luận văn nghiên cứu, ứng dụng mô hình kết noois marine và i,ech1d dự báo lưu lượng vào hồ hòa bình

Luận văn thạc sỹ này được đặt ra trong hoàn cảnh thực tế là cần phải xây dựng một công cụ cho phép dự báo trước lưu lượng vào hồ Hòa Bình từ các số liệu đầu vào đã biết bao gồm: - Các th

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG MÔ HÌNH KẾT NOOIS MARINE VÀ I,ECH1D DỰ

BÁO LƯU LƯỢNG VÀO HỒ HÒA BÌNH

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

MỞ ĐẦU 6

Chương 1 ĐẶC ĐIỂM CỦA LƯU VỰC VÀ CỦA CÁC MÔ HÌNH LỰA CHỌN NGHIÊN CỨU 8

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]: 8

1.1.1 Đặc điểm mưa gây lũ [4]: 8

1.1.2 Đặc điểm dòng chảy lũ sông Đà [4]: 9

1.1.3 Vai trò của hồ Hòa Bình [4]: 10

1.2 Tổng quan về mô hình thủy văn [3]-[5]: 11

1.3 Tổng quan về mô hình thủy lực [3]; [6]: 12

Chương 2 PHẦN MỀM THỦY VĂN THAM SỐ PHÂN BỐ MARINE 15

2.1 Cơ sở khoa học của phần mềm thủy văn tham số phân bố Marine: 15

2.1.1 Mô hình dòng chảy trên bề mặt lưu vực [3]; [5]; [6]; [8]: 15

2.1.2 Mô hình thấm Green Ampt [12]; [16]: 16

2.2 Cấu trúc dữ liệu trong Marine [16]: 18

Chương 3 PHẦN MỀM THỦY LỰC MỘT CHIỀU IMECH1D 21

3.1 Các thành phần của hệ thống [5]; [6]; [9]: 21

3.1.1 Mạng sông: 21

3.1.1.1 Nút sông: 21

3.1.1.2 Đoạn sông: 22

3.1.2 Ô ruộng (Ô chứa): 22

3.2 Mô hình toán học [5]; [6]; [9]: 22

3.2.1 Mô hình toán học một đoạn sông: 22

3.2.2 Mô hình toán học của một ô ruộng [5]; [6]; [9]: 23

3.3 Lược đồ sai phân [1]; [5]; [6]: 23

3.4 Tuyến tính hóa hệ phương trình (3.5), (3.7), (3.8): 25

3.4.1 Tuyến tính hoá các biểu thức đơn giản [10]: 26

3.4.2 Tuyến tính hoá biểu thức có lực cản đáy: 26

3.4.3 Tuyến tính hoá biểu thức trao đổi nước qua đê: 27

3.5 Thuật giải hệ phương trình đại số tuyến tính [1]; [5]; [6]: 27

3.6 Các thuật toán phụ trợ sử dụng trong xây dựng bộ chương trình tính toán thủy lực một chiều IMech1D [5]; [6]: 32

3.6.1 Khái toán mặt cắt: 32

3.6.2 Tạo giá trị mực nước và lưu lượng làm điều kiện ban đầu: 33 3.6.3 Vấn đề xác định hệ số nhám và chỉnh kết quả: 34

Chương 4 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH KẾT NỐI MARINE-IMECH1D CHO LƯU VỰC SÔNG ĐÀ PHẦN TRÊN LÃNH THỔ VIỆT NAM 35

4.1 Mô hình kết nối Marine và Imech1D [5]: 35

4.2 Xử lý số liệu cho mô hình kết nối Marine-IMech1D: 36

4.2.1 Xử lý bản đồ địa hình: 36

4.2.1.1 Xác định hướng của dòng chảy và độ tích tụ của dòng chảy trên DEM: 37

4.2.1.2 Tạo mạng sông suối từ DEM: 39

4.2.1.3 Phân chia lưu vực trên nền DEM: 40

4.2.2 Xử lý bản đồ phân loại đất: 40

4.2.3 Xử lý bản đồ hiện trạng sử dụng đất: 42

4.2.4 Xây dựng bản đồ phân bố mưa trong lưu vực: 42

4.2.5 Tích hợp các mặt cắt sông vào lớp sông suối trên nền DEM: 44

4.2.6 Xử lý các số liệu khác: 45

Chương 5 NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG TÍNH TOÁN CỦA MÔ HÌNH BẰNG KỸ THUẬT LỌC KALMAN 46

5.1 Quá trình cần đánh giá (ước lượng) [13]: 46

5.2 Các vấn đề tính toán (bản chất tính toán) của lọc Kalman [13]; [17]: 48

5.2.1 Định nghĩa về các ước lượng tiên nghiệm và hậu nghiệm: 48

5.2.2 Bước dự báo – cập nhật (ước lượng tiên nghiệm): 48

5.2.3 Bước hiệu chỉnh (ước lượng hậu nghiệm): 50

5.2.4 Tìm Kalman gain (blending factor) K: 51

5.3 Thuật toán lọc Kalman rời rạc: 54

5.3.1.Cập nhật theo thời gian – dự báo (ước lượng tiên nghiệm)

