5. Bố cục của luận văn
2.2.3Tài liệu hải văn, mực nước triều tại vùng nghiên cứu
Nghê An có 82km bờ biển với 6 cửa sông chính đổ ra biển: Cửa Trạp, Cửa Quèn (Quỳnh Lưu); Cửa Vạn (Diễn Châu) và Cửa Lò, Cửa Hội (Thị xã Cửa Lò). Quỳnh Lưu có 34km bờ biển chiếm 41% chiều dài biển toàn tỉnh
Quỳnh Lưu có chế độ triều là Nhật triều không đều, hàng tháng có 2 lần nước lên xuống trong ngày. Những ngày có 2 lần nước lên và xuống thường vào thời kỳ nước kém, thời gian triều lên thường 10 giờ, thời gian triều rút là 14 giờ theo số liệu bảng thủy triều của khí tượng thủy văn thì năm 2003 triều cao từ +1,80 (độ cao quốc gia) trở lên là 209 ngày. Khi bão vào với cấp gió lớn gặp triều cường thì sinh ra nước dâng do bão, gây thiệt hại khó mà lường hết được. Vùng ven biển là vùng trực tiếp chịu ảnh hưởng các hậu quả của mọi thiên tai: Hạn, úng, lũ, triều tốkhông năm nào tránh khỏi.
Số liệu điều tra nước dâng tại cửa ra sông Hoàng Mai (Cửa Trạp) do bão gây ra:
+ Bão số 2, số 3 năm 1987 mực nước dâng là: 255cm + Bão số 9 năm 1989 mực nước dâng là: 275cm
CHƯƠNG III: XÂY DỰNG VÙNG NGẬP LỤT HẠ DU 3.1 Thiết lập mô hình thủy lực cho hệ thống
3.1.1 Mô tả thủy lực hệ thống
*Vùng tính toán bao gồm:
+Vùng lòng hồ Vực Mấu thuộc lưu vực sông Hoàng Mai, có diện tích lưu vực 215 km2
+ Đoạn sông Hoàng Mai hạ lưu công trình đến của biển dài 20km + Hai bên thềm sông địa hình lấy đến cao trình 26m trở lên
+ Tài liệu thủy văn (đường tần suất lũ PMF với) đường quan hệ Z-F- V của hồ chữa, các thông số thiết kế của một số hạng mục công trình (đập dâng, đập tràn, cống v.v…), các mặt cắt ngang của hạ lưu sông và độ nhám của lòng sông, lựa chọn độ nhám trong lòng dẫn là 0,025, hai bên bờ là 0,03 cho tất cả các mặt cắt. Qúa trình lũ cực hạn được tính từ mưa cựa hạn tần suất PMF có đỉnh lũ 6204 m3/s Bảng 3.1: Đường quan hệ Z-V Cao trình (m) Thểtích(x106m3) Cao trình (m) Thể tích(x106m3) 7.9 0.0 18.0 52.01 10.0 9.67 19.0 59.37 11.0 10.4 20.0 66.74 12.5 11.5 21.0 74.1 13.0 15.18 22.0 76.88 14.0 22.55 23.0 79.66 15.0 29.91 24.0 82.44 16.0 37.28 25.2 85.22 17.0 44.64
Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống
3.1.2 Tài liệu địa hình
+ Mặt cắt dọc, cắt ngang có 61 mặt cắt với bình quân khoảng cách giữa các mặt cắt là 331 m
+ Ngoài các mặt cắt đo được cung cấp, các mặt cắt nội suy được tạo từ nguồn dữ liệu bản đồ số ASTER DEM độ phân giải 30x30m (http://datamirror.scdb.cn) và bản đồ tỉ lệ 1:50000 tỉnh Nghệ An. Qúa trình vỡ đập được thực hiện sử dụng phần mềm Hec-Ras
3.1.3 Các thông số vỡ đập và quá trình vỡ
Việc dự báo báo lưu lượng chảy qua đập khi bị vỡ là rất quan trọng có thể được xác định bằng thực nghiệm và mô hình toán. Thực tế
mô hình toán khi xác định lưu lượng tràn qua khi vỡ đập. Để tính toán dự báo dự báo vỡ đập được sử dụng nhiều nhất là của Froehlich và MacDonald kết hợp với Langride-Monopolis(MDLM)
Cơ chế vỡ đập được mô tả bởi các thông số vỡ đập, chiều rộng vết vỡ B, chiều cao vết vỡ h và thời gian vỡ đập T. Hình dạng vết vỡ có thể được quy định là hình thang, hình chữ nhật, hoặc tam giác. Sự hình thành lỗ vỡ có dạng hình thang với cơ chế hình thành tuyến tính được thông qua với mục đích xây dựng mô hình vỡ đập nguy hiểm nhất, dựa trên giả định rằng lỗ vỡ đập nước thay đổi tuyến tính với thời gian.
