Bài viết trình bày các kết quả xây dựng mô hình dự báo lũ cho hệ thống sông Hoàng Long dựa trên việc tích hợp các mô hình thủy văn, thủy lực và khai thác sản phẩm mưa số trị từ mô hình hạn vừa Châu Âu. Các mô hình NAM (MIKE NAM), MIKE 11 được thiết lập, kiểm định và thử nghiệm với kết quả đạt được khá tốt cho phép sử dụng bộ mô hình để tính toán dự báo lũ cho lưu vực sông Hoàng Long trong điều kiện tác nghiệp.
BÀI BÁO KHOA HỌC NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH DỰ BÁO LŨ LƯU VỰC SƠNG HỒNG LONG Tống Ngọc Cơng1, Trần Ngọc Anh2, Đặng Thanh Mai3 Tóm tắt: Bài báo trình bày kết xây dựng mơ hình dự báo lũ cho hệ thống sơng Hồng Long dựa việc tích hợp mơ hình thủy văn, thủy lực khai thác sản phẩm mưa số trị từ mơ hình hạn vừa Châu Âu Các mơ hình NAM (MIKE NAM), MIKE 11 thiết lập, kiểm định thử nghiệm với kết đạt tốt cho phép sử dụng mơ hình để tính tốn dự báo lũ cho lưu vực sơng Hồng Long điều kiện tác nghiệp Mơ hình dự báo thử nghiệm với số liệu mưa sản phẩm mưa số trị từ mơ hình hạn vừa Châu Âu trận lũ tháng năm 2018 cho kết dự báo đáp ứng yêu cầu nghiệp vụ Từ khóa: MIKE NAM, MIKE 11, Hoàng Long, Dự báo lũ Ban Biên tập nhận bài: 08/12/2018 Ngày phản biện xong: 15/02/2019 Ngày đăng bài: 25/02/2019 Mở đầu Lưu vực sơng Hồng Long thuộc địa giới tỉnh Hịa Bình Ninh Bình Trong phần diện tích thuộc tỉnh Hồ Bình khoảng 1.000 km2 (chiếm 66% diện tích tồn lưu vực), phần lại khoảng 515 km2 thuộc địa phận tỉnh Ninh Bình Trong năm gần đây, loại thiên tai lũ, ngập lụt lưu vực sơng Hồng Long tăng lên nhiều lần tần số lẫn cường độ Điển hình vào năm 2017, mưa lớn tập trung thời gian ngắn gây lũ lớn, đặc biệt lớn lưu vực sơng Hồng Long Dự báo lũ đóng vai trị quan trọng cơng tác phòng tránh, giảm nhẹ thiệt hại gây lũ Đặc biệt lũ lưu vực sơng Hồng Long ln có diễn biến phức tạp, khó lường địi hỏi công tác dự báo ngày phải trọng Theo phân cấp trách nhiệm ban hành tin dự báo, cảnh báo Đài KTTV tỉnh Ninh Bình có trách nhiệm dự báo lũ sơng Hồng Long trạm Bến Đế trạm Gián Khẩu Xây dựng mơ hình dự báo lũ sơng Hồng Long theo quan điểm đồng Đài Khí tượng Thủy văn tỉnh Hà Nam Khoa Khí tượng Thủy văn Hải dương học, Trường Đại học Khoa Học Tự nhiên Vụ quản lý dự báo Khí tượng Thủy văn, Tổng cục Khí tượng Thủy văn Email: tongocong@gmail.com; thanhmaidang1973@gmail.com ứng dụng mơ hình đại, đáp ứng u cầu trình tác nghiệp cảnh báo, dự báo lũ mục tiêu nghiên cứu Số liệu phương pháp nghiên cứu 2.1 Số liệu 22 TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 02 - 2019 Hình Sơ đồ lưu vực hệ thống sơng Đáy Hoàng Long Các số liệu sử dụng thiết lập hiệu chỉnh/kiểm định mơ hình gồm: - Số liệu mưa (thời đoạn giờ), số liệu bốc BÀI BÁO KHOA HỌC trạm khí