Khóa luận tốt nghiệp " MÔ PHỎNG LŨ BẰNG MÔ HÌNH SÓNG ĐỘNG HỌC (KW1D) TRÊN LƯU VỰC SÔNG BẾN HẢI – TRẠM GIA VÒNG "

Chia sẻ: Phạm Huy | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:60

Thêm vào BST

Báo xấu

93
lượt xem 14
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Miền Trung là nơi hứng chịu nhiều thiên tai lũ lụt vào loại bậc nhất ở nước ta. Đã có nhiều công trình nghiên cứu giải quyết vấn đề này nhằm góp phần làm giảm nhẹ những hậu quả do thiên tai lũ lụt gây ra. Hướng tích cực nhất là nâng cao hiệu quả của công tác cảnh báo và dự báo lũ, từ đó đưa ra những biện pháp thích hợp để phòng, tránh. Ngày nay một trong những hướng mới trong nghiên cứu thủy văn ở nước ta là sử dụng mô hình toán phục vụ công...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp " MÔ PHỎNG LŨ BẰNG MÔ HÌNH SÓNG ĐỘNG HỌC (KW1D) TRÊN LƯU VỰC SÔNG BẾN HẢI – TRẠM GIA VÒNG "

‘ ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN và HẢI DƯƠNG HỌC Tạ Thị Quỳnh Mai MÔ PHỎNG LŨ BẰNG MÔ HÌNH SÓNG ĐỘNG HỌC (KW1D) TRÊN LƯU VỰC SÔNG BẾN HẢI – TRẠM GIA VÒNG Khóa luận tốt nghiệp đại học hệ chính quy chất lượng cao Ngành Thủy văn học Hà Nội - 2013
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN và HẢI DƯƠNG HỌC Tạ Thị Quỳnh Mai MÔ PHỎNG LŨ BẰNG MÔ HÌNH SÓNG ĐỘNG HỌC (KW1D) TRÊN LƯU VỰC SÔNG BẾN HẢI – TRẠM GIA VÒNG Khóa luận tốt nghiệp đại học hệ chính quy chất lượng cao Ngành Thủy văn học Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thanh Sơn ThS. Ngô Chí Tuấn Hà Nội - 2013
Lời cảm ơn Khóa luận tốt nghiệp được hoàn thành tại Bộ môn Thủy văn, Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Em xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô đã nhiệt tình truyền đạt kiến thức trong suốt quá trình học tập, đặc biệt là các thầy Nguyễn Thanh Sơn, Ngô Chí Tuấn đã tận tình và hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện khóa luận này. Sinh viên Tạ Thị Quỳnh Mai
MỤC LỤC MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 Chương 1. ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN LƯU VỰC SÔNG BẾN HẢI – TRẠM GIA VÒNG ...................................................................................................2 1.1.VỊ TRÍ ĐỊA LÝ .................................................................................................2 1.2.ĐỊA HÌNH, ĐỊA MẠO .....................................................................................2 1.3.ĐỊA CHẤT, THỔ NHƯỠNG ...........................................................................4 1.4.THẢM THỰC VẬT ..........................................................................................4 1.5.KHÍ HẬU ..........................................................................................................5 1.6.MẠNG LƯỚI THỦY VĂN VÀ TÌNH HÌNH LŨ LỤT ....................................7 Chương 2. TỔNG QUAN CÁC MÔ HÌNH MƯA - DÒNG CHẢY ...................10 2.1. CÁC MÔ HÌNH MƯA - DÒNG CHẢY ......................................................10 2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH THẤM ..........................................................15 2.3.MÔ HÌNH SÓNG ĐỘNG HỌC MỘT CHIỀU - PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ............................................................................................................18 2.4. PHƯƠNG PHÁP SCS VÀ PHÁT TRIỂN .....................................................22 Chương 3. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SÓNG ĐỘNG HỌC MỘT CHIỀU (KW1D) MÔ PHỎNG LŨ TRÊN LƯU VỰC SÔNG BẾN HẢI – TRẠM GIA VÒNG .......................................................................................................................25 3.1.TÌNH HÌNH SỐ LIỆU ....................................................................................25 3.2. XÂY DỰNG BỘ THÔNG SỐ MÔ HÌNH SÓNG ĐỘNG HỌC MỘT CHIỀU TRÊN LƯU VỰC SÔNG BẾN HẢI – TRẠM GIA VÒNG .................................26 3.3 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SÓNG ĐỘNG HỌC MỘT CHIỀU - PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN MÔ PHỎNG LŨ TRÊN LƯU VỰC SÔNG BẾN HẢI – TRẠM GIA VÒNG ....................................................................................36 KẾT LUẬN ..............................................................................................................44 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................45 PHỤ LỤC .................................................................................................................46
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. Bản đồ lưu vực sông Bến Hải ........................................................................2 Hình 2. Bản đồ địa hình lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng ..............................3 Hình 3. Bản đồ sử dụng đất trên lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng .................4 Hình 4.Bản đồ rừng lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng .....................................5 Hình 5. Bản đồ mạng lưới thủy văn lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng ............8 Hình 6: Các biến số có tổn thất dòng chảy trong phương pháp SCS ........................23 Hình 7. Sơ đồ phân dải sông trên lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng ..............29 Hình 8: Sơ đồ lưới các phần tử sông trên lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng .30 Hình 9 .Sơ đồ khối của chương trình mô phỏng dòng chảy theo phương pháp phần tử hữu hạn sóng động học một chiều ........................................................................36 Hình 10. Kết quả đường quá trình mô phỏng lũ từ 19h/17/IX – 19h/19/IX/2005 trên lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng ....................................................................38 Hình 11. Kết quả đường quá trình mô phỏng lũ từ 13h/07/X/2005 - 07h/X/10/2005 trên lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng ............................................................38 Hình 12. Đường quá trình mô phỏng lũ từ 07h/10/X/2007 - 13h/12/X/2007 trên lưu vực sông Bến Hải– trạm Gia Vòng ...........................................................................39 Hình 13.Kết quả đường quá trình mô phỏng lũ từ 13h/02/X/2010 - 01h/05/X/2010 trên lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng ............................................................39 Hình 14. Kết quả đường quá trình mô phỏng lũ từ 01h/11/XI - 01h/14/XI năm 2007 trên lưu vực sông .......................................................................................................42 Hình 15. Kết quả đường quá trình mô phỏng lũ từ 01h/29/IX - 19h/01/X năm 2009 trên lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng ............................................................42
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.Lớp phủ thực vật theo mức độ che tán và tỷ lệ % so với lưu vực ..................5 Bảng 2. Hiện trạng rừng lưu vực sông Bến Hải ..........................................................5 Bảng 3.Một số đặc trưng dòng chảy năm các lưu vực sông thuộc tỉnh Quảng Trị ....8 Bảng 4. Phân phối dòng chảy theo các tháng trong năm (mm) của trạm Gia Vòng ..8 Bảng 5. Thời gian của các trận mưa gây lũ ...............................................................25 Bảng 6. Số liệu mưa luỹ tích của các trận mưa gây lũ ..............................................27 Bảng 7. Số lưu vực con và số dải tương ứng ............................................................28 Bảng 8. Các phần tử của lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng ...........................31 Bảng 9 . Các đặc trưng của các phần tử ....................................................................32 Bảng 10. Các đặc trưng chiều dài lòng dẫn,độ dốc lòng dẫn của dải .......................35 Bảng 11. Sai số tổng lượng, đỉnh lũ và độ hữu hiệu R2 của 04 trận lũ mô phỏng trên lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng ....................................................................40 Bảng 12. Sai số tổng lượng, đỉnh lũ và độ hữu hiệu R2 của hai trận lũ độc lập trên lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng ....................................................................43
MỞ ĐẦU Miền Trung là nơi hứng chịu nhiều thiên tai lũ lụt vào loại bậc nhất ở nước ta. Đã có nhiều công trình nghiên cứu giải quyết vấn đề này nhằm góp phần làm giảm nhẹ những hậu quả do thiên tai lũ lụt gây ra. Hướng tích cực nhất là nâng cao hiệu quả của công tác cảnh báo và dự báo lũ, từ đó đưa ra những biện pháp thích hợp để phòng, tránh. Ngày nay một trong những hướng mới trong nghiên cứu thủy văn ở nước ta là sử dụng mô hình toán phục vụ công tác tính toán và dự báo lũ. Khóa luận đã chọn mô hình sóng động học một chiều và phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp SCS để mô phỏng lũ trên lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng nhằm khai thác các thông tin về mặt đệm với số liệu khí tượng thủy văn và bản đồ với mục tiêu tìm kiếm các phương án cảnh báo, dự báo lũ phục vụ phòng chống thiên tai lũ lụt ở lưu vực sông Bến Hải. Khóa luận gồm có 3 chương,ngoài mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo: Chương 1 : Đặc điểm địa lý tự nhiên lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng Chương 2 : Tổng quan về các mô hình mô phỏng mưa dòng chảy Chương 3: Ứng dụng mô hình sóng động học một chiều (KW1D) mô phỏng lũ trên lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng. Do kiến thức có hạn và thời gian nghiên cứu còn hạn chế nên khóa luận không thể tránh được nhiều thiếu sót em mong nhận được sự góp ý của các thầy cô để khóa luận được hoàn thiện hơn. 1
Chương 1 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN LƯU VỰC SÔNG BẾN HẢI – TRẠM GIA VÒNG 1.1.VỊ TRÍ ĐỊA LÝ Lưu vực sông Bến Hải nằm trong giới hạn từ 106038’ đến 106058’ kinh độ Đông, từ 16047’đến 16059’ vĩ độ Bắc, phía Bắc giáp với tỉnh Quảng Bình, phía Tây giáp với lưu vực sông Sê Păng Hiêng, phía Nam giáp với lưu vực sông Thạch Hãn và phía Đông giáp biển Đông. Lưu vực sông Bến Hải - tính đến trạm Gia Vòng có diện tích là 283,7 km2 bắt nguồn từ dãy núi cao trên 1700 m nằm ở phía Tây Bắc tỉnh Quảng Trị và đổ ra biển qua Cửa Tùng. Sông Bến Hải chảy dọc theo vĩ tuyến 17, với vị trí địa lý như vậy, lưu vực sông Bến Hải gần nguồn ẩm nên có khả năng tạo mưa lớn sinh ra dòng chảy lớn (Hình 1) [14]. Hình 1. Bản đồ lưu vực sông Bến Hải 1.2.ĐỊA HÌNH, ĐỊA MẠO Vùng nghiên cứu có thế dốc chung từ đỉnh Trường Sơn đổ ra biển. Do sự phát triển của các bình nguyên đồi thấp nên địa hình của vùng này rất phức tạp. Theo chiều Bắc - Nam,phần đồng bằng địa hình có dạng đèo thấp, thung lũng sông- 2
đèo thấp. Theo chiều Tây-Đông địa hình ở đây có dạng núi cao,đồi thấp nhiều khu theo dạng bình nguyên - đồi, đồng bằng. Vùng đồng bằng ở đây là các thung lũng sâu kẹp giữa các dải đồi thấp và cồn cát hình thành trên các cấu trúc uốn nếp của dãy Trường Sơn, có nguồn gốc mài mòn và bồi tụ. Đồng bằng hạ du sông Bến Hải, cao độ biến đổi từ +1 ÷ 2,5 m, địa hình bằng phẳng, đã được khai thác từ lâu đời để sản xuất lúa nước. Địa hình vùng đồi ở đây có dạng đồi bát úp liên tục, có những khu nhỏ dạng bình nguyên. Độ dốc vùng núi bình quân từ 15 ÷ 180 m. Địa hình này rất thuận lợi cho việc phát triển cây trồng cạn, cây công nghiệp, cây ăn quả, cao độ của dạng địa hình này là 200- 1000m, có nhiều thung lũng lớn. Đây là dạng địa hình có thế mạnh của tỉnh Quảng Trị nói chung và lưu vực sông Bến Hải nói riêng, dạng địa hình này chiếm tới 50% diện tích tự nhiên của các lưu vực sông, thuận lợi cho việc xây dựng hồ chứa phục vụ sản xuất nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản. Hình 2. Bản đồ địa hình lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng Dãy Trường Sơn chắn gió,hứng ẩm tạo mưa sinh ra dòng chảy tốt, nhưng nếu làm mưa tăng thì địa hình ở đồng bằng thoát lũ chậm dễ gây ngập lụt. Như vậy, địa hình vùng nghiên cứu rất phức tạp, gây khó khăn cho công tác thủy lợi và cũng có rất nhiều tiềm năng để phát triển một nền kinh tế nông nghiệp đa dạng và một nền kinh tế hàng hóa giá trị cao [14]. 3
1.3.ĐỊA CHẤT, THỔ NHƯỠNG Địa tầng phát triển không liên tục, các trầm tích từ Paleozoi hạ tới Kainozoi trong đó trầm tích Paleozoi chiếm chủ yếu, gồm 9 phân vị địa tầng, còn lại 6 phân vị thuộc Meozoi và Kainozoi. Địa chất trong vùng có những đứt gãy chạy theo hướng từ đỉnh Trường Sơn ra biển tạo thành các rạch sông chính cắt theo phương Tây Đông. Tầng đá gốc ở đây nằm sâu,tầng phủ dày. Phần thềm lục địa được tạo thành từ trầm tích sông biển và sự di đẩy của dòng biển tạo thành. Lưu vực sông Bến Hải gần như toàn bộ diện tích là đất feralit, ở phía hạ lưu sông có đất xói mòn trơ sỏi đá và đất nâu đỏ nhưng chiếm diện tích rất ít [14] Hình 3. Bản đồ sử dụng đất trên lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng 1.4.THẢM THỰC VẬT Lớp phủ thực vật đóng vai trò quan trọng đối với khả năng hình thành lũ lụt – đó là khả năng điều tiết nước. Trên lưu vực rừng tự nhiên còn ít, chủ yếu là rừng trung bình, phân bố ở vùng núi cao. Vùng đồi núi còn rất ít rừng, đại bộ phận là đất trống trảng cây bụi, ngoài ra ở vùng hạ lưu có đất trồng nương rẫy xen dân cư và cây nông nghiệp ngắn vụ xen dân cư. Trên lưu vực sông Bến Hải có rất nhiều loại cây nhưng diện tích đất trống và cây bụi còn rất nhiều , chiếm tỉ lệ khá lớn diện tích toàn lưu vực (Hình 4). Với độ che phủ của các loại rừng được trình bày trong bảng 1. [4] 4
Bảng 1.Lớp phủ thực vật theo mức độ che tán và tỷ lệ % so với lưu vực Tỷ lệ % so với Mức độ tán STT Loại hình lớp phủ diện tích lưu che 1 Rừng tự nhiên rộng thường xanh thưa vực 12,36 50 ÷ 60 (%) 2 Rừng tự nhiên rộng thường xanh trung 4,98 60 ÷ 70 3 bình tự nhiên rộng thường xanh kín Rừng 1,82 ˃ 90 4 Nương rẫy xen dân cư 3,65 5 ÷ 10 5 Cây nông nghiệp ngắn vụ xen dân cư 0.74
Việt Nam. Trong năm có hai mùa rõ rệt: mùa mưa và mùa khô. Mùa khô từ tháng XII đến tháng VIII, mùa mưa từ tháng IX đến tháng XI. Từ tháng III đến tháng VIII chịu ảnh hưởng của gió Tây Nam khô và nóng. Từ tháng IX đến tháng II năm sau chịu ảnh hưởng của gió mùa Đông Bắc đi liền với mưa phùn và rét đậm.[14] - Mưa : Tổng lượng mưa 9 tháng mùa khô chỉ chiếm 30% tổng lượng mưa năm. Trong các tháng mùa khô từ tháng XII đến tháng IV thường có những trận mưa rào nhẹ cách nhau từ 7 đến 8 ngày với lượng mưa trần từ 20 ÷ 30 mm,do vậy trong vụ đông xuân thường ít phải tưới hơn vụ hè thu. Giữa 2 mùa khô có 1 thời kì mưa lớn là tháng V và tháng VI gọi là mưa tiểu mãn, nhờ có mưa này mà vụ hè thu, nhu cầu nước cho con người và cây trồng đỡ căng thẳng hơn. Mùa mưa bắt đầu từ tháng IX đến tháng XI thậm chí có năm kéo dài đến tận tháng XII. Đây là thời gian bão và áp thấp nhiệt đới hoạt động mạnh ở khu vực miền Trung. Do đặc điểm địa hình chia cắt nên mưa trong mùa mưa cũng ít khi đồng đều trên toàn lưu vực. - Nhiệt độ không khí: Nhiệt độ không khí trong vùng thấp nhất vào mùa đông(tháng XI đến tháng III), cao nhất vào mùa hè (tháng V đến tháng VIII). Nhiệt độ bình quân nhiều năm vào khoảng 24,30C. Chênh lệch nhiệt độ trong ngày từ 7 đến 100C. - Độ ẩm tương đối : Độ ẩm tương đối bình quân nhiều năm nằm trong khoảng 85 tới 89%. - Bốc hơi : Bốc hơi bình quân nhiều năm nằm trong khoảng 1200 ÷ 1300 mm. Ở vùng đồng bằng bốc hơi bình quân nhiều năm cao hơn vùng núi. Lượng bốc hơi bình quân tháng lớn nhất tại Đông Hà là 219 mm/tháng (xem bảng 4). Lượng bốc hơi ngày lớn nhất vào tháng VII, bình quân 1 ngày bốc hơi tới 7 mm. - Số giờ nắng : Bình quân nhiều năm số giờ nắng khoảng 1840 giờ - Gió và bão : Các lưu vực sông Bến Hải thuộc Quảng Trị chịu chế độ khí hậu nhiệt đới gió mùa. Một năm có 2 chế độ gió mùa chính: + Gió mùa Tây Nam hoạt động mạnh vào mùa hè từ tháng IV đến tháng XI, tốc độ gió bình quân đạt 2 ÷ 2,2 m/s, mang độ ẩm và gây mưa cho vùng. + Gió mùa Tây Bắc hoạt động mạnh từ tháng XII đến tháng III năm sau, tốc độ gió bình quân đạt 1,7 ÷ 1,9 m/s. Thời gian chuyển tiếp các hướng gió Tây Nam và Tây Bắc là thời gian giao thời. Gió Tây khô nóng hoạt động vào tháng IV,tháng V (nhân dân địa phương gọi là gió Lào). Thời kì có gió Lào là thời kì nóng nhất. 6
Bão và xoáy thuận nhiệt đới là những biến động thời tiết trong mùa hạ, hoạt động rất mạnh mẽ và thất thường. Từ tháng V đến tháng VIII vùng ven Thái Bình Dương không khí bị nung nóng bốc lên cao tạo thành những vùng xoáy rộng hàng trăm km2, tích lũy dần và di chuyển theo hướng Tây Nam đổ bộ vào đảo Hải Nam Trung Quốc. Đến cuối mùa, từ tháng IX đến tháng XI, gió Tây Nam suy yếu, nhường dần cho gió Nam và Đông Nam. Tâm xoáy thuận di chuyển dần xuống vùng vĩ độ thấp và đổ bộ vào khu vực từ Nghệ An đến Thừa Thiên Huế. Cuối mùa, gió Đông Bắc mạnh hẳn lên, ép các xoáy thuận nhiệt đới di chuyển dần về cực Nam Trung Bộ. Quy luật này diễn ra thường xuyên, hàng năm. Thời kì xoáy thuận nhiệt đới đổ bộ vào Bắc Trung Bộ thường gây ra bão vùng ven biển. Hướng đi của bão trong vùng Bình Trị Thiên theo hướng chính Tây chiếm khoảng 30 %; theo hướng Tây-Tây Bắc chiếm khoảng 45 %: theo hướng Nam chiếm khoảng 24 % và theo các hướng khác chiếm khoảng 1 %. Tính chất của bão và áp thấp nhiệt đới cũng rất khác nhau theo từng cơn bão và từng thời kì có bão. Có năm không có bão và áp thấp nhiệt đới như năm 1963,1965,1969,1986,1991,1994. Cũng có năm liên tiếp 3 cơn bão như năm 1964,1996 hoặc 1 năm có 2 cơn bão như năm 1999. Bình quân 1 năm có 1,2 ÷ 1,3 cơn bão. Vùng ven biển, bão và áp thấp nhiệt đới thường gặp nhau tới 78 %, do vậy khi có bão thường gặp mưa lớn sinh lũ trên các triền sông. Bão đổ bộ vào đất liền với tốc độ gió từ cấp 10 tới cấp 12, có khi gió giật trên cấp 12. Thời gian bão duy trì từ 8 ÷ 10 giờ nhưng mưa theo bão thường xảy ra 3 ngày liên tục. Trong thời gian có bão thường đi kèm mưa lớn và có thể gây ra hiện tượng lũ quét gây thiệt hại lớn về người và tài sản. Đây cũng là một yếu tố tự nhiên cản trở tới tiến trình phát triển kinh tế xã hội của tỉnh Quảng Trị nói riêng và các tỉnh miền Trung nói chung.[14] 1.6.MẠNG LƯỚI THỦY VĂN VÀ TÌNH HÌNH LŨ LỤT Cũng như các nơi khác ở nước ta, dòng chảy sông suối trong lưu vực sông Bến Hải không những phân bố không đều trong lãnh thổ mà còn phân bố không đều trong năm. Hàng năm,dòng chảy sông suối biến đổi theo mùa rõ rệt: mùa lũ và mùa cạn. Thời gian bắt đầu, kết thúc các mùa dòng chảy không cố định hàng năm mà có sự xê dịch giữa các năm từ 1 đến vài tháng. Dòng chảy năm tại khu vực nghiên cứu có giá trị mô đun biến động trong khoảng 54- 73 l/s/km2, thuộc khu vực có dòng chảy dồi dào so với trung bình cả nước, phần lớn nước tập trung vào mùa lũ.Do sự phân bố nước không đều trong 7
