Khóa luận tốt nghiệp đại học: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE 11 MÔ PHỎNG XÂM NHẬP MẶN HẠ LƯU HỆ THỐNG SÔNG LAM (Bản Word)

Trong thời gian thực hiện khóa luận tốt nghiệp, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS.Trần Ngọc Anh và sự nỗ lực của bản thân, em còn nhận được sự giúp đỡ rất nhiệt tình của các thầy, cô giáo trong bộ môn Thủy văn, các anh chị khóa trên, đặc biệt là Th.s Đặng Đình Đức cũng như các bạn cùng học. Em cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình đã luôn ủng hộ và động viên em trong suốt quá trình thực hiên khóa luận. Do thời gian và kiến thức của em có hạn, nên khóa luận không tránh khỏi những sai sót, hạn chế. Em rất mong nhận được sự chỉ bảo và góp ý tận tình của các thầy cô và các bạn. Em xin chân thành cảm ơn!

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE 11

MÔ PHỎNG XÂM NHẬP MẶN

HẠ LƯU HỆ THỐNG SÔNG LAM

Khóa luận tốt nghiệp đại học hệ chính quy

Ngành Thủy Văn học

Hà Nội - 2013

1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ HẢI DƯƠNG HỌC

Phan Thị Ghi

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE 11

MÔ PHỎNG XÂM NHẬP MẶN

HẠ LƯU HỆ THỐNG SÔNG LAM

Khóa luận tốt nghiệp đại học hệ chính quy

Ngành Thủy Văn học

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Trần Ngọc Anh

Hà Nội - 2013

2

tới gia đình đã luôn ủng hộ và động viên em trong suốt quá trình thực hiên khóa luận Do thời gian và kiến thức của em có hạn, nên khóa luận không tránh khỏi những sai sót, hạn chế Em rất mong nhận được sự chỉ bảo và góp ý tận tình của các thầy cô và các bạn Em xin chân thành cảm ơn!

3

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 5

Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU VÀ TÌNH HÌNH XÂM NHẬP MĂN 6

1.1 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN 6

1.1.1 Vị trí địa lý 6

1.1.2 Đặc điểm địa hình, địa mạo 6

1.1.3 Cấu tạo địa chất và thổ nhưỡng 8

1.1.4 Lớp phủ thực vật 9

1.1.5 Khí hậu 9

1.1.6 Mạng lưới sông suối lưu vực sông Lam 11

1.1.7 Tình hình số liệu thu thập 12

1.2 ĐẶC ĐIỂM KINH TẾ XÃ HỘI 14

1.2.1 Dân cư 14

1.2.2 Cơ cấu kinh tế 15

1.2.3 Nông - Lâm - Ngư nghiệp 16

1.3 TÌNH HÌNH XÂM NHẬP MẶN 17

1.3.1 Thủy triều 17

1.3.2 Xâm nhập mặn 20

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH MIKE 11 22

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG 22

2.2 MÔ ĐUN HD 23

2.3 MÔ ĐUN AD 31

2.3.1 Phương trình khuếch tán 31

2.3.2 Phương pháp giải phương trình truyền tải khuếch tán 33

Chương 3 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE 11 TÍNH TOÁN XÂM NHẬP MẶN KHU VỰC HẠ LƯU SÔNG LAM 35

3.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 35

3.2 CHUẨN BỊ SỐ LIỆU ĐẦU VÀO MÔ HÌNH MIKE 11 35

3.2.1 Tài liệu địa hình 36

3.2.2 Tài liệu thủy văn 36

3.3 THIẾT LẬP MÔ HÌNH 37

3.3.1 Thiết lập mạng thủy lực 37

3.3.2 Điều kiện ban đầu và điều kiện biên 38

3.4 HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH 39

3.4.1 Hiệu chỉnh và kiểm định mô đun HD 39

3.4.2 Hiệu chỉnh và kiểm định mô đun AD 46

3.4.3 Kết luận 49

3.5 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH VÀO TÍNH TOÁN XÂM NHẬP MẶN 49

3.5.1 Tác động của biến đổi khí hậu và dự báo của IPCC 49

3.5.2 Tính toán xâm nhập mặn theo kịch bản 52

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

4

Bảng 5 Mực nước triều nhỏ nhất trung bình tháng 19

Bảng 6 Khả năng xuất hiện Hmin vào các tháng 19

Bảng 7 Chênh lệch mực nước lớn nhất của các đặc trưng mực nước triều trong nhiều năm tại Cửa Hội 20

Bảng 8 Nước biển dâng theo kịch bản phát thải thấp (cm) 50

Bảng 9 Nước biển dâng theo kịch bản phát thải trung bình (cm) 50

Bảng 10 Nước biển dâng theo kịch bản phát thải cao (cm) 51

Bảng 11 Bảng tóm tắt ranh giới mặn theo các kịch bản 57

5

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 Bản đồ lưu vực sông Lam (sông Cả) 6

Hình 2 Biểu đồ cơ cấu kinh tế tỉnh Nghệ An 15

Hình 3 Biểu đồ cơ cấu nông nghiệp tỉnh Nghệ An 15

Hình 4a Sơ đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott 25

Hình 4b Sơ đồ sai phân 6 điểm ẩn Abbott trong mặt phẳng x~t 25

Hình 5 Nhánh sông với các điểm lưới xen kẽ 25

Hình 7 Sơ đồ sai phân 32

Hình 8 Sơ đồ rút gọn mạng lưới tính toán thủy lực hạ lưu sông Lam 36

Hình 9 Sơ đồ mạng lưới tính toán thủy lực hạ lưu sông Lam 37

Hình 10 So sánh mực nước thực đo và tính toán tại Chợ Tràng (2/2 - 31/3/2006) 40 Hình 11 So sánh mực nước thực đo và tính toán tại Linh Cảm (2/2 - 31/3/2006) .41 Hình 12 Tương quan giữa mực nước tính toán và thực đo tại các ốp có tài liệu thực đo tại Bến Thủy (2/2 - 31/3/2006) 42

Hình 13 So sánh mực nước thực đo và tính toán tại Chợ Tràng (2/2 - 31/3/2007) 43 Hình 14 So sánh mực nước thực đo và tính toán tại Linh Cảm (2/2 - 31/3/2007) .44 Hình 15 Tương quan giữa mực nước tính toán và thực đo tại các ốp có tài liệu thực đo tại Bến Thủy (2/2 - 31/3/2007) 45

Hình 16 So sánh độ mặn thực đo và tính toán tại Bến Thủy (2/2-31/3/2006) 47

Hình 17 Dự báo sự dâng mực nước biển trung bình tùy theo các kịch bản phát triển kinh tế và công nghệ khác nhau 50

Hình 18 Đường quá trình độ mặn lớn nhất dọc sông Cả kịch bản 1 51

Hình 19 Đường quá trình độ mặn lớn nhất dọc sông Lam kịch bản 2 52

Hình 20 Đường quá trình độ mặn lớn nhất dọc sông Lam kịch bản 3 53

Hình 21 Đường quá trình độ mặn lớn nhất dọc sông Ngàn Sâu kịch bản 3 53

Hình 22 Bản đồ ranh giới mặn theo kịch bản 1 54

Hình 24 Bản đồ ranh giới mặn theo kịch bản 2 55

6

gây nên hiện tượng xâm nhập mặn Tình hình xâm nhập mặn ở các vùng cửa sông luôn biến động tương đối phức tạp theo không gian và thời gian, ảnh hưởng lớn tới nhiều lĩnh vực như: nông nghiệp, giao thông vận tải, nuôi trồng thủy sản, sinh hoạt… Bởi vậy, muốn triệt để khai thác mặt lợi, hạn chế mặt hại do xâm nhập mặn gây ra cần phải đánh giá đúng đắn quy luật diễn biến theo không gian và thời gian của nó Chính vì vậy công tác tìm hiểu, nghiên cứu và tính toán xâm nhập mặn các vùng cửa sông luôn có nhu cầu cấp thiết và ý nghĩa thực tiễn cao.

Sông Lam (hay sông Cả) là một trong 2 sông lớn nhất ở Bắc Trung Bộ Việt Nam Với tổng diện tích lưu vực 27.200km2, sông bắt nguồn từ vùng Nậm Cắn (Lào) Phần chính của dòng sông chảy qua tỉnh Nghệ An, phần cuối của sông Cả hợp lưu với sông La từ Hà Tĩnh, tạo thành biên giới giữa Nghệ An và Hà Tĩnh đổ ra biển tại Cửa Hội Khu vực vùng Cửa Hội thường xuyên chịu sự tàn phá và đe dọa của các thiên tai như lũ lụt, hạn hán, xâm nhập mặn… Khóa luận với đề tài: “Ứng dụng mô hình Mike 11 mô phỏng xâm nhập mặn khu vực hạ lưu sông Lam” được thực hiện để mô phỏng và đánh giá quy luật diễn biến theo không gian xâm nhập mặn hạ lưu hệ thống sông Lam phục vụ quy hoạch và phát triển kinh tế xã hội trên khu vực

Khóa luận được bố cục thành 3 chương (không kể mở đầu và kết luận)

Chương 1: Giới thiệu chung về khu vực nghiên cứu và tình hình xâm nhập mặn.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết mô hình Mike 11

Chương 3: Ứng dụng mô hình vào mô phỏng xâm nhập mặn

7

Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU

1.1.2 Đặc điểm địa hình, địa mạo

Địa hình trên lưu vực nổi bật là địa hình núi thấp và đồi, địa hình đồng bằng chỉ chiếm 13% diện tích toàn lưu vực Địa hình thấp dần từ Tây Bắc xuống Đông Nam và Tây Nam lên Đông Bắc Độ cao bình quân toàn lưu vực khoảng 294 m Đặc điểm địa hình như vậy đã ảnh hưởng trực tiếp tới khí hậu và hình thái sông suối toàn lưu vực sông Cả Khu vực thượng nguồn sông nhánh Nậm Mô và sông Hiếu có địa hình cao trung bình 780 m còn vùng trung lưu có độ cao trung bình khoảng 300 m.

Đặc biệt, tại những đỉnh núi nằm trên đường phân lưu có đỉnh Pu – Lai Leng (thuộc huyện Kỳ Sơn – Nghệ An) cao khoảng 2711 m, và phía Tây Nam có dãy núi Rào Cỏ cao khoảng 2265 m, đỉnh Pusan cao 2218 m, dãy Pou – Hoat, thuộc huyện Quế Phong - tỉnh Nghệ An cao 2452m, về hạ lưu địa hình thấp dần.[2]

-8

Lưu vực sông Cả phát triển theo hướng Tây Bắc – Đông Nam, nghiêng dần

ra biển Toàn bộ vùng thượng nguồn trên đất Lào có độ cao bình quân trên 1.000 m.

Ở địa phận Việt Nam hơn 80% diện tích là đồi núi Diện tích đất có độ dốc thoả mãn cho yêu cầu phát triên nông nghiệp chỉ chiếm 19% toàn vùng và 14% toàn lưu vực Dãy núi Pou – Hoat ở thượng nguồn sông Hiếu có đỉnh cao 2452m, thượng nguồn sông Giăng, sông La là các dãy núi Trường Sơn có độ cao trên 2.00 m, càng gần về phía Nam và Tây nam núi đồi thấp dần xuống độ cao 1300 - 1800m, đến vùng núi đồi Hà Tĩnh độ cao giảm còn 400 - 600m Dải Trường Sơn và các dãy núi cao của 6 huyện miền núi Nghệ An đã hình thành một bức trường thành ngăn gió biển thổi vào đất Lào tạo nên sự khác biệt về chế độ khí hậu của hai nước.[2]

9

Ở thượng lưu, lòng sông hẹp, hai bên bờ sông núi cao và dốc, phần nhiều là vách núi dựng đứng, có nhiều thác ghềnh Đoạn Nậm Nơn chảy dọc theo biên giới Việt – Lào theo hướng Tây – Đông Đoạn từ biên giới Việt – Lào đến Cửa Rào, sông khá thẳng, dài khoảng 102 km có hướng Tây Bắc – Đông Nam là chủ yếu, độ dốc đáy sông khoảng 30/00 lòng sông có nhiều thác ghềnh; chỉ kể đoạn trên Cửa Rào

đã có tới 117 cái thác Đến gần Cửa Rào, thung lũng sông mở rộng, nhiều bồn địa,

đó là khu vực Đệ Tam cũ Từ Cửa Rào trở xuống đến Con Cuông, lòng sông Cả khá sâu, độ dốc nhỏ, trung bình 0.4‰ Trong mùa lũ, tàu nhỏ có thể ngược sông Cả đến cửa Rào.

Trung lưu sông Cả kể từ trên Con Cuông tới dưới Anh Sơn, thung lũng sông

mở rộng rõ rệt Độ dốc đáy sông giảm xuống dưới 1‰ (khoảng 0.6 - 0.7‰) phía dưới Con Cuông có sông Hiếu là phụ lưu lớn nhất bên bờ trái và đã bổ sung cho sông Cả một lượng nước đáng kể Trên đoạn Cửa Rào – Đô Lương có khoảng 74 cái thác Hạ lưu sông Cả có thể kể từ Anh Sơn hoặc cụ thể hơn là từ Đô Lương trở xuống Tại đây sông Cả chảy trong một vùng đồng bằng mài mòn bồi tụ xen kẽ và cuối cùng là đồng bằng tam giác châu sông Cả Lòng sông mở rộng và uốn khúc quanh co, hệ số uốn khúc lớn Đoạn từ Đô Lương đến Nam Đàn lòng sông có hiện tượng bồi xói mãnh liệt và uốn khúc mạnh Dòng chính sông Cả giữ được hướng Tây Bắc – Đông Nam cho tới Chợ Tràng và Trung Lương, tại đây nhận phụ lưu lớn nhất ở bờ phải là sông La, kể từ đoạn này gọi là sông Lam Sau đó, sông chuyển hướng lên Đông Bắc (do có núi Hồng Lĩnh án ngữ) và đổ ra biển ở Cửa Hội.[2]

1.1.3 Cấu tạo địa chất và thổ nhưỡng

Điều kiện địa chất, thổ nhưỡng có vai trò quan trọng trong việc hình thành dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm của lưu vực cũng như có ảnh hưởng lớn tới sự xói mòn bề mặt của lưu vực Nền địa chất, thổ nhưỡng của lưu vực được cấu tạo chủ yếu bởi đất Feralit, diệp thạch và đá vôi phát triển trên các nhóm đá Granit, Riônit, cuội kết sét, [2]

Vùng miền núi của lưu vực sông Cả chủ yếu là loại đất tơi xốp, sa thạch kết tinh, sa thạch bị ép và đất pha cát.

Vùng đồng bằng có 2 phức hệ trầm tích cơ bản là sạn – cát lòng sông và bột sét bãi bồi liên quan đến dịch chuyển 2 hướng của dòng sông: dịch chuyển ngang tạo uốn khúc, dịch chuyển thẳng đứng do sụt lún kiến tạo và đền bù trầm tích.

10

rừng kín hỗn hợp cây lá kim

Trên những vùng núi cao lượng mưa lớn, thực vật phát triển rất mạnh Vùng núi phía Bắc và phía Tây của lưu vực, thảm thực vật rất phong phú và có nhiều loại cây gỗ quý Tổng trữ lượng gỗ còn khoảng 40 triệu m3 cây trồng cũng như cây tự nhiên phát triển mang lại năng suất cao Chính nhờ các thảm thực vật phong phú và phát triển mạnh làm giảm dòng chảy mặt, hạn chế xói mòn, làm giảm cường độ của các dòng lũ, điều hoà dòng chảy trên lưu vực.[2]

1.1.5 Khí hậu

Khí hậu của lưu vực là khí hậu nhiệt đới gió mùa, có mùa đông lạnh với các

loại gió mùa Đông Bắc, gió mùa Tây Nam và đặc biệt là gió Tây khô nóng Khí hậu

nhiệt đới thể hiện ở chỗ mỗi năm có 2 lần mặt trời đi qua thiên đỉnh, cường độ bức

xạ mặt trời lớn, cán cân bức xạ dương nên dù có sự xâm nhập của không khí lạnh cực đới trong mùa đông thì nhiệt độ bình quân năm vẫn lớn hơn 230C.[2]

Khu vực Nghệ An có vĩ độ địa lý thấp so với các tỉnh phía Bắc nên có mùa đông ngắn và có mùa hè kéo dài Do ở vĩ độ thấp, độ cao mặt trời ở đây quanh năm đều cao, thời gian chiếu sáng giữa các mùa trong năm chênh lệch không lớn lắm Vì vậy, trên lãnh thổ đều nhận được một nguồn nhiệt lượng mặt trời to lớn và khô như

ở Bắc Bộ Điều đó, đã khiến cho khu vực này có một mùa đông ngắn hơn và ít lạnh hơn so với các tỉnh phía Bắc, nhưng lại ẩm hơn các tỉnh phía Bắc rất nhiều.

Ảnh hưởng của vĩ độ thấp còn thể hiện ở chỗ mùa hè đến sớm hơn và kết thúc sớm hơn các tỉnh phía Bắc Tương tự như vậy, mùa mưa đến muộn hơn so với các tỉnh phía Bắc Đặc điểm khí hậu nhiệt đới gió mùa cũng có thể là đặc điểm chung của nhiều vùng trên thế giới, nhưng cái đặc sắc của gió mùa sông Cả là việc xuất hiện một mùa đông lạnh.

11

Dãy Trường Sơn án ngữ phía Tây và bờ biển phía Đông là nhân tố gây những dị biệt về thời tiết khí hậu, vừa là nhân tố có tác dụng điều hoà khí hậu Dãy Trường Sơn với hướng chung là Tây Bắc – Đông Nam, đến phía Nam lại có một nhánh đâm ngang ra biển (dãy Hoành Sơn) nên đã gây ra một số hậu quả khí hậu theo từng mùa.[2]

Các hiện tượng bão, lụt, úng, hạn, gió Lào, giông tố, mưa đá đều xảy ra ở Nghệ An và Hà Tĩnh Với lãnh thổ rộng, Nghệ An có những vùng khí hậu vào loại tiêu biểu của miền Bắc Nếu từ Bắc vào Nam hoặc từ Tây sang Đông ta thấy trong khi Quỳ Hợp, Quỳ Châu, Tương Dương, Quỳnh Lưu tháng VI đã bước vào thời kì khô ráo thì ở các huyện phía Nam và Phía Đông lại có mưa rơi tầm tã Còn trong những tháng chính Đông, khi đồng bằng ven biển đang bị gió bấc mưa phùn thì các huyện vùng núi và trung du thời tiết lại sáng không có mưa phùn Lượng mưa hàng tháng chỉ đạt 10 – 30mm, tức là chỉ bằng 1/3-1/2 vùng đồng bằng Đặc biệt, Mường Xén là nơi có lượng mưa nhỏ, là một trong nhưng vùng khô hạn của Việt Nam.

 Bức xạ mặt trời: Lưu vực sông Cả được coi là có tiềm năng bức xạ dồi dào, đó là nguồn năng lượng quan trọng cung cấp cho các quá trình tự nhiên trên mặt đất Sự phân bố bức xạ theo mùa khá rõ rệt, từ tháng V đến tháng IX có lượng bức xạ mặt trời trên 10 Kcal/cm2, thông thường tháng VII đạt trị số cao nhất: 35,1 Kcal/cm2 Từ tháng I đến tháng II lượng bức xạ nhỏ hơn, tháng II trời nhiều mây, bức xạ tổng cộng thấp nhất trong năm: 3,7 Kcal/cm2.

 Độ ẩm trung bình trong lưu vực sông Cả rất cao - khoảng 84 – 86%, riêng Tương Dương là 81% Độ ẩm không khí liên quan chặt chẽ đến nhiệt độ và lượng mưa, nơi có nhiệt độ cao thì độ ẩm thấp và nơi có nhiều mưa thì độ ẩm cao hơn Độ ẩm thấp nhất vào mùa gió Tây khô nóng Tháng VII, gió Tây khô nóng hoạt động mạnh nên độ ẩm trung bình chỉ đạt 70,5%.

 Mưa trên lưu vực sông Lam chủ yếu do bão, áp thấp nhiệt đới, không khí lạnh, dải hội tụ nhiệt đới gây nên Lượng mưa trên lưu vực phân bố không đồng đều theo không gian và thời gian, lượng mưa trung bình từ 1200 – 2000 mm/năm Trên lưu vực trong các tháng V đến tháng VII có mưa lũ tiểu mãn do gió mùa Tây Nam Sau đó khu vực này lại xảy ra dạng thời tiết khô nóng do gió Tây thổi sang Mùa mưa kéo dài và lệch về Thu – Đông, từ tháng VIII đến tháng XI, thể hiện rõ rệt nhất ảnh hưởng của địa hình và vị trí của lưu vực Mùa hạ có gió Lào khô nóng, hình thành một thời kì ít mưa vào tháng VI đến tháng VII Cuối mùa khô, khoảng tháng V có mưa tiểu mãn khá lớn liên quan với sự xuất hiện đường hội tụ theo kinh

12

Trong lãnh thổ nước ta, tính đến trạm Dừa, hệ thống sông Cả có 24 nhánh cấp I, 41 nhánh cấp II và 13 nhánh cấp III Có một số nhánh tương đối lớn như: Nậm Mô, Nậm Nơn, Khe Choang, sông Hiếu

Mật độ sông suối trung bình của sông Cả từ 0.60-0.70km/km2 thuộc cấp mật

độ sông suối tương đối dày của miền Bắc Trung Bộ Phù hợp với phân bố mưa và địa hình, những vùng ít mưa ở dưới thung lũng thấp, mật độ sông suối cũng thưa nhất, chỉ khoảng 0.5km/km2 Ngược lại những vùng núi cao, mưa nhiều thì mật độ sông suối phát triển dày, từ 1 – 1.26km/km2.

Sông Hiếu là nhánh sông lớn nhất ở bờ trái với diện tích lưu vực 5340km2, dài 228 km, bắt nguồn từ vùng núi Pou-Hoat ở biên giới Việt Lào, đổ vào sông Cả tại Anh Sơn.

Sông La là nhánh lớn nhất ở phía hữu ngạn Sông La do 2 sông Ngàn Phố và Ngàn Sâu tạo thành; trung và thượng nguồn sông La thường được gọi là sông Ngàn Sâu Sông này bắt nguồn từ vùng núi Giai ở sườn phía đông dãy Trường Sơn Bắc, chảy theo hướng Đông Nam – Tây Bắc, tiếp nhận thêm sông Ngàn Phố tại ngã ba Linh Cảm, rồi đổ vào sông Cả tại Chợ Tràng Sông La có diện tích lưu vực 3210km2

Dòng chảy năm trên lưu vực sông Cả khá dồi dào với lượng mưa trung bình năm toàn lưu vực là 1.800mm tổng lượng nước trung bình nhiều năm trên toàn lưu vực là 23,5.109m3, tương ứng với lưu lượng trung bình nhiều năm là 745m3/s, mô đun dòng chảy 27,4 l/s.km2 Hệ số dòng chảy  = 0,48 Trên dòng chính sông Cả tại Yên Thượng có Flv = 23.000km2, dòng chảy năm trung bình đạt 16.109m3, Qo = 199m3/s, Mo = 62,1 l/s.km2.

Cũng như các nơi khác ở nước ta, dòng chảy sông suối trong lưu vực sông

Cả không những phân bố không đều trong khu vực mà còn phân bố rất không đều

13

trong năm Hàng năm, dòng chảy sông suối biến đổi theo mùa rõ rệt: mùa lũ và mùa cạn Thời gian bắt đầu, kết thúc các mùa dòng chảy không cố định hàng năm mà có

xê dịch giữa các năm từ một đến vài tháng.

Thượng nguồn sông Cả thời gian mùa lũ bắt đầu từ tháng VI và kết thúc vào tháng X, càng về hạ du thời gian mùa lũ chậm hơn bắt đầu từ tháng VII kết thúc vào tháng XI Vùng lưu vực sông Ngàn Phố, Ngàn Sâu mùa lũ rút ngắn lại chỉ còn 3 tháng, bắt đầu từ tháng IX kết thúc vào tháng XI Trên dòng chính sông Cả lượng nước mùa lũ chiếm 70 – 75% lượng nước năm, mùa cạn từ 25 – 30% lượng nước năm Trên các sông suối vừa và nhỏ, lượng nước mùa lũ biến đổi 65 – 70% lượng nước năm, còn lại là mùa kiệt Hai tháng có lượng nước lớn nhất IX, X có tổng lượng nước chiếm 40% tổng lượng nước năm Tháng III trên dòng chính sông Cả, sông Hiếu có lượng nước trung bình nhỏ nhất Tháng IV trên hệ thống sông La có lượng dòng chảy nhỏ nhất năm.[2, 4, 5]

1.1.7 Tình hình số liệu thu thập

Căn cứ vào yêu cầu số liệu của đề tài, Khóa luận đã tiến hành thu thập tài liệu thủy văn của các trạm đại biểu trên khu vực nghiên cứu, tài liệu thu thập gồm 8 trạm, 3 trạm lưu lượng (ngày): Yên Thượng, Hòa Duyệt và Sơn Diệm; 4 trạm mực nước (giờ) là Chợ Tràng, Linh Cảm, Bến Thủy và Cửa Hội, 1 trạm đo mặn (giờ): Bến Thủy Tình hình số liệu đã thu thập được thống kê trong bảng (1).

14

4 Bến Thủy S.Lam 105˚41’40

2/2-31/3/2006 1/2-31/3/2007 2

Không liên tục

5 Cửa Hội S.Lam 105˚46’18

2/2-31/3/2006 1/2-31/3/2007 2 1 tiếng/lần

2/2-31/3/2006 1/2-31/3/2007 2 1 tiếng/lần

2/2-31/3/2006 1/2-31/3/2007 2 1 tiếng/lần

1.2 ĐẶC ĐIỂM KINH TẾ XÃ HỘI

1.2.1 Dân cư

Lưu vực sông Cả có diện tích tự nhiên 27.200km², trong đó Việt Nam chiếm

17.730km² (16.487 km² tỉnh Nghệ An, 1.243km² tỉnh Hà Tĩnh) diện tích toàn bộ lưu

vực, chiếm khoảng 5,4% diện tích tự nhiên của cả nước.[7]

Khu vực nghiên cứu (hạ lưu sông Lam) gồm: Nghệ An (Huyện Nam Đàn,

Huyện Hưng Nguyên, Huyện Nghi Lộc, TP.Vinh, Tx.Cửa Lò), và Hà Tĩnh (Huyện

Hương Sơn, Huyện Đức Thọ, Huyện Nghi Xuân, Tx.Hồng Lĩnh)

Bảng 2: Diện tích, dân số trung bình, mật độ dân số năm 2008 khu vực nghiên

cứu

T

Diện tích (Km2)

Dân số trung bình (Người)

Mật độ dân số (Ng/km2) năm 2008

Theo Niên giám thống kê năm 2008 của cục thống kế Nghệ An, Hà Tĩnh, dân

số khu vực hạ lưu sông Lam là 972.216 người, số dân sống ở thành thị là 269.023 người, chiếm 27,67% còn lại hầu hết dân số sống ở nông thôn và miền núi (chiếm 72,33%) Cơ cấu dân số như sau:

Dân số phân bố không đều đặc biệt có sự phân biệt lớn giữa đồng bằng và miền núi Mật độ dân số trung bình khu vực nghiên cứu là 902 người/km2 trong đó Tp.Vinh có mật độ lớn nhất: 2.841 (người/km2), huyện miền núi Nghi Xuân có mật

độ nhỏ nhất: 431 người/km2 Tốc độ tăng dân số trong vùng còn cao Theo thống kê năm 2008 tốc độ tăng tự nhiên của tỉnh Nghệ An là 11,52‰, Hà Tĩnh 6,71‰ [6]

1.2.2 Cơ cấu kinh tế

Cơ cấu kinh tế của tỉnh Nghệ An như sau: nông, lâm nghiệp và thủy sản chiếm 30,77%, dịch vụ 37,16%, công nghiệp và xây dựng 32,07% tổng sản lượng của toàn tỉnh, biểu diễn trên hình 2 (thống kê năm 2008) Trong cơ cấu nông nghiệp các ngành phân bố như sau: dịch vụ 2,88%, chăn nuôi 36,69%, trồng trọt 60,43%, biểu diễn trên hình 3 [6]

Hình 2 Biểu đồ cơ cấu kinh tế tỉnh Nghệ

Theo Niên giám thống kê năm 2008 của tỉnh Nghệ An, Hà Tĩnh, khu vực hạ

lưu sông Lam có 12.380 ha cây công nghiệp hàng năm, 1.397 ha cây công nghiệp lâu năm Có nhận xét sơ bộ như sau:

Nông nghiệp ở khu vực nghiên cứu chưa thể trở thành nền nông nghiệp hiện đại và sản xuất hàng hoá được Về cơ cấu vẫn mang nặng tính chất tự cung tự cấp Diện tích canh tác lúa chủ yếu tập trung ở vùng đồng bằng nơi có điều kiện đất đai, nguồn nước và nhân lực phong phú Theo thống kê, các loại cây ăn quả chủ yếu được thống kê theo các hộ gia đình, sản xuất mang tính tự cung tự cấp.[7]

b Chăn nuôi

Chăn nuôi trong vùng chưa phát triển, chủ yếu còn ở mức độ chăn nuôi tự phát ở mức độ hộ gia đình Chưa có nông trường chăn nuôi theo quy mô công nghiệp Do điều kiện thiếu lương thực, chăn nuôi trong vùng chưa phát triển thành quy mô chăn nuôi trang trại được Cơ cấu vật nuôi trong gia đình là trâu, bò, lợn,

gà Ngành chăn nuôi mới chiếm tỷ trọng 15-18% thu nhập cho các hộ nông dân Đàn gia súc tăng qua các năm ở mức độ chậm [7]

c Lâm nghiệp

Diện tích che phủ của thảm rừng tự nhiên hiện nay chỉ còn khoảng 30% Ở các vùng đồi núi đất ven các khe suối, rừng nguyên thuỷ bị huỷ diệt do các lý do

(năm 2008).

Có thể nhận thấy tiềm năng phát triển thuỷ sản của khu vực nói chung còn rất lớn, song mức độ khai thác còn hạn chế Để phát huy tiềm năng cần đầu tư thích đáng về cơ chế, chính sách khuyến ngư cũng như vấn đề cấp nước phục vụ cho nuôi trồng thuỷ sản ven bờ

Diện tích nuôi trồng thủy sản (nước mặn, lợ, ngọt) của 2 tỉnh Nghệ An, Hà Tĩnh cũng như khu vực nghiên cứu có xu hướng tăng trong những năm gần đây Đặc biệt là nuôi Tôm nước lợ Theo thống kê bảng 8 cho biết sản lượng thủy sản nuôi trồng (khu vực nghiên cứu) tăng từ 7021 (tấn) năm 2004 lên đến 12524 (tấn), năm 2008, theo thống kê bảng 9 cho biết sản lượng Tôm nuôi (khu vực nghiên cứu) tăng từ 218 (tấn) năm 2004 lên đến 492 (tấn) năm 2008, theo thống kê bảng 10 cho biết sản lượng Cá nuôi (khu vực nghiên cứu) tăng từ 6533 (tấn) năm 2004 lên đến

11047 (tấn) năm 2008 Sau 4 năm diện tích nuôi trồng cũng như sản lượng thủy sản nuôi trồng tăng khoảng 50%.[7]

Hàng tháng có non nửa số ngày có hai lần nước lớn và hai lần nước ròng Thời kỳ triều cường và thời kỳ triều kém xảy ra gần cùng một thời gian với thuỷ triều ở Hòn Dấu.[2]

Các ngày có hai lần nước lớn và hai lần nước ròng thường xảy ra vào thời kỳ triều kém Thời gian triều dâng thường chỉ dưới 10 giờ, còn thời gian triều rút kéo dài tới 15, 16 giờ Khi xét thuỷ triều ở vùng cửa sông Lam và vùng ảnh hưởng triều,

số liệu thực đo mực nước tại các trạm Chợ Tràng, Linh Cảm và Bến Thuỷ được dùng để phân tích trong khóa luận này.

b) Diễn biến mực nước trong năm

Trong năm ở những trạm vùng cửa sông như Bến Thủy, Cửa Hội mực nước triều lớn nhất trung bình hàng năm đạt trị số cao nhất vào tháng X và thấp nhất vào tháng III.

Tháng XI có mực nước cao nhất trung bình nhiều năm cao hơn mực nước cao nhất trung bình của tháng IX do ảnh hưởng của thuỷ triều chiếm ưu thế hơn ảnh hưởng của lũ.

Càng đi sâu vào đất liền do bị ảnh hưởng mạnh của lũ nên mực nước triều lớn nhất trung bình của tháng IX có xu hướng cao hơn mực nước triều trung bình lớn nhất của tháng XI.

Đặc trưng mực nước triều trung bình của các tháng tại Bến Thủy và Cửa Hội cho thấy mực nước triều trung bình tháng từ tháng 1 tới tháng VIII đều thấp hơn mực nước triều bình quân năm.

Mực nước triều trung bình của tháng VII đạt trị số thấp nhất Càng đi sâu vào nội địa, ảnh hưởng của nguồn nước mùa cạn càng thể hiện rõ rệt nên mực nước triều trung bình tháng nhỏ nhất thường xuất hiện vào tháng IV

Mực nước nhỏ nhất trung bình hàng năm thường xảy ra vào tháng VII ở các trạm Cửa Hội và Bến Thuỷ.

Về mùa kiệt, mực nước thuỷ triều tại Cửa Hội quan trắc được với Hmax = 2,39m ngày 22/XII/1968 với biên độ triều cao nhất đạt 3,27m Càng vào sâu trong nội địa biên độ triều càng giảm Tại Linh Cảm cách Cửa Hội 48km biên độ triều về mùa cạn dao động 1 – 1,2m, tại Nam Đàn cách Cửa Hội 58km, biên độ triều về mùa cạn dao động 0,2 – 0,25m Diễn biến triều dọc sông xem bảng 6 về khả năng xuất hiện mực nước thấp nhất năm.[2]

Cửa Hội 130 112 104 114 123 121 122 130 145 161 153 150 177 Bến Thủy 137 125 115 122 133 135 139 152 223 248 171 157 290

Bảng 4 Mực nước triều trung bình tháng

31, 6

13, 7

11, 1

13, 1

17, 0

21, 3

35, 0

81, 5

95, 8

52, 5

Bảng 6 Khả năng xuất hiện Hmin vào các tháng

Đơn vị: %

Bảng 7 Chênh lệch mực nước lớn nhất của các đặc trưng mực nước triều trong

nhiều năm tại Cửa Hội

độ mặn trung bình mặt cắt từ 1 – 1,5‰.

Những tháng có nguồn nước mặn rất nhỏ mặn có thể xâm nhập sâu hơn quá Chợ Tràng trên dòng chính sông Cả và qua Trung Lương tới Đức Xá trên một phần nhánh của sông La chảy vào sông Lam.

Văn Cung và cộng sự, 1981) đã chỉ ra rằng năng suất lúa sẽ giảm khi độ mặn nước tưới nội đồng tăng Ví dụ khi độ mặn là 0,5‰ thì năng suất lúa sẽ chỉ còn 94%, khi

độ mặn là 1,0‰, 2,0‰ và 5,0‰ thì năng suất lúa chỉ đạt tương ứng là 88%, 60,1%

và 50% Đặc biệt khi độ mặn tăng đến 15‰ thì cả lúa và mạ đều chết Ngoài ra độ mặn còn ảnh hưởng đến tính chất lý hoá của nước như trọng lượng riêng, độ dẫn điện, độ truyền âm, độ hoà tan các chất khí và nguy cơ tồn vong của hệ sinh thái nước ngọt Do đó, việc đánh giá xâm nhập mặn là hết sức quan trọng, liên quan mật thiết đến điều kiện phát triển kinh tế xã hội và sinh hoạt [7]

Vào năm 2000, phong trào nuôi tôm sú nước lợ bắt đầu phát triển nhanh và mạnh (tốc độ tăng diện tích trung bình 25% năm giai đoạn 2000-2007) tại địa bàn tỉnh Quảng Trị, và lan nhanh ra các tỉnh lân cận trong đó có vùng Cửa Hội (Nghệ

An – Hà Tĩnh) Lợi nhuận thu được từ nuôi tôm nước mặn, lợ lớn hơn nhiều so với sản xuất cây nông nghiệp nên đến nay diện tích dành cho nuôi tôm mặn lợ đã phát triển hơn 800 ha Thu nhập từ nuôi tôm có thể lên đến 100 triệu/ha nếu tôm không

bị nhiễm bệnh và phát triển tốt Tuy nhiên độ mặn thích hợp nhất cho tôm sú phát triển từ 15 – 25‰ nên việc xác định thời điểm lấy nước và thay nước cho ao nuôi khi nước sông có độ mặn phù hợp cũng là một yêu cầu cần thiết, đặc biệt là khi các vùng nuôi vẫn lấy nước trực tiếp từ sông, không qua bể trữ [7]

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH MIKE 11

Mô hình toán là tập hợp các biểu thức toán học phức tạp mô tả các quy luật vật lý trong những điều kiện nhất định Tính toán thuỷ lực mạng lưới sông không thể thiếu mô hình toán Với bài toán thuỷ lực thường áp dụng mô hình 1 chiều giải

hệ phương trình Saint – Venant gồm phương trình liên tục và chuyển động, nghiệm

là mực nước và lưu lượng/vận tốc Khi có số liệu địa hình của mạng lưới sông nghiên cứu và số liệu thuỷ văn: mực nước, lưu lượng, mô hình cho phép tính toán

mô phỏng quá trình thuỷ động lực trong toàn bộ mạng lưới sông Một khi các kết quả tính toán của mô hình đã được hiệu chỉnh và kiểm chứng so với số liệu quan trắc trong thực tế, thường là tại các trạm thuỷ văn, mô hình cho phép dự báo theo các kịch bản khác nhau Kịch bản là những tình huống có thể xảy ra trong những điều kiện nhất định, giúp cho các nhà quản lý và nhà hoạch định chính sách tiếp cận vấn đề một cách khoa học.

Bởi tầm quan trọng và ý nghĩa của việc giải bài toán thủy lực nên trên thế giới có rất nhiều mô hình đáp ứng mục đích này Tiêu biểu cho các mô hình loại này là SOGREAH/TELEMAC của Pháp; DELF/WENDY/SOBEK của Hà Lan; ISIS của Anh; SMS/HEC-RAS của Mỹ (Mô hình HEC-HMS: là mô hình mưa dòng chảy của Trung tâm Thủy văn kỹ thuật quân đội Hoa Kỳ được phát triển từ mô hình HEC-1, mô hình có những cải tiến đáng kể cả về kỹ thuật tính toán và khoa học thủy văn thích hợp với các lưu vực sông vừa và nhỏ Là dạng mô hình tính toán thủy văn được dùng để tính dòng chảy từ số liệu đo mưa trên lưu vực Trong đó các thành phần mô tả lưu vực sông gồm các công trình thủy lợi, các nhánh sông Kết quả của Hec-HMS được biểu diễn dưới dạng sơ đò, bảng biểu tường minh rất thuận tiện cho người sử dụng Ngoài ra, chương trình có thể liên kết với cơ sở dữ liệu dạng DSS của mô hình thủy lực Hec-RAS); MIKE của Đan Mạch, ở Việt Nam

có KAL 1D, VRSAP của Gs Nguyễn Như Khuê Các mô hình này thường tích hợp nhiều mô đun, mỗi mô đun có thể giải quyết những vấn đề cụ thể: mưa-dòng chảy, truyền lũ Các mô hình này thường có dạng cấu trúc dữ liệu truy nhập hoặc truy xuất phù hợp với một số phần mềm thông dụng như AutoCAD, ArcView, DEM

mềm chuyên dụng khác

Bộ mô hình MIKE 11 là mô hình tính toán thủy lực mạng sông 1 chiều với các tiểu mô đun về tính thủy lực, tiểu mô đun tính dòng chảy từ mưa, tiểu mô đun cho tính lan truyền chất và vận chuyển bùn cát.

Mô hình MIKE 11 bao gồm những mô đun cơ bản sau:

 Mô đun HD (Hydrodynamic): mô đun thủy động lực

 Mô đun AD/CST (Advection-dispersion/Cohesive Sediment Transpot):

mô đun khuyếch tán/ vận chuyển trầm tích kết dính

 Mô đun NST (Non-cohesive Sediment Transpot): vận chuyển bùn cát không kết dính

 Mô đun RR (Rainfall-Runoff): mô đun mưa dòng chảy

 Mô đun FF (Flood Forecasting): mô đun dự báo ngập lũ

 Mô đun Data assimilation: mô đun phân tích dữ liệu

Một trong những tính năng nổi bật và cơ bản của MIKE 11 là cấu trúc phân chia theo mô đun tổng hợp và thống nhất cho phép lựa chọn và tính toán nhiều hiện tượng khác nhau liên quan đến hệ thống sông ngòi thông qua việc đưa vào thêm các

mô đun có sẵn trong bộ mô hình.

Với mục đích tính toán và dự báo xâm nhập mặn trên hệ thống sông Lam tỉnh Nghệ An – Hà Tĩnh, với các ưu việt của bộ mô hình MIKE, nghiên cứu này sử dụng mô hình MIKE 11 với các mô đun thủy động lực và mô đun lan truyền chất.

Mô hình MIKE 11 bao gồm nhiều mô đun, trong đó hạt nhân quan trọng nhất

là mô đun thủy – động – lực (HD module) Chính mô đun HD là cơ sở để xây dựng

rất nhiều các mô đun khác bao gồm cả dự báo lũ, mô đun lan truyền chất (AD), mô đun chất lượng nước và mô đun vận chuyển bùn cát Mô đun HD trong MIKE giải

hệ phương trình cơ bản là hệ phương trình tích phân theo chiều thẳng đứng cho sự bảo toàn vật chất và động lượng, tức là hệ phương trình Saint-Venant.

Các ứng dụng của mô đun HD trong MIKE 11 bao gồm:

 Dự báo lũ và vận hành hồ chứa

 Mô phỏng các công trình và biện pháp phòng và chống lũ

 Vận hành hệ thống tưới và tiêu bề mặt

 Thiết kế hệ thống kênh mương tưới và tiêu

 Nghiên cứu hiện tượng nước dâng do bão và sự truyền triều trong sông và các vùng cửa sông

2.2.1 Hệ phương trình

Phương trình cơ bản của mô hình MIKE 11 để tính toán trong mạng sông cho trường hợp dòng không ổn định là hệ phương trình bao gồm phương trình liên tục và phương trình động lượng (hệ phương trình Saint Venant) với các giả thiết:

- Dòng chảy là dòng một chiều, độ sâu và vận tốc chỉ thay đổi theo chiều dọc của lòng dẫn.

- Dòng chảy thay đổi từ từ dọc theo lòng dẫn để áp suất thủy tĩnh chiếm ưu thế, gia tốc theo chiều thẳng đứng được bỏ qua.

- Trục của lòng dẫn được coi như một đường thẳng

- Độ dốc đáy lòng dẫn nhỏ và đáy cố định, bỏ qua hiện tượng xói và bồi

- Có thể áp dụng hệ số sức cản của dòng chảy rối đều, ổn định cho dòng không ổn định để mô tả các tác động của lực cản

- Chất lỏng không nén được và có khối lượng không đổi trong toàn dòng chảy.

Hệ phương trình:

Phương trình liên tục:

(2.3) Trong đó: Q: lưu lượng ( m3/s)

phương trình (hình 4a) và các biến trong mặt phẳng x~t (hình 4b).

Q gQ x

h gA x

A t

Q

Hình 4a Sơ đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott

Lưới tính toán tự động được tạo ra trên cơ sở các yêu cầu của người dùng điểm được đặt nằm giữa h điểm lân cận tại cấu trúc, trong khi điểm h được đặt tại mặt cắt, hoặc tại các khoảng cách đều ở giữa nếu khoảng cách giữa các mặt cắt lớn hơn so với tối đa dx

Q-Hình 4b Sơ đồ sai phân 6 điểm ẩn Abbott trong mặt phẳng x~t

Trong phương pháp này, mực nước và lưu lượng dọc theo các nhánh sông được tính trong hệ thống các điểm lưới xen kẽ như dưới đây (hình 5).

Hình 5 Nhánh sông với các điểm lưới xen kẽ

2

j j j

A0,j: diện tích mặt phân cách giữa 2 điểm lưới j-1 và điểm lưới j

A0,j+1: diện tích mặt phân cách giữa 2 điểm lưới j và điểm lưới j+1

Δ2xj: khoảng cách giữa hai điểm lưới j-1 và j+1

Thế vào các phương trình sai phân, rút gọn các hệ số ta thu được phương trình:

Từ đó, khi viết các phương trình này với đầy đủ các bước thời gian, chúng ta

sẽ thu được một ma trận tính toán Để tìm nghiệm của bài toán, chúng ta phải sử dụng công cụ toán học để giải các ma trận này

Tính ổn định của phương pháp sai phân hữu hạn để giải hệ phương trình Saint Venant được bảo đảm khi các điều kiện sau được thỏa mãn:

 Số liệu địa hình phải tốt, giá trị cho phép tối đa với Δx được lựa chọn trên

cơ sở này.

 Bước thời gian Δt cần thiết đủ nhỏ để điều kiện ổn định Courant được thỏa mãn Tuy nhiên, khi giải hệ phương trình Saint Venant với sơ đồ ẩn thì điều kiện ổn định Courant không nhất thiết phải thỏa mãn.

Đối với mạng lưới sông phức tạp, mô hình cho phép giải hệ phương trình cho nhiều nhánh sông và các điểm tại các phân lưu/nhập lưu Cấu trúc của các nút lưới ở nhập lưu, tại đó ba nhánh gặp nhau, thể hiện trong hình sau (hình 6a):

Hình 6b Cấu trúc các điểm lưới trong mạng vòng

Cấu trúc các điểm lưới trong mạng vòng được thể hiện trong hình 6b Tại

một điểm lưới, mối quan hệ giữa biến số Zj (cả mực nước hj và lưu lượng Qj) tại chính điểm đó và tại các điểm lân cận được thể hiện bằng phương trình tuyến tính sau:

(2.14)

Từ đây trở về sau, ta quy ước các chỉ số dưới của các thành phần trong phương trình biểu thị vị trí dọc theo nhánh, và chỉ số trên chỉ khoảng thời gian Các

hệ số , ,  và  trong phương trình (2.14) tại các điểm h và tại các điểm Q được

tính bằng sai phân hiện đối với phương trình liên tục và với phương trình động lượng.

j

n j j

n j j

n j

1 1

Tất cả các điểm lưới theo phương trình (2.14) được thiết lập Giả sử một

nhánh có n điểm lưới; nếu n là số lẻ, điểm đầu và cuối trong một nhánh luôn luôn là điểm h Điều này làm cho n phương trình tuyến tính có n+2 ẩn số Hai ẩn số chưa biết là do các phương trình được đặt tại điểm đầu và điểm cuối h, tại đó Zj-1và Zj+1 là mực nước, theo đó phần đầu/cuối của nhánh phân/nhập lưu được liên kết với nhau.

2.2.3 Điều kiện biên và điều kiện ban đầu

Hệ phương trình (2.1-2.3) khi được rời rạc theo không gian và thời gian sẽ gồm có số lượng phương trình luôn ít hơn số biến số, vì thế để khép kín hệ phương trình này cần phải có các điều kiện biên và điều kiện ban đầu.

Trong mô hình MIKE 11, điều kiện biên của mô hình khá linh hoạt, có thể là điều kiện biên hở hoặc điều kiện biên kín Điều kiện biên kín là điều kiện tại biên

đó không có trao đổi nước với bên ngoài Điều kiện biên hở có thể là đường quá trình của mực nước theo thời gian hoặc của lưu lượng theo thời gian, hoặc có thể là hằng số.

Các điều kiện ban đầu bao gồm mực nước và lưu lượng trên khu vực nghiên cứu Thường lấy lưu lượng xấp xỉ bằng 0 còn mực nước lấy bằng mực nước trung bình.

x

gy V t

2.3.1 Phương trình khuếch tán

Ngoài môđun thủy lực HD là phần trung tâm của mô hình làm nhiệm vụ tính toán thủy lực MIKE 11 còn cho phép chúng ta giải quyết một số vấn đề thông qua các môđun khác, trong đó có vấn đề chất lượng nước.

Trong tính toán (1 chiều) các quá trình chất lượng nước có liên quan đến những phản ứng sinh hóa, ngoài ảnh hưởng của các phản ứng này gây ra còn có ảnh hưởng của các quá trình thủy văn, thủy lực của dòng chảy Do vậy, để giải quyết vấn đề chất lượng nước trong mô hình MIKE 11 phải đồng thời sử dụng cả hai môdun đó là môđun tải – khuếch tán (AD) và môdun sinh thái (Ecolab) Trong những trường hợp tính toán các yếu tố không liên quan đến các phản ứng sinh hóa thì chỉ cần sử dụng môđun tải – khuếch tán để tính toán, khi đó các hệ số liên quan đến các phản ứng sinh hóa trong phương trình tính toán sẽ không được xét đến và môđun sinh thái (Ecolab) không cần được kích hoạt.

Song song với việc sử dụng hệ phương trình thủy động lực nói trên, khi tính toán với mô đun khuyếch tán và lan truyền chất, trong mô hình MIKE 11 sử dụng thêm phương trình khuyếch tán có dạng như sau:

(2.15) Trong đó: C là nồng độ chất ô nhiễm (chất hòa tan); D là hệ số khuyếch tán;

A là diện tích mặt cắt ngang; K là hệ số tự phân hủy tuyến tính; C2 là nồng độ của nguồn gia nhập/ra khỏi của hệ thống; q là lượng gia nhập khu giữa; x, t là tọa độ theo không gian và thời gian.

Phương trình trên đây phản ánh hai quá trình diễn ra đồng thời:

q C AKC x

C AD x x

QC t

1 Quá trình vận chuyển bình lưu theo dòng chảy

2 Quá trình khuyếch tán do sự chênh lệch về nồng độ chất hòa tan

Phương trình (2.15) được xây dựng dựa trên cơ sở các giả thiết: chất hòa tan xáo trộn toàn bộ và xem là có mật độ đồng nhất trên tất cả mọi điểm thuộc mặt cắt ngang, đồng nghĩa với việc xem rằng các nguồn vào hay ra đều ngay lập tức được xáo trộn đều trên toàn mặt cắt ngang, chất hòa tan đó được xem là bảo toàn hoặc nếu có tự phân hủy thì quá trình phân hủy đó là tuyến tính và định luật khuyếch tán của Fick được áp dụng ở đây, nghĩa là sự vận chuyển do khuyếch tán tỷ lệ với gradient về nồng độ.

Môđun truyền tải khuếch tán (AD) được dùng để mô phỏng vận chuyển một chiều của chất huyền phù hoặc hòa tan (phân hủy) trong các lòng dẫn hở dựa trên phương trình để trữ tích lũy với giả thiết các chất này được hòa tan trộn lẫn Nghĩa

là không có thay đổi hay biến động trong cùng một mặt cắt và dòng chảy không phân tầng.

Phương trình truyền tải – khuếch tán

Phương trình (2.16) thể hiện 2 cơ chế truyền tải:

- Truyền tải đối lưu do tác dụng của dòng chảy

- Truyền tải khuếch tán do gradien nồng độ gây ra

Sự khuếch tán theo chiều dọc sông gây ra do sự kết hợp của dòng chảy rối và

sự khuếch tán Sự phân tán dọc theo sông do ảnh hưởng của chảy rối lớn hơn rất nhiều so với sự phân tán hỗn loạn của các phân tử đơn lẻ Về mặt trị số, thành phần khuếch tán rối lớn hơn nhiều so với thành phần khuếch tán phân tử Sự phân bố của thành phần khuếch tán rối trong dòng chảy là không đồng đều, nó phụ thuộc vào hướng của tốc độ dòng chảy và khoảng cách đến thành ống, do đó hệ số khuếch tán rối khác nhau theo các hướng khác nhau Quá trình truyền tải khuếch tán tuân theo định luật Fick.

Hệ số khuếch tán được xác định như là một hàm của dòng chảy trung bình:

đồ sai phân ẩn trung tâm Sơ đồ sai phân hữu hạn này được xây dựng bằng cách xem xét lượng dòng chảy vào một thể tích kiểm tra xung quanh nút điểm j Các giới hạn biên của thể tích kiểm tra này là đáy sông, bề mặt nước và hai mặt cắt tại hai điểm j-1/2 và j+1/2.

Hình 7 Sơ đồ sai phân

Phương trình liên tục:

1/2 1 1/2

1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2

T: tải lượng qua thể tích tính toán (kg/s) q: lượng nhập lưu trên một đơn vị chiều dài dọc sông (m2/s) Δt: bước thời gian

Cq: nồng độ của dòng nhập lưu (mg/l) K: hệ số phân hủy

j: điểm lưới n: mức thời gian

Phương trình truyền tải khuếch tán:

1/2 1/2 1

1/2 1/2 * 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2

n j

Thay thế và sắp xếp các phương trình trên lại, ta thu được một phương trình sai phân hữu hạn sơ đồ ẩn:

1 Xây dựng mô hình: từ số liệu đầu vào (hệ thống các mặt cắt, các biên) tiến hành thiết lập mạng thủy lực.

2 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình: để tìm ra bộ thông số thích hợp, phải thông qua 2 công đoạn:

- Hiệu chỉnh mô hình: sau khi thiết lập được mạng thủy lực, tiến hành chạy

mô hình với chuỗi số liệu cụ thể, hiệu chỉnh để tìm ra bộ thông số thích hợp.

- Kiểm định mô hình dùng để kiểm tra độ tin cậy của bộ thông số tìm được ở công đoạn hiệu chỉnh nhằm áp dụng mô hình cho các phương án tính toán và dự báo khác nhau Bộ thông số được giữ nguyên, tiến hành kiểm định với một chuỗi số liệu độc lập Khi kết quả mô phỏng phù hợp với số liệu thực đo thì bộ thông số đươc khẳng định là đã đảm bảo độ tin cậy để áp dụng mô hình cho các phương án tính toán khác nhau.

3 Tùy vào mục đích của nghiên cứu mà có những phương án khác nhau: có thể là mô phỏng lại quá trình đã xảy ra trong quá khứ, hoặc áp dụng mô hình mô phỏng quá trình theo các kịch bản cho trước, hoặc dự báo cho tương lai.

3.2 CHUẨN BỊ SỐ LIỆU ĐẦU VÀO MÔ HÌNH MIKE 11

Để thiết lập và ứng dụng mô hình MIKE 11 vào tính toán xâm nhập mặn khu vực hạ lưu sông Cả thì cần phải có 2 loại tài liệu sau đây:

- Tài liệu địa hình: gồm có

+ Bản đồ khu vực hạ lưu sông Lam

+ Mặt cắt ngang tuyến sông

- Tài liệu thủy văn: gồm có

+ Lưu lượng tại các biên trên, mực nước tại biên dưới

+ Độ mặn tại biên dưới

37

+ Mực nước, độ mặn tại các trạm hiệu chỉnh và kiểm định

3.2.1 Tài liệu địa hình

Cơ sở dữ liệu tài liệu địa hình gồm có:

- Bản đồ hành chính khu vực hạ lưu sông Lam tỷ lệ 1:50 000, Cục Đo Đạc và Bản đồ Nhà nước (2006)

3.2.2 Tài liệu thủy văn

Cơ sở dữ liệu tài liệu thủy văn gồm có:

Số liệu mực nước tại Linh Cảm trên sông La và Chợ Tràng trên sông Lam từ ngày 2/2 - 31/3 /2006 đo liên tục (chi tiết trên phụ lục 2).

Số liệu mực nước tại Cửa Hội thực đo trên sông Lam từ ngày 2/2 - 31/3 /2006 đo liên tục (chi tiết trên phụ lục 3).

Số liệu mực nước và độ mặn thực đo tại Bến Thủy trên sông Lam từ ngày 2/2 - 31/3/2006 đo không liên tục (chi tiết trên phụ lục 4).

38

đổ ra biển Đông tại Cửa hội Nhánh phụ lưu sông Ngàn Sâu dài khoảng 25km từ trạm thủy văn Hòa Duyệt và sông Ngàn Phố dài khoảng 28km từ trạm thủy văn Sơn Diệm đến trạm thủy văn Linh Cảm, sông La dài khoảng 17,5km từ trạm thủy văn Linh Cảm tới hợp lưu với sông Cả gần trạm thủy văn Chợ Tràng chảy qua huyện Đức Thọ, Nghi Xuân, Thị xã Hồng Lĩnh theo hướng Tây sang Đông.

Mạng thủy lực được thiết lập trong mô hình MIKE 11 với sông chính là sông

Cả, sông nhánh cấp 1 là sông La và 2 sông nhánh cấp 2 (nhánh của sông La) là sông Ngàn Sâu và Ngàn Phố với 106 mặt cắt, trung bình khoảng 1,3km thì có một mặt cắt Có 3 biên lưu lượng phía trên (trạm thủy văn Yên Thượng trên sông Cả, trạm Hòa Duyệt trên sông Ngàn Sâu và trạm Sơn Diệm trên sông Ngàn Phố), tại các biên này qua các nghiên cứu trước đây cho thấy thỏa mãn điều kiện mặn không xâm nhập tới (độ mặn tại đây = 0) và 1 biên mực nước phía dưới (Cửa Hội) Các trạm thủy văn Chợ Tràng, Linh Cảm và Bến Thủy dùng để kiểm định mô đun thủy lực (HD) và kiểm định mô đun khuyếch tán (AD) tại trạm Bến Thủy Hệ thống mạng tính toán được rút gọn trong hình 8 và minh họa trên hình 9.

Hình 8 Sơ đồ rút gọn mạng lưới tính toán thủy lực hạ lưu sông Lam

39

Hình 9 Sơ đồ mạng lưới tính toán thủy lực hạ lưu sông Lam

3.3.2 Điều kiện ban đầu và điều kiện biên

 Điều kiện ban đầu

Điều kiện ban đầu về thủy động lực lấy tùy ý, theo kinh nghiệm, để mô hình nhanh hội tụ, điều kiện ban đầu lấy cùng giá trị mực nước hoặc mực nước trung bình và lưu lượng xấp xỉ bằng 0.

 Điều kiện biên:

Biên thủy lực bao gồm:

Theo sơ đồ thủy lực mạng sông đã xây dựng ở trên, có 3 biên lưu lượng phía trên:

 Quá trình lưu lượng tại trạm Yên Thượng trên sông Cả.

 Quá trình lưu lượng tại trạm Hòa Duyệt trên sông Ngàn Sâu

 Quá trình lưu lượng tại trạm Sơn Diệm trên sông Ngàn Phố

40