MÔ PHỎNG CÂN BẰNG NƯỚC VÀ BIẾN ĐỔI CHẤT LƯỢNG NƯỚC HẠ LƯU SÔNG TRÀ KHÚC BẰNG MÔ HÌNH MIKE BASIN
2.1.2 Cơ sở lý thuyết của mô hình
a. Phương pháp mô phỏng và lập sơ đồ hệ thống sông
Mô phỏng hệ thống sông
MIKE BASIN được xây dựng theo kiểu mô hình mạng lưới, trong đó sông và các nhánh hợp lưu chính của nó được biểu diễn bằng một mạng lưới bao gồm các nhánh và các nút. Các nhánh thể hiện các đoạn sông riêng biệt, còn các nút thể hiện các tiểu hợp lưu hoặc các vị trí mà tại đó các hoạt động liên quan đến phát triển nguồn nước có thể diễn ra như điểm của dòng chảy hồi quy từ các khu tưới, hoặc là điểm hợp lưu giữa hai hoặc nhiều sông hoặc suối hoặc tại các vị trí quan trọng cần có kết quả của mô hình.
Trước khi bắt đầu xây dựng mô hình cần xác định sơ đồ lưu vực sông phù hợp và các đặc trưng liên quan. Để đánh giá tài nguyên nước của một lưu vực sông lớn cần phải đưa vào hàng loạt các đặc trưng và nhu cầu riêng biệt. Ví dụ một số lớn các hộ dùng nước nhỏ thường rải rác trong một vùng. Việc đưa tất cả các hộ này vào như các hệ thống riêng biệt thường đòi hỏi rất nhiều công sức.
Có thể đưa ra các kiểu sơ đồ sau đây:
- Kết hợp các sông nhỏ vào một nhánh duy nhất ở thượng lưu một điểm lấy nước.
- Kết hợp các diện tích tưới nhỏ vào một hệ thống tưới duy nhất với một điểm lấy nước.
Hình 2-2. Kiểu sơ đồ mô phỏng hệ thống sông trong Mike Basin Có bốn nhóm nhân tố chủ yếu được mô phỏng trong mô hình là:
-Nhóm nhân tố hạ tầng cơ sở của hệ thống sông, bao gồm hồ chứa/ đập nước, trạm bơm, sông suối, kênh mương và các đường ống dẫn nước.
-Nhóm nhân tố sử dụng nước trong hệ thống, như là sử dụng nước cho sinh hoạt, cho công nghiệp, nông nghiệp, thủy điện, thuỷ sản, hay các hoạt động khác liên quan đến nước.
-Nhóm nhân tố liên quan đến quản lý hệ thống tài nguyên nước, như các nguyên tắc vận hành hồ chứa, các phương pháp phân phối nước trong hệ thống.
-Nhóm các nhân tố thuỷ văn như mưa, bốc hơi, dòng chảy,.. tại các lưu vực bộ phận và nhập lưu địa phương,.. đầu vào cho tính toán cân bằng nước của mô hình toán.
Tất cả những nhóm nhân tố trên đều được đưa vào mô hình toán thông qua các phương pháp mô phỏng toán học của mô hình.
Lập sơ đồ hệ thống
Nòng cốt của mô hình là mạng lưới các nút và các đường dẫn như hình 2.2. Cấu hình của mạng lưới các đường dẫn phản ánh mối quan hệ không gian giữa các nhân tố trong hệ thống tài nguyên nước. Những hoạt động sử dụng nước như việc cung cấp hay xả nước đều được mô phỏng trong mạng lưới thông qua các nút. Sự vận chuyển của nước trong mạng lưới được thay thế bởi các đường dẫn và
quá trình này luôn được kiểm soát bởi các quy tắc vận hành mà chúng ta đã chỉ ra cho hệ thống. Ngoài ra khía cạnh về thời gian cũng được thể hiện qua các chuỗi thời gian của lưu lượng, mưa và bốc hơi.
