Ứng dụng phương pháp mô hình toán nghiên cứu chế độ vận hành,nâng cao hiệu quả quản lý khai thác hồ chứa cấp nước cho nông nghiệp khi không có dự báo nguồn nước

Hình 2.1: Biểu đồ điều phối hồ chứa Hình 2.2: Nguyên tắc tính toán điều tiết khi xây dựng biểu đồ điều phối Hình 2.3: Xác định đường phòng phá hoại và đường hạn chế cấp nước theo đường b

NGUYỄN THIỆU VỸ

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH TOÁN NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH, NÂNG CAO HIỆU QUẢ QUẢN LÝ KHAI THÁC HỒ CHỨA CẤP NƯỚC CHO NÔNG NGHIỆP

KHI KHÔNG CÓ DỰ BÁO NGUỒN NƯỚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2012

NGUYỄN THIỆU VỸ

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH TOÁN NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH, NÂNG CAO HIỆU QUẢ QUẢN LÝ KHAI THÁC HỒ CHỨA CẤP NƯỚC CHO NÔNG NGHIỆP

KHI KHÔNG CÓ DỰ BÁO NGUỒN NƯỚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS ĐOÀN TRUNG LƯU

HÀ NỘI – 2012

Luận Văn “Ứng dụng phương pháp mô hình toán nghiên cứu chế độ vận

hành nâng cao hiệu quả quản lý, khai thác hồ chứa cấp nước cho nông nghiệp khi không có dự báo nguồn nước” được thực hiện từ tháng 9 năm 2010 Ngoài sự

cố gắng của bản thân, tác giả đã được sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy, cô giáo, gia đình và bạn bè

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo TS Đoàn Trung Lưu, người đã trực tiếp tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và cung cấp những tài liệu, những thông tin cần thiết cho tác giả hoàn thành Luận văn này

Tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của Chi cục Thủy lợi Vĩnh

Phúc, Công ty TNHH một thành viên Thủy lợi Lập Thạch và các đồng nghiệp

đã cung cấp các tài liệu cần thiết cho tác giả hoàn thành luận văn

Tuy nhiên do thời gian có hạn, trình độ còn hạn chế, số liệu và công tác xử

lý số liệu với khối lượng lớn nên những thiếu xót của Luận văn là không thể tránh khỏi, do đó tác giả rất mong tiếp tục nhận được sự chỉ bảo giúp đỡ của các thầy cô giáo cũng như những ý kiến đóng góp của bạn bè và của đồng nghiệp

Cuối cùng tác giả xin chân thành cảm ơn tấm lòng của những người thân trong gia đình, bạn bè đã động viên giúp đỡ khích lệ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn./

Hà Nội, tháng 3 năm 2012

TỔNG QUAN VỀ HỒ CHỨA VÀ ĐIỀU TIẾT DÒNG CHẢY BẰNG HỒ CHỨA 4

1.1 Hồ chứa 4

1.1.1 Khái niệm hồ chứa nước 4

1.1.2 Các công trình thủy công của hồ chứa 4

1.1.3 Đặc trưng địa hình hồ chứa 5

1.2 Điều tiết cấp nước của hồ chứa 6

1.2.1 Khái niệm điều tiết cấp nước 6

1.2.2 Phân loại và đặc điểm điều tiết cấp nước 7

CHƯƠNG 2 QUẢN LÝ, VẬN HÀNH HỒ CHỨA CẤP NƯỚC NÔNG NGHIỆP 9

2.1 Biểu đồ điều phối 9

2.1.1 Khái niệm điều phối hồ chứa 10

2.1.2 Cấu tạo biểu đồ điều phối hồ chứa 10

2 2 Phương pháp xây dựng biểu đồ điều phối cấp nước trong quản lý vận hành hồ chứa phục vụ nông nghiệp 14

2.2.1 Phương pháp xây dựng 15

2.2.2 Sử dụng biểu đồ điều phối xây dựng chế độ vận hành hồ chứa 18

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TANK KHÔI PHỤC CHUỖI DÒNG CHẢY ĐẾN HỒ CHỨA TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG TÍCH VÀ THÁO NƯỚC HỒ CHỨA PHỤC VỤ NÔNG NGHIỆP 21

3.1 G iới thiệu tổng quan về mô hình TANK 21

3.1.1 Nguyên lý mô hình ……… 21

3.1.2 Cấu trúc mô hình 22

3.1.3 Phương thức sử dụng mô hình TANK tạo chuỗi dòng chảy đến 25

3.2.2 Các bước tính 32

3.2.3 Kết quảtính chuỗi dòng chảy đến lưu vực hồ chứa nghiên cứu 33

3.3 T ính toán dòng chảy năm thiết kế hồ chứa Vân Trục, Bò Lạc, Suối Sải 39

3.3.1 Tính toán lưu lượng dòng chảy năm thiết kế 39

3.3.2 Phân phối dòng chảy năm thiết kế 42

CHƯƠNG 4 CƠ SỞ KHOA HỌC LẬP QUY TRÌNH VẬN HÀNH HỒ CHỨA CẤP NƯỚC PHỤC VỤ NÔNG NGHIỆP KHI KHÔNG CÓ DỰ BÁO NGUỒN NƯỚC 44

4.1 Cở sở thiết lập quy trình 44

4.2 Kết quả nghiên cứu thiết lập quy trình vận hành hồ chứa Vân Trục, Bò Lạc, Suối Sải 44

4.2.1 Biểu đồ điều phối các hồ chứa nghiên cứu 44

4.2.2 Cơ sở khoa học lập quy trình vận hành hồ chứa nghiên cứu 66

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ……….……… 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO …….……… ………… ……… ……… 84

Hình 2.1: Biểu đồ điều phối hồ chứa

Hình 2.2: Nguyên tắc tính toán điều tiết khi xây dựng biểu đồ điều phối

Hình 2.3: Xác định đường phòng phá hoại và đường hạn chế cấp nước theo đường bao

Hình 3.1: Mô phỏng các bể chứa và cơ chế truyền ẩm của mô hình TANK đơn Hình 3.2: Bản đồ vị trí các hồ chứa nghiên cứu

Hình 4.1: Đường tích và tháo nước hồ Vân Trục

Hình 4.2: Đường tích và tháo nước hồ Bò Lạc

Hình 4.3: Đường tích và tháo nước hồ Suối Sải

Hình 4.4: Biểu đồ điều phối cấp nước hồ Vân Trục

Hình 4.5: Biểu đồ điều phối cấp nước hồ Bò Lạc

Hình 4.6: Biểu đồ điều phối cấp nước hồ Suối Sải

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1: Bộ thông số mô hình hiệu chỉnh

Bảng 3.2: Đặc trưng địa hình lòng hồ Vân Trục (Z-F-V)

Bảng 3.3: Đặc trưng địa hình lòng hồ Bò Lạc (Z-F-V)

Bảng 3.4: Đặc trưng địa hình lòng hồ Suối Sải (Z-F-V)

Bảng 3.5: Lưu lượng trung bình dòng chảy tháng, năm hồ Vân Trục

Bảng 3.6: Lưu lượng trung bình dòng chảy tháng, năm hồ Bò Lạc

Bảng 3.7: Lưu lượng trung bình dòng chảy tháng, năm hồ Suối Sải

Bảng 3.8: Tổng hơp lưu lượng dòng chảy năm lưu vực hồ chứa Vân Trục, Suối Sải, Bò Lạc

Bảng 3.9: Dòng chảy năm thiết kế lưu vực các hồ Vân Trục, Bò Lạc, Suối Sải

Bảng 4.1: Tính toán điều tiết theo năm có kể tổn thất hồ chứa nước Vân Trục Bảng 4.2: Tính toán điều tiết theo năm có kể tổn thất hồ chứa nước Bò Lạc Bảng 4.3: Tính toán điều tiết theo năm có kể tổn thất hồ chứa nước Suối Sải Bảng 4.4: Tọa độ đường phòng phá hoại và đường hạn chế cấp nước hồ Vân Trục Bảng 4.5: Tọa độ đường phòng phá hoại và đường hạn chế cấp nước hồ Bò Lạc Bảng 4.6: Tọa độ đường phòng phá hoại và đường hạn chế cấp nước hồ Suối Sải

MỞ ĐẦU

Quản lý vận hành công trình thủy lợi là một trong những vấn đề khoa học quan trọng và không thể thiếu trong kỹ thuật tài nguyên nước, được đề cập đến trong suốt quá trình quy hoạch, thiết kế và vận hành công trình phục

vụ quản lý khai thác tài nguyên nước

Hồ chứa là loại công trình thủy lợi có công trình thủy công phức tạp và với chế độ vận hành đặc thù là điều tiết dòng chảy tự nhiên (tích và tháo nước) trong nhiệm vụ cấp nước và phòng chống lũ Trong nhiều năm qua ở Việt Nam nhiều công trình hồ chứa nước được xây dựng với mục tiêu cấp nước phục vụ nông nghiệp, phát điện, sinh hoạt, du lịch , nhưng đại đa số các hồ chứa được xây dựng đều chưa có sự nghiên cứu thỏa đáng về cả lý thuyết lẫn thực tế để lập quy trình vận hành, nhất là với những hồ chứa vừa và nhỏ phục vụ cấp nước cho nông nghiệp

Luận văn Thạc sỹ kỹ thuật với đề tài “Ứng dụng phương pháp mô hình toán nghiên cứu chế độ vận hành nâng cao hiệu quả quản lý, khai thác hồ chứa

cấp nước cho nông nghiệp khi không có dự báo nguồn nước” chọn đối tượng nghiên cứu là loại công trình hồ chứa vừa và nhỏ phục vụ cấp nước cho nông nghiệp với trạng thái không có dự báo nguồn nước Nhằm nghiên cứu những

cơ sở khoa học trong việc thiết lập “quy trình vận hành” hồ chứa nước vừa và nhỏ phục vụ nông nghiệp ở nước ta

I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Thực tế ở nước ta hiện nay có hàng trăm công trình hồ chứa vừa và nhỏ được xây dựng phục vụ cấp nước cho nông nghiệp Để nâng cao hiệu quả trong quản lý khai thác nhiều công trình hồ chứa đã và đang sẽ được cải tạo nâng cấp Tuy vậy việc nâng cao hiệu qủa bằng những giải pháp trong quả lý vận hành hồ chứa chưa được đề cập đến một cách khoa học, mặc dù đây là một giải pháp có hiệu quả kinh tế rất cao trong khai thác tài nguyên nước Việc xây dựng chế độ vận hành cho một công trình thuỷ lợi nói chung và với

công trình hồ chứa nói riêng là vấn đề khoa học phức tạp bởi sự biến động mạnh mẽ của nguồn nước và yêu cầu khai thác tài nguyên nước

Luận văn bước đầu ứng dụng phương pháp hiện đại - Mô hình toán kết hợp với các phương pháp truyền thống - Phân tích thống kê, cân bằng nước… trong nghiên cứu xây dựng chế độ vận hành cho công trình hồ chứa phục vụ nông nghiệp, nhằm thu hoạch được sâu sắc hơn những kiến thức, phương pháp khoa học về quản lý khai thác tài nguyên nước và tiếp cận với yêu cầu thực tế ở nước ta

II MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

- Về lý thuyết: Củng cố và nhận thức sâu sắc hơn kiến thức khoa học về quản lý khai thác tài nguyên nước, mà trong đó tập trung vào bài toán kỹ thuật quản lý vận hành công trình hồ chứa, nâng cao hiệu quả khai thác trong cấp

nước cho nông nghiệp Biết và ứng dụng hiệu quả những phương pháp tính toán mới, kết hợp những phương pháp truyền thống trong nghiên cứu về kỹ thuật tài nguyên nước

- Về thực tế: Tiếp cận bài toán nâng cao hiệu quả quản lý khai thác trong vận hành công trình hồ chứa phục vụ cấp nước cho nông nghiệp đặt ra trong thực tế ở nước ta

III CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1 Cách tiếp cận

- Thu thập, phân tích đánh giá hiện trạng về quản lý khai thác của một

số công trình hồ chứa phục vụ nông nghiệp thuộc một số tỉnh miền núi và trung du ở miền Bắc nước ta

- Nghiên cứu xây dựng bài toán quản lý vận hành hồ chứa phục vụ cấp nước cho nông nghiệp Lựa chọn phương pháp quản lý vận hành với những loại hồ chứa không có dự báo nguồn nước

- Ứng dụng phương pháp mô hình toán, khôi phục dòng chảy đến công trình hồ chứa (mô hình TANK) Tính toán cụ thể cho một số hồ

- Xây dựng “Biểu đồ điều phối” hồ chứa và bước đầu thiết lập cơ sở khoa học cho việc xây dựng “quy trình vận hành” hồ chứa phục vụ cấp nước cho nông nghiệp

2 Ph ương pháp nghiên cứu

- Phương pháp điều tra phân tích tổng hợp

- Phương pháp mô hình tính toán khôi phục chuỗi dòng chảy tự nhiên trên lưu vực

- Phương pháp cân bằng nước

- Phương pháp chuyên gia

IV KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC:

- Hiểu biết sâu sắc, cụ thể bài toán quản lý vận hành hồ chứa phục vụ cấp nước cho nông nghiệp

- Sử dụng phương pháp mô hình tính toán kết hợp với các phương pháp truyền thống trong việc xây dựng công cụ quản lý vận hành hồ chứa - “Biểu

đồ điều phối”

- Thông qua những nghiên cứu, tính toán cụ thể cho một số hồ chứa ở vùng trung du và miền núi miền Bắc, có những cơ sở khoa học trong nghiên cứu về “quy trình vận hành công trình hồ chứa” nâng cao hiệu quả quản lý khai thác tài nguyên nước

V NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN:

Luận văn được hoàn thành với nội dung nghiên cứu trình bày trong 4 chương và phần mở đầu, kết luận

Chương 1: Tổng quan về hồ chứa và điều tiết dòng chảy bằng hồ chứa

Chương 2: Quản lý, vận hành hồ chứa cấp nước nông nghiệp

Chương 3: Ứng dụng mô hình TANK khôi phục chuỗi dòng chảy đến hồ chứa trong xây dựng đường tích và tháo nước hồ chứa phục vụ nông nghiệp

Chương 4: Cơ sở khoa học lập quy trình vận hành hồ chứa cấp nước phục vụ nông nghiệp khi không có dự báo nguồn nước

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỒ CHỨA VÀ ĐIỀU TIẾT

DÒNG CHẢY BẰNG HỒ CHỨA

1 1 HỒ CHỨA

1.1.1 Khái niệm hồ chứa nước

Hồ chứa nước là nơi tích nước trong mùa thừa nước và tháo phục vụ

cho yêu cầu cấp nước trong mùa thiếu nước Hồ chứa có quy mô từ chục m3

cho đến hàng triệu m3 và lớn hơn Hồ chứa không chỉ làm nhiệm vụ điều tiết

dòng chảy phục vụ vụ cấp nước, mà thường làm cả nhiệm vụ điều tiết phòng

chống lũ cho công trình và hạ du công trình Trong thực tế người ta có thể

phân chia hồ chứa thành các dạng như sau

Bể chứa nước kín: Bể chứa nước kín bằng kim loại, đá hoặc bê tông

Loại này có thể đặt trên cao (các tháp nước), trên mặt đất hoặc ở dưới nước

Bể chứa nước hở: loại này được xây dựng ngay trên mặt đất hoặc vừa

đào vừa đắp

Hồ chứa được xây dựng ngay trên khe suối, trên sông bằng các đập

chắn ngang sông Loại này thường có kích thước rất lớn với nhiệm vụ cấp

nước cho các ngành kinh tế như nông nghiệp, công nghiệp, du lịch và đồng

thời làm nhiệm vụ phòng chống lũ cho công trình cũng như hạ du công trình

hồ chứa

1.1.2 Các công trình thủy công của hồ chứa

Các công trình thủy công chủ yếu của hồ chứa bao gồm: đập chắn

nước, công trình lấy nước và công trình tháo lũ

- Đập chắn nước được xây dựng trên sông ở tuyến vào hoặc tuyến ra

làm nhiệm vụ dâng và tích nước trong các mùa thừa nước, bắt đầu cấp đủ

nước theo yêu cầu Các đập chắc ở tuyến ra được xây dựng với mục đích tích

nước vào hồ, còn ở tuyến vào được xây dựng với mục đích điều tiết lượng nước vào hồ, hoặc làm nhiệm vụ tích nước vào hồ nước phía trên nó Đập chắn nước có thể được xây dựng dạng đập đất, đập bê tông

- Công trình lấy nước: Là các cống lấy nước được xây dựng với mục đích lấy nước vào kênh dẫn đến các vùng được cấp nước, các khu tưới, các vùng dân cư, nhà máy thủy điện v.v Cống lấy nước thường được xây dựng ngay trong thân đập theo hình thức chảy có áp hay không áp

- Công trình tháo lũ: Công trình tháo lũ có nhiệm vụ xả thừa lượng nước trong mùa lũ đảm bảo an toàn cho công trình hoặc điều tiết phòng lũ cho

hạ lưu Công trình tháo lũ có nhiều loại đó là đập tràn chảy tự do, cống ngầm,

xi phông với có cửa và không có cửa đóng mở hoặc hình thức kết hợp Các công trình tháo lũ có hai hình thức, loại có cửa đóng mở và loại không có cửa đóng mở

Các công trình lấy nước và tháo lũ cần được mô tả đầy đủ về hình thức kết cấu, cao trình các ngưỡng, kích thước của nó, và chế độ làm việc của nó

1.1.3 Đặc trưng địa hình hồ chứa

Đặc trưng địa hình của hồ chứa nước là các quan hệ giữa diện tích mặt thoáng của hồ (F, km2

) dung tích của hồ chứa nước (V, m3

), chiều sâu bình quân của nước trong hồ (h,m) với cao trình mực nước trong hồ (Z, m) Trong

đó mực nước mặt hồ Z là cao trình mực nước hồ so với mặt chuẩn qui ước

Đặc trưng địa hình hồ chứa trong thực tế được xác định dưới dạng bảng hoặc đồ thị Việc xác định đặc trưng địa hình hồ chứa dựa vào việc đo đạc bản đồ địa hình

Dựa vào bản đồ địa hình, diện tích mặt hồ tương ứng với các mực nước theo biểu đồ trên việc xác định dung tích khống chế giữa hai đường đồng mức

kề nhau được tính theo công thức:

∆V = 1/2 ( Fi + Fi+1) H

Với đường hcp = f(z) dùng công thức h = Z – Zd’

trong đó Zd là cao trình bình quân của đáy hồ so với mặt chuẩn qui ước

Dưới đây xin giới thiệu một biểu đồ đặc trưng của hồ chứa xem hình (1.1)

Hình 1.1 Biểu đồ đặc trưng địa hình của hồ chứa nước

1 2 ĐIỀU TIẾT CẤP NƯỚC CỦA HỒ CHỨA

1.2 1 Khái niệm điều tiết cấp nước

Điều tiết cấp nước được hiểu đó là quá trình tích và tháo nước của hồ chứa, nhằm khống chế sự thay đổi tự nhiên của dòng chảy sông ngòi cho phù

hợp với các yêu cẩu về dùng nước, sử dụng và phòng chống lũ lụt của con người Hồ chứa là hệ thống quan trọng nhất trong hệ thống các công trình điều tiết , nó có khả năng thay đổi sâu sắc về nguồn nước theo thời gian và không gian

1.2.2 Phân loại và đặc điểm điều tiết cấp nước

Có nhiều cách phân loại điều tiết dòng chảy, nhưng thường đối với các

hồ chứa vừa và lớn và đặc biệt là các hồ chứa phục vụ cấp nước cho nông nghiệp thì người ta dựa vào chu kỳ, tức là dựa vào khoảng thời gian tích và tháo nước để phân loại Với căn cứ này tức là dựa vào chu kỳ điều tiết để phân loại khi trong thực tế, điều tiết cấp nước được phân thành các loại như sau

- Điều tiết ngày đêm là loại điều tiết mà chu kỳ tích và tháo nước của

nó cùa nó bằng ngày đêm (24h) Loại này thường phục vụ nước cho sinh hoạt, phát điện khi mà yêu cầu về nước trong một ngày không đồng đều

- Điều tiết tuần là điều tiết cho chu kỳ của nó là (7 ngày) nhằm giải quyết tình trạng thiếu nước trong những ngày nghỉ trong tuần

- Điều tiết năm là điều tiết nhằm tích nước trong cả tháng thừa nước mùa lũ và tháo dùng nước trong các tháng mùa kiệt Chu kỳ điều tiết là 12 tháng với tháng bắt đầu là tháng đầu tiên của mùa lũ và cuối cùng là tháng thiếu nước cuối mùa kiệt năm sau Mục đích điều tiết mùa là trữ lại lượng nước thừa trong mùa lũ để cung cấp cho thời kỳ mùa kiệt

- Điều tiết nhiều năm là hình thức điều tiết nhằm tích nước của những năm thừa nước liên tục và cấp nước cho những năm thiếu nước liên tục Chu

kỳ điều tiết là n≥2 năm

Việc phân loại và đánh giá đặc điểm cấp nước của các hồ trên đây cho thấy, với các công trình hồ chứa cấp nước cho nông nghiệp thường ở dạng điều tiết năm và điều tiết nhiều năm, với chu kỳ điều tiết của hồ là một năm hoặc nhiều năm, trong đó bao gồm nhóm các năm thừa nước và nhóm các

năm thiếu nước liên tục Việc phân định hồ chứa điều tiết năm và nhiều năm trong thực tế của công tác quy hoạch, thiết kế, quản lý khai thác tài nguyên nước với công trình cấp nước là hồ chứa được xác định bằng chỉ tiêu khi so sánh lượng nước đến hồ chứa trong năm (WQ, m3) và lượng nước dùng (cho tưới trong năm, Wq, m3) Một cách cụ thể trong năm thiết kế

Nếu Wq < WQ,P hồ chứa đó sẽ có chu kỳ điều tiết năm

Nếu Wq ≥ WQ,P hồ chứa đó sẽ có chu kỳ điều tiết nhiều năm Việc quản lý vận hành hồ chứa rất phụ thuộc vào hình thức điều tiết của hồ, bởi với hồ chứa điều tiết nhiều năm dung tích của hồ chứa bao gồm không chỉ một thành phần dung tích để điều tiết nước các mùa trong năm mà cần thiết có cả phần dung tích điều tiết giữa các năm lớn nhỏ với nhau

CHƯƠNG 2 QUẢN LÝ, VẬN HÀNH HỒ CHỨA CẤP NƯỚC NÔNG NGHIỆP

2 1 BIỂU ĐỒ ĐIỀU PHỐI

Quản lý vận hành hồ chứa, hệ thống hồ chứa phục vụ cho cấp nước là quá trình tích và tháo nước của hồ chứa, hệ thống hồ chứa hợp lý nhất nhằm bảo đảm hiệu quả tối ưu cho quá trình cấp nước Thực tế hiện nay tùy theo vào khả năng có hoặc không có dự báo thủy văn mà người ta có thể sử dụng các phương pháp khác nhau trong tính toán thiết lập cũng như vận hành quá trình tích và tháo nước của hồ Với hồ chứa và hệ thống các hồ chứa ở Việt Nam nói chung, ở các vùng đồi núi nói riêng nhất là các hồ chứa phục vụ cho nông nghiệp, cơ sở vật chất kỹ thuật hạ tầng chưa cho phép người quản lý dự báo được nguồn nước đến tự nhiên một cách chính xác, nhất là dự báo thời đoạn dài Bởi vậy việc sử dụng các mô hình vật lý - toán để quản lý vận hành

hồ là chưa thể thực hiện được Trong khi đó sử dụng biểu đồ điều phối cho việc quản lý vận hành hồ chứa phục vụ cấp nước nói chung và cho nông nghiệp nói riêng có những điều kiện khả thi Luận văn đã nghiên cứu ứng dụng phương thức vận hành bằng biểu đồ điều phối cho bài toán thực tế của

hệ thống hồ chứa Vân Trục, Bò Lạc, Suối Sải bảo đảm cấp nước cho vùng tưới của 2.268 ha đất canh tác toàn hệ thống

Việc xác định được dung tích hồ thông qua việc tính điều tiết dòng chảy năm thiết kế, đó chỉ là một trạng thái trong vô số những trạng thái khác nhau có thể xảy ra của dòng chảy năm trong thực tế, trong giai đoạn vận hành kho nước, quy luật tích nước vào kho V= V(t) chỉ đúng cho năm có khối lượng dòng chảy giống hệt dòng chảy năm thiết kế, trong thực tế dòng chảy

năm và dạng phân phối của nó có thể là bất kỳ Vì vậy vấn đề đặt ra cho người quản lý vận hành hồ chứa nước như thế nào để mang lại hiệu quả lớn nhất khi khai thác hồ chứa

Thực tế có thể xảy ra hồ chứa cấp nước phục vụ nông nghiệp thường có quy mô vừa và nhỏ, đặc biệt hầu như không có dự báo nguồn nước, bởi vậy việc quản lý vận hành hồ chứa cấp nước cho nông nghiệp được xây dựng trên

cơ sở của biểu đồ điều phối

2.1.1 Khái niệm điều phối hồ chứa

Điều phối hồ chứa được hiểu là toàn bộ công việc nhằm điều khiển quá trình tích và tháo nước của hồ để phục vụ cho nhu cầu dùng nước, sử dụng nước và phòng chống lũ trong suốt thời gian hoạt động của công trình

Việc tích nước hồ chứa trong thực tế có thể thực hiện bằng công tác tích sớm hoặc tích muộn, thường người quản lý công trình hồ chứa chọn giải pháp tích sớm nhất để đảm bảo an toàn cho nhiệm vụ cấp nước hồ chứa Với những hồ chứa có dự báo nguồn nước đến người ta có thể lập điều phối tích nước muộn nhất hoặc là thời gian bất kỳ trong mùa thừa nước

Với công tác điều phối phòng lũ, việc tích lũ và tháo lũ cũng được hoạch định tùy theo hồ chứa có dự báo hoặc không có dự báo nguồn nước Có nhiều công cụ để điều phối hồ chứa nhưng trong thực tế hiện nay người ta thường dùng biểu đồ điều phối để quản lý vận hành nhất là việc tích, tháo nước của hồ chứa dùng phục vụ nông nghiệp, cũng như tích tháo lũ bảo đảm

an toàn cho công trình

2.1.2 Cấu tạo biểu đồ điều phối hồ chứa

Các hồ chứa có chế độ điều tiết khác nhau thì biểu đồ điều phối khác nhau nhưng nguyên tắc chung để xây dựng biểu đồ điều phối là giải các bài toán điều tiết dòng chảy cấp nước và phòng lũ Cấu tạo của biểu đồ điều phối

hồ chứa bao gồm các đường điều phối và các vùng điều phối Với điều phối cấp nước các đường và các vùng điều phối được xác định và sử dụng như sau

- Đường điều phối được định nghĩa là các đường tích và tháo nước của

hồ chứa trong quá trình hoạt động của công trình bao gồm đường điều phối phòng lũ; đường phòng phá hoại và đường hạn chế cấp nước

- Vùng điều phối (khu điều phối) được hiểu đó là các vùng được giới hạn bởi các đường điều phối bao gồm vùng xả lũ bất bình thường; vùng xả lũ bình thường; vùng cấp nước ra tăng; vùng cấp nước bình thường và vùng hạn chế cấp nước

Biểu đồ điều phối xây dựng trên mặt phẳng toạ độ (V,t) các đường cong V=V(t) chia mặt phẳng tọa độ (v,t) ra các vùng xem hình (2.1), với mỗi một vùng đó phản ánh tính chất và khả năng cấp nước hoặc phòng lũ cho hồ chứa, tại một thời điểm vận hành t bất kỳ, trạng thái hồ chứa sẽ rơi vào một vùng nào đó trên biểu đồ, người quản lý sẽ dựa vào đó để ra quyết định về quá trình tích hoặc tháo nước cho hồ chứa

Các thành phần trong biểu đồ điều phối cấp nước với trục hoành là trục thời gian thời đoạn là tháng, trục tung phía bên trái là dung tích được xác định

từ dung tích chết Vc đến dung tích ứng với mực nước dâng bình thường, tức

là phần dung tích hiệu dụng của hồ chứa, phía bên phải là mực nước trong kho nước từ mực nước chết Hc đến cao trình mực nước dâng bình thường

Các đường của biểu đồ điểu phối cấp nước được trình bày trong hình (2.1) dưới đây

Các đường cong phân chia các vùng trên mặt phẳng toạ độ (V,t) có tên gọi như sau:

- Đường (1) gọi là đường hạn chế cấp nước, vì nếu toạ độ (V,t) nằm dưới đường này thì cần hạn chế cấp nước để khỏi gây ra hiện tượng thiếu

nước nghiêm trọng ở những đoạn còn lại của thời kỳ vận hành, tức là chế độ làm việc của kho nước chắc chắn không bị phá hoại

V h

V kh

V (m ) 3

C1 B1 A1

V c

Hình 2.1: Biểu đồ điều phối hồ chứa

Ghi chú:

Vùng F: Vùng xả lũ bất bình thường Đường 3: đường phòng lũ

Vùng E: Vùng xả lũ bình thường Đường 2: Đường Phòng phá hoại Vùng A: Vùng cấp nước gia tăng Đường 1: Đường hạn chế cấp

Vùng B: Vùng cấp nước bình thường

Vùng C: Vùng hạn chế cấp nước

- Đường (2) là đường phòng phá hoại vì chỉ khi nào toạ độ (V1, t1) nằm trên đường này mới cho phép gia tăng cấp nước mà vẫn có thể cấp nước theo lưu lượng thiết kế ở nhừng thời đoạn còn lại của thời kỳ vận hành, tức là chế

độ làm việc của kho nước chắc chắn không bị phá hoại

Biểu đồ điều phối có xét đến việc quản lý vận hành phòng chống lũ thì cấu tạo của biểu đồ có thêm đường điều phối phòng lũ, được xây dựng cho phần dung tích phòng lũ của hồ chứa và nếu như hồ chứa có dung tích phòng

lũ kết hợp thì đường điều phối phòng lũ được xây dựng có phần dung tích hiệu dụng Phần dung tích đó được gọi là dung tích kết hợp

- Với đường (3) gọi là đường điều phối phòng lũ, nó bao gồm 2 đoạn từ

t0 đến tđ và từ đoạn tđ đến tc Đoạn từ t0 đến tc là đoạn nằm ngang HI tương ứng với mực nước trước lũ Zn Trong thời gian này, kho nước phải bỏ trống một dung tích bằng (Vkh+ Vsc) trong đó Vkh là dung tích kết hợp, trong suốt thời gian t0 đến tđ khi mực nước trong kho vựơt mức nước trước lũ, phải lập tức đưa về Ztl để có dung tích bỏ trống đón lũ lớn, đoạn từ tđ đến tc là đường cong điều tiết phòng lũ, tức là đường tích nước vào kho khi có lũ lớn, cho đến điểm tc thì lưu lượng xả sẽ lớn nhất tương ứng với mực nước siêu cao Như vậy đoạn từ tđ đến tc được xác định bằng tính toán điều tiết lũ đối với lũ thiết

kế Điểm tc là điểm kết thúc của thời kỳ trữ lũ, sau đó có thể tích nước theo đường cong (2)

Mặt phẳng toạ độ (V,t) được chia thành 5 vùng A, B, C, E, F với các tính chất tương ứng như sau:

- Vùng B là vùng cấp nước bình thường, tại thời điểm t1 nào đó, dung tích kho nước là V1 tương ứng điểm B1(V1, t) rơi vào vùng B thì kho nước cấp bình thường, tức là kho nước có thể cấp nước ở thời đoạn tiếp theo sau đó bằng lưu lượng thiết kế q = qtk

- Vùng C là vùng hạn chế cấp nước nằm giữa đường (1) và hoành độ Nếu tại thời điểm t1, toạ độ (V1, t1) tương ứng với điểm C1rơi vào vùng C thì thời đoạn tiếp theo đó phải hạn chế cấp nước với lưu lượng nhỏ hơn lưu lượng thiết kế q<qtk nhằm nhanh chóng đưa trạng thái kho nước trở về vùng

B để tình trạng thiếu nước nghiêm trọng không xẩy ra ở nhừng thời đoạn tiếp theo

- Vùng A là vùng cấp nước gia tăng nằm giữa đường (2), đường (3) và đường thẳng ngang với Hsc Tại thời điểm t1 nếu toạ độ (V1t1 ) tương ứng với điểm A1 rơi vào vùng A, kho nước có thể cấp được một lưu lượng lớn hơn lưu lượng thiết kế q>qtk, mà kho nước vẫn có thể cấp nước bình thường cho nhừng giai đoạn còn lại của thời kỳ vận hành

- Vùng E là vùng giới hạn giữa đường cong (3) và đường thẳng ngang tương ứng với mực nước siêu cao Hsc Đây là vùng xả lũ bình thường, giả sử tại thời điểm t2, nếu toạ độ (V2 , t2 ) tương ứng với điểm E2 rơi vào vùng E, thì kho nước phải xả lũ, đưa toạ độ (V2, t2) về đường cong (3) để đảm bảo yêu cầu phòng lũ cho hạ du và an toàn cho công trình kho nước Vì mực nước trong kho vẫn nằm dưới Hsc, nên quá trình xả lũ tiến hành theo trạng thái thiết

kế (qxả= t)tk, bởi vậy gọi là vùng xả lũ bình thường

- Vùng F là vùng giới hạn giữa hai mực nước siêu cao Hsc và mực nước

lũ Hmax , gọi là vùng lũ xả không bình thường, nếu tại t2 toạ độ (V2, t2) tương ứng với điểm F2 nằm trên mực nước siêu cao, bởi vậy quy trình xả lũ thiết kế

bị phá huỷ, cần tìm mọi cách xả lượng lũ chứa trong kho để đưa tọa độ (V2,

ứng với mực nước dâng bình thường Vh (tương ứng từ mực nước chết đến mực nước dâng bình thường của hồ chứa), còn trục hoành là thời gian, bắt đầu

từ thời điểm tích nước và kết thúc vào thời điểm cuối mùa cấp nước Bởi vậy biểu đồ điều phối cho hồ chứa cấp nước có hai đường đó là đường phòng phá hoại, đường hạn chế cấp nước và tương ứng với ba vùng đó là vùng hạn chế cấp nước, vùng cấp nước bình thường, vùng cấp nước gia tăng

2.2.1 Phương pháp xây dựng

Việc xây dựng biểu đồ điều phối cho hồ chứa điều tiết mùa ta phải xây dưng trên cơ sở vẽ đường phòng phá hoại và đường hạn chế cấp nước, đường phòng tháo thừa và đường phòng lũ Trong luận văn chỉ nghiên cứu biểu đồ điều phối cho hồ chứa cấp nước do vậy dưới đây em xin giới thiệu cách xây dựng biểu đồ điều phối bằng việc vẽ đường phòng phá hoại và đường hạn chế cấp nước

Biểu đồ điều phối được xây dựng như như hình (2.1), trong đó đường phòng phá hoại hoại (2) và đường hạn chế cấp nước (1) là giới hạn trên và dưới của vùng cấp nước bình thường B, tức là vùng cấp nước tương ứng với những năm có dòng chảy năm bằng dòng chảy năm thiết kế nhưng dạng phân phối của chúng là không giống nhau Đối với những năm này quy luật tính nước V= V(t) sẽ tương ứng với lưu lượng cấp nước bình thường q=qtk

(t), trong đó qtk

(t) là quá trình cấp nước theo thiết kế Đối với những năm như vậy, nếu tính toán điều tiết theo yêu cầu cấp nước q= qtk

(t), sẽ được tập chung các đường V= V(t) nằm trong giới hạn của đường (1) và (2) Bởi vậy phương pháp vẽ đường phòng phá hoại và đường hạn chế cấp nước được tiến hành theo những bước sau

- Chọn các năm có lượng dòng chảy xấp xỉ hoặc nhỏ hơn lượng dòng chảy năm thiết kế Hiệu chỉnh phân phối của dòng chảy năm đó sao cho tổng

lượng sau khi hiệu chỉnh bằng tổng lượng dòng chảy năm thiết kế Hệ số hiệu chỉnh được xác định theo tỷ lệ

Kc = Wc

Wp Trong đó: Wp ,Wc là lượng dòng chảy năm tương ứng với năm thiết kế

và năm chọn

Phân phối dòng chảy của năm chọn được tính theo công thức

WT = Kc x WCT Trong đó:

WCT là tổng lượng dòng chảy tháng của năm chọn;

WT là tổng lượng dòng chảy tháng tương ứng sau khi đã hiệu chỉnh

- Theo tài liệu dòng chảy năm của những năm đã chọn, sau khi đã hiệu chỉnh tiến hành tính toán điều tiết ngược từ thời điểm cuối cùng của thời kỳ cấp nước (xem hình 2.2), sẽ được đường quá trình tích nước V(t) Trên hình (2.2), tại thời điểm to có V(to) = 0, tại thời điểm t1có:

V(t1) = V(to) + ∆V1Trong đó: ∆V1 = (q - Q )∆t

Với q và Q tương ứng là giá trị bình quân trong thời đoạn ∆t của lưu lượng cấp nước q và lưu lượng đến Q Dung tích V(t1) là dung tích cần có ở thời điểm t1, để cho đến thời điểm to dung tích đạt giá trị V(t) = V(to) = 0 khi kho nước phải cấp nước với lưu lượng thiết kế q

Tương tự như vậy nếu lấy một thời điểm t2 bất kỳ (với t2 > t1 theo chiều ngược lạisẽ có dung tích V(t) = V(t2)

V(t2) = V(t1) + ∆V2

Trong đó: V(t2) là dung tích kho nước cần phải có ở thời điểm t2 để đến thời điểm t1 dung tích kho là V(t1) với lưu lượng cấp nước q Cứ làm như

vậy cho đến khi đạt thời điểm đầu tiên của thời kỳ cấp nước Trong trường hợp khi V(ti) ≥ Vh, tức là dung tích tính toán ở thời điểm ti vượt dung tích hiệu dụng lấy V(ti) = Vh, lượng nước thừa sẽ xả thừa xuống hạ lưu (vì kho đã đầy)

Hình 2.2: Nguyên tắc tính toán điều tiết khi xây dựng biểu đồ điều phối

⇐: Chiều tính toán (ngược chiều thời gian)

Sở dĩ phải tính toán theo chiều ngược từ điểm cuối cùng của thời kỳ cấp nước vì rằng thời gian cuối của thời kỳ thiếu nước là thời kỳ cấp nước khẩn trương, biểu đồ điều phối xây dựng theo cách này sẽ đảm bảo an toàn về mặt cấp nước cho cả thời kỳ cấp nước

- Tương ứng với mỗi một năm, sẽ có một đường tích nước Vj = Vj(t) với j= 1,N; N là số năm đã lựa chọn xác định được nhờ các đường tích và tháo nước đã thực hiện tính toán điều tiết ở bước trên xem trong hình (2.3) Trên

cơ sở của các đường tích tháo nước, vẽ hai đường bao trên và bao dưới của họ đường cong sẽ được vùng cấp nước bình thường B và hai đường phòng phá

hoại (đường bao trên) và đường hạn chế cấp nước (đường bao dưới) Vùng nằm giữa trục hoành và đường bao dưới là vùng cấp nước hạn chế C

2.2.2 Sử dụng biểu đồ điều phối xây dựng chế độ vận hành hồ chứa

Quản lý hồ chứa bao gồm quản lý công trình hồ chứa nước, quản lý nước và quản lý kinh tế Quản lý nước là sự thiết lập một chế độ phân phối nước hợp lý cho hồ chứa Trong quá trình vận hành cần điều khiển hoạt động của hồ chứa sao cho đạt được chế độ làm việc hợp lý đã vạch ra Công việc ấy gọi là điều khiển hồ chứa Khi điều khiển hồ chứa theo chế độ làm việc đã vạch ra, cần thoả mãn các rằng buộc về kỹ thuật, kinh tế và môi trường, trong luận văn này sẽ không đi sâu vào viêc thiết lập các rằng buộc đó mà chỉ giới

thiệu các nguyên tắc điều khiển hồ chứa nước độc lập, với những điều kiện khá đơn giản

Vận hành hồ chứa nước chính là điều khiển hồ chứa nước để đạt mục tiêu đã đặt ra, được tiến hành theo hai phương pháp: phương pháp dùng biểu

đồ điều phối và phương pháp thiết lập quy trình điều khiển khi có sử dụng tài liệu dự báo thuỷ văn Trong luận văn này em nghiên cứu phương thức biểu đồ điều phối xây dựng chế độ vận hành hồ chứa

Trên cơ sở biểu đồ điều phối đã thiết lập người quản lý dựa vào dung tích trong hồ chứa nước tại thời điểm đó để phán đoán và quyết định phương

án cấp nước q ở thời đoạn tiếp theo Lấy ví dụ một hồ chứa nước điều tiết mùa không có nhiệm vụ phòng lũ, có biểu đồ điều phối đã được thiết lập như hình (H.2.1) Giả thiết rằng, tại thời điểm t1, người quản lý cần ra quyết định

về cấp nước Khi đó sẽ sảy ra các tình huống sau đây

(1) Nếu toạ độ điểm (V1, t1) tương ứng với điểm C1 rơi vào vùng hạn chế cấp nước sẽ chứng tỏ là tình trạng thiếu nước có thể sảy ra

Tình trạng thiếu nước có sảy ra hay không còn tuỳ thuộc vào lượng nước đến ở thời điểm sau đó, mà người quản lý chưa biết Tuy nhiên để an toàn người quản lý phải ra quyết định hạn chế cấp nước Tức là lư lượng cấp nước không đạt giá trị thiết kế q < qtk

(2) Nếu toạ độ điểm ( V1, t1) tương ứng với điểm B, rơi vào vùng B là vùng cấp nước bình thường, chứng tỏ hồ chứa nước có khả năng cấp nước theo lưu lượng thiết kế Tất nhiên với quyết định cho hồ chứa nước hoạt động với trạng thái thiết kế vẫn có thế sảy ra tình trạng thừa nước hoặc thiếu nước ở thời đoạn kế tiếp tuỳ thuộc vào lượng nước đến ở thời đoạn sau Khi đó, chế

độ cấp nước sẽ được hiệu chỉnh ở thời đoạn sau tuỳ thuộc vào toạ độ (V2, t2)

(3) Nếu toạ độ ở thời điểm (V1, t1) rơi vào vùng A (điểm A1), chứng tỏ

hồ chứa nước có khả năng cấp nước ra tăng Do đó người quản lý có thể chi

hồ chứa nước hoạt động với lưu lượng cấp nước lớn hơn trị số thiết kế q > qtk Cũng tương tự như hai trường hợp trên, toạ độ (V2,t2) ở thời đoạn tiếp theo nó

có thể rơi vào vùng cấp nước bình thường và do đó quyết định về cấp nước sẽ được hiệu chỉnh ở thời đoạn đó Việc sử dụng biểu đồ điều phối hồ chứa đối với các loại hồ chứa khác cũng được tiến hành một cách tương tự

Cần biết rằng sử dụng biểu đồ điều phối hồ chứa trong điều khiển hồ chứa có những hạn chế sau

- Việc ra quyết định về phương án cấp nước cho thời kỳ tương lai chỉ dựa vào dung tích V(t) tại thời điểm đó là không đủ thông tin Vì rằng dung tích V(t) tại thời điểm đó có thể do hậu quả của sự quyết định sai trong thời đoạn trước đó, và điều tương tự sẽ sảy ra khi quyết định phương án cấp nước cho thời đoạn tiếp theo khi chưa có thông tin về nước đến ở thời đoạn tiếp theo đó

- Đối với hồ chứa nước nằm trong hệ thống bậc thang, việc quyết định phương án dùng nước cho các hồ chứa trong hệ thống bằng biểu đồ điều phối

là không thể được Bởi vì, chế độ làm việc của từng hồ chứa nước có liên quan đến hoạt động của các hồ chứa nước khác trong hệ thống Chính vì vậy không thể thiết lập được biểu đồ điều phối hồ chứa nước cho các hồ chứa nước loại này, hoặc có thiết lập thì cũng rất phức tạp và khó sử dụng trong vận hành Trong những trường hợp như vậy, người ta quản lý cấp nước theo quy trình vận hành có sử dụng tài liệu dự báo thuỷ văn

Một hạn chế trong việc sử dụng biểu đồ điều phối để quản lý vận hành cấp nước cho nông nghiệp ở Việt Nam hiện nay đó là tài liệu dòng chảy đến

hồ chứa rất hạn chế, nhiều trường hợp là hoàn toàn không có Bởi vậy việc xây dựng đường tích và tháo nước của hồ chứa (đường hạn chế cấp nước, đường phòng phá hoại) là rất khó khăn Nhưng với công nghệ của các phương pháp mô hình toán thủy văn cho phép ta có thể khôi phục, kéo dài chuỗi các tài liệu dòng chảy đến thực tế đã xảy ra, ngoài quá trình dòng chảy đến thiết

kế Đây cũng là một trong các vấn đề mà luận văn đề cập đến - ứng dụng mô

hình khôi phục chuỗi dòng chảy đến hồ chứa nhằm hoàn chỉnh một công cụ dùng trong quản lý vận hành hồ chứa phục vụ cấp nước

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TANK KHÔI PHỤC CHUỖI DÒNG CHẢY ĐẾN HỒ CHỨA TRONG XÂY DỰNG ĐƯỜNG TÍCH VÀ THÁO

NƯỚC HỒ CHỨA PHỤC VỤ NÔNG NGHIỆP

3 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH TANK

Một trong các mô hình toán tính dòng chảy từ mưa thường được sử dụng rộng rãi ở nước ta đó là mô hình TANK Mô hình TANK của M.Sugawara ra đời năm 1956 tại Trung tâm Quốc gia về phòng chống lũ lụt Nhật, từ khi ra đời đến nay mô hình đã được hoàn thiện dần và ứng dụng rộng rãi ở nhiều nơi trên thế giới và được công nhận là một trong số những mô hình ứng dụng có kết quả tốt

Mô hình đơn giản nhất là kiểu cột bể TANK đơn mô phỏng lưu vực như là một chuỗi 4 bể chứa trên một cột như hình (3.1)

Mô hình phức tạp hơn là mô hình TANK kép gồm một số cột bể mô phỏng quá trình hình thành dòng chảy trên lưu vực, và các bể mô tả quá trình truyền sóng lũ trong sông

Ưu điểm: Ứng dụng tốt cho lưu vực vừa và nhỏ Khả năng mô phỏng dòng chảy tháng, dòng chảy ngày, dòng chảy lũ

Nhược điểm: có nhiều thông số nhưng không rõ ý nghĩa vật lý nên khó xác định trực tiếp Việc thiết lập cấu trúc và thông số hóa mô hình chỉ có thể thực hiện được sau nhiều lần thử sai, đòi hỏi người sử dụng phải có nhiều kinh nghiệm và am hiểu mô hình

3.1.2 Cấu trúc mô hình

Mô hình TANK đơn mô phỏng lưu vực như là một chuỗi 4 bể chứa xếp chồng nhau như hình (3.1)

HA1 HA2 HA3 XA

D 1 D

CH 2

Hình 3.1: Mô phỏng các bể chứa và cơ chế truyền ẩm của mô hình TANK đơn

Ở mỗi bể chứa có một hoặc một số cửa ra ở thành bên và một cửa ra ở đáy Lượng mưa rơi xuống mặt đất đi vào bể trên cùng (Bể A) Sau khi khấu trừ tổn thất bốc hơi một phần sẽ thấm xuống bể dưới theo chiều ra ở cửa đáy, một phần cung cấp cho dòng chảy trong sông theo các cửa ra thành bên Quan

hệ giữa lượng dòng chảy qua các cửa với lượng ẩm trong các bể là tuyến tính

Y = (X-H)

Yo = α*X Trong đó: β, α Hệ số cửa ra thành bên và đáy

H Độ cao cửa ra thành bên

Theo cấu trúc trên, mô hình TANK mô tả cấu trúc độ ẩm trong các tầng đất lưu vực Lượng dòng chảy hình thành từ các bể A, B, C, D thể hiện đặc tính các dòng chảy mặt (A), dòng chảy sát mặt (B) và dòng chảy ngầm (C, D) Dòng chảy hình thành từ tất cả các bể sau cùng sẽ được truyền qua 1 bể chứa (CH) Bể CH mô tả sự biến dạng dòng chảy do tác dụng điều tiết của lòng sông XCH là lớp nước có sẵn ban đầu trong sông H là độ cao của cửa phía trên; CH1 và CH2 là hai hệ số cửa ra phản ánh khả năng điều tiết của bể CH

Các hệ thức cơ bản của mô hình:

+ Mưa bình quân lưu vực P =

1

1

.

Trong đó: n - Số điểm đo mưa

Xi - Lượng mưa tại điểm mưa thứ i

Wi - Trọng số của điểm đo mưa thứ i

Trong đó: XA - Lượng ẩm trong phần trên bể A

PS - Lượng ẩm bão hoà phần trên bể A

hf - Lượng nước tự do trong bể A EVT - Lượng bốc hơi mặt nước

+ Dòng nước chảy từ bể A: Lượng nước đi vào bể A là mưa (P) Dòng chảy qua các cửa bên (YA1, YA2) và cửa đáy (YAo) được xác định theo công thứ sau:

Hf = XA + P – PS YAo = Hf * Ao

QCH = YA2 + YA1 + YB1+ YC1 + YD1 (XCH+QCH)CH1+(XCH+QCH-H)CH2 Khi (XCH+QCH)>H

YF

3/s) Trong đó:

Q - Lưu lượng mặt cắt cửa ra (m3

/s)

F - Diện tích lưu vực (Km²)

t

∆ - Thời gian (giây) Công thức trên để tính dòng chảy cửa ra tại mặt cắt lưu vực

3.1.3 Phương thức sử dụng mô hình TANK tạo chuỗi dòng chảy đến

Sử dụng mô hình TANK để tạo chuỗi dòng chảy lưu vực được thực hiện bằng các chương trình đã lập sẵn với các mô hình giao diện nhập số liệu, giao diện thử thông số và giao diện kết quả

- Giao diện nhập số liệu: Nhập số liệu trực tiếp từ các bảng của Trung tâm tư liệu KTTV Quốc gia Giao diện nhập số liệu gồm BTV_X nhập số liệu mưa; BTV_Q nhập số liệu lưu lượng bình quân ngày; BTV_Z nhập số liệu bốc hơi ngày hoặc tháng; DATA nhập số liệu từ các giao diện BTV

- Giao diện thử thông số PARAMETERS: kết quả của bước này chính

là sự thay đổi của thông số mô hình

- Giao diện kết quả: trong giao diện này cho ta kết quả khôi phục chuỗi

số liệu OUPUT, bảng lưu lượng ngày Qngay; lưu lượng bình quân tháng Qthang; đường cong duy trì lưu lượng Duytri_Q, đường quá trình lưu lượng Chart

Các giao diện này được thực hiện theo các chương trình tính Trong luận văn sử dụng phần mềm tính toán của Viện Khí tượng thủy văn với các bước thực hiện của chương trình

(1) Sau khi khởi động chương trình ta cần chuẩn bị các số liệu mưa, bốc hơi, dòng chảy thực đo nhập vào các giao diện BTV_ theo khuôn mẫu đã định

(2) Mở giao diện DATA để nhập số liệu từng phần theo Menu, có thể

sử dụng số liệu từ 1, 2 trạm mưa, mỗi trạm mưa ở một cột số liệu, cần xấc

định trọng số của từng trạm mưa Kiểm tra ngẫu nhiên lại xem số liệu đã vào đúng vị trí chưa

(3) Mở giao diện PARAMETERS vào số liệu diện tích và Qng, Qng có thể chọn là số nhỏ nhất trong chuỗi số lưu lượng hoặc theo đường duy trì lưu lượng ( chọn Q90%~Q95% )

Chọn một bộ thông số nào đó đã có, Nháy chuột vào “Tối ưu thông số” trên thực đơn, chương trình sẽ tự động thử sai thông số, tự đông tìm lời giải trong miền tối ưu, kết quả hiển thị ở chỉ tiêu tổng hợp Co, nếu đạt yêu cầu ta chuyển sang bước sau

(4) Mở giao diện OUPUT, nháy chuột vào “tính toán dòng chảy” trên thực đơn Kết quả thể hiện các chỉ tiêu khác như sai số đỉnh, sai số lượng và

hệ số dòng chảy năm trung bình nhiều năm, Mo v.v

Mở giao diện Chart để xem hình vẽ, từ đó ta có hướng điều chỉnh: nếu thấy hệ số dòng chảy lớn ta có thể tăng hệ số hiệu chỉnh mưa; nếu thấy sai số đỉnh, sai số lượng lớn ta hiệu chỉnh cho nhỏ đi

Hiệu chỉnh bằng cách chạy lại “Tối ưu thông số” trên thực đơn hay bằng tay, nếu vừa “Tối ưu thông số” thì hiệu chỉnh bằng tay sẽ cho kết quả ngay trên chỉ tiêu tổng hợp Nếu thử thông số đã đạt ta có thể chạy thử cho một vài năm khác để kiểm tra kết quả kiểm định

Luận văn đã xác định được bộ thông số của mô hình TANK dùng để tính toán tạo chuỗi dòng chảy lưu vực các hồ Vân Trục, Bò Lạc, Suối Sải như trong bảng (3.1)

- Bổ sung, kéo dài chuỗi dòng chảy bằng mô hình

Nếu bổ sung và kéo dài chuỗi số liệu cần chuẩn bị số liệu mưa, bốc hơi, nháy chuột vào “tính toán dòng chảy” trên Menu Chương trình có phần bảo lưu kết quả thực đo nếu ta có khai báo

Mở giao diện Qngay, nhập các yêu cầu về Năm bắt đầu, năm kết thúc chuỗi số liệu

Nháy chuột vào Bieu Qngay trên thanh Menu sẽ được các bảng tính lưu lượng bình quân ngàyQngay theo mẫu

Nháy chuột vào Bieu Qthang trên thanh Menu sẽ được các bảng tính lưu lượng bình quân thang theo mẫu

Bảng 3.1: Bộ thông số mô hình hiệu chỉnh

1 Bể A Ngưỡng cửa đáy HA0 = 1,231 mm 0,0 60,0

2 Hệ số cửa đáy CA0 = 0,735

9 Tham số hàm truyền Nash kA = 0,010

16 Tham số hàm truyền Nash kB = 1,078

23 Tham số hàm truyền Nash kC = 0,021

3.2 X ÁC ĐỊNH CHUỖI DÒNG CHẢY ĐẾN HỒ CHỨA VÂN TRỤC, BÒ LẠC, SUỐI SẢI

Mô hình TANK có rất nhiều phiên bản, trong Luận văn này em sử dụng

mô hình L-TANK để tạo chuỗi dòng chảy lưu vực hệ thống hồ Vân Trục, Bò Lạc, Suối Sải từ tài liệu mưa và bốc hơi trạm Vĩnh Yên (1967-2008)

Lưu vực hệ thống hồ Vân Trục, Bò Lạc, Suối Sải không có tài liệu quan trắc thuỷ văn; vì vậy khi tính toán các đặc trưng thiết kế cho lưu vực này dùng phương pháp lưu vực tương tự và phương pháp mô hình toán, với lưu vực tương tự là lưu vực Ngọc Thanh Để tính lưu lượng dòng chảy chuẩn của

các lưu vực các hồ, mượn trực tiếp Môdun dòng chảy chuẩn của lưu vực Ngọc Thanh (M0

TL l/s.km2)

Trong phạm vi luận văn chọn trạm Ngọc Thanh có diện tích lưu vực 19,5 km2 làm lưu vực tương tự vì các lưu vực hồ Vân Trục, Bò Lạc, Suối Sải

và trạm Ngọc Thanh có cùng điều kiện hình thành dòng chảy và chênh lệch diện tích là nhỏ, với số năm quan trắc của trạm Ngọc Thanh là 15 năm (1967-1981)

3.2.1 Giới thiệu các hồ chứa nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xác định dòng chảy các hồ chứa Vân Trục, Bò Lạc, Suối Sải Các lưu vực này nằm trong vùng địa lý thủy văn phía Bắc tỉnh Vĩnh Phúc Một vài đặc điểm về lưu vực tập trung nước của các

hồ lựa chọn nghiên cứu

1 Hồ Vân Trục

- Hồ Vân Trục có vị trí nằm trên suối Thác Bay thuộc địa bàn xã Vân Trục, huyện Lập Thạch được xây dựng từ năm 1966 đến năm 1969 hoàn thành đưa vào sử dụng, với diện tích lưu vực 19,2 km2, dung tích hữu ích là 7,6 triệu m3 Hồ có nhiệm vụ tưới cho 1.435 ha đất canh tác của các xã Vân Trục, Xuân Hòa, thị trấn Lập Thạch, Tử Du, Bàn Giản, Xuân Lôi, Đồng Thịnh, Như Thụy, Yên Thạch, Tân Lập

- Hệ thống công trình đầu mối bao gồm: tuyến đập đất dài 520 m, mặt đập được bê tông hóa với chiều rộng 5m, cao trình đỉnh đập +42,5m; tràn xả

lũ được thiết kế kiểu tràn tự do rộng 20m, cao trình đỉnh tràn +40,15m; Cống lấy nước là cống tròn có đường kình Φ=1,2m, cao trình đáy cống +32,0m; hồ

có dung tích chết 0,6 triệu m3 ở cao trình +33,0m, dung tích hữu ích 7,6 triệu

m3ở cao trình +42,15m, dung tích siêu cao 10,38 triệu m3ở cao trình +41,0m

- Đặc trưng địa hình lòng hồ Vân Trục (Z~F~V) xem như bảng (3.2) dưới đây

Bảng 3.2: Đặc trưng địa hình lòng hồ Vân Trục (Z-F-V)

- Hệ thống công trình đầu mối bao gồm: tuyến đập đất dài 380 m, cao trình đỉnh đập +54,2m; tràn xả lũ được thiết kế kiểu tràn tự do rộng 39m, cao trình đỉnh tràn +51,1m; Cống lấy nước là cống chữ nhật có kích thước dài x rộng = 1,0x1,0m, cao trình đáy cống +37,0m; hồ có dung tích chết 0,05 triệu

m3 ở cao trình +37,0m, dung tích hữu ích 2,55 triệu m3 ở cao trình +51,0m, dung tích siêu cao 3,0 triệu m3ở cao trình +52,0m

- Đặc trưng địa hình lòng hồ Bò Lạc (Z~F~V) xem như bảng (3.3) dưới đây

- Hệ thống công trình đầu mối bao gồm: tuyến đập đất dài 330 m, cao trình đỉnh đập +63,0; tràn xả lũ được thiết kế kiểu tràn tự do rộng 41m, cao trình đỉnh tràn +60,4m; Cống lấy nước là cống chữ nhật có kích thước dài x rộng = 1,0x1,0m, cao trình đáy cống +43,0m; hồ có dung tích chết 0,02 triệu

m3 ở cao trình +43,0m, dung tích hữu ích 3,0 triệu m3 ở cao trình +60,4m, dung tích siêu cao 3,0 triệu m3 ở cao trình +61,0m

- Đặc trưng địa hình lòng hồ Suối Sải (Z~F~V) xem như bảng (3.4) dưới đây

Bảng 3.4: Đặc trưng địa hình lòng hồ Suối Sải (Z-F-V)

Bước 1: Chọn lưu vực Ngọc Thanh làm lưu vực tương tự

Bước 2: Sử dụng chuỗi số liệu lưu lượng ngày của lưu vực Ngọc Thanh

từ năm 1967 đến năm 1981, lượng mưa ngày và lượng bốc hơi tháng của trạm Vĩnh Yên từ năm 1967 đến năm 2008

Bước 3: Dùng chuỗi số liệu lưu lượng ngày của lưu vực Ngọc Thanh Ngọc Thanh từ năm 1967 đến năm 1974, lượng mưa ngày và lượng bốc hơi tháng của trạm Vĩnh Yên từ năm 1967 đến năm 1974 để hiệu chỉnh mô hình,

ta xác định được bộ thông số của lưu vực Ngọc Thanh như bảng (3.1)

Bước 4: Sau khi hiệu chỉnh mô hình tìm được bộ thông số, tiếp tục sử dụng chuỗi dòng chảy của lưu vực Ngọc Thanh Ngọc Thanh từ năm 1975 đến năm 1981, lượng mưa ngày và lượng bốc hơi tháng của trạm Vĩnh Yên từ năm 1975 đến năm 1981 để kiểm định mô hình Kết quả của bước kiểm định này thu được các chỉ tiêu cơ bản như sau:

Chỉ tiêu tổng hợp: C0 = 81,3%