CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN TÀI NGUYÊN NƯỚC
2.3. Phương pháp đánh giá ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước Đồng bằng sông Cửu Long
2.3.3. Công cụ mô hình trong đánh giá tác động của Biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước ở Đồng bằng sông Cửu Long
2.3.3.2. Các mô hình mô phỏng
Mô hình toán là công cụ hữu hiệu để mô phỏng và đánh giá tác động của BĐKH đến TNN trong tương lai khi chỉ có các thông tin dự tính về các yếu tố khí hậu. Các mô hình được sử dụng trong đề tàinhư sau:
a) Mô hình thủy văn
Đề tài đã sử dụng sơ đồ mô hình mô phỏng lưu vực IQQM được phát triển trong DSF cho ĐBSCL. Mô hình IQQM được sử dụng để xác định thay đổi nhu cầu sử dụng nước trong nông nghiệp và xác định biên dòng chảy cho các tiểu vùng ứng với các kịch bản BĐKH được lựa chọn trong đề tài.
Sơ họa sơ đồ tính nhu cầu nước và mô phỏng các kịch bản phát triển vùng ĐBSCL như mô phỏng ở hình 2.5.
Hình 2.5. Sơ đồ IQQM mô phỏng các kịch bản phát triển ở ĐBSCL
Trong sơ đồ trên, hệ thống thủy lợi, toàn ĐBSCL được phân làm 120 tiểu vùng (bảng 2.2). Mỗi tiểu vùng là một khu tưới có số liệu diện tích các cây trồng,
66 đặc biệt là lúa theo từng vụ cho cả năm theo tài liệu thống kê, kết hợp điều tra, và theo các kịch bản phát triển trên ĐBSCL đã xây dựng.
Thời vụ cây trồng theo đặc trưng của từng vùng. Mỗi tiểu vùng có một biên mưa riêng biệt nội suy từ hơn 10 trạm đo mưa ở ĐBSCL (Châu Đốc, Long Xuyên, Cao Lãnh, Cần Thơ, Mộc Hóa, Mỹ Tho, Trà Vinh, Sóc Trăng, Bạc Liêu, Cà Mau, Càng Long, Tân Hiệp, Ba Tri, Tân An…).
Đánh giá nhu cầu nước ở ĐBSCL theo mỗi kịch bản là kết quả tổng hợp nhu cầu từ 120 khu tưới ở ĐBSCL từ sơ đồ IQQM tương ứng cho đồng bằng.
Bảng 2.2. Thống kê đặc trưng các tiểu vùng mô phỏng bằng IQQM ở ĐBSCL TT
Kí hiệu tiểu vùng
Diện tích (km2)
TT
Kí hiệu tiểu vùng
Diện tích
(km2) TT Kí hiệu tiểu vùng
Diện tích (km2)
1 LXQ/1 89 41 LQPH/41 79 81 SMT/81 442
2 LXQ/2 391 42 LQPH/42 32 82 SMT/82 501
3 LXQ/3 294 43 LQPH/43 131 83 SMT/83 477
4 LXQ/4 179 44 LQPH/44 108 84 SMT/84 387
5 LXQ/5 272 45 LQPH/45 114 85 SMT/85 581
6 LXQ/6 92 46 BLVC/46 558 86 SMT/86 294
7 LXQ/7 319 47 BLVC/47 219 87 SMT/87 108
8 LXQ/8 402 48 BLVC/48 314 88 BT/88 145
9 LXQ/9 129 49 BLVC/49 196 89 BT/89 351
10 LXQ/10 40 50 BLVC/50 124 90 BT/90 518
11 LXQ/11 330 51 UMT/51 43 91 BT/91 108
12 LXQ/12 648 52 UMT/52 466 92 BL/92 315
13 LXQ/13 921 53 UMT/53 783 93 BL/93 659
14 LXQ/14 646 54 UMT/54 502 94 BL/94 260
15 LXQ/15 207 55 UMT/55 417 95 BL/95 113
16 WB/16 945 56 UMT/56 159 96 GC/96 177
17 WB/17 1,137 57 UMT/57 470 97 GC/97 609
18 WB/18 664 58 UMT/58 438 98 TA/98 639
19 WB/19 461 59 SCM/59 138 99 PR/99 312
20 WB/20 306 60 SCM/60 275 100 PR/100 305
21 WB/21 229 61 SCM/61 596 101 PR/101 242
22 WB/22 562 62 SCM/62 288 102 PR/102 42
23 KS/23 508 63 SCM/63 363 103 PR/103 563
24 TN/24 255 64 SCM/64 254 104 PR/104 681
25 BRL/26 621 65 SCM/65 380 105 PR/105 372
26 LQPH/26 461 66 SCM/66 674 106 PR/106 305
67 TT
Kí hiệu tiểu vùng
Diện tích (km2)
TT
Kí hiệu tiểu vùng
Diện tích
(km2) TT Kí hiệu tiểu vùng
Diện tích (km2)
27 LQPH/27 137 67 NMT/67 133 107 PR/107 93
28 LQPH/28 331 68 NMT/68 182 108 PR/108 555
29 LQPH/29 369 69 NMT/69 48 109 PR/109 176
30 LQPH/30 325 70 NMT/70 363 110 PR/110 397
31 LQPH/31 229 71 NMT/71 28 111 PR/111 122
32 LQPH/32 247 72 NMT/72 56 112 PR/112 141
33 LQPH/33 113 73 NMT/73 94 113 PR/113 208
34 LQPH/34 125 74 NMT/74 150 114 WEVC/114 477
35 LQPH/35 77 75 NMT/75 178 115 WEVC/115 366
36 LQPH/36 165 76 NMT/76 69 116 WEVC/116 421
37 LQPH/37 204 77 NMT/77 194 117 WEVC/117 181
38 LQPH/38 173 78 NMT/78 339 118 CD/118 526
39 LQPH/39 166 79 NMT/79 344 119 CD/119 339
40 LQPH/40 97 80 NMT/80 822 120 CD/120 166
Kết quả của mô hình IQQM phục vụ đánh giá nhu cầu nước ở ĐBSCL theo các kịch bản mô phỏng cũng như các kịch bản phát triển ở ĐBSCL. Ngoài ra sẽ là đầu vào cho Mô hình thủy lực ISIS sử dụng trong đề tài - các khu tưới là nhập lưu cho các biên tưới ở khu vực ĐBSCL.
b) Mô hình thủy lựcISIS
Mô hình iSIS là một bộ mô hình thuỷ động lực được xây dựng bởi tập đoàn công ty Halcrow và HR Wallingford, với nhiều mô đun tính toán khác nhau: thủy lực, chất lượng nước, bùn cát... Trong đó, modun iSIS flow là môdun thủy lực mô phỏng: dòng chảy ổn định, dòng chảy không ổn định một chiều biến đổi chậm trong lòng dẫn hở, dòng chảy qua công trình thuỷ lực, chảy qua hồ chứa, chảy tràn bờ, chảy trên những vùng ngập lũ, mô phỏng quy trình hoạt động của các cống, mô phỏng các biên thuỷ văn bằng mô hình mưa- dòng chảy.... Thuật toán của mô hình dựa theo cách giải hệ phương trình Saint Venant theo phương pháp sai phân hữu hạn với sơ đồ ẩn 4 điểm.
ISIS được xây dựng với giao diện rất thân thiện, dễ dùng, ứng dụng công nghệ GIS để tổ chức mạng thủy lực, trình bày kết quả tính toán thông qua biểu, bảng, và mô tả được quá trình thay đổi dòng chảy dọc sông, qua từng mặt cắt và qua công trình...
68 Mô hình iSIS được ứng dụng thành công ở nhiều mạng sông lớn trên thế giới, cũng như ứng dụng thành công cho vùng hạ lưu sông Mêkong và đã được chuyển giao cho bốn quốc gia: Việt Nam, Lào, CamPuchia, Thái Lan năm 2004 trong chương trình “Sử dụng nước-WUP”.
