MIKE BASIN đƣợc tích hợp với môđun mƣa – dòng chảy NAM của MIKE 11 để tính toán số liệu dòng chảy đầu vào của lƣu vực từ số liệu mƣa.
Mô hình NAM đƣợc xây dựng tại Khoa Thuỷ văn Viện Kỹ thuật Thuỷ Động lực và Thuỷ lực thuộc Đại học Kỹ thuật Đan Mạch năm 1982. Mô hình NAM đã đƣợc sử dụng rộng rãi ở Đan Mạch và một số nƣớc nằm trong nhiều vùng khí hậu khác nhau nhƣ Srilanca, Thailand, Ấn Độ, v.v. và Việt Nam. Trong mô hình NAM, mỗi lƣu vực đƣợc xem là một đơn vị xử lý. Do đó, các thông số và các biến là đại diện cho các giá trị đƣợc trung bình hóa trên toàn lƣu vực. Mô hình tính quá trình mƣa-dòng chảy theo cách tính liên tục hàm lƣợng ẩm trong năm bể chứa riêng biệt có tƣơng tác lẫn nhau.
Cấu trúc mô hình NAM đƣợc xây dựng trên nguyên tắc các hồ chứa theo chiều thẳng đứng và các hồ chứa tuyến tính, gồm có 5 bể chứa theo chiều thẳng đứng nhƣ hình 4 [16].
- Bể chứa tuyết tan đƣợc kiểm soát bằng các điều kiện nhiệt độ. Đối với điều kiện khí hậu nhiệt đới ở nƣớc ta thì không xét đến bể chứa này.
- Bể chứa mặt: lƣợng nƣớc ở bể chứa này bao gồm lƣợng nƣớc mƣa do lớp phủ thực vật chặn lại, lƣợng nƣớc đọng lại trong các chỗ trũng và lƣợng nƣớc trong tầng sát mặt. Giới hạn trên của bể chứa này đƣợc ký hiệu bằng Umax.
- Bể chứa tầng dưới: là vùng đất có rễ cây nên cây cối có thể hút nƣớc cho bốc, thoát hơi. Giới hạn trên của lƣợng nƣớc trong bể chứa này đƣợc ký hiệu bằng Lmax, lƣợng nƣớc hiện tại đƣợc ký hiệu là L và tỷ số L/Lmax biểu thị trạng thái ẩm của bể chứa.
- Bể chứa nước ngầm tầng trên.
Mƣa hoặc tuyết tan đều đi vào bể chứa mặt. Lƣợng nƣớc (U) trong bể chứa mặt liên tục cung cấp cho bốc hơi và thấm ngang thành dòng chảy sát mặt. Khi U đạt đến Umax, lƣợng nƣớc thừa là dòng chảy tràn trực tiếp ra sông và một phần còn lại sẽ thấm xuống các bể chứa tầng dƣới và bể chứa ngầm.
Nƣớc trong bể chứa tầng dƣới liên tục cung cấp cho bốc thoát hơi và thấm xuống bể chứa ngầm. Lƣợng cấp nƣớc ngầm đƣợc phân chia thành hai bể chứa: tầng trên và tầng dƣới, hoạt động nhƣ các hồ chứa tuyến tính với các hằng số thời gian khác nhau. Hai bể chứa này liên tục chảy ra sông tạo thành dòng chảy gốc.
Dòng chảy tràn và dòng chảy sát mặt đƣợc diễn toán qua một hồ chứa tuyến tính thứ nhất, sau đó các thành phần dòng chảy đƣợc cộng lại và diễn toán qua hồ chứa tuyến tính thứ hai. Cuối cùng cũng thu đƣợc dòng chảy tổng cộng tại cửa ra.
Mô hình có các thông số cơ bản, gồm:
- CQOF: Hệ số dòng chảy tràn không có thứ nguyên, có phạm vi biến đổi từ 0.0 đến 0.9. Nó phản ánh điều kiện thấm và cấp nƣớc ngầm. Vì vậy nó ảnh hƣởng nhiều đến tổng lƣợng dòng chảy và đoạn cuối của đƣờng rút. Thông số này rất quan trọng vì nó quyết định phần nƣớc dƣ thừa để tạo thành dòng chảy tràn và lƣợng nƣớc thấm. Các lƣu vực có địa hình bằng phẳng, cấu tạo bởi cát thô thì giá trị CQOF tƣơng đối nhỏ, ở những lƣu vực mà tính thấm nƣớc của thổ nhƣỡng kém nhƣ sét, đá tảng thì giá trị của nó sẽ rất lớn [16].
