MIKE BASIN là một mô hình tính toán phân phối nƣớc theo không gian và thời gian. Về kỹ thuật, nó là mô hình mạng lƣới mà các sông và các nhánh chính đƣợc đặc trƣng bởi mạng lƣới của các nhánh và các nút. Các nhánh đặc trƣng cho các phần dòng chảy riêng trong khi các nút thể hiện chỗ hợp dòng, tách dòng, hoặc những nơi mà mô hình cần yêu cầu tính toán. Việc tính toán của Mike Basin đƣợc đƣa vào chƣơng trình tính tự động, linh hoạt hơn giúp ngƣời sử dụng dễ dùng và có thể tự động thay đổi tính toán nếu muốn [14].
Mô hình MIKE BASIN thực hiện các thao tác cơ bản trên mạng lƣới sông số hoá đƣợc tạo ra trực tiếp trên máy tính cùng cả các thông tin đánh giá hình dạng của mạng lƣới sông, vị trí ngƣời sử dụng nƣớc; kênh nhập, cửa ra đến và từ ngƣời sử dụng nƣớc, bể chứa.
MIKE BASIN sử dụng giao diện đồ hoạ (GUI), liên kết kỹ thuật tính toán của MIKE BASIN với ArcView-GIS. Giao diện đƣợc phát triển trong môi trƣờng ArcView-GIS và làm việc sử dụng các hàm ArcView-GIS, tạo sự thuận lợi và thân thiện với ngƣời sử dụng.
Mô hình MIKE BASIN làm việc trong môi trƣờng ArcView-GIS và dựa vào phân tích và cân bằng nƣớc trên lƣu vực đã giải quyết đƣợc những vấn đề sau:
- Đánh giá tiềm năng của nguồn nƣớc trên lƣu vực và lập ra kế hoạch quản lý nguồn nƣớc nhằm đáp ứng nhu cầu dùng nƣớc của ngƣời dùng cả về chất lƣợng và số lƣợng.
- Đánh giá tác động của nguồn nƣớc tới nhu cầu dùng nƣớc trong hiện tại và tƣơng lai cũng nhƣ dự báo việc sử dụng nƣớc trên lƣu vực có ảnh hƣởng nhƣ thế nào đến chế độ thủy văn trên lƣu vực.
- Đƣa ra những chƣơng trình quản lí đầu tƣ nguồn tài nguyên nƣớc trong việc xác định vị trí để xây dựng những kho chứa nƣớc và các kênh dẫn nƣớc.
- Phát triển những chƣơng trình đầu tƣ cho việc bảo vệ chất lƣợng nƣớc thông qua việc xây dựng các khu xử lý nƣớc thải cho những nguồn điểm ô nhiễm sao cho hợp lý.
- Đánh giá tác động của sự phát triển, thay đổi đang diễn ra trên lƣu vực tới cấu trúc của tầng nƣớc mặt.
2.3.3 Cơ sở lý thuyết của mô hình MIKE BASIN
Phương trình cân bằng nước
Cân bằng nƣớc là nguyên lý chủ yếu đƣợc sử dụng cho tính toán, quy hoạch và quản lý tài nguyên nƣớc. Nó biểu thị mối quan hệ giữa lƣợng nƣớc đến, lƣợng nƣớc đi và lƣợng nƣớc trữ lại ở một khu vực, một lƣu vực hoặc của một hệ thống trong điều kiện tự nhiên hay có việc can thiệp của con ngƣời.
Nguyên lý cân bằng nƣớc xuất phát từ định luật bảo toàn vật chất, đối với một lƣu vực có thể phát biểu nhƣ sau: “ Hiệu số lượng nước đến và ra khỏi lưu vực
bằng sự thay đổi lượng nước trên lưu vực đó trong một thời đoạn tính toán bất kỳ”.
Phƣơng trình cân bằng nƣớc là sự diễn toán nguyên lý này.
Xét một lƣu vực có phía trên giới hạn bởi mặt đất của lƣu vực, phía dƣới giới hạn bởi lớp đất không thấm nƣớc ngăn cách mọi trao đổi của nƣớc trong lƣu vực với các tầng phía dƣới. Khi đó, phƣơng trình cân bằng nƣớc tổng quát là:
(X+ Z1 + Y1 + W1) - (Z2 + Y2 + W2) = U2 – U1 (2.1) trong đó:
X: lƣợng nƣớc mƣa rơi xuống lƣu vực;
Z1: lƣợng nƣớc ngƣng tụ từ khí quyển và đọng lại trên lƣu vực; Y1: lƣợng dòng chảy mặt đi vào lƣu vực;
W1: lƣợng dòng chảy ngầm đi vào lƣu vực; Z2: lƣợng nƣớc bốc hơi từ lƣu vực;
Y2: lƣợng dòng chảy mặt ra khỏi lƣu vực; W2: lƣợng dòng chảy ngầm ra khỏi lƣu vực.
Mô hình MIKE BASIN làm việc trong môi trƣờng ArcView. Do đó, nó đƣợc tích hợp những tính năng và sử dụng các hàm trong ArcView trong việc phân tích và số hóa các dữ liệu đầu vào. Cùng với việc sử dụng phƣơng trình cân bằng nƣớc trên lƣu vực mô hình đã cho ta một cái nhìn tổng quát về tài nguyên nƣớc của lƣu vực. Từ đó hỗ trợ đƣa ra các phƣơng pháp quản lý nguồn tài nguyên nƣớc một cách hợp lý và tối ƣu nhất.
Các môđun trong MIKE BASIN
MIKE BASIN có nhiều môđun có khả năng và nhiệm vụ khác nhau nhƣ: - Môđun tính toán cân bằng nƣớc lƣu vực
- Môđun nƣớc ngầm.
- Môđun chất lƣợng nƣớc và một số môđun khác.
Trong đó, môđun cân bằng nƣớc lƣu vực là môđun trung tâm của mô hình MIKE BASIN . Tuy nhiên, tuỳ theo mục đích sử dụng mà ta có thể kết hợp các môđun đó với nhau một cách hợp lý và khoa học.
Hình 3. Sơ đồ minh hoạ cấu trúc mô hình MIKE BASIN
Môđun tính toán cân bằng nước lưu vực
Mô hình MIKE BASIN là một mô hình phân tích hệ thống bao gồm 7 loại nút cân bằng nƣớc:
+ Nút đơn (simple node): là nút khởi đầu của hệ thống (biên trên);
+ Nút hứng nƣớc (catchment node): là nút đƣợc xác định ở cuối của lƣu vực; + Nút chuyển nƣớc (offtake node) là những nút từ đó nƣớc đƣợc lấy ra để cung cấp cho các nhu cầu tƣới hoặc sử dụng nƣớc;
+ Nút cung cấp nƣớc (water supply): là những nơi sử dụng nƣớc dùng cho sinh hoạt, công nghiệp và các nhu cầu khác;
+ Nút hồ chứa (reservoir): là vị trí các hồ chứa;
+ Nút thủy điện (hydropower): là nơi đặt các nhà máy thủy điện.
a) Dữ liệu đầu vào
* Dữ liệu vào của mô hình gồm có :
+ Bản đồ lƣu vực số hóa theo độ cao (DEM) hoặc bản đồ lƣu vực file ảnh dƣới dạng bitmap (*.bmp)
+ Các chuỗi dữ liệu theo thời gian + Các giá trị đặc trƣng cho từng nút
Chuỗi dữ liệu thời gian đƣa vào mô hình gồm 2 loại dữ liệu cơ bản: dữ liệu trạng thái và dữ liệu thông lƣợng.
+ Dữ liệu trạng thái đƣợc hiểu là giá trị chính xác ở mốc thời gian. Ví dụ: mực nƣớc;
+ Dữ liệu thông lƣợng đƣợc hiểu là những giá trị trung bình trong một khoảng thời gian bắt đầu ở mốc thời gian trên đến mốc thời gian ở hàng sau của dữ liệu. Ví dụ: lƣu lƣợng;
Các chuỗi thời gian trong MIKE BASIN đƣợc cho dƣới dạng dfs0- file. Các dfs0-file đƣợc ấn định một cách tự động trong phần TSEdit. Dữ liệu đƣa vào TSEdit có thể thành cột từ file ASCII hoặc từ Excel. Sơ đồ minh họa cấu trúc của mô hình MIKE BASIN đƣợc thể hiện trong hình 3.
b) Dữ liệu đầu ra
- Kết quả đầu ra là lƣợng nƣớc đến và lƣợng nƣớc thiếu tại các nút cân bằng. - Kết quả đầu ra của mô hình đƣợc biểu diễn dƣới nhiều dạng khác nhau nhƣ video *.avi, file *.html, hay *.dfs0.
- Các số liệu đầu ra đƣợc biểu diễn dƣới dạng các chuỗi số liệu theo thời gian tại các nút, khu tƣới, khu sử dụng nƣớc. Cụ thể cho từng nút nhƣ sau: