Đang tải... (xem toàn văn)
Sông Hồng là con sông lớn nhất ở miền Bắc Việt Nam, nó có giá trị về kinh tế và lịch sử rất lớn. Lũ và hạn hán trên sông Hồng là những vấn đề nóng bỏng những năm gần đây. Dưới tác động của BĐKH và nước biển dâng những vấn đề này ngày càng nghiêm trọng. Do đó mô phỏng lũ hay kiệt cho sông Hồng là rất quan trọng. Nghiên cứu này thiết lập mô hình toán để mô phỏng lũ cho khu vực sông Hồng Hà Nội. Phương pháp sai phân hữu hạn được áp dụng để giải các phương trình nước mặt trên các mắt lưới (Staggered grid). Phương pháp tính toán những điểm khô và ướt (Wetting and drying scheme) cũng được xem xét trong nghiên cứu. Những kết quả về hiệu chỉnh và kiểm định của mô hình toán được đưa ra và thảo luận trong nghiên cứu này.
BÀI BÁO KHOA HỌC THIẾT LẬP MƠ HÌNH THỦY LỰC HAI CHIỀU ĐỂ TÍNH TỐN LŨ CHO KHU VỰC SƠNG HỒNG ĐOẠN TỪ SƠN TÂY TỚI HƯNG YÊN Sái Hồng Anh1,2, Lê Viết Sơn1, Toshinori Tabata2, Kazuaki Hiramatsu2 Tóm tắt: Sông Hồng sông lớn miền Bắc Việt Nam, có giá trị kinh tế lịch sử lớn Lũ hạn hán sông Hồng vấn đề nóng bỏng năm gần Dưới tác động BĐKH nước biển dâng vấn đề ngày nghiêm trọng Do mô lũ hay kiệt cho sông Hồng quan trọng Nghiên cứu thiết lập mơ hình tốn để mô lũ cho khu vực sông Hồng Hà Nội Phương pháp sai phân hữu hạn áp dụng để giải phương trình nước mặt mắt lưới (Staggered grid) Phương pháp tính tốn điểm khơ ướt (Wetting and drying scheme) xem xét nghiên cứu Những kết hiệu chỉnh kiểm định mơ hình tốn đưa thảo luận nghiên cứu Từ khóa: Sơng Hồng, mơ hình hai chiều, Lũ hạn hán sơng Hồng, Phương pháp sai phân hữu hạn MỞ ĐẦU1 Hiện Việt Nam nhiều nơi giới lũ lụt thảm họa thiên nhiên gây thiệt hại lớn cho kinh tế xã hội Theo thống kê Ngân hàng Thế giới năm 2005 lũ lụt ảnh hưởng gần 10% đất đai giới xấp xỉ 38% dân số giới Do đó, việc tính tốn, mơ dự đốn diễn biến dòng chảy lũ đóng vai trò vơ quan trọng việc ban hành định phòng chống, đánh giá rủi ro đưa giải pháp quản lý lũ lụt Sự nguy hiểm lũ lụt ghi nhận với hậu khủng khiếp nhiều nơi giới Theo Tài chính, Chính phủ Hồng gia Thái Lan ngân hàng Thế giới, có tới 13 triệu người sáu triệu đất 66 số 77 tỉnh Thái Lan bị ảnh hưởng lũ lụt vào năm 2011 Lũ lụt gây thiên tai Pakistan vào năm 2010 Theo nghiên cứu Hajat cộng năm 2005, Châu Âu lũ lụt thảm họa tự nhiên phổ biến có nhiều hậu sức khoẻ người, bao gồm chết đuối chấn thương Phòng Quy hoạch thủy lợi Bắc Bộ, Viện Quy hoạch Thủy lợi Khoa Nông nghiệp, Trường Đại học Kyushu, Nhật Bản 118 Sông Hồng sông lớn miền Bắc Việt Nam, sông chảy qua thủ Hà Nội có giá trị kinh tế lịch sử lớn Tuy nhiên năm 1971, thảm họa lũ xẩy lưu vực sông Hồng bao gồm nhiều tỉnh bị ảnh hưởng có thủ đô Hà Nội Đây mười trận lũ lụt tồi tệ kỷ 20 Thời tiết nguy hiểm khu vực dẫn đến mưa lớn dẫn tới gia tăng đáng kể mực nước hệ thống sông Hồng Tổng cộng 100.000 ngàn người chết thiên tai (NOAA, 1993) Ngồi ra, mực nước mùa lũ cao trước nạn phá rừng bồi lắng trầm tích thượng nguồn sơng Lưu vực sơng Hồng bị ảnh hưởng dòng nước thượng lưu cơng trình thủy lợi bị xuống cấp Việt Nam Nhiều giải pháp Chính phủ bên liên quan (Nghị định 04/2011/NĐ-CP, 62/1999/NĐ-CP) đưa để bảo vệ Hà Nội khỏi lũ lụt Tuy nhiên, tất giải pháp phải xem xét đến khu dân cư nằm khu vực bảo vệ hệ thống đê sông Hồng Hiện có nhiều khu dân cư ven sơng Do đó, việc đánh giá tồn diện tác động lũ đến hệ thống đê sông Hồng nằm thủ Hà Nội tình khẩn cấp quan trọng Ngồi ra, tính tốn để đưa đồ ngập lụt KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 57 (6/2017) quan trọng để đánh giá tác động lũ lụt khu dân cư Trong nghiên cứu này, mơ hình tốn để mơ lũ xây dựng kiểm định Phương pháp sai phân hữu hạn áp dụng để giải phương trình nước mặt mắt lưới (Staggered grid) Phương pháp tính tốn điểm khô ướt (Wetting and drying scheme) xem xét nghiên cứu Sự xác ổn định mơ hình thủy lực bị ảnh hưởng phương pháp giải cho điểm khô ướt, đặc biệt khu vực có địa hình phức tạp Việc xử lý điểm khơ ướt địa hình phức tạp gây lỗi cho mơ hình tốn (Brufau et al., 2004) Trong nghiên cứu này, áp dụng phương pháp Uchiyama (2004) để giải cho ô lưới khơ ướt mơ hình Phương pháp sử dụng hàm để xác định mắt lưới khô hay ướt, gọi LMF (Land mark function) để xác định giá trị độ sâu ngưỡng ban đầu dth so sánh với tổng cột nước D(m,n) = h(m,n)+ ƞ(m,n) mắt lưới ta xác định lưới ướt hay khô điểm Ngồi có phương pháp khác Leendertse (1970 - 1987) so sánh mực nước điểm cần xác định với mực nước trung bình điểm xung quanh Stelling (1984) kỹ thuật STE dựa phân tích độ sâu điểm xung quanh điểm cần tính phương pháp Leendertse, mắt lưới loại trừ khỏi tính tốn khơ, tất bốn chiều sâu xung quanh điểm thấp giá trị ngưỡng thích hợp Falconer and Owens (1987) có tảng giống với nhà nghiên cứu trên, nhiên khác biệt chỗ mắt lưới ướt xung quanh mắt lưới cần tính sử dụng cho tính mực nước trung bình TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU Khu vực nghiên cứu thể hình 1, phần sơng Hồng, chảy qua thủ đô Hà Nội từ xã Vĩnh Thịnh-Sơn Tây đến khu vực cầu Yên Lệnh thành phố Hưng Yên, Việt Nam với chiều dài khoảng 110km Nó bao quanh hệ thống đê sông Hồng để bảo vệ Hà Nội khỏi lũ lụt Phía Bắc phần giáp với tỉnh Vĩnh Phúc Hà Nội, phía Nam giáp với Hà Nội, phía Đơng giáp với Hà Nội phần tỉnh Hưng Yên Dữ liệu địa hình Viện Quy hoạch thuỷ lợi Việt Nam (IWRP) khảo sát thu thập từ năm 2011 đến năm 2014 Khu vực nghiên cứu 364 km2 với 145.728 lưới vng có chiều rộng 50 m Thuật tốn nội suy điểm lân cận phần mềm GIS sử dụng để nội suy cao độ địa hình từ điểm có sẵn cho tồn mắt lưới tính tốn Các kết hiệu chỉnh kiểm định với số liệu thực đo trình bầy thảo luận nghiên cứu Hình Tổng quan khu vực nghiên cứu PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN 3.1 Mơ hình thủy động lực Hiện có nhiều mơ hình tốn để tính tốn thủy lực mơ hình Mike (Mike 11, Mike 21, Mike flood ), mơ hình Sobek hay mơ hình Hec-Ras, mơ hình thuận tiện, nhiên mơ hình đóng, người sử dụng khó để hiểu hết thuật toán sử dụng tác động vào mã để thiết lập mơ hình Do việc phát triển mơ hình vơ quan trọng Những năm gần mơ hình thủy động lực học chiều sử dụng rộng rãi KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 57 (6/2017) 119 để mơ diễn biến dòng chảy hở sông, hồ khu vực ven biển với kết tốt Trong nghiên cứu chúng tơi thiết lập mơ hình thủy lực chiều với phương pháp sai phân hữu hạn để giải phương trình nước mặt cho khu vực nghiên cứu Mơ hình viết ngơn ngữ lập trình Fortran Các phương trình nước mặt (Shallow water equations) sử dụng nghiên cứu sau: Phương trình liên tục: Uh Vh t x y (1) Phương trình động lượng theo phương x y: 2U 2U U U U U V fV g v h t x y x y x gn 2U U V h 4 (2) 2V 2V gn 2V U V V V V U V fU g vh t x y y y h x (3) U V thành phần vận tốc ngang theo phương x y; n mực nước; t bước thời gian; h chiều cao cột nước; ƒ lực Coriolis; g gia tốc trọng trường; n hệ số nhám; vh hệ số nhớt tính tốn phương trình Smagorinsky (1963) 1/ U V V V vh S m AG 2 x y y x (4) Sm hệ số Smagorinsky, and AG diện tích cho lưới Các thơng số dùng tính tốn sau: Thơng số t ( s ) x y ( m ) Sm n s/m1/3 AG (m2) f(/s) g(m/s2) Giá trị 2.0 50.0 0.2 0.025-0.172 2500.0 5.24*10-5 9.8 Hệ số nhám tham số quan trọng đại diện cho sức cản dòng chảy lũ vùng ngập lũ Nó ảnh hưởng tới mực nước vận tốc Trong nghiên cứu hệ số nhám thiết lập từ 0.025 tới 0.172 cho khu vực dựa vào nghiên cứu công bố Brunner and Bonner, 2010 Bricker et al., 2015 Hình cho thấy phân bố độ nhám khu vực, sử dụng phần mềm GIS để mơ 120 Hình Phân bố độ nhám cho khu vực nghiên cứu 3.2 Kỹ thuật sai phân (Discretization techniques) Phương pháp sai phân hữu hạn áp dụng để giải phương trình từ đến lưới (Staggered grid) hình Ở thành phần vận tốc U V tính tốn phương trình động lượng sau phương trình liên tục số tính mực nước Trong phương pháp này, mực nước vận tốc tính tốn ln phiên bước thời gian Phương pháp sai phân thời gian Leapfrog sử dụng để tạo luân phiên thời gian (Vreugdenhil, 1994), bước KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 57 (6/2017) thời gian 2s sử dụng mô hình Trong mơ hình tốn này, lược đồ Upwind bậc (Second order upwind schemes) nghiên cứu Anderson năm 1995 áp dụng để giải thành phần vận tốc ngang theo phương x y Thành phần vận tốc U theo phương x y tính sau: Từ phải qua trái U x m 2,n 3U m ,n 4U m ,n U m ,n 2 (5) 2x Từ trái qua phải U x m ,n 3U m ,n 4U m ,n U m ,n 2 2x Từ lên 3U m ,n 4U m,n1 U m,n2 U y m 2,n 2y Từ xuống 3U m ,n 4U m,n 1 U m,n 2 U y 2y m 2,n (6) (7) (8) mô tượng mơ hình dòng chảy nước mặt hai chiều Bradford Sanders năm 2002 áp dụng phương pháp thể tích hữu hạn (finite volume method) để mơ tượng khô ướt đề cập đến khó khăn, giải pháp cho phương pháp Hiện tượng dòng nước mặt khơng ổn định nghiên cứu xử lý Cea năm 2007 Một thuật tốn ướt khơ rút trực tiếp từ phương trình vi phân Casulli năm 2009 Trong nghiên cứu này, khu vực nghiên cứu kết hợp lòng dẫn sơng Hồng khu vực bãi sông, coi vùng ngập lũ Khu vực bãi ban đầu khô ướt mực nước sông dâng cao Một hàm để xác định mắt lưới khô hay ướt áp dụng nghiên cứu này, gọi LMF (Land mark function) Quy định sau 'LMF = 1' mắt lưới ướt, ngược lại LMF = mắt lưới khơng có nước Giá trị LMF tính toán lại sau bước thới gian Phương pháp so sánh giá trị độ sâu ngưỡng ban đầu dth với tổng cột nước D(m,n) = h(m,n)+ ƞ(m,n) mắt lưới LMF =1 D(m,n)> dth Trong đó, ba điều kiện áp dụng q trình tính tốn D(m,n)< dth nhỏ hơn: m 1, n , m 1, n , m , n 1 , m , n 1 m , n D m 1, n , D m 1, n , Dm , n 1 , Dm , n 1 d th max LMF m 1, n , LMF m 1, n , LMFm , n 1 , LMFm , n 1 Hình Lưới (Staggered grid) Hồn tồn tương tự cách tính với thành phần vận tốc V theo phương x y 3.3 Tính tốn cho điểm khô ướt (Wetting and drying schemes) Hiện tượng khô ướt xảy phổ biến khu vực ven biển thủy triều, khu vực ngập lũ nước lũ tràn tới vùng đất khô hay vùng đất khô bị ảnh hưởng vỡ đập, xả lũ Rất nhiều nghiên cứu thảo luận cách xử lý cho q trình xảy tượng khơ ướt Balzano năm 1998 đề cập đến bảy phương pháp toán Điểm bị loại trừ khỏi q trình tính tốn có điều kiện đáp ứng, nghĩa LMF(m,n)=0 Nếu khơng có điều kiện thỏa mãn LMF (m, n) thiết lập 1,điểm lưới đưa vào miền tính tốn Q trình tính tốn cho hàm LMF lặp lại tất bước tính cho tất mắt lưới 3.4 Biên mơ hình Trong nghiên cứu chúng tơi sử dụng biên lưu lượng đầu vào trạm Sơn Tây năm 2013 2014 Các biên đầu mơ hình mực nước trạm Thượng Cát Hưng Yên Các biên lưu lượng mực nước số liệu thực đo Viện Quy hoạch Thủy Lợi, Bộ Nông KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 57 (6/2017) 121 nghiệp Phát triển nông thôn thu thập HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MƠ HÌNH Mơ hình tốn hiệu chỉnh kiểm định với số liệu thực đo trạm Long Biên Các thơng số sai số tồn phương trung bình (RMSE) hệ số NASH tính tốn để đánh giá xác mơ hình Hiệu chỉnh có khoảng thời gian bao gồm: từ 17/02/2013 đến 25/02/2013 từ 02/08/2013 đến 16/08/2013 Kiểm định mô hình từ 23/01/2014 đến 01/02/2014 từ 02/07/2014 đến 10/07/2014 Bảng cho thấy kết hiệu chỉnh tốt với hệ số RMSE từ 0.06 0.14 cho giai đoạn, hệ số NASH cao 0.98 0.94 Trong hình cho thấy trình mực nước thực đo tính tốn sát Những kết cho thấy kết tính mơ hình đáng tin cậy Kết kiểm định bảng cho thấy xác mơ hình Với sai số tồn phương trung bình 0.05 0.17 cho giao đoạn, hệ số NASH 0.96 0.99 Hình cho thấy tương quan tốt kết thực đo tính tốn Bảng Kết hiệu chỉnh kiểm định mơ hình Trạm Long Biên Năm 2013 –Hiệu chỉnh Giai đoạn Giai đoạn 17/2 - 25/2 2/8 -16/8 RMSE NASH RMSE NASH 0.06 0.98 0.14 0.94 Water Level (m) Water level (m) Observed Calculated 50 100 150 Water Level (m) 7.5 Observed Calculated 100 200 300 Time (h) Hình Kết mực nước tính tốn thực đo từ 02/08/2013 - 16/08/2013 Water Level (m) Observed Calculated 0 100 200 Time (h) Hình Kết mực nước tính tốn thực đo 23/01/2014 - 01/02/2014 122 Observed Calculated 50 100 150 Time (h) Hình Kết mực nước tính tốn thực đo từ 17/02/2013 -25/02/2013 7.5 2.5 Time (h) 2.5 Năm 2014 –Kiểm định Giai đoạn Giai đoạn 23/1 - 1/2 2/7 -10/7 RMSE NASH RMSE NASH 0.05 0.99 0.17 0.96 Hình Kết mực nước tính tốn thực đo 02/07/2014 - 10/07/2014 Với kết hiệu chỉnh kiểm định trên, mơ hình tốn cho thấy tin cậy kết tính tốn KẾT LUẬN Trong nghiên cứu này, chúng tơi thiết lập mơ hình thủy lực chiều với phương pháp sai phân hữu hạn để giải phương trình nước mặt cho khu vực nghiên cứu Phương trình liên tục sử dụng để tính mực nước bước thời gian (2 giây) Phương trình động lượng để tính thành phần vận tốc U V theo phương x y Phương pháp tính tốn cho điểm khơ ướt thời điểm áp dụng theo công thức Uchiyama Kết tính tốn mơ hình mô tốt chế độ thủy động lực cho kết tính tốn q trình hiệu chỉnh kiểm định phù hợp với giá trị thực đo, có KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MƠI TRƯỜNG - SỐ 57 (6/2017) thể áp dụng mơ hình cho tính tốn lũ sau Hiện khu vực dân cư ngồi đê sơng Hồng phải đối mặt với lũ lụt trận lũ gần gây ảnh hưởng lớn năm 1996, 1998, 2002 việc áp dụng mơ hình thủy lực để mơ lũ cho khu vực cần thiết Các phần mềm thủy lực thương mại phần lớn mơ hình đóng có chi phí đắt đỏ, một hạn chế lớn nhà nghiên cứu, đặc biệt nhà nghiên cứu trẻ Do phát triển mơ hình thủy lực lựa chọn tốt cho nhà nghiên cứu Trong nghiên cứu phương pháp giải đáp ứng yêu cầu đơn giản mang lại ổn định xác cao TÀI LIỆU THAM KHẢO Anderson, J D (1995) Computational Fluid Dynamics the Basics with Applications Balzano, A (1998) ‘Evaluation of methods for numerical simulation of wetting and drying in shallow water flow models’, Coastal Engineering Balzanor Coastal Engineering, 34(34), pp 83– 107 doi: 10.1016/S0378-3839(98)00015-5 Bricker, J.D et al., 2015 On the Need for Larger Manning’s Roughness Coefficients in DepthIntegrated Tsunami Inundation Models , 57(2), pp.1–13 Brufau, P., García-Navarro, P & Vázquez-Cendón, M.E., 2004 Zero mass error using unsteady wetting-drying conditions in shallow flows over dry irregular topography International Journal for Numerical Methods in Fluids, 45(10), pp.1047–1082 Brunner, G & Bonner, V., 2010 HEC River Analysis System (HEC-RAS) Version 4.1 January 2010., (January), p.411 Government 04/2011/NĐ-CP, 2011 Abolish the use of flooding diversion areas and flooding diversion system of Day river, Vietnam Government 62/1999/NĐ-CP, 1999 Regulation of flood diversion of the Red River system to protect Hanoi, Vietnam NOAA National Weather Service Public, 1993 NOAA’s Top Global Weather, Water and Climate Events of the 20 US National Oceanic and Atmospheric Administration Smagorinsky, J., 1963 General Circulation Experiments With The Primitive Equations., 91(3) Uchiyama, Y., 2004 Modeling wetting and drying scheme based on an extended logarithmic law for a three-dimensional sigma-coordinate coastal ocean model Report of the Port and Airport Research Institute, 43(4), pp.3–21 Abstract: DEVELOPMENT OF TWO-DIMENSIONAL NUMERICAL MODEL FOR FLOOD SIMULATIONS OF THE RED RIVER FROM SON TAY TO HUNG YEN, HANOI - VIETNAM The Red River is the largest river in the northern Vietnam Floods and droughts are hot issues in recent years in the Red River basin Especially, under the impact of climate change and sea level rise these issues are more serious Therefore, development of the hydrodynamic model to simulate floods is essential This study constructed a numerical model for simulating floods in the Red River area in Hanoi The finite difference method is applied to solve the shallow water equations on the staggered grid The wetting and drying scheme was also considered in the study The validation and calibration results of the mathematical model are given and discussed in this study Keywords: The Red River, two-dimensional model, Flood and drought in Red River, finite difference method BBT nhận bài: 09/5/2017 Phản biện xong: 23/6/2017 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 57 (6/2017) 123 ... cần tính sử dụng cho tính mực nước trung bình TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU Khu vực nghiên cứu thể hình 1, phần sơng Hồng, chảy qua thủ đô Hà Nội từ xã Vĩnh Thịnh -Sơn Tây đến khu vực cầu Yên. .. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN 3.1 Mơ hình thủy động lực Hiện có nhiều mơ hình tốn để tính tốn thủy lực mơ hình Mike (Mike 11, Mike 21, Mike flood ), mơ hình Sobek hay mơ hình Hec-Ras, mơ hình thuận tiện,... nhiên mơ hình đóng, người sử dụng khó để hiểu hết thuật toán sử dụng tác động vào mã để thiết lập mơ hình Do việc phát triển mơ hình vơ quan trọng Những năm gần mơ hình thủy động lực học chiều sử