- CQIF: Hệ số dòng chảy sát mặt, có thứ nguyên là thời gian (giờ)-1. Nó chính là phần của lƣợng nƣớc trong bể chứa mặt (U) chảy sinh ra dòng chảy sát mặt trong một đơn vị thời gian. Thông số này ảnh hƣởng không lớn đến tổng lƣợng lũ, đƣờng rút nƣớc [16].
- CBL: là thông số dòng chảy ngầm, đƣợc dùng để chia dòng chảy ngầm ra làm hai thành phần: BFU và BFL. Trƣờng hợp dòng chảy ngầm không quan trọng thì có thể chỉ dùng một trong 2 bể chứa nƣớc ngầm, khi đó chỉ cần CBFL=0- tức là lƣợng cấp nƣớc ngầm đều đi vào bể chứa ngầm tầng trên [16].
- CLOF, CLIF: Các ngƣỡng dƣới của các bể chứa để sinh dòng chảy tràn, dòng chảy sát mặt và dòng chảy ngầm, không có thứ nguyên và có giá trị nhỏ hơn 1. Chúng có liên quan đến độ ẩm trong đất. Khi các giá trị của ngƣỡng này nhỏ hơn L/Lmax thì sẽ không có dòng chảy tràn, dòng chảy sát mặt và dòng chảy ngầm. Về ý nghĩa vật lý, các thông số này phản ánh mức độ biến đổi trong không gian của các đặc trƣng lƣu vực sông. Do vậy, giá trị các ngƣỡng của lƣu vực nhỏ thƣờng lớn so với lƣu vực lớn [16].
- Umax, Lmax: Thông số khả năng chứa tối đa của các bể chứa tầng trên và tầng dƣới. Do vậy, Umax và Lmax chính là lƣợng tổn thất ban đầu lớn nhất, phụ thuộc và điều kiện mặt đệm của lƣu vực. Một đặc điểm của mô hình là lƣợng chứa Umax
phải nằm trong sức chứa tối đa trƣớc khi có lƣợng mƣa vƣợt quá, PN xuất hiện, tức là U< Umax. Do đó trong thời kỳ khô hạn, tổn thất của lƣợng mƣa trƣớc khi có dòng chảy tràn xuất hiện có thể đƣợc lấy làm Umax ban đầu [16].
- CK1,2, CKBF: là các hằng số thời gian về thời gian tập trung nƣớc. Chúng là các thông số rất quan trọng, ảnh hƣởng đến dạng đƣờng quá trình và đỉnh [16].
Thành phần cơ bản của mô hình Lượng trữ bề mặt:
Lƣợng ẩm bị giữ lại bởi thực vật cũng nhƣ đƣợc trữ trong các chỗ trũng trên tầng trên cùng của bề mặt đất đƣợc coi là lƣợng trữ bề mặt. Umax biểu thị giới hạn trên của tổng lƣợng nƣớc trong lƣợng trữ bề mặt. Tổng lƣợng nƣớc U trong lƣợng trữ bề mặt liên tục bị giảm do bốc hơi cũng nhƣ do thấm ngang.
Khi lƣợng trữ bề mặt đạt đến mức tối đa, một lƣợng nƣớc thừa PN sẽ gia nhập vào sông với vai trò là dòng chảy tràn trong khi lƣợng còn lại sẽ thấm vào tầng thấp bên dƣới và tầng ngầm.
Lượng trữ tầng thấp hay lượng trữ tầng rễ cây:
Độ ẩm trong tầng rễ cây, lớp đất bên dƣới bề mặt đất, tại đó thực vật có thể hút nƣớc để bốc thoát hơi đặc trƣng cho lƣợng trữ tầng thấp. Lmax biểu thị giới hạn
trên của tổng lƣợng nƣớc trữ trong tầng này. Độ ẩm trong lƣợng trữ tầng thấp cung cấp cho bốc thoát hơi thực vật. Độ ẩm trong tầng này điều chỉnh tổng lƣợng nƣớc gia nhập vào lƣợng trữ tầng ngầm, thành phần dòng chảy mặt, dòng sát mặt và lƣợng gia nhập lại.
