Chương 1 trình bày đầy đủ các nội dung tổng quan về địa lý tự nhiên, đặc điểm khí tượng thủy văn, kinh tế xã hội của lưu vực. Đồng thời, qua các đặc điểm, thông số đặc trưng cơ bản của hồ Ea Dreh giúp nắm rõ hơn quy mô thiết kế hồ chứa, là cơ sở đầu vào cho mô hình HEC-ResSim để điều tiết hồ. Qua đó, có thể sơ bộ đánh giá được những thuận lợi và khó khăn về vấn đề khai thác sử dụng nước mà lưu vực phải đối diện với hiện tại cũng như trong tương lai. 13 CHƯƠNG 2 MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY ĐẾN HỒ BẰNG MÔ HÌNH MIKE NAM 2.
LỰA CHỌN MÔ HÌNH 2. Tổng quan mô hình thủy văn đang được sử dụng hiện nay Mô hình hệ thống thủy văn có thể là mô hình vật lý, mô hình tương tự hay mô hình toán học. Mô hình vật lý bao gồm các mô hình tỷ lệ - tức là các mô hình biểu thị hệ thống thật dưới dạng thu nhỏ như mô hình thủy lực của đập tràn. Mô hình tương tự là một mô hình vật lý khác có tính chất tương tự như mô hình nguyên thể, ví dụ như mô hình tương tự điện trong thủy lực.
Mô hình toán học miêu tả hệ thống dưới dạng toán học. Mô hình toán học là tập hợp các phương trình toán học, các mệnh đề logic thể hiện các quan hệ giữa các biến và các thông số của mô hình để mô phỏng hệ thống tự nhiên hay nói cách. Một số dạng đường đơn vị tổng hợp như Snyder, SCS, Clark. được nghiên cứu xây dựng khác mô hình toán học là một hệ thống biến đổi đầu vào (hình dạng, điều kiện biên, lực, …) thành đầu ra (tốc độ dòng chảy, mực nước, lưu lượng, …).
Các mô hình thủy văn có thể được dùng để xác định điều kiện biên cho mô hình thủy lực. Trong thủy văn có nhiều dạng hàm tập trung nước và có nhiều phương pháp xây dựng nữa. Phương pháp chảy đẳng thời dựa vào tốc độ chảy biến đổi để xác định diện tích chảy đằng thời, do đó xác định được đường tập trung nước. Phương pháp đường lưu lượng đơn vị lần đầu tiên do Sherman đề nghị, sau đó được nhiều tác giả phát triển và hoàn thiện.
Đường tập trung nước của Kalinin - Miliukov và đường đơn vị Nash được xem sự điều tiết trong sông hay trong lưu vực tương đương với sự điều tiết của một hệ thống hồ chứa tuyến tính đồng nhất. Với giả thiết đó, tuy bước đi và cách giải quyết cụ thể có khác nhau, nhưng cả hai đều dẫn tới đường tập trung nước có dạng tương tự dạng hàm Gamma để tính toán cho lưu vực không có tài liệu quan trắc dòng chảy. [3,4] a) Mô hình đường đơn vị [5] Mô hình được Sherman đề xuất năm 1932, là một dạng mô hình thủy văn tất định hộp đen ra đời sớm nhất trên thế giới. Bản chất của phương pháp là xử lý hàm tập 14 trung nước bằng đường đơn vị.
Đường đơn vị được định nghĩa là đường quá trình dòng chảy trực tiếp được tạo ra bởi một đơn vị lượng mưa vượt quá thấm (hay mưa hiệu quả) phân bố đều trên lưu vực và có cường độ mưa không đổi trong khoảng thời gian mưa hiệu quả. Mối quan hệ lượng mưa vào và lượng dòng chảy ra của hệ thống được biểu đạt thông qua một hàm truyền, còn gọi là hàm tập trung nước hoặc hàm ảnh hưởng hoặc đường đơn vị tổng hợp. Hàm truyền thường được tính ngược từ tài liệu thực đo của lượng vào và lượng ra của hệ thống. Khi hàm truyền được xác định, lượng ra của hệ thống được tính theo tích phân Duhamel: Q(t) 0t h( ).1) Trong đó: Q(t): Lưu lượng tại thời điểm t bất kỳ; h(): Lượng mưa hiệu quả; f(t-): Hàm ảnh hưởng.
Có 3 phương pháp thường dùng để xác định đường đơn vị: - Xây dựng đường đơn vị trực tiếp từ tài liệu thực đo. - Tính toán đường đơn vị từ phương trình rời rạc của tích phân chập Duhamel. - Phương pháp đường đơn vị dạng Nash. Đường đơn vị tổng hợp.
Phương pháp này được áp dụng khi lưu vực không có tài liệu quan trắc dòng chảy. Có 3 dạng đường thường dùng là Snyder: Clark và SCS. - Đường đơn vị tổng hợp Snyder: Phương pháp do Snyder đề xuất năm 1938 dựa theo mối quan hệ giữa các đặc trưng hình dạng của một đường quá trình đơn vị chuẩn. Các đặc trưng của đường đơn vị cần xác định đối với thời gian mưa hiệu quả cho trước là: thời gian trễ TP; lưu lượng đỉnh trên một đơn vị diện tích của lưu vực qp; độ dài thời gian đáy tb và các chiều rộng W của đường quá trình tại các tung độ bằng 50%; 75%.
của lưu lượng đỉnh. Sử dụng các đặc trưng này có thể xác định được đường quá trình đơn vị theo yêu cầu. - Đường quá trình đơn vị Clark: Phương pháp này được đề xuất năm 1945, đòi hỏi phải xác định 3 yếu tố làm cơ sở cho tính toán đường đơn vị, đó là thời gian tập trung dòng chảy Tc; hệ số lượng trữ R và đường quan hệ thời gian ~ diện tích lưu vực. 15 - Đường đơn vị không thứ nguyên SCS: Phương pháp do Cơ quan Bảo vệ thổ nhưỡng Hoa Kỳ đề xuất năm 1972, cho phép tính đường đơn vị thông qua các đặc trưng lưu vực và giới hạn giữ nước tối đa trên lưu vực được tính từ phương pháp đường cong SCS.
Phương pháp này đơn giản và đã được áp dụng cho nhiều lưu vực sông suối ở nước ta. [5] b) Mô hình TANK [5] Mô hình TANK ra đời năm 1956 tại trung tâm quốc gia phòng chống ḷũ lụt Nhật Bản, tác giả là M. Lưu vực được mô tả như một chuỗi các bể chứa sắp xếp theo hai phương thẳng đứng và nằm ngang. Giả thiết cơ bản của mô hình: dòng chảy mặt c ̣ũng như dòng thấm là các hàm số của lượng nước trữ trong các tầng đất.
Mô hình có hai dạng cấu trúc đơn và kép. - Mô hình TANK đơn: Không xét sự biến đổi của độ ẩm đất theo không gian, phù hợp với những lưu vực nhỏ trong vùng ẩm ướt quanh năm. Lưu vực được mô tả bởi bốn bể chứa xếp theo chiều thẳng đứng. Mỗi bể chứa có một hoặc một vài cửa ra ở thành bên và một cửa ra ở đáy.
Lượng mưa rơi xuống mặt đất đi vào bể trên cùng. Sau khi khấu trừ tổn thất bốc hơi một phần sẽ thấm xuống bể dới theo cửa ra ở đáy, một phần cung cấp cho dòng chảy trong sông theo các cửa ra ở thành bên. Quan hệ giữa lượng dòng chảy qua các cửa với lượng ẩm trong các bể là tuyến tính.3) Trong đó: X: Lượng mưa H: Độ cao cửa ra thành bên β, α: Hệ số cửa ra đáy và thành bên Y, Y0: Dòng chảy tại cửa ra thành bên và đáy Mô hình TANK mô phỏng cấu trúc ẩm trong các tầng đất của lưu vực. Lượng dòng chảy hình thành từ các bể thể hiện đặc tính các thành phần dòng chảy mặt sát mặt và dòng chảy ngầm.
Dòng chảy hình thành từ tất cả các bể chứa mô tả sự biến dạng dòng chảy do tác dụng điều tiết của dòng sông là lớp nước có sẵn ban đầu trong sông. Mô hình TANK kép: Xét đến sự biến đổi độ ẩm của đất theo không gian. Lưu vực được chia thành các vành đai có độ ẩm khác nhau. Một vành đai được diễn tả bằng 16 một mô hình TANK đơn.
Về nguyên tắc số lượng vành đai có thể bất kỳ. Nhưng trong thực từ tính toán thờng lấy 4 vành đai mỗi vành đai có 4 bể, tổng cộng toàn mô hình có 16 bể chứa. Với sự mô phỏng này, trên toàn lưu vực có những phần ẩm, phần khô biến đổi theo quy luật nhất định. Khi mưa bắt đầu, phần lưu vực ẩm ướt sẽ phát triển từ khu hẹp ven sông lan dần đến những vùng cao hơn theo thứ tự S4, S3, S2, S1 (trong đó Si biểu thị vành đai thứ i so với toàn lưu vực).
Ngược lại, khi mùa khô bắt đầu do lượng ẩm ướt cung cấp ít dần hoặc không có, lưu vực sẽ khô dần từ những vành đai cao nhất đến vành đai thấp hơn theo thứ tự S1, S2, S3, S4. Trong cấu trúc kép, lớp nước tự do trong mỗi bể được chuyển động theo hai hướng: thẳng đứng và nằm ngang. Mỗi bể chứa nhận được nước từ phía bể trên cùng vành đai và từ bể phía trước ở cùng tầng. Đối với mô hình TANK kép thì còn có thêm các thông số Si (i = 1, 2, 3, 4).
[3,5,6] c) Mô hình SSARR [4,5] Mô hình SSARR do Rockwood đề xuất từ năm 1956. Khi xây dựng mô hình này, tác giả quan niệm rằng hệ thống sông ngòi dù phức tạp c ̣ũng chỉ gồm các thành phần cơ bản sau: các lưu vực sông nhỏ; các hồ chứa tự nhiên và nhân tạo; các đoạn sông. Do đó, tác giả xây dựng mô hình toán cho từng loại. Sau cùng tập hợp lại để có được một mô hình toán của cả hệ thống sông.
Các mô hình toán thành phần đều sử dụng hai phương trình cơ bản là phương trình liên tục và phương trình lượng trữ. [7] - Phương trình liên tục: 1 1 Qt1 Qt11t Qt2 Qt21t Wt 1 Wt (2.4) 2 2 - Phương trình lượng trữ: W = Ts.5) Trong đó: Ts - thời gian trữ nước; Chỉ số trên - vị trí mặt cắt; Chỉ số dưới - thời đoạn. Như vậy nếu biết được lưu lượng chảy vào trung bình, lưu lượng chảy ra ở đầu thời đoạn tính toán Q1 và thời gian trữ nước của hồ Ts thì có thể tính được lưu lượng chảy ra ở cuối thời đoạn tính toán Q2. [3,4,5] Các mô hình thành phần trong SSARR gồm có: - Mô hình lưu vực.
- Mô hình dòng chảy trong sông. - Mô hình hồ chứa. 17 - Mô hình hệ thống sông. d) Mô hình MIKE NAM [3,4,5] Mô hình thủy văn MIKE NAM mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy xảy ra tại phạm vi lưu vực sông.
MIKE NAM mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy bằng việc mô tả liên tục cho các thành phần trong 4 vùng trữ lượng tương tác lẫn nhau bao gồm: Trữ lượng tuyết, trữ lượng nước mặt, trữ lượng nước sát mặt, trữ lượng nước ngầm.