Luận văn Nghiên cứu ứng dụng mô hình mike 11 mô phỏng nguồn nước phục vụ vận hành hệ thống thủy nông thác huống

CHUYÊN NGÀNH: THỦY VĂN MÃ SỐ: 60440224 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. TRƯƠNG VÂN ANH HÀ NỘI, NĂM 2018 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Cán bộ hướng dẫn chính: TS.Trương Vân Anh Cán bộ hướng dẫn phụ: Cán bộ chấm phản biện 1: PGS. TS. Nguyễn Kiên Dũng Cán bộ chấm phản biện 2: PGS. TS. Nguyễn Thanh Hùng Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Ngày 17 tháng 9 năm 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Các thông tin tham khảo của các tác giả đã được trích dẫn đầy đủ nguồn trong luận văn theo đúng quy định của cơ sở đào tạo. Hà Nội, ngày 18 tháng 7 năm 2018 Tác giả luận văn Cấn Thị Thanh Hiền ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong Khoa Khí Tượng Thủy Văn, Trường Đại học Tài Nguyên và Môi Trường Hà Nội đã truyền thụ kiến thức cho tôi trong suốt quá trình học tập vừa qua, đặc biệt là cô TS. Trương Vân Anh đã tạo điều kiện, hướng dẫn và chỉ dạy rất tận tình để tôi hoàn thành đề tài này. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Lãnh đạo Viện Quy hoạch và Thiết kế nông nghiệp, Lãnh đạo Trung tâm Phát triển bền vững Nông nghiệp Nông thôn đã cho phép, tạo điều kiện về thời gian, động viên tinh thần cho tôi hoàn thiện luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn đến Công ty TNHH MTV KTCTTL Sông Cầu, Chi cục thống kê các huyện đã giúp đỡ tôi trong tiếp cận thông tin, tài liệu liên quan đến luận văn. Cuối cùng tôi cũng xin chân thành cảm ơn tới gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã cùng chia sẻ, giúp đỡ, động viên, khích lệ và tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn này. Trong khuôn khổ của đề tài : “Nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE 11 mô phỏng nguồn nước phục vụ vận hành hệ thống thủy nông Thác Huống”, với sự giúp đỡ của các thầy cô và các bạn cùng khả năng và sự cố gắng nỗ lực của bản thân tôi đã hoàn thành việc nghiên cứu của đề tài này, nhưng do thời gian và lượng kiến thức thực tế còn hạn chế, không tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình nghiên cứu. Vì vậy, tôi rất mong nhận được sự đóng góp quý báu của thầy cô giáo, các chuyên gia và các bạn để luận văn của tôi được hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 18 tháng 7 năm 2018 Cấn Thị Thanh Hiền iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................................................... ii MỤC LỤC ..................................................................................................................................................... iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................................................................ vi DANH MỤC HÌNH ................................................................................................................................. viii MỞ ĐẦU ......................................................................................................................................................... 1 1.Tính cấp thiết của đề tài................................................................................................................ 1 2. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................................................... 2 3. Phạm vi nghiên cứu ..................................................................................................................... 2 3.1. Phạm vi không gian .................................................................................................................. 2 3.2. Phạm vi thời gian ...................................................................................................................... 2 3.3. Đối tượng nghiên cứu .............................................................................................................. 3 4. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................................... 3 5. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................................ 3 6. Bố cục luận văn ............................................................................................................................ 4 CHƯƠNG 1 ................................................................................................................................................... 5 TỔNG QUAN VỀ VẤN NGHIÊN CỨU ................................................................................................ 5 1.1. Hệ thống tài nguyên nước và quản lý hệ thống tài nguyên nước ........................................ 5 1.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam ................................................................... 6 1.2.1. Nghiên cứu trên thế giới ....................................................................................................... 6 1.2.2. Nghiên cứu tại Việt Nam ...................................................................................................... 7 1.2.3. Một số nghiên cứu đã có trên hệ thống ............................................................................... 9 1.3. Tổng quan về vùng nghiên cứu ............................................................................................. 10 1.3.1. Vị trí địa lý [15] ................................................................................................................... 10 1.3.2. Địa hình ................................................................................................................................ 11 1.3.3. Địa chất, thổ nhưỡng ........................................................................................................... 12 1.3.4. Thảm phủ thực vật [14] ...................................................................................................... 12 1.3.5. Đặc điểm khí tượng thủy văn ............................................................................................. 13 1.3.6. Hiện trạng Hệ thống thủy nông Thác Huống và công trình trên hệ thống sông ........... 15 1.3.7. Hiện trạng điều kiện tự nhiên kinh tế xã hội ..................................................................... 20 iv CHƯƠNG2......21 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ CƠ SỞ DỮ LIỆU ................................................................ 22 2.1. Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE 11 ....................................................................................... 22 2.1.1. Mô hình MIKE 11 ............................................................................................................... 22 2.1.2. Cấu trúc của mô hình .......................................................................................................... 22 2.1.3. Hệ phương trình cơ bản trong mô hình MIKE 11 ........................................................... 22 2.2. Công trình điều khiển trong hệ thống (kiểm soát hệ thống) ............................................... 24 2.2.1. Vị trí (Location) .................................................................................................................. 24 2.2.2. Thuộc tính (Attributes) bao gồm ....................................................................................... 