Nghiên cứu xây dựng phương án dự báo lũ trên sông pô kô

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI - DƯƠNG TIẾN ĐẠT NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN DỰ BÁO LŨ TRÊN SÔNG PÔ KÔ LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - NĂM 2018 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI DƯƠNG TIẾN ĐẠT NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN DỰ BÁO LŨ TRÊN SÔNG PÔ KÔ CHUYÊN NGÀNH : THỦY VĂN MÃ SỐ : 62.440224 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS TRƯƠNG VÂN ANH HÀ NỘI - NĂM 2018 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Cán hướng dẫn chính: TS.Trương Vân Anh Cán hướng dẫn phụ: Cán chấm phản biện 1: TS.Đặng Thanh Mai Cán chấm phản biện 2: TS.Nguyễn Viết Thi Luận văn thạc sĩ hoàn thành tại: HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Ngày 10 tháng năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung, số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, ngày 10 tháng năm 2018 TÁC GIẢ LUẬN VĂN Dương Tiến Đạt LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ khoa học với đề tài: “Nghiên cứu xây dựng dự báo lũ sơng Pơ Kơ” hồn thành Khoa Khí tượng – Thủy văn thuộc trường Đại học Tài Nguyên Môi Trường Hà Nội hướng dẫn trực tiếp TS.Trương Vân Anh giảng viên khoa Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới Giảng viên TS.Trương Vân Anh tạo điều kiện tốt nhất, định hướng cho tác giả cách tiếp cận với toán dành nhiều thời gian quý báu để đọc, cho nhận xét góp ý nội dung để tác giả hồn thành Luận văn thạc sĩ Tác giả xin chân thành cảm ơn tồn thể Giảng viên Trường Đại học Tài Nguyên Mơi Trường Hà Nội nói chung Khoa Khí tượng – Thủy văn nói riêng tạo cho tác giả môi trường học tập, nghiên cứu lành mạnh, cho tác giả hội để phấn đấu trưởng thành năm học qua Do trình độ kinh nghiệm thân hạn chế, tài liệu tham khảo có hạn nên Luận văn chắn nhiều hạn chế thiếu sót Vì vậy, tác giả mong nhận góp ý quý báu thầy, giáo tồn thể học viên cao học để Luận văn hoàn thiện nội dung hình thức Xin chân thành cảm ơn! Học viên Dương Tiến Đạt MỤC LỤC TÓM TẮT LUẬN VĂN DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU .1 I Đặt vấn đề II Mục tiêu nghiên cứu .2 III Phạm vi, đối tượng nghiên cứu .2 IV Phương pháp nghiên cứu V Nội dung nghiên cứu VI Bố cục luận văn .3 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .4 1.1 Tình hình nghiên cứu dự báo lũ nước 1.1.1 Nghiên cứu dự báo lũ giới 1.1.2 Nghiên cứu dự báo lũ nước 1.2 Tổng quan vùng nghiên cứu 13 1.2.1 Vị trí địa lý .13 1.2.2 Đặc điểm địa hình 14 1.2.3 Đặc điểm địa chất, thổ nhưỡng 15 1.2.4 Thảm phủ thực vật 16 1.2.5 Đặc điểm khí tượng 17 1.2.6 Đặc điểm thủy văn 19 CHƯƠNG II CƠ SỞ DỮ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24 2.1 Cơ sở liệu .24 2.1.1 Số liệu không gian dạng đồ .24 2.1.2 Số liệu thuộc tính .24 2.1.3 Số liệu địa hình .25 2.2 Phương pháp nghiên cứu 26 2.2.1 Lựa chọn mơ hình tính tốn mơ dòng chảy lũ cho lưu vực sông Pô Kô .26 2.2.2 Giới thiệu mơ hình MIKE NAM 27 2.2.3 Mơ hình mạng trí tuệ nhân tạo ANN .30 2.2.4 Các bước tính tốn 36 CHƯƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 38 3.1 Xác định lưu vực tiểu lưu vực thành phần .38 3.2 Thiết lập mơ hình MIKE NAM tính tốn dòng chảy lưu vực sơng Pơ Kơ tính đến trạm thủy văn Đăk Mốt (tiểu lưu vực Đăk Mốt) 42 3.2.1 Thiết lập mơ hình .42 3.2.2 Hiệu chỉnh mô hình 45 3.2.3 Kiểm định mơ hình 47 3.3 Mơ dòng chảy lưu vực Pơ Kơ tính đến hồ Plei Krông (lưu vực Plei Krông) .48 3.3.1 Mơ dòng chảy năm 2003 lưu vực Plei Krông .48 3.3.2 Mơ dòng chảy năm 2009 lưu vực Plei Krơng .49 3.3.3 Mơ dòng chảy năm 2011 lưu vực Plei Krông .49 3.3.4 Mơ dòng chảy năm 2012 lưu vực Plei Krông .50 3.4 Xây dựng mạng ANN dự báo dòng chảy đến hồ Plei Krơng 51 3.4.1 Số liệu xem xét 51 3.4.2 Lựa chọn đầu vào cho ANN .52 3.4.3 Thiết lập mạng ANN 52 3.4.4 Dự báo thử nghiệm 53 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 TÓM TẮT LUẬN VĂN + Họ tên học viên: Dương Tiến Đạt + Lớp: CH2B.T Khóa: II + Cán hướng dẫn: TS.Trương Vân Anh + Tên đề tài: Nghiên cứu xây dựng phương án dự báo lũ sơng Pơ Kơ + Tóm tắt: Luận văn thực 67 trang bao gồm ba chương chính: Chương I: Tổng quan vấn đề nghiên cứu Trong chương I, tác giả nêu số phương pháp nghiên cứu dự báo lũ Thế giới Việt Nam, sơ lược tổng quan lưu vực nghiên cứu Chương II: Cơ sở liệu phương pháp nghiên cứu Trong chương II, tác giả dựa vào số liệu thực đo chuẩn xác sử dụng trạm khí tượng thủy văn lưu vực để từ đưa phương pháp nghiên cứu hướng, đảm bảo tính xác Chương III: Kết thảo luận Trong chương này, tác giả trình bày tồn kết tính tốn từ việc áp dụng mơ hình MIKE mơ hình mạng trí tuệ nhân tạo ANN để đưa phương án dự báo lũ cho lưu vực nghiên cứu DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chú thích ANN (Artificial Neural Network) Mơ hình mạng trí tuệ nhân tạo DEM (Digital Elevation Model) Mơ hình độ cao số GIS (Geographic Information System) Hệ thống thông tin địa lý NAM (Nedbor – Afstromming – Model) Mơ hình mưa – dòng chảy NSI (Nash – Sutchliffe) Chỉ số hiệu Flv Diện tích lưu vực (km2) H Mực nước (m) Mo Mơ đun dòng chảy năm (l/s.km2) Qo Lưu lượng dòng chảy năm (m3/s) Q Lưu lượng nước (m3/s) Qmax Lưu lượng lớn (m3/s) T Nhiệt độ (oC) U Độ ẩm khơng khí (%) V Vận tốc gió (m/s) Wo Tổng lượng dòng chảy năm (m3) X Lượng mưa (mm) Z Lượng bốc (mm) DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Danh sách trạm khí tượng tỉnh Kon Tum 17 Bảng 1.2 Các đặc trưng nhiệt độ khơng khí (oC) lưu vực Pơ Kơ (2000 - 2016) 18 Bảng 1.3 Các đặc trưng độ ẩm tương đối (%) lưu vực Pô Kô (2000 – 2016) .18 Bảng 1.4 Bốc trung bình tháng, năm (mm) lưu vực Pô Kô (2000 – 2016) 19 Bảng 1.5 Các trạm thủy văn nghiên cứu 20 Bảng 1.6 Đặc trưng dòng chảy năm sơng tỉnh Kon Tum 21 Bảng 1.7 Khả xuất lũ năm vào tháng mùa lũ (%) .22 Bảng 1.8 Một số đặc trưng dòng chảy kiệt 23 Bảng 2.1 Số liệu quan trắc khí tượng lưu vực sông Pô Kô 24 Bảng 2.2 Số liệu quan trắc thủy văn trạm lưu vực sông Pô Kô .25 Bảng 3.1 Thông số diện tích tiểu lưu vực sơng Pơ Kơ 43 Bảng 3.2 Trọng số mưa tiểu lưu vực sông Pô Kô .44 Bảng 3.3 Đánh giá mức độ xác kết mơ hình theo số NSI (Moriasi nnk 2007) 45 Bảng 3.4 Thơng số hiệu chỉnh mơ hình NAM 46 Bảng 3.5 Biến ảnh hưởng dòng chảy đến hồ Plei Krơng .52 Bảng 3.6 Đánh giá kết đào tạo mạng 60 Bảng 3.7 Đánh giá kết dự báo thử nghiệm giai đoạn 09 – 11/2013 62 Bảng 3.8 Chỉ tiêu đánh giá chất lượng phương án dự báo 63 55 Kiểm định Đầu ~= 0.84* Mục tiêu+ 37 Đầu ~= 0.87* Mục tiêu+ 30 Đào tạo Mục tiêu Mục tiêu Tất Đầu ~= 0.86* Mục tiêu+ 31 Đầu ~= 0.86* Mục tiêu+ 28 Kiểm tra Mục tiêu Mục tiêu Lưu lượng Q (m3/s) Hình 3.17 Đánh giá kết dự báo 12h dòng chảy đến hồ Plei Krơng Thời gian t(h) 56 Hình 3.18 Đường q trình thực đo tính tốn dự báo 12h Thời gian t(h) Hình 3.19 Đường trình thực đo tính tốn dự báo 12h (Phóng đại) 57 Kiểm định Đầu ~= 0.68* Mục tiêu+ 91 Đầu ~= 0.72* Mục tiêu+ 81 Đào tạo Mục tiêu Mục tiêu Tất Đầu ~= 0.7* Mục tiêu+ 78 Đầu ~= 0.69* Mục tiêu+ 87 Kiểm tra Mục tiêu Mục tiêu Lưu lượng Q (m3/s) Hình 3.20 Đánh giá Kết dự báo 18 dòng chảy đến hồ Plei Krơng Thời gian t(h) Hình 3.21 Đường q trình thực đo tính tốn dự báo 18h Lưu lượng Q(m3/s) 58 Thời gian t(h) Hình 3.22 Đường q trình thực đo tính tốn dự báo 18h Đào tạo Đầu ~= 0.47* Mục tiêu+ 1.47e+02 Đầu ~= 0.55* Mục tiêu+ 2e+02 (Phóng đại) Kiểm định Kiểm tra Mục tiêu Mục tiêu Đầu ~= 0.55* Mục tiêu+ 1.2e+02 Đầu ~= 0.68* Mục tiêu+ 1e+02 Mục tiêu Tất Mục tiêu Hình 3.23 Đánh giá Kết dự báo 24 dòng chảy đến hồ Plei Krơng Lưu lượng Q(m3/s) 59 Thời gian t(h) Lưu lượng Q(m3/s) Hình 3.24 Đường q trình thực đo tính tốn dự báo 24h Thời gian t(h) Hình 3.25 Đường trình thực đo tính tốn dự báo 18h (Phóng đại) 60 Bảng 3.6 Đánh giá kết đào tạo mạng Tiêu chí đánh giá 6h 12h 18h R2 0.98 0.93 0.86 0.74 24h Kết mơ hình tốt, nhiên số liệu thu thập có năm nên tính đảm bảo chưa cao b Dự báo thử nghiệm Sử dụng mạng để dự báo cho giai đoạn 09 – 11/2013 với thời đoạn dự báo 06 giờ, 12 giờ, 18 24 Kết mạng thể Lưu lượng Q(m3/s) hình đây: Thời gian t(h) Hình 3.26 Dự báo thử nghiệm 6h giai đoạn 09 – 11/2013 Lưu lượng Q(m3/s) 61 Thời gian t(h) Lưu lượng Q(m3/s) Hình 3.27 Dự báo thử nghiệm 12h giai đoạn 09 – 11/2013 Thời gian t(h) Hình 3.28 Dự báo thử nghiệm 18h giai đoạn 09 – 11/2013 Lưu lượng Q(m3/s) 62 Thời gian t(h) Hình 3.29 Dự báo thử nghiệm 24h giai đoạn 09 – 11/2013 Bảng 3.7 Đánh giá kết dự báo thử nghiệm giai đoạn 09 – 11/2013 Tiêu chí đánh giá R2 6h 0.97 12h 0.69 18h 24h 0.66 0.47 Với số đánh giá R2 mơ hình cho biết phần tính xác mơ hình số quan trọng ứng dụng để dự báo thử nghiệm Tuy nhiên, để dự báo thử nghiệm đạt độ xác cao tin cậy nghiên cứu trích kết mơ hình để tính tốn thêm số số đánh giá kết phương án dự báo tỷ số S/, hệ số tương quan η mức đảm bảo phương án dự báo P% Kết tính tốn số phương án trình bày đây: - Tỷ số S/: Trong  độ lệch quân phương chuỗi yếu tố dự báo, S độ lệch quân phương chuỗi sai số dự báo, tính theo công thức: 63 (9) (10) S - Hệ số tương quan η xác định theo công thức:        (11) - Mức đảm bảo phương án: Chất lượng phương án dự báo phải đánh giá mức đảm bảo dự báo Mức đảm bảo dự báo tỷ số số lần dự báo tổng số lần dự báo: P m  100 % n (12) Trong đó: m: số lần dự báo n: tổng số lần dự báo P: mức bảo đảm phương án dự báo Bảng 3.8 Chỉ tiêu đánh giá chất lượng phương án dự báo Dự báo 6h Chỉ tiêu Dự báo 12h Dự báo 18h Dự báo 24h Giá trị Đánh giá Giá trị Đánh giá Giá trị Đánh giá Giá trị Đánh giá S/ 0.19 Tốt 0.35 Tốt 0.6 Kém 0.72 Kém  0.90 Tốt 0.81 Đạt 0.65 Kém 0.62 Kém P% 94.01 % Tốt 94.87% Tốt 93.7 % Tốt 94.2 Tốt So sánh với tiêu đánh giá phương án dự báo 6h 12h đạt phương án dự báo 18h 24h không đạt Dự báo 18 24 khơng xác thời gian truyền lũ từ trạm Đak Mốt đến hồ Plei Krông nhỏ thời đoạn Bên cạnh thời gian tập trung nước mưa lưu vực nhỏ thời đoạn đánh giá từ kết lọc biến IIS Do việc dự báo 18h 24h trở nên khó khăn khơng có ý nghĩa thực tế 64 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Sau thời gian thực luận văn, với đạo tận tình TS.Trương Vân Anh cố gắng thân, tác giả hoàn thành luận văn với đề tài: “Xây dựng phương án dự báo lũ sông Pô Kô” đạt kết sau: - Nghiên cứu đặc điểm điều kiện địa lý tự nhiên kinh tế xã hội lưu vực sơng Pơ Kơ, từ đánh giá sơ tác động nhân tố tự nhiên người đến đặc điểm mưa đặc trưng dòng chảy - Từ số liệu khí tượng – thủy văn trạm Đăk Mốt Đăk Tô lưu vực, tác giả mơ dòng chảy lũ việc ứng dụng mơ hình MIKE NAM Các kết cho thấy thơng số mơ hình tốt lưu vực, chất lượng mô đảm bảo độ tin cậy Như vậy, sử dụng kết mơ hình MIKE NAM để áp dụng cho việc nghiên cứu mạng trí tuệ nhân tạo ANN - Kết nghiên cứu luận văn đăng tạp chí Khí tượng – Thủy văn thuộc Tổng cục Khí tượng Thủy văn - Các kết đạt từ việc nghiên cứu ứng dụng ANN cho thấy khả ứng dụng ANN toán dự báo dòng chảy đến hồ Plei Krơng tốt, từ đưa phương án thử nghiệm khác nghiên cứu dự báo thủy văn sau Đặc biệt phục vụ tốt công tác dự báo – 12 tương đương với thời gian chảy truyền lưu vực Kiến nghị - Việc áp dụng thơng số mơ hình MIKE NAM cho lưu vực sơng điển hình cần nghiên cứu chi tiết mặt điều kiện mặt đệm thời gian chảy truyền 65 - ANN tốt cho dự báo sử dụng mơ MIKE NAM MIKE 11 sử dụng số liệu thực đo khứ không sử dụng số liệu mưa dự báo lần sai số Tuy nhiên cần có số liệu dài để đào tạo mạng ANN cho xác Những nghiên cứu sử dụng mưa tự ghi để nâng cao hiệu dự báo - Do thời gian kinh phí có hạn nên việc tìm hiểu, thu thập số liệu chưa đầy đủ nhiều thiếu sót, nghiên cứu cần thu thập đầy đủ chuỗi liệu hơn, tạo trận lũ thiết kế để đào tạo mạng ANN tốt phục vụ công tác dự báo hàng ngày 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO Công ty TNHH Tư vấn lượng sông Trà, “Dự án nhà máy thủy điện Đăk Pô Kô” TS.Đặng Thanh Mai nnk, “Nghiên cứu xây dựng công nghệ dự báo lũ cảnh báo ngập lụt cho sơng Bình Ðịnh Khánh Hòa” Đài khí tượng thủy văn tỉnh Kon Tum, “Báo cáo tổng hợp lũ quét sạt lở đất tỉnh Kon Tum năm 2015” ThS.Hồ Việt Cường, KS.Trần Thành Trung, “Dự án quy hoạch thủy lợi tỉnh Kon Tum giai đoạn 2011 – 2020 định hướng đến năm 2025” Giảng viên Nguyễn Việt Tuấn – Khoa Khí tượng – thủy văn, Trường Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội, “Bài giảng mơ hình tốn thủy văn” Trung tâm Quy hoạch điều tra tài nguyên nước Quốc gia, “Tổng quan số phương pháp dự báo dòng chảy Việt Nam” DHI, MIKE 2014 67 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Dương Tiến Đạt Ngày tháng năm sinh: 10/07/1994 Nơi sinh: Hà Nội Địa liên lạc: Số nhà 18, ngõ 29, phố Đội Nhân, phường Vĩnh Phúc, quận Ba Đình, Hà Nội Quá trình đào tạo: 9/2012 – 6/2016 Đại học – Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội 12/2016 – 9/2018 Thạc sĩ – Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội 68 XÁC NHẬN QUYỂN LUẬN VĂN ĐỦ ĐIỀU KIỆN NỘP LƯU CHIỂU CHỦ NHIỆM KHOA (BỘ MÔN) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 69 14,26,37,40-42,44,46-50,53-61 1-13,15-25,27-36,38-39,43,45,51-52,62-67 ... nghệ dự báo lưu vực vấn đề quan trọng cần nghiên cứu Từ nhận thức cách tiếp cận nêu trên, tác giả chọn đề tài: Nghiên cứu xây dựng phương án dự báo lũ sông Pô Kô II Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu. .. QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .4 1.1 Tình hình nghiên cứu dự báo lũ nước 1.1.1 Nghiên cứu dự báo lũ giới 1.1.2 Nghiên cứu dự báo lũ nước 1.2 Tổng quan vùng nghiên cứu ... cứu phương án dự báo dòng chảy lũ đến hồ Plei Krông lưu vực sông Pô Kô phục vụ vận hành hồ chứa giảm lũ hiệu cho hạ du III Phạm vi, đối tượng nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu: Lưu vực sông Pô Kô