Đang tải... (xem toàn văn)
ứng dụng mô hình nam tính toán dòng chảy trên lưu vực sông cầu
CHƯƠNG 1: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH NAM TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY TRÊN LƯU VỰC SÔNG CẦU 1.1. Giới thiệu mô hình NAM Mô hình NAM là mô hình cải tiến từ mô hình Nielsen-Hansen, được công bố trong tạp chí “Nordic Hydrology” năm 1973 và sau này được viện thủy lợi Đan Mạch phát triển và đổi thành NAM. Mô hình gồm 4 bể chứa, nguyên lí tính toán trong mỗi bể chứa là giải phương trình cân bằng nước. Điều khác biệt so với mô hình TANK là dòng chảy từ các bể chứa vào sông, tính theo mô hình TANK là tính theo quy luật tuyến tính, còn tính theo mô hình NAM là theo quy luật phi tuyến (dạng đường cong nước rút). Mô hình NAM là mô hình thủy văn mô phỏng quá trình mưa – dòng chảy diễn ra trên lưu vực. Là một mô hình toán thủy văn, mô hình NAM bao gồm một tập hợp các biểu thức toán học đơn giản để mô phỏng các quá trình trong chu trình thủy văn. Mô hình NAM thuộc loại mô hình nhận thức, tất định, thông số tập trung, và là mô hình mô phỏng liên tục. Đây là một mođun tính mưa từ dòng chảy trong bộ phần mềm thương mại MIKE 11 do Viện Thủy lực Đan Mạch xây dựng và phát triển. Mô hình NAM thuộc loại mô hình tất định, thông số tập trung và là mô hình mô phỏng liên tục. Mô hình NAM hiện nay được sử dụng ở rất nhiều nơi trên thế giới và gần đây cũng hay sử dụng ở Việt Nam. Cơ sở lý thuyết của mô hình được trình bày cụ thể ở phần phụ lục I.1. 1.2. Ứng dụng mô hình NAM tính toán dòng chảy ngày trên lưu vực sông Cầu 1.2.1. Tìm bộ thông số của các trạm lưu lượng trên lưu vực: Số liệu đầu vào: - Số liệu mưa trung bình ngày tại các trạm trên lưu vực. - Tài liệu bốc hơi tiềm năng của lưu vực. - Tài liệu dòng chảy thực đo của các năm có số liệu đo đạc. Bộ thông số của mô hình: Các thông số hiệu chỉnh của mô hình Nam như sau: - Umax: Lượng nước tối đa trong bể chứa mặt - Lmax: Lượng nước tối đa trong bể chứa tầng rễ cây - CQOF: Hệ số dòng chảy mặt, giá trị trong khoảng [0,1] - TOF: Giá trị ngưỡng của dòng chảy mặt, trong khoảng [0,1] - TIF: Giá trị ngưỡng của dòng chảy sát mặt, trong khoảng [0,1] - TG: Giá trị ngưỡng của lượng nước bổ sung cho dòng chảy ngầm, trong khoảng [0,1] - CKIF: Hằng số thời gian diễn toán dòng chảy sát mặt - CK1,2: Hằng số thời gian diễn toán dòng chảy mặt và sát mặt - CKBF: Hằng số thời gian diễn toán dòng chảy ngầm Yêu cầu tính toán: Lựa chọn, thử sai các thông số của mô hình để xác định quá trình dòng chảy (dòng chảy tính toán) của trạm từ mưa và bốc hơi lưu vực. Các bước tính toán : - Tính mưa trung bình tháng tại các trạm trên lưu vực. - Tính bốc hơi tiềm năng tại các trạm trên lưu vực. - Tính thấm qua các cửa ra ở đáy. Phương pháp hiệu chỉnh và kiểm định: Ta sử dụng từ 60% 80% số liệu để hiệu chỉnh, phần còn lại để kiểm định. Có những phương pháp hiệu chỉnh sau: - Phương pháp thử sai. - Phương pháp dò tìm tối ưu: ô vuông, mặt cắt vàng, độ dốc, Rosenbroc. - Kết hợp cả 2 phương pháp trên. Chỉ tiêu kiểm định trong mô hình NAM: Ở đây ta sử dụng chỉ tiêu NASH để đánh giá: n 1i 2 obs obs n 1i 2 obscal 2 )Q(Q )Q(Q 1R (4.2-1) Một bộ thông số được coi là tối ưu khi và chỉ khi các chỉ tiêu đánh giá đạt theo đúng quy định, chỉ tiêu Nash phải đạt từ 80% – 100%. Bên cạnh đó còn phải kết hợp phân tích đồ thị quan hệ Q đo & Q tính để tìm được kết quả tốt nhất. 1.2.1.1. Số liệu đầu vào của mô hình: Việc tính toán được thực hiện cho các tiểu lưu vực thuộc lưu vực sông Cầu với thời đoạn tính toán được trình bày ở bảng 3-1. Đối với phần lưu vực thượng sông Cầu có thể thấy rằng các đặc tính dòng chảy đã thay đổi theo thời gian do sự thay đổi trong sử dụng đất. Do vậy đối với các tiểu lưu vực này, luận văn sử dụng chuỗi dữ liệu mới nhất (1990- 1996) để tính toán. Đối với các lưu vực khác, do hạn chế về dữ liệu dòng chảy nên luận văn sử dụng toàn bộ chuỗi dữ liệu hiện có. Bảng 1-1: Bảng số liệu đầu vào của mô hình NAM. TT Sông Vị trí Diện tích Mưa Dòng chảy Bốc hơi Thời đoạn 1 Cầu thượng nguồn trạm Thác Riềng 712 Bắc Kạn, Thác Riềng Thác Riềng Bắc Kạn 90-96 2 Cầu từ trạm Thác Riềng đến Thác Bưởi 1508 Bắc Kạn, Thác Riềng, Chợ Mới, Định Hóa Thác Bưởi Bắc Kạn, Thái Nguyên 90-96 3 Đu thượng nguồn trạm Giang Tiên 283 Chợ Mới, Định Hóa, Đại Từ Giang Tiên Thái Nguyên 62-71 4 Công thượng nguồn trạm Tân Cương 548 Định Hóa, Đại Từ Tân Cương Vĩnh Yên 61-76 5 Cà Lồ Thượng nguồn trạm Phú Cường 880 Vĩnh Yên, Thái Nguyên Phú Cường Vĩnh Yên 68-75 Do một số trạm chỉ đo lưu lượng, không đo mưa, bốc hơi nên bắt buộc phải mượn mưa và bốc hơi của trạm kế bên, với điều kiện trạm kế bên phải nằm trong lưu vực tương tự về địa chất, thổ nhưỡng, thảm phủ thực vật, chịu cùng một điều kiện khí hậu như nhau. * Số liệu mưa: Sử dụng phương pháp đa giác Theisson để xác định trọng số của từng trạm mưa đối với các tiểu lưu vực. Trọng số các trạm mưa được sử dụng để tính toán được trình bày ở bảng 3-2. Bảng 1-2: Trọng số các trạm mưa được sử dụng để tính toán trong mô hình Trạm dòng chảy Trạm mưa Trọng số Thác Riềng Bắc Kạn, 0,853 Thác Riềng 0,147 Thác Bưởi Bắc Kạn, 0,059 Thác Riềng, 0,138 Định Hóa 0,168 Chợ Mới, 0,635 Giang Tiên Chợ Mới, 0,31 Định Hóa, 0,29 Đại Từ 0,4 Tân Cương Định Hóa 0,146 Đại Từ, 0,854 Phú Cường Vĩnh Yên, 0,952 Thái Nguyên 0,048 * Số liệu bốc hơi: Chuỗi số liệu bốc hơi của trạm Bắc Kạn, Thái Nguyên, Vĩnh Yên được sử dụng để tính toán cho các trạm như đã trình bày ở bảng 3-1. Trạm Thác Bưởi sử dụng chuỗi số liệu của 2 trạm Bắc Kạn và Thái Nguyên để tính toán với trọng số là 0,5. Chuỗi số liệu bốc hơi ngày sẽ được nội suy tuyến tính từ chuỗi số liệu bốc hơi tháng. 1.2.1.2. Kết quả dò tìm thông số: Luận văn sử dụng mô hình NAM trong bộ mô hình Mike (mô hình Mike 11) để tính toán. Những điều kiện ban đầu theo yêu cầu của mô hình NAM bao gồm lượng nước trong bể tuyết, bể mặt, bể chứa tầng rễ cây, cùng với những giá trị ban đầu của dòng chảy từ 2 bể chứa tuyến tính cho dòng chảy mặt, sát mặt và dòng chảy ngầm. Các giá trị ban đầu lấy bằng 0, còn lượng nước ban đầu ở tầng rễ cây và tầng ngầm lấy từ lần mô phỏng trong những năm trước đó. Luận văn sử dụng khoảng 70% số liệu để hiệu chỉnh và 30% số liệu để kiểm định. Bộ thông số tại các trạm trên lưu vực như bảng 3-3. Bảng 1-3: Bộ thông số tại một số trạm đo lưu lượng trên lưu vực sông Cầu Số TT Thông số Sông Cầu (Thác Riềng) Sông Cầu (Thác Riềng- Thác Bưởi) Sông Đu (Giang Tiên) Sông Công (Tân Cương) Sông Cà Lồ (Phú Cường) 1 U max 14,9 10,1 19,5 12,6 12,9 2 L max 122 102 285 271 105 3 CQOF 0,664 0,938 0,556 0,52 0,139 4 CKIF 214,8 383,6 839,5 444,4 200,5 5 CK1,2 20,2 29,4 24,1 21,6 44,3 6 TOF 0,403 0,232 0,0829 0,0497 0,0267 7 TIF 0,156 0,0537 0,946 0,253 0,0275 8 TG 0,0322 0,0231 0,502 0,204 0,122 9 CKBF 2966 1420 1252 1529 1008 Bảng 1-4: Hệ số Nash của quá trình hiệu chỉnh và kiểm định Vị trí Trạm dòng chảy Hiệu chỉnh Kiểm định Năm tính toán Nash Năm tính toán Nash Sông Cầu (Thác Riềng) Thác Riềng (1990-1994) 0,762 (1995-1996) 0,618 Sông Cầu (Thác Riềng - Thác Bưởi) Thác Bưởi (1990-1994) 0,768 (1995-1996) 0,809 Sông Đu Giang Tiên (1962-1969) 0,672 (1970-1971) 0,753 Sông Công Tân Cương (1961-1972) 0,730 (1973-1976) 0,608 Sông Cà Lồ Phú Cường (1965-1973) 0,684 (1974-1975) 0,733 Đồ thị biểu thị quá trình biến đổi của dòng chảy thực đo và tính toán được trình bày ở phần phụ lục II 1.2.2. Kết quả tính toán: Để tính toán nguồn nước đến làm đầu vào cho quá trình tính toán cân bằng nước trên lưu vực, căn cứ vào tình hình đo đạc thuỷ văn trên lưu vực ta phân chia LVS Cầu thành các lưu vực bộ phận như bảng 3-5 (hình 1-1). Sử dụng bộ thông số của mô hình NAM cho các trạm thủy văn trên lưu vực để khôi phục số liệu dòng chảy cho các tiểu lưu vực lân cận vị trí của trạm thủy văn đó. Mục đích là để giảm sự sai khác về các điều kiện tự nhiên và mặt đệm, qua đó cải thiện kết quả khôi phục. Bảng 1-5: Các lưu vực bộ phận lưu vực sông Cầu Lưu vực bộ phận Diện tích (km 2 ) Trạm mưa Trọng số Lưu vực trạm Thác Riềng (Bộ thông số Thác Riềng) 712 Bắc Kạn 0,853 Thác Riềng 0,147 Lưu vực từ trạm Thác Riềng đến Thác Bưởi (Bộ thông số Thác Bưởi) 1508 Bắc Kạn, 0,059 Thác Riềng, 0,138 Định Hóa 0,168 Chợ Mới, 0,635 Lưu vực sông Đu (Bộ thông số Giang Tiên) 380 Chợ Mới, 0,173 Định Hóa, 0,289 Đại Từ 0,538 Hạ Thác Huống (Bộ thông số Thác Bưởi) 951 Thái Nguyên 1 Thượng Núi Cốc: Bộ thông số trạm Tân Cương 497 Định Hóa 0,167 Đại Từ 0,833 Hạ Núi Cốc: Bộ thông số trạm Tân Cương 464 Thái Nguyên 1 Lưu vực sông Cà Lồ (Bộ thông số trạm Phú Cường) 924 Vĩnh Yên 1 Bắc Đuống (Bộ thông số trạm Phú Cường) 594 Vĩnh Yên 0,696 Thái Nguyên 0,304 1.3. Nhận xét Mô hình NAM là mô hình thông số tập trung nên chỉ thích hợp tính toán cho lưu vực nhỏ, muốn áp dụng cho lưu vực lớn thì phải chia thành các lưu vực nhỏ để tính toán. Như vậy luận văn sử dụng mô hình NAM để kéo dài số liệu cho các tiểu lưu vực sông thuộc lưu vực sông Cầu là phù hợp. Với bài toán cân bằng nước, chỉ số Nash càng lớn thì độ chính xác càng cao, ngoài ra cũng cần quan tâm đến sai số tổng lượng W. Do kinh nghiệm tính toán còn hạn chế nên kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình của luận văn có chỉ số Nash chưa cao, sai số tổng lượng W còn lớn. Tuy nhiên với thời gian hạn hẹp của luận văn ở đây ta tạm chấp nhận kết quả này. Để có thể sử dụng kết quả của mô hình trong bài toán thực tế cần tiếp tục hiệu chỉnh bộ thông số của mô hình để có kết quả tốt hơn. CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKEBASIN TÍNH CÂN BẰNG NƯỚC TRÊN LƯU VỰC SÔNG CẦU Cân bằng nước hệ thống là sự cân bằng giữa nước đến và đi, trong đó đã bao gồm các yêu cầu về nước và khả năng điều tiết của hệ thống. Từ đó đánh giá sự tương tác về nước giữa các thành phần trong hệ thống, các tác động của môi trường lên nó và đề ra các biện pháp khai thác, bảo vệ nguồn nước một cách hợp lý. Trên quan điểm đó, bài toán cân bằng nước hệ thống đã tập trung giải quyết các vấn đề (i) Phân vùng tiềm năng nguồn nước, (ii) Tính toán lượng nước đến và nhu cầu nước của các hộ, (iii) Tính toán các phương án sử dụng nguồn nước hay thực chất là bài toán cân bằng kinh tế nước. Hiện nay có nhiều phương pháp và mô hình cân bằng nước hệ thống như hệ thống mô hình GIBSI, MITSIM, BASINS, WUP, MIKE BASIN,… Luận văn sử dụng mô hình MIKE BASIN để tính toán cân bằng số lượng nước hệ thống lưu vực sông Cầu. 2.1. Giới thiệu mô hình MIKEBASIN Mô hình MIKE BASIN là một công cụ cân bằng giữa nhu cầu về nước và nước có sẵn theo cách tối ưu nhất giúp cho công tác quy hoạch lưu vực sông tổng hợp và quản lý tài nguyên nước, do Viện thuỷ lực Đan Mạch (ĐHI) xây dựng. Nó là một mô hình toán học thể hiện một lưu vực sông bao gồm cấu hình của các sông chính và các sông nhánh, các yếu tố thuỷ văn của lưu vực theo không gian và theo thời gian, các công trình, hệ thống sử dụng nước hiện tại và tương lai và các phương án sử dụng nước khác nhau. Mô hình cũng biểu diễn cả tài nguyên nước ngầm và quá trình diễn biến nước ngầm. Mô đun MIKE BASIN WQ bổ sung thêm chức năng mô phỏng chất lượng nước. Hình 2-1: Cấu trúc mô hình và quá trình mô phỏng trong MIKE BASIN Quan niệm toán học trong mô hình MIKE BASIN là tìm các lời giải ổn định cho mỗi bước thời gian. Có thể dùng MIKE BASIN để tìm các giá trị điển hình đối với số lượng và chất lượng nước trong hệ thống biến đổi chậm (ví dụ chu kỳ hàng năm của các tháng). Ưu điểm của MIKE BASIN là tốc độ tính toán của nó cho phép vạch ra nhiều kịch bản khác nhau. Sai số do nhiều giải pháp tính tạo ra không đáng kể khi bước thời gian của quá trình không nhỏ hơn thời gian mô phỏng. Mô hình hoạt động trên cơ sở một mạng lưới sông được số hoá và các thiết lập trực tiếp trên màn hình máy tính trong ArcView GIS. Tất cả các thông tin về mạng lưới sông, vị trí các hộ dùng nước, hồ chứa, cửa lấy nước, các yêu cầu về chuyển dòng, dòng hồi quy đều được xác định trên màn hình. Nhập liệu chủ yếu của mô hình bao gồm số liệu theo thời gian của dòng chảy trên lưu vực của từng nhánh. Các tệp số liệu bổ trợ gồm các đặc tính hồ chứa và các quy tắc vận hành của từng hồ chứa, liệt số liệu khí tượng và số liệu tương ứng với hệ thống hoặc cấp nước như nhu cầu nước và các thông tin về dòng hồi quy. Cơ sở lý thuyết của mô hình được trình bày trong phần phụ lục I.2 2.2. Ứng dụng mô hình MIKEBASIN tính toán cân bằng nước trên lưu vực sông [...]... 14,439 2,498 Các kết quả tính toán cân bằng nước cho lưu vực sông Cầu được trình bày cụ thể ở phần phụ lục III 2.3 Nhận xét: Kết quả tính toán cân bằng giữa nguồn nước đến và nguồn nước dùng trên lưu vực sông đã đưa ra bức tranh cân bằng nước toàn cảnh thực tế xảy ra trên lưu vực sông Cầu Từ kết quả tính toán cân bằng nước có thể sơ bộ đánh giá được nguồn nước mặt trên lưu vực sông Cầu phân bố rất không... mô hình tính toán cho khu vực nghiên cứu Các bước tiến hành xây dựng sơ đồ hệ thống cho bài toán cân bằng số lượng nước sông Cầu như sau: - Phân chia các lưu vực bộ phận để tính toán nguồn nước đến - Phân chia các vùng sử dụng nước cho nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt - Lập sơ đồ mô hình hệ thống 2.2.1.1 Phân chia các lưu vực bộ phận Việc phân chia các lưu vực bộ phận và tính toán số liệu dòng chảy. .. tiên hàng đầu Kết quả tính toán: Biến đổi dòng chảy tại một số nút trên sông Để đánh giá được sự ảnh hưởng của các công trình thuỷ lợi tới dòng chảy trong sông, ta sẽ xem xét sự phân chia nước của một số nút đặc trưng trên sông Cầu - Tuyến trên đập Thác Huống (tại nút tiếp nhận nước từ hồ Núi Cốc) Sau khi cung cấp nước cho khu nông nghiệp thượng Thác Huống thì dòng chảy trên sông Cầu thiếu hụt một lượng.. .Cầu với các kịch bản khác nhau Để ứng dụng được mô hình cần phải tập trung vào các nội dung chủ yếu như sau: - Thiết lập sơ đồ hệ thống cho bài toán mô phỏng cân bằng số lượng nước cho vùng nghiên cứu - Chuẩn bị số liệu đầu vào cho việc tính toán ứng dụng mô hình bao gồm vấn đề hiệu chỉnh xác định bộ thông số và tính toán các phương án - Tính toán các phương án dựa trên sơ đồ và số... nông sông Cầu vào các tháng mùa kiệt với Q bổ sung là 11-12 m3/s, song thực tế mới chỉ cung cấp được 4-6 m3/s 2.2.1.3 Lập sơ đồ hệ thống Tiếp nước đập Thác Huống Khu thượng Thác Huống Đập Thác Huống Khu Hạ Thác Huống Khu CN Thái Nguyên Khu Thượng Núi Cốc Sông Công Hồ Núi Cốc Khu Hạ Núi Cốc Hình 2-2: Sơ đồ tính toán cân bằng nước lưu vực sông Cầu Hình 2-3: Sơ đồ mô phỏng hệ thống sử dụng nước lưu vực sông. .. m3 d Các thông số của mô hình Các thông số tính toán cân bằng nước của mô hình được xác định thông qua hệ số tổn thất vào nước ngầm và hệ số hồi quy - Hệ số tổn thất vào dòng chảy ngầm được xác định chung cho các khu vực: 1% - Hệ số hồi quy trở lại sông được xác định dựa trên đặc điểm của khu vực sử dụng nước Đối với nút tưới ở khu vực đồng bằng, hệ số được lấy bằng 20%, khu vực miền núi được lấy bằng... Nhu cầu nước cho nông nghiệp Nhu cầu nước của các loại cây trồng Tính toán nhu cầu nước cho các loại cây trồng thực chất là bài toán cân bằng nước tại mặt ruộng cho các khu tưới và tổng hợp cho toàn hệ thống với các kiểu bố trí cây trồng khác nhau vào những thời điểm khác nhau Luận văn sử dụng phần mềm CROPWAT để tính toán nhu cầu nước cho cây trồng tại khu vực tính toán Cơ sở lý thuyết của mô hình. .. số liệu dòng chảy đến các lưu vực bộ phận đã được trình bày ở mục 3.2.2, chương III 2.2.1.2 Phân chia các vùng sử dụng nước Căn cứ theo các đặc điểm địa hình, sông suối, khí tượng thủy văn và các điều kiện tự nhiên khác, tiến hành phân vùng sử dụng nước trên lưu vực sông Cầu Các vùng sử dụng nước được phân chia chủ yếu dựa vào nước dùng của nông nghiệp, trên cơ sở các vùng sử dụng nước này sẽ tổng hợp... Thời vụ tính toán: Thời vụ tính toán được chọn phụ thuộc vào yêu cầu sản xuất của nông dân tùy thuộc vào từng địa phương, thời tiết, giống cây trồng và nguồn nước Đối với khu vực sông Cầu, thời vụ tính toán được chọn như sau: Vụ chiêm: từ tháng I-VI Vụ mùa: từ tháng VI-X Vụ đông: từ tháng X-I * Mô hình mưa vụ thiết kế: + Liệt số liệu mưa: Một chuỗi quan trắc mưa được gọi là đủ khi kết quả tính toán đảm... nước cho thủy sản ta tính được nhu cầu nước cho thủy sản như bảng 4-18 và bảng 4-19 Bảng 2-18: Nhu cầu nước cho thủy sản hiện tại lưu vực sông Cầu TT Khu dùng nước Diện tích nuôi thủy sản (ha) Nước dùng (m3/s) 1 Khu Thượng Thác Huống 1646 0,49 2 Khu Hạ Thác Huống 1775 0,55 3 Khu Thượng Núi Cốc 505 0,16 4 Khu Hạ Núi Cốc 702 0,22 Bảng 2-19: Nhu cầu nước cho thủy sản lưu vực sông Cầu (giai đoạn 2010-2020) . CHƯƠNG 1: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH NAM TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY TRÊN LƯU VỰC SÔNG CẦU 1.1. Giới thiệu mô hình NAM Mô hình NAM là mô hình cải tiến từ mô hình Nielsen-Hansen, được công. cụ thể ở phần phụ lục I.1. 1.2. Ứng dụng mô hình NAM tính toán dòng chảy ngày trên lưu vực sông Cầu 1.2.1. Tìm bộ thông số của các trạm lưu lượng trên lưu vực: Số liệu đầu vào: - Số liệu. hợp tính toán cho lưu vực nhỏ, muốn áp dụng cho lưu vực lớn thì phải chia thành các lưu vực nhỏ để tính toán. Như vậy luận văn sử dụng mô hình NAM để kéo dài số liệu cho các tiểu lưu vực sông