Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy và cân bằng nước

Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy cân nước MỤC LỤC PHẦN I ỨNG DỤNG MÔ HÌNH NAM TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY CHƯƠNG GIỚI THIỆU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA MÔ HÌNH NAM 1.1 GIỚI THIỆU MÔ HÌNH NAM .4 1.1.1 Quá trình hình thành mưa, dòng chảy .4 1.1.1.1 Quá trình mưa 1.1.1.2 Quá trình tổn thất 1.1.1.3 Quá trình tập trung nước sườn dốc sông 1.1.1.4 Mô hình hóa trình mưa dòng chảy 1.1.1.5 Các loại mô hình hóa mưa dòng chảy 1.1.2 Giới thiệu mô hình Nam 1.1.2.1 Khái quát mô hình NAM .6 1.1.2.2 Cấu trúc mô hình .6 1.2 PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA MÔ HÌNH 1.2.1 Phân tích thủy văn 1.2.2 Dự báo lũ 1.2.3 Kéo dài số liệu dòng chảy 1.2.4 Dự báo dòng chảy kiệt .7 CHƯƠNG HIỆU CHỈNH VÀ XÁC ĐỊNH BỘ THÔNG SỐ MÔ HÌNH NAM 2.1 CÁC TÀI LIỆU DÙNG HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH 2.2 PHÂN CHIA CÁC TRẠM MƯA PHỤ TRÁCH CÁC TIỂU LƯU VỰC .8 2.3 CÁC THÔNG SỐ CẦN HIỆU CHỈNH 2.4 NHỮNG ĐIỀU KIỆN BAN ĐẦU 10 2.5 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 11 2.6 CHẠY MÔ HÌNH 11 Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy cân nước 2.6.1 Các file cần có ñể chạy mô hình Nam 11 2.6.2 Nhập liệu 12 CHƯƠNG SỬ DỤNG BỘ THÔNG SỐ MÔ HÌNH TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY CHO CÁC TIỂU LƯU VỰC KHÁC .27 3.1 CÁC TÀI LIỆU DÙNG TRONG TÍNH TOÁN 27 3.2 PHÂN CHIA CÁC TRẠM MƯA PHỤ TRÁCH CÁC TIỂU LƯU VỰC.27 3.3 CHUẨN BỊ DỮ LIỆU ĐỂ CHẠY MÔ HÌNH .27 3.3.1 Chuẩn bị liệu bốc mưa .27 3.3.2 File liệu mưa dòng chảy .27 3.3.3 Nhập liệu cho Nam 28 3.4 CHẠY MÔ HÌNH .28 PHẦN II ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE BASIN TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NƯỚC CHƯƠNG GIỚI THIỆU MÔ HÌNH .37 CHƯƠNG CHẠY MÔ HÌNH MIKE BASIN 39 2.1 TẠO DỰ ÁN 39 2.2 PHÂN CHIA LƯU VỰC 41 2.2.1 Tính toán hướng dòng chảy 41 2.2.2 Phân chia lưu vực 45 2.3 CÂN BẰNG NƯỚC .53 2.3.1 Chuẩn bị liệu cần nhập vào mô hình 53 2.3.2 Nhập liệu vào mô hình 65 2.3.3 Chạy mô mô hình .73 Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy cân nước PHẦN I ỨNG DỤNG MÔ HÌNH NAM TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy cân nước CHƯƠNG GIỚI THIỆU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA MÔ HÌNH NAM 1.1 GIỚI THIỆU MÔ HÌNH NAM 1.1.1 Quá trình hình thành mưa, dòng chảy Sau trận mưa rơi lưu vực, kết mặt cắt cửa ta thu ñược trình lưu lượng, kết tổng hợp nhiều trình xảy ñồng thời Như từ có mưa rơi xuống ñến có lượng dòng chảy mặt cắt cửa ñã xảy trình − Quá trình mưa − Quá trình tổn thất − Quá trình hình thành dòng chảy sườn dốc − Quá trình tập trung nước sườn dốc sông 1.1.1.1 Quá trình mưa Mưa trình quan trọng ñóng vai trò hình thành dòng chảy lưu vực Lượng mưa trình mưa ñịnh lưu lượng trình dòng chảy 1.1.1.2 Quá trình tổn thất Tổn thất trình phức tạp, nhiều thành phần chịu ảnh hưởng nhiều nhân tố khác Tổn thất bao gồm thành phần sau: Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy cân nước − Tổn thất tích ñọng: gồm tổn thất tích ñọng bề mặt tổn thất tích ñọng ñiền trũng − Tổn thất thấm: tổn thất lớn nhất, chiếm phần lớn tổn thất lưu vực mưa xảy − Tổn thất bốc hơi: bao gồm bốc mặt ñất, mặt nước bốc thoát nước thực vật 1.1.1.3 Quá trình tập trung nước sườn dốc sông Tốc ñộ chảy sườn dốc phụ thuộc vào yếu tố như: − Lớp dòng chảy sườn dốc (lớp nước mưa hiệu quả) − Độ dốc sườn dốc − Độ nhám sườn dốc 1.1.1.4 Mô hình hóa trình mưa dòng chảy 1.1.1.5 Các loại mô hình hóa mưa dòng chảy Hiện mô hình tính dòng chảy từ số liệu mưa có nhiều loại: − Các mô hình kiểu bể chứa: mô hình TANK, SSARR, NAM vv − Các mô hình kiểu lũ ñơn vị mô hình HEC-HMS − Các mô hình phát triển công thức nguyên dòng chảy mô hình quan hệ (Rational model), tỷ lệ thời gian diện tích (Time – Area model) Các mô hình tính dòng chảy từ số liệu mưa thường ñược dùng ñể khôi phục, bổ sung số liệu dòng chảy biết số liệu mưa, phục vụ thiết kế công trình sông, tính toán nguồn nước phục vụ quy hoạch thuỷ lợi tính toán dự báo dòng chảy lũ Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy cân nước 1.1.2 Giới thiệu mô hình Nam 1.1.2.1 Khái quát mô hình NAM Cùng với việc tiếp cận áp dụng công nghệ tiên tiến nước nước ngoài, năm 2002 với hợp tác phủ nước (Việt Nam-Đan Mạch), mô hình họ MIKE ñược giới thiệu, giảng dạy áp dụng cho số lưu vực Việt Nam Bộ mô hình MIKE phần mềm tiên tiến ñã ñược áp dụng, quảng bá nhiều nước giới ñã ñược dịch nhiều thứ tiếng Tây Ban Nha, Trung Quốc, Nhật Bản ñang ñược dịch sang tiếng Việt Bộ mô hình bao gồm mô hình với chức tính toán khác mô hình NAM, MIKE BASIN, MIKE 11, MIKE FLOOD, MIKE 21C, MIKE MOUSE… Mô hình thuỷ văn NAM mô trình lượng mưa - dòng chảy mặt xảy phạm vi lưu vực sông NAM từ viết tắt tiếng Đan Mạch “NedborAfstromnings-Model”, có nghĩa mô hình giáng thuỷ dòng chảy Mô hình ñầu tiên Khoa Tài nguyên nước Thuỷ lợi trường Đại học Đan Mạch xây dựng (Nielsen Hansen, 1973) tiếp tục ñược Viện Thuỷ lực Đan Mạch (DHI) nâng cấp ứng dụng cho nhiều dự án kỹ thuật thuỷ văn nhiều vùng khí hậu khác giới NAM hình thành nên phần môñun lượng mưa - dòng chảy (RR - Rainfall Runoff) mô hình MIKE11 Mô ñun mưa - dòng chảy (RR) áp dụng ñộc lập sử dụng ñể trình bày nhiều lưu vực tham gia, tạo dòng chảy bổ sung vào mạng lưới sông Theo cách việc thực xử lý lưu vực sông nhỏ riêng lẻ xử lý lưu vực sông lớn có chứa nhiều lưu vực sông nhỏ mạng lưới sông ngòi phức tạp khung công việc lập mô hình ñều thực 1.1.2.2 Cấu trúc mô hình Cấu trúc mô hình NAM ñược thể hình 1, mô tầng chứa nước chu trình thuỷ văn NAM mô trình mưa-dòng chảy việc tính toán liên tục lượng nước bốn bể chứa có quan hệ với mà chúng diễn tả thành phần vật lý khác lưu vực Những bể chứa bao gồm: bể chứa tuyết, bể chứa mặt, bể chứa tầng sát mặt (vùng rễ cây) cuối bể chứa ngầm Trên sở ñầu vào khí tượng, NAM tạo ñược dòng chảy thông tin thành phần tầng ñất chu trình thuỷ văn, biến ñổi theo thời gian lượng bốc thoát nước, lượng ẩm ñất, trình thấm vào nước ngầm, mực nước ngầm v.v Kết dòng chảy lưu vực ñược tách thành dòng chảy mặt, dòng chảy sát mặt dòng ngầm NAM xử lý lưu vực ñơn vị ñơn lẻ Do ñó, thông số biến diễn tả giá trị trung bình cho toàn lưu vực Một số thông số mô hình ñược ñánh giá từ số liệu vật lý lưu vực, kết cuối phải ñược xác ñịnh việc hiệu chỉnh mô hình Dữ liệu ñầu vào mô hình mưa, bốc tiềm năng, nhiệt ñộ (chỉ áp dụng cho vùng có tuyết) Kết ñầu mô hình dòng chảy lưu vực, mực nước ngầm thông tin khác chu trình thuỷ văn, thay ñổi tạm Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy cân nước thời ñộ ẩm ñất khả bổ sung nước ngầm Dòng chảy lưu vực ñược phân cách gần ñúng thành dòng chảy mặt, dòng chảy sát mặt dòng chảy ngầm Hình Sơ ñồ cấu trúc mô hình NAM 1.2 PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA MÔ HÌNH 1.2.1 Phân tích thủy văn − Phân phối dòng chảy − Ước tính thấm bốc 1.2.2 Dự báo lũ − Dòng chảy lưu vực nhỏ ñổ vào mô hình sông − Liên kết với mô hình khí tượng 1.2.3 Kéo dài số liệu dòng chảy − Phục hồi số liệu bị thiếu − Cơ sở xác ñịnh giá trị cực ñoan 1.2.4 Dự báo dòng chảy kiệt − Phục vụ tưới − Quản lý chất lượng nước Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy cân nước CHƯƠNG HIỆU CHỈNH VÀ XÁC ĐỊNH BỘ THÔNG SỐ MÔ HÌNH NAM 2.1 CÁC TÀI LIỆU DÙNG HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH − Tài liệu ñịa hình: Sử dụng ñồ cao ñộ số (Dem) ñể phân chia tiểu lưu vực tài liệu diện tích tiểu lưu vực − Tài liệu mưa ngày (4-11 năm) vùng hiệu chỉnh kiểm ñịnh mô hình − Tài bốc tháng trạm vùng hiệu chỉnh mô hình, - 11 năm − Tài liệu lưu lượng thực ño ngày trạm thủy văn, – 10 năm 2.2 PHÂN CHIA CÁC TRẠM MƯA PHỤ TRÁCH CÁC TIỂU LƯU VỰC − Lượng mưa phân phối không ñồng ñều theo không gian theo ñộ cao Những lưu vực có diện tích lớn phân phối lượng mưa không ñồng ñều − Càng sử dụng nhiều trạm ño mưa gần lưu vực nghiên cứu kết hiệu chỉnh xác − Để phân chia trạm ño mưa phụ trách cho tiểu lưu vực có nhiều cách nhiên phân chia theo phương pháp thiessen Phương pháp ña giác thiessen Cơ sở phương pháp coi lượng mưa ño ñược vị trí ñó lưu vực ñại diện cho lượng mưa khu vực ñịnh quanh Diện tích khu vực ñó ñược khống chế ñường trung trực ñoạn thẳng nối liền trạm với Cách làm cụ thể sau: nối trạm ño mưa ñồ thành tam giác cho cạnh tam giác ñó không cắt Sau ñó vẽ ñường trung trực tam giác ñó, ñường tạo thành ña giác Lượng mưa trạm ño nằm ña giác lượng mưa bình quân phần diện tích thuộc ña giác ñó Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy cân nước Hình Sơ ñồ tính mưa bình quân lưu vực