Nghiên cứu mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên đất và nước

Nghiên cứu mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên đất và nước

Đại học quốc gia Hà Nội Trường đại học khoa học tự nhiên Nguyễn Thanh Sơn Nghiên cứu mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy Phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên nước và đất một số lưu vực sông thượng nguồn miền trung Luận án tiến sỹ địa lý Hà Nội - 2008 1 Đại học quốc gia Hà Nội Trường đại học khoa học tự nhiên Nguyễn Thanh Sơn Nghiên cứu mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy Phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên nước và đất một số lưu vực sông thượng nguồn miền trung Chuyên ngành: sử dụng và bảo vệ tài nguyên môi trường Mã số: 62.85.15.01 Luận án tiến sỹ địa lý Người hướng dẫn khoa học: 1. GS. TS. Trương quang hải 2. TS. Lương tuấn anh Hà Nội 2008 2 Mục lục Lời cam đoan 5 Danh mục chữ viết tắt 6 Danh mục bảng biểu .7 Danh mục hình vẽ 8 Mở đầu 10 Chương 1. Tổng quan các nghiên cứu về mưa lũ ở miền trung. cơ sở lý thuyết mô hình mưa dòng chảy và phương pháp SCS 15 1.1. Tổng quan các nghiên cứu và mô hình toán phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên đất và nước lưu vực sông .15 1.1.1. Nghiên cứu, áp dụng mô hình toán để tính toán và dự báo mưa lũ trên thế giới và ở nước ta 15 1.1.2. Nghiên cứu mưa lũ và tài nguyên nước trên địa bàn nghiên cứu 18 1.2. Cơ sở lý thuyết lớp mô hình toán mưa - dòng chảy 20 1.2.1. Mô hình thủy động lực học .26 1.2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng trong mô hình sóng động học một chiều. 28 1.3. Phương pháp SCS 39 1.3.1. Giới thiệu phương pháp SCS .39 1.3.2. Phát triển SCS .41 Chương 2. điều kiện địa lý tự nhiên và kinh tế xã hội một số lưu vực thượng nguồn Miền Trung trong mối liên quan với quá trình mưa dòng chảy 45 2.1. Điều kiện địa lý tự nhiên .45 2.1.1 Vị trí địa lý 45 2.1.2 Địa hình 45 2.1.3. Địa chất, thổ nhưỡng 50 2.1.4. Thảm thực vật 54 2.1.5. Khí hậu 57 2.1.6. Mạng lưới thuỷ văn các lưu vực sông nghiên cứu .58 2.2. Điều kiện kinh tế xã hội 61 2.2.1. Thừa Thiên - Huế .61 2.2.2. Quảng Nam 62 2.2.3. Quảng Ngãi 63 2.3. Đặc điểm mưa, dòng chảy và các biện pháp phòng lũ .65 2.3.1. Đặc điểm mưa, dòng chảy trên các lưu vực nghiên cứu .65 2.3.2 Các biện pháp phòng lũ trên các lưu vực nghiên cứu 66 3 Chương 3. Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy bằng mô hình sóng động học một chiều, phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp SCS .68 3.1. Nâng cao tính ổn định và độ chính xác của phương pháp phần tử hữu hạn mô phỏng không gian thời gian trong mô hình sóng động học một chiều 68 3.1.1. Các vấn đề về tính ổn định và độ chính xác khi giải phương trình sóng động học bằng phương pháp phần tử hữu hạn .68 3.1.2. Các sơ đồ số để giải phương trình sóng động học .71 3.1.3. Một số thuật toán giải hệ phương trình vi phân phi tuyến tính trong mô hình phần tử hữu hạn sóng động học một chiều 75 3.1.4. Thực nghiệm số, đánh giá độ ổn định, độ chính xác của các sơ đồ số và thuật toán phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng cho mô hình sóng động học một chiều .77 3.2. Hiệu chỉnh phương pháp SCS, nâng cao khả năng mô phỏng lũ trên các lưu vực sông ngòi Miền Trung .80 3.2.1. Sử dụng SCS nâng cao khả năng mô phỏng lưu vực 80 3.2.2. Nâng cao khả năng mô phỏng của phương pháp SCS 82 3.2.3. Thực nghiệm số công thức tính độ sâu tổn thất ban đầu trên một số lưu vực Miền Trung. 83 3.3 Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy đối với một số lưu vực sông thượng nguồn Miền Trung .87 3.3.1. Phân tích và xử lý số liệu 87 3.3.2. Xây dựng bộ thông số 88 3.3.3. Xây dựng mô hình và chương trình tính toán 94 3.3.4. Kết quả mô phỏng 95 3.3.5. Nhận xét .99 Chương 4. ứng dụng mô hình mô phỏng quá trình mưa dòng chảy phục vụ dự báo lũ và sử dụng hợp lý tài nguyên nước, đất trên các lưu vực sông thượng nguồn miền trung 103 4.1 ứng dụng mô hình mô phỏng quá trình mưa dòng chảy phục vụ dự báo lũ sông Trà Khúc trạm Sơn Giang 103 4.1.1. Dự báo thử nghiệm mưa gây lũ tại lưu vực sông Trà KhúcSơn Giang105 4.1.2. Dự báo lũ .107 4.2. ứng dụng mô hình mô phỏng quá trình mưa dòng chảy phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên đất trên lưu vực .109 4.2.1. Đánh giá ảnh hưởng của quá trình sử dụng lớp phủ đất đô thị đến sự hình thành lũ 110 4.2.2. Đánh giá ảnh hưởng của lớp phủ rừng đến sự hình thành lũ 114 4.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của quá trình sử dụng lớp phủ đất đô thị đồng thời thay đổi thảm phủ thực vật trên lưu vực sông Tả Trạch - trạm Thượng Nhật.117 4.2.4 Xây dựng bổ sung hồ chứa trên các lưu vực nghiên cứu, tăng cường khả năng cắt lũ làm giảm mực nước hạ du. . 118 4.3. Kết quả và thảo luận 121 4.3.1. Về việc phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên nước 121 4 4.3.2. Về việc phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên đất .122 Kết luận và kiến nghị 124 Danh MụC CáC CÔNG TRìNH CÔNG Bố LIÊN QUAN TớI LUậN áN 127 tài liệu Tham khảo .129 phụ lục 147 Phụ lục 1. Các bản đồ sử dụng trong luận án 148 Phụ lục 2. Các trận lũ dùng để hiệu chỉnh và kiểm định mô phỏng bằng mô hình KW 1D .156 Phụ lục 3. Kết quả đánh giá các kịch bản sử dụng đất trên các lưu vực bằng mô hình KW 1D . 163 Phụ lục 4. Giao diện và các thực đơn chính của phần mềm KW-1D MODEL .175 5 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Nguyễn Thanh Sơn 6 Danh mục chữ viết tắt ACM I, II, III Điều kiện ẩm khô, trung bình và ướt của đất ANN Mô hình mạng thần kinh nhân tạo (Artificial Neural Network) ETA Mô hình khí tượng bất thuỷ tĩnh châu Âu (ETA model) FLOAT Mô hình lan truyền chất ô nhiễm GDP Tổng giá trị sản phẩm trong nước GIBSI Bộ mô hình tổng hợp của Canađa (Gestion Intộgrộe des Bassins versants l'aide d'un Systốme Informatisộ) GIS Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System) HMC Trung tâm thuỷ văn Xô viết (Hydro-Metorology Centre) HRM Mô hình khí tượng khu vực phân giải cao (High Resolution Regional Model) HYDROGIS Mô hình thuỷ văn thuỷ lực của Nguyễn Hữu Nhân IQQM Mô hình mô phỏng nguồn nước (Integrated Quality and Quantity Model) ISIS Mô hình thuỷ động lực học (Interactive Spectral Interpretation System) KOD Mô hình thuỷ lực không ổn định của Nguyễn Ân Niên KW-1D Mô hình sóng động học một chiều MIKE Bộ mô hình thuỷ lực và thuỷ văn lưu vực của Viện Thuỷ lực Đan Mạch MM5 Mô hình khí tượng quy mô vừa ( The NCAR/PSU 5th Generation Mesoscale Model) NAM Mô hình dòng chảy của Đan Mạch (Nedbứr-Afrstrứmnings-Model) ODE Phương trình vi phân thường QUAL2E Mô hình chất lượng nước (Water Quality version 2E) RAMS Mô hình khí tượng khu vực của Mỹ (Regional Atmospheric Modeling