Báo cáo khóa luận: Ứng dụng mô hình MIKE 11 mô phỏng xâm nhập mặn hạ lưu hệ thống sông Mã, tỉnh Thanh Hóa

Báo cáo khóa luận
Ứng dụng mô hình MIKE 11 mô phỏng xâm nhập mặn hạ lưu hệ thống
sông Mã, tỉnh Thanh Hóa
Trình bày: Lê Thị Phương Thu
Giảng viên hướng dẫn: PGS. TS Trần Ngọc Anh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA KHÍ TƯỢNG THUỶ VĂN VÀ HẢI DƯƠNG HỌC
*****
Nội dung

Đặt vấn đề
Tình hình xâm nhập mặn ở các vùng cửa s
Nghi
•
Phần Việt Nam: Lai Châu, Sơn La, Hòa Bình,
Nghệ An, Thanh Hóa với
F=28490km2,L=370km, B=68,8km.
- Từ 20o37’30’’ đến 22o37’30’’ B.
-
Từ 103o05’10’’ đến 106o05’10’’ Đ.
-
Sông Mã từ Cẩm Thủy đến cửa Hới, 89,2 km.
-
Sông Chu từ trạm Cửa Đạt đến ngã ba Giàng
79.2 km
-
Sông Lèn từ phân lưu của sông Mã đến cửa
biển Lạch Sung, 37,6 km
-
Lạch Trường từ phân lưu với sông Mã đến cửa
biển Lạch Trường 23,4 km; kênh De nối Lạch

Trường với sông Lèn, 6,6km
-
Báo Văn: Mỹ Quan Trang đến lưu sông Lèn,
9,5km
-
Sông Bưởi: Thạch Lâm đến dòng chính sông
Mã, 76,2 km
Vùng NC
Giới thiệu khu vực nghiên cứu
Giới thiệu phương pháp nghiên cứu
Các phương pháp cơ bản : thực nghiệm và mô phỏng bằng mô hình
toán.
Một số mô hình thường sử dụng trong nước:
TT Tên mô hình Tác giả, bản quyền Loại mô hình
1 VRSAP Nguyễn Như Khuê 1 chiều ẩn
2 KOD01 Nguyễn Ân Niên 1 chiều hiện
3 WENDY
Delf Hydraulics , Hà
Lan
1 chiều ẩn
4 SALHO Trần Văn Phúc 1 chiều ẩn
5 SSARR Hoa Kỳ 1 chiều
6 EXTRAN EPA - Hoa Kỳ 1 chiều hiện
7 TELEMAC EDF - Pháp 2 chiều bằng FFM
8 FLDWAV
Fread - Cục Khí tượng
Hoa Kỳ
1 chiều ẩn
9 HEC1 Mỹ 1 chiều
10 HMS Hoa Kỳ Hai chiều ẩn

11 Phần mềm MIKE Đan Mạch
Thủy văn, thủy lực 1, 2
chiều
Cơ sở lý thuyết của mô hình thủy lực Mike 11: Được xây dựng trên
cơ sở hệ phương trình Saint Venant và phương trình tải khuếch tán.
Cơ sở lý thuyết mô hình
Hệ phương
trình Saint
Venant
Trong đó: A - diện tích mặt cắt ngang (m2)
t - thời gian (s)
Q - lưu lượng nước (m3/s)
x - biến không gian
g - gia tốc trọng trường (m/s2)
ρ
- mật độ của nước (kg/m3)
b - độ rộng của lòng dẫn (m)
R - bán kính thủy lực (m)
qCAKC
x
C
AD
xx
QC
t
AC
2
)(
+−=
∂

∂
∂
∂
−
∂
∂
+
∂
∂
Phương trình tải khuyếch tán :
Trong đó: C – nồng độ chất ô nhiễm
D – hệ số khuyếch tán
A – diện tích mặt cắt ngang
K – hệ số tự phân hủy tuyến tính
C2 – nồng độ của nguồn nhập/ra khỏi hệ
thống
q – lượng gia nhập khu giữa
X,t – tọa độ theo không gian và thời gian
Ứng dụng mô hình mô phỏng xâm nhập
mặn hạ lưu hệ thống sông Mã
Thiết lập mô hình
Ứng dụng mô hình mô phỏng xâm nhập mặn hạ
lưu hệ thống sông Mã
Thiết lập mô hình
Tổng số 191 mặt cắt
cho mạng lưới sông có
tổng chiều dài xấp xỉ
318km, trung bình 1,7
km có một mặt cắt
ngang.

Tài liệu địa hình lòng dẫn
Điều kiện biên:
-
Biên trên là Q = f(t) tại trạm thủy văn Cẩm Thủy trên sông Mã, Cửa
Đạt trên sông Chu, Thạch Lâm trên sông Bưởi, Mỹ Quan Trang trên
sông Báo Văn và biên mặn giả thiết bằng 0‰
-
Biên dưới của mô hình thuỷ lực là H=f(t) tại ngoài biển phía ngoài
các cửa sông Mã, cửa sông Lèn và cửa sông Lạch Trường và biên AD
giả thiết là 32‰.
-
Điều kiện ban đầu: lấy lưu lượng bằng 0, mực nước bằng mực nước
trung bình)
•
Bộ số liệu hiệu chỉnh :16- 27/3/2009.
•
Bộ số liệu kiểm định: 20-30/3/2010
Ứng dụng mô hình mô phỏng xâm nhập mặn hạ
lưu hệ thống sông Mã
Thiết lập mô hình
Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực
•
Để đánh giá sai số giứa mực nước, lưu lượng giữa tính toán và thực đo,
sử dụng chỉ tiêu Nash.
[ ]
[ ]
2
,
1
2

,,
1
1
2
obs
iobs
n
i
isimiobs
n
i
R
HH
HH
−
Σ
−
Σ
=
=
−=
Trong đó:
Hobs, i : Mực nước thực đo tại thời điểm thứ i
Hsim, i : Mực nước tính toán tại thời điểm thứ i
Hobs tb : Mực nước thực đo trung bình
Ứng dụng mô hình mô phỏng xâm nhập mặn hạ
lưu hệ thống sông Mã
•
Sau khi hiệu chỉnh, giữ nguyên bộ
thông số mô hình, tiến hành kiểm

định với bộ số liệu từ 20/3-
30/3/2010.
Ứng dụng mô hình mô phỏng xâm nhập mặn hạ
lưu hệ thống sông Mã
Trạm Chỉ số Nash(%)
Hàm Rồng 83.6
Nguyệt Viên 88.7
Phà Thắm 82.7
Phong Mục 81.7
Cự Đà 83.5
Hoàng Hà 81.3
Ứng dụng mô hình mô phỏng xâm nhập mặn hạ
lưu hệ thống sông Mã
Kết quả hiệu chỉnh HD
Kết quả đánh giá sai số tính toán
Kết quả tính toán với số liệu
thực đo đều cho thấy mực nước
tính toán khá bám sát với mực
nước thực đo tại tất cả các trạm
có tài liệu quan trắc.
Chỉ tiêu Nash trên 80%, bộ
thông số về độ nhám đã hiệu
chỉnh, bộ tài liệu địa hình và
mạng lưới sông là chấp nhận
được và sẽ được sử dụng để
kiểm định cho bộ số liệu năm
2010.
Tên sông
Nhám lòng
dẫn

Mã 0.026
Chu 0.025
Bưởi 0.023
Báo Văn 0.021
Lèn 0.023
Lạch
Trường
0.021
Kênh De 0.018
Ứng dụng mô hình mô phỏng xâm nhập mặn hạ
lưu hệ thống sông Mã
Kiểm định mô hình thủy lực
Ứng dụng mô hình mô phỏng xâm nhập mặn hạ
lưu hệ thống sông Mã
Kiểm định mô hình thủy lực
Trạm Chỉ số
Nash(%)
Giàng
86.3
Hàm Rồng
88.2
Nguyệt Viên
86.9
Phà Thắm
88.2
Lạch Sung
88.6
Cự Đà 83.5
Hoàng Hà 82.8
Kết quả tính toán với số liệu

thực đo các tài liệu quan trắc
cho kết quả tương tự như trong
giai đoạn hiệu chỉnh, thời gian
xuất hiện và pha dao động khá
trùng nhau.
Chỉ tiêu NASH đạt khá, trên
80%, như vậy bộ thông số về độ
nhám đã hiệu chỉnh và kiểm
định có thể sử dụng để mô
phỏng xâm nhập mặn hạ lưu hệ
thống sông Mã.
Kết quả tính toán sai số
Ứng dụng mô hình mô phỏng xâm nhập mặn hạ
lưu hệ thống sông Mã
Hiệu chỉnh và kiểm định mô đun AD
Hiệu chỉnh mô đun AD
Giữ nguyên bộ thông số thủy lực đã tìm được, tiến hành hiệu chỉnh hệ số
khuyếch tán với bộ số liệu từ ngày 20/3- 30/3/2009.
Ứng dụng mô hình mô phỏng xâm nhập mặn hạ
lưu hệ thống sông Mã
Hiệu chỉnh mô đun AD
Hiệu chỉnh và kiểm định mô đun AD
•
Sông Lạch Trường, sông Lèn xâm nhập mặn diễn ra phức tạp. Độ mặn 6‰
có thể xâm nhập vào toàn bộ sông.
•
Các giá trị độ mặn thực đo và tính toán tại các trạm trên có sự sai khác
không lớn, chỉ tiêu Nash đạt tiêu chuẩn.
Bộ thông số modun khuếch tán đã hiệu chỉnh trên có thể cho vào mô
hình để kiểm định cho bộ số liệu năm 2010.

Ứng dụng mô hình mô phỏng xâm nhập mặn hạ
lưu hệ thống sông Mã
Hiệu chỉnh mô đun AD
Trạm Sông
Smax
tính toán
Smax
thực đo
Nash
(%)
(o/oo) (o/oo)
Nguyệt Viên Mã 10.05 9.8 82.6
Hàm Rồng Mã 6.7 6.45 71
Lạch Sung Lèn 29.5 23.7 59.8
Hoàng Hà
Lạch
Trường
12.25 16.41 70.3
Giá trị các thông số khuếch tán đã hiệu chỉnh
River name Chainage Dispersion factor Exponent
Miximum
coef
Maximum coef
Song Ma 0 600 1 500 1200
Song Ma 10000 600 1 500 1000
Song Ma 20774 700 1 500 1000
Song Ma 45000 800 1 800 1200
Song Ma 69243 850 1 800 1200
Song Ma 80052 450 3 400 900
Song Ma 85786 500 3 400 900

Song Len 0 850 1 800 1000
Song Len 5593 900 1 800 1000
Song Len 21735 1200 1 1000 1500
Song Len 30783 1100 1 1000 1500
Song Len 37404 1000 1 1000 1500
Song Lach Truong 0 350 1 300 600
Song Lach Truong 6868 350 1 300 600
Song Lach Truong 15374 400 1 300 600
Song Lach Truong 23597 400 1 300 600
Kenh De 0 150 1 100 600
Kenh De 2000 200 1 100 600
Kenh De 5000 150 1 100 600
Ứng dụng mô hình mô phỏng xâm nhập mặn hạ
lưu hệ thống sông Mã
Hiệu chỉnh và kiểm định mô đun AD
Kiểm định mô đun AD
Bộ thông số sau khi hiệu chỉnh đã được giữ nguyên để kiểm định với
con triều từ ngày 21 - 30/3/2010
Trạm Sông
Smax tính
toán
Smax
thực đo
Nash(%)
(o/oo) (o/oo)
Nguyệt Viên Mã 19.3 17.5 86.1
Phà Thắm Lèn 23.9 23.5 83
Hoàng Hà Lạch Trường 17.033 17.3 74.1
Ứng dụng mô hình mô phỏng xâm nhập mặn hạ
lưu hệ thống sông Mã

Hiệu chỉnh và kiểm định mô đun AD
Nhận xét:
Độ mặn 4‰ có thể xâm nhập vào sâu trong hạ lưu hệ
thống sông Mã 20km sông. Với sông Lèn và Lạch
Trường độ mặn này có thể xâm nhập vào toàn bộ đoạn
sông.
Từ kết quả hiệu chỉnh, kiểm định bộ thông số của mô
hình cho hai mô đun HD,AD cho thấy các kết quả mô
phỏng khá phù hợp với quan trắc.
Bộ thông số này sẽ được sử dụng tính toán mô phỏng
mặn cho các kịch bản được xác định tương ứng với các
kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng.
Ứng dụng mô hình mô phỏng xâm nhập mặn hạ
lưu hệ thống sông Mã
Mô phỏng xâm nhập mặn ứng với các kịch bản BĐKH, nước biển dâng
Lựa chọn kịch bản
Lựa chọn kịch bản mô phỏng dựa trên các kịch bản
BĐKH, nước biển dâng cho Việt Nam. Áp dụng cho các
cửa sông thuộc tỉnh Thanh Hóa thuộc khu vực Hòn Dáu-
Ngang.
Mô phỏng xâm nhập mặn ứng với các kịch bản BĐKH, nước biển dâng
•
Xác định năm 2010 là năm có điều kiện dòng chảy bất lợi .
•
Biên trên của mô hình chạy cho các kịch bản sẽ lấy là Q = f(t) 2010
tại các trạm trong khoảng thời gian tháng 3/2010.
•
Lựa chọn kịch bản phát thải ứng cao (A1FI) với các mốc thời gian mô
phỏng là các năm 2030, 2050, 2080 và năm 2100.
•

