Nghiên cứu ứng dụng phần mềm Duflow đánh giá hiệu quả tiêu nước của trạm bơm Cấn Hạ, huyện Quốc Oai, thành phố Hà Nội

Hiệu quả của hệ thống thủy lợi tiêu bằng động lực được thể hiện nhiều mặt: Trạm bơm tiêu úng cho vùng sản xuất nông nghiệp, tăng diện tích và sản lượng nông nghiệp, đời sống nhân dân đượ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN THỊ MINH QUYÊN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẦN MỀM DUFLOW ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ TIÊU NƯỚC CỦA TRẠM BƠM CẤN HẠ

HUYỆN QUỐC OAI, THÀNH PHỐ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Quy hoạch và quản lý tài nguyên nước

Qua 3 năm học, được sự tận tình giảng dạy của các giảng viên của Trường Đại học Thủy lợi, học viên đã hoàn thành khóa học và được nhận đề tài luận văn thạc sĩ kỹ thuật Đến nay luận văn đã cơ bản hoàn thành đúng hạn

Trước hết, xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Tùng Phong và GS TS Dương Thanh Lượng, người hướng dẫn khoa học trực tiếp, đã không quản thời gian, tạo mọi điều kiện thuận lợi và nhiệt tình giúp đỡ học viên trong suốt quá trình thực hiện đề tài luận văn

Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới Ban giám hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Kỹ thuật tài nguyên nước, các thầy cô giáo ở các bộ môn đã giảng dạy và cung cấp những kiến thức quý báu giúp cho sự trưởng thành về cả về chuyên môn và nhận thức của học viên

Xin cảm ơn lãnh đạo Phòng Kinh tế huyện Quốc Oai, Thành phố Hà Nội đã tạo điều kiện về thời gian, vật chất và tinh thần một cách tốt nhất Cảm ơn các đồng nghiệp về sự tương trợ trong quá trình học tập và công tác, cũng như những ý kiến đóng góp thiết thực cho luận văn Xin cảm ơn những người thân yêu trong gia đình, bạn bè đã thông cảm chia sẻ với học viên nỗi vất vả, động viên, khích lệ lúc khó khăn suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn này

Với sự nỗ lực của bản thân, cùng với sự giúp đỡ quý báu của mọi người, đến nay luận văn cơ bản đã hoàn thành và chờ sự đánh giá của Hội đồng chuyên môn Tuy nhiên, do trình độ của bản thân và thời gian có hạn, nên luận văn có thể không tránh khỏi những thiếu sót nhất định Tác giả kính mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy cô giáo và đồng nghiệp để luận văn được bổ sung chỉnh sửa kịp thời và tác giả nhận được sự tiến bộ, phục vụ cho công việc chuyên môn sau này

Hà Nội, tháng 12 năm 2010 Học viên

Nguyễn Thị Minh Quyên

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG TIÊU BẰNG ĐỘNG LỰC VÀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

1.1 Hiện trạng thủy lợi ở Việt Nam 4

1.1.1 Tình hình phát triển thủy lợi ở Việt Nam [2,3] 4

1.1.2 Tình hình hoạt động của các hệ thống tiêu động lực ở nước ta 6

1.1.3 Hiệu quả hoạt động hệ thống tiêu ở Việt Nam 7

1.2 Tình hình ứng dụng mô hình số mô phỏng dòng chảy hở 10

1.2.1 Tình hình ứng dụng trên thế giới 11

1.2.2 Tình hình ứng dùng ở Việt Nam 11

1.3 Đề xuất phương pháp nghiên cứu 12

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1: 13

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM DUFLOW 14

2.1 Giới thiệu mô hình Duflow 14

2.1.1 Lịch sử và mục đích của mô hình [13] 14

2.1.2 Cơ sở Vật lý và Toán học 15

2.1.3 Cơ sở lý thuyết của mô hình mưa – dòng chảy RAM [12] 19

2.2 Dữ liệu đầu vào cho các mô hình Duflow [11] 21

2.2.1 Nút tính toán (Node) 22

2.2.2 Đoạn tính toán (Section) 23

2.2.3 Mặt cắt ngang (Cross Section) 24

2.2.4 Cống (Culvert) 26

2.2.5 Đập tràn (Weir) 27

2.2.6 Trạm bơm (Pump) 28

2.2.7 Điểm xả (Discharge Point) 29

2.2.8 Diện tích phục vụ (Area) 29

2.2.9 Kịch bản ( Senarios) 31

2.3 Kết quả đầu ra của Duflow 33

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2: 35

CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG PHẦN MỀM DUFLOW MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRẠM BƠM TIÊU CẤN HẠ 36

3.1 Giới thiệu hệ thống tiêu trạm bơm Cấn Hạ 36

3.1.1 Điều kiện tự nhiên 36

3.1.2 Đặc điểm kinh tế xã hội 40

3.1.3 Hiện trạng thủy lợi hệ thống trạm bơm tiêu Cấn Hạ 41

3.2 Thiết lập mô hình hệ thống trạm bơm tiêu Cấn Hạ bằng phần mềm Duflow 45

3.2.1 Tài liệu sử dụng để thiết lập mô hình 45

3.2.2 Thiết lập mạng lưới kênh mương 45

3.2.3 Xác định biên tính toán 46

3.2.4 Kiểm định mô hình 47

3.3 Mô phỏng kiểm tra năng lực hệ thống trạm bơm tiêu Cấn Hạ 52

3.3.1 Thông số đầu vào sử dụng chạy mô hình 52

3.3.2 Kết quả chạy mô hình 53

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3: 55

CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT MỘT SỐ GIẢI PHÁP NÂNG CAO HOẠT ĐỘNG HỆ THỐNG TIÊU 57

4.1 Giải pháp về công trình 57

4.1.1 Quy trình nâng cao hoạt động hệ thống 57

4.1.2 Mô phỏng hệ thống trạm bơm Cấn Hạ với phương án đề xuất nâng cấp 57

4.2 Giải pháp về quản lý điều hành 63

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4: 64

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

PHỤ LỤC 70

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Hiện trạng sử dụng đất lưu vực tiêu trạm bơm Cấn Hạ 41

Bảng 3.2 Hệ thống kênh hiện trạng 43

Bảng 3.3 Các cống tiêu đầu kênh cấp 2 44

Bảng 3.4 Phân vùng diện tích hứng nước theo kênh tiêu cấp 2 47

Bảng 3.5 Trận mưa dùng tính toán kiểm định mô hình 47

Bảng 3.6 Lưu lượng và mực nước lớn nhất tại các nút tính toán - Phương án kiểm định 50

Bảng 3.7 So sánh mực nước tại bể hút trạm bơm Cấn Hạ 51

Bảng 3.8 Mô hình mưa tiêu của lưu vực trạm bơm Cấn Hạ 52

Bảng 3.9 Lưu lượng và mực nước lớn nhất tại các nút tính toán - Phương án mô phỏng hiện trạng 54

Bảng 4.1 Đề xuất nâng cấp hệ thống kênh 60

Bảng 4.2 Lưu lượng và mực nước lớn nhất tại các nút tính toán - Phương án nâng cấp 62

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Sơ đồ 4 điểm ẩn Preismann 17

