Nghiên cứu khả năng ứng dụng mô hình thủy văn thông số phân bố tính toán dòng chảy lũ lưu vực sông Đà

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG MƠ HÌNH THỦY VĂN THƠNG SỐ PHÂN BỐ TÍNH TỐN DỊNG CHẢY LŨ LƯU VỰC SƠNG ĐÀ TS Ngơ Lê An Bộ mơn Thuỷ văn Tài nguyên nước, ĐHTL ThS Trịnh Thu Phương Trung tâm Dự báo Khí tượng thuỷ văn Trung ương Tóm tắt: Sông Đà phụ lưu lớn quan trọng hệ thống sơng Hồng Trên dịng chính, hình thành hệ thống liên hồ chứa đa mục tiêu: phát điện, phòng lũ cấp nước cho hạ du Để nâng cao hiệu điều hành hệ thống hồ chứa có nhiều mơ hình tốn thuỷ văn - thuỷ lực ứng dụng để dự báo dịng chảy sơng Đà Tuy nhiên, thời gian dự kiến dự báo mơ hình khơng dài Với khả kết nối dễ dàng với mơ hình khí tượng dự báo mưa, mơ hình thuỷ văn thơng số phân bố kéo dài thời gian dự kiến dự báo Mặc dù nghiên cứu từ lâu Việt Nam loại mơ hình bắt đầu tiếp cận Bài báo lựa chọn hai mô hình thủy văn thơng số phân bố DIMOSOP MARINE để tính tốn dịng chảy lũ sơng Đà, từ đưa số kết luận ứng dụng mô lũ sơng Đà nói riêng lưu vực sơng Việt Nam nói chung I Đặt vấn đề Mơ hình thuỷ văn thơng số phân bố loại mơ hình mưa dịng chảy có xem xét đến phân bố không gian đặc điểm tự nhiên khí tượng thuỷ văn tồn lưu vực Hiện nay, mơ hình thủy văn thơng số phân bố phát triển trở nên phổ biến áp dụng nhiều nước giới Từ hệ mô hình phân bố đơn giản kể đến TOPMODEL (Anh), nhiều nhà khoa học thuộc quốc gia khác (Mỹ, Thụy Điển, Pháp, Ý, Nhật…) nghiên cứu, thiết lập phát triển nhiều mô hình thủy văn thơng số phân bố khác nhằm mơ tốt q trình chuyển động vật lý tượng thủy văn tự nhiên cách đầy đủ Đồng thời toán dự báo dịng chảy, mơ hình thơng số phân bố có khả kết nối với mơ hình dự báo mưa số trị dạng lưới, từ kéo dài thời gian dự kiến Tại Việt Nam, số mô hình thơng số phân bố bước đầu ứng dụng tính tốn dịng chảy số lưu vực sơng lớn sơng thuộc hệ thống sơng Hồng, sơng Vu Gia Thu Bồn… Các mơ hình đòi hỏi liệu đầu vào chi tiết với nhiều loại khác Bài báo lựa chọn hai mơ hình thủy văn thông số phân bố DIMOSOP MARINE để tính tốn dịng chảy lũ sơng Đà Lưu vực đáp ứng yêu cầu số liệu đồng thời phụ lưu lớn quan trọng hệ thống sông Hồng với nhiều hồ chứa đa mục tiêu: phát điện, phòng lũ cấp nước cho hạ du Từ kết mô phỏng, báo đưa số kết luận ứng dụng mơ lũ sơng Đà nói riêng lưu vực sơng Việt Nam nói chung II Giới thiệu mơ hình 2.1 Mơ hình MARINE Mơ hình thuỷ văn MARINE (Modélisation de l’Anticipation du Ruissellement et des Inondations pour des évé Nements Extrêmes) Viện Cơ học chất lỏng Toulouse (Pháp) xây dựng chuyển giao cho Viện Cơ học Sau đó, Viện Cơ học chuyển giao cho Trung tâm Dự báo Khí tượng Thuỷ văn Trung Ương khuôn khổ hợp tác khoa học công nghệ đề tài cấp Bộ Mơ hình thủy văn MARINE viết ngôn ngữ Fortran 7.0 xây dựng hồn thiện MARINE mơ hình có thơng số phân bố, tồn lưu vực nghiên cứu chia thành lưới vng có kích cỡ Mơ hình tính tốn dịng chảy dựa phương trình bảo tồn khối lượng phương thức thấm Green Ampt Mỗi lưới có thơng số riêng, nhận giá trị mưa dịng chảy hình thành Cuối cùng, mơ hình MARINE liên kết ô lưới lại với 115 theo hướng chảy tạo mạng sơng tính tốn dịng chảy cửa lưu vực Cấu trúc mơ hình MARINE chia thành hai phần: Phần thứ nhất: tính tốn dịng chảy sườn dốc hay khu từ mưa dựa phương trình cân nước lý thuyết thấm Green Ampt; phần thứ hai diễn tốn lũ sơng mơ hình thủy lực theo phương trình Sain Vernant với lưới sai phân điểm Mặt mạnh mơ hình MARINE có khả nằng kết nối dễ dàng với mơ hình dự báo mưa số trị HRM, ETA BOLAM vận hành Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương nhằm kéo dài thời gian dự kiến mơ hình 2.2 Mơ hình DIMOSOP DIMOSOP (DIstributed hydrological MOdel for the Special Observing Period) mơ hình tốn thủy văn phân bố sử dụng nhiều số nước Châu Âu Italia, Pháp, Thụy Sĩ Đặc điểm bật mô hình sử dụng liệu dạng điểm trạm đo mưa lưu vực sử dụng kết dự báo dạng ô lưới (grid) đầu mơ hình dự báo thời tiết MM5 BOLAM để dự báo lũ Ở Việt Nam, mơ hình DIMOSOP chuyển giao cho trường Đại học Thủy lợi khuôn khổ dự án hợp tác song phương Chính phủ Việt Nam Chính phủ Italia việc xây dựng mơ hình hỗ trợ dự báo lũ trung hạn cho hệ thống sông Hồng sơng Thái Bình Khi chuyển giao cho Việt Nam, Mơ hình mang tên DIMOSHONG Cấu trúc mơ hình dựa quan điểm chia lưu vực tính tốn thành hệ thống lưới Mỗi ô lưới lưu vực đặc trưng yếu tố thủy văn đó, phần tử lưu vực, phần tử sông, phần tử hồ chứa vv Nếu ô lưới phần tử lưu vực mơ hình tính tốn dịng chảy từ mưa thơng qua mơ trình vật lý lưu vực mưa, tổn thất, tập trung dòng chảy sườn dốc cho lưới đó, lưới phần tử đoạn sơng, mơ hình mơ q trình diễn tốn dịng chảy sơng cho lưới, cịn lưới phần tử hồ chứa, mơ hình mơ q trình diễn tốn dịng chảy qua hồ chứa cho lưới này…Phương pháp tính dịng chảy từ mưa DIMOSOP dựa lý thuyết: Phương pháp tính tổn thất: SCS-CN; đường trình SCS tính mưa hiệu quả, diễn tốn sơng MUSKINGUM… Kết tính tốn mơ hình lưu lượng hay mực nước lũ ô lưới (điểm) lưu vực đăng ký trước III Ứng dụng mơ hình mơ dịng chảy lũ sông Đà 3.1 Dữ liệu đầu vào GIS cho mơ hình a Mơ hình MARINE - Bản đồ độ cao số hố (DEM-Digital Elevation Model) tồn lưu vực sông Đà - Bản đồ sử dụng đất số hóa tỷ lệ tồn lưu vực sơng Đà dạng lưới - Bản đồ đất số hóa tồn lưu vực sông Đà dạng lưới Các loại đồ lấy từ Trung tâm Viễn thám, Bộ Tài Nguyên Môi trường - Bản đồ phân vùng ảnh hưởng mưa lưu vực sông Đà dạng lưới theo đa giác Theissen - Dữ liệu mặt cắt ngang sông Đà: + Đoạn 1: Biên giới - Pa Vinh: 59 mặt cắt + Đoạn 2: Pa Vinh - trước đập Hồ Bình: 62 mặt cắt Hình 1: Bản đồ DEM, đồ thảm phủ, đồ sử dụng đất mô tả lưu vực sơng Đà MARINE 116 b Mơ hình DIMOSOP Tương tự mơ hình MARINE, đầu vào GIS mơ hình đồ địa hình dạng DEM, đồ trạng sử dụng đất, loại đất dạng lưới Grid Tồn địa hình lưu vực sơng Đà bao gồm phần diện tích bên Trung Quốc mô tả xác định dựa đồ số độ cao tồn cầu DEM GTOPO30 có độ phân giải 1km x 1km từ Cục đo địa hình địa chất Hoa Kỳ - USGS (nguồn: http://edc.usgs.gov/products/elevation/ gtopo30/gtopo30.html) Từ đồ địa hình DEM, xây dựng đồ phân cấp sông theo Horton ranh giới lưu vực Ranh giới sau so sánh với nguồn liệu khác Atlas Việt Nam (Bộ Khoa học Công nghệ, 1999)… để hiệu chỉnh lại số điểm sai lệch nguồn liệu địa hình Bản đồ trạng sử dụng đất lấy từ nguồn USGS Từ đồ này, mơ hình xây dựng đồ phân bố hệ số CN sử dụng phương pháp SCS-CN đồ thông số truyền dẫn thuỷ lực thẳng đứng Hệ số nhám Strickler Ks giả thiết biến đổi theo phân bố diện tích hàm mũ: KS = 13.894 * A0.0842 (Ranzi nnk, 2008) Hình Bản đồ sử dụng đất, loại đất, truyền dẫn thuỷ lực thẳng đứng nhám mô hình DIMOSOP 3.2 Dữ liệu đầu vào Khí tượng Thuỷ văn mơ hình Bốn trận lũ khác từ vừa đến lớn lựa chọn để tính tốn mơ theo hai mơ hình Cụ thể trận lũ: + Trận lũ lịch sử sông Đà từ 15 30/8/1996 + Trận lũ lớn 08 - 22/08/2002 + Trận lũ trung bình: 12 - 20/7/2007 + Trận lũ lớn: 01-10/7/2009 Các liệu mưa quan trắc thời đoạn 6h phân bố lưu vực lãnh thổ Việt Nam dùng làm liệu vào mô dòng chảy Dữ liệu mực nước lưu lượng 6h trạm thủy văn lưu vực sông Đà trận lũ sử dụng để hiệu chỉnh kiểm định kết mơ Mơ hình MARINE phần modul thủy lực diễn tốn lũ sơng lấy biên lưu lượng biên giới Việt Trung thượng nguồn sông Đà, biên mực nước hạ lưu hồ Hịa Bình 3.3 Một số kết tính tốn dự báo lũ sơng Đà theo mơ hình MARINE DIMOSOP Mơ hình MARINE DIMOSOP tính tốn mơ dịng chảy lũ sơng Đà qua trận lũ nêu mục 3.2 hai vị trí Tạ Bú (cửa ngõ vào hồ 117 Hịa Bình) vị trí trước đập Hịa Bình Một số hình ảnh kết thể qua hình sau: 3.4 Nhận xét: * Về cấu trúc mơ hình - Mơ hình phân bố MARINE kết hợp modul thủy lực giải phương trình Saint Vernant đầy đủ tính diễn tốn lũ sơng Mơ hình MARINE thực q trình tuần tự: tính tốn dịng chảy khu sườn dốc từ mưa sau mơ hình thủy lực gom nước vào dịng diễn tốn xuống hạ lưu Mơ hình DIMOSOP hồn tồn mơ hình thủy văn phân bố dựa q trình tính tốn mưa rào dịng chảy diễn tốn lũ sơng theo phương pháp MUSKINGUM song song Hai trường phái tính tốn tồn song song mơ hình thủy văn thơng số phân bố - Mơ hình MARINE DIMOSOP sử dụng đa giác Thiessen phân vùng ảnh hưởng mưa Trong tốn mơ dịng chảy liệu mưa liệu quan trắc theo trạm Tuy nhiên, có kết dự báo mưa số trị phân bố toàn lưu