25 2.2.3. Định nghĩa Kiểm soát (Control Definitions) .................................................................... 25 2.3. Yêu cầu về số liệu của mô hình ............................................................................................ 28 2.4. Các bước thực hiện ................................................................................................................. 28 CHƯƠNG 3 ................................................................................................................................................. 29 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ................................................................................... 29 3.1. Đánh giá hiện trạng vận hành hệ thống ................................................................................ 29 3.1.1. Đánh giá hiện trạng vận hành hệ thống ............................................................................. 29 3.1.2. Xây dựng phương án vận hành cho hệ thống ................................................................... 31 3.1.3. Đánh giá nhu cầu nước trên hệ thống thủy nông Thác Huống ....................... 33 3.2. Nghiên cứu đánh giá tình hình cấp nước tưới hệ thống thủy nông Thác Huống bằng mô hình MIKE 11 ................................................................................................................................ 37 3.2.1. Thu thập số liệu và thiết lập mô hình toán ........................................................................ 37 3.2.2. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực ...................................................................... 41 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................................................. 59 1. Kết luận ....................................................................................................................................... 59 2. Kiến nghị .................................................................................................................................... 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................................ 60 v TÓM TẮT LUẬN VĂN + Họ và tên học viên: Cấn Thị Thanh Hiền + Lớp: CH1T Khóa: I + Cán bộ hướng dẫn: TS.Trương Vân Anh + Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng mô hình Mike 11 mô phỏng nguồn nước phục vụ vận hành hệ thống thủy nông Thác Huống + Tóm tắt: Hệ thống thủy nông Thác Huống là một trong tổng số 75 công trình trên cả nước, có nhiệm vụ tưới cho 52.520 ha đất canh tác. Tuy nhiên do yêu cầu phát triển giai đoạn hiện tại và trong tương lai, đã bộc lộ những hạn chế và nhiều vấn đề tồn tại cần khắc phục đó là lượng nước tưới không đủ để vận hành hệ thống không theo kế hoạch đề ra, thực tế cho thấy một số vùng tưới ở phía hạ nguồn vẫn không đủ nước tưới so với kế hoạch được đặt ra. Luận văn này tập trung vào việc mô phỏng thực trạng nguồn nước dựa vào số liệu thực đo và sử dụng công cụ mô hình thủy lực MIKE 11, dựa vào kết quả mô phỏng để nghiên cứu đưa ra giải pháp vận hành hệ thống thủy nông Thác Huống một cách hiệu quả nhất. Kết quả của nghiên cứu đạt được là thiết kế thành công phương án vận hành HTTN Thác Huống. Từ khóa: Vận hành hệ thống; Hệ thống thủy nông; Hệ thống tài nguyên nước; Thác Huống; MIKE 11. + Abstract: Thac Huong irrigation system is one of the 75 systems in Viet Nam, which is responsible for irrigating 52,520 ha of cultivated land. However, for current and future development requirements, it’s said to express many limitations and problems that need to be overcome, that is not enough water to operate the system following tentative plan. In fact, in some areas of the downstream, irrigation is not sufficient as planned. Dissertation focuses on the simulation of actual water status based on the measured data and using the MIKE 11 hydraulic modeling tool, based on simulated results to investigate solutions for Thac Huong irrigation system operationin the most effective way. The study result is that the water level calculated at all locations in Thac Huong irrigation system will be at suitable water level to irrigate the areas during the key irrigation period. The research result is successful design of the Thac Huong irrigation system. Keywords: System operation;Irrigation system; Water resources system; Thac Huong; MIKE 11. vi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT BĐKH Biến đổi khí hâu CLN Chất lượng nước GL Gate level (Độ mở cửa cống) CM Calculation mode (Phương pháp tính toán) CP Control points (Giá trị của điểm kiểm soát) CS Control strategy (Một chiến lược kiểm soát) GDP Tổng sản phẩm nội địa HTTL Hệ thống thủy lợi HTTNN Hệ thống tài nguyên nước QCVN 08: 2008/BTNMT Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về chất lượng nước mặt TT Thị trấn TNHH MTV KTCTTL Trách nhiệm hữu hạn một thành viên kỹ thuật công trình thủy lợi TP Thành phố TPo Target point (Giá trị của điểm mục tiêu) UBND Ủy ban nhân dân vii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Hiện trạng kênh Trôi ........................................................................................... 18 Bảng 1.2. Hiện trạng kênh N5. ............................................................................................ 18 Bảng 1.3. Bảng thống kê các công trình sử dụng tính toán trong hệ thống. ........................ 19 Bảng 3.1: Lịch tưới vụ chiêm xuân giai đoạn I năm 2014................................................... 29 Bảng 3.2: Lịch tưới vụ chiêm xuân giai đoạn II năm 2014 ................................................. 30 Bảng 3.3 : Phương án vận hành cống theo lịch tưới ............................................................ 31 Bảng 3.4: Thống kê tài liệu địa hình trên hệ thống thủy nông Thác Huống ........................ 38 Bảng 3.5: Biểu thời gian tính toán được sử dụng trong mô hình ......................................... 41 Bảng 3.6: Chỉ tiêu đánh giá chất lượng hiệu chỉnh bộ thông số của mô hình ..................... 43 Bảng 3.7: Bộ thông số (thông số nhám) của mô hình cho hệ thống thủy nông Thác Huống ............................................................................................................................................. 44 Bảng 3.8: Chỉ tiêu đánh giá chất lượng kiểm định bộ thông số của mô hình ...................... 44 viii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Bản đồ ranh giới hệ thống thủy nông Thác Huống .............................................. 11 Hình 3.1: Phương án vận hành cống theo lịch tưới ............................................................. 33 Hình 3.2: Vận hành cống Lữ Vân và nhu cầu nước của ...................................................... 34 khu tưới Hạ Lữ Vân ............................................................................................................. 35 Hình 3.3: Vận hành cống Lăng Trình và nhu cầu nước tưới của ......................................... 35 khu Thượng An Cập ............................................................................................................ 35 Hình 3.4: Vận hành cống đầu kênh N3 và nhu cầu nước tưới của ...................................... 36 khu tưới N3 .......................................................................................................................... 36 Hình 3.5: Vận hành cống An Cập, cống đầu kênh N3 và nhu cầu nước tưới của ............... 36 khu Hạ An Cập .................................................................................................................... 36 Hình 3.6: Vận hành cống đầu kênh N5 và nhu cầu nước tưới của khu tưới Kênh N5 ........ 37 Hình 3.9 :Thiết lập hệ thống cống trên Hệ thống thủy nông Thác Huống .......................... 40 Hình 3.11: Kết quả tính toán và thực đo quá trình mực nước tại cống Lữ Vân (03/01/2014 – 30/05/2014) ....................................................................................................................... 42 Hình 3.12: Kết quả tính toán và thực đo quá trình mực nước tại cống An Cập (03/01/2014 – 30/05/2014) ....................................................................................................................... 43 Hình 3.14: Kết quả tính toán và thực đo quá trình mực nước tại cống Lữ Vân (02/01/2015 – 30/05/2015) ....................................................................................................................... 46 Hình 3.15: Kết quả tính toán và thực đo quá trình mực nước tại cống An Cập (02/01/2015 – 30/05/2015) ....................................................................................................................... 46 Hình 3.16: Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo (màu xanh lá cây) và tính toán (màu xanh nước biển) tại khu Thượng Lũ Yên GD1; đường màu đỏ là cốt nước yêu cầu .......... 48 Hình 3.17: Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo (màu xanh lá cây) và tính toán (màu xanh nước biển) tại khu Thượng Lữ Vân GD1; đường màu đỏ là cốt nước yêu cầu .......... 49 Hình 3.18 Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo (màu xanh lá cây) và tính toán (màu xanh nước biển) tại khu Hạ Lữ Vân GD1; đường màu đỏ là cốt nước yêu cầu .................. 50 Hình 3.19: Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo (màu xanh lá cây) và tính toán (màu xanh nước biển) tại khu Thượng An Cập GD1; đường màu đỏ là cốt nước yêu cầu .......... 51 Hình 3.20: Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo (màu xanh lá cây) và tính toán (màu xanh nước biển) tại khu Hạ An Cập GĐ1; đường màu đỏ là cốt nước yêu cầu .................. 52 Hình 3.21: Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo (màu xanh lá cây) và tính toán (màu xanh nước biển) tại khu Thượng Lũ Yên GD2; đường màu đỏ là cốt nước yêu cầu .......... 53 Hình 3.22: Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo (màu xanh lá cây) và tính toán (màu xanh nước biển) tại khu Thượng Lữ Vân GD2; đường màu đỏ là cốt nước yêu cầu .......... 54 Hình 3.23: Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo (màu xanh lá cây) và tính toán(màu xanh nước biển) tại khu Hạ Lữ vân GD2 ............................................................................. 55 Hình 3.24: Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo (màu xanh lá cây) và tính toán (màu xanh nước biển) tại khu Thượng An Cập GD2; đường màu đỏ là cốt nước yêu cầu .......... 56 Hình 3.25: Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo (màu xanh lá cây) và tính toán (màu xanh nước biển) tại khu Hạ An Cập GD2; đường màu đỏ là cốt nước yêu cầu .................. 57 1 MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết của đề tài Nước là tài nguyên đặc biệt quan trọng, là thành phần thiết yếu của sự sống và môi trường, là điều kiện để khai thác và sử dụng tài nguyên khác và là nguyên liệu không thể thay thế của các ngành kinh tế. Ngoài lợi ích mà nước đem lại, nước cũng có thể gây những tai họa khủng khiếp cho dân sinh, kinh tế và môi trường. Tài nguyên nước luôn vận động và luân hồi nhưng hữu hạn. Vì thế việc khai thác xây dựng và quản lý hiệu quả các công trình thuỷ lợi để phát huy những mặt lợi, hạn chế những tác hại của nước, vừa là giải pháp, vừa là mục tiêu hết sức quan trọng đảm bảo sự nghiệp phát triển bền vững nông nghiệp và nông thôn trong thời kỳ mới. Với mục tiêu đẩy mạnh công nghiệp hoá, hiện đại hoá, xây dựng nền kinh tế độc lập tự chủ, đưa nước ta cơ bản trở thành một nước công nghiệp theo hướng hiện đại vào năm 2020; muốn vậy trước hết nông nghiệp và nông thôn phải phát triển lên một trình độ mới bằng việc đổi mới cơ cấu cây trồng, vật nuôi, tăng giá trị thu được trên một đơn vị diện tích, ứng dụng tiến bộ khoa học và công nghệ; phát triển công nghiệp, dịch vụ, các làng nghề ở nông thôn, tạo nhiều việc làm mới. Để đáp ứng những mục tiêu đó, công tác thuỷ lợi phục vụ sản xuất nông –lâm – ngư - diêm nghiệp và kinh tế nông thôn đang đứng trước những thời cơ và thách thức mới. Đó là việc đảm bảo nước để ổn định cho 4 triệu ha đất có điều kiện sản xuất lúa, giữ vững an ninh lương thực với sản lượng lương thực có hạt trên 50 triệu tấn vào năm 2015; có các giải pháp thuỷ lợi hiệu quả phục vụ cho 2,97 triệu ha cây công nghiệp và cây ăn quả lâu năm, cho 0,68 triệu ha cây công nghiệp hàng năm; cung cấp nước cho các cơ sở sản xuất tiểu thủ công nghiệp, các làng nghề nông thôn, cung cấp nước sạch cho cư dân nông thôn; xây dựng các hệ thống cung cấp nước để làm muối chất lượng cao và nuôi trồng thuỷ, hải sản với qui mô lớn; xử lý nước thải từ các vùng nuôi trồng thuỷ sản tập trung, từ các làng nghề, từ các cơ sở sản xuất công nghiệp dịch vụ ở nông thôn. Hiện nay Việt Nam đã và đang xây dựng nhiều các công trình tài nguyên nước nhằm điều hòa nguồn nước phục vụ cho các lĩnh vực bao gồm sinh hoạt, sản xuất nông nghiệp, công nghiệp....bước đầu đã đem lại được nhiều thành tựu đáng kể. 2 Hệ thống thủy nông Thác Huống cũng là một trong tổng số 75 công trình trên cả nước, có nhiệm vụ tưới cho 52.520 ha đất canh tác. Tuy nhiên do yêu cầu phát triển giai đoạn hiện tại và trong tương lai, đã bộc lộ những hạn chế và nhiều vấn đề tồn tại cần khắc phục đó là việc vận hành hệ thống không theo kế hoạch, thực tế cho thấy một số vùng tưới ở phía hạ nguồn vẫn không đủ nước tưới so với kế hoạch được đặt ra. Từ đó bài toán cần đưa ra là đề xuất được các giải pháp cho công trình tài nguyên nước nhằm khai thác, sử dụng hợp lý, bền vững trong giai đoạn đến năm 2020, định hướng đến năm 2030. Để giải quyết việc điều tiết nguồn nước trong hệ thống thủy nông Thác Huống, nghiên cứu tìm ra một mô hình thủy văn thích hợp mô phỏng thực trạng nguồn nước, đưa ra các giải pháp vận hành hệ thống một cách hiệu quả. Vì vậy, học viên lựa chọn thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE 11 mô phỏng nguồn nước phục vụ vận hành hệ thống thủy nông Thác Huống”. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Mô phỏng hệ thống thủy nông Thác Huống trong giai đoạn trọng điểm của mùa kiệt (từ tháng 1 đến tháng 5). - Đề xuất các phương án vận hành hệ thống trong giai đoạn trọng điểm của mùa kiệt. 3. Phạm vi nghiên cứu 3.1. Phạm vi không gian - Hệ thống thủy nông Thác Huống trên địa bàn 04 huyện thuộc hai tỉnh Bắc Giang và Thái Nguyên bao gồm: - Tỉnh Bắc Giang: Huyện Tân Yên, Việt Yên, Hiệp Hòa và một phần của thành phố Bắc Giang. - Tỉnh Thái Nguyên: Huyện Phú Bình. 3.2. Phạm vi thời gian - Mô phỏng lại quá trình cung cấp nước phục vụ cho tưới qua các năm 2014, 2015. 3 3.3. Đối tượng nghiên cứu - Hệ thống thủy nông Thác Huống trên địa bàn tỉnh Bắc Giang, Thái Nguyên. - Toàn bộ hệ thống bao gồm các hạng mục công trình chính như sau: Tuyến kênh chính (lấy nước từ công trình đầu mối); kênh Trôi và kênh N5 là kênh cấp I (gọi là kênh nhánh, lấy nước từ kênh chính để phục vụ cho 1 huyện hoặc liên huyện); kênh N3 là kênh cấp II (gọi là mương cái, lấy nước từ kênh nhánh phục vụ nước cho diện tích đất đai tại 1 xã hoặc liên xã) ngoài ra còn có các đập, tràn và hệ thống cống. 4. Nội dung nghiên cứu - Tìm hiểu hệ thống: vị trí địa lý; địa hình; đặc điểm khí tượng thủy văn; hiện trạng hệ thống và các công trình chính trên hệ thống. - Thu thập số liệu: dữ liệu địa hình (Bản đồ hệ thống; Mặt cắt ngang); dữ liệu thủy văn (Mực nước thực đo, lưu lượng thực đo) và các chuỗi số liệu vận hành cống. - Mô hình hóa hệ thống: - Mô phỏng kịch bản vận hành hệ thống: ứng dụng mô hình MIKE 11 mô phỏng quy trình vận hành hệ thống thủy nông Thác Huống trong giai đoạn tưới trọng điểm. 5. Phương pháp nghiên cứu Để đạt được mục tiêu và nội dung công việc trên, các phương pháp nghiên cứu chính sau đây sẽ được sử dụng trong luận văn: - Phương pháp kế thừa: Phân tích đánh giá, tổng hợp và thừa kế các nội dung phù hợp phục vụ cho các nội dung nghiên cứu của luận văn; - Phương pháp phân tích thống kê: Thu thập xử lý và phân tích số liệu, tài liệu phục vụ luận văn; - Phương pháp mô hình hóa: Ứng dụng mô hình MIKE 11 (mô hình thủy lực) trong mô phỏng điều tiết hệ thống thủy nông Thác Huống; - Phương pháp tham vấn: Xin ý kiến các chuyên gia trong lĩnh vực nghiên cứu. 4 6. Bố cục luận văn Ngoài phần Mở đầu, Kết luận và kiến nghị thì nội dung chính của luận văn bao gồm 3 nội dung chính như sau: CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ CƠ SỞ DỮ LIỆU CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN NGHIÊN CỨU 1.1. Hệ thống tài nguyên nước và quản lý hệ thống tài nguyên nước Hệ thống tài nguyên nước (HTTNN) là một hệ thống phức tạp bao gồm nguồn nước, các công trình khai thác tài nguyên nước, các yêu cầu về nước cùng với mối quan hệ tương tác giữa chúng và sự tác động của môi trường lên nó.[5] Các công trình hệ thống thành phần của HTTNN bao gồm: HTTNN mặt, HTTNN ngầm, hệ thống cấp thoát nước và xử lý nước thải đô thị, hệ thống kiểm soát lũ, hệ thống tưới tiêu. Trong bài toán này hệ thống tưới tiêu đóng vai trò quan trọng, là hai loại hệ thống đặc trưng ở nước ta. Trong đó hệ thống tưới bao gồm công trình đầu mối, công trình dẫn nước (các kênh dẫn), công trình điều tiết (các công trình dọc hệ thống giúp điều tiết lại nguồn nước theo yêu cầu) và khu tưới. Công trình đầu mối có thể là hồ chứa, đập dâng nước, trạm bơm hoặc cống lấy nước tự chảy từ sông tự nhiên vào đồng. [5] Vận hành hệ thống tưới có tầm quan trọng rất lớn đối với đời sống con người và sản xuất, nó ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển kinh tế - xã hội. Khi hệ thống tưới đươc vận hành hiểu quả nó đem lại lợi ích thiết thực như: Cung cấp đủ lượng nước dùng cho người sử dụng, giúp tiết kiệm lượng nước trong quá trình khai thác từ đó giảm một phần chi phí và giá thành mang lại hiệu quả kinh tế cao, giúp bảo vệ môi trường, phòng chống giảm nhẹ thiên tai. Ngoài ra, vận hành hiệu quả HTTNN nói chung, hệ thống tưới nói riêng cũng góp phần tích cực cho công tác cải tạo đất, chống hiện tượng sa mạc hoá giúp những vùng đất khô cằn trở thành những vùng đất trù phú, giúp cải thiện chất lượng môi trường và điều kiện sống của nhân dân nhất là những vùng khó khăn về nguồn nước, tạo ra cảnh quan mới tốt đẹp hơn. Hiện nay do quá trình biến đổi khí hậu nên nước ta chịu ảnh hưởng nhiều bởi các hình thế thời tiết xấu như hạn hán, lũ lụt... cũng gây ảnh hưởng tiêu cực đến HTTNN. Do đó việc ứng dụng các mô hình thủy văn, thủy lực áp dụng vào nghiên cứu và quản lý 6 hệ thống tài nguyên nước nhằm phục vụ đa ngành trong đó có ngành nông nghiệp tạo điều kiện phát triển kinh tế, tăng thu nhập GDP cho toàn quốc. 1.2. Tình hình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam 1.2.1. Nghiên cứu trên thế giới Trong nghiên cứu hệ thống tưới tiêu Mahanadi, một dự án thuỷ lợi lớn ở Trung Ấn Độ, được sử dụng như là một công cụ lập kế hoạch cho hệ thống tưới tiêu hồ chứa Mahanadi, một công cụ hỗ trợ quyết định và là một phần mở rộng của hệ thống mô hình thủy lực - thủy văn kết hợp cho sự vận hành của kênh. Bên cạnh đó các hệ thống mô hình MIKE 11 và MIKE SHE, cho các mô phỏng thủy lực và thủy văn tương ứng, nó có một mô đun tối ưu hóa để điều khiển các vận hành hệ thống kênh rạch. Kết quả cho thấy rằng các kênh thoát nước không hiệu quả và dẫn đến lãng phí một lượng đáng kể nước trong mùa mưa. Từ kết quả đó đồng tác giả: R.Singh, JC Refsgaard, L.Yde đã chỉ ra rằng việc áp dụng mô hình MIKE 11 vàMIKE SHE kết hợp với các hệ thống thủy lợi tối ưu hóa (IOS) là phương pháp rất hữu hiệu làm giảm sự lãng phí trong việc sử dụng nước nhờ đó mà tần suất tưới nhiều hơn, lượng nước tưới hiệu quả hơn trong kênh. Nghiên cứu tình huống cũng minh hoạ khả năng của hệ thống thủy lợi tối ưu hóa (IOS) kết hợp với các mô hình thủy lực - thủy văn là một công cụ hỗ trợ hữu hiệu để lập kế hoạch tối ưu hóa tưới tiêu.[3] Để thực hiện kiểm soát nhu cầu sử dụng nước theo thời gian tiến hành trên kênh thủy lợi tưới tiêu của tiểu bang Maricopa-Stanfield nguyên nhân do tài nguyên nước dành cho nông nghiệp ở vùng này vẫn còn hạn chế nên một phương pháp giúp việc sử dụng nguồn nước hiệu quả hơn đó chính là việc cải thiện quá trình vận chuyển nước từ các kênh tưới tiêu. Điều này có thể thực hiện bằng cách áp dụng các phương pháp điều khiển tự động kiểm soát các cửa trong kênh thủy lợi. Trong bài toán này đồng tác giả: PJ van Overloop, AJ Clemmens, RJ Strand, RMJ Wagemaker and T.Bautista đã sử dụng mô hình (MPC) là một trong những phương pháp kiểm soát tiên tiến nhất, mô hình này đã đáp ứng được yêu cầu của bài toán cung cấp nước tưới cho kênh WM ở Maricopa-Stanfield và thoát nước 7 cho quận đó. Các bài toán kiểm tra cho thấy nước được phân phối hiệu quả đến người sử dụng và độ chênh lệch mực nước ở tất cả các điểm là nhỏ. Việc kiểm soát được so sánh với các kết quả từ phương pháp điều khiển tuyến tính tiên tiến bậc thang, cũng được thử nghiệm trên kênh thực tế.[2] Đối với các mạng lưới sông có nhiều cống và đập tràn cụ thể là trên lưu vực sông Yongdingxinhe ở Thiên Tân (Trung Quốc) các cán bộ thuộc phòng thí nghiệm Cảng và Kỹ thuật Đại Dương, Trường Kỹ thuật xây dựng, Đại học Thiên Tân và Viện nghiên cứu bảo tồn nước đã áp dụng thành công mô hình số dòng chảy không ổn định một chiều để giải quyết các bài toán đó là hoạt động của cống, thoát lũ trên sông. Mô hình này được áp dụng cho việc định tuyến lũ của sông Yongdingxinhe với việc xem xét điều kiện kiểm soát cống phức tạp. Kết quả cho thấy rằng kết quả xác minh bằng mô hình cơ bản trùng với dữ liệu thực đo. Vì vậy ứng dụng của mô hình cho mô phỏng số được thực hiện trên quy định kết hợp của nhiều cống có vai trò tích cực trong việc hướng dẫn xác định bố trí xây dựng cống và thực hiện xây dựng cống cho sông Yongdingxinhe.[1] 1.2.2. Nghiên cứu tại Việt Nam Trong việc đánh giá khả năng lấy nước của các cống tưới hệ thống thủy lợi Nam Thái Bình, đây là một trong những hệ thống thủy lợi lớn vùng ven biển đồng bằng Bắc Bộ, tác giả Nguyễn Thu Hiền đã ứng dụng mô hình MIKE 11 để mô phỏng khả năng lấy nước của các cống tưới hệ thống thủy lợi Nam Thái Bình với năm trung bình nước và năm ít nước với điều kiện hiện trạng và khi có xét đến kịch ...ng ta muốn biết cống sẽ được vận hành như thế nào để duy trì mực nước ở thượng lưu của cống. Yêu cầu mực nước thượng nguồn có sự thay đổi theo mùa do sự thay đổi theo mùa của các nguy cơ rủi ro lũ lụt. Để làm được điều này trong MIKE 11, điểm kiểm soát (CP) là thời gian và điểm mục tiêu (TPo) là mực nước thượng nguồn. Cái cách để lấy (lấy thay bằng từ “đạt được”) từ mực nước yêu cầu đến GL được thực hiện bởi việc chọn phương pháp tính toán (Calculation Mode: CM) là Iterative solution (giải pháp lặp). Trong trường hợp này mô hình MIKE 11 sẽ lặp lại độ mở cống cho đến khi mực nước thượng nguồn đạt được giá trị yêu cầu. Để giải quyết bài toán này nội dung đưa vào chiến lược kiểm soát bao gồm 4 bước chính sau: Bước 1: Chọn phương án điều khiển cống. Ở đây chúng ta lựa chọn điều khiển cống dựa vào mực nước. Bước 2: Tại Detail -> Control strategies, thiết lập việc điều khiển cống dựa vào mực nước ở thượng lưu. Việc điều khiển cống đóng mở được xây dựng để tháo nước qua cống cũng như điều khiển cao trình cống. Việc mực nước khống chế cần đảm bảo mực nước ở thượng lưu. 27 Bước 3. Cũng tại mục Control strategies, nhập file dfs0 chứa thông tin về các thời gian đóng cống và mở cống. Ở đây thiết lập 2 giá trị 0, và 1 tương ứng với đóng cống và mở cống. Bước 4. Tại mục Control Definition, xác định vị trí mực nước trên kênh được lựa chọn để làm căn cứ điều khiển cống. 28 2.3. Yêu cầu về số liệu của mô hình Khi áp dụng mô hình MIKE 11 trong bài toán vận hành hệ thống thủy nông Thác Huống, các dữ liệu yêu cầu gồm các dữ liệu về mạng lưới sông và các công trình trong hệ thống, dữ liệu mặt cắt địa hình dọc theo mạng lưới đó, chuỗi số liệu về thủy văn của biên trên, biên dưới và khu giữa. Dựa trên yêu cầu của luận văn, tác giả đã thu thập số liệu và lập cơ sở dữ liệu phục vụ cho mô hình bao gồm: - Dữ liệu địa hình: + Bản đồ Hệ thống thủy nông Thác Huống. + Mặt cắt ngang các tuyến kênh được mô phỏng. - Dữ liệu thủy văn cho điều kiện biên: + Số liệu mực nước thực đo thượng lưu, hạ lưu, tại vị trí các cống dọc các kênh thuộc Hệ thống thủy nông Thác Huống. - Dữ liệu về công trình chính trên kênh và chuỗi số liệu vận hành các cống. 2.4. Các bước thực hiện Trên cơ sở số liệu đã thu thập được bao gồm số liệu mực nước tại vị trí các cống, diện tích các khu vực tưới, sơ đồ tưới cho toàn hệ thống, bảng phân lịch 29 tưới,... của công TNHHMTV-KTCTTL sông Cầu và Viện Quy hoạch Thủy lợi tác giả sẽ mô phỏng nguồn nước và đưa ra phương án vận hành các cống trên Hệ thống thủy nông Thác Huống để phục vụ cho sản xuất trong thời kỳ đổ ải và dưỡng lúa vụ chiêm xuân như sau: Hình 2.2: Sơ đồ mô phỏng nguồn nước và xây dựng phương án trên Hệ thống thủy nông Thác Huống Tài liệu mặt cắt Thiết lập các biên đầu vào cho mô hình Lập sơ đồ thủy lực Hiệu chỉnh xác định thông số cho mô hình Kiểm định mô hình Thu thập tài liệu Xây dựng phương án vận hành hu t Lựa chọn các năm để tính toán Tài liệu mực nước/lưu lượng 29 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1. Đánh giá hiện trạng vận hành hệ thống 3.1.1. Đánh giá hiện trạng vận hành hệ thống Hiện trạng hệ thống được vận hành theo kinh nghiệm, lịch tưới được lập sẵn cho cả năm, cả vụ hay từng đợt rồi thông báo cho người vận hành và người sử dụng. Phương pháp này giúp người vận hành cũng như người sử dụng nước chủ động về thời gian vận hành. Lịch tưới của các khu được Công ty TNHH MTV KTCTTL sông Cầu lập cho giai đoạn I từ ngày 6/01/2014 đến ngày 03/3/2014 và giai đoạn II từ ngày 03/3/2014 đến ngày 31/5/2014 với tổng số ngày tưới của hai giai đoạn là 145 ngày. Lịch tưới chi tiết của các khu được thống kê trong bảng 3.1 và bảng 3.2 sau: Bảng 3.1: Lịch tưới vụ chiêm xuân giai đoạn I năm 2014 TT Tên khu tưới, tuyến kênh Thời gian tưới từ 06/01/2014 đến ngày 03/03/2014 Tổng số đợt tưới GĐ1 1 Khu I 6/01 - 8/01 20/01-22/01 3/02-5/02 17/02-19/02 4 2 Khu II 8/01 - 14/01 22/01 -28/01 05/02 - 11/02 19/02 -25/02 4 3 Khu II_1 08/01 -10/01 22/01 -21/01 05/02 - 07/02 19/02 -21/02 4 4 Khu II_2 08/01 -14/01 22/01 -28/01 05/02 - 11/02 19/02 -25/02 4 5 Khu II_3 08/01 -14/01 22/01 -28/02 05/02 - 11/02 19/02 -25/03 4 6 Khu II_4 10/01 -14/01 24/01 -28/01 07/02 - 11/02 21/02 -25/02 4 7 Khu III 14/01 -20/01 28/01 -03/02 11/02 - 17/02 25/02 -03/03 4 8 Khu III_1 14/01 -20/01 28/01 -03/02 11/02 - 17/02 25/02 -03/03 4 9 Khu III_2 14/01 -19/01 28/01 -02/02 11/02 - 16/02 25/02 -03/03 4 10 Khu III_3 14/01 -16/01 28/01 -30/01 11/02 - 13/02 25/02 -27/02 4 11 Khu III_4 16/01 -20/01 30/01 -03/02 13/02 - 17/02 27/02 -03/03 4 30 Bảng 3.2: Lịch tưới vụ chiêm xuân giai đoạn II năm 2014 TT Tên khu tưới, tuyến kênh Thời gian tưới từ 03/03/2014 đến ngày 31/05/2014 Tổng số đợt tưới GĐ 2 1 Khu I 3/03 - 5/03 17/03-19/03 31/03-02/04 14/04-16/04 7 2 Khu II 5/03 - 11/03 19/03 -25/03 02/04 - 08/04 16/04 -22/04 7 3 Khu II_1 05/03 -07/03 19/03 -21/03 02/04 - 04/04 16/04 -18/04 7 4 Khu II_2 05/03 -11/03 19/03 -25/03 02/04 - 08/04 16/04 -22/04 7 5 Khu II_3 05/03 -11/03 19/03 -25/03 02/04 - 08/04 16/04 -22/04 7 6 Khu II_4 07/03 -11/03 21/03 -25/03 04/04 - 08/04 18/04 -22/04 7 7 Khu III 11/03 -17/03 25/03 -31/03 08/04 - 14/04 22/04 -28/04 6 8 Khu III_1 11/03 -17/03 25/03 -31/03 08/04 - 14/04 22/04 -28/04 6 9 Khu III_2 11/03 -17/03 25/03 -31/03 08/04 - 14/04 22/04 -28/04 6 10 Khu III_3 11/03 -13/03 25/03 -27/03 08/04 - 10/04 22/04 -24/04 6 11 Khu III_4 13/03 -17/03 27/03 -31/03 10/04 - 14/04 24/04 -28/04 6 TT Tên khu tưới, tuyến kênh Thời gian tưới từ 03/03/2014 đến ngày 31/05/2014 Tổng số đợt tưới GĐ 2 1 Khu I 28/04 - 30/04 12/05-14/05 26/05-28/05 7 2 Khu II 30/06 - 06/05 14/05 - 20/05 28/05 - 31/05 7 3 Khu II_1 30/06 - 02/05 14/05 - 16/05 28/05 - 30/05 7 4 Khu II_2 30/06 - 06/05 14/05 - 20/05 28/05 - 31/05 7 5 Khu II_3 30/06 - 06/05 14/05 - 20/05 28/05 - 31/05 7 6 Khu II_4 02/05 - 06/05 16/05 -20/05 30/05 - 31/05 7 7 Khu III 06/05 - 12/05 20/05 - 26/05 6 8 Khu III_1 06/05 - 12/05 20/05 - 26/05 6 9 Khu III_2 06/05 - 12/05 20/05 - 26/05 6 10 Khu III_3 06/05 - 08/05 20/05 - 22/05 6 11 Khu III_4 08/05 - 12/05 22/05 - 26/05 6 31 + Khu I thời gian tưới giai đoạn I bắt đầu từ ngày 06/01/2014 đến ngày 19/02/2014 với tổng số 4 đợt tưới; giai đoạn II bắt đầu từ ngày 03/03/2014 đến ngày 28/5/2014 với tổng số 7 đợt tưới, mỗi đợt tưới kéo dài 2 ngày, khoảng cách giữa các đợt tưới là 12 ngày. + Khu II thời gian tưới giai đoạn I bắt đầu từ ngày 08/01/2014 đến 25/02/2014 với tổng số 4 đợt tưới; giai đoạn II bắt đầu từ ngày 05/03/2014 đến ngày 31/05/2014 với tổng số 7 đợt tuới, mỗi đợt kéo dài 6 ngày, khoảng cách giữa các đợt là 8 ngày. + Khu III thời gian tưới giai đoạn I bắt đầu từ ngày 14/01/2014 đến ngày 03/03/2014 với tổng số 4 đợt tưới; giai đoạn II bắt đầu từ ngày 11/03/2014 đến ngày 26/05/2015 với tổng số 6 đợt tưới, mỗi đợt kéo dài 6 ngày, khoảng cách giữa các đợt tưới là 8 ngày. Nhận xét: Thời gian tưới và số đợt tưới của các khu là không giống nhau do nhu cầu nước tại các vị trí là khác nhau để đảm bảo cung cấp lượng nước tưới cho các vùng trên toàn hệ thống tránh thất thoát lãng phí và sử dụng nguồn nước được hiệu quả nhất. 3.1.2. Xây dựng phương án vận hành cho hệ thống Hệ thống thủy nông Thác Huống được chia thành 3 khu tưới chính: Phương án vận hành sẽ được xây dựng bằng xây dựng các chiến lược kiểm soát các công được mô phỏng trong hệ thống dựa trên yêu cầu cốt nước hoặc lưu lượng dọc hệ thống như bảng tưới do Công ty THHH MTV KTTL sông Cầu cấp. Phương án tưới là tưới luân phiên. Phương án vận hành chi tiết được thể hiện trong bảng 3.3 và hình 3.1. Bảng 3.3 : Phương án vận hành cống theo lịch tưới Cống Khu Tưới Cống Đá Gân Cống Lũ Yên Cống Lữ Vân Cống Lăng Trình Cống An Cập Cống đầu Kênh N3 Cống đầu Kênh N5 Khu tưới I (Từ Cống 10 Cửa đến đầu cống Lũ Yên) Mở Đóng Đóng Đóng Đóng Đóng Đóng Khu tưới II.1(Từ sau cống Lũ Yên đến đầu cống Lữ Vân) Mở Mở Đóng Đóng Đóng Đóng Đóng 32 Cống Khu Tưới Cống Đá Gân Cống Lũ Yên Cống Lữ Vân Cống Lăng Trình Cống An Cập Cống đầu Kênh N3 Cống đầu Kênh N5 Khu tưới II.2 (Từ đầu kênh N5 trở xuống hết kênh N5) Mở Mở Đóng Đóng Đóng Đóng Mở Khu tưới II.3 (Từ đầu cống Lữ Vân đến hết kênh chính) Mở Mở Mở Đóng Đóng Đóng Đóng Khu tưới III.1 (từ sau cống LĂng trình đến đầu cống kênh N3) Mở Mở Đóng Mở Đóng Đóng Đóng Khu tưới III.2 (từ đầu cống kênh N3 đến hết kênh N3) Mở Mở Đóng Mở Đóng Mở Đóng Khu tưới III.3 (đầu cống An Cập đến hết kênh Trôi) Mở Mở Đóng Mở Mở Đóng Đóng 33 Hình 3.1: Phương án vận hành cống theo lịch tưới 3.1.3. Đánh giá nhu cầu nước trên hệ thống thủy nông Thác Huống Theo tài liệu thống kê hệ thống thủy nông Thác Huống phục vụ tưới cho khoảng 52.520ha đất canh tác (trong đó kênh tưới tự chảy 28.000ha, các trạm bơm lấy nước sông Cầu 12.190ha, các trạm bơm cục bộ địa phương quản lý 9.409ha và các hồ đập nhỏ là 2.921ha), đồng thời vừa có nhiệm vụ tiêu cho diện tích lưu vực là 71.060ha (trong đó tiêu cho huyện Phú Bình tỉnh Thái Nguyên 14.843ha, các huyện của tỉnh Bắc Giang là 56.217ha) [15]. Trong các báo cáo thu thập được của Công ty TNHH MTV KTCTTL Sông Cầu thì nguồn nước chủ yếu phục vụ tưới đổ ải và chống rét cho trà lúa Chiêm xuân mới cấy từ đầu tháng 01 đến đầu tháng 03 và thời gian tưới dưỡng cho lúa từ giai đoạn tiếp theo của tháng 03 đến cuối tháng 05 trong năm [4]. Dựa vào cơ cấu cây trồng, hệ số tưới của cây trồng và hệ số lợi dung kênh mương tác giả tính được nhu cầu nước tưới như sau:[12] 34 qnc = 10 -3 St q (3.1) Trong đó: qnc là nhu cầu nước tưới (m3/s). St là diện tích khu vực cần tính nhu cầu tưới (ha) q là hệ số tưới (l/s.ha) (Hệ số tưới là lượng nước cần thiết phải cung cấp cho một đơn vị diện tích canh tác trong một đơn vị thời gian để đáp ứng yêu cầu sinh trưởng và phát triển của cây trồng). Dựa trên cơ sở nhu cầu nước của từng khu tưới khác nhau và lịch tưới của từng khu tưới, tuyến kênh. Tác giả sẽ phân tích mối quan hệ giữa độ mở cửa cống và thời gian mở cống của các cống trên toàn bộ hệ thống như sau: Trên hệ thống bao gồm có 07 công trình cống, để lấy nước cho các khu tưới phía dưới thì 02 cống Đá Gân và Lũ Yên luôn mở do đó tác giả sẽ không phân tích độ mở cửa cống tại hai vị trí này, bài toán cần giải quyết là tại các vị trí tưới tại khu Hạ Lữ Vân, Thượng An cập, kênh N3, Hạ An Cập và kênh N5 chịu sự chi phối vận hành của các cống Lữ Vân, An Cập, Lăng Trình và kênh N5 nên tác giả sẽ chú trọng phân tích mối quan hệ giữa chúng được thể hiện thông qua các hình vẽ từ hình 3.2 đến hình 3.6 dưới đây. Hình 3.2: Vận hành cống Lữ Vân và nhu cầu nước của 35 khu tưới Hạ Lữ Vân Trên hình vẽ thể hiện độ vận hành của cống Lữ Vân phụ thuộc vào nhu cầu nước tưới của khu tưới Hạ Lữ Vân trong khoảng thời gian từ tháng 1 đến hết tháng 5/2014. Nhu cầu nước được chia làm 2 giai đoạn: giai đoạn I từ ngày 06/01/2014 đến ngày 03/03/2014 nhằm phục vụ tưới đổ ải và chống rét, giai đoạn II từ ngày 03/03/2014 đến ngày 31/05/2014 nhằm phục vụ tưới dưỡng cho lúa. Hình 3.3: Vận hành cống Lăng Trình và nhu cầu nước tưới của khu Thượng An Cập Qua hình vẽ cho ta thấy để đáp ứng nhu cầu nước tưới cho khu Thượng An Cập thì cống Lăng Trình phải vận hành mở cống để đưa nguồn nước từ phía trên kênh chính xuống khu tưới, tuy nhiên có những thời điểm các cống vẫn mở mà không có nhu cầu lấy nước tại chính thời điểm mở cống vì trong thực tế do nguồn nước ở phía trên kênh chính không đảm bảo lượng nước xả trực tiếp để tưới do đó có những giai đoạn nước được tích lại ở trong kênh nhằm phục vụ cho nhu cầu tưới trong khoảng thời gian sau đó. 36 Hình 3.4: Vận hành cống đầu kênh N3 và nhu cầu nước tưới của khu tưới N3 Tương tự như trên, sự vận hành của cống đầu kênh N3 nhằm đáp ứng nhu cầu nước cho khu tưới trên hệ thống kênh N3. Có thể nói nhu cầu nước của khu tỷ lệ thuận với độ mở cửa cống nghĩa là nhu cầu nước càng tăng thì độ mở cửa cống sẽ càng lớn và ngược lại. Tuy nhiên có những thời điểm cống mở nhưng không có nhu cầu lấy nước vào kênh và ngược lại có những thời điểm có nhu cầu nước nhưng độ mở cửa cống bằng không do đã có quá trình tích nước ở giai đoạn trước đó để phục vụ nước tưới cho giai đoạn sau. Hình 3.5: Vận hành cống An Cập, cống đầu kênh N3 và nhu cầu nước tưới của khu Hạ An Cập 37 Hình trên thể hiện nhu nước của khu tưới Hạ An Cập phụ thuộc vào độ đóng, mở cửa cống đầu kênh N3 và cửa cống An Cập. Khi khu Hạ An Cập có nhu cầu tưới thì đầu cống kênh N3 sẽ đóng lại để dồn toàn bộ nước cho kênh Trôi, đồng thời cống An Cập được mở ra để nguồn nước dẫn xuống khu tưới Hạ An Cập. Hình 3.6: Vận hành cống đầu kênh N5 và nhu cầu nước tưới của khu tưới Kênh N5 Tương tự như các trường hợp trên khu tưới kênh N5 có nhu cầu nước thì cống sẽ mở và ngược lại khi không tưới cống sẽ đóng để tiết kiệm nguồn nước tưới. 3.2. Nghiên cứu đánh giá tình hình cấp nước tưới hệ thống thủy nông Thác Huống bằng mô hình MIKE 11 3.2.1. Thu thập số liệu và thiết lập mô hình toán Phạm vi mô phỏng nguồn nước trên toàn hệ thống bao gồm: - Kênh Chính có tổng chiều dài là 52.283m, bắt đầu từ K2+280 - K52+280. - Kênh Trôi là kênh cấp I của kênh Chính có chiều dài 21.499m, lấy nước tại kênh Chính từ K22+00. - Kênh K5 là kênh cấp I của kênh Chính có tổng chiều dài 18694m, lấy nước tại kênh Chính từ K26+500. - Kênh N3 là kênh cấp II của kênh Chính có chiều dài 21100m, lấy nước trên kênh trôi tại K7+500. Tài liệu địa hình lòng dẫn sông là tài liệu cơ bản cần phải có, không thể thiếu trong mỗi mô hình tính toán thủy lực. Tài liệu này được thu thập từ dự án “Báo cáo 38 giám sát chất lượng nước trong hệ thống công trình thủy lợi Thác Huống, phục vụ lấy nước sản xuất nông nghiệp”do Viện Quy hoạch Thủy lợi thực hiện năm 2016. Bảng 3.4: Thống kê tài liệu địa hình trên hệ thống thủy nông Thác Huống TT Tên kênh Chiều dài (m) Số mặt cắt 1 Kênh Chính 50003 220 2 Kênh Trôi 21499 200 3 Kênh N5 18694 125 4 Kênh N3 21100 80 Xác định biên đầu vào của mô hình là điều kiện cần thiết trong quá trình mô phỏng. Dựa vào mục tiêu nghiên cứu của bài toán là vận hành hệ thống thủy nông Thác Huống trong mùa kiệt phục vụ tưới cho nông nghiệp, do đó các biên của hệ thống được xác định như sau: Biên trên hệ thống là lưu lượng ở thượng nguồn cống Đá Gân nằm trên kênh Chính. Biên dưới của hệ thống được đặt tại cuối vị trí các kênh Chính, kênh Trôi, kênh N3, kênh N5, tại vị trí cuối của các kênh được thiết lập các đập tràn có độ cao phù hợp để nâng nước trong sông và xả lượng nước thừa khi cần thiết. Có hai loại biên khu giữa: biên gia nhập vào hệ thống và biên lấy ra khỏi hệ thống. Trong nghiên cứu này chỉ sử dụng loại biên lấy nước ra khỏi hệ thống để có thể mô tả được lượng nước cấp cho tưới