m) Nash Thực
đo
Tính toán
1 Trung Hà Đà 56168 17,13 17,20 0,07 0,943
2 Việt Trì Hồng 11514 16,41 16,42 0,01 0,968
3 Sơn Tây Hồng 29173 14,68 14,75 0,07 0,986
4 Hà Nội Hồng 78736 12,01 12,03 0,02 0,985
94
TT Trạm Sông Vị trí
Hmax(m)
Sai số
(m) Nash Thực
đo
Tính toán
5 Hưng Yên Hồng 140201 7,66 7,76 0,10 0,982
6 Thượng Cát Đuống 3662 11,42 11,35 -0,07 0,983
7 Bến Hồ Đuống 29616 8,66 8,72 0,06 0,980
8 Triều Dương Luộc 5513 6,58 6,61 0,03 0,869 9 Chanh Chữ Luộc 49988 3,59 3,48 -0,11 0,935 10 Phả Lại Thái Bình 3948 5,72 5,73 0,01 0,911 11 Cát Khê Thái Bình 11010 5,28 5,35 0,07 0,918 12 Phú Lương Thái Bình 27807 3,93 3,95 0,02 0,930 13 Quyết Chiến Trà Lý 2000 4,96 4,94 -0,02 0,965 14 Bến Bình Kinh
Thầy 9226 4,55 4,58 0,03 0,961
d. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô đuyn bùn cát
Sử dụng số liệu độ đục bùn cát tại các trạm Sơn Tây, Hà Nội và Thượng cát trên sông Hồng để tiến hành hiệu chỉnh môđun bùn cát cho mô hình. Tương tự như việc hiệu chỉnh kiểm định thủy lực, trong mùa lũ sử dụng lũ từ tháng VI đến tháng X năm 1996 để hiệu chỉnh và lũ năm 2002 để kiểm định mô đun bùn cát.
95
Hình 3.12.Kết quả hiệu chỉnh lưu lượng bùn cát tại trạm Thượng Cát và Hà Nội cho trận lũ năm 1996.
Hình 3.13. Kết quả kiểm định lưu lượng bùn cát tại trạm Thượng Cát và Hà Nội cho trận lũ năm 2002
96 Nhận xét:
- Qua kết quả tính toán cho thấy nhìn chung đường mực nước, lưu lượng tính toán và thực đo tương đối phù hợp về pha; về lượng sự phù hợp không cao, nhất là các trạm mực nước vùng ảnh hưởng thuỷ triều.
- Kết quả tính toán hệ số NASH tương đối tốt, nằm trong khoảng từ 0,86 đến 0,99 cho kết quả tốt.
Như vậy, với kết quả kiểm định và thử nghiệm mô hình trong mùa lũ có thể dùng để tính toán theo các kịch bản cho khu vực cửa vào sông Đáy phục vụ bài toán xác định vị trí cửa lấy nước hợp lý đảm bảo yêu cầu lấy nước và thoát lũ.