Hình 3.1a: Lỗ vỡ đập dạng hình thang
Bảng 3.1a: Các thông số vỡ đập Thông số vỡ đập Phương trình dự đoán MacDonaldvàLangride- Monopolis (MDLM) (1984) Froehlich (1995b) Thời gian hình thành vết vỡ, T(giờ) 0,0179( 364 , 0 ) ER V 0,00254(VW)0,53hb−0,9 Chiều rộng trung bình lỗ vỡ, B (m) - 0,1803K0(VW)0,32hb0,19
Mặt trượt của vết vỡ (s) 0,5 1,4 cho tràn đỉnh, 0,9 cho các trường hợp khác, trung bình 1,0
Trong bảng 3.1a: Ver là khối lượng bị xói lở
Vw: Là lượng nước ở độ cao tại thời điểm lỗ vỡ tương ứng với Hw
Hw: Là độ sâu lớn nhất tại thời điểm vỡ (m) K0: Là hệ số vỡ đập (Ko = 1.3 cho tràn) hb : Là khoảng cách từ đỉnh đập đến lỗ vỡ
Tác giả Tony L. Wahl (USA_1998), xây dựng quan hệ giữa (Dung tích hồ [ ]Vhô - Bề rộng vết vỡ [ ]B , Chiều cao vết vỡ [ ]h - Chiều cao đập
[HĐâp]). Các thông số vỡ đập tính toán cho hồ Vực Mấu được giả định như sau: Bảng 3.1b: Các thông số vỡ đập Kịch bản vỡ đập (KB) Cao trình mực nước ban đầu (m) Cao trình mực nước vỡ đập Vết vỡ ban đầu Giới hạn vết vỡ Zđầu(m) Bđàu(m) Zcuối(m) Bcuối(m) KB2 21 24 25,82 1 16,45 150 KB3 21 24 25,82 1 7,45 150
3.1.4 Biên trên lưu lượng
Với mạng lưới sông tính toán đã được xác định ở trên, biên trên của mô hình thủy lực là quá trình lưu lượng theo thời gian Q=f(t) mà lưu lượng chảy đến hồ diễn biến thay đổi theo thời gian bắt đầu từ 4/10/2007 thay đổi đến 6/10/2007 như hình 3.2
Hình 3.2: Biên lưu lượng nước về hồ chứa
3.1.5 Biên dưới mực nước Biển
Lấy độ cao trung bình mực nước Biển coi như vỡ đập như điều kiện bình thường. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.2 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình
Để có thể tiến hành tính toán, cần tiến hành các bước hiệu chỉnh và kiểm định bộ thông số cho mô hình tính toán. Với mô hình thủy lực, thông số quan trọng cần hiệu chỉnh là hệ số nhám của lòng dẫn. Trong trường hợp có xét đến dòng chảy cả 2 bên thềm sông thì cần hiệu chỉnh cả hệ số nhám của thềm sông. Về nguyên tắc cần phải hiệu chỉnh và kiểm định mô hình ngập lụt cho một số trận lũ gây ngập, tuy nhiên, do
trong vùng nghiên cứu, sau khi Hồ Vực Mấu được xây dựng năm 1978 thì hầu hết các con lũ đến lưu vực đều được hồ chứa cắt lũ nên chưa có xảy ra ngập lụt do lũ tự nhiên. Hơn nữa, do hạn chế về số liệu đo đạc vết lũ cũng như số liệu thống kê tình hình ngập lụt với các trận lũ khác nhau, nên trong khuôn khổ luận văn này chỉ tiến hành hiệu chỉnh bộ thông số mô hình với trường hợp xả nước trên đầu mối (bao gồm xả qua cống lấy nước và/hoặc qua đập tràn). Các bước tiến hành như sau:
- Thiết lập mô hình HECRAS
- Chạy mô hình HECRAS với 5 cấp lưu lượng xả đầu mối (Qi=5, 10, 20, 30, 50 m3/s). Do ít số liệu, nên luận văn dùng 3 cấp lưu lượng đầu cho hiệu chỉnh và 2 cấp lưu lượng cuối cho kiểm định mô hình.
