BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN VIỆN QUI HOẠCH THỦY LỢI ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KH&CN CẤP BỘ: “NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ ĐỂ PHÁT TRIỂN BỀN VỮNG LƯU VỰC SÔNG HỒNG” Chủ nhiệm đề tài: TS Tô Trung Nghĩa _ BÁO CÁO TỔNG KẾT CÁC CHUYÊN ĐỀ NGHIÊN CỨU: TỔNG THUẬT TÀI LIỆU 7226-3 19/03/2009 HÀ NỘI - 2008 BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN VIỆN QUY HOẠCH THUỶ LỢI BÁO CÁO TỔNG KẾT CHUYÊN ĐỀ RÀ SỐT, PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ CÁC NGUỒN TÀI LIỆU TRONG VÀ NGỒI NƯỚC CĨ LIÊN QUAN TRONG TÍNH TỐN THUỶ VĂN, TÍNH CÂN BẰNG NƯỚC PHỤC VỤ QUẢN LÝ TỔNG HỢP TÀI NGUYÊN NƯỚC Một số hướng tiếp cận mơ hình tốn thơng dụng TANK, NAM,MITSIM, MIKE BASIN CƠ QUAN CHỦ TRÌ THỰC HIỆN Chủ nhịêm đề tài : TS Tô Trung Nghĩa Chủ nhiệm chuyên đề : Ks Vũ Phương Nam Hà nội, 2007 MỤC LỤC Mục Trang I GIỚI THIỆU CHUNG II PHƯƠNG PHÁP VÀ SỐ LIỆU NGHIÊN CỨU II.1 MÔ HÌNH THUỶ VĂN II.1.1 Khái niệm mơ hình thuỷ văn II.1.2 Phân loại mơ hình tốn thuỷ văn II.1.3 Xác định thông số mô hình tốn thuỷ văn II.1.4 Một số hướng tiếp cận mơ hình thuỷ văn A Mơ hình TANK B Mơ hình NAM II.2 TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NƯỚC II.2.1 Đặt vấn đề 13 II.2.2 Mục đích u cầu tính tốn cân nước 13 II.2.3 Một số hướng tiếp cận mô hình tính tốn cân nước 16 A Mơ hình MITSIM 16 B Mơ hình MIKE BASIN 24 III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 27 IV KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 28 V PHỤ LỤC 28 I GIỚI THIỆU CHUNG Trong vài chục năm gần đây, việc tính tốn thuỷ văn tính cân nước mơ hình hố cách mạnh mẽ Tại nhiều quốc gia, nhiều Trung tâm, Viện nghiên cứu, trường Đại học lớn giới đầu tư nhiều cho lĩnh vực nghiên cứu này, điển hình nước Mỹ, Nhật Bản, Anh, Đan Mạch, Hà Lan, Pháp…Hàng trăm mơ hình lớn nhỏ đời áp dụng rộng rãi nhiều lưu vực sông lớn nhỏ giới đưa kết khả quan có tính tin cậy cao Các mơ hình tính tốn dịng chảy tiếng giới có mặt Việt Nam Các Viện nghiên cứu, trường Đại học hay công ty tư vấn thuộc ngành nước ứng dụng mơ hình tính tốn dịng chảy vào nghiên cứu mình, kết mà mơ hình đưa đánh giá tốt, phục vụ đắc lực cho việc thiết kế cơng trình nghiên cứu sử dụng quản lý tổng hợp tài ngun nước Việc mơ hình hố dịng chảy xuất phát từ vấn đề đánh giá lượng dịng chảy lý khơng quan trắc Đây vấn đề khó khăn mà thực tế không riêng nhà thuỷ văn nước ta phải đối mặt Chúng ta có hệ thống trạm quan trắc dòng chảy hạn chế số lượng, tập trung sông lớn, lưu vực rộng Còn nhiều lưu vực vừa nhỏ chưa có trạm quan trắc Do mơ hình tính tốn dịng chảy công cụ quan trọng nghiên cứu, tính tốn ngành nước II PHƯƠNG PHÁP VÀ SỐ LIỆU (TÀI LIỆU) NGHIÊN CỨU Trong chuyên đề nghiên cứu tài liệu nước có liên quan đến tính tốn thuỷ văn cân nước, phân tích đánh giá số mơ hình tính tốn dịng chảy áp dụng nhiều nghiên cứu dòng chảy lưu vực sơng Việt Nam mơ hình TANK, NAM, MITSIM MIKE BASIN II.1 MƠ HÌNH THUỶ VĂN II.1.1 Khái niệm mơ hình thuỷ văn Việc nghiên cứu q trình chuyển động nước khí quyển, lục địa đại dương tuần hồn thuỷ văn có ý nghĩa quan trọng đặt cách toàn diện nhờ phát triển công nghệ thông tin lý thuyết phân tích hệ thống Việc nghiên cứu q trình chuyển động nước giải kỹ thuật phân tích hệ thống mà trọng tâm mơ hình hố q trình nghiên cứu Trong thuỷ văn, mơ hình biểu diễn tốn hay vật lý tượng hay tổng thể tượng nghiên cứu thơng số đặc trưng cho tính phức tạp, thay đổi theo không gian thời gian chúng Các mơ hình chia làm loại chính: - Mơ hình vật lý - Mơ hình tương tự - Mơ hình tốn thuỷ văn Việc mô tả tượng thuỷ văn biểu thức tốn học gọi mơ hình tốn thuỷ văn Vì tượng thuỷ văn phụ thuộc vào nhiều yếu tố biến đổi theo thời gian khơng gian, mơ hình toán học biểu diễn đầy đủ mối liên quan phức tạp địi hỏi khối lượng tính tốn lớn Với trợ giúp máy tính điện tử, mơ hình tốn thuỷ văn phát triển mạnh góp phần quan trọng đưa phương pháp tính tốn dịng chảy từ mưa vào ứng dụng thức tiễn I.1.2 Phân loại mơ hình tốn thuỷ văn Mơ hình tốn thuỷ văn chia làm loại: mơ hình tất định mơ hình ngẫu nhiên: 1- Mơ hình ngẫu nhiên: Vì dịng chảy chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố, yếu tố lại tác động lên dòng chảy theo quy luật riêng, phức tạp, mơ hình tốn học dù có chi tiết khó mơ tả đầy đủ xác tất mối quan hệ Mơ hình tốn học coi giá trị dịng chảy mang tính ngẫu nhiên chuỗi số tập hợp giá trị dòng chảy phải tn theo quy luật thống kê Những mơ hình tốn loại sử dụng có hiệu việc dự báo thủy văn dài hạn tính tốn thiết kế cơng trình sơng Hiện có loại: - Một để tính khả xuất hiện tượng, thường dùng để tính tốn thiết kế cơng trình sơng Nội dung lựa chọn đường phân bố xác suất phù hợp với chuỗi quan trắc có, tức tìm luật phân phối xác suất lý luận mà dòng chảy tuân theo Ví dụ hàm phân bố Pearson III, Log Normal, Gumbel… - Loại thứ mơ hình ngẫu nhiên để tính tốn dự báo dịng chảy mơ hình AR, ARIMA, phương pháp Montecarlo … 2- Mơ hình tất định: Dịng chảy coi kết tất nhiên lượng mưa, độ ẩm,… đặc điểm bề mặt lưu vực Trên sở mơ hình tìm biểu diễn quan hệ mưa - dịng chảy biểu thức tốn học khác Trong việc mơ hình hố hình thành dịng chảy có cách tiếp cận • Cách tiếp cận vật lý - tốn: Các cơng thức biểu diễn quy luật chung vật lý trờng hợp riêng là: Bảo tồn vật chất (phương trình liên tục cân nước), bảo toàn lượng (phương trình cân động lực), bảo tồn động lượng (phương trình động lượng) Hệ Sain - Venant với phương pháp số cụ thể giải ví dụ minh hoạ cách tiếp cận việc mơ hình hố giai đoạn cuối hình thành dịng chảy - giai đoạn chảy hệ thống sông Tuy nhiên cần phải có tài liệu địa hình, đặc trưng địa mạo … • Cách tiếp cận thơng số hố: Cách xây dựng mơ hình sở sử dụng tài liệu quan trắc đồng mưa dòng chảy Điều cho phép lựa chọn thơng số theo tài liệu đo đạc Mơ hình thơng số tập trung thường xét diện tích dịng chảy sở thơng số đặc trưng trung bình cho cảc lưu vực Mơ hình thơng số tập trung biểu diễn hàm vào hàm phụ thuộc vào thời gian mà khơng xét theo khơng gian Mơ hình thơng số phân tán ngồi yếu tố thời gian cịn chứa thông số thí dụ không gian Những mơ hình có thơng số tập trung lại chia làm loại mơ hình hộp đen mơ hình quan niệm - Mơ hình hộp đen: Cấu tạo thơng số mơ hình khơng rõ ràng Các mơ hình thơng số đơn giản dòng chảy mặt sớm dùng thuỷ văn Những mơ hình thường mơ hình mơ quan hệ dịng chảy mặt với lượng mưa diện tích hứng nước có dạng t kinh nghiệm - Mơ hình quan niệm: Khi hiểu biết sâu mơ hình dùng ngày phức tạp Do độ phức tạp ngày tăng dẫn đến phân chia mặt phương hướng sử dụng mơ hình Sự phân chia đẫn đến mơ hình thành phần mơ hình hệ thống Chu trình thuỷ văn xảy mặt đất chia thành nhiều thành phần Quan trọng thành phần thấm, bốc hơi, dòng chảy ngầm diễn tốn dịng chảy sơng ngịi, bao gồm tập trung dòng chảy sườn dốc dòng chảy sơng Chính từ việc nghiên cứu thành phần dẫn tới việc tìm hiểu qui luật vật lý, điều khiển yếu tố dẫn tới xây dựng mơ hình kinh nghiệm gần với chất vật lý tượng Các mơ hình quan niệm phổ biến như: SSARR (Mỹ), TANK (Nhật), Stanford (Mỹ), NAM (Đan Mạch)… Sự phân loại mơ hình nêu trình bày hình MƠ HÌNH TỐN THUỶ VĂN Mơ hình tất định Mơ hình thơng số tập trung Mơ hình hộp đen Mơ hình ngẫu nhiên Mơ hình thơng số phân tán Mơ hình quan niệm Hình PHÂN LOẠI MƠ HÌNH THUỶ VĂN I.1.3 Xác định thơng số mơ hình tốn thuỷ văn Các mơ hình nhiều thông số xây dựng sở nguyên tắc vật lý chứa hàng chục thông số lưu vực Đặc biệt thông số lại khơng thể đo đạc tính tốn trực đặc trưng địa vật lý khí hậu lưu vực Bởi dựa vào tình hình mưa dịng chảy với đặc trưng biết lưu vực Theo nhận định vật lý đánh giá phạm vi biến đổi thông số lưu vực tính chừng nhiều giá trị ban đầu thông số Dựa vào cách đặt tốn xác định thơng số mơ hình, phần tử cho trước, phần tử cần xác định ta phân toán thuận hay ngược + Bài toán thuận toán dựa lượng vào điều kiện ban đầu cho trước mơ hình, cần phải xác định lượng + Bài toán ngược, lượng coi cho trước cần tìm giá trị thơng số Bài tốn ngược quan trọng thuỷ văn đại xác định thông số phần tử chưa biết cấu trúc mơ hình Những tốn ngược thường tốn thiết lập khơng đắn sai sót nhỏ số liệu gốc dẫn đến sai số lớn đại lượng (những thơng số mơ hình) Việc xác định thông số dùng thuỷ văn phức tạp mặt khác lại khơng thể đảm bảo tính nghiệm Bởi cần sử dụng phương pháp tối ưu hố giải máy tính Một phương pháp dùng nhiều phương pháp tối ưu Rosenbrock Đối với mơ hình toán thuỷ văn nào, muốn sử dụng cho lưu vực cụ thể, trước hết phải xác định giá trị thơng số mơ hình Thế thơng số lại khơng thể xác định cách đo đạc trực tiếp mà dựa vào hiểu biết địa lý điều kiện khí hậu định để chọn lựa chừng thông số thử đi, thử lại nhiều lần thấy phù hợp theo tiêu chuẩn thơi Để làm điều đòi hỏi người sử dụng phải có kiến thức mơ hình hiểu biết kỹ lưỡng lưu vực nghiên cứu I.1.4 Một số hướng tiếp cận mơ hình thuỷ văn Từ trước tới số mơ hình tốn thiết lập để tính tốn thuỷ văn áp dụng hầu hết nghiên cứu dự án, có mơ : TANK, NAM Sau số nét sơ lược mô hình : A Mơ hình TANK a Giới thiệu mơ hình Mơ hình TANK đời năm 1956 Trung tâm Quốc gia phòng chống lũ lụt Nhật bản, tác giả M.Sugawara Từ đến mơ hình hoàn thiện dần ứng dụng rộng rãi nhiều nơi giới Ở Việt nam nhiều quan nghiên cứu ứng dụng Viện Quy hoạch Thuỷ lợi, Trường Đại học Thuỷ lợi, Viện Khí tượng Thuỷ văn … b Khả áp dụng Mơ hình TANK mơ hình coi mơ tốt q trình dịng chảy lưu vực sơng Mơ hình tính tốn dịng chảy từ yếu tố khí tượng lượng mưa, bốc phục vụ cho công tác phục hồi số liệu, bổ sung số liệu, dự báo dòng chảy dùng cho việc quy hoạch hệ thống thuỷ lợi, tính tốn xây dựng qui trình vận hành hồ chứa nước c Yêu cầu số liệu - Tài liệu mưa bình quân lưu vực (lượng mưa ngày, 10 ngày ) : Trong lưu vực phải có đủ số trạm mưa để đại diện lượng mưa cho tồn lưu vực, lượng mưa bình qn lưu vực tính tốn theo phương pháp đa giác Thiesen bình quân số học - Tài liệu bốc lưu vực : Lấy theo số liệu trạm khí tượng - Tài liệu dịng chảy năm có số liệu đo đạc để làm sở kiểm định phù hợp mơ hình (các thơng số mơ hình chọn tính tốn phù hợp) d Cơ sở lý thuyết Mơ hình TANK điển hình mơ hình dạng bể chứa, có cấu trúc tương tự bể chứa ẩm tầng đất lưu vực Trong trình phát triển tác giả đưa hai loại mơ hình cấu trúc dạng đơn cấu trúc dạng kép Mơ hình TANK dạng đơn gồm số bể chứa xếp theo chiều thẳng đứng Mỗi bể chứa có cửa đáy số cửa thành bên Nước mưa lượng vào bể cùng, sau khấu trừ tổn thất, phần thấm xuống theo cửa đáy, phần cung cấp cho dòng chảy sơng theo cửa thành bên Dịng chảy tổng cộng cửa thành bên cuối diễn toán qua bể điều tiết phản ánh khả điều tiết lưu vực, cuối cửa Cấu trúc mơ hình tương đối đơn giản thích hợp với lưu vực vừa nhỏ nằm vùng ẩm ướt Thường dùng dạng bể chứa (A,B,C,D) bể (A) có cửa thành bên, cửa có cửa thành bên Biểu thị dòng chảy qua cửa thành bên, tác giả dùng quan hệ đơn giản, lượng dịng chảy hàm tuyến tính lượng trữ Y=β(X-H) Yo=α.X Trong : β, α hệ số dòng chảy cửa thành bên đáy H: ngưỡng cửa X: Lượng trữ bể Hình 2: CẤU TRÚC MƠ HÌNH TANK DẠNG ĐƠN - Nhóm thơng số cửa gồm: Hệ số dòng chảy cửa thành bên: Bể A (A1, A2, A3), bể B (B1), bể C (C1), bể D (D1) hệ số cửa đáy A0, B0, C0, D0 Độ cao ngưỡng cửa thành bên : HA1, HA2, HA3, HB, HC, HD Thông số bể điều tiết: Hệ số cửa CH1, CH2; Độ cao ngưỡng: H • Cấu trúc ẩm: Mơ tả cấu trúc ẩm tầng đất mặt, bể tác giả chia làm phần: Giữa phần có truyền ẩm lên xuốngtrong số điều kiện tượng thấm trọng lực, tượng mao dẫn Các thơng số độ ẩm mơ hình gồm: Lớp ẩm bão hoà phần phần bể A : PS SS Lớp ẩm thực tế bể : bể A (XA, XS), bể B(XB), bể C(XC), bể D(XD) bể điều tiết (XCH) Trong bể A: Hệ số truyền ẩm lên TB0, TB; hệ số truyền ẩm xuống TC0, TC Hình 3: CÁC THƠNG SỐ TRONG BỂ A T1 T1=TBo+(1-XA/PS)TB T2 T1 TBo XA PS T2 T2=TCo+(1-XS/SS)TC TCo XS SS - Cơ cấu truyền ẩm: Khi phần bão hồ ẩm, có lớp nước tự mặt đất (XA>PS) mà phần bể A chưa bão hồ (XS