Ứng dụng mô hình thủy văn mô phỏng dòng chảy năm hồ chứa nước định bình

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN NGỌC THANH ỨNG DỤNG MƠ HÌNH THỦY VĂN MƠ PHỎNG DÕNG CHẢY NĂM HỒ CHỨA NƯỚC ĐỊNH BÌNH Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng cơng trình thuỷ Mã số: 60.58.02.02 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH THỦY ĐÀ NẴNG - 2018 Cơng trình hoàn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS Tô Thúy Nga Phản biện 1: PGS TS Nguyễn Chí Cơng Phản biện 2: TS Võ Ngọc Dương Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ họp Trường Đại học Bách khoa vào ngày 21 tháng năm 2018 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Thông tin - Học liệu, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng - Thư viện Khoa Xây dựng Thủy Lợi – Thủy Điện, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Hồ chứa nước Định Bình xây dựng hồn thành đưa vào khai thác sử dụng năm 2009, dung tích thiết kế 226,21 triệu m3 nước Địa điểm xây dựng sông Kôn thuộc xã Vĩnh Hảo, huyện Vĩnh Thạnh, tỉnh Bình Định Đây hồ chứa thủy lợi lớn cơng trình trọng điểm tỉnh Bình Định, góp phần đáng kể cho việc phát triển kinh tế xã hội địa phương Nhiệm vụ hồ chứa nước cung cấp nước tưới cho 28.060 đất nông nghiệp; xả hạ lưu Q = m3/s chống cạn kiệt dòng chảy xâm nhập mặn cửa sông, bảo vệ môi trường sinh thái khu vực; cấp nước cho công nghiệp nông thôn, cho dân sinh nuôi trồng thủy sản; cắt lũ bảo vệ mùa màng, giảm nhẹ lũ vụ cho vùng hạ du; kết hợp với nuôi trồng thủy sản, phát điện (công suất N = 9,9 MW) khai thác nguồn lợi khác Tuy nhiên, theo đánh giá ngân hàng giới (WB), Việt Nam quốc gia chịu tác động nhiều Biến đổi khí hậu nước biển dâng Trong khoảng 50 năm trở lại đây, nhiệt độ trung bình năm tăng 0,6 - 0,80C, mực nước biển dâng tăng khoảng 20cm, lượng mưa có xu hướng gia tăng mùa lũ suy giảm vào mùa kiệt Đây thách thức lớn với kinh tế nông nghiệp nước ta Tác động BĐKH trái đất nóng lên ảnh hưởng lớn đến nhu cầu nước dùng cho nông nghiệp, cho cấp nước sinh hoạt môi trường Thực tế khoảng 10 năm trở lại ta thấy, Biến đổi khí hậu nên lưu vực sông Kôn thuộc hạ lưu hồ chứa nước Định Bình chịu ảnh hưởng nặng nề lũ lụt hạn hán, với tần suất xảy ngày tăng phức tạp, năm 2007, 2009, 2011, 2013 2016: mùa khơ mưa, nắng nóng kéo dài gây khơ hạn thiếu nước nghiêm trọng, cuối năm xảy mưa lũ lớn bất thường, gây thiệt hại nặng nề, ảnh hưởng lớn đến việc điều hòa cung cấp nước cơng trình, phục vụ nước tưới cho sản xuất nơng nghiệp Vì vậy, việc cần thiết phải tính tốn xây dựng sở khoa học, phù hợp với thực tiễn sớm đưa giải pháp tối ưu để ứng phó với điều kiện Biến đổi khí hậu tương lai Xuất phát từ lý nêu trên, tác giả chọn đề tài “Ứng dụng mơ hình thủy văn mơ dịng chảy năm hồ chứa nƣớc Định Bình” Mục tiêu nghiên cứu Đánh giá lại lượng nước đến lưu vực hồ chứa nước Định Bình tương lai có xét đến Biến đổi khí hậu, để làm sở đề xuất giải pháp thích hợp khai thác hiệu hồ chứa nước Định Bình xây dựng kế hoạch sản xuất quy hoạch chuyển đổi cấu loại trồng hợp lý, để góp phần thúc đẩy kinh tế - xã hội địa phương phát triển bền vững Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Mơ phỏng, đánh giá thay đổi chế độ dịng chảy lưu vực hồ chứa nước Định Bình xét đến ảnh hưởng Biến đổi khí hậu cho giai đoạn kỷ 21 - Phạm vi nghiên cứu: Lưu vực cơng trình hồ chứa nước Định Bình Phƣơng pháp nghiên cứu 4.1 Cách tiếp cận Từ số liệu thực tế kịch biến đổi khí hậu Bộ Tài nguyên Môi trường năm 2016 công bố cho vùng, áp dụng mơ hình tốn thủy văn tính tốn dịng chảy tiểu lưu vực, tìm thơng số tối ưu mơ hình Sau đó, áp dụng tính tốn dòng chảy năm cho lưu vực hồ chứa nước Định Bình tương lai 4.2 Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp kế thừa nghiên cứu - Phương pháp phân tích, thống kê xử lý số liệu - Phương pháp ứng dụng mơ hình tốn Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Từ kết nghiên cứu chuyển giao cho quan quản lý hồ chứa, nâng cao trình độ chun mơn cho người kỹ sư tham gia thực Xây dựng thơng số mơ hình phù hợp với lưu vực nghiên cứu ứng với kịch biến đổi khí hậu, làm sở tính tốn dự báo nguồn nước đến đủ độ tin cậy để kịp thời phục vụ công tác vận hành hồ chứa, có chế độ cấp nước cho sinh hoạt, sản xuất phục vụ tưới tiêu cách hợp lý Số liệu dự báo giúp cho đơn vị có liên quan có nhìn tổng thể chế độ dòng chảy ứng với kịch biến đổi khí hậu tương lai Giúp cho đơn vị Quản lý, có kế hoạch vận hành hồ chứa nước Định Bình hợp lý, vừa đảm bảo an tồn cho cơng trình, vừa tránh tình trạng thiếu nước tưới, sinh hoạt sản xuất mùa khô, góp phần nâng cao hiệu sản xuất kinh doanh cho doanh nghiệp đảm bảo an sinh xã hội khu vực hưởng lợi Nội dung luận văn bao gồm Luận văn gồm phần Mở đầu, 03 chương phần kết luận kiến nghị CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN KHU VỰC HỒ CHỨA NƢỚC ĐỊNH BÌNH VÀ SỰ ẢNH HƢỞNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN TÀI NGUYÊN NƢỚC 1.1 Đặc điểm địa lý tự nhiên 1.1.1 Vị trí địa lý khu vực Hờ chứa nước Định Bình xây dựng thượng nguồn sơng Kơn xã Vĩnh Hảo, huyện Vĩnh Thạnh, tỉnh Bình Tổng diện tích lưu vực tính đến tuyến cơng trình F=1.040km2 1.1.2 Địa hình địa mạo Khu vực nghiên cứu nằm vùng có địa hình đồi núi cao, dãy núi phát triển theo hướng Bắc Nam, đỉnh núi có cao độ 800 ÷ 900m bị phân cách bỡi nhánh suối nhỏ sông Kôn 1.2 Đặc điểm địa chất, thổ nhƣỡng khu vực nghiên cứu 1.2.1 Điều kiện địa chất 1.2.2 Điều kiện thổ nhưỡng, thảm thực vật 1.3 Đặc điểm khí hậu thủy văn khu vực 1.3.1 Đặc điểm khí hậu: - Mạng lưới yếu tố thời gian quan trắc khí tượng khu vực vùng liên quan: Bảng 1: Mạng lưới trạm quan trắc yếu tố khí tượng - thủy văn T Tên trạm Tọa độ địa lý Kinh độ T Vĩ độ Thời Số Yếu kỳ năm tố đo đo đo Ghi Vĩnh Kim 108.76667 14.23333 1983-2008 26 X(mm) X(mm): Vĩnh Sơn 108.76666 14.30000 1995-2008 14 X(mm) Điểm đo Định Bình 108.80000 14.13333 1995-2008 14 X(mm) mưa Kbang 108.61667 14.16667 1989-2008 20 X(mm) T Tên trạm Tọa độ địa lý Kinh độ T Vĩ độ Thời