Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu, ứng dụng mô hình kết nối MARINE và IMECH1D dự báo lưu lượng vào hồ Hòa Bình

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:90

Thêm vào BST

Báo xấu

23
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung của luận văn được đặt ra với mục tiêu là khai thác, sử dụng các mô hình toán tiên tiến mà thế giới hiện đang nghiên cứu phát triển để xây dựng công cụ dự báo trước lưu lượng vào hồ Hòa Bình 48 giờ. Qua sự nghiên cứu, phân tích nhiều mô hình thủy văn và thủy lực khác nhau, cuối cùng mô hình thủy văn Marine và mô hình thủy lực IMech1D được lựa chọn để phát triển và kết nối thành mô hình kết nối Marine và IMech1D phục vụ bài toán dự báo lưu lượng vào hồ Hòa Bình.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu, ứng dụng mô hình kết nối MARINE và IMECH1D dự báo lưu lượng vào hồ Hòa Bình

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VIỆN CƠ HỌC NGUYỄN TIẾN CƢỜNG NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG MÔ HÌNH KẾT NỐI MARINE VÀ IMECH1D DỰ BÁO LƢU LƢỢNG VÀO HỒ HÒA BÌNH LUẬN VĂN THẠC SỸ Hà Nội - 2010
3 MỤC LỤC MỤC LỤC ......................................................................................................... 1 MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 7 Chƣơng 1. ĐẶC ĐIỂM CỦA LƢU VỰC VÀ CỦA CÁC MÔ HÌNH LỰA CHỌN NGHIÊN CỨU ....................................................................................... 9 1.1. Đặc điểm địa lý tự nhiên, quy luật dòng chảy lũ trên lƣu vực sông Đà và vai trò của hồ Hòa Bình [4]-[6]: ..................................................... 9 1.1.1. Đặc điểm mƣa gây lũ [4]: ..................................................... 9 1.1.2 Đặc điểm dòng chảy lũ sông Đà [4]: .................................... 10 1.1.3. Vai trò của hồ Hòa Bình [4]:............................................... 11 1.2. Tổng quan về mô hình thủy văn [3]-[5]: ....................................... 12 1.3. Tổng quan về mô hình thủy lực [3]; [6]: ....................................... 13 Chƣơng 2. PHẦN MỀM THỦY VĂN THAM SỐ PHÂN BỐ MARINE ......... 16 2.1. Cơ sở khoa học của phần mềm thủy văn tham số phân bố Marine: .. 16 2.1.1. Mô hình dòng chảy trên bề mặt lƣu vực [3]; [5]; [6]; [8]: ... 16 2.1.2. Mô hình thấm Green Ampt [12]; [16]: ................................ 17 2.2. Cấu trúc dữ liệu trong Marine [16]: ................................................. 19 Chƣơng 3. PHẦN MỀM THỦY LỰC MỘT CHIỀU IMECH1D ..................... 22 3.1. Các thành phần của hệ thống [5]; [6]; [9]: ....................................... 22 3.1.1. Mạng sông: ......................................................................... 22 3.1.1.1. Nút sông: ............................................................... 22 3.1.1.2. Đoạn sông: ............................................................ 23 3.1.2. Ô ruộng (Ô chứa): .............................................................. 23 3.2. Mô hình toán học [5]; [6]; [9]: ......................................................... 23 3.2.1. Mô hình toán học một đoạn sông: ....................................... 23 3.2.2. Mô hình toán học của một ô ruộng [5]; [6]; [9]:.................. 24 3.3. Lƣợc đồ sai phân [1]; [5]; [6]: ......................................................... 24
4 3.4. Tuyến tính hóa hệ phƣơng trình (3.5), (3.7), (3.8): ......................... 26 3.4.1. Tuyến tính hoá các biểu thức đơn giản [10]: ....................... 27 3.4.2. Tuyến tính hoá biểu thức có lực cản đáy: ............................ 27 3.4.3. Tuyến tính hoá biểu thức trao đổi nƣớc qua đê: .................. 28 3.5. Thuật giải hệ phƣơng trình đại số tuyến tính [1]; [5]; [6]: ................ 28 3.6. Các thuật toán phụ trợ sử dụng trong xây dựng bộ chƣơng trình tính toán thủy lực một chiều IMech1D [5]; [6]: ............................................. 33 3.6.1. Khái toán mặt cắt:............................................................... 33 3.6.2. Tạo giá trị mực nƣớc và lƣu lƣợng làm điều kiện ban đầu: . 34 3.6.3. Vấn đề xác định hệ số nhám và chỉnh kết quả:.................... 35 Chƣơng 4. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH KẾT NỐI MARINE-IMECH1D CHO LƢU VỰC SÔNG ĐÀ PHẦN TRÊN LÃNH THỔ VIỆT NAM ............................... 36 4.1. Mô hình kết nối Marine và Imech1D [5]: ........................................ 36 4.2. Xử lý số liệu cho mô hình kết nối Marine-IMech1D: ...................... 37 4.2.1. Xử lý bản đồ địa hình: ........................................................ 37 4.2.1.1. Xác định hƣớng của dòng chảy và độ tích tụ của dòng chảy trên DEM: ......................................................... 38 4.2.1.2. Tạo mạng sông suối từ DEM: ................................ 40 4.2.1.3. Phân chia lƣu vực trên nền DEM: .......................... 41 4.2.2. Xử lý bản đồ phân loại đất: ................................................. 41 4.2.3. Xử lý bản đồ hiện trạng sử dụng đất: .................................. 43 4.2.4. Xây dựng bản đồ phân bố mƣa trong lƣu vực: .................... 43 4.2.5. Tích hợp các mặt cắt sông vào lớp sông suối trên nền DEM: ..................................................................................................... 45 4.2.6. Xử lý các số liệu khác:........................................................ 46 Chƣơng 5. NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG TÍNH TOÁN CỦA MÔ HÌNH BẰNG KỸ THUẬT LỌC KALMAN .......................................................................... 47 5.1. Quá trình cần đánh giá (ƣớc lƣợng) [13]: ......................................... 47 5.2. Các vấn đề tính toán (bản chất tính toán) của lọc Kalman [13]; [17]: ............................................................................................................... 49 5.2.1. Định nghĩa về các ƣớc lƣợng tiên nghiệm và hậu nghiệm: .. 49 5.2.2. Bƣớc dự báo – cập nhật (ƣớc lƣợng tiên nghiệm): .............. 49
5 5.2.3. Bƣớc hiệu chỉnh (ƣớc lƣợng hậu nghiệm): .......................... 51 5.2.4. Tìm Kalman gain (blending factor) K: ................................ 52 5.3. Thuật toán lọc Kalman rời rạc: ........................................................ 55 5.3.1.Cập nhật theo thời gian – dự báo (ƣớc lƣợng tiên nghiệm) (predict): ...................................................................................... 55 5.3.1.1. Phép tính s 1: ......................................................... 55 5.3.1.2. Phép tính số 2: ....................................................... 55 5.3.2. Cập nhật theo đo đạc – chỉnh sửa (ƣớc lƣợng hậu nghiệm) (correct): ...................................................................................... 56 5.3.2.1. Phép tính số 3: ....................................................... 56 5.3.2.2. Phép tính số 4: ....................................................... 56 5.3.2.3. Phép tính số 5: ....................................................... 56 Chƣơng 6. CÁC KẾT QUẢ ỨNG DỤNG MÔ HÌNH KẾT NỐI MARINE VÀ IMECH1D ĐỂ DỰ BÁO LƢU LƢỢNG VÀO HỒ HÕA BÌNH ...................... 57 6.1. Kết quả kiểm tra bài toán mẫu cho 10 lƣu vực bộ phận: .................. 57 6.2. Sử dụng mô hình kết nối Marine-IMech1D để dự báo lại trận lũ năm 2006 và hiệu chỉnh các tham số của mô hình: ......................................... 58 6.2.1. Nhận định chung tình hình lũ sông Đà năm 2006: .............. 58 6.2.2. Kết quả tính toán dự báo lại cho trận lũ năm 2006 bằng mô hình kết nối MARINE-IMECH1D: .............................................. 58 6.3. Kết quả sử dụng mô hình kết nối Marine-IMech1D tác nghiệp cho mùa lũ năm 2009: ................................................................................... 61 KẾT LUẬN ...................................................................................................... 64 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ................................................. 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 67 Tiếng Việt .............................................................................................. 67 Tiếng Anh .............................................................................................. 67 Tiếng Pháp ............................................................................................. 68 PHỤ LỤC ........................................................................................................ 69 1. Kết quả kiểm tra bài toán mẫu cho 10 lƣu vực bộ phận của lƣu vực sông Đà bằng MARINE: ........................................................................ 69
6 2. Kết quả kiểm định bộ chƣơng trình tính toán thủy lực một chiều IMech1D bằng các bài toán kiểm định mẫu (Test Cases). ...................... 75 2.1. Kết quả kiểm định bộ chƣơng trình IMech1D bằng bài toán mẫu số 1: SÓNG XẢ TRONG KÊNH CHỮ NHẬT .................... 75 2.2. Kết quả kiểm định bộ chƣơng trình IMech1D bằng bài toán mẫu số 2: DÕNG CHẢY ÊM, ĐỀU TRONG KÊNH HÌNH CHỮ NHẬT .......................................................................................... 76 2.3. Kết quả kiểm định bộ chƣơng trình IMech1D bằng bài toán mẫu số 3: DÕNG CHẢY ĐỀU CÓ LƢU LƢỢNG PHỤ.............. 77 2.4. Kết quả kiểm định bộ chƣơng trình IMech1D bằng bài toán mẫu số 4: DÕNG CHẢY ĐỀU CÓ CÔNG TRÌNH ..................... 78 2.5. Kết quả kiểm định bộ chƣơng trình IMech1D bằng bài toán mẫu số 5: SÓNG ĐỘNG LỰC HỌC ............................................ 79 2.6. Kết quả kiểm định bộ chƣơng trình IMech1D bằng bài toán mẫu số 6: SÓNG KHUẾCH TÁN ................................................ 80 2.7. Kết quả kiểm định bộ chƣơng trình IMech1D bằng bài toán mẫu số 7: SÓNG ĐỘNG HỌC ..................................................... 81 2.8. Kết quả kiểm định bộ chƣơng trình IMech1D bằng bài toán mẫu số 8: SÓNG LŨ QUA HỒ CHỨA ........................................ 82 2.9. Kết quả kiểm định bộ chƣơng trình IMech1D bằng bài toán mẫu số 9: NHIỄU ĐỊA PHƢƠNG TRONG DÕNG CHẢY DỪNG 83 2.10. Kết quả kiểm định bộ chƣơng trình IMech1D bằng bài toán mẫu số 10: HÌNH HỌC KHÔNG ĐỀU TRONG DÕNG CHẢY DỪNG ......................................................................................... 84 2.11. Kết quả kiểm định bộ chƣơng trình IMech1D bằng bài toán mẫu số 11: DÕNG CHẢY KHÔNG DỪNG TRONG KÊNH CÓ LÕNG DẪN PHỨC HỢP ............................................................ 86 2.12. Kết quả kiểm định bộ chƣơng trình IMech1D bằng bài toán mẫu 12: PHÂN LƢU .................................................................... 89
7 MỞ ĐẦU Do ảnh hƣởng của tình trạng biến đổi khí hậu toàn cầu và hiện trạng khai thác, sử dụng đất trên bề mặt lƣu vực bị thay đổi nhiều nên lũ lụt trên hệ thống sông Đà đang có chiều hƣớng ngày một diễn biến phức tạp hơn. Chính điều này đã ngày một gây thêm nhiều khó khăn cho công tác dự báo lƣu lƣợng vào hồ Hòa Bình cũng nhƣ công tác phòng chống lụt bão và điều hành hồ chứa thủy điện Hòa Bình. Sông Đà là một hệ thống sông lớn và là chi lƣu lớn nhất trong ba chi lƣu của hệ thống sông Hồng. Lƣu lƣợng nƣớc đổ về sông Hồng phần lớn là từ sông Đà chảy về. Chính vì vậy sông Đà có ảnh hƣởng rất lớn đến tình trạng lũ lụt trên khu vực đồng bằng châu thổ sông Hồng. Để phòng chống lũ cho khu vực đồng bằng châu thổ sông Hồng và đặc biệt là chống lũ cho thành phố Hà Nội đòi hỏi phải kiểm soát đƣợc lũ sông Đà và vận hành công trình chống lũ hồ thủy điện Hòa Bình một cách hợp lý. Dự báo trƣớc lƣu lƣợng vào hồ Hòa Bình là một nhiệm vụ quan trọng. Bởi vì, để vận hành dƣợc hồ Hòa Bình phục vụ đa mục tiêu cần phải biết trƣớc đƣợc lƣu lƣợng vào hồ. Luận văn thạc sỹ này đƣợc đặt ra trong hoàn cảnh thực tế là cần phải xây dựng một công cụ cho phép dự báo trƣớc lƣu lƣợng vào hồ Hòa Bình từ các số liệu đầu vào đã biết bao gồm: - Các thông tin về lƣu vực sông Đà bị giới hạn nằm trên phần lãnh thổ Việt Nam. - Số liệu mƣa thực đo đã biết của các trạm đo trong lƣu vực. - Số liệu mƣa dự báo tại các trạm đo trong lƣu vực bởi các mô mình dự báo mƣa. - Lƣu lƣợng chảy vào từ phần lƣu vực thuộc lãnh thổ Trung Quốc. - Số liệu về lƣu lƣợng và mực nƣớc tại một số trạm đo trên hệ thống sông Đà và của hồ Hòa Bình. - Các thông số của hồ Hòa Bình, công trình thủy điện Hòa Bình - Thông tin về địa hình, hiện trạng sử dụng đất,… của lƣu vực sông Đà. - Các thông tin phụ trợ khác. Trên cơ sở đó nội dung của luận văn đƣợc đặt ra với mục tiêu là khai thác, sử dụng các mô hình toán tiên tiến mà thế giới hiện đang nghiên cứu phát triển
8 để xây dựng công cụ dự báo trƣớc lƣu lƣợng vào hồ Hòa Bình 48 giờ. Qua sự nghiên cứu, phân tích nhiều mô hình thủy văn và thủy lực khác nhau, cuối cùng mô hình thủy văn Marine và mô hình thủy lực IMech1D đƣợc lựa chọn để phát triển và kết nối thành mô hình kết nối Marine và IMech1D phục vụ bài toán dự báo lƣu lƣợng vào hồ Hòa Bình. Trên cơ sở đó nội dung của luận văn bao gồm 6 chƣơng chính là: Chƣơng 1: trình bày các thông tin tổng quan về đề tài bao gồm, thông tin về lƣu vực nghiên cứu, các thông tin về mô hình thủy văn, thủy lực đƣợc lựa chọn nghiên cứu. Chƣơng 2: Nghiên cứu cơ sở khoa học và phát triển mô hình thủy văn tham số phân bố Marine. Chƣơng 3: Nghiên cứu cơ sở khoa học và khai thác mô hình thủy lực một chiều IMech1D. Chƣơng 4: Kết nối mô hình thủy văn Marine với mô hình thủy lực một chiều IMech1D thành một mô hình thống nhất. Ứng dụng mô hình này cho lƣu vực sông Đà để dự báo lƣu lƣợng vào hồ Hòa Bình Chƣơng 5: Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật lọc Kalman để nâng cao độ chính xác của mô hình đã kết nối Marine và IMech1D. Chƣơng 6: Trình bày các kết quả sử dụng mô hình kết nối Marine- IMech1D dự báo lƣu lƣợng vào hồ Hòa Bình trƣớc 48 giờ. Cuối cùng là phần kết luận và một số phụ lục.
9 Chương 1. ĐẶC ĐIỂM CỦA LƯU VỰC VÀ CỦA CÁC MÔ HÌNH LỰA CHỌN NGHIÊN CỨU 1.1. Đặc điểm địa lý tự nhiên, quy luật dòng chảy lũ trên lưu vực sông Đà và vai trò của hồ Hòa Bình [4]-[6]: Sông Đà có diện tích 52.900 km2, lƣu vực hẹp, kéo dài theo hƣớng tây bắc- đông nam tới 380km, rộng trung bình 80km, phần thuộc địa phận Việt Nam có diện tích là 26800km2, chiếm khoảng 50,7% diện tích toàn lƣu vực. Lòng chính ở thƣợng lƣu hẹp, nhiều thác ghềnh; ở hạ lƣu, lòng sông mở rộng, độ dốc sông trung bình là 3,58%. Độ cao bình quân lƣu vực là 965m, độ dốc bình quân là 36,8%. Đƣờng phân thủy phía đông của lƣu vực là dãy núi Hoàng Liên Sơn, Pu Luông với đỉnh cao từ 2500-3000m. Phía tây có dãy núi cao Phu Huổi Long, Phutama, Phu Tung và Phu Sang. Phía bắc có dãy núi cao Pusi-Lung và Ngũ Đài Sơn, phía đông nam là vùng núi thấp Ba Vì, Viên Nam và Đối Thôi. Địa hình lƣu vực là dạng núi và cao nguyên đều cao, chia cắt mạnh theo chiều thẳng đứng; các dãy núi, cao nguyên và thung lũng xếp song song theo hƣớng tây bắc- đông nam. 1.1.1. Đặc điểm mƣa gây lũ [4]: Sự sắp xếp song song của địa hình núi, cao nguyên và thung lũng sông có tác động rõ rệt tới khí hậu trên lƣu vực. Dãy núi cao Hoàng Liên Sơn - Puluông nhƣ một bức tƣờng tự nhiên ngăn cản và làm suy yếu ảnh hƣởng của gió đông bắc. Các dãy núi cao ở biên giới Việt-Lào lại tạo ra hiệu ứng fơn đối với gió mùa tây nam. Điều kiện địa hình và vị trí của lƣu vực đã qui định khí hậu với hai mùa: mùa đông khô lạnh, mùa hè nhiều mƣa ở vùng cao và khô nóng ở vùng thấp. Mƣa lớn trên lƣu vực thƣờng bắt đầu sớm, vào khoảng tháng VI, tháng VII. Vùng bắc và tây bắc là vùng núi cao có khí hậu ẩm ƣớt đến rất ẩm, lƣợng mƣa trung bình nhiều năm từ 1500 đến 2700mm, lƣợng mƣa mùa hè (tháng V- IX) chiếm tới trên 70% tổng lƣợng mƣa năm. Vùng núi thấp Sơn La-Mộc Châu, mùa hè chịu ảnh hƣởng của gió mùa tây nam, lƣợng mƣa trung bình năm thấp, chỉ 1100 đến 1500mm, trong đó lƣợng mƣa mùa hè dƣới 1000mm. Trên lƣu vực sông Đà tồn tại những trung tâm mƣa lớn nhƣ trung tâm mƣa ở sƣờn tây dãy Hoàng Liên Sơn thuộc các lƣu vực sông nhánh Nậm Na, Nậm Mu, lƣợng mƣa trung bình năm khoảng 2500mm (trên lƣu vực Nậm Na-
10 mƣa trung bình năm tới trên 2000mm : tại Phong Thổ lƣợng mƣa trung bình năm là 2202mm, PaTần 2997mm, Sình Hồ 2682mm; trên lƣu vực Nậm Mu lƣợng mƣa trung bình năm tới 2454mm, ở thƣợng lƣu lên tới 2700-2800mm). Tại vùng phía tây dãy Hoàng Liên Sơn thấy rõ qui luật lƣợng mƣa tăng theo độ cao lƣu vực, mƣa tập trung vào các tháng V-X, đặc biệt là các tháng VI-VIII; lƣợng mƣa mùa hè chiếm trên 90%, lƣợng mƣa các tháng VI-VIII chiếm 50- 60% lƣợng mƣa năm. Trung tâm mƣa lớn tại phần lƣu vực thuộc địa phận Việt Nam gần biên giới Việt-Trung là tâm mƣa lớn nhất, lƣợng mƣa năm thay đổi tùy từng vị trí từ 2400 đến 3000mm, mƣa tập trung nhiều nhất vào các tháng VI-VIII. 1.1.2 Đặc điểm dòng chảy lũ sông Đà [4]: Địa hình núi cao, chia cắt mạnh, độ dốc lớn, thung lũng sâu, hẹp với lƣợng mƣa lớn lại tập trung vào một vài tháng trong năm nên tạo điều kiện hình thành mạng lƣới sông dày đặc, ít sông lớn, hƣớng của các dòng sông suối trùng với hƣớng của lƣu vực. Mật độ sông suối lớn nhất ở vùng núi phía tây Hoàng Liên Sơn lên tới 1,5-1,7km/km2. Phía hữu ngạn sông Đà, do có lƣợng mƣa ít hơn đáng kể so với các vùng khác nên sông suối thƣa hơn, chỉ từ 0,5 đến 1,5km/km2, thƣờng dƣới 1,0km/km2. Trên sông Đà và các dòng sông nhánh nhƣ Nậm Na, Nậm Mu, các sông suối nhỏ đổ vào dòng chính thƣờng phân bố đều dọc sông. Vùng cao nguyên đá vôi mƣa ít, sông suối thƣa, dòng chảy nhỏ hơn. Nguồn sinh dòng chảy quan trọng nhất trên sông Đà nằm ở phần lƣu vực thuộc vùng biên giới Việt - Trung và vùng sƣờn phía tây dãy Hoàng Liên Sơn, nơi có môdun dòng chảy năm từ 30-40 l/s/km2 và hơn nữa. Ở các nơi khác trên lƣu vực, lƣợng dòng chảy thƣờng không vƣợt quá 20 l/s/km2 (biểu 1.3). Dòng chảy sông tập trung vào các tháng mùa lũ, chiếm tới 69-78% tổng lƣợng dòng chảy năm. Mùa lũ trên sông Đà thƣờng bắt đầu vào tháng V, kết thúc vào cuối tháng IX đầu tháng X. Lũ lớn nhất thƣờng xảy ra vào cuối tháng VII, nửa đầu tháng VIII. Dòng chảy lũ trên sông Đà lớn, tập trung nhanh và không đồng bộ ở các phần khác nhau của lƣu vực là một đặc điểm nổi bật nhất của dòng chảy sông Đà. Trong điều kiện địa lý tự nhiên thuận lợi cho dòng chảy lũ hình thành trên các phụ lƣu sông Đà, nhất là lƣu vực Nậm Na, Nậm Mu hai phụ lƣu lớn nhất bên tả ngạn, thƣờng xuất hiện những trận lũ đặc biệt lớn gây tác hại nghiêm