tượng lưu vực nghiên cứu - Số liệu dòng chảy Trạm Hưng Thi, Ba Thá đo khảo sát khứ - Số liệu mực nước mùa lũ trạm lưu vực trạm thủy Ba Thá, Phủ Lý, Hưng Thi, Gián Khẩu - Số liệu mặt cắt ngang, trắc dọc toàn tuyến hệ thống sơng Đáy, Hồng Long Các tài liệu có độ tin cậy cao quan sử dụng dự án thuộc đồng sông Hồng 2.2 Phương pháp nghiên cứu Dựa khả ứng dụng mơ hình dự báo lũ, mơ hình Mike NAM, Mike11 kết hợp với kết dự báo mưa tổ hợp (ECMWF) lựa chọn xây dựng mơ hình dự báo Để làm đầu vào cho mơ hình dự báo lũ, kết dự báo mưa lấy từ hệ thống dự báo tổ hợp ECMWF vận hành nghiệp vụ trung tâm Dự báo KTTV quốc gia Các kết dự báo mưa từ mơ hình phân tích, đánh giá so sánh với thực đo Các kết hiệu chỉnh đảm bảo sát với thực tế sở xây dựng tương quan với lượng mưa quan trắc thực tế phân tích đặc điểm mưa lưu vực Mơ hình NAM tính tốn dịng chảy từ mưa, đầu vào cho mơ hình thủy lực gia nhập khu Mơ hình thủy lực Mike 11 xây dựng để tính tốn q trình lũ trạm hạ lưu sử dụng kết tính từ mơ hình NAM Các tiêu đánh giá chất lượng mô kiểm định mơ hình gồm: Mức độ phù hợp kết tính tốn thực đo, số NASH, sai số đỉnh lũ thời gian xuất đỉnh lũ 2.2.1 Thiết lập mơ hình MIKE NAM tính tốn dịng chảy từ mưa Lưu vực sơng Đáy- Hồng Long chia thành 12 lưu vực phận gồm gồm có tiểu lưu vực BATHA, NHUE, CHAUGIANG, PHULY, NINHBINH, HUNGTHI, BENDE, GIANKHAU, LV1, LV2, LV3, DOCBO (Hình 2) Trong tiểu lưu vực có BATHA HUNGTHI tiểu lưu vực có đo lưu lượng khứ, tiểu lưu vực cịn lại khơng có trạm đo lưu lượng Số liệu 12 trạm mưa lân cận lưu vực sử dụng tính tốn dịng chảy từ mưa theo phương pháp đa giác Thieson Tối ưu thông số hiệu chỉnh mô hình sử dụng số liệu trận lũ lớn năm 2000 2017, kiểm định cho trận lũ 2001 2010 Trạm thủy văn dùng để hiệu chỉnh/ kiểm định Hưng Thi Ba Thá Hình Các tiểu lưu vực vị trí trạm đo mưa mơ hình NAM 2.2.2 Thiết lập mơ hình MIKE11 Mạng lưới sơng mơ trạm thủy văn Ba Thá, trạm Hưng Thi, cống Liên Mạc, cống Tắc Giang tới cửa biển Trên sở đồ DEM 30mx30m đồ số mạng lưới sông xác định sông lưu vực sơng Đáy-Hồng Long Bản đồ số sau chuyển đổi định dạng shape file với hệ tọa độ VN2000 nhập vào môi trường MIKE 11 Sử dụng biên tập mạng lưới sông thiết lập mặt cắt ngang từ số liệu mặt cắt thu thập Sơ đồ thủy lực sông Đáy - Hồng Long trình bày hình Biên gồm q trình dịng chảy trạm khống chế phía thượng lưu Ba Thá, Hưng Thi cống Liên Mạc, cống Tắc Giang Biên trình mực nước triều cửa Đáy với bước TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 02 - 2019 23 BÀI BÁO KHOA HỌC thời gian 01 giờ, tính tốn dựa mơ hình dự báo triều tồn cầu, có sẵn MIKE11 Biên khu gồm lưu lượng 10 dịng sơng tiểu lưu vực dọc theo tính tốn từ mơ hình NAM Trong biên gia nhập khu có lưu