Đang tải... (xem toàn văn)
BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU BÙI VĂN CHANH NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN MÔ HÌNH MARINE ĐỂ MÔ PHỎNG VÀ DỰ BÁO DÒNG CHẢY CHO LƯU VỰC SÔNG THIẾU SỐ LIỆU ÁP DỤNG[.]
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 lịng 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, mô 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 3 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 dòng 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 dòng chảy số lưu vực sông khu vực Nam Trung Bộ 4 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 q trình dịng chảy lưu vực sơng trung bình hóa, tham số hóa nhiều yếu tố nên chất lượng mô chưa cao Mặc dù có khả mơ chi tiết tác động phân bố không yếu tố tự nhiên lưu vực đến dịng chảy, mơ hình thủy văn thơng số phân bố u 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 thơng số phân bố Để đáp ứng yêu cầu mô dự báo chi tiết, mơ hình thủy văn thơng 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 sông nhỏ, mơ động lực nhanh tính tốn q trình chủ yếu (đã biết, chi phối có ảnh hưởng) 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 quét, 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 mô hình cịn hạn chế ứng dụng giới hạn mơ thiếu số liệu mặt cắt Ngồi ra, nghiên cứu trước hạn chế tính tốn lượng mưa phân bố khơng gian mơ tác động hồ chứa đến dịng chảy sông Để khắc phục hạn chế này, Luận án xây dựng công cụ nội suy mưa không 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 mơ 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, sơng suối như: Weinmann and Laurenson, Henderson, Brakensiek, Cunge, Woolhiser, Dawdy Mơ hình sóng động học chiều sơng 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 tốn dịng 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 yêu 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 không 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 mơ 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 mô 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 trình cải tiến việc mơ dịng chảy lũ lưu vực sơng 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 không 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; ô 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 dòng chảy với gradient thủy lực thông 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 khơng bão hịa với đất bão hịa 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 Ngôn 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 ... 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... 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. .. lưu vực sông không ảnh hưởng triều Luận điểm 2: Các cơng cụ, 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