Hình 2.2 Chu trình thủy văn 20

Hình 2.3 Mạng lưới kênh được thiết lập bằng Duflow 22

Hình 2.4 Các thuộc tính của nút 23

Hình 2.5 Các thuộc tính của đoạn 24

Hình 2.6 Các thuộc tính của mặt cắt ngang 25

Hình 2.7 Thiết lập kích thước mặt cắt ngang 25

Hình 2.8 Các thuộc tính của cống 26

Hình 2.9 Các thuộc tính của đập tràn 27

Hình 2.10 Các thuộc tính của trạm bơm 28

Hình 2.11 Các thuộc tính của điểm xả nước 29

Hình 2.12 Các thuộc tính của diện tích 30

Hình 2.13 Số liệu mưa sử dụng cho đối tượng diện tích 30

Hình 2.14 Các thuộc tính RAM của đối tượng diện tích 31

Hình 2.15 Thiết lập tính toán 32

Hình 2.16 Chức năng quản lý kịch bản 33

Hình 2.17 Quá trình dòng chảy trên hệ thống 34

Hình 2.18 Đồ thị quá trình lưu lượng và mực nước tại một mặt cắt 34

Hình 2.19 Kết quả dạng bảng biểu quá trình QH tại một mặt cắt 35

Hình 3.1 Hiện trạng Trạm bơm Cấn Hạ 41

Hình 3.2 Hiện trạng kênh tiêu chính T1 42

Hình 3.3 Hiện trạng kênh tiêu Thạch Thán 43

Hình 3.4 Hiện trạng cống đầu kênh cấp 2 44

Hình 3.5 Mô phỏng mạng lưới kênh mương trạm bơm Cấn Hạ 46

Hình 3.6 Quá trình Q-H trên kênh T1– Phương án kiểm định mô hình 48

Hình 3.7 Quá trình Q-H trên kênh Đầm Bung- Phương án kiểm định mô hình 49

Hình 3.8 Quá Q-H trên kênh tiêu Thế Chu - Phương án kiểm định mô hình 49

Hình 3.9 Quá trình Q-H trên kênh T12L- Phương án kiểm định mô hình 49

Hình 3.10 So sánh mực nước mô phỏng và thực đo tại bể hút trạm bơm Cấn Hạ 51

Hình 3.11 Quá trình Q-H tại bể hút trạm bơm Cấn Hạ - Phương án hiện trạng 53

Hình 3.12 Quá trình Q-H trên kênh T1 - Phương án hiện trạng 53

Hình 3.13 Quá trình Q-H trên kênh Đầm Bung - Phương án hiện trạng 54

Hình 4.1 Qui trình đề xuất nâng cấp công trình 57

Hình 4.2 Quá trình Q-H tại bể hút trạm bơm Cấn Hạ - Phương án nâng cấp 61

Hình 4.3 Quá trình Q-H trên kênh T1 - Phương án nâng cấp 61

Hình 4.4 Quá trình Q-H trên kênh Đầm Bung - Phương án nâng cấp 62

0 MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Các hệ thống tiêu hiện nay ở đồng bằng sông Hồng được thiết kế và xây dựng vào những năm 60 của thế kỷ 20 phục vụ nước cho hầu hết diện tích nông nghiệp vùng đồng bằng Hệ thống này phục vụ tốt vì vậy đã tăng thêm được vụ mùa, đạt trung bình trên hai vụ một năm Các hệ thống đã được thiết kế và cải tiến theo tiêu chuẩn thiết kế quốc gia Tuy nhiên một số hệ thống thủy lợi tiêu bằng động lực không đáp ứng được yêu cầu tiêu gây úng ngập bởi vì có trạm bơm đầu mối xây dựng đã lâu, nhà trạm máy bơm và hệ thống kênh dẫn hiện đã bị xuống cấp, hay thông số thiết kế chưa đúng, nhu cầu tiêu thay đổi so với ban đầu, hoạt động của hệ thống chưa hợp lý

Hiệu quả của hệ thống thủy lợi tiêu bằng động lực được thể hiện nhiều mặt: Trạm bơm tiêu úng cho vùng sản xuất nông nghiệp, tăng diện tích và sản lượng nông nghiệp, đời sống nhân dân được ổn định; khắc phục hậu quả úng ngập; phòng chống lũ lụt gây ảnh hưởng các ngành dân sinh kinh tế; cải thiện môi trường Để nâng cao hiệu quả của hệ thống tiêu phục vụ sản xuất nông nghiệp hiện nay thường

sử dụng biện pháp xây dựng mới hoặc nâng cấp cải tạo trạm bơm tiêu đầu mối Theo một số nghiên cứu gần đây việc chưa đáp ứng trong tiêu nước hiện nay ngoài nguyên nhân trạm bơm đầu mối hoạt động không hiệu quả còn có nguyên nhân quan trọng khác là việc tiêu nước từ mặt ruộng về kênh tiêu chính tồn tại nhiều bất cập như: kênh tiêu chính và kênh cấp 2 bị bồi lấp đáy kênh cao hơn, bề mặt rộng hơn so với thiết kế, kênh qua một số khu vực dân cư bị ách tắc gây thu hẹp; hệ thống kênh cấp 3 và mặt ruộng không được thiết kế và xây dựng nghiêm túc, thiếu cống tiêu mặt ruộng, không có một tổ chức chuyên trách riêng quản lý hệ thống tiêu hợp lý, trách nhiệm rõ ràng Do vậy cần xem xét tổng hợp nhiều nguyên nhân để đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống tiêu phục vụ sản xuất nông nghiệp Đề tài

sẽ tập trung nghiên cứu nguyên nhân những tồn tại trong hoạt động hệ thống kênh tiêu từ mặt ruộng về trạm bơm đầu mối

Ở nước ta, vấn đề nâng cao hiệu quả quản lý, khai thác các hệ thống thuỷ lợi tiêu bằng động lực đã được nhiều tổ chức và nhiều nhà khoa học quan tâm Tuy nhiên, vấn đề đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống một cách toàn diện, khoa học mới chỉ bắt đầu được nghiên cứu và áp dụng ở một vài hệ thống mang tính chất thí điểm và tập trung chủ yếu vào hoạt động trạm bơm đầu mối Việc nghiên cứu hiệu quả các hệ thống thuỷ lợi tiêu bằng động lực một cách khoa học và toàn diện là một yêu cầu cấp thiết đặt ra nhằm đánh giá và xác định những hạn chế chính để cải tiến tăng sản lượng nông nghiệp, đưa ra những đề xuất khoa học áp dụng vào thực

tế sản xuất

2 Mục đích của đề tài

Mục đích của luận văn là nghiên cứu sử dụng các phương pháp và công cụ

để đánh giá năng lực tiêu thực sự và tìm ra những nguyên nhân chính một cách toàn diện ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động của hệ thống tiêu nước bằng động lực Nội dung nghiên cứu của luận văn làm cơ sở khoa học để đề xuất biện pháp cải tạo, đề

ra cách thức quản lý vận hành nâng cao hiệu quả hoạt động, bước đầu đưa ra những thể chế cho công tác quản lý của hệ thống

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của luận văn: Đánh giá hiệu quả tiêu nước hệ thống thủy lợi tiêu bằng động lực bằng mô hình thủy lực Duflow

Đối tượng nghiên cứu của luận văn: Luận văn lựa chọn hệ thống trạm bơm tiêu Cấn Hạ, huyện Quốc Oai, Thành phố Hà Nội là hệ thống tiêu có đầy đủ tài liệu

để làm đối tượng nghiên cứu

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Các cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu sau sẽ được sử dụng trong quá trình thực hiện luận văn

Phương pháp tiếp cận:

- Tiếp cận tổng hợp: Tổng quan về nghiên cứu đánh giá hiệu quả tiêu ở Việt

Nam và trên thế giới, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả tiêu được tiếp cận một cách tổng hợp

- Tiếp cận kế thừa: Các kinh nghiệm và phương pháp tính toán phục vụ

công tác nghiên cứu đánh giá hiệu quả tiêu trong các nghiên cứu trước đây cũng được tham khảo trong luận văn

Phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp thu thập, xử lý và phân tích số liệu: Các số liệu cần thiết cho

nghiên cứu đánh giá hiệu quả tiêu như: số liệu dân sinh kinh tế vùng nghiên cứu, số liệu khí tượng thủy văn, số liệu hiện trạng hệ thống… sẽ được thu thập và phân tích

để phục vụ công tác nghiên cứu đánh giá

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Các phương pháp tính toán lý thuyết

thủy nông, thủy văn, thủy lực, trạm bơm… cũng như các lý thuyết của các môn học khác liên quan cũng được sử dụng trong quá trình thực hiện luận văn

- Phương pháp mô hình toán: Phần mềm Duflow được sử dụng trong luận

văn để mô phỏng các kịch bản tiêu của hệ thống để làm cơ sở đánh giá năng lực của

hệ thống cũng như kiểm tra các tính hiệu quả của các đề xuất nhằm cải thiện hiệu quả tiêu nước của hệ thống

1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG

TIÊU BẰNG ĐỘNG LỰC VÀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Hiện trạng thủy lợi ở Việt Nam

1.1.1 Tình hình phát triển thủy lợi ở Việt Nam [2,3]

Ngoài một số công trình thuỷ lợi được xây dựng từ thời Pháp thuộc như công trình đập dâng và hệ thống thuỷ lợi sông Chu, tỉnh Thanh Hoá, đập dâng Cầu Sơn, tỉnh Bắc Giang, hệ thống thuỷ lợi Liễn Sơn - Bạch Hạc, tỉnh Vĩnh Phúc, hệ thống đập dâng và âu thuyền Thác Huống, tỉnh Thái Nguyên Các hệ thống này đã hoạt động hàng trăm năm, và gần đây đã được đầu tư nâng cấp cải tạo Hầu hết các hệ thống thuỷ lợi của nước ta được xây dựng và đưa vào vận hành từ những năm 1960 trở lại đây, và có thể chia thành 3 giai đoạn gắn liền với tiến trình đấu tranh giải phóng đất nước và xây dựng chủ nghĩa xã hội ở nước ta

Giai đoạn sau hoà bình lập lại năm 1954 đến năm 1975, với chính sách phát động toàn dân làm thuỷ lợi bắt đầu từ những năm 1960 với sự giúp đỡ về kỹ thuật

và thiết bị của Liên Xô cũ và các nước Đông Âu một loạt các công trình thuỷ lợi ở vùng đồng bằng Bắc Bộ được xây dựng như các trạm bơm tưới Đan Hoài, La Khê, Phù Sa, Ấp Bắc, Nam Hồng, Hà Nội; Như Quỳnh, Văn lâm, Văn Giang, tỉnh Hưng Yên, Đại thuỷ nông Bắc Hưng Hải trải dài trên ba tỉnh Bắc Ninh, Hưng Yên, và Hải Dương; Hệ thống 6 trạm bơm tiêu lớn Như Trác, Cổ Đam, Hữu Bị, Cốc Thành, Vĩnh Trị thuộc tỉnh Hà Nam và Nam Định, … đã được xây dựng đồng loạt tạo ra hạ tầng cơ sở vật chất lớn phục vụ phát triển nông nghiệp và nông thôn miền Bắc và kết quả thu được là hầu hết diện tích canh tác nông nghiệp ở miền Bắc được sản xuất từ một vụ thành sản xuất hai vụ Một vùng đất gần hai trăm ngàn ha thuộc hệ thống Bắc Hưng Hải trước khi có hệ thống thuỷ lợi là vùng trũng, chua phèn thành những vùng đất canh tác phì nhiêu, nông thôn trù phú như ngày nay

Giai đoạn sau giải phóng Miền Nam từ năm 1975 đến năm 1985, cùng với sự tiếp quản hạ tầng cơ sở thuỷ lợi từ chế độ cũ để lại, hàng loạt các công trình thuỷ lợi lớn ở miền Trung và Miền Nam được xây dựng như hệ thống thuỷ lợi Phú Ninh

– tỉnh Quảng Nam, Dầu Tiếng ở Tây Ninh, Kẻ Gỗ ở Hà Tĩnh và hàng ngàn ki lô mét kênh mương cũng như các công trình khác được xây dựng

Giai đoạn sau năm 1985 đến nay: Chính sách đổi mới của Đảng ta vạch ra tại Đại hội Đảng toàn quốc lần thứ 6 năm 1986, tiếp tục tiến trình đầu tư phát triển thuỷ lợi của những năm sau giải phóng, cùng với việc mở rộng xây dựng phát triển các công trình thuỷ lợi nhỏ ở trung du miền núi từ Bắc vào Nam thì các công trình thuỷ lợi vừa và lớn thuộc các vùng đồng bằng cũng thường xuyên được nhà nước đầu tư sửa chữa, nâng cấp

Tính tới thời điểm năm 2002, cả nước đã xây dựng được 75 hệ thống thuỷ lợi vừa và lớn và rất nhiều hệ thống thuỷ lợi loại nhỏ Đã xây dựng được 743 hồ chứa

có dung tích trên 1 triệu m3 (riêng các hồ dung tích trên 10 triệu m3 có 70 hồ), khoảng 3.000 – 3.500 hồ chứa nhỏ; 1.020 đập dâng (không kể những hồ đập tạm);

số liệu thống kê gần đây nhất có khoảng gần 2.000 hồ chứa có dung tích từ 200.000m3 trở lên Khoảng trên 2.000 trạm bơm lớn các loại với công suất lắp máy cho tưới là 250MW và tiêu là 300MW; có gần 5.000 cống tưới tiêu lớn các loại, trên 23.000 km bờ bao ngăn lũ đầu vụ hè thu ở đồng bằng sông Cửu Long, 5.700

km đê sông, 2.000 km đê biển, và cùng với hàng vạn km kênh mương và các công trình trên kênh Riêng vùng núi phía Bắc đã xây dựng được 1.750 hồ chứa vừa và nhỏ, 4.190 đập dâng và hàng trăm công trình thuỷ điện, thuỷ luân (tính cả đập hồ tạm) Tổng giá trị tài sản phần nhà nước đã đầu tư khoảng 100.000 tỷ đồng (tính đến thời giá năm 1998) chưa tính tài sản cố định cho các hệ thống đê điều, công trình thuỷ điện và công sức của nhân dân đóng góp.[3]

Hiệu quả của các công trình thuỷ lợi đem lại là rất to lớn, hiện nay năng lực tưới của các công trình thuỷ lợi trên toàn quốc là trên 3 triệu ha diện tích đất canh tác, góp phần mở rộng diện tích canh tác, thâm canh tăng vụ, tăng năng suất cây trồng Thuỷ lợi là biện pháp cơ bản để nâng chỉ số quay vòng sử dụng đất Tính bình quân trong các năm từ 1986 đến 1998 mỗi năm diện tích tưới tăng 6 vạn ha lúa đông xuân, 7 vạn ha lúa mùa, và 8-10 vạn ha lúa hè thu, kết quả này làm tăng hệ số quay vòng sử dụng đất tăng từ 1,5 lần năm 1955 lên trên 2 lần vào năm 1990 và lên 2,2 lần vào năm 1997 và đến nay hệ số sử dụng đất đạt tới 2,4 ở một số vùng đồng

bằng Bắc Bộ Cùng với tăng diện tích tưới tiêu và các biện pháp giống để tăng năng suất, sản lượng lúa năm 2002 trên cả nước đạt tới 33,6 triệu tấn

