Hướng dẫn mô hình mitsim tính toán cân bằng nước hệ thống sông

HƯỚNG DẪN MÔ HÌNH MITSIM TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NƯỚC HỆ THỐNG SÔNG 1.1. Phương pháp tính toán cân bằng nước hệ thống sông Nguồn nước đến của một hệ thống sông, chịu ảnh hưởng rất nhiều khi các công trình thủy lợi, thủy điện, các công trình cấp nước sinh hoat và công nghiệp và các công trình khai thác nguồn nước khác trên hệ thống tác động.. Do đó việc đánh giá nguồn nước đến của một hệ thống sông phải được xem xét trên quan điểm hệ thống, phải xét đến yêu cầu lợi dụng tổng hợp nguồn nước, để phục vụ yêu cầu phát triển kinh tế - xã hội của các địa phương năm trong lưu vực sông. Cần tính toán sơ đồ khai thác nguồn nước của hệ thống sông, có xét đến nhu cầu dùng nước của các khu tưới, lượng nước dùng cho sinh hoạt và công nghiệp của các nhà máy nước trong hệ thống. Việc đánh giá mức độ ảnh hưởng đến khả năng nguồn nước của hệ thống sông, khi các công trình sử dụng nguồn nước đi vào vận hành phải trên quan điểm phát triển bền vững nguồn nước, duy trì môi trường sinh thái và nhu cầu sử dụng nước ở hạ lưu sông hiện tại và trong tương lai. Bài toán này chỉ có thể giải quyết được bằng các mô hình tính toán cân bằng nước nước theo lưu vực sông, điều này cũng rất phù hợp trong công tác quản lý tài nguyên nước theo lưu vực mà Luật Tài nguyên nước đã qui định. 1.1.1. Mô hình tính toán cân bằng nước trong lưu vực sông Việc quy hoạch phát triển tài nguyên nước trong tương lai trên một lưu vực sông cần phải có sự phân tích tổng hợp kết quả tính toán cân bằng nước theo tài liệu tính toán, thu thập được về khả năng dòng chảy của nguồn nước, qui mô nhiệm vụ và các thông số chủ yếu của các công trình khai thác nguồn nước, các yêu cầu nước của các hộ sử dụng nước cũng như các điều kiện được đặt ra với việc khai thác nguồn nước, nhằm đảm bảo việc phát triển bền vững nguồn nước trên lưu vực sông. Mô hình tính toán cân bằng nước trong lưu vực sông là công cụ tính toán cân bằng giữa khả năng nguồn nước và nhu cầu sử dụng nước để quản lý tài nguyên nước, nhằm hỗ trợ các nhà quản lý trong việc lựa chọn các phương án cung cấp nước, khai thác và bảo vệ nguồn nước hợp lý. Ở nước ta hiện nay đang sử dụng hai mô hình trong tính toán cân bằng nước của lưu vực sông : mô hình MIKE BASIN và mô hình MITSIM 1.1.1.1. Mô hình MIKE BASIN Mô hình MIKE BASIN do Viện thuỷ lực Đan Mạch (ĐHI) xây dựng. Đây là mô hình toán thể hiện một lưu vực sông bao gồm hình thái của các sông chính và các sông nhánh, các yếu tố thuỷ văn của lưu vực theo không gian và thời gian, các công trình và hệ thống sử dụng nước. Mô hình cũng tính đến yếu tố tài nguyên nước ngầm và quá trình diễn biến nước ngầm. Bên cạnh đó mô đun MIKE BASIN WQ bổ sung thêm chức năng mô phỏng chất lượng nước. MIKE BASIN được xây dựng theo kiểu mô hình mạng lưới, trong đó hệ thống sông và các nhánh hợp lưu chính của nó được biểu diễn bằng một mạng lưới bao gồm các nhánh và các nút. Các nhánh thể hiện các đoạn sông riêng biệt, còn các nút thể hiện các tiểu hợp lưu hoặc các vị trí mà tại đó các hoạt động liên quan đến phát triển nguồn nước có thể diễn ra như điểm của dòng chảy hồi quy từ các khu tưới, điểm chuyển dòng hoặc là điểm hợp lưu giữa hai hay nhiều sông hoặc tại các vị trí quan trọng cần có kết quả của mô hình. Mô hình hoạt động trên cơ sở một mạng lưới sông được số hoá và các thông tin về các hoạt động liên quan đến tài nguyên nước được thiết lập trực tiếp trên màn hình máy tính qua phần mềm ArcView GIS. Nhập liệu chủ yếu của mô hình bao gồm số liệu theo thời gian của dòng chảy trên lưu vực của từng nhánh sông. Các file số liệu bổ trợ gồm các đặc tính hồ chứa, các quy tắc vận hành của từng hồ chứa, liệt số liệu khí tượng thuỷ văn và số liệu nhu cầu nước của các hộ dùng nước cùng các thông tin về dòng chảy hồi quy. Phần mềm MIKE BASIN với giao diện tiện dụng và thân thiện là một công cụ mạnh để giải quyết các bài toán cân bằng nước trong quy hoạch phát triển và sử dụng tổng hợp tài nguyên nước trên các lưu vực sông. Như vậy với khả năng ứng dụng rộng rãi của mô hình MIKEBASIN, việc đánh giá nguồn nước các lưu vực sông, ảnh hưởng của các hệ thống lấy nước lên nguồn nước hiện trạng và các giai đoạn phát triển thuỷ lợi trong tương lai sẽ được thực hiện một cách toàn diện và hiệu quả hơn. 1.2.1.2. Mô hình MITSIM MITSIM là một mô hình tính toán cân bằng nước trên một lưu vực do Học viện kỹ thuật Massachusetts (Hoa Kỳ) phát triển. Phiên bản gốc được phát triển bằng ngôn ngữ lập trình FORTRAN. Hiện nay MITSIM đã được Viện Quy hoạch Thuỷ lợi cải tiến cả về nội dung và giao diện người sử dụng, ngôn ngữ lập trình được sử dụng là Visual Basic. Khả năng ứng dụng: Đây là mô hình mô phỏng, một công cụ để đánh giá, định hướng việc quy hoạch và quản lý một lưu vực sông. Mục đích chung của mô hình là đánh giá về mặt thuỷ văn và kinh tế của các phuơng án khai thác nguồn nước. Đặc biệt mô hình có thể đánh giá các tác động của các phương án khai thác nguồn nước của các hệ thống tưới, hồ chứa (gồm cả nhà máy thuỷ điện), cấp nước sinh hoạt và công nghiệp tại nhiều vị trí khác nhau. Ngoài ra mô hình còn xem xét đến việc khai thác nước ngầm. Các tính năng nổi bật của mô hình MITSIM - Mô phỏng nhiều phương án phát triển nguồn nước trong thời gian ngắn. - Cân đối và lựa chọn các phương án với các mục tiêu khai thác nguồn nước khác nhau: Chống lũ, phát điện, tưới. - Lựa chọn phương án điều tiết hồ chứa. - Lựa chọn công trình ưu tiên theo trình tự quy hoạch. Cả hai mô hình trên đề có tính năng nổi