Hình 4: Cấu trúc của mô hình NAM
Nhu cầu bốc thoát hơi đầu tiên đƣợc thoả mãn từ lƣợng trữ bề mặt với tốc độ tiềm năng. Nếu lƣợng ẩm U trong lƣợng trữ bề mặt nhỏ hơn yêu cầu (U < Ep) thì phần còn thiếu đƣợc coi rằng là do các hoạt động của rễ cây rút ra từ lƣợng trữ tầng thấp theo tốc độ thực tế Ea. Ea tƣơng ứng với lƣợng bốc hơi tiềm năng và biến đổi tuyến tính theo quan hệ lƣợng trữ ẩm trong đất, L/Lmax, của lƣợng trữ ẩm tầng thấp.
Dòng chảy mặt:
Khi lƣợng trữ bề mặt đã tràn, U > Umax, thì lƣợng nƣớc thừa PN sẽ gia nhập vào thành phần dòng chảy mặt. Thông số QOF đặc trƣng cho phần nƣớc thừa PN
đóng góp vào dòng chảy mặt. Nó đƣợc giả thiết là tƣơng ứng với PN và biến đổi tuyến tính theo quan hệ lƣợng trữ ẩm đất, L/Lmax, của lƣợng trữ ẩm tầng thấp.
trong đó: CQOF = hệ số dòng chảy tràn trên mặt đất (0 ≤ CQOF ≤ 1),
TOF = giá trị ngƣỡng của dòng chảy tràn (0 ≤ TOF ≤ 1).
Phần lƣợng nƣớc thừa PN không tham gia vào thành phần dòng chảy tràn sẽ thấm xuống lƣợng trữ tầng thấp. Một phần trong đó, ∆L, của nƣớc có sẵn cho thấm, (PN-QOF), đƣợc giả thiết sẽ làm tăng lƣợng ẩm L trong lƣợng trữ ẩm tầng thấp. Lƣợng ẩm còn lại, G, đƣợc giả thiết sẽ thấm sâu hơn và gia nhập lại vào lƣợng trữ tầng ngầm.
Dòng chảy sát mặt
Sự đóng góp của dòng chảy sát mặt, QIF, đƣợc giả thiết là tƣơng ứng với U và biến đổi tuyến tính theo quan hệ lƣợng chứa ẩm của lƣợng trữ tầng thấp.
(2.2)
trong đó: CKIF là hằng số thời gian dòng chảy sát mặt và TIF là giá trị ngƣỡng tầng rễ cây của dòng sát mặt (0 ≤ TIF ≤ 1).
Diễn toán dòng chảy mặt và dòng sát mặt
Dòng sát mặt đƣợc diễn toán qua chuỗi hai hồ chứa tuyến tính với cùng một hằng số thời gian CK12. Diễn toán dòng chảy mặt cũng dựa trên khái niệm hồ chứa tuyến tính nhƣng với hằng số thời gian có thể biến đổi.
trong đó: OF là dòng chảy tràn (mm/hr) OFmin là giới hạn trên của diễn toán tuyến tính (= 0,4 mm/giờ), và õ = 0,4. Hằng số õ = 0,4 tƣơng ứng với việc sử dụng công thức Manning để mô phỏng dòng chảy mặt.
Theo phƣơng trình trên, diễn toán dòng chảy mặt đƣợc tính bằng phƣơng pháp sóng động học, và dòng chảy sát mặt đƣợc tính theo mô hình NAM nhƣ dòng chảy mặt (trong lƣu vực không có thành phần dòng chảy mặt) đƣợc diễn toán nhƣ một hồ chứa tuyến tính.
Lượng gia nhập nước ngầm
Tổng lƣợng nƣớc thấm G gia nhập vào lƣợng trữ nƣớc ngầm phụ thuộc vào độ ẩm chứa trong đất trong tầng rễ cây.
(2.4)
trong đó TG là giá trị ngƣỡng tầng rễ cây đối với lƣợng gia nhập nƣớc ngầm (0 ≤ TG ≤ 1).
Độ ẩm chứa trong đất
Lƣợng trữ tầng thấp biểu thị lƣợng nƣớc chứa trong tầng rễ cây. Sau khi phân chia mƣa giữa dòng chảy mặt và dòng thấm xuống tầng ngầm, lƣợng nƣớc mƣa còn lại sẽ đóng góp vào lƣợng chứa ẩm (L) trong lƣợng trữ tầng thấp một lƣợng ∆L.
