MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY lưu vực SÔNG cái TÍNH đến TRẠM THỦY văn THÀNH mỹ ỨNG DỤNG ARCGIS kết hợp với mô HÌNH THỦY văn MIKE NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI KHOA KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN ============= BÙI THỊ BÍCH NGỌC MƠ PHỎNG DỊNG CHẢY LƯU VỰC SƠNG CÁI TÍNH ĐẾN TRẠM THỦY VĂN THÀNH MỸ ỨNG DỤNG ARCGIS KẾT HỢP VỚI MƠ HÌNH THỦY VĂN MIKE NAM HÀ NỘI – 5/2018 TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI KHOA KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN ============= BÙI THỊ BÍCH NGỌC MƠ PHỎNG DỊNG CHẢY LƯU VỰC SƠNG CÁI TÍNH ĐẾN TRẠM THỦY VĂN THÀNH MỸ ỨNG DỤNG ARCGIS KẾT HỢP VỚI MƠ HÌNH THỦY VĂN MIKE NAM Chun ngành : Thủy Văn Mã ngành : 7440224 NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS TRƯƠNG VÂN ANH HÀ NỘI – 5/2018 LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan là công trình nghiên cứu riêng em và được sư hướng dẫn khoa học T.S Trương Vân Anh Các nội dung nghiên cứu, kết qua đề tài này là trung thưc và chưa công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước Những số liệu các bang biểu phục vụ cho công việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác gia thu thập từ các nguồn khác có ghi rõ phần tài liệu tham khao Ngoài ra, đồ án còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng số liệu các tác gia khác , quan tổ chức khác đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc Nếu có bất kỳ sư gian lận nào em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung đồ án mình Hà nội, ngày 25 tháng 05 năm 2018 Sinh viên thưc hiện Bùi Thị Bích Ngọc LỜI CẢM ƠN Đờ án tớt nghiệp “Mơ dịng chảy lưu vực sơng Cái tính đến trạm thủy văn Thành Mỹ ứng dụng Arcgis kết hợp với mơ hình thủy văn Mike Nam” được thưc hiện tại khoa Khí tượng Thủy văn thuộc trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, dưới sư hướng dẫn trưc tiếp TS.Trương Vân Anh Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS.Trương Vân Anh tận tình hướng dẫn, bao cho em suốt quá trình thưc hiện khóa luận này Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy, cô giáo khoa Khí tượng Thủy văn học giúp đỡ em quá trình học tập, bổ sung kiến thức phục vụ quá trình nghiên cứu đồ án này Cuối em xin cam ơn tới gia đình và bạn bè giúp đỡ, động viên em rất nhiều học tập và nghiên cứu Do thời gian và kinh nghiệm hạn chế nên khóa luận không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy, em rất mong nhận được sư góp ý thầy cô và các bạn để khóa luận được hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn ! MỤC LỤC DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt BĐKH CDF CK12 CKIF CQOF DEM NBD QM QIF QOF TOF TIF Nguyên nghĩa Biến đổi khí hậu Hàm phân phối lũy tích Hằng số chay truyền dòng chay sát mặt Hệ số thoát dòng chay trao đổi Hệ số dòng chay mặt Ban đồ số hóa độ cao Nước biển dâng Chi tiết hóa thống kê phân vị Bể chứa sát mặt Bể chứa mặt Hệ số can dòng chay mặt Hệ số can dòng chay sát mặt DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH ẢNH MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Nước là tài nguyên không thể thay thế được Nước là thành phần thiết yếu sư sống và môi trường, quyết định sư tồn tại, phát triển đất nước Nhưng hiện anh hưởng biến