Mô phỏng thủy lực xác định mực nước thượng lưu đập Đồng Mít, tỉnh Bình Định.PDF

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HỌ VÀ TÊN TÁC GIẢ LUẬN VĂN AO VĂN THƠM TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN MÔ PHỎNG THỦY LỰC XÁC ĐỊNH MỰC NƯỚC THƯỢNG LƯU ĐẬP ĐỒNG MÍT, TỈNH BÌNH ĐỊNH CHUYÊN

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HỌ VÀ TÊN TÁC GIẢ LUẬN VĂN

AO VĂN THƠM

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

MÔ PHỎNG THỦY LỰC XÁC ĐỊNH MỰC NƯỚC THƯỢNG LƯU ĐẬP ĐỒNG MÍT, TỈNH BÌNH ĐỊNH

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG

TRÌNH THỦY

Mã số : 60.58.02.02 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ ỨNG DỤNG

Quảng Ngãi – Năm 2019

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS Lê Hùng

Phản biện 1: TS Kiều Xuân Tuyển

Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Chí Công

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt

nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật Xây dựng Công trình thủy họp tại Trường

Đại học Bách khoa vào ngày tháng năm 2019

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách

khoa

- Thư viện Khoa Thủy lợi - Thủy điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

2 Mục đích nghiên cứu

Hồ chứa nước Đồng Mít hiện nay đang được xây dựng (giai đoạn 2021), việc nghiên cứu xây dựng bộ thông số mô hình thủy lực bằng mô hình toán để mô phỏng thủy lực, xác định mực nước thượng lưu đập, nhằm chủ động cho công tác bồi thường di dân, tái định cư vùng lòng hồ; đồng thời sau này chủ động dự báo, vận hành, điều tiết lũ góp phần

2018-2giảm thiểu ngập lụt cho các khu dân cư thượng lưu hồ chứa, phát huy hiệu quả dự án

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng: Xây dựng mô hình thủy văn, thủy lực mô phỏng mực nước thượng lưu hồ chứa nước Đồng Mít theo các kịch bản khác nhau

- Phạm vi nghiên cứu: Về không gian, nghiên cứu tính toán thủy văn - thủy lực vùng thượng lưu hồ chứa nước Đồng Mít, trọng tâm là mô phỏng mực nước thượng lưu hồ chứa nước Đồng Mít; Về thời gian, Đánh giá mức độ ảnh hưởng của đường mực nước hồ chứa nước Đồng Mít với các khu dân cư và diện tích đất đai trong vùng lòng hồ bị ngập, ảnh hưởng của nó tới việc giải phóng mặt bằng, di dân tái định cư

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp điều tra, khảo sát, tổng hợp số liệu, thu thập tài liệu thực

tế, tài liệu tham khảo, phân tích, xử lý số liệu;

- Phương pháp phân tích thống kê, xác suất: Thu thập, tổng hợp và phân tích số liệu để đánh giá hiện trạng hệ thống;

- Phương pháp mô phỏng mô hình toán thủy văn – thủy lực: Với các bài toán về dòng chảy lũ thì phương pháp mô hình toán thủy lực có hiệu quả khi nghiên cứu trên một vùng rộng lớn, để cho biết bức tranh động lực dòng chảy trên hệ thống sông

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Nâng cao trình độ chuyên môn cho bản thân Xây dựng bộ thông số mô hình phù hợp với lưu vực nghiên cứu, làm cơ sở giúp cho chủ đầu tư thực hiện công tác đền bù, di dân tái định cư hoặc đề xuất các biện pháp thích ứng cho vùng ngập lụt thượng lưu; cán bộ quản lý điều hành có thể

mô phỏng mực nước thượng lưu phục vụ kịp thời công tác vận hành hồ chứa trong mùa lũ sau này

6 Bố cục đề tài, gồm: Mở đầu, Chương 1: Tổng quan; Chương 2 Tính

toán thủy văn Hồ chứa nước Đồng Mít; Chương 3: Mô phỏng thủy lực vùng thượng lưu Hồ chứa nước Đồng Mít; Kết luận và Kiến nghị

