Đề tài Ứng dụng mô hình Hec - Hms dự báo lưu lượng lũ thượng lưu sông Vu Gia - Thu Bồn

Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 144 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HEC-HMS DỰ BÁO LƯU LƯỢNG LŨ THƯỢNG LƯU SÔNG VU GIA- THU BỒN APPLYING HEC-HMS MODEL TO FORECAST FLOODING DISCHAGE AT UPSTREAM VUGIA-THUBON RIVERS SVTH: HỒ VĂN HÒA -NGUYỄN TRƯỜNG HUY THÁI PHÚC THUẬN Sinh viên, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng HDKH: GS.TS NGUYỄN THẾ HÙNG Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng Tóm tắt Khu vực miền Trung hàng năm thường hay bị lũ lụt gây ra thiệt hại lớn về nhân mạng cũng như tài sản cho dân trong vùng. Việc dự báo lưu lượng lũ xảy ra ở thượng nguồn để làm cơ sở tính toán cho các mô hình thủy lực là rất cần thiết. Trong bài viết nầy chúng tôi đã nghiên cứu ứng dụng phần mền Hec-Hms để mô hình hóa dòng chảy thượng lưu hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn nhằm phục vụ cho công tác dự báo lũ các sông để giảm thiểu những thiệt hại cho dân trong vùng. Kết quả tính toán đã được hiệu chỉnh bởi các trận mưa lũ xảy ra trong 2 năm 1998 & 1999. Abstract Every year, in Central Region of Vietnam are always being suffer damaged serious to people and property by floods. In plight that, forecasting discharge at upstream rivers for the boundary conditions of hydrodynamic models are very urgent. In this paper, we apply Hec-Hms software for forecasting discharge at upstream of Vu Gia – Thu Bon rivers which are needed for many hydrodynamic models. The results are verification by flood discharge at upstream of basin’s Thu Bon-Vugia Rivers in the years 1998 & 1999. 1. Mở đầu Mô hình HEC-HMS được nâng cấp từ HEC-1 công bố vào năm 2000. HEC-HMS sử dụng tài liệu mưa để tính toán quá trình mưa rào - dòng chảy trên một lưu vực cụ thể. Chức năng các thành phần mô hình dựa trên các mối quan hệ toán học đơn giản mà các quan hệ này có xu hướng biểu thị các quá trình khí tượng, thuỷ văn, thuỷ lực bao gồm quá trình mưa rào - dòng chảy. Những quá trình này được phân ra thành mưa, tích đọng, thấm, chuyển lượng mưa hiệu quả thành dòng chảy của lưu vực, cung cấp nước cho dòng chảy cơ bản và diễn toán lũ. Kết quả tính toán dùng cho dự báo lũ hoặc đầu vào cho mô hình thuỷ lực. Mô hình HMS là mô hình có ít tham số và dể sử dụng, không yêu cầu cao về tài liệu địa hình lưu vực, độ chính xác của mô hình cũng đã được kiểm nghiệm đối với các lưu vực từ 15 đến 1500km2 nên đề tài nghiên cứu đã lựa chọn mô hình này để áp dụng tính toán dòng chảy tại các biên của mô hình thuỷ lực. 2. Nội dung 2.1. Cơ sở lí thuyết của mô hình Hec-hms Trình tự tính toán theo các bước: - Các mô hình tính lớp dòng chảy: Y = X – P Trong đó: Y - độ sâu dòng chảy; X - lượng mưa; P - tổn thất - Các mô hình tính lưu lượng dòng chảy mặt. - Các mô hình tính lưu lượng dòng chảy ngầm. - Các mô hình truyền lũ trong sông. 2.1.1. Mô hình tính lớp dòng chảy a. Phương pháp tính mưa Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 145 + Tính toán mưa bình quân lưu vực: Trạm đo mưa sử dụng tính toán là các trạm đo nằm trên lưu vực và các trạm nằm lân cận lưu vực, tính bình quân lưu vực theo các phương pháp sau: +Phương pháp tính mưa:Tính theo phương pháp bình quân có trọng số.(PP Thiessen): j n j j AP A P   1 1 (1) phương pháp này được sử dụng cho mô hình tính toán. b. Phương pháp tính tổn thất Mô hình tổn thất thấm ban đầu và thấm ổn định: Tổn thất ban đầu và thấm ổn định là tỉ lệ tiềm năng lớn nhất của tổn thất lượng mưa, fc, là ổn định qua trận mưa. Nếu Pt là lượng mưa thực trong thời gian từ t đến t+t, lượng mưa vượt quá Pet (tức là vượt thấm, hiệu quả) ,Tổn thất ban đầu được thêm vào mô hình để biểu thị sự tích đọng và trữ. Hệ số trữ là kết quả của sự hút nước của thảm phủ thực vật bao gồm cây cối trên lưu vực; sự tích đọng trong địa hình lưu vực, nước được trữ trong những chỗ lõm và bị thấm hay bốc hơi. Tổn thất này xảy ra trước khi hình thành dòng chảy trên lưu vực. Khi lượng mưa rơi trên lưu vực chưa vượt quá lượng tổn thất ban đầu thì chưa sinh dòng chảy. Vì vậy lượng mưa hiệu quả có thể được tính:       0 0 ctet fPP nếu            ctai ctai ai fPIP fPIP IP ; ; (2) 2.1.2. Mô hình tính lưu lượng dòng chảy mặt a. Khái niệm đường quá trình lũ đơn vị Đường đơn vị là đường quá trình lũ Q-t xảy ra do lượng mưa hiệu quả 1 đơn vị phân bố đều trên lưu vực trong khoảng thời gian mưa hiệu dụng. Phương trình xác định dòng chảy trực tiếp từ đường đơn vị:     Mn m mnmn UPQ 1 1 (3) Trong đó Qn là dòng chảy ra của lưu vực tại cuối thời đoạn tính toán n, Pm là lượng mưa quá thấm trong từng thời khoảng m, U là tung độ của đường quá trình lũ đơn vị. Đường đơn vị có thể được đưa trực tiếp từ các số liệu của mưa và dòng chảy chỉ có thể áp dụng được cho lưu vực hoặc cho 1 ví trí trên sông khi tại đó đã có số liệu thực đo. Khi không có số liệu thực đo, ta có thể sử dụng các thủ thuật tính toán để vẽ đường đơn vị tổng hợp có thể được tính toán từ các thông số được cung cấp bởi người sử dụng hoặc mượn số liệu của lưu vực tương tự :Ta sử dụng b. Đường đơn vị Clark (1943) Xét một vi phân diện tích trên lưu vực, phương trình cân bằng nước: tt OI dt dS  (4) Trong đó: S: Lượng trữ nước trong vi phân diện tích. It: Dòng chảy vào vi phân diện tích tại thời gian t. Ot: là lượng dòng chảy ra khỏi vi phân diện tích tại thời gian t Với mô hình Clark, bể chứa tuyến tính biểu thị các tác động liên tiếp của hệ số trữ lưu vực. Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 146 Vậy quá trình sử dụng mô hình HEC - HMS để xác định đường quá trình lũ đơn vị theo phương pháp Clark ta cần hai thông số: R và Tc. 2.1.3. Mô hình tính lưu lượn g dòng chảy ngầm: (dòng chảy cơ bản) Mô hình hàm số mũ (Receession) Các tác động của dòng chảy cơ bản lên đường quá trình dòng chảy là một hàm của 3 thông số: Q, Qo và K, được xác định theo công thức: tnKQQ  0 (5) Trong đó: Qo: Đặc trưng cho dòng chảy ban đầu trong kênh tại t=0. Nó chịu ảnh hưởng bởi sự cung cấp nước ngầm trong thời gian dài trong khi không có mưa và là một hàm của các điều kiện ẩm kỳ trước. Q: Biểu thị lưu lượng tại đó sự giảm theo quy luật hàm mũ bắt đầu trên nhánh xuống của đường quá trình lưu lượng. K: Hằng số kinh nghiệm được cho là đặc tính của lưu vực. 2.1.4. Mô hình truyền lũ trong sông: Cơ sở lý thuyết diễn toán lũ trong sông: Phương pháp Muskingum Phương pháp Muskingum áp dụng cho đoạn sông có chiều dài bất kỳ do đó quan hệ giữa lượng trữ và lưu lượng trạm dưới W~Q sẽ có dạng vòng dây. Xuất phát từ phương trình cânbằng nước và phương trình lượng trữ: OI dt dS  (6) K: Thời gian truyền sóng lũ. SHN=0 khi X=0( Đối với hồ chứa) và SHN khi X đạt giá trị max (0.5), tuy nhiên sóng lũ có dạng hình sin nên X<=0.5, trong sông chọn X từ 0.0  0.3. HMS giải phương trình trên để tìm ra đường quá trình lưu lượng với 1 điều kiện ban đầu, Ot=0 tại t=0 và các tham số K và X. Tham số có thể ước lượng theo công thức WV L K  , trong đó Vw là vận tốc truyền sóng lũ, lấy gần đúng bằng 1.33 đến 1.67 lần vận tốc trung bình; L là chiều dài truyền lũ. Tính x theo công thức:         xcBS Q X 0 01 2 1 2.2. Ứng dụng phần mền hec -hms tính lưu lượng thượng nguồn lưu vực sông thu bồn - vu gIA 2.2.1. Giới thiệu chung a. Vị trí địa lý: Thượng nguồn lưu vực Sông Thu bồn(tính từ điểm xa nhất của lưu vưc Thu bồn đến cửa ra là Trạm thủy văn Nông sơn) nằm trong phạm vi tọa độ địa lý: 15o 18' – 15o41’ vĩ bắc, 108 o 00' – 108o 21' kinh đông, có diện tích lưu vực 3145 km2 thượng lưu sông thu bồn có các nhánh lớn như: sông khang, sông vang, sông tranh, sông gềnh gềnh. b. Địa hình: Địa hình thấp dần từ nam ra bắc. phía nam là những đồi núi dạng bát úp tại các huyện tiên phước, núi thành,sự hiện diện của dãy trường sơn và các dãy núi cao bao bọc 3 phía đã đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo nên chế độ khí hậu - thủy văn khắc nghiệt trên lưu vực. c. Địa chất: Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 147 Đá kết tinh gơ-nai, amphibolit, đá phiến thạch anh cùng với các thành tạo mác ma xâm nhập grano-dioxitgnai và Đá gốc trầm tích cát bột kết hoặc đá mác ma xâm nhập thuộc phức hệ quế sơn. d. Thổ nhưỡng: Nhóm đất vàng, đất mùn, đất thung lũng dốc tụ… e. Thực vật: - kiểu rừng kín thường xanh mưa ẩm á nhiệt đới, phân bố từ độ cao trên 1000 m. - kiểu rừng kín nửa rụng lá hơi ẩm nhiệt đới. f. Mưa: Lượng mưa hàng năm trong LVS khá lớn, khoảng 3000-4000 mm. Mùa mưa thường bắt đầu vào tháng IX và kt thúc vào tháng XII . Lượng mưa trong mùa mưa chiếm khoảng 65 - 70% tổng lượng mưa năm. 2.2.2. Kết quả Mức hiệu quả của mô hình được đánh giá bằng chỉ tiêu Nash-Sutcliffe:         N đđ N tđ QQ QQ 1 1 2 1 (7) Trong đó: Qđ = lưu lượng thực đo(m3/s); Q đ = lưu lượng thực đo trung bình trong các thời đoạn tính toán(m3/s); Qt = lưu lượng tính toán(m3/s) tại cùng một thời điểm t. Hình1: kết quả hiệu chỉnh mô hình, so sánh kết quả tính toán và số liệu thực đo trận lũ tháng 11/1998 trạm nông sơn. Kết quả tính toán theo chỉ số Nash đều cho kết quả tốt, trạm Nông sơn đạt: 0.953; Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 148 Hình 2: kết quả hiệu chỉnh mô hình, so sánh kết quả tính toán và số liệu thực đo trận lũ tháng 12/1999 trạm nông sơn. Kết quả tính toán theo chỉ số nash đều cho kết quả tốt, trạm Nông sơn đạt: 0.94; 3. Kết luận : Mô hình thủy văn HEC-HMS tính toán lũ cho Hệ thống sông Thu Bồn-Vu Gia cho kết quả sát với thực tế, có thể sử dụng trong tính toán các đặc trưng lũ và trong công tác dự báo tác nghiệp. Thời gian dự kiến khi sử dụng mô hình HMS tăng 6 giờ so với các phương pháp truyền thống. Mô hình có thể áp dụng để tính toán mưa - dòng chảy cho các lưu vực nhỏ nhằm phục vụ công tác nghiên cứu, thiết kế và các mục tiêu kinh tế xã hội khác, khi có đo đạc kiểm chứng kết quả một số lần theo quy định. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Thủy văn ứng dụng- tác giả Vantechow (bản tiếng Anh và tiếng Việt). [2] User Manual Hec-hms [3] Trần Thục, Nguyễn Thị Nga, Động lực học sông, Nhà xuất bản ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI, năm 2003. [4] PGS.PTS Võ Phán, KS Võ Như Hùng,Công trình chỉnh trị sông, Nhà xuất bản GIÁO DỤC – 1995. [5] Thomas, Michael Gee, Vern Bonner, WES,Darry W.Davis. Mô hình HEC-6 của Trung Tâm Kỹ thuật Thủy văn Quân đội Mỹ.