11 trọng. Mô đun dòng chảy lũ lớn nhất đạt tới 2000-3000 l/s/km2 - thuộc loại lớn nhất ở Việt Nam. Trên dòng chính, lƣợng dòng chảy lũ chiếm bình quân từ 77,6 đến 78,5% dòng chảy năm, dòng chảy tháng VIII- tháng có dòng chảy lớn nhất năm - chiếm tới 23,7% dòng chảy năm. Dòng chảy lũ sông Đà thuộc loại lớn nhất trên hệ thống sông Hồng. Mô đun đỉnh lũ tại Lai Châu là 324 l/s/km2 xảy ra vào các tháng VII năm 1966 và 428 l/s/km2 vào tháng VIII năm 1945. Mô đun đỉnh lũ tại Hòa Bình lên tới 454 l/s/km2 vào tháng VII năm 1964. Nhìn chung, trên đoạn sông từ Lai Châu về Hòa Bình thấy rõ quy luật tăng dần môdun dòng chảy cực đại khi diện tích lƣu vực tăng. Điều này chứng tỏ rằng lƣợng gia nhập đáng kể ở phần lƣu vực thuộc địa phận Việt Nam. Tại Lai Châu, biên độ lũ lớn nhất đạt tới 25 mét, cao nhất ở Việt Nam, với cƣờng suất lũ lên lớn nhất tới 77,4 cm/h. Dòng chảy lũ tập trung nhanh nhƣ vậy nên công tác dự báo thủy văn gặp khó khăn lớn, mà để giải quyết vấn đề này đòi hỏi phải có một mô hình tƣơng đối nhạy với qúa trình thay đổi dòng chảy trong sông. Trên cơ sở xác định thời gian truyền lũ trung bình ở các đoạn sông chính từ Mƣờng Tè về tới Hòa bình và trên các phụ lƣu chính Nậm Na, Nậm Mu,... thấy rằng, trong mùa lũ, thời gian truyền lƣu lƣợng có ít nhiều khác nhau khi lũ lên và lũ xuống, tuy nhiên trong tính toán và dự báo có thể lấy thời gian trung bình truyền lũ từ Lai Châu về tới Tạ Bú là 12-18 giờ, từ Tạ Bú về tới Hòa Bình là 12-24 giờ trong tự nhiên, hiện nay khi có hồ chứa Hòa Bình thời gian truyền lũ rút ngắn còn 6 - 12h tuỳ theo mực nƣớc hồ. Lƣu ý rằng, thời gian truyền lũ trên các đoạn sông chính và trên các phụ lƣu còn phụ thuộc vào vị trí tâm mƣa trên lƣu vực. Nhƣ vậy, với điều kiện kỹ thuật thủy văn và điều kiện thông tin khí tƣợng thủy văn hiện có thì thời gian dự kiến thực tế của dự báo lƣu lƣợng và mực nƣớc tại trạm Tạ Bú trên sông Đà không thể vƣợt quá 18 giờ, tại Hòa Bình - không vƣợt quá 36 giờ. Để kéo dài thời gian dự kiến của dự báo có thể sử dụng các thông tin về lƣợng mƣa dự báo trong thời gian dự kiến ở các phần lƣu vực khác nhau. Dự báo lƣợng mƣa trong 24 giờ và 48 giờ tới, trong điều kiện hiện nay, thƣờng kém chính xác cả về định tính và định lƣợng. Do vậy, những trị số dự báo lƣu lƣợng và mực nƣớc trên sông Đà với thời gian dự kiến trên 36 giờ chỉ nên dùng để tham khảo hoặc chỉ nên xem nhƣ những nhận định khả năng. 1.1.3. Vai trò của hồ Hòa Bình [4]: Hồ Hòa Bình là hồ thủy điện lớn đƣợc xây dựng với nhiều mục đích sử dụng khác nhau bao gồm: - Mục đích chống lũ
12 - Mục đích phát điện - Mục đích tƣới tiêu - Phục vụ phát triển giao thông đƣờng thủy -… Chính vì hồ có nhiều vai trò trong các lĩnh vực khác nhau nên việc vận hành hồ sao cho đảm bảo đƣợc lợi ích tối đa của các mục tiêu là công việc hết sức khó khăn. Để hỗ trợ công việc điều hành hồ cần phải nhiều thông tin hỗ trợ. Một trong các thông tin hỗ trợ vô cùng quan trọng đó là dự báo trƣớc lƣu lƣợng vào hồ. Đây là một trong những lý do mà tác giả chọn đề tài cho luận văn thạc sỹ của mình. 1.2. Tổng quan về mô hình thủy văn [3]-[5]: Hiện nay trên thế giới có rất nhiều mô hình thủy văn khác nhau. Các mô hình này có thể đƣợc phân thành hai loại chính đó là: - Mô hình thủy văn dạng hộp đen: Đây là các mô hình đƣợc xây dựng và phát triển từ rất lâu rồi. Các mô hình này chủ yếu đƣợc xây dựng trên cơ sở các công thức kinh nghiệm. Chính vì vậy các mô hình này đòi hỏi rất ít dữ liệu (thông tin đầu vào), nhƣng ngƣợc lại, việc sử dụng các mô hình này đòi hỏi phải có nhiều kinh nghiệm mới đạt đƣợc kết quả tốt. Loại các mô hình này rất thích hợp với điều kiện thiếu các thông tin đầu vào của lƣu vực. Ngày nay trên thế giới các mô hình loại này đã và đang đƣợc sử dụng rất hạn chế. Thế giới đang có su hƣớng chuyển sang sử dụng các mô hình hiện đại hơn đó là các mô hình thủy văn tham số phân bố (trình bày ở phần dƣới đây). - Mô hình thủy văn tham số phân bố: Đây là loại mô hình thủy văn đƣợc xây dựng trên cơ sở giải hệ phƣơng trình Saint Venant hai chiều. Loại mô hình này hiện đang đƣợc nghiên cứu phát triển và ứng dụng ở các nƣớc tiên tiến. Đây chính là su hƣớng phát triển của mô hình thủy văn. Mô hình thủy văn loại này đòi hỏi nhiều thông tin đầu vào, các thông tin phải chi tiết, chính xác. Kết quả tính của các mô hình này cũng ít bị phụ thuộc vào kinh nghiệm của ngƣời sử dụng. Trong thời kỳ phát triển của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là sự phát triển vƣợt bậc của công nghệ GIS thì mô hình thủy văn tham số phân bố là loại mô hình có ƣu thế sử dụng nhiều hơn. Các mô hình loại này đã và đang đƣợc phát triển có thể kể đến các mô hình sau: - GBHM (của Nhật) - Casd2D-SET (của Mỹ)
13 - Marine (của Pháp) - TopModel (của Mỹ) - SWAT (của Mỹ) - HydroTel (của Canada) - Và nhiều mô hình khác Trong các mô hình đó, mỗi mô hình có một số dặc điểm riêng khác nhau tùy từng mục tiêu của bài toán mà mô hình đó đặt ra. Marine là mô hình đƣợc xây dựng để giải quyết bài toán lũ lớn trên các lƣu vực có độ dốc cao. Đặc điểm nầy rất phù hợp với lƣu vực sông Đà, vì lƣu vực sông Đà có độ dốc lớn, lũ sông đà cũng lớn (trong mùa lũ) do lƣợng mƣa lớn. Hơn thế Viện Cơ học có toàn bộ mã nguồn của Marine nên có thể tiếp tục phát triển, tùy biến sao cho phù hợp với điều kiện của Việt Nam. Đây chính là lý do Marine đƣợc chọn để kết nối với IMech1D trong luận văn này. 1.3. Tổng quan về mô hình thủy lực [3]; [6]: Với mục tiêu là xây dựng đƣợc một bộ chƣơng trình tính toán thuỷ lực một chiều có khả năng mô phỏng đƣợc dòng chảy trong hệ thống sông phức tạp với các đặc điểm riêng biệt nhƣ hệ thống sông ở miền Bắc Việt Nam, cụ thể là hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình. Trong các năm 70, 80, 90 các nhà khoa học Việt Nam đã có nhiều nỗ lực để thực hiện việc này. Bộ chƣơng trình VRSAP (Vietnam River System And Plains) của Giáo sƣ, Anh hùng Lao động Nguyễn Nhƣ Khuê và cộng sự đƣợc đánh giá nhƣ là một thành tựu lớn trong việc xây dựng mô hình tính toán thuỷ lực một chiều cho hệ thống sông Hồng - Thái Bình. Tuy vậy, bộ chƣơng trình này đã đƣợc xây dựng trên nền của trình độ toán học, tin học của nƣớc ta ở những năm 80, còn phải chấp nhận nhiều giả thiết nên khả năng mô phỏng các đặc thù của dòng chảy trên hệ thống sông Hồng - Thái Bình của VRSAP còn hạn chế. Những năm qua, trong khuôn khổ của các dự án quốc tế, chúng ta có đƣợc một số chƣơng trình tính toán thuỷ lực một chiều đã đƣợc thƣơng mại hoá nhƣ WENDY (Hà Lan), MIKE (Đan Mạch). Vì các bộ chƣơng trình này đƣợc chuyển giao cho chúng ta không có mã nguồn và đi kèm một số lƣợng khóa cứng hạn chế nên việc sử dụng nhất là việc kết nối với các bộ chƣơng trình khác sẽ gặp nhiều vấn đề khó vƣợt qua. Gần đây nhiều chuyên gia thuỷ lực của ta đã khai thác bộ chƣơng trình tính toán thuỷ lực của Hoa Kỳ FLDWAV. Có thể nói bộ chƣơng trình FLDWAY đã
14 sử dụng 1 số thành tựu mới trong lĩnh vực toán học, thuỷ lực, tin học, nhƣng bộ chƣơng trình này chỉ mô phỏng cho hệ thống sông hình cây, trong khi đó hệ thống sông Hồng - Thái Bình lại có nhiều đoạn vòng. Các bộ chƣơng trình khác lấy tự do từ internet cũng đã đƣợc sử dụng nhƣ HEC, HEC-RAS. Trong khuôn khổ của đề tài "Nghiên cứu cơ sở khoa học cho các giải pháp tổng thể dự báo phòng tránh lũ lụt ở đồng bằng sông Hồng" nhóm nghiên cứu về lũ lụt của Viện Cơ học đặt ra nhiệm vụ là kế thừa các thành tựu của các tác giả khác và của nhóm trong thời gian trƣớc để xây dựng đƣợc một bộ chƣơng trình tính toán thuỷ lực một chiều IMech1D có khả năng mô phỏng đƣợc các đặc thù của dòng chảy trên hệ thống sông Hồng - Thái Bình: a) Quá trình lƣu lƣợng ở thƣợng lƣu đƣợc điều tiết bằng các hồ chứa lớn nhƣ Thác Bà, Hoà Bình, Sơn La, Tuyên Quang. b) Khi cần thiết phải vận hành công trình phân lũ đập Đáy, vận hành các khu chậm lũ Tam Thanh, Lập Thạch, Lƣơng Phú. c) Hệ thống sông Hồng - Thái Bình có nhiều đoạn vòng và nhiều khu bối. d) Ở các vùng gần cửa sông dòng chảy bị ảnh hƣởng bởi chế độ triều Biển Đông. Bộ chƣơng trình do nhóm đề tài xây dựng đã vƣợt qua đƣợc các bài toán kiểm định mẫu của các Phòng Thí nghiệm thuỷ lực lớn ở Châu Âu đề xuất và đƣợc hiệu chỉnh, kiểm định bằng số liệu của các trận lũ đã xảy ra cho các năm: 1996, 1999 và 2000. Trong mùa lũ từ năm 2002 đến nay, nhóm đề tài đã sử dụng bộ chƣơng trình để dự báo quá trình lũ trên hệ thống sông Hồng - Thái Bình. Kết quả dự báo lũ của nhóm đề tài đã đƣợc Uỷ ban Phòng chống lụt bão Trung ƣơng sử dụng để tham khảo khi ra các quyết định nhằm kiểm soát lũ trên hệ thống sông Hồng, Thái Bình. IMech1D đã đƣợc chính thức chuyển giao cho một số cơ quan để phục vụ công tac phòng chống lụt bão cho hệ thống sông Hồng sông Thái Bình và hệ thống sông Hƣơng ở Thừa Thiên Huế. Cụ thể là đã chuyển giao cho: - Cục phòng chống lụt bão và Quản lý Đê điều của Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn. - Trung tâm Dự báo Khí tƣợng Thủy văn trung ƣơng của Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng. - Trung tâm dự báo Khí tƣợng Thủy văn tỉnh Thừa Thiên Huế
15 - Chi cục Phòng chống lụt bão và Quản lý Đê điều tỉnh Thừa Thiên Huế Từ năm 2004 đến nay (2009) IMech1D đã đƣợc chính thức sử dụng trong công tác dự báo mực nƣớc các sông trong hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình trong mùa lũ (tác nghiệp) tại Viện Cơ học và Trung tâm Dự báo Khí tƣợng Thủy văn Trung ƣơng để hỗ trợ công tác điều hành các hồ chứa và phòng chống lụt bão.
