BÁO CÁO " ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE ĐỂ TÍNH TOÁN NGẬP LỤT HẠ LƯU LƯU VỰC SÔNG CU ĐÊ, THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG " ppt

1 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE ĐỂ TÍNH TOÁN NGẬP LỤT HẠ LƯU LƯU VỰC SÔNG CU ĐÊ, THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG APPLY MIKE MODEL IN FLOODING CALCULATION OF DOWN-STREAM OF THE CUDE RIVER BASIN, DANANG CITY

1

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE ĐỂ TÍNH TOÁN NGẬP LỤT

HẠ LƯU LƯU VỰC SÔNG CU ĐÊ, THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG

APPLY MIKE MODEL IN FLOODING CALCULATION

OF DOWN-STREAM OF THE CUDE RIVER BASIN, DANANG CITY

SVTH: Bùi Duy Tân 1 , Phạm Văn Lạc 2

1 Lớp 07X2B, 2 Lớp 07X2A Khoa Xây dựng Thủy lợi – Thủy điện,

Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng

GVHD: GS.TS Nguyễn Thế Hùng

Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng

TÓM TẮT

Hạ lưu sông Cu Đê, thuộc thành phố Đà Nẵng, hiện nay đang được đô thị hóa; cơ sở hạ tầng đang được xây dựng mạnh mẽ Lũ lụt hàng năm đã gây nên ách tắc giao thông, thiệt hại về người và tài sản của cư dân trong vùng

Do đó việc tính toán dự báo lũ lụt là vấn đề hết sức cần thiết và cấp bách; kết quả mô phỏng ngập lũ và thời gian lũ bằng mô hình toán sẽ là cơ sở quan trọng trong việc xác định cao độ san nền, kích thước, độ cao các công trình cầu, đường, cống, kênh thoát lũ

Trong bài nghiên cứu này, các tác giả áp dụng MIKE FLOOD, một modun kết nối MIKE11

và MIKE21 thuộc bộ phần mềm MIKE của Viện khoa thủy lực Đan Mạch, để tính toán

Tác giả đã dựa vào các trận lũ năm 2008 và năm 2009 để hiệu chỉnh và kiểm tra mô hình;

đã tìm được bộ tham số mô hình nhằm làm cơ sở cho tính toán dự báo cho các kịch bản phát triển

độ thị hạ lưu sông Cu Đê

ABSTRACT

At the downstream of Cude River of Danang city, urbanization process is happening; infrastructure is investing strongly Floods every year leaded to traffic-jams, losses of human and properties

Hence, calculating and forecasting of floods is the extremely necessary and important problem; the results of flood modeling and floods timeline by the computational models will be the important basic to define the elevation of foundations, size and elevation which constructions (bridge, street, culvert, drainage canal) taken place

In this research report, authors applied module MIKE FLOOD which used to couple two modules MIKE11 and MIKE21 included by MIKE software package of Danish Hydraulic Institute to calculate floods

Authors calibrated and verified model based on floods 2008 and 2009 and find out the parameters of the model which is based on for calculating and forecasting flooded scenarios of urban development at the downstream of Cude River

1 Đặt vấn đề

Với vị trí là một thành phố đầu tàu của khu vực miền Trung – Tây Nguyên, Đà Nẵng đang trên đà phát triển mạnh mẽ Tuy nhiên do đặc điểm địa hình, khí hậu và thủy văn, nên Đà Nẵng đã phải gánh chịu những thiên tai nặng nề Trong quá khứ đã xảy ra những trận lũ lụt rất lớn

Do vậy để phát triển bền vững thì việc dự báo định lượng được mức độ ngập lũ lụt

Khu vực hạ lưu sông Cu Đê, thuộc phía Bắc của thành phố, nơi có những dự án khu

dân cư mới như: Hòa Hiệp Bắc, Thủy Tú, Golden Hills

Để đảm bảo cho sự phát triển bền vững của khu vực, xác định độ cao ngập lũ, thời

gian lũ, nhóm nghiên cứu đã ứng dụng phần mềm MIKE của Viện Thủy lực Đan Mạch

(DHI) vào tính toán ngập lụt ở hạ lưu lưu vực sông Cu Đê nhằm xác định những vị trí và

độ sâu ngập lụt, thời gian ngập lụt; từ đó đề ra những biện pháp phòng tránh giảm nhẹ

thiên tai cho khu vực

2 Phương pháp nghiên cứu

Trong đề tài nghiên cứu nầy, nhóm nghiên cứu chọn các module MIKE11,

MIKE21FM, MIKE FLOOD thuộc bộ phần mềm MIKE (DHI) để tính toán Nhóm tác giả

đã dựa trên các bộ số liệu bao gồm: mực nước triều Z(t) thực đo của các năm 2008, 2009

tại hạ lưu sông Cu Đê; lưu lượng dòng chảy đến Q(t) từ thượng nguồn và bản đồ cao độ số

dưới dạng tọa độ (x,y,z) để tính toán mô phỏng lại các trận lũ này, nhằm xác định bộ thông

số mô hình, làm cơ sở để mô phỏng cho các kịch bản lũ trong tương lai

3 Nội dung tính toán

3.1 Cơ sở tính toán

3.1.1 Mô phỏng dòng chảy một chiều MIKE11

Dòng chảy một chiều trong lòng dẫn (sông) được mô tả bằng hệ phương trình vi

phân, gồm 2 phương trình sau:

Phương trình liên tục:

(1)

(2)

Trong đó:

Q: lưu lượng dòng chảy qua diện tích mặt cắt ướt A(m3/s)

x: biến không gian (dọc theo dòng chảy) (m)

t: biến thời gian tính toán (giây)

q: lưu lượng bổ sung dọc tuyến (vuông góc với trục sông) (m2/s)

A: diện tích mặt cắt ướt (m2)

h: mực nước trên mặt chuẩn (m)

C: hệ số Chezy

R: bán kính thu lực (m)

: Hệ số phân phối mô men động lượng

3.1.2 Mô phỏng dòng chảy tràn 2 chiều ngang MIKE21FM

Dòng chảy tràn bãi trong mô hình thủy lực 2 chiều ngang được mô tả bằng hệ phương

trình gồm 1 phương trình liên tục và 2 phương trình động lượng:

hS v h u h













3

(3) (4)

(5) Trong đó:

: độ sâu dòng chảy và vận tốc trung bình theo phương x, y tương ứng;

h = η + d

η : sự thay đổi cao độ mặt nước, d: khoảng cách từ mặt chuẩn đến đáy lòng dẫn;

S : độ lớn của lưu lượng ở điểm nguồn;

us , vs : độ lớn của vận tốc tại điểm nguồn theo phương x, y;

f : lực coriolis ; Tij : ứng suất bên; ρo : mật độ nước;

: ứng suất đáy theo hướng x, y;

: lực ma sát do gió trên mặt thoáng theo hướng x, y;

3.2 Sơ đồ tính toán

3.3 Dữ liệu đầu vào

3.3.1 Không ảnh (Aerial photo)

Được dùng để xác định vệt sông mà tại đó ta mô hình các trận lũ Nó có thể được chụp bằng nhiều cách: máy bay, vệ tinh,…ở đây nhóm tác giả sử dụng công cụ Google

Earth của hãng Google để chụp lại bức không ảnh này

3.3.2 Điều kiện biên

Bao gồm các biên lưu lượng vào (Q~t) tại ngã ba Cu Đê – Suối Cậy, thượng lưu đoạn sông tính toán và biên triều (Z~t) tại cửa sông Cu Đê Ở đây nhóm tác giả mô hình tính toán lũ với biên đầu vào là biên lưu lượng và mực nước triều tại cửa sông của hai trận

lũ điển hình năm 2008 và 2009

Hình 1: Sơ đồ các bước tính một bài toán lũ

Aerial Photo

DEM

ĐK biên

MIKE 11 MIKE 21

   hT hu S

y

hT x x

gh x gh h v f y

uv h x

u

t

u

s xy xx

bx















































0 0 0

2 2













y

hT x y

gh y gh h u f y

v h x

uv

h

t

v

h

s yy xy

by















































0 0 0

2 2













Hình 4 Mực nước triều thực đo trận

lũ (23-30/11-2008)

Hình 5 Mực nước triều thực đo trận

lũ (28-30/9-2009)

Hình 6 Địa hình tính toán lũ trên sông Cu Đê

Hình 8 Địa hình tính toán MIKE 21FM Hình 7 Mạng lưới sông trong MIKE 11

3.3.3 Dữ liệu cao độ địa hình số (DEM)

Lưu vực sông Cu Đê có địa hình được mô

phỏng bằng mô hình cao độ số, thông qua phần

mềm GIS (Global Information System) xuất ra

dạng file dữ liệu tọa độ (X,Y,Z) dùng được cho

mô hình MIKE (DHI)

3.4 Mô hình lũ

Mô hình lũ bao gồm: Mô hình 1 chiều trong sông MIKE 11 và mô hình lũ tràn bãi

hai chiều trên MIKE 21FM

3.4.1 Mạng lưới sông 1D

3.4.2 Địa hình tính toán MIKE 21FM

Mô hình lũ hai chiều trên toàn lưu vực có khả năng chịu ảnh hưởng của lũ (hình 8)

Hình 2 Quá trình lũ đến Cu Đê 2008 Hình 3 Quá trình lũ đến Cu Đê 2009

(Q~t)

(Z~t)

(Z~t)

(Q~t)

5

Hình 9 Mực nước lũ 2008 tại cầu Thượng

Nam Ô

Hình10 Mực nước lũ 2009 tại các cầu

trên sông Cu Đê

Hình11 Vùng ngập lụt max lũ 2008 Hình 12 Vùng ngập lụt max lũ 2009

4 Kết quả tính toán

4.1 Mô hình một chiều

+ Hiệu chỉnh mô hình: Trận lũ 2008 được dùng để hiệu chỉnh mô hình Đường màu xanh là mực nước tính toán, đường màu đỏ là mực nước thực đo Khi hiệu chỉnh mô

hình, nhận được hệ số tương quan (correlation cofficent) giữa mực nước thực đo và

tính toán là 0,983 Điều này cho thấy kết quả hiệu chỉnh là chấp nhận được

+ Trận lũ năm 2009 được dùng để kiểm tra mô hình (do hai trận lũ 2008 và 2009

có độ lớn rất khác nhau, nên việc kiểm tra ở đây chưa thích hợp lắm); và trong đề tài này nhóm nghiên cứu cũng chỉ kiểm tra được tại một số điểm ngập lũ tràn bờ, được tính toán bằng cách kết nối với bài toán hai chiều MIKE21

4.2 Mô hình hai chiều

Bảng so sánh mực nước tính toán và mực nước thực đo tại mốc báo lũ Thủy Tú của

trận lũ 2009

thực đo (m)

Mực nước tính toán (m)

Sai lệch (m)

Nhận xét:

Ta nhận thấy lũ 2008 có thời gian xảy ra đến lúc kết thúc là tương đối lớn

(23-Thủy Tú

lụt cũng không cao và độ sâu ngập lụt lớn nhất tại khu vực Thủy Tú vào khoảng 1,55m Tuy nhiên khác hẳn với lũ 2008 là lũ 2009 tuy thời gian xảy ra ngắn chỉ vào khoảng 3 ngày nhưng do cường độ lũ lớn nên vùng bị ảnh hưởng ngập lụt rất lớn và tại thời điểm nguy hiểm nhất độ sâu ngập lụt tại khu vực Thủy Tú là khoảng 3,5m cao hơn mực

nước mốc báo lũ 0,41m

5 Kết luận

Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã áp dụng MIKE Flood để tính tràn lũ hạ du sông Cu Đê

Sau khi hiệu chỉnh và kiểm tra mô hình theo hai trận lũ thực tế đã xảy ra năm 2008,

2009 nhóm tác giả đã nhận được bộ tham số mô hình; từ đó có thể sử dụng chúng để

mô phỏng cho sự ngập lụt và thời gian ngập ở bất kì vị trí nào thuộc hạ lưu lưu vực sông Cu Đê theo hiện trạng cũng như cho các kịch bản phát triển đô thị

Bộ thông số mô hình tìm được ở đây cần phải được hiệu chỉnh khi có được tài liệu địa hình đầy đủ, các biên thượng lưu và hạ lưu đo đạc chính xác và có nhiều vị trí đo đạc được độ ngập sâu do lũ lụt, tại các vị trí quan trọng của hạ lưu sông Cu Đê

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Cảnh Cầm, Thủy lực dòng chảy hở, NXB Xây dựng, Hà Nội 2006

[2] Nguyễn Thị Nga, Trần Thục, Động lực học dòng sông, NXB ĐH Quốc gia Hà Nội,

2001

[3] Hà Văn Khối, Nguyễn Văn Tường, Dương Văn Tiến, Thủy văn công trình, NXB Khoa

học tự nhiên và công nghệ, Hà Nội 2008

[4] ASCE Manuals and Reports on Engineering practice No.97, Hydraulic Modeling

concepts and practice, USA 2000

[5] Danish Hydraulic Institude, User Manual Mike 11, Denmark 2007

[6] Danish Hydraulic Institude, Introduction and Tutorial Mike 11, Denmark 2007

[7] Danish Hydraulic Institude, Introduction and Tutorial Mike 21FM, Denmark 2007 [8] Danish Hydraulic Institude, Introduction and Tutorial Mike Flood, Denmark 2007