Mô hình ISIS mô phỏng thủy lực trong hệ thống sông Mê Công từ Kratie đến cửa sông, và bao gồm cả hồ Tonle Sap và hệ thống sông Vàm Cỏ. Mô hình mô tả chi tiết sự tương tác phức tạp gây ra giữa thủy triều, ảnh hưởng dòng chảy ngược từ sông Tonle Sap và tràn bờ trong mùa lũ.
Đề tài sử dụng mô đun quan trọng nhất iSIS flow để mô phỏng dòng chảy trong hệ thống sông. iSIS flow phân hệ thống mô phỏng thành những đơn vị thuỷ lực nhỏ (Hydraulic Unit) với tính chất thủy lực riêng như đoạn sông đại diện bởi mặt cắt, cống, tràn, đoạn phân lưu, nhập lưu, ô ruộng, biên mưa, biên mực nước, biên lưu lượng... Dưới đây là các phương trình cơ bản dùng để mô phỏng dòng chảy cho các mô đun tính toán trên.
Mạng tính toán thuỷ lực ISIS vùng đồng bằng sông Mê Công có trong Khung hỗ trợ ra quyết định - DSF đã được các chuyên gia quốc tế tại MRC đánh giá là một công cụ tốt để tiến hành phân tích dòng chảy trong sông cũng như vùng ngập lụt hạ lưu sông Mê Công,bao gồm hơn 10.000 nút mô tả chi tiết hệ thống sông/kênh, gần 500 vùng ngập/ô ruộng, các công trình cống… trên sông của Căm Pu Chia và Việt nam. Kết quả của mô hình là: Mực nước, lưu lượng tại từng nút, có thể xuất qua GIS để thể hiện dạng bản đồ.
Mạng tính toán lấy biên trên trên dòng chính tại Kratie, các biên trên các dòng nhánh là các lưu vực bộ phận của khu vực Biển Hồ. Các biên dưới là mực nước triều tại các cửa biển (thuộc lãnh thổ Việt Nam). Lượng mưa, lượng lấy nước khu giữa cũng được mô hình xem xét tính toán (hình 2.6).
Trong nghiên cứu đã cập nhật việc xác định các đặc trưng ô ruộng, hiệu chỉnh sự phù hợp trong quá trình trao đổi nước giữa sông và ô ruộng. Tài liệu trong mô hình thủy lực ISIS bao gồm:
Số liệu địa hình về sông, kênh, cống, đường giao thông được cập nhật đến năm 2006;
Mực nước và biên mặn tại 10 trạm chính (Long Xuyên, Đại Ngãi, Mỹ Thanh, Gành Hào, Ông Đốc, Xẻo Rô, Rạch Giá...);
69 Số liệu mưa kịch bản của các trạm chính (Long Xuyên, Tân Hiệp, Cần Thơ, Rạch Giá, Vị Thanh, Phụng Hiệp, Đại Ngãi, Sóc Trăng, Bạc Liêu, Cà Mau...). Mưa được gắn vào các đoạn và ô ruộng tương ứng.
Hình 2.6. Sơ đồ mạng mô hình thủy lực ISIS
Mô hình thủy lực ISIS được cấu tạo bởi các thành phần chính sau:
Mô tả một đơn vị thuỷ lực Mặt cắt sông ( ): (River Section)
Dòng chảy trong sông được phân thành dòng chảy của các đoạn sông nối tiếp nhau. Các đoạn sông này tương đối ngắn và được giả thiết là không thay đổi về mặt thủy lực, ổn định trong suốt thời gian tính toán và được mô tả bởi 1 mặt cắt đại diện cho cả đoạn. Sự thay đổi dòng chảy trong đoạn được mô tả bởi hệ phương trình Saint Venant, gồm hai phương trình:
70 Phương trình liên tục:
Phương trình chuyển động:
Trong đó :
Q : Lưu lượng dòng chảy trong sông (m3/s) K : Mô đun lưu lượng.
K =
q : Lưu lượng gia nhập trên 1 m chiều dài đoạn sông (m3/s) x : Toạ độ dài đoạn sông (m)
t : Toạ độ thời gian (giờ) A : Diện tích mặt cắt ướt (m2) g : Gia tốc trọng trường H : Cao trình mặt nước (m)
: Hệ số sửa chữa động lượng
: Góc dòng chảy R : Bán kính thuỷ lực n : Hệ số nhám Maning
Hệ phương trình được giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn với sơ đồ ẩn 4 điểm.
Hệ số nhám Maning (n):
Mô hình iSIS phân biệt rõ hệ số nhám bãi trái, bãi phải và lòng dẫn. Các hệ số nhám thay đổi theo lưu lượng hoặc mực nước và theo khoảng cách dọc đường chảy.
Ô ruộng ( ) (Reservoir)
Việc tràn nước vào ruộng khi mực nước trong sông lên cao và chảy ra sông khi mực nước trong sông hạ thấp cũng như tràn nước từ ô ruộng này sang ô ruộng khác được mô phỏng bởi các ô chứa và các đường tràn. Các ô chứa được giả định như sau: mực nước trong ô chứa là nằm ngang có giá trị bằng mực nước tại tâm ô.
Ô chứa được mô phỏng bởi đường quan hệ cao trình và diện tích bề mặt thoáng theo từng cấp mực nước (Z ~ A). Mực nước trong ô chứa được mô tả qua phương trình sau:
t q A x
Q
0 cos
2 .
2
A qQ K
Q g AQ x gA H A
Q x t Q
2 3 4 2
n R A
71 Phương trình mô tả dòng chảy qua các ô chứa:
Trong đó:
h : cao trình mặt nước ô chứa h1 = h2 = ... = hN
t : bước thời gian qi : lưu lượng nút thứ i A : diện tích bề mặt hồ chứa.
Trong mô hình iSIS, một ô chứa có thể liên kết với các ô chứa khác, các đoạn sông, đường tràn hoặc công trình.
Dòng chảy qua các đường tràn ( ) (Spill).
Việc tràn nước từ sông vào ruộng, từ ruộng này sang ruộng khác, qua các đường tràn thực tế, được mô tả thông qua các đường tràn. Đường tràn tương tự như một đập tràn, được coi là có mặt cắt ổn định trong thời gian tính toán và được mô tả bởi mặt cắt dọc và mặt ngang như hình dưới đây.
Mặt đứng vị trí của đường tràn được mô tả trong hình dưới đây:
0 )
(
t
h h A qnet
N i
net q
q
1
72 Theo tính năng của đường tràn có có thể xảy ra5 trường hợp:
o Trường hợp 0: Không tràn
o Trường hợp 1: Chảy tự do theo hướng dương (hướng quy định, ví dụ: từ sông vào ruộng)
o Trường hợp 2: Chảy ngập theo hướng dương
o Trường hợp 3: Chảy ngập theo hướng âm (hướng quy định, ví dụ: từ ruộng ra sông).
o Trường hợp 4: Chảy tự do theo hướng âm.
Dòng chảy qua tràn được mô tả bởi các công thức (bảng 2.3) Bảng 2.3. Các trường hợp tràn
Trường hợp Điều kiện Phương trình diễn toán 0. Không tràn bờ Mực nước sông thấp hơn
đường đỉnh bờ
Qs = 0, trong đó Qs - lưu lượng tràn 1. Chảy tự do tràn
từ sông 1 vào sông 2 hoặc vào ô
ruộng (hướng chảy dương)
(y21 + y22) / (y11 + y12) m, trong đó
y11 : độ sâu mặt nước thương lưu sông 1
y12 : độ sâu mặt nước hạ lưu sông 1
y21 : độ sâu mặt nước thương lưu sông 2
y22 : độ sâu mặt nước hạ lưu sông 2
m : Chỉ số phân biệt chảy ngập và tự do
Trong trường hợp đặc biệt khi đường mặt nuớc gần song song với đường đỉnh bờ:
y11y12, thì
, trong đó b - độ rộng đường tràn
1212 1111 11
12
5 2
y y
y y y y b Qs Cd
11
11 y
by C Qs d
73 Trường hợp Điều kiện Phương trình diễn toán
2. Chảy ngập tràn từ sông 1 vào sông 2 hoặc vào ô
ruộng (hướng chảy dương)
(y21 + y22) / (y11 + y12) > m
Qs = A b { (2/3) yk D - (4/15) yi(dy22 + dy12)}, trong đó:
D = y12 dy21 - y11 dy11
A = -Cd / yk2
yk = y12 - y11 - y22 + y21
yi = y12 - y11
dy21 = (y12 - y22)3/2 dy22 = (y12 - y22)5/2 dy11 = (y11 - y21)3/2 dy12 = (y11 - y21)5/2 Những trường hợp
đặc biệt sau đây có thể xảy ra:
1. y12 - y11 = y22 - y21
Qs = -1/2 A b yk2 (y11 + y12) 2. y11 - y21<< y12 - y11 - -y22 + y21
Qs = - 2 A b yk5/2 {y11/3 + (y12
- y11)/5}
3. y12 - y21<< y12 - y11 - -y22 + y21
Qs =-1/2A yk2 (2y11+ yi + yk.y11/ym)
Trong đó:
yk = y12 - y11 - y22 + y21
ym = y12 - y21
3. Chảy ngập từ ô ruộng vào sông 1, hoặc từ sông 2 vào sông 1 (hướng chảy âm)
Các công thức diễn toán tương tự như trường hợp 2 nhưng thay y11 và y12 bằng y21 và y22.
4. Chảy tự do từ ô ruộng vào sông 1, hoặc từ sông 2 vào sông 1 (hướng chảy âm)
Các công thức diễn toán tương tự như trường hợp 1 nhưng thay y11 và y12 bằng y21 và y22.
Hệ số lưu lượng qua đường tràn (Cd).
1m
y11 y21
y11y21
74 Phương trình cơ bản chảy qua đường tràn như sau:
Trong đó:
- Với đường tràn sắc cạnh hệ số Cd khoảng 1,85.
- Với đường tràn tròn cạnh hệ số Cd khoảng 1,7.
- Với những đường tràn tự nhiên như bờ sông, hệ số Cd cần phải giảm nhỏ.
Công trình cống ( ).
Đập tràn đỉnh rộng có cửa van phẳng
Phương trình tính lưu lượng của công trình xả lũ đập tràn đỉnh rộng có cửa van phẳng được tính như sau:
Trong đó:
- Q : Lưu lượng (m3/s) - C : Hệ số chảy ngập
- B : Chiều cao độ mở cửa van (m) - H : Cột nước trên ngưỡng tràn (m) - g : Gia tốc trọng trường (m/s2)
Đập tràn có cửa van cung
Công thức tính lưu lượng cho trường hợp này được tính như sau:
Q = Cd.Cvw.b.ho.
Trong đó:
Q : Lưu lượng (m3/s) Cd : Hệ số lưu lượng
Cd = [ 1 - d (L - r ) / b ] [ 1 - (d / 2h1) (L - r) ]3/2 r = 0.1
2 /
bh3
C Q d
gH CWB
Q 2
2gh1
75 d = 0.01
Cvw : Hệ số chảy ngập
Cống có thể điều khiển tự động hay điều khiển bằng tay và có thể kết hợp cả hai.
Với phương thức điều khiển tự động, người dùng sẽ lập trình quy trình vận hành đóng mở cống tự động khi mực nước thượng lưu và hạ lưu cống thay đổi.
Quy trình điều khiển
Chức năng cho phép điều khiển đóng mở các công trình trên sông theo một số điều kiện như mực nước, lưu lượng... tại một vị trí là một trong những tính năng mới và mạnh của một số mô hình thuỷ lực hiện đại ngày nay. iSIS cho phép thiết lập quy trình điều khiển công trình theo điều kiện logic hay theo thời gian, tuy nhiên phiên bản hiện nay chưa thật là mềm dẻo như tổ hợp giữa các điều kiện logic với thời gian.
Các câu lệnh được biên soạn bởi toán tử FORTRAN do người sử dụng mô hình đặt các lệnh logic thật mềm dẻo để có thể mô tả được các quy trình điều hành phức tạp trong thực tế.