(predict): 54

5.3.1.1 Phép tính s 1: 54

5.3.1.2 Phép tính số 2: 54

5.3.2 Cập nhật theo đo đạc – chỉnh sửa (ước lượng hậu nghiệm) (correct): 55

5.3.2.1 Phép tính số 3: 55

5.3.2.2 Phép tính số 4: 55

5.3.2.3 Phép tính số 5: 55

Chương 6 CÁC KẾT QUẢ ỨNG DỤNG MÔ HÌNH KẾT NỐI MARINE VÀ IMECH1D ĐỂ DỰ BÁO LƯU LƯỢNG VÀO HỒ HÒA BÌNH 56

6.1 Kết quả kiểm tra bài toán mẫu cho 10 lưu vực bộ phận: 56

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: 57

6.2.1 Nhận định chung tình hình lũ sông Đà năm 2006: 57

6.2.2 Kết quả tính toán dự báo lại cho trận lũ năm 2006 bằng mô hình kết nối MARINE-IMECH1D: 57

6.3 Kết quả sử dụng mô hình kết nối Marine-IMech1D tác nghiệp cho mùa lũ năm 2009: 60

KẾT LUẬN 63

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

Tiếng Việt 66

Tiếng Anh 66

Tiếng Pháp 67

PHỤ LỤC 68

1 Kết quả kiểm tra bài toán mẫu cho 10 lưu vực bộ phận của lưu vực sông Đà bằng MARINE: 68

2 Kết quả kiểm định bộ chương trình tính toán thủy lực một chiều IMech1D bằng các bài toán kiểm định mẫu (Test Cases) 74

2.1 Kết quả kiểm định bộ chương trình IMech1D bằng bài toán mẫu số 1: SÓNG XẢ TRONG KÊNH CHỮ NHẬT 74

2.2 Kết quả kiểm định bộ chương trình IMech1D bằng bài toán mẫu số 2: DÒNG CHẢY ÊM, ĐỀU TRONG KÊNH HÌNH CHỮ NHẬT 75 2.3 Kết quả kiểm định bộ chương trình IMech1D bằng bài toán mẫu số 3: DÒNG CHẢY ĐỀU CÓ LƯU LƯỢNG PHỤ 76 2.4 Kết quả kiểm định bộ chương trình IMech1D bằng bài toán mẫu số 4: DÒNG CHẢY ĐỀU CÓ CÔNG TRÌNH 77 2.5 Kết quả kiểm định bộ chương trình IMech1D bằng bài toán mẫu số 5: SÓNG ĐỘNG LỰC HỌC 78 2.6 Kết quả kiểm định bộ chương trình IMech1D bằng bài toán mẫu số 6: SÓNG KHUẾCH TÁN 79 2.7 Kết quả kiểm định bộ chương trình IMech1D bằng bài toán mẫu số 7: SÓNG ĐỘNG HỌC 80 2.8 Kết quả kiểm định bộ chương trình IMech1D bằng bài toán mẫu số 8: SÓNG LŨ QUA HỒ CHỨA 81 2.9 Kết quả kiểm định bộ chương trình IMech1D bằng bài toán mẫu số 9: NHIỄU ĐỊA PHƯƠNG TRONG DÒNG CHẢY DỪNG

82 2.10 Kết quả kiểm định bộ chương trình IMech1D bằng bài toán mẫu số 10: HÌNH HỌC KHÔNG ĐỀU TRONG DÒNG CHẢY DỪNG 83 2.11 Kết quả kiểm định bộ chương trình IMech1D bằng bài toán mẫu số 11: DÒNG CHẢY KHÔNG DỪNG TRONG KÊNH CÓ LÒNG DẪN PHỨC HỢP 85 2.12 Kết quả kiểm định bộ chương trình IMech1D bằng bài toán mẫu 12: PHÂN LƯU 88

MỞ ĐẦU

Do ảnh hưởng của tình trạng biến đổi khí hậu toàn cầu và hiện trạng khai thác, sử dụng đất trên bề mặt lưu vực bị thay đổi nhiều nên lũ lụt trên hệ thống sông Đà đang có chiều hướng ngày một diễn biến phức tạp hơn Chính điều này

đã ngày một gây thêm nhiều khó khăn cho công tác dự báo lưu lượng vào hồ Hòa Bình cũng như 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 lưu lớn nhất trong ba chi lưu của hệ thống sông Hồng Lưu lượng nước đổ về sông Hồng phần lớn là từ sông

Đà chảy về Chính vì vậy sông Đà có ảnh hưởng 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 được lũ sông Đà và vận hành công trình chống lũ hồ thủy điện Hòa Bình một cách hợp lý

Dự báo trước lưu lượng vào hồ Hòa Bình là một nhiệm vụ quan trọng Bởi

vì, để vận hành dược hồ Hòa Bình phục vụ đa mục tiêu cần phải biết trước được lưu lượng vào hồ

Luận văn thạc sỹ này được đặt ra trong hoàn cảnh thực tế là cần phải xây dựng một công cụ cho phép dự báo trước lưu lượng vào hồ Hòa Bình từ các số liệu đầu vào đã biết bao gồm:

- Các thông tin về lưu vực sông Đà bị giới hạn nằm trên phần lãnh thổ Việt Nam

- Số liệu mưa thực đo đã biết của các trạm đo trong lưu vực

- Số liệu mưa dự báo tại các trạm đo trong lưu vực bởi các mô mình dự báo mưa

- Lưu lượng chảy vào từ phần lưu vực thuộc lãnh thổ Trung Quốc

- Số liệu về lưu lượng và mực nước 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 lưu vực sông Đà

- Các thông tin phụ trợ khác

Trên cơ sở đó 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 Trên cơ sở đó nội dung của luận văn bao gồm 6 chương chính là:

Chương 1: trình bày các thông tin tổng quan về đề tài bao gồm, thông tin

về lưu vực nghiên cứu, các thông tin về mô hình thủy văn, thủy lực được lựa chọn nghiên cứu

Chương 2: Nghiên cứu cơ sở khoa học và phát triển mô hình thủy văn

tham số phân bố Marine

Chương 3: Nghiên cứu cơ sở khoa học và khai thác mô hình thủy lực một

chiều IMech1D

Chương 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 lưu vực sông Đà để dự báo lưu lượng vào hồ Hòa Bình

Chương 5: Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật lọc Kalman để nâng cao độ

chính xác của mô hình đã kết nối Marine và IMech1D

Chương 6: Trình bày các kết quả sử dụng mô hình kết nối

Marine-IMech1D dự báo lưu lượng vào hồ Hòa Bình trước 48 giờ

Cuối cùng là phần kết luận và một số phụ lục

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, lưu vực hẹp, kéo dài theo hướng tây 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 lưu vực Lòng chính

bắc-ở thượng lưu hẹp, nhiều thác ghềnh; bắc-ở hạ lưu, lòng sông mbắc-ở rộng, độ dốc sông trung bình là 3,58% Độ cao bình quân lưu vực là 965m, độ dốc bình quân là 36,8% Đường phân thủy phía đông của lưu 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 lưu 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 hướng tây bắc-đông nam

1.1.1 Đặc điểm mưa 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 lưu vực Dãy núi cao Hoàng Liên Sơn - Puluông như một bức tường tự nhiên ngăn cản và làm suy yếu ảnh hưởng 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 lưu vực đã qui định khí hậu với hai mùa: mùa đông khô lạnh, mùa hè nhiều mưa ở vùng cao và khô nóng ở vùng thấp

Mưa lớn trên lưu vực thường bắt đầu sớm, vào khoảng tháng VI, tháng VII Vùng bắc và tây bắc là vùng núi cao có khí hậu ẩm ướt đến rất ẩm, lượng mưa trung bình nhiều năm từ 1500 đến 2700mm, lượng mưa mùa hè (tháng V-IX) chiếm tới trên 70% tổng lượng mưa năm Vùng núi thấp Sơn La-Mộc Châu, mùa hè chịu ảnh hưởng của gió mùa tây nam, lượng mưa trung bình năm thấp, chỉ 1100 đến 1500mm, trong đó lượng mưa mùa hè dưới 1000mm

Trên lưu vực sông Đà tồn tại những trung tâm mưa lớn như trung tâm mưa ở sườn tây dãy Hoàng Liên Sơn thuộc các lưu vực sông nhánh Nậm Na, Nậm Mu, lượng mưa trung bình năm khoảng 2500mm (trên lưu vực Nậm Na-

mưa trung bình năm tới trên 2000mm : tại Phong Thổ lượng mưa trung bình năm là 2202mm, PaTần 2997mm, Sình Hồ 2682mm; trên lưu vực Nậm Mu lượng mưa trung bình năm tới 2454mm, ở thượng lưu lên tới 2700-2800mm) Tại vùng phía tây dãy Hoàng Liên Sơn thấy rõ qui luật lượng mưa tăng theo độ cao lưu vực, mưa tập trung vào các tháng V-X, đặc biệt là các tháng VI-VIII; lượng mưa mùa hè chiếm trên 90%, lượng mưa các tháng VI-VIII chiếm 50-60% lượng mưa năm