vực, hai mơ hình sử 118 dụng mưa dự báo trực tiếp rơi ô lưới để mô q trình hình thành dịng chảy lưu vực từ mưa xác * Về kết mơ - Mơ hình MARINE DIMOSOP mơ dạng trình trận lũ lớn lựa chọn - Mơ hình DIMOSOP cho kết tính tốn đỉnh lũ bị trễ so với dòng chảy thực đo khoảng 6-18h - Với trận lũ mưa lớn từ 30-50mm khắp lưu vực sơng Đà mơ hình DIMOSOP phản ứng nhạy cho kết tính cao cụ thể năm lũ lịch sử 1996 -Với trận lũ mưa tập trung theo khu vực đặc biệt vùng hồ từ Tạ Bú đến Hịa Bình trận lũ năm 2009: mưa lớn vùng thượng lưu trước sau đến vùng hạ lưu lịng hồ Hịa Bình, q trình lũ thực tế lên nhanh, mơ hình MARINE cho kết tính tốn đỉnh lũ cao so với đường thực đo mô thời gian đạt đỉnh tốt -Mơ hình DIMOSOP MARINE có khả xuất kết mực nước vận tốc dịng chảy lưới Điều mở hướng mới, dùng mơ hình thơng số phân bố tính tốn sạt lở cảnh báo lũ quét sạt lở đất lưu vực nhỏ vùng núi Các sai số trên, đặc biệt mô đỉnh lũ bị trễ mơ hình DIMOSOP lý giải mơ hình sử dụng liệu đầu vào chi tiết, địi hỏi độ xác dùng để mơ tả khả vận chuyển nước đất lưu vực Tuy nhiên nghiên cứu này, liệu lấy chủ yếu dựa kết đo đạc, tính tốn tổ chức nước ngồi có độ phân giải thấp cấp miễn phí mơ tả tồn lưu vực (bao gồm phần bên Trung Quốc) Các nguồn liệu nước có độ xác cao độ phân giải tốt mô tả phần lưu vực nằm lãnh thổ Việt Nam, dùng tham khảo hiệu chỉnh, bổ sung Đồng thời, mơ hình DIMOSOP tính tốn dịng chảy bắt nguồn từ thượng nguồn lưu vực bên Trung Quốc mà khơng có thông tin mưa, cách giả thiết mưa tương tự với lượng mưa trạm Mường Tè (theo phương pháp đa giác Thiessen), phần diện tích chiếm gần 50% diện tích tồn lưu vực Đồng thời, dịng chảy sơng Đà bị ảnh hưởng việc vận hành hồ chứa thượng nguồn bên lãnh thổ Trung Quốc khơng có thơng tin nên mơ hình DIMOSOP khơng mơ tả Mơ hình MARINE tính tốn với biên đầu vào từ vị trí trạm thuỷ văn Mường Tè nên kết mơ xác Hiện nay, thượng lưu sông Đà phần lãnh thổ Trung Quốc, nhiều thủy điện xây dựng Mặc dù tài liệu đo đạc khí tượng thuỷ văn số trạm cấp thơng tin hồ chứa nước ngồi lại thiếu, điều gây khó khăn cho cơng tác dự báo lũ dịng chảy sơng Hồng Việc ứng dụng mơ hình thơng số phân bố có khả mơ tồn lưu vực kết hợp với mơ hình mưa số trị tồn cầu tính tốn dịng chảy thượng nguồn vị trí u cầu IV Kết luận Mơ hình MARINE DIMOSOP hai mơ hình thơng số phân bố nghiên cứu áp dụng tính tốn mơ dịng chảy lũ sơng Đà Việt Nam hồn cảnh thiếu thốn nhiều số liệu xác tồn lưu vực địa hình, đồ thảm phủ, đồ sử dụng đất Mặc dù vậy, kết cho thấy mơ hình mơ chấp nhận dịng chảy lũ sơng Đà Nếu mơ hình kết hợp với mơ hình thời tiết dự báo mưa số trị (mặc dù với độ phân giải chưa cao) hồn tồn kéo dài thời gian dự kiến dự báo lũ, nâng cao hiệu công tác điều hành hồ chứa Việc áp dụng thành công hai mơ hình cho lưu vực sơng lớn sơng Đà cho thấy mơ hình thơng số phân bố dạng có khả ứng dụng tốt Việt Nam lưu vực nghiên cứu có đầy đủ tài liệu đo đạc, khảo sát địa hình, thảm phủ… Đồng thời mở nhiều hướng nghiên cứu cho lưu vực sông, đặc biệt sơng miền núi hồn cảnh thiếu nhiều thơng tin đo đạc khí tượng - thuỷ văn thượng nguồn 119 Tài liệu tham khảo Estupina-Borrell, V., Dartus, D., Ababou, R., Flash flood modeling with the MARINE hydrological distributed model, Hydrology and Earth System Sciences Discussions, Volume 3, Issue 6, 2006, pp.3397-3438 Ngo, L.A., S Barontini, A Buzzi, O Drofa, L.T Do, M C Vu, T T Hoang, R Ranzi, 2008: A hydrometeorological flood forecast system for the Red River (China - Vietnam), Geophysical Research Abstracts, European Geosciences Union, Vol 10, N° 10475 ISSN: 1029-7006 Nguyễn Lan Châu, Đặng Thanh Mai, Trịnh Thu Phương (2005), Các toán ứng dụng mơ hình thủy văn MARINE để mơ dự báo lũ sơng Đà,-Tạp chí Khí tượngThủy văn số 53911/2005 Ranzi R., S Barontini, Ngo L A., 2008, Study of a hydrogeological system to assist flood control in the Red River Delta, Technical Report, Brescia, Italy Ranzi, R., M Bochicchio And B Bacchi, Effects on floods of recent afforestation and urbanisation in the Mella River (Italian Alps), Hydrol Earth System Sci., 6(2), 239-265, 2002 Trịnh Thu Phương, Nguyễn Tiến Cường (2005), Bài tốn lựa chọn mơ hình thủy lực kết nối với mơ hình MARINE, Hội nghị Khoa học Cơng nghệ phục vụ dự báo Khí tượng thủy văn lần thứ VI, 2005 USDA-NRCS-CED, Urban Hydrology for Small Watershed, TR-55, 1986 USGS-EROS, Global DEM GTOPO30, on website http://edc.usgs.gov/products/elevation/gtopo30/gtopo30.html USGS-EROS, Global Land Cover Characterisation, V.2.0, on website http://edcsns17.cr.usgs gov/glcc/ Abstract RESEARCH ON THE CAPACITY OF APPLYING DISTRIBUTED MODELS TO ESTIMATE THE RUNOFF IN THE DA RIVER The Da river is the most important tributary in the Red river system In the main channel, a multi purpose reservoirs system was established for: electric-power, flood control, water supply In order to improve the regulating capacity, some hydrological – hydraulic models were used to estimate the runoff in the Da river but the limited lead time The distributed hydrological model can connect to meteorological model easily so it can forecast the runoff with the further lead time Despite this kind of model was researched for a long time, it has just been applied in Vietnam This paper selected models called DIMOSOP and MARINE for estimating the flood flow in the Da river Then, some conclusions were given about applying them in flow simulation in the Da river in particular, and in Vietnam conditions in general 120