Nghiên cứu ứng dụng số liệu vệ tinh mưa dự báo làm số trị kết hợp số liệu bề mặt trong dự báo lũ hệ thống sông hồng thái bình

BỘ TÀI NGUN VÀ MƠI TRƯỜNG TRUNG TÂM KHÍ TƯỢNG THUỶ VĂN QUỐC GIA TRUNG TÂM DỰ BÁO KHÍ TƯỢNG THUỶ VĂN TRUNG ƯƠNG BÁO CÁO KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SỐ LIỆU VỆ TINH, MƯA DỰ BÁO SỐ TRỊ KẾT HỢP SỐ LIỆU BỀ MẶT TRONG DỰ BÁO LŨ HỆ THỐNG SÔNG HỒNG – THÁI BÌNH Tác giả: - TS Đặng Ngọc Tĩnh; - TS Lê Đức; - CN Nguyễn Mạnh Linh; - Ths.Nguyễn Thị Xuyên - KS.Trần Tuyết Mai 9707 HÀ NỘI, NĂM 2012 BỘ TÀI NGUN VÀ MƠI TRƢỜNG TRUNG TÂM KHÍ TƢỢNG THUỶ VĂN QUỐC GIA TRUNG TÂM DỰ BÁO KHÍ TƢỢNG THUỶ VĂN TRUNG ƢƠNG BÁO CÁO KẾT QUẢ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SỐ LIỆU VỆ TINH, MƢA DỰ BÁO SỐ TRỊ KẾT HỢP SỐ LIỆU BỀ MẶT TRONG DỰ BÁO LŨ HỆ THỐNG SƠNG HỒNG – THÁI BÌNH HÀ NỘI, NĂM 2012 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG TRUNG TÂM KHÍ TƢỢNG THUỶ VĂN QUỐC GIA TRUNG TÂM DỰ BÁO KHÍ TƢỢNG THUỶ VĂN TRUNG ƢƠNG Tác giả: - TS Đặng Ngọc Tĩnh; - TS Lê Đức; - CN Nguyễn Mạnh Linh; - Ths.Nguyễn Thị Xuyên - KS.Trần Tuyết Mai BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SỐ LIỆU VỆ TINH, MƢA DỰ BÁO SỐ TRỊ KẾT HỢP SỐ LIỆU BỀ MẶT TRONG DỰ BÁO LŨ HỆ THỐNG SƠNG HỒNG – THÁI BÌNH CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI TS Đặng Ngọc Tĩnh HÀ NỘI, NĂM 2012 MỤC LỤC NỘI DUNG MỤC Trang MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TÓM TẮT KẾT QUẢ ĐỀ TÀI MỞ ĐẦU 10 TỔNG QUAN VỀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 13 1.1 Tổng quan nghiên cứu nước 13 1.2 Tổng quan nghiên cứu nước 18 1.3 Tổng quan khu vực nghiên cứu 21 1.3.1 Đặc điểm địa hình 21 1.3.2 Đặc điểm khí tượng 27 1.3.3 Đặc điểm lũ hệ thống sơng Hồng – Thái Bình Mạng lưới đo đạc điện báo khí tượng thủy văn phục vụ dự báo lũ sơng Hồng- Thái Bình 29 Mơ tả hệ mơ hình thủy văn thủy lực 39 Cơ sở lý thuyết phần mềm IFAS 39 1.4.1.1 Cấu trúc giả thiết 39 1.4.1.2 Các cơng thức tính mơ hình PWRI 41 1.4.1.3 Các thơng số mơ hình PWRI 42 1.4.2 Cơ sở lý thuyết phần mềm Flood Watch 45 1.4.3 Xây dựng công nghệ dự báo lũ cho hệ thống sơng Hồng – Thái Bình 51 1.4.4 Chỉ tiêu chất lượng đánh giá mô dự báo mơ hình 53 ỨNG DỤNG MƠ HÌNH THUỶ VĂN, THUỶ LỰC CHO CÁC LƢU VỰC BỘ PHẬN 53 Xây dựng sở liệu tác nghiệp 53 2.1.1 Kết thu thập số liệu 53 2.1.2 Tổ chức sở liệu tác nghiệp 56 2.2 Phân chia lưu vực thiết lập mơ hình IFAS cho lưu vực phận 61 2.2.1 Phân chia lưu vực phận 61 CHƢƠNG 1.3.4 1.4 1.4.1 CHƢƠNG 2.1 35 NỘI DUNG MỤC Trang Thiết lập mơ hình IFAS cho lưu vực sơng 65 Bộ thơng số mơ hình PWRI kết mô 66 2.3.1 Phương pháp tối ưu thông số 66 2.3.2 Kết tối ưu thông số 66 2.3.3 Đánh giá chất lượng mô kiểm định mơ hình PWRI 73 2.4 Kết nối mơ hình thuỷ văn với mơ hình thuỷ lực Mike11 cho lưu vực phận 74 2.5 Hiệu chỉnh, kiểm nghiệm, thử nghiệm mơ hình dự báo thủy văn, thủy lực 84 2.5.1 Hiệu chỉnh, kiểm nghiệm, thử nghiệm mơ hình dự báo thuỷ văn cho lưu vực phận 84 2.5.2 Ứng dụng, thử nghiệm kết nối mơ hình dự báo thuỷ văn với mơ hình thuỷ lực cho lưu vực phận 86 Ứng dụng phần mềm Flood Watch cho hệ thống sông Hồng – Thái Bình 88 2.6.1 Giao diện Flood Watch cho hệ thống sơng Hồng – Thái Bình 88 2.6.2 Thuật tốn chiến lược điều hành hồ Sơn La 91 2.6.3 Thuật tốn chiến lược điều hành hồ Hịa Bình 95 2.6.4 Thuật toán chiến lược điều hành hồ Tuyên Quang 99 2.6.5 Thuật toán chiến lược điều hành hồ Thác Bà 103 CHƢƠNG XÂY DỰNG CÁC PHẦN MỀM VÀ CÔNG NGHỆ DỰ BÁO LŨ CHO HỆ THỐNG SÔNG HỒNG – THÁI BÌNH 108 3.1 Các phần mềm hỗ trợ dự báo 108 3.2 Công nghệ dự báo tác nghiệp cho hệ thống sơng Hồng - Thái Bình từ số liệu vệ tinh, mưa dự báo số trị kết hợp số liệu bề mặt 110 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 121 TÀI LIỆU THAM KHẢO 125 2.2.2 2.3 2.6 PHỤ LỤC PHỤ LỤC 1: Hướng dẫn sử dụng Hệ thống phân tích lũ tổng hợp IFAS 1-18 PHỤ LỤC 2: Các kết hiệu chỉnh, kiểm định thử nghiệm mô hình thủy văn, thủy lực 1-17 PHỤ LỤC 