vực DOCBO bị ảnh hưởng dịng chảy sông Hồng qua trạm thủy văn Nam Định, trình lưu lượng nhập lưu lấy cố định 600m3/s lưu lượng trung bình mùa lũ Hình Sơ đồ thủy lực sơng Đáy - Hồng Long MIKE 11 Các kết thảo luận 3.1 Hiệu chỉnh kiểm định mô hình NAM Kết hiệu chỉnh mơ hình NAM cho trận lũ lưu vực sơng Đáy-Hồng Long tốt đỉnh lũ, tổng lượng trình Đường q trình mực nước lũ tính tốn thực đo trạm Hưng Thi Ba Thá tương đối đồng dạng Xu đường nước lên, đường nước xuống trận lũ tính tốn phù hợp với thực đo Chênh lệch đỉnh lũ tính tốn thực đo nhỏ 5% Thời gian xuất đỉnh lũ tính tốn đỉnh 24 TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 02 - 2019 lũ thực đo có chênh lệch (từ đến giờ), riêng thời gian xuất đỉnh lũ năm 2017 trạm Ba Thá xuất sớm so với thực đo Nguyên nhân trạm đo mưa lưu vực chưa phản ánh đầy đủ diễn biến mưa thực tế Sai số tổng lượng tương đối nhỏ, số Nash đạt từ 0.838 đến 0.932 mức tốt Tuy nhiên q trình tính tốn cho thấy có trễ pha vùng nước thấp mơ hình chưa mơ ảnh hưởng thủy triều BÀI BÁO KHOA HỌC Hình Đường trình lưu lượng thực đo tính tốn trận lũ trạm Ba Thá năm 2000 (a) 2017 (b) Hình Đường q trình lưu lượng thực đo tính tốn trận lũ trạm Hưng Thi năm 2000 (a) 2017 (b) Bảng Chỉ tiêu đánh giá chất lượng hiệu chỉnh mơ hình NAM Trạm Trận lũ Ba ThỈ Hưng Thi 2000 0,838 2017 0,84 2000 0,906 2017 0,932 Nash Qmax tđ (m3/s) Qmax tt (m3/s) ∆Q (%) ∆t (giờ) Wtđ (106 m3) Wtt (106 m3) ∆W (106 m3) 138 531 1858 1516 139 530 1861 1512 0,72 0,19 0,16 0,26 116 508 184 251 135 443 190 239 19 65 12 Quá trình kiểm định thơng số mơ hình cho thấy đường q trình lưu lượng tính tốn với đường q trình lưu lượng thực đo trạm Ba Thá Hưng Thi cho kết tốt trị số đỉnh lũ thời gian xuất đỉnh, riêng thời gian xuất trận lũ năm 2010 trạm Ba Thá sớm so với thực đo 3-4 Xu q trình lũ lên, lũ xuống tính tốn với thực đo phù hợp Trong trận lũ kép năm 2001 Ba Thá có sai khác lớn đỉnh lũ nhỏ Nguyên nhân TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 02 - 2019 25 BÀI BÁO KHOA HỌC chủ yếu số liệu mưa thực đo chưa phản ánh lượng mưa phân bố mưa lưu vực Chỉ số Nash đạt tương đối tốt từ 0.794 đến 0.852, sai số tổng lượng nhỏ từ 10% đến 15% Bộ thơng số tìm sau trình hiệu chỉnh kiểm định tương đối ổn định cho vị trí kiểm định, sử dụng để tính tốn dịng chảy cho lưu vực dự báo tác nghiệp Bảng Bộ thông số mơ hình NAM Lưu vực BATHA HUNGTHI Umax 10,2 10,1 Lmax 52,5 81,5 CQOF 0,879 0,878 CKIF CK1,2 TOF TIF 636,4 85 0,0476 0,2065 203,4 25,4 0,0755 0,556 Hình Đường trình lưu lượng thực đo tính tốn trận lũ trạm Ba Thá năm 2001 (a) năm 2010 (b) Hình Đường trình lưu lượng thực đo tính tốn trạm Hưng Thi trận lũ năm 2001 (a) năm 2010 (b) 26 TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 