Ngoài hiệu quả các công trình thủy lợi mang lại về mặt nông nghiệp, thủy lợi còn mang lại nhiều hiệu ích trên nhiều lĩnh vực khác Các hệ thống thuỷ lợi ở các vùng ven biển đã ngăn mặn, giữ ngọt tạo điều kiện cấp nước sản xuất và đặc biệt là cấp nước ngọt cho hàng triệu người sống ở các vùng đất ven biển không sử dụng được nước ngầm do nguồn nước ngầm bị nhiễm phèn Các hồ chứa đã cung cấp nứơc ăn, nước sinh hoạt cho nhân dân trong vùng, nguồn nước cho phát triển nông nghiệp ở các vùng trước khi có hồ chứa dân sống thưa thớt vì không có nước ngọt, và đất đai hầu hết là bỏ hoang Ngoài ra các công trình thuỷ lợi đã góp phần cải tạo môi trường sinh thái, hệ thống bờ bao thoát lũ ở đồng bằng sông Cửu Long

đã tạo cơ sở xây dựng hàng trăm cụm, tuyến dân cư chung sống với lũ Nhiều hệ thống hồ đập đã tạo ra các tài nguyên du lịch lớn như hồ Đại Lải, hệ thống thuỷ lợi Suối Hai, Đồng Mô, Núi Cốc, Dầu Tiếng, Phú Ninh…

1.1.2 Tình hình hoạt động của các hệ thống tiêu động lực ở nước ta

Hiện nay các hệ thống tiêu bằng động lực được xây dựng phổ biến ở hầu khắp các vùng trong cả nước Có hai hình thức xây dựng là trạm bơm tiêu và tưới tiêu kết hợp Các trạm bơm vừa và lớn hầu hết được xây dựng ở vùng đồng bằng, đất đai trong khu vực được bao bọc bởi các con sông lớn Chẳng hạn hệ thống 6 trạm bơm điện vừa và lớn của tỉnh Hà Nam tưới, tiêu cho khu vực Bắc Nam Định

và Nam Hà Nam là một khu vực đồng chiêm trũng Phía Đông Bắc khu vực giáp sông Hồng và sông Đào, phía Tây giáp sông Đáy, Đông và Đông Nam có sông Đào Nam Định nối liền sông Hồng và sông Đáy Địa hình khu vực lòng chảo, cốt đất từ 0,5 ÷ 2 m chiếm đa số Về mùa mưa (từ tháng 6 đến tháng 11) nước từ thượng nguồn dồn về làm cho mực nước sông lên cao, trong khi đó cũng do mưa mà trong đồng bị ngập trắng nước Vì mực nước sông cao hơn trong đồng nên việc tháo nước

tự chảy không thực hiện được, tình hình này kéo dài hầu như cả mùa mưa làm cho tình trạng ngập úng nghiêm trọng, vụ mùa hầu như mất trắng Ngược lại, về mùa khô lượng mưa ít, mực nước sông lại thấp, việc lấy nước tự chảy từ ngoài sông vào cũng khó thực hiện, vụ mùa đã úng, vụ chiêm lại khô vì thiếu nước Để giải quyết

chủ động việc tưới, tiêu nước thì không thể thiếu vai trò các trạm bơm tưới tiêu kết hợp Việc quyết định cho 5 trạm bơm Nam Hà kết hợp 2 nhiệm vụ tưới tiêu là hợp

lý Ngoài ra còn một số trạm bơm tưới tiêu kết hợp lớn khác đã được xây dựng Năm 1967 xây dựng xong 2 trạm bơm lớn Cốc Thành, Cổ Đam (Nam Định), trạm Cốc Thành tưới cho một phần diện tích huyện Mỹ Lộc, huyện Vụ Bản và phía Đông huyện Ý Yên với tổng diện tích tưới là 23.508 ha, tiêu cho huyện Mỹ Lộc và một phần huyện Vụ Bản với tổng diện tích tiêu là 13.748 ha Trạm lắp 7 máy 0Π6 – 145 của Liên Xô (cũ) Trạm bơm Hữu Bị kết hợp tưới tiêu, tưới cho huyện Bình Lục và Thành phố Nam Định với tổng diện tích tưới là 12.420 ha, tiêu cho 2 huyện Lý Nhân, Bình Lục và Thành phố Nam Định với tổng diện tích tiêu là 10.835 ha Trạm lắp 4 máy 0Π6 – 145 của Liên Xô (cũ) Một số trạm bơm tiêu lớn khác được xây dựng như trạm bơm tiêu Vân Đình (Ứng Hòa) 28 máy 8.000 m3/h tiêu ra sông Đáy, trạm bơm tiêu Bạch Tuyết (Mỹ Đức) 6 máy 8.000 m3/h tiêu ra kênh Bạch Tuyết,

Địa hình phức tạp và khí hậu khắc nghiệt, các trạm bơm thực sự được quan tâm và là biện pháp công trình chủ yếu trong tiêu nước cho cây trồng

1.1.3 Hiệu quả hoạt động hệ thống tiêu ở Việt Nam

Việc tiêu nước chủ động bằng trạm bơm đã tác động mạnh mẽ đến sự phát triển nông nghiệp, mang lại hiệu quả rõ rệt, không chỉ đối với sản xuất nông nghiệp

mà còn đối với các ngành kinh tế, xã hội và môi trường, sinh thái Những diện tích trước đây chỉ cấy 1 vụ do úng hạn nay đã chuyển thành diện tích cấy 2, 3 vụ ăn chắc Do đó làm cho hệ số sử dụng ruộng đất, hệ số gieo trồng tăng lên Các biện pháp thâm canh cây trồng được áp dụng rộng rãi, góp phần tăng năng suất cây trồng

Mặc dù đã có những hiệu quả rõ rệt, nhưng trong thời gian qua, hệ thống các trạm bơm tiêu nước ta vẫn còn nhiều tồn tại cần khắc phục ở những mặt sau:

Hệ thống công trình:

- Hệ thống đã được hình thành qua nhiều thời kỳ và được đầu tư xây dựng với tốc độ khá nhanh Công việc này diễn ra trong hoàn cảnh đất nước có chiến tranh, trong cơ chế bao cấp nặng nề và kéo dài, nên tất nhiên có

những tồn tại, khuyết điểm nhưng lại mang tính lịch sử Công trình bị hư hỏng và xuống cấp nhiều do việc sửa chữa, nâng cấp, bảo dưỡng còn hạn chế

- Điều kiện dẫn và phân phối nước về mặt kỹ thuật chưa đảm bảo, còn rất nhiều tồn tại Kênh dẫn là kênh đất, thi công vội vàng, không đảm bảo kỹ thuật, chiều dài chuyển nước quá lớn, địa hình phức tạp, chịu tác động của nhiều yếu tố xã hội phức tạp Các công trình trên kênh, đặc biệt là công trình điều khiển phân phối nước chưa đầy đủ, hoàn chỉnh, mức độ ứng dụng các tiến bộ khoa học và công nghệ còn thấp, quan điểm vận hành đạt hiệu quả cao chưa được xem xét đầy đủ trong quy hoạch thiết

kế Do vậy chuyển tải nước và phân phối nước là điểm nóng hiện nay trong cải tạo nâng cấp hệ thống

- Nhu cầu tiêu thoát nước của đối tượng nông nghiệp trong vùng rất phức tạp, có nhiều loại không đồng nhất về cả không gian và thời gian Phần lớn các địa phương vẫn giữ nguyên hệ số tiêu thiết kế đã được xác định trước, nhưng cùng với sự phát triển kinh tế xã hội hệ số tiêu thiết kế đã tăng cao hơn trước nhiều Nguyên nhân do những diễn biến khí hậu phức tạp nên so với trước tổng lượng và cường độ mưa trong một trận mưa có

xu hướng tăng lên; các loại giống lúa mới thấp cây, ngắn ngày cho năng suất cao nhưng khả năng chịu ngập kém được trồng trên diện rộng, làm tăng lượng nước tiêu; tỷ lệ diện tích trồng các loại cây hoa màu, cây công nghiệp , diện tích phi canh tác như: đất thổ cư, đường sá, trường học, bênh viện, khu công nghiệp, khu vui chơi, giải trí với yêu cầu tiêu nước triệt để không ngừng tăng lên và diện tích ao, hồ, đầm những nơi có khả năng trữ nước ngày một thu hẹp

Quản lý khai thác công trình thuỷ lợi:

- Tổ chức bộ máy quản lý Nhà nước không rõ ràng còn chung chung trong khâu quản lý, dẫn đến thiếu trách nhiệm Chưa phân định rõ chức năng quản lý Nhà nước về khai thác công trình thuỷ lợi và chức năng sản xuất kinh doanh của đơn vị trực tiếp quản lý khai thác công trình Đội ngũ cán

bộ công nhân viên ở các cơ quan quản lý thuỷ nông tuy có tăng cường nhưng không đồng đều, số gián tiếp sản xuất còn nhiều, ảnh hưởng đến công tác quản lý Do đó bộ máy quản lý của ta phải phấn đấu đạt gọn nhẹ, đảm bảo đủ người cần thiết cho sản xuất với chất lượng cao, các loại cán

bộ gián tiếp sản xuất phải rút bớt, nhiều nhất cũng không vượt quá 12% tổng số cán bộ công nhân trực tiếp sản xuất Cần tăng cường cán bộ chuyên môn về kinh tế thuỷ lợi, kỹ sư nông nghiệp cho các Công ty quản lý

- Về công tác quản lý, vận hành, duy tu bảo dưỡng để duy trì hoạt động của công trình thuỷ lợi là chưa hoàn chỉnh và bền vững Hầu hết, công tác duy tu bảo dưỡng công trình trong hệ thống không thể tiến hành thường xuyên do thiếu kinh phí Hàng năm, Công ty QLKTCTTL chỉ có khả năng sửa chữa những công trình bị hư hỏng nghiêm trọng, ảnh hưởng nhiều đến vận chuyển và phân chia nước Và cứ như vậy số lượng các công trình bị hư hỏng nặng ngày càng nhiều, và Công ty quản lý không

có đủ khả năng nâng cấp và cải tạo, mà phải chờ vào nguồn kinh phí của Nhà nước

- Không có liên hệ giữa các doanh nghiệp Nhà nước khai thác công trình thuỷ lợi với các hợp tác xã nông nghiệp, các tổ chức dùng nước Việc sử dụng nước còn lãng phí, tuỳ tiện Người dân nhiều nơi chưa tham gia tích cực cùng với các tổ chức của nhà nước trong đầu tư, quản lý, vận hành, duy tu, bảo dưỡng công trình thuỷ lợi, trong khi đó nguồn ngân sách Nhà nước cấp cho vấn đề duy tu bảo dưỡng, vận hành công trình rất hạn hẹp

Do vậy mà nhiều hệ thống công trình dần dần bị xuống cấp, hiệu quả hoạt động của các công trình thủy lợi vẫn chưa tương xứng với mức độ đầu tư

- Tổ chức sản xuất trên địa bàn nông thôn còn có sự chồng chéo, các tổ chức dịch vụ chưa được xác định Tư tưởng bao cấp còn nặng nề, cực đoan, việc quản lý khai thác công trình thủy lợi vẫn phụ thuộc vào địa giới hành chính, chịu sự chi phối nhiều của địa phương

- Các Công ty quản lý khai thác công trình thuỷ lợi là những doanh nghiệp Nhà nước có đặc thù riêng Đây là những doanh nghiệp có nhiệm vụ quản

lý khai thác các hệ thống phục vụ cho sản xuất nông nghiệp và các ngành kinh tế quốc dân khác không được tổ chức thống nhất quản lý theo hệ thống công trình mà chia cắt theo lãnh thổ hành chính khó khăn trong giám sát

Vì những lý do đó hầu hết các hệ thống tiêu không đảm bảo tiêu nước kịp thời, gây úng ngập như trong thiết kế, khả năng tiêu của các hệ thống còn giảm dần theo thời gian phục vụ của hệ thống

Qua đánh giá hiệu quả hệ thống tiêu ở Việt Nam ta thấy hoạt động tiêu bị ảnh hưởng rất nhiều yếu tố Cần đưa ra những phương pháp nghiên cứu khoa học để đánh giá một cách đầy đủ, cụ thể hiệu quả tiêu thực sự của hệ thống Từ đó tìm ra giải pháp về công trình, thể chế trong quản lý nâng cao hiệu quả hoạt động hệ thống

1.2 Tình hình ứng dụng mô hình số mô phỏng dòng chảy hở

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, việc giải các bài toán thủy lực mô phỏng dòng chảy trở nên dễ dàng hơn Các cơ quan nghiên cứu về thủy lực đã từng bước đưa các mô hình số mô phỏng dòng chảy cho những ứng dụng khác nhau trong thực tế Có thể kể đến phần mềm thủy lực họ MIKE của Viện thủy lực Đan Mạch (DHI); phần mềm HEC-RAS của US Army Corps of Engineers; phần mềm Duflow của Viện nghiên cứu thủy lực và môi trường (IHE) thuộc trường đại học Delft – Hà Lan; phần mềm ID Pro của Trường Đại học Thủy lợi; phần mềm IMSOP của Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam…

Mỗi một phần mềm có một ưu điểm riêng trong các lĩnh vực mô phỏng khác nhau: quản lý tổng hợp tài nguyên nước, mô phỏng dòng chảy lũ, mô phỏng tiêu thoát nước, mô phỏng quá trình tưới, quá trình truyền chất… Với mỗi mục đích khác nhau mà người dùng có thể lựa chọn một phần mềm phù hợp để thực hiện mô phỏng

- Năm 2008, trong khuôn khổ nghiên cứu ứng dụng mô hình thủy lực, Ammar H Kamel – trường Đại học công nghệ Slovak – Slovakia sử dụng

mô hình MIKE 11 để mô phỏng dòng chảy trên Euphrates ở Iraq

- Mô hình số HEC-RAS được sử dụng để mô phỏng dòng chảy từ hồ McConaughy và trên hệ thống sông Platte, miền trung bang Nebraska –

Mỹ nhằm đề xuất giải pháp cải thiện môi trường sống cho các loài chim

di cư

- Mô hình Duflow được sử dụng để mô phỏng quá trình truyền chất trong nghiên cứu quản lý mô trường từ rừng đầu nguôn đến vùng đồng bằng ven biển phía Đông Bắc bang Carolina – Mỹ