16 Chương 2. PHẦN MỀM THỦY VĂN THAM SỐ PHÂN BỐ MARINE Marine là phần mềm thủy văn tham số phân bố, đƣợc nghiên cứu và phát triển bởi Viện Cơ học Chất lỏng Toulouse, Cộng hòa Pháp. Trong khuôn khổ dự án quốc tế FLOCODS, Marine đƣợc chuyển giao cho Viện Cơ học năm 2004. Từ đó tới nay Marine luôn đƣợc nghiên cứu cải tiến và phát triển cho phù hợp với điều kiện ứng dụng ở Việt Nam. Marine đã đƣợc sử dụng để nghiên cứu tính toán cho nhiều lƣu vực sông ở Việt Nam. Trên thế giới Marine đƣợc đánh giá cao và đƣợc khai thác sử dụng ở nhiều nƣớc nhƣ Pháp, Hà Lan, Brasin,… 2.1. Cơ sở khoa học của phần mềm thủy văn tham số phân bố Marine: 2.1.1. Mô hình dòng chảy trên bề mặt lƣu vực [3]; [5]; [6]; [8]: MARINE mô phỏng quá trình hình thành dòng chảy sinh ra bởi mƣa trên lƣu vực dựa trên phƣơng trình bảo toàn khối lƣợng: V  u.grad (V)  P0 t (2.1) Trong đó: V: là thể tích khối chất lỏng xét. U: là vận tốc của dòng chảy giữa các ô lƣới. P0: là lƣợng mƣa. Vì: u.grad(V)  div(V.u)  V.div(u) Với chất lỏng không nén đƣợc ta có div (u)  0 , sử dụng công thức Green- Ostrogradski  div(m.u).dS   m.u.n.d S  V  t .dS   V.u.n.d   P0 Từ (2.1) suy ra : S  S (2.2) Vận tốc của dòng chảy trao đổi giữa các ô đƣợc tính theo công thức: H 2/3 (2.3) u  pente . Km Vì lƣới sử dụng để tính toán là lƣới vuông (DEM) nên thay biểu thức vận tốc vào phƣơng trình tích phân ta thu đƣợc:
17 4 H 5j / 3 t H   (2.4) . pente.  P0 .t j1 Km x Trong đó: Pente: độ dốc; Km: hệ số nhám Manning x: chiề u rô ̣ng ô lƣới t : Bƣớc thời gian tính j: Hƣớng chảy của ô lƣới (j =1  4) H: Độ sâu mực nƣớc của ô lƣới tính. H: Sự thay đổ i mực nƣ ớc của ô lƣới tính từ thời điể m t 1 đến t2 Đây chính là phƣơng trình tính sự biến thiên mực nƣớc theo thời gian của mỗi ô lƣới. Từ sự biến thiên mực nƣớc H của mỗi ô lƣới ta tính đƣợc tổng lƣu lƣợng trao đổi của mỗi ô (bao gồm lƣu lƣợng nhận từ mƣa, lƣu lƣợng chảy vào và lƣu lƣợng chảy ra) tại mỗi bƣớc tính chính bằng sự biến thiên thể tích nƣớc chứa trong ô. Q=H*dx*dx Trong đó: dx là kích thƣớc của lƣới tính. Đối với lƣu vực kín, lƣu vực chỉ có một điểm thoát nƣớc, tại điểm thoát nƣớc của lƣu vực ta luôn có lƣu lƣợng ra khỏi lƣu vực là: q=Q Đối với lƣu vực hở, lƣu vực nằm dọc hai bên bờ sông nên có nhiều điểm thoát nƣớc. Với trƣờng hợp này lƣu lƣợng ra khỏi lƣu vực là tổng lƣu lƣợng trao đổi của các điểm thoát nƣớc: q=∑Q=∑H*dx*dx Nhƣ vậy kết quả quá trình tính toán của MARINE cho ta lƣu lƣợng ra của các lƣu vực. Đây chính là thành phần ra nhập dòng bên q cần trong mô hình thủy lực IMECH-1D. 2.1.2. Mô hình thấm Green Ampt [12]; [16]: Mô hiǹ h MARINE tin ́ h toán thấ m dƣ̣a trên lý thuyế t thấ m Green Ampt từ phƣơng trình liên tục và định luật Darcy. Độ sâu thấm tích lũy tiềm năng đƣợc tính bằng phƣơng trình Green - Ampt:  F (t )  F (t )  1    kt (2.5)     Trong đó: F(t) là độ sâu luỹ tích của nƣớc thấm vào trong đất
18 : Cột nƣớc mao dẫn của mặt ƣớt  = -i với  là độ rỗng của đất , i là độ ẩm của đất k: Độ dẫn thuỷ lực Phƣơng trình (2.5) là phƣơng trình phi tuyến, ta có thể giải bằng phƣơng pháp thay thế liên tiếp, hoặc phƣơng pháp lặp Newton. Trong trƣờng hợp độ sâu lớp nƣớc đọng ho không thể bỏ qua ta phải thay thế  bằng giá trị  - ho trƣớc khi giải. Sau khi tìm đƣợc độ sâu thấm tích lũy tiềm năng F(t) ta xác định đƣợc tốc độ thấm tiềm năng  f  k(  1) F (2.6) Theo định luật Darcy ta xác định đƣợc lƣu lƣợng thấm của mỗi