ở các khu dọc hệ thống. Để tính toán được các biên này cần thiết phải phân vùng được các khu tưới (lấy nước) và tính toán nhu cầu nước từng thời điểm cho từng khu. Căn cứ vào phạm vi mô phỏng nguồn nước trên hệ thống thủy nông Thác Huống được cấu tạo bởi kênh Chính và các kênh cấp I, II, căn cứ vào mục tiêu của bài toán và đồng thời dựa vào số liệu thu thập được tác giả thiết lập mạng lưới tính toán thủy lực bao gồm các cống điều tiết trọng điểm như các cửa cống lấy nước vào các kênh nhánh N5, N3 và các công trình điều tiết dâng mực nước dọc kênh Chính và Kênh Trôi. Trong đó các vị trí màu đỏ thể hiện cho các cống điều tiết nước trong hệ thống sông, các cống này có nhiệm vụ đóng hoặc mở để đưa nguồn nước từ phía trên xuống vùng cần sử dụng nước. 39 Vị trí màu xanh lá mạ thể hiện cho các đập tràn, các đập tràn này ngăn dòng chảy thoát ra khỏi hệ thống do đây là thời kỳ tưới trọng điểm nên lượng nước lấy vào hệ thống sẽ được sử dụng để tưới chỉ trừ khi có lượng nước dư thừa so với nhu cầu nước mới để tiêu thoát ra khỏi hệ thống. Vị trí hình chữ nhật thể hiện các biên trên, biên dưới và biên khu giữa của hệ thống. Hình 3.7: Sơ đồ tính toán hệ thống thủy nông Thác Huống 40 Hình 3.8.Thiết lập hệ thống đập tràn trên Hệ thống thủy nông Thác Huống Hình 3.9 :Thiết lập hệ thống cống trên Hệ thống thủy nông Thác Huống Dựa vào tài liệu mực nước do Công ty TNHHMTV-KTCTTL sông Cầu cấp từ năm 2014 đến năm 2015 (12 tháng trong năm). Tuy nhiên trong phạm vi của bài toán đó là tính nhu cầu nước phục vụ cho tưới trong thời kỳ đổ ải vụ chiêm xuân từ 41 tháng 1 đến tháng 5 do đó tác giả sử dụng thời đoạn tính toán được thống kê chi tiết trong bảng 3.5. Bảng 3.5: Biểu thời gian tính toán được sử dụng trong mô hình Năm 2014 2015 Hiệu chỉnh Kiểm định Thời gian tính toán 03/01/2014 7:00:00AM – 31/5/2014 19:00:00PM 02/01/2015 7:00:00AM – 30/5/2015 19:00:00PM Để đánh giá kết quả của mô hình, ngoài việc hiển thị chuỗi số liệu thực đo và tính toán bằng đồ thị, tác giả đã sử dụng chỉ số NASH như sau: Chỉ tiêu NASH: Đánh giá khả năng mô phỏng của mô hình và độ tin cậy của bộ thông số xác định được. Nếu giá trị NASH tiến tới 1 thì kết quả tính toán càng chính xác. Chỉ tiêu NASH được tính bằng công thức: 2 2 )( )( 1)( QobsavesQobs QobsQcal EINASH    Trong đó: : Giá trị tính toán : Giá trị thực đo : Giá trị thực đo trung bình. 3.2.2. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực Việc hiệu chỉnh bộ thông số (thông số nhám) được tiến hành bằng cách thay đổi hệ số nhám Manning (n) bao gồm: hệ số nhám bãi trái, bãi phải và lòng chính trong hệ thống sông. Các vị trí tiến được sử dụng để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình gồm vị trí mặt cắt thượng lưu của các cống Lữ Vân, Lữ Yên và An Cập. Kết quả hiệu chỉnh mô hình tại các vị trí trên hệ thống thủy nông Thác Huống được thể hiện ở hình vẽ từ hình 3.9 đến hình 3.11. Đá Gân là công trình đầu mối của hệ thống, giúp lấy nước vào hệ thống. Kết quả hiệu chỉnh khá sát với thực đo tuy nhiên có thể thấy đây là vị trí gần biên trên nhất nên kết quả tốt cũng chỉ phản ánh một phần hiệu quả của mô hình. (3.2) 42 Hình 3.10: Kết quả tính toán và thực đo quá trình mực nước tại cống Lũ Yên (03/01/2014 – 30/05/2014) Cống Lữ Yên nằm cách cống Đá Gân chừng 7km giúp điều tiết tưới cho vùng thượng Lữ Yên. Kết quả hiệu chỉnh được thể hiện khá tốt. Hình 3.11: Kết quả tính toán và thực đo quá trình mực nước tại cống Lữ Vân (03/01/2014 – 30/05/2014) 43 Hình 3.12: Kết quả tính toán và thực đo quá trình mực nước tại cống An Cập (03/01/2014 – 30/05/2014) Kết quả cho ta thấy đường quá trình tính toán và thực đo khá phù hợp. Hệ số NASH đảm bảo trong giới hạn cho phép được thống kê trong bảng 3.6, tuy nhiên vẫn còn sự chênh lệch giữa mực nước tính toán và thực đo tại một số thời điểm nhất định. Bảng 3.6: Chỉ tiêu đánh giá chất lượng hiệu chỉnh bộ thông số của mô hình STT Tên công trình Chỉ số Nash Đánh giá 1 Cống Lữ Yên 0.8 Khá 2 Cống Lữ Vân 0.72 Khá 3 Cống An Cập 0.85 Khá Như vậy, với kết quả hiểu chỉnh mô hình đã sơ bộ xác định được bộ thông số (thông số nhám) của mô hình cho hệ thống thủy nông Thác Huống (Bảng 3.6). Để đánh giá mức độ tin cậy của bộ thông số (thông số nhám) cần tiến hành kiểm định bộ thông số của mô hình. 44 Bảng 3.7: Bộ thông số (thông số nhám) của mô hình cho hệ thống thủy nông Thác Huống STT Tên kênh Vị trí Hệ số nhám 1 KENHCHINH 11219 0,035 2 KENHCHINH 21449 0,035 3 KENHCHINH 26530 0,038 4 KENHCHINH 9215 0,04 5 KENHCHINH 26407 0,038 6 KENHN5 7785 0,011 7 KENHN5 17000 0,038 8 KENHTROI 7910 0,038 9 KENHTROI 8062,97 0,038 Kiểm định mô hình là để đánh giá độ tin của bộ thông số của mô hình, sử dụng bộ thông số này tiến hành chạy kiểm tra trong thời gian từ ngày 02/01/2015 đến ngày 30/05/2015. Nếu chất lượng mô phỏng tốt thì bộ thông số có thể áp dụng cho hệ thống nghiên cứu, và ngược lại thì cần thực hiện lại bước hiểu chỉnh. Bảng 3.8: Chỉ tiêu đánh giá chất lượng kiểm định bộ thông số của mô hình STT Tên công trình Chỉ số Nash Đánh giá 1 Cống Lữ Yên 0.94 Tốt 2 Cống Lữ Vân 0.85 Tốt 3 Cống An Cập 0.96 Tốt 45 Kết quả kiểm định thu được thể hiện qua bảng chỉ tiêu đánh giá chất lượng kiểm định bảng 3.8 và các hình vẽ từ hình 3.13 đến hình 3.15 Hình 3.13: Kết quả tính toán và thực đo quá trình mực nước tại cống Lũ Yên (02/01/2015 – 30/05/2015) 46 Hình 3.14: Kết quả tính toán và thực đo quá trình mực nước tại cống Lữ Vân (02/01/2015 – 30/05/2015) Hình 3.15: Kết quả tính toán và thực đo quá trình mực nước tại cống An Cập (02/01/2015 – 30/05/2015) Kết quả kiểm định cho thấy giá trị mực nước tính toán và số liệu thực đo tại các vị trí có sự đồng dạng, cùng pha, chỉ số NASH nằm trong giới hạn cho phép từ 0,85 đến 0,96. Với kết quả kiểm định như vậy thì bộ thông số của mô hình (hệ số nhám) hoàn toàn có thể ứng dụng để mô phỏng nguồn nước phục vụ vận hành hệ thống thủy nông Thác Huống. 3.2.3. Xây dựng phương án vận hành hệ thống thủy nông Thác Huống 3.2.3.1. Cơ sở xây dựng phương án vận hành Phương án vận hành sẽ được xây dựng bằng xây dựng các chiến lược kiểm soát các cống được mô phỏng trong hệ thống dựa trên yêu cầu cốt nước cấp hoặc lưu lượng dọc hệ thống thu thập tại Công ty TNHH MTV KTCTTL sông Cầu. 47 ( Chi tiết Bảng lịch tưới giai đoạn 1 và giai đoạn 2 tại phụ lục 11, 12) Sau khi phương án vận hành được thiết lập kết quả tính toán sẽ so sánh với tình hình tưới thực tế . 3.2.3.2. Kết quả phương án vận hành hệ thống Dựa vào lịch tưới được trình bày ở bảng 3.9 và 3.10 luận văn ứng dụng mô hình mike 11 để thiết kế phương án vận hành hệ thống và đánh giá phương án này dựa trên kết quả vận hành thực tế cho năm 2014. Trong mô hình này tác giả xây dựng chiến lược kiểm soát cho các công trình trên hệ thống để đảm bảo các tiêu chí trong lịch tưới. Ví dụ: Tại khu tưới Thượng Lũ Yên vào các ngày từ 6/1/2014 đến 8/1/2014, từ ngày 20/1/2014 đến ngày 22/1/2014, từ ngày 3/2/2014 đến ngày 5/2/2014, từ ngày 17/2/2014 đến ngày 19/2/2014 tưới nên cốt nước cần đảm bảo từ 20- 20,2m. Kết quả của giai đoạn 1: Trong giai đoạn 1 dựa vào số liệu thực tế cho ta thấy đây là giai đoạn thiếu hụt nước trầm trọng. Thời gian đổ ải là thời gian lúc này độ ẩm của đất rất thấp do mưa rất ít, thời gian kéo dài mấy tháng chịu tác động của mùa hanh khô, nhu cầu đất uống nước rất cao. Tuy nhiên khi ứng dụng mô hình Mike 11 đã giải quyết được vấn đề không đảm bảo nước tưới cho từng giai đoạn. Chi tiết cho từng khu được thể hiện từ phụ lục 1 đến phụ lục 5 và hình 3.16 đến hình 3.20 - Tại khu tưới Thượng Lũ Yên: những ngày tưới cống Lũ Yên sẽ đóng mục đích để dâng nước ở phía trên phục vụ tưới tại khu Thượng Lũ Yên, trong giai đoạn 1 gồm 4 đợt tưới trên tổng số 8 ngày tưới. Cụ thể giá trị mực nước tại khu Thượng Lũ Yên như sau: 48 Hình 3.16: Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo (màu xanh lá cây) và tính toán (màu xanh nước biển) tại khu Thượng Lũ Yên GD1; đường màu đỏ là cốt nước yêu cầu - Khu tưới Thượng Lũ Yên sau khi đã xây dựng chiến lược kiểm soát trên toàn bộ hệ thống thì mực nước tính toán dao động từ 20-21,9m trong khi lịch tưới yêu cầu cốt nước từ 20-20,2m. Như vậy với cốt nước này đảm bảo tưới cho toàn bộ Thượng lưu Lũ Yên trong thời đoạn bài toán yêu cầu, trong khi kết quả thực tế (màu xanh lá cây trong hình), có những ngày tưới trong lịch không đảm bảo cốt nước: đợt 1 từ ngày 6/1/2014-8/1/2014 mực nước thực đo đạt 19,7-19,9m; đợt 2 có 2 ngày 20/1, 22/1 cốt nước đạt 19,1-19,9m; đợt 3 có ngày 3/2 mực nước thực đo đạt 18,5m; đợt 4 lúc 7h ngày 17/2 mực nước thực đo đạt 18,4m. (Kết quả chi tiết giá trị mực nước tính toán và mực nước thực đo tại khu tưới Thượng Lũ Yên GĐ1 tại phụ lục 1) - Khu tưới Thượng Lữ Vân cũng có 4 đợt trên tổng số 8 ngày tưới nhưng thời gian tưới của khu Thượng Lữ Vân không trùng với khu tưới Thượng Lũ Yên, mục đích tưới luân phiên giúp đảm bảo nước tưới cho các khu trên cùng một hệ thống. Cụ thể giá trị mực nước tại khu Thượng Lữ Vân như sau: 49 Hình 3.17: Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo (màu xanh lá cây) và tính toán (màu xanh nước biển) tại khu Thượng Lữ Vân GD1; đường màu đỏ là cốt nước yêu cầu Khu tưới Thượng Lữ Vân sau khi đã xây dựng chiến lược kiểm soát mực nước tính toán dao động từ 16,4-17,5m trong khi lịch tưới yêu cầu cốt nước từ 16,4- 16,5m. Như vậy với cốt nước này đảm bảo tưới cho toàn bộ thượng lưu Lữ Vân trong thời đoạn bài toán yêu cầu, trong khi kết quả thực tế (màu xanh lá cây trong hình) có những ngày tưới trong lịch không đảm bảo cốt nước: đợt 1 ngày 10/1 mực nước thực đo đạt 16,1-16,3m; đợt 2 có 2 lúc 7h ngày 22/1 mực nước thực đo đạt 16m, lúc 19h ngày 24/1 mực nước thực đo đạt 16,2m; đợt 4 cốt nước lúc 19h ngày 21/2 mực nước thưc đo đạt 16,3m. (Kết quả chi tiết giá trị mực nước tính toán và mực nước thực đo tại khu Thượng Lữ Vân GD1 tại phụ lục 2) - Khu tưới Hạ Lữ Vân gồm 4 đợt trên tổng số 16 ngày tưới. Tại các vị trí Hạ Lữ Vân, Hạ An Cập khác với 2 khu trên Thượng Lũ Yên, Thượng Lữ Vân và Thượng An Cập là khi mực nước tại cửa cống đảm bảo cốt nước yêu cầu thì bắt đầu người quản lý sẽ vận hành mở cống để đưa nước xuống tưới cho khu hạ lưu. Cụ thể giá trị mực nước tại khu Hạ Lữ Vân như sau: 50 Hình 3.18 Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo (màu xanh lá cây) và tính toán (màu xanh nước biển) tại khu Hạ Lữ Vân GD1; đường màu đỏ là cốt nước yêu cầu Khu tưới Hạ Lữ Vân sau khi xây dựng chiến lược kiểm soát mực nước tính toán dao động từ 13,8-14,3m trong khi lịch tưới yêu cầu cốt nước từ 12,8-13m. Như vậy với cốt nước này đảm bảo tưới cho toàn bộ khu hạ lưu Lữ Vân trong thời đoạn tưới, trong khi kết quả thực tế (màu xanh lá cây trong hình) có những ngày tưới trong lịch không đảm bảo cốt nước gồm đợt 1 lúc 7h ngày 10/1 mực nước thực đo đạt 12,5m, lúc 19h ngày 13/1 – 14/1 mực nước thực đo chỉ đạt 12,7m; đợt 2 lúc 7h ngày 24/1 mực nước thực đo đạt 12,3m, ngày 28/1 mực nước cả ngày chỉ đạt 12,7m; đợt 4 ngày 24 mực nước đạt 12,6-12,7m. (Kết quả chi tiết giá trị mực nước tính toán và mực nước thực đo tại khu Hạ Lữ Vân GD1 tại phụ lục 3) - Khu An Cập là khu nằm tại vị trí kênh Trôi một nhánh của kênh chính, kênh có độ dài 21.449m hiện tại có 10.230m (về phía cuối kênh) đã được kiên cố hóa, số còn lại 11.219m chưa được kiên cố hóa. Hiện tại phần kênh đất, mặt cắt hình thang mặc dù đã được nạo vét hàng năm nhưng hiện nay đã xuống cấp, mặt cắt biến dạng thành mặt cắt dạng Parabol. Do bị sạt lở nhiều đoạn đã bị bồi lắng. Hai bờ bị xói lở, mặt bờ kênh bị giảm nhỏ có những đoạn chỉ còn 70% so với thiết kế. 51 Tuy nhiên khi xây dựng chiến lược kiểm soát cho khu tưới thì kết quả cho thấy cả 2 khu Thượng An Cập và Hạ An Cập đều khá tốt đảm bảo nước tưới cho toàn khu. Khu Thượng An Cập gồm 4 đợt trên tổng số 8 ngày tưới. Cụ thể giá trị mực nước tại khu Thượng An Cập như sau: Hình 3.19: Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo (màu xanh lá cây) và tính toán (màu xanh nước biển) tại khu Thượng An Cập GD1; đường màu đỏ là cốt nước yêu cầu Khu tưới Thượng An Cập sau khi xây dựng chiến lược kiểm soát mực nước tính toán dao động từ 14,4-14,9m trong khi lịch tưới yêu cầu cốt nước từ 14,4- 14,5m. Như vậy với cốt nước này đảm bảo tưới cho toàn bộ khu thượng An Cập trong thời đoạn tưới, trong khi kết quả thực tế (màu xanh lá cây trong hình) có những ngày tưới trong lịch không đảm bảo cốt nước gồm đợt 1 có 2 ngày 15/1 và 16/1 mực nước thực đo đạt 14,1-14,3m; đợt 2 gồm ngày 28/1 mực nước cả ngày đạt 14,3m, lúc19h ngày 29/1 mực nước đạt 12,7m, lúc 7h ngày 30/1 mực nước đạt 14,3m; đợt 3 lúc 7h ngày 11/2 mực nước 14,3m; đợt 4 toàn bộ các ngày từ 25/2- 27/2 đều không đảm bảo mực nước từ 14-14,3m. (Kết quả chi tiết giá trị mực nước tính toán và mực nước thực đo tại khu Thượng An Cập GD1 tại phụ lục 4) 52 Khu Hạ An Cập gồm 4 đợt trên tổng số 16 ngày tưới. Cụ thể giá trị mực nước tại khu Hạ An Cập như sau: Hình 3.20: Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo (màu xanh lá cây) và tính toán (màu xanh nước biển) tại khu Hạ An Cập GĐ1; đường màu đỏ là cốt nước yêu cầu Khu tưới Hạ An Cập sau khi xây dựng chiến lược kiểm soát mực nước tính toán dao động từ 13,3-14,9m trong khi lịch tưới yêu cầu cốt nước từ 12,9-13m. Như vậy với cốt nước này đảm bảo tưới cho toàn bộ khu Hạ An Cập trong thời đoạn tưới, trong khi kết quả thực tế (màu xanh lá cây trong hình) có những ngày tưới trong lịch không đảm bảo cốt nước gồm đợt 1 từ 10/1 đến 7h ngày 13/1 mực nước thực đo đạt 12,7- 12,8m, ngày 14/1 mực nước thực đo đạt 12,7m; đợt 2 toàn bộ mực nước từ ngày 24/1- 28/1 mực nước thực đo đạt 12,5-12,8m; đợt 3 lúc 7h ngày 7/2 mực nước thực đo đạt 12,7m; đợt 4 từ ngày 21/2-25/2 mực nước thực đo đạt 12,6-12,8m. (Kết quả chi tiết giá trị mực nước tính toán và mực nước thực đo tại khu Hạ An Cập GD1 tại phụ lục 5) Kết quả của giai đoạn 2 Trong giai đoạn 2 là thời đoạn tưới dưỡng cho lúa nên số đợt tưới nhiều hơn so với giai đoạn 1, do nhu cầu sử dụng nước tại các vị trí không giống nhau nên số lượng đợt tưới khác nhau, tại vị trí Thượng Lũ Yên, Thượng Lữ Vân và Hạ Lữ Vân tổng số đợt tưới gồm 7 đợt, còn lại khu Thượng An Cập và Hạ An Cập số đợt tưới 53 giảm,tổng số 6 đợt cụ thể các đợt tưới của từng khu được thể hiện từ phụ lục 6 đến phụ lục 10 và hình 3.21 đến hình 3.25 - Khu Thượng Lũ Yên trong giai đoạn 2 tổng số gồm 7 đợt trên tổng số 14 ngày tưới. Cụ thể giá trị mực nước tại khu Thượng Lũ Yên như sau: Hình 3.21: Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo (màu xanh lá cây) và tính toán (màu xanh nước biển) tại khu Thượng Lũ Yên GD2; đường màu đỏ là cốt nước yêu cầu Khu tưới Thượng Lũ Yên giai đoạn 2 sau khi đã xây dựng chiến lược kiểm soát trên toàn bộ hệ thống thì mực nước tính