theo phương pháp ña giác Thiessen với ñiểm ño mưa 1,2,3,4 − Sau phân chia lưu vực theo trạm mưa theo phương pháp thiessen mà diện tích lưu vực lớn, trạm mưa ñại diện cho lưu vực ñó, nhân hệ số vào lượng mưa ( dựa ñường ñẳng trị mưa tham khảo số liệu lưu lượng ñã tính dự án khác) ñể tăng ñộ xác việc tính lưu lượng 2.3 CÁC THÔNG SỐ CẦN HIỆU CHỈNH Mô hình NAM bao gồm thống số cần hiệu chỉnh ñược trình bày chi tiết Bảng ñây Bảng Bảng tổng hợp thông số hiệu chỉnh mô hình Nam Thông số Mô tả thông số mô hình Umax [mm] Lượng nước tối ña bể chứa mặt Lượng trữ ñược gọi lượng nước ñể ñiền trũng, rơi mặt thực vật, chứa vài cm bề mặt ñất Giá trị thông thường: 10-25 mm Lmax [mm] Lượng nước tối ña bể chứa tầng rễ Lmax ñược gọi lượng ẩm tối ña tầng rễ ñể thực vật hút ñể thoát nước Giá trị thông thường : 50-250 mm CQOF [ ] Hệ số dòng chảy tràn mặt (0 ≤ CQOF ≤1) CQOF ñịnh phân phối mưa hiệu cho dòng chảy ngầm thấm Giá trị thông thường : 0,01 – 0,99 CKIF [giờ] Hằng số thời gian dòng chảy sát mặt CKIF với Umax ñịnh dòng chảy sát mặt Nó chi phối thông số diễn toán dòng chảy sát mặt CKIF >> CK12 Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy cân nước CK12 [giờ] Hằng số thời gian cho diễn toán dòng chảy mặt sát mặt Dòng chảy mặt sát mặt ñược diễn toán theo bể chứa tuyến tính theo chuỗi với số thời gian CK12 Giá trị thông thường : - 48 hours TOF [ ] Giá trị ngưỡng dòng chảy mặt (0 ≤ TOF ≤1) Dòng chảy mặt ñược hình thành lượng ẩm tương ñối ñất tầng rễ lớn TOF TIF [ ] Giá trị ngưỡng dòng chảy sát mặt (0 ≤ TIF ≤1) Dòng chảy sát mặt ñược hình thành số ẩm tương ñối tầng rễ lớn TIF Giá trị thông thường : 0,0 – 0,7 TG [ ] Giá trị ngưỡng lượng nước bổ sung cho dòng chảy ngầm (0 ≤ TG ≤1) Lượng nước bổ sung cho bể chứa ngầm ñược hình thành số ẩm tương ñối tầng rễ lớn dòng TG Giá trị thông thường : 0,0 – 0,7 CKBF [giờ] Hằng số thời gian dòng chảy mặt ngầm Dòng chảy ngầm từ bể chứa ngầm ñược diễn toán mô hình bể chứa tuyến tính với số thời gian CKBF Giá trị thông thường : 500 - 5000 hours Khi thay ñổi thông số mô hình dòng chảy thay ñổi theo quy luật, kinh nghiệm thay ñổi thông số mô hình: Thông số Thay ñổi Quy luật diễn biến Umax [mm] Tăng Thay ñổi thêm vài dạng ñường cong ñỉnh ñáy Lmax [mm] Tăng Đỉnh thấp CQOF [ ] Tăng Đỉnh cao ñáy hạ thấp CKIF [giờ] Thay ñổi Hình dạng ñường thay ñổi CK12 [giờ] Càng nhỏ Đỉnh cao thời gian lũ lên xuống ngắn TOF [ ] Càng nhỏ Thay ñổi ñỉnh ñáy lớn TIF [ ] Càng nhỏ Dòng chảy mùa hạ thay ñổi rõ nét TG [ ] Càng lớn Đỉnh thay ñổi lớn, ñáy thấp CKBF [giờ] Càng lớn Càng lớn ñường ñáy mùa khô cong 2.4 NHỮNG ĐIỀU KIỆN BAN ĐẦU Những ñiều kiện ban ñầu theo yêu cầu mô hình NAM bao gồm lượng nước bể tuyết, bể mặt, bể chứa tầng rễ cây, với giá trị ban ñầu dòng chảy từ bể chứa tuyến tính cho dòng chảy mặt sát mặt dòng chảy ngầm Trong việc hiệu chỉnh mô hình, thông thường nên bỏ qua kết mô nửa năm ñầu tiên ñể loại bỏ ảnh hưởng sai số ñiều kiện ban ñầu Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com 10 Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy cân nước 2.5 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ∗ Đánh giá kết hiệu chỉnh theo biểu ñồ tính toán thực ño ∗ Đánh giá qua thông số : Hệ số tổng lượng hệ số hiệu mô hình Về tiêu chuẩn ñánh giá kết mô phỏng, phương pháp thống kê ñược dùng ñể ñịnh lượng sai khác chuỗi số liệu tính toán thực ño ñể ñánh giá khả mô mô hình Hai phương pháp thống kê ñược sử dụng ñể ñánh giá ñộ tin cậy mô dòng chảy vị trí có tài liệu thực ño lưu vực sông mô hình NAM gồm: • ∑ Hệ số tổng lượng % : N i =1 Pi − ∑i =1 Oi N ∑i =1 Oi • Hệ số hiệu mô hình %: N ∑ N i =1 100% (Oi − O ) − ∑i =1 ( Pi − Oi ) N ∑i =1 (Oi − O) N 100% Trong ñó N ñộ dài số liệu quan trắc, Oi giá trị số liệu quan trắc thứ i, Pi số liệu tính toán thứ i, O bình quân số liệu quan trắc (i = ñến N) Ngoài phương pháp thống kê, ñộ tin cậy mô hình ñược ñánh giá so sánh biểu ñồ chuỗi số liệu tính toán thực ño Nếu diện tích lưu vực lớn mà trạm ño mưa ñánh giá kết hiệu chỉnh mô hình vào mùa mưa mùa khô Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com 11 [...].. .Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy và cân bằng nước 2.5 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ∗ Đánh giá kết quả hiệu chỉnh theo biểu ñồ giữa tính toán và thực ño ∗ Đánh giá qua 2 thông số : Hệ số tổng lượng và hệ số hiệu quả mô hình Về tiêu chuẩn ñánh giá kết quả mô phỏng, phương pháp thống kê ñược dùng ñể ñịnh lượng sai khác giữa chuỗi số liệu tính toán và thực ño ñể ñánh giá... liệu quan trắc (i = 1 ñến N) Ngoài các phương pháp thống kê, ñộ tin cậy của mô hình cũng ñược ñánh giá bằng so sánh trên biểu ñồ chuỗi số liệu tính toán và thực ño Nếu diện tích lưu vực lớn mà ít trạm ño mưa thì ñánh giá kết quả hiệu chỉnh mô hình vào mùa mưa và mùa khô Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com 11 ... sử dụng ñể ñánh giá ñộ tin cậy khi mô phỏng dòng chảy các vị trí có tài liệu thực ño trong các lưu vực sông của mô hình NAM gồm: • ∑ Hệ số tổng lượng % : N i =1 Pi − ∑i =1 Oi N ∑i =1 Oi • Hệ số hiệu quả mô hình %: N ∑ N i =1 100% (Oi − O ) 2 − ∑i =1 ( Pi − Oi ) 2 N ∑i =1 (Oi − O) 2 N 100% Trong ñó N là ñộ dài số liệu quan trắc, Oi là giá trị số liệu quan trắc thứ i, Pi số liệu tính toán thứ i, và O ... Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy cân nước PHẦN I ỨNG DỤNG MÔ HÌNH NAM TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com... trình thuỷ văn, thay ñổi tạm Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy cân nước thời ñộ ẩm ñất khả bổ sung nước ngầm Dòng chảy lưu vực ñược phân... lượng nước Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy cân nước CHƯƠNG HIỆU CHỈNH VÀ XÁC ĐỊNH BỘ THÔNG SỐ MÔ HÌNH NAM 2.1 CÁC TÀI LIỆU DÙNG