Chương 1 - TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung

Công trình Hồ chứa nước Đồng Mít được xây dựng trên sông An Lão, thuộc xã An Dũng, huyện An Lão, tỉnh Bình Định Sông An Lão bắt nguồn từ vùng núi cao của dãy Đông Trường Sơn, chảy theo hướng Bắc Nam nhập vào sông Lại Giang; Sông Lại Giang là một trong những con sông lớn của tỉnh Bình định có diện tích lưu vực là 1.466km2, dài 73km, sông chảy theo hướng Tây Nam - Đông Bắc rồi đổ ra biển An Dũ

1.2 Tổng quan về đặc điểm tự nhiên vùng nghiên cứu

Lưu vực Hồ chứa nước Đồng Mít nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa trong năm chia ra hai mùa rõ rệt là mùa khô và mùa mưa Mùa mưa thường bắt đầu từ tháng IX và kéo dài đến tháng XII, lượng mưa mùa mưa chiếm đến 70-80% lượng mưa cả năm Mùa khô từ tháng I đến tháng VIII, ít mưa, lượng mưa chỉ chiếm 20-30% Lượng mưa hàng năm của lưu vực biến động từ 3000-3600mm lớn hơn rất nhiều so với các vùng khác của tỉnh Bình Định Nhiệt độ thấp nhất 13,20C, nhiệt độ lớn nhất đạt tới 41,60C; nhiệt độ trung bình hàng năm là 26,10C Độ ẩm tương đối trung bình tháng mùa khô đạt từ (75÷85)%, mùa mưa từ (85÷87)% Tháng V là tháng có số giờ nắng nhiều nhất (254,2giờ) và tháng XII là tháng có số giờ nắng ít nhất (106,2 giờ) Tốc độ gió bình quân nhiều năm đạt V = 1,6m/s Vùng núi phía Tây tại Ba Tơ tổng lượng bốc hơi là 805mm

1.3 Tổng quan về dòng chảy lũ đến lưu vực Hồ chứa nước Đồng Mít

Lưu vực trạm An Hòa nằm ở phía dưới tuyến đập Đồng Mít, có cùng nguyên nhân hình thành gây lũ như lưu vực Đồng Mít Trạm thủy văn

An Hòa có diện tích lưu vực là 393 km2, lũ lớn nhất đo được trong thời

k từ 1982 đến nay, với Qmax = 5880 m3/s vào ngày 19/XI/1987 Qua tính toán thống kê lượng mưa lớn nhất thời đoạn 1, 3, 5, 7 ngày liên tục thường tập trung nửa cuối tháng X và tháng XI, thời gian thường bị ảnh hưởng của bão và các đợt không khí lạnh, áp thấp nhiệt đới Lượng mưa

1 ngày có thể đạt trên 300 mm/ngày

1.4 Tổng quan về mô hình toán trong và ngoài nước

1.4.1 Các mô hình thuỷ văn

• Mô hình đường đơn vị (UHM): Được sử dụng để thay thế cho mô hình NAM để mô phỏng lũ lụt ở các khu vực, nơi không có hồ sơ dòng chảy

1.5 Phân tích lựa chọn các mô hình phục vụ nghiên cứu

1.5.1 Lựa chọn mô hình thủy văn MIKE NAM tính dòng chảy lũ

Lưu vực Hồ chứa nước Đồng Mít là lưu vực nhỏ, tình hình tài liệu khí tượng thủy văn thu thập được đến hiện tại phục vụ nghiên cứu dự báo chưa thật dài và đầy đủ, nên việc chọn mô hình NAM để dự báo sẽ thuận lợi hơn so với các mô hình khác

1.5.2 Lựa chọn mô hình thủy lực HEC-RAS 2D để mô phỏng thủy lực

Từ kết quả tính toán dòng chảy lũ từ mô hình MIKE NAM (xác định lưu lượng biên thượng lưu và các nhánh bên), sử dụng mô hình HEC-RAS

2D để mô phỏng thủy lực vùng thượng lưu Hồ chứa nước Đồng Mít

Chương 2- MÔ PHỎNG THỦY VĂN HCN NƯỚC ĐỒNG MÍT 2.1 Thiết lập mô hình dòng chảy MIKE NAM

2.1.1 Giới thiệu mô hình MIKE NAM

Mô hình NAM đã được tích hợp như là một môđun tính quá trình dòng chảy từ mưa, coi như mô hình MIKE-NAM

2.1.2 Xây dựng mô hình MikeNam cho các lưu vực nhập lưu

2.1.2.1 Tài liệu cơ bản sử dụng trong mô hình

a Tài liệu địa hình:

Từ bản đồ tỷ lệ 1/50.000 của huyện An Lão, tỉnh Bình Định và vùng phụ cận, tiến hành phân chia các lưu vực nhập lưu và lưu vực trạm thủy văn

An Hòa Thông qua các phần mềm như MapInfo, Arcgis tạo thành file shapefile làm dữ liệu lưu vực và vị trí các trạm mưa cho mô hình MIKE NAM Chi tiết như ở hình 2-2 dưới đây

Hình 2- 1: Sơ đồ mạng lưới trạm KTTV và phân chia lưu vực

b Tài liệu khí tượng, thủy văn:

Mô phỏng dòng chảy lũ năm hiện trạng cũng như tính toán, tác giả sử dụng số liệu mưa giờ của 2 trạm mưa Ba Tơ và Hoài Nhơn làm dữ liệu đầu vào cho mô hình

62.4 Bảng phân bố tỉ trọng mưa trên các lưu vực

Mưa hiện trạng: Chọn ra 2 trận lũ đo đạc được tại trạm trủy văn An Hòa

gần đây vào các thời k tháng 12/2016 và trận lũ tháng 11/2017 để đưa vào mô phỏng hiệu chỉnh, kiểm định cho mô hình

Bảng 2- 4: Trận mưa ngày 14÷20/12/2016 của hai trạm (mm)

Ba Tơ 70 254,4 286 61,6 24,2 53,4 4,3 Hoài Nhơn 66,2 316,1 147,3 3,6 7,8 53,5 0,6

Bảng 2- 5: Trận mưa ngày 3÷9/11/2017 của hai trạm (mm)

Ba Tơ 36,1 305,9 416,9 444,1 43,9 59,5 14,9 Hoài Nhơn 4,6 175,4 307,2 91,5 0,1 9,8 7,9

Mưa thiết kế: Các giá trị mưa theo các tần suất 0,02%, 0,5%, 1%

Bảng 2- 1: Lượng mưa ngày lớn nhất với các tần suất thiết kế (mm)

T.Suat 1max 3max 5max 7max 1max 3max 5max 7max

X0,02% 1409,1 2922,9 3562,7 3848,7 651,4 1417,3 1632,2 1616,1

X0,5% 927,4 1873,8 2273,7 2479,7 466,4 940,7 1092,7 1130,7

T.Suat 1max 3max 5max 7max 1max 3max 5max 7max

X1% 823,8 1649,1 1998,0 2186,1 425,4 837,5 975,6 1023,3

Xđh-1987 408,6 549,5 549,9 554,4 261,2 407 407,3 429,3 Tài liệu bốc hơi: Sử dụng tài liệu bốc hơi tại trạm khí tượng Hoài Nhơn Tài liệu dòng chảy: Sử dụng tài liệu lưu lượng thực đo tại trạm thủy văn

An Hòa từ ngày 14÷20/12/2016 để hiệu chỉnh mô hình Dùng trận lũ thực đo tại trạm thủy văn An Hòa từ 3-9/11/2017 để kiểm định mô hình

MƯA GIỜ THIẾT KẾ VÀ HIỆN TRẠNG NĂM 1987 TRẠM BA TƠ

MƯA GIỜ THIẾT KẾ VÀ HIỆN TRẠNG NĂM 1987 TRẠM HOÀI NHƠN

Hình 2- 3: Mưa giờ thiết kế và hiện trạng năm 1987-Bto, H.Nhơn

Hình 2- 4: Mưa giờ ngày 14-20/12/2016 Trạm Ba Tơ và Hoài Nhơn

MƯA GIỜ CÁC TRẠM NGÀY 3-9/11/2017

Hình 2- 4: Mưa giờ ngày 3-9/11/2017 Trạm Ba Tơ và Hoài Nhơn

c Tài liệu khác: Bao gồm các thông tin về diện tích lưu vực, đơn vị hành chính, địa chất thổ nhưỡng…

2.1.3 Hiệu chỉnh, kiểm định xác định bộ thông số mô hình NAM

2.1.3.1 Hiệu chỉnh mô hình MIKE NAM

Kết quả hiệu chỉnh bộ thông số trận lũ năm 2016 tại trạm thủy văn An Hòa được thể hiện như hình dưới

Hình 2- 5: Quá trình lũ, tổng lượng lũ mô phỏng và thực tế - 1987

2.1.3.2 Kiểm định mô hình MIKE NAM

Hình 2- 6: Quá trình lũ, tổng lượng lũ mô phỏng và thực tế trận lũ 2016

2.1.3.3 Nhận xét kết quả hiệu chỉnh, kiểm định

Từ kết quả tính toán hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MikeNam như trên cho kết quả khá tin cậy với các sai số tổng lượng và đỉnh lượng

không lớn, hệ số NASH đạt 89,3% và 89,2%

10Bảng 2-9: kết quả bộ thông số trong mô hình MIKE NAM như sau:

Tên lưu vực Umax Lmax CQOF CKIF CK1,2 TOF TIF TG CKBF BF

Chương 3 - MÔ PHỎNG THỦY LỰC VÙNG THƯỢNG LƯU

HỒ CHỨA NƯỚC ĐỒNG MÍT 3.1 Thiết lập mô hình thủy lực HEC-RAS thượng lưu hồ Đồng Mít

3.1.1 Giới thiệu mô hình thủy lực HEC-RAS 2D

Hec-Ras của HEC được thiết kế bởi trung tâm công trình thủy văn của Cục Kỹ thuật Công trình Quân đội Hoa K Các ứng dụng của phần mềm Hec-Ras như sau:

- Mô phỏng dòng ổn định và ổn định không đều biến đổi dần dựa trên phương trình vi cơ bản về bảo toàn năng lượng tại các mặt cắt

- Mô phỏng dòng không ổn định dựa trên việc giải hệ phương trình Saint - Venant theo sơ đồ sai phân ẩn

- Mô phỏng vận chuyển bùn cát và mô phỏng lan truyền ô nhiễm trong hệ thống kênh sông

- Mô hình phân tích dòng chảy Hec-Ras 2D (Hydrological Engineering Centre - River Analysis System) (phiên bản 2D, 5.0) Phần mềm này vừa mới được cải tiến, bổ sung khả năng mô phỏng dòng chảy không ổn định 2 chiều (2D) và mô hình 1D kết hợp với 2D Phần mềm vừa mới được đưa ra sử dụng vào tháng 3 năm 2016 Phương trình tính toán:

Phương trình liên tục (Phương trình bảo toàn khối lượng):

Phương trình bảo toàn động lượng theo phương ngang (x và y), còn gọi là phương trình chuyển động theo phương ngang:

Trong đó: u và v là vận tốc theo hướng của Cartesian, g là gia tốc trọng trường, vt là hệ số độ nhớt xoáy ngang, là hệ số ma sát đáy, R là bán kính thủy lực và f là tham số Coriolis

Hình 3.1: Vị trí hồ Đồng Mít, sông An Lão và sông Dinh

Hình 3.2: Địa hình tính toán khu vực thượng lưu hồ chứa Đồng Mít

Hình 3.3: Thiết lập các điều kiện biên (biên lưu lượng, mực nước)

Hình 3.4: Thiết lập file mô phỏng ngập lụt thượng lưu Đồng Mít

Hình 3.5: Biên lưu lượng được nhập vào vị trí sông An Lão

15Điều kiện biên:

Biên thượng lưu Q~t các trận lũ thực tế và thiết kế được nhập vào biên trên của mô hình thủy lực

Biên hạ lưu: Z~t mực nước các trận lũ thực tế và thiết kế hạ lưu hồ chứa nước Đồng Mít làm biên dưới cho mô hình thủy lực

3.2 Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình thủy lực HEC-RAS 2D

Sau khi xây dựng được sơ đồ thủy lực mạng lưới sông tính toán, việc hiệu chỉnh các thông số chính đặc trưng như hệ số nhám, các hệ số thủy lực, thời gian và bước thời gian tính toán được thực hiện bằng phương pháp thử dần Sơ đồ hiệu chỉnh và kiểm định cho mô hình như sau:

3.2.1 Chọn trận lũ tính toán hiệu chỉnh, kiểm định mô hình thủy lực

Qua phân tích tình hình mưa lũ trên hệ thống vùng nghiên cứu Trên sông An Lão phía thượng lưu hồ Đồng Mít lựa chọn trận lũ xảy ra từ ngày 14-21/XII/2016 làm trận lũ điển hình để hiệu chỉnh mô hình thủy lực Phân tích lựa chọn các trận lũ từ ngày 3-9/XI/2017 làm trận

lũ điển hình thực tế để kiểm định mô hình thủy lực cho kết quả mô phỏng như sau:

3.2.2 Tính toán hiệu chỉnh mô hình với trận lũ từ ngày 21/XII/2016

14-Trên sông An Lão đoạn sông từ hồ Đồng Mít lên phía thượng lưu không có trạm đo thủy văn nên tác giả đã sử dụng tài liệu điều tra khảo sát các vết lũ đã xảy ra trong trận lũ tháng 12/2016 để so sánh cho kết quả như bảng sau:

Bảng 3-1: Thống kê mực nước lớn nhất điều tra và tính toán tại một số vị trí trên sông An Lão-Trận lũ tháng 12/2016 (m)

STT Vị trí Tính toán Điều tra H Tên vết lũ

Nhận xét: Qua bảng kết quả tính toán và điều tra hiệu chỉnh

mô hình thủy lực ta thấy rằng giá trị mực nước lớn nhất tại một số vị trí dọc hệ thống sông An Lão tương đối phù hợp với kết quả điều tra

Do vậy kết quả tính toán mô phỏng như vậy là phù hợp sát với thực

tế, điều này đồng thời có ý nghĩa rằng, các quá trình lưu lượng đến, các lưu vực nhập lưu, bộ thông số về các hệ số nhám lòng, bãi sông

và các hệ số lưu lượng qua công trình đã chọn phản ánh tương đối phù hợp với trận lũ thực tế đã xảy ra vào tháng 12/2016

3.2.3 Tính toán kiểm định mô hình với trận lũ từ ngày 3-9/XI/2017

Tiến hành tính toán, mô phỏng kiểm định mô hình thủy lực cho trận

lũ ngày 3-9/XI/2017, kết quả tính toán được trình bày ở bảng dưới đây:

Bảng 3-2: Thống kê mực nước lớn nhất điều tra và tính toán tại một số vị trí trên sông An Lão - Trận lũ tháng 11/2017

3.2.4 Đánh giá và lựa chọn bộ thông số cho mô hình thủy lực

Từ các kết quả tính toán mô phỏng hiệu chỉnh và kiểm chứng mô hình như đã trình bày ở trên có thể thấy rằng: việc sơ đồ hoá hệ thống sông, lựa chọn mô hình tính toán, các mặt cắt đại biểu, các hệ

số thủy lực chọn đã phản ánh tương đối gần đúng hiện trạng thủy lực của hệ thống sông An Lão và sơ đồ trên có thể sử dụng để tính toán cho các bài toán thiết kế và kịch bản thủy lực hồ chứa nước Đồng Mít Sau khi nghiên cứu tính toán hiệu chỉnh, kiểm định mô hình

17thủy lực cho đoạn sông từ đuôi hồ chứa nước đến hạ lưu đập Đồng Mít thu được bộ thông số nhám lòng sông của mô hình M=1/n = 25

3.3 Mô phỏng thủy lực thượng lưu hồ chứa nước Đồng Mít 3.3.1 Xây dựng kịch bản tính toán thủy lực

Trường hợp 1: (2 kịch bản): P=1%, tính toán với 2 kịch bản chưa có

Từ bộ thông số mô hình đã chọn, biên nhập lưu các phương án thiết

kế ở trên, tiến hành tính toán cho các phương án theo kịch bản Kết quả được trình bày ở các hình vẽ dưới đây:

Hình 3.6: Đường mực nước dọc sông An Lão khi chưa có đập Đồng

Mít (Kịch bản P=1%)

Hình 3.8: Đường mực nước khi có đập Đồng Mít (Kịch bản P=1%)

Hình 3.9: Bản đồ ngập lụt thượng lưu khi có đập, kịch bản P=1%

Hình 3.10: Đường MN khi chưa có đập Đồng Mít (P=0.5%)

Hình 3.12: Đường mực nước khi có đập Đồng Mít (P=0.5%)

Hình 3.13: Bản đồ ngập lụt thượng lưu khi có đập, kịch bản P=0.5%

Hình 3.14: Đường mực nước khi chưa có đập Đồng Mít (P=0.02%)

Hình 3.16: Đường mực nước khi có đập Đồng Mít (Kịch bản P=0.02%)

Hình 3.17: Bản đồ ngập lụt thượng lưu khi có đập, kịch bản P=0.02%

Hình 3.18: Biểu đồ thống kê diện tích ngập lụt ứng các kịch bản khi chưa

có đập