3: Bài báo công bố 1-8 PHỤ LỤC 4: Các nhận xét đơn vị chuyển giao công nghệ PHỤ LỤC 5: Sơ đồ quy trình dự báo lũ kết hợp số liệu vệ tinh, bề mặt số trị cho hệ thống sơng Hồng – Thái Bình 1-4 1-2 Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hình 2.7 Hình 2.8 Hình 2.9 Hình 2.10 Hình 2.11 Hình 2.12 Hình 2.13 Hình 2.14 Hình 2.15 Hình 2.16 Hình 2.17 Hình 2.18 Hình 2.19 Hình 2.20 Hình 2.21 Hình 2.22 Hình 2.23 Hình 2.24 Hình 2.25 Hình 2.26 Hình 2.27 Hình 2.28 Hình 2.29 Hình 2.30 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Tên hình Trang Bản đồ lưu vực, mạng lưới trạm KTTV hệ thống s.Hồng – Thái Bình 22 Cấu trúc hệ thống phân tích lũ tổng hợp IFAS 39 Sơ đồ mơ hình phận nước mặt 41 Sơ đồ mơ hình phận nước ngầm 41 Sơ đồ mơ hình phận nước lịng sơng 42 Bản đố số độ cao DEM 30x30m cho lưu vực sơng Hồng – Thái Bình 55 Thư mục lưu trữ số liệu mưa TRMM 57 Thư mục lưu trữ số liệu mưa GSMaP 58 Thư mục lưu trữ số liệu mưa Qmorph 59 Trình quản lý lưu vực sơng Đà IFAS 62 Trình quản lý lưu vực sơng Thao IFAS 63 Trình quản lý lưu vực sơng Lơ IFAS 63 Trình quản lý lưu vực sơng Cầu IFAS 64 Trình quản lý lưu vực sơng Thương IFAS 64 Trình quản lý lưu vực sông Lục Nam IFAS 65 Kết mô trận lũ 22/6-8/7/2009 sông Đà từ mưa thực đo 67 Kết mô trận lũ - 7/11/2008 sông Đà từ mưa TRMM 68 Hiệu chỉnh trận lũ 7/2010 sông Đà từ lượng mưa GSMaP 68 Hiệu chinh trận lũ 7/2010 sông Đà từ lượng mưa TRMM 69 Hiệu chinh trận lũ 7/2010 sông Đà từ lượng mưa QMorph 69 Thử nghiệm trận lũ 7/2011 sông Đà từ lượng mưa GSMaP 70 Thử nghiệm trận lũ 7/2011 sông Đà từ lượng mưa TRMM 70 Thử nghiệm trận lũ 7/2011 sông Đà từ lượng mưa thực đo 71 Kết hiệu chỉnh mơ hình IFAS từ mưa thực đo cho sông Lục Nam 71 Chũ mùa lũ từ 15/6 đến 15/10/2008 Kết mơ mơ hình IFAS từ mưa GSMaP chưa hiệu chỉnh 72 cho sông Lục Nam Chũ mùa lũ từ 15/6 đến 15/10/2008 Kết mơ mơ hình IFAS từ mưa GSMaP có hiệu chỉnh cho 73 sơng Lục Nam Chũ mùa lũ từ 15/6 đến 15/10/2008 Kết dự báo trận lũ - 15/8/2008 sông Nậm Na 75 đến Nậm Giàng từ mưa dự báo số trị ETA ( S/δ =0,75) Kết dự báo trận lũ - 15/8/2008 sơng Đà 76 đến hồ Hồ bình từ mưa dự báo số trị GSM, ( S/δ >0,9) Sơ đồ nhập lưu khu tính thủy văn, thủy lực sông Đà 79 Kết nối đầu mơ hình thuỷ văn với mạng thuỷ lực sơng Đà 80 Sơ đồ nhập lưu khu tính thủy văn, thủy lực sông Thao 81 Sơ đồ nhập lưu khu tính thủy văn, thủy lực sơng Lơ 82 Sơ đồ nhập lưu khu tính thủy văn, thủy lực sơng Thái Bình 83 Kết dự báo trận lũ - 15/8/2008 sông Nậm Na đến Nậm Giàng từ 84 mưa dự báo số trị ETA Kết dự báo trận lũ - 15/8/2008 sơng Đà 85 Hình 2.31 Hình 2.32 Hình 2.33 Hình 2.34 Hình 2.35 Hình 2.36 Hình 2.37 Hình 2.38 Hình 2.39 Hình 2.40 Hình 2.41 Hình 2.42 Hình 2.43 Hình 2.44 Hình 2.45 Hình 2.46 Hình 2.47 Hình 2.48 Hình 2.49 Hình 2.50 Hình 2.51 Hình 2.52 Hình 2.53 Hình 2.54 Hình 2.55 Hình 2.56 Hình 2.57 Tên hình Trang đến hồ Hồ bình từ mưa dự báo số trị GSM Kết dự báo trận lũ - 15/8/2008 sơng Đà 85 đến hồ Hồ bình từ mưa dự báo số trị HRM Kết dự báo trận lũ 20 - 30/7/2010 sông Đà 85 đến hồ Hồ bình từ mưa dự báo số trị GSM Kết dự báo trận lũ tháng 7/2009 sơng Đà 86 đến hồ Hồ bình từ mưa thực đo Kết dự báo trận lũ tháng 7/2009 sơng Đà 87 đến hồ Hồ bình từ mưa ETA Kết dự báo trận lũ tháng 7/2009 sông Đà 87 đến hồ Hồ bình từ mưa GSM Kết dự báo trận lũ tháng 7/2009 sông Đà 87 đến hồ Hồ bình từ mưa HRM Giao diện sở liệu Flood Watch cho lưu vực sông Đà liên kết với 89 dịng hạ du sơng Thao, Lơ sơng Hồng Đƣờng q trình mực nƣớc hồ Sơn La năm 2011 91 Đường cong vận hành hồ Sơn La Biên tập mạng lưới sông Đà Thiết lập kiểm sốt cơng trình phát điện xả đập Sơn La Thiết lập lệnh lơgíc kiểm sốt cơng trình phát điện ưu tiên số lượng phát điện theo tỷ lệ hạ lưu Thiết lập lệnh lơgíc kiểm sốt cơng trình phát điện ưu tiên số thay đổi mực nước không m so với ngưỡng quy định Thiết lập lệnh lơgíc kiểm sốt cơng trình phát điện ưu tiên số không thay đổi mực nước ngưỡng thấp theo quy định Ưu tiên số không để mực nước hạ lưu vượt 22 m Đường trình mực nước hồ Hịa Bình năm 2006 Đường cong vận hành hồ Hịa Bình Biên tập mạng lưới sơng Đà Thiết lập kiểm sốt cơng trình phát điện xả đập Hịa Bình Thiết lập lệnh lơgíc kiểm sốt cơng trình phát điện ưu tiên số lượng phát điện theo tỷ lệ hạ lưu Thiết lập lệnh lơgíc kiểm sốt cơng trình phát điện ưu tiên số thay đổi mực nước không m so với ngưỡng quy định Thiết lập lệnh lơgíc kiểm sốt cơng trình phát điện ưu tiên số khơng thay đổi mực nước ngưỡng thấp theo quy định Ưu tiên số không để mực nước hạ lưu vượt 22 m Đường trình mực nước hồ Tuyên Quang năm 2006 Đường cong vận hành hồ Tuyên Quang Biên tập mạng lưới sông Lô – Gâm Thiết lập kiểm sốt cơng trình phát điện xả 91 92 92 93 93 94 94 95 96 96 97 97 98 98 98 99 100 100 101 Tên hình Trang đập Tuyên Quang 101 Hình 2.61 Hình 2.62 Thiết lập lệnh lơgíc kiểm sốt cơng trình phát điện ưu tiên số lượng phát điện theo tỷ lệ hạ lưu Thiết lập lệnh lơgíc kiểm sốt cơng trình phát điện ưu tiên số thay đổi mực nước không m so với ngưỡng quy định Thiết lập lệnh lơgíc kiểm sốt cơng trình phát điện ưu tiên số khơng thay đổi mực nước ngưỡng thấp theo quy định Ưu tiên số không để mực nước hạ lưu vượt 26 m Đƣờng trình mực nƣớc hồ Thác Bà năm 2006 Hình 2.63 Hình 2.64 Đường cong vận hành hồ Thác Bà Biên tập mạng lƣới sông Chảy 104 104 Hình 2.65 Hình 2.66 Thiết lập kiểm sốt cơng trình phát điện xả đập Thác Bà Thiết lập lệnh lơgíc kiểm sốt cơng trình phát điện ưu tiên số lượng phát điện theo tỷ lệ hạ lưu Thiết lập lệnh lơgíc kiểm sốt cơng trình phát điện ưu tiên số thay đổi mực nước không m so với ngưỡng quy định Thiết lập lệnh lơgíc kiểm sốt cơng trình phát điện ưu tiên số khơng thay đổi mực nước ngưỡng thấp theo quy định Ưu tiên số không để mực nước hạ lưu vượt 22 m Đồ thị trình mưa thực đo trạm bề mặt Kết xuất số liệu mưa sử dụng cơng cụ TeeChart Đồ thị q trình mưa, mực nước lưu lượng thực đo trạm thủy văn Mường Lay sơng Đả Giao diện phần mềm cơng nghệ dự báo lũ sơng Hồng -Thái Bình từ số liệu vệ tinh, mưa dự báo số trị kết hợp số liệu bề mặt Giao diện bước dự báo cho lưu vực sông Đà Giao diện chọn file dự báo mưa số trị 105 105 Hình 2.58 Hình 2.59 Hình 2.60 Hình 2.67 Hình 2.68 Hình 2.69 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Hình 3.6 Hình 3.7 Hình 3.8 Bảng 1.1 Bảng 1.2 Bảng 1.3 Bảng 1.4 Bảng 1.5 Bảng 1.6 Bảng 1.7 Giao diện quản lý chọn dự án thích hợp IFAS Giao diện chọn files kết mô IFAS DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Tên bảng Phân bố diện tích độ cao trung bình lưu vực sơng Hồng Mật độ lưới trạm đo mưa vùng Mật độ tối thiểu mạng trạm thuỷ văn theo kiến nghị WMO Số lượng trạm thuỷ văn điện báo theo Đài KTTV khu vực Các đặc trưng lưới trạm thuỷ văn sông Bắc Bộ Các thơng số nước mặt Các thơng số dòng chảy ngầm 102 102 102 103 106 106 107 109 110 111 113 118 119 119 120 Trang 23 36 36 37 38 42 43 Bảng 1.8 Bảng 2.1 Bảng 2.2 Bảng 2.3 Bảng 2.4 Bảng 2.5 Bảng 2.6 Bảng 2.7 Bảng 2.8 Tên bảng Các thông số dịng chảy sơng Thiết lập mơ hình IFAS cho lưu vực sơng Các thơng số hiệu chỉnh tối ưu cho lưu vực sông Đà Các thông số hiệu chỉnh tối ưu cho lưu vực sông Lục Nam Chỉ tiêu đánh giá chất lượng mô mô hình IFAS Các ngưỡng mực nước giới hạn mùa lũ hồ Sơn La Các ngưỡng mực nước giới hạn mùa lũ hồ Hịa Bình Các ngưỡng mực nước giới hạn mùa lũ hồ Tuyên Quang Các ngưỡng mực nước giới hạn mùa lũ hồ Thác Bà Trang 43 65 67 72 74 94 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DHI: Viện Thuỷ lực Đan Mạch (Denmark Hydraulic Institute) DEM: Mơ hình số độ cao (Digital Elevation Model) ETA: Mơ hình số trị sử dụng hệ tọa độ Eta GIS: Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System) GSM: Mơ hình số trị phổ tồn cầu Nhật (Global Spectral Model) GSMaP: Bản đồ hoá giáng thuỷ vệ tinh toàn cầu (Global Satelitte Mapping of Precipitation) HRM: Mơ hình số trị độ phân giải cao Đức (High Resolution Model) ICHARM: Trung tâm quốc tế quản lý nguy thảm họa thủy tai (International Centre for Water Hazard and Risk Management) IFAS: Hệ thống phân tích lũ tổng hợp (Integrated Flood Analisys System) JAXA: Cơ quan thám hiểm khơng gian Nhật Bản KTTV: Khí tượng Thuỷ văn Mike 11: Mơ hình thuỷ động lực chiều Viện Thuỷ lực Đan Mạch (DHI) PWRI: Viện Nghiên cứu Cơng Nhật (Public Works Research Institute) QMorph/CMorph: kỹ thuật ghép nối ước lượng mưa xử lý trước từ cảm biến siêu tần TRMM: Chương trình (Nhiệm vụ) đo mưa nhiệt đới (Tropical Rainfall Mesuarement Mission) WGS: Hệ thống toạ độ địa lý giới (World Geographical System) 99 103 107 TÓM TẮT KẾT QUẢ ĐỀ TÀI a Tiếng Việt Trong năm gần đây, giới sản phẩm ước lượng mưa từ vệ tinh (sau gọi tắt mưa vệ tinh), mưa dự báo số trị ngày quan tâm, đầu tư, mở rộng nâng cao chất lượng độ phân giải theo không gian theo thời gian Sự phát triển mạng lưới quan trắc, điều tra, khảo sát địa hình, địa chất, sử dụng đất, thảm phủ đo đạc KTTV bề mặt, đặc biệt đo đạc tự động, tạo sở vững cho số liệu viễn thám, số trị hiệu chỉnh nâng cao độ xác Cùng với khả tiếp cận sản phẩm dự báo mưa số trị, ước lượng mưa số liệu bề mặt khác thu thập từ vệ tinh, việc nâng cao độ xác kéo dài thời gian dự kiến dự báo thuỷ văn hoàn tồn có sở Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng số liệu vệ tinh, mưa dự báo số trị kết hợp số liệu bề mặt dự báo lũ hệ thống sơng Hồng – Thái Bình” thực năm từ 2010 đến 2011 với mục tiêu nhằm ứng dụng số liệu vệ tinh, mưa số trị kết hợp với số liệu mặt đất khai thác Trung tâm Dự báo KTTV TƯ theo nguồn khác nghiệp vụ dự báo thủy văn tác nghiệp nhằm nâng cao chất lượng thời gian dự kiến dự báo trình lũ từ đến ngày cho 10 vị trí hệ thống sơng Hồng-Thái Bình Để thực mục tiêu này, đề tài tiến hành nội dung công việc bao gồm: 1) Thu thập, xây dựng sở liệu khai thác nguồn số liệu thu thập từ vệ tinh ước lượng mưa, DEM, sử dụng đất, lớp phủ, mưa dự báo số trị, số liệu bề mặt 4-10 năm gần cho lưu vực hệ thống sơng Hồng, Thái Bình; 2) Nghiên cứu xây dựng phương án, sơ đồ tính tốn cho hệ thống sơng Hồng-Thái Bình mơ hình thủy văn thông số phân bố PWRI IFAS; 3) Thiết lập thơng số tối ưu mơ hình dự báo thủy văn, thủy lực cho hệ thống sông với đầu vào số liệu vệ tinh, mưa dự báo số trị, kết hợp với số liệu bề mặt; 4) Ứng dụng phần mềm Flood Watch cho hệ thống sơng Hồng-Thái Bình quản lý, vận hành hồ chứa; 5) Xây dựng phần mềm hỗ trợ dự báo từ khâu thu nhận, kiểm tra, kết nối loại số liệu đầu vào, đến khâu kết xuất kết đầu ra, hiệu chỉnh, đánh giá kết dự báo công nghệ dự báo tác nghiệp Kết đề tài góp phần bổ sung thêm nguồn liệu, số liệu phương pháp, mơ hình dự báo lũ đại, tạo công cụ dự báo lũ hệ thống sơng Hồng – Thái Bình; góp phần kéo dài thời gian dự kiến dự báo từ đến ngày tăng độ xác dự báo lũ với kinh nghiệm xử lý, hiệu chỉnh dự báo tức thời dự báo Các kết đề tài : 1) Nghiên cứu tổng quan phương pháp, mơ hình dự báo lũ, khu vực nghiên cứu sâu vào phân tích mơ hình thuỷ văn thơng số phân phối Từ đó, đưa hướng nghiên cứu lựa chọn mơ hình ứng dụng dự báo lũ sở kết hợp loại số liệu mưa vệ tinh, 2.2 Kiểm nghiệm dự báo mơ hình thuỷ văn, thuỷ lực HẠ LƢU SÔNG HỒNG – THÁI BÌNH Dự báo mực nước Hà Nội từ dự báo tuyến theo IFAS lấy từ dự báo mưa ETA cho trận lũ tháng 10 – 11/2008 (có cập nhật sai số) Sai số tuyệt đối lớn nhất: 0,58m, sai số trung bình: 0,29m; S/ = 0,16 (tốt) Dự báo mực nước Hà Nội từ dự báo tuyến theo IFAS lấy từ dự báo mưa ETA cho trận lũ tháng 7/2009 (có cập nhật sai số) Sai số tuyệt đối lớn nhất: 0,65m, sai số trung bình: 0,24m; S/ = 0,12 (tốt) 159 Dự báo mực nước Phả Lại từ dự báo tuyến theo IFAS lấy từ dự báo mưa ETA cho trận lũ tháng 10 – 11/2008 (có cập nhật sai số) Sai số tuyệt đối lớn nhất: 1,24m, sai số trung bình: 0,40m; S/ = 0,33 (tốt) Dự báo mực nước Phả Lại từ dự báo tuyến theo IFAS lấy từ dự báo mưa ETA cho trận lũ tháng 7/2009 (có cập nhật sai số) Sai số tuyệt đối lớn nhất: 1,02m, sai số trung bình: 0,32m; S/ = 0,34 (tốt) 160 PHỤ LỤC Một báo công bố Bài báo “Applying Satellite Data, Numerical Rainfall Forecast, Combining with Ground Observations in Flood Forecasting for the Red River System” đăng tuyển tập báo cáo Hội nghị Viễn thám châu Á lần thứ 31, 31st Asian Conference on Remote Sensing (ACRS 2010), – tháng 11 năm 2010, Hà Nội, Volume 2, ISBN 978-1-61782-397-8, p 1432 - đăng tạp chí Journal of Environmental Science and Engineering, (JESE – E20110830-04) ISSN 1934 – 8932, USA, David Publishing Company, V.2, October 2011 161 Applying satellite data, numerical rainfall forecast, combining with ground observations in flood forecasting for the Red River system TINH Dang Ngoc Ph.D, Hydrologist, main research field: hydrological forecasting National Centre for Hydro-Meteorological Forecasting, National Hydro-Meteorological Service, Dang Thai Than, Hoan Kiem, Hanoi, Vietnam; Tel: (84)-4-38247003; Fax: (84)-4-39330259; Email: tinhdangngoc@fpt.vn, tinh.dangngoc@gmail.com Abstract: Satellite data have being applied widely in many fields in the world and Vietnam Satellite data are used widely especially in the disaster related assessment because there is a need for more timely and detail information of the location, area and extent of the damage from a disaster to aid in response and recovery activities Satellite data are the most suitable approach since site investigation become almost impossible to manage during flood event The feasibility of using satellite data as an additional spatially distributed source of information for on-line updating of modeling systems But hydrological studies and applications utilizing satellite data still have limitation Development of a flood forecasting and warning system using satellite data is highly expected, especially for developing countries where the collection of real time data on rainfall and water level in river basins faces on technical and financial difficulties Hence, by using rainfall data from earth observation satellites (EOS) and implementing runoff calculation and flood prediction without excessive dependence on ground observation hydrological data, it is possible to promote said development and improvement in flood forecasting and warning system on river basin level On-going research applying satellite data like GSMaP from JAXA (Japan), QMORPH, TRMM, NOAA/USGS, numerical rainfall forecasts like HRM, ETA, GSM, GFS; combining with hydro-meteorological ground observation data in flood forecasting for the Red River system For this purpose, the Integrated Flood Analysis System (IFAS) is used for calculating runoff on upstream sub-basins without hydro-meteorological data or with insufficient hydrological and geophysical information This runoff is considered as inputs or lateral inflows into downstream mainstream For downstream where there are enough ground data, the hydrodynamic model Mike 11 and Flood Watch (DHI) used for flood forecasting For example, some of the initially applied results are presented for the Da River and the Thai Binh River Key words: Satellite, numerical rainfall, flood forecasting, Red River Introduction An effective flood emergency management needs to be informed by a robust Flood Forecasting Systems (FFS) Before 1990’s years, these systems were usually in the form of hard copy flood maps, graphs, tables and other hard copy documents With recent advances in computer and communication technologies, these systems have been re-forming into more sophisticated forms; providing much needed real time flood information in more detail, in significantly less time-frame and with much higher quantity and quality These systems are similar in some of the basic principles, such as computerization of the flood prediction operations with more available data, information and usage of GIS as a platform for interaction with the users Development of a flood forecasting