GIỚI THIỆU MÔ HÌNH QUY HOẠCH VÀ QUẢN LÝ LƯU VỰC SÔNG MIKE BASIN

1 GIỚI THIỆU MÔ HÌNH Mô hình Mike Basin do Viện thuỷ lực Đan Mạch ĐHI xây dựng, nó là một mô hình toán học thể hiện một lưu vực sông bao gồm cấu hình của các sông chính và các sông nhánh

GIỚI THIỆU MÔ HÌNH QUY HOẠCH VÀ

QUẢN LÝ LƯU VỰC SÔNG

MIKE BASIN

-

HÀ NỘI, 11-2004

MỤC LỤC

1 Giới thiệu mô hình

2.1 Sơ đồ hoá

2.2 Giới thiệu về theme

2.3 Số hoá mạng lưới sông

2.4 Node trên sông

2.5 Tạo mạng sông

3.1 Mô số dòng chảy

3.2 Nhập liệu về khu sử dụng nước cho nông nghiệp

3.3 Nhập liệu các khu sử dụng nước cho công nghiệp, thuỷ sản 3.4 Dữ liệu về hồ chứa

3.5 Nhập liệu về thuỷ điện

4 Chạy mô hình

MÔ HÌNH MIKE BASIN

MỘT VÀI NÉT VỀ KHÓA HỌC:

Mục đích của khoá học là cung cấp cho những học viên tham gia học một cái nhìn tổng quan về hệ thống mô hình MIKE BASIN cho việc lập mô hình, và quy hoạch và quản lý lưu vực sông Tuy nhiên, điểm tập trung sẽ là cung cấp cho người học với những kinh nghiệm chuyển giao để người học có thể giải quyết được các vấn đề thực tế sau khoá học

CHƯƠNG TRÌNH HỌC:

• Giới thiệu về khái niệm chính về MIKE BASIN

Bài tập: Tạo hệ thống sông trong MIKE BASIN và xem kết quả

• Giới thiệu người sử dụng nước và chuyển dòng

Bài tập: hộ sử dụng nước và chuyển dòng

• Giới thiệu hồ chứa, công trình thuỷ điện, và nước ngầm

Bài tập: Hồ chứa, công trình thuỷ điện và nước ngầm

• Tổng kết và đánh giá khoá học

1 GIỚI THIỆU MÔ HÌNH

Mô hình Mike Basin do Viện thuỷ lực Đan Mạch (ĐHI) xây dựng, nó là một

mô hình toán học thể hiện một lưu vực sông bao gồm cấu hình của các sông chính

và các sông nhánh, các yếu tố thuỷ văn của lưu vực theo không gian và theo thời gian, các công trình, hệ thống sử dụng nước hiện tại và tương lai và các phương

án sử dụng nước khác nhau Mô hình cũng biểu diễn cả tài nguyên nước ngầm và quá trình diễn biến nước ngầm Mô đun Mike Basin WQ bổ sung thêm chức năng

mô phỏng chất lượng nước

Mike Basin được xây dựng theo kiểu mô hình mạng lưới, trong đó sông và các nhánh hợp lưu chính của nó được biểu diễn bằng một mạng lưới bao gồm các nhánh và các nút Các nhánh thể hiện các đoạn sông riêng biệt, còn các nút thể hiện các tiểu hợp lưu hoặc các vị trí mà tại đó các hoạt động liên quan đến phát triển nguồn nước có thể diễn ra như điểm của dòng chảy hồi quy từ các khu tưới, hoặc là điểm hợp lưu giữa hai hoặc nhiều sông hoặc suối hoặc tại các vị trí quan trọng cần có kết quả của mô hình

Quan niệm toán học trong mô hình Mike Basin là tìm các lời giải ổn định cho mỗi bước thời gian Có thể dùng Mike Basin để tìm các giá trị điển hình đối với số lượng và chất lượng nước trong hệ thống biến đổi chậm (ví dụ chu kỳ hàng năm của các tháng) Ưu điểm của Mike Basin là tốc độ tính toán của nó cho phép vạch ra nhiều kịch bản khác nhau Sai số do nhiều giải pháp tính tạo ra không đáng kể khi bước thời gian của quá trình không nhỏ hơn thời gian mô phỏng

Mike Basin là một mở rộng của ArcView GIS, để các thông tin GIS có thể bao hàm trong mô phỏng tài nguyên nước Mạng lưới sông và các nút cũng được soạn thảo trong ArcView

Mô hình hoạt động trên cơ sở một mạng lưới sông được số hoá và các thiết lập trực tiếp trên màn hình máy tính trong ArcView GIS Tất cả các thông tin về mạng lưới sông, vị trí các hộ dùng nước, hồ chứa, cửa lấy nước, các yêu cầu về chuyển dòng, dòng hồi quy đều được xác định trên màn hình

Nhập liệu chủ yếu của mô hình bao gồm số liệu theo thời gian của dòng chảy trên lưu vực của từng nhánh Các tệp số liệu bổ trợ gồm các đặc tính hồ chứa và các quy tắc vận hành của từng hồ chứa, liệt số liệu khí tượng và số liệu tương ứng với hệ thống hoặc cấp nước như nhu cầu nước và các thông tin về dòng hồi quy Trước khi bắt đầu xây dựng mô hình cần xác định sơ đồ lưu vực sông phù hợp và các đặc trưng liên quan Để đánh giá tài nguyên nước của một lưu vực sông lớn cần phải đưa vào hàng loạt các đặc trưng và nhu cầu riêng biệt Ví dụ một số lớn các hộ dùng nước nhỏ thường rải rác trong một vùng Việc đưa tất cả các hộ này vào như các hệ thống riêng biệt thường đòi hỏi rất nhiều công sức

Do đó trong quá trình xây dựng mô hình, đặc biệt chú ý xác định một mô hình linh hoạt phản ánh các điều kiện tự nhiên tổng quát và dựa trên các mục tiêu của bài toán, khả năng của dự kiện và phạm vi của các xuất liệu cần có

Có thể đưa ra các kiểu sơ đồ sau đây:

- Kết hợp các sông nhỏ vào một nhánh duy nhất ở thượng lưu một điểm lấy nước

- Kết hợp các diện tích tưới nhỏ vào một hệ thống tưới duy nhất với một điểm lấy nước

- Kết hợp cấp nước thành phố và cấp nước công nghiệp làm một

Việc lập sơ đồ biểu diễn các hoạt động phát triển ở các mức độ chi tiết mong muốn, đồng thời kết hợp các nhu cầu nước giống nhau và các nguồn nước nào không cần có sự phân biệt trong tính toán sau này Sơ đồ lưu vực thường có dạng như sau (Hình 3.1)

Hình 3.1: Sơ đồ lưu vực trong Mike Basin

Mô hình Mike Basin còn rất linh hoạt trong xác định bước thời gian Người

sử dụng có thể xác định thời gian theo ngày hoặc tháng Cần xem xét cẩn thận khi lựa chọn bước thời gian thích hợp, căn cứ vào dữ kiện hiện có và xuất liệu yêu cầu Đối với những mô hình lớn thời gian tính và nhu cầu bộ nhớ sẽ tăng đáng kể khi giảm bước thời gian

Mike Basin sử dụng giao diện đồ hoạ với người dùng (GUI) nó liên kết phần

mô hình với ArcView GIS Giao diện được thiết kế trong môi trường ArcView và

sử dụng các chức năng của ArcView để làm việc

Kết quả của mô hình sẽ cho ta thông tin về hoạt động của các hồ chứa và các

hộ dùng nước trong toàn bộ thời gian mô phỏng bao gồm cả mức độ thiếu nước

và thời gian thiếu nước Hơn nữa liệt dòng chảy tháng tại tất cả các nút cũng được đưa ra cho phép ta xác định và đánh giá được ảnh hưởng tổng hợp của các công trình cũng như các khu tưới đối với dòng chảy trong sông

Kết quả có thể được xem như là chuỗi thời gian cho mỗi giao cắt hoặc chụp nhanh trong thời gian như tổng quan của một khu vực mô hình toàn bộ trong ArcView Cuốn qua thời gian, người sử dụng có thể tạo một sự mô phỏng hình hoạt và xem ảnh địa lý của kết quả đặc biệt phát triển như thế nào

