Nghiên cứu ứng dụng mô hình kết nối MARINE và IMECH1D dự báo lưu lượng vào hồ Hòa Bình

Nghiên cứu ứng dụng mô hình kết nối MARINE và IMECH1D dự báo lưu lượng vào hồ Hòa Bình Nghiên cứu ứng dụng mô hình kết nối MARINE và IMECH1D dự báo lưu lượng vào hồ Hòa Bình Nghiên cứu ứng dụng mô hình kết nối MARINE và IMECH1D dự báo lưu lượng vào hồ Hòa Bình luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VIỆN CƠ HỌC NGUYỄN TIẾN CƢỜNG NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG MƠ HÌNH KẾT NỐI MARINE VÀ IMECH1D DỰ BÁO LƢU LƢỢNG VÀO HỒ HỊA BÌNH LUẬN VĂN THẠC SỸ Hà Nội - 2010 MỤC LỤC MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chƣơng ĐẶC ĐIỂM CỦA LƢU VỰC VÀ CỦA CÁC MƠ HÌNH LỰA CHỌN NGHIÊN CỨU 1.1 Đặc điểm địa lý tự nhiên, quy luật dòng chảy lũ lƣu vực sơng Đà vai trị hồ Hịa Bình [4]-[6]: 1.1.1 Đặc điểm mƣa gây lũ [4]: 1.1.2 Đặc điểm dòng chảy lũ sông Đà [4]: 10 1.1.3 Vai trị hồ Hịa Bình [4]: 11 1.2 Tổng quan mô hình thủy văn [3]-[5]: 12 1.3 Tổng quan mơ hình thủy lực [3]; [6]: 13 Chƣơng PHẦN MỀM THỦY VĂN THAM SỐ PHÂN BỐ MARINE 16 2.1 Cơ sở khoa học phần mềm thủy văn tham số phân bố Marine: 16 2.1.1 Mơ hình dịng chảy bề mặt lƣu vực [3]; [5]; [6]; [8]: 16 2.1.2 Mơ hình thấm Green Ampt [12]; [16]: 17 2.2 Cấu trúc liệu Marine [16]: 19 Chƣơng PHẦN MỀM THỦY LỰC MỘT CHIỀU IMECH1D 22 3.1 Các thành phần hệ thống [5]; [6]; [9]: 22 3.1.1 Mạng sông: 22 3.1.1.1 Nút sông: 22 3.1.1.2 Đoạn sông: 23 3.1.2 Ô ruộng (Ô chứa): 23 3.2 Mơ hình tốn học [5]; [6]; [9]: 23 3.2.1 Mô hình tốn học đoạn sơng: 23 3.2.2 Mơ hình tốn học ruộng [5]; [6]; [9]: 24 3.3 Lƣợc đồ sai phân [1]; [5]; [6]: 24 3.4 Tuyến tính hóa hệ phƣơng trình (3.5), (3.7), (3.8): 26 3.4.1 Tuyến tính hố biểu thức đơn giản [10]: 27 3.4.2 Tuyến tính hố biểu thức có lực cản đáy: 27 3.4.3 Tuyến tính hố biểu thức trao đổi nƣớc qua đê: 28 3.5 Thuật giải hệ phƣơng trình đại số tuyến tính [1]; [5]; [6]: 28 3.6 Các thuật toán phụ trợ sử dụng xây dựng chƣơng trình tính tốn thủy lực chiều IMech1D [5]; [6]: 33 3.6.1 Khái toán mặt cắt: 33 3.6.2 Tạo giá trị mực nƣớc lƣu lƣợng làm điều kiện ban đầu: 34 3.6.3 Vấn đề xác định hệ số nhám chỉnh kết quả: 35 Chƣơng ỨNG DỤNG MƠ HÌNH KẾT NỐI MARINE-IMECH1D CHO LƢU VỰC SÔNG ĐÀ PHẦN TRÊN LÃNH THỔ VIỆT NAM 36 4.1 Mô hình kết nối Marine Imech1D [5]: 36 4.2 Xử lý số liệu cho mô hình kết nối Marine-IMech1D: 37 4.2.1 Xử lý đồ địa hình: 37 4.2.1.1 Xác định hƣớng dòng chảy độ tích tụ dịng chảy DEM: 38 