Dòng chảy cơ bản
Dòng chảy cơ bản BF từ lƣợng trữ tầng ngầm đƣợc tính toán nhƣ dòng chảy ra từ một hồ chứa tuyến tính với hằng số thời gian CKBF.
* Điều kiện ban đầu của mô hình:
1. U là lƣợng nƣớc chứa trong bể chứa mặt (mm); 2. L là lƣợng nƣớc chứa trong bể chứa tầng dƣới (mm); 3. QOF - cƣờng suất dòng chảy mặt khi qua bể chứa tuyến tính (mm/h); 4. QIF - cƣờng suất dòng chảy sát mặt khi qua bể chứa tuyến tính (mm/h); 5. BF - cƣờng suất dòng chảy ngầm (mm/h)
* Hiệu chỉnh thông số mô hình:
Hiệu chỉnh thông số mô hình nhằm xác định các thông số của mô hình để cho đƣờng quá trình tính toán phù hợp nhất với đƣờng quá trình thực đo. Việc hiệu chỉnh các thông số mô hình có thể đƣợc tiến hành bằng 2 phƣơng pháp: phƣơng pháp thử sai hoặc phƣơng pháp tối ƣu tự động theo 4 hàm mục tiêu: (1) Cực tiểu hoá sai số tổng lƣợng dòng chảy; (2) Cực tiểu hoá sai số dạng đƣờng quá trình; (3)
(2.6)
Cực tiểu hoá sai số các sự kiện dòng chảy đỉnh; (4)Cực tiểu hoá sai số các sự kiện dòng chảy kiệt nhất
Mức độ phù hợp giữa các kết quả tính toán và thực đo có thể đƣợc đánh giá theo tiêu chuẩn của WMO. Theo tiêu chuẩn này, độ hữu hiệu của mô hình đƣợc đánh giá qua chỉ tiêu R2 xác định nhƣ sau:
n i n i i y y y y R 1 2 1 2 2 ) ( ) ' ( 1
trong đó: yi - giá trị thực đo thứ i; y’i - giá trị tính toán thứ i; y- giá trị thực đo trung bình.
Tiêu chuẩn đánh giá nhƣ sau:
Chỉ tiêu Mức Loại R2 40-65% Đạt 65-85% Khá >85% Tốt
Chương 3
ÁP DỤNG MÔ HÌNH MIKE BASIN CÂN BẰNG NƯỚC HỆ THỐNG LƯU VỰC SÔNG CẦU
3.1. PHÂN VÙNG TÍNH CÂN BẰNG NƢỚC
Cơ sở phân vùng cân bằng nƣớc là dựa vào điều kiện tự nhiên, địa hình, khí tƣợng thủy văn, hệ thống sông suối; hệ thống các công trình thủy lợi, sự phân bố đất đai canh tác và điều kiện KT-XH. Để thuận tiện cho việc tính toán cân bằng nƣớc trên toàn hệ thống, mỗi vùng cân bằng nƣớc lại đƣợc phân chia thành một số khu nhỏ hơn. Nhƣ vậy, khu cân bằng nƣớc là đơn vị tính toán cân bằng nƣớc cơ bản, có các đặc điểm sau: (1) Bao gồm một vài lƣu vực sông nhánh; (2) Các hộ dùng nƣớc trong khu sử dụng chung một hệ thống thủy lợi chính về cấp và thoát nƣớc; (3) Các khu khai thác hệ thống thuỷ lợi độc lập tƣơng đối trong quản lý.
Dựa trên cơ sở này, đã tiến hành phân vùng lƣu vực sông Cầu thành 4 vùng cân bằng nƣớc Thƣợng Sông Cầu, Hạ Sông Cầu, Sông Công, Sông Cà Lồ gồm 16 tiểu khu (hình 5 và bảng 13).
3.2. TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY ĐẾN TẠI CÁC TIỂU KHU
Ngày nay, việc áp dụng mô hình toán thuỷ văn để khôi phục và xử lý số liệu ngày càng rộng rãi. Đặc biệt, đối với những vùng ít đƣợc nghiên cứu và thiếu số liệu đo đạc thì mô hình toán còn đƣợc coi là công cụ ƣu việt nhất. Cụ thể, trên lƣu vực sông Cầu do thiếu số liệu đo đạc thủy văn chi tiết, trong khi mạng lƣới quan trắc mƣa và các yếu tố khí tƣợng tƣơng đối dày, do vậy có thể sử dụng các mô hình toán thủy văn để khôi phục số liệu dòng chảy. Có nhiều mô hình để diễn toán dòng chảy nhƣ: SSARR, TANK, NLRRM (mô hình mƣa dòng chảy phi tuyến), MIKE NAM… đã đƣợc triển khai nghiên cứu và có những kết quả tốt, đạt độ chính xác đáp ứng cho các yêu cầu quy hoạch, thiết kế.