Trung tâm mưa lớn tại phần lưu vực thuộc địa phận Việt Nam gần biên giới Việt-Trung là tâm mưa lớn nhất, lượng mưa năm thay đổi tùy từng vị trí từ

2400 đến 3000mm, mưa 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 lượng mưa lớn lại tập trung vào một vài tháng trong năm nên tạo điều kiện hình thành mạng lưới sông dày đặc, ít sông lớn, hướng của các dòng sông suối trùng với hướng của lưu 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 lượng mưa ít hơn đáng kể so với các vùng khác nên sông suối thưa hơn, chỉ từ 0,5 đến 1,5km/km2, thường dưới 1,0km/km2

Trên sông Đà và các dòng sông nhánh như Nậm Na, Nậm Mu, các sông suối nhỏ đổ vào dòng chính thường phân bố đều dọc sông Vùng cao nguyên đá vôi mưa ít, sông suối thưa, dòng chảy nhỏ hơn

Nguồn sinh dòng chảy quan trọng nhất trên sông Đà nằm ở phần lưu vực thuộc vùng biên giới Việt - Trung và vùng sườn 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 lưu vực, lượng dòng chảy thường không vượt quá 20 l/s/km2 (biểu 1.3) Dòng chảy sông tập trung vào các tháng mùa lũ, chiếm tới 69-78% tổng lượng dòng chảy năm

Mùa lũ trên sông Đà thường bắt đầu vào tháng V, kết thúc vào cuối tháng

IX đầu tháng X Lũ lớn nhất thường 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 lưu 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 lưu sông Đà, nhất là lưu vực Nậm Na, Nậm Mu hai phụ lưu lớn nhất bên tả ngạn, thường xuất hiện những trận lũ đặc biệt lớn gây tác hại nghiêm

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, lượng 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 lưu vực tăng Điều này chứng tỏ rằng lượng gia nhập đáng kể ở phần lưu vực thuộc địa phận Việt Nam Tại Lai Châu, biên độ lũ lớn nhất đạt tới 25 mét, cao nhất ở Việt Nam, với cường suất lũ lên lớn nhất tới 77,4 cm/h Dòng chảy lũ tập trung nhanh như 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 tương 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 Mường Tè về tới Hòa bình và trên các phụ lưu chính Nậm Na, Nậm Mu, thấy rằng, trong mùa lũ, thời gian truyền lưu lượng 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 nước hồ Lưu ý rằng, thời gian truyền lũ trên các đoạn sông chính và trên các phụ lưu còn phụ thuộc vào vị trí tâm mưa trên lưu vực

Như vậy, với điều kiện kỹ thuật thủy văn và điều kiện thông tin khí tượng thủy văn hiện có thì thời gian dự kiến thực tế của dự báo lưu lượng và mực nước tại trạm Tạ Bú trên sông Đà không thể vượt quá 18 giờ, tại Hòa Bình - không vượt quá 36 giờ Để kéo dài thời gian dự kiến của dự báo có thể sử dụng các thông tin về lượng mưa dự báo trong thời gian dự kiến ở các phần lưu vực khác nhau Dự báo lượng mưa trong 24 giờ và 48 giờ tới, trong điều kiện hiện nay, thường kém chính xác cả về định tính và định lượng Do vậy, những trị số dự báo lưu lượng và mực nước trên sông Đà với thời gian dự kiến trên 36 giờ chỉ nên dùng để tham khảo hoặc chỉ nên xem như những nhận định khả năng

1.1.3 Vai trò của hồ Hòa Bình [4]:

Hồ Hòa Bình là hồ thủy điện lớn được xây dựng với nhiều mục đích sử dụng khác nhau bao gồm:

- Mục đích chống lũ

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 được phân thành hai loại chính đó là:

- Mô hình thủy văn dạng hộp đen: Đây là các mô hình được xây dựng và phát triển từ rất lâu rồi Các mô hình này chủ yếu được 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), nhưng ngược lại, việc sử dụng các mô hình này đòi hỏi phải có nhiều kinh nghiệm mới đạt được kết quả tốt Loại các mô hình này rất thích hợp với điều kiện thiếu các thông tin đầu vào của lưu vực Ngày nay trên thế giới các mô hình loại này đã và đang được sử dụng rất hạn chế Thế giới đang có su hướng 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 dưới đây)

- Mô hình thủy văn tham số phân bố: Đây là loại mô hình thủy văn được xây dựng trên cơ sở giải hệ phương trình Saint Venant hai chiều Loại

mô hình này hiện đang được nghiên cứu phát triển và ứng dụng ở các nước tiên tiến Đây chính là su hướng 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 người sử dụng

Trong thời kỳ phát triển của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là sự phát triển vượt bậc của công nghệ GIS thì mô hình thủy văn tham số phân bố là loại mô hình có ưu thế sử dụng nhiều hơn Các mô hình loại này đã và đang được phát triển có thể kể đến các mô hình sau:

- GBHM (của Nhật)

- Casd2D-SET (của Mỹ)

đà cũng lớn (trong mùa lũ) do lượng mưa 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 được 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 được một bộ chương trình tính toán thuỷ lực một chiều có khả năng mô phỏng được dòng chảy trong hệ thống sông phức tạp với các đặc điểm riêng biệt như 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 chương trình VRSAP (Vietnam River System And Plains) của Giáo sư, Anh hùng Lao động Nguyễn Như Khuê và cộng sự được đánh giá như 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 chương trình này đã được xây dựng trên nền của trình độ toán học, tin học của nước 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 được một số chương trình tính toán thuỷ lực một chiều đã được thương mại hoá như WENDY (Hà Lan), MIKE (Đan Mạch) Vì các bộ chương trình này được chuyển giao cho chúng ta không có mã nguồn và đi kèm một số lượng khóa cứng hạn chế nên việc sử dụng nhất là việc kết nối với các bộ chương trình khác

sẽ gặp nhiều vấn đề khó vượt qua

Gần đây nhiều chuyên gia thuỷ lực của ta đã khai thác bộ chương trình tính toán thuỷ lực của Hoa Kỳ FLDWAV Có thể nói bộ chương trình FLDWAY đã

sử dụng 1 số thành tựu mới trong lĩnh vực toán học, thuỷ lực, tin học, nhưng bộ chương 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 chương trình khác lấy tự do từ internet cũng đã được sử dụng như 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 trước để xây dựng được một bộ chương trình tính toán thuỷ lực một chiều IMech1D có khả năng mô phỏng được các đặc thù của dòng chảy trên hệ thống sông Hồng - Thái Bình:

a) Quá trình lưu lượng ở thượng lưu được điều tiết bằng các hồ chứa lớn như 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, Lương 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 hưởng bởi chế độ triều Biển Đông

Bộ chương trình do nhóm đề tài xây dựng đã vượt qua được các bài toán kiểm định mẫu của các Phòng Thí nghiệm thuỷ lực lớn ở Châu Âu đề xuất và được 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 chương trình để dự báo quá trình lũ trên hệ thống sông Hồng - Thái Bình Kết quả dự báo lũ của nhóm đề tài đã được Uỷ ban Phòng chống lụt bão Trung ương sử dụng để tham khảo khi ra các quyết định nhằm kiểm soát lũ trên hệ thống sông Hồng, Thái Bình