02 - 2019 BÀI BÁO KHOA HỌC Bảng Chỉ tiêu đánh giá chất lượng kiểm định mơ hình NAM Trạm Trận lũ Ba ThỈ Hưng Thi 2001 0.794 2010 0.852 2001 0.839 2010 0.82 Nash Qmax tđ (m3/s) Qmax tt (m3/s) ∆Q (%) ∆t (giờ) Wtđ (106 m3) Wtt (106 m3) ∆W (106 m3) 397 423 434 1124 390 419 467 1139 1.76 0.95 7.6 1.33 642 366 192 176 543 311 210 155 99 55 18 21 3.2 Hiệu chỉnh kiểm định mơ hình MIKE11 Mơ hình MIKE-NAM hiệu chỉnh trước tiểu lưu vực, thông số tiểu lưu vực mượn từ thông số thu thơng qua q trình hiệu chỉnh kiểm định lưu vực BATHA, HUNGTHI Kết tính tốn đưa vào mơ hình MIKE11 qua biên gia nhập khu Hình Đường trình mực nước trận lũ năm 2000 (a) năm 2017 (b) trạm Gián Khẩu Bảng Kết hiệu chỉnh mơ hình MIKE11 Trạm Trận lũ Nash Gián Khẩu 2000 2017 0,962 0,925 Hmax tđ (m) 2,94 4,50 Hmax tt (m) 2,96 4,49 ∆H (m) +0,02 -0,01 ∆t (giờ) Hình Đường trình mực nước trận lũ năm 2003 (a) năm 2010 (b) trạm Gián Khẩu TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 02- 2019 27 BÀI BÁO KHOA HỌC Bảng Kết kiểm định mơ hình MIKE 11 Trạm Trận lũ Nash Gián Khẩu GiỈn Khẩu 2003 2010 0.943 0.774 Hmax tđ (m) 3.22 3.23 3.3 Thử nghiệm mơ hình dự báo nghiệp vụ Việc dự báo thử nghiệm nhằm mục tiêu đánh giá khả ứng dụng mơ hình điều kiện nghiệp vụ Bộ mơ hình thử nghiệm cho trận lũ tháng năm 2018 sử dụng quy trình dự báo thử nghiệm trình bày hình 10 Qua số liệu mưa dự báo 24 mơ hình hạn vừa Châu Âu sử dụng làm đầu vào cho mơ hình NAM nhằm dự báo trình lưu lượng trạm Ba Thá Hưng Thi trình lưu lượng tiểu lưu vực gia nhập khu Kết tính toán với kết dự ∆H Hmax tt (m) 3.25 3.29 ∆t (giờ) (m) +0.03 +0.06 tính biên triều sử dụng làm đầu vào mơ hình MIKE 11 dự báo trình lũ Gián Khẩu với thời gian dự kiến 24 Kết dự báo thử nghiệm đánh giá thông qua việc so sánh với sai số cho phép vị trí dự báo, sau tính phần trăm số lần dự báo với tổng số lần dự báo theo công thức P = (n/N)*100% với P mức bảo đảm dự báo (%), n số lần dự báo đúng, N tổng số lần dự báo Theo quy định Tổng cục Khí tượng thủy văn, sai số cho phép trạm Gián Khẩu 17cm thời gian dự kiến 12h; 27 cm thời gian dự kiến 24h 40 cm dự báo đỉnh lũ Hình 10 Quy trình dự báo thử nghiệm Kết thử nghiệm cho thấy mơ hình mơ tốt q trình thực tế trạm phát báo Quá trình nước lên nước xuống phù hợp Đường nước xuống có sai số lớn đường nước lên Kết dự báo đỉnh lũ tương đối tốt lệch phải (xuất muộn khoảng 3-6 giờ) Dự báo đỉnh lũ kép cho kết tốt, mực nước dự báo thời gian xuất nằm sai số cho phép Kết dự báo thử nghiệm vị trí dự báo với thời gian dự kiến 12 đạt 70%, 24 đạt 78%, đáp ứng yêu cầu chất lượng dự báo Các mơ hình cơng cụ hiệu giúp dự báo viên việc phân tích dự báo lũ, bước nâng cao chất lượng dự báo lũ cho lưu vực sơng Hồng Long Bảng Kết dự báo thử nghiệm 28 Sơng Trạm Hồng Long GiỈn Khẩu TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 02 - 2019 Thời gian dự kiến 12h Tổng số lần dự báo 40 Số lần dự báo 28 24h 40 31 P (%) 70 78 BÀI BÁO KHOA HỌC H (m) 2,5 H (m) 3,5 Thời điểm dự báo ngày 16/7/2018, Thời gian dự kiến 24 (a) Thời điểm dự báo ngày 19/7/2018, Thời gian dự kiến 24 (b) 2,5 1,5 1,5 0,5 09/07/2018 0:00 H tính tốn H thực đo 12/07/2018 0:00 0,5 H dự báo 15/07/2018 0:00 18/07/2018 0:00 09/07/2018 0:00 H tính tốn H thực đo 15/07/2018 0:00 H dự báo T (giờ) 21/07/2018 0:00 T (giờ) H (m) 3,5 H (m) Thời điểm dự báo ngày 22/7/2018, Thời gian dự kiến 24 (c) 2,5 2,5 2 1,5 1,5 1 0,5 0,5 09/07/2018 0:00 H tính tốn H thực đo 18/07/2018 0:00 H dự báo 3,5 3 2,5 2,5 2 1,5 1,5 H tính tốn 07/07/2018 0:00 H thực đo 15/07/2018 0:00 H thực đo 19/07/2018 0:00 H dự báo T (giờ) (f) H dự báo 0,5 23/07/2018 0:00 31/07/2018 0:00 T (giờ) H tính toán H thực đo H dự báo 03/07/2018 0:00 15/07/2018 0:00 27/07/2018 0:00 08/08/2018 0:00 Hình 11 Quá trình mực nước dự báo thực đo Gián Khẩu 29/07/2018 0:00 H (m) Thời điểm dự báo ngày 31/7/2018, Thời gian dự kiến 24 (e) 0,5 T (giờ) Bảng Kết Đánh giá dự báo đỉnh lũ H tính tốn T (giờ) 27/07/2018 0:00 09/07/2018 0:00 H (m) Thời điểm dự báo ngày 28/2018, Thời gian dự kiến 24 3,5 (d) 3,5 Thời điểm dự báo ngày 25/7/2018, Thời gian dự kiến 24 Sông Trạm Hmax tđ (m) Hmax db (m) ΔH (m) Δt (giờ) Đánh giỈ Hồng Long GiỈn Khẩu 3.64 3.78 + 0.14 -6 Đúng Kết luận Đối với hệ thống sơng Hồng Long, nghiên cứu tích hợp mơ hình tính tốn dự báo lũ đảm bảo hiệu đạt độ tin cậy có vai trị quan trọng cơng tác dự báo giảm nhẹ thiên tai lũ, lụt Trong nghiên cứu này, mơ hình NAM thiết lập tối ưu, kiểm nghiệm nhằm mô phỏng, dự báo dòng chảy từ mưa làm đầu vào cho mơ hình thủy lực Mơ hình MIKE 11 thiết lập tối ưu, kiểm nghiệm để mơ dịng chảy lũ vùng hạ lưu hệ thống sông Bộ mô hình thử nghiệm điều kiện tác nghiệp cho trận lũ tháng 7/2018 sử dụng số liệu mưa từ mơ hình hạn vừa châu Âu Kết kiểm nghiệp thử nghiệm cho thấy mơ hình đáp ứng yêu cầu dự báo cho phép dự báo tác nghiệp dòng chảy lũ cho hệ thống sơng Hồng Long sử dụng số liệu dự báo mưa số trị từ nguồn dự báo mưa khác Đây công cụ hỗ trợ tốt cho dự báo TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 02 - 2019 29 BÀI BÁO KHOA HỌC viên việc đưa kết dự báo nhanh chóng, nhiên, tính xác cịn phụ thuộc nhiều vào kết dự báo định lượng mưa hiệu chỉnh thông số, yếu tố cần cập nhật hiệu chỉnh thường xuyên trình tác nghiệp Lời cảm ơn: Kết nghiên cứu phần nội dung luận văn học viên Tống Ngọc Cơng Nhóm nghiên cứu xin chân thành cảm ơn hỗ trợ đề tài BĐKH.24/16-20 việc thực công bố nghiên cứu Tài liệu tham khảo Bùi Văn Chanh Trần Ngọc Anh (2016), Tích hợp mơ hình dự báo thuỷ văn lưu vực sơng Trà Khúc, Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội Đặng Đình Đức (2012), Nghiên cứu xây dựng đồ tính dễ bị tổn thương cho lưu vực sông Nhuệ Đáy địa bàn thành phố Hà Nội, Luận văn Thạc sỹ, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Nguyễn Ý Như (2011), Nghiên cứu tác động biến đổi khí hậu đến cực trị dịng chảy lưu vực sông Nhuệ Đáy thuốc địa bàn thành phố Hà Nội Luận văn Thạc sỹ, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Đặng Thị Lan Phương (2012), Nghiên cứu ứng dụng mơ hình MIKE bước hồn thiện cơng nghệ dự báo lũ sơng Hồng - Thái bình Luận văn Thạc sĩ khoa học, ĐH Khoa học Tự nhiên ĐH Quốc gia Hà Nội Lại Thị Thanh (2014), Nghiên cứu quy hoạch phịng chống lũ sơng Hồng Long điều kiện không xây dựng hồ chứa nước Hưng Thi, Luận văn Thạc sỹ, Trường Đại học Thủy lợi Trần Thục (2011), Xây dựng cơng nghệ tính tốn dự báo lũ lớn hệ thống sơng Hồng - Thái Bình, Đề tài cấp Bộ DHI (2007), MIKE ZERO Software Package, Rainfall-Runoff Parametters APPLICATION MODELS TO FLOOD FORECASTING IN HOANG LONG RIVER BASIN Tong Ngoc Cong1, Tran Ngọc Anh2, Dang Thanh Mai3 Ha Nam province Hydrometeorological centre Faculty of Hydro-meteorology & Oceanography Department of Meteorological and Hydrological Forecasting Management Abstract: The paper presents the results of application the models for flood forecasting in the Hoang Long river basin which based on the integration of hydrological and hydrolic models and rainfall forecasting data from the European medium model NAM and Mike 11 models were established, calibrated and verified which give good results for use in flood forecasting for the Hoang Long river basin in operational conditions The forecast models is tested with rainfall forecasting data in the flood events in July 2018 The testing results show that the technology meets the requirements in operational conditions Keyword: MIKE NAM, MIKE 11, Hoang Long, Flood forecasting 30 TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 02 - 2019 ... chọn xây dựng mơ hình dự báo Để làm đầu vào cho mơ hình dự báo lũ, kết dự báo mưa lấy từ hệ thống dự báo tổ hợp ECMWF vận hành nghiệp vụ trung tâm Dự báo KTTV quốc gia Các kết dự báo mưa từ mơ hình. .. gian dự kiến 12 đạt 70%, 24 đạt 78%, đáp ứng u cầu chất lượng dự báo Các mơ hình công cụ hiệu giúp dự báo viên việc phân tích dự báo lũ, bước nâng cao chất lượng dự báo lũ cho lưu vực sơng Hồng Long. .. Hồng Long Các tài liệu có độ tin cậy cao quan sử dụng dự án thuộc đồng sông Hồng 2.2 Phương pháp nghiên cứu Dựa khả ứng dụng mô hình dự báo lũ, mơ hình Mike NAM, Mike11 kết hợp với kết dự báo