Như vậy mô hình MikeBasin đã thực hiện được việc đánh giá nguồn nước của lưu vực, ảnh hưởng của các hệ thống lấy nước hiện trạng và đánh giá tác động của các công trình cũng như của các khu tưới lên nguồn nước cho các phương án

và các giai đoạn phát triển thuỷ lợi trong tương lai

2 CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA MIKE BASIN

2.1 Sơ đồ hoá

Trước khi lập mô hình, điều quan trọng là bạn phải xác định phù hợp mô tả khái quát của lưu vực sông và các đặc tính kèm theo Khi đánh giá tài nguyên nước trên một lưu vực sông thì người ta thường xem xét nhiều nhu cầu và đặc điểm về nước Thường thì có nhiều người sử dụng nước cho nông nghiệp lại nằm rải rác trong khu vực Để kết hợp tất cả những cá thể này trong phần lớn trường hợp cần có nhiều nguồn số liệu để chạy mô hình

Chính vì thế tại giai đoạn xây dựng mô hình một điều quan trọng là xác định giản đồ linh hoạt với mục đích của các nỗ lực lập mô hình và mức độ có sẵn của thông tin Các loại mô tả khái quát hay giản đồ đơn giản có thể bao gồm các loại sau:

• Nhóm những nhánh sông nhỏ thành một nhánh sông riêng lẻ nằm trên thượng lưu của điểm lấy nước;

• Nhóm khu vực tưới nhỏ vào một công trình riêng lẻ với một điểm lấy nước;

• Nhóm cấp nước đô thị và cấp nước công nghiệp vào thành một thực thể Một mạng sông mô hình là việc đơn giản hoá một hệ thống có tính chất vật

lý Giản đồ mô tả mạng sông vì thế nên phản ánh được chức năng và mối quan hệ qua lại được xác định trong hệ thống sông tự nhiên Bố trí đó có thể không nhất thiết phải giống như bố trí và kích thước quan sát được trên hệ thống sông tự nhiên Tuy nhiên, đối với mục đích trình bày trong giai đoạn sau này của một dự

án thì thông thường đó là một lợi thế tốt khi thiết kế một mạng sông để mọi người

có thể nhận thấy hệ thống sông mà mô hình trình bày một cách vật lý

Sơ đồ hệ thống chủ yếu được xây dựng từ các nút, trong trường hợp đầy đủ nhất, một hệ thống sẽ bao gồm các loại nút sau (Hình 3.2).

Hình 3.2: Các loại nút đặc trưng trong Mike Basin

2.2 Giới thiệu về theme

Trong ArcView GIS một View bao gồm các Themes Trong MIKE BASIN, một mô hình sông được xây dựng bằng cách đưa vào một số các theme đã được xác định trước trong View Những Theme này có thể được xem là diễn trình hoặc hoạt động mà được xác định về mặt chức năng Theme có thể được chia làm hai nhóm:

1) Theme xác định mạng sông;

2) Theme đại diện cho hoạt động

Themes được đưa vào một cách tự động trong View như bạn đã thực hiện Ngoài ra, theme có thể được sử dụng như là hình ảnh nền hoặc là các đặc tính (Arcview shapefiles), đại diện cho những thông tin hữu ích để biểu diễn cùng với

mô hình sông cũng có thể được đưa vào Bất kỳ một theme bổ sung nào được

chèn thêm vào trong view bằng cách sử dụng nút ‘Insert themes into the view’ trong ArcView

Tuỳ thuộc vào tình trạng xây dựng mô hình mà có một vài theme của MIKE BASIN có thể được chèn thêm vào trong view Hai theme đầu dưới đây sẽ có ngay sau khi bạn khởi động MIKE BASIN Các theme khác sẽ xuất hiện trên Bảng Mục lục (Table of Contents) nằm bên phía trái của màn hình sau khi mạng

đã được thiết lập, bao gồm :

Bảng mục lục trình bày:

- Tên của từng theme trong view

- Legend cho mỗi theme

- Xem rằng theme đó là bật hay tắt

- Thứ tự của các theme

- Theme nào đang kích hoạt

- Theme nào đang ở dạng chỉnh sửa

được

2.3 Số hoá mạng lưới sông

Một mạng sông để sử dụng trong mô hình MIKE BASIN có thể được tạo ra bằng hai cách:

• Từ việc mô phỏng lưu vực (một công cụ MIKE INFO khác), sử dụng công

cụ Mô hình mặt chiếu số (DEM) và sinh ra một mạng tỷ lệ chi tiết

• Từ việc số hoá một mạng sông, tạo ra một mạng sông đơn giản Quy trình này được mô tả ở đây

Người sử dụng có thể số hoá một mạng sông bằng cách dựa vào một hình ảnh minh hoạ hệ thống con sông tự nhiên đó hoặc là chỉ đơn giản sử dụng một màn hình trống Một hình ảnh nền có thể được nạp qua trình đơn ‘View’/‘Add Theme…’ (Chọn nguồn dữ liệu hình ảnh) của ArcView Bắt đầu bằng cách nhấp vào ‘River button’, đấy là nút chỉnh sửa nằm bên trái:

Số hoá bằng cách nhấp chuột trái vào cuối mỗi đoạn (leg), sau đó di chuyển con trỏ đến vị trí mới Những phần sông riêng lẻ (một chuỗi các legs) được hoàn thiện bằng cách kích đúp vào điểm cuối cùng Các nhánh sông nên có điểm cuối cùng nằm trên sông chính tại vị trí của ngã ba sông

Quan trọng: Sông thường được số hóa theo hướng hạ lưu (tức là hướng đi

từ thượng lưu -> hạ lưu.) Nếu bạn làm nhầm thì bạn có thể sử dụng công cụ swap direction tool

2.4 Node trên sông

Hệ thống sông tự nhiên được biểu diễn như là cấu trúc nhánh - điểm Dòng chảy trên sông được tính toán tại mỗi điểm nút hay giao cắt Dòng chảy tại một điểm nút ở cuối hạ lưu của một nhánh cụ thể nào đó sẽ là hàm số của dòng chảy

từ điểm nút trên thượng lưu gần nhất Đối với một vài nút mà biểu diễn đặc tính

bổ sung thì dòng chảy cũng sẽ là hàm số của:

• Diễn toán lưu vực chẳng hạn như thoát nước bề mặt hoặc sự tương tác giữa nước mặt và nước ngầm;

• Dòng chảy hồi và/hoặc dòng lấy nước

Nút sẽ tự động quy chiếu với các nút khác Các điểm nút trên mạng sông có thể có hình dạng khác nhau phụ thuộc xem đối tượng sử dụng có được đi kèm với điểm nút đó hay không hoặc xem rằng ở đó có sự chuyển dòng hay không Node được thêm vào bằng cách kích vào nút tương ứng trên trình đơn trong danh sách trình đơn và sau đó kích vào vị trí trên View tại vị trí mà nút sẽ được đặt Chúng

có thể được đặt trên hoặc cách xa sông phụ thuộc vào từng loại node:

Nút được đặt trên mạng sông bằng cách nhấp chuột trái vào vị trí mong muốn Một điều quan trọng là thường phải đặt điểm nút tại:

• Điểm đầu thượng lưu của mọi nhánh sông;

• Một ngã ba/ một điểm mà có hai nhánh sông riêng biệt được số hoá gặp nhau;

• Điểm chuyển dòng / điểm mà một nhánh sông bị chia làm hai;

• Điểm lấy nước trên hệ thống sông;

• Vị trí của hồ chứa (được thêm vào sau)

Khi số hoá một mạng sông, có hai loại điểm nút cơ bản, được gọi là nút lưu vực (catchment node) và điểm nút đơn giản (simple node) Điểm nút lưu vực là các nút tại đó có đính kèm diện tích của lưu vực phụ trên thượng lưu (tức là nó đại diện cho dòng chảy của một lưu vực) Điểm nút đơn giản (simple node) thì không đính kèm diện tích của lưu vực phụ (xem hình vẽ) Khi chèn thêm điểm nút vào mạng sông thì sẽ có một cửa sổ hội thoại xuất hiện để bạn xác định loại điểm nút

sẽ chèn Lưu ý rằng, lưu vực trước tiên sẽ được vẽ sau bước tạo mạng sông (Making the network)

Thứ tự đặt các điểm nút trên mạng sông không quan trọng Nếu điểm nút được đặt ngoài mạng sông đã số hoá thì các nút đó sẽ tự động di chuyển đển điểm gần nhất sông nếu nó được công cụ “Snap tolerance” tìm thấy Bước tiếp theo:

• Sau khi các nút được thêm/xoá trên mạng sông: tiến hành tạo mạng sông (Make the network)

• Sau khi người sử dụng nước được thêm vào mạng sông (hoặc khi mạng sông đã được tạo xong): xác định thuộc tính (specifying properties)

2.5 Tạo mạng sông

Trong bước này, MIKE BASIN sẽ thiết lập hình một mạng sông Ngoài ra diện tích lưu vực trên phía hạ lưu của điểm nút lưu vực được thiết lập và hiển thị trên View Yêu cầu là phải tạo lại mạng sông mỗi khi thêm hay xoá đi điểm nút trên sông

Để tạo một mạng sông, nhấp vào nút Make trên trình đơn: Bước đầu tiên ‘Make’ được thực hiện, hai themes mới sẽ được tạo ra, hai theme đó được gọi

là Runoff.shp và Branches.shp sẽ xuất hiện trong Table of Content (Mục lục) cùng với các theme khác Đối với mạng sông dưới dạng giản đồ (schematic networks), vật thể hiện tên file Runoff.shp có màu xanh bóng Chúng được vẽ trên từng nhánh sông biểu diễn cho một khu lưu vực phụ (đó là đoạn giữa hai node lưu vực hoặc đoạn giữa nút hạ lưu cuối và nút lưu vực) Bước tiếp theo sau khi tạo mạng sông, có thể thêm vào phần phân loại của các loại nút (add the other categories of nodes) như hồ chứa, điểm cấp nước cho nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt và thuỷ văn cho mô hình

3 YÊU CẦU Về NHẬP LƯỢNG

3.1 Mô số dòng chảy

Lưu lượng dòng chảy bề mặt ở lưu vực sông tạo ra dòng chảy trên sông Dòng chảy trên bề mặt ở lưu vực sông phải được nhập theo chuỗi thời gian của mỗi nút Khi mạng lưới được thiết lập, chuột sẽ chuyển thành một tia sét nhỏ (lightning), nhấn vào một lưu vực bất kỳ trong mạng lưới sông, một hộp hội thoại

“specific runoff” cho một điểm nút lưu vực sẽ xuất hiện yêu cầu các nhập liệu như hình 3.3

3.2 Nhập liệu về khu sử dụng nước cho nông nghiệp

Lấy nước từ sông có thể để sử dụng cho vài mục đích Hoạt động được xem

là hoạt động tưới có nghĩa là có một mối quan hệ giản đơn giữa biến số thời gian

trong việc lấy nước (từ sông và từ nước ngầm) và lưu lượng hồi, dựa vào bước thời gian đến và đi của nút sông

Nếu một công trình nào đó dùng để lấy nước được ấn định cho một nút, mô phỏng mô hình sẽ cho phép lấy nước khi mức nước tại nút đó còn và chính vì thế

sẽ hồi quy số nước còn lại về sông tại điểm nút mà người sử dụng xác định Trong thời gian thiếu nước thì tất cả số nước có ở đó đều được khai thác, không có nước chảy xuống phía dưới hạ lưu

Nếu có một vài điểm được ấn định cho một công trình thuỷ lợi cụ thể, nước

sẽ được lấy theo thứ tự ưu tiên (Priority) từ các điểm nút riêng lẻ khi có nước Thứ tự ưu tiên được đưa ra khi xác định kết nối trên màn hình Khi có một vài người được kết nối đến cùng một nút sông, kết nối ưu tiên giữa những người sử dụng cũng cần được xác định Điểm nước vào có thể từ hồ chứa