Đang tải... (xem toàn văn)
Trong nghiên cứu mô hình mô phỏng dạng mô hình toán hay mô hình vật lý, kiểm định mô hình có tầm quan trọng quyết định đánh giá mức độ tin cậy của mô hình cũng như là số liệu đầu vào. Từ đó, mô hình tính toán và các dữ liệu đầu vào được sử dụng phục vụ cho các kịch bản mô phỏng trong giai đoạn sau. Có thể hiểu rằng, kiểm định mô hình là việc thử nghiệm các thông số mô hình trong một phạm vi cho phép mà phù hợp với tính chất vùng để từ đó nhận biết sự ảnh hưởng của từng tham số đến kết quả mô phỏng, cuối cùng chọn được một bộ tham số mô hình phù hợp nhất. Bên cạnh đó, thấy rằng việc kiểm định mô hình không chỉ đơn thuần là thử độ nhạy để chọn tham số mô hình, trong nhiều trường hợp việc chọn một bộ tham số mô hình đảm bảo phù hợp với tính chất vùng và cơ sở khoa học, tuy nhiên kết quả của giai đoạn kiểm định chưa đạt yêu cầu thì vấn đề dữ liệu đầu vào được quan tâm. Như vậy, giai đoạn kiểm định mô hình không chỉ là kiểm định bộ tham số mô hình mà còn bao gồm cả kiểm định dữ liệu đầu vào. Chú ý rằng, kiểm định mô hình cần tiến hành càng nhiều trường hợp thì lựa chọn được một bộ tham số mô hình càng tốt.
CHUN ĐỀ KIỂM CHỨNG MƠ HÌNH QUA SỐ LIỆU LỊCH SỬ VÀ SỐ LIỆU KHẢO SÁT BỔ SUNG MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU Tổng qt Trong nghiên cứu mơ hình mơ dạng mơ hình tốn hay mơ hình vật lý, kiểm định mơ hình có tầm quan trọng định đánh giá mức độ tin cậy mơ số liệu đầu vào Từ đó, mơ hình tính tốn liệu đầu vào sử dụng phục vụ cho kịch mô giai đoạn sau Có thể hiểu rằng, kiểm định mơ hình việc thử nghiệm thơng số mơ hình phạm vi cho phép mà phù hợp với tính chất vùng để từ nhận biết ảnh hưởng tham số đến kết mô phỏng, cuối chọn tham số mơ hình phù hợp Bên cạnh đó, thấy việc kiểm định mơ hình không đơn thử độ nhạy để chọn tham số mơ hình, nhiều trường hợp việc chọn tham số mơ hình đảm bảo phù hợp với tính chất vùng sở khoa học, nhiên kết giai đoạn kiểm định chưa đạt yêu cầu vấn đề liệu đầu vào quan tâm Như vậy, giai đoạn kiểm định mơ hình khơng kiểm định tham số mơ hình mà bao gồm kiểm định liệu đầu vào Chú ý rằng, kiểm định mơ hình cần tiến hành nhiều trường hợp lựa chọn tham số mơ hình tốt Các tham số mơ hình • Độ nhớt xốy Độ nhớt xốy quy định theo cách khác - Bỏ qua chuyển động xoáy - Hằng số cho tồn khu vực Thay đổi theo khơng gian Tự động tính tốn cơng thức Smagorinsky Bằng cách sử dụng công thức Smagorinsky, hệ số tỉ lệ cho khu vực đưa Người sử dụng lựa chọn vận tốc thơng lượng dựa cơng thức độ nhớt xốy Việc xây dựng độ nhớt xốy phương trình thực theo hai cách - Xây dựng dựa thông lượng Trong đó: P thơng lượng phương x E hệ số độ nhớt xoáy - Xây dựng dựa vận tốc Trong đó: u vận tốc phương x h chiều sâu nước Thực chất việc xây dựng theo cách cho độ sâu cố định, đáy phẳng cần áp dụng thận trọng để tránh nhầm lẫn với mơ hình dòng chảy Xây dựng dựa tốc độ có độ xác tốt nhiên khó khăn việc thực thuật toán Điều hệ thống sử dụng phép khử phức tạp thông số không rõ hay không vận tốc Vì việc xây dựng dựa vận tốc thực cách sử dụng vận tốc từ bước thời gian trước Cách làm khả quan, nhiên vấn đề ổn định hệ số nhớt xốy E trở lên lớn Hệ số phải đảm bảo Hệ số E xác định sau: Trong U, V thành phần vận tốc theo chiều sâu trung bình hướng X, Y, Δ khoảng cách lưới, Cs số chọn khoảng 0.25- 1.0 Như chọn Smagorinsky phải định yếu tố Cs • Hệ số nhám Độ nhám đáy coi biến chuẩn mơ đun HD cần thiết cho mơ hình xác trình khác vận chuyển bùn cát suy giảm sóng Dù với phương thức lựa chọn để xác định độ nhám đáy mơ hình, giá trị thường chọn thử dần phạm vi cho phép để thực hiệu chỉnh, thường sử dụng theo biến độ sâu loại vật liệu đáy Một số phân tích tìm hiểu mối quan hệ dòng chảy, độ sâu nước lựa chọn hệ số nhám Bên cạnh so sánh lọạt giá trị đề nghị cho hiệu chuẩn sử dụng mơ hình trước với giá trị theo thời gian nghiên cứu thực địa Nghiên cứu không đưa hiệu chuẩn mà cung cấp kinh nghiệm để chọn lựa hệ số nhám hiệu chuẩn mơ hình Trong mơ hình, ứng suất tiếp (τb_) xác định theo luật ma sát τb = Cd ρ Ū2 Trong đó: Cd hệ số cản, ρ mật độ môi trường chất lỏng, Ū vân tốc trung chiều sâu Các ứng suất tiếp tỷ lệ thuận với bình phương vận tốc lại bị thu nhỏ hệ số cản Giá trị Cd cho phép thể ảnh hưởng thay đổi độ nhám đáy C d định cho chiều cao đặc biệt đáy (tương ứng với chiều cao mà đo đạc tốc độ) giá trị trung bình độ sau (để sử dụng với độ sâu trung bình vận tốc trường hợp Mike 21) Trong Mike 21, giá trị Cd quy định theo cách khác nhau: + Không xét đến sức cản thủy lực + Số Manning (M) + Số Chezy © Xác định theo Maning (M) Xác định theo Chezy (C) Mối quan hệ số Manning chiều dài nhám theo Nikuradse (K s) ước lượng theo cơng thức M= 25.4/ Ks1/6 Theo Soulsby (1997) Ks biểu diễn qua đường kính hạt trung bình bùn cát (D50) Ks= 2.5 D50 Giá trị hệ số cản cho trầm tích đáy khác (đáy phẳng) thực từ thí nghiệm với nhiều kịch khác giá trị C 100 thu 1m cách phía đáy Loại trầm tích đáy Bùn Bùn/ Cát Phù sa/ Cát Cát Cát (gồ ghề gợn sóng) C100 0.0022 0.003 0.0016 0.0026 0.0061 Cát/ vỏ Cát/ sỏi Bùn/ cát/ sỏi Sỏi 0.0024 0.0024 0.0024 0.0047 Giá trị Cd cần chuyển dựa giá trị C100 theo quan hệ sau: τb = Cd ρ Ū2 =C100 ρ U2100 Một phép ước lượng vận tốc đoạn nửa cột nước theo Soulsby (1990) Ở z độ cao vị trí tính tốn so với đáy Uz vận tốc tương ứng (U100 vận tốc vị trí z= 1m) Hình Sự khác biệt số Manning tính cho thay đổi độ sâu nước loại đáy biển (dựa giá trị từ Soulsby, 1997) Ngoài ra, giá trị đề nghị từ hiệu chuẩn Mike 21 cách mô trình thủy động lực Hình Sự khác biệt số Chezy tính từ giá trị Soulsby (1997) để thay đổi độ sâu nước loại đáy biển Hình Giá trị Cd kết từ tối đa giá trị đề nghị tối thiểu Manning Số Chezy hướng dẫn sử dụng phạm vi Chezy thay đề nghị văn Hộp màu xám đại diện cho phạm vi gần Cd(0,0015-0,0040) đề xuất Soulsby (1997) cho loạt loại đáy biển Các hình từ Hình – Hình thể giá trị M, C Cd với loại trầm tích độ sâu khác đề xuất Soulsby (1997) Các giá trị tham khảo cho tính tốn mơ hình Từ có sở chọn lựa giá trị hệ số nhám hợp lý cho phép kết tính tốn thủy lực nâng cao độ xác Tóm lại: Thơng thường tính tốn hiệu chuẩn kiểm định mơ hình người ta quan tâm đến thơng số mơ hình chủ yếu hệ số nhám hệ số nhớt xoáy Các nghiên cứu phần thể rõ ràng hai vấn đề, sử dụng làm để hiệu chuẩn chọn lựa tham số mơ hình phù hợp cách dễ dàng 3 Hiệu chuẩn kiểm định mô hình 3.1 Hiệu chuẩn kiểm định mơ hình mưa dòng chảy lũ Để tiến hành tính tốn, mơ q trình dòng chảy lũ lưu vực mơ hình thủy văn, thủy lực cần thiết hiệu chuẩn kiểm định thơng số cho mơ hình tính tốn, bao gồm mơ hình mưa- dòng chảy Nam mơ hình kết nối Mike Flood a, Mơ hình mưa rào- dòng chảy NAM Trong khu vực nghiên cứu có trạm thủy văn Kiến Giang có tài liệu lưu lượng từ 1070- 1974 sau trạm quan trắc mực nước Mặt khác hạn chế số liệu mưa (chỉ có số liệu mưa trạm Đồng Hới từ 1980 đến nay, trạm Kiến Giang số liệu mưa ngày khơng đầy đủ) Trong chun đề trình bày sử dụng quan hệ QH trạm Kiến Giang để tính tốn lưu lượng từ mực nước cho năm có tài liệu mưa trạm Đồng Hới làm sở cho hiệu chuẩn kiểm định mơ hình + Trận lũ từ ngày 10 đến 19-11-2000 sử dụng cho hiệu chuẩn + Trận lũ từ ngày đến 10-11-1999 sử dụng cho kiểm định Kết hiệu chuẩn kiểm định thể sau Hình 3.1 Kết hiệu chỉnh mơ hình NAM Hình 3.2 Kết kiểm định mơ hình NAM Kết hiệu chỉnh mơ hình NAM thể Hình 3.1 cho thấy kết hiệu chỉnh thông số tốt, kết sai số Nash = 75.2% Bộ thông số mô hình thể Bảng 3.1 Bộ thơng số mơ hình sử dụng để kiểm định mơ hình cho kết tính tốn Hình 3.2 đạt sai số Nash = 72.3% Bảng 3.1 Bộ thông số mơ hình NAM b, Mơ hình thủy lực Để tiết kiệm thời gian đồng thời tăng độ xác, mơ hình kết nối 1-2 chiều Mike Flood sử dụng hiệu chỉnh với trận lũ năm 2000 1999 Hiệu chỉnh với trận lũ tháng 11/2000 Tiến hành hiệu chỉnh mơ hình với số liệu biên mực nước trạm Kiến Giang, Đồng Hới trận lũ từ ngày 10 - 16/11/2000, kết tính tốn so sánh với số liệu mực nước trạm Lệ Thủy Tài liệu mưa trạm đồng Hới kéo dài ngày với tổng lượng 296.9 mm Số liệu mưa đầu vào cho mơ hình NAM để tính toán biên đầu vào biên gia nhập khu cho mơ hình chiều theo lưu vực phân chia Sau q trình hiệu chỉnh mơ hình phương pháp thử sai, thu thông số độ nhám đáy sông độ nhám bãi ngập lũ, kết tính tốn từ mơ hình so sánh với kết thực đo thể hình 3.3 bảng Hình 3.3 Kết hiệu chỉnh mơ hình hai chiều Bảng 3.2 Thống kê diện tích ngập theo xã lưu vực sơng Nhật Lệ trận lũ 1999 Kết đánh giá sai số theo tiêu NASH ta thu R2 = 87,4% kết đánh giá sai số thuộc loại tốt cho thấy kết mơ mơ hình có độ xác đạt yêu cầu, sơ đồ thuỷ lực với mặt cắt cơng trình sơng hợp lý Các số liệu địa hình độ nhám sử dụng để kiểm định giai đoạn Kiểm định mơ hình với trận lũ 11/1999 Q trình kiểm định mơ hình MIKE - FLOOD tiến hành với trình mưa lũ từ ngày 1/XI đến ngày 6/XI/1999 Trận mưa có tổng lượng 403,6 mm kéo dài ngày liên tiếp gây ngập vùng rộng khu vực nghiên cứu Số liệu mưa đầu vào mơ hình NAM để tính tốn điều kiện biên gia nhập khu cho mơ hình MIKE 11và tính trực tiếp mơ hình MIKE 21 khu vực nghiên cứu chi tiết Số liệu mực nước trạm Lệ Thủy sử dụng để kiểm định mơ hình với mạng thủy lực 1D, kết so sánh tính tốn thực đo thể chi tiết hình 3.10 bảng phụ lục Kết đánh giá sai số tiêu NASH đạt 88,9% Hình 3.4 Kết hiệu chỉnh mơ hình hai chiều Về nguyên tắc cần phải hiệu chỉnh kiểm định mơ hình ngập lụt cho trận lũ đây, nhiên hạn chế số liệu đo đạc vết lũ số liệu thống kê tình hình ngập lụt với trận lũ khác nhau, nên chuyên đề tiến hành đánh giá kiểm định thơng số mơ hình với số liệu ngập lụt trận lũ lịch sử 1999 Kết tính tốn mơ hình MIKE FLOOD xuất dạng file ASCII, xử lý phần mềm ArcGis 9.1 nhằm xây dựng vùng ngập lụt với độ sâu ngập khác thành lớp thông tin (layer) hệ GIS Từ kết hợp với lớp ranh giới hành có sẵn để tính tốn diện tích ngập ứng với xã, huyện cho tồn vùng Các số liệu tính tốn so sánh với số liệu thống kê ngập lụt theo nghiên cứu Dự án hỗ trợ quản lý thiên tai Việt Nam Bộ NN&PTNT UNDP phối hợp thực năm 2004 [1] Kết bảng 3.3 hình 3.11cho thấy mơ hình tính tốn diện tích ngập lụt có thiên lớn với sai số NASH=73,6% chứng tỏ mơ hình mơ tương đối tốt diện tích ngập lụt trận lũ năm 1999 Hình 3.5 Kết so sánh diện ngập theo xã trận lũ năm 1999 Thông số Hệ số Cs theo Smagorinsky Số Manning 3.2 Giá trị 0.28 32 Hiệu chỉnh kiểm định mơ hình triều Để tính tốn hiệu chỉnh mơ hình, nghiên cứu tính tốn thử nghiệm chọn lựa tham số mơ sau: Thông số Hệ số Cs theo Smagorinsky Số Manning Giá trị 0.28 32 Bộ tham số mơ hình sử dụng cho mô kiểm định cho kết Hình 3.6 với độ lệch mực nước thực đo tính tốn lớn khoảng 20cm, độ lệch pha từ 1-2h, hệ số Nash đạt 68% Hình 3.6 Kết kiểm định mơ hình triều thời gian 15/5/2012- 28/5/2012 Kết luận kiến nghị Các nghiên cứu chuyên đề trình bày sở khoa học chọn lựa tham số hiệu chỉnh tham số đồng thời kiểm định mơ hình tính tốn mưa, lũ, triều Các kết đạt cho thấy tham số mơ hình chọn cho mơ hình tính tốn đạt hợp lý kết kiểm định tốt thông qua đánh giá hệ số Nash Bộ tham số mơ hình sử dụng cho mơ phỏng, tính tốn sau để phục vụ nghiên cứu có liên quan đề tài Các thơng số mơ hình chọn lựa cho tính tốn sau: Thơng số Hệ số Cs theo Smagorinsky Số Manning Giá trị 0.28 32 Tài liệu tham khảo Dự án hỗ trợ hệ thống quản lý thiên tai Việt Nam – Bộ NN&PTNT UNDP phối hợp thực (2004), Bản đồ ngập lũ lịch sử năm 1999 ... đoạn kiểm định chưa đạt yêu cầu vấn đề liệu đầu vào quan tâm Như vậy, giai đoạn kiểm định mơ hình khơng kiểm định tham số mơ hình mà bao gồm kiểm định liệu đầu vào Chú ý rằng, kiểm định mơ hình. .. 75.2% Bộ thông số mơ hình thể Bảng 3.1 Bộ thơng số mơ hình sử dụng để kiểm định mơ hình cho kết tính tốn Hình 3.2 đạt sai số Nash = 72.3% Bảng 3.1 Bộ thơng số mơ hình NAM b, Mơ hình thủy lực Để... hiệu chuẩn kiểm định thể sau Hình 3.1 Kết hiệu chỉnh mơ hình NAM Hình 3.2 Kết kiểm định mơ hình NAM Kết hiệu chỉnh mơ hình NAM thể Hình 3.1 cho thấy kết hiệu chỉnh thông số tốt, kết sai số Nash