1.2.2 Tình hình ứng dùng ở Việt Nam

Ở Việt Nam, việc ứng dụng mô hình số để mô phỏng dòng chảy thiên nhiên được áp dụng chậm hơn do điều kiện đất nước Tuy nhiên, trong những năm gần đây, được sự giúp đỡ và chuyển giao khoa học công nghệ của các đối tác trên thế giới mà việc sử dụng mô hình số trong lĩnh vực tài nguyên nước đã trở nên phổ biến trong các lĩnh vực khác nhau:

“Tăng cường năng lực các Viện ngành nước” mà nội dung chủ yếu là chuyển giao các phần mềm họ MIKE cho các Viện Khoa học Thủy lợi và Viện Qui hoạch thủy lợi Cũng trong khuôn khổ dự án này, các phần mềm họ MIKE được sử dụng để mô phỏng lũ lụt lưu vực sông Hương;

mô phỏng quá trình lũ lụt ở Tứ giác Long Xuyên thuộc đồng bằng sông Cửu Long; mô phỏng quá trình dòng chảy trên hệ thống thủy nông Bắc Hưng Hải…

- Trong những năm 2000 - 2003, trong dự án “ Hỗ trợ thủy lợi Việt Nam – VWRAP” do WB tài trợ, các nhà tư vấn quốc tế như BCOM (Pháp), Royal Haskoning (Hà Lan); Nipon Koei (Nhật Bản)… đã sử dụng phần mềm HEC-RAS để mô phỏng dòng chảy trên hệ thống kênh tưới của các

hệ thống thủy lợi: Dầu Tiếng, Đá Bàn, Phú Ninh, Kẻ Gỗ, Yên Lập, Cầu Sơn – Cấm Sơn để nâng cấp hệ thống tưới trong khuôn khổ dự án

- Từ năm 2000 với sự giúp đỡ của tổ chức ACIAR – Australia, phần mềm IMSOP được Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam phát triển và ứng dụng

để quản lý tưới ở các hệ thống thủy nông Nam Sông Mã, Phú Yên…

- Năm 2004, trong dự án “ Thủy lợi đồng bằng sông Hồng giai đoạn 2 – phần B” sử dụng phần mềm Duflow để nghiên cứu hiệu quả của hai trạm bơm tiêu Phấn Động và Triều Dương phục vụ lộ trình nâng cấp hiệu quả tiêu cho lưu vực hai trạm bơm trên

- Mô hình Duflow cũng được sử dụng trong nghiên cứu thủy động lực học

và ổn định của các cửa sông thuộc hệ đầm phá Tam Giang – Cầu Hai do tác giả Nghiêm Tiến Lam, H.J Verhagen và M.Van der Wegen thực hiện

1.3 Đề xuất phương pháp nghiên cứu

Qua những nghiên cứu về hiện trạng thủy lợi Việt Nam và tình hình ứng dụng mô hình số để mô phỏng dòng chảy trên thế giới và trong nước Luận văn nhận thấy rằng:

- Các hệ thống thủy lợi ở nước ta do được xây dựng từ lâu nên đã xuống cấp, việc nâng cấp các công trình này là cần thiết Việc nghiên cứu hiện trạng các hệ thống này để nâng cấp còn mang tính chủ quan của người đánh giá Vấn đề sử dụng những công cụ tiên tiến để đánh giá các hệ thống vừa và nhỏ chưa được chú trọng

- Mỗi một mô hình số có những ưu nhược điểm và mức độ chi tiết khác nhau dẫn đến khả năng ứng dụng trong những trường hợp cụ thể là khác nhau Ví dụ: phần mềm HEC-RAS, IMSOP phù hợp với việc mô phỏng

hệ thống tưới Các phần mềm họ MIKE có tính toàn diện cao đối với mô phỏng dòng chảy trên sông, cửa sông ven biển, dòng chảy mặt trên lưu vực, truyền chất…trên phạm vi rộng Phần mềm Duflow thích hợp với

mô phỏng tiêu trên các hệ thống tiêu vừa và nhỏ…

Với phân tích như trên, luận văn đề xuất sử dụng phần mềm Duflow để mô phỏng hiện trạng của hệ thống tiêu trạm bơm Cấn Hạ, huyện Quốc Oai, Thành phố

Hà Nội để làm cơ sở đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả tiêu của hệ thống

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1:

Trong chương 1 tác giả đã nghiên cứu được các vấn đề sau:

1 Hiện trạng thủy lợi Việt Nam cũng như sự phát triển của các hệ thống thủy lợi trong những năm gần đây được tác giả phân tích và nhận xét Tình hình các

hệ thống tiêu động lực và hiệu quả hoạt động cũng được kể đến

2 Tình hình sử dụng mô hình số trong việc mô phỏng dòng chảy trên thế giới và ở Việt Nam được tác giả nghiên cứu một cách toàn diện Ứng dụng của các

mô hình số như: các phần mềm họ MIKE, phần mềm HEC-RAS, phần mềm Duflow… cũng được tác giả nghiên cứu kỹ lưỡng

3 Dựa trên các phân tích về tổng quan hệ thống thủy lợi và tình hình ứng dụng các mô hình số để mô phỏng dòng chảy, tác giả đã đề xuất được hướng nghiên cứu cho luận văn là ứng dụng phần mềm Duflow để nghiên cứu hiệu quả của

hệ thống tiêu trạm bơm Cấn Hạ, huyện Quốc Oai, Thành phố Hà Nội

2 CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU PHẦN MỀM DUFLOW

2.1 Giới thiệu mô hình Duflow

2.1.1 Lịch sử và mục đích của mô hình [13]

Sự ra đời của máy tính cá nhân hoặc máy và tính trong các tổ chức có liên quan đến quản lý nước và ngành kỹ thuật nước kích thích nhu cầu về mô hình máy tính dễ sử dụng

Năm 1988 phần mềm Duflow 1.0 đã được phát triển bởi sự cộng tác nỗ lực của Viện Quốc tế về nước và Kỹ thuật Môi trường (IHE), Khoa Kỹ thuật Xây dựng tại Đại học Công nghệ Delft

Năm 1992 phiên bản Duflow 2.0 đã được hoàn thành Theo đề nghị của STOWA, Đại học Nông nghiệp Wageningen mở rộng chương trình với mô hình chất lượng nước, được gọi là DUPROL Kể từ khi mối quan hệ giữa chất lượng nước và dòng chảy nhận được sự chú ý đặc biệt hiện nay, một chương trình phù hợp cho cả hai khía cạnh làm cho mô hình Duflow trở thành một công cụ hữu ích trong quản lý chất lượng nước

Bởi vì người dùng cũng cần phải có khả năng tính toán quá trình mưa, Modul mưa dòng chảy RAM đã được phát triển bởi Witteveen + Bos và EDS theo đề nghị của STOWA

Năm 1998, Duflow 3.0 được viết cho hệ điều hành Windows 95 và đã trở thành một thành phần của DUFLOW MODELLING STUDIO (DMS) Trong DMS thành phần RAM được tích hợp với các thành phần Duflow Trong tương lai MODUFLOW sẽ có sẵn như là một thành phần của DMS

