Đề tài 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 có cấu trúc gồm 3 chương trình bày tổng quan mô phỏng và dự báo trên lưu vực thiếu số liệu; nghiên cứu cải tiến mô hình MARINE; ứng dụng mô hình MARINE cải tiến để mô phỏng và dự báo dòng chảy trên một số lưu vực sông ở 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 Ngành: Thủy văn học Mã số: 9440224 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ THỦY VĂN HỌC Hà Nội, 2022 Cơng trình hồn thành tại: Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn Biến đổi khí hậu Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Ngọc Anh PGS.TS Lương Tuấn Anh Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Tiền Giang Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Thanh Hùng Phản biện 3: PGS.TS Ngô Lê An Luận án bảo vệ cấp Viện: Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn Biến đổi Khí hậu Vào hồi , ngày tháng năm 2022 Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn Biến đổi Khí hậu MỞ ĐẦU Tính cấp thiết Luận án Sự hạn chế mô mơ hình thủy văn thơng số tập trung phát triển máy tính dẫn đến xu hướng sử dụng mơ hình thủy văn thơng số phân bố Tuy nhiên, với yêu cầu số lượng lớn chi tiết theo không gian số liệu đầu vào làm tăng khả thiếu số liệu gây khó khăn ứng dụng mơ hình thủy văn thơng số phân bố Mặc dù có khó khăn trên, mơ hình thủy văn thông số phân bố cần áp dụng để đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng chi tiết theo không gian mô phỏng, dự báo Mơ hình MARINE lựa chọn phù hợp ứng dụng nhiều nơi Thế giới Việt Nam, có mã nguồn mở nên thuận tiện cho việc can thiệp, cải tiến mô hình, mơ tường minh chất vật lý q trình dịng chảy sườn dốc Tuy nhiên, mơ hình cịn số nhược điểm chưa có cơng cụ tính tốn mưa phân bố, chưa hồn thiện mơ dịng chảy sơng chưa xét đến tác động cơng trình hồ chứa, đập dâng … Số liệu mưa mặt cắt ngang có vai trị quan trọng mơ hình thủy văn thơng số phân bố, có mơ hình MARINE; nhiên, thiếu số liệu khó khắc phục phổ biến nước ta, có khu vực Nam Trung Bộ Do đó, cải tiến mơ hình MARINE để khắc phục nhược điểm tăng khả ứng dụng lưu vực thiếu số liệu mưa, mặt cắt ngang cần thiết Ngoài ra, lưu vực sơng Cái Nha Trang, Dinh Ninh Hịa, Cái Phan Rang chịu tác động chiều cơng trình hồ chứa, vùng hạ lưu trung tâm kinh tế xã hội tỉnh Khánh Hòa Ninh Thuận; đó, ứng dụng MARINE cải tiến lưu vực sông không minh chứng hiệu mơ hình mà cịn đáp ứng u cầu mơ phỏng, dự báo chi tiết phục vụ phòng chống thiên tai, phát triển kinh tế xã hội 2 Mục tiêu Luận án - Cải tiến mơ hình MARINE để mơ dự báo dịng chảy xác lưu vực sông không ảnh hưởng thủy triều, thiếu số liệu mưa phân bố theo không gian mặt cắt lòng dẫn - Ứng dụng mơ hình MARINE cải tiến để mơ dự báo dịng chảy cho số lưu vực sơng thiếu số liệu khu vực Nam Trung Bộ Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: - Dịng chảy sườn dốc sơng - Cơ sở lý thuyết, thuật tốn, q trình tính tốn mơ mơ hình thủy văn thơng số phân bố MARINE - Cơ sở lý thuyết, sơ đồ giải mơ hình sóng động học chiều, diễn tốn dịng chảy qua hồ nội suy mưa khơng gian Phạm vi nghiên cứu : - Dòng chảy sườn dốc dịng chảy sơng khơng ảnh hưởng triều - Mơ hình thủy văn thơng số phân bố, mơ hình sóng động học diễn tốn dịng chảy qua hồ - Lưu vực sông thiếu số liệu khu vực Nam Trung Bộ bao gồm: Cái Nha Trang, Cái Phan Rang Dinh Ninh Hòa Luận điểm bảo vệ Luận án Luận điểm 1: Việc tích hợp mơ hình sóng động học, mơ đun diễn tốn hồ chứa cơng cụ nội suy mưa góp phần cải tiến mơ hình MARINE để tăng cường khả mô phỏng, dự báo lưu vực sông không ảnh hưởng triều Luận điểm 2: Các công cụ, mơ hình xây dựng tích hợp mơ hình MARINE cải tiến đáp ứng yêu cầu phù hợp để mô phỏng, dự báo lũ cho số lưu vực thiếu số liệu khu vực Nam Trung Bộ Đóng góp Luận án - Đã cải tiến mơ hình MARINE việc tích hợp mơ hình sóng động học cho mạng lưới sơng phức tạp; tích hợp cơng cụ nội suy mưa nghịch đảo khoảng