Nghiên cứu ứng dụng mô hình số thủy văn đánh giá lượng bổ cập cho nước dưới đất; áp dụng cho hạ lưu sông đồng nai

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT MÔN HỌC CÔNG NGHỆ 3S Chủ đề: “Nghiên cứu ứng dụng mơ hình số thủy văn đánh giá lượng bổ cập cho nước đất; áp dụng cho hạ lưu sông Đồng Nai” GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN THỰC HIỆN PGS.TS Nguyễn Trường Xuân Học viên: Mai Phú Lực Lớp: Cao học ĐCTV - K31 Hà Nội, tháng 06/2016 MỤC LỤC Trang MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG I TỔNG QUAN MƠ HÌNH WETSPASS I.1 Lịch sử phát triển I.2 Tổng quan mơ hình WetSpass CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT MƠ HÌNH WETSPASS .7 II.1 Cấu trúc mô hình WetSpass II.2 Tính tốn cân nước ô lưới II.2.1 Vùng có thảm thực vật II.2.2 Vùng đất trống 10 II.2.3 Vùng nước mặt 10 II.2.4 Vùng không thấm 11 II.3 Dữ liệu đầu vào kết mơ hình WetSpass 12 II.3.1 Dữ liệu đầu vào WetSpass 12 II.3.2 Kết mơ hình WetSpass 12 II.4 Cấu trúc bảng đầu vào WetSpass 13 II.4.1 Bảng thông số loại đất 13 II.4.2 Bảng hệ số dòng chảy mặt 15 II.4.3 Bảng thông số sử dụng đất 21 CHƯƠNG III ỨNG DỤNG MƠ HÌNH WETSPASS ĐÁNH GIÁ LƯỢNG BỔ CẬP CHO NƯỚC DƯỚI ĐẤT Ở TỈNH ĐỒNG NAI 23 III.1 Xây dựng lớp đồ cho mơ hình WetSpass 23 III.1.1 Bản đồ lượng bốc 27 III.1.2 Bản đồ gió 27 III.1.3 Bản đồ mực nước ngầm .28 III.1.4 Bản đồ mưa 28 III.1.5 Bản đồ sử dụng đất 29 III.1.6 Bản đồ nhiệt độ trung bình 30 III.1.7 Bản đồ độ dốc 31 III.1.8 Bản đồ thổ nhưỡng 32 III.1.9 Bản đồ địa hình 33 III.2 Kết tính tốn năm 2012 34 KẾT LUẬN 35 MỞ ĐẦU Mục tiêu chủ đề gồm: tổng quan mô hình WetSpass, sở lý thuyết mơ hình WetSpass, ứng dụng mơ hình WetSpass đánh giá lượng bổ cập cho NDĐ tỉnh Đồng Nai Nội dung báo cáo gồm 03 chương khơng kể phần mở đầu kết luận: - Chương I – Tổng quan mơ hình WetSpass - Chương II – Cơ sở lý thuyết mơ hình WetSpass - Chương III – Ứng dụng mơ hình WetSpass đánh giá lượng bổ cập cho NDĐ tỉnh Đồng Nai Chủ đề tiến hành thu thập tổng hợp tài liệu liên quan đến phương pháp mơ hình số thủy văn Các tài liệu thu thập kết nghiên cứu có vùng kết hợp với thông tin nghiên cứu CHƯƠNG I TỔNG QUAN MƠ HÌNH WETSPASS I.1 Lịch sử phát triển Mơ hình WetSpass hồn thiện bởi Batelaan De Smedt, Đại học Vijre vào năm 2001 Đây mơ hình cân nước trạng thái ổn định theo không gian, phát triển dựa mơ hình khác có tên WetSpa (mơ hình thủy văn phân phối dựa quy luật tự nhiên dùng để dự báo trao đổi nước nhiệt đất, thảm phủ thực vật, khí phạm vi vùng, lưu vực) Asefa (1998) tích hợp WetSpass với GIS ARC/INFO môi trường phát triển mở (ODE) máy trạm UNIX Giao diện đồ họa cho người dùng phát triển nhằm tạo thuận lợi cho việc khai thác mơ hình thơng qua việc sử dụng OSF/Motif C Giao diện cho phép số liệu đầu vào mơ hình tạo ra, lưu trữ thể ARC/INFO-ODE Gebremeskel (2012) mở rộng giao diện WetSpass cách thêm MODFLOW vào GIS ARC/INFO ODE Ngoài ra, giao diện có khả liên kết hai mơ hình cách cho phép sử dụng kết mơ hình WetSpass làm đầu vào mơ hình MODFLOW Giao diện chuyển đổi số liệu đầu dạng ASCII mơ hình MODFLOW vào lưới sử dụng chức ASCIIGRID ARC/INFO, thể kết đồ thị Sau đó, phiên nâng cấp WetSpass MODFLOW tích hợp ArcView Kassa (2001) Tác giả ứng dụng AVENUE, ngôn ngữ lập trình ArcView, để thiết lập giao diện cho hai mơ hình Giao diện thiết kế đặc biệt để tạo thuận lợi tự động hóa q trình xử lý để xây dựng tập số liệu đầu vào mơ để xem hiệu chỉnh kết mơ hình I.2 Tổng quan mơ hình WetSpass Mơ hình sử dụng số liệu khí hậu trung bình dài hạn với đồ độ cao, sử dụng đất đồ đất để mơ phân bố khơng gian dịng chảy mặt, độ bốc lượng bổ cập cho nước đất vùng Mơ hình tích hợp nhúng GIS ArcView (phiên 3.x) dạng mơ hình mảnh (raster), viết Avenue, thông số việc sử dụng đất liên quan tới loại đất liên kết với mơ hình dạng bảng thuộc tính Điều cho phép dễ dàng định nghĩa loại đất sử dụng đất việc thay đổi giá trị thơng số Mơ hình chứa biến không gian như: phân bố đất, thảm phủ, độ dốc…Hình đưa sơ đồ đồ cân nước ô lưới Tổng lượng cân nước cho phân tích ra, phụ thuộc vào cân nước phần đất trống, thực vật, ao hồ đất không thấm Sự không đồng yếu tố đầu vào theo không gian phụ thuộc vào độ phân giải ô lưới Các q trình lưới xếp theo lớp Điều có nghĩa sau mưa rơi lưu vực, tiếp sau diễn trình hình vẽ Hình 1: Một lưới giả thiết WetSpass Mục đích WetSpass thiết lập liên kết mơ hình thủy văn WetSpass mơ hình nước đất MODFLOW (phiên 2000) Mơ hình chạy nối tiếp với mơ hình với trao đổi số liệu đầu vào liên tục Vì vậy, đầu kết chạy mơ hình MODFLOW, chiều sâu mực nước đất, sử dụng đầu vào để chạy mơ hình WetSpass đầu mơ hình WetSpass, lượng bổ cập dùng đầu vào cho mơ hình MODFLOW để tính tốn chiều sâu mực nước đất Tuy nhiên, dự án lại dùng mơ hình nước đất GMS Hơn nữa, WetSpass chưa có khả liên kết với mơ hình nước đất khác ngồi MODFLOW-2000 Nhóm nghiên cứu phát triển cơng cụ để liên kết mơ hình WetSpass mơ hình nước đất Trước mắt, việc liên kết thực thủ công: chạy WetSpass trước dùng kết mơ hình WetSpass để bổ sung liệu đầu vào cho mơ hình nước đất Sau chạy mơ hình nước đất, kết độ sâu mực nước ngầm đưa vào để chạy WetSpass cho bước thời gian Vì lý đó, báo cáo này, nhóm nghiên cứu tập trung vào trình bày nội dung việc ứng dụng khai thác mơ hình WetSpass, bao gồm: - Cơ sở lý thuyết mơ hình: cấu trúc mơ hình, giả thuyết, phương trình cân nước,… - Dữ liệu đầu vào mơ hình: lớp liệu đầu vào gồm yếu tố khí hậu, lớp phủ, sử dụng đất,… - Ứng dụng mô hình WetSpass để đánh giá lượng bổ cập cho nước đất tỉnh Đồng Nai: bước cần tiến hành để ứng dụng mơ hình WetSpass cho khu vực nghiên cứu: hiệu chỉnh liệu đầu vào, bảng thơng số, khó khăn q trình thực hiện,… CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT MƠ HÌNH WETSPASS II.1 Cấu trúc mơ hình WetSpass Mơ hình sử dụng nhiều lớp để mơ q trình cân nước nhiệt cho lưới, gồm trình: giáng thủy, ngưng tụ, tuyết tan, tích nước vùng trũng, thấm, bốc hơi, ngấm, chảy tràn, chảy sát mặt dòng chảy ngầm Hệ thống mơ q trình thủy văn gồm có bốn bể chứa: lớp phủ thực vật, lớp đất bên trên, tầng rễ tầng nước ngầm bão hoà Mưa rơi từ khí trước xuống mặt đất bị giữ lại lượng ngưng tụ Phần mưa lại rơi xuống mặt đất chia thành hai phần phụ thuộc vào thảm phủ, loại đất, độ dốc, cường độ mưa độ ẩm kì trước đất Thành phần làm đầy vùng trũng mặt đất đồng thời chảy tràn mặt đất phần lại ngấm vào đất Phần mưa ngấm giữ lại đới rễ cây, chảy sát mặt hay thấm sâu xuống tầng nước ngầm, chúng phụ thuộc vào độ ẩm đất Nước tích tụ từ lưới chảy sát mặt phụ thuộc vào lượng trữ nước ngầm hệ số triết giảm Thấm từ lớp đất giả định cung cấp cho lượng nước ngầm Chảy sát mặt từ đới rễ giả định đóng góp vào dịng chảy tràn diễn tốn cửa lưu vực với dòng chảy tràn Tổng lượng dịng chảy tràn từ lưới tổng lượng dịng chảy tràn, sát mặt dịng ngầm Bốc diễn từ thực vật qua hệ thống rễ lớp đất phần nhỏ từ lượng nước ngầm Cân nước lượng ngưng tụ gồm có mưa, bốc qua dịng chảy Cân nước cho vùng trũng gồm có lượng mưa rơi, thấm, bốc chảy tràn Cân nước cho khối đất gồm: ngấm, bốc thoát hơi, thấm chảy sát mặt Cân nước cho lượng nước ngầm gồm: lượng cung cấp cho nước ngầm, bốc thoát từ tầng sâu dòng chảy sát dòng ngầm II.2 Tính tốn cân nước lưới Các thành phần cân nước gồm diện tích thảm thực vật, đất trống, mặt nước tự nhiên, bề mặt khơng thấm nước sử dụng để tính tốn cân nước ô lưới ETraster = avETv + asEs + aoEo + aiEi 2.1 Sraster =avSv + asSs + aoSo + aiSi 2.2 Rraster =avRv + asRs + aoRo + aiRi 2.3 ETraster, Sraster, Rraster tổng lượng bốc hơi, dòng chảy mặt lượng bổ cập cho NDĐ ô lưới, yếu tố có thành phần diện tích thảm thực vật, đất trống, mặt nước tự nhiên, bề mặt không thấm nước ký hiệu av, as, ao, Lượng mưa coi điểm bắt đầu để tính tốn cân nước thành phần nêu ô lưới, q trình cịn lại (interception – khơng thấm, dịng chảy mặt, bốc bổ cập) tính Cơ sở lý thuyết cân nước thành phần trình bày sau II.2.1 Vùng có thảm thực vật Cân nước cho vùng có thảm thực vật dựa lượng mưa trung bình theo mùa (P), lượng nước bị giữ lại (I), dòng chảy mặt (Sv), lượng bốc thực tế (Tv) bổ cập nước ngầm (Rv), tất có thứ ngun [LT-1], cơng thức liên quan trình bày phía P = I + S v + T v + Es + R v 2.4 Trong đó: P: lượng mưa trung bình (mm) I: lượng nước bị giữ lại (mm) Sv: dòng chảy mặt (mm) Tv: lượng bốc thoát thảm phủ thực vật (mm) Es: lượng bốc từ đất Rv: lượng bổ cập vào tầng nước đất (mm) Hình 2: Các thành phần cân nước vùng có thảm phủ thực vật Lượng mưa: Sử dụng số liệu quan trắc từ trạm đo mưa khu vực nghiên cứu Lượng nước bị giữ lại Lượng nước bị giữ lại tính dựa vào hệ số giữ nước (tỷ lệ phần trăm