1598
CHƯƠNG II. CÁC MÔ HÌNH ỨNG DỤNG
2.1. Mô hình thủy văn
2.1.1. Mô hình và thông sổ mô hình
a) Cẩu trúc mô hình N A M
Mô hình NAM được xây dựng tại Khoa Thuỷ văn Viện Kỹ thuật Thuỷ động lực và Thuỷ lực thuộc Đại học Kỹ thuật Đan Mạch năm 1982. Trong mô hình NAM, mỗi lưu vực được xem là một đơn vị xử lý, do đó các thông số và các biến là đại diện cho các giá trị được trung bình hóa trên toàn lưu vực. Mô hình tính quá trình mưa-dòng chảy theo cách tính liên tục hàm lượng ẩm trong năm bể chứa riêng biệt có tương tác lẫn nhau.
Cấu trúc mô hình NAM được 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:
Bẻ chứa tuyết tan: được kiểm soát bằng các điều kiện nhiệt độ. Đối với điều kiện khí hậu nhiệt đới ở nước ta thì không xét đến bể chứa này;
Bể chứa mặt: lượng nước ở bể chứa này bao gồm lượng nước mưa do lớp phủ thực vật chặn lại, lượng nước đọng lại trong các chỗ trũng và lượng nước trong tầng sát mặt. Giới hạn trên của bể chứa này được ký hiệu bằng Umax;
Bể chứa tầng dưới: là vùng đất cỏ rễ cây nên cây cối có thể hút nước cho bốc, thoát hơi. Giới hạn trên của lượng nước trong bể chứa này được ký hiệu là Lmax, lượng nước hiện tại được ký hiệu là L và tỷ số L/Lmax biểu thị trạng thái ẩm của bể chứa;
Bể chứa nước ngầm tầng trên; Bể chứa nước ngầm tầng dưới.
Mưa hoặc tuyết tan đều đi vào bể chứa mặt. Lượng nước (Ư) trong bể chứa mặt liên tục cung cấp cho bốc hơi và thấm ngang thành dòng chảy sát mặt. Khi ư đạt đến Umax, lượng nước thừa là dòng chảy tràn trực tiếp ra sông và một phần còn lại sẽ thấm xuống các bể chứa tầng dưới và bể chứa ngầm.
Nước trong bể chứa tầng dưới liên tục cung cấp cho bốc thoát hơi và thấm xuống bể chứa ngầm. Lượng cấp nước ngầm được phân chia thành hai bể chứa: tầng trên và tầng dưới, hoạt động như 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 chày cơ bản.
Dòng chảy tràn và dòng chảy sát mặt được diễn toán qua một hồ chứa tuyến tính thứ nhất, sau đó các thành phần dòng chảy được cộng lại và diễn toán qua hồ chứa tuyến tính thứ hai. Cuối cùng cũng thu được dòng chày tổng cộng tại cửa ra.
Số liệu khí tượng: Bao gồm số liệu bốc hơi tiềm năng và số liệu mưa ngày. Số liệu thủy văn: Tất cả số liệu lưu lượng trung bình ngày đến năm 2000 của 4 trạm thủy văn chính trên hệ thống sông được thu thập dể làm cơ sở cho hiệu chỉnh và kiểm định mô hình.
Chuồi số liệu quan trắc KTTV trên hệ thống sông Đồng Nai thu thập được khá đồng bộ từ 1980- 2000 với số liệu của 27 trạm đo mưa và 11 trạm bốc hơi.
Bảng 2-1. Các trạin khí tượng trên lưu vực sông Đồng Nai
T T T ên trạm T ọ a độ T T T ên trạm T ọ a độ K inh độ V ĩ độ K inh độ V ĩ độ 1 Bảo Lộc 107.817 11.533 15 Long T hành 106.9352 10.7515 2 B ình L ong 106.6012 11.6346 16 M ộc H óa 105.56 10.47 3 Bù Đ ăng 107.2505 11.8016 17 M ỹ T ho 106.24 10.21 4 Bù Đ ốp 106.6012 11.835 18 P hước L ong 106.9853 11.835 5 Bù N ho 106.8684 11.7181 19 T à Lài 107.367 11.367 6 C ẩm M ỹ 107.2505 10.7682 20 T ân U yên 106.802 11.0501
7 C hơn T hành 106.6179 11.4008 21 T ầy N inh 107.0835 10.334
8 Đ à Lạt 108.45 11.95 22 T hố n g N hất 107 10.9352 9 Đắc N ông 107.41 12 23 T rị An 106.9686 11.0835 10 Đ ổng Phú 106.9018 1 1.5344 24 T úc T rư n g 107.2004 1 1.0835 11 H àm T ân 107.46 10.41 25 X uân Lộc 107.14 10.56 12 Liên K hương 108.22 11.44 2 6 X uyên M ộc 107.4175 10.5344
13 Lộc N inh 106.5845 11.8183 27 Tân Sơn
H òa 106.667 10.817
14 L ong K hánh 107.2338 10.8517
-
2.1.3. Kết quả đầu ra của mô hình
Dữ liệu đầu ra của mô hình bao gồm giá trị lưu lượng trung bình ngày tại các trạm thủy văn chính trên lưu vực, các tiểu vùng cân bằng nước và một số hồ chứa chính trên lưu vực phục vụ tính toán cân bằng nước và tính toán thủy lực.
2.1.4. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình
1600
Các khu cân bằng nước trong háo cáo được phân chia dựa trên sự phân tích tổng hợp giữa các yếu tổ: Các công trình thủy lợi trên lưu vực, dữ liệu về DEM, ranh giới hành chính.
Lưa vực sông Đồng Nai được chia thành 29 khu cân bàng nước:
Bảng 2-2. Phân khu cân bằng nước lưu vực sông Đồng Nai (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
TT Khu cân bằng nước Diện tích
(km-) TT Khu cân bằng nước
Diên tích (ion2)
1 Bến Lức 848 15 Hạ Dầu Tiếngs 1643
2 Cần Đơn 1949 16 Hàm Thuân 1293
3 Đa Nhim 1223 17 Nhà Bè 1151
4 Đai Ninh 722 18 Phước Hòa 911
5 Đồng Nai 1157 19 Sài Gòn 763
6 Đồng Nai 1 2319 20 Sông Bé 2589
7 Đồng Nai 2 1157 21 Srock Phu Miêng 588
8 Đồng Nai 3 327 22 Tà Pao 711
9 Đồng Nai 4 496 23 Tây Ninh 2190
10 Đồng Nai 5 169 24 Thác Mơ 2180
11 Đồng Nai 6 1679 25 Thượng Dầu Tiếng 2518
12 Đồng Nai 8 803 26 Trị An 1837
13 Đồng Tháp Mười 2708 27 Vàm Cỏ Tây 478
14 Gò Dầu Ha 3270 28 Võ Đắc 1121
Hình 2-1. Bản đồ phân khu cân bằng nước lưu vực sông Đồng Nai
Đối với các Ưạm thủy văn trên sông chính, số liệu khí tượng thủy văn được chia thành 2 chuỗi: chuỗi từ 1980 đến 1990 lấy làm thời đoạn hiệu chỉnh và từ 1991-2000 lấy làm số liệu kiểm định thông số mô hình.
Căn cứ vào mạng lưới trạm thủy văn, bản đồ sử dụng nước và bản đồ địa hình Dem, toàn bộ lưu vực sông Đồng Nai được chia làm 29 lưu vực như hình 2-1
b) S ố liệu k h í tư ợ n g th ủ y văn s ử d ụng
Chuỗi số liệu yêu cầu cho mô hình mưa dòng chảy bao gồm bộ số liệu dồng bộ về mưa, dòng chảy, và bốc hơi theo thời gian. Các chuỗi số liệu thu thập được tại các trạm thủy văn khống chế được sử dụng để hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình mưa dòng chảy. Danh sách và vị trí phân bố các trạm thủy văn trcn lưu vực được trình bày trong hình 2-2.
Hình 2-2. Bản đồ lưới trạm thủy văn lưu vực sông Đồng Nai
Sử dụng đồng thời với chuỗi số liệu dòng chảy tại các trạm thủy văn là các chuỗi số liệu về mưa và bốc hơi trên lưu vực. Các chuỗi giá trị này được đo rời rạc phân bố theo các trạm đo mưa và trạm khí tượng. Phương pháp đa giác Thiessen được sử dụng để tính toán trọng số các trạm mưa trên từng tiểu lưu vực.
Số liệu được sử dụng trong hiệu chình và kiểm nghiệm mô hình mưa dòng chảy là chuỗi thời gian theo ngày tại các năm có số liệu, số liệu dòng chảy nền được mô phỏng theo thời gian ngày từ năm 1980 đến năm 2000.
c) Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình
Sử dụng số liệu khí tượng thủy văn của các trạm, bộ thông số cùa các lưu vực trên hệ thống sông Đồng Nai đã được tìm ra. Qua quá trình hiệu chinh và kiểm định
1602
mô hình, bộ thông sổ của các lưa vực cho thấy có thể mô phỏng tốt quá trình hình thành dòng chảy từ mưa.
Đường quá trình hiệu chình và kiểm định của các trạm chính trên lưu vực được thể hiện như trong hình 2-3. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 2-3. Dòng chảy tính toán và thực đo tại các trạm trên lưu vực sông Đồng
Nai
Đường lũy tích cộng dồn trong quá trình hiệu chỉnh và kiểm định của các lưu vực trên hệ thống sông Đồng Nai được thể hiện như trong hình 2-4. K Ìt quả thể hiện trên hình cho thấy đường quá trình tổng lượng thực đo và tính toán tại hầu hết các trạm là tốt.
F lo w duration cu rv* AI P h u o c L o n g statio n
2.2. Mô hình thủy lực
2.2.1. Mô hình và các thông số mô hình
Hệ thống mô hình toán của HydroGis mã hóa các định luật thủy động lực lực và bảo tồn vật chất của các thủy vực (đối tượng) trong vùng nehiên cứu trên máy tính số. Chúng làm việc trên 2 CSDL chính đã nêu trên (biên cứng và biên Khí tượng Thủy văn và môi trường).
Trong HydroGis, CSDL biên cứng được quản trị qua các mạng lưới không gian trên công nghệ GIS bao gồm:
(1) mạng mặt cắt sông-kênh; (2) mạng các ô đồng;
(3) mạng các công trình hạ tầng (cầu, cống, bờ bao, đập tràn...)
Biên cứng ô ruộng được đặc tả bời: chỉ số địa lý, chỉ số sử dụng đất, vị trí địa lý, các cao trình, diện tích mặt và thể tích chứa tương ứng, bờ bao với cao trình và độ dài, các đoạn biên lỏng nối với các thủy vực khác (cống, đập, cầu cạn, đập tràn). Cao trình đáy ô được xấp xỉ bởi CDSL DEM. ô tương tác với các ô khác và với các đoạn sông liên kết thông qua dòng chảy qua các công trinh xuyên bờ bao (cầu, cống) và qua đình bờ bao. Tính chất thủy văn của ô được đặc tả bởi: mực nước, độ mặn, thể tích nước, hệ số nhám, lưu iượng vào/ra, mưa, bốc hơi, thấm/nước ngầm, và gió. Các ô ruộng xếp liên tiếp bên nhau, phủ kín vùng nghiên cứu.
Biên cứng mặt cắt sông-kênh được đặc tả bời: vị trị địa lý, diện tích ướt, bán kính thủy lực, bề rộng, độ nhám, các thông số về cao trình về bờ tả, bờ hữu, các công trình cầu cống dọc sông-kênh và xuyên bờ và nối với ô đồng. Tính chất thủy văn của nó được đặc tả bởi: mực nước, lưu lượng, hàm lượng chất, độ m ặn... Nó tương tác với các ô nằm bên tả và bên hữu sông-kênh và tương tác với các mặt cắt nằm trước và sau nó tạo thành mạng mặt cắt xấp xỉ mạng sông-kênh.
Bicn cứng công trình hạ tầng bao gồm 3 loại chính :
+ Cầu qua sông và cầu cạn được đặc tả trong mô hình bởi các thông số về nhịp, cột, trụ, cao trình mặt và đáy cầu....
1604
+ cống dọc kênh-sông hay xuyên qua bờ bao, đường giao thông được dặc tả bởi các thông số hình học và các thông số đặc tả chế độ hoạt động của chúng như chiều chảy, ngưỡng chảy, thời gian mở và đóng....
+ Các đập tràn trên sông hay trên bờ bao được đặc tả bởi cấu trúc dữ liệu về các thông số hình học và cơ chế hoạt động tuọrng tự như đối với cống.
Biên KTTV và MT được quản trị theo diễn biến thời gian và phấn bố không gian của các yếu tố như: mực nước, mặn; lưu lượng, mặn tại điểm dòng chảy nhập lưu vào miền tính; mưa, bốc hơi, thấm/nước ngầm, gió.
2.2.2. Yêu cầu d ữ liệu đầu vào
Biên khí tượng, địa chất thủy văn được lập ra theo số liệu 20 trạm trạm KTTV cơ bản đang có trên mạng lưới tính (hình 2-5) gồm các yếu tố: Mưa, Thấm/nước ngầm trở lại mặt đất, bốc hơi, nhiệt độ nước, tốc độ gió và hướng gió.
Biên thượng nguồn bao gồm: lưu lượng, độ mặn;
Chế độ thủy văn tại vùng hạ du hệ thống sông Đồng Nai có các yếu tố khống chế: (1) Lưu lượng nước đi qua các tổ máy thủy điện Trị An sau đó chảy xuống sông Đồng Nai; (2) Lưu lượng từ hồ Dầu Tiếng sau đó chảy vào sông Sài Gòn; Các nguồn nguồn nhập lưu khu giữa trên hệ thống.
Biên hạ nguồn
Một trong những yếu tố quan trọng khống chế chế độ thủy văn tại vùng nghiên cứu sự lan truyền các sóng thủy triều, nước dâng do gió. Các ảnh hưởng này được tham số hóa bàng giá trị mực nước, mặn, gió... trên các biên thủy văn tại các cửa sông Soài Rạp, Ngã Bảy, Cái Mép, Đông Hòa và tại Tân An trên sông Vàm c ỏ Tây. Các thông tin cần cập nhập cho biên hạ nguồn gồm: Mực nước, Độ mặn, Hướng gió và tốc độ gió.
Trong vùng nghiên cứu có nhiều cửa sông thoát ra biển. Mực nước, mặn và hàm lượng các chất tại các cửa sông này bị khống chế bởi chế độ thủy triều và gió trong 2 vịnh Đồng Tranh và Gành Rái. Do đó chúng tôi đã chọn 2 biên hạ nguồn đại diện cho các biên hạ nguồn của vùng nghiên cứu là Vtl trên vịnh Đồng Tranh và Vt2 trên vịnh Gành Rái.
a) S ơ đồ tính toán
Mạng lưới sông rạch gồm 1560 nhánh sông với gần 13000 mặt cắt ngang, 1072 nút hợp lưu, 88 điểm biên thượng nguồn và nhập lưu khu giữa, 3 điểm biên hạ nguồn.
2.2.3. Hiệu chỉnh, kiểm định và độ tin cậy của mô hình 2.2.4. Tính toán thủy lực mùa lũ
Để tính toán hiệu chinh mô hình với những tài liệu thu thập được từ các dự án và đề tài trước đó đã chọn ra được tài liệu hợp lý nhất dùng để hiệu chinh và kiểm định mô hìrứi là từ tháng VI đến tháng XII lưu vực sông Sài Gòn - Đồng Nai.
1606 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Thời gian hiệu chỉnh mô hình là trận lũ lớn tháng X năm 2000 tương dương lưu lượng lũ 10% thiết kế, tuy nhiên vì kéo dài nhiều ngày, nên tác động gây ngập của nó tương đương lũ 8%. Lưu lượng cực đại tại biên Dầu Tiếng năm 2000 đạt 600 nrVs tương đương lũ 10% thiết kế.
Thời gian kiểm định mô hình là trận lũ tháng 8 năm 2004.
Việc hiệu chỉnh mô hình được đánh giá bằng các tiêu chuẩn sau:
Sự mô phỏng tổt về dạng đường quá trình mực nước giữa thực đo và tính toán. Mô phỏng tốt về đỉnh lũ: Sai sổ giữa tính toán và thực đo là nhỏ nhất.
Chỉ tiêu đánh giá kết quà mô phỏng-NASH, càng gần 1 kết quả càng chính xác. Lưu lượng cực đại tại biên Trị An năm 2000 là 4500 m3/s (Q q u a 4 tồ m á y + Q x ả ừàn+ Q sông Bé)>
a) Kết quả hiệu chỉnh mô hình HydroGis trong m ùa lũ
Sử dụng chuỗi số liệu thực đo và tính toán từ ngày 27/08/2004 đến ngày 5/9/2004 để hiệu chỉnh mô hình, kiểm tra tại 3 trạm trên lưu vực sông là trạm Biên Hoà, Phú An và trạm Thủ Dầu Một.
Bảng 2-3. Kết quả hiệu chỉnh mô hình thủy lực mùa lũ
TT Trạm C hỉ số N A S H Lệch đỉnh (cm)
1 Biên Hòa 0,9 3,3
2 Phú An 0,85 2,5
3 Thủ Dầu Một 0,85 8,9
b) Kết quả kiểm định mô hình HydroGis trong m ùa lũ
Sừ dụng chuồi số liệu thực đo và tính toán từ ngày 27/10/2000 đến ngày 7/11/2000 để kiểm định mô hình, kiểm tra tại 3 trạm trên lưu vực sông là trạm Nhà Bè, Phú An và trạm Thủ Dầu Một.
Bảng 2-4. Kết quả kiểm định mô hình thủy lực mùa lũ
7T Tram• Chỉ sổ N A S H Lệch đỉnh (cm)
1 Nhà Bè 0,79 7,7
2 Phú An 0,84 15
3 Thủ Dầu Một 0,88 0,1
Sau khi hiệu chỉnh và kiểm định bộ thông số cho mô hình thủy lực, tiến hành
IĨ1Ô phỏng hiộn trạng ngập lụt lưu vực sông Sài Gòn - Đồng Nai, sử dụng số liệu trận lũ tháng 10 năm 2000 (trận lũ tần suất suất 10%). số liệu DEM vùng nghiên cứu được sử dụng để mô phỏng địa hình các ô đồng và tính toán độ sâu ngập tại các ô.
Hình 2-6. Số liệu DEM vùng nghiên cứu
Dưới đây là bản đồ diện tích ngập lụt trên lưu vực sông Đồng Nai từ ngày 11/10/2000 đến ngày 30/10/2000 với đỉnh lũ tại trạm Trị An đạt 4647m3/s ngày 14 tháng 10. Độ sâu ngập trong khu vực dao động từ 0 - l,9m, tổng diện tích ngập lụt trên lưu vực khoảng 2.490km2, riêng thành phố Hồ Chí Minh có tổng diện tích ngập lên tới 1.300km2 trong đó chủ yếu tập trung tại các huyện c ầ n Giờ, Bình Chánh, Nhà Bè, Củ Chi.
1608
Hình 2-7. Bản đồ ngập lụt trận lũ tháng 10 năm 2000 LVSĐN
2.2.4.2. Tỉnh toán thủy lực m ùa cạn và xăm nhập m ặn