IMech1D đã được 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 Hương 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 tượng Thủy văn trung ương của Bộ Tài nguyên và Môi trường

- Trung tâm dự báo Khí tượng Thủy văn tỉnh Thừa Thiên Huế

- Chi cục Phòng chống lụt bão và Quản lý Đê điều tỉnh Thừa Thiên Huế

Từ năm 2004 đến nay (2009) IMech1D đã được chính thức sử dụng trong công tác dự báo mực nước 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 tượng Thủy văn Trung ương để hỗ trợ công tác điều hành các hồ chứa và phòng chống lụt bão

Chương 2 PHẦN MỀM THỦY VĂN THAM SỐ PHÂN BỐ

MARINE

Marine là phần mềm thủy văn tham số phân bố, được nghiên cứu và phát triển bởi Viện Cơ học Chất lỏng Toulouse, Cộng hòa Pháp Trong khuôn khổ dự

án quốc tế FLOCODS, Marine được chuyển giao cho Viện Cơ học năm 2004

Từ đó tới nay Marine luôn được nghiên cứu cải tiến và phát triển cho phù hợp với điều kiện ứng dụng ở Việt Nam Marine đã được sử dụng để nghiên cứu tính toán cho nhiều lưu vực sông ở Việt Nam Trên thế giới Marine được đánh giá cao và được khai thác sử dụng ở nhiều nước như 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 lưu vực [3]; [5]; [6]; [8]:

MARINE mô phỏng quá trình hình thành dòng chảy sinh ra bởi mưa trên lưu vực dựa trên phương trình bảo toàn khối lượng:

0

P)V(.t

(2.1) Trong đó: V: là thể tích khối chất lỏng xét

U: là vận tốc của dòng chảy giữa các ô lưới

P0: là lượng mưa

Vì: u.grad(V)div(V.u)V.div(u)

Với chất lỏng không nén được ta có , sử dụng công thức Ostrogradski

P d

V dS t

V

n u

(2.2) Vận tốc của dòng chảy trao đổi giữa các ô được tính theo công thức:

K m

H pente

3 / 2

(2.3)

t P x

t pente

Trong đó: Pente: độ dốc; Km: hệ số nhám Manning

x: chiều rộng ô lưới t : Bước thời gian tính j: Hướng chảy của ô lưới (j =1  4)

H: Độ sâu mực nước của ô lưới tính

H: Sự thay đổi mực nước của ô lưới tính từ thời điểm t1 đến t2 Đây chính là phương trình tính sự biến thiên mực nước theo thời gian của mỗi ô lưới

Từ sự biến thiên mực nước H của mỗi ô lưới ta tính được tổng lưu lượng trao đổi của mỗi ô (bao gồm lưu lượng nhận từ mưa, lưu lượng chảy vào và lưu lượng chảy ra) tại mỗi bước tính chính bằng sự biến thiên thể tích nước chứa trong ô

Q=H*dx*dx

Trong đó: dx là kích thước của lưới tính

Đối với lưu vực kín, lưu vực chỉ có một điểm thoát nước, tại điểm thoát nước của lưu vực ta luôn có lưu lượng ra khỏi lưu vực là:

q=Q

Đối với lưu vực hở, lưu vực nằm dọc hai bên bờ sông nên có nhiều điểm thoát nước Với trường hợp này lưu lượng ra khỏi lưu vực là tổng lưu lượng trao đổi của các điểm thoát nước:

q=∑Q=∑H*dx*dx

Như vậy kết quả quá trình tính toán của MARINE cho ta lưu lượng ra của các lưu 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 hình MARINE tính toán thấm dựa trên lý thuyết thấm Green Ampt từ phương trình liên tục và định luật Darcy

Độ sâu thấm tích lũy tiềm năng được tính bằng phương trình Green - Ampt:

kt t

F t

Trong đó: F(t) là độ sâu luỹ tích của nước thấm vào trong đất

(2.4)

(2.5)

: Cột nước mao dẫn của mặt ướt

 = -i với  là độ rỗng của đất ,

i là độ ẩm của đất

k: Độ dẫn thuỷ lực

Phương trình (2.5) là phương trình phi tuyến, ta có thể giải bằng phương pháp thay thế liên tiếp, hoặc phương pháp lặp Newton Trong trường hợp độ sâu lớp nước đọng ho không thể bỏ qua ta phải thay thế  bằng giá trị  - ho trước khi giải Sau khi tìm được độ sâu thấm tích lũy tiềm năng F(t) ta xác định được tốc độ thấm tiềm năng

)1(  



F k

(2.6) Theo định luật Darcy ta xác định được lưu lượng thấm của mỗi ô lưới sẽ là: qthấm = f*dx*dx

Trước khi sinh nước đọng (t < tp) cường độ mưa nhỏ hơn tốc độ thấm tiềm năng và mặt đất chưa bão hòa Quá trình nước đọng trên mặt đất bắt đầu xảy ra khi cường độ mưa vượt quá cường độ thấm tiềm năng (t = tp) lúc đó đất ở trạng thái bão hòa Khi quá trình mưa 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 lượng nước đọng

Thấm được chia 3 thời kỳ:

Trước khi xuất hiện nước đọng, toàn bộ lượng mưa đều thấm xuống đất (t < tp).Tốc độ thấm tiềm năng là một hàm của lượng thấm tích lũy F (t = tp)

Nước đọng xuất hiện khi tốc độ thấm tiềm năng nhỏ hơn hoặc bằng cường

) (



p

it k

)

i k

Hình 2.1: Sơ đồ mô tả mô hình MARINE

Như vậy, tại mỗi bước thời gian mô đun thấm cho ta lưu lương thấm qthấm

của mỗi ô chứa Với trường hợp tính toán MARINE có sử dụng mô đun thấm tại mỗi bước thời gian tổng lưu lượng trao đổi của mỗi ô bao gồm lưu lượng nhận

từ mưa, lưu lương chảy vào, lưu lượng chảy ra và lưu lượng thấm:

Q=H*dx*dx - qthấm

2.2 Cấu trúc dữ liệu trong Marine [16]:

Trong Marine dữ liệu được đưa vào dưới dạng các lớp dữ liệu chồng lên nhau Mỗi lớp dữ liệu chứa một loại thông tin khác nhau Các lớp dữ liệu được

để ở dạng raster, sử dụng mã ASCII để lưu 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 hưởng đến vận tốc dòng chảy, hướng của dòng chảy

- Lớp thông tin về hiện trạng sử dụng bề mặt lưu vực: Lớp thông tin này phản ánh độ nhám của bề mặt lưu vực, nó trực tiếp quyết định đến hệ số cản của dòng chảy trên bề mặt lưu vực