System) SCS Cục bảo vệ đất (Soil Conservation Service) SDV Phân rã đơn trị SSARR Mô hình hệ thống diễn toán dòng chảy của Mỹ (Streamflow Synthesis and Reservoir Regulation) SWAT Mô hình mô phỏng dòng chảy mặt qua độ ẩm đất (Soil and Water Assessment Tool) SWMM Mô hình diễn toán thuỷ lực (Storm Water Management Model) TANK Mô hình bể chứa của Nhật Bản USDAL Mô hình dòng chảy phân bố Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ WMO Tổ chức khí tượng thế giới (World Meteorological Organization) X > PET, X< PET Mưa vượt thấm và không vượt thấm 7 Danh mục bảng biểu Bảng 1.1. Đặc điểm của các thông số trong mô hình thuỷ văn tất định .21 Bảng 1.2. Mục đích và đối tượng ứng dụng các mô hình thuỷ văn tất định .22 Bảng 2.1. Hiện trạng rừng năm 2000 lưu vực sông Tả Trạch [14] .54 Bảng 2.2. Hiện trạng rừng năm 2000 lưu vực sông Thu Bồn [14] .55 Bảng 2.3. Hiện trạng rừng năm 2000 lưu vực sông Trà Khúc [14] 55 Bảng 2.4. Lớp phủ thực vật lưu vực sông Vệ theo mức độ che phủ [14] 57 Bảng 3.1. Số trận lũ trên sông Vệ An Chỉ qua các năm dùng để mô phỏng lũ .83 Bảng 3. 2. Kết quả đánh giá mô phỏng lũ theo mô hình sóng động học một chiều .84 phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp SCS sông Vệ - An Chỉ [57] 84 Bảng 3.3. Kết quả đánh giá mô phỏng lũ theo mô hình sóng động học một chiều 85 phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp SCS với Ia = 0.13S .85 Bảng 3.4. Các đặc trưng hình thái lưu vực sông lựa chọn ở Miền Trung .87 Bảng 3.5. Số liệu khí tượng thuỷ văn để mô phỏng lũ trên các lưu vực nghiên cứu 88 Bảng 3.6. Phân tích các lưu vực ra đoạn sông, dải và các phần tử .89 Bảng 3.7. Đánh giá kết quả mô phỏng lũ trên các lưu vực sông nghiên cứu 99 Bảng 4.1 Kết quả đánh giá sai số dự báo lũ với số liệu mưa từ mô hình RAMS 109 Bảng 4.2. ảnh hưởng của lớp phủ đất đô thị đến dòng chảy qua 9 trận lũ trên sông Tả Trạch 111 Bảng 4.3. ảnh hưởng của lớp phủ đất đô thị đến dòng chảy qua 9 trận lũ trên sông Thu Bồn .111 Bảng 4.4. ảnh hưởng của lớp phủ đất đô thị đến dòng chảy qua 3 trận lũ trên sông Trà Khúc .112 Bảng 4.5 ảnh hưởng của lớp phủ đất đô thị đến dòng chảy qua 2 trận lũ trên sông Vệ 112 Bảng 4.6. Kết quả khảo sát đánh giá ảnh hưởng của rừng đến dòng chảy lũ trên các lưu vực sông nghiên cứu 116 Bảng 4.7 ảnh hưởng của lớp phủ đất đô thị đến dòng chảy khi tăng diện tích rừng qua 9 trận lũ trên lưu vực sông Tả Trạch - trạm Thượng Nhật 117 Bảng 4.8. Mực nước lũ 5% trên sông Hương khi có hồ Dương Hoà (Tả Trạch) .118 Bảng 4.9. Các hồ chứa tham gia cắt lũ trên dòng chính sông Vu Gia Thu Bồn .120 Bảng 4.10. Giảm mực nước lũ trên sông Trà Khúc khi có các hồ chứa cắt lũ . 120 8 Danh mục hình vẽ Hình 1.1. Phân loại các mô hình thuỷ văn tất định .21 Hình 1.2. Lưu vực và lưới phần tử hữu hạn tương ứng 32 Hình 1.3. Các biến số có tổn thất dòng chảy trong phương pháp SCS .40 Hình 2.1. Vị trí các lưu vực sông nghiên cứu .46 Hình 2.2. Địa hình lưu vực sông Trà Khúc .48 Hình 2.3. Độ dốc lưu vực sông Trà Khúc .49 Hình 2.4. Sử dụng đất lưu vực sông Trà Khúc 53 Hình 2.5. Rừng lưu vực sông Trà Khúc 56 Hình 2.6. Mạng lưới sông lưu vực sông Trà Khúc trạm Sơn Giang 60 Hình 3.1. Kết quả mô phỏng ( a) v đánh giá sai số (b) trận lũ từ ngày 25/11/1998 đến ngày 27/11/1998 .85 Hình 3.2 So sánh hai phương án (a) hiệu chỉnh SCS và (b) không hiệu chỉnh từ ngày 19/10/2001 đến ngày 20/10/2001 .86 Hình 3.3. Lưới phần tử trên lưu vực sông Tả Trạch trạm Thượng Nhật 90 Hình 3.4. Lưới phần tử trên lưu vực sông Thu Bồn trạm Nông Sơn 91 Hình 3.5. Lưới phần tử trên lưu vực sông Trà Khúc trạm Sơn Giang 92 Hình 3.6 Lưới phần tử trên lưu vực sông Vệ trạm An Chỉ 93 Hình 3.7. Sơ đồ khối của chương trình tính theo mô hình KW-1D .94 Hình 3.8. Mô phỏng trận lũ từ 1h/18/-13h/23/XI/2002 s. Tả Trạch Thượng Nhật 95 Hình 3.9 Kết quả mô phỏng lũ từ 6h/20/X - 6h/24/X/2001 s. Tả Trạch - Thượng Nhật 96 Hình 3.10. Mô phỏng trận lũ từ 7h/28/X 19h/30/X/2000 s. Thu Bồn Nông Sơn 96 Hình 3.11. Mô phỏng trận lũ từ 7h/20/X 19h/23/X/2001 s. Thu Bồn Nông Sơn 97 Hình 3.12. Mô phỏng trận lũ từ 13h/20 - 24/XII/2000 s. Trà Khúc Sơn Giang .97 Hình 3.13. Mô phỏng lũ từ 1h/ 19/XI - 19h/ 25/XI/1998 s, Trà Khúc - Sơn Giang 98 Hình 3.14. Mô phỏng trận lũ từ ngày 21/XI - 24/XI/1998 s. Vệ An Chỉ 98 Hình 4.1. Lượng mưa tích luỹ 72 giờ dự báo được bằng RAMS từ 16 đến 19/XI/2005 trên 9 tiểu lưu vực thuộc sông Trà Khúc - trạm Sơn Giang 107 Hình 4.2. Kết quả dự báo lũ từ 7 giờ ngày 10/X đến 7h ngày 13/X năm 2005 sông Trà Khúc - Sơn Giang 108 Hình 4.3. Kết quả dự báo lũ từ 7 giờ ngày 16/XI đến 7h ngày 19/XI năm 2005 sông Trà Khúc - Sơn Giang 108 Hình 4.4. ảnh hưởng của lớp phủ đất đô thị đến dòng chảy lũ trên sông Tả Trạch trận lũ từ 16h/21 đến 7h/23/X/2001 .111 Hình 4.5. ảnh hưởng của lớp phủ đất đô thị đến dòng chảy lũ trên sông Thu Bồn, trận lũ từ 19h/2 13h/8/X/2003 .112 Hình 4. 6 ảnh hưởng của lớp phủ đất đô thị đến quá trình dòng chảy trên sông Trà Khúc, trận lũ ngày 25 đến 30/XI năm 1998 113 Hình 4.7: ảnh hưởng của lớp phủ đất đô thị đến quá trình dòng chảy lũ trên sông Vệ, trận lũ ngày 21 đến 24/XI năm 1998 .113 9 Hình 4. 8. ảnh hưởng của rừng đến dòng chảy trên sông Tả Trạch - Thượng Nhật trận lũ từ 16h/21đến 4h/23/X/2000 114 Hình 4.9. ảnh hưởng của lớp phủ đất đô thị khi tăng diện tích rừng đến dòng chảy lũ trên lưu vực sông Tả Trạch - trạm Thượng Nhật, trận lũ 23h/4 đến 10h/6/XII/1999 117 Hình 4.10. Vị trí hồ chứa cắt lũ (dự kiến) trên các lưu vực sông nghiên cứu . 119 [...]... kiện địa lý tự nhiên và kinh tế xã hội một số lưu vực thượng nguồn Miền Trung trong mối liên quan với quá trình mưa dòng chảy Chương 3: Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy bằng mô hình sóng động học một chiều, phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp SCS 13 Chương 4: ứng dụng mô hình mô phỏng quá trình mưa dòng chảy phục vụ dự báo lũ và sử dụng hợp lý tài nguyên nước, đất trên các... Nghiên cứu mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên nước và đất trên một số lưu vực sông ngòi Miền Trung (QG 0 7-1 5, 2007); 4) Nghiên cứu áp dụng phương pháp SCS phục vụ công tác phòng chống lũ và quy hoạch lưu vực sông ngòi Trung Trung Bộ( CB 705606, 2006) 8.2 Tài liệu từ các đề tài do tác giả là thành viên tham gia chính: 1) Nghiên cứu vận dụng mô hình thuỷ động lực, mưa. .. Chương 1 Tổng quan các nghiên cứu về mưa lũ ở miền trung cơ sở lý thuyết mô hình mưa dòng chảy và phương pháp SCS 1.1 Tổng quan các nghiên cứu và mô hình toán phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên đất và nước lưu vực sông 1.1.1 Nghiên cứu, áp dụng mô hình toán để tính toán và dự báo mưa lũ trên thế giới và ở nước ta Ngày nay, trong tính toán và dự báo lũ, đánh giá ảnh hưởng của việc sử dụng, khai thác bề... trình mưa - dòng chảy phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên nước và đất một số lưu vực sông thượng nguồn Miền Trung nhằm góp phần nâng cao chất lượng công tác cảnh báo, dự báo dòng chảy lũ từ mưa, đồng thời phục vụ quản lý tài nguyên nước và đất theo hướng điều tiết dòng chảy lưu vực Mô hình sóng động học một chiều phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp SCS là một mô hình thông số dải, sử dụng đầu vào... tích hợp dữ liệu viễn thám và GIS, về lan truyền chất hóa học, về xói mòn đất và vận chuyển phù sa và chất lượng nước Bộ mô hình thuộc Chương trình sử dụng nước WUP của ủy hội sông Mê Công hỗ trợ ra quyết định phân bổ nguồn nước theo các kịch bản sử dụng tài nguyên môi trường gồm 3 mô đun chính (1) mô hình SWAT để diễn toán quá trình mưa 16 dòng chảy; (2) mô hình IQQM dùng để mô phỏng nguồn nước và. .. mà chỉ liên kết đầu vào (mưa) và đầu ra (dòng chảy) của hệ thống Mặt khác mô hình có thể là tất định, mô tả các quá trình thủy văn dựa trên các phương trình vật lý toán và các quan niệm logic về sự hình thành dòng chảy từ mưa 20 Dựa trên cấu trúc vật lý, các mô hình tất định mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy được phân loại thành các mô hình thuỷ động lực học, mô hình nhận thức và mô hình hộp đen (Hình... ứng dụng Các lý luận hiện nay về cơ chế hình thành dòng chảy thường bỏ qua ảnh hưởng của địa hình và kết cấu đất [2], và đó chính là nhược điểm của chúng Việc ứng dụng các lý thuyết về cơ chế hình thành dòng chảy để mô hình hoá các quá trình thuỷ văn cũng rất đa dạng Nhiều tác giả chỉ mô phỏng dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm Một số khác lại mô phỏng đủ cả dòng chảy mặt, sát mặt, dòng chảy ngầm, dòng chảy. .. dựng được một mô hình toán đủ khả năng dự báo lũ đồng thời là công cụ tư vấn về việc sử dụng hợp lý tài nguyên nước và đất trên các lưu vực sông Miền Trung, gồm: a) Triển khai thành công lưới các phần tử cho các lưu vực sông tự nhiên và bộ thông số của mô hình; b) Xây dựng chương trình tính và phần mềm để dự báo dòng chảy lũ từ mưa 11 cũng như phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên nước và đất các lưu vực... và lập luận khác nhau để xây dựng các mô hình toán mô phỏng quá trình mưa dòng chảy, nhưng tất cả đều thống nhất ở chỗ là cần tập trung mô tả hai quá trình chính: quá trình thấm và quá trình vận chuyển nước trên lưu vực Tùy vào mục đích khai thác, sử dụng mà mô hình có thể phát triển hoặc theo hướng (1) nghiên cứu chi tiết hóa 24 thêm các quá trình thành phần (làm phức tạp mô hình) hoặc (2) khái quát... áp dụng và khai thác hữu hiệu các mô hình toán vào công nghệ tính toán và dự báo lũ cũng như phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên đất và nước trên các lưu vực sông 1.1.2 Nghiên cứu mưa lũ và tài nguyên nước trên địa bàn nghiên cứu Miền Trung là vùng có chế độ khí hậu khắc nghiệt, là vùng chuyển tiếp giữa hai miền khí hậu Bắc - Nam [42, 79], là nơi hứng chịu nhiều thiên tai: bão, áp thấp nhiệt đới, nước . Nghiên cứu mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên nước và đất trên một số lưu vực sông ngòi Miền Trung (QG 0 7-1 5, 2007); 4) Nghiên. Nguyễn Thanh Sơn Nghiên cứu mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy Phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên nước và đất một số lưu vực sông thượng