3.2.1 Xõy dựng mạng thủy lực
ðể sử dụng ủược mụ hỡnh MIKE FLOOD cho tớnh toỏn, mụ phỏng quỏ trỡnh ngập lũ trờn khu vực nghiờn cứu là hạ lưu hệ thống sụng Nhật Lệ cần phải xõy dựng mạng tớnh toỏn thủy lực một và hai chiều trờn lưu vực tớnh toỏn.
a. Xõy dựng mạng lưới thủy lực một chiều:
Trong khu vực nghiờn cứu, hệ thống sụng Nhật Lệ gồm 2 con sụng chớnh là Kiến Giang và Long ðại ủều bắt nguồn từ dóy Trường Sơn, gặp nhau tại ngó ba Quỏn Trung và ủổ ra biển tại cửa Nhật Lệ qua sụng Nhật Lệ. Trờn hệ thống sụng Nhật Lệ cú một cụng trỡnh cống ủập Mỹ Trung (hỡnh 3.2) cú nhiệm vụ ngăn mặn vào mựa kiệt và lấy nưới phục vụ tưới tiờu. Cụng trỡnh ủược xõy dựng tại xó Gia Ninh huyện Quảng Ninh tỉnh Quảng Bỡnh. Hạng mục cống Mỹ Trung ủược hoàn thành vào thỏng 8 năm 1990; toàn bộ cụng trỡnh ủược hoàn thiện và bàn giao ủưa vào sử dụng thỏng 5 năm 1992. Quy mụ cống ủược thiết kế như sau:
♦ Tổng chiều rộng thoỏt nước của cống là 80 m, chia thành 20 khoang, mỗi khoang rộng 4m; hệ thống cửa van tự ủộng thuỷ lực kiểu cỏnh cửa làm việc một chiều, làm bằng bờ tụng cốt thộp, kớch thước cửa BxH = 4,3m x 5,85m; cú 01 khoang thụng thuyền, cửa van bằng bờ tụng cốt thộp kớch thước BxH= 7,2mx5,85m.
♦ Cao trỡnh ủỏy cống -4,05, cao trỡnh ủỉnh cửa +1,8, ủỉnh trụ pin +2,2.
♦ Hiện nay cống Mỹ Trung ủược lắp ủặt 2 loại cửa van tự ủộng cỏnh cửa gồm: 8 cửa van tự ủộng 2 chiều bằng thộp (mới lắp ủặt), 12 cửa van tự ủộng 1 chiều và 1 cửa õu thuyền là cửa BTCT.
Ngoài cống Mỹ Trung cũn cú ủập Mỹ Trung ngăn sụng Kiến giang dài 300m, cao trỡnh ủỉnh là 1.6m, phần này cho phộp nước tràn qua vào lũ chớnh vụ, nờn tờn gọi ủầy ủủ là cụng trỡnh cống ủập Mỹ Trung.
ðể ủỏp ứng cỏc nhiệm vụ ủó ủặt ra, cống Mỹ Trung từ khi xõy dựng ủược vận hành theo quy trỡnh như sau [9]:
♦ Từ 15/12 ủến kết thỳc gieo cấy vụ chiờm xuõn cửa cống ủể ở chế ủộ làm việc tự ủộng. Với chế ủộ này chỉ cho nước chảy từ thượng lưu về hạ lưu (ủồng ra sụng). Giai ủoạn này chủ yếu là tiờu ỳng;
♦ Từ cuối thỏng 2 ủến thỏng 5, ủúng cống ủể dõng nước trờn phỏ phục vụ tưới. Trong giai ủoạn này nếu cú mưa gõy ngập ỳng thỡ ủể cửa ở chếủộ tự ủộng chủủộng tiờu nước;
♦ Thời kỳ thu hoạch mở cưỡng bức nhằm thau rửa chua phốn;
♦ Bước vào sản xuất vụ tỏm (thỏng 6-9) ủúng cống hoàn toàn cho ủến khi thu hoạch nhằm giữ ngọt và chống xõm nhập mặn, chống lũ tập hậu.
♦ Từ 10 thỏng 9, cống mở cưỡng bức trả lại dũng chảy theo chế ủộ hai chiều như trước khi chưa cú cống ủể ủiều hoà lũ Long ðại và tiờu
Hỡnh 3.2: Cống Mỹ Trung
Hỡnh 3.3: Mặt cắt ủiển hỡnh cống ủập Mỹ Trung
Mạng lưới thủy văn khu vực nghiờn cứu ủược mụ tả bằng sơ ủồ thủy lực bao gồm sụng chớnh là sụng Kiến Giang với chiều dài 96 km, gồm 200
nỳt tớnh toỏn với 26 mặt cắt, biờn trờn là trạm thủy văn Kiến Giang, biờn dưới là trạm thủy văn ðồng Hới nằm cỏch cửa sụng 2km. Nhỏnh sụng Long ðại dài 93 km, gồm 180 nỳt tớnh toỏn với 28 mặt cắt, biờn trờn lấy tại vị trớ trạm thủy văn Tỏm Lu cũ, ủổ vào dũng chớnh Kiến Giang tại ngó ba Quỏn Trung. Ngoài ra, mạng thủy lực cũn bao gồm một số sụng nhỏnh như Húi Dài, kờnh Sao Vàng… (hỡnh 3.4)
Hỡnh 3.4: Sơủồ mạng thủy lực tớnh toỏn lưu vực sụng Nhật Lệ
Trong sơ ủồ thủy lực tớnh toỏn khu vực nghiờn cứu cú hai biờn trờn là biờn lưu lượng tại cỏc trạm thủy văn Kiến Giang và Tỏm Lu
ðồng Hới. Do trong khu vực nghiờn cứu cỏc trạm ủo chỉ ủo lưu lượng trong khoảng thời gian rất ngắn từ 1970 - 1974 mà lại khụng cú số liệu mưa giờ tương ứng nờn ủể cú thể tớnh toỏn biờn ủầu vào lưu lượng cho hai trạm Kiến Giang và Tỏm Lu, tỏc giả ủó sử dụng quan hệ Q~H tại hai trạm thủy văn trờn ủể tớnh toỏn giỏ trị lưu lượng và sử dụng mụ hỡnh NAM tớnh toỏn dũng chảy từ mưa làm biờn ủầu vào cho cỏc lưu vực bộ phận ủúng vai trũ gia nhập khu giữa trong khu vực nghiờn cứu
(hỡnh 3.5).
Hỡnh 3.5: Sơủồ phõn chia lưu vực tớnh toỏn bằng mụ hỡnh NAM
Cơ sở dữ liệu sử dụng trong mạng thủy lực hai chiều là bản ủồ DEM khu vực nghiờn cứu với ủộ phõn giải 30 x 30m. Từ bản ủồ DEM trờn ta trớch ủược trong vựng ngập lũ với diện tớch khoảng 475 km2, số lượng ủiểm cao ủộ là trờn 500.000 ủiểm, cỏc ủiểm cao ủộ này ủó ủược chuẩn húa theo cao ủộ quốc gia VN 2000 với mốc chuẩn tại Hũn Dấu. Ngoài ủịa hỡnh cơ sở dữ liệu ủể chạy MIKE 21 là cỏc số liệu mưa giờ, mực nước giờ và tài liệu trớch lũ tại cỏc trạm khớ tượng thủy văn trờn lưu vực.
Khoanh vựng ngập lũ hạ lưu sụng Nhật lệ: Bằng cỏc tài liệu trong quỏ khứ cũng như phõn tớch ủặc ủiểm ủịa lý tự nhiờn của khu vực nghiờn cứu cú ảnh hưởng ủến quỏ trỡnh gõy ngập ỳng khu vực nghiờn cứu, tỏc giả của luận văn ủó khoanh vựng ủược vựng ngập thường xuyờn hạ lưu sụng Nhật Lệ với diện tớch 475 km2 (hỡnh 3.4).
Chọn lưới tớnh toỏn: ðể cú thể tớnh toỏn, mụ phỏng ủược quỏ trỡnh ngập lụt khu vực hạ lưu sụng Nhật Lệ trờn cơ sở cỏc tài liệu ủịa hỡnh ủó cú, tài liệu khớ tượng thủy văn vựng nghiờn cứu và mức ủộ chớnh xỏc tài liệu sau khi mụ phỏng tỏc giả của luận văn lựa chọn lưới phần tử hữu hạn (FEM) với khoảng cỏch cỏc ụ lưới là từ 200 – 250 m.
Với diện tớch của phần tử lớn nhất là 62.500 m2, gúc nhỏ nhất 30o thỡ vựng ngập lụt ủược rời rạc húa thành 14.604 phần tử với 7.723 nỳt lưới. Với kớch thước ụ lưới ủó chọn ủỏp ứng ủược cỏc yờu cầu về thời gian tớnh toỏn trong mụ hỡnh hai chiều MIKE 21 (hỡnh 3.6)
Hỡnh 3.6: Lưới phần tử hữu hạn dựng trong mụ hỡnh MIKE FLOOD
c. Tiến hành kết nối (Coupling) trong MIKE FLOOD
Sau khi xõy dựng mạng lưới thủy lực trong Mike 11 và Mike 21, chạy thụng cả 2 mạng thủy lực, tiến hành Coupling cả hai mạng thủy lực 1 và 2 chiều trong Mike Flood và cỏc lựa chọn trong Mike Flood ủược thể hiện trong bảng 3.1
Bảng 3.1 Cỏc lựa chọn kết nối trong Mike Flood
Tờn sụng Mụủun
Coupling Loại kết nối Số ụ lưới kết nối trong Mike 21 Kiến Giang HD Bờn 230 Long ðại HD Bờn 27 Nhật Lệ HD Bờn 80 ðập Mỹ Trung HD Cụng trỡnh 6 3.2.2 Hiệu chỉnh và kiểm ủịnh mụ hỡnh
ðể cú thể tiến hành tớnh toỏn, mụ phỏng quỏ trỡnh dũng chảy lũ trờn lưu vực bằng mụ hỡnh thủy văn, thủy lực cần tiến hành cỏc bước hiệu chỉnh và kiểm ủịnh bộ thụng số cho mụ hỡnh tớnh toỏn, bao gồm: mụ hỡnh mưa – dũng chảy NAM và mụ hỡnh kết nối MIKE FLOOD.
a. Mụ hỡnh mưa rào – dũng chảy NAM
Trong khu vực nghiờn cứu, chỉ duy nhất cú trạm thủy văn Kiến Giang cú tài liệu lưu lượng cỏc năm từ 1970-1974, sau ủú trạm chỉ cũn quan trắc mực nước. Mặt khỏc, do hạn chế về số liệu mưa giờ (chỉ thu thập ủược mưa giờ tại trạm ðồng Hới từ năm 1980 ủến nay, trạm Kiến Giang số liệu mưa ngày và 6h ủều khụng ủầy ủủ) nờn trong khuụn khổ luận văn này ủó sử dụng quan hệ Q-H tại trạm Kiến Giang ủể tớnh toỏn lưu lượng từ mực nước cho cỏc
năm cú tài liệu mưa giờ tại trạm ðồng Hới, làm cơ sở cho việc hiệu chỉnh và kiểm ủịnh mụ hỡnh. Dựa trờn tỡnh hỡnh tài liệu ủo ủạc thủy văn cũng như ủể phự hợp với tài liệu ủo ủạc ủịa hỡnh, hai trận lũ năm 1999 và 2000 ủó ủược lựa chọn ủể hiệu chỉnh và kiểm ủịnh mụ hỡnh. Cụ thể:
- Trận lũ từ ngày 10 ủến ngày 16/11/2000 sử dụng cho hiệu chỉnh - Trận lũ từ ngày 1 ủến ngày 10/11/1999 sử dụng cho kiểm ủịnh
Kết quả hiệu chỉnh và kiểm ủịnh mụ hỡnh NAM ủược biểu diễn trong cỏc hỡnh 3.7 và 3.8 và bảng 1, 2 trong phụ lục.
Hỡnh 3.7: Kết quả hiệu chỉnh mụ hỡnh NAM
ðể kiểm tra tớnh chớnh xỏc của kết quả tớnh toỏn, trong nghiờn cứu này sử dụng chỉ tiờu NASH ủể ủỏnh giỏ sai số của mụ hỡnh. Chỉ tiờu NASH ủược xỏc ủịnh theo cụng thức : (3.1) ( )2 2 =∑ i − i o y y F (3.2) ( ) ∑ − = ' 2 2 i i y y F (3.3)
trong ủú : yi : là giỏ trịa thực ủo y’ : là giỏ trị dự bỏo 2 2 2 2 o o F F F R = −
y : là giỏ trị trung bỡnh của số liệu thực ủo
ðỏnh giỏ theo chỉ tiờu NASH ủạt 75,2%. Do vậy bộ thụng số này sau ủú ủược giữ nguyờn và kiểm ủịnh với trận lũ lịch sử trong khu vực nghiờn cứu (hỡnh 3.8) với sai số 72,3% nằm trong phạm vi cho phộp. Do vậy bộ thụng số mụ hỡnh NAM (bảng 3.2) ủược chấp nhận ủể sử dụng tớnh toỏn trong cỏc bước tiếp theo.
Hỡnh 3.8: Kết quả kiểm ủịnh mụ hỡnh NAM Bảng 3.2 Kết quả bộ thụng số mụ hỡnh MIKE-NAM Thụng số NAM Giỏ trị Umax 16,9 Lmax 102 CQOF 0,998 CKIF 434,9 CK1,2 19 TOF 0,904 TIF 0,75 TG 0,471 CKBF 276,5 R2 b. Mụ hỡnh thủy lực
ðể tăng cường ủộ chớnh xỏc cũng như tiết kiệm thời gian tớnh toỏn, mụ hỡnh kết nối 1-2 chiều MIKE FLOOD ủược hiệu chỉnh và kiểm ủịnh với hai trận lũ năm 2000 và 1999 như trờn.
Hiệu chỉnh với trận lũ thỏng 11/2000
Tiến hành hiệu chỉnh mụ hỡnh với số liệu biờn là mực nước tại cỏc trạm Kiến Giang, ðồng Hới trong trận lũ từ ngày 10 – 16/11/2000, kết quả tớnh toỏn so sỏnh với số liệu mực nước trạm Lệ Thủy. Tài liệu mưa giờ tại trạm ðồng Hới kộo dài trong 8 ngày với tổng lượng là 296.9 mm. Số liệu mưa này là ủầu vào cho mụ hỡnh NAM ủể tớnh toỏn cỏc biờn ủầu vào và biờn gia nhập khu giữa cho mụ hỡnh 1 và 2 chiều theo cỏc lưu vực phõn chia trong hỡnh 3.5.
Sau quỏ trỡnh hiệu chỉnh mụ hỡnh bằng phương phỏp thử sai, ủó thu ủược bộ thụng số ủộ nhỏm ủỏy sụng và ủộ nhỏm trờn bói ngập lũ, cỏc kết quả tớnh toỏn từ mụ hỡnh so sỏnh với kết quả thực ủo ủược thể hiện trong hỡnh 3.9 và bảng 3 trong phụ lục
Kết quả ủỏnh giỏ sai số theo chỉ tiờu NASH ta thu ủược R2
= 87,4% kết quả ủỏnh giỏ sai số này thuộc loại tốt cho thấy kết quả mụ phỏng bằng mụ hỡnh cú ủộ chớnh xỏc ủạt yờu cầu, sơ ủồ thuỷ lực với cỏc mặt cắt và cụng trỡnh trờn sụng là hợp lý. Cỏc số liệu về ủịa hỡnh và ủộ nhỏm này sẽ ủược sử dụng ủể kiểm ủịnh trong giai ủoạn tiếp theo.
Kiểm ủịnh mụ hỡnh với trận lũ 11/1999
Quỏ trỡnh kiểm ủịnh mụ hỡnh MIKE - FLOOD ủược tiến hành với quỏ trỡnh mưa lũ từ ngày 1/XI ủến ngày 6/XI/1999. Trận mưa cú tổng lượng là 403,6 mm kộo dài trong 6 ngày liờn tiếp ủó gõy ngập trờn một vựng rộng trong khu vực nghiờn cứu. Số liệu mưa này là ủầu vào của mụ hỡnh NAM ủể tớnh toỏn ủiều kiện biờn và gia nhập khu giữa cho mụ hỡnh MIKE 11và ủược tớnh trực tiếp trong mụ hỡnh MIKE 21 ủối với khu vực nghiờn cứu chi tiết.
Số liệu mực nước tại trạm Lệ Thủy ủược sử dụng ủể kiểm ủịnh mụ hỡnh với mạng thủy lực 1D, kết quả so sỏnh tớnh toỏn và thực ủo ủược thể hiện chi tiết tại hỡnh 3.10 và bảng 4 trong phụ lục. Kết quả ủỏnh giỏ sai số bằng chỉ tiờu NASH ủạt 88,9%
Về nguyờn tắc cần phải hiệu chỉnh và kiểm ủịnh mụ hỡnh ngập lụt cho cả 2 trận lũ trờn ủõy, tuy nhiờn do hạn chế về số liệu ủo ủạc vết lũ cũng như số liệu thống kờ tỡnh hỡnh ngập lụt với cỏc trận lũ khỏc nhau, nờn trong khuụn khổ luận văn này chỉ tiến hành ủỏnh giỏ và kiểm ủịnh bộ thụng số mụ hỡnh với số liệu ngập lụt trận lũ lịch sử 1999.
Kết quả tớnh toỏn bằng mụ hỡnh MIKE FLOOD xuất ra dưới dạng file ASCII, ủược xử lý bằng phần mềm ArcGis 9.1 nhằm xõy dựng cỏc vựng ngập lụt với ủộ sõu ngập khỏc nhau thành cỏc lớp thụng tin (layer) trờn hệ GIS. Từ ủú kết hợp với lớp ranh giới hành chớnh cú sẵn ủể tớnh toỏn diện tớch ngập ứng với cỏc xó, huyện và cho toàn vựng. Cỏc số liệu tớnh toỏn ủược so sỏnh với số liệu thống kờ ngập lụt theo nghiờn cứu của Dự ỏn hỗ trợ quản lý thiờn tai tại Việt Nam do Bộ NN&PTNT và UNDP phối hợp thực hiện năm 2004 [8]. Kết quả trong bảng 3.3 và hỡnh 3.11cho thấy tuy rằng mụ hỡnh tớnh toỏn diện tớch ngập lụt cú thiờn lớn nhưng với sai số NASH=73,6% ủó chứng tỏ mụ hỡnh mụ phỏng tương ủối tốt diện tớch ngập lụt trong trận lũ năm 1999.
Bảng 3.3 Thống kờ diện tớch ngập theo xó lưu vực sụng Nhật Lệ trận lũ 1999 STT Tờn xó Diện ngập TT (ha) Diện ngập thống kờ (ha) [8] 1 Đồng Mỹ 68 45 2 Đồng Phú 382 27 3 Đức Ninh 723 413 4 An Ninh 1497 1458 5 An Thuỷ 2190 2142 6 Cam Thuỷ 403 416 7 Dơng Thuỷ 714 409 8 Duy Ninh 787 745 9 Gia Ninh 861 747 10 Hàm Ninh 1454 942 11 Hải Đình 150 93 12 Hải Thành 172 64 13 Hồng Thuỷ 1424 1188 14 Hiền Ninh 793 648 15 Hng Thuỷ 40 238 16 Hoa Thuỷ 1741 1585 17 Lơng Ninh 681 681 18 Lộc Thuỷ 446 440 19 Liên Thuỷ 733 694 20 Mai Thuỷ 546 388 21 Mỹ Thuỷ 204 337 22 Phú Hải 336 231 23 Phú Thuỷ 1281 924 24 Phong Thuỷ 996 932 25 Sơn Thuỷ 1171 921 26 Tân Ninh 1284 1191 27 Tân Thuỷ 627 833 28 Thanh Thuỷ 685 620 29 TT. Kiến Giang 157 413 30 Vạn Ninh 1314 1307 31 Võ Ninh 592 1251 32 Vĩnh Ninh 1801 1104 33 Xuân Thuỷ 483 444
Do vậy cú thể kết luận rằng bộ thụng số thu ủược ủảm bảo ủủ ủộ chớnh xỏc ủể sử dụng cho cỏc tớnh toỏn diện tớch ngập lụt trong cỏc bước tiếp theo.