4.2.1.2 Tạo mạng sông suối từ DEM: 40 4.2.1.3 Phân chia lƣu vực DEM: 41 4.2.2 Xử lý đồ phân loại đất: 41 4.2.3 Xử lý đồ trạng sử dụng đất: 43 4.2.4 Xây dựng đồ phân bố mƣa lƣu vực: 43 4.2.5 Tích hợp mặt cắt sông vào lớp sông suối DEM: 45 4.2.6 Xử lý số liệu khác: 46 Chƣơng NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG TÍNH TỐN CỦA MƠ HÌNH BẰNG KỸ THUẬT LỌC KALMAN 47 5.1 Quá trình cần đánh giá (ƣớc lƣợng) [13]: 47 5.2 Các vấn đề tính tốn (bản chất tính tốn) lọc Kalman [13]; [17]: 49 5.2.1 Định nghĩa ƣớc lƣợng tiên nghiệm hậu nghiệm: 49 5.2.2 Bƣớc dự báo – cập nhật (ƣớc lƣợng tiên nghiệm): 49 5.2.3 Bƣớc hiệu chỉnh (ƣớc lƣợng hậu nghiệm): 51 5.2.4 Tìm Kalman gain (blending factor) K: 52 5.3 Thuật toán lọc Kalman rời rạc: 55 5.3.1.Cập nhật theo thời gian – dự báo (ƣớc lƣợng tiên nghiệm) (predict): 55 5.3.1.1 Phép tính s 1: 55 5.3.1.2 Phép tính số 2: 55 5.3.2 Cập nhật theo đo đạc – chỉnh sửa (ƣớc lƣợng hậu nghiệm) (correct): 56 5.3.2.1 Phép tính số 3: 56 5.3.2.2 Phép tính số 4: 56 5.3.2.3 Phép tính số 5: 56 Chƣơng CÁC KẾT QUẢ ỨNG DỤNG MƠ HÌNH KẾT NỐI MARINE VÀ IMECH1D ĐỂ DỰ BÁO LƢU LƢỢNG VÀO HỒ HÕA BÌNH 57 6.1 Kết kiểm tra toán mẫu cho 10 lƣu vực phận: 57 6.2 Sử dụng mơ hình kết nối Marine-IMech1D để dự báo lại trận lũ năm 2006 hiệu chỉnh tham số mơ hình: 58 6.2.1 Nhận định chung tình hình lũ sơng Đà năm 2006: 58 6.2.2 Kết tính toán dự báo lại cho trận lũ năm 2006 mơ hình kết nối MARINE-IMECH1D: 58 6.3 Kết sử dụng mơ hình kết nối Marine-IMech1D tác nghiệp cho mùa lũ năm 2009: 61 KẾT LUẬN 64 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 Tiếng Việt 67 Tiếng Anh 67 Tiếng Pháp 68 PHỤ LỤC 69 Kết kiểm tra toán mẫu cho 10 lƣu vực phận lƣu vực sông Đà MARINE: 69 Kết kiểm định chƣơng trình tính tốn thủy lực chiều IMech1D toán kiểm định mẫu (Test Cases) 75 2.1 Kết kiểm định chƣơng trình IMech1D tốn mẫu số 1: SÓNG XẢ TRONG KÊNH CHỮ NHẬT 75 2.2 Kết kiểm định chƣơng trình IMech1D toán mẫu số 2: DÕNG CHẢY ÊM, ĐỀU TRONG KÊNH HÌNH CHỮ NHẬT 76 2.3 Kết kiểm định chƣơng trình IMech1D tốn mẫu số 3: DÕNG CHẢY ĐỀU CÓ LƢU LƢỢNG PHỤ 77 2.4 Kết kiểm định chƣơng trình IMech1D toán mẫu số 4: DÕNG CHẢY ĐỀU CĨ CƠNG TRÌNH 78 2.5 Kết kiểm định chƣơng trình IMech1D tốn mẫu số 5: SÓNG ĐỘNG LỰC HỌC 79 2.6 Kết kiểm định chƣơng trình IMech1D tốn mẫu số 6: SĨNG KHUẾCH TÁN 80 2.7 Kết kiểm định chƣơng trình IMech1D tốn mẫu số 7: SÓNG ĐỘNG HỌC 81 2.8 Kết kiểm định chƣơng trình IMech1D tốn mẫu số 8: SĨNG LŨ QUA HỒ CHỨA 82 2.9 Kết kiểm định chƣơng trình IMech1D toán mẫu số 9: NHIỄU ĐỊA PHƢƠNG TRONG DÕNG CHẢY DỪNG 83 2.10 Kết kiểm định chƣơng trình IMech1D tốn mẫu số 10: HÌNH HỌC KHƠNG ĐỀU TRONG DÕNG CHẢY DỪNG 84 2.11 Kết kiểm định chƣơng trình IMech1D tốn mẫu số 11: DÕNG CHẢY KHƠNG DỪNG TRONG KÊNH CĨ LÕNG DẪN PHỨC HỢP 86 2.12 Kết kiểm định chƣơng trình IMech1D toán mẫu 12: PHÂN LƢU 89 MỞ ĐẦU Do ảnh hƣởng tình trạng biến đổi khí hậu toàn cầu trạng khai thác, sử dụng đất bề mặt lƣu vực bị thay đổi nhiều nên lũ lụt hệ thống sơng Đà có chiều hƣớng ngày diễn biến phức tạp Chính điều ngày gây thêm nhiều khó khăn cho cơng tác dự báo lƣu lƣợng vào hồ Hịa Bình nhƣ cơng tác phịng chống lụt bão điều hành hồ chứa thủy điện Hịa Bình Sơng Đà hệ thống sông lớn chi lƣu lớn ba chi lƣu hệ thống sông Hồng Lƣu lƣợng nƣớc đổ sông Hồng phần lớn từ sơng Đà chảy Chính sơng Đà có ảnh hƣởng lớn đến tình trạng lũ lụt khu vực đồng châu thổ sông Hồng Để phòng chống lũ cho khu vực đồng châu thổ sông Hồng đặc biệt chống lũ cho thành phố Hà Nội địi hỏi phải kiểm sốt đƣợc lũ sơng Đà vận hành cơng trình chống lũ hồ thủy điện Hịa Bình cách hợp lý Dự báo trƣớc lƣu lƣợng vào hồ Hịa Bình nhiệm vụ quan trọng Bởi vì, để vận hành dƣợc hồ Hịa Bình phục vụ đa mục tiêu cần phải biết trƣớc đƣợc lƣu lƣợng vào hồ Luận văn thạc sỹ đƣợc đặt hoàn cảnh thực tế cần phải xây dựng công cụ cho phép dự báo trƣớc lƣu lƣợng vào hồ Hịa Bình từ số liệu đầu vào gồm: - Các thông tin lƣu vực sông Đà bị giới hạn nằm phần lãnh thổ Việt Nam - Số liệu mƣa thực đo biết trạm đo lƣu vực - Số liệu mƣa dự báo trạm đo lƣu vực mơ dự báo mƣa - Lƣu lƣợng chảy vào từ phần lƣu vực thuộc lãnh thổ Trung Quốc - Số liệu lƣu lƣợng mực nƣớc số trạm đo hệ thống sơng Đà hồ Hịa Bình - Các thơng số hồ Hịa Bình, cơng trình thủy điện Hịa Bình - Thơng tin địa hình, trạng sử dụng đất,… lƣu vực sông Đà - Các thông tin phụ trợ khác Trên sở nội dung luận văn đƣợc đặt với mục tiêu khai thác, sử dụng mơ hình toán tiên tiến mà giới nghiên cứu phát triển để xây dựng công cụ dự báo trƣớc lƣu lƣợng vào hồ Hịa Bình 48 Qua nghiên cứu, phân tích nhiều mơ hình thủy văn thủy lực khác nhau, cuối mơ hình thủy văn Marine mơ hình thủy lực IMech1D đƣợc lựa chọn để phát triển kết nối thành mơ hình kết nối Marine IMech1D phục vụ toán dự báo lƣu lƣợng vào hồ Hịa Bình Trên sở nội dung luận văn bao gồm chƣơng là: Chƣơng 1: trình bày thơng tin tổng quan đề tài bao gồm, thông tin lƣu vực nghiên