Trong mô hình MIKE BASIN đã sử dụng và mô phỏng hoạt động của hệ thống qua nhiều loại nút khác nhau như là những nút trên sơ đồ hệ thống sông tính toán (nút dòng chảy đến, dòng chảy đi nút nhập lưu, nút phân lưu,..), các nút biểu thị các khu vực dùng nước hay nút nhu cầu (như nút tưới, nút cung cấp nước, nút hồ chứa, phát điện,..), các nút kiểm soát.
b. Trình tự tính toán và ứng dụng mô hình
Cũng như các mô hình cân bằng nước hệ thống sông, mô hình Mike Basin khi ứng dụng cần theo các bước chủ yếu sau:
-Phân chia các lưu vực bộ phận và nhập lưu địa phương.
-Xác định các khu sử dụng nước, các nút tính toán và lập sơ đồ mô phỏng cho bài toán ứng dụng.
-Tính toán xác định các số liệu đầu vào của mô hình: Dòng chảy trên các lưu vực bộ phận, dòng chảy đến các nút tính toán, các nhu cầu dùng nước tại các khu vực sử dụng và các thông số của các công trình dùng nước.
-Mô phỏng xác định bộ thông số của mô hình
-Tính toán theo các phương án tính toán được thiết lập
-Nhận xét và đánh giá kết quả
c. Giới thiệu hai mô đun chính ứng dụng trong luận văn
Mô hình Mike Basin có rất nhiều mô đun tính toán bao gồm: Mô đun cân bằng nước (Mike basin), mô đun lưu vực (Catchment delineation), mưa rào dòng chảy (Rainfall-runoff models), dòng chảy mặt (Surface tools), phân loại đất (Land classification)…
Hình 2-3. Các mô đun trong mô hình Mike Basin
Với mục đích nghiên cứu như trên thì luận văn chỉ tập trung vào vào hai mô đun cân bằng nước (Mike Basin) và mô đun chất lượng nước (WQ Mike Basin). Sau đây là một số nội dung trong hai mô đun nghiên cứu.
cR1R) Mô đun cân bằng nước (Mike Basin)
Nguyên lý tính toán cân bằng nước:
Cân bằng nước là nguyên lý chủ yếu được sử dụng cho tính toán, quy hoạch và quản lý tài nguyên nước. Nó biểu thị mối quan hệ cân bằng giữa lượng nước đến, nước đi và lượng trữ của một khu vực, một lưu vực hoặc của một hệ thống sông trong điều kiện tự nhiên hay có sử dụng của con người.
Xét một lưu vực có phía trên giới hạn bởi mặt đất lưu vực, phía dưới bởi lớp đất không thấm nước, ngăn cách mọi trao đổi của nước trong lưu vực với các tầng đất ở phía dưới. Khi đó phương trình cân bằng nước tổng quát là:
(X+ZR1R+YR1R+WR1R) - (ZR2R+YR2R+WR2R) = UR2R-UR1
Trong đó:
ZR1Rlà lượng nước ngưng tụ từ khí quyển và đọng lại trong lưu vực YR1Rlà lượng dòng chảy mặt vào lưu vực
WR1Rlà lượng dòng chảy ngầm vào lưu vực ZR2Rlà lượng nước bốc hơi khỏi lưu vực YR2Rlà lượng dòng chảy mặt ra khỏi lưu vực WR2Rlà lượng dòng chảy ngầm ra khỏi lưu vực
UR1R, UR2Rlà lượng nước trữ trên lưu vực đầu, cuối thời khoảng tính toán.
Cân bằng nước tại các nút:
Tính toán cân bằng nước trên một hệ thống sông cần phải xem xét đến các nguyên tắc ưu tiên cục bộ và ưu tiên toàn bộ để giải quyết vấn đề phân bổ nước. Thông thường, một vài người sử dụng mong muốn lấy nước từ cùng một nguồn.
Trong mô hình MIKE BASIN, tình huống này được trình bày bằng cách một vài người sử dụng sẽ kết nối đến cùng một điểm nút. Trong trường hợp thiếu nước, sẽ có mâu thuẫn về cách phân bổ nguồn nước có sẵn tại một điểm cấp nước cho những người sử dụng kết nối đến đó. Một nguyên tắc để giải quyết vấn đề phân bổ nước được yêu cầu. MIKE BASIN có thể giải quyết vấn đề phân chia nước với hai nguyên tắc cơ bản là ưu tiên cục bộ và ưu tiên toàn bộ. Nguyên tắc ưu tiên cục bộ thường được xem xét giải quyết cho các điểm nút lân cận có kết nối trực tiếp. Nguyên tắc ưu tiên toàn bộ sử dụng trên lưu vực sông khi hộ dùng nước được quyền ưu tiên sẽ đáp ứng trước tiên.
Trong MIKE BASIN, thuật toán ưu tiên toàn bộ được thực hiện bởi một bộ những nguyên tắc và các loại nguyên tắc khác nhau sẽ được xác định. Nguyên tắc có ảnh hưởng ít nhất là đến nút mà chúng được ấn định nguyên tắc và có thể đến một nút thứ hai, điểm khai thác trước. Nhiều nguyên tắc sử dụng có thể được áp dụng cho cùng một người sử dụng, không nhất thiết phải theo một thứ tự ưu tiên. Thí dụ, người sử dụng có thể có quyền ưu tiên cao đối với mức cấp nước tối thiểu cần thiết và quyền ưu tiên rất thấp đối với cấp nước bổ sung.
Đối với một người sử dụng cụ thể, nhiều nguyên tắc có thể áp dụng cho một điểm khai thác riêng lẻ (nút trên sông) hoặc cho các điểm nút khác. Cơ chế ưu
tiên toàn bộ không tính đến độ trễ trong dòng chảy (diễn toán, diễn biến nước ngầm).
Trong cơ chế ưu tiên cục bộ, ưu tiên rất nghiêm khắc đối với nước mặt. Hội thoại Supply Node cho phép xác định hậu quả trong đó nhu cầu nước tại nút của người sử dụng được điền vào. Nút đầu tiên trong danh sách sẽ nhận được toàn bộ nước theo nhu cầu của nó (nếu có nước) trước khi nút thứ hai được tính đến. Nút thứ hai này sẽ nhận được toàn bộ số nước theo nhu cầu (nếu còn nước sau khi nút đầu tiên nhận được đủ nước của mình), và cứ như vậy cho đến nút cuối cùng. Đối với nước ngầm, tất cả người sử dụng phải có cùng một ưu tiên được nhận cùng một lượng nước như nhau.
Tại nút lưu vực: Dòng chảy vào sông có thể là quá trình lưu lượng thực đo hoặc tính toán. Quá trình lưu lượng tính toán trong trường hợp không có tài liệu là kết quả ứng dụng mô hình mưa – dòng chảy (Rainfall – Runoff models). Mike Basin thường sử dụng mô hình NAM, UHM và SMAP để tính toán quá trình lưu lượng tại nút lưu vực.
Tại nút hồ chứa: Đối với hồ chứa cấp nước, cân bằng nước tại nút hồ chứa được mô phỏng bằng phương trình cân bằng nước và các thuật toán tính điều tiết dòng chảy
- Phương trình cân bằng nước: dV Q t( ) q t( )
dt = −
- Phương trình động lực: QRiR(t) = fRiR[Ai, Z(t), ZRh,iR]
Đối với hồ chứa phát điện, cân bằng nước được mô tả bằng hệ phương trình: phương trình cân bằng nước và phương trình năng lượng N =9, 81. .ηqxa.Htt
Trong đó: Q(t), q(t) là lưu lượng đến và ra khỏi hồ. Ai là thông số công trình
Z(t) là mực nước thượng lưu hồ
ZRh,i Rlà mực nước dưới hạ lưu của hồ chứa HRttRlà cột nước tính toán, HRttR = Z(t) – ZRh,i
Tại nút sử dụng nước: Cân bằng nước tại các nút sử dụng nước được mô tả đơn giản bằng phương trình cân bằng nước được trình bày trong hình sau: