- 2.2 Tổng quan về các mô hình thủy văn, thủy lực tính toán ngập lụt. - 2.3 Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE FLOOD. - 3.2 Ứng dụng mô hình MIKE FLOOD. - Xây dựng bản ñồ ngập lụt dựa vào việc mô phỏng các mô hình thủy văn, thủy lực.. - Do vậy luận văn này sẽ tập trung giới thiệu và phân tích các nhóm mô hình thủy văn, thủy lực có khả năng ứng dụng trong xây dựng bản ñồ ngập lụt, nhằm làm cơ sở lựa chọn phương pháp sử dụng cho khu vực nghiên cứu cùng với việc giới thiệu các quy trình và công cụ xây dựng bản ñồ ngập lụt tích hợp kết quả mô phỏng bằng mô hình thủy ñộng lực với hệ thống cơ sở dữ liệu GIS.. - Tổng quan về các mô hình thủy văn, thủy lực tính toán ngập lụt 2.2.1 Các mô hình mưa - dòng chảy:. - Mô hình toán mưa rào dòng chảy dựa trên quá trình trao ñổi lượng ẩm giữa các tầng mặt, ngầm lưu vực, và bốc hơi. - Là dạng mô hình tính toán thủy văn ñược dùng ñể tính dòng chảy từ số liệu ño mưa trên lưu vực. - Ngoài ra, chương trình có thể liên kết với cơ sở dữ liệu dạng DSS của mô hình thủy lực Hec-RAS.. - Mô hình NAM: ñược xây dựng 1982 tại khoa thủy văn viện kỹ thuật thủy ñộng lực và thủy lực thuộc ñại học kỹ thuật ðan Mạch. - Mô hình tính quá trình mưa - dòng chảy theo cách tính liên tục hàm lượng ẩm trong năm bể chứa riêng biệt tương tác lẫn nhau.. - Mô hình thủy lực:. - ðây là mô hình toán thuỷ văn-thuỷ lực của dòng chảy một chiều trên hệ thống sông ngòi có nối với ñồng ruộng và các khu chứa khác. - Do ñó, mô hình ñã chia các khu chứa và các ô ñồng ruộng thành hai loại chính. - Mô hình WENDY: do Viện thủy lực Hà Lan (DELFT) xây dựng cho phép tính thủy lực dòng chảy hở, xói lan truyền, chuyển tải phù sa và xâm nhập mặn.. - Mô hình HEC-RAS: do Trung tâm Thủy văn kỹ thuật quân ñội Hoa Kỳ xây dựng ñược áp dụng ñể tính toán thủy lực cho hệ thống sông. - Mô hình HEC-RAS ñược xây dựng ñể tính toán dòng chảy trong hệ thống sông có sự tương tác 2 chiều giữa dòng chảy trong sông và dòng chảy vùng ñồng bằng lũ. - MIKE 11 có một số ưu ñiểm nổi trội so với các mô hình khác như: (i) liên kết với GIS, (ii) kết nối với các mô hình thành phần khác của bộ MIKE ví dụ như mô hình mưa rào-dòng chảy NAM, mô hình thuỷ ñộng lực học 2 chiều MIKE 21, mô hình dòng chảy nước dưới ñất, dòng chảy tràn bề mặt và dòng bốc thoát hơi thảm phủ (MIKE SHE), (iii) tính toán chuyển tải chất khuyếch tán, (iv) vận hành công trình, (v) tính toán quá trình phú dưỡng…... - Mô hình MIKE 11 ñã ñược ứng dụng tính toán rộng rãi tại Việt Nam và trên phạm vi toàn thế giới. - ðể cải thiện vấn ñề này bộ mô hình MIKE có thêm mô hình thủy lực hai chiều MIKE 21 và bộ kết nối MIKE FLOOD.. - MIKE FLOOD: Là mô hình thuỷ ñộng lực học dòng chảy 2 chiều trên vùng ngập lũ ñã ñược ứng dụng tính toán rộng rãi tại Việt Nam và trên phạm vi toàn thế giới. - Mô hình MIKE21 HD là mô hình thuỷ ñộng lực học mô phỏng mực nước và dòng chảy trên sông, vùng cửa sông, vịnh và ven biển. - Mô hình mô phỏng dòng chảy không ổn ñịnh hai chiều ngang ñối với một lớp dòng chảy.. - MIKE21 HD có thể mô hình hóa dòng chảy tràn với nhiều ñiều kiện ñược tính ñến, bao gồm:. - Lưới tính toán sử dụng trong mô hình là lưới hình chữ nhật.. - mô phỏng theo mô hình MIKE11. - Khi ñó mô hình một chiều MIKE11 có thể cung cấp ñều kiện biên cho mô hình MIKE21 (và ngược lại).. - Bộ mô hình MIKE11 và MIKE11- GIS của viện thuỷ lực ðan Mạch (DHI) sử dụng ñể xây dựng bản ñồ ngập lụt cho vùng hạ lưu sông. - ðộ chính xác của kết quả tính từ mô hình và thời gian tính toán phụ thuộc rất nhiều vào ñộ chính xác của DEM. - Mô hình MIKE SHE: Mô hình toán vật lý thông số phân bổ mô phỏng hệ thống tổng hợp dòng chảy mặt- dòng chảy ngầm lưu vực sông. - Qua thực tế của việc sử dụng các mô hình thủy văn và thủy lực hiện nay trên thế giới và tại Việt nam. - với mong muốn mô phỏng một cách chính xác nhất quá trình ngập lụt trong khu vực nghiên cứu, tác giả nhận thấy bộ mô hình MIKE - FLOOD của Viện thủy lực Hà Lan có thể ñáp ứng ñược yêu cầu xây dựng bản ñồ ngập lụt cho khu vực nghiên cứu do các lý do sau ñây:. - Bộ mô hình MIKE bao gồm: mô hình thủy văn MIKE NAM, dùng ñể tính toán các biên ñầu vào cho mô hình thủy lực một chiều MIKE 11, cũng như biên gia nhập khu giữa cho mô hình thủy lực hai chiều MIKE 21. - Mô hình thủy lực một chiều MIKE 11 mô phỏng dòng chảy một chiều trong sông và mô hình hai chiều MIKE 21 mô phỏng dòng chảy hai chiều ngang tràn bãi. - Bộ mô hình này rất phù hợp ñể mô. - ðiều kiện số liệu ño ñạc trong khu vực rất hạn chế do nhiều nguyên nhân khác nhau nên việc sử dụng mô hình MIKE - NAM ñể tính toán dòng chảy từ mưa làm biên ñầu vào cho mô hình thủy lực là cần thiết.. - Mô hình MIKE FLOOD là một công cụ tổng hợp cho việc nghiên cứu các ứng dụng về vùng bãi tràn phù hợp cho vùng trũng nghiên cứu, có thể thể hiện ñược cả mức ñộ ngập lụt lẫn tốc ñộ và hướng dòng chảy lũ trong vùng ngập lụt.. - Do vậy, trong luận văn này tác giả quyết ñịnh sử dụng mô hình Mike – FLOOD trong bộ mô hình MIKE của Viện thủy lực ðan Mạch ñể liên kết mô hình 1D và 2D diễn toán mô phỏng quá trình lũ trên lưu vực sông Nhật Lệ ñoạn khu vực nghiên cứu.. - 2.3 Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE FLOOD 2.3.1. - Mô hình mưa – dòng chảy MIKE – NAM - Giới thiệu mô hình NAM. - ðể tính toán quá trình hình thành dòng chảy từ mưa trên các lưu vực sông thì mô hình NAM là một công cụ khá mạnh. - Mô hình NAM tính toán quá trình mưa dòng chảy theo cách tính liên tục hàm lượng ẩm trong các bể chứa riêng biệt tương tác lẫn nhau (hình 2.1).. - Mô hình NAM có tổng cộng 19 thông số gồm các thông số về dòng chảy mặt, thông số bốc hơi, thông số tưới. - Hình 2.1: Cấu trúc mô hình NAM. - ðầu vào của mô hình NAM. - ðầu ra của mô hình. - Kết quả của mô hình ñược biểu diễn qua ñường quá trình lưu lượng theo thời gian (thời gian có thể tính bằng giờ hoặc bằng ngày tùy thuộc vào thời gian của mưa thực ño).. - 2.3.2 Mô hình MIKE 11. - Mô hình MIKE 11 là mô hình tính toán mạng sông dựa trên việc giải hệ phương trình một chiều Saint -Venant:. - Có nhiều phương pháp rời rạc hóa hệ phương trình, và trong mô hình MIKE 11, tác giả ñã sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn 6 ñiểm ẩn Abbott. - 2.3.3 Cơ sở lý thuyết của mô hình MIKE 21. - Hệ phương trình cơ bản sử dụng trong mô hình MIKE 21 bao gồm 1 phương trình liên tục và 2 phương trình chuyển ñộng:. - 2.3.4 Mô hình MIKE FLOOD. - Mặc dầu mô hình MIKE 11 và MIKE 21 có những ưu ñiểm vượt trội trong việc mô phỏng dòng chảy 1 chiều trong mạng lưới sông phức tạp (MIKE 11) và có thể mô phỏng bức tranh 2 chiều của dòng chảy tràn trên bề mặt ñồng ruộng (MIKE 21).. - Trong MIKE FLOOD có 4 loại kết nối sau ñây giữa mô hình 1 và 2 chiều:. - Sử dụng các kết nối trên ñây ta có thể dễ dàng liên kết hai mạng lưới tính trong mô hình 1 chiều và 2 chiều với nhau. - Khi chạy mô hình, ñể coupling chúng, MIKE FLOOD cung cấp 3 kiểu coupling sau ñây tùy thuộc vào mục ñích sử dụng mô hình:. - Các lựa chọn này sẽ ñược người sử dụng dễ dàng lựa chọn thông qua các hộp thoại trong mô hình.. - o Phân tích, hình dung và ñánh giá diện tích và mức ñộ ngập lụt sử dụng các kết quả tính toán từ mô hình nêu trên.. - Quá trình xây dựng ñầu vào cho mô hình rất quan trọng vì nó sẽ quyết ñịnh mức ñộ chính xác của việc dự báo. - ðể xây dựng ñược các bản ñồ cảnh báo lũ lụt vấn ñề ñầu tiên là xây dựng bộ số liệu dùng ñể ñưa vào mô hình tính toán, các tài liệu ñịa hình, mạng lưới sông, mặt cắt ñịa hình phục vụ tính toán..... - Trong luận văn này tác giả ñã tiến hành xây dựng bản ñồ mô hình số ñộ cao khu vực nghiên cứu với ñộ phân giải 30 m từ 28 tờ bản ñồ ñịa hình tỷ lệ 1: 25.000. - 3.2 Ứng dụng mô hình MIKE FLOOD 3.2.1 Xây dựng mạng thủy lực. - ðể sử dụng ñược mô hình MIKE FLOOD cho tính toán, mô phỏng quá trình ngập lũ trên khu vực nghiên cứu là hạ lưu hệ thống sông Nhật Lệ cần phải xây dựng mạng tính toán thủy lực một và hai chiều trên lưu vực tính toán.. - Hình 3.5: Sơ ñồ phân chia lưu vực tính toán bằng mô hình NAM b. - Với kích thước ô lưới ñã chọn ñáp ứng ñược các yêu cầu về thời gian tính toán trong mô hình hai chiều MIKE 21 (hình 3.6). - Hình 3.6: Lưới phần tử hữu hạn dùng trong mô hình MIKE FLOOD. - 3.2.2 Hiệu chỉnh và kiểm ñịnh mô hình. - ðể có thể tiến hành tính toán, mô phỏng quá trình dòng chảy lũ trên lưu vực bằng mô hình thủy văn, thủy lực cần tiến hành các bước hiệu chỉnh và kiểm ñịnh bộ thông số cho mô hình tính toán, bao gồm: mô hình mưa – dòng chảy NAM và mô hình kết nối MIKE FLOOD.. - Mô hình mưa rào – dòng chảy NAM. - năm có tài liệu mưa giờ tại trạm ðồng Hới, làm cơ sở cho việc hiệu chỉnh và kiểm ñịnh mô hình. - Kết quả hiệu chỉnh và kiểm ñịnh mô hình NAM ñược biểu diễn trong các hình 3.7 và 3.8 và bảng 1, 2 trong phụ lục.. - Hình 3.7: Kết quả hiệu chỉnh mô hình NAM. - ðể kiểm tra tính chính xác của kết quả tính toán, trong nghiên cứu này sử dụng chỉ tiêu NASH ñể ñánh giá sai số của mô hình. - Do vậy bộ thông số mô hình NAM (bảng 3.2) ñược chấp nhận ñể sử dụng tính toán trong các bước tiếp theo.. - Hình 3.8: Kết quả kiểm ñịnh mô hình NAM Bảng 3.2 Kết quả bộ thông số mô hình MIKE-NAM. - Mô hình thủy lực. - Tiến hành hiệu chỉnh mô hình với số liệu biên là mực nước tại các trạm Kiến Giang, ðồng Hới trong trận lũ từ ngày kết quả tính toán so sánh với số liệu mực nước trạm Lệ Thủy. - Số liệu mưa này là ñầu vào cho mô hình NAM ñể tính toán các biên ñầu vào và biên gia nhập khu giữa cho mô hình 1 và 2 chiều theo các lưu vực phân chia trong hình 3.5.. - Hình 3.9 Kết quả hiệu chỉnh mô hình hai chiều. - Kiểm ñịnh mô hình với trận lũ 11/1999. - Quá trình kiểm ñịnh mô hình MIKE - FLOOD ñược tiến hành với quá trình mưa lũ từ ngày 1/XI ñến ngày 6/XI/1999. - Số liệu mưa này là ñầu vào của mô hình NAM ñể tính toán ñiều kiện biên và gia nhập khu giữa cho mô hình MIKE 11và ñược tính trực tiếp trong mô hình MIKE 21 ñối với khu vực nghiên cứu chi tiết.. - Số liệu mực nước tại trạm Lệ Thủy ñược sử dụng ñể kiểm ñịnh mô hình với mạng thủy lực 1D, kết quả so sánh tính toán và thực ño ñược thể hiện chi tiết tại hình 3.10 và bảng 4 trong phụ lục. - Hình 3.10 Kết quả kiểm ñịnh mô hình 2 chiều. - Kết quả tính toán bằng mô hình MIKE FLOOD xuất ra dưới dạng file ASCII, ñược xử lý bằng phần mềm ArcGis 9.1 nhằm xây dựng các vùng ngập lụt với ñộ sâu ngập khác nhau thành các lớp thông tin (layer) trên hệ GIS. - Kết quả trong bảng 3.3 và hình 3.11cho thấy tuy rằng mô hình tính toán diện tích ngập lụt có thiên lớn nhưng với sai số NASH=73,6% ñã chứng tỏ mô hình mô phỏng tương ñối tốt diện tích ngập lụt trong trận lũ năm 1999.. - Mô hình mưa – lũ thiết kế ñược biểu diễn trên các hình từ 3.13 ñến 3.15. - Hình 3.13 Mô hình mưa trận lũ tháng 11/1999. - Hình 3.13a Mô hình mưa thiết kế ứng với tần suất 1%. - Hình 3.14 Mô hình mưa thiết kế ứng với tần suất 5%. - Hình 3.15 Mô hình mưa thiết kế ứng với tần suất 10%. - Các kịch bản ngập lụt 1%, 5% và 10% ñược mô phỏng sử dụng mô hình thủy ñộng lực kết nối 1-2 chiều tương ứng với các biên là các sự kiện mưa lũ thiết kế ñã tính toán.. - Các kết quả tính toán từ mô hình MIKE FLOOD ñược trích xuất ra bao gồm các thông tin về: mực nước lũ tại các vị trí (file chứa các thông tin x, y, H), vận tốc ñỉnh lũ tại các vị trí (file chứa các thông tin x, y, u và v). - Mặt khác, các tính toán cũng cho thấy bộ mô hình kết nối 1-2 chiều MIKE FLOOD ñã xây dựng trong luận văn này có thể áp dụng trong thực tế dự báo và cảnh báo lũ cho hạ lưu lưu vực sông Kiến Giang – Nhật Lệ.. - ðể góp phần giảm thiểu nguy cơ ảnh hưởng của lũ lụt, hiện ñã có rất nhiều nghiên cứu trên lưu vực này, song hướng nghiên cứu của luận văn với việc xây dựng bản ñồ cảnh báo ngập lụt bằng mô hình thủy ñộng lực học kết hợp với công cụ GIS là một hướng tiệm cận hiện ñại và cho kết quả khả quan.. - Xây dựng ñược quy trình thành lập bản ñồ ngập lụt kết hợp giữa các tài liệu GIS và kết quả mô phỏng từ mô hình thủy ñộng lực học.. - Luận văn cũng ñã áp dụng thành công mô hình MIKE FLOOD ñể tính toán, mô phỏng diện ngập, ñộ sâu ngập và trường vận tốc tại các vị trí thuộc lưu vực hạ lưu sông Nhật Lệ cho kết quả tốt. - Bộ mô hình có thể ñược sử dụng trong thực tế phục vụ công tác cảnh báo, dự báo, phòng chống và giảm nhẹ thiên tai nói chung và lũ lụt nói riêng.. - Trần Thục, Ứng dụng mô hình Mike 11 GIS tính toán cảnh báo ngập lụt hạ du sông Hương, Tuyển tập báo cáo Hội thảo khoa học lần thứ 10, Viện Khoa học KTTV và MT.