cách kết hợp phân bố mưa theo độ cao; tích hợp mơ đun diễn tốn 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 Trung Bộ chứng minh hiệu quả, khả áp dụng cho lưu vực sông nhỏ không ảnh hưởng triều, thiếu số liệu Cấu trúc Luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận kiến nghị, nội dung Luận án gồm ba chương: Chương 1: Tổng quan mô dự báo lưu vực thiếu số liệu Chương 2: Nghiên cứu cải tiến mơ hình MARINE Chương 3: Ứng dụng mơ hình MARINE cải tiến để mơ dự báo dịng chảy số lưu vực sông khu vực Nam Trung Bộ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN MÔ PHỎNG VÀ DỰ BÁO TRÊN LƯU VỰC THIẾU SỐ LIỆU 1.1 Tổng quan ứng dụng mơ hình tốn thủy văn Sự hạn chế trước tính tốn cơng nghệ thơng tin thiếu liệu dẫn đến đơn giản hóa mơ mơ hình thủy văn thơng số tập trung; với u cầu sử dụng liệu, mơ hình sớm phát triển để phục vụ công tác dự báo thủy văn, tính tốn lĩnh vực tài ngun nước Tuy mơ hình tính tốn nhanh dễ ứng dụng, kết nối với đặc tính vật lý, bỏ qua nhiều thành phần trình dịng chảy lưu vực sơng trung bình hóa, tham số hóa nhiều yếu tố nên chất lượng mơ chưa cao Mặc dù có khả mơ chi tiết tác động phân bố không yếu tố tự nhiên lưu vực đến dòng chảy, mơ hình thủy văn thơng số phân bố yêu cầu lượng lớn chi tiết theo không gian liệu đầu vào Trong điều kiện không đáp ứng số liệu cho mơ hình thủy văn thơng số phân bố dẫn đến thiếu số liệu Tiềm ẩn khả thiếu số liệu với trạng thiếu số liệu phổ biến rào cản lớn việc ứng dụng mơ hình thủy văn thông số phân bố Để đáp ứng yêu cầu mơ dự báo chi tiết, mơ hình thủy văn thông số phân bố cần sử dụng cho dù có khó khăn thiếu số liệu Vấn đề đặt cần nghiên cứu lựa chọn mơ hình phù hợp để có khả ứng dụng, cải tiến nhằm tăng chất lượng mô dự báo điều kiện thiếu số liệu 1.2 Tổng quan mơ hình MARINE Mơ hình MARINE nhóm HydroEco Viện Cơ học chất lỏng Toulouse (IMFT) phát triển kể từ luận án Estupina Mơ hình ban đầu xây dựng để cảnh báo lũ quét cho lưu vực sơng nhỏ, mơ động lực nhanh tính tốn q trình chủ yếu (đã biết, chi phối có ảnh hưởng) q trình hình thành lũ Giả thiết mơ hình tính đến xâm nhập vào vùng khơng bão hịa, q trình ngăn chặn nước khơng đáng kể nguồn gốc lũ MARINE ứng dụng tính tốn lũ thời gian thực từ dự án PACTES, mô trận lũ quét xảy năm 1999 vùng phía nam nước Pháp, ước lượng mưa từ radar để cảnh báo lũ qt năm 2002 Ngồi ra, mơ hình cịn sử dụng để cảnh báo lũ qt, dự báo lũ Oman, Tây Ban Nha, nước khu vực Địa Trung Hải Mơ hình MARINE ứng dụng Việt Nam từ 2001 khuôn khổ dự án FLOCODS để dự báo lũ lưu vực sông Hồng, năm 2006 nghiên cứu dự báo lưu lượng hồ Hịa Bình, dự báo lũ sơng Hương Mặc dù mơ hình MARINE ứng dụng nhiều nơi Thế giới nước ta; nhiên, mơ hình chưa hồn thiện mơ dịng chảy sơng Do đó, nghiên cứu trước sử dụng mơ hình khác Muskingum, Muskingum - Cunge, IMECH-1D, HEC - RAS, MAGE-1D; nhiên việc sử dụng mơ hình cịn hạn chế ứng dụng giới hạn mô thiếu số liệu mặt cắt Ngoài ra, nghiên cứu trước cịn hạn chế tính tốn lượng mưa phân bố không gian mô tác động hồ chứa đến dịng chảy sơng Để khắc phục hạn chế này, Luận án xây dựng công cụ nội suy mưa khơng gian, mơ hình sóng động học chiều mơ đun diễn tốn dịng chảy qua hồ Các mơ hình, mơ đun, cơng cụ tích hợp với mơ hình MARINE để tăng khả ứng dụng lưu vực thiếu số liệu mưa phân bố, mặt cắt ngang sông khả mô lưu vực có tác động hồ chứa 1.3 Tổng quan phương pháp sử dụng để cải tiến mơ hình MARINE 1.3.1 Tổng quan mơ hình sóng động học chiều Mơ hình sóng động học Lighthill Whitham (1955) đề xuất nhiều nghiên cứu sau phát triển, ứng dụng để mơ dịng chảy kênh, sông suối như: Weinmann and Laurenson, Henderson, Brakensiek, Cunge, Woolhiser, Dawdy Mơ hình sóng động học chiều sông sau nhiều tác giả phát triển ứng dụng với nhiều mục đích khác nhau, điển nghiên cứu của: Jacovvis, Aminul Islam, Tayfur, Huang, Nwaogazie, Ben Vzi, Morel Seytoux, Yang, Alam Bhuiyan 1.3.2 Tổng quan diễn tốn dịng chảy qua hồ Các phương pháp cổ điển sử dụng để diễn toán dòng chảy qua hồ như: thử dần, Potapop, đồ thị, lập bảng Cùng với phát triển nhanh chóng máy tính lập trình, thuật giải đồ thị thay phương pháp lập bảng hàm số q trình tính tốn tự động hóa Để mơ phức tạp tác động hệ thống hồ chứa vận hành hồ chứa cho nhiều mục đích khác đặt u cầu phát triển mơ hình diễn tốn dịng chảy qua hồ; điển hình mơ hình: HEC - ResSim, Mike Hydro Basin, HYSSR, HydroSim, HEC - PRM 1.3.3 Tổng quan khắc phục thiếu số liệu mưa phân bố không gian Phương pháp nội suy mưa theo khơng gian dễ thực hiện, chi phí khơng đáng kể so với phương pháp định lượng mưa viễn thám tái phân tích số liệu mưa Do đó, phương pháp nội suy mưa không gian thường sử dụng để chi tiết mưa đầu vào cho mơ hình thủy văn thơng số phân bố Hiện chưa có phương pháp nội suy mưa tốt nhất, cần lựa chọn phương pháp phù hợp với yếu tố mưa mô hình MARINE; ngồi ra, tác động địa hình làm thay đổi đáng kể phân bố mưa không gian Với số ưu thuật tốn, khả tích hợp, Luận án lựa chọn phương pháp trọng số nghịch đảo khoảng cách (IDW) kết hợp với hồi quy phi tuyến mưa theo độ cao 1.4 Những vấn đề nghiên cứu Luận án Luận án lựa chọn đặt mục tiêu cải tiến mơ hình MARINE khía cạnh sau: - Cải tiến mơ dịng chảy sơng mơ hình MARINE phương pháp tích hợp mơ hình sóng động học chiều tăng khả ứng dụng lưu vực thiếu số liệu mặt cắt ngang - Cải tiến khả mơ tác động hồ chứa mơ hình MARINE phương pháp tích hợp mơ đun diễn tốn dịng chảy qua hồ để ứng dụng cho lưu vực có hồ chứa - Cải tiến tính tốn mưa phân bố khơng gian mơ hình MARINE phương pháp tích hợp cơng cụ nội suy mưa tăng khả khắc phục thiếu số liệu mưa cho lưu vực có mạng lưới quan trắc mưa thưa thớt - Các mơ hình, mơ đun, cơng cụ kiểm tra trước sau tích hợp với mơ hình MARINE, đánh giá hiệu q trình cải tiến việc mơ dịng chảy lũ lưu vực sông Cái Nha Trang, Dinh Ninh Hịa Cái Phan Rang Hình 1.4 Sơ đồ nghiên cứu Luận án CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN MƠ HÌNH MARINE 2.1 Cơ sở lý thuyết mơ hình MARINE Mơ hình MARINE mơ q trình tập trung dịng chảy sườn dốc hệ phương trình Saint - Venant, đó, phương trình động lượng sóng động học rút gọn thành phương trình xấp xỉ sóng động học Áp dụng sơ đồ sai phân Euler theo khơng gian thời gian để tính chiều cao lớp nước ô vuông (pixel) thời điểm Mỗi pixcel có khả trao đổi nước qua lưới xung quanh, hướng dịng chảy hướng có độ dốc lớn nhất; lưới liên kết lại với để tính tốn trao đổi nước tập trung dịng chảy sườn dốc đến sơng Mơ hình MARINE tính thấm phương trình Green Ampt (1911) dựa phương trình Darcy (1856) liên hệ tốc độ dịng chảy với gradient thủy lực thơng qua độ dẫn thủy lực Sơ đồ tính thấm Green Ampt dựa sở tích hợp mặt trước thấm ướt theo phương ngang hướng dốc, ngăn cách đất không bão hòa với đất bão hòa Đối với trận mưa định, tính tốn tổn thất q trình thấm lưới vng tích hợp với dịng chảy sườn dốc biến đổi theo thời gian 2.2 Cải tiến mơ hình MARINE mơ hình sóng động học chiều Mơ hình sóng động học chiều xây dựng từ hệ phương trình Saint - Venant đơn giản hóa phương trình động lượng sai phân sơ đồ ẩn; mơ hình sóng động học chiều phi tuyến giải phương pháp lặp Newton Ngơn ngữ lập trình Fortran 70 sử dụng để xây dựng mơ hình kiểm tra với tốn mẫu giáo trình Thủy văn ứng dụng Vente Chow Ứng dụng mô thử nghiệm đoạn sông đơn giản từ hồ thủy điện Đa Mi đến trạm thủy văn Võ Xu thuộc sông La Ngà với chất lượng mô tiêu NSE từ 0,82 đến 0,87 Mơ hình sóng động học chiều phi tuyến sau kiểm tra thử nghiệm đạt chất lượng tin cậy phát triển 11 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MƠ HÌNH MARINE CẢI TIẾN ĐỂ MƠ PHỎNG VÀ DỰ BÁO DỊNG CHẢY TRÊN MỘT SỐ LƯU VỰC SƠNG Ở KHU VỰC NAM TRUNG BỘ 3.1 Cơ sở liệu đầu vào Bản đồ mơ hình số độ cao (DEM) độ phân giải 90×90m, thảm phủ thực vật độ phân giải 230 × 230m đồ phân loại đất, cao trình mực nước ngầm tỷ lệ 1/25.000 sử dụng làm đầu vào cho mơ hình MARINE cải tiến Sử dụng đồ tỷ lệ 1/10.000 Google Earth để tính tốn chiều rộng, hệ số nhám cho mạng lưới sơng Số liệu khí tượng thủy văn thu thập trạm: Đồng Trăng, Ninh Hòa, Tân Mỹ, Nha Trang, Phan Rang; trạm đo mưa thủ công tự động lưu vực sông Cái Nha Trang, Dinh Ninh Hòa Cái Phan Rang Đặc biệt, số liệu trận mưa lớn năm 2010 nhiều vị trí để hiệu chỉnh, kiểm định chứng minh hiệu mơ hình MARINE cải tiến 3.2 Ứng dụng mơ dịng chảy lũ số lưu vực sông khu vực Nam Trung Bộ 3.2.1 Ứng dụng thử nghiệm lưu vực sông Cái Nha Trang a) Hiệu chỉnh kiểm định thông số Bộ thông số mơ hình MARINE cải tiến hiệu chỉnh với trận lũ năm 2010 (11h/30/10 đến 23h/7/11) kiểm định với trận lũ năm 2009 (01h/02/11 - 19h/5/11), năm 2013 (13h/5/11 - 23h/10/11) năm 2016 (19h/01/11 - 23h/6/11) Đánh giá chất lượng hiệu chỉnh thơng số mơ hình MARINE cải tiến vị trí Diên Xuân tiêu NSE 0,80, sai số tổng lượng : 20,0%, sai số đỉnh lũ : 25 m3/s (2,7%); vị trí Thác Ngựa, tiêu NSE 0,87, sai số tổng lượng : 17,9%, sai số đỉnh lũ : 121 m3/s (10,8%); trạm thủy văn Đồng Trăng, tiêu NSE 0,92, sai số tổng lượng : 10,6%, sai số đỉnh lũ : 441 m3/s (23,3%) Đánh giá chất lượng kiểm định thông số với trận lũ năm 2009 tiêu 12 NSE 0,91, sai số tổng lượng : 1,5%, sai số đỉnh lũ : 114 m3/s (4,5%); tương tự với trận lũ năm 2013, tiêu NSE 0,89, sai số tổng lượng : 23,0%, sai số đỉnh lũ : 188 m3/s (16,7%); với trận lũ năm 2016, tiêu NSE 0,88, sai số tổng lượng : 1,0%, sai số đỉnh lũ : 224 m3/s (18,3%) 2000 Q (m3/s) 1500 1000 500 Thời gian Thực đo Tính tốn Hình 3.10 Biểu đồ lưu lượng thực đo tính tốn trạm Đồng Trăng năm 2010 3500 Q (m3/s) 3000 2500 2000 1500 1000 Thời gian 500 Thực đo Tính tốn Hình 3.11 Biểu đồ q trình lưu lượng thực đo tính tốn trận lũ năm 2009 trạm thủy văn Đồng Trăng 13 b) Hiệu tích hợp cơng cụ nội suy mưa So sánh chất lượng mô trận lũ năm 2009 trạm thủy văn Đồng Trăng trường hợp sử dụng mơ hình MARINE gốc tích hợp cơng cụ nội suy mưa không gian MARINE cải tiến, kết cho thấy tiêu NSE tương ứng 0,82 0,91, sai số tổng lượng 17,1% 1,1%, sai số đỉnh lũ 759 m3/s (24,3%) 171 m3/s (5,5%) So sánh tương tự với trận lũ năm 2013 trạm Đồng Trăng tiêu NSE tương ứng 0,80 0,89, sai số tổng lượng 40,8% 23,0%, sai số đỉnh lũ 332 m3/s (29,4%) 188 m3/s (16,7%); với trận lũ năm 2016, tiêu NSE tương ứng 0,83 0,88, sai số tổng lượng 1,5% 1,0%, sai số đỉnh lũ 336 m3/s (24,3%) 224 m3/s (18,3%) 4000 3500 Q (m3/s) 3000 2500 2000 1500 1000 500 Thời gian Thực đo MARINE cải tiến MARINE gốc Hình 3.15 So sánh lưu lượng thực đo tính tốn mơ hình MARINE gốc với MARINE cải tiến trạm Đồng Trăng trận lũ năm 2009 c) Hiệu mô hình sóng động học chiều Hiệu mơ hình sóng động học chiều thể qua so sánh trường hợp mơ mơ hình MARINE gốc cải tiến trạm thủy văn Đồng Trăng; trận lũ năm 2009, tiêu 14 NSE tương ứng 0,74 0,93, sai số tổng lượng 24,5% 1,5%, sai số đỉnh lũ 1074 m3/s (34,3%) 14 m3/s (1,0%) So sánh tương tự với trận lũ năm 2013 trạm Đồng Trăng tương ứng tiêu NSE 0,73 0,82, sai số tổng lượng 23,1% 14,4%, sai số đỉnh lũ 276 m3/s (24,4%) 188 m3/s (16,6%); trận lũ năm 2016 tương ứng tiêu NSE 0,78 0,82, sai số tổng lượng 5,5% 1,0%, sai số đỉnh lũ 385 m3/s (31,6%) 224 m3/s (18,4%) 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 Q (m3/s) Thời gian Thực đo MARINE cải tiến MARINE gốc Hình 3.18 So sánh lưu lượng thực đo tính tốn mơ hình MARINE gốc với MARINE cải tiến trạm Đồng Trăng trận lũ năm 2009 d) Hiệu mơ đun diễn tốn dịng chảy qua hồ Trên lưu vực sông Cái Nha Trang thu thập số liệu đồng năm 2010 hồ Suối Dầu điểm đo Suối Cát gần chân đập Đánh giá chất lượng mô tiêu NSE trường hợp sử dụng mơ hình MARINE gốc MARINE cải tiến có tích hợp mơ đun hồ chứa tương ứng 0,23 0,93, sai số tổng lượng 20,0% 3,5%, sai số đỉnh lũ 94,5 m3/s (35,3%) 20,3 m3/s (5,9%) 15 400 350 Q (m3/s) 300 250 200 150 100 Thời gian 50 Thực đo MARINE cải tiến MARINE gốc Hình 3.21 So sánh lưu lượng thực