- Lớp thông tin về phân loại đất trên bề mặt lưu vực: Lớp thông tin này trực tiếp ảnh hưởng đến cường độ thấm của dòng chảy trên bề mặt lưu vực Với mỗi loại đất sẽ có 3 lớp thông tin cần đưa vào mô hình (theo yêu cầu của phương pháp tính tổn thất Green Ampt) Như vậy có nghĩa

là các thông tin về đất được chứa trong ba lớp dữ liệu

- Lớp thông tin về hệ thống sông suối và mặt cắt của sông suối

Dòng chảy sát mặt tại ô lưới

P0 (mưa)

Thấm - Green Ampt

Lớp nước đọng Dòng chảy mặt

tại ô lưới

Liên kết các ô lưới, tính

Q trao đổ̉̉i giữa các ô

Quá trình Q~t tại cửa ra của lưu

vực hoặc nút đăng ký

Cấu trúc lưu vực (độ cao địa hình,

đất, thảm phủ)

- Lớp thông tin về mưa: 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 mưa được đưa vào, thời gian thay đổi lớp thông tin mưa chính là

ốp thời gian đo mưa trên lưu vực

- Lớp thông tin quan trắc về lưu lượng tại các vị trí kiểm tra và xuất số liệu trong mô hình

Hình 2.2: Các lớp thông tin yêu cầu của Marine

Hình 2.3: Cấu trúc các lớp dữ liệu trong Marine

Chương 3 PHẦN MỀM THỦY LỰC MỘT CHIỀU IMECH1D

IMech1D là phần mềm thủy lực một chiều, được nghiên cứu, xây dựng và phát triển bởi tập thể nghiên cứu về lũ lụt của Viện Cơ học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam IMech1D được xây dựng năm 2000, từ đó đến nay Imech1D luôn được nghiên cứu phát triển ngày một hoàn thiện hơn IMech1D

đã vượt qua được 12 bài toán kiểm định mẫu (Test cases) khắt khe đối với mô hình thủy lực một chiều Từ năm 2002 đến nay IMech1D đã được chuyển giao cho một số cơ quan để triển khai nghiên cứu và ứng dụng, trong đó có “Cục phòng chống Lụt bão và Quản lý đê điều” của Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thông, “Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương” của Bộ Tài nguyên và Môi trường, … Đặc biệt từ năm 2004 đến nay IMech1D được sử dụng để dự báo mực nước trên hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình trong mùa lũ IMech1D đã được đánh giá tốt qua nhiều hội đồng khoa học các cấp

Trong IMech1D có 2 loại nút sông

+ Nút biên: Là vị trí tiếp xúc của hệ thống (ở đây là mạng sông) với các yếu tố bên ngoài của hệ thống Giả thiết rằng dòng chảy trên mạng sông là dòng chảy êm, do vậy, tại mỗi nút biên sẽ cho 1 điều kiện biên IMech1D sử dụng 3 loại điều kiện biên

- Cho mực nước (nút biên Z)

- Cho lưu lượng (nút biên Q)

- Cho quan hệ giữa mực nước và lưu lượng

+ Nút trong của mạng (đơn giản gọi là nút): là vị trí tiếp xúc của từ 2 đoạn sông trở lên

Nút sông chỉ có một đặc trưng duy nhất là cao trình mực nước tại nút đó

- Độ dài của đoạn

- Các yếu tố thủy lực của đoạn như: độ dốc, hệ số nhám, lưu lượng bổ xung,

Trong mặt cắt của đoạn có các đặc trưng như lòng sông, bãi sông, bối Một đoạn có thể liên quan 1 hoặc 2 bối

3.1.2 Ô ruộng (Ô chứa):

Trong IMech1D ô ruộng được mô phỏng có vai trò chứa nước, chưa tính đến ảnh hưởng của vận tốc trên các ô ruộng đến các đoạn sông Vì vậy, một ô ruộng được đặc trưng bởi các thông số:

- Thể tích ô theo cao trình mực nước

- Các mối quan hệ giữa ô đang xét với các thành phần khác của hệ thống (thí dụ: trao đổi nước qua đập tràn, chiều cao, chiều rộng, hệ số của đập v.v )

3.2 Mô hình toán học [5]; [6]; [9]:

3.2.1 Mô hình toán học một đoạn sông:

Dòng chảy trong một đoạn sông được mô phỏng bằng hệ phương trình Saint Venant 1 chiều Trong IMech1D hệ phương trình S.Venant được sử dụng dưới dạng sau:

q

x

Q t

Qxt

Z=Z(x,t) – mực nước trong đoạn sông;

2 4 / 3

2

f

R A

Q Q n

Trong đó R là bán kính thủy lực

3.2.2 Mô hình toán học của một ô ruộng [5]; [6]; [9]:

IMech1D mô phỏng quá trình ngập một ô ruộng (khu chứa) bằng định luật bảo toàn khối lượng nước tại ô đó

 

k k

QP

dt

dV

(3.4)

Ở đây: V = V(Z) = V(Z(t)) thể tích của ô theo mực nước Z

P - Lượng mưa hoặc bốc hơi tại ô

Qk - Lượng nước trao đổi giữa ô đang xét với các ô liên quan (ô liên quan

có thể là một đoạn sông, một nút sông, hoặc một ô ruộng khác)

3.3 Lược đồ sai phân [1]; [5]; [6]:

Lược đồ sai phân Preissmann (xem [1]) được sử dụng để sai phân hóa hệ phương trình (3.1), (3.2), (3.4) Cụ thể là:

t 2

f f

t 2

f f

t

i 1 n i n 1 i 1 n 1 i

t

f f

x

i n 1 i 1

n i 1 n 1

2

1 f

f 2



Từ phương trình (3.1) ta có:

T i T i i

i T

ci T

i c i c i c

q q q

Q

Q Q Q

Q x A

A A

1 1

1 , ,

1 ,

12

1

11

3

2 2

1

gASa

,x

ZgA

a

A

Qxa,

t 2

1 a

T i T i

T i i

i i

i

A

Q A

Q A

Q A

Q x a

a

2 2

1 1 2

1

2 1 2

1 i

T i

T 1 i i

1 i 3

x

1 A A 1 A A 2

g a

i f i

f i

AS g a

Do vậy phương trình sai phân của (3.2) có dạng sau:

0 a

~ a

~ a

~

a

~

4 3 2

T i k

k , i

T i

Ta giả thiết rằng nút đầu của đoạn sông có số thứ tự là i còn nút cuối đoạn

có số thứ tự là i+1 Khi đó các đẳng thức (3.5) và (3.7) cho ta quan hệ lưu lượng

và mực nước tại hai đầu của một đoạn sông Như vậy, mỗi một đoạn sông có 4

ẩn số cần tìm là:

Zd, Zc - mực nước ở đầu và ở cuối đoạn

Qd, Qc - Lưu lượng ở đầu và ở cuối đoạn

Mỗi một ô ruộng có một phương trình (3.8) Phương trình này cho phép xác định một ẩn cần tìm của một ô ruộng là cao trình mực nước Zr tại tâm điểm của ô

Còn các hàm Vi, Qi, k trong (3.8) là hàm phi tuyến phụ thuộc vào cao trình mực nước Zr của ô ruộng đang xét và của các ô ruộng liên quan

Bây giờ ta xét tính đóng kín của hệ phương trình (3.5), (3.7) và (3.8) với các ẩn Zd, Zc, Qd, Qc và Zr