bật riêng biệt. Mô hình MIKE BASIN là phần mềm có tính thương mại ( bản quyền), giao diện thân thiện với người sử dụng. Tuy nhiên mô hình đòi hỏi số liệu địa hình lớn. Mô hình MITSIM có ưu điểm là mô phỏng nhiều phương án phát triển nguồn nước trong thời gian ngắn, cân đối lựa chọn nhiều phương án khác nhau và có thể mô phỏng giá thành đầu tư, các chỉ tiêu kinh tế. Đặc biệt là mô hình MITSIM hiện nay ở Việt Nam có chương trình nguồn thuận lợi cho việc nghiên cứu và được áp dụng rộng rãi. Đề tài chọn mô hình MITSIM để tính toán cân bằng nguồn nước hệ thống sông Hương trong hiện tại và giai đoạn năm 2020. 1.1.2. Giới thiệu mô hình MITSIM Mô hình MITSIM (Massachusett Institute of Technology Simualation Model ) được thiết lập năm 1977-1978 bởi phòng Tài nguyên nước, khoa Công trình, Viện kỹ thuật Massachusett-Hoa Kỳ. Mô hình được lập ra để nghiên cứu giai đoạn 2 lưu vực sông Axios Nam Tư, sau đó mô hình được sử dụng ở một số nước và lưu vực sông Mê kông thuộc 4 nước Thái lan, Lào, Việt nam và Campuchia. Mô hình có tính chất định hướng cho người sử dụng trong công tác lập quy hoạch và quản lý một lưu vực sông. Do thời đoạn cân bằng là một tháng và phương trình cân bằng dùng cho mỗi nút là cân bằng tĩnh, không xét tới thời gian chảy truyền, nên mô hình chỉ có tác dụng đánh giá một cách tổng quan toàn bộ hệ thống sông trong một thời đoạn dài. Mô hình MITSIM viết bằng ngôn ngữ FORTRAN77 chạy trên hệ điều hành DOS, là mô hình duy nhất có xét đến hiệu quả sử dụng nước, thông qua các chỉ tiêu về mức đảm bảo dòng chảy được điều tiết và các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật trong toàn hệ thống, cũng như các tiểu vùng và từng cấp công trình riêng rẽ. Tuy nhiên mô hình cũng còn một số hạn chế chưa đáp ứng được yêu cầu tính toán phục vụ công tác nghiên cứu quy hoạch như: Phân lưu dòng chảy; cấp nước cho hệ thống phải căn cứ theo mưa thực tế hàng năm; mưa và bốc hơi ảnh hưởng trực tiếp đến hồ chứa trong thời đoạn tính toán; vấn đề khai thác bậc thang của nhiều hồ chứa khác nhau. Để khắc phục các hạn chế nêu trên, mô hình MITSIM đã được Viện Quy hoạch Thủy lợi cải tiến một lần nữa nhằm đáp ứng với yêu cầu thực tiễn tại Việt Nam. 1.1.2.1. Giới hạn của mô hình Mô hình MITSIM được áp dụng tính toán cho hệ thống sông bao gồm các đặc trưng giới hạn sau: Nút khởi đầu: 90 Nút hồ chứa: 35 Nút hợp và phân lưu: 70 Nút chuyển nước: 10 Nút cấp nước công nghiệp, dân sinh: 20 Nút hệ thống tưới: 20 Nút nước ngầm: 15 Nút dòng chảy kiệt: 5 1.1.2.2. Cấu trúc mô hình Mitsim Mô hình MITSIM là mô hình mô phỏng gồm 8 loại nút cân bằng nước - Nút khởi đầu hệ thống (biên trên) - Nút nhập lưu hoặc phân lưu - Nút hồ chứa riêng lẻ hoặc kết hợp phát điện - Nút hệ thống tưới - Nút cấp nước cho công nghiệp, đô thị - Nút lấy nước ngầm - Nút chuyển nước - Nút kiểm tra dòng chảy kiệt. a. Nút khởi đầu hệ thống (START) Đây là các biên trên của mô hình, dòng chảy nhập lưu là lưu lượng trung bình tháng theo liệt dòng chảy năm. Các số liệu này là tài liệu quan trắc hoặc mô phỏng dòng chảy từ mô hình "Mưa dòng chảy". Biên lưu lượng có thể có giá trị dương (+), âm (-) tùy thuộc vào chế độ của biên. b. Nút nhập lưu Nút nhập lưu giới hạn gồm hai nhánh phía thượng lưu và một nhánh hạ lưu của nút. Trường hợp nút có số nhánh lớn hơn 3 phải xử lý bằng cách tách ra thành các nút phụ. Phương trình cân bằng nước tại nút là : QN3 = QN1 + QN2 QN1, QN2 : Lượng nước đi vào nút QN3 : Lượng nước đi ra khỏi nút c. Nút phân lưu QN1 = QN2 + QN3 QN1 : Lượng nước đi vào nút QN2, QN3 : Lượng nước đi ra khỏi nút Cách thức mô phỏng xử lý nút phân lưu : Mô hình toán là cân bằng tĩnh và QN1 đã biết (lưu lượng vào nút), còn 2 giá trị QN2, QN3 phía hạ lưu chưa biết. Muốn tìm QN2, QN3 một cách chính xác ta phải dựa vào kết quả tính toán thủy lực, nhưng MITSIM không cho phép giải quyết vấn đề này. Khắc phục tình trạng trên, nhóm nghiên cứu thuộc Viện Quy hoạch thủy lợi đã xử lý bằng cách dựa vào hàm phân phối lưu lượng giữa thượng và hạ lưu nút sông, hoặc cũng có thể dùng bộ đường quan hệ lưu lượng QN1= f(QN3) trong từng tháng của năm. Khi đó trình tự giải theo các bước sau: Với từng thời đoạn tính toán của tháng (n) năm (t) biết được QN1(n,t); Tra vào bộ đường quan hệ QN1= f(QN3) tìm được QN3(n,t) Tính QN2(n,t) = QN1(n,t) - QN3(n,t) d. Nút công trình (hồ độc lập, hồ kết hợp phát điện) Đây là nút công trình trọng điểm có ảnh hưởng đến toàn hệ thống, ngoài việc thể hiện đặc trưng hồ chứa còn thể hiện mối quan hệ giữa hồ chứa và phát điện. Có 4 nguyên tắc vận hành cơ bản của hồ chứa là: - Hồ làm việc không kết hợp thủy điện (chỉ có tác dụng trữ nước và xả nước theo yêu cầu hạ lưu) - Hồ có kết hợp với thủy điện, phát điện thứ cấp (xả nước theo yêu cầu hạ lưu, phát điện là thứ cấp); - Hồ kết hợp với thủy điện, phát điện ưu tiên (xả nước theo yêu cầu ưu tiên phát điện); - Hồ kết hợp thủy điện (ưu tiên lấy nước trước hồ cho tưới và cấp nước công nghiệp, ưu tiên thứ hai xả nước xuống hạ lưu cho phát điện và cấp nước tưới. Khả năng nguồn nước tại nút công trình (S) của tháng thứ (n), năm thứ (t ) : Ws(t,n) = Ss (t,n) + Qs (t,n) – Evs (t,n) Ws(t,n) : Khả năng nguồn nước tại nút S, tháng thứ (n), năm thứ (t) Ss (t,n) : Lượng trữ nước của hồ ở đầu tháng thứ (n), năm thứ (t) Qs (t,n) : Lượng nước đến hồ tháng thứ (n), năm thứ (t) Evs(t,n) : Lượng nước bốc hơi từ hồ chứa trong thời đoạn tháng thứ (n), năm thứ (t). Lượng bốc hơi là hàm số của diện tích mặt hồ và tỷ lệ bốc hơi tháng. Trong mô hình sửa đổi giá trị Evs (t,n) đã được qui đổi bao hàm lượng mưa thực tế, lượng bốc hơi thực tế của tháng (n), năm thứ (t) trong liệt năm mô phỏng . Do Qs (t,n) thay đổi theo thời gian nên phương trình cân bằng nước tại nút hồ chứa S được tính như sau: Ws (t,n) nếu Ws (t,n) ≤ TRs (n) Ds (t,n) = TRs (n) nếu TRs (n) < Ws (t,n) ≤ TRs(n) + Vs Ws (t,n) – Vs nếu Ws (t,n) > TRs (n) + Vs Ds (t,n) : Lượng nước xả xuống hạ lưu tháng (n), năm (t) TRs (n) : Yêu cầu lưu lượng xả xuống hạ lưu tháng (n) Vs : Khả năng dung tích hồ chứa Do lượng xả biến đổi nên dung tích của hồ ở cuối tháng (n) hay đầu tháng (n+1) cũng có 3 trường hợp tương ứng: nếu Ws (t,n) ≤ TRs (n) Ss (t, n+1) = Ws (t,n) nếu TRs (t,n) < Ws (t,n) ≤ TRs(t,n) + Vs Vs nếu Ws (t,n) > TRs (n) + Vs Để phù hợp với thực tế, Vs được cho trước đối với từng tháng trong năm và được khống chế bởi: Vs (n) = Smax(n) – Smin(n) Smax(n): Giới hạn dung tích lớn nhất của hồ chứa trong tháng (n) Smin (n): Giới hạn dung tích nhỏ nhất của hồ chứa trong tháng (n) e. Nút hệ thống tưới Sơ đồ cân bằng hệ thống tưới lấy nước từ sông hoặc hồ chứa được trình bày như hình 4.3 Hình 4.1: Sơ đồ nút hệ thống tưới Ý nghĩa các thông số : Qs (t,n) : Lượng nước đến nút hệ thống tưới tháng (n), năm (t) Es (t,n) : Lượng nước lấy vào của hệ thống tưới, địa lượng này biến đổ theo nhu cầu dùng nước của cây trồng và lượng mưa hiệu quả trong thời đoạn tính toán. Nếu Es (t,n) > Qs(t,n) thì Es (t,n)=Qs(t,n) Ss(t,n) : Lượng nước cần cho cây trồng Ss(t,n) = Es(t,n) * a1 a1 hệ số chuyển nước của kênh mương q1(t,n), q2(t,n) : Lượng nước hồi quy vào dòng chính, xác định như sau : q1(t,n) + q2(t,n) = QHQ(t,n) = QTT(t,n) * a3 QTT(t,n) = Es(t,n) – Ss(t,n) * (1-a2) = Es(t,n) – Es(t,n) * a1 * (1-a2) a2 số % rò rỉ kênh mương a3 hệ số % lượng nước hồi quy lại dòng chính Qngấm(t,n) : Lượng nước ngấm bổ sung vào tầng ngấm Qngấm(t,n) = QTT(t.n) * a4 a4 hệ số % lượng nước hồi quy vào tầng ngầm QD(t,n) : Lượng nước xả xuống hạ lưu QD(t,n) = Qs(t,n) – Es(t,n) + q1(t,n) + q2(t,n) f. Nút cấp cho khu công nghiệp và dân sinh Lượng nước cấp cho khu công nghiệp và dân sinh theo yêu cầu nước của từng tháng mô phỏng. Trong mỗi thời đoạn tính toán chương trình sẽ so sánh nhu cầu dùng nước với lượng nước đến như sau: Nếu Qyc < Qđến thì Qđến = Qyc + Qxả hạ lưu Nếu Qyc > Qđến thì Qyc = Qđến; Qxả hạ lưu = 0 g. Nút chuyển nước Nút này có ý nghĩa chuyển một phần nước từ dòng sông chính cho yêu cầu dùng nước, hoặc chuyển nước sang nhánh khác. Mỗi bước tính toán tháng thứ (i) tuân thủ theo các điều kiện ràng buộc sau: - Nếu lượng nước đến đủ thì chuyển nước theo yêu cầu cho công trình; - Nếu lượng nước đến thiếu thì yêu cầu chuyển nước bị phá vỡ, khi đó Qyc(i) = Qđến; - Ưu tiên xả đủ nước xuống hạ lưu theo yêu cầu các hộ dùng nước phía sau. Trường hợp Qđến(i) - Qxả hạ lưu(i) < Qyc(i) thì Qyc(i) = Qđến(i) - Qxả hạ lưu(i) h. Nút kiểm soát dòng chảy kiệt Tại nút kiểm soát dòng chảy kiệt phải đảm bảo đủ nước theo các yêu cầu giao thông thủy, nuôi trồng thủy sản, môi trường v.v... Khi điều kiện này không đảm bảo có nghĩa là điều kiện cân bằng nước hệ thống bị phá vỡ. 1.1.3. Tổ chức dữ liệu trong mô hình Mitsim Tổ chức các file dữ liệu tính toán cân bằng nước bao gồm các flie số liệu: 1.1.3.1 Nhóm file số liệu Gồm có 4 file a. File RAIN.SE File RAIN.SE. mô tả lượng mưa trung bình tháng của số năm tính toán của từng vùng khí hậu và được lấy theo số liệu của các trạm đo mưa. b. File FLOW1.SE File FLOW1.SE mô tả lưu lượng trung bình tháng tương ứng với các biên trên của mô hình tính toán. . c. File PART 2.SE Mô tả cấu trúc hệ thống, sự liên hệ tuần tự giữa các nút trong sơ đồ tính toán. Phần này là cơ sở để MITSIM tự động ghép nối các nút của mô hình trong quá trình tính toán d. File SYS.SE File SYS.SE khai báo về hệ thống sông, mô tả sơ đồ mạng lưới sông, khu tưới, các nút biên, các nút hợp lưu, phân lưu, nút dòng chảy kiệt, nút nước ngầm, nút chuyển nước, nút cấp nước và nút kết thúc. File SYS.SE mô tả các thông tin dùng chạy chương trình, xuất kết quả ra ngoài. Cấu trúc file sys.se gồm các chương trình con sau: PART 1: Cung cấp các thông tin chạy chương trình, các dạng in kết quả, các chỉ tiêu dùng trong tính toán kinh tế của hệ thống; PART 2: Mô tả cấu trúc hệ thống, số liệu chương trình sẽ lấy từ File PART 2.SE PART 3: Các thông tin về hồ chứa nước riêng rẽ hoặc kết hợp với nhà máy thủy điện; PART 4: Thông tin về nút hợp lưu, phân lưu; PART 5: Thông tin về nút khởi đầu (biên trên); PART 6: Thông tin về nút hệ thống tưới; PART 7: Thông tin về nút chuyển nước; PART 8: Thông tin về nút cấp nước đô thị và công nghiệp; PART 9: Thông tin về nguồn nước ngầm; PART 10: Thông tin về dòng chảy kiệt; PART 11: Thông tin về nút kiểm soát lũ 1.1.3.2. Nhóm các file xuất lượng Kết quả tính toán mô hình MITSIM lưu trữ trên các file: - File chứa thông tin mô tả cấu trúc hệ thống KQ1 - File chứa thông tin tính toán hiệu quả kinh tế KQ2 - File chứa kết quả tính toán cân bằng nước KQ3 - File chứa các sô liệu thủy văn dòng chảy KQ4 - File chứa số liệu về mức tưới cho cây trồng KQ5 1.2. Thiết lập sơ đồ khai thác lưu vực sông Sơ đồ khai thác hệ thống sông theo các giai đoạn tính toán cân bằng nước bao gồm các nút sau ( nếu có) : Nút biên của các nhánh sông trong hệ thống Nút các công trình thuỷ lợi - thuỷ điện xây dựng trên các nhánh sông Nút các công trình cấp nước và các công trình khai thác nguồn nước khác Nút hợp lưu, các nút phân lưu (nếu có) Nút khu tưới Nút chuyển nước, nút kiểm soát dòng chảy kiệt, nút nước ngầm Nút kết thúc. Đà Nẵng ngày 01 tháng 09 năm 2008 Biên soạn GVC.Thạc sĩ . Nguyễn Đăng Thạch