- Tính được kết quả mực nước ứng tại cầu Hoàng Mai với 5 cấp lưu lượng xả.
- Vẽ quan hệ lưu lượng xả đầu mối (tính toán) với mực nước ứng tại cầu Hoàng Mai (tính toán)
- Vẽ quan hệ lưu lượng xả đầu mối (thực đo) với mực nước ứng tại cầu Hoàng Mai (thực đo) trên cùng 1 biểu đồ (Hình 3.2a).
- Đánh giá kết quả mô hình dựa vào chỉ số NASH.
- Sau khi hiệu chỉnh mô hình, bằng phương pháp thử sai, thu được bộ số nhám của mô hình. Kết quả được tóm tắt trong Bảng 3.1a.
3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 0 20 40 60 80 100 120 MỰ C NƯ ỚC - CẦ U HO ÀN G MA I ( M) LƯU LƯỢNG (M3/S)
Quan hệ lưu lượng xả lũ và MN (cầu Hoàng Mai)
Thực đo (cầu Hoàng Mai) Tính toán
Log. (Thực đo (cầu Hoàng Mai))
Hình3.2a: Quan hệ Mực nước tại cầu Hoàng Mai và Lưu lượng đầu mối
Bảng 3.1c: Mực nước tại cầu Hoàng Mai và Lưu lượng đầu mối
Thực đo Tính toán
Thời gian đo
MN (m) Lưu lượng (m3/s) MN (m) Lưu lượng (m3/s) 12/2006 4,20 5 4,10 5 1/2007 4,25 10 4,34 10 3/2007 4,65 20 4,57 20 3/2007 4,72 30 4,68 30 4/2007 4,90 50 4,83 50 4/2007 4,97 75 3.3 Kịch bản mô phỏng
Kích thước vỡ cuối cùng và thời gian vỡ là những tham số quan trọng ảnh hưởng đến quá trình tạo lũ xuống vùng hạ lưu. Những kinh nghiệm trong quá khứ chỉ ra rằng thời gian bắt đầu vỡ đập đến kích thước vỡ cuối cùng là từ 15 phút đến 5 giờ.
Xem xét điều kiện thực tế, tháng 10 hàng năm vùng nghiên cứu thường chịu ảnh hưởng của những cơn bão nhiệt đới. Những cơn bão nhiệt đới này thường gây ra những trận mưa cục bộ với lượng mưa lớn và có thể là một nguyên nhân gây ra vỡ đập. Giả thiết hiện tượng vỡ đập xảy ra khi hồ chứa đang tích nước cắt lũ, vì vậy trong tất cả các kịch bản vỡ đập mực nước ban đầu của hồ chứa là 21 m mực nước bắt đầu vỡ là 24 m.
Trong bài luận văn này. Để nghiên cứu tác động của vỡ đập như đã xây dựng ở trên, cũng như các sự kiện lũ tần suất, ba kịch bản được xem xét như dưới đây
a. Kịch bản 1: Không có đập: Trong trường hợp này chỉ xem xét đường lũ cực hạn tần suất 0,01 % và không xem xét bất kỳ một công trình nào.
Kết quả như sau:
Bảng 3.2 Diện tích và độ sâu ngập khu vực nghiên cứu
TT Độ Ngập (m) Diện tích ngập (m2) 1 4-5 1250,972 2 5-6 2991,823 3 6-7 2948,17 4 7-8 3411,75 5 8-9 2135,87 6 9-10 1760,22 7 10-11 2239,3 8 11-12 2027,42 9 >12 895,20
Dưới kịch bản này, việc phân tích vỡ đập sử dụng đường lũ cực hạn tần suất 0,01 % và coi rằng miệng vỡ nhỏ, miệng vỡ rộng 150m và sâu 9,4m.
