Nghiên cứu mô hình hec - Ras để xác định vùng ngập lụt thượng lưu hồ chứa nước Đăk Mi 4

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG PHẠM THỊ KIM PHỤNG NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH HEC - RAS ĐỂ XÁC ĐỊNH VÙNG NGẬP LỤT THƯỢNG LƯU HỒ CHỨA NƯỚC ĐĂK MI 4 CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH THỦY Mà SỐ: 60.58.40 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐÀ NẴNG - 2011 2 Cơng trình được hồn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: GS.TS. NGUYỄN THẾ HÙNG Phản biện 1 : TS. Nguyễn Văn Minh Phản biện 2 : PGS.TS. Nguyễn Thưởng Luận văn đã được bảo vệ tại Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 29 tháng 6 năm 2011. Cĩ thể tìm hiểu luận văn tại: • Trung tâm Thơng tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng • Trung tâm Học Liệu, Đại học Đà Nẵng. 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hệ thống sơng Vu Gia – Thu Bồn thuộc tỉnh Quảng Nam, một phần tỉnh Kon Tum (ở thượng nguồn) và Thành phố Đà Nẵng. Là sơng cĩ tiềm năng kinh tế kỹ thuật thủy điện gần 5 tỷ kWh/năm, đứng thứ 4 trong các sơng ở Việt Nam sau sơng Đà, sơng Đồng Nai và sơng Sê San. Trong tình hình thiếu hụt nghiêm trọng nguồn cung cấp năng lượng hiện tại và tương lai, việc xây dựng các cơng trình thủy điện - thủy lợi trên hệ thống sơng này sẽ bổ sung lượng điện năng đáng kể vào hệ thống điện Quốc gia, ngồi ra nĩ cịn gĩp phần thúc đẩy cho sự phát triển Kinh tế, xã hội cho khu vực miền Trung và đất nước. Đặc biệt, với tiềm năng dồi dào chưa được khai thác, tỉnh Quảng Nam cĩ nhiều điều kiện phát triển một cách tồn diện và hiện đại. Để đảm bảo cho sự phát triển kinh tế khu vực, địi hỏi phải xây dựng cơ sở hạ tầng, trong đĩ nổi bật nhất là giao thơng, điện và nước. Cơng trình thủy điện Đăk Mi 4 được khai thác theo sơ đồ 2 bậc: Bậc trên sử dụng nguồn nước của sơng Đak Mi để tạo thành hồ chính trên sơng Đak Mi và một đường hầm chuyển nước sang sơng ngọn Thu Bồn với chênh lệch cột nước là 152 m. Bậc dưới tận dụng lại nguồn nước sau Nhà máy Đak Mi 4 bậc trên và phụ lưu của sơng ngọn Thu Bồn cĩ chênh lệch cột nước là 39 m. Cơng trình thủy điện Đak Mi 4 sẽ gĩp phần bổ sung nguồn năng lượng vào hệ thống điện Quốc gia với tổng cơng suất lắp đặt 190 MW và điện lượng hàng năm khoảng 768.4 triệu kWh. Trong quy hoạch thiết kế thủy điện, kết quả chính xác của việc nghiên cứu các vùng ngập lụt trong mùa lũ tại vị trí lịng hồ là rất quan trọng nhằm xác định được vùng nào cần di dời tái định cư quanh khu vực xây dựng lịng hồ nhằm giảm thiểu hậu quả về người và tài sản do thiên tai lũ lụt gây ra, đồng thời giảm được chi phí đầu tư cho dự án trong việc di dời tái định cư ở mức thấp nhất. Tuy nhiên, khi tính lũ, để đơn giản cho quá trình tính tốn người ta thường xem như mực nước hồ nằm ngang, hoặc tính theo dịng chảy ổn định. Nhưng trong thực tế mực nước hồ dâng lên và dịng chảy trong hồ là dịng chảy khơng ổn định. 2 Do đĩ, để cĩ một bức tranh đúng hơn về dịng chảy lũ trong hồ chứa, tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu mơ hình Hec – ras để xác định vùng ngập lụt vùng thượng lưu hồ chứa nước Đăk Mi 4”. 2. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu áp dụng mơ hình tốn thủy lực HEC – RAS để tính tốn khả năng ngập lụt ở thượng lưu hồ chứa nước Đăk Mi 4. Từ đĩ, đánh giá phạm vi và mức độ ngập lụt vùng thượng lưu nhằm cảnh báo lũ và định hướng trong cơng tác qui hoạch phát triển. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu -Đối tượng nghiên cứu của đề tài là chế độ mưa - lũ trên hệ thống sơng; áp dụng mơ hình tốn thủy văn, thuỷ lực tính tốn dịng chảy lũ. -Phạm vi nghiên cứu: Lưu vực hệ thống sơng Đăk Mi. 4. Phương pháp nghiên cứu -Phương pháp điều tra, thu thập số liệu -Phương pháp thống kê, tổng hợp địa lý -Phương pháp áp dụng mơ hình tốn học về thuỷ văn, thuỷ lực 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Đánh giá lại chế độ, đặc điểm lũ lụt của hệ thống sơng Đăk Mi để xây dựng các phương án dự báo lũ, khả năng ngập lụt nhằm đảm bảo sản suất và an tồn vùng thượng lưu hồ chứa nước Đăk Mi 4. Sản phẩm của đề tài sẽ là cơng cụ rất cần thiết gĩp phần phục vụ cơng tác định hướng qui hoạch lịng hồ; là cơ sở để dự báo khả năng ngập lũ và đề ra chế độ vận hành nhằm nâng cao khả năng thốt lũ hồ Đăk Mi đảm bảo an tồn cho vùng thượng lưu lưu vực hệ thống sơng Đăk Mi. 6. Bố cục của luận văn Luận văn ngồi phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, gồm cĩ 03 chương: Chương 1: Tổng quan về cơng trình thủy điện Đăk Mi 4 Chương 2: Các phương pháp tính lũ vùng thượng lưu hồ chứa nước Đăk Mi 4 Chương 3: Ứng dụng mơ hình Hec – ras tính ngập lụt vùng thượng lưu hồ chứa nước Đăk Mi4 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CƠNG TRÌNH THỦY ĐIỆN ĐĂK MI 4 1.1.Đặc điểm và điều kiện tự nhiên lưu vực hồ chứa nước Đăk Mi 4 Cơng trình thủy điện Đak Mi 4 được khai thác theo sơ đồ 2 bậc: Bậc trên sử dụng nguồn nước của sơng Đak Mi để tạo thành hồ chính trên sơng Đak Mi và một đường hầm chuyển nước sang sơng ngọn Thu Bồn với chênh lệch cột nước là 152m. Cơng trình thủy điện Đak Mi 4 cĩ tuyến đập bậc trên nằm trên sơng Đak Mi, lưu vực sơng đến tuyến đập cĩ diện tích 1.125 km2, chiều dài sơng 76 km, độ dốc lịng sơng 26,7o/oo, độ cao trung bình lưu vực 950 m. Sơng Đăk Mi là phần thượng lưu của sơng Cái, một trong các sơng lớn của hệ thống sơng Vu Gia-Thu Bồn. Sơng Cái bắt nguồn từ các đỉnh núi thuộc dãy Trường Sơn, chảy theo hướng Bắc – Nam, gia nhập với sơng Bung. Từ nhập lưu này sơng cĩ tên Vu Gia và chảy theo hướng Tây-Đơng, đổ vào Biển Đơng. 1.1.1. Vị trí địa lý Phía bắc giáp huyện Quế Sơn và Nam Giang, phía tây giáp huyện Nam Giang, phía nam là Kon Tum, phía đơng là huyện Trà My và Hiệp Đức. Cơng trình thủy điện Đak Mi 4 nằm trên sơng Đăk Mi thuộc huyện Phước Sơn, Tỉnh Quảng Nam. Dự án nằm trong giới hạn tọa độ địa lý: 15015’ – 15030’ vĩ độ Bắc; 107045’ – 107057’ kinh độ Đơng, cách Tam Kỳ khoảng 85 Km theo hướng Tây Bắc. 1.1.2. Đặc điểm địa hình Khu vực cơng trình thuộc dãy Trường Sơn nên cĩ địa hình phức tạp và bị phân cắt mạnh, cĩ địa hình khá dốc, các sườn cĩ độ nghiêng từ 150- 350 cao độ biến thiên từ 80 m đến gần 700 m, với vài đỉnh núi lân cận cao trên 1.800 m. Sau khi tích nước hồ chứa sẽ làm ngập khoảng 5,5km ÷ 6km đường tỉnh lộ 14E và cầu Nước Mỹ. 1.1.3.Điều kiện khí hậu và thủy văn khu vực 1.1.3.1.Đặc điểm khí hậu -Nhiệt độ khơng khí: Ở khu vực này nhiệt độ trung bình năm khơng lớn, tại trạm Trà Mi trong khoảng thời gian từ năm 1978-2005 là 24,5oC. Các tháng nĩng nhất trong năm thường là tháng V, VI, VII, tháng lạnh nhất thường là tháng XII hay tháng I. 4 -Độ ẩm của khơng khí: Độ ẩm khơng khí ở khu vực khá lớn, giá trị trung bình năm tại trạm Trà Mi đạt 87%, giá trị trung bình tháng giữa các tháng trong năm chênh lệch khơng nhiều, độ ẩm lớn nhất hầu như đạt 100%, độ ẩm nhỏ nhất trung bình đạt 38%. -Mưa: Mùa mưa ở khu vực này thường bắt đầu vào tháng IX và kết thúc vào tháng XII, lượng mưa 4 tháng mùa mưa chiếm khoảng 70% lượng mưa năm. Các tháng V và VI khơng phải mùa mưa nhưng thường cĩ lượng mưa khá lớn, đây là nguyên nhân sinh ra lũ tiểu mãn ở khu vực này. -Giĩ: Các đặc trưng về giĩ lấy theo trạm Trà Mi, tài liệu quan trắc từ 1978-2005. Khu vực này cĩ 2 mùa giĩ rõ rệt, từ tháng III đến tháng VIII hướng giĩ thịnh hành là Đơng và Đơng Nam, từ tháng IX đến tháng II năm sau hướng giĩ thịnh hành là Bắc và Đơng Bắc. Tốc độ giĩ trung bình năm là: 2,2 m/s. -Bốc hơi: Do độ ẩm khơng khí lớn nên lượng bốc hơi nhỏ. Các tháng mùa mưa cĩ lượng bốc hơi nhỏ và ngược lại các tháng mùa khơ cĩ lượng bốc hơi lớn. Lượng bốc hơi Piche tại Trà Mi trung bình năm là: 660 mm. 1.1.3.2.Đặc điểm dịng chảy Trạm thuỷ văn Thành Mỹ trên sơng Cái (phần hạ du sơng Đak Mi) cĩ tài liệu dịng chảy thực đo từ 1977-2008. Lưu lượng trung bình tháng, năm 1976 tại trạm Thành Mỹ được tính theo tương quan dịng chảy Nơng Sơn - Thành Mỹ năm 1977. Dịng chảy tháng trạm Thành Mỹ đã bổ sung năm 1976 như bảng 1.10 . Dịng chảy của sơng Đak Mi và khu vực lân cận cĩ hai mùa rõ rệt. Mùa lũ từ tháng X đến tháng XII, mùa kiệt từ tháng I đến tháng IX năm sau. Mùa lũ tuy ngắn (chỉ trong 3 tháng), nhưng lượng nước mùa lũ chiếm khoảng 60% ÷ 70% lượng nước cả năm. Ngược lại mùa cạn kéo dài tới 9 tháng nhưng chỉ chiếm khoảng 30% ÷ 40% lượng nước cả năm. Lưu lượng giảm dần từ tháng I đến tháng IV, tháng V-VI dịng chảy tăng lên nhờ mưa tiểu mãn. Tháng kiệt nhất trong năm thường là tháng IV. 1.1.4.Điều kiện địa chất, thổ nhưỡng cơng trình 1.1.4.1.Lịch sử địa chất 1.1.4.2.Kiến tạo 1.1.4.3.Điều kiện địa chất các tuyến cơng trình(tuyến đập chính và tràn) Nền và hai vai đập là đất đá thuộc hệ tầng Khâm Đức, chủ yếu là đá phiến thạch anh- mica dạng gneis với chiều dày tầng phủ (là đất á sét màu nâu đỏ lẫn ít dăm đá gốc) 5 dày 3-15 m. Phần lịng sơng cĩ lớp cuội sỏi dày 2-5 m phủ lên nền đá đới IB ở bờ trái. địa chất đáp ứng tốt yêu cầu xây dựng cơng trình. 1.1.4.4. Thổ nhưỡng Các loại đá trong khu vực gồm chủ yếu là các đá biến chất gneis và dạng gneiss như gneiss plagiocla, gneiss biotit, dioritgneiss, granitogneiss, amphybol, phiến thạch anh… của hệ tầng khâm Đức, plagioclagranit của phức hệ Chu Lai và các trầm tích đệ tứ. 1.2.Nguyên nhân hình thành một số chế độ gây mưa lũ: Khu vực Dự án thuộc vùng núi thấp và chuyển tiếp sang vùng núi cao của dãy Trường Sơn, mức độ phân cắt mạnh, cĩ địa hình khá dốc, các sườn cĩ độ nghiêng từ 15- 35o, cao độ biến thiên từ 80 m đến gần 700 m, với vài đỉnh núi lân cận cao trên 1.800 m. Mùa mưa ở khu vực này thường bắt đầu vào tháng IX và kết thúc vào tháng XII, lượng mưa 4 tháng mùa mưa chiếm khoảng 70% lượng mưa năm. Các tháng V và VI khơng phải mùa mưa nhưng thường cĩ lượng mưa khá lớn, đây là nguyên nhân sinh ra lũ tiểu mãn ở khu vực này. Dịng chảy của sơng Đăk Mi và khu vực lân cận cĩ hai mùa rõ rệt. Mùa lũ từ tháng X đến tháng XII, mùa kiệt từ tháng I đến tháng IX năm sau. Mùa lũ tuy ngắn (chỉ trong 3 tháng), nhưng lượng nước mùa lũ chiếm khoảng 60÷70% lượng nước cả năm. Ngược lại mùa cạn kéo dài tới 9 tháng nhưng chỉ chiếm khoảng 30÷40% lượng nước cả năm. Lưu lượng giảm dần từ tháng I đến tháng IV, tháng V-VI dịng chảy tăng lên nhờ mưa tiểu mãn. Tháng kiệt nhất trong năm thường là tháng IV. 1.3.Hiện trạng các cơng trình trong lưu vực 1.3.1.Các nghiên cứu trước đây Nghiên cứu về sử dụng nguồn nước sơng Đak Mi đã được thực hiện từ những năm 70 của thế kỷ 20. Một trong những nghiên cứu cĩ hệ thống đã được Ủy ban Quốc gia sơng Mê Kơng thực hiện năm 1972. Đĩ là “Deck Study for Water Resources Projects in Vietnam”. Theo nghiên cứu này, sơng Đak Mi được khai thác 6 với mục đích năng lượng gồm bốn nhà máy thủy điện Đak Mi 1, 2, 3 và 4 với các cơng suất lắp đặt tương ứng là 50, 55, 27 và 22 MW. 1.3.2.Các nghiên cứu gần đây Nghiên cứu gần đây là Quy hoạch hệ thống sơng Vu Gia-Thu Bồn được Cơng ty Tư vấn Xây dựng Điện 1 thực hiện từ năm 1998 đến năm 2003. Theo báo cáo Quy hoạch hệ thống sơng Vũ Gia – Thu Bồn này, cơng trình Đak Mi 4 nằm trong hệ thống như sau: Bảng 1.27.Quy hoạch hệ thống sơng Vu Gia – Thu Bồn No Thơng số Đv Sơng Bung 2 Sơng Bung 4 Sơng Giằng 2 A Vương 1 Đak Mi 1 Đak Mi 4 Sơng Tranh 2 Sơng Cơn 2 1 MNDBT m 570 230 60 380 820 260 170 312.5 2 MNC m 525 175 50 340 770 220 135 290 3 Nlm MW 100 220 60 210 225 210 135 60 4 Enăm 106k Wh 379 833 231 753 850 787 513 249 5 B/C - 1.09 1.45 1.04 1.44 1.29 1.36 1.17 1.26 6 EIRR % 11.90 22.77 10.85 20.93 15.92 19.22 13.43 17.82 Với phương án Quy hoạch như trên, cơng trình Đak Mi 4 cĩ các chỉ tiêu kinh tế tương đối tốt và được kiến nghị nghiên cứu tiếp. 7 CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH LŨ VÙNG THƯỢNG LƯU HỒ CHỨA NƯỚC ĐĂK MI 4 Dịng chảy lũ là dịng chảy thường ở chế độ khơng ổn định, sự dâng lên hay rút xuống nhanh chĩng của một trận lũ kết hợp với chế độ sĩng, giĩ cĩ ảnh hưởng rất lớn đến khả năng ngập lũ. Trong thực tế thiết kế tính tốn, tùy theo cơng trình cũng như lực lượng của các cơ quan tính tốn thiết kế cĩ thể phân ra hai nhĩm phương pháp tính: + Chia thời gian tính tốn lũ thành nhiều thời đoạn tương ứng với thời gian nhỏ và trong từng thời đoạn xem dịng chảy như là dịng chảy ổn định. + Tính dịng chảy lũ dựa vào các mơ hình tốn khá tổng quát, biểu diễn tương đối đầy đủ trạng thái chuyển động của lũ. 2.1.Tính tốn lũ tựa dịng chảy ổn định Để đơn giản các đơn vị thiết kế chia nhỏ thời gian thành những thời đoạn nhỏ ∆t từ 5 đến 10 phút để tính tốn khả năng ngập lũ. Trong các thời đoạn ngắn ta xem như mực nước thượng và hạ lưu khơng đổi để dùng các cơng thức tính tốn thủy lực thơng thường của dịng chảy ổn định để tính lưu lượng qua cơng trình cần tính lũ vùng thượng lưu hồ chứa nước Đăk Mi 4. Với cách tính như trên cĩ một số điểm khơng hợp lý như sau: + Xem lượng nước của tồn bộ lưu vực khi mưa tập trung ngay lập tức tại vị trí cơng trình, như vậy điều này khơng đúng với dịng chảy thực tế. + Xem sơng Đăk Mi tuyến thượng nguồn đập Đăk Mi 4 cĩ mực nước ổn định khơng đổi như mực nước hồ chứa trong từng thời đoạn nhỏ là khơng chính xác. Thực chất sơng Đăk Mi là dịng chảy khơng ổn định cĩ độ dốc mực nước trong sơng. + Xem chênh lệch mực nước thượng và hạ lưu cơng trình khơng đổi trong từng thời đoạn nhỏ là khơng chính xác. 2.2. Tính tốn lũ vùng thượng lưu hồ chứa nước Đăk Mi 4 theo mơ hình tốn: Sử dụng mơ hình tốn mơ phỏng quá trình thủy lực trong hệ thống bằng các phương trình tốn học. Loại mơ hình này cĩ tính mềm dẻo đáp ứng được với nhiều bài tốn kích cỡ khác nhau, điều kiện biên khác nhau. Với sự phát triển nhanh chĩng của các thế hệ máy tính, mơ hình tốn là một cơng cụ mạnh, nhanh và kinh tế trong việc tìm ra các lời giải trong các phương án quy hoạch khác nhau. 8 Về mặt học thuật, hiện nay đã cĩ các mơ hình phức tạp, như mơ hình một chiều, hai chiều, ba chiều mơ tả được dịng chảy thực khơng ổn định trong sơng, hồ. 2.3.Các mơ hình tốn thủy lực tính lũ một chiều Hiện nay, để tính tốn thủy lực cĩ rất nhiều phần mềm nổi tiếng mơ phỏng dịng chảy một chiều trên sơng, chẳng hạn như những phần mềm sau: Phần mềm MIKE 11 của Đan Mạch (một chiều – 1D) Phần mềm MACARET của Pháp (1D) Phần mềm HES- RAS của Mỹ (1D) Phần mềm TELEMAC của Pháp (1D kết nối với 2D) Phần mềm SMS của Mỹ (1D kết nối với 2D),… Các mơ hình trên khá mạnh, cĩ khả năng mơ phỏng các hiện tượng thủy lực phức tạp, cĩ tính tự động hĩa cao. Trong nước, hiện cĩ các phần mềm mơ phỏng dịng chảy, mực nước cũng như nồng độ mặn của hệ thống mạng lưới sơng đồng bằng như: Mơ hình VRSAP của cố Phĩ Giáo sư Nguyễn Như Khuê Mơ hình SAL của Phĩ Giáo sư Nguyễn Tất Đắc Mơ hình KOD của Giáo sư Nguyễn Ân Niên,… Các mơ hình này cĩ ưu điểm là đơn giản, dễ sử dụng. Tuy nhiên, các mơ hình này cĩ nhược điểm là khơng tổng quát, ít mềm dẻo và độ chính xác khơng cao. Mục đích của đề tài là ứng dụng mơ hình tốn để tính dịng chảy khơng ổn định của sơng Đăk Mi tại tuyến thượng nguồn đập Đăk Mi 4. Sơng Đăk Mi tuyến thượng nguồn đập Đăk Mi 4 cĩ hệ số nhám tương đối ổn định. Khi lũ, mực nước trong sơng và đồng gần như nằm ngang, vận tốc tương đối đồng đều và cùng một chiều. Qua so sánh các mơ hình tốn và điều kiện áp dụng chúng, đề tài chọn mơ hình Hec- Ras (1D) version 4.0 của Hoa Kỳ để tính tốn kiểm tra khả năng ngập lũ của vùng thượng lưu hồ chứa nước Đăk Mi 4. Hec- Ras (1D) version 4.0 đã được phân phối miễn phí, sử dụng thân thiện và cĩ khả năng mơ phỏng tốt dịng chảy của các khu trữ ven bờ, đồng ruộng và cơng trình. 2.4.Mơ hình tính tốn dịng chảy đến Lưu lượng đến tại biên của bài tốn thủy lực từ mưa được mơ hình hĩa bằng tốn học, được gọi là mơ hình tốn dịng chảy đến. Riêng lưu lượng bổ sung dọc sơng và khu trữ với chiều dài tập trung dịng chảy khơng lớn lắm, diện tích hứng nước là 9 đồng ruộng tương đối phẳng nên cĩ thể xem mơ hình mưa phân bố đều, lưu lượng bổ sung khơng thay đổi. Mơ hình hĩa dịng chảy là một phương pháp khoa học đầy hiệu lực giúp cho chúng ta xâm nhập sâu vào bản chất tự nhiên của dịng chảy. Hiện nay cĩ hàng trăm mơ hình dịng chảy, nhưng cĩ thể thống nhất tách ra hai loại mơ hình phân biệt (mơ hình tất định và mơ hình ngẫu nhiên). Dù bản chất của dịng chảy là ngẩu nhiên, nhưng cũng thừa nhận tồn tại những giai đoạn hình thành dịng chảy trong đĩ những thành phần tất định đĩng vai trị chủ yếu. 10 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MƠ HÌNH HEC – RAS TÍNH NGẬP LŨ VÙNG THƯỢNG LƯU HỒ CHỨA NƯỚC ĐĂK MI 4 3.1. Mơ hình tốn Hec-Ras Luận văn áp dụng mơ hình Hec-Ras 4.0 do quân đội Hoa kỳ xây dựng và phát triển. Đây là mơ hình tốn một chiều (1D) bao gồm hai phần: mơ hình thủy lực và mơ hình truyền chất. HEC-RAS được xây dựng để trình diễn quá trình tính thuỷ lực một chiều cho mạng lưới sơng suối tự nhiên hay các kênh nhân tạo. Mơ hình này cĩ khả năng tự động hĩa cao trong việc nhập số liệu, nội suy mặt cắt ngang; được dùng để tính tốn mực nước, lưu lượng, sự xâm nhập mặn ở vùng sơng ảnh hưởng triều, vận chuyển bùn cát trên sơng; mơ hình tốn này giải hệ phương trình Saint – Venant một chiều trên hệ thống sơng, kênh hở và phương trình truyền chất. Ngồi ra mơ hình cịn dùng để tính tốn thêm một số yếu tố chất lượng nước như lan truyền chất dinh dưỡng, các chất hồ tan... 3.2.Hệ phương trình cơ bản sử dụng trong Hec – ras 3.2.1. Phương trình liên tục Phương trình liên tục mơ tả định luật bảo tồn khối lượng cho bài tốn một chiều: 0=− ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ lq x Q t S t A (3.7) Trong đĩ : x : Khoảng cách dọc theo sơng t : Thời gian Q : Lưu lượng A : Diện tích mặt cắt ngang S : Lượng trữ ql : Lưu lượng chảy vào từ bên, trên một đơn vị chiều dài Phương trình trên cĩ thể được viết cho lịng dẫn và bãi f c c c q t A x Q = ∂ ∂ + ∂ ∂ (3.8) 11 và lcf f f qq t S t A x Q += ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ (3.9) Các chỉ số dưới c và f biểu thị dịng chính và dịng bãi, ql là dịng chảy bên trên một đơn vị chiều dài dịng bãi, và ql là lượng trao đổi nước giữa lịng dẫn và bãi. Hai phương trình (3.8) và (3.9) được `xấp xỉ bằng cách sử dụng sơ đồ sai phân ẩn, thay các phương trình (3.4) đến (3.6) vào hai phương trình trên: f c c c q t A x Q − = ∆ ∆ + ∆ ∆ (3.10) −− += ∆ ∆ + ∆ ∆ + ∆ ∆ fc tt qq t S t A x Q 1 (3.11) Sự trao đổi khối lượng thì bằng nhau nhưng khác dấu, do đĩ : ∆xc qc = -qf ∆xƒ (3.12) Thay vào phương trình (3.10) và (3.11) : 0=−∆ ∆ ∆ +∆ ∆ ∆ +∆ ∆ ∆ +∆ lff f c c Qx t S x t A x t AQ (3.13) Trong đĩ : lQ : Lưu lượng trung bình dịng chảy bên 3.2.2. Phương trình động lượng Phương trình động lượng xuất phát từ định luật biến thiên động lượng 0)( =      + ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ fS x zgA x VQ t Q (3.14) Trong đĩ : g : Gia tốc trọng trường Sf : Độ dốc thủy lực V : Vận tốc Phương trình trên cĩ thể được viết cho dịng chính và bãi : ( ) ffc c c c ccc MS x zgA x QV t Q =      + ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ (3.15) ( ) cff f f f fff MS x zgA x QV t Q =         + ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ (3.16) 12 Trong đĩ Mc và Mf là những dịng động lượng trên một đơn vị chiều dài trao đổi tương ứng giữa dịng chính và bãi. Trong những phương trình này giả thiết được sử dụng là mặt nước nằm ngang và mặt cắt ướt vuơng gĩc với phương dịng chảy. Bởi vậy độ cao mặt nước là như nhau cho dịng chính và bãi tại một mặt cắt xác định. Dạng sai phân của các phương trình (3.15) và (3.16) là : ( ) ffc c c c ccc MS x zAg x QV t Q =      + ∆ ∆ + ∆ ∆ + ∆ ∆ (3.17) ( ) cff f f f fff MS x zAg x QV t Q =         + ∆ ∆ + ∆ ∆ + ∆ ∆ (3.18) Sự trao đổi năng lượng phải bằng nhau nhưng khác dấu : ∆xc Mc = - ∆xf Mf Cộng hai phương trình trên và sắp xếp lại ta được : ( ) ( ) ( ) ( ) 0..... =∆+∆+∆++∆+∆+ ∆ ∆+∆∆ ffffcfccfcffcc ffcc xSAgxSAgzAAgQVQV t xQxQ (3.19) Hai thơng số cuối cùng là lực ma sát do bờ tác dụng lên chất lỏng. Thành phần lực này cĩ thể viết lại dưới dạng tương đương : ffffcfcccf xSAgxSAgxSAg ∆+∆=∆ ...... (3.20) Trong đĩ : ∆xc : Chiều dài dịng chảy tương đương Sf : Độ dốc thủy lực cho tồn bộ mặt cắt, −− += fc AAA Vậy thơng số đối lưu cĩ thể được viết lại thơng qua việc xác định hệ số phân bố lưu tốc : ( ) ( ) vQ QvQv Av AvAv ffccffcc . .. . .. 2 22 + = + =β (3.21) Do đĩ : ( ) ( ) ( )ffcc QvQvQv .... ∆+∆=∆ β (3.22) Dạng cuối cùng của phương trình động lượng là : 13 ( ) ( ) 0.. . . =      + ∆ ∆ + ∆ ∆ + ∆∆ ∆+∆∆ f ccc ffcc S x zAg x Qv xt xQxQ β (3.23) 3.3.Phương hướng giải hệ phương trình cơ bản sử dụng trong Hec–ras 3.3.1. Tuyến tính hĩa phương trình sai phân hữu hạn * Các giả thiết : 1. Nếu ƒ x ƒ >> ∆ƒ x ∆ƒ thì ∆ƒ x ∆ƒ = 0 ( theo Preissmann nêu trong báo cáo Liggett và Cunge, 1975) 2. Nếu g = g(Q,z) thì ∆g cĩ thể được xấp xỉ bằng số hạng đầu của chuổi Taylor: i i il z z gQQ g g j ∆      ∂ ∂ +∆      ∂ ∂ =∆ 3. Nếu bước thời gian, ∆t nhỏ, cĩ thể coi như giá trị của các biến là khơng đổi ; do đĩ nfnf hh ≈+1 và ∆hƒ ≈ 0 Giả thiết 2 được ứng dụng cho độ dốc thủy lực Sf và diện tích A. Giả thiết 3 được ứng dụng cho vận tốc v, trong số hạng đối lưu; hệ số phân bố vận tốc β, chiều dài dịng chảy tương đương x, và hệ số phân bố lưu lượng φ. 3.3.2. Hệ số phân phối dịng chảy Cần phải xác định sự phân phối lưu lượng giữa dịng chính và bãi. Phần dịng chảy trong sơng được xác định như sau: fjcj cj j QQ Q + =φ (3.30) Fread (1976) giả thiết rằng độ dốc thủy lực giữa dịng chính và bãi là tương tự nhau, do đĩ sự phân phối lưu lượng được chia theo tỷ lệ của mơ đun lưu lượng. Do đĩ trong mơ hình Hec-Ras hệ số phân phối xác định : fjcj cj j KK K + =φ (3.31) 3.3.3. Chiều dài dịng chảy tương đương f ffffcfcc e SA xSAxSA x ∆+∆ =∆ (3.32) Theo Fread hệ số phân phối lưu lượng trung bình của đoạn: 14 −− − − + = fc c KK Kφ , Thì: − −− ∆+∆ =∆ A xAxA x ffcc c Vậy ∆xc được xác định : ( ) ( ) 1 11 + ++ + ∆++∆+ =∆ jj fjfjfjcjcjcj e AA xAAxAA x (3.33) 3.3.4.Điều kiện biên Theo sơ đồ sai phân với một đoạn sơng cĩ N nút tính tốn cĩ N-1 phần tử sai phân hữu hạn nên chỉ cĩ 2N-2 phương trình sai phân. Số ẩn (∆Q và ∆z) cho mỗi nút là 2N ẩn số, nên cần phải cĩ thêm hai phương trình nữa. Vì vậy tại mỗi nhánh, với dịng chảy xiết địi hỏi 2 điều kiện biên ở thượng lưu nhánh. Với dịng chảy êm yêu cầu 1 điều kiện biên ở thượng lưu và 1 điều kiện biên ở hạ lưu. 3.3.4.1. Điều kiện biên phía trong (cho kết nối nhánh ) 3.3.4.2.Điều kiện biên thượng lưu 3.3.4.3.Điều kiện biên hạ lưu 3.3.5.Điều kiện ban đầu Bên cạnh điều kiện biên, cần phải đưa vào điều kiện ban đầu của hệ thống tại thời điểm bắt đầu của quá trình mơ phỏng dịng chảy khơng ổn định. Điều kiện ban đầu bao gồm các giá trị về mực nước và lưu lượng tại mỗi mặt cắt, cũng như cao độ mực nước của các ơ ruộng. Chương trình HecRas 4.0 cho phép nhập điều kiện ban đầu theo hai cách: + Vào dữ liệu về lưu lượng tại thời điểm ban đầu của mỗi nhánh. Chương trình sẽ tính tốn giá trị mực nước và lưu lượng tại các mặt cắt tương ứng với dịng chảy ổn định. + Nhập trực tiếp giá trị về mực nước và lưu lượng tại các mặt cắt. Cách này thường dùng khi mơ phỏng dịng chảy khơng ổn định trong thời gian dài, phải chia ra làm nhiều thời đoạn để tính tốn. Khi đĩ, giá trị ở thời đoạn cuối của thời đoạn trước được sử dụng làm điều kiện biên của thời đoạn kế tiếp. 15 3.4. Áp dụng tính tốn cho dịng chảy lũ vùng thượng lưu hồ chứa nước ĐăkMi4: *Sơ đồ tính tốn: Hình 3.6: Sơ đồ vị trí các nhánh sơng, suối tính tốn Hình 3.7: Sơ đồ mơ hình hĩa vị trí các nhánh sơng tính tốn 16 Từ chương trình, tác giả đã xây dựng mơ hình 3D cơng trình thủy điện Đăk Mi 4 ứng với mực nước max p = 0,5% biểu diễn ở hình 3.8 Hình 3.8: Mơ hình 3D cơng trình thủy điện Đăk Mi 4 ứng với mực nước max p = 0,5% * Kết quả tính tốn: Mạng lưới sơng Đăk Mi với các sơng suối và các cơng trình trên sơng đã tạo thành một hệ thống cùng các điều kiện biên và chương trình HEC – RAS giải cho giá trị mực nước và lưu lượng tại từng mặt cắt sơng. Kết quả tính tốn các giá trị của các mặt cắt tại thời điểm cột nước lớn nhất được trình bày ở bảng PL 1.1 ( phụ lục 1) và đường mực nước lớn nhất Hmax ứng với tần suất 0,5% dọc sơng phía thượng lưu đập Đăk Mi 4 tính theo phần mềm HEC – RAS thể hiện ở hình 3.9. 17 Hình 3.9: Đường cột nước Hmax theo trắc dọc thượng lưu đập Đăk Mi 4 tính theo phần mềm HEC – RAS Kết quả tính tốn giá trị lưu lượng, cột nước và vận tốc tại mặt cắt ngay trước đập Đăk Mi 4 ( mặt cắt 1, đoạn 2 ) được cho ở bảng 3.5. Bảng 3.5: Giá trị lưu lượng, cột nước và vận tốc tại mặt cắt ngay trước đập ĐăkMi 4 STT Chỉ tiêu Đơn vị Lũ ứng với tần suất p = 0,5% A Giá trị ứng với mực nước lớn nhất Hmax (11h, 23/10/1998) 1 Lưu lượng Q m3/s 5300,25 2 Vận tốc V m/s 0,26 3 Cao trình mực nước thượng lưu Hmax m 258,02 B Giá trị lưu lượng, mực nước lớn nhất (12h, 23/10/1998) 1 Lưu lượng Q m3/s 9432,55 2 Vận tốc V m/s 0,49 3 Cao trình mực nước thượng lưu Hmax m 254,55 C Thời gian từ Hmax đạt đến Qmax Giờ 1 18 Đường mực nước lớn nhất ứng với tần suất 0,5% tại mặt cắt ngay trước đập Đăk Mi 4 ( mặt cắt 1, đoạn 2, sơng Đăk Mi) tính theo phần mềm HEC – RAS thể hiện trên hình 3.10 và phụ lục 2. Hình 3.10: Cột nước Hmax tại mặt cắt ngang thượng lưu đập Đăk Mi 4 ( mặt cắt 1, đoạn 2 ) tính theo phần mềm HEC – RAS Theo kết quả từ chương trình ghi ở bảng 3.5, ta thấy giá trị lưu lượng, các biểu đồ quan hệ lưu lượng và mực nước tại mặt cắt số 1, thượng lưu hồ chứa nước Đăk Mi 4 ứng với từng giờ được cho ở hình 3.11 19 Hình 3.11: Quan hệ Q ∼ t, H ∼ t và a ∼ t của lũ ứng với tần suất 0,5% tại mặ cắt 1 Kết quả tính tốn đã thể hiện ở phụ lục 1 diện tích thực tế ngập úng vùng thượng lưu hồ chứa nước Đăk Mi 4 được thể hiện trên sơ đồ hình 3.12 Hình 3.12: Sơ đồ thể hiện diện tích thực tế ngập úng vùng thượng lưu hồ chứa nước Đăk Mi 4 20 3.5.Tính ngập lụt vùng thượng lưu hồ chứa nước Đăk Mi 4 theo phương pháp tựa ổn định: Theo phương pháp cổ điển sự ngập úng lịng hồ Đăk Mi 4 được tính theo quan niệm dịng chảy tựa ổn định, tức là tại mỗi thời đoạn ∆t dịng chảy xem như ổn định. Như vậy, mức nước cao nhất trong lịng hồ Đăk Mi 4 sẽ tương ứng với đường mặt nước ứng với lưu lượng max đỉnh lũ. Kết quả tính tốn đường mặt nước theo phương pháp tựa ổn định được cho bởi hình vẽ 3.13 và bảng PL1.2 (phụ lục 1). Hình 3.13:Đường cột nước Hmax theo trắc dọc thượng lưu đập Đăk Mi 4 tính theo phương pháp tựa ổn định 21 3.6. So sánh kết quả tính tốn mực nước lớn nhất theo Hes – ras và phương pháp tựa ổn định: *Sơng chính Đăk Mi: 250 255 260 265 270 275 280 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 x(m) H( m ) *Sơng nhánh Đăk Sa: 254 255 256 257 258 259 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 Hình 3.14: Đường cột nước Hmax theo trắc dọc sơng Đăk Mi tính theo phần mềm Hec – ras và phương pháp tựa ổn định *Nhận xét: -Theo mơ hình tốn dùng để tính tốn dịng chảy khơng ổn định, các yếu tố thủy lực về dịng chảy như: lưu tốc dịng chảy và áp suất tại một vị trí thay đổi theo thời gian, trong phương trình động lượng ta khơng thể bỏ qua đại lượng lực quán tính nên giá trị cột nước và lưu lượng khơng cùng đạt cực trị đồng thời. -Kết quả tính theo mơ hình tốn khi cột nước đạt lớn nhất, lưu lượng chưa đạt giá trị lớn nhất. Vấn đề này phù hợp với dịng chảy khơng ổn định trong sơng thiên Theo PP tựa ổn định Theo PM Hec - ras Theo PP tựa ổn định Theo PM Hec - ras 22 nhiên, các cực trị khơng đồng thời xuất hiện. Giá trị lưu lượng và vận tốc lớn nhất đến chậm hơn giá trị mực nước. Cường độ đỉnh lũ biên trên càng lớn thì thời gian để dịng chảy đạt từ Hmax đến Qmax càng nhỏ. -Do dịng chảy lũ cĩ quán tính nên kết quả tính theo mơ hình tốn khơng ổn định trong Hec – ras khác với phương pháp tựa ổn định. -Do cĩ kể đến lực quán tính trong quá trình lũ lên và xuống nên kết quả tính theo mơ hình Hec – ras lớn hơn tính theo phương pháp dịng chảy tựa ổn định. 23 KẾT LUẬN - KIẾN NGHỊ A.KẾT LUẬN: * Luận văn sử dụng phần mềm HEC – RAS xây dựng dựa trên mơ hình tốn một chiều để tính tốn dịng chảy khơng ổn định ở thượng lưu hồ chứa nước Đăk Mi 4 cho kết quả tính tốn gần đúng với thực tế ngập úng thượng lưu chứa nước Đăk Mi 4. *Từ kết quả thu được qua tính tốn dựa vào phần mềm HEC – RAS đã gĩp phần dự báo được vùng ngập lũ ở thượng lưu hồ chứa nước Đăk Mi 4 được chính xác hơn và xây dựng đường quá trình xả lũ tại hồ chứa nước Đăk Mi 4 được hợp lý hơn. *Kết quả chính xác của việc nghiên cứu này cho biết vùng nào cần di dời dân tái định cư dân cư quanh khu vực lịng hồ nhằm giảm thiểu hậu quả về tính mạng và kinh tế do thiên tai lũ lụt gây ra, đặc biệt là tình hình thời tiết những năm gần đây mưa lũ ngày càng trở nên phức tạp hơn, đồng thời giảm được chi phí đầu tư cho dự án trong việc di dời tài định cư ở mức tốt nhất. *Từ lưu lượng tính tốn xả lũ qua tràn chính xác hơn gĩp phần dự báo lũ hạ lưu hồ chứa được tốt hơn. B.KIẾN NGHỊ: *Trong thời gian tới cần lập trạm đo thủy văn để đo lưu lượng và hàm lượng bùn cát của các sơng trong khu vực dự án để cĩ được số liệu tin cậy gĩp phần dự báo ngập lũ cũng như bồi lắng lịng hồ được tốt hơn. *Phần mềm HEC – RAS thân thiện, miễn phí, đáp ứng được yêu cầu tính tốn điều tiết lũ và bồi lắng lịng hồ, do đĩ đề nghị nên đưa phần mềm này vào trong giảng dạy và tính tốn thiết kế các cơng trình thủy lợi – thủy điện.