đổi khí hậu gây anh hưởng đến ca số lượng và chất lượng nguồn nước, nó thể hiện cụ thể các lưu vưc sông đó là sư suy giam và sư thay đổi số lượng và chất lượng dòng chay năm, dòng chay lũ, dòng chay kiệt… các sông, hệ thống các lưu vưc Tài nguyên nước là đặc biệt quan trọng cũng là hiểm họa hàng đầu nếu xay những thiên tai liên quan đến dòng chay Để khai thác, sử dụng hiệu qua nguồn tài nguyên nước và tìm cách hạn chế tác hại nước gây điều cần thiết là cần mô dòng chay để biết trước được các biến động từ đó đưa phương pháp xử lý phù hợp Với đặc điểm địa hình dai đất miền Trung nhiều đồi núi, hệ thống sông dày đặc với các sông ngắn, độ dốc lớn, kha tập trung lũ nhanh, đồng ven biển hẹp, cửa sông biến đổi theo mùa, bị co hẹp anh hưởng đến kha thoát lũ… nên vào mùa mưa bão lưu vưc sông Cái nói riêng và các hệ thống sông miền Trung nói chung thường xay các trận lũ lớn Lũ lụt lưu vưc sông Cái diễn biến khá phức tạp, anh hưởng bão, ATNĐ kết hợp với hoạt động không khí lạnh thường gây mưa lớn diện rộng, thêm vào đó địa hình dốc nên kha tập trung nước nhanh, lũ lên nhanh xuống nhanh, cường suất lũ lớn, gây thiệt hại nặng nề về người và vật chất lưu vưc sông Bên cạnh đó, dưới tác động BĐKH, tài nguyên nước địa bàn bị tác động mạnh mẽ Vì vậy, việc nắm bắt dòng chay sông một cách nhanh nhất, ít tốn kém nhất, hiệu qua nhất là một vấn đề cấp thiết Hiện thế giới nói chung cũng Việt Nam xuất hiện rất nhiều loại mô hình mưa – dòng chay khác Tuy nhiên, mô hình NAM là mô hình nhận thức, tất định, thông số tập trung mô quá trình mưa – dòng chay diễn lưu vưc, bao gồm một tập hợp các biểu thức toán học đơn gian để mô các quá trình chu trình thuỷ văn Đây là một modul tính mưa từ dòng chay bộ phần mềm thương mại MIKE 11 Viện Thủy lưc Đan Mạch xây dưng và phát triển Với kha ứng dụng cao, giao diện làm việc thân thiện với người dùng, diễn toán mô hình dễ hiểu, dễ thưc hiện, cho kết qua mô tốt đồ án lưa chọn mô hình MIKE NAM để phục vụ nghiên cứu Do vậy, nhằm đánh giá được sư biến động tài nguyên nước điều kiện BĐKH, làm tiền đề cho việc quy hoạch, phát triển kinh tế xã hội vùng, đồ án này thưc hiện đánh giá định lượng sư biến động đó thông qua nghiên cứu “Mơ dịng chảy lưu vực sơng Cái tính đến trạm thủy văn Thành Mỹ ứng dụng Arcgis kết hợp với mơ hình thủy văn MIKE NAM” Kết qua nghiên cứu là sở cho việc dư báo tài nguyên nước tương lai giúp các nhà hoạch định kinh tế - xã hội ứng phó kịp thời với BĐKH để đưa những kế hoạch phát triển phù hợp cho lưu vưc sông Cái nói riêng và hệ thống sông Vu Gia –Thu Bồn nói chung Mục tiêu phương pháp nghiên cứu Mục tiêu: - Nghiên cứu phương pháp chi tiết hóa thống kê phân vị để tạo kịch ban BĐKH về đến các trạm khí tượng lưu vưc sông Cái, tỉnh Quang Nam - Nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE NAM phục vụ mô và đánh giá sư biến động dòng chay sông Cái tính đến trạm thủy văn Thành Mỹ điều kiện BĐKH Phương pháp nghiên cứu: - Phương pháp thống kê thu thập, xử lý số liệu thưc đo khí tượng, thủy văn - Phương pháp kế thừa nghiên cứu: Trong quá trình thưc hiện, đồ án có tham khao và kế thừa một số tài liệu, kết qua có liên quan được nghiên cứu trước đó những cá nhân, tổ chức khác - Phương pháp ứng dụng mô hình toán: đồ án sử dụng mô hình MIKE NAM và các công cụ Arcgis, ETo – Caculator, thuật toán QQ-MAPs được lập trình Matlab để hỗ trợ thiết lập đầu vào cho mô hình Phạm vi nghiên cứu - Phạm vi nghiên cứu: Lưu vưc sông Cái tính đến trạm thủy văn Thành Mỹ Cấu trúc đồ án Ngoài phần mở đầu, kết luận, kiến nghị, tài liệu tham khao và phụ lục, bố cục đồ án bao gồm chương: Chương 1: Tổng quan về lưu vưc nghiên cứu 10 Kết qua tính toán hệ số NASH tốt (0.821), sai số tổng lượng -0.1% với kết qua bộ thông số mô hình có thể áp dụng vào các bước mơ tiếp theo 3.5 Mơ dịng chảy lưu vực sông Cái ứng với điều kiện BĐKH 3.5.1 Thu thập xử lý số liệu Do giới hạn về mặt thời gian, số liệu nên đồ án mô dòng chay lưu vưc sông Cái ứng với kịch ban phát thai trung bình RCP4.5 hai giai đoạn: thời kỳ nền 1986 – 2005 và giai đoạn tương lai 2016 – 2035 - Tai chuỗi số liệu mưa từ kịch ban BĐKH RCP4.5 cho toàn vùng Đông Á giai đoạn 1986 - 2005 và 2016 - 2035 từ trang web đề cập Hình 3.23 Tải liệu mưa từ kịch BĐKH cho toàn vùng Đông Á - Sau đó tiến hành chi tiết hóa kịch ban BĐKH tính đến trạm Thành Mỹ, Khâm Đức phương pháp chi tiết hóa thống kê phân vị (QM) Thao tác được thưc hiện các công cụ: Cygwin, Arcgis, Matlab Kết qua chi tiết hóa kịch ban BĐKH về đến trạm sau: 62 - Mối tương quan giữa số liệu mưa thưc đo và số liệu mưa từ kịch ban BĐKH trước chi tiết hóa đến trạm phương pháp QM: Hình 3.24 So sánh biến động số liệu mưa thực đo (màu xanh) số liệu mưa từ kịch BDKH (màu đỏ) trạm Thành Mỹ giai đoạn 1986 – 2005 Từ hình 3.22 ta cho ta thấy số liệu mưa được tai từ kịch ban BĐKH trước sử dụng phương pháp QM để chi tiết hóa đến trạm thủy văn Thành Mỹ có sư sai lệch lớn về ca đường quá trình, đỉnh lũ và tổng lượng Tiến hành ứng dụng phương pháp QM chi tiết hóa kịch ban BĐKH cho kết qua được thể hiện hình 3.23 Mối tương quan giữa mưa thưc đo và chuỗi mưa được chi tiết hóa theo phương pháp QM được cai thiện, độ chênh lệch giam, đỉnh lũ và tổng lượng tương đối bám sát 63 Hình 3.25 So sánh biến động số liệu mưa thực đo (màu đỏ) số liệu mưa chi tiết hóa đến trạm Thành Mỹ giai đoạn 1986 – 2005 phương pháp QM ( màu xanh) Dưa vào sư biến động số liệu mưa thưc đo và số liệu mưa được chi tiết hóa phương pháp QM thể hiện hình 3.21 và hình 3.22 cho ta thấy, việc áp dụng phương pháp chi tiết hóa thống kê phân vị đối với dữ liệu chứa vùng thủy văn làm cho nó có thể nâng cao độ chính xác dữ liệu từ các mô hình khí hậu toàn cầu về quy mô không gian địa phương Do vậy, đồ án sử dụng kết qua chi tiết hóa từ phương pháp này làm dữ liệu đầu vào cho mô hình MIKE NAM để thưc hiện mô tiếp theo 3.5.2 Kết mô cho giai đoạn 1986 – 2005  Mô sử dụng số liệu đầu vào gồm: - Chuỗi số liệu mưa được chi tiết hóa phương pháp QM các trạm Thành Mỹ, Khâm Đức - Chuỗi số liệu lưu lượng trạm thủy văn Thành Mỹ - Chuỗi số liệu bốc tiềm trạm khí tượng Trà My  Kết qua mô dòng chay sông Cái tính đến trạm Thành Mỹ giai đoạn 1986 -2005 ứng với điều kiện BĐKH hình 3.23: Hình 3.26 Kết mơ dịng chảy sơng Cái giai đoạn 1986 -2005 ứng với điều kiện BĐKH 64 3.5.2 Kết mô cho giai đoạn 2016 -2035 Lượng mưa giai đoạn 2016 – 2035 chi tiết hóa đến trạm phương pháp QM có xu thế biến đổi tăng giai đoạn đầu ( 2016 – 2024) và giam mạnh đới với giai đoạn (2025 – 2035): Hình 3.27 Chuỗi số liệu mưa trạm Khâm Đức (2016 – 2035) sau hiệu chỉnh phương pháp QM 65 Hình 3.28 Chuỗi số liệu mưa trạm Thành Mỹ (2016 – 2035) sau hiệu chỉnh phương pháp QM Kết qua mô dòng chay sông Cái tính đến trạm thủy văn Thành Mỹ giai đoạn 2016 – 2035 điều kiện BĐKH được thể hiện hình 3.26 phù hợp với quá trình mưa – dòng chay Vì mưa giai đoạn 2016 – 2023 lớn nên cho kết qua mô dòng chay lớn và ngược lại 66 Hình 3.29 Kết mơ dịng chảy sông Cái giai đoạn 2016 – 2035 3.5.3 So sánh dịng chảy lưu vực sơng Cái giai đoạn 2016 – 2035 với thời kỳ 1986 -2005 Đường quá trình thể hiện sư biến đổi một biến khí tượng một giai đoạn nào đó, nhiên để đánh giá khái quát về tần suất và phục vụ cho bài toán dư báo thì cần xây dưng đường cong trì lưu lượng Đường cong trì lưu lượng là một biểu đồ thể hiện tỷ lệ phần trăm thời gian lưu lượng có thể vượt quá một số giá trị được định Qua đường cong trì lưu lượng cho ta thấy giá trị lớn nhất, nhỏ nhất, trung bình hay một giá trị bất kì quan tâm ứng với tần suất xuất hiện nó Ngoài ra, hình dạng đường cong cho thấy chế độ lũ mà lưu vưc có thể có Do vậy, để đánh giá sư thay đổi dòng chay thời kỳ tương lai ( 2016 – 2035) so với thời kỳ nền ( 1986 – 2005) nghiên cứu sử dụng chương trình Duration Cure được lập trình Matlab để vẽ đường cong trì lưu lượng cho ca giai đoạn: 67 Hình 3.30 Đường cong trì lưu lượng dịng chảy sơng Cái giai đoạn 1986 – 2005 (màu xanh) 2016 – 2035 ( màu đỏ) Lưu lượng dòng chay giữa Q0 và Q10 (lưu lượng ứng với tỉ lệ – 10%) được coi là lưu lượng dòng chay cao và Q0 đến Q1 là các sư kiện lũ cưc đoan Dòng chay từ Q10 đến Q70 là dòng chay trung bình, từ Q70 đến Q100 là dòng chay thấp Dưa chuỗi số liệu khí tượng thủy văn các trạm lưu vưc sông Cái cho thấy mùa lũ hầu hết xẩy từ tháng IX – XII, mùa kiệt xẩy từ tháng I – VIII Như vậy, mùa lũ chiếm 35% và mùa kiệt chiếm 65% số ngày năm Xu thế biến đổi lưu lượng mùa lũ và mùa kiệt lưu vưc sông Cái được thể hiện hình 3.28 và hình 3.29: 68 Hình 3.31 Xu biến đổi lưu lượng mùa lũ lưu vực sông Cái giai đoạn 2016 – 2035 so với thời kì sở Hình 3.32 Xu biến đổi lưu lượng mùa kiệt lưu vực sông Cái giai đoạn 2016 – 2035 so với thời kì sở 69 70 - - Nhận xét: Nhìn chung, dòng chay lưu vưc sông Cái đầu thế kỷ XXI (2016 – 2035) có xu thế tăng, nhiên mùa kiệt tăng nhanh mùa lũ Kết qua phù hợp với kịch ban BĐKH đối với lượng mưa cho Việt Nam Bộ Tài nguyên và Môi trường năm 2016 Điều này được cụ thể hóa sau: Vào mùa lũ: Lưu lượng dòng chay ứng với sư kiện lũ cưc đoan (giữa Q0 và Q1) giam từ 4000 m3/s xuống 3000 m3/s Lưu lượng dòng chay giữa Q5 – Q35 có xu thế tăngnghĩa là lũ nhỏ xay thường xuyên Vào mùa kiệt: Lương lượng dòng chay được cai thiện, tăng so với thời kì sở 71 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Khóa ḷn với đề tài: “Mơ dịng chảy lưu vực sơng Cái tính đến trạm thủy văn Thành Mỹ ứng dụng Arcgis kết hợp với mơ hình thủy văn MIKE NAM” được tiến hành với mục đích tìm hiểu và ứng dụng mô hình MIKE NAM mô dòng chay lưu vưc sông Cái đã: - Tổng hợp được đầy đủ các đặc điểm về điều kiện địa lý và kinh tế xã hội lưu vưc sông Cái - Tìm hiểu lý thuyết mô hình mưa rào – dòng chay cũng sở lý thuyết mô hình Mike Nam - Tìm hiểu sở lý thuyết, ưu điểm, nhược điểm và kha ứng dụng công cụ Arcgis các bài toán tính toán thủy văn - Đã tiến hành hiệu chỉnh và kiểm định mô hình hai giai đoạn khác và thu được kết qua tốt với các số đánh giá cao: số Nash lớn 0.8 và sai số tổng lượng nhỏ 10% - Tiến hành ứng dụng thử nghiệm phương pháp chi tiết hóa thống kê phân vị để chi tiết hóa kịch ban BĐKH cho toàn vùng Đông Á về đến trạm khí tượng Khâm Đức và trạm thủy văn Thành Mỹ để mô dòng chay lưu vưc sông Cái điều kiện BDKH Kết qua mô dòng chay lưu vưc sông Cái tính đến trạm Thành Mỹ giai đoạn 1986 – 2005 và giai đoạn 2016 – 2035 điều kiện BĐKH phan ánh đúng tác động BĐKH đối với lưu vưc Sông Cái, Quang Nam đồng thời đam bao được mối quan hệ mưa – dòng chay diễn toán lưu vưc Sau thưc hiện xong, khóa luận có các kiến nghị sau: - Để kết qua nghiên cứu được tốt cần xây dưng thêm trạm đo, thêm nhân lưc và trang thiết bị đo mưa, đo ẩm, bốc hơi, dòng chay… tốt hơn, hiện đại hơn, chế độ đo chặt chẽ nữa lưu vưc để cho ta kết qua về số liệu chính xác - Kết qua đồ án dừng lại mô dòng chay lưu vưc sông Cái ứng với giai đoạn 1986 – 2005 và giai đoạn 2016 -2035 kịch ban RCP 4.5, các nghiên cứu tiếp theo tác gia thưc hiện mô cho các giai đoạn tiếp theo kịch ban RCP 4.5 và các giai đoạn kịch ban RCP 8.5 - Do còn nhiều hạn chế về thời gian nên bài báo cáo tốt nghiệp không tránh khỏi còn nhiều thiếu sót Vì vậy, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp thầy cô để hoàn thiện bài báo cáo tốt nghiệp này 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Bộ môn ban đồ viễn thám (2016), Khoa trắc địa ban đồ, Bài giảng kỹ thuật viễn thám GIS, Tr.150 – 153 [2] Nguyễn Hữu Khai (2001), Dự báo thủy văn, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội [3] Nguyễn Hữu Khai, Nguyễn Thanh Sơn (2003), Mơ hình tốn thủy văn, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội [4] Nguyễn Thành Công (2015), Đồ án tốt nghiệp [5] Trần Văn Tình (2017), luận văn thạc sĩ khoa hoc, “ Xây dựng dồ ngập lụt vùng hạ lưu lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn” [6] Trương Đình Hùng (1995), Đặc điểm Thuỷ văn tỉnh Quảng Nam - Đà Nẵng, Nhà Xuất ban Tổng hợp Đà Nẵng Tiếng Anh [7] HEC-HMS User’s Manual - 2001 US Army Corps of Engineers Hydrologic Engineering Center [8] Burrough P A Principles of Geographical information Systems for land resources assessment Clarendon Press Oxford 73 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Bộ thơng số mơ hình MIKE NAM Thông số Giá trị Umax 23.2 Lmax 242 CQOF 0.4 CK 1,2 26.5 TOF 0.032 TIF 0.239 TG 0.0519 CKBF 3144 CKIF 923.6 Phụ lục 2: Xử lý số liệu BĐKH công cụ Cygwin Phụ lục 3: Xử lý số liệu BĐKH công cụ Arcgis 74 Phụ lục 4: Chi tiết hóa kịch BĐKH công cụ Matlab Phụ lục 5: Vẽ đường cong thời đoạn lưu lượng công 75 cụ Matlab 76 ... VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI KHOA KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN ============= BÙI THỊ BÍCH NGỌC MƠ PHỎNG DỊNG CHẢY LƯU VỰC SƠNG CÁI TÍNH ĐẾN TRẠM THỦY VĂN THÀNH MỸ ỨNG DỤNG ARCGIS KẾT HỢP VỚI MƠ HÌNH THỦY VĂN MIKE. .. tớt nghiệp “Mơ dịng chảy lưu vực sơng Cái tính đến trạm thủy văn Thành Mỹ ứng dụng Arcgis kết hợp với mơ hình thủy văn Mike Nam? ?? được thưc hiện tại khoa Khí tượng Thủy văn thuộc trường Đại... biến động đó thông qua nghiên cứu “Mơ dịng chảy lưu vực sơng Cái tính đến trạm thủy văn Thành Mỹ ứng dụng Arcgis kết hợp với mơ hình thủy văn MIKE NAM? ?? Kết qua nghiên cứu là sở cho việc dư