Mỗi một ẩn Zd hoặc Zc đều tương ứng với một giá trị cao trình mực nước tại một nút nào đó của mạng sông Ta đặt:

n - số nút của mạng sông (kể cả nút biên) ;

nd - số đoạn sông của mạng sông ;

nr - số ô ruộng

Tại các nút của mạng sông (nút đơn hoặc nút hợp lưu) giả thiết là chỉ có một cao trình mực nước Như vậy tại n nút của mạng sông cần phải xác định n cao trình mực nước Zi : ta có n ẩn số

Vì mỗi đoạn sông có lưu lượng vào và lưu lượng ra khỏi đoạn, nên nếu ta

có nd đoạn sông trong mạng sông thì ta cần xác định 2nd giá trị lưu lượng : ta có 2nd ẩn số

Nếu ta có nr ô ruộng ta cần xác định nr giá trị cao trình mực nước tại tâm các ô ruộng này :

Như vậy để xác định dòng chảy trong mạng sông và ô ruộng ta cần xác định n+2nd+nr ẩn số

Các đẳng thức (3.5), (3.7) (3.8) cho ta 2nd+nr phương trình

Nếu nút là nút biên thì ta có một điều kiện biên

Nếu nút là nút trong thì ta có một phương trình cân bằng lưu lượng tại nút đó:

Do vậy tại n nút ta có n phương trình (hoặc dạng (3.9) hoặc là điều kiện biên) Cùng với 2nd + nr phương trình đã có, n phương trình này sẽ tạo thành hệ kín để xác định 2nd+nr+n ẩn số

3.4 Tuyến tính hóa hệ phương trình (3.5), (3.7), (3.8):

Hệ phương trình phi tuyến (3.5), (3.7), (3.8) có thể giải được theo một phương pháp xấp xỉ Trong IMech1D hệ phương trình phi tuyến (3.5), (3.7), (3.8) được đưa về hệ phương trình tuyến tính theo công thức Newton

Một hàm phi tuyến F(H, Q), tại bước n+1 có thể thay bằng một hàm tuyến tính dạng:

       

*

*

Q Q

* 1 n H H

* 1 n

*

* 1

n 1

n

Q

F Q Q H

F H H

Q , H F Q

Ở đây H*, Q* là giá trị lặp, giá trị xuất phát của chúng là Hn, Qn tương ứng

3.4.1 Tuyến tính hoá các biểu thức đơn giản [10]:

Ta xét các biểu thức đơn giản trong (3.5), (3.7), (3.8):

A = A(Z), Q2/A, AZ, Ad Zc, AcZd

Chỉ số d là giá trị tính tại đầu đoạn, còn chỉ số c là giá trị ở cuối đoạn Sử dụng công thức Newton để tuyến tính hóa các biểu thức này ta có:

Z Z b A

Q Q

Q A

Q 2 A

c c

* d

* d d

* c

* d

* c

* d c

c c

* d

* c

* d d

* c

* d

* c d

3.4.2 Tuyến tính hoá biểu thức có lực cản đáy:

Trong số hạng a~4 của (3.7) có chứa hàm phi tuyến ASf Để tuyến tính hoá

số hạng này, ta viết Sf về dạng sau:

3 / 2 2

rằng K biến đổi tuyến tính trong khoảng giữa hai cấp Như vậy ASf có thể tuyến tính hoá như sau:

       

*

* z 3

*

*

*

* f

*

K

Q Q A 2 Q Q K

Q A 2 S A

3.4.3 Tuyến tính hoá biểu thức trao đổi nước qua đê:

Trong phương trình (3.8) có biểu thức phi tuyến Qi,k = F(Zi, Zk) Đây là hàm mô tả lượng nước trao đổi giữa ô i (có mực nước Zi) với ô k (có mực nước

Zk) Việc trao đổi này còn phụ thuộc vào công trình giữa ô i và ô k Giả sử rằng quá trình trao đổi nước giữa ô i với ô k tuân theo qui luật của dòng chảy tràn qua đập

Xét hàm F(Zi, Zk) khi giữa ô i và ô k là một đập tràn với cao độ Zd, độ dài tràn là Ld Khi đó, nếu k d Zi Zd

3

2 Z -

3.5 Thuật giải hệ phương trình đại số tuyến tính [1]; [5]; [6]:

Sử dụng các hệ thức (3.10) – (3.18) từ hệ phương trình phi tuyến (3.5), (3.7), (3.8) (3.9) và điều kiện biên tại các nút biên ta có thể thu nhận được hệ phương trình tuyến tính để xác định n giá trị cao trình mực nước tại n nút, nr cao

trình mực nước tại r ô ruộng, nd giá trị lưu lượng vào và nd giá trị lưu lượng ra của nd đoạn sông

Ký hiệu Zd, Zc – cao trình mực nước tại đầu đoạn và cuối đoạn của đoạn sông,

Qd, Qc – lưu lượng dòng chảy tại đầu đoạn (dòng chảy vào) và tại cuối đoạn (dòng chảy ra)

Từ hệ phương trình (3.5) (3.7) có thể thu được hệ phương trình tuyến tính dạng:

i k

ik i

T ir ir

T

t

Z Z

Sử dụng (3.21) (3.22) từ các phương trình (3.23) – (3.27) ta có thể thu được

hệ phương trình tuyến tính n+nr bậc để xác định n cao trình mực nước tại n nút

và nr cao trình mực nước tại tâm của r ô ruộng

ở đây A là ma trận vuông có bậc bằng n+nr

Để tính toán cho 1 cơn lũ, hệ (3.28) sẽ được giải nhiều lần trong một bước thời gian cũng như cho các bước thời gian khác nhau, vì vậy việc chọn phương pháp để giải nhanh hệ trên rất có ý nghĩa trong việc rút ngắn thời gian tính

Để ý rằng, nếu hệ có nhiều nút hợp lưu thì (3.28) là hệ thưa nhưng các hệ

số phân bố khá phức tạp,trên một hàng có thể có nhiều phần tử

Nếu chỉ có 1 nhánh sông thì ta được hệ 3 đường chéo và có thể dùng phương pháp khử đuổi (còn gọi là thuật toán Thomas, xem [2]) để giải Ở trường hợp chung, ý tưởng sẽ là khử đuổi một số nút và khử Gauxơ các nút còn lại Vấn

đề là xác định số nút cần khử đuổi và thứ tự khử chúng

Trước hết ta xét sự thay đổi cấu trúc mạng khi khử đuổi (hình 3.1)

Ta quy ước gọi bậc của 1 nút, ký hiệu r, là số đoạn nối với nút đó.Ví dụ ở hình 3.1, nút 2 có bậc là 3, nút 7 có bậc là 5 Dễ thấy các nút biên có bậc là 1,các nút đơn (không phải là nút hợp lưu hoặc biên) có bậc là 2 Các nút hợp lưu có bậc từ 3 trở lên