Bảng 13. Đặc điểm của các vùng và khu tính cân bằng nước TT Tên vùng Tên khu Diện tích tự nhiên (ha) Diện tích canh tác (ha) Dân thành thị (ngƣời) Dân nông thôn (ngƣời) Tổng dân (ngƣời) 1 Thƣợng sông Cầu I1 - (Khu bảo tồn Thác Riềng) 39510 4809.8 13078 24598 37676 2 I2 - (Khu Bạch Thông) 28420 3665.3 935 16073 17008 3 I3 - (Khu Chợ Mới) 53370 9720.1 11468 34014 45482 4 I4 - (Khu Chợ Chu) 43160 12454.7 5595 76047 81642
5 I5 - (Khu Chợ Mới-Võ Nhai-Đồng Hỷ) 8795 2285 1430 10952 12382
6 I6 - (Khu sông Đu) 38220 15.125 6996 98142 105138
7 I7 - (Khu Phú Lƣơng-Đồng Hỷ) 13380 5290.1 4177 33225 37402 8 I8 - (Khu Võ Nhai) 45180 4881.3 2208 34184 36392 9 I9 - (Khu Đồng Hỷ) 43.580 17086.9 71291 31098 102389 10 I10- (Khu Phú Bình) 34180 16749.5 54371 197907 252278 11 Sông Công II1- (Khu Thƣợng Núi Cốc) 51460 19746.2 17687 135476 153163
12 II2- (Khu Hạ Núi Cốc) 43890 26510.3 95745 199746 295490
13 Sông Cà Lồ III1-(Khu Thƣợng sông Cà Lồ) 42380 30407 110991 305362 416354 14 III2-(Khu hạ sông Cà Lồ) 30002 14563 58286 213674 271960 15 Hạ sông Cầu IV1 10720 5497.6 1586 96695 98281 16 IV2 76910 50531.9 129449 847351 976800
Hình 5. Bản đồ phân vùng và phân khu cân bằng nước lưu vực sông Cầu
Qua đánh giá tình hình tài liệu quan trắc trên địa bàn nghiên cứu, mô hình NAM đã đƣợc lựa chọn để khôi phục dòng chảy cho các tiểu lƣu vực trên lƣu vực sông Cầu.
3.2.1. Hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình
Tác giả đã sử dụng số liệu lƣu lƣợng thực đo của 5 trạm thủy văn và số liệu mƣa, bốc hơi của 7 trạm khí tƣợng trên lƣu vực sông Cầu để hiệu chỉnh, kiểm nghiệm và tìm ra 5 bộ thông số tối ƣu :
+ Bộ thông số mô hình hiệu chỉnh và kiểm nghiệm từ số liệu thực đo của lƣu vực sông Cầu tính đến trạm Thác Riềng sử dụng để khôi phục số liệu dòng chảy tiểu khu: I1, I2, I3, I4.
+ Bộ thông số mô hình hiệu chỉnh, kiểm nghiệm từ số liệu thực đo của lƣu vực sông Cầu tính đến trạm Thác Bƣởi sử dụng để khôi phục số liệu dòng chảy các tiểu khu: I5, I7, I8, I9, I10.
+ Bộ thông số mô hình hiệu chỉnh, kiểm nghiệm từ số liệu thực đo của lƣu vực sông Đu - trạm Giang Tiên để khôi phục số liệu dòng chảy cho tiểu khu: I6.
+ Bộ thông số mô hình hiệu chỉnh, kiểm nghiệm từ số liệu thực đo của lƣu vực sông Công- trạm Tân Cƣơng để khôi phục số liệu cho các tiểu khu: II1, II2.
+ Bộ thông số mô hình hiệu chỉnh, kiểm nghiệm từ số liệu thực đo của lƣu vực sông Cà Lồ- trạm Phú Cƣờng sử dụng để khôi phục số liệu dòng chảy các tiểu khu: III1, III2, IV1, IV2. Kết quả cho ở bảng 14 và bảng 15.
Hình 6 và hình 7 thể hiện đƣờng quá trình dòng chảy tháng tính toán và thực