đo tính tốn mơ hình MARINE gốc với MARINE cải tiến trạm Suối Cát năm 2010 3.2.2 Ứng dụng thử nghiệm lưu vực sơng Dinh Ninh Hịa a) Hiệu chỉnh kiểm định thông số Số liệu trận lũ lớn quan trắc đồng từ 1h ngày 30 tháng 10 đến 7h ngày 13 tháng 11 năm 2010 sử dụng hiệu chỉnh thông số mô hình MARINE cải tiến, thơng số kiểm định với trận lũ vụ từ 1h ngày 15 đến 19h ngày 19 tháng 12 năm 2016 trận lũ tiểu mãn từ 0h ngày 25 đến 23h ngày 31 tháng năm 2017 Chất lượng hiệu chỉnh thông số mơ hình MARINE cải tiến vị trí Dục Mỹ tiêu NSE 0,90, sai số tổng lượng 3,6%, sai số đỉnh lũ 207 m3/s (20,7%); vị trí Ninh Thượng, tiêu NSE 0,83, sai số tổng lượng 8,7%, sai số đỉnh lũ 10,6 m3/s (9,1%) trạm thủy văn Ninh Hòa, tiêu NSE 0,91, sai số tổng lượng 11,9%, sai số đỉnh lũ 254 m3/s (15,5%) Chất lượng kiểm định thông số trạm thủy văn Ninh Hòa cho trận lũ năm 2016 tiêu NSE đạt 0,92, sai số tổng lượng : 5,9%, sai số đỉnh lũ : 43,8 m3/s 16 (6,6%); đánh giá tương tự cho trận lũ năm 2017 tiêu NSE 0,90, sai số tổng lượng 10,0%, sai số đỉnh lũ 60,7 m3/s (11,1%) b) Hiệu tích hợp cơng cụ nội suy mưa Hiệu công cụ nội suy mưa đánh giá gián tiếp qua chất lượng mơ mơ hình với thông số số liệu trận lũ năm 2016 2017 So sánh chất lượng mô mơ hình MARINE gốc MARINE cải tiến trận lũ năm 2016 trạm thủy văn Ninh Hòa, kết cho thấy tiêu NSE tương ứng 0,89 0,92, sai số tổng lượng 17,0% 5,9%, sai số đỉnh lũ 108 m3/s (16,3%) 43,8m3/s (6,6%); tương tự với trận lũ năm 2017 hai trường hợp tương ứng tiêu NSE lần lượt 0,60 0,90, sai số tổng lượng 20,0% 10,0%, sai số đỉnh lũ 128 m3/s (22,7%) 60,7m3/s (11,1%) c) Hiệu mơ hình sóng động học chiều Hiệu mơ hình sóng động học đánh giá hiệu thơng qua so sánh chất lượng mô trận lũ kiểm định năm 2016 2017 ứng với trường hợp mơ mơ hình MARINE gốc cải tiến So sánh chất lượng mô trận lũ năm 2016 trạm thủy văn Ninh Hòa tương ứng tiêu NSE 0,89 0,93, sai số tổng lượng : 5,86% 5,92%, sai số đỉnh lũ : 92,5 m3/s (14,0%) 43,8 m3/s (6,6%) Tương tự với trận lũ năm 2017, so sánh tương ứng tiêu NSE 0,88 0,90, sai số tổng lượng : 12,9% 10,0%, sai số đỉnh lũ : 79,6 m3/s (14,5%) 60,7 m3/s (11,1%) d) Hiệu mơ đun diễn tốn dịng chảy qua hồ Sử dụng số liệu trận lũ lớn quan trắc đồng năm 2010 điểm đo Đá Bàn, có vị trí gần chân đập Đá Bàn để đánh giá hiệu mô đun lưu vực sơng Dinh Ninh Hịa So sánh kết mơ mơ hình MARINE gốc MARINE cải tiến tích hợp mơ đun 17 diễn toán hồ chứa tiêu NSE tương ứng 0,33 0,92, sai số tổng lượng 38,1% 4,7%, sai số đỉnh lũ 80,6 m3/s (59,7%) 21,0 m3/s (15,6%) 3.2.3 Ứng dụng thử nghiệm lưu vực sông Cái Phan Rang a) Hiệu chỉnh kiểm định thông số Sử dụng số liệu mưa từ 1h ngày đến 19h ngày tháng 11 năm 2016 để hiệu chỉnh thơng số mơ hình từ 1h ngày 27 đến 21h ngày 31 tháng 12 năm 2018 để kiểm định Đánh giá chất lượng hiệu chỉnh thơng số mơ hình MARINE cải tiến trạm thủy văn Phước Hà tiêu NSE đạt 0,90, sai số tổng lượng : 16,5%, sai số đỉnh lũ : 18,3 m3/s (18,8%); tương tự trạm thủy văn Tân Mỹ, tiêu NSE đạt 0,91, sai số tổng lượng : 3,0%, sai số đỉnh lũ: 22 m3/s (1,6%) Đánh giá chất lượng kiểm định trạm thủy văn Tân Mỹ tiêu NSE đạt 0,87, sai số tổng lượng : 4,8%, sai số đỉnh lũ : 158 m3/s (21,7%) b) Hiệu tích hợp cơng cụ nội suy mưa Hiệu công cụ nội suy mưa đánh giá gián tiếp qua chất lượng mô trạm thủy văn Tân Mỹ với thông số số liệu So sánh chất lượng mô trận lũ năm 2018 trạm thủy văn Tân Mỹ tương ứng hai trường hợp tiêu NSE 0,75 0,87, sai số tổng lượng : 6,7% 4,8%, sai số đỉnh lũ : 221 m3/s (30,4%) 158 m3/s (21,7%) c) Hiệu mơ hình sóng động học chiều Hiệu mơ hình sóng động học chiều đánh giá định lượng thông qua so sánh tiêu mơ mơ hình MARINE gốc cải tiến trạm Tân Mỹ trận lũ năm 2018 Cụ thể, tiêu NSE tương ứng 0,65 0,87, sai số tổng lượng 8,7% 4,8%, sai số đỉnh lũ 284 m3/s (39,1%) 158 m3/s (21,7%) d) Hiệu mơ đun diễn tốn dịng chảy qua hồ 18 Sử dụng số liệu trận lũ kiểm định năm 2018 trạm thủy văn Phước Hà, có vị trí gần chân đập hồ thủy lợi Tân Giang để đánh giá hiệu mơ đun diễn tốn dịng chảy qua hồ lưu vực sông Cái Phan Rang Đánh giá chất lượng mô trường hợp sử dụng mơ hình MARINE gốc MARINE cải tiến tích hợp cơng cụ diễn tốn dịng chảy qua hồ tiêu NSE tương ứng 0,27 0,93, sai số tổng lượng 8,2% 6,2%, sai số đỉnh lũ 17,7 m3/s (43,8%) 2,4 m3/s (6,0%) 3.2.4 Đánh giá chung hiệu khả ứng dụng mơ hình MARINE cải tiến Mơ hình MARINE cải tiến có khả ứng dụng cho lưu vực sơng bước đầu có hiệu số sông khu vực Nam Trung Bộ, chất lượng mô đánh giá hiệu ổn định nên mơ hình có sở để cải thiện chất lượng mô dự báo cho lưu vực sơng khác ngồi khu vực Nam Trung Bộ Tích hợp mơ hình, cơng cụ, mơ đun mơ hình MARINE cải tiến khơng cải thiện chất lượng mơ mà cịn thuận tiện ứng dụng, quản lý, vận hành có khả khắc phục thiếu số liệu mưa, sử dụng có hiệu lưu vực thiếu số liệu mặt cắt ngang Bảng 3.1 Tổng hợp đánh giá hiệu mơ hình MARINE cải tiến Trạm Trận lũ Năm 2009 Đồng Trăng Năm 2013 Năm 2016 Suối Cát Năm 2010 Chỉ tiêu NSE Sai số tổng lượng (%) Sai số đỉnh lũ (%) NSE Sai số tổng lượng (%) Sai số đỉnh lũ (%) NSE Sai số tổng lượng (%) Sai số đỉnh lũ (%) NSE Sai số tổng lượng (%) Sai số đỉnh lũ (%) Nội suy mưa Sóng động học có khơng 0,91 0,82 1,1 17,1 5,5 24,3 0,89 0,80 23,0 40,8 16,7 29,4 0,88 0,83 1,0 1,5 18,3 24,3 có 0,93 1,5 1,0 0,82 14,4 16,6 0,82 1,0 18,4 không 0,74 24,5 34,3 0,73 23,1 24,4 0,78 5,5 31,6 Diễn tốn hồ chứa có khơng 0,93 3,5% 5,9% 0,23 20,0% 35,3% 19 Ninh Hòa Năm 2016 Năm 2017 Đá Bàn Năm 2010 Tân Mỹ Năm 2018 NSE Sai số tổng lượng (%) Sai số đỉnh lũ (%) NSE Sai số tổng lượng (%) Sai số đỉnh lũ (%) NSE Sai số tổng lượng (%) Sai số đỉnh lũ (%) NSE Sai số tổng lượng (%) Sai số đỉnh lũ (%) 0,92 5,9 6,6 0,90 10,0 11,1 0,87 4,8 21,7 0,89 17,0 16,3 0,60 20,0 22,7 0,75 6,7 30,4 0,93 5,92 6,6 0,90 10,0 11,1 0,87 4,8 21,7 0,89 5,86 14,0 0,88 12,9 14,5 0,65 8,7 39,1 0,92 4,7 15,6 0,93 6,2 6,0 0,33 38,1 59,7 0,27 8,2 43,8 3.3 Ứng dụng dự báo thử nghiệm dòng chảy lũ lưu vực sơng Cái Nha Trang 3.3.1 Tính tốn lượng mưa dự báo cho mơ hình MARINE cải tiến Lượng mưa dự báo khai thác từ mô hình số trị WRF trang bị Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Nam Trung Bộ theo dự án ODA Italia giai đoạn 2, độ phân giải mô hình km Sản phẩm mơ hình trích xuất cho trạm đo mưa tự động lưu vực sông Cái Nha Trang khu vực lân cận Thời gian dự báo thử nghiệm từ ngày tháng đến ngày tháng 12 năm 2020, dự báo định lượng mưa từ sản phẩm mơ hình số trị cho trạm đo mưa tự động Lượng mưa thực đo dự báo trạm đo mưa tự động kết hợp thành chuỗi liên tục để làm đầu vào cho mơ hình MARINE Lượng mưa trạm xử lý mưa phân bố theo không gian phương pháp IDW kết hợp với xử lý mưa theo độ cao 3.3.2 Ứng dụng dự báo thử nghiệm mùa lũ năm 2020 Sử dụng mô hình MARINE cải tiến thiết lập để dự báo thử nghiệm lưu vực sông Cái Nha Trang mùa lũ năm 2020, dự báo cho 01 trận lũ vừa vào đầu tháng 11 01 trận lũ lớn từ cuối tháng 11 đến cuối tháng 12 Số liệu đầu vào gồm địa hình, thảm phủ thực vật, thổ nhưỡng, độ ẩm mực nước ngầm tính tốn 20 phần mơ phỏng, số liệu mưa đầu vào gồm lượng mưa khứ tính đến thời điểm dự báo lượng mưa dự báo Đánh giá chất lượng dự báo với sai số cho phép thời gian dự kiến 24 140 m3/s kết sau: - Tại trạm thủy văn Đồng Trăng dự báo 2125 trị số tổng số 2323 trị số dự báo, đạt chất lượng 91,5% - Tại trạm thủy văn Diên Phú dự báo 2075 trị số tổng số 2312 trị số dự báo, đạt chất lượng 89,7% Chất lượng dự báo hai trạm vượt tiêu chất lượng dự báo thủy văn thời hạn ngắn theo quy Tổng cục Khí tượng Thủy văn từ 4,7% đến 6,5% Đánh giá chất lượng dự báo với thời gian dự kiến 48h sử dụng sai số cho phép 24 (tại trạm thủy văn Đồng Trăng 140 m3/s Diên Phú 10%) kết sau: - Tại trạm thủy văn Đồng Trăng dự báo 1700 trị số tổng số 2323 trị số dự báo, đạt chất lượng 73,2% - Tại trạm thủy văn Diên Phú dự báo 1660 trị số tổng số 2312 trị số dự báo, đạt