ứng dụng mike nam và mike basin tính toán toán dòng chảy và cân bằng nước

Chia sẻ: Nguyễn Xuân Hòa | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:0

Thêm vào BST

Báo xấu

253
lượt xem 80
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

ứng dụng mike nam và mike basin tính toán toán dòng chảy và cân bằng nước

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: ứng dụng mike nam và mike basin tính toán toán dòng chảy và cân bằng nước

Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy và cân bằng nước MỤC LỤC PHẦN I ỨNG DỤNG MÔ HÌNH NAM TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA MÔ HÌNH NAM...................................................................................................4 1.1. GIỚI THIỆU MÔ HÌNH NAM.........................................................................4 1.1.1. Quá trình hình thành mưa, dòng chảy .......................................................4 1.1.1.1. Quá trình mưa............................................................................4 1.1.1.2. Quá trình tổn thất ......................................................................4 1.1.1.3. Quá trình tập trung nước trên sườn dốc và trong sông ...........5 1.1.1.4. Mô hình hóa quá trình mưa dòng chảy.....................................5 1.1.1.5. Các loại mô hình hóa mưa dòng chảy ......................................5 1.1.2. Giới thiệu mô hình Nam ............................................................................5 1.1.2.1. Khái quát về mô hình NAM .......................................................6 1.1.2.2. Cấu trúc mô hình .......................................................................6 1.2. PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA MÔ HÌNH. ..................................................7 1.2.1. Phân tích thủy văn.....................................................................................7 1.2.2. Dự báo lũ ....................................................................................................7 1.2.3. Kéo dài số liệu dòng chảy..........................................................................7 1.2.4. Dự báo dòng chảy kiệt ...............................................................................7 CHƯƠNG 2. HIỆU CHỈNH VÀ XÁC ĐỊNH BỘ THÔNG SỐ MÔ HÌNH NAM...................................................................................................8 2.1. CÁC TÀI LIỆU DÙNG HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH. .......8 2.2. PHÂN CHIA CÁC TRẠM MƯA PHỤ TRÁCH CÁC TIỂU LƯU VỰC. .8 2.3. CÁC THÔNG SỐ CẦN HIỆU CHỈNH ...........................................................9 2.4. NHỮNG ĐIỀU KIỆN BAN ĐẦU. ..................................................................10 2.5. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG.............................................................11 2.6. CHẠY MÔ HÌNH. ............................................................................................11 1 Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com
Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy và cân bằng nước 2.6.1. Các file cần có để chạy mô hình Nam.....................................................11 2.6.2. Nhập dữ li ệu. ............................................................................................12 CHƯƠNG 3. SỬ DỤNG BỘ THÔNG SỐ MÔ HÌNH TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY CHO CÁC TIỂU LƯU VỰC KHÁC .............................27 3.1. CÁC TÀI LIỆU DÙNG TRONG TÍNH TOÁN. ..........................................27 3.2. PHÂN CHIA CÁC TRẠM MƯA PHỤ TRÁCH CÁC TIỂU LƯU VỰC.27 3.3. CHUẨN BỊ DỮ LIỆU ĐỂ CHẠY MÔ HÌNH...............................................27 3.3.1. Chuẩn bị dữ liệu bốc hơi và mưa. ...........................................................27 3.3.2. File dữ liệu mưa dòng chảy .....................................................................27 3.3.3 . Nhập dữ liệu cho Nam ............................................................................28 3.4. CHẠY MÔ HÌNH .............................................................................................28 PHẦN II ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE BASIN TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NƯỚC CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU MÔ HÌNH.................................................................37 CHƯƠNG 2. CHẠY MÔ HÌNH MIKE BASIN...................................................39 2.1. TẠO DỰ ÁN ......................................................................................................39 2.2. PHÂN CHIA LƯU VỰC..................................................................................41 2.2.1. Tính toán hướng dòng chảy ..................................................................41 2.2.2. Phân chia lưu vực ..................................................................................45 2.3. CÂN BẰNG NƯỚC. .........................................................................................53 2.3.1. Chuẩn bị dữ li ệu cần nhập vào mô hình. ..............................................53 2.3.2. Nhập dữ li ệu vào mô hình.....................................................................65 2.3.3. Chạy mô phỏng mô hình .......................................................................73 2 Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com
Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy và cân bằng nước PHẦN I ỨNG DỤNG MÔ HÌNH NAM TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY 3 Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com
Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy và cân bằng nước CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA MÔ HÌNH NAM 1.1. GIỚI THIỆU MÔ HÌNH NAM. 1.1.1. Quá trình hình thành mưa, dòng chảy Sau một trận mưa rơi trên lưu vực, kết quả tại mặt cắt cửa ra ta thu được quá trình lưu lượng, là kết quả tổng hợp của nhiều quá trình xảy ra đồng thời. Như vậy từ khi có mưa rơi xuống đến khi có lượng dòng chảy ở mặt cắt cửa ra đã xảy ra các quá trình − Quá trình mưa − Quá trình tổn thất − Quá trình hình thành dòng chảy trên sườn dốc − Quá trình tập trung nước trên sườn dốc và trong sông 1.1.1.1. Quá trình mưa Mưa là một quá trình quan trọng đóng vai trò chính trong sự hình thành dòng chảy trên lưu vực. Lượng mưa và quá trình mưa quyết định lưu lượng và quá trình dòng chảy 1.1.1.2. Quá trình tổn thất Tổn thất cũng là một quá trình phức tạp, nhiều thành phần và chịu ảnh hưởng của nhiều nhân tố khác nhau. Tổn thất bao gồm các thành phần sau: 4 Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com
Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy và cân bằng nước − Tổn thất tích đọng: gồm tổn thất tích đọng bề mặt và tổn thất tích đọng trong điền trũng. − Tổn thất do thấm: là tổn thất lớn nhất, nó chiếm phần lớn tổn thất lưu vực khi mưa xảy ra. − Tổn thất bốc hơi: bao gồm bốc hơi mặt đất, mặt nước và bốc thoát hơi nước thực vật. 1.1.1.3. Quá trình tập trung nước trên sườn dốc và trong sông Tốc độ chảy trên sườn dốc phụ thuộc vào các yếu tố như: − Lớp dòng chảy sườn dốc (lớp nước mưa hiệu quả) − Độ dốc sườn dốc − Độ nhám sườn dốc 1.1.1.4. Mô hình hóa quá trình mưa dòng chảy. 1.1.1.5. Các loại mô hình hóa mưa dòng chảy Hiện nay các mô hình tính dòng chảy từ số liệu mưa có rất nhiều loại: − Các mô hình kiểu bể chứa: mô hình TANK, SSARR, NAM..vv. − Các mô hình kiểu lũ đơn vị như mô hình HEC-HMS − Các mô hình phát triển công thức căn nguyên dòng chảy như mô hình quan hệ (Rational model), tỷ lệ thời gian và diện tích (Time – Area model) Các mô hình tính dòng chảy từ số liệu mưa thường được dùng để khôi phục, bổ sung số liệu dòng chảy khi biết số liệu mưa, phục vụ thiết kế các công trình trên sông, tính toán nguồn nước phục vụ quy hoạch thuỷ lợi và tính toán dự báo dòng chảy lũ. 5 Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com
Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy và cân bằng nước 1.1.2. Giới thiệu mô hình Nam 1.1.2.1. Khái quát về mô hình NAM Cùng với việc tiếp cận và áp dụng các công nghệ tiên tiến trong nước cũng như nước ngoài, năm 2002 với sự hợp tác của chính phủ 2 nước (Việt Nam-Đan Mạch), bộ mô hình họ MIKE được giới thiệu, giảng dạy và áp dụng cho một số lưu vực của Việt Nam. Bộ mô hình MIKE là một phần mềm tiên tiến đã được áp dụng, quảng bá tại nhiều nước trên thế giới và đã được dịch ra nhiều thứ tiếng như Tây Ban Nha, Trung Quốc, Nhật Bản và hiện đang được dịch sang tiếng Việt. Bộ mô hình bao gồm các mô hình với các chức năng tính toán khác nhau như mô hình NAM, MIKE BASIN, MIKE 11, MIKE FLOOD, MIKE 21C, MIKE MOUSE… Mô hình thuỷ văn NAM mô phỏng quá trình lượng mưa - dòng chảy mặt xảy ra trong phạm vi lưu vực sông. NAM là từ viết tắt của tiếng Đan Mạch “NedborAfstromnings-Model”, có nghĩa là mô hình giáng thuỷ dòng chảy. Mô hình này đầu tiên do Khoa Tài nguyên nước và Thuỷ lợi của trường Đại học Đan Mạch xây dựng (Nielsen và Hansen, 1973) và tiếp tục được Viện Thuỷ lực Đan Mạch (DHI) nâng cấp và ứng dụng cho rất nhiều dự án kỹ thuật thuỷ văn ở nhiều vùng khí hậu khác nhau trên thế giới. NAM hình thành nên một phần môđun lượng mưa - dòng chảy (RR - Rainfall Runoff) của bộ mô hình MIKE11. Mô đun mưa - dòng chảy (RR) có thể áp dụng độc lập hoặc sử dụng để trình bày một hoặc nhiều lưu vực tham gia, tạo ra dòng chảy bổ sung vào mạng lưới sông. Theo cách này thì việc thực hiện xử lý một lưu vực sông nhỏ riêng lẻ hoặc xử lý một lưu vực sông lớn có chứa nhiều lưu vực sông nhỏ và một mạng lưới sông ngòi phức tạp trong một khung công việc lập mô hình đều có thể thực hiện. 1.1.2.2. Cấu trúc mô hình Cấu trúc mô hình NAM được thể hiện trong hình 1, nó mô phỏng các tầng chứa nước trong chu trình thuỷ văn. NAM mô phỏng quá trình mưa-dòng chảy bằng việc tính toán liên tục lượng nước trong bốn bể chứa có quan hệ với nhau mà chúng diễn tả các thành phần vật lý khác nhau trong lưu vực. Những bể chứa này bao gồm: bể chứa tuyết, bể chứa mặt, bể chứa tầng sát mặt (vùng rễ cây) và cuối cùng là bể chứa ngầm. Trên cơ sở đầu vào khí tượng, NAM tạo ra được dòng chảy cũng như thông tin về các thành phần của tầng đất trong chu trình thuỷ văn, như sự biến đổi theo thời gian của lượng bốc thoát hơi nước, lượng ẩm của đất, quá trình thấm vào nước ngầm, mực nước ngầm v.v... Kết quả dòng chảy lưu vực được tách ra thành dòng chảy mặt, dòng chảy sát mặt và dòng ngầm. NAM xử lý mỗi lưu vực như là một đơn vị đơn lẻ. Do đó, các thông số và các biến diễn tả giá trị trung bình cho toàn bộ lưu vực. Một số thông số mô hình có thể được đánh giá từ các số liệu vật lý lưu vực, nhưng kết quả cuối cùng phải được xác định bằng việc hiệu chỉnh mô hình. Dữ liệu đầu vào của mô hình là mưa, bốc hơi tiềm năng, và nhiệt độ (chỉ áp dụng cho vùng có tuyết). Kết quả đầu ra của mô hình là dòng chảy trên lưu vực, mực nước ngầm và các thông tin khác trong chu trình thuỷ văn, như sự thay đổi tạm 6 Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com
Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy và cân bằng nước thời của độ ẩm của đất và khả năng bổ sung nước ngầm. Dòng chảy lưu vực được phân một cách gần đúng thành dòng chảy mặt, dòng chả y sát mặt và dòng chảy ngầm. Hình 1. Sơ đồ cấu trúc của mô hình NAM 1.2. PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA MÔ HÌNH. 1.2.1. Phân tích thủy văn − Phân phối dòng chảy − Ước tính thấm và bốc hơi 1.2.2. Dự báo lũ − Dòng chảy lưu vực nhỏ đổ vào mô hình sông − Liên kết với các mô hình khí tượng. 1.2.3. Kéo dài số liệu dòng chảy − Phục hồi những số liệu bị thiếu − Cơ sở xác định các giá trị cực đoan. 1.2.4. Dự báo dòng chảy kiệt − Phục vụ tưới − Quản lý chất lượng nước 7 Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com
Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy và cân bằng nước CHƯƠNG 2 HIỆU CHỈNH VÀ XÁC ĐỊNH BỘ THÔNG SỐ MÔ HÌNH NAM 2.1. CÁC TÀI LIỆU DÙNG HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH. − Tài liệu địa hình: Sử dụng bản đồ cao độ số (Dem) để phân chia các tiểu lưu vực hoặc tài liệu về diện tích các tiểu lưu vực. − Tài liệu mưa ngày (4-11 năm) vùng hiệu chỉnh và kiểm định mô hình . − Tài bốc hơi tháng các trạm trong vùng hiệu chỉnh mô hình, 4 - 11 năm − Tài liệu lưu lượng thực đo ngày của trạm thủy văn, 3 – 10 năm 2.2. PHÂN CHIA CÁC TRẠM MƯA PHỤ TRÁCH CÁC TIỂU LƯU VỰC. − Lượng mưa phân phối không đồng đều theo không gian và theo độ cao. Những lưu vực có diện tích càng lớn thì sự phân phối lượng mưa càng không đồng đều − Càng sử dụng nhiều trạm đo mưa gần lưu vực nghiên cứu thì kết quả hiệu chỉnh càng chính xác. − Để phân chia trạm đo mưa phụ trách cho các tiểu lưu vực có nhiều cách tuy nhiên chúng ta có thể phân chia theo phương pháp thiessen. Phương pháp đa giác thiessen Cơ sở của phương pháp là coi lượng mưa đo được ở một vị trí nào đó trên lưu vực chỉ đại diện cho lượng mưa của một khu vực nhất định quanh nó. Diện tích của khu vực đó được khống chế bởi các đường trung trực của các đoạn thẳng nối liền các trạm với nhau. Cách làm cụ thể như sau: nối các trạm đo mưa trên bản đồ thành những tam giác sao cho các cạnh của tam giác đó không cắt nhau. Sau đó vẽ đường trung trực của các tam giác đó, các đường này tạo thành những đa giác. Lượng mưa của các trạm đo nằm trong mỗi đa giác là lượng mưa bình quân của phần diện tích thuộc đa giác đó. 8 Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com
Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy và cân bằng nước Hình 2. Sơ đồ tính mưa bình quân lưu vực theo phương pháp đa giác Thiessen với 4 điểm đo mưa 1,2,3,4. − Sau khi phân chia lưu vực theo các trạm mưa theo phương pháp thiessen mà diện tích lưu vực vẫn còn lớn, trạm mưa không thể đại diện cho lưu vực đó, chúng ta có thể nhân hệ số vào lượng mưa ( dựa trên đường đẳng trị mưa và tham khảo các số liệu lưu lượng đã tính của các dự án khác) để tăng độ chính xác trong việc tính lưu lượng. 2.3. CÁC THÔNG SỐ CẦN HIỆU CHỈNH Mô hình NAM bao gồm 9 thống số chính cần hiệu chỉnh được trình bày chi tiết trong Bảng 1 dưới đây. Bảng 1. Bảng tổng hợp các thông số chính trong hiệu chỉnh mô hình Nam Thông số M ô tả thông s ố mô hình Lượ ng nước tối đa trong bể c hứa mặt. Lượng trữ này có thể đ ược gọi là lượng nước để điền trũ ng, rơi trên mặt thực vật, và chứa trong vài cm của Umax [mm] bề mặt c ủa đất. Giá trị thông thường: 10-25 mm Lượng nước tối đa trong bể chứa tầng rễ cây. Lmax có thể được gọi là lượng ẩm tố i đa của tầng rễ cây để thực vật có thể hút để thoát hơi nước. Giá trị Lmax [mm] thông thường : 50-250 mm Hệ số dòng chảy tràn trên mặt (0 ≤ CQOF ≤1). CQOF quyết định sự phân phối của mưa hiệ u quả cho dòng chảy ngầ m và thấm. Giá trị thông CQOF [ ] thường : 0,01 – 0,99 Hằng số thời gian dòng chả y sát mặt. CKIF cùng với Umax quyế t đ ịnh CKIF [giờ] dòng chảy sát mặ t. Nó chi phối thông số diễ n toán dòng chảy sát mặt CKIF >> CK12 9 Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com
Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy và cân bằng nước Hằ ng số thờ i gian cho diễn toán dòng chảy mặ t và sát mặ t. Dòng chảy CK12 [giờ] mặ t và sát mặt được diễn toán theo các bể chứa tuyế n tính theo chuỗ i vớ i c ùng mộ t hằng số thờ i gian CK12. Giá trị thông thường : 3 - 48 hours Giá trị ngưỡng của dòng chảy mặt (0 ≤ TOF ≤1). Dòng chả y mặt chỉ được TOF [ ] hình thành khi lượng ẩm tương đố i của đất ở tầng rễ cây lớn hơn TOF. Giá trị ngưỡng của dòng chảy sát mặt (0 ≤ TIF ≤1). Dòng chảy sát mặt chỉ được hình thành khi chỉ số ẩm tương đối của tầng rễ cây lớn hơn TIF. Giá trị TIF [ ] thông thường : 0,0 – 0,7 Giá trị ngưỡng của lượng nước bổ sung cho dòng chảy ngầm (0 ≤ TG ≤1). Lượ ng nước bổ sung cho bể chứa ngầ m chỉ được hình thành khi chỉ số ẩ m TG [ ] tương đối của tầng rễ cây lớn hơn dòng TG. Giá trị thông thường : 0,0 – 0,7 Hằ ng số thời gian dòng chả y mặt ngầ m. Dòng chảy ngầ m t ừ bể chứa CKBF [giờ] ngầ m được diễn toán bằng mô hình bể c hứa tuyế n tính vớ i hằ ng s ố thờ i gian CKBF. Giá tr ị thông thường : 500 - 5000 hours Khi thay đổi các thông số mô hình thì dòng chảy sẽ thay đổi theo 1 quy luật, kinh nghiệm của tôi khi thay đổi các thông số mô hình: Thông số Thay đổi Quy luật diễn biến Umax [mm] Tăng Thay đổi thêm một vài dạng đường cong đỉnh và đáy Lmax [mm] Tăng Đỉnh thấp hơn Tăng Đỉnh cao và đáy hạ thấp hơn CQOF [ ] CKIF [giờ] Thay đổi Hình dạng đường ít thay đổi CK12 [giờ] Càng nhỏ Đỉnh cao và thờ i gian lũ lên và xuống ngắn Càng nhỏ Thay đổi đỉnh và đáy càng lớn TOF [ ] Càng nhỏ Dòng chảy mùa hạ thay đổi rõ nét TIF [ ] Càng lớn Đỉnh thay đổ i càng lớn, đáy càng thấp TG [ ] CKBF [giờ] Càng lớn Càng lớn thì đường đáy mùa khô càng ít cong 2.4. NHỮNG ĐIỀU KIỆN BAN ĐẦU. Những điều kiện ban đầu theo yêu cầu của mô hình NAM bao gồm lượng nước trong bể tuyết, bể mặt, bể chứa tầng rễ cây, cùng với những giá trị ban đầu của dòng chảy từ 2 bể chứa tuyến tính cho dòng chảy mặt và sát mặt và dòng chảy ngầm Trong việc hiệu chỉnh mô hình, thông thường nên bỏ qua kết quả mô phỏng của nửa năm đầu tiên để loại bỏ những ảnh hưởng sai số của những điều kiện ban đầu. 10 Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com
Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy và cân bằng nước 2.5. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG. ∗ Đánh giá kết quả hiệu chỉnh theo biểu đồ giữa tính toán và thực đo. ∗ Đánh giá qua 2 thông số : Hệ s ố t ổng lượng và hệ s ố hiệu quả mô hình. Về tiêu chuẩn đánh giá kết quả mô phỏng, phương pháp thống kê được dùng để định lượng sai khác giữa chuỗi số liệu tính toán và thực đo để đánh giá khả năng mô phỏng của mô hình. Hai phương pháp thống kê được sử dụng để đánh giá độ tin cậy khi mô phỏng dòng chảy các vị trí có tài liệu thực đo trong các lưu vực sông của mô hình NAM gồm: ∑ Pi − ∑i =1 Oi N N i =1 Hệ số tổng lượng % : • .100% ∑i =1 Oi N ∑ (Oi − O ) 2 − ∑i =1 ( Pi − Oi ) 2 N N i =1 • Hệ số hiệu quả mô hình %: .100% ∑i =1 (Oi − O) 2 N Trong đó N là độ dài số liệu quan trắc, Oi là giá trị số liệu quan trắc thứ i, Pi số liệu tính toán thứ i, và O là bình quân số liệu quan trắc (i = 1 đến N). Ngoài các phương pháp thống kê, độ tin cậy của mô hình cũng được đánh giá bằng so sánh trên biểu đồ chuỗi số liệu tính toán và thực đo. Nếu diện tích lưu vực lớn mà ít trạm đo mưa thì đánh giá kết quả hiệu chỉnh mô hình vào mùa mưa và mùa khô. 11 Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com