NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE TỪNG BƯỚC HOÀN THIỆN CÔNG NGHỆ DỰ BÁO LŨ SÔNG HỒNG – THÁI BÌNH

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE TỪNG BƯỚC HOÀN THIỆN CÔNG NGHỆ DỰ BÁO LŨ SÔNG HỒNG – THÁI BÌNH Lũ lụt là thiên tai lớn nhất đe dọa nước Việt Nam ta, nhất là ở miền Bắc vì tổn thất nhân mạng có...

i

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Đặng Thị Lan Phương

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE TỪNG BƯỚC

HOÀN THIỆN CÔNG NGHỆ DỰ BÁO LŨ

SÔNG HỒNG – THÁI BÌNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HÀ NỘI – 2012

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Đặng Thị Lan Phương

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE TỪNG BƯỚC

HOÀN THIỆN CÔNG NGHỆ DỰ BÁO LŨ

SÔNG HỒNG – THÁI BÌNH

Chuyên ngành: Thủy văn học

Mã số: 604490

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS LƯƠNG TUẤN ANH

HÀ NỘI - 2012

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU DỰ BÁO LŨ 4

1.1.Giới thiệu chung 4

1.2.Một số nghiên cứu dự báo lũ trên thế giới 4

1.3.Một số nghiên cứu dự báo lũ ở Việt Nam 6

1.4 Cơ sở lý thuyết của mô hình 12

1.4.1 Mô hình MIKE NAM 12

1.4.2 Mô hình thủy lực MIKE 11 – HD 19

1.4.3 Mô hình Mike 21 28

CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÀ LŨ LỤT HỆ THỐNG SÔNG HỒNG – THÁI BÌNH 30

2.1 Đặc điểm điều kiện tự nhiên 30

2.1.1 Vị trí địa lý 30

2.1.2 Địa hình 31

2.1.3 Địa chất 34

2.1.4 Thổ nhưỡng 36

2.1.5 Lớp phủ thực vật 38

2.2 Nguyên nhân hình thành và một số đặc điểm của chế độ mưa - lũ 36

2.2.1 Một số hình thế thời tiết chủ yếu gây mưa lớn 36

2.2.2 Chế độ mưa 38

2.2.3.Đặc điểm chung về chế độ dòng chảy 39

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE DỰ BÁO LŨ HỆ THỐNG SÔNG HỒNG – THÁI BÌNH 48

3.1 Sơ đồ thủy văn thủy lực trên hệ thống sông Hồng – Thái Bình 48

3.1.1 Sơ đồ thủy văn 48

3.1.2 Sơ đồ thủy lực 52

3.2 Điều kiện biên và điều kiện ban đầu 57

iv

3.3 Hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình thủy văn 58

3.4 Hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình thủy lực 63

3.4.1 Kết quả với phương pháp kiểm tra chéo 64

3.4.2 Kết quả với trường hợp phân cấp 81

3.5 Kết nối mô hình truyền triều và mô hình thủy lực trong sông 87

3.6 Dự báo thử nghiệm 89

3.6.1 Quy trình tiến hành dự báo 90

3.6.2 Cơ sở đánh giá chất lượng dự báo 91

3.6.3 Cập nhật sai số tính toán 92

3.6.4 Kết quả dự báo thử nghiệm 95

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 104

TÀI LIỆU THAM KHẢO 106

v

MỤC LỤC HÌNH

Hình 1 1 Sơ đồ lưới trạm dự báo thượng lưu sông Hồng 7

Hình 1 2 Sơ đồ tính toán thủy lực hệ thống sông Hồng – Thái Bình 9

Hình 1 3: Cấu trúc mô hình MIKE 12

Hình 1 4 Cấu trúc mô hình NAM 14

Hình 1 5 Nhánh sông với các điểm lưới xen kẽ 21

Hình 1 6 Hình dạng các điểm lưới xung quanh nút mà tại đó ba nhánh gặp nhau.21 Hình 1 7 Hình dạng các điểm lưới và các nút trong một mô hình hoàn chỉnh 22

Hình 1 8 Ma trận nhánh trước khi khử 23

Hình 1 9 Ma trận nhánh sau khi khử 24

Hình 1 10 Giao điểm của ba nhánh sông 24

Hình 2 1 Lưu vực sông Hồng - Thái Bình – phần Việt Nam 31

Hình 2 2 Địa hình lưu vực sông Hồng - Thái Bình - phần Việt Nam 32

Hình 2 3 Bản đồ thổ nhưỡng phần thuộc lãnh thổ Việt Nam trên lưu vực sông Hồng-Thái Bình 38

Hình 2 4 Bản đồ lượng mưa trung bình nhiều năm lưu vực sông Hồng-Thái Bình phần lãnh thổ Việt Nam 38

Hình 2 5 Mạng lưới sông ngòi và một số công trình trọng điểm trên sông thuộc lưu vực sông Hồng - Thái Bình 41

Hình 3 1 Bản đồ phân chia các lưu vực bộ phận cho lưu vực sông Hồng – Thái Bình (sơ đồ cũ) 48

Hình 3 2 Bản đồ phân chia các lưu vực bộ phận cho lưu vực sông Hồng – Thái Bình (sơ đồ mới) 51

Hình 3 3 Sơ đồ tính toán thủy văn trên hệ thống sông Hồng – Thái Bình 51

Hình 3 4 Các nhánh sông được cập nhật trong sơ đồ tính trên sông Đà 53

Hình 3 5 Các nhánh sông được cập nhật trong sơ đồ tính trên sông Hồng 53

Hình 3 6 Các nhánh sông được cập nhật trong sơ đồ tính khu vực Hải Phòng 54

Hình 3 7 Sơ đồ tính toán thủy lực hệ thống sông Hồng-Thái Bình 55

vi

Hình 3 8 Thông số các hồ chứa đã được cập nhật vào mô hình thủy lực 56 Hình 3 9 Đường quá trình mực nước thực đo và tính toán tại trạm Lai Châu, Tạ Bú năm 2007 60 Hình 3 10 Đường quá trình mực nước thực đo và tính toán tại trạm Lai Châu, Tạ

Bú năm 2009 61 Hình 3 11 Đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán đến hồ Sơn La, năm

2011 61 Hình 3 12 Đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán đến hồ Sơn La, năm

2010 61 Hình 3 13 Đường quá trình lưu thực đo và tính toán đến hồ Hòa Bình, năm 201162 Hình 3 14 Đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán đến hồ Hòa Bình, năm

2010 62 Hình 3 15 Đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán đến hồ Tuyên Quang, năm 2011 62 Hình 3 16 Đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán đến hồ Tuyên Quang, năm 2010 63 Hình 3 17 Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (HC2006) 69 Hình 3 18 Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ06-07) 69 Hình 3 19 Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ06-08) 70 Hình 3 20 Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ06-09) 70 Hình 3 21 Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ06-10) 70 Hình 3 22 Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ06-11) 71 Hình 3 23 Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (HC2007) 71 Hình 3 24 Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ07-06) 71 Hình 3 25 Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ07-08) 72 Hình 3 26 Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ07-09) 72 Hình 3 27 Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ07-10) 72 Hình 3 28 Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ07-11) 73 Hình 3 29 Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (HC2008) 73

vii

Hình 3 30 Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ08-10) 73 Hình 3 31 Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ08-07) 74 Hình 3 32 Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ08-09) 74 Hình 3 33 Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ08-10) 74 Hình 3 34 Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ08-11) 75 Hình 3 35 Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (HC2009) 75 Hình 3 36 Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ09-06) 75 Hình 3 37 Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ09-07) 76 Hình 3 38 Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ09-08) 76 Hình 3 39 Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ09-10) 76 Hình 3 40 Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ09-11) 77 Hình 3 41 Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (HC2010) 77 Hình 3 42 Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ10-06) 77 Hình 3 43 Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ10-07) 78 Hình 3 44 Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ10-08) 78 Hình 3 45 Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ10-09) 78 Hình 3 46 Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ10-11) 79 Hình 3 47 Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (HC2011) 79 Hình 3 48 Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ11-06) 79 Hình 3 49 Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ11-07) 80 Hình 3 50 Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ11-08) 80 Hình 3 51 Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ11-09) 80 Hình 3 52 Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ11-09) 81 Hình 3 53 Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại, năm 2007-Trường hợp 1 84 Hình 3 54 Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại, năm 2009- Trường hợp 1 84 Hình 3 55 Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại, năm 2010- Trường hợp 1 84

Hình 3 56 Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại, năm 2011- Trường hợp 1 85 Hình 3 57 Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại, năm 2009- Trường hợp 2 85 Hình 3 58 Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại, năm 2008- Trường hợp 2 85 Hình 3 59 Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại, năm 2007- Trường hợp 2 86 Hình 3 60 Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại, năm 2006- Trường hợp 3 86 Hình 3 61 Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại, năm 2008- Trường hợp 3 86 Hình 3 62 Địa hình khu vực Vịnh Bắc Bộ 87 Hình 3 63 Đường quá trình mực nước tính toán và thực đo các trạm hạ lưu sông Hồng - Thái Bình trận lũ lớn năm 1996 88 Hình 3 64 Đường quá trình mực nước tính toán và thực đo các trạm hạ lưu sông Hồng - Thái Bình trận lũ lớn năm 2002 88 Hình 3 65 Đường quá trình mực nước tính toán và thực đo các trạm hạ lưu sông Hồng - Thái Bình trận lũ lớn năm 2006 88 Hình 3 66 Sơ đồ quy trình dự báo lũ sông Hồng Thái Bình 91 Hình 3 67 Minh họa sai số biên và sai số pha 94 Hình 3 68 So sánh kết quả dự báo mực nước hồ Sơn La năm 2011 và 2012 – thời gian dự kiến 24 giờ 97 Hình 3 69 So sánh kết quả dự báo mực nước hồ Sơn La năm 2011 và 2012 – thời gian dự kiến 48 giờ 97 Hình 3 70 So sánh kết quả dự báo lưu lượng đến hồ Sơn La năm 2011 và 2012 – thời gian dự kiến 24 giờ 98 Hình 3 71 So sánh kết quả dự báo lưu lượng đến hồ Sơn La năm 2011 và 2012 – thời gian dự kiến 48 giờ 98

ix

Hình 3 72 So sánh kết quả dự báo mực nước hồ Hòa Bình năm 2011 và 2012 – thời gian dự kiến 24 giờ 98 Hình 3 73 So sánh kết quả dự báo mực nước hồ Hòa Bình năm 2011 và 2012 – thời gian dự kiến 48 giờ 99 Hình 3 74 So sánh kết quả dự báo lưu lượng đến hồ Hòa Bình năm 2011 và 2012 – thời gian dự kiến 24 giờ 99 Hình 3 75 So sánh kết quả dự báo lưu lượng đến hồ Hòa Bình năm 2011 và 2012 – thời gian dự kiến 48 giờ 99 Hình 3 76 So sánh kết quả dự báo mực nước hồ Tuyên Quang năm 2011 và 2012 – thời gian dự kiến 24 giờ 100 Hình 3 77 So sánh kết quả dự báo mực nước hồ Tuyên Quang năm 2011 và 2012 – thời gian dự kiến 48 giờ 100 Hình 3 78 So sánh kết quả dự báo lưu lượng đến hồ Tuyên Quang năm 2011 và

2012 – thời gian dự kiến 24 giờ 100 Hình 3 79 So sánh kết quả dự báo lưu lượng đến hồ Tuyên Quang năm 2011 và

2012 – thời gian dự kiến 48 giờ 101 Hình 3 80 So sánh kết quả dự báo mực nước trạm Hà Nội năm 2011 và 2012 – thời gian dự kiến 24 giờ 101 Hình 3 81 So sánh kết quả dự báo mực nước trạm Hà Nội năm 2011 và 2012 – thời gian dự kiến 48 giờ 101 Hình 3 82 So sánh kết quả dự báo mực nước trạm Phả Lại năm 2011 và 2012 – thời gian dự kiến 24 giờ 102 Hình 3 83 So sánh kết quả dự báo mực nước trạm Phả Lại năm 2011 và 2012 – thời gian dự kiến 48 giờ 102 Hình 3 84 So sánh kết quả dự báo mực nước trạm Tuyên Quang năm 2011 và 2012 – thời gian dự kiến 24 giờ 102 Hình 3 85 So sánh kết quả dự báo mực nước trạm Tuyên Quang năm 2011 và 2012 – thời gian dự kiến 48 giờ 103

x

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 2 1 Các loại đất chính trên lưu vực sông Hồng –Thái Bình 36

Bảng 2 2 Bảng tổng hợp độ che phủ rừng các tỉnh nằm trong hệ thống sông Hồng –Thái Bình (Đơn vị: ha) 35

Bảng 2 3 Đặc trưng hình thái các lưu vực sông chính 40

Bảng 3 1 Các đặc trưng lưu vực phần thượng lưu hệ thống sông Hồng-Thái Bình 48

Bảng 3 2 Các lưu vực bộ phận và trạm mưa được sử dụng để tính toán dự báo thủy văn cho các trạm thượng nguồn hệ thống sông Hồng – Thái Bình 49

Bảng 3 3 Thông số mô hình NAM cho các lưu vực bộ phận 58

Bảng 3 4 Kết quả hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình mưa - dòng chảy 60

Bảng 3 5 Các trường hợp hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE 11 64

Bảng 3 6 Các trường hợp hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE 11 theo các trường hợp mực nước tại Hà Nội 64

Bảng 3 7 Kết quả xác định hệ số nhám trên các sông tương ứng với các năm 65

Bảng 3 8 Kết quả đánh giá chỉ số Nash-Sutcliffe tại các trạm trên hệ thống sông Hồng-Thái Bình theo phương pháp kiểm tra chéo 68

Bảng 3 9 Kết quả xác định hệ số nhám trên các sông ứng với các cấp mực nước.82 Bảng 3 10 Kết quả đánh giá chỉ số Nash-Sutcliffe tại các trạm trên hệ thống sông Hồng-Thái Bình theo cấp mực nước 83

Bảng 3 11 Kết quả đánh giá chỉ số NASH tại một số trạm trên hệ thống 89

Bảng 3 12 Tiêu chuẩn sai số dự báo cho phép tại một số vị trí 92

Bảng 3 13 Kết quả đánh giá ảnh hưởng sai số dự báo mưa đến dòng chảy 93

Bảng 3 14 Các tham số cập nhật sai số trong mô hình MIKE 11 95

Bảng 3 15 So sánh kết quả đánh giá dự báo mùa lũ năm 2011 và 2012 96

MỞ ĐẦU

Lũ lụt là thiên tai lớn nhất đe dọa nước Việt Nam ta, nhất là ở miền Bắc vì tổn thất nhân mạng có thể đến mức độ khủng khiếp Trong vòng 100 năm qua, đồng bằng sông Hồng – Thái Bình đã có 26 trận lũ lớn Các trận lũ lớn này đa số xảy ra vào tháng

8, nhằm vào cao điểm của mùa mưa bão Đặc biệt cơn lũ vào tháng 8 năm 1971 đã làm

vỡ đê Sông Hồng và 100,000 người đã bị thiệt mạng Đây là cơn lũ lớn nhất trong vòng 250 năm nay ở miền Bắc, và số tổn thất nhân mạng vượt quá sức tưởng tượng so với tổn thất chừng 1000 người trong các cơn lũ lịch sử vào năm 1999 ở miền Trung và năm 2000 ở miền Nam Trận lũ năm 1971 được liệt kê trong danh sách các trận lụt lớn nhất thế kỷ 20 Mưa lớn tập trung vào ngày 20-23/7/1986, tâm mưa lớn 300¸400mm ở trung, hạ lưu sông Lô, Thương và Lục Nam; lũ đặc biệt lớn đã xảy ra trên sông Cầu, Thương và Thái Bình; lũ lịch sử trên sông Lục Nam; lũ lớn trên sông Hồng, gây sạt lở, tràn, vỡ nhiều đê bối, đê địa phương thuộc các tỉnh Phú Thọ, Vĩnh Phúc, Hà Tây, Hà Nội, Bắc Ninh, Bắc Giang, Hải Dương, Hưng Yên, Năm 1996 lũ đặc biệt lớn xảy ra ở hạ lưu sông Hồng, Thái Bình và Hoàng Long Đỉnh lũ thực đo tại

Hà Nội là 12,43m (hoàn nguyên là 13.30m) lúc 19 giờ ngày 21, vượt BĐ 3 là 0.93m, kéo dài 6 ngày trên BĐ 3; tại Phả Lại là 6,52m (7h/22), vượt BĐ 3 là 1.02m, duy trì trên BĐ 3 trong 7 ngày Năm 2002: lụt ở Hà Nội, mưa lớn nhiều ngày trong khoảng tháng 8, hệ thống cống thoát đang cải tạo dở dang nên càng không thoát nước nổi, gây ngập úng trong nội thành suốt nhiều ngày liên tục Năm 2008: ngập trên diện rộng, rất sâu do mưa liên tục với cường độ lớn từ đêm 30/10/2008 trở đi Năm 2010: Mưa và lũ lớn làm ít nhất 46 người chết và 21 người bị mất tích

Phòng tránh lũ lụt là các biện pháp được lựa chọn nhằm hạn chế lũ lụt hoặc những thiệt hại do lũ lụt gây ra Trong đó quan trọng nhất vẫn là vấn đề cảnh báo, dự báo lũ từ xa nhằm tránh tổn thất to lớn do lũ gây nên Trải qua nhiều thời kỳ phát triển, cùng với sự lớn mạnh không ngừng của khoa học công nghệ thông tin nên công tác cảnh báo, dự báo lũ cũng có nhiều phát triển Hiện nay trong thủy văn học đang tồn tại nhiều mô hình dự báo lũ khác nhau được áp dụng trong các công tác giảng dạy, nghiên cứu và dự báo cho các bộ ngành, địa phương Ở Việt Nam, nhiều mô hình đã được

xây dựng và áp dụng cho dự báo lũ cho hệ thống sông, có thể kể đến một số mô hình được sử dụng phổ biến như MIKE, SSARR, TANK, NAM, ANN, HEC1, HMS

Đối với lưu vực sông lớn như lưu vực sông Hồng – Thái Bình đã có rất nhiều

đề tài nghiên cứu xây dựng công cụ tính toán và dự báo lũ tuy nhiên các đề tài này chưa thành một công nghệ hoàn chỉnh dùng để dự báo tác nghiệp Còn nhiều vấn đề tồn tại chưa được giải quyết như biên đầu vào của mô hình bị ảnh hưởng bởi các hồ chứa trên các lưu vực bộ phận thuộc Trung Quốc, chưa cập nhật quy trình vận hành liên hồ mới, dự báo biên triều ở các cửa sông và vấn đề cập nhật sai số để áp dụng trong dự báo còn chưa được xem xét Việc gắn kết với các mô hình thủy lực với các

mô hình thuỷ văn phía thượng lưu để trở thành một công nghệ dự báo cho toàn hệ thống sông cũng còn là một vấn đề quan trọng trong công tác dự báo

Hiện nay, công tác dự báo lũ cho hệ thống sông Hồng – Thái Bình được thực hiện bởi nhiều cơ quan khác nhau như Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung Ương (TT DBKTTV TW), Viện Cơ học, Viện Quy hoạch Thủy lợi, Viện Khoa học Thủy lợi, Trường Đại học Thủy lợi Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường cũng là đơn vị tham gia dự báo lũ hệ thống sông Hồng – Thái Bình Trong quá trình công tác tại Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường, học viên đã tham gia vào công tác dự báo thủy văn tác nghiệp trên hệ thống sông Hồng – Thái Bình Qua quá trình dự báo hàng năm, có thể nhận thấy công tác dự báo tác nghiệp còn tồn tại nhiều vấn đề cần giải quyết như dòng chảy khu giữa tính toán có độ chính xác chưa cao, mạng tính chưa được cập nhật thêm các hồ thủy điện mới xây, dữ liệu mặt cắt sông từ các hồ chứa ngược lên thượng lưu không có

Trước vấn đề thực tế như vậy, luận văn “Nghiên cứu ứng dụng mô hình Mike

từng bước hoàn thiện công nghệ dự báo lũ sông Hồng – Thái Bình” đã được hình

cho hệ thống sông Hồng-Thái Bình nhằm bảo đảm độ tin cậy, đáp ứng yêu cầu dự báo tác nghiệp

Với mục tiêu đã đặt ra, luận văn tập trung nghiên cứu các vấn đề sau:

(1) Cập nhật, bổ sung dữ liệu địa hình phục vụ cho việc thiết lập sơ đồ thủy lực cho toàn hệ thống sông, cập nhật các thông tin hồ chứa có tính đến quy trình hoạt động liên hồ chứa đã được ban hành

(2) Phân chia lại lưu vực bộ phận trong mô hình thủy văn nhằm tăng độ chính xác trong quá trình dự báo lưu lượng đến các hồ

(3) Hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình thủy lực để chọn các bộ tham số phù hợp với điều kiện dự báo tác nghiệp

(4) Cập nhật sai số dự báo trong quá trình dự báo

(5) Cập nhật, kết nối mô hình truyền triều vào các cửa sông phục vụ tăng cường chất lượng dự báo biên triều

Phạm vi nghiên cứu:

- Về thời gian là mùa lũ (15/06-15/09) từ năm 2006 - 2012

- Về không gian: Mạng sông Hồng-Thái bình cùng với các hồ thủy điện lớn Trên cơ sở nội dung thực hiện luận văn ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo được bố cục thành 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về các mô hình và tình hình nghiên cứu dự báo lũ

Chương 2: Đặc điểm điều kiện tự nhiên và lũ lụt hệ thống sông Hồng – Thái Bình

Chương 3: Ứng dụng mô hình Mike dự báo lũ hệ thống sông Hồng – Thái Bình Trong quá trình thực hiện nghiên cứu, mặc dù đã cố gắng hết sức nhưng do giới hạn về mặt thời gian luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong các thầy cô cùng đồng nghiệp góp ý để luận văn ngày càng có ý nghĩa hơn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH VÀ TÌNH HÌNH

NGHIÊN CỨU DỰ BÁO LŨ

1.1.Giới thiệu chung

Việc nghiên cứu và dự báo mưa, lũ, lụt là vấn đề đã được rất nhiều cơ quan và tác giả trong cũng như ngoài nước quan tâm Các kết quả nghiên cứu đã đạt được là những nền tảng cho công tác qui hoạch lũ và phát triển kinh tế xã hội Tuy nhiên do những nhu cầu thực tế, đối tượng tiến hành nghiên cứu dự báo của các nghiên cứu có những đặc thù khác nhau như nghiên cứu dự báo lũ cho hệ thống sông chính, nghiên cứu dự báo lũ cho hồ chứa, cho vùng hạ du và nghiên cứu dự báo lũ cho việc quản lý

và qui hoạch lưu vực

Những năm gần đây, Nhà nước đã dành sự quan tâm, đầu tư thích đáng đúng với tầm quan trọng của khu vực đồng bằng Bắc Bộ Kinh tế xã hội phát triển cũng tạo

ra nguy cơ thiệt hại do lũ lụt càng lớn Do đó, việc cảnh báo, dự báo lũ lụt kịp thời và chính xác sẽ góp phần rất quan trọng để giảm thiệt hại về người và tài sản Mặt khác, việc phát triển kinh tế xã hội cần gắn liền với công tác quy hoạch phòng chống lũ lụt thì sự phát triển đó mới bền vừng và có hiệu quả

1.2 Một số nghiên cứu dự báo lũ trên thế giới

Trên thế giới việc nghiên cứu, áp dụng các mô hình thủy văn, thủy lực cho các mục đích trên đã được sử dụng khá phổ biến; nhiều mô hình đã được xây dựng và áp dụng cho dự báo hồ chứa, dự báo lũ cho hệ thống sông, cho công tác qui hoạch phòng

lũ Một số mô hình đã được ứng dụng thực tế trong công tác mô phỏng và dự báo dòng chảy cho các lưu vực sông có thể được liệt kê ra như sau:

Viện Thủy lực Đan Mạch (Danish Hydraulics Institute, DHI) xây dựng phần mềm dự báo lũ bao gồm: Mô hình NAM tính toán và dự báo dòng chảy từ mưa; Mô hình Mike 11 tính toán thủy lực, dự báo dòng chảy trong sông và cảnh báo ngập lụt Phần mềm này đã được áp dụng rất rộng rãi và rất thành công ở nhiều nước trên thế giới Trong khu vực Châu Á, mô hình đã được áp dụng để dự báo lũ lưu vực sông Mun-Chi và Songkla ở Thái Lan, lưu vực sông ở Bangladesh, và Indonesia Hiện nay,

do ủy hội Mê Kông Quốc tế chủ trì thực hiện ở Việt Nam, mô hình iSIS được sử dụng

để tính toán trong dự án phân lũ và phát triển thủy lợi lưu vực sông Đáy do Hà Lan tài trợ

Trung tâm khu vực, START Đông Nam á (Southeast Asia START Regional Center) đang xây dựng "Hệ thống dự báo lũ thời gian thực cho lưu vực sông Mê Kông" Hệ thống này được xây dựng dựa trên mô hình thủy văn khu vực có thông số phân bố, tính toán dòng chảy từ mưa Hệ thống dự báo được phân thành 3 phần: thu nhận số liệu từ vệ tinh và các trạm tự động, dự báo thủy văn và dự báo ngập lụt Thời gian dự kiến dự báo là 1 hoặc 2 ngày

Viện Điện lực (EDF) của Pháp đã xây dựng phần mềm TELEMAC tính các bài toán thuỷ lực 1 và 2 chiều TELEMAC-2D là phần mềm tính toán thủy lực 2 chiều, nằm trong hệ thống phần mềm TELEMAC TELEMAC-2D đã được kiểm nghiệm theo các tiêu chuẩn nghiêm ngặt của Châu Âu về độ tin cậy; mô hình này đã được áp dụng tính toán rất nhiều nơi ở Cộng hòa Pháp và trên thế giới Ở Việt Nam, mô hình

đã được cài đặt tại Viện Cơ học Hà Nội và Khoa Xây dựng - Thuỷ lợi - Thuỷ điện, Trường Đại học Kỹ thuật Đà nẵng và đã được áp dụng thử nghiệm để tính toán dòng chảy tràn vùng Vân Cốc- Đập Đáy, lưu vực sông Hồng đoạn trước Hà Nội, và tính toán ngập lụt khu vực thành phố Đà Nẵng

Trung tâm kỹ thuật thủy văn (Mỹ) đã xây dựng bộ mô hình HEC-1 để tính toán thủy văn, trong đó có HEC-1F là chương trình dự báo lũ từ mưa và diễn toán lũ trong sông Mô hình đã được áp dụng rất rộng rãi trên thế giới ở Châu Á, mô hình đã được

