Tại Sao Phải Dùng Mô Hình Toán Để Tính Toán Dự Báo Lũ

mo hinh toan

Đ Ề TÀI Tại Sao Phải Dùng Mô Hình Toán Để Tính Toán Dự Báo Lũ ? I. Sự cần thiết của mô hình toán trong dự báo lũ  Ảnh hưởng của lũ đối với đời sống con người Lũ là hiện tượng nước sông dâng cao trong một khoảng thời gian nhất định, sau đó giảm dần. Trong mùa mưa lũ, những trận mưa từng đợt liên tiếp trên lưu vực sông, làm cho nước sông từng đợt nối tiếp nhau dâng cao, tạo ra những trận lũ trong sông, suối. Vào các tháng mùa mưa có các trận mưa lớn, cường độ mạnh, nước mưa tích luỹ nhanh, nếu đất tại chỗ đã no nước thì nước mưa đổ cả vào dòng chảy, dễ gây ra lũ. Có thể nói lũ lụt là hiện tương thuỷ văn đặc biệt nguy hiểm, nhất là lũ quét. Trong một số trường hợp nó có sức tàn phá khủng khiếp và trở thành thảm hoạ tự nhiên gây ra những thiệt hại to lớn cho người và của cải.  Tại sao phải là mô hình toán ? Yêu cầu về dự báo lũ đã trở thành vấn đề cấp thiết trong dự báo thủy văn, kỹ thuật dự báo ngày càng phát triển nâng cao để có thể kịp thời cảnh báo cho người dân sống trong vùng thường xuyên chịu ảnh hưởng của lũ. Nhằm có thể giảm đi những thiệt hại do lũ gây ra, việc xây dựng các mô hình toán là một phương pháp hiệu quả trong dự báo lũ và cảnh báo nguy cơ ngập lụt. Các mô hình tính toán có thể được chỉnh sửa để phù hợp với các tham số vật lý, đặc điểm địa hình dòng chảy, điều kiện tính toán thực tế . điều đó có tác động lớn đến độ chính xác và tính kịp thời trong dự báo thuỷ văn nói chung cũng như dự báo lũ nói riêng. Bên cạnh đó, các mô hình toán không ngừng hoàn thiện kỹ thuật, luôn được bổ sung, mềm dẽo hơn với sự hỗ trợ của các phần mềm thông tin, công nghệ viễn thám v… v…và ứng dụng vào dự báo trên diện rộng mà các phương pháp truyền thống không đáp ứng được. II. Các mô hình toán trong dự báo lũ 1) Phân loại các mô hình toán trong dự báo thủy văn Có ba loại:  Mô hình ngẫu nhiên: - Dòng chảy lũ được xem như một quá trình ngẫu nhiên. - Số liệu để xây dựng mô hình là bản thân chuỗi dòng chảy quá khứ, đủ dài để bộc lộ được hết đặc tính, bản chất của nó. - Sử dụng trong dự báo dòng chảy theo tháng, mùa, năm và nhiều năm ở các lưu vực vừa và lớn. Ít sử dụng trong dự báo ngắn hạn. 1 Trường Đại Khoa Học Tự Nhiên TPHCM Bộ Môn: Hải Dương Học Lớp: 05HD1A - Không mô tả yếu tố hình thành dòng chảy. - Kết quả đầu ra mang tính ngẫu nhiên. - Khai thác hệ thông tin tất định từ chuỗi số liệu thực đo, ít quan tâm đến bản chất vật lý của hiện t ượng.  