Nghiên cứu cải tiến mô hình MARINE để mô phỏng và dự báo dòng chảy cho lưu vực sông thiếu số liệu áp dụng cho khu vực nam trung bộ

BỘ TÀI NGUN VÀ MƠI TRƯỜNG VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU BÙI VĂN CHANH NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN MƠ HÌNH MARINE ĐỂ MƠ PHỎNG VÀ DỰ BÁO DỊNG CHẢY CHO LƯU VỰC SƠNG THIẾU SỐ LIỆU - ÁP DỤNG CHO KHU VỰC NAM TRUNG BỘ LUẬN ÁN TIẾN SĨ THỦY VĂN HỌC Hà Nội, 2022 download by : skknchat@gmail.com b BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MƠI TRƯỜNG VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU BÙI VĂN CHANH NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN MƠ HÌNH MARINE ĐỂ MƠ PHỎNG VÀ DỰ BÁO DỊNG CHẢY CHO LƯU VỰC SƠNG THIẾU SỐ LIỆU - ÁP DỤNG CHO KHU VỰC NAM TRUNG BỘ Ngành: Thủy văn học Mã số: 9440224 LUẬN ÁN TIẾN SĨ THỦY VĂN HỌC Tác giả Luận án Giáo viên hướng dẫn Giáo viên hướng dẫn Bùi Văn Chanh PGS.TS Trần Ngọc Anh PGS.TS Lương Tuấn Anh Hà Nội, 2022 download by : skknchat@gmail.com c LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận Luận án trung thực, không chép từ nguồn hình thức ngồi kết cơng bố có liên quan đến luận án tác giả Việc tham khảo nguồn tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả Luận án Bùi Văn Chanh download by : skknchat@gmail.com d LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Viện Khoa học Khí tượng Thuỷ văn Biến đổi khí hậu tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả q trình nghiên cứu hồn thành Luận án Với lịng kính trọng biết ơn sâu sắc, tác giả xin gửi lời cảm ơn đặc biệt tới thầy hướng dẫn PGS.TS Trần Ngọc Anh PGS.TS Lương Tuấn Anh tận tình giúp đỡ tác giả từ bước xây dựng hướng nghiên cứu, suốt trình nghiên cứu hồn thiện Luận án Các thầy ln động viên hỗ trợ điều kiện tốt để tác giả hồn thành Luận án Tác giả bày tỏ lịng biết ơn đến Ban lãnh đạo Tổng cục Khí tượng Thủy văn, Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Nam Trung Bộ đồng nghiệp tạo điều kiện giúp đỡ, động viên cho tác giả suốt trình nghiên cứu thực Luận án Tác giả chân thành cảm ơn chuyên gia, nhà khoa học Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn Biến đổi khí hậu, Tổng cục Khí tượng Thủy văn, Trường Đại học Tự nhiên Hà Nội có góp ý khoa học hỗ trợ nguồn tài liệu, số liệu cho tác giả suốt trình thực Luận án Cuối cùng, tác giả xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới người thân, gia đình, bạn bè đồng nghiệp ln động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện tốt để tác giả hồn thành tốt Luận án Tác giả Luận án Bùi Văn Chanh download by : skknchat@gmail.com i MỤC LỤC MỤC LỤC .i DANH MỤC HÌNH v DANH MỤC BẢNG xi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xii MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN MÔ PHỎNG VÀ DỰ BÁO TRÊN LƯU VỰC THIẾU SỐ LIỆU 1.1 CÁC KHÁI NIỆM 1.2 TỔNG QUAN MÔ PHỎNG VÀ DỰ BÁO THỦY VĂN BẰNG MƠ HÌNH TỐN 1.3 TỔNG QUAN CÁC MƠ HÌNH THỦY VĂN THƠNG SỐ PHÂN BỐ 14 1.4 TỔNG QUAN MƠ HÌNH MARINE 18 1.5 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG ĐỂ CẢI TIẾN MƠ HÌNH MARINE 22 1.5.1 Tổng quan mơ hình sóng động học chiều 22 1.5.2 Tổng quan diễn toán dòng chảy qua hồ 23 1.5.3 Tổng quan khắc phục thiếu số liệu mưa phân bố không gian 24 1.5.3.1 Phương pháp định lượng mưa viễn thám 24 1.5.3.2 Phương pháp tái phân tích số liệu mưa 25 1.5.3.3 Phương pháp nội suy mưa không gian 26 1.6 GIỚI THIỆU VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 29 1.6.1 Đặc điểm khu vực Nam Trung Bộ 29 1.6.2 Đặc điểm lưu vực sông Cái Nha Trang 30 1.6.3 Đặc điểm lưu vực sông Dinh Ninh Hòa 31 1.6.4 Đặc điểm lưu vực sông Cái Phan Rang 33 1.7 NHỮNG VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 35 TIỂU KẾT CHƯƠNG 37 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN MƠ HÌNH MARINE 38 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH MARINE 38 download by : skknchat@gmail.com ii 2.1.1 Lý thuyết dòng chảy sườn dốc mơ hình MARINE 38 2.1.2 Phương pháp tính thấm mơ hình MARINE 40 2.1.3 Sơ đồ tính tốn mơ hình MARINE 42 2.1.4 Bộ thơng số mơ hình MARINE 44 2.2 CẢI TIẾN MƠ HÌNH MARINE BẰNG MƠ HÌNH SĨNG ĐỘNG HỌC MỘT CHIỀU 45 2.2.1 Lựa chọn kỹ thuật xây dựng mơ hình sóng động học đáp ứng khả cải tiến mơ hình MARINE 45 2.2.2 Cơ sở lý thuyết mơ hình sóng động học chiều 46 2.2.2.1 Diễn tốn sóng động học chiều tuyến tính 47 2.2.2.2 Diễn tốn sóng động học chiều phi tuyến .50 2.2.2.3 Diễn tốn sóng động học chiều cho mạng lưới sơng .55 2.2.3 Tích hợp mơ hình MARINE sóng động học chiều 56 2.3 TÍCH HỢP MƠ HÌNH MARINE VỚI MƠ ĐUN DIỄN TỐN DỊNG CHẢY QUA HỒ 61 2.3.1 Cơ sở lý thuyết diễn tốn dịng chảy qua hồ 61 2.3.2 Xây dựng mơ đun diễn tốn dịng chảy qua hồ 64 2.3.3 Tích hợp mơ đun diễn tốn dịng chảy qua hồ với mơ hình sóng động học 66 2.4 CẢI TIẾN MƠ HÌNH MARINE BẰNG CƠNG CỤ NỘI SUY MƯA KHÔNG GIAN 67 2.4.1 Cơ sở lý thuyết phương pháp nghịch đảo khoảng cách 68 2.4.2 Tích hợp mơ hình MARINE công cụ nội suy mưa theo không gian 69 2.5 HỒN THIỆN MƠ HÌNH MARINE CẢI TIẾN .72 TIỂU KẾT CHƯƠNG 74 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MARINE CẢI TIẾN ĐỂ MƠ PHỎNG VÀ DỰ BÁO DỊNG CHẢY TRÊN MỘT SỐ LƯU VỰC SƠNG Ở KHU VỰC NAM TRUNG BỘ 76 3.1 CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐẦU VÀO 76 3.1.1 Dữ liệu đồ 76 3.1.2 Dữ liệu khí tượng thủy văn hồ chứa 78 download by : skknchat@gmail.com iii 3.2 ỨNG DỤNG MƠ PHỎNG DỊNG CHẢY LŨ TRÊN MỘT SỐ LƯU VỰC