áp dụng ở Indonesia, Thái Lan Mô hình cũng đã được áp dụng để tính toán lũ hệ

1.3 Một số nghiên cứu dự báo lũ ở Việt Nam

Một số mô hình thủy lực đã được áp dụng có hiệu quả để diễn toán dòng chảy trong hệ thống sông và vùng ngập lụt ở nước ta Mô hình SOGREAH đã được áp dụng thành công trong công tác khai thác, tính toán dòng chảy tràn trong hệ thống kênh rạch

và các ô trũng; Mô hình MASTER MODEL ứng dụng trong nghiên cứu qui hoạch cho vùng hạ lưu sông Cửu Long vào năm 1988; Mô hình MEKSAL được xây dựng vào năm 1974 để tính toán sự phân bố dòng chảy mùa cạn và xâm nhập mặn trong vùng hạ lưu các sông; Mô hình VRSAP đã được áp dụng cho việc tính toán dòng chảy lũ và dòng chảy mùa cạn cho vùng đồng bằng; Mô hình SAL và mô hình KOD đã có những đóng góp đáng kể trong việc tính toán lũ và xâm nhập mặn đồng bằng cửa sông; Mô hình DHM đã được áp dụng thành công trong tính toán nguy cơ ngập lụt hạ lưu lưu vực Thu Bồn - Vũ Gia, và nghiên cứu thủy lực hạ lưu sông Hồng trong trường hợp giả

Hình 1 1 Sơ đồ lưới trạm dự báo thượng lưu sông Hồng

(Nguồn:TTQGDBKTTVTW)

Thành quả: Đã xây dựng được hệ thống dự báo thủy văn cho các lưu vực sông

Đà, Thao, Lô, vận hành hồ chứa Hoà Bình và diễn toán lũ về hạ lưu đến trạm Sơn Tây,

Hà Nội Đề tài đã tạo dựng được nền tảng cho việc áp dụng mô hình thủy văn để dự báo lũ, kết quả tính toán của đề tài khá tốt và đã được TTDBKTTVTƯ bổ sung và đưa vào dự báo tác nghiệp

Cần nghiên cứu tiếp: (1) Đề tài có tính nghiên cứu cơ bản, chưa thành một công nghệ hoàn chỉnh để dùng vào dự báo tác nghiệp; (2) vì thiếu số liệu phía Trung Quốc cho nên đã phải xử lý biên trên bằng phương pháp hồi qui, vì thế có hạn chế về độ chính xác; (3) số liệu dùng trong tính toán và hiệu chỉnh mô hình là đến năm 1996, cần được cập nhật số liệu; (4) hơn nữa, nghiên cứu chỉ mới dừng lại ở dự báo thủy văn đến các trạm Sơn Tây và Hà Nội chưa có khả năng áp dụng cho cả hệ thống sông Hồng-Thái Bình

- Đề tài "Ứng dụng một số mô hình thích hợp để dự báo lũ thượng lưu hệ thống sông Thái Bình" (Nguyễn Lan Châu, TT DBKTTVTƯ)

Thành quả: Trên cơ sở phân tích các hình thế thời tiết gây mưa và chế độ nước

lũ ở thượng lưu sông Thái Bình (sông Cầu, sông Thương, sông Lục Nam), đã nghiên cứu ứng dụng các mô hình TANK, NAM và phương pháp hồi quy bội để tính toán, dự báo quá trình dòng chảy lũ tại Thái Nguyên trên sông Cầu, Phủ Lạng Thương trên sông Thương và Lục Nam trên sông Lục Nam Kết quả nghiên cứu cho thấy kết quả tính toán và dự báo dòng chảy lũ theo 3 mô hình nêu trên đều cho kết quả tốt Mô hình

đã được TT DBKTTVTƯ bổ sung và đưa vào dự báo tác nghiệp thử nghiệm từ năm

2000

Cần nghiên cứu tiếp: Cũng tương tự như đề tài ở trên, (1) Đề tài có tính nghiên cứu cơ bản, chưa thành một công nghệ hoàn chỉnh để dùng vào dự báo tác nghiệp; (2) gặp khó khăn trong giải quyết nước vật tại trạm Chũ, và chưa xét hết lượng gia nhập khu giữa, hạ lưu của các trạm tính toán; (3) nghiên cứu chỉ mới dừng lại ở dự báo thủy văn đến các trạm Thác Bưởi, Cầu Sơn, Chũ và Phả Lại, chưa có khả năng áp dụng cho

cả hệ thống sông Hồng-Thái Bình

- Đề tài "Đánh giá khả năng phân lũ sông Đáy và sử dụng lại các khu phân chậm lũ" do 3 cơ quan cùng thực hiện đồng thời (Viện Khí tượng Thủy văn, Trường

Đại học Thuỷ lợi, Viện Quy hoạch Thủy lợi)

Thành quả: Đề tài đã giải quyết được phần thủy lực hạ lưu của hệ thống sông Hồng - Thái Bình Xét đến trường hợp vận hành hồ Hoà Bình, Thác Bà, phân lũ sông Đáy và chậm lũ Tam Thanh, Lương Phú, Lương Phú - Quảng Oai Đã có tiến hành dự báo thử nghiệm tại Viện Khí tượng Thủy văn, Trường Đại học Thuỷ lợi, Viện Quy hoạch Thủy lợi, tuy nhiên kết quả chưa được đánh giá

Cần nghiên cứu tiếp: (1) Mục tiêu của các đề tài chú trọng vào tính toán mô phỏng lũ để áp dụng cho quy hoạch phòng chống lũ, không chú trọng đến dự báo lũ; (2) Vì đây là mô hình thủy lực không cập nhật được sai số do sự thay đổi địa hình, thay đổi độ nhám lòng sông, cho nên kết quả chưa thể hịên được khả năng dự báo; (3) Không gắn kết với các mô hình thủy văn phía thượng lưu để trở thành một công nghệ

dự báo cho toàn hệ thống sông Hồng-Thái Bình

Hệ thống sông Hồng - Thái bình trong trường hợp Sử dụng hệ thống khu phân chậm lũ

712 732

731

398

402 401 400 399

290 295 299 302

404

405 403

352

Ninh Cơ

243

Ba Lạt 87 Như Tân

362

Vân Cốc 259

411

260 265 267 270 273

397 396 394

395

412 413 415 416

378 376

408 409 410 407

710 709

703 702

Quảng Cư

701

452 453 463 464

509 510

511 512 229

222 224 71

204 205 207

392 391

386 385

357 393 239

431 432

Phú Cường 426

450 466

470

488 491

498

504 506 507

612 615 679

680

84 86

49 53 50

64 67 69 72 73 75

145

Lập Thạch 699

158 140 139

Thác Bà

138

147 152

29 30 31 32 43 44 47 172 173 175 176 187 188

203 202

669 656

670

448 443

602 605 478

230

503

Thái Bình 508

603

Văn úc 624

Trung Hà

Cống Chuốc

K ên h B

M ắ m

Đập Đáy

304 307 303 310 312 309 318

355 361 242

248 249 250 251 252

78 79

231 232

Trà Lý 238

236 234

sông Gùa sông Mía sôn g M ới

513 514 515

Ba Thá

276 281 287

Tân Lang Phủ Lý Gián Khẩu

81

Bến Đế

Nam Định Trực Phương

Quyết Chiến

sông Trà Lý

Triều Dương

Hưng Yên

Khu Chương Mỹ - Mỹ Đức

Chí Thuỷ

364 365 366

367 368 369

54

425 424

252 254

28

718

7

719 720 730

75 3 754

364

42 2 365

416 415 414

74203 204 222223223 229

497 494

496

490 493

489

Phú Lương

468 467

618

Cầu Niệm

689 691

690 695 505

449 671

672 418 677 417

465

202 201

Cầu Đáp Cầu

477 480

211

Hỡnh 1 2 Sơ đồ tớnh toỏn thủy lực hệ thống sụng Hồng – Thỏi Bỡnh

(Nguồn: Viện KH KTTV&MT)

- Đề tài "Xõy dựng cụng cụ mụ phỏng số phục vụ cho đề xuất, đỏnh giỏ và điều hành cỏc phương ỏn phũng chống lũ sụng Hồng - Thỏi Bỡnh" (Viện Cơ học)

Thành quả: Đó ỏp dụng một số cỏc mụ hỡnh thủy lực như VRSAP, TL1, TL2, TELEMAC2-D để tớnh toỏn thuỷ lực cho hạ lưu hệ thống sụng Hồng - Thỏi Bỡnh, phõn

lũ sụng Đỏy và chậm lũ Tam Thanh, Lương Phỳ, Lương Phỳ - Quảng Oai Đề tài đó thử nghiệm cỏc mụ hỡnh rất cụng phu bằng cỏc bài toỏn mẫu (test cases) để đảm bảo được khả năng ỏp dụng của cỏc mụ hỡnh

Cần nghiờn cứu tiếp: Tương tự như trường hợp ở trờn, (1) như tờn của đề tài đó nờu rừ, đề tài chỉ chỳ trọng vào tớnh toỏn mụ phỏng lũ để ỏp dụng cho quy hoạch phũng chống lũ, khụng phải là mụ hỡnh dự bỏo lũ; (2) vỡ đõy là mụ hỡnh thủy lực, do