Mô hình tất định: - Trong quá trình hình thành dòng chảy các thành phần tất định đóng vai trò chủ yếu. Các thành phần tất định có thể xác định hoặc nhận thức được thông qua đánh giá, phân tích bản chất vật lý của hiện tượng. - Mô phỏng quá trình hình thành dòng chảy lũ trên lưu vực. - Mô hình tất định có nhiều dạng khác nhau như: mô hình hộp đen, mô hình nhận thức (hộp xám), mô hình thủy lực (hộp trắng)  Mô hình tất định-ngẫu nhiên: - Là sự kết hợp của hai mô hình tất định và ngẫu nhiên, nhằm khắc phục môt số hạn chế của hai mô hình này. - Cấu trúc của mô hình tất định-ngẫu nhiên có xét đến: - Tính chu kỳ, tính nhiễu của quá trình thủy văn trong mô hình ngẫu nhiên. - Đồng thời cũng xét đến bản chất vật lý của các quá trình thủy văn trong mô hình tất định. 2) Một số mô hình cụ thể  Mô hình MARINE Mô hình tính toán thủy văn Marine do Viện Cơ học chất lỏng Toulouse- IMFT(Cộng hòa Pháp ) xây dựng Dựa trên phương trình Saint-Vernant để tính toán dự báo quá trình hình thành, lan truyền lũ trên lưu vực. Dự báo tốt các cơn lũ sinh ra do mưa trên lưu vực nhỏ, nhưng đòi hỏi phải có số liệu địa hình, thổ nhưỡng, lớp phủ, mạng lưới trạm khí tượng thủy văn đủ dày, đặc biệt phải dự báo được mưa với độ phân giải cao.  Mô hình SSARR Tổng hợp dòng chảy và điều tiết hồ chứa. Đặc điểm của mô hình: Xây dựng một sơ đồ hình thế cho hệ thống sông, bao gồm: • Các lưu vực bộ phận sinh dòng chảy . • Điều kiện thủy văn tương đối đồng nhất • Các đoạn sông diễn toán lũ • Các hồ chứa • Các đoạn sông xử lý nước vật • Các điểm nối và tổng hợp dòng chảy Kết quả tính toán phụ thuộc vào việc xác định các thông số và các quan hệ vật lý, chỉ số, chỉ tiêu được xác định khá mềm dẻo. Nhược điểm: sử dụng nhiều quan hệ dưới dạng bảng làm cho việc điều chỉnh mô hình gặp nhiều khó khăn và khó tối ưu hóa. Mô hình SSARR được cải biên để ứng dụng cho hệ thống sông Hồng, sông Trà Khúc, sông Vệ và cho kết quả khá tốt trong tính toán và dự báo nghiệp vụ. 2  Mô hình TANK Lưu vực được mô phỏng bằng chuỗi các bể chứa xếp theo tầng và cột phù hợp với hình dạng lưu vực, cấu trúc thổ nhưỡng, địa chất,…Mưa trên lưu vực được xem như lượng vào của bể chứa trên cùng. Mỗi bề chứa đều có một cửa ra ở đáy. Mô hình đơn giản nhất là kiểu cột bể TANK đơn: 4 bể trên một cột. Phù hợp cho các lưu vực nhỏ có độ ẩm cao. Mô hình phức tạp hơn là mô hình TANK kép gồm một số cột bể mô phỏng quá trình hình thành dòng chảy trên lưu vực, và các bể mô tả quá trình truyền sóng lũ trong sông. Ưu điểm: Ứng dụng tốt cho lưu vực vừa và nhỏ. Khả năng mô phỏng dòng chảy tháng, dòng chảy ngày, dòng chảy lũ. Nhược điểm: có nhiều thông số nhưng không rõ ý nghĩa vật lý nên khó xác định trực tiếp. Việc thiết lập cấu trúc và thông số hóa mô hình chỉ có thể thực hiện được sau nhiều lần thử sai, đòi hỏi người sử dụng phải có nhiều kinh nghiệm và am hiểu mô hình. Mô hình TANK ứng dụng dự báo ngắn hạn quá trình lũ cho thượng lưu sông Thái Bình và một số nhánh nhỏ hệ thống sông Hồng.  