lương mưa bị giữ lại) Hệ số giữ nước phụ thuộc vào loại thảm phủ thực vật Dòng chảy mặt Dòng chảy mặt tính tốn dựa vào mối quan hệ lượng mưa với lượng bốc hơi, khả giữ nước thấm nước đất Đầu tiên dòng chảy mặt tiềm (Sv-pot) tính cơng thức: Sv-pot = Csv (P - I) Trong 2.5 Sv-pot: dịng chảy mặt tiềm (mm) Csv : hệ số dòng chảy mặt, phụ thuộc vào loại thảm phủ thực vật, loại đất độ dốc Hệ số định nghĩa bảng thơng số dịng chảy mặt Ở bước thứ hai, dịng chảy mặt thực tế tính từ Sv-pot cách xem xét khác biệt cường độ mưa mối quan hệ với khả thấm đất Sv = CHor Sv-pot 2.6 Trong Sv: dịng chảy mặt (mm) CHor: hệ số mô tả tỷ lệ lượng mưa đóng góp vào hình thành dịng chảy mặt Hệ số định nghĩa bảng thông số thổ nhưỡng Bốc thoát nước Lượng bốc thoát nước tham chiếu tính tốn theo phương pháp Penman: Trv = c Eo 2.7 Trong Trv: lượng bốc thoát tham chiếu [LT-1] E0: hệ số bốc thoát Penman [LT-1] c: hệ số phụ thuộc vào loại thảm phủ thực vật [–] Sau tính lượng bốc thoát nước tham chiếu, lượng bốc thoát nước thực tế tính trường hợp: - Đối với khu vực thoát nước đất có thảm phủ thực vật, lượng bốc thực tế với lượng bốc tham Tv = Trv (Gd −ht) ≤Rd 2.10 Trong Gd, độ sâu mực nước đất [L]; ht độ cao đới có sức căng bão hịa [L] Rd độ sâu tầng rễ [L] - Đối với vùng có thảm phủ thực vật mà độ sâu mực nước ngầm thấp độ sâu đới rễ lượng bốc thực tế tính bằng: Tv = f(θ)Trv (Gd −ht) > Rd 2.11 f(θ) hàm số hàm lượng nước trạng thái thay đổi theo thời gian, định nghĩa sau 2.12 Với w =P +(θfc −θpwp )Rd 2.13 a1 tham số hiệu chỉnh, tỷ lệ với hàm lượng cát loại đất [-]; w lượng nước sẵn có cho q trình bốc [LT-1] θfc − θpwp hàm lượng nước có thực vật [T-1] bước thời gian, tính mức chênh lệch lượng nước thực vật lúc bình thường so với lúc héo rũ Lượng bổ cập Thành phần cuối cùng, lượng bổ cập vào nước ngầm, tính thành phần lại cân nước: Rv = P – Sv – Tv – I 2.14 II.2.2 Vùng đất trống Cân nước cho vùng đất trống tương tự trên, khơng có thành phần lượng nước bị giữ lại bốc thoát thực vật P = S s + Es + R s 2.15 Trong đó: P: lượng mưa (mm) Ss: dịng chảy mặt (mm) Es: bốc đất (mm) Rs: lượng bổ cập (mm) Hình : Các thành phần cân nước vùng đất trống Từ đó, lượng bổ cập tính bằng: Rs = P - Ss - Es 2.16 II.2.3 Vùng nước mặt Cân nước vùng nước mặt tương tự trên, khơng có thành 10 ... II.4.2 Bảng hệ số dòng chảy mặt 15 II.4.3 Bảng thông số sử dụng đất 21 CHƯƠNG III ỨNG DỤNG MƠ HÌNH WETSPASS ĐÁNH GIÁ LƯỢNG BỔ CẬP CHO NƯỚC DƯỚI ĐẤT Ở TỈNH ĐỒNG NAI 23... Chương I – Tổng quan mơ hình WetSpass - Chương II – Cơ sở lý thuyết mô hình WetSpass - Chương III – Ứng dụng mơ hình WetSpass đánh giá lượng bổ cập cho NDĐ tỉnh Đồng Nai Chủ đề tiến hành thu... mơ hình, giả thuyết, phương trình cân nước, … - Dữ liệu đầu vào mơ hình: lớp liệu đầu vào gồm yếu tố khí hậu, lớp phủ, sử dụng đất,… - Ứng dụng mơ hình WetSpass để đánh giá lượng bổ cập cho nước