and warning system using satellite data is highly expected, especially for developing countries where the collection of real time data on rainfall and water level in river basins faces on technical and financial difficulties The integration of a flood modeling system in a GIS environment provides a very powerful tool for real-time flood forecasting and flood warning On-going research applying satellite data like GSMaP from JAXA (Japan), QMORPH, TRMM, NOAA/USGS, numerical rainfall forecasts like HRM, ETA, GSM, GFS; combining with hydrometeorological ground observation data in flood forecasting for the Red River system For this purpose, the Integrated Flood Analysis System (IFAS) is used for calculating runoff on upstream sub-basins without hydro-meteorological data or with insufficient hydrological and geophysical information This runoff is considered as inputs or lateral inflows into downstream mainstream For downstream where there are enough ground data, the hydrodynamic model Mike 11 and Flood Watch (DHI) used for flood forecasting For example, some of the initially applied results are presented for the Da River and the Thai Binh River 2.1 The Red River Flood Forecasting system Rainfall Forecasting data Rainfall forecasting is based on three different types of data used in near real time: numerical weather prediction (NWP), satellite rainfall estimation data and rain gauge data from 200 rain gauge stations 2.1.1 Numerical rainfall forecast 162 For weather forecasting the National Centre for Hydro-meteorological Forecasting (NCHMF) makes use of the High-resolution Regional Model (HRM), originally developed by the Deutsche Wetter Dienst (DWD) The HRM model takes its initial and boundary conditions from the global model GME (DWD) every hours from the internet HRM runs with two resolutions The NCEP ETA Model is an operational short-range forecasting model used over the North and South American regions The ETA Model domain covered the region 7W-112W, 57S-17N, with a resolution of 80 km in each of the 38 vertical eta-layers - Numerical forecast data GSM (Global Spectral Model) provided by JMA: Interval of provided data: hours with delay hour; Mesh size: 1.250 ~125km; area: global; Physical Ground: corrected sea-level air pressure, east-west wind (10 m), south-north wind (10 m), parameters: temperature (1.5 m), relative moisture (1.5 m), accumulate precipitation, and air pressure; Atmosphere layer: 16 layers altitude, eastwest wind, south-north wind, temperature layers relative moisture, upward flow, among which, the accumulate precipitation is used - Collection from NOAA-USGS satellite rainfall estimation with calibration to surface synoptic stations from GTS and 3-day rainfall forecasts by MM5 and 7-day forecast GFS by AVN/NCEP; 2.1.2 Satellite rainfall estimation, prediction - TRMM (Tropical Rainfall Measure Mission) data with 3-hour cumulative rainfall; - GSMap data: Data transmission Interval: hour; Mesh size: 0.10~11km, A~120 km2; NRT_daily: 0.250 ~ 275km, A~75,625km2; Observation extent: Altitude 60 degree North ~Longtitude 60 degree South - CMorth, QMorth: Data Transmission Interval: 30 minutes; Transmission Time; Semi-Real time (2.5 hour delay); Mesh Size: 0.250~25km, A=600km2; Pbservation Extent: North Altitude 60 degree ~ South Altitude 60 degree; The data kind uses “30min_8km" though are three kinds ("30min_025deg" and “30min_8km" and “3-hourly_025deg") 2.1.3 Rainfall forecasting with the help of ground rain gauge observation In a real time environment, satellite rainfall data are not always available Therefore measurements from a rain gauge network can work as a fallback strategy for getting rainfall information For the support of the forecast module, an approach has been developed, linking rain gauge data from the rain gauge network, meso-scale numerical modeling, and extreme value statistics for a rainfall forecast over 72 h lead time The rain gauge based forecast uses the locally measured information through the six hour of lead time by applying a spatial - temporal rainfall analysis This analysis procedure takes advantage of the fact that rainfall fields arrive at different instants in time at the different rain gauge stations 2.2 An Application of hydrological – hydraulic models Hydrological models are reliable on simulating discharge, but for water level prediction and flood wave routing, a hydrodynamic model is superior The NAM model was calibrated with observed rainfall and discharge records of the years 2004 - 2007 Runoff calculated from rainfall by NAM linked as inflow from tributaries or upper reaches or lateral flow into main stream by Muskingum routing The distributed hydrological model IFAS used also for calculating/forecasting inflow input or lateral flow for mainstream Flow routing in main stream was made by hydrodynamic Mike11 2.2.1 Flood Forecasting For flood forecasting, FLOOD WATCH [2] has for the first time been operationally coupled simultaneously to input from rain gauge data, from satellite rainfall estimation and from numerical weather prediction results The flood forecasting system is set up within MIKE FLOOD WATCH for catchments in Red river basin (the main tributaries Da, Thao, Lo-Gam and Thai Binh - Fig for the Da river) and comprises the following operations: – Real time data assimilation and preparation – Hydrologic-Hydrodynamic module, describing the rainfall-runoff process and the propagation of flood waves through the river system – Flood Forecasting module, incorporating an updating procedure to ensure maximum and most effective use is made of the available real time information on the catchment – Flood Mapping module, providing real time flood maps of selected flood prone areas, showing the area and depth of the actual and historical flooding – Presentation of forecasts in a variety of formats (tables, plots, maps), and uploading to the Internet 163 2.2.2 Hydrologic Module The hydrologic module of the forecasting system takes forecast rainfall as its primary input, and simulates the land phase of the hydrologic cycle to forecast the runoff to the main rivers Used NAM and hydrodynamic model Mike11 for flood forecasts at the Red river system with rainfall prediction from numerical weather forecasting products Fig – Flood Watch for the Red river, Vietnam The module is based on the NAM (rainfall-runoff) component of the MIKE 11 modeling system The Red river basin with area 169000 km2 divided into 27 sub-basins NAM operates by continuously accounting the moisture content in four interrelated storages representing the physical elements of the catchment The forecast rainfall over each subcatchment (average area around 500 km2) is received in real time from NWP The module has been calibrated against available historical discharges from 2004 to 2007 (Fig 2) For the Red river system, almost a haft of basin locates in territory of China where there are no hydrometeorological data or very few of the data Due to the scarcity of observed rainfall at ground-based gauge point network, un-optimal or unrepresentative for small sub-basins, an accuracy of the application of conceptual NAM model has been not very high The lumped model simulations cannot furnish information about flood events within small mountain catchments where the spatial variability of phenomena has to be taken into account using higher-scale resolution That why the distributed hydrological model in the IFAS was applied for using grid-based satellite rainfall estimations and numerical rainfall predictions (Fig 3) 164 Fig NAM model calibration for Da river at Lai Chau Integrated Flood Analysis System (IFAS) [1] is a runoff calculation program conducting a distributionmodel runoff analysis with employing “PWRI” (Public Works Research Institute) distribution- model as runoff analysis engine Satellite rainfall and ground observation rainfall are imported as grid data, waterfall lines are created from DEM data, calculation model is created by setting parameters based on data of land use, geological and soil conditions Calculation results are capable to export to graph or table Results of application of IFAS for the Red river system using the satellite-based rainfall estimation such like GSMaP, TRMM, QMORPH…showed that the system could provide reliable simulated flow for upper parts of the basin where there are no hydro-meteorological data or limitation of these data Fig present result of simulation by IFAS from GSMaP rainfall for the Da and Thai Binh river system on 2008 year 2.2.3 Hydrodynamic Module The Hydrodynamic Module has been set up using MIKE 11, with an automatic linkage to the NAM rainfall-runoff module or IFAS result of runoff simulation to receive the runoff from the dry areas of the sub-catchments and the direct effective precipitation on lakes and flooded areas The module uses an implicit finite difference scheme for the computation of steady and unsteady flows in open channels The module describes critical and subcritical flows through a numerical scheme which adapts to local temporally and spatially varying flow conditions The high order wave formulation applied is particularly suited to flood wave propagation through steep rivers in the upstream catchment like the Red river system in mountainous areas 165 Fig.3 Configuration of the Da river and Thai Binh basin in the IFAS environment 166 Fig Result of runoff simulation by IFAS from GSMaP rainfall for the Da and Thai Binh river system on year 2008 167 Advanced computational modules are applied to the description of flows through fixed and movable hydraulic structures at Son La, Hoa Binh, Tuyen Quang and Thac Ba reservoirs according to the operation rule for this reservoirs cascade 2.2.4 Other Modules Other modules on the hydrological side of the forecast system are the flood forecast module, the flood mapping module and the flood warning module All of them have been set up to run in close communication for the four catchments (Da, Thao, Lo-Gam and Thai Binh river system), that are supervised Warning information is issued via web-based services as well as inside the National Centre for Hydro-Meteorological Forecasting in Hanoi Conclusions Forecasting of flood is now feasible through automatic systems, which continuously predicts the runoff using satellite rainfall estimation, numerical weather prediction, and advanced mathematical models These models are also applied to evaluate various flood patterns and flood mitigation scenarios, leading to the adoption of the most beneficial flood management measure It is important for these applications that the selected models are capable of describing all elements of the flooding correctly This includes the rainfall-runoff process and the dynamics of river flow in flood situations, where structures in the river and on flood plains often play a significant role in the spreading of inundation It is available using the IFAS in combination with Mike11 Flood Watch and weather forecasts (numerical and satellite-based data) for lead-time extension and accuracy improvement of hydrological forecasting, providing the effective tool for flood management and integrated water resources management Reference [1] Integrated Flood Analysis System (IFAS version 1.2), User’s Manual, June 2009, Tsukuba, Japan, Public Works Research Institute (PWRI), International Centre for Water Hazard and Risk Management under the auspices of UNESCO (ICHARM) [2] Mike 11 Flood Watch, DHI Manual, 2007 168 PHỤ LỤC Các nhận xét đơn vị đƣợc chuyển giao công nghệ 169 170 171 PHỤ LỤC Sơ đồ quy trình dự báo lũ kết hợp số liệu vệ tinh, bề mặt số trị cho hệ thống sông Hồng – Thái Bình 172 173