Biên dưới của mô hình sẽ là biên thủy triều tương ứng với các kịch
bản biến đổi khí hậu và độ mặn được giả thiết là 32‰.
Ứng dụng mô hình mô phỏng xâm nhập mặn hạ
lưu hệ thống sông Mã
Tên kịch
bản
Q Cẩm
Thủy
Q Cửa
Đạt
Nước biển
dâng
Ghi chú
KB1 Q(t)2010 Q(t)2010 12 cm Năm 2020 theo kịch
bản A1FI
KB2 Q(t)2010 Q(t)2010 22cm Đến năm 2050 theo
kịch bản A1FI
KB3 Q(t)2010 Q(t)2010 50cm Đến năm 2080 theo
kịch bản A1FI
KB4 Q(t)2010 Q(t)2010 70cm Đến năm 2080 theo
kịch bản A1FI
Lựa chọn kịch bản
Ứng dụng mô hình mô phỏng xâm nhập mặn hạ
lưu hệ thống sông Mã
Kết quả chạy các kịch bản dự báo
Mô phỏng xâm nhập mặn ứng với các kịch bản BĐKH, nước biển dâng
+ Theo kịch bản này, ranh giới mặn 20‰ cách cửa sông 14km.
+Ranh giới mặn S= 10 (‰) vào sâu 18km ở khu vực Hoằng Hà, Hoằng Hóa.
+ Ranh giới mặn S = 4 (‰) vào sâu tới 22km (qua trạm thủy văn Hàm
Rồng)tính từ cửa sông. Nước thuộc loại nước lợ thích hợp cho nuôi trồng

thuỷ sản mà không thể dùng để tưới được.
Với S= 1(‰) có thể vào sâu 30km tính từ cửa sông
+ Ranh giới mặn 20(‰) cách cửa sông 15.5km
+Ranh giới mặn 10 (‰) cách cửa sông 22km.
+ Ranh giới S=5.1(‰) xâm nhập vào hết chiều dài sông (37.404 km) gây khó
khăn cho công tác lấy nước tưới phục vụ cho sản xuất nông nghiệp của người
dân.
+Ranh giới mặn 20(‰) cách cửa sông 3.1km
+Ranh giới mặn 10 (‰) cách cửa sông 13km
+Mặn 6.25(‰) cũng xâm nhập hết toàn bộ sông.
Ứng dụng mô hình mô phỏng xâm nhập mặn hạ
lưu hệ thống sông Mã
Mô phỏng xâm nhập mặn ứng với các kịch bản BĐKH, nước biển dâng
Kết quả chạy các kịch bản dự báo
Khoảng cách xâm nhập mặn vào trong sông ở không có sự khác biệt lớn
so với kịch bản 1
Trên sông Mã:
+Ranh giới mặn 20(‰) cách cửa sông 17km
+Ranh giới mặn 10(‰) cách cửa sông 20km
+Ranh giớimặn 4(‰) xâm nhậpsông 23km tính từ của sông (qua vị trí
trạm thủy văn Giàng), 1(‰) xâm nhập vào 30km sông.
Ở kịch bản này, khi mực nước biển dâng cao 22cm, mặn xâm nhập vào
toàn bộ chiều dài sông Lèn và Lạch Trường.
Độ mặn ở đầu các sông có thể >4 ‰
Ứng dụng mô hình mô phỏng xâm nhập mặn hạ
lưu hệ thống sông Mã
Mô phỏng xâm nhập mặn ứng với các kịch bản BĐKH, nước biển dâng
Kết quả chạy các kịch bản dự báo
+ Độ mặn có thể vào sâu 34km sông, trong đó độ mặn 4(‰) xâm nhập vào
trong sông 24km tính từ của sông (qua vị trí trạm thủy văn Giàng).

+ Độ mặn 1(‰) xâm nhập vào trong sông 30km.
-
Sông Lạch Trường, độ mặn 8.5(‰) có thể xâm nhập vào toàn bộ sông.
-
Đối với sông Lèn, ranh giới mặn 20(‰) vào sâu 15km sông so với cửa Lạch
Sung, trong khi đó ranh giới mặn 4‰ có thể xâm nhập vào hầu hết chiều dài
sông.
Ứng dụng mô hình mô phỏng xâm nhập mặn hạ
lưu hệ thống sông Mã
Mô phỏng xâm nhập mặn ứng với các kịch bản BĐKH, nước biển dâng
Kết quả chạy các kịch bản dự báo
Đối với sông Mã, khi mực nước triều dâng lên 70cm:
-
Mặn có thể xâm nhập vào sâu trong sông 37km tính từ cửa Hới, trong
đó ranh giới mặn 20‰ có thể vào sâu 17km sông tính từ cửa sông.
-
Ranh giới mặn 4‰ cách cửa Hới 28km.
-
Ranh giới mặn 1‰ cách cửa sông 32km, cách trạm thủy văn Giàng
khoảng 7km.
Khi mực nước triều tăng thêm 70 cm, mặn xâm nhập vào toàn bộ
chiều dài sông, Lạch Trường độ mặn ở đầu sông là 10‰ đây là kết quả
báo động cần được cảnh báo sớm cho các cán bộ thủy nông và dân cư
sẵn sàng ứng phó và đề ra các giải pháp ngăn mặn xâm nhập.