Danh mục chữ viết tắT


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐIỀU TIẾT HỆ THỐNG HỒ CHỨA LƯU VỰC SÔNG BA



tải về 6.75 Mb.
trang4/30
Chuyển đổi dữ liệu17.07.2016
Kích6.75 Mb.
#1785
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   30

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐIỀU TIẾT HỆ THỐNG HỒ CHỨA LƯU VỰC SÔNG BA

2.1 Giới thiệu chung về mô hình


Để tiến hành nghiên cứu cắt lũ cho hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Ba, tác giả tiến hành áp dụng các mô hình toán như mô hình thủy văn tham số phân bố Marine, mô hình điều tiết hồ chứa và mô hình tính toán thủy lực một chiều Muskingum.

Mô hình thủy văn tham số phân bố Marine (Modelisation de l’Anticipation du Ruissellement at des Inondations pour des événements Extrêmes) do Viện Cơ học chất lỏng Toulouse phát triển (IMFT – Institut de Mecanique de Fluides de Toulouse). Mô hình có chức năng thu gom nước mưa trên bề mặt lưu vực và tập trung ra hai bên bờ sông, được sử dụng để giải quyết phần biên lưu lượng vào các hồ chứa và lưu lượng gia nhập.

Mô hình điều tiết hồ chứa do Viện Cơ học viết, Viện Cơ học là một trong các cơ quan tư vấn tính toán vận hành hệ thống hồ chứa trên sông Hồng từ nhiều năm nay.

Lũ sau khi được hệ thống hồ chứa điều tiết sẽ diễn toán xuống hạ du đánh giá hiệu quả cắt giảm lũ của các phương án vận hành. Vì vậy phải lựa chọn phương pháp diễn toán nào đó vừa đơn giản, bảo đảm sai số cho phép mà tính toán nhanh.

Phạm vi nghiên cứu từ sau các hồ chứa lớn đến Củng Sơn, mạng sông ở đây có độ dốc lớn và không chịu ảnh hưởng của thuỷ triều, do đó nước chuyển động chủ yếu dưới tác động của trọng lực và phương trình biểu diễn đường cong thể tích đoạn sông. Vì vậy, mô hình tính toán thủy lực Muskingum được sử dụng để diễn toán lũ.

2.2. Mô đun tính lưu lượng đầu vào và gia nhập khu giữa


Mô hình MARINE mô phỏng quá trình hình thành dòng chảy sinh ra bởi mưa trên lưu vực dựa trên phương trình bảo toàn khối lượng:

(2.1)

Trong đó: V là thể tích khối chất lỏng xét.

là vận tốc của dòng chảy giữa các ô lưới.

P0 là lượng mưa.

Vì:

Với chất lỏng không nén được ta có , sử dụng công thức Green-Ostrogradski

ta thu được (2.2)

Vận tốc của dòng chảy trao đổi giữa các ô được tính theo công thức:

(2.3)

ở đây: pente - độ dốc

Manning – hệ số nhám Manning

Vì lưới sử dụng để tính toán là lưới vuông nên thay biểu thức vận tốc vào phương trình tích phân ta thu được:



(2.4)

Trong đó H là độ sâu mực nước của ô lưới tính.

H: sự thay đổi mực nước của ô lưới tính từ thời điểm t1 đến t2

x: chiều rộng của ô lưới

t: Bước thời gian tính

J: hướng dòng chảy của ô lưới (j = 1 4)

Đây chính là phương trình tính sự biến thiên mực nước theo thời gian của mỗi ô lưới.

Từ sự biến thiên mực nước DH của mỗi ô lưới ta tính được tổng lưu lượng trao đổi của mỗi ô (bao gồm lưu lượng nhận từ mưa, lưu lượng chảy vào và lưu lượng chảy ra) tại mỗi bước tính chính bằng sự biến thiên thể tích nước chứa trong ô.

DQ=DH*dx*dx (2.5)

Trong đó: dx là kích thước của lưới tính.

Đối với lưu vực kín, lưu vực chỉ có một điểm thoát nước, tại điểm thoát nước của lưu vực ta luôn có lưu lượng ra khỏi lưu vực là:

q=DQ


Đối với lưu vực hở, lưu vực nằm dọc hai bên bờ sông nên có nhiều điểm thoát nước. Với trường hợp này lưu lượng ra khỏi lưu vực là tổng lưu lượng trao đổi của các điểm thoát nước:

q=∑Q=∑DH*dx*dx (2.6)

MARINE diễn toán dòng chảy trao đổi giữa các ô lưới với nhau, lượng mưa rơi vào các ô của lưu vực được coi là lượng nước bổ sung tại mỗi bước thời gian tính. Quá trình diễn toán cuối cùng cho ta lưu lượng ra tại một điểm gọi là điểm thoát nước của lưu vực.

2.3. Mô đun vận hành hệ thống hồ chứa

Vận hành cửa van hệ thống hồ chứa trên sông Ba để cắt lũ khá phức tạp. Các cửa được mở theo từng nấc 0.5 m, các cửa được mở từ giữa ra. Hết một chu trình thì mở tiếp nấc mới. Các hồ đã đi vào hoạt động, việc vận hành của van tuân theo quy trình đã được phê duyệt. Do đó tác giả đã sử dụng một chương trình riêng mô phỏng lại đúng quy trình đóng mở cửa van hồ chứa để điều tiết lũ. Mô hình này được phát triển bới Viện Cơ học, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Phương trình cơ bản của quá trình điều tiết hồ chứa là phương pháp bảo toàn khối lượng được viết dưới dạng sau:

(2.7)

V(T­0) = Vo (2.8)

Ở đây V- thể tích nước chứa trong hồ tại thời điểm t. V là hàm phụ thuộc vào mực nước Z của hồ: z = z(t), V = V(z(t))

T0 là thời điểm hiện thời

Q1 - lưu lượng vào hồ, là hàm phụ thuộc vào thời gian

Q1 = Q11(t)+Q12(t)

Với Q11 là lưu lượng tự nhiên chảy vào hồ và Q12 là lưu lượng điều tiết từ hồ thượng lưu mắc nối tiếp với hồ xem xét (trong trường hợp không có hồ thượng lưu Q12=0).

Q2 – lưu lượng ra khỏi hồ

Q2(t) = Q21(t) + Q22(t)

Với Q21 là lưu lượng xả từ hồ qua các cửa xả đáy, cửa xả mặt và lưu lượng qua tuabin

Q21(t) = nxd(t) . Qxd(z(t)) + nxm(t) . Qxm(z(t)) + Qtb(z(t),N(t))

Ở đây:

nxd- số cửa xả đáy được mở, nxm- số cửa xả mặt được mở.



Qxd- lưu lượng qua 1 cửa xả đáy, phụ thuộc vào mực nước hồ.

Qxm- lưu lượng qua 1 cửa xả mặt, phụ thuộc vào mực nước hồ.

Qtb- lưu lượng qua tuốc bin, phụ thuộc vào mực nước của hồ và công suất phát.

Q22(t) là lưu lượng tổn thất do thấm và bốc hơi phụ thuộc vào thời gian và mực nước hồ.



Phương pháp giải

Tại thời điểm t, khi số cửa xả mặt nxm và nxd xác định, vế phải của phương trình (2.7) hoàn toàn xác định và là hàm của t và V. Phương trình (2.7) là phương trình vi phân đạo hàm thường với điều kiện ban đầu (2.8) được giải bằng phương pháp Ơ-le hoặc Runge –Kutta bậc 4.



2.4. Mô đun thủy lực hay mô hình diễn toán lũ

Mô hình diễn toán lũ nhằm xác định lưu lượng và mực nước của hệ thống sông tại các điểm quan trắc ở hạ du khi đã biết lưu lượng đầu vào của hệ thống bao gồm các lưu lượng điều tiết từ các hồ chứa trong hệ thống. Một cách tổng quát, mực nước và lưu lượng tại một điểm A dưới hạ du có thể biểu diễn như sau:

hadu(A,t) = f(Qhochua,Qbien,hbien,p) (2.9)

Tương tự

hadu(A,t) = f(Qhochua,Qbien,hbien,p) (2.10)

Trong đó

hochua(t) = (Qho(1)(t), Qho(2)(t), …,Qho(nho)(t))

với nho là số các hồ trong hệ thống

bien(t) = (Qbien(1)(t), Qbien(2)(t), …,Qbien(nbienq)(t))

với nbienq là số các biên cho lưu lượng trong hệ thống sông;

bien(t) = (hbien(1)(t), hbien(2)(t), …,hbien(nbienh)(t))

với nbienh là số các biên cho cho mực nước trong hệ thống sông;



p là đại lượng đặc trưng cho tham số lòng dẫn của hệ thống sông phụ thuộc vào mô hình toán được lựa chọn.

Phương trình (2.9), (2.10) sẽ được sử dụng để thiết lập điều kiện ràng buộc hoặc hàm mục tiêu của bài toán vận hành hệ thống hồ chứa.

Mô hình diễn toán dòng chảy có thể được thiết lập trên cơ sở các mô hình toán khác nhau: mô hình động lực dựa trên hệ phương trình Saint-Venant 1 chiều, mô hình sóng động học, sóng khuếch tán, mô hình Muskingum ...Đối với mô hình động lực p là các tham số đại diện cho từng mặt cắt của hệ thống sông bao gồm các thông số về hình học, hệ số nhám; đối với mô hình Muskingum, p là véc tơ các tham số K, x cho từng đoạn sông.

Trong luận văn này, tác giả chọn mô hình Muskingum để diễn toán lũ.

Cơ sở toán học của mô hình Muskingum:

Phương pháp này được McCarthy đề xuất năm 1939. Phương pháp này tuy đơn giản nhưng rất hiệu quả trong trường hợp số liệu địa hình không đầy đủ. Vì vậy, hiện nay phương pháp Muskingum vẫn được nhiều tác giả phát triển và sử dụng.

Phương pháp Muskingum được xây dựng như sau: Giả thiết rằng trên đoạn sông từ điểm x1 đến x2 có lưu lượng nhập lưu khu giữa, lấy tích phân hai vế phương trình bảo toàn khối lượng (2.11) theo x từ đầu đoạn sông x1 đến cuối đoạn sông x2 , ta thu được đẳng thức sau :

(2.11)

Trong đẳng thức (2.11): = V(t) là thể tích của khối nước trên đoạn sông từ điểm x1 đến điểm x2 tại thời điểm t. I(t) = Q(x1 ,t) là lưu lượng chảy vào trong đoạn sông. O(t) = Q(x2, t) là lưu lượng chảy ra ngoài đoạn sông. Đẳng thức (2.11) thể hiện định luật bảo toàn khối lượng sau: sự thay đổi khối lượng nước trên một đoạn sông bằng lưu lượng chảy vào trong đoạn sông trừ đi lưu lượng chảy ra ngoài đoạn sông.

Phương trình (2.11) có thể viết lại là:

+ QL (2.12)

Sai phân phương trình (2.12) theo t, ta thu được đẳng thức sau:

[V(t) – V(t-∆t)]/ ∆t = [I(t)-O(t)+ I(t-∆t)-O(t-∆t)] /2 +QL (2.13)

Phương pháp Muskingum giả thiết rằng các đại lượng trong phương trình (2.12) có liên quan với nhau qua đẳng thức:

V(t) = K[XI(t) + (1-X)O(t)] , (2.14)

với K, X là các hệ số kinh nghiệm (empirical) cho từng đoạn sông. K có thứ nguyên là thời gian, tương ứng với thời gian truyền lũ trong đoạn sông; X là tham số không thứ nguyên, phụ thuộc vào hình dạng của dung tích hình nêm đã mô hình hóa. Giá trị thay đổi từ 0 đối với dung tích kiểu hồ chứa, đến 0.5 đối với dung tích hình nêm đầy.

Thay V(t) trong phương trình (2.14) vào phương trình (2.13) ta thu được đẳng thức

K*X [I(t) – I(t-∆t)]/ ∆t + K(1-X) [O(t) – O(t-∆t)]/∆t= [I(t) + I(t-∆t)]/2 –[O(t)+O(t-∆t)]/2 +QL

Từ đẳng thức này ta thu được đẳng thức

[∆t +2K-2K*X]O(t) = [2K-2K*X-∆t]O(t-∆t)+[∆t-2K*X]I(t)+[∆t+2K*X]I(t-∆t) +QL*2∆t

Như vậy, lưu lượng chảy ra ngoài đoạn sông Q(t) trong phương pháp Muskingum được tính theo công thức:

O(t) = c1I(t- ∆t ) + c2I(t) + c3O(t-∆t ) +c4QL (2.15)

Các hệ số c1 , c2 , và c3 được tính theo công thức :



(2.16)



Tính toán lưu lượng chảy ra ngoài một đoạn sông theo phương pháp Muskingum đơn giản hơn tính toán trong mô hình sóng động học. Trong phương pháp Muskingum ta chỉ cần xác định 2 hệ số kinh nghiệm K và X cho đoạn sông và tính lưu lượng chảy ra Q(t) theo công thức (2.15).



2.5. Khả năng và yêu cầu dữ liệu của mô hình

Thu thập dữ liệu các trận lũ lịch sử trên lưu vực sông Ba, bao gồm các trận lũ như sau:



Năm

Qmax Củng sơn (m3/s)

Zmax Tuy Hòa (m)

1986

9200

4,64

1988

10500

4,39

2009

13540

4.65

Tương ứng với các trận lũ trong quá khứ, tác giả cũng thu thập được các tài liệu về hiện trạng hồ chứa trên lưu vực, các điều kiện địa hình, địa chất, thảm phủ, khí tượng thủy văn và mạng lưới sông suối trên hệ thống.

Số liệu hồ chứa:

- Thông số thiết kế.

- Quy trình vận hành phê duyệt

- Các báo cáo về tính toán thủy văn, điều tiết hồ chứa,…

Thu thập các số liệu khí tượng thủy văn: lượng mưa, mực nước, lưu lượng trích lũ của các năm từ 1977-2008.

Lựa chọn 3 hồ chứa lớn đã vận hành trước năm 2010 trên hệ thống, có khả năng cắt lũ phối hợp, tính toán để đưa vào quy trình liên hồ, bao gồm các hồ: Ayun Hạ, sông Ba Hạ, sông Hinh. Đây là những hồ chứa lớn trên lưu vực có khả năng điều hành cắt lũ. Các hồ chứa vẫn quản lý vận hành một cách riêng rẽ, chưa có phối kết hợp gắn kết với nhau nên không phát huy được hiệu quả phòng chống lũ cho hạ du của các hồ.

- Thu thập, phân tích các yêu cầu, tiêu chuẩn phòng chống lũ cho hạ du.

Phòng, chống và giảm đến mức thấp nhất các thiệt hại của lũ lụt, ngập úng khu vực trung lưu và hạ lưu sông Ba, tập trung chủ yếu cho đồng bằng hạ lưu ven biển Tuy Hòa và thành phố Tuy Hòa, nhằm ổn định dân cư, đảm bảo sản xuất tạo đà phát triển kinh tế xã hội bền vững.



CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA CỦA LƯU VỰC SÔNG BA

3.1. Các kịch bản lũ

Trong thời gian quan trắc 33 năm, chỉ có 2 năm 1993, 2009 thuộc năm lũ rất lớn. Cấp lũ lớn có 7 năm (1978, 1971, 1986, 1988, 1992, 1998, 2003), lũ trung bình xẩy ra vào năm 1983, 1984, 1985, 1990, 2001,... Các năm lũ rất nhỏ chỉ có 4 năm 1982, 1989, 2002, 2006.

Trên cơ sở phân tích tài liệu khí tượng thủy văn, tình hình ngập lụt lũ trong lưu vực, định hướng phòng chống lũ cho vùng hạ du sông Ba, trong khuôn khổ của luận văn này, tác giả đã chọn các trường hợp tính toán sau:

- Kịch bản không hồ: chọn năm 1986, 1988 để hiệu chỉnh, kiểm định mô hình thủy văn và mô hình điều tiết hệ thống trong trường hợp không hồ.

- Kịch bản 3 hồ: hồ chứa Ayunhạ, sông Hinh, sông Ba Hạ. Ứng với lũ chính vụ năm 2009 tính theo quy trình vận hành đơn hồ.

- Kịch bản 3 hồ vận hành theo quy trình mới được đề xuất do đề tài KC-08-30 do PGS.TS. Nguyễn Hữu Khải chủ trì.

Lý do chọn các trận lũ trên đưa vào mô phỏng là:

Lũ 1986 là lũ lớn có lưu lượng đỉnh lũ tại Củng Sơn đạt 9200m3/s. Tuy trận lũ này không lớn như trận lũ 1993 nhưng đã gây ngập nặng cho thành phố Tuy Hòa. Mưa to xảy ra trên diện rộng gây lũ lớn trên nhánh Ia Ba và nhánh Ayunpa, mực nước trên tại Pơmơrê vượt báo động 3 là 99cm. Mực nước tại trạm Ayunpa vượt báo động 3 là 142cm, tuy nhiên tại An Khê lũ nhỏ hơn báo động 1. Mực nước tại Phú Lâm vượt báo động 3 là 94 cm.

Lũ 1988 là lũ lớn có lưu lượng đỉnh lũ tại Củng Sơn đạt 10500m3/s. Mưa rất to ở hạ lưu, mưa phần thượng, sông Hinh và hạ lưu của khu giữa kết hợp với mưa trên diện rộng gây lũ lớn ở hạ du, mực nước ở trạm Ayunpa vượt báo động 3 là 74 cm, tại Pơ Mơ Rê chỉ vượt báo động 1 là 20cm. Mực nước tại Phú Lâm vượt báo động 3 là 69 cm.

Lũ 11/2009, với lưu lượng max tại Củng Sơn 13500m3/s. Mưa lớn ở nhánh IaBa, khu giữa và phần hạ lưu gây lũ rất lớn trên sông Ba, mực nước tại trạm AyunPa vuợt báo động 3 là 263 cm, mực nước tại Anh Khê vượt báo động 3 là 48 cm, trong khi đó tại Pơ Mơ rê chỉ vượt BĐ 1 là 119 cm, mực nước tại Phú Lâm vượt báo động 3 là 95 cm.



Hình 3.1. Sơ đồ tính toán hồ chứa

3.2. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình

3.2.1 Xử lý số liệu trong mô hình Marine

a. Xử lý số liệu địa hình lưu vực


Các trạm đo mưa và trạm đo mực nước, đo lưu lượng đã được mô hình hóa vào MARINE bằng 3 lưu vực nhỏ nối với nhau bằng hệ thống sông. Trong luận văn này, tác giả sử dụng DEM (Digital Elivation Model) với độ phân giải 90m trên hệ quy chiếu phẳng UTM1984 làm số liệu địa hình. Quá trình khoanh vùng và phân chia lưu vực được xác định trên cơ sở các đường phân nước của lưu vực. Bản đồ sử dụng đất và bản đồ lớp phủ thực vật được xử lý đưa vào tính toán đều có tỷ lệ 1:100 000 và cùng hệ quy chiếu phẳng UTM1984.



Hình 3.2. Sơ đồ phân chia lưu vực sông Ba sử dụng trong mô hình MARINE

Số liệu vào của các lưu vực đã được kiểm tra thông qua bài toán kiểm định của mô hình và đạt tiêu chuẩn tốt. Số liệu mưa đưa vào tính toán là số liệu thực đo của việc phân bố mưa trên lưu vực được dựa trên phương pháp đa giác Thiessen.





Hình 3.3. Sơ đồ phân chia lưu vực theo phương pháp đa giác Thiessen

b. Xử lý số liệu số liệu hiện trạng sử dụng đất


Số liệu hiện trạng sử dụng đất được đưa vào để tính toán trong mô hình thủy văn Marine. Đây là một trong ba loại số liệu cơ bản phục vụ cho mô hình diễn toán dòng chảy trên lưu vực từ mưa. Số liệu hiện trạng sử dụng đất trực tiếp ảnh hưởng đến tốc độ dòng chảy trên bề mặt lưu vực, vì vậy chất lượng và kỹ thuật xử lý loại số liệu này rất quan trọng đối với chất lượng tính toán của mô hình.



Hình 3.4. Sơ đồ hiện trạng sử dụng đất của lưu vực sông Ba

Tương tự như số liệu hiện trạng sử dụng đất, số liệu thành phần cấu trúc của đất cũng là một trong ba loại số liệu cơ bản của mô hình thủy văn. Số liệu thành phần cấu trúc của đất được xử lý kỹ hơn, phức tạp hơn số liệu hiện trạng sử dụng đất, vì có nhiều thông tin của cần được đưa vào mô hình tính.




tải về 6.75 Mb.

Chia sẻ với bạn bè của bạn:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   30




Cơ sở dữ liệu được bảo vệ bởi bản quyền ©hocday.com 2024
được sử dụng cho việc quản lý

    Quê hương