Khi khử 1 ẩn Zk nào đó, về mặt hình thức, hệ sẽ bớt 1 phương trình và ẩn

Zk sẽ không có mặt trong các phương trình liên quan nữa Đối với mạng sông, điều đó có thể xem như bỏ đi nút k tương ứng và khi đó, các nút kề nút k trước đây sẽ được nối với nhau Như vậy khi khử, ta bỏ được một số liên kết (đoạn), nhưng cũng phải thêm vào một số liên kết (đoạn) khác Ta ký hiệu sdb=số đoạn bớt đi; sdt=số đoạn thêm vào; dd=sdt-sdb Để ý rằng dd có thể âm Đối với nút đơn cũng như nút biên, dd=-1

Bây giờ ta có thể đánh giá số phép tính khi khử đuổi như sau:

Giả sử n-số nút của toàn mạng, r- bậc của nút i Do phương trình của nút i chứa (r +1) số hạng nên để khử đuổi biến Zi cần (r+1)2 phép tính (chỉ tính phép nhân hoặc chia) ở bước khử xuôi và r phép tính ở bước khử ngược, tức cỡ r2phép tính

Nếu khử đuổi l biến, bậc không quá R thì số phép tính sẽ là cỡ 2

lR Để ý rằng khử Gauxơ có số phép tính là n2l (xem [14]) Như vậy nếu R n thì số phép tính theo phương pháp khử đuổi giảm đáng kể

Một số tác giả khử đuổi các ẩn nằm trong mỗi nhánh sông, kết quả đưa về

hệ chứa các ẩn là nút hợp lưu Tuy nhiên nếu hệ có nhiều nút hợp lưu, ví dụ khi cần xét cả các ô chứa ở ngoài đê, thì hệ sau khi đã khử đuổi vẫn còn khá lớn Ngoài ra vấn đề trình tự khử đuổi cũng không đơn giản, nếu mạng sông được đánh số tuỳ ý Thông thường người ta dựa vào cảm nhận của mình để đưa ra trình tự khử cho máy tính

Ở đây chúng tôi đưa ra một thuật toán xác định nút khử đuổi cũng như trình tự khử cho hệ (3.28) Thuật toán này cho phép lập trình để máy tính tự động xác định trình tự khử Như phân tích ở trên, bậc của nút càng nhỏ thì số phép tính để thực hiện khử nó càng ít, vì vậy cần ưu tiên nút có bậc thấp để khử

Cụ thể thuật toán để chọn nút khử như sau:

Có thể thấy các nút còn lại đều có dd=-1.Vậy ta chọn khử nút 2

Sau khi khử, ta được hình 3.2

- Bậc thấp nhất vẫn là 3 Các nút có bậc 3 là:17,6,10,13,9

Nếu khử nút 17 thì:sdb:(17-12);(17-13);(17-15)

sdt: (13-15);dd=-2 Dễ thấy các nút bậc 3 còn lại đều có dd=-1

Vậy ta chọn khử nút 17 Ta được hình 3.3

sdt=0, dd=-3.Ta được hình 3.10

- Khử nốt nút 4, 12, ta chỉ còn 1 nút là nút 8

Qua ví dụ trên ta thấy, không phải càng khử đuổi,

bậc của các nút càng tăng, ví dụ ở hình 3.10, sau khi khử

nút 7, bậc của nút 12 giảm 1 đơn vị

Mặc dù thuật toán trên đòi hỏi khá nhiều phép xử

lý của máy tính, tuy nhiên chỉ cần xác định 1 lần cho tất

cả các lần giải hệ (3.28) mà thôi

Hiện nay với số liệu địa hình hiện có, mô hình thủy

lực 1 chiều mở rộng gồm mạng sông Hồng – Thái Bình và các ô ruộng có thể

mô phỏng dưới dạng mạng có 2093 đoạn sông, 1103 nút và 278 ô ruộng Thời gian tính cho cơn lũ tháng 8/1971 theo các phương án khử khác nhau cho trong bảng 3.1

Số nút khử đuổi

Số nút khử Gauxơ

Thời gian tính

Bảng 3.1: Thời gian tính của IMech1D

Như vậy ta thấy, so với phương án chỉ khử đuổi các nút biên và nút đơn (bậc  2) thì phương án khử đuổi cả các nút hợp lưu làm giảm thời gian tính gần

7 lần Mặt khác thực tế cho thấy, khi (số nút khử Gauxơ)/(bậc của nút khử đuổi)

<10 thì việc tăng tiếp nút khử đuổi là ít có ý nghĩa Sở dĩ như vậy vì khi khử đuổi, tuy được lợi về số phép tính nhưng do phải lưu lại vị trí của các phần tử nên thời gian xử lý có lâu hơn

3.6 Các thuật toán phụ trợ sử dụng trong xây dựng bộ chương trình tính toán thủy lực một chiều

nên việc đưa mặt cắt về dạng hình thang đối xứng sẽ gây ra sai số lớn

Để tính toán các đặc trưng địa hình mặt cắt sông trong IMech1D chia mặt cắt theo các đường song song với trục thẳng đứng z (yi = const) (hình 3.11) Các thông số địa hình của mặt cắt ngang được tính toán theo các công thức sau:

Chiều rộng của mặt cắt: 

i i

b b

i i

A A

Môđul lưu lượng: K K i k i A i R i2/3

Bán kính thủy lực:

i i

i i

i i

z y

A A

Trong đó : i – chu vi ướt

Khác với cách xử lý của một số các tác giả trước, trong IMech1D mỗi đoạn sông được đặc trưng bởi hai mặt cắt: mặt cắt đầu và mặt cắt cuối Trong trường hợp không có hợp lưu thì mặt cắt cuối của đoạn trước sẽ trùng với mặt cắt đầu của đoạn sau

3.6.2 Tạo giá trị mực nước và lưu lượng làm điều kiện ban đầu:

Khi tính thuỷ lực của mạng sông thực, thường không biết trước giá trị đầu

về mực nước z và lưu lượng Q tại các nút, chương trình phải tự tạo Theo lý thuyết, giá trị đầu không cần chính xác vì chỉ ảnh hưởng đến dòng chảy trong 1 thời gian ngắn sau đó Tuy nhiên, trên thực tế, nếu giá trị đầu chọn không thích hợp, chương trình sẽ không chạy được

Vì thời điểm bắt đầu tính thường là khi chưa có lũ, dòng chảy có thể xem là dòng dừng, vì vậy giá trị đầu chính là nghiệm dừng của hệ phương trình Saint-Venant Điều kiện biên được lấy bằng giá trị biên tại t=t0

Hình 3.12: Điều kiện đầu trong IMech1D

3.6.3 Vấn đề xác định hệ số nhám và chỉnh kết quả:

Vì các hệ số nhám của sông là khó xác định chính xác trước, các chương trình tính toán thuỷ lực phải tìm cách hiệu chỉnh sao cho kết quả tính toán phù hợp với thực đo Cách làm ở đây là rất khác nhau Ở một số chương trình, người

ta đưa ra các đường cong nhám với các giá trị nhám khác nhau theo 12 cấp (thực ra là giá trị hệ số điều chỉnh nhám) Sau đó mỗi đoạn sông được gán cho 1 đường Khi kết quả tính toán lệch so với thực đo, người ta chọn lại đường nhám hoặc thay đổi chính bản thân nó Việc này là khá khó khăn Cách làm trong IMech1D như sau:

- Chia mạng sông thành nhiều vùng, mỗi vùng được gán với 1 đường cong nhám (hiện tại mạng sông Hồng - Thái bình được chia thành 16 vùng)

- Mỗi đường cong nhám có dạng (z1,g1); (z2,g2) ; (zm,gm)

- Trong đó zi là mực nước của 1 nút chuẩn nằm trong vùng đang xét,

z1<z2 zm, gi là giá trị điều chỉnh Thường lấy nút chuẩn là các trạm thủy văn

- Số cặp giá trị m là tùy ý và khác nhau đối với mỗi đường

- Nếu mực nước z của nút đang xét nằm trong khoảng (zi,zi+1) thì g được nội suy từ gi, gi+1

- Khi cần chỉnh, ta dựa vào độ lệch giữa kết quả tính toán và thực đo của nút chuẩn (được vẽ trên màn hình), tại mực nước đang xét, để chỉnh giá trị

gi Có thể chèn thêm cặp (zk, gk) nếu cần

Các cách tiếp cận trên đã được thử nghiệm trên phần mềm để tính toán các bài toán mẫu cũng như các cơn lũ thực trên hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình Các kết quả là khả quan

Chương 4 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH KẾT NỐI

MARINE-IMECH1D CHO LƯU VỰC SÔNG ĐÀ PHẦN TRÊN LÃNH

THỔ VIỆT NAM

4.1 Mô hình kết nối Marine và Imech1D [5]:

Trong mô hình kết nối Marine và Imech1D, Marine có vai trò là mô hình thu gom nước trên bề mặt lưu vực từ mưa và tập trung lượng nước này tại các vị trí ven hai bên bờ sông trong mạng sông tính toán của mô hình thủy lực một chiều IMech1D Mô hình thủy lực IMech1D có vai trò tiếp nhận lưu lượng nước vào tại vị trí biên giới như là một biên lưu lượng vào ở vị trí biên trên của mô hình thủy lực đồng thời IMech1D có nhiệm vụ thu gom lượng nước do Marine tập trung dọc hai bên bờ sông như là lưu lượng phụ ra nhập dòng bên trong mô hình thủy lực

Mail river Sông chính

Hình 4.1: Kiểu kết nối nhiều điểm giữa Marine và IMech1D

Có hai loại kết nối giữa Marine và IMech1D đó là Kết nối một điểm và kết nối nhiều điểm Với những lưu vực không co sông (trong mạng sông của mô

hình thủy lực) chảy qua thì sử dụng loại kết nối một điểm, điểm kết nối giữa hai

mô hình chính là điểm xuất nước của Marine, đó chính là cửa ra của lưu vực, kiểu kết nối này thường được sử dụng cho lưu vực khép kín hay còn gọi là lưu vực đóng Với những lưu vực có sông trong mạng sông của mô hình thủy lực chạy qua thì sử dụng loại kết nối nhiều điểm, kiểu kết nối này được sử dụng cho các lưu vực mở, tức là lưu vực không khép kín, trong trường hợp này vị trí kết nối là tất cả các điểm sông trong mạng thủy lực của mô hình thủy lực nằm trong lưu vực Hai kiểu kết nối được mô tả trên các hình 4.1 và hình 4.2

Mail river

Sông chính

Hình 4.2: Kiểu kết nối một điểm giữa Marine và IMech1D

4.2 Xử lý số liệu cho mô hình kết nối Marine-IMech1D:

4.2.1 Xử lý bản đồ địa hình:

Bản đồ địa hình sử dụng làm bản đồ nền cho Marine la bản đồ số dưới dạng các đường đồng mức và điểm độ cao có tỷ lệ là 1:50000 Từ bản đồ này qua quá

trình sử lý trên các phần mềm GIS thu được bản đồ số độ cao DEM của toàn lưu vực sông Đà Kích thước của DEM là 50x50

Hình 4.3: DEM của toàn lưu bộ lưu vực sông Đà trên lãnh thổ Việt Nam

4.2.1.1 Xác định hướng của dòng chảy và độ tích tụ của dòng chảy trên DEM:

Trên nền bản đồ số độ cao (DEM) sử dụng các công cụ GIS để xác định hướng chảy của dòng trên bề mặt lưu vực Nguyên lý xác định hướng chảy được trình trong hình 4.4 dưới đây:

Hình 4.4: Nguyên lý xác định hướng của dòng chảy

Sau quá trình sử lý trên nền GIS thu được lớp bản đồ xác định hướng chảy của mỗi ô lưới Mỗi một ô lưới được xác định chỉ có một hướng chảy cố định

theo địa hình Bản đồ hướng chảy của lưu vực sông Đà được trình bày trên hình 4.5 dưới đây

Hình 4.5: Bản đồ hướng chảy của lưu vực sông Đà

Tương tự như xây dựng bản đồ hướng chảy, từ DEM sử dụng các công cụ GIS có thể xác định được hướng tích tụ của dòng chảy Nguyên lý xác định hướng tích tụ dòng chảy được trình bày trong hình 4.6 và kết quả thu được bản

đồ độ tích tụ của dòng chảy trên lưu vực sông Đà trên hình 4.7

Hình 4.6: Nguyên lý xác định độ tích tụ của dòng chảy

Hình 4.7: Bản đồ độ tích tụ của dòng chảy

4.2.1.2 Tạo mạng sông suối từ DEM:

Từ hai lớp bản đồ “hướng dòng chảy” và “độ tích tụ dòng chảy” đã xây dựng ở trên xác định được mạng sông suối trên nền DEM

Hình 4.8: Mạng sông suối được xác định trên nền DEM

4.2.1.3 Phân chia lưu vực trên nền DEM:

Cũng từ hai lớp dữ liệu là “hướng dòng chảy” và hướng hội tụ của dòng chảy đã xác định ở trên cho phép xác định được đường phân nước của lưu vực

Hình 4.9: Vị trí của 10 lưu vực bộ phận

Qua phân tích địa hình, mạng sông và mạng lưới trạm quan trắc trên lưu vực sông Đà, toàn lưu vực được chia nhỏ ra thành 10 lưu vực bộ phận để tính toán dòng chảy khu giữa từ mưa trong đó có 6 tiểu lưu vực chứa sông chính và 4 tiểu lưu vực chứa sông nhánh gồm:

1 Tiểu lưu vực Mường Tè:

2 Tiểu lưu vực Nậm Pô: chứa sông nhánh Nậm Pô

3 Tiểu lưu vực Nậm Giàng: chứa sông nhánh Nậm Na

4 Tiểu lưu vực Lai Châu

5 Tiểu lưu vực Nậm Mức: chứa sông nhánh Nậm Mức

6 Tiểu lưu vực Quỳnh Nhai

7 Tiểu lưu vực Bản Củng: chứa sông nhánh Nậm Mu

8 Tiểu lưu vực Tạ Bú

9 Tiểu lưu vực Sơn La

10 Tiểu lưu vực Hòa Bình

4.2.2 Xử lý bản đồ phân loại đất: