Thiết kế mạng lưới trạm đo mưa tiêu chuẩn phục vụ dự báo thủy văn cho lưu vực sông cả

MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: ĐIỀU KIỆN ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN CỦA LƯU VỰC SƠNG CẢ 1.1 Vị trí địa lý, địa hình 1.1.1 Vị trí vùng nghiên cứu .5 1.1.2 Đặc điểm địa hình 1.2 Đặc điểm địa chất thổ nhưỡng 1.2.1.Đặc điểm địa chất .8 1.2.2 Đặc điểm thổ nhưỡng 1.3 Thảm phủ thực vật 10 1.4 Điều kiện khí hậu 10 1.4.1 Bức xạ 12 1.4.2 Nhiệt độ 12 1.4.3 Độ ẩm .14 1.4.4 Bốc thoát 14 1.4.5 Gió, bão 15 1.6 Điều kiện dân sinh kinh tế 21 1.6.1 Dân cư 21 1.6.3 Tình hình phát triển ngành, lĩnh vực vùng miền 22 1.6.3.1 Nông, lâm, ngư nghiệp 22 1.6.3.2 Công nghiệp - Xây dựng 23 1.6.3.3 Thương mại, dịch vụ 23 1.6.3.4 Y tế - Giáo dục 23 CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ MƯA LŨ LƯU VỰC SƠNG CẢ .24 2.1 Tình hình tài liệu số liệu khí tượng thủy văn lưu vực nghiên cứu 24 2.2 Các tổ hợp hình thời tiết gây mưa lớn lưu vực sông Cả 25 2.2.1 Mưa lớn ảnh hưởng bão áp thấp nhiệt đới 26 2.2.2 Mưa lũ khơng khí lạnh kết hợp với dải hội tụ nhiệt đới .34 2.2.3 Mưa lớn hình thời tiết khác gây nên lưu vực sông Cả 37 2.3 Sự biến đổi mưa lưu vực theo thời gian .39 2.3.1 Chế độ mưa lưu vực sông Cả 39 2.3.2 Sự biến đổi theo thời gian .41 2.4 Sự biến đổi mưa lưu vực theo không gian 42 2.4.1 Đặc điểm biến đổi mưa theo không gian 42 2.4.2 Bản đồ đẳng trị mưa ngày lớn TBNN lưu vực sông Cả 44 CHƯƠNG III: CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠNG LƯỚI TRẠM 52 3.1 Hiện trạng lưới trạm quan trắc khí tượng thuỷ văn lưu vực sông Cả.52 3.2 Tổng quan thiết kế mạng lưới trạm 56 3.2.1 Những khái niệm thiết kế mạng lưới trạm 56 3.2.2 Các trạm đo mưa 59 3.3 Phương pháp Kriging 61 3.4 Tiêu chuẩn WMO thiết kế mạng lưới trạm 66 3.5 Các bước để thiết lập mạng lưới trạm đo mưa lưu vực 68 3.5.1 Những tính tốn sơ .68 3.5.2 Loại bỏ trạm không cần thiết 68 3.5.3 Chọn vị trí để thiết lập trạm quan trắc 69 3.5.4 Hiệu chỉnh kiểm định lại mạng lưới 69 CHƯƠNG IV: ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT KRIGING TRONG VIỆC THIẾT KẾ MẠNG LƯỚI TRẠM ĐO MƯA 70 4.1 Tương quan đơn cặp trạm mưa lưu vực .70 4.2 Hiệp phương sai trạm mưa lưu vực .77 4.3 Xây dựng biểu đồ thiết kế 82 4.4 Phân tích đánh giá tối ưu hóa mạng lưới trạm đo mưa lưu vực 90 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO 106 PHẦN PHỤ LỤC .1 PHẦN PHỤ LỤC .1 PHỤ LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1.Đặc trưng số nắng tháng năm trạm lưu vực sông Cả .12 Bảng 1-2 Đặc trưng nhiệt độ khơng khí trạm lưu vực sông Cả 13 Bảng 1-3 Độ ẩm khơng khí tương đối tháng năm trạm lưu vực sông Cả 14 Bảng 1-4.Đặc trưng lượng bốc tháng, năm trạm lưu vực sông Cả.15 Bảng 1-5 Các bão lịch sử điển hình ảnh hưởng tới Nghệ An – Hà Tĩnh 16 Bảng 1-6 Tỷ lệ diện tích (%) vùng ảnh hưởng bão hàng năm đổ vào Việt Nam Nghệ Tĩnh 17 Bảng 1-7.Phân bố diện tích số sơng nhánh lớn hệ thống sông Cả .19 Bảng 1-8.Đặc trưng hình thái lưu vực sơng Cả 21 Bảng 2-1 Bảng thống kê số liệu thu thập lưu vực sông Cả phục vụ cho việc tính tốn luận văn 24 Bảng 2-2 Thống kê lượng mưa XTNĐ ảnh hưởng gây mưa vừa to số vùng lưu vực sông Cả 29 Bảng 2-3: Thống kê lượng mưa KKL ảnh hưởng gây mưa vừa to số vùng lưu vực sông Cả 36 Bảng 2-4 Lượng mưa ngày lớn thực đo số trạm lưu vực sông Cả 41 Bảng 2-5: Lượng mưa ngày lớn tháng trung bình nhiều năm 45 Bảng 3-1 Các trạm thuỷ văn lưu vực sông Cả 52 Bảng 3-2 Các trạm khí tượng lưu vực sơng Cả 54 Bảng 3-3: Mật độ lưới trạm nhỏ cần phải có lưu vực (theo WMO) 66 Bảng 3-4: Bảng mật độ lưới trạm tối thiểu tiêu chuẩn (Đơn vị: km2 /1 trạm) 67 Bảng 4-1 Bảng giá trị trung bình nhiều năm tổng lượng mưa tháng trạm toàn lưu vực tháng mùa mưa 75 Bảng 4-2 Độ lệch chuẩn ước lượng trường hợp nghiên cứu tương ứng với cấp mật độ trạm mưa lưu vực sông Cả .88 Bảng 4-3: Số trạm đo mưa thực tế thiết kế tiểu lưu vực thuộc lưu vực sông Cả 91 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1-1: Bản đồ lưu vực sông Cả lãnh thổ Việt Nam Hình 1-2: Bản đồ địa hình lưu vực sông Cả .7 Hình 1-3: Đường bão đổ ảnh hưởng đến lưu vực sông Cả từ năm 1970 - 2009 18 Hình 1-4 Bản đồ mạng lưới sơng ngịi lưu vực sơng Cả 20 Hình 2-1: Tấn suất xuất trận bão đổ ảnh hưởng đến lưu vực sông Cả từ năm 1970 – 2009 38 Hình 2-2 Lượng mưa tháng trung bình nhiều năm Tương Dương 40 Hình 2-3 Lượng mưa tháng trung bình nhiều năm Quỳ Châu 40 Hình 2-4 Lượng mưa tháng trung bình nhiều năm Vinh 41 Hình 2-5 Bản đồ đẳng trị lượng mưa ngày lớn tháng TBNN (mm) 46 Hình 2-6 Bản đồ đẳng trị lượng mưa ngày lớn tháng TBNN (mm) 46 Hình 2-7 Bản đồ đẳng trị lượng mưa ngày lớn tháng TBNN (mm) 47 Hình 2-8 Bản đồ đẳng trị lượng mưa ngày lớn tháng TBNN (mm) 47 Hình 2-9 Bản đồ đẳng trị lượng mưa ngày lớn tháng TBNN (mm) 48 Hình 2-10 Bản đồ đẳng trị lượng mưa ngày lớn tháng 10 TBNN (mm) 48 Hình 2-11 Bản đồ đẳng trị lượng mưa ngày lớn tháng 11 TBNN (mm) 49 Hình 2-12 Bản đồ đẳng trị lượng mưa ngày lớn tháng 12 TBNN (mm) 49 Hình 3-1 Mạng lưới trạm khí tượng thuỷ văn hoạt động lưu vực sông Cả thuộc phần lãnh thổ Việt Nam (1-Các trạm khí tượng – Các trạm thuỷ văn)55 Hình 3-2 Sơ đồ khối toán thiết kế mạng lưới trạm 57 Hình 4-1 Biểu đồ tương quan kinh nghiệm nội suy lượng mưa ngày lưu vực sông Cả mùa mưa 72 Hình 4-2 Biểu đồ tương quan kinh nghiệm nội suy lượng mưa thời đoạn 6h lưu vực sông Cả mùa mưa 73 Hình 4-3 Biểu đồ tương quan kinh nghiệm nội suy lượng mưa ngày lưu vực sông Cả tháng 76 Hình 4-4 Biểu đồ tương quan kinh nghiệm nội suy lượng mưa thời đoạn 6h lưu vực sông Cả tháng 76 Hình 4-5 Biểu đồ hiệp phương sai kinh nghiệm nội suy lượng mưa ngày lưu vực sông Cả tháng 79 Hình 4-6 Biểu đồ hiệp phương sai kinh nghiệm nội suy lượng mưa thời đoạn 6h lưu vực sông Cả mùa mưa 79 Hình 4-7 Biểu đồ hiệp phương sai kinh nghiệm nội suy lượng mưa ngày lưu vực sông Cả tháng 81 Hình 4-8 Biểu đồ hiệp phương sai kinh nghiệm nội suy lượng mưa thời đoạn 6h lưu vực sông Cả tháng .81 Hình 4-9 Biểu đồ thiết kế mạng lưới trạm trường hợp tính tốn với mưa ngày mùa 83 Hình 4-10 Biểu đồ thiết kế mạng lưới trạm trường hợp tính tốn với mưa thời đoạn 6h mùa mưa 84 Hình 4-11 Biểu đồ thiết kế mạng lưới trạm trường hợp tính tốn với mưa ngày tháng 84 Hình 4-12 Biểu đồ thiết kế mạng lưới trạm trường hợp tính tốn với mưa thời đoạn 6h tháng 85 Hình 4-13 So sánh biểu đồ thiết kế trường hợp nghiên cứu mưa thời đoạn 6h mưa ngày mùa lũ cho riêng tháng 87 Hình 4-14 Bản đồ mạng lưới trạm có theo tiểu lưu vực hệ thống sơng Cả thuộc phần lãnh thổ Việt Nam 92 Hình 4-15 : Bản đồ mạng lưới trạm đo mưa có bổ sung lưu vực hệ thống sông Cả 102 MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Nước ta nằm vùng nhiệt đới nóng ẩm mưa nhiều với hai mùa rõ rệt năm Mùa mưa với kết hợp nhiều hình thời tiết tạo trận mưa lớn không gian rộng lớn tạo trận lũ nghiệm trọng, liên tiếp gây thiệt hại nghiêm trọng hoạt động dân sinh kinh tế xã hội dọc hai bên sông, vào mùa khơ hầu nước sơng hạ thấp, kéo theo q trình xâm nhập mặn sâu vào sơng làm cho tình hình vốn xấu lại trở nên nghiêm trọng hơn, đặc biệt cho vùng cửa sông ven biển Sông Cả chín hệ thống sơng lớn nước ta, có toạ độ từ 18015’05” đến 20010’30” vĩ độ Bắc 103014’10” đến 105015’20” kinh độ Đông, sông liên qc gia, có đến 34,8% diện tích lưu vực (khoảng 9470 km2) thuộc đất Xiêng Khoảng Lào Hệ thống sơng Cả bao trùm phần lớn diện tích hai tỉnh Nghệ An Hà Tĩnh Dịng sơng Cả có chiều dài 531 Km, đoạn chảy qua lãnh thổ Lào 170 km, lại chảy qua hai tỉnh Nghệ An Hà Tĩnh đổ biển Đông Cửa Hội Nguồn nước lưu vực sông Cả dồi với tổng lượng dòng chảy năm 23,5 tỷ m3, tương ứng với lưu lượng trung bình nhiều năm 746 m3/s Dòng chảy lũ phụ thuộc vào chế độ mưa, mùa lũ có xu hướng chậm dần từ Bắc vào Nam, từ thượng nguồn hạ du Trong thập kỷ gần đây, Nghệ An, Hà Tĩnh thường xuyên chịu ảnh hưởng nặng nề thiên tai, mưa, bão, lũ lụt ảnh hưởng lớn đến trình phát triển kinh tế, đời sống địa phương Do vậy, việc tính tốn, dự báo cảnh báo sớm dịng chảy lũ sơng Cả có ý nghĩa thực tiễn khoa học to lớn cơng tác phịng tránh lũ, lụt, giảm nhẹ thiên tai cho khu vực Tuy nhiên với 70% diện tích lưu vực đồi núi nên mưa lũ biến đổi theo không gian lớn, mạng lưới trạm quan trắc mưa lưu vực cịn thưa thớt, phân bố khơng đồng đều, chủ yếu tập trung khu vực đồng bằng, thưa lại khơng điển hình vùng thượng lưu, miền núi lưu vực Chính điều gây khó khăn cho cơng tác dự báo, cảnh báo lũ cho hệ thống sông, đặc biệt phần hạ lưu dải đồng ven biển Hiện Việt Nam nhiều nước phát triển chưa có tiêu chuẩn, phương pháp tính tốn thiết kế mạng lưới trạm quan trắc khí tượng, thủy văn nói chung lưới trạm mưa nói riêng phục vụ cho dự báo mưa lũ xác định thông số đầu vào cho việc tính tốn thiết kế cơng trình giao thơng, thuỷ lợi, cơng trình dân dụng khác v.v…Do việc xây dựng tiêu chuẩn để thiết kế mạng lưới trạm đảm bảo cung cấp chuỗi số liệu mang tính đại biểu, xác khách quan cho lưu vực nhiệm vụ quan trọng, cấp thiết cần quan tâm kịp thời Xuất phát từ mục đích thực tế lưu vực sông cả, luận văn tiến hành nghiên cứu phương pháp tiếp cận để thiết kế mạng lưới trạm khí tượng tiêu chuẩn, lựa chọn phương pháp thích hợp với điều kiện khí hậu, thời tiết, thủy văn lưu vực, từ tính tốn thiết kế mạng lưới trạm khí tượng tiêu chuẩn đảm bảo điều kiện kỹ thuật kinh tế, góp phần nâng cao tính xác tiết kiệm chi phí cho hoạt động, công tác liên quan đến tài nguyên nước lưu vực sơng Cả Đó lý học viên chọn đề tài luận văn: “Thiết kế tiêu chuẩn mạng lưới trạm đo mưa phục vụ dự báo thủy văn cho lưu vực sông Cả” 2.1 Mục tiêu luận văn Mục tiêu đào tạo Nâng cao khả tổng hợp học viên kiến thức học chương trình cao học chuyên ngành thuỷ văn học, đồng thời học viên nắm phương pháp nghiên cứu biết cách giải vấn đề thực tế sở vận dụng phương pháp luận phương pháp tính tốn, cơng nghệ, cơng cụ đại nghiên cứu 2.2 Mục tiêu nghiên cứu Hiện giới nói chung Việt Nam nói riêng, việc thiết kế mạng lưới trạm quan trắc yếu tố khí tượng thủy văn chưa thực quan tâm, thực tế việc thiết kế mạng lưới trạm tối ưu nâng cao độ xác số liệu thu thập, từ nâng cao độ xác kết nghiên cứu, đề tài dự án giúp nâng cao chất lượng dự báo lũ cho lưu vực Do đề tài luận văn tiếp cận nghiên cứu sở khoa học đề xuất phương pháp tính tốn thiết kế xây dựng mạng lưới trạm nhằm có mạng lưới với độ xác cao số liệu phù hợp kinh tế Phương pháp sâu nghiên cứu ứng dụng phép tốn phân tích không gian để đánh giá tương quan yếu tố khí tượng, từ thiết kế đề xuất tiêu chuẩn mạng lưới trạm quan trắc cho lưu vực nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu luận văn Không gian nghiên cứu: Lưu vực sông Cả thuộc phần lãnh thổ Việt Nam Đối tượng nghiên cứu: Sử dụng số liệu mưa quan trắc từ năm 60 tới để tính tốn đề xuất mật độ lưới trạm đo mưa; phân bố trạm quan trắc theo tiểu lưu vực Phương pháp nghiên cứu luận văn Phương pháp nghiên sử dụng trình thực luận văn: 3.1- Phương pháp điều tra thực địa: Tổ chức hoạt động điều tra thực địa phạm vi nghiên cứu luận văn nhằm mục đích đánh giá tình hình thực tế điều kiện thực tế trạng mạng lưới quan trắc khí tượng thủy văn lưu vực sơng Cả 3.2- Phương pháp phân tích thống kê khơng gian: Phương pháp sử dụng việc phân tích đánh giá tương quan thống kê chuỗi số liệu khí tượng thủy văn, tương quan khơng gian trạm, biến đổi yếu tố khí tượng thủy văn theo khơng gian việc xử lý tài liệu khí tượng thủy văn phục vụ cho tính tốn, phân tích luận văn 3.3- Phương pháp phân tích tối ưu hóa hệ thống: dựa vào lý thuyết hệ thống để phân tích hoạt động hệ thống, đưa kịch tính tốn tối ưu hóa hệ thống 3.4- Phương pháp kế thừa nghiên cứu: Trong trình thực hiện, luận văn có tham khảo thừa kế số tài liệu, kết có liên quan đến luận văn nghiên cứu trước tác giả, quan tổ chức khác Những thừa kế quan trọng việc định hướng hiệu chỉnh kết nghiên cứu, đưa kết luận khoa học có giá trị, tránh trùng lặp hay kết nghiên cứu lỗi thời để tính tốn luận văn phù hợp với thực tiễn vùng nghiên cứu Các kết đạt luận văn 4.1 Giới thiệu nét tổng quan lưu vực sông Cả: Điều kiện tự nhiên, điều kiện khí hâu, điều kiện thủy văn- sơng ngịi, điều kiện dân sinh kinh tế, trạng mạng lưới trạm quan trắc khí tượng thủy văn lưu vực… Đây sở cho lý luận tính tốn thiết kế kỹ thuật xem xét yếu tố tác động để đề xuất mạng lưới trạm tiêu chuẩn tối ưu cho lưu vực 4.2 Nghiên cứu xây dựng tiêu chuẩn thiết kế mạng lưới trạm nói chung ứng dụng cho lưu vực sơng Cả nói riêng; Đánh giá ưu điểm hạn chế phương pháp khả mở rộng ứng dụng cho lưu vực khác ... phí cho hoạt động, cơng tác liên quan đến tài ngun nước lưu vực sơng Cả Đó lý học viên chọn đề tài luận văn: ? ?Thiết kế tiêu chuẩn mạng lưới trạm đo mưa phục vụ dự báo thủy văn cho lưu vực sông Cả? ??... triển chưa có tiêu chuẩn, phương pháp tính tốn thiết kế mạng lưới trạm quan trắc khí tượng, thủy văn nói chung lưới trạm mưa nói riêng phục vụ cho dự báo mưa lũ xác định thơng số đầu vào cho việc... đơn cặp trạm mưa lưu vực .70 4.2 Hiệp phương sai trạm mưa lưu vực .77 4.3 Xây dựng biểu đồ thiết kế 82 4.4 Phân tích đánh giá tối ưu hóa mạng lưới trạm đo mưa lưu vực 90 KẾT LUẬN