chất lượng 71,8% Với thời gian dự kiến 48 sai số cho phép 24 giờ, chất lượng dự báo hai trạm thấp tiêu chất lượng dự báo thủy văn thời hạn ngắn theo quy định Tổng cục Khí tượng Thủy văn từ 11,8% đến 13,2% Đánh giá chất lượng dự báo với sai số cho phép 48 (tại trạm thủy văn Đồng Trăng 280 m3/s Diên Phú 20%) kết sau: - Tại trạm thủy văn Đồng Trăng dự báo 2019 trị số tổng số 2323 trị số dự báo, đạt chất lượng 86,9% 21 - Tại trạm thủy văn Diên Phú dự báo 1972 trị số tổng số 2312 trị số dự báo, đạt chất lượng 85,3% 1800 1600 Q (m3/s) 1400 1200 1000 800 600 400 200 Thời gian Thực đo Dự báo Hình 3.53 Biểu đồ trình lưu lượng thực đo dự báo thời gian dự kiến 24 trạm thủy văn Đồng Trăng từ tháng đến tháng 12 năm 2020 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 Q (m3/s) Thời gian Thực đo Dự báo Hình 3.55 Biểu đồ trình lưu lượng thực đo dự báo thời gian dự kiến 24 trạm thủy văn Diên Phú từ tháng đến tháng 12 năm 2020 22 Với thời gian dự kiến 48 sai số cho phép 48 giờ, chất lượng dự báo hai trạm vượt tiêu chất lượng dự báo thủy văn thời hạn ngắn theo quy định Tổng cục Khí tượng Thủy văn từ 0,3% đến 1,9% Mơ hình MARINE cải tiến sử dụng dự báo với thời gian dự kiến 48 lưu vực sông Cái Nha Trang sử dụng sai số cho phép 48 lưu vực sông lớn 3.3.3 Đánh giá khả ứng dụng mơ hình MARINE cải tiến dự báo cho lưu vực sơng Ngồi khả ứng dụng cho ba lưu vực sông thiết lập, mơ hình MARINE cải tiến có khả ứng dụng tương tự cho lưu vực sông lại khu vực Nam Trung Bộ khu vực khác Giới hạn ứng dụng mơ hình sử dụng dự báo lũ, đến vùng sông không ảnh hưởng triều hồ chứa không điều tiết cắt lũ, chậm lũ cho hạ du Với số liệu đầu vào dễ dàng khai thác, mơ hình MARINE có điều kiện thuận lợi để thiết lập để dự báo lưu vực sơng khác Trong đó, đồ DEM, lớp phủ thực vật, loại đất, mực nước ngầm, độ ẩm đất, độ rộng sơng, hệ số nhám lịng sơng khai thác từ ảnh vệ tinh, đồ chuyên đề, nội suy không gian từ điểm/trạm; số liệu độ dốc sơng tính từ đồ DEM số liệu hồ chứa thu thập từ hồ sơ thiết kế cơng trình; lượng mưa vị trí trạm khí tượng, thủy văn, đo mưa thủ công, đo mưa tự động nhiều hệ thống đồng tích hợp Khó khăn lớn dự báo mưa định lượng, nhiên khó khăn chung bước cải thiện Số liệu mưa dự báo kết nối với mơ hình dự báo khí tượng số trị hiệu chỉnh thơng qua phương trình hồi quy dự báo thực đo trạm Như vậy, mơ hinh MARINE cải tiến hồn tồn ứng dụng nghiệp vụ dự báo cho lưu vực sông khác, tương tự thực lưu vực sông Cái Nha Trang 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Đã cải tiến thành cơng mơ hình MARINE phương pháp tích hợp trực tiếp mơ hình sóng động học chiều, mơ đun diễn tốn dịng chảy qua hồ cơng cụ nội suy mưa khơng gian Mơ hình MARINE cải tiến mơ dịng chảy lũ có hiệu lưu vực sơng Cái Nha Trang, Dinh Ninh Hịa, Cái Phan Rang bước đầu cải thiện chất lượng dự báo nghiệp vụ lưu vực sông Cái Nha Trang Mơ hình sóng động học chiều sử dụng có hiệu số lưu vực sơng thiếu số liệu mặt cắt ngang khu vực Nam Trung Bộ tăng chất lượng mơ mơ hình MARINE cải tiến so với mơ hình MARINE gốc; thể qua tiêu NSE tăng từ 0,65 đến 0,89 lên từ 0,82 đến 0,93, giảm sai số tổng lượng từ 5,5% đến 24,5% giảm xuống từ 1,0% đến 14,4%, giảm sai số đỉnh lũ từ 14,0% đến 39,1% xuống từ 1,0% đến 21,7% Mơ đun diễn tốn dòng chảy qua hồ cải thiện đáng kể chất lượng mơ số lưu vực sơng có ảnh hưởng hồ chứa khu vực Nam Trung Bộ; thể qua tiêu NSE tăng từ 0,23 lên 0,93, sai số tổng lượng giảm từ 8,2% đến 38,1% xuống từ 3,5% đến 6,2%, sai số đỉnh lũ giảm từ 35,3% đến 59,7% xuống từ 5,9% đến 15,6% Công cụ nội suy mưa giải pháp có hiệu để khắc phục thiếu số liệu mưa không gian số lưu vực sông khu vực Nam Trung Bộ tăng chất lượng mô so với phương pháp phân bố mưa truyền thống; thể qua tiêu NSE từ 0,60 đến 0,89 tăng lên từ 0,87 đến 0,92, sai số tổng lượng giảm từ 1,5% đến 40,8% xuống từ 1,0% đến 23,0%, sai số đỉnh lũ giảm từ 16,3% đến 30,4% xuống từ 5,5% - 21,7% Đánh giá chất lượng mô dịng chảy lũ mơ hình MARINE cải tiến số lưu vực sông khu vực Nam Trung Bộ cho thấy mơ hình có khả mô tốt, với NSE đạt từ 0,83 - 0,91, sai số tổng lượng từ 1% - 23% sai số đỉnh lũ từ 1,6% - 23,3% Ứng dụng mơ hình MARINE cải tiến để dự báo lưu vực sông Cái Nha Trang mùa lũ năm 2020 cho mức đảm bảo với thời 24 gian dự kiến 24h từ 89,7% đến 91,5% cao yêu cầu chất lượng dự báo từ 4,7 % đến 6,5% Đánh giá chất lượng dự báo mơ hình MARINE cải tiến với thời gian dự kiến 48h mùa lũ năm 2020 lưu vực sông Cái Nha Trang sai số cho phép thời gian dự kiến 24h từ 71,8% đến 73,2%, kết thấp yêu cầu chất lượng từ 11,8 đến 13,2%; sử dụng sai số cho phép thời gian dự kiến 48h kết đạt chất lượng từ 85,3% đến 86,9%, cao yêu cầu từ 0,3% đến 1,9% Mô hình sóng động học chiều, mơ đun diễn tốn dịng chảy qua hồ chứa, cơng cụ nội suy mưa xây dựng dạng chương trình con, mã nguồn mở, chia sẻ rộng rãi nên thuận tiện để cải tiến phát triển nghiên cứu Kiến nghị Mơ hình MARINE cải tiến có khả áp dụng cho nhiều loại lưu vực sơng, nhiên mơ hình áp dụng cho số sông khu vực Nam Trung Bộ; đó, mơ hình MARINE cải tiến cần ứng dụng cho lưu vực sông khác, khu vực khác để đánh giá thêm tiềm mơ hình Mơ hình MARINE cải tiến thử nghiệm dự báo nghiệp vụ lưu vực sơng Cái Nha Trang mùa lũ 2020, có hiệu ban đầu với thời gian dự kiến 24h 48h; đó, cần ứng dụng lưu vực sông khác, mùa lũ năm để xác định mức độ ổn định mơ hình cơng tác dự báo nghiệp vụ có thêm sở đề xuất tăng thời gian dự kiến 48h lưu vực sông vừa nhỏ lưu vực sơng lớn Mơ hình MARINE cải tiến có giới hạn mô đến đoạn sông không ảnh hưởng triều hồ tràn tự do; đó, cân nhắc tiếp tục tích hợp mơ hình sóng động lực để tăng giới hạn mô theo không gian phía hạ lưu nâng cấp mơ đun diễn tốn dịng chảy qua hồ cho hồ chứa điều tiết van điều khiển, hồ vận hành thời gian thực Nâng cao chất lượng mưa phân bố đầu vào khó khăn lớn ứng dụng mơ hình mưa dịng chảy thơng số phân bố, có mơ hình MARINE cải tiến; đó, cần đa dạng hóa sử dụng lượng mưa phân bố phương pháp định lượng mưa viễn thám (radar thời tiết, ảnh mây vệ tinh), sản phẩn mưa ô lưới mơ hình số trị (mưa dự báo, tái phân tích lượng mưa) 25 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN Bùi Văn Chanh, Trần Ngọc Anh, Lương Tuấn Anh (2016), “Mơ dịng chảy sơng sóng động học chiều phi tuyến”, Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, số 3S(2016) tr.14-19 Bùi Văn Chanh, Trần Ngọc Anh (2016), “Tích hợp mơ hình dự báo thủy văn lưu vực sơng Trà Khúc”, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, số 3S(2016) tr.20-25 Bùi Văn Chanh, Trần Ngọc Anh, Nguyễn Hồng Trường (2016), “Khôi phục liệu sông Cái Phan Rang phương pháp tích hợp mơ hình”, Tạp chí Khí tượng Thủy văn, số 668 (8/2016) tr.39-44 Bùi Văn Chanh, Trần Ngọc Anh, Lương Tuấn Anh (2017), “Phát triển mơ hình sóng động học chiều phi tuyến cho mạng lưới sông ứng dụng thử nghiệm cho lưu vực sông Dinh Ninh Hịa”, Tạp chí Khí tượng Thủy văn, số 684 (12/2017) tr.41-45 Bùi Văn Chanh, Trần Ngọc Anh (2020), “Thử nghiệm tích hợp mơ hình MARINE mơ hình Sóng động học chiều lưu vực sơng Cái Nha Trang”, Tạp chí Khoa học Biến đổi Khí hậu, số 14 (6/2020) tr.45-55 Bùi Văn Chanh, Trần Ngọc Anh, Nguyễn Quốc Huấn, Nguyễn Thị Hoan (2020), “Thử nghiệm tích hợp mơ hình Tank Sóng động học chiều để dự báo thủy văn hạn vừa lưu vực sơng Ba”, Tạp chí Khí tượng Thủy văn, số 722 (2021) tr.38-48 ... 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 dòng chảy lũ số lưu vực sông khu vực. .. Tổng quan mô dự báo lưu vực thiếu số liệu Chương 2: Nghiên cứu cải tiến mơ hình MARINE Chương 3: Ứng dụng mơ hình MARINE cải tiến để mơ dự báo dịng chảy số lưu vực sơng khu vực Nam Trung Bộ 4 CHƯƠNG... mơ hình áp dụng cho số sông khu vực Nam Trung Bộ; đó, mơ hình MARINE cải tiến cần ứng dụng cho lưu vực sông khác, khu vực khác để đánh giá thêm tiềm mơ hình Mơ hình MARINE cải tiến thử nghiệm dự