3.1.3.1.Giới thiệu chung
MIKE 11 GIS là một cụng cụ trỡnh diễn và phõn tớch khụng gian kết quả tớnh toỏn của mụ hỡnh thủy lực 1 chiều sử dụng trong cụng tỏc quản lý lũ. Hệ thống MIKE 11 GIS tớch hợp cỏc cụng nghệ mụ hỡnh húa hệ thống sụng của MIKE 11 với khả năng phõn tớch khụng gian của ArcView GIS. MIKE 11 GIS là cụng cụ hỗ trợ
ra quyết định lý tưởng trong cụng tỏc quản lý lũ bằng cỏch cung cấp một cỏch trực quan cỏc tỏc động của lũ lờn cụng đồng dõn cư, hệ thống cơ sở hạ tầng, nụng nghiệp, thủy sản và mụi trường.
MIKE 11 GIS được xõy dựng dựa trờn việc trao đổi dữ liệu 2 chiều giữa MIKE 11 và ArcView:
MIKE 11 GIS xỏc định cỏc hệ thống sụng, profile mặt cắt ngang và quan hệ
diện tớch – cao độ của cỏc khu chứa từ bản đồ địa hỡnh DEM và xuất cỏc kết quả
này làm đầu vào cho mụ hỡnh MIKE 11.
MIKE 11 GIS lấy cỏc kết quả tớnh toỏn mực nước và lưu lượng từ file kết quả của MIKE 11. Dựa trờn những thụng tin này, MIKE 11 GIS xõy dựng bản đồ
mực nước dạng grid và so sỏnh dữ liệu này với DEM địa hỡnh lưu vực để xõy dựng cỏc bản đồ ngập lụt sau:
1. Bản đồ độ sõu ngập lụt (.FIM): Là cỏc bản đồ mụ tả độ sõu ngập lụt tại
mỗi ụ lưới ứng với 1 profile mực nước xỏc định
2. Bản đồ khoảng thời gian ngập lụt (.FCM): Là cỏc bản đồ cho phộp xỏc
định tại mỗi ụ lưới thời gian bị ngập sõu trong nước là bao nhiờu thời gian.
3. Bản đồ so sỏnh (.FDM): Là cỏc bản đồ minh họa sự khỏc nhau giữa 2 bản
đồđộ sõu ngập lụt ứng với 1 profile mực nước xỏc định
Cỏc bản đồ ngập lụt sử dụng cỏc kết quả mụ phỏng của mụ hỡnh thủy lực MIKE 11. Chỳng cú thể được thể hiện tức thời tại từng thời điểm hoặc giỏ trị lớn nhất của trận lũ. Dựa trờn kết quả phõn tớch cỏc giỏ trị cực hạn của kết quả mụ phỏng của MIKE 11, cỏc bản đồ nguy cơ ngập lụt với cỏc tần xuất 10, 100, 500 năm và lũ cực hạn cú thểđược thiết lập.
Hỡnh 3.5. Sơ đồ xõy dựng bản đồ chuyờn đề dựa trờn sự kết hợp hai mụ hỡnh MIKE 11 và MIKE 11 GIS
3.1.3.2.Áp dụng mụ hỡnh MIKE 11 GIS xõy dựng bản đồ ngập lụt
Dữ liệu đầu vào của mụ hỡnh Mike 11 GIS bao gồm:
1) Bản đồ số húa độ cao (DEM): Được xõy dựng từ bản đồ địa hỡnh tỉ lệ 1: 50 000 được Trung tõm thụng tin (nay là Cục Thụng tin) bộ Tài nguyờn Mụi trường cung cấp.
Từ bản đồ trờn qua phần mềm GIS mà cụ thể là phần mềm Microstation, Mapinfo, Arcview, ArcGis tiến hành gắn thuộc tớnh, chuẩn húa hệ tọa độ, ghộp nối lớp thụng tin và tiến hành thành lập bản đồ cao độ số (DEM).
2) Kết quả tớnh toỏn thủy lực từ mụ hỡnh Mike 11 cho dưới dạng file *.res11 thể hiện cao độ mực nước tại cỏc mặt cắt theo thời gian. Kết quả này sẽ nhập tự động vào cơ sở dữ liệu trong MIKE 11GIS và thụng qua một số thao tỏc tiến hành
Bản đồ ngập lụt Bản đồ nguy cơ Bản đồ thời gian Thiệt hại ngập lụt Thiết kế cụng trỡnh Mạng sụng MIKE + + MIKE 11 GIS + Kết quả tớnh MIKE 11 Địa hỡnh lưu vực
thành lập bản đồ ngập lụt theo thời gian hoặc lớn nhất tựy theo người sử dụng lựa chọn.
Cỏc bước xõy dựng bản đồ ngập lụt được thực hiện theo sơđồ khốiHỡnh 3.6.
Hỡnh 3.6. Sơ đồ cỏc bước xõy dựng BĐNL bằng mụ hỡnh MIKE 11 và MIKE 11 GIS
Từcỏc số liệu đầu vào ở bờn trờn và sử dụng bản đồ DEM địa hỡnh lưu vực nghiờn cứu (Tỉnh Quảng Ngói) và kết quả tớnh toỏn đầu ra của mụ hỡnh MIKE 11
ứng vớitrận lũ năm 1999, mụ hỡnh Mike 11 GIS đó tớnh toỏn và đưa ra diện tớchngập lớn nhất ứng với cỏc kịch bản nước biển dõng như Bảng 3.5và cỏc bản đồ ngập lụt cho tỉnh Quảng NgóinhưHỡnh 3.7
• Tạo một Project mới.
• Nhận số liệu từ MIKE 11 GIS.
• Bổ sung thông tin về các công trình và số liệu về dòng chảy.
• Tính toán thuỷ văn, thuỷ lực. Chạy MIKE 11
Tạo file đầu vào cho mô hình MIKE 11 No Giảm kích th−ớc ô l−ới Yes Yes
Khởi động MIKE 11 GIS
DEM Module
• Nhập dữ liệu về địa hình.
• Nhập dữ liệu mặt cắt ngang.
• Xác định tham số của các ô l−ới.
• Tạo các lớp đ−ờng hoặc vùng để xác định các ô chứa, đê hoặc đ−ờng giao thông…
• Điều chỉnh cao độ phù hợp cho của các lớp vừa tạo.
TD Module (Mô dun địa hình)
• Tạo và xuất số liệu mặt cắt.
• Tạo và xuất quan hệ diện tích - cao độ của các khu chứa.
Có đủ mặt cắt không ?
No
Yes
FM Module
• Nhập file kết quả của MIKE 11.
• Tạo l−ới bản đồ ngập lụt. Diện tớch ngập lụt cú đỳng ko? Yes Bản đồ có chi tiết không? Bản đồ ngập lụt Có đủ mặt cắt không No No
Bảng 3.5. Diện tớch ngập lớn nhất ứng với cỏc kịch bản NBD Kịch bản Diện tớch ngập toàn bộ (ha) Diện tớch bị ngập sõu (ha) >=1m >=2m >=3m >=4m >=5m 1999 59366 52508 44346 36388 28695 21955 1999+25cm 59461 53290 44455 36360 28705 21970 1999+50cm 59597 53260 44484 36362 28725 21985 1999+75cm 59724 53447 44466 36383 28787 22003 1999+100cm 59821 53225 44456 36369 28797 22015 Hỡnh 3.7. Bản đồ ngập lụt lớn nhất tỉnh Quảng Ngói năm 1999 3.1.4.Mụ hỡnh MIKE Basin
Viện Thuỷ lực Đan Mạch (DHI) xõy dựng cỏc phần mềm để đỏnh giỏ và phõn tớch cỏc vấn đề về chất lượng và số lượng nước, đõy là cỏc phần mềm hữu ớch trong cụng tỏc lập kế hoạch phỏt triển và quản lý nguồn nước theo quan điểm bền vững. Phần mềm MIKE BASIN với giao diện ArcView GIS là một mụ hỡnh mụ phỏng nguồn nước lưu vực sụng.
MIKE BASIN đũi hỏi với một số lượng số liệu khụng nhiều, với cỏc mụ đun tớnh toỏn đơn giản để đưa ra cỏc kịch bản tớnh toỏn cỏc biến đổi của cỏc đặc trưng dũng chảy theo khụng gian và thời gian, xỏc định cỏc nhu cầu dựng nước, vận hành
hồ chứa đa mục tiờu, cụng trỡnh chuyển nước và đỏnh giỏ chất lượng nước. MIKE BASIN sử dụng giao diện GIS để tổ hợp cơ sở dữ liệu, xỏc định lưu vực, và trỡnh diễn kết quả một cỏch thuận lợi cho người sử dụng.
Trong luận văn này, mụ hỡnh MIKE BASIN với cỏc tớnh năng vượt trội về xử
lý số liệu gắn với GIS, đa dạng về số liệu đầu vào, giao diện dễ sử dụng, đó được lựa chọn làm cụng cụđể tớnh cõn bằng nước cho lưu vực sụng Trà Khỳc.
3.1.4.1.Giới thiệu chung
Mụ hỡnh MIKE BASIN là một cụng cụ cõn bằng giữa nhu cầu về nước và nước cú sẵn theo cỏch tối ưu nhất giỳp cho cụng tỏc quy hoạch lưu vực sụng tổng hợp và quản lý tài nguyờn nước do Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) xõy dựng, đõy là một mụ hỡnh toỏn học thể hiện một lưu vực sụng bao gồm cấu hỡnh của cỏc sụng chớnh và cỏc sụng nhỏnh, cỏc yếu tố thủy văn của lưu vực theo khụng gian và theo thời gian, cỏc cụng trỡnh, hệ thống sử dụng nước hiện tại và tương lai và cỏc phương ỏn sử dụng nước khỏc nhau. Mụ hỡnh này đang được nhiều nước trờn thế giới và cỏc tổ chức quốc tế sử dụng.
MIKE BASIN được xõy dựng theo kiểu mụ hỡnh mạng lưới, trong đú sụng và cỏc nhỏnh hợp lưu chớnh được biểu diễn bằng một mạng lưới bao gồm cỏc nhỏnh và cỏc nỳt. Cỏc nhỏnh được thể hiện bằng cỏc đoạn sụng riờng biệt, cũn cỏc nỳt thể
hiện cỏc tiểu hợp lưu hoặc cỏc vị trớ mà tại đú cỏc hoạt động liờn quan đến phỏt triển nguồn nước cú thể diễn ra nhưđiểm của dũng chảy hồi quy từ cỏc khu tưới, hoặc là
điểm hợp lưu giữa hai hoặc nhiều sụng, suối hoặc tại cỏc vị trớ quan trọng cần cú kết quả của mụ hỡnh.
Quan niệm toỏn học trong mụ hỡnh MIKE BASIN là tỡm cỏc lời giải ổn định cho mỗi bước thời gian.Cú thể dựng Mike Basin để tỡm cỏc giỏ trị điển hỡnh đối với số lượng và chất lượng nước trong hệ thống biến đổi chậm.Ưu điểm của MIKE BASIN là cho phộp vạch ra nhiều kịch bản khỏc nhau. Sai số do nhiều giải phỏp tớnh tạo ra khụng đỏng kể khi bước thời gian của quỏ trỡnh khụng nhỏ hơn thời gian mụ phỏng.
MIKE BASIN được chạy dựa trờn phần mềm ArcView GIS, để cỏc thụng tin GIS cú thể bao hàm trong mụ phỏng tài nguyờn nước.Mạng lưới sụng và cỏc nỳt cũng được soạn thảo trong ArcView.Mụ hỡnh hoạt động trờn cơ sở một mạng lưới sụng được số húa và cỏc thiết lập trực tiếp trờn màn hỡnh mỏy tớnh trong ArcView GIS. Tất cả cỏc thụng tin về mạng lưới sụng, vị trớ cỏc hộ dựng nước, hồ chứa, cửa
lấy nước, cỏc yờu cầu về chuyển dũng, dũng hồi quy đều được xỏc định trực tiếp từ
cỏc giao diện trờn màn hỡnh.
Hỡnh 3.8. Khỏi niệm của MIKE BASIN về lập mụ hỡnh phõn bổ nước
Trờn thực tế, cú nhiều hộ sử dụng sẽ lấy nước từ cựng một nguồn cấp.Trong khỏi niệm mụ hỡnh mạng MIKE BASIN, tỡnh huống này được mụ phỏng bằng một
điểm nỳt mà cỏc hộ sử dụng này sẽ kết nối đến.
Trong trường hợp thiếu nước, sẽ nảy sinh mõu thuẫn về cỏch phõn bổ nguồn nước cú sẵn tại một điểm cấp nước cho những hộ sử dụng kết nối đến điểm đú.Yờu cầu đặt ra là phải cú một nguyờn tắc để giải quyết vấn đề phõn bổ nước.Mụ hỡnh MIKE BASIN cú thể giải quyết vấn đề phõn bổ nước với hai nguyờn tắc cơ bản, ưu tiờn cục bộ và toàn bộ.Nguyờn tắc ưu tiờn cục bộ nghĩa là vấn đề phõn bổ nước thường được giải quyết xem xột đến cỏc điểm nỳt lõn cận cú kết nối trực tiếp.
Nguyờn tắc ưu tiờn toàn bộ sử dụng chủ yếu trờn diện lưu vực sụng ở đú người sử dụng cú quyền ưu tiờn, tức là quyền về nước được xỏc định khi thiết lập.Trong những lưu vực sụng như vậy, người sử dụng ở thượng lưu cũng khụng thể
khai thỏc được vị trớ địa lý của họ.
Trong MIKE BASIN, thuật toỏn ưu tiờn toàn bộ được thực hiện bởi một bộ
những nguyờn tắc. Cỏc loại nguyờn tắc khỏc nhau sẽ được xỏc định.Nguyờn tắc cú
ảnh hưởng ớt nhất là đến nỳt mà chỳng được ấn định nguyờn tắc và cú thể đến một nỳt thứ hai, điểm khai thỏc trước. Nhiều nguyờn tắc sử dụng cú thể được ỏp dụng cho cựng một hộ dựng nước, khụng nhất thiết phải theo một thứ tự ưu tiờn. Vớ dụ, hộ dựng nước cú thể cú quyền ưu tiờn cao đối với mức cấp nước tối thiểu cần thiết,
và quyền ưu tiờn rất thấp đối với cấp nước bổ sung. Đối với một hộ dựng nước cụ
thể, nhiều nguyờn tắc cú thể ỏp dụng cho một điểm khai thỏc riờng lẻ (nỳt trờn sụng) hoặc cho cỏc điểm nỳt khỏc.Cơ chế ưu tiờn toàn bộ khụng tớnh đến độ trễ trong dũng chảy (diễn toỏn, diễn biến nước ngầm).
Trong cơ chếưu tiờn cục bộ, ưu tiờn rất nghiờm khắc đối với nước mặt.Chức năng Supply Nodecho phộp xỏc định đặc tớnh trong đú yờu cầu nhập nhu cầu nước tại nỳt của người sử dụng. Nỳt đầu tiờn trong danh sỏch sẽ nhận được toàn bộ nước theo nhu cầu của nú (nếu cú nước) trước khi nỳt thứ hai được tớnh đến. Nỳt thứ hai này sẽ nhận được toàn bộ số nước theo nhu cầu (nếu cũn nước sau khi nỳt đầu tiờn nhận được đủ nước của mỡnh), và cứ như vậy cho đến nỳt cuối cựng. Bất kỳ lượng nước cũn lại nào chảy vào một điểm nỳt hạ lưu riờng lẻ hoặc khi khụng cú cỏc điểm nỳt này thỡ được cho là để lại trờn diện tớch của mụ hỡnh.Đối với nước ngầm, tất cả
người sử dụng phải cú cựng một ưu tiờn.Họ nhận được cựng một lượng.
Khỏi niệm lập mụ hỡnh tổng thể của MIKE BASIN là tỡm giải phỏp tĩnh cho mỗi bước thời gian.Theo đú, đầu vào bước thời gian và kết quả được giả định là cú chứa cỏc giỏ trị trung bỡnh thụng lượng trong bước thời gian tớnh toỏn.Sự xấp xỉ
trong giải phỏp tĩnh sẽ cú sai số lớn khi tỷ lệ thời gian của quỏ trỡnh khụng ớt hơn bước thời gian của mụ phỏng. Một vớ dụđiển hỡnh về yờu cầu bước thời gian nhỏđú là mụ phỏng hồ chứa, đặc biệt là thuỷ điện.Lượng điện tạo ra phụ thuộc vào mực nước phỏt điện trong hồ, do đú nếu mực nước thay đổi nhiều trong một bước thời gian, kết quả tớnh toỏn sẽởđộ xấp xỉ kộm.
Do giả thuyết xấp xỉ, MIKE BASIN phự hợp nhất được sử dụng để tỡm giỏ trị “điển hỡnh” cho lượng nước và chất lượng nước trong một hệ thống thay đổi chậm(vớ dụ chu kỳ hàng năm của cỏc thỏng).
Mụ hỡnh MIKE BASIN đó thực hiện được việc đỏnh giỏ nguồn nước của lưu vực, ảnh hưởng của cỏc hệ thống lấy nước hiện trạng và đỏnh giỏ tỏc động của cỏc cụng trỡnh cũng như của cỏc khu tưới lờn nguồn nước cho cỏc phương ỏn và cỏc giai
đoạn phỏt triển thủy lợi trong tương lai.
3.1.4.2.Số liệu đầu vào cho mụ hỡnh a) Thụng số tổng quan - Vị trớ cỏc hồ chứa - Thụng số cho mỗi lưu vực - Diện tớch cỏc lưu vực - Hệ số nước hồi quy b) Thụng số nhỏnh sụng - Thụng số diễn toỏn MUSKINGUM - Thụng số hồđập
- Thời gian trễ, mực nước hoặc quan hệ Q ~ H
c) Thụng sốđối với cỏc hộ dựng nước
- Nhu cầu dựng nước
- % triết giảm dũng chảy ngầm - Tốc độ dũng chảy hồi quy
- Chuỗi thời gian nước hồi quy đối với nỳt tưới - Vị trớ dũng chảy hồi quy
- Nồng độ chất thải (nếu cú tớnh toỏn chất lượng nước)
d) Thụng số hồ chứa - Điều kiện ban đầu (mực nước) - Quy tắc điều khiển - Quan hệ Z~F~V - Chuỗi mưa rơi - Chuỗi bốc hơi - Liờn kết với người sử dụng - Liờn kết với hạ lưu e) Thụng số cho cỏc điểm tỏch dũng
- Thụng số tỏch dũng
3.1.4.3.Áp dụng mụ hỡnh MIKE BASIN vào tớnh toỏn
Dựa vào nguyờn lý mụ phỏng của MIKE BASIN, bản đồ số húa độ cao (DEM 90x90), hỡnh thỏi mạng lưới sụng, cỏc cụng trỡnh dựng nước hiện tại (hồ
chứa, thủy điện, cỏc khu tưới, nỳt chuyển nước, nỳt cấp nước cho sinh hoạt và cụng nghiệp …), diện tớch cỏc tiểu lưu vực, sơ đồ tớnh toỏn cõn bằng nước cho toàn lưu vực sụng Trà Khỳc được thiết lập như Hỡnh 3.10
Hỡnh 3.10. Sơ đồ húa mạng tớnh toỏn cõn bằng nước lưu vực sụng Trà Khỳc trong MIKE BASIN
Tài liệu đầu vào của mụ hỡnh MIKE BASIN bao gồm:
- Lưu lượng dũng chảy được mụ phỏng từ mụ hỡnh MIKE NAM - Nhu cầu nước dựng hiện trạng và quy hoạch đến 2020
- Cỏc thụng số hồ chứa.
Tớnh toỏn cõn bằng nước cho tỉnh Quảng Ngói giai đoạn hiện tại được thực hiện từ năm 1980 đến 1999. Đểđỏnh giỏ kết quả tớnh toỏn, lưu lượng mụ phỏng và thực đo tại hai trạm thủy văn Sơn Giang và An Chỉ được sử dụng và được đỏnh giỏ bằng chỉ tiờu Nash-Sutcliffe. Kết quả đỏnh giỏ cho chất lượng khỏ cao với chỉ tiờu
Nash-Sutcliffe tại Sơn giang
Quỏ trỡnh dũng chảy tớnh toỏn và th trờn Hỡnh 3.11 và Hỡnh 3
Bảng 3.6. Kết quả đỏnh giỏ tớnh toỏn cõn b
Trạm TV Sơn Giang An Chỉ Hỡnh 3.11. Dũng ch Hỡnh 3.12. Dũng ch ơn giang đạt 0.93 và tại An chỉ đạt 0.94 như trong y tớnh toỏn và thực đo tại Sơn Giang và An Chỉ 3.12.
ỏnh giỏ tớnh toỏn cõn bằng nước giai đoạn hiện tại b Nash-Sutcliffe.
Thời kỳ Nash-Sutcliffe
1980-1999 0.93
1980-1999 0.94
Dũng chảy tớnh toỏn và thực đo tại trạm Sơn Giang 1980
Dũng chảy tớnh toỏn và thực đo tại trạm An Chỉ 1980
ư trong Bảng 3.6. n Giang và An Chỉ được thể hiện n tại bằng chỉ tiờu Sutcliffe 0.93 0.94 n Giang 1980-1999 1980-1999
Với kết quả đỏnh giỏ như ở trờn, cú thể thấy chất lượng tớnh toỏn cõn bằng nước tỉnh Quảng Ngói cho giai đoạn hiện tại được đảm bảo và cú thể ỏp dụng cho cỏc tớnh toỏn tiếp theo.
Trong giai đoạn hiện tại, tại hầu hết cỏc nỳt đều đảm bảo cấp đủ nước.Trong tổng số 76 nỳt (64 nỳt cấp nước cho tưới và 12 nỳt cấp nước cho sinh hoạt và cụng