ô lƣới sẽ là: qthấm = f*dx*dx Trƣớc khi sinh nƣớc đọng (t < tp) cƣờng độ mƣa nhỏ hơn tốc độ thấm tiềm năng và mặt đất chƣa bão hòa. Quá trình nƣớc đọng trên mặt đất bắt đầu xảy ra khi cƣờng độ mƣa vƣợt quá cƣờng độ thấm tiềm năng (t = tp) lúc đó đất ở trạng thái bão hòa. Khi quá trình mƣa tiếp tục (t > tp), vùng bão hòa trên mặt đất lan dần xuống tầng đất sâu hơn và dòng chảy trên mặt đất bắt đầu xuất hiện từ lƣợng nƣớc đọng. Thấm đƣợc chia 3 thời kỳ: Trƣớc khi xuất hiện nƣớc đọng, toàn bộ lƣợng mƣa đều thấm xuống đất (t < tp).Tốc độ thấm tiềm năng là một hàm của lƣợng thấm tích lũy F (t = tp). Nƣớc đọng xuất hiện khi tốc độ thấm tiềm năng nhỏ hơn hoặc bằng cƣờng độ mƣa i (t > tp). Khi t = tp, lƣợng thấm tích lũy tại thời điểm sinh nƣớc đọng tp đƣợc tính bởi công thức: Fp = i*tp nên f = i  Thay vào (2.6) có: i  k (  1) it p  dẫn tới tp  k (2.7) i(i  K ) Sau khi có nƣớc đọng, lƣợng thấm tích lũy đƣợc tính theo công thức:   F F  Fp  ln( )  k (t  t p ) (2.8)   Fp
19 P0 (mƣa) Cấ u trúc lƣu vƣ̣c (đô ̣ cao điạ hình, Thấ m - Green Ampt đấ t, thảm phủ) Liên kế t các ô lƣới, tính Dòng chảy mặt Lớp nƣớc đọng Q trao đổ̉̉ i giƣ̃a các ô tại ô lƣới Quá trình Q~t ta ̣i cƣ̉a ra của lƣu Dòng chảy sát mặt vƣ̣c hoặc nút đăng ký tại ô lƣới Hình 2.1: Sơ đồ mô tả mô hình MARINE Nhƣ vậy, tại mỗi bƣớc thời gian mô đun thấm cho ta lƣu lƣơng thấm q thấm của mỗi ô chứa. Với trƣờng hợp tính toán MARINE có sử dụng mô đun thấm tại mỗi bƣớc thời gian tổng lƣu lƣợng trao đổi của mỗi ô bao gồm lƣu lƣợng nhận từ mƣa, lƣu lƣơng chảy vào, lƣu lƣợng chảy ra và lƣu lƣợng thấm: Q=H*dx*dx - qthấm 2.2. Cấu trúc dữ liệu trong Marine [16]: Trong Marine dữ liệu đƣợc đƣa vào dƣới dạng các lớp dữ liệu chồng lên nhau. Mỗi lớp dữ liệu chứa một loại thông tin khác nhau. Các lớp dữ liệu đƣợc để ở dạng raster, sử dụng mã ASCII để lƣu trữ. Các lớp thông tin vào của mô hình gồm có: - Lớp Thông tin về địa hình: Đây là lớp thông tin qua trọng nhất vì nó trực tiếp ảnh hƣởng đến vận tốc dòng chảy, hƣớng của dòng chảy. - Lớp thông tin về hiện trạng sử dụng bề mặt lƣu vực: Lớp thông tin này phản ánh độ nhám của bề mặt lƣu vực, nó trực tiếp quyết định đến hệ số cản của dòng chảy trên bề mặt lƣu vực. - Lớp thông tin về phân loại đất trên bề mặt lƣu vực: Lớp thông tin này trực tiếp ảnh hƣởng đến cƣờng độ thấm của dòng chảy trên bề mặt lƣu vực. Với mỗi loại đất sẽ có 3 lớp thông tin cần đƣa vào mô hình (theo yêu cầu của phƣơng pháp tính tổn thất Green Ampt). Nhƣ vậy có nghĩa là các thông tin về đất đƣợc chứa trong ba lớp dữ liệu. - Lớp thông tin về hệ thống sông suối và mặt cắt của sông suối.
20 - Lớp thông tin về mƣa: Đây là lớp thông tin động, vì giá trị của lớp thông tin này luôn thay đổi theo thời gian. Chính vì vậy sẽ có nhiều lớp thông tin về mƣa đƣợc đƣa vào, thời gian thay đổi lớp thông tin mƣa chính là ốp thời gian đo mƣa trên lƣu vực. - Lớp thông tin quan trắc về lƣu lƣợng tại các vị trí kiểm tra và xuất số liệu trong mô hình. 1. Độ cao và độ dốc 1 Bản đồ DEM 50m 2. Mạng lƣới sông 3. Phân chia tiểu lƣu vực Bản đồ Đất dạng số 1. Phân loại đất 2 2. Độ ẩm đất Bản đồ Thảm phủ 1. Lớp phủ thực vật 3 2. Lƣợng trữ nƣớc mặt dạng số Mƣa quan trắc Phân bố mƣa theo 4 không gian 5 Đo đạc lòng sông Mặt cắt ngang 6 Quan trắc lƣu lƣợng vào Dòng chảy trong sông Hình 2.2: Các lớp thông tin yêu cầu của Marine
21 Hình 2.3: Cấu trúc các lớp dữ liệu trong Marine