SÔNG Ở KHU VỰC NAM TRUNG BỘ 80 3.2.1 Ứng dụng thử nghiệm lưu vực sông Cái Nha Trang 81 3.2.1.1 Thiết lập mơ hình MARINE cải tiến cho lưu vực sông Cái Nha Trang 81 3.2.1.2 Hiệu chỉnh kiểm định thông số cho lưu vực sông Cái Nha Trang 86 3.2.1.3 Đánh giá chi tiết hiệu mô mô hình MARINE cải tiến lưu vực sơng Cái Nha Trang so với mơ hình gốc 90 3.2.2 Ứng dụng thử nghiệm lưu vực sông Dinh Ninh Hịa 94 3.2.2.1 Thiết lập mơ hình MARINE cải tiến cho lưu vực sơng Dinh Ninh Hịa .94 3.2.2.2 Hiệu chỉnh kiểm định thông số cho lưu vực sơng Dinh Ninh Hịa .98 3.2.2.3 Đánh giá chi tiết hiệu mô mơ hình MARINE cải tiến lưu vực sơng Dinh Ninh Hịa so với mơ hình gốc .101 3.2.3 Ứng dụng thử nghiệm lưu vực sông Cái Phan Rang 105 3.2.3.1 Thiết lập mơ hình MARINE cải tiến cho lưu vực sông Cái Phan Rang 105 3.2.3.2 Hiệu chỉnh kiểm định thông số cho lưu vực sông Cái Phan Rang 109 3.2.3.3 Đánh giá chi tiết hiệu mô mơ hình MARINE cải tiến lưu vực sơng Cái Phan Rang so với mơ hình gốc .112 3.2.4 Đánh giá chung hiệu khả ứng dụng mơ hình MARINE cải tiến 115 3.3 ỨNG DỤNG DỰ BÁO THỬ NGHIỆM DỊNG CHẢY LŨ TRÊN LƯU VỰC SƠNG CÁI NHA TRANG .117 3.3.1 Yêu cầu trạng dự báo lưu vực sông Cái Nha Trang 117 3.3.2 Tính tốn lượng mưa dự báo cho mơ hình MARINE cải tiến .118 3.3.3 Ứng dụng dự báo thử nghiệm mùa lũ năm 2020 .120 3.3.3.1 Thiết lập phương án dự báo mơ hình MARINE cải tiến 120 3.3.3.2 Dự báo đánh giá độ tin cậy với thời gian dự kiến 24h .121 download by : skknchat@gmail.com iv 3.3.3.3 Dự báo đánh giá độ tin cậy với thời gian dự kiến 48h .123 3.3.4 Đánh giá khả ứng dụng mơ hình MARINE cải tiến dự báo cho lưu vực sông 126 TIỂU KẾT CHƯƠNG 127 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .129 KẾT LUẬN 129 KIẾN NGHỊ 130 TÀI LIỆU THAM KHẢO 132 Tài liệu tiếng Việt .132 Tài liệu tiếng Anh .135 Tài liệu tiếng Pháp 144 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU 145 PHỤ LỤC BẢNG 146 PHỤ LỤC HÌNH 151 download by : skknchat@gmail.com v DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Minh họa đồ lưu vực sông Cái Nha Trang 30 Hình 1.2 Minh họa đồ địa hình lưu vực sơng Dinh Ninh Hịa 33 Hình 1.3 Minh họa đồ lưu vực Cái Phan Rang 34 Hình 1.4 Sơ đồ nghiên cứu Luận án 36 Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát mơ hình MARINE [3] 40 Hình 2.2 Sơ đồ thấm Green Ampt [116] 41 Hình 2.3 Sơ đồ khối tính tốn mơ hình MARINE 43 Hình 2.4 Sơ đồ sai phân ẩn giải phương trình sóng động học tuyến tính 48 Hình 2.5 Sơ đồ khối tính tốn sóng động học chiều tuyến tính 49 Hình 2.6 Phương pháp Newton ngoại suy đường tiếp tuyến hàm f(x) [97] 52 Hình 2.7 Sơ đồ sai phân sóng động học chiều phi tuyến 52 Hình 2.8 Sơ đồ khối tính tốn sóng động học chiều phi tuyến .53 Hình 2.9 Minh họa đồ lưu vực sông La Ngà 54 Hình 2.10 Lưu lượng tính tốn thực đo trạm Tà Pao 55 Hình 2.11 Lưu lượng tính tốn thực đo trạm Võ Xu .55 Hình 2.12 Sơ đồ phân cấp cho mạng lưới sông 56 Hình 2.13 Thủ tục CalcApLat tích lũy lưu lượng nút cho đoạn sơng 58 Hình 2.14 Chương trình tính dịng chảy mạng lưới sông (thủ tục Qluoisong) .58 Hình 2.15 Mơ hình sóng động học chiều tuyến tính thay thủ tục CalcApLat 59 Hình 2.16 Cài thủ tục Qluoisong thay thủ tục cộng dồn dịng chảy mơ hình sóng động học chiều tuyến tính .59 Hình 2.17 Sơ đồ tích hợp mơ hình sóng động học chiều phi tuyến mơ hình MARINE 60 download by : skknchat@gmail.com vi Hình 2.18 Sơ đồ tích hợp mơ hình sóng động học chiều tuyến tính mơ hình MARINE 60 Hình 2.19 Sơ đồ tính số gia ΔH1 Runge - Kutta bậc 63 Hình 2.20 Sơ đồ tính số gia ΔH2 Runge - Kutta bậc 63 Hình 2.21 Sơ đồ tính số gia ΔH3 Runge - Kutta bậc 63 Hình 2.22 Sơ đồ khối mơ đun diễn tốn dịng chảy qua hồ chứa 65 Hình 2.23 Hệ số hình dạng số loại cửa xả điển hình 66 Hình 2.24 Sơ đồ tích hợp mơ đun diễn tốn dịng chảy qua hồ mơ hình tích hợp MARINE sóng động học 67 Hình 2.25 Quan hệ bậc trọng số khoảng cách IDW 69 Hình 2.26 Bán kính tìm kiếm (a) vùng chắn (b) IDW 69 Hình 2.27 Sơ đồ tích hợp cơng cụ nội suy mưa mơ hình MARINE 70 Hình 2.28 Sơ đồ khối cơng cụ nội suy mưa theo không gian 71 Hình 2.29 Sơ đồ khối mơ đun hồi quy bội phi tuyến 72 Hình 2.30 Cấu trúc tệp tin số liệu bề mặt lưu vực (a) mưa trạm (b) 73 Hình 2.31 Cấu trúc tệp tin mạng lưới sông (a) hồ chứa (b) 73 Hình 2.32 Sơ đồ mơ hình MARINE cải tiến 74 Hình 3.1 Minh họa đồ DEM (a) [74] đồ đất (b) [13] lưu vực sông Cái Nha Trang 81 Hình 3.2 Minh họa đồ độ ẩm đất (a) [30] thảm phủ thực vật (b) [74] lưu vực sông Cái Nha Trang 82 Hình 3.3 Sơ đồ mạng lưới sông Cái Nha Trang 83 Hình 3.4 Biểu đồ lượng mưa thời đoạn trận lũ năm 2009 84 Hình 3.5 Biểu đồ lượng mưa thời đoạn trận lũ năm 2010 84 Hình 3.6 Biểu đồ lượng mưa thời đoạn trận lũ năm 2013 85 Hình 3.7 Biểu đồ lượng mưa thời đoạn trận lũ năm 2016 85 download by : skknchat@gmail.com ... sở để nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài ? ?Nghiên cứu cải tiến mơ hình MARINE để mơ dự báo dịng chảy cho lưu vực sông thiếu số liệu - Áp dụng cho khu vực Nam Trung Bộ? ?? Mơ hình MARINE cải tiến ứng dụng. .. dịng chảy qua hồ để tăng cường chất lượng mô phỏng, dự báo cho lưu vực sông thiếu số liệu Đã ứng dụng thành cơng mơ hình MARINE cải tiến để mơ phỏng, dự báo dịng chảy lũ số lưu vực sông khu vực Nam. .. mơ hình xây dựng tích hợp mơ hình MARINE cải tiến ? ?áp ứng yêu cầu phù hợp để mô phỏng, dự báo lũ cho số lưu vực thiếu số liệu khu vực Nam Trung Bộ Phương pháp nghiên cứu Để trả lời câu hỏi nghiên