cứu, thơng tin mơ hình thủy văn, thủy lực đƣợc lựa chọn nghiên cứu Chƣơng 2: Nghiên cứu sở khoa học phát triển mô hình thủy văn tham số phân bố Marine Chƣơng 3: Nghiên cứu sở khoa học khai thác mô hình thủy lực chiều IMech1D Chƣơng 4: Kết nối mơ hình thủy văn Marine với mơ hình thủy lực chiều IMech1D thành mơ hình thống Ứng dụng mơ hình cho lƣu vực sơng Đà để dự báo lƣu lƣợng vào hồ Hịa Bình Chƣơng 5: Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật lọc Kalman để nâng cao độ xác mơ hình kết nối Marine IMech1D Chƣơng 6: Trình bày kết sử dụng mơ hình kết nối MarineIMech1D dự báo lƣu lƣợng vào hồ Hịa Bình trƣớc 48 Cuối phần kết luận số phụ lục Chương ĐẶC ĐIỂM CỦA LƯU VỰC VÀ CỦA CÁC MƠ HÌNH LỰA CHỌN NGHIÊN CỨU 1.1 Đặc điểm địa lý tự nhiên, quy luật dòng chảy lũ lưu vực sơng Đà vai trị hồ Hịa Bình [4]-[6]: Sơng Đà có diện tích 52.900 km2, lƣu vực hẹp, kéo dài theo hƣớng tây bắcđông nam tới 380km, rộng trung bình 80km, phần thuộc địa phận Việt Nam có diện tích 26800km2, chiếm khoảng 50,7% diện tích tồn lƣu vực Lịng thƣợng lƣu hẹp, nhiều thác ghềnh; hạ lƣu, lịng sơng mở rộng, độ dốc sơng trung bình 3,58% Độ cao bình quân lƣu vực 965m, độ dốc bình quân 36,8% Đƣờng phân thủy phía đơng lƣu vực dãy núi Hồng Liên Sơn, Pu Lng với đỉnh cao từ 2500-3000m Phía tây có dãy núi cao Phu Huổi Long, Phutama, Phu Tung Phu Sang Phía bắc có dãy núi cao Pusi-Lung Ngũ Đài Sơn, phía đơng nam vùng núi thấp Ba Vì, Viên Nam Đối Thơi Địa hình lƣu vực dạng núi cao nguyên cao, chia cắt mạnh theo chiều thẳng đứng; dãy núi, cao nguyên thung lũng xếp song song theo hƣớng tây bắcđông nam 1.1.1 Đặc điểm mƣa gây lũ [4]: Sự xếp song song địa hình núi, cao ngun thung lũng sơng có tác động rõ rệt tới khí hậu lƣu vực Dãy núi cao Hồng Liên Sơn - Pulng nhƣ tƣờng tự nhiên ngăn cản làm suy yếu ảnh hƣởng gió đơng bắc Các dãy núi cao biên giới Việt-Lào lại tạo hiệu ứng fơn gió mùa tây nam Điều kiện địa hình vị trí lƣu vực qui định khí hậu với hai mùa: mùa đông khô lạnh, mùa hè nhiều mƣa vùng cao khơ nóng vùng thấp Mƣa lớn lƣu vực thƣờng bắt đầu sớm, vào khoảng tháng VI, tháng VII Vùng bắc tây bắc vùng núi cao có khí hậu ẩm ƣớt đến ẩm, lƣợng mƣa trung bình nhiều năm từ 1500 đến 2700mm, lƣợng mƣa mùa hè (tháng VIX) chiếm tới 70% tổng lƣợng mƣa năm Vùng núi thấp Sơn La-Mộc Châu, mùa hè chịu ảnh hƣởng gió mùa tây nam, lƣợng mƣa trung bình năm thấp, 1100 đến 1500mm, lƣợng mƣa mùa hè dƣới 1000mm Trên lƣu vực sông Đà tồn trung tