- ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN MỘT CHIỀU MÔ PHỎNG ĐỘNG THÁI DÒNG HẢY VÀ CHẤT LƯỢNG NƯỚC TRONG VÙNG ĐÊ BAO KHÉP KÍN. - Mô hình thủy lực một chiều, động thái dòng chảy, chất lượng nước, đê bao khép kín Keywords:. - Hệ thống đê bao khép kín và cống nội đồng được xây dựng để bảo vệ lúa vụ ba tránh lũ hàng năm. - và (ii) thay đổi chế độ dòng chảy của hệ thống kênh rạch. - Mô hình toán thủy lực một chiều (1D) (HEC-RAS) đã được áp dụng để đánh giá động thái dòng chảy trong khu vực đê bao khép kín. - Sau khi hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực, hệ số Manning’s n = 0,035 được chọn cho toàn hệ thống kênh trong khu vực với kết quả phù hợp giữa mực nước mô phỏng và thực đo. - Mô hình mô phỏng chất lượng nước cũng được xây dựng với hệ số khuếch tán D m 2 /s (mùa khô) và D m 2 /s (mùa lũ) với giá trị thay đổi phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy của từng kênh. - Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở cho việc đánh giá chất lượng môi trường cấp vùng dưới tác động của hệ thống công trình thủy lợi.. - Hình 1: Vị trí nghiên cứu và hệ thống các công trình thủy lợi (năm 2013) Thị Trấn Mỹ Luông thuộc huyện Chợ Mới là. - một trong những vùng sản xuất lúa 3 vụ của tỉnh An Giang với hệ thống các công trình thủy lợi tương đối hoàn chỉnh (Hình 1). - Hệ thống các công trình thủy lợi (bao gồm 2 chức năng cơ bản: (1) vận chuyển nước từ nguồn đến đồng ruộng. - tuy nhiên, biện pháp công trình đã làm thay đổi đặc tính dòng chảy như tăng vận tốc dòng chảy ở hệ thống các sông / kênh rạch, tăng xói lở bờ, tăng mực nước trên sông / kênh và gây ảnh hưởng tiêu cực đến sản xuất nông nghiệp. - Ngoài ra, hệ thống đê bao cũng đã ngăn chặn nước lũ vào đồng ruộng. - điều này dẫn đến các chất độc từ quá trình canh tác không được rửa trôi, gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng nước mặt trong khu vực đê bao (Le Thi Viet Hoa et al., 2006). - Vì thế, nghiên cứu này được thực hiện nhằm đánh giá tác động của hệ thống thủy lợi đến đặc tính dòng chảy và chất lượng nước mặt trong vùng được bảo vệ bởi đê bao khép kín.. - 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Cơ sở lý thuyết của mô hình HEC-RAS 2.1.1 Mô hình thủy lực. - Nghiên cứu sử dụng mô hình phân tích dòng chảy 1 chiều (1D) HEC-RAS (Hydrological Engineering Centre - River Analysis System) (phiên bản 4.1) do trung tâm công trình thủy văn. - Phần mềm này dùng để xây dựng mô hình toán thủy động lực một chiều cho dòng chảy ổn định hoặc không ổn định, vận chuyển bùn cát và phân tích chất lượng nước của mạng lưới sông / kênh. - Mô hình được mô tả bằng hệ phương trình Saint – Venant gồm phương trình liên tục (công thức 2.1) và phương trình động lực (công thức 2.2);. - ngoài ra, hệ số Manning’s n được sử dụng để hiệu chỉnh mô hình thủy động lực học được trình bày qua công thức 2.3.. - Q: lưu lượng dòng chảy (m 3 /s). - V: vận tốc trung bình dòng chảy (m/s). - z: cao trình mực nước tại mặt cắt (m). - Dòng chảy khi có công trình thủy lợi (cống) được mô tả qua Hình 2. - Q: lưu lượng dòng chảy trong cống (m 3 /s). - Đối với dòng chảy sau cống, HEC-RAS sử dụng phương trình Bernoulli để tính toán sự thay đổi năng lượng thông qua cống:. - Y 3 : độ sâu mực nước ở đầu cống (m). - Y 2 : độ sâu mực nước ở cuối cống (m). - a 2 : hệ số vận tốc ở cuối cống. - Hình 2: Dòng chảy qua cống theo Gary W. - Sau đó, cao trình đê (tham khảo từ số liệu của Chi Cục Thủy Lợi tỉnh An Giang) được sử dụng để tính toán cao trình đáy của mỗi đoạn kênh trong hệ thống.. - Mực nước: dựa vào cao trình đê (Chi cục thủy lợi tỉnh An Giang, 2010) để xác định cao trình mực nước. - Việc đo mực nước được thực hiện bằng cách cắm thước đo mực nước tại mỗi vị trí đo (Nguyễn Thanh Sơn và Đặng Quý Phượng, 2003).. - Trong đó: Q: lưu lượng dòng chảy (m 3 /s). - vận tốc dòng chảy (m/s). - 2.1.2 Mô hình chất lượng nước. - Trong đó: V: thể tích của ô lưới chất lượng nước (m 3. - Trong đó: u: vận tốc trung bình dòng chảy (m/s). - u*: vận tốc trượt (m/s). - 2.2 Các bước xây dựng mô hình. - Quá trình xây dựng mô hình được thực hiện theo các bước sau và điều kiện biên được thiết lập như trình bày ở Hình 3.. - Mặt cắt ngang của hệ thống kênh được đo trực tiếp và tùy theo yêu cầu của mô hình toán HEC-RAS mà một số mặt cắt ở giữa các mặt cắt thực đo sẽ được nội suy nhằm đảm bảo không có sự thay đổi đáng kể về mặt thủy lực giữa 2 mặt cắt (John C. - Bước 3: Hiệu chỉnh mô hình thủy lực.. - Bước 4: Kiểm định mô hình thủy lực.. - Bước 5: Nhập thông số đầu vào của mô hình chất lượng nước với các chỉ tiêu BOD 5 (nhu cầu oxy sinh học), TKN (tổng nitơ Kjedahl – đạm) và TP (tổng photpho - lân).. - Bước 6: Hiệu chỉnh hệ số khuếch tán trong mô hình chất lượng nước.. - Hình 3: Vị trí hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực. - Điều kiện biên của mô hình toán được phát triển bao gồm: 2 biên lưu lượng đầu vào và 2 biên mực nước đầu ra. - Dòng chảy qua hai bên từ kênh nội đồng được xây dựng trong mô hình nhằm thể hiện lượng nước mất đi do chảy vào bên trong đồng ruộng hoặc lượng nước bổ sung vào hệ thống kênh từ ruộng khi có mưa dẫn đến việc tháo nước (tràn) ra khỏi ruộng. - Trên thực tế, số lượng dòng chảy bên khá nhiều trên kênh. - tuy nhiên, trong quá trình xây dựng mô hình, tác giả chỉ xây dựng một vị trí thể hiện dòng chảy bên nhằm đơn giản hóa mô hình. - trị Q = 0 m 3 /s do trước quá trình bơm nước không có vận tốc dòng chảy trong hệ thống kênh.. - Hiệu chỉnh mô hình thủy lực được thực hiện bằng cách thay đổi hệ số nhám Manning’s n cho toàn bộ hệ thống kênh nhằm đảm bảo kết quả mô phỏng mực nước gần giống với giá trị thực đo và được đánh giá qua giá trị của hệ số Nash – Sutcliffe (E) (J.E. - Tương tự vậy, hệ số khuếch tán D cũng được thay đổi nhưng phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy trong quá trình hiệu chỉnh mô hình chất lượng nước.. - Diễn biến mực nước trên kênh nội đồng khác với dòng chảy tự nhiên do lượng nước được cung cấp và mất đi phụ thuộc vào lịch bơm nước và nhu cầu sử dụng nước của người dân cho hoạt động canh tác. - Sau đó, quá trình kiểm định được thực hiện bằng cách giữ nguyên các thông số kỹ thuật ở giai đoạn hiệu chỉnh và thay đổi điều kiện biên của mô hình cho các giai đoạn và . - 3 KẾT QUẢ THẢO LUẬN 3.1 Kết quả mô phỏng thủy lực. - Mô hình mô phỏng thủy lực được hiệu chỉnh với hệ số Manning’s n= 0,035 cho toàn hệ thống kênh nội động. - Phần lớn hệ thống kênh của vùng nghiên cứu bị ảnh hưởng bởi sự phát triển của thủy sinh thực vật (lục bình và tảo). - Kết quả hiệu chỉnh thủy lực tại các vị trí F và D (Hình 3) vào mùa khô và mùa lũ được trình bày qua Hình 4 và Hình 5.. - Hình 4: Mực nước mô phỏng và thực đo vào mùa khô sau khi hiệu chỉnh tại vị trí F (a) và D (b). - Hình 5: Mực nước mô phỏng và thực đo vào mùa lũ sau khi hiệu chỉnh tại vị trí F(a) và D (b) Qua kết quả hiệu chỉnh thì biên độ và pha dao. - động của mực nước thực đo và mực nước mô phỏng khá phù hợp tại các vị trí quan sát (giá trị hệ số Nash – Sutcliffe tại điểm F và D lần lượt là E F = 0,89 và E D = 0,99 (mùa khô). - Sai lệch giữa mực nước mô phỏng và thực đo tại điểm F thường vào khoảng 7h – 9h mỗi ngày do trong khoảng thời gian này, trạm bơm bắt đầu bơm nước vào kênh nội đồng. - trình bơm, mực nước thực đo trong kênh vẫn giảm tại các điểm F với lý do là người dân đã lấy nước từ kênh vào bên trong đồng ruộng. - Tuy nhiên, điểm D nằm trên khu vực cuối cùng được nhận nước nên trong khoảng thời gian hiệu chỉnh, mực nước tại vị trí này vẫn tăng lên. - Tương tự như mùa khô, mực nước tại điểm F vào mùa lũ tăng nhanh trong ngày đầu bắt đầu bơm nước rồi tăng chậm và giảm dần trong ngày tiếp theo. - đồng thời, mực nước tại điểm. - Vào ngày 17/6, cống tại khu vực IV được mở và người dân cũng lấy nước vào ruộng nên mực nước tại vị trí D cũng giảm dần. - Đối với mùa lũ, điểm D có mực nước giảm dần theo mỗi ngày do vị trí này nằm ở khu vực trũng nhất trong vùng nghiên cứu (khảo sát thực tế) nên lượng nước trong giữ trong kênh. - So với mùa khô, mực nước trong kênh nội đồng vào mùa lũ cao hơn khoảng 0.2 m do mưa. - Tóm lại, đặc tính dòng chảy của hệ thống kênh vào mùa khô lẫn mùa lũ phụ thuộc vào lịch vận hành cống nội đồng và nhu cầu sử dụng nước hệ thống canh tác lúa trong khu vực.. - Ngoài ra, tại các vị trí kiểm định, hệ số Nash – Sutcliffe (E) được tính toán đều lớn hơn 0,8 - chứng tỏ độ tin cậy của mô hình là chấp nhận được.. - Hình 6: Mực nước mô phỏng và thực đo vào mùa khô sau khi kiểm định tại vị trí F(a) và D (b). - Hình 7: Mực nước mô phỏng và thực đo vào mùa lũ sau khi kiểm định tại vị trí F(a) và D (b) 3.2 Kết quả mô phỏng chất lượng nước. - Ngoài những yếu tố có thể gây ảnh hưởng đến chất lượng nước mặt (như: nhu cầu sử dụng nước, lượng nước bơm vào khu vực, và lịch vận hành cống nội đồng), chất lượng nguồn nước mặt trên kênh tại vùng nghiên cứu bị ảnh hưởng chủ yếu bởi dư lượng hóa chất được thải ra từ các hoạt động sản xuất nông nghiệp và một lượng nhỏ từ nước sinh hoạt của người dân. - Hệ số khuếch tán (D) được thiết lập trong mô hình dao động trong khoảng m 2 /s và m 2 /s lần lượt vào mùa khô và mùa lũ. - Việc hiệu chỉnh hệ số khuếch tán dựa vào vận tốc dòng chảy của mỗi kênh. - điển hình, vào mùa lũ, vận tốc dòng chảy lớn hơn (Hình 8) nên hệ số phân tán chất ô nhiễm cũng cao hơn.. - Do trong quá trình đo đạc chỉ đo được vận tốc dòng chảy tại điểm F nên mối quan hệ giữa vận tốc thực đo với diễn biến nồng độ các chỉ tiêu quan trắc theo thời gian chỉ được xét tại vị trí này (Hình 8). - Trong ngày 13/6, nồng độ BOD 5 và TP giảm dần theo thời gian do có dòng chảy tại vị trí này và mực nước cũng tăng lên làm pha loãng nồng độ chất ô nhiễm trong nước. - Bên cạnh đó, cống tại vị trí này đóng nên vận tốc dòng chảy bằng 0. - đồng thời, mực nước tại điểm khảo sát cũng giảm dần do nước vẫn chảy. - Hình 8: Tương quan giữa vận tốc (thực đo) và chất lượng nước mặt (thực đo) vào mùa khô (a) và mùa lũ (b) tại vị trí F. - Kết quả mô phỏng chất lượng nước vào mùa khô và mùa lũ sau khi hiệu chỉnh cho thấy, nồng độ BOD 5 mô phỏng khá phù hợp với giá trị thực đo tại vị trí F và H (Hình 9, Hình 10). - Tuy nhiên, nồng độ TKN và TP mô phỏng có sự khác biệt với kết quả thực đo vào cả hai mùa. - và, (2) mô hình chất lượng nước chỉ xét đến lượng ô. - tuy nhiên, do hạn chế số liệu và việc mô phỏng chất lượng nước không nghiên cứu sâu về khía cạnh này, dẫn đến sự sai lệch so với thực đo.. - Hình 9: Chất lượng nước thực đo và mô phỏng tại vị trí F (a) và H (b) vào mùa khô. - Hình 10: Chất lượng nước thực đo và mô phỏng tại vị trí F (a) và H (b) vào mùa lũ 4 KẾT LUẬN. - Mô hình mô phỏng thủy lực và chất lượng nước đã được xây dựng đáp ứng được mục tiêu đề ra nhằm đánh giá động thái thủy lực và chất lượng nước ở tiểu vùng sản xuất lúa thâm canh trên địa bàn thị trấn Mỹ Luông, tỉnh An Giang. - Mô hình thủy lực vào mùa khô và mùa lũ được hiệu chỉnh với hệ số nhám Manning’s n = 0.035. - vì thế, mô hình có thể áp dụng được cho vùng nghiên cứu.. - Mô hình về chất lượng nước được xây dựng sau khi mô hình thủy lực được thiết lập hoàn chỉnh. - Hệ số khuếch tán chất ô nhiễm của mô hình mô phỏng chất lượng nước từ m 2 /s (mùa khô) và m 2 /s (mùa lũ), tùy thuộc vào mỗi đoạn kênh. - do vậy, kết quả mô phỏng chưa phản ánh thực tế chất lượng nước (TKN và TP) trên hệ thống kênh vùng nghiên cứu.. - Đề án xây dựng hệ thống công trình thủy lợi phục vụ phát triển sản xuất vụ 3 đến năm 2015.. - Mô hình toán cho dòng chảy và chất lượng nước trên hệ thống kênh sông. - Động thái dòng chảy ở vùng Tứ Giác Long Xuyên dưới tác động của đê bao ngăn lũ. - Ứng dụng mô hình toán mô phỏng đặc tính thủy lực và diễn biến chất lượng nước trên tuyến kênh Xáng, thành phố Sóc Trăng