đú khụng cập nhật được sai số do sự thay đổi địa hỡnh, thay đổi độ nhỏm lũng sụng, cho nờn kết quả chưa thể hiện được khả năng dự bỏo; (3) khụng gắn kết với cỏc mụ hỡnh thủy văn phớa thượng lưu để trở thành một cụng nghệ dự bỏo cho toàn hệ thống sụng Hồng-Thỏi Bỡnh

vụ dự báo lũ trên hệ thống sông Hồng-Thái Bình; ứng dụng các thông tin Sinốp trong

dự báo định lượng mưa và dự báo dòng chảy lũ thượng nguồn sông Hồng-Thái Bình

Đề tài đã có đóng góp lớn trong dự báo KTTV, đã đúc kết những kinh nghiệm tích lũy được trong công tác dự báo để thành một qui trình dự báo tương đối hoàn chỉnh Kết quả của đề tài có thể áp dụng để tính toán cảnh báo mưa lớn áp dụng cho công nghệ dự báo lũ lớn hệ thống sông Hồng-Thái Bình

- Đề tài cấp Nhà nước “Nghiên cứu công nghệ tính toán kiểm soát lũ đồng bằng Bắc Bộ” (Viện Khoa học Thủy lợi)

Đề tài này đang được thực hiện với các nội dung và đặc điểm sau: Xây dựng sơ

đồ bố trí mạng lới thu thập thông tin, truyền tin phục vụ kiểm soát lũ; Xây dựng công nghệ truyền tin từ các điểm đo về trung tâm tính toán dự báo, giải mã, tính toán dự báo cho các trạm thượng nguồn; Tính toán thủy lực hạ lưu sông Hồng - Thái Bình

- Đề tài cấp Bộ “Xây dựng công nghệ tính toán dự báo lũ lớn hệ thống sông Hồng – Thái Bình” do PGS TS Trần Thục (Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường) làm chủ nhiệm

Đề tài bước đầu đã xây dựng công nghệ hoàn chỉnh cho tính toán dự báo lũ tác nghiệp cho toàn hệ thống sông Hồng - Thái Bình Mô hình MIKE 11 được nghiên cứu

áp dụng để tính toán dự báo lũ lớn cho hệ thống sông Hồng-Thái Bình với 25 sông chính và chia thành 52 nhánh sông bao gồm 792 mặt cắt

Một số tồn tại khi ứng dụng các kết quả của đề tài trong dự báo lũ trên hệ thống sông Hồng – Thái Bình:

• Hiện tại trên hệ thống sông Hồng – Thái Bình đã có thêm một số hồ chứa đi vào hoạt động như hồ Tuyên Quang (2007) và hồ chứa Sơn La (2011), sơ đồ mô phỏng mạng sông trong hầu hết các đề tài đã thực hiện không còn phù hợp Do

đó cần cập nhật, bổ sung mạng sơ đồ thủy lực, mặt cắt sông cho đúng với thực

tế Khi hồ Sơn La bước vào hoạt động mực nước tại Lai Châu bị ảnh hưởng vật, quan hệ Q=f(H) trước đây không còn sử dụng được nữa dẫn tới việc tính truyền

lũ trong sông đoạn từ Mường Tè tới thủy điện Sơn La khó khăn Việc dự báo lưu lượng đến hồ Hòa Bình khi thủy điện Sơn La mở nhiều cửa cũng chưa được kiểm định

• Các biên trên vùng thượng lưu đều bị ảnh hưởng của hoạt động của các hồ chứa bên Trung Quốc Các thông tin hoạt động của các hồ chứa phần lưu vực bên Trung Quốc không có

• Số liệu khí tượng thủy văn nhận được từ Cục Quản lý Đê điều và Phòng chống lụt bão để làm dự báo tác nghiệp không có định dạng chuẩn nên việc trích xuất

dữ liệu mất nhiều thời gian và công sức

• Tài liệu địa hình, mặt cắt chỉ có đến năm 2000 nay sử dụng trong mô hình cần phải cập nhật

Như vậy, đã có rất nhiều nghiên cứu và nhiều mô hình tính toán dự báo lũ và diễn toán lũ cho hệ thống sông Hồng - Thái Bình và đã giải quyết được từng mục tiêu

cụ thể trong nghiên cứu lũ và phòng chống thủy tai đồng bằng sông Hồng - Thái Bình, các kết quả của các nghiên cứu này là nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo Tuy nhiên mỗi nghiên cứu chỉ chú trọng đến một lĩnh vực, một phạm vi nhất định và chưa

có một công nghệ hoàn chỉnh cho tính toán dự báo lũ cho toàn hệ thống sông Hồng - Thái Bình

Chính vì vậy, trên cơ sở kế thừa những nghiên cứu dự báo lũ hệ thống sông Hồng – Thái Bình như hệ thống mặt cắt cũ, cơ sở dữ liệu khí tượng thủy văn, luận văn

đã sử dụng mô hình thủy văn thủy lực MIKE để xây dựng công nghệ tính toán lũ hệ thống sông Hồng – Thái Bình nhằm nâng cao độ chính xác và thời gian dự kiến của dự báo tác nghiệp, tính toán dự báo lũ và vận hành các hệ thống phòng chống lũ trong trường hợp khẩn cấp

1.4 Cơ sở lý thuyết của mô hình

Mô hình MIKE 11 với những mô đun riêng biệt trong đó có mô đun dự báo với chức năng hiệu chỉnh số liệu dự báo, cập nhật sai số Mô hình MIKE cũng có các ứng dụng vận hành hồ chứa, điều khiển công trình, kiểm soát lũ và mô hình thuỷ văn (NAM) Mô đun thủy động lực học (HD) là mô đun trung tâm của bộ mô hình Mike

11 Mô đun này được dùng kết hợp với các mô đun khác như FF (Flood Forecasting),

AD (Advection-Dispersion), WQ (Water Quality) và ST (Sediment Transport) để phục

vụ cho bài toán dự báo lũ và vận hành hồ chứa, mô phỏng lan truyền chất ô nhiễm, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát

Mô hình MIKE – NAM là mô hình cải tiến của mô hình Nielsen – Hánen, được công bố trong tạp chí “ Nordic Hydrology” năm 1973 và sau này được viện thủy lực Đan Mạch phát triển và đổi thành NAM

Cấu trúc của mô hình :

Hình 1 3 Cấu trúc mô hình MIKE

1.4.1 Mô hình MIKE NAM

Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE – NAM

Là mô hình thủy văn mô phỏng quá trình mưa dòng chảy trên bề mặt lưu vực với 4 bể chứa được mô phỏng và sử dụng phương trình cân bằng nước để giải bài toán

Mô hình NAM là một mô hình nhận thức, tất định, thông số tập trung

Mô hình mô phỏng một cánh liên tục quá trình mưa dòng chảy thông qua việc tính toán cân bằng nước ở 4 bể chứa thẳng đứng, có tác dụng qua laik lẫn nhau để diễn

tả tính chất vật lý của lưu vực Các bể chứa gồm:

+ Bể tuyết (chỉ áp dụng cho vùng có tuyết)

+ Bể mặt

+ Bể sát mặt hay tầng rễ cây

+ Bể ngầm

Cấu trúc của mô hình

Mô hình NAM 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 NAM là chữ viết tắt của cụm từ tiếng Đan Mạch “Nedbør - Afstrømnings - Models” có nghĩa là mô hình mưa rào dòng chảy Mô hình NAM đã được sử dụng rộng rãi ở Đan Mạch và một số nước nằm trong nhiều vùng khí hậu khác nhau như Srilanca, Thái Lan, Ấn Độ và Việt Nam.v.v Trong mô hình NAM, mỗi lưu vực được xem là một đơn vị xử lý, do đó các thông số và các biến là đại diện cho các giá trị được trung bình hóa trên toàn lưu vực

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

Cấu trúc mô hình NAM được xây dựng trên nguyên tắc các hồ chứa theo chiều thẳng đứng và các hồ chứa tuyến tính, gồm có 5 bể chứa theo chiều thẳng đứng như Hình 1 4

+ Bể chứa tuyết tan được kiểm soát bằng các điều kiện nhiệt độ Đối với điều kiện khí hậu nhiệt đới ở nước ta thì không xét đến bể chứa này

+ Bể chứa mặt: lượng nước ở bể chứa này bao gồm lượng nước mưa do lớp phủ thực vật chặn lại, lượng nước đọng lại trong các chỗ trũng và lượng nước trong tầng sát mặt Giới hạn trên của bể chứa này được ký hiệu bằng Umax

+ Bể chứa tầng dưới: là vùng đất có rễ cây nên cây cối có thể hút nước cho bốc, thoát hơi Giới hạn trên của lượng nước trong bể chứa này được ký hiệu là Lmax,

lượng nước hiện tại được ký hiệu là L và tỷ số L/Lmax biểu thị trạng thái ẩm của bể chứa

+ Bể chứa nước ngầm tầng trên

+ Bể chứa nước ngầm tầng dưới

Mưa hoặc tuyết tan đều đi vào bể chứa mặt Lượng nước (U) trong bể chứa mặt liên tục cung cấp cho bốc hơi và thấm ngang thành dòng chảy sát mặt Khi U đạt đến Umax, lượng nước thừa là dòng chảy tràn trực tiếp ra sông và một phần còn lại sẽ thấm xuống các bể chứa tầng dưới và bể chứa ngầm