Kết quả như sau:
Bảng 3.3: Diện tích và độ sâu ngập khu vực nghiên cứu
TT Độ Ngập (m) Diện tích ngập (m2) 1 4-5 3224,2 2 5-6 7037,2 3 6-7 6975,02 4 7-8 8047,80 5 8-9 10262,80 6 9-10 5753,10 7 10-11 6880,60 8 11-12 5420,56 9 >12 4900,35 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Dưới kịch bản này, việc phân tích vỡ đập sử dụng đường lũ cực hạn tần suất 0,01% và coi rằng miệng vỡ rộng, miệng vỡ rộng 150m và sâu 18,4 m.
Bảng 3.4: Diện tích và độ sâu ngập khu vực nghiên cứu
TT Độ Ngập (m) Diện tích ngập (m2) 1 4-5 1115,10 2 5-6 2383,80 3 6-7 4864,02 4 7-8 3447,93 5 8-9 3025,20 6 9-10 2976,0 7 10-11 3364,90 8 11-12 954,69 9 >12 2026,35
Điển hình: Một số mặt cắt có mực nước lớn nhất với (KB3) vỡ đập lớn nhất 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 5 10 15 20 25 30 35 Station (m) E le v at ion ( m ) Legend EG Max WS Crit Max WS WS Max WS Ground Bank Sta .03 .025 .03 Hình 3.6: Mặt cắt 18173 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 0 10 20 30 40 50 60 70
vucm au_final_cross_m odify_1 Plan: pl_geovm 2_(1_)_largebreach_Q m 4130 5/15/2014
Station (m) E le v at ion ( m ) Legend EG Max WS WS Max WS Ground Bank Sta .03 . 0 2 5 .03 Hình 3.7: Mặt cắt 13156
0 2000 4000 6000 8000 10000 0 5 10 15 20 25 30 35
vucm au_final_cross_m odify_1 Plan: pl_geovm 2_(1_)_largebreach_Q m 4130 5/15/2014 Station (m) E le v at ion ( m ) Legend EG Max WS WS Max WS Ground Bank Sta .03 .025 .03 Hình 3.8: Mặt cắt 2541 0 500 1000 1500 2000 0 5 10 15 20 25 30
vucm au_final_cross_m odify_1 Plan: pl_geovm 2_(1_)_largebreach_Q m 4130 5/15/2014 Station (m) E le v at ion ( m ) Legend EG Max WS WS Max WS Crit Max WS Ground Bank Sta .03 .025 .03 Hình 3.9: Mặt cắt 1
d. Cao trình, vận tốc, lưu lượng của 3 kịch bản
Kết quả về sự thay đổi mực nước của 3 kịch bản được thể hiện ở hình 3.10, thông qua tính toán trung bình mực nước ở kịch bản 2 cao hơn so với kịch bản 1 là 0,67 m, trung bình mực nước ở kịch bản 3 (KB 3) cao hơn so kịch bản 1(KB 1) là 1,40 m, chênh lệch độ ngập lớn nhất giữa KB2 và KB1 và giữa KB3 và KB1(tính từ đập trở xuống hạ lưu) lần lượt là 1,31 và 2,36 mét ở vị trí mặt cắt 18986 (tức cách đập 514 m) .
Hình 3.10: Đường mặt nước sau khi mô phỏng cho 3 kịch bản khác nhau (I-III)
Hình 3.11 thể hiện đường quá trình mực nước và lưu lượng cho ba mặt cắt điển hình từ đập xuống hạ lưu. Mặt cắt 19517 đại diện cho quá trình lưu lượng và mực nước ở đập, mặt cắt 8727 đại diện cho vùng trung lưu của sông Hoàng Mai, mặt cắt 1 đại diện cho vùng hạ lưu của sông Hoàng Mai. Thông qua hình vẽ có thể thấy được dưới tác động của độ nhám và độ rộng của bờ sông càng xuống dưới hạ lưu lưu lượng lớn nhất có xu hướng giảm dần, sự chênh lệch lưu lượng lớn nhất giữa các KB là đáng kể, đặc biệt là đối với 2 kịch bản vỡ đập, đường lưu lượng
nhọn, quá trình lũ lên nhanh hơn so với KB1, từ lúc lũ lên đến lúc lũ xuống (lưu lượng lớn hơn 1000 m3/s) chỉ diễn ra trong vòng 16 giờ, ở KB1 là 22,5 giờ. Ở mặt cắt 19517, lưu lượng lớn nhất của KB1 là 4130 m3/s, của KB2 là 7700 m3/s, của KB3 là 11900 m3/s. Ở mặt cắt 8727, lưu lượng lớn nhất của KB1 là 3940 m3/s, ở KB2 là 6490 m3/s, ở KB3 là 10600 m3/s. Ở mặt cắt 1, lưu lượng lớn nhất của KB1 là 3500 m3/s, ở KB2 là 4700 m3/s, ở KB3 là 6450 m3/s.
Bảng 3.5 thể hiện kết quả mô phỏng cho 2 kịch bản vỡ đập với thời gian từ lúc vỡ đập đến lúc vận tốc, lưu lượng và độ sâu đạt giá trị lớn nhất. Từ kết quả cho thấy cũng giống như quá trình lũ bình thường thời gian để xuất hiện các giá trị cực đại lần lượt là vận tốc, lưu lượng và độ sâu. Miệng vỡ càng lớn thời gian đạt các giá trị cực đại càng ngắn, thời gian đạt lưu lượng lớn nhất dao dộng từ 257 – 542 phút đối với KB2 và từ 237 – 418đối với KB3, thời gian đạt độ sâu lớn nhất dao động từ 257- 545 phút đối với KB2 và từ 239-422 phút đối với KB3. Lưu lượng và độ sâu lớn nhất đều có xu hướng giảm dần khi càng về dưới hạ lưu. Đối với vận tốc, vận tốc cực đại ở mặt cắt 8727 tương đối nhỏ , chỉ đạt 2,35 m/s đối với KB2 và 3,2 m/s đối với KB3, lí do là mặt cắt này thuộc đoạn uốn khúc của dòng sông do đó vận tốc bị giảm đáng kể.
3.4 Đánh giá của vùng ngập lụt
Để xây dựng được không gian ngập lụt đối với từng kịch bản tác giả sử dụng phần mềm Arcgis 9.2 với sự tích hợp của bộ công cụ HEC- GeoRas. Các dữ liệu của từng kịch bản được xuất từ HEC-RAS, sau đó thông qua bộ công cụ HEC-GeoRas dùng ArcGis 9.2 đọc. Để xây dựng bản đồ ngập lụt theo độ sâu cũng như bản đồ phân bố vận tốc dòng chảy, dữ liệu địa hình dưới dạng TIN (Triangulation Irregular Network) được
tạo thông qua dữ liệu DEM và bình đồ của khu vực, kết quả 3 KB ở trên. Từ bản đồ ngập lụt có thể thấy, diện tích ngập lụt của kịch bản 1 đến kịch bản 3 lần lượt là 2585 ha, 2913 ha và 3123 ha. Những khu vực ngập nặng bao gồm phần thượng lưu sông, phần bờ trái của vùng trung lưu sông, một khu vực nhỏ ở bờ phải của vùng trung lưu sông và bờ trái gần cửa biển, những nơi này có độ sâu ngập từ 3-4 m, có nơi lớn hơn 4 m. Đối với sự phân bố vận tốc dòng chảy, ngoài lòng sông là nơi có vân tốc lớn ra, bờ trái phần trung lưu cũng là nơi có vân tốc lớn. Kết quả mô phỏng cho thấy đối với KB1 vân tốc cực đại đạt 5,169 m/s, đối với KB2 vận tốc cực đại đạt 5,919 m/s, đối với KB3 vận tốc cực đại đạt 7,203 m/s.
Hình 3.11: Đường quá trình mực nước và lưu lượng cho các mặt cắt 1, 8727, 19517 với các kịch bản : I là kịch bản số 1, II là kịch bản số 2, III