năm nên lũ ở đây rất khắc nghiệt và hạn hán cũng rất điển hình. Do độ dốc lớn nên lũ thường xảy ra nhanh và ác liệt gây ra nguy hiểm cho các hoạt động kinh tế xã hội. Thông thường mùa lũ thường xuất hiện chậm hơn mùa mưa khoảng 1 tháng. Mưa là nguyên nhân gây lũ chủ yếu ở 2 tỉnh này. Lũ lớn nhất thường xuất hiện trong các tháng IX,X chiếm từ 25- 31 % tổng lượng nước năm. [14] Hình 5. Bản đồ mạng lưới thủy văn lưu vực sông Bến Hải – trạm Gia Vòng Bảng 3.Một số đặc trưng dòng chảy năm các lưu vực sông thuộc tỉnh Quảng Trị Các đặc trưng dòng chảy lưu vực Tên sông Tên trạm Q0(m3/s) M0(l/s.km2) Y0(mm)  Bến Hải Gia Vòng 14,4 53,9 1698 0,61 Bảng 4. Phân phối dòng chảy theo các tháng trong năm (mm) của trạm Gia Vòng Tên lưu vực I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Bến Hải 5.10 2.70 1.90 1.50 3.10 2.40 1.40 2.90 14.2 30.9 23.9 10.0 Mùa kiệt trong vùng thường chậm hơn so với các tỉnh đồng bằng Bắc Bộ. Lượng nước mùa kiệt chỉ chiếm khoảng gần 30% tổng lượng dòng chảy trong năm. Sự phân phối không đều đã gây ảnh hưởng lớn cho sinh hoạt và sản xuất. Tình trạng đó càng trở nên khốc liệt vào các năm và các tháng có gió Tây Nam (gió Lào) hoạt 8
động mạnh. Tuy nhiên vào khoảng tháng V-VI trong vùng thường có mưa tiểu mãn bổ sung lượng nước cho mùa kiệt. Tháng IV và tháng VII là những tháng kiệt, lưu lượng trên sông nhỏ. Mô đun bình quân dòng chảy tháng vào các tháng kiệt chỉ khoảng 10- 15 l/s/km2. Do đặc điểm vùng nghiên cứu có địa hình tạo thành các dải từ biển vào sâu trong lục địa: dải cát ven biển, đồng bằng ven biển, gò đồi, núi nên tính chất dòng chảy cũng có sự phân hóa theo không gian rõ rệt. Một số đặc trưng dòng chảy năm của lưu vực sông Bến Hải được thể hiện ở bảng 3. Qua bảng 3 ta thấy mô đun dòng chảy và chuẩn dòng chảy năm của hệ thông sông Bến Hải thuộc loại cao của cả nước. Hệ số dòng chảy lớn hơn 0,6 đã chứng tỏ được khả năng sinh dòng chảy và điều kiện lớp phủ thực vật trên lưu vực là tốt. Các tháng nhiều nước rơi vào tháng IX,X,XI,XII, tháng ít nước rơi vào các tháng còn lại. Các tháng nhiều nước chiếm khoảng 70- 75 % tổng lượng nước cả năm, còn các tháng ít nước là 25- 30%. Mực nước lũ hè thu trên các triền sông chỉ dao động từ 1,5-1,7 m, ít khi mực nước lũ hè thu trên các triền sông lên cao trên 1,7 m. Hướng chuyển của lũ trong vùng hạ du cũng rất phức tạp. Nguồn nước ngầm ở lưu vực thể hiện ở nước khe nứt, nước lỗ hổng và nước cồn cát. Nguồn nước này tương đối dồi dào và chất lượng tốt có thể đáp ứng cho nhu cầu sinh hoạt của dân cư và bổ sung nước tưới cho các loại hình kinh tế xã hội. Tuy nhiên, vùng ven biển nhiều nơi nước ngầm bị nhiễm mặn,ở vùng đồi núi nước ngầm phân bố sâu khó khai thác. Vì vậy cần có kế hoạch sử dụng nước hợp lí. [14] 9
Chương 2 TỔNG QUAN CÁC MÔ HÌNH MƯA - DÒNG CHẢY 2.1. CÁC MÔ HÌNH MƯA - DÒNG CHẢY Mô hình mưa - dòng chảy có thể là mô hình tất định hoặc mô hình ngẫu nhiên 8. Mô hình tất định là mô hình mô phỏng quá trình biến đổi của các hiện tượng thuỷ văn trên lưu vực mà ta đã biết trước. Nói khác với mô hình ngẫu nhiên là mô hình mô phỏng quá trình dao động của bản thân quá trình thủy văn mà không chú ý đến các nhân tố đầu vào tác động của hệ thống. Xét trên quan điểm hệ thống, các mô hình thuỷ văn tất định có các thành phần chính: -Đầu vào của hệ thống -Hệ thống -Đầu ra của hệ thống. Dựa trên cơ sở cấu trúc vật lý các mô hình thuỷ văn tất định được phân loại thành các mô hình thuỷ động lực học, mô hình nhận thức và mô hình hộp đen. Dựa vào sự xấp xỉ không gian, các mô hình thuỷ văn tất định còn được phân loại thành các mô hình thông số phân phối và các mô hình thông số tập trung. 2.1.1. Các mô hình mưa - dòng chảy thông số tập trung Mô hình thông số tập trung là mô hình mà các thông số được trung bình hoá trong không gian. Vì thế mô hình loại này tương đối đơn giản, có ý nghĩa vật lý trực quan thích hợp với lưu vực vừa và nhỏ. Tuy nhiên chưa đưa được những thay đổi theo không gian của những yếu tố cảnh quan vào trong mô hình. 1. Mô hình của trung tâm khí tượng thuỷ văn Liên Xô (HMC) Lượng mưa hiệu quả sinh dòng chảy mặt P được tính từ phương trình: P=h-E-I (1) Trong đó: h là cường độ mưa trong thời đoạn tính toán (6h, 24h,...); E là lượng bốc hơi nước; I là cường độ thấm trung bình. Hạn chế: Số liệu về lượng bốc hơi trên các lưu vực còn thiếu rất nhiều, chủ yếu được tính từ các phương trình xác định trực tiếp. Còn cường độ thấm trung bình thường được lấy trung bình cho toàn lưu vực với thời gian không xác định. 10
Mô hình HMC đã được áp dụng ở một số lưu vực miền núi Tây Bắc và Đông Bắc của nước ta 11,15. 2. Mô hình SSARR Mô hình SSARR do Rockwood D. xây dựng từ năm 1957 dựa trên cơ sở phương trình cân bằng nước:  I1  I 2   O  O2   2  t   1 t  S2  S1 (2)    2   Phương trình lượng trữ của hồ chứa là: dS dQ  Ts (3) dt dt Mô hình SSARR cho phép diễn toán trên toàn bộ lưu vực nhưng không kiểm tra trực tiếp được những thay đổi đặc điểm lưu vực sông đến các quá trình thủy văn. Mô hình SSARR đã được áp dụng ở đồng bằng sông Cửu Long 11,15. 3. Mô hình TANK Mô hình TANK được phát triển năm 1956 tại trung tâm nghiên cứu quốc gia về phòng chống thiên tai tại Tokyo, Nhật Bản. Theo mô hình, lưu vực được mô phỏng bằng chuỗi các bể chứa theo phương thẳng đứng và theo phương ngang phù hợp với diện tích đất 8. Hệ thức cơ bản của mô hình gồm: Mưa bình quân lưu vực (P) n n P  Wi .x1 / Wi (4) i 1 i 1 Trong đó: n là số điểm đo mưa; Xi và Wi là lượng mưa và trọng số của điểm mưa thứ i. Theo M.Sugawara Wi là một trong bốn số sau: 0.25; 0.5; 0.75; 1.0. Bốc hơi lưu vực (E)  0,8EVT Khi XA  PS  E  0 0,75(0,8EVT  hf )  hf  Khi XA  PS  E  0 E (5)  va XA  PS  H f  0   0,6EVT XA  PS Cơ cấu truyền ẩm Coi tốc độ truyền ẩm từ dưới lên là T1, từ trên xuống là T2, ta có: XA T1  TB0  (1  )TB (6) PS XS T2  TC0  (1  )TC (7) SS Mô hình TANK tương đối đơn giản, có ý nghĩa vật lý trực quan, thích hợp với các lưu vực vừa và nhỏ nhưng khó thể hiện sự “trễ” của dòng chảy so với mưa, 11
do mô hình được cấu tạo từ các bể chứa tuyến tính, các thông số ở cửa ra ở một số trường hợp kém nhạy11,15. Mô hình TANK đã áp dụng hiệu quả cho khu vực miền Trung 12. 4. Mô hình NAM Mô hình NAM 11,15 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. 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. Dòng chảy sát mặt QIF:  L   CLIF L Lmax  CLIF CQIF  U Víi Lmax QIF   1  CLIF (8)  L  0 Khi  CLIF   Lmax Trong đó: CQIF là hệ số dòng chảy sát mặt; CLIF là ngưỡng dòng chảy; U, Lmax là thông số khả năng chứa. Dòng chảy tràn QOF:  L   CLOF L Lmax  CLOF CQOF  P Víi Lmax QOF   1  CLOF N (9)  L  0 Khi  CLOF   Lmax Trong đó: CQOF là hệ số dòng chảy tràn; CLOF là các ngưỡng dòng chảy. Mô hình NAM đã tính được dòng chảy sát mặt và dòng chảy tràn, nhưng việc cụ thể hoá và tính toán cho những đơn vị nhỏ hơn trên lưu vực bị hạn chế. Mô hình NAM được áp dụng ở một số vùng đồng bằng ở Việt Nam 12. 2.1.2. Các mô hình mưa - dòng chảy thông số phân phối Khi giá trị của tài nguyên nước ngày càng được đề cao về việc quản lý tài nguyên nước và đánh giá chất lượng. Nghiên cứu tài nguyên nước tập trung vào những vấn đề như mối quan hệ và ảnh hưởng của thay đổi sử dụng đất đến nông nghiệp, rừng, thực tế ô nhiễm đến sử dụng nước. Các mô hình mưa - dòng chảy thông số tập trung đã không theo kịp với những vấn đề mới phát triển này. Vì thế, mô hình mưa - dòng chảy thông số phân phối có tiềm năng phát triển mạnh mẽ hơn mô hình mưa - dòng chảy thông số tập trung. 12
Mô hình mưa - dòng chảy thông số phân phối là mô hình xem xét sự diễn biến của mọi quá trình thuỷ văn tại các điểm khác nhau trong không gian và định nghĩa các biến trong mô hình như hàm toạ độ. Ưu điểm của những mô hình này là khả năng cung cấp thông tin của chúng tại những điểm trên lưu vực và sử dụng chúng cho một hướng nghiên cứu mới là đánh giá tài nguyên nước và chất lượng nước. Nhưng khi sử dụng cocần phải thay đổi về các phương pháp xác định thông số cũng như các phương pháp đo đạc các đặc trưng của mô hình. Sự cần thiết của hệ thống mô hình mưa - dòng chảy thông số phân phối đã được nhận ra từ giữa những năm 1970 và ngày nay chúng đang được sử dụng rất phổ biến. 1. Mô hình USDAHL Mô hình này được công bố vào năm 1970, USDAHL là mô hình thông số dải theo các tiểu vùng thuỷ văn. Dòng chảy mặt bao gồm quá trình thấm, quá trình trữ và chảy tràn. Quá trình thấm được mô phỏng bằng phương trình Holtan: ft  A . GI . S1.4  fc at (10) Trong đó: ft là cường độ thấm; A là hệ số phụ thuộc vào độ rỗng của đất, mật độ rễ cây; GI là chỉ số phát triển thực vật, phụ thuộc vào nhiệt độ không khí và loại cây; fc là cường độ thấm ổn định; Sat là độ thiếu hụt ẩm của đất là hàm số theo thời gian: Sat  Sat -1 - f t -1  fc (11) Quá trình trữ, chảy tràn được thực hiện dựa trên cơ sở phương trình cân bằng nước. 2. Mô hình USDAHL 6, 12 đã xét đến tất cả các thành phần trong phương trình cân bằng nước, và mỗi thành phần này đã được xử lý xem xét dựa trên những phương trình. Song việc xử lý lượng thấm, bốc thoát hơi, điền trũng gặp rất nhiều khó khăn ngoài ra với những lưu vực lớn khả năng đánh giá tác động của các yếu tố lưu vực đến sự hình thành dòng chảy là kém 15. 3. Mô hình THALES Mô hình THALES do Grayson đưa ra đã được khai thác như là một công cụ dùng để mô tả những quá trình trên lưu vực và nghiên cứu những vấn đề liên quan đến kiểm tra và ứng dụng mô hình vật lý. Điểm khó khăn khi dùng mô hình liên quan đến cả khả năng am hiểu về mô hình và những giả định cơ bản cũng như thuật toán sử dụng trong mô hình. Ưu điểm 13
của mô hình này là khả năng cung cấp thông tin về đặc điểm của dòng chảy vì thế mô hình thường sử dụng cho dự báo. Cơ sở của mô hình là coi hệ thống tương ứng với quá trình vận chuyển của bùn cát và năng lượng. Mô hình THALES xây dựng biểu đồ dòng chảy mặt thông qua việc ước tính chuỗi số liệu dòng chảy trong lưu vực sông từ sự tổng hợp bởi mô hình, cuối cùng sẽ ước tính được dòng chảy tại cửa ra. Trong dịnh hướng phát triển mô hình phải dùng đến sự cần thiết của lý thuyết tổng hợp quá trình ô lưới, làm cho sự tương ứng giữa mô hình dự báo và các quá trình thực tế sát nhau hơn, và cho những khẳng định nghiêm túc về những điều còn chưa chắc chắn trong mô hình dự báo. Thêm vào đó nội dung mô hình cũng cần phát triển, phải tìm thêm những áp dụng của chúng trong tương lai, và phải lựa chọn để mô hình thích hợp cho những ứng dụng đó 12,13. 4. Mô hình SHE Mô hình SHE 12, 13 ra đời từ năm 1976. SHE ra đời từ sự liên kết của viện thuỷ lực Đan Mạch, viện thuỷ văn Anh và viện SOGREAH Pháp với sự hỗ trợ tài chính của cộng đồng Châu Âu. SHE ra đời phục vụ cho việc đánh giá hoạt động sử dụng đất và đánh giá chất lượng nước 13. Mô hình SHE không đòi hỏi nhiều số liệu nhưng yêu cầu lượng thông số lớn, bản chất giá trị thông số không cần xác định vì chúng dựa vào phép đo vật lý. SHE là mô hình triển vọng, đảm nhiệm việc phát triển hệ thống mô hình phân phối sử dụng cho mục đích thương mại. Tuy nhiên, sử dụng SHE phải chú ý đến kết quả của việc xây dựng modula trong hệ thống. Phương trình cơ bản dùng trong SHE: Chảy tràn: Sử dụng phương trình lan truyền sóng xấp xỉ của St.Vernant: h (uh) (vh)   q (12) t x y h Với:  S0 x  S fx xác định trực tiếp được x (13) x h  S0 y  S fx xác định trực tiếp được y (14) y Trong đó: h(x,y) là chiều cao cột nước; t là thời gian; u(x,y), v(x,y) là vận tốc dòng chảy theo x và y; S0x, S0y: độ dốc mặt theo x và y; Sfx, Sfy: ma sát theo x và y. Dòng chảy trong kênh: dòng chảy dọc theo kênh 14