Nước trong bể chứa tầng dưới liên tục cung cấp cho bốc thoát hơi và thấm xuống bể chứa ngầm Lượng cấp nước ngầm được phân chia thành hai bể chứa: tầng trên và tầng dưới, hoạt động như các hồ chứa tuyến tính với các hằng số thời gian khác nhau Hai bể chứa này liên tục chảy ra sông tạo thành dòng chảy cơ bản

Dòng chảy tràn và dòng chảy sát mặt được diễn toán qua một hồ chứa tuyến tính thứ nhất, sau đó các thành phần dòng chảy được cộng lại và diễn toán qua hồ chứa tuyến tính thứ hai Cuối cùng cũng thu được dòng chảy tổng cộng tại cửa ra

Hình 1 4 Cấu trúc mô hình NAM

Các thông số cơ bản của mô hình NAM

Mô hình có các thông số cơ bản sau:

CQOF: Hệ số dòng chảy tràn không có thứ nguyên, có phạm vi biến đổi từ 0.0 đến 0.9 Nó phản ánh điều kiện thấm và cấp nước ngầm Vì vậy nó ảnh hưởng nhiều đến tổng lượng dòng chảy và đoạn cuối của đường rút Thông số này rất quan trọng vì

nó quyết định phần nước dư thừa để tạo thành dòng chảy tràn và lượng nước thấm Các lưu vực có địa hình bằng phẳng, cấu tạo bởi cát thô thì giá trị CQOF tương đối nhỏ, ở những lưu vực mà tính thấm nước của thổ nhưỡng kém như sét, đá tảng thì giá trị của nó sẽ rất lớn

CQIF: Hệ số dòng chảy sát mặt, có thứ nguyên là thời gian (giờ)-1 Nó chính là phần của lượng nước trong bể chứa mặt (U) chảy sinh ra dòng chảy sát mặt trong một đơn vị thời gian Thông số này ảnh hưởng không lớn đến tổng lượng lũ, đường rút nước

CBL: là thông số dòng chảy ngầm, được dùng để chia dòng chảy ngầm ra làm hai thành phần: BFU và BFL Trường hợp dòng chảy ngầm không quan trọng thì có thể chỉ dùng một trong 2 bể chứa nước ngầm, khi đó chỉ cần CBFL=0, tức là lượng cấp nước ngầm đều đi vào bể chứa ngầm tầng trên

CKOF, CKIF: Là các ngưỡng dưới của các bể chứa để sinh dòng chảy tràn, dòng chảy sát mặt và dòng chảy ngầm, các thông số này không có thứ nguyên và có giá trị nhỏ hơn 1 Chúng có liên quan đến độ ẩm trong đất, khi các giá trị của ngưỡng này nhỏ hơn L/Lmax thì sẽ không có dòng chảy tràn, dòng chảy sát mặt và dòng chảy ngầm Về ý nghĩa vật lý, các thông số này phản ánh mức độ biến đổi trong không gian của các đặc trưng lưu vực sông Do vậy, giá trị các ngưỡng của lưu vực nhỏ thường lớn so với lưu vực lớn

Umax, Lmax: Thông số biểu diễn khả năng chứa tối đa của các bể chứa tầng trên và tầng dưới Do vậy, Umax và Lmax chính là lượng tổn thất ban đầu lớn nhất, phụ thuộc và điều kiện mặt đệm của lưu vực Một đặc điểm của mô hình là lượng chứa Umax phải nằm trong sức chứa tối đa trước khi có lượng mưa vượt thấm, khi đó lượng

nước thừa sẽ PN xuất hiện, tức là U< Umax Do đó trong thời kỳ khô hạn, tổn thất của lượng mưa trước khi có dòng chảy tràn xuất hiện có thể được lấy làm Umax ban đầu

CK1,2, CKBF: là các hằng số thời gian biểu thị thời gian tập trung nước Chúng

là các thông số rất quan trọng, ảnh hưởng đến dạng đường quá trình và đỉnh

Các yếu tố chính ảnh hưởng đến dòng chảy

- Lượng trữ bề mặt:

Lượng ẩm bị giữ lại bởi thực vật cũng như được trữ trong các chỗ trũng trên tầng trên cùng của bề mặt đất được coi là lượng trữ bề mặt Umax biểu thị giới hạn trên của tổng lượng nước trong lượng trữ bề mặt Tổng lượng nước U trong lượng trữ

bề mặt liên tục bị giảm do bốc hơi cũng như do thấm ngang Khi lượng trữ bề mặt đạt đến mức tối đa, một lượng nước thừa PN sẽ gia nhập vào sông với vai trò là dòng chảy tràn trong khi lượng còn lại sẽ thấm vào tầng thấp bên dưới và tầng ngầm

- Lượng trữ tầng thấp hay lượng trữ tầng rễ cây:

Độ ẩm trong tầng rễ cây, lớp đất bên dưới bề mặt đất, tại đó thực vật có thể hút nước để bốc thoát hơi đặc trưng cho lượng trữ tầng thấp Lmax biểu thị giới hạn trên của tổng lượng nước trữ trong tầng này Độ ẩm trong lượng trữ tầng thấp cung cấp cho bốc thoát hơi thực vật Độ ẩm trong tầng này điều chỉnh tổng lượng nước gia nhập vào lượng trữ tầng ngầm, thành phần dòng chảy mặt, dòng sát mặt và lượng gia nhập lại

- Bốc thoát hơi nước:

Nhu cầu bốc thoát hơi đầu tiên được thoả mãn từ lượng trữ bề mặt với tốc độ tiềm năng Nếu lượng ẩm U trong lượng trữ bề mặt nhỏ hơn yêu cầu (U < Ep) thì phần còn thiếu được coi rằng là do các hoạt động của rễ cây rút ra từ lượng trữ tầng thấp theo tốc độ thực tế Ea Ea tương ứng với lượng bốc hơi tiềm năng và biến đổi tuyến tính theo quan hệ lượng trữ ẩm trong đất, L/Lmax, của lượng trữ ẩm tầng thấp

Khi lượng trữ bề mặt đã tràn, U > Umax, thì lượng nước thừa PN sẽ gia nhập vào thành phần dòng chảy mặt Thông số QOF đặc trưng cho phần nước thừa PN đóng góp vào dòng chảy mặt Nó được giả thiết là tương ứng với PN và biến đổi tuyến tính theo quan hệ lượng trữ ẩm đất, L/Lmax, của lượng trữ ẩm tầng thấp

OF

OF OF

T Q

(1 - 2) Trong đó: CQOF = hệ số dòng chảy tràn trên mặt đất (0 ≤ CQOF ≤ 1),

TOF = giá trị ngưỡng của dòng chảy tràn (0 ≤ TOF ≤ 1)

Phần lượng nước thừa PN không tham gia vào thành phần dòng chảy tràn sẽ thấm xuống lượng trữ tầng thấp Một phần trong đó, ∆L, của nước có sẵn cho thấm, (PN-QOF), được giả thiết sẽ làm tăng lượng ẩm L trong lượng trữ ẩm tầng thấp Lượng ẩm còn lại, G, được giả thiết sẽ thấm sâu hơn và gia nhập lại vào lượng trữ tầng ngầm

T Q

(1 - 3) Trong đó CKIF là hằng số thời gian dòng chảy sát mặt và TIF là giá trị ngưỡng tầng rễ cây của dòng sát mặt (0 ≤ TIF ≤ 1)

- Diễn toán dòng chảy mặt và dòng sát mặt:

Dòng sát mặt được diễn toán qua chuỗi hai hồ chứa tuyến tính với cùng một hằng số thời gian CK12 Diễn toán dòng chảy mặt cũng dựa trên khái niệm hồ chứa tuyến tính nhưng với hằng số thời gian có thể biến đổi

Trong đó OF là dòng chảy tràn (mm/hr) OFmin là giới hạn trên của diễn toán tuyến tính (= 0,4 mm/giờ), và β = 0,4 Hằng số β = 0,4 tương ứng với việc sử dụng công thức Manning để mô phỏng dòng chảy mặt

Theo phương trình trên, diễn toán dòng chảy mặt được tính bằng phương pháp sóng động học, và dòng chảy sát mặt được tính theo mô hình NAM như dòng chảy mặt (trong lưu vực không có thành phần dòng chảy mặt) được diễn toán như một hồ chứa tuyến tính

- Lượng gia nhập nước ngầm

Tổng lượng nước thấm G gia nhập vào lượng trữ nước ngầm phụ thuộc vào độ

ẩm chứa trong đất trong tầng rễ cây

(1 - 5) Trong đó TG là giá trị ngưỡng tầng rễ cây đối với lượng gia nhập nước ngầm (0 ≤ TG ≤ 1)

Dòng chảy cơ bản BF từ lượng trữ tầng ngầm được tính toán như dòng chảy ra

từ một hồ chứa tuyến tính với hằng số thời gian CKBF

Điều kiện ban đầu của mô hình

Điều kiện ban đầu mô hình bao gồm:

U là lượng nước chứa trong bể chứa mặt (mm);