Số Yếu kỳ năm tố đo đo đo Krong 108.43333 14.31667 1983-2008 26 X(mm) An Hịa 108.90594 14.56589 1995-2008 14 X(mm) Hồi Ân 108.88333 14.36667 1995-2008 14 X(mm) An Khê 108.65000 13.95000 1983-2008 26 X(mm) Bình Tường 108.85515 13.94805 1983-2008 26 X,Q 10 Quy Nhơn 109.21760 13.78633 1983-2008 26 Z Ghi Trạm T.văn o - Nhiệt độ khơng khí (T C): - Độ ẩm khơng khí (u%): - Số nắng, n (giờ/ngày): - Vận tốc gió, v (m/s) - Lượng bốc tổn thất bốc mặt nước, Z (mm): - Tình hình gió, bão vùng: - Lượng mưa: Lượng mưa trung bình nhiề u năm vùng đa ̣t từ 1700 ÷ 1800 mm ở vùng đồ ng bằ ng đạt 2000  2200 mm ở các vùng núi hoă ̣c các sườn phía Đông , Đông Nam Những vùng núi cao lươ ̣ng mưa đa ̣t 2200 mm 1.3.2 Đặc điểm thủy văn 1.3.2.1 Mạng lưới sơng ngịi 1.3.2.2 Dịng chảy năm Dòng chảy năm lượng dòng chảy sản sinh lưu vực thời đoạn năm với thay đổi năm Lượng dòng chảy năm phụ thuộc vào hai nhân tố quan trọng lượng mưa (X) bốc năm (Z) 1.3.2.3 Dòng chảy lũ 1.3.2.4 Dòng chảy kiệt 1.4 Tổng quan ảnh hƣởng BĐKH đến tài nguyên nƣớc 1.4.1 Xu biến đổi khí hậu 1.4.1.1 Xu biến đổi khí hậu quy mơ tồn cầu 1.4.1.2 Xu biển đổi khí hậu Việt Nam Trung bình nước, nhiệt độ trung bình năm thời kỳ 19582004 tăng khoảng 0,62°C, riêng giai đoạn (1985-2014) nhiệt độ tăng khoảng 0,42°C 1.4.2 Tình hình biến đổi khí hậu Việt Nam 1.4.2.1 Nhiệt độ 1.4.2.2 Lượng mưa Bảng 2: Thay đổi lượng mưa (%) 57 năm qua (1958-2014) vùng khí hậu Khu vực Xuân Hè Thu Đông Năm Tây Bắc 19,5 -9,1 -40,1 -4,4 -5,8 Đông Bắc 3,6 -7,8 -41,6 10,7 -7,3 Đồng Bắc Bộ 1,0 -14,1 -37,7 -2,9 -12,5 Bắc Trung Bộ 26,8 1,0 -20,7 12,4 0,1 Nam Trung Bộ 37,6 0,6 11,7 65,8 19,8 Tây Nguyên 11,5 4,3 10,9 35,3 8,6 Nam Bộ 9,2 14,4 4,7 80,5 1.4.2.3 Các tượng cực đoan liên quan đến nhiệt độ 1.4.2.4 Các tượng cực đoan liên quan đến mưa 1.4.2.5 Bão áp thấp nhiệt đới 6,9 1.4.3 Các kịch biến đổi khí hậu cho Việt Nam 1.4.4 Tổng quan nghiên cứu ảnh hưởng BĐKH đến tài nguyên nước [3] 1.4.5 Tình hình sử dụng tài nguyên nước nước ta [4] CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT LẬP MƠ HÌNH THỦY VĂN TRÊN LƢU VỰC HỒ ĐỊNH BÌNH 2.1 Tổng quan mơ hình thủy văn 2.1.1 Giới thiệu chung 2.1.2 Các bước thiết lập mơ hình - Thu thập thơng tin hệ thống thủy văn, xác định mục tiêu mơ tốn học hệ thống - Chọn loại mơ hình tốn mơ tả hệ thống - Xác lập cấu trúc hệ thống mô tả sơ đồ mối quan hệ thành phần hệ thống - Chọn thơng số mơ hình đặc trưng cho mối quan hệ thành phần hệ thống thiết lập biểu thức toán học, biểu thức logic q trình - Xác định thơng số mơ hình - Kiểm định mơ hình - Ứng dụng mơ hình sau kiểm định tính tốn theo nhiệm vụ tốn đặt 2.1.3 Phân loại mơ hình dịng chảy 2.1.3.1 Mơ hình hộp đen 2.1.3.2 Mơ hình quan niệm 2.1.4 Các mơ hình thủy văn tiêu biểu 2.1.4.1 Mơ hình HEC–HMS (Hydrologic Engineering CenterHydrologic Modeling System) 2.1.4.2 Mơ hình TANK 2.1.4.3 Mơ hình MIKE – SHE 2.1.4.4 Mơ hình SWAT 2.1.5 Phân tích lựa chọn mơ hình thủy văn áp dụng mơ cho lưu vực: Với mơ hình với mức độ phân bố cao số lượng tham số hiệu chỉnh giảm Những mơ hình có mức độ phân bố cao trình hiệu chỉnh đơn giản kết mơ hình phản ánh thực tế Từ đưa kết đáng tin cậy Tuy nhiên, mô hình phân bố u cầu liệu xác cao nhiều so mơ hình tập trung Trong lưu vực hồ chứa nước Định Bình lưu vực không lớn, tài liệu khí tượng thủy văn lưu vực thu thập để phục vụ nghiên cứu tính tốn chưa đủ dài đảm bảo độ tin cậy cao Vì ta lựa chọn mơ hình tập trung MIKE-NAM để tính tốn dịng chảy đến lưu vực hồ Định Bình phù hợp 2.2 Khái qt mơ hình NAM: Mơ hình NAM mơ hình thuỷ văn mơ q trình mưa - dịng chảy diễn lưu vực Là mơ hình tốn thủy văn, mơ hình NAM bao gồm tập hợp biểu thức tốn học đơn giản để mơ q trình chu trình thuỷ văn Mơ hình NAM mơ hình nhận thức, tất định, thơng số tập trung Đây mơđun tính dịng chảy từ mưa phần mềm thương mại MIKE 11 Viện Thủy lực Đan Mạch xây dựng phát triển 2.2.1 Các điều kiện ban đầu: 10 chứa tuyến tính (mm/h) QIF - cường suất dòng chảy sát mặt qua bể chứa tuyến tính (mm/h) BF - cường suất dịng chảy ngầm (mm/h) 2.2.2 Các thơng số mơ hình Umax Lượng trữ bề mặt tối đa; Lmax Lượng trữ tối đa tầng đáy; CQOF Hệ số dòng chảy bề mặt, khơng có thứ ngun; TOF Giá trị ngưỡng tầng đáy cho dòng chảy tràn mặt; TIF Giá trị ngưỡng dòng chảy sát mặt; TG Giá trị ngưỡng tầng đáy cho lưu lượng; CKIF Hệ số thời gian dịng chảy sát mặt, có thứ ngun thời gian (giờ); CKBF Hệ số thời gian cho lộ trình dịng chảy đáy; CK1, CK2 Là số thời gian cho dịng chảy tràn mặt 2.3 Xây dựng mơ hình Mike Nam cho lƣu vực hồ Định Bình 2.3.1 Dữ liệu đầu vào: - Bản đồ phân chia tiểu lưu vực; mạng lưới sơng suối vị trí trạm khí tượng thủy văn vùng nghiên cứu; - Số liệu mưa ngày thực đo 04 trạm lưu vực gồm: Vĩnh Sơn, Vĩnh kim, Định Bình Bình Tường từ năm 1983 đến năm 2008 (trạm 14 năm: từ năm 1995 đến năm 2008); - Số liệu bốc ngày thực đo trạm Quy Nhơn, Bình Định từ năm 1983 đến năm 2008; - Số liệu dòng chảy ngày thực đo trạm thủy văn Bình Tường, Tây Sơn từ năm 1983 đến năm 2008 (26 năm trước hồ Định Bình xây dựng xong năm 2009); 11 - Số liệu biến đổi khí hậu xác định theo kịch cộng thêm số gia tăng (hoặc giảm) lượng mưa theo mùa Xuân, Hạ, Thu, Đông theo kịch BĐKH năm 2016 Bộ Tài ngun Mơi trường Hình 2.6 Sơ đồ mạng lưới sơng lưu vực Bình Tường 12 - Từ số liệu đầu vào, tiến hành tạo tập tin chuỗi thời gian Time series files (*.DFS0): Hình 2: Dữ liệu thực đo lưu lượng trạm thủy văn Bình Tường từ năm 1995 – 2008 Hình 3: Dữ liệu thực đo lượng mưa lưu vực Bình Tường từ năm 1995-2008 13 Hình 4: Dữ liệu bốc thực đo từ năm 1995-2008 - Cách chia tiểu lưu vực: Sử dụng số liệu từ đồ địa hình 1/10.000 Sở Tài nguyên Mơi trường Bình Định, dùng phần mềm ArcGIS tiến hành phân chia tự động lưu vực trạm Bình Tường (bao gồm lưu vực hồ Định Bình), ta có kết đồ tiểu lưu vực gồm: Lưu vực hồ Định Bình lưu vực hạ lưu hồ Định Bình - Xác định trọng số mưa lưu vực: Từ vị trí trạm đo mưa lưu vực thực tế phân bố không thưa, lượng mưa trạm chênh lệch nhiều, tác giả sử dụng phương pháp hình đa giác Thiessen để tính tốn xác định trọng số mưa trạm đo mưa đại diện cho khu vực (bảng 2.1 bảng 2.2) 14 Hình 5: Bản đồ vị trí trạm đo mưa lưu vực Bình Tường 15 Bảng 1: Bảng phân chia tiểu lưu vực Bình Tường Tên lƣu vực Diện tích (km2) Hồ Định Bình 1040 Hạ lưu hồ Định Bình 637 Tổng Bình Tƣờng: 1677 Bảng 2: Bảng trọng số mưa cho trạm đo mưa ST Tên trạm T đo mƣa Lƣu vực Bình Tƣờng Lƣu vực hồ Định Bình Diện tích Diện tích Trọng Trọng số (km ) số mƣa (km ) mƣa 2 01 Vĩnh Sơn 832.60 0.497 832.60 0.800 02 Vĩnh Kim 167.55 0.100 167.55 0.161 03 Định Bình 476.89 0.284 39.85 0.039 04 Bình Tường 199.96 0.119 0 * Tổng cộng: 1677 1.0 1040 1.0 2.3.2 Để đánh giá mức độ hiệu mơ hình sử dụng số sau Bảng 3: Đánh giá mức độ mô mơ hình tương ứng với số Nash-Sutcliffe (Theo Moriasi, 2007) Nash- 0.75 < 0.65 < 0.50 < Sutcliffe NSE ≤ NSE ≤ NSE ≤ (NSE) 1.00 0.75 0.65 Rất tốt Tốt Mức độ mơ Trung bình NSE ≤ 0.50 Dưới trung bình 16 Bảng 4: Tiêu chuẩn đánh giá hệ số tương quan (Theo Moriasi, 2007) R2 R2< 0,4 Đánh Không Giá đạt 0,4 < R2< 0,8 0,8 0,85 Đạt Khá Tốt 2.4 Kết hiệu chỉnh, kiểm định mơ hình trạm Bình Tƣờng: Số liệu khí tượng thủy văn chia thành hai chuỗi: Chuỗi số liệu thực đo từ năm 1995-2001 lấy làm thời đoạn hiệu chỉnh thông số mơ hình từ năm 2002-2008 lấy làm số liệu kiểm định mơ hình Hiệu chỉnh thơng số mơ hình nhằm xác định thơng số mơ hình đường q trình tính tốn phù hợp với đường trình thực đo 2.4.1 Kết hiệu chỉnh mơ hình NAM: 17 Hình 6: Kết hiệu chỉnh mơ hình Nam 2.4.2 Kết kiểm định mơ hình NAM: Hình 7: Kết kiểm định mơ hình Nam 18 Bảng 5: Kết hiệu chỉnh kiểm định mơ hình NAM trạm Bình Tường T T Thời kỳ Trạm Nash WBL Hiệu Kiểm Hiệu Kiểm Hiệu Kiểm chỉnh định chỉnh định chỉnh định Bình 1995- 2002- Tường 2001 2008 0.784 0.858 -2.8% -5.3% Bảng 6: Bộ thơng số mơ hình NAM sau hiệu chỉnh kiểm định S TT Trạm Bình Tường Thơng số Umax Lmax CQOF CKIF CK1,2 TOF TIF 19.8 300 0.777 200.8 28.3 0.902 0.968 * Nhận xét: Qua kết kiểm định thông số cho lưu vực trạm Bình Tường ta rút nhận xét sau: - Q trình lưu lượng thực đo mơ đồng dạng; - Hệ số NASH tốt 0,75; - Pha dao động đường thực đo mô bám sát nhau; - Kết hiệu chỉnh kiểm định mơ hình cho thấy, mơ hình NAM mơ tốt q trình hình thành dịng chảy từ mưa lưu vực Bình Tường Vì vậy, sử dụng thơng số tìm từ q trình hiệu chỉnh kiểm định mơ hình lưu vực Bình Tường để mơ dịng chảy cho lưu vực hồ Định Bình ... trạm Quy Nhơn, Bình Định từ năm 1983 đến năm 2008; - Số liệu dòng chảy ngày thực đo trạm thủy văn Bình Tường, Tây Sơn từ năm 1983 đến năm 2008 (26 năm trước hồ Định Bình xây dựng xong năm 2009);... 2200 mm 1.3.2 Đặc điểm thủy văn 1.3.2.1 Mạng lưới sơng ngịi 1.3.2.2 Dịng chảy năm Dòng chảy năm lượng dòng chảy sản sinh lưu vực thời đoạn năm với thay đổi năm Lượng dòng chảy năm phụ thuộc vào hai... đến tài nguyên nước [3] 1.4.5 Tình hình sử dụng tài nguyên nước nước ta [4] CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT LẬP MƠ HÌNH THỦY VĂN TRÊN LƢU VỰC HỒ ĐỊNH BÌNH 2.1 Tổng quan mơ hình thủy văn 2.1.1 Giới