CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LƯU VỰC NGHIÊN CỨU

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN LƯU VỰC NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG VÀ PHỤC HỒI SỐ LIỆU DÒNG CHẢY CÁC LƯU VỰC THIẾU SỐ LIỆU QUAN TRẮC 9 1TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH KHÔI PHỤC DÒNG CHẢY Mô hình khôi phục dòng chả[.]

XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG VÀ PHỤC HỒI SỐ LIỆU DÒNG CHẢY CÁC LƯU VỰC THIẾU SỐ LIỆU QUAN TRẮC 9.1TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH KHƠI PHỤC DỊNG CHẢY Mơ hình khơi phục dịng chảy (mơ hình mưa - dịng chảy) mơ hình vật lý, mơ hình tương tự hay mơ hình tốn học Mơ hình vật lý bao gồm mơ hình tỷ lệ tức mơ hình biểu thị hệ thống thật dạng thu nhỏ mơ hình thủy lực đập tràn Mơ hình tương tự mơ hình vật lý khác có tính chất tương tự mơ hình ngun thể, ví dụ mơ hình tương tự điện thủy lực Trên lưu vực thiếu số liệu dịng chảy quan trắc lưu vực sơng địa bàn tỉnh Khánh Hồ, việc áp dụng mơ hình thuỷ văn khôi phục số liệu lưu lượng cần thiết Nó cung cấp điều kiện biên đầu vào cho mơ hình thuỷ lực, cân nước lưu vực Có nhiều loại mơ hình khơi phục dòng chảy khác áp dụng rộng rãi giới Việt Nam 9.1.1 Mơ hình MIKE - SHE Mơ hình mưa - dịng chảy MIKE - SHE Viện Thủy lực Đan Mạch thuộc nhóm mơ hình phân bố Nó bao gồm vài thành phần tính dòng chảy phân bố theo pha riêng q trình dịng chảy:  Dịng chảy mặt - tính phương pháp sai phân hữu hạn  Giáng thủy - số liệu đầu vào chiều  đầu vào Bốc thoát hơi, bao gồm phần bị giữ lại thực vật - Số liệu  Dòng chảy lịng dẫn - sử dụng diễn tốn chiều MIKE 11 Mơ hình cung cấp vài phương pháp Muskingum, phương trình khuếch tán phương pháp giải phương trình Saint - Venant  Dịng chảy sát mặt đới khơng bão hịa - mơ hình lớp, mơ hình trọng số mơ hình dựa vào phương trình Richard  Dịng chảy sở MIKE - SHE tích hợp mơ hình dịng chảy sở chiều chiều dựa vào phương pháp sai phân hữu hạn Đối với môđun thổ nhưỡng, liệu bao gồm đặc tính thủy văn đất (độ lỗ hổng, độ dẫn thấm thủy lực …) tạo Kết hợp với phần mềm ESRI Arcview 3.x ArcGIS 9.1 Phần kết hợp sử dụng để xử lý số liệu đầu vào: Geomodel sử dụng để lấy thông tin địa chất; DaisyGIS mô tả tất trình quan trọng gắn với hệ sinh thái nơng nghiệp Mơ hình có chế độ hiệu chỉnh tự động thông qua AUTOCAL, đưa phương án tốt theo điều kiện biên ban đầu 9.1.2 Mô hình SWAT Mơ hình SWAT mơ số trình vật lý khác lưu vực sơng Một lưu vực phân chia thành nhiều lưu vực Việc phân chia đặc biệt có lợi vùng khác lưu vực có thuộc tính khác đất, thảm phủ, … Thông tin đầu vào cho lưu vực tổ chức sau: yếu tố khí hậu; thông số đơn vị thủy văn (HRUS); hồ hay vùng chứa nước; nước ngầm; kênh sông nhánh, hệ thống tiêu nước Những đơn vị thủy văn tổng hợp thành lưu vực con, lưu vực xem đồng thảm phủ, thổ nhưỡng, chế độ sử dụng đất Mơ hình SWAT mơ tượng khí tượng thủy văn xảy lưu vực, việc tính tốn mưa rào - dòng chảy kết số tượng Để tính tốn xác chuyển động hóa chất, bùn cát hay chất dinh dưỡng, chu trình thủy văn phải mơ phù hợp với xảy lưu vực Chu trình thủy văn lưu vưc chia thành hai pha: - Pha thứ nhất: gọi pha đất chu trình thủy văn hay cịn gọi mơ hình thủy văn Pha đất tính tốn tổng lượng nước, bùn cát, chất dinh dưỡng hóa chất tới kênh lưu vực - Pha thứ hai: gọi pha nước hay pha diễn toán chu trình thủy văn hay cịn gọi mơ hình diễn tốn Pha nước tính tốn thành phần qua hệ thống mạng lưới sông suối tới mặt cắt cửa Các số liệu đầu vào mô hình u cầu số liệu đầu vào mơ hình biểu diễn hai dạng: dạng số liệu không gian số liệu thuộc tính  Số liệu khơng gian dạng đồ bao gồm:  Bản đồ độ cao số hoá DEM  Bản đồ thảm phủ  Bản đồ loại đất  Bản đồ mạng lưới sông suối, hồ chứa lưu vực  Số liệu thuộc tính bao gồm:  gió, mưa  Số liệu khí tượng bao gồm: nhiệt độ khơng khí, xạ, tốc độ Số liệu thủy văn bao gồm: dòng chảy, bùn cát, hồ chứa…  Số liệu đất bao gồm: loại đất, đặc tính loại đất theo lớp phẫu diện đất …  Số liệu loại trồng lưu vực, độ tăng trưởng  Số liệu loại phân bón lưu vực canh tác … trồng Các kết đầu mơ hình:  Đánh giá lượng chất nguồn nước  Đánh giá lượng bùn cát vận chuyển lưu vực  Đánh giá q trình canh tác đất thơng qua mơđun chu trình chất dinh dưỡng  Đánh giá cơng tác quản lý lưu vực 9.1.3 Mơ hình SAC - SMA Tính toán độ ẩm đất - Sacramento, phần thư viện cơng nghệ mơ hình hệ thống NWSRFS, phát triển từ thập kỷ 70 Viện Khí hậu Quốc gia Mỹ Mỗi lưu vực phân chia thành đới, gắn vào hệ thống bể chứa Cơ gồm có hai đới: đới cao gồm nước có áp nước tự do, đới thấp gồm dịng chảy sở nước có áp nước tự bổ sung Dịng chảy tràn hình thành vài dạng dòng chảy:  Dòng chảy trực tiếp  Dòng chảy mặt  Dòng chảy sát mặt  Dòng chảy sở ban đầu  Dòng chảy sở bổ sung Sacramento mơ hình độ ẩm đất, liệu quan trọng liệu thổ nhưỡng - độ dẫn thấm thủy lực, độ lỗ hổng … 9.1.4 Mơ hình HEC – HMS Mơ hình HEC - HMS phiên tiếp HEC-1, phát triển từ thập kỷ 60 quân đội Mỹ Thành phần mơ hình bao gồm:  Lượng mưa hiệu - tính phương pháp như: CSC, Green-Ampt SMA  Lưu lượng dòng chảy trực tiếp - sử dụng phương pháp đường đơn vị, dạng biến đổi khác (Clark, Snyder, SCS), sử dụng phương pháp sóng động học  Dịng chảy sở - người sử dụng lựa chọn phương pháp khác nhau, ví dụ phương pháp bể chứa tuyến tính, phương pháp dạng hàm mũ, phương pháp dòng chảy sở số theo tháng  Môđun diễn tốn - phương pháp Muskingum, phương pháp trễ, mơ hình sóng động học biến đổi chúng  Ngồi mơ hình cịn mơ hình hóa số cơng trình sơng hồ chứa, cơng trình phân nước Mơ hình HEC - HMS mở rộng giao diện Arcview gọi HEC GeoHMS Dựa vào kết hợp hỗ trợ cho việc đọc vài đặc tính thủy văn lưu vực sở hướng dịng chảy, độ dốc … 9.1.5 Mơ hình NAM Mơ hình NAM hỗ trợ hiệu chỉnh tự động hiệu chỉnh thông thường Cùng với 24 thông số hiệu chỉnh, phân loại theo đới riêng NAM mơ hình mưa - dịng chảy thuộc nhóm phần mềm Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI), phần mơ hình MIKE 11 Nó xem mơ hình dịng chảy tất định, tập trung cho ước lượng mưa - dòng chảy dựa theo cấu trúc bán kinh nghiệm Mơ hình NAM sử dụng để mơ mưa nhiều năm, thay đổi bước thời gian để mô trận mưa bão định Để đánh giá thay đổi thuộc tính thủy văn lưu vực, lưu vực chia thành nhiều lưu vực khép kín Q trình diễn tốn thực mơđun diễn tốn thủy động lực kênh MIKE 11 Phương pháp cho phép tham số khác NAM ứng dụng lưu vực con, xem mơ hình phân bố  Giáng thủy - Số liệu đầu vào Trong mơđun tuyết tính tốn thơng qua số nhiệt độ  đầu vào Bốc thoát hơi, bao gồm phần bị giữ lại thực vật – Số liệu  Dòng chảy mặt - biến đổi tuyến tính theo lượng ẩm tương đối đất, tính theo hệ số dịng chảy mặt  Dịng chảy sát mặt đới khơng bão hịa - tính tốn theo lượng trữ ẩm lượng ẩm tương đối, hệ số dòng chảy sát mặt ngưỡng sinh dịng chảy sát mặt Có thể sử dụng chức tự hiệu chỉnh thông qua AUTOCAL cách cung cấp số liệu lưu lượng theo bước thời gian tính tốn vào mơ hình NAM mơ hình khái niệm dựa phương trình cấu trúc vật lý với cấu trúc bán kinh nghiệm Mơ hình NAM xử lý lưu vực đơn vị riêng lẻ Do đó, tham số biến số thể giá trị trung bình cho tồn lưu vực Một vài tham số mơ hình xác định từ liệu lưu vực vật lý giá trị tham số cuối phải tiến hành cách thẩm định với chuỗi quan trắc thực đo NAM hình thành nên phần mơ đun mưa - dịng chảy (RR) hệ thống mơ hình MIKE 11 Cấu trúc NAM trình bày theo sơ đồ (Hình….) Hình … Cấu trúc mơ hình NAM LỰA CHỌN MƠ HÌNH KHƠI PHỤC DỊNG CHẢY 9.2.1 Tình hình số liệu khí tượng thủy văn Các trạm đo mưa phần lớn thành lập tiến hành quan trắc, số liệu quan trắc thu chủ yếu từ năm 1977 tới Số lượng trạm đo tương đối đầy đủ,tuy nhiên số khu vực có khí hậu khác biệt Khánh Sơn chưa có trạm đo Mạng lưới trạm thủy văn thưa, tỉnh có trạm thủy văn Đồng Trăng có số liệu lưu lượng Trên tồn tỉnh Khánh Hịa có: - trạm khí tượng hoạt động là: Ninh Hịa, Đồng Trăng, Khánh Vĩnh, Nha Trang Hịn Khói có tài liệu từ năm 1977 Các trạm quan trắc đầy đủ yếu tố khí tượng - Trạm đo lưu lượng trạm Đồng Trăng, quan trắc từ năm 1983 - Dựa yêu cầu dự án, chuyên đề tiến hành thu thập tài liệu khí tượng thủy văn cận thiết trạm địa bàn tỉnh Số lượng trạm tài liệu thu thập thống kê bảng 9.1 Bảng 9.1: Tình hình thu thập số liệu khí tượng thủy văn địa bàn tỉnh Khánh Hịa TT Tên trạm Vị trí đặt trạm Tình hình tài liệu thu Ghi thập Kinh độ Vĩ độ Loại liệu tài Thời kì quan trắc 109° 08' 12° 30' H, X 1977-nay X 1977-nay Ninh Hòa Hòn Khói Nha Trang 109° 12' 12° 13' X 1977-nay Khánh Vĩnh 108°54' 12° 17' X 1977-nay Đồng Trăng 109° 2' 12° 17' Q, X 1977-nay Số liệu lưu lượng có từ 1983nay Qua tình hình số liệu thu thập bảng 9.1 cho thấy: toàn tỉnh có trạm thủy văn Đồng Trăng đo lưu lượng dòng chảy từ 1983 tới số trạm đo mưa tương đối đủ đồng từ năm 1977 tới Bởi vậy, để đánh giá tài nguyên nước cho tiểu lưu vực sơng địa bàn tồn tỉnh Khánh Hịa, dự án lựa chọn ứng dụng mơ hình NAM để tính tốn số liệu q trình dịng chảy từ số liệu trình mưa bốc vị trí cần thiết tiểu lưu vực sơng Chuyên đề tiến hành thực hiệu chỉnh kiểm định để tim thông số tối ưu cho mơ hình 9.2.2 Lựa chọn mơ hình Mơ hình thủy văn lựa chọn cần phải đáp ứng yêu cầu: 1) Đánh giá thay đổi thủy văn lưu vực sơng Cái tính tới trạm Đồng Trăng điều kiện điều kiện biến đối khí hậu tương lai 2) Phải phù hợp với việc phân tích thay đổi phân bố dòng chảy năm 3) Phản ánh thay đổi yếu tố cực trị Với mơ hình thơng số phân bố mơ hình cân nước SWAT mơ hình hiệu toán quản lý tài nguyên nước phạm vi lưu vực, toán xác định hậu thủy văn thay đổi mưa, nhiệt độ yếu tố khí tượng khác hay tính tốn phản ứng thay đổi theo không gian yếu tố thủy văn, có độ xác tương đối cao, linh hoạt dễ sử dụng Tuy nhiên, khơng thích hợp tính tốn thay đổi đặc trưng dòng chảy cụ thể, đồng thời giới hạn lớn ứng dụng mơ hình thơng số phân bố khối lượng liệu đầu vào lớn, chất lượng liệu đầu vào đóng vai trị quan trọng có khả phải chấp nhận việc thơng số hóa khơng xác sử dụng liệu chất lượng kém, thay đổi liệu khác ngồi yếu tố khí hậu sử dụng đất điều kiện tương lai tốn khó So với mơ hình cân nước mơ hình thơng số phân bố, mơ hình thơng số tập trung có khả đánh giá chi tiết cường độ, thời gian phản ứng thủy văn biến đối khí hậu, đồng thời giảm biến động sinh liệu đầu vào Hơn hầu hết nghiên cứu biến đối khí hậu Việt Nam sử dụng mơ hình NAM làm cơng cụ đánh giá, lựa chọn làm cơng cụ thực tốn 9.3 HIỆU CHỈNH MƠ HÌNH Hiệu chỉnh mơ hình cơng việc quan trọng việc xây dựng áp dụng mơ hình tốn Các phương án để hiệu chỉnh mơ hình bao gồm phương pháp thử sai phương pháp tối ưu Phương pháp thử sai chủ yếu phương pháp dị tìm cách thay giá trị thơng số để tìm thơng số thích hợp Phương pháp địi hỏi nhiều thời gian công sức tận dụng kinh nghiệm kiến thức người hiệu chỉnh phương pháp tối ưu Việc xác định diện tích lưu vực Sơng Cái, tính đến trạm Đồng Trăng dựa vào sở liệu GIS (hình 9.1), có tham khảo […đặc trưng hình thái sơng ngịi Việt Nam] Hình9.1 Lưu vực sơng Cái Nha Trang tính đến trạm Đồng Trăng Dữ liệu đầu vào để hiệu chỉnh mô hình:  Số liệu mưa ngày đo trạm Đồng Trăng, Nha Trang, Khánh Vĩnh, Ninh Hòa từ ngày 1/I/1983 đến ngày 31/XII/1995  Số liệu bốc ngày đo trạm Nha Trang từ ngày 1/I/1983 đến ngày 31/XII/1995  Số liệu lưu lượng ngày đo trạm Đồng Trăng từ ngày 1/I/1983 đến ngày 31/XII/1995 Trọng số trạm mưa lưu vực tính theo phương pháp đa giác Thiessen Bảng : Trọng số trạm mưa tính theo phương pháp đa giác Thiessen F lưu vực Tên trạm Trọng Số 1244 km2 Đồng Trăng 0.183 Khánh Vĩnh 0.862 Nha Trang 0.000 Ninh Hòa 0.000 Kết hiệu chỉnh thu thông số sau: Umax = 15 Lmax= 224 CQOF= 0.639 CKIF= 466.3 CK1= 20.2 TG= 0.017 CK2= 28 CKBF= 1291 TOF= 0.295 TIF= 0.716 Với thông số này, đườngq trình lưu lượng trạm Đồng Trăng tính từ q trình mưa nhờ mơ hình NAM phù hợp với đường q trình dịng chảy thực đo (hình 9.2), độ hưu hiệu mơ hình theo tiêu NASH đạt 73.8% với sai số tổng lượng 5.9% Theo tiêu chuẩn WMO, mơ hình đánh giá vào loại Hình9.2 Kết hiệu chỉnh mơ hình NAM vẽ theo đường bình quân ngày cho lưu vực sơng Cái Nha Trang tính đến trạm Đồng Trăng (1983-1995) Sau tổng hợp thành số liệu lưu lượng dịng chảy bình qn tháng từ chuỗi số liệu lưu lượng bình qn ngày mơ hình xuất ra, nhận thấy đường q trình tính tốn thực đo bình lưu lượng bình quân tháng trạm Đồng Trăng tốt, với độ hữu hiệu NASH đạt 89.7% (hình 9.3) Hình 9.3 Đường q trình dịng chảy tháng thực đo tính tốn trạm Đồng Trăng thời kì hiệu chỉnh mơ hình (1983-1995) 10 9.4 KIỂM NGHIỆM MƠ HÌNH Dữ liệu đầu vào để kiểm nghiệm mơ hình:  Số liệu mưa ngày đo trạm Đồng Trăng, Nha Trang, Khánh Vĩnh, Ninh Hòa từ ngày 1/I/1996 đến ngày 31/XII/2009  Số liệu bốc ngày đo trạm Nha Trang từ ngày 1/I/1996 đến ngày 31/XII/2009  Số liệu lưu lượng ngàyđo trạm Đồng Trăng từ ngày 1/I/1996 đến ngày 31/XII/2009 Bộ thông số thu từ q trình hiệu chỉnh mơ hình sử dụng để kiểm chứng độ tin cậy tính ổn định Độ hữu hiệu mơ hình theo tiêu NASH đạt 67.9% với sai số tổng lượng 7.4% (hình 9.4), mơ hình đánh giá vào loại Hình 9.4 Kết hiệu chỉnh mơ hình NAM vẽ theo đường bình quân ngày cho lưu vực sơng Cái Nha Trang tính đến trạm Đồng Trăng (1995-2009) 11 Sau tổng hợp thành số liệu lưu lượng dịng chảy bình qn tháng từ chuỗi số liệu lưu lượng bình qn ngày mơ hình xuất ra, nhận thấy đường q trình tính tốn thực đo bình lưu lượng bình quân tháng trạm Đồng Trăng tốt, với độ hữu hiệu NASH đạt 86.2% (hình 9.5) Hình 9.5 Đường q trình dịng chảy tháng thực đo tính tốn trạm Đồng Trăng thời kì hiệu chỉnh mơ hình (1996-2009) 12 9.5 ĐÁNH GIÁ Qua q trình hiệu chỉnh kiểm định mơ hình NAM cho lưu vực sơng Cái tính đến trạm Đồng Trăng với chuỗi số liệu dòng chảy ngày dài liên tục cho thấy mơ hình NAM tỏ hữu hiệu, tương quan đường q trình dịng chảy tính toán thực đo thời đoạn tháng tốt Như hồn tồn áp dụng mơ hình NAM khơi phục dòng chảy tiểu lưu vực khác thiếu số liệu quan trắc địa bàn tỉnh 13 9.6 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Thanh Sơn, 2008 Nghiên cứu mơ q trình mưa – dịng chảy phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên nước đất số lưu vực sông thượng nguồn miền Trung Luận án tiến sỹ Địa lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội Đặc trưng hình thái sơng ngòi Việt Nam DHI Mike 11 User manual 14 TÀI LIỆU THAM KHẢO 15 ... vật lý khác lưu vực sơng Một lưu vực phân chia thành nhiều lưu vực Việc phân chia đặc biệt có lợi vùng khác lưu vực có thuộc tính khác đất, thảm phủ, … Thông tin đầu vào cho lưu vực tổ chức sau:... tính thủy văn lưu vực, lưu vực chia thành nhiều lưu vực khép kín Q trình diễn tốn thực mơđun diễn tốn thủy động lực kênh MIKE 11 Phương pháp cho phép tham số khác NAM ứng dụng lưu vực con, xem... tiêu nước Những đơn vị thủy văn tổng hợp thành lưu vực con, lưu vực xem đồng thảm phủ, thổ nhưỡng, chế độ sử dụng đất Mơ hình SWAT mơ tượng khí tượng thủy văn xảy lưu vực, việc tính tốn mưa rào -