Mô hình MIKE 11 Xây dựng tại Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI). Mô hình thuỷ động lực học dòng chảy 1 chiều trong kênh hở, bãi ven sông, vùng ngập lũ. Ưu điểm nổi trội so với các mô hình khác như: • Liên kết với GIS. • Kết nối với các mô hình thành phần khác của bộ MIKE ví dụ như mô hình mưa rào-dòng chảy NAM, mô hình thuỷ động lực học 2 chiều MIKE 21, mô hình dòng chảy nước dưới đất, dòng chảy tràn bề mặt và dòng bốc thoát hơi thảm phủ (MIKE SHE) Kết quả thử nghiệm dự báo tác nghiệp bằng mô hình MIKE 11 là rất khả quan. Mô-đun mô hình thủy động lực (HD) là một phần trọng tâm của hệ thống lập mô hình MIKE 11 và hình thành cơ sở cho hầu hết các mô-đun bao gồm: • Dự báo lũ và vận hành hồ chứa. • Các phương pháp mô phỏng kiểm soát lũ. • Vận hành hệ thống tưới và tiêu thoát bề mặt. • Thiết kế các hệ thống kênh dẫn. • Nghiên cứu sóng triều và dòng chảy do mưa ở sông và cửa sông. Mô hình MIKE 11 được áp dụng để dự báo lũ và vận hành các công trình phòng chống lũ cho hệ thống sông Hồng - Thái Bình. 3 Các sông trong sơ đồ tính bao gồm: sông Đà, sông Thao, sông Lô, sông Hồng, sông Cầu, sông Thương, sông Lục Nam, sông Đuống, sông Thái Bình, sông Kinh Thầy, sông Kinh Môn, sông Lai Vu, sông Gùa, sông Đá Bạch, sông Mới, sông Mía, sông Luộc, sông Lạch Tray, sông Hoá, sông Trà Lý, sông Đào Nam Định và sông Đáy.  Mô hình DIMOSOP (Distributed hydrological model for the special observing period) Sử dụng dữ liệu dạng điểm của các trạm đo mưa trong lưu vực hoặc sử dụng kết quả dự báo dưới dạng ô lưới (grid) là đầu ra của các mô hình dự báo thời tiết như MM5 và BOLAM để dự báo lũ. Cấu trúc chính của mô hình dựa trên quan điểm chia lưu vực tính toán ra thành một hệ thống các ô lưới. Kích thước của mỗi ô lưới phụ thuộc vào mức độ chi tiết của số liệu thu thập cũng như yêu cầu tính toán. Mỗi một ô lưới trên lưu vực đều được đặc trưng bởi một yếu tố thủy văn nào đó, có thể là một phần tử của lưu vực, có thể là một phần tử của sông, hay là một phần tử của hồ chứa . Đầu vào của mô hình này ngoài lượng mưa còn là bản đồ địa hình dưới dạng DEM, bản đồ hiện trạng sử dụng đất, loại đất dưới dạng ô lưới Grid (vì đây là mô hình thủy văn phân bố), và các loại công trình cũng như quy trình vận hành của các công trình. Đầu ra của mô hình chính là lưu lượng hay mực nước lũ tại bất kỳ một ô lưới nào (điểm nào) trên lưu vực chứ không phải hạn chế chỉ tại một vị trí như các mô hình thủy văn thông số gộp đưa ra. Ưu điểm: • Khả năng sử dụng thông tin toàn cầu như bản đồ đất, hiện trạng sử dụng đất, ảnh vệ tinh để mô phỏng lưu vực đặc biệt hữu ích cho các lưu vực liên quốc gia, khi mà thông tin về lưu vực ở phần quốc gia kia không thu thập được hoặc thu thập được nhưng không chính xác vì đầu vào của mô hình như đã nêu trên toàn ở dạng ô lưới. 4 • Có khả năng kết nối với các mô hình khí tượng BOLAM và MM5 để kéo dài thời gian dự báo phục vụ vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa. • Một lần chạy mô hình sẽ cho kết quả dự báo của nhiều trạm, nhiều vị trí khác nhau với thời gian dự báo lên đến 5 ngày. Hiện tại đang sử dụng dự báo lũ trung hạn cho hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình. Đây là mô hình được đánh giá rất khả quan cần được nghiên cứu áp dụng cho các lưu vực khác. Nhìn chung về các mô hình. Hiện nay, các mô hình toán thủy văn, thủy lực một chiều trong hệ phương trình đầy đủ của St. Venant (như các phần nềm MIKE 11, ISIS, ONDA, FLUCOMP và HEC- RAS .sử dụng) vẫn là những mô hình thông dụng nhất dùng để dự báo mức độ ngập lụt do lũ. Mô hình HYDROGIS do Viện Khí tượng thủy văn tiến hành áp dụng trong tính toán dự báo lũ lụt hệ thống sông Hồng-Thái Bình. Đây là một tiếp cận khác phát huy tính chủ động sáng tạo trong nghiên cứu dự báo lũ. Nhìn chung đối với các sông miền Trung, mô hình toán thủy văn như TANK, NAM, HEC-HMS, mô hình thủy lực thường được áp dụng. Mô hình MIKE-11 với những mô đun riêng biệt như dự báo thủy văn, vận hành hồ chứa, điều khiển công trình, đặc biệt có mô đun dự báo với chức năng tự động cập nhật sai số nên đây là mô hình được sử dụng để dự báo tác nghiệp. Mô hình HMS và HEC-RAS đã cho kết quả tốt trong tính toán mưa - dòng chảy, thủy lực, vận hành hồ chứa và các công trình phân chậm lũ. Tuy nhiên, mô hình không có mô đun cập nhật sai số - một mô đun cực kỳ quan trọng của một mô hình dự báo, vì thế rất khó sử dụng trong công tác dự báo tác nghiệp. Mô hình HMS, HEC-RAS và MIKE-11, VRSAP thường dùng cho dự báo lũ hệ thống sông Hồng - Thái Bình. NHÓM TH Ự C HI Ệ N: 0521001 Ma Thị Trường An 0521003 Nguyễn Thuỵ Trang Anh 0521005 Võ Thi Xuân Chi 052032 La Thanh Nhật Linh 0521037 Nguyễn Thi Kim Ngân 0521050 Ngô Nam Thịnh 0521051 Hoàng Thị Thanh Thuỷ TÀI LIỆU THAM KHẢO: http://tvmt.wru.edu.vn/index.php?option=com_content&task=view&id=365&Itemid= 70 http://www.clst.ac.vn/AP/tapchitrongnuoc/hdkh/2001/so06/10.html http://www.imh.ac.vn/b_tintuc_sukien/ba_hoatdong/mlnews.2005-07-08.8089688717 http://www.imh.ac.vn/c_tt_chuyen_nganh/ce_detai_duan/researchtopic.2004-09- 13.1208124850/researchtopic_view 5 http://www.sihymete.org.vn/ctbaocao.php?idbc=32 http://www.imh.ac.vn/c_tt_chuyen_nganh/cc_thongbao_thuyvan/mlnews.2005-08- 13.0494687631 http://tvmt.wru.edu.vn/index.php?option=com_content&task=view&id=388 http://web.thanhnien.com.vn/News/PrintView.aspx?ID=214315 http://www.gisdevelopment.net/aars/acrs/1999/ts14/ts14106b.shtml Tài liệu bồi dưỡng nghiệp vụ dự báo viên khí tượng thủy văn. 6 . Đ Ề TÀI Tại Sao Phải Dùng Mô Hình Toán Để Tính Toán Dự Báo Lũ ? I. Sự cần thiết của mô hình toán trong dự báo lũ  Ảnh hưởng của lũ đối với đời. những mô hình thông dụng nhất dùng để dự báo mức độ ngập lụt do lũ. Mô hình HYDROGIS do Viện Khí tượng thủy văn tiến hành áp dụng trong tính toán dự báo lũ