L là lượng nước chứa trong bể chứa tầng dưới (mm);

QOF - cường suất dòng chảy mặt sau khi diễn toán qua bể chứa tuyến tính (mm/h);

QIF - cường suất dòng chảy sát mặt khi qua bể chứa tuyến tính (mm/h);

BF - cường suất dòng chảy ngầm (mm/h)

Hiệu chỉnh thông số mô hình nhằm xác định các thông số của mô hình để cho đường quá trình tính toán phù hợp nhất với đường quá trình thực đo Việc hiệu chỉnh các thông số mô hình có thể được tiến hành bằng 2 phương pháp: phương pháp thử sai hoặc phương pháp tối ưu Ở đây phương pháp thử sai để dò tìm bộ thông số cho lưu vực cần tính toán được Để đánh giá sự phù hợp giữa đường quá trình thực đo và đường quá trình tính toán, người ta sử dụng chỉ tiêu NASH

Tóm lại, mô hình NAM được sử dụng để xác định đường quá trình lưu lượng tại mặt cắt cửa ra của lưu vực từ số liệu mưa bằng cách đi tìm một bộ thông số phù hợp với đặc điểm của lưu vực nghiên cứu Để xác định được các thông số cần thiết đó, chúng ta lại cần phải có số liệu lưu lượng thực đo một vài năm dùng để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình Với bộ thông số này, từ số liệu sẵn có, ta có thể sử dụng để khôi phục lại số liệu tại cửa ra của lưu vực cần nghiên cứu

1.4.2 Mô hình thủy lực MIKE 11 – HD

MIKE11 là một phần mềm kỹ thuật chuyên dụng mô phỏng lưu lượng, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát ở cửa sông, sông, hệ thống tưới, kênh dẫn và các hệ thống dẫn nước khác MIKE11 là công cụ lập mô hình động lực một chiều, thân thiện với người sử dụng nhằm phân tích chi tiết, thiết kế, quản lý và vận hành cho sông và

hệ thống kênh dẫn đơn giản và phức tạp Với môi trường đặc biệt thân thiện với người

sử dụng, linh hoạt và tốc độ, MIKE11 cung cấp một môi trường thiết kế hữu hiệu về

kỹ thuật công trình, tài nguyên nước, quản lý chất lượng nước và các ứng dụng quy hoạch Mô đun mô hình thuỷ động lực (HD) là một phần trung tâm của hệ thống lập

mô hình MIKE11 và hình thành cơ sở cho hầu hết các mô đun bao gồm: dự báo lũ, tải khuyếch tán, chất lượng nước và các mô đun vận chuyển bùn cát Mô đun MIKE11-

HD giải các phương trình tổng hợp theo phương đứng để đảm bảo tính liên tục và bảo toàn động lượng (phương trình Saint Venant)

Các ứng dụng liên quan đến mô đun MIKE11-HD bao gồm:

- Dự báo lũ và vận hành hồ chứa

- Các phương pháp mô phỏng kiểm soát lũ

- Vận hành hệ thống tưới và tiêu thoát nước mặt

- Thiết kế các hệ thống kênh dẫn

- Nghiên cứu sóng triều và dòng chảy do mưa ở sông và cửa sông

Đặc trưng cơ bản của hệ thống lập mô hình MIKE 11 là cấu trúc mô đun tổng hợp với nhiều loại mô đun được thêm vào mô phỏng các hiện tượng liên quan đến hệ thống sông Ngoài các mô đun thuỷ lực đã mô tả ở trên, MIKE bao gồm các mô đun

bổ sung đối với:

- Thuỷ văn

- Tải khuyếch tán

- Các mô hình chất lượng nước

- Vận chuyển bùn cát có cấu kết

- Vận chuyển bùn cát không cấu kết

Phương trình cơ bản của mô hình để tính toán cho trường hợp dòng không ổn định là phương trình liên tục và phương trình động lượng (hệ phương trình Saint Venant) với các giả thiết chất lưu không nén được và đồng nhất, dòng chảy chủ yếu là một chiều, độ dốc đáy nhỏ, các thông số mặt cắt ngang ít biến động theo chiều dọc, phân bố áp suất thuỷ tĩnh cho phương trình liên tục (bảo toàn khối lượng) và phương trình động lượng (bảo toàn động lượng)

Phương trình liên tục:

dt dx t

Q dx

dA dt

dx x

Q Q

F x

P x

U M t

H b g

2

C

U g b x





Trong MIKE-11, các phương trình Saint Venant được giải bằng cách dùng lược

đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn là Bbott-Inoescu Trong lược đồ này, các cấp mực nước

và lưu lượng dọc theo các nhánh sông được tính trong một hệ thống các điểm lưới xen

Hình 1 5 Nhánh sông với các điểm lưới xen kẽ

MIKE-11 có thể xử lý được nhiều nhánh, và tại các nhập lưu nơi mà tại đó các nhánh gặp nhau Một nút sẽ được tạo ra trong đó mực nước được tính toán Hình dạng của các điểm lưới quanh một nút trong đó có ba nhánh gặp nhau được thể hiện trong Hình 1 6

Hình 1 7 Hình dạng các điểm lưới và các nút trong một mô hình hoàn chỉnh

Hình dạng các điểm lưới và các điểm trong một mô hình hoàn chỉnh được thể hiện trong Hình 1 7 Cần lưu ý rằng tại các điểm biên, ta lập các nút theo đó ta sẽ tính được mực nước

Trong một điểm lưới, mối quan hệ giữa biến số Zi (cả mực nước hi hay lưu lượng xả Qi) tại chính điểm đó và tại các điểm lân cận được thể hiện bằng cách dùng một phương trình tuyến tính như sau:

j n j j n j j n

1

Chỉ số dưới trong phương trình (3) biểu thị vị trí dọc theo nhánh và chỉ số trên chỉ bước thời gian Các hệ số , ,  và  trong phương trình tại các điểm h được tính bằng sai phân hữu hạn xấp xỉ đối với phương trình liên tục và tại các điểm Q bằng cách dùng sai phân hữu hạn xấp xỉ đối với các phương trình động lượng

Tại tất cả các điểm lưới dọc theo một nhánh, phương trình (3) được thành lập Giả sử một nhánh có các điểm lưới n; n là số lẻ, thì điểm lưới đầu và cuối trong một nhánh luôn luôn là điểm mực nước (h) Điều này tạo ra n phương trình tuyến tính có n+2 ẩn Hai ẩn số thừa ra là do các phương trình được tạo ra tại điểm đầu và điểm cuối

h, tại đó Zj-1 và Zj+1 lần lượt trở thành cấp mực nước tại nút, theo đó phần cuối thượng lưu và cuối hạ lưu của nhánh sông được kết nối Phần dưới đây mô tả các phương trình tuyến tính:

1 1 2 1 1 1 1 1

2 2 2 2 2 1

3 1 4 3 1 3 3 1

2

4 1 5 4 1 4 4 1

n



1 1 1 1 1 1 1

n

Hus trong các phương trình đầu và Hds trong phương trình cuối cùng lần lượt

là cấp mực nước trong nút thượng lưu và nút hạ lưu Trong MIKE-11 mực nước tương thích được ứng dụng tại các nút, nghĩa là mực nước tại điểm đầu tiên trong một nhánh bằng với mực nước tại nút, theo đó phần cuối thượng lưu của nhánh được nối với nhau Nói cách khác, h1=Hus Điều này nghĩa là 1=-1, 1=1, 1=0 và 1=0 Tương

tự, trong điểm lưới cuối cùng tại đó hn=Hds do đó n=0, n=1, n=-1 và n= 0 Trong Hình 1 7, điều này tương ứng với H=hA,n= hB,n= hC,1

Nếu ta liên hệ với hệ thống một nhánh với một biên mực nước tại cuối mỗi nhánh thì ta sẽ biết được Hus và Hds Chỉ còn lại n ẩn số trong n phương trình và ta có thể giải được chúng bằng cách dùng thuật toán khử chuẩn Tuy nhiên do MIKE-11 có thể xử lý nhiều nhánh nên ta phải áp dụng một phương pháp khác Để giải thích vấn đề này, các phương trình trên sẽ được trình bày trong ma trận ở Hình 1 8

1 1

ds j n us j j n

Hình 1 10 Giao điểm của ba nhánh sông

Phương trình liên tục tại vị trí giao điểm là:

2 / 1 2 / 1 1

I fl

n n

Q Q

A t

H H

(1-12)

2 , 1 1 , 1 1 , 2

, 1 , 1 ,

1

5.05

n B n

n A n

C n

n B n

n A fl

n n

Q Q

Q Q

Q Q

A t

H H

(1-13)

Với: Afl: Khu vực trong giới hạn phương trình liên tục

QI: Tổng dòng vào

QO: Tổng dòng ra

t: Bước thời gian

Trong phương trình trên, QA,n-1, QB,n-1, QC,n-1 tại bước thời gian n+1 có thể được thay như trong phương trình (5), ta có:

1 1 , 1 1 , 1 , 1 1 , 1 , 1 ,

1 1 , 1 1 , 1 , 1 1 , 1 , 1 , 1

5 0 5

0

n n C n n C n C n

n C n C n C

n n B n n B n B n n B n B n B

n n A n n A n A n

n A n A n A n

C n B n A fl

n

n

Q H b H

a c

Q H b H

a c

Q H b H

a c

Q Q Q A

t

H

H

(1-14) Trong đó: H: Mực nước thực tại giao điểm

HA,us: Mực nước tại điểm cuối thượng lưu của nhánh A

HB,us: Mực nước tại điểm cuối thượng lưu của nhánh B

HC,us: Mực nước tại điểm đầu thượng lưu của nhánh C

Với số nhánh sông nhiều hơn ta cũng có một phương trình tương tự như phương trình (1-14), các phương trình này được giải bằng phương pháp khử chuẩn Gauss để tính được mực nước tại các thời điểm n+1 Sau đó, mực nước và lưu lượng lai được tính theo phương trình (1-11)

Trong MIKE-11, có thể áp dụng ba loại điều kiện biên sau đây:

- Mực nước theo thời gian

- Lưu lượng theo thời gian

- Mối quan hệ giữa mực nước và lưu lượng dòng chảy (biên Q/h)

Mỗi dạng biên được tính bằng cách sử dụng phương trình nút khác nhau

Mực nước theo thời gian:

Trong trường hợp này mực nước tại nút tại bước thời gian là n+1 đơn giản sẽ trở thành giá trị biên được xác định bởi người sử dụng tại bước thời gian là n+1 (

H

Lưu lượng theo thời gian

Trong trường hợp này một phương trình liên tục lũy tích bao gồm khu vực chỉ định trong hình 1.8 được thiết lập Phương trình (1-13) trở thành:

).(

5.0).(

5

2 1 2

n b F

n n

Q Q Q

Q A

t

H H

Từ phương trình 13) Q2 tại thời điểm n+1 được thay bằng phương trình 11) và ta có phương trình (1-16)

(1-).(

5.0).(

5

n b n

n b F

n n

H b H a c Q Q

Q A

t

H H

(1-16) Phương trình (1-16) tương tự với phương trình 1-14 và các hệ số trong hàng có liên quan trong ma trận điểm có thể được tính bằng cách sắp xếp lại phương trình (1-16)

Biên giới hạn Q/h

Trong trường hợp này, người sử dụng xác định mối quan hệ trên bảng giữa h và

Q Ta lập được một phương trình liên tục tại biên giới hạn giống như cách ta đã lập cho biên giới hạn lưu lượng xả Lưu lượng xả tại điểm biên giới hạn Qb được mô tả theo hàm mực nước tại điểm có sử dụng mối quan hệ bảng này Cụ thể như sau:

Ta tìm được chỉ số i với Htab,I  Hn < Htab,i+1, và tỉ lệ ‘a’ được tính dựa theo phương trình (1-17)

i tab i

tab

i tab i

tab

H H

Q Q

a

, 1 ,

, 1 ,

tab n

tab n

.(

.(

5 0 ) ) (

.(

5

i tab n

i tab n i

tab F

n n

Q H

H a Q Q

H H a Q A

t

H H

( 11-20)

Phương trình (1-20) tương tự với phương trình (1-13) và các hệ số trong hàng

có liên quan trong ma trận điểm có thể được tính bằng cách sắp xếp lại phương trình (1-14) Như vậy, trình tự áp dụng để giải các phương trình sai phân hữu hạn có thể được tóm tắt như sau:

Tại mỗi khoảng thời gian mô phỏng thì sẽ xảy ra những điều sau đây:

1.Tại mỗi nhánh, các hệ số trong các ma trận nhánh được tính căn cứ theo phương pháp sai phân hữu hạn xấp xỉ của các phương trình Saint - Venant

2.Các hệ số ma trận nhánh trong các điểm Q có cấu trúc được tính bằng cách dùng cấu trúc thuật toán có liên quan

3.Từng ma trận nhánh được chuyển từ Hình 1 8 sang Hình 1 9

4.Ở mỗi điểm mà tại đó có 2 hoặc nhiều hơn 2 nhánh gặp nhau, các hệ số trong hàng có liên quan trong ma trận điểm sẽ được tính bằng cách sử dụng phương trình (1-14)

5.Ở mỗi điểm mà tại đó chỉ có một nhánh được nối kết nghĩa là các điểm biên các hệ số trong hàng có liên quan trong ma trận điểm sẽ được tính bằng cách sử dụng

) phương trình (1-16) hoặc phương trình (1-18)

Ma trận điểm sẽ được giải và ta biết được Hn+1 tại tất cả các điểm

Tại mỗi điểm lưới dọc theo các nhánh, các mực nước và lưu lượng dòng chảy

Giá trị Cr trong khoảng 10 – 15 nhưng các giá trị lớn hơn 100 đã được sử dụng Ngoài ra trong mô hình MIKE11 còn sử dụng các phương trình Darcy, phương trình Poisson cho tính toán dòng chảy nước ngầm

1.4.3 Mô hình Mike 21

MIKE 21 là mô hình 2 chiều dựa trên hệ phương trình với độ sâu trung bình,

mô tả chuyển động của mực nước s và vận tốc theo 2 chiều (vận tốc U và V) trên hệ tọa độ Decac

Phương trình liên tục:

s F Vh y

Uh x

s s yy

y

U K y x

U K x V U U d C

g x

s g y

U V

)(

2 2 2

(1-23)

s s yy

y

V K y x

V K x V U V d C

g x

s g y

V V

) (

2 2 2

(1-24) trong đó: s là mực nước lên xuống;

Vấn đề cơ bản đối với những ô lưới khô (ví dụ như những ô riêng biệt mà mực nước rơi vào đó, hoặc độ sâu mực nước dưới mức đáy, hoặc tổng độ sâu là số âm) là phát triển các phương pháp cung cấp một kết quả ổn định, đúng quy luật tự nhiên và bảo toàn khối lượng Một vài phương pháp đã được đưa ra như là chia độ sâu thành các giá trị dương và nhỏ, giả định tăng lực ma sát cho những độ sâu nhỏ hoặc bổ sung những khe rãnh ở những vùng có ô thu nhỏ lại khi mực nước dưới mức đáy McCowan (2001) đã chứng minh một phương pháp giải, dựa trên sự biến đổi của sơ đồ được đưa

ra bởi Stelling (1998) Ông tận dụng biệt số hướng gió của mực nước, liên kết với sơ

đồ mực nước dương và đơn điệu Sử dụng sai phân trung tâm theo không gian của đối lưu hạn cung cấp một kết quả tin cậy nhưng vì tính ổn định nên cần giới hạn dòng chảy tới chế độ tới hạn phụ, ví dụ như số Froude F=U/gh cần phải nhỏ hơn 1

Đối với vùng ven biển thường không có giới hạn cụ thể, nhưng đối với truyền sóng lũ qua vùng nước nông hoặc vùng khô, sẽ phát sinh điều kiện tới hạn hoặc siêu tới hạn Một giải pháp có đề cập đến sự tiêu hao thêm năng lượng sóng ngắn cục bộ,

đó là thêm xoáy nhớt nhân tạo hoặc số lọc (Abbott, 1979), hoặc thông qua sơ đồ số (Lax, 1954) Với việc đưa thêm trọng số của sơ đồ ngược dòng trong đối lưu hạn, McCowan (2001) đã chứng minh rằng phương pháp giải trên là ổn định ngay cả đối với dòng chảy siêu tới hạn, và tránh được những nhiễu động nhân tạo về cả vận tốc và mực nước Trọng lượng được chọn dựa trên số Froud cục bộ sao cho đối với F<0.25 sơ

đồ sai phân được sử dụng, và tăng trọng số của sơ đồ ngược dòng cho đến khi F>1.0 ở những nơi mà sơ đồ ngược dòng hoàn toàn được sử dụng

Đây là con sông lớn thứ hai (sau sông Mêkông) chảy qua Việt Nam đổ ra biển Đông Sông Hồng được hình thành từ 3 sông nhánh lớn là sông Đà, sông Lô và sông Thao Sông Thái Bình cũng được hình thành từ 3 nhánh sông lớn là sông Cầu, sông Thương và sông Lục Nam Hai hệ thống sông được nối thông với nhau bằng sông Đuống và sông Luộc tạo thành lưu vực sông Hồng - sông Thái Bình

+ Phía Bắc giáp lưu vực sông Trường Giang và sông Châu Giang của Trung Quốc

+ Phía Tây giáp lưu vực sông Mê Kông

+ Phía Nam giáp lưu vực sông Mã

+ Phía Đông giáp vịnh Bắc Bộ

Lưu vực có tới trên 90 % diện tích là đồi núi mà dòng chảy chủ yếu được sinh

ra từ mưa Do vậy, mùa mưa nước tập trung nhanh sinh ra lũ, úng làm ngập lụt gây thiệt hại to lớn về tính mạng, tài sản của nhà nước và nhân dân trên quy mô rộng lớn hàng chục vạn ha Ngược lại, về mùa khô lượng mưa sinh thủy trên các sông suối rất hạn chế không đáp ứng được yêu cầu nước phục vụ cho sản xuất, đời sống và xã hội