Một phần mềm miễn phí dành cho đào tạo của phần mềm Duflow bao gồm tất cả các tùy chọn, nhưng bị hạn chế về số lượng các đoạn và các biến bên ngoài được cung cấp cho các sinh viên với mục đích học tập và trở thành công cụ hữu ích giúp các sinh viên thực hiện các mô phỏng giúp sinh viên học tập một cách hiệu quả hơn Việc sử dụng với mục đích thương mại được cung cấp bản quyền bởi EDS Leidschendam, Hà Lan

2.1.2 Cơ sở Vật lý và Toán học

2.1.2.1Các phương trình dòng chảy không ổn định

Duflow được dựa trên hệ phương trình Saint-Venant mô tả dòng chảy không

ổn định trong kênh hở trong trường hợp sóng nước nông bao gồm phương trình liên tục và phương trình động lượng:

Trong đó :

H (x, t): Cao trình mưc nước [m]

v(x, t): Vận tốc trung bình trên mặt cắt ngang)[m/s]

Q (x, t): Lưu lượng [m3 / s]

R (x, H): Bán kính thủy lực của mặt cắt ngang [m]

a (x, H): Chiều rộng dòng chảy của mặt cắt ngang [m]

A (x, H): Diện tích mặt cắt ngang dòng chảy [m2]

b (x, H): Chiều rộng mặt cắt ngang khu chứa [m]

B (x, H): Diện tích mặt cắt ngang khu chứa [m2]

φ (x): Hướng trục kênh tính theo độ [độ]

γ (x): Hệ số chuyển đổi gió

α : Yếu tố chỉnh sửa cho sự không đồng nhất của sự phân bố vận tốc trong giới hạn, được tính như sau:

Giả định rằng tỷ trọng của chất lỏng được coi là không đổi thì số hạng trong phương trình động lượng (2):

Q x

Q A

Xác định một đoạn Δxi đoạn từ nút xi tới nút xi+1 và một khoảng thời gian Δt

từ t = t đến t = t , Kết quả rời rạc hóacmực nước H được thể hiện như sau:

Tại các nút xi và thời gian t + θΔt:

/ 1

n i

n i n

i

H H

i H

H01/2  1/2

i i

n

i b H

b1/2  1/2 1/2

n i

n i

n i

n

B,*1/2  1/2  1/2 1/2Phương trình (2-1) trở thành:

0

1 2

/ 1

1 2 / 1

1 2 / 1 1

n i

n i

n i

n i

n

i

x

Q Q

t

B H

b

(2-9)

2 / 1

* 1

1 1 2

/ 1

* 2 / 1 2

n i n i i

n i

i

n i

n i i

Q Q

A Q

x

Q H

gA t

A*  thì trong bước lặp tiếp

theo được điều chỉnh thành:

1 11 1

N H

N H

1 21

2.1.2.3Điều kiện biên và điều kiện ban đầu

Để có thể giải được hệ phương trình (2-11) và (2-12) cần thêm điều kiện bổ sung và phải được xác định bằng các điều kiện tự nhiên của hệ thống Các điều kiện

do người dùng xác định ở điều kiện tự nhiên có thể được xác định như mực nước, lưu lượng hoặc mối quan hệ giữa lưu lượng và mực nước

Do dòng chảy liên tục nên:

0

1 ,  

Qj,i: Lưu lượng từ nút j đến nút i

qi : Lưu lượng bổ sung hoặc bên cạnh dòng chảy đến nút i

Các phương trình trên được giải ở mỗi bước thời gian Chúng trở thành một

hệ phương trình tuyến tính đối với mực nước thay cho các phương trình (2-11) và (2-12) Sau khi mực nước được tính toán thì lưu lượng cũng được xác định từ phương trình (2-11) và (2-12)

Phương trình (2-13) không được sử dụng trong các nút mà mực nước được xác định là điều kiện biên và trong nút này mực nước đã được xác định Điều kiện biên được tính đến như là lưu lượng dòng chảy bổ sung qi

Để bắt đầu tính toán, giá trị ban đầu cho H và Q cần phải được xác định Những giá trị ban đầu này phải được cung cấp bởi người sử dụng mô hình Chúng

có thể được đo từ thực tế, hoặc có được từ tính toán trước, hoặc chỉ một phỏng đoán ban đầu hợp lý Ngoài ra sức cản của gió và các điều kiện lượng mưa có thể được giả định

2.1.2.4Các hạn chế của mô hình thủy lực Duflow

Thực tế có một số hạn chế trong các phương trình và phương pháp giải được

sử dụng trong Duflow Các phương trình là cho dòng chảy một chiều, điều này có nghĩa là dòng chảy trong một đoạn sẽ được tính trung bình trên bề rộng và chiều sâu của đoạn đó Do vậy Duflow không thích hợp để tính toán dòng chảy đa chiều Vận tốc dòng chảy trong không được mô hình hóa Ví dụ mô hình là không thích hợp cho vùng nước phân tầng

2.1.3 Cơ sở lý thuyết của mô hình mưa – dòng chảy RAM [12]

Cơ sở lý thuyết của mô hình mưa – dòng chảy RAM là thiết lập cân bằng nước dựa trên chu trình thủy văn của lưu vực

2.1.3.1Chu trình thủy văn

Chu trình thủy văn là một quá trình liên tục, trong đó nước tuần hoàn từ các đại dương thông qua bầu khí quyển và các dòng sông và trở lại đại dương Nước biển bốc hơi vào khí quyển và tạo thành mưa, lượng mưa này một phần rơi xuống

mặt đất và một phần rời xuống các đại dương Lượng mưa rơi trên mặt đất được lưu trữ tạm thời trên thảm thực vật, trên những vùng trũng, trong đất và trong các ao hồ Lượng mưa còn lại tạo thành dòng chảy ( dòng chảy mặt hoặc dòng chảy ngầm) đổ

ra sông, suối và cuối cùng chảy ra biển

Hình 2.2 Chu trình thủy văn

2.1.3.2Cân bằng nước:

Nguyên lý cân bằng nước của lưu vực như sau:

Dòng chảy đến = Dòng chảy đi + Lượng nước trữ trên lưu vực

Khi tính toán cân bằng nước trong một thời gian dài thì lương nước trữ lại trên lưu vực có thể được bỏ qua Tuy nhiên, khi tính toán cân bằng nước trong một thời gian ngắn thì lượng nước trữ lại trên lưu vực đóng vai trò quan trọng trong mối liên hệ giữa lượng mưa và dòng chảy ra khỏi lưu vực

Trong tính toán cân bằng nước thì lượng nước đến là lượng mưa và dòng chảy vào lưu vực Lượng nước đi bao gồm bốc hơi và lượng nước ra khỏi lưu vực Tổng lượng nước trữ lại trên lưu vực được xác định dựa trên diện tích lưu vực

Phương trình cân bằng nước:

S: Sự thay đổi lượng nước trữ lại trên lưu vực (mm)

2.2 Dữ liệu đầu vào cho các mô hình Duflow [11]

Mạng lưới kênh mương là yêu cầu đầu tiên của việc thiết lập mô hình trên Duflow Phần mềm cung cấp chương trình soạn thảo đồ họa cho phép thiết lập mạng lưới mô phỏng một cách dễ dàng Giao diện bao gồm các cửa sổ và thanh công cụ giúp người dùng dễ dàng trong việc thiết lập mô hình Các đối tượng muốn xác định (ví dụ như một nút) có thể dễ dàng được lựa chọn từ thanh công cụ này

Trong Duflow, một hệ thống được xây dựng bởi các nút và đoạn:

 Nút là điểm mà tại đó một hay nhiều đoạn được phát sinh hoặc kết thúc

 Đoạn là phần kết nối hai nút

Một số thành phần sau có thể được xác định trên một đoạn:

- Các công trình như đập, cống, xi phông, máy bơm và các công trình khác

Hình 2.3 Mạng lưới kênh được thiết lập bằng Duflow

2.2.1 Nút tính toán (Node)

Nút là điểm mà tại đó một hay nhiều đoạn được phát sinh hoặc kết thúc Các thông số sau đây cần được mô tả khi xác định một nút tính toán trong Duflow:

X-coordinate Tọa độ trục X của nút

Y-coordinate Tọa độ Y của nút

Boundary Conditions Điều kiện biên của nút

Nếu một nút được thêm vào một đoạn của một mạng lưới hiện tại, người dùng có thể sử dụng lệnh chèn nút thay vì kéo đối tượng từ thanh công cụ Đoạn

mà trên đó nút được chèn vào sẽ bị chia thành hai đoạn và kế thừa các thuộc tính của đoạn ban đầu

Hình 2.4 Các thuộc tính của nút

2.2.2 Đoạn tính toán (Section)

Đoạn tính toán mô phỏng một đoạn kênh hoặc một đoạn sông ngoài thực tế Một đoạn được hình thành từ việc kết nối hai nút tính toán với nhau Các thông số sau đây cần được mô tả khi xác định một đoạn tính toán trong Duflow:

Length Chiều dài của đoạn tính toán

Cross sections defined in

this section

Khung này cho hiển tất cả các mặt cắtngang thuộc đoạn tính toán

Minimum Length Minimum Length

MaximumLength Chiều dài tối đa của đoạn

Initial Conditions Điều kiện ban đầu của đoạn tính toán

Hướng của đoạn sẽ được sử dụng để tính khoảng cách của các đối tượng trên đoạn đó Khoảng cách được tính từ nút bắt đầu của đoạn Hướng của đoạn xác định nút bắt đầu của đoạn đến nút kết thúc của đoạn

Hình 2.5 Các thuộc tính của đoạn

2.2.3 Mặt cắt ngang (Cross Section)

Mặt cắt ngang là thành phần bắt buộc trên một đoạn Các thông số sau đây cần được mô tả khi xác định một mặt cắt ngang trong Duflow:

X-co-rdinate Tọa độ mặt cắt trên trục X

Y-co-rdinate Tọa độ mặt cắt trên trục Y

Distance Khoảng cách từ nút bắt đầu đoạn đến mặt cắt

ngang

Scheme Tên của mặt cắt ngang

Floor level Cao trình đáy mặt cắt

Surface level Mực nước mặt khu vực lân cận

Hình 2.6 Các thuộc tính của mặt cắt ngang

Hình 2.7 Thiết lập kích thước mặt cắt ngang

2.2.4 Cống (Culvert)

Cống là công trình kết nối hai đường nước chảy Các thông số sau đây cần được mô tả khi xác định một cống trong Duflow:

Section ID Mã đoạn mà cống năm trên đó

Distance Khoảng cách từ nút bắt đầu của đoạn đến vị trí cống

Tube Form Hình dạng cống

Tube Width Chiều rộng của cống

Tube Height Chiều cao của cống

Tube Length Chiều dài của cống

Side Resistance Hệ số ma sát

Sill Level Cao trình đáy cống

Inside Level Cao trình mực nước thấp nhất trong cống

Hình 2.8 Các thuộc tính của cống

2.2.5 Đập tràn (Weir)

Đập là một công trình thực hiện để kiểm soát mực nước về phía thượng lưu dòng chảy Các thông số sau đây cần được mô tả khi xác định một đâp tràn trong Duflow:

Section ID Mã đoạn mà đập tràn năm trên đó

Distance Khoảng cách từ nút bắt đầu của đoạn đến vị trí đập tràn

Crown Shape Hình dạng đập tràn

Shape Height Chiều cao đỉnh đập tràn

Crown Width Chiều rộng của đập tràn

Crown Height Chiều cao của cột nước trên đỉnh đập

Hình 2.9 Các thuộc tính của đập tràn

2.2.6 Trạm bơm (Pump)

Trạm bơm là công trình chuyển nước trong hệ thống Các thông số sau đây cần được mô tả khi xác định một trạm bơm trong Duflow:

Section ID Mã đoạn mà trạm bơm nằm trên đó

Distance Khoảng cách từ nút bắt đầu đoạn đến vị trí đập tràn

Capacity Năng lực của trạm bơm

Start and Stop Level Mức nước mà trạm bơm bắt đầu/kết thúc hoạt động

Initial Conditions Điều kiện ban đầu

Hình 2.10 Các thuộc tính của trạm bơm

2.2.7 Điểm xả (Discharge Point)

Điểm xả là điểm mà tại đó nước vào hoặc ra khỏi đoạn tính toán Các thông

số sau đây cần được mô tả khi xác định một điêm xả trong Duflow:

Schematization point ID Mã của điểm kết nối điểm xả và đoạn tính toán Boundary Conditions Điều kiện biên

Hình 2.11 Các thuộc tính của điểm xả nước

2.2.8 Diện tích phục vụ(Area)

Diện tích phục vụ là khu vực hứng nước mưa và xả vào các đoạn trong mạng lưới Các thông số sau đây cần được mô tả khi xác định một diện tích trong Duflow:

Schematization point ID Mã của điểm kết nối điểm xả và đoạn tính toán

Surface Tổng diện tích

Precipitation Tên của kịch bản mưa

Evaporation Tên của kịch bản bốc hơi

Hình 2.12 Các thuộc tính của diện tích

Hình 2.13 Số liệu mưa sử dụng cho đối tượng diện tích

Đối với đối tượng diện tích cần phải thiết lập các thông số cho mô hình mưa dòng chảy RAM Các loại diện tích như: ao, hồ, ruộng… và tính chất của đất cần được xác định ở các hộp thoại

Hình 2.14 Các thuộc tính RAM của đối tượng diện tích

2.2.9 Kịch bản ( Senarios)

Một kịch bản có chứa các dữ liệu đầu vào của mô hình như:

- Mạng lưới

- Điều kiện ban đầu

- Các điều kiện khác như: lượng mưa, bốc hơi, hướng gió, tốc độ gió, công trình điều khiển…

- Thiết lập tính toán

Hình 2.15 Thiết lập tính toán

Với chức năng quản lý kịch bản tiện lợi, người dùng cũng có thể xác định nhiều kịch bản cho cùng một hệ thống Các kịch bản khác nhau được xác định khi người dùng muốn tính toán hiệu quả của những thay đổi trong cùng một hệ thống

Chức năng quản lý kịch bản có ba nhiệm vụ chính:

- Tạo thuận lợi cho quản lý một hệ thống Một hệ thống bao gồm dữ liệu đầu vào và ra ràng buộc với nhau Dữ liệu này được lưu giữ trong các hình thức tập tin

- Giám sát toàn bộ của dữ liệu bên trong kịch bản

- Quản lý các thông số đầu vào khi sử dụng nhiều hơn một kịch bản trong cùng một hệ thống

Hình 2.16 Chức năng quản lý kịch bản

2.3 Kết quả đầu ra của Duflow

Kết quả mô phỏng hệ thống tiêu bằng phần mềm Duflow là mực nước và lưu lượng tại các mặt cắt của hệ thống kênh trong suốt quá trình mô phỏng Các kết quả này được thể hiện ở dạng đồ thị hoặc bảng biểu