Mike Flood là một hệ thống mô hình thủy lực kết nối giữa mô hình một chiều Mike Urban, Mike 11 và mô hình 2 chiều Mike 21 lưới chữ nhật hoặc Mike 21 FM lưới phi cấu trúc.
Những đặc điểm nổi bật của Mike Flood:
- Bảo toàn động lượng qua các link liên kết.
- Liên kết bên, cho phép mô phỏng dòng chảy tràn từ sông vào các bãi tràn. - Có mô phỏng các công trình thủy lực
- Công trình liên kết mô phỏng dưới dạng ẩn.
- Mô phỏng các lỗ cống nơi kết nối giữa hệ thống cống, kênh tiêu với dòng chảy tràn trên mặt.
- Có sự kết nối với GIS.
- Các liên kết giữa mô hình 1 chiều và 2 chiều theo mọi hướng. - Có các công cụ cho phép nhập và xem kết quả một cách dễ dàng. - Có đầy đủ tài liệu hướng dẫn sử dụng với hệ thống trợ giúp trực tiếp.
Có nhiều lợi ích trong sử dụng mô hình Mike Flood và nhiều ứng dụng được cải thiện qua việc sử dụng nó, bao gồm:
+ Ứng dụng mô phỏng lũ tràn + Nghiên cứu sóng dâng do bão + Tiêu thoát nước đô thị
+ Vỡđập
+ Thiết kế các công trình thủy lực
+ Ứng dụng cho vùng cửa sông rộng lớn.
Mô hình Mike Flood là sự kết hợp giữa những đặc điểm tốt nhất của mô hình 1 chiều và mô hình 2 chiều. Những khó khăn của mô hình 1 chiều trong mô phỏng dòng chảy tràn bãi và vùng cửa sông, ven biển được mô phỏng tốt trong mô hình 2 chiều. Việc mô phỏng các công trình và vận hành công trình chưa được mô phỏng rõ ràng trong mô hình thủy lực 2 chiều thì trong mô hình 1 chiều hoàn toàn mô phỏng tốt.
CHƯƠNG 3 : HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH CÁC MÔ HÌNH PHỤC VỤ TÍNH TOÁN NGẬP LỤT KHU VỰC NGHIÊN CỨU 3.1. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE NAM
Nhưđã trình bày ở phần trên, lưu vực sông Trà Bồng không có trạm đo lưu lượng vì thế việc hiệu chỉnh mô hình thủy văn để tìm ra bộ thông số lưu vực là hết sức khó khăn. Trong trường hợp này tác giả sử dụng phương pháp lưu vực tương tự, mục đích của phương pháp là tìm ra bộ thông số của lưu vực tương tự rồi từđó hiệu chỉnh lại bộ thông số này cho thích hợp với lưu vực nghiên cứu. Trong đó lưu vực tương tự được chọn là An Chỉ có diện tích khoảng 864 km2. Lưu vực nằm gần lưu vực sông Trà Bồng và thoả mãn các điều kiện tương tự về diện tích, đặc điểm về khí hậu, địa hình với lưu vực nghiên cứu.
An chỉ là trạm thủy văn đặt trên sông Vệ, có diện tích khống chế khoảng 864 Km2. Để xác định thông số của lưu vực trong mô hình MIKE NAM tác giả sử dụng 3 trạm đo mưa nằm trong và ngoài lưu vực bao gồm trạm An Chỉ, Ba Tơ, Giá Vực. Số liệu mưa giờ năm 1999, 2003 của ba trạm và số liệu lũ giờ năm 1999, 2003 của trạm An Chỉ được dùng để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình. Do số liệu đo đạc mưa giờ hiện nay không có nhiều chỉ có một số trạm mới có mưa tự ghi, trong lưu vực sông Trà Khúc có hai trạm Ba Tơ và Quảng Ngãi có đo mưa giờ vì vậy phải thu phóng mưa của trạm An Chỉ và trạm Giá Vực theo mô hình mưa Ba Tơ.
Bảng 3.1 :Một số thông tin ứng dụng mô hình MIKE NAM cho trạm An Chỉ
Trạm mưa An Chỉ Ba Tơ Giá Vực Trọng số mưa 0.118 0.615 0.268 Trạm kiểm tra lưu lượng An Chỉ Thời gian hiệu chỉnh 1/11/1999 – 31/12/1999 Thời gian kiểm định 01/9/2003 – 30/10/2003 Bước tính toán 1 giờ
Thời gian hiệu chỉnh mô hình từ ngày 1/11/1999 đến ngày 31/12/1999 và thời gian kiểm định từ ngày 01/09/2003 đến ngày 30/10/2003, bước thời gian tính toán là 1 giờ. Trong mô hình MIKE NAM mưa bình quân được tính theo phương
pháp Theissen, kết quả dòng chảy tính toán được so sánh với số liệu thực đo tại An Chỉ theo chỉ tiêu NASH [1], công thức như sau:
∑∑ − − − = 2 2 ) ( ) ( 1 ) ( Qobsaver Qobs Qobs Qcal EI NASH (3-1) Trong đó : cal Q : Lưu lượng lũ tính toán. obs Q : Lưu lượng lũ thực đo. Qobsaver : Lưu lượng lũ bình quân.
Ngoài ra, có thể sử dụng các chỉ tiêu khác để đánh giá mức độ chính xác như : Sai số vềđỉnh lũ, sai số về tổng lượng, sai số thời gian xuất hiện đỉnh, hệ số tương quan...
Hình 3.1 : Tính đa giác Thiessen cho lưu vực An Chỉ
Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE NAM: (Thể hiện ở hình vẽ bên dưới) cho ta thấy giữa đường quá trình lũ tính toán và thực đo là khá phù hợp. Hệ số NASH tính toán được lần lượt là 0.85, 0.78 và hệ số tương quan cho từng năm đều cao, ngoài ra các chỉ tiêu khác cũng cho kết quả hợp lý. Kết quảđánh giá chất lượng hiệu chỉnh, kiểm định mô hình thể hiện trong bảng 3.2 và 3.3.
Hình 3.2: Quá trình lũ thực đo và tính toán lũ năm 1999 khi hiệu chỉnh mô hình
Bảng 3.2: Thống kê kết quảđánh giá sai số trận lũ hiệu chỉnh mô hình năm 1999 trạm An Chỉ.
Các yếu tố Tính toán Thực đo
Q max(m3/s) 3543.6 3480
Thời gian xuất hiện đỉnh (Peak time) 5/12/1999
1:00PM
5/12/1999 1:00PM
Sai sốđỉnh lũ(Peak error) 0.018
Sai số về tổng lượng ( Volume error) 0.26
Hệ số NASH (Efficency index) 0.85
Hệ số tương quan (Correlation
Hình 3.3: Quá trình lũ thực đo và tính toán lũ năm 2003 khi kiểm định mô hình
Bảng 3.3: Thống kê kết quảđánh giá sai số trận lũ kiểm định mô hình năm 2003 trạm An Chỉ
Các yếu tố Tính toán Thực đo
Q max(m3/s) 2804.5 3020
Thời gian xuất hiện đỉnh (Peak time) 17/10/2003 4:00PM 17/10/2003 6:00PM
Sai sốđỉnh lũ(Peak error) -0.071
Sai số về tổng lượng ( Volume error) 0.35
Hệ số NASH (Efficency index) 0.78
Hệ số tương quan (Correlation
coeficient) 0.9
Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình đạt loại tốt, với hệ số NASH đạt trên 0.78. Đường quá trình thể hiện lưu lượng tính toán và thực đo có sựđồng dạng nhau về đỉnh, quá trình lũ và thời gian xuất hiện. Ngoài ra, hệ số tương quan đạt trên 0.9, như vậy bộ thông số lưu vực mô hình MIKE NAM trạm An Chỉ hoàn toàn có thểứng dụng cho mô phỏng quá trình dòng chảy từ mưa trên lưu vực An Chỉ và các lưu vực tương tự.
Bộ thông số của mô hình:
Các thông số sau khi hiệu chỉnh và kiểm định của mô hình MIKE NAM thống kê bảng sau:
Bảng 3.4: Bộ thông số mô hình MIKE NAM lưu vực An Chỉ
Thông số
Kết quả hiệu chỉnh
Ý nghĩa thông số
Lmax 100 Lượng nước tối đa trong bể chứa tầng rễ cây.
Umax 10 Lượng nước tối đa trong bể chứa mặt.
CQOF 0.75 Hệ số dòng chảy mặt quy quyết định sự phân phối của mưa hiệu quả cho dòng chảy ngầm và thấm.
TOF 0.9 Giá trị ngưỡng của dòng chảy mặt. Dòng chảy mặt chỉ hình thành khi lượng ẩm tương đối của đất ở tầng rễ cây lớn hơn TOF.
TIF 0.6 Giá trị ngưỡng của dòng chảy sát mặt. Dòng chảy sát mặt chỉ hình thành khi lượng ẩm tương đối của đất ở tầng rễ cây lớn hơn TIF.
TG 0.9 Giá trị ngưỡng của lượng nước bổ sung của dòng chảy ngầm. Lượng nước bổ sung cho bể chứa ngầm chỉ hình thành khi lượng ẩm tương đối của đất ở tầng rễ cây lớn hơn TG.
CKIF 700 Hằng số thời gian của dòng chảy sát mặt CKIF cùng với Umax quyết định dòng chảy sát mặt.
CK1,2 40 Hằng số thời gian cho diễn toán dòng chảy mặt và sát mặt. Dòng chảy mặt và sát mặt được diễn toán theo các bể chứa tuyến tính theo chuỗi với cùng một hằng số thời gian CK1,2.
3.2. Tính toán biên đầu vào cho mô hình thủy lực
3.2.1 Biên trên lưu lượng
Sau khi xác định được bộ thông số của lưu vực tương tự An Chỉ, tác giả tiến hành hiệu chỉnh các thông số nhạy nhất để tìm ra được bộ thông số hợp lý cho lưu vực Trà Bồng. Thông số nhạy trong mô hình thủy văn gồm CQOF : hệ số dòng chảy mặt quy định sự phân phối của mưa hiệu quả; CK1,2 :hằng số thời gian cho diễn toán dòng chảy mặt và sát mặt, dòng chảy mặt và sát mặt được diễn toán theo các bể chứa tuyến tính theo chuỗi thời gian với cùng một hằng số thời gian.
Cuối cùng, mô hình MIKE NAM sẽđược áp dụng để tính cho hai trận lũ lớn nhất trong năm 2003 và 2009 xảy ra trên lưu vực sông Trà Bồng. Diện tích khống chếđến tính đến vị trí đầu tiên có đo đạc mặt cắt khoảng 498 km2 như hình vẽ dưới đây:
Hình 3.4 : Sơđồ phân chia các lưu vực bộ phận sông Trà Bồng
Trận lũ năm 2003 : xảy ra từ ngày 16/10/2003 đến ngày 22/10/2003 , có lưu lượng đỉnh khoảng hơn 2150 (m3/s), thời gian xuất hiện đỉnh vào lúc 20:00 h ngày 17/10/2003.
Hình 3.5: Quá trình trận lũ năm 2003 lưu vực Trà Bồng
Trận lũ năm 2009 : xảy ra từ ngày 28/9/2009 đến ngày 1/10/2009 , có lưu lượng đỉnh khoảng 5000 (m3/s), thời gian xuất hiện đỉnh vào lúc 15:00 h ngày 29/9/2003.
Hình 3.6: Quá trình trận lũ năm 2009 lưu vực Trà Bồng
Trận lũ tần suất 4%: theo 22TCN 220 – 95 của Bộ giao thông Vận tải về tính toán các đặc trưng dòng chảy lũ, kế thừa từ dự án nâng cấp QL1A của công ty TEDI. Từ số liệu đo mưa của trạm Trà Bồng và trạm Quảng Ngãi trong nhiều năm, tiến hành xác định lượng mưa ứng với tần suất 4% sinh ra trên lưu vực, mô hình phân phối mưa được chọn theo trận mưa điển hình tại trạm Quảng Ngãi, kết hợp với mô hình thủy văn đã xây dựng xác định được quá trình lũ thiết kế tần suất 4% có
lưu lượng đỉnh hơn 5800 m3/s với thời gian xuất hiện đỉnh vào lúc 23h00, kết quả như hình vẽ sau.
Hình 3.7: Quá trình trận lũ tần suất 4% lưu vực sông Trà Bồng
3.2.2 Biên dưới mực nước
Do khu vực cửa sông Trà Bồng không có trạm đo mực nước triều nên trong luận văn này tác giả sử dụng số liệu mực nước triều tại trạm Cổ Luỹ trên sông Trà Khúc được tính thông qua tương quan giữa triều trạm Quy Nhơn và Cổ Luỹ (do trạm Cổ Luỹ là trạm dùng riêng nên việc thu thập số liệu rất khó khăn). Trong đó phương trình tương quan được tham khảo từ đề tài “Nghiên cứu qui hoạch phòng chống và tiêu thoát lũ sông Trà Khúc – Vệ”, Viện Khoa học thuỷ lợi Việt Nam năm 2010. Phương trình tương quan này được xây dựng trong thời gian có số liệu từ ngày 11-21/XI/2001 như sau:
Hình 3.8: Quá trình triều trạm Cổ Luỹ trận lũ thasng10/2003
3.3 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực một chiều MIKE11
3.3.1 Số hoá mạng lưới sông trong mô hình
Trong phần này tiến hành số hóa mạng lưới sông Trà Bồng, có tất cả 538 điểm số hoá được tạo với tổng chiều dài hơn 23 Km, từ thượng lưu ra đến khu vực cửa biển cho 3 nhánh sông gồm 1 nhánh chính và 2 nhánh phụ. Dựa trên nguồn tài liệu thu thập được có tất cả 62 mặt cắt đã được đưa vào mô hình. Bảng thống kê như sau:
Bảng 3.5: Bảng thống kê các mặt cắt trên sông Trà Bồng
Tên sông Số mặt cắt Chiều dài Ghi chú
Trà Bồng 49 23,3 Km Dòng chính
Nhánh số 1 5 3,5 Km Phụ lưu bên phải
Nhánh số 2 8 5,2 Km Phụ lưu bên trái
Bảng 3.6: Thông số các mặt cắt sông mô phỏng trong mô hình Mike 11
TT Tên MC Chainage Z bờ trái (m) Z bờ phải (m) Hệ số nhám (n)
1 Mc1 0 8.04 6.12 0.035333 2 Mc2 280 7.14 7.04 0.035333 3 Mc3 543 4.69 5.94 0.035333 4 Mc4 893 7.49 5.44 0.035333 5 Mc5 1204 5.94 6.37 0.035333 6 Mc6 1494 6.57 5.17 0.035333 7 Mc7 1719 4.79 6.08 0.035333 8 Mc8 2119 7.16 5.94 0.035333 9 Mc9 2449 6.1 5.61 0.035333 10 Mc10 2699 6.38 6.43 0.035333 11 Mc11 2979 4.5 6.7 0.035333 12 Mc12 3319 6.5 5.08 0.035333 13 Mc13 3719 4.87 6.33 0.035333 14 Mc14 4104 6.52 4.93 0.035333 15 Mc15 4459 6.91 6.47 0.035333 16 Mc16 4724 5.32 6.17 0.035333 17 Mc17 5018 4.91 6.05 0.035333 18 Mc18 5293 5.99 4.23 0.033333 19 Mc19 5458 5.75 3.28 0.033333 20 Mc20 5713 4.19 4.87 0.033333 21 Mc21 6025 9.21 10.28 0.033333 22 Mc22 6425 6.15 6.15 0.033333 23 Mc23 6690 7.16 7.13 0.033333 24 Mc24 7090 5.82 5.16 0.033333 25 Mc25 7390 5.91 4.15 0.033333 26 Mc26 7690 5.28 4.26 0.033333 27 Mc27 8040 7.52 4.51 0.033333 28 Mc28 8325 3.42 4.03 0.032333 29 Mc29 8575 4.29 3.85 0.032333 30 Mc30 8975 5.18 3.66 0.032333 31 Mc31 9375 3.87 4.92 0.032333
TT Tên MC Chainage Z bờ trái (m) Z bờ phải (m) Hệ số nhám (n) 32 Mc32 9665 3.34 3.31 0.032333 33 Mc33 10100 2.83 1.85 0.032333 34 Mc34 10500 5.29 2.83 0.032333 35 Mc35 10683 3.49 4.04 0.032333 36 Mc36 10951 2.37 13.41 0.032333 37 Mc37 11196 6.45 5.33 0.032333 38 Mc38 11426 4.73 3.59 0.023333 39 Mc39 11739 3.47 3.68 0.025333 40 Đường sắt 11839 7.35 7.74 0.025333 41 Mc41 12074 4.64 3.15 0.025333 42 Quốc lộ 12343 4.47 3.29 0.025333 43 Bs1 12639 5.49 4.99 0.025333 44 Bs2 12919 4.62 4.02 0.025333 45 Bs3 14449 5.17 4.52 0.025333 46 Bs4 15929 5.7 5.02 0.023333 47 Mc47 17429 6.27 5.52 0.023333 48 Mc48 18919 1.45 4.05 0.023333 49 Mc49 19319 0.89 0.47 0.023333 50 Mc50 19699 0.77 0.81 0.023333 51 Mc51 19919 0.9 1.02 0.023333 52 Mc52 20219 -0.6 0.97 0.023333 53 Mc53 20519 1.57 0.97 0.023333 54 CauTraBong 20869 0.68 1.67 0.023333 55 Mc55 21219 2.75 1.3 0.023333 56 Mc56 21539 4.21 3.72 0.023333 57 Mc57 21789 1.92 0.9 0.023333 58 Mc58 22019 1.4 1.6 0.023333 59 Mc59 22274 1.42 0.82 0.023333 60 Mc60 22634 2.13 2.5 0.023333 61 Mc61 22824 1.96 2.05 0.023333 62 Mc62 23259 1.93 3.57 0.023333
Lắp đặt hệ thống cống tiêu thoát qua đường quốc lộ 1A và đường sắt Bắc – Nam. Dựa trên số liệu khảo sát và thu thập tại công ty tư vấn giao thông TEDI, tác giả tiến hành lắp đặt hệ thống cống tiêu thoát nước trên các tuyến đường. Hệ thống cống bao gồm các loại cống tròn, cống hộp 1 khoang hoặc nhiều khoang. Hệ thống cống được mô tả trong MIKE11 như sau:
Ghi chú:
:Công trình cống hộp tiêu nước
: Công trình cống tròn tiêu nước
: Mặt cắt đường giao thông
3.3.2 Hiệu chỉnh mô hình
Nguyên tắc hiệu chỉnh mô hình là thay đổi để tìm ra bộ thông số nhám hợp lí cho vùng nghiên cứu sao cho kết quả tính toán mô phỏng từ mô hình gần nhất với số liệu thực đo tại các trạm đo [1]. Trận lũđược dùng để hiệu chỉnh mô hình là trận lũ xảy ra vào ngày 16/10/2003 đến ngày 21/10/2003, có lưu lượng đỉnh khoảng hơn 2100 (m3/s), thời gian xuất hiện đỉnh vào lúc 23:00 h ngày 17/10/2003.
Trận lũ này được chọn làm biên trên cho mô hình thủy lực, biên dưới là quá trình triều tại cửa biển có cùng thời gian xảy ra với trận lũ. Trạm đo mực nước Châu Ổ được chọn làm trạm kiểm tra bộ thông số của mô hình, kết quả tính toán được trình bày bằng ảnh dưới đây:
Hình 3.12: Quá trình mực nước thực đo và tính toán trạm Châu Ổ năm 2003
Nhận xét : Đường quá trình mực nước thực đo và tính toán có sự sai khác nhau về hình dạng. Nguyên nhân của sự sai khác đó là do quá trình lũ sinh ra trên lưu vực sông Trà Bồng được tính thông qua mô hình mưa dòng chảy, số liệu mưa sử dụng của trạm khí tượng Trà Bồng và mô hình phân phối mưa của trạm Quảng Ngãi ( do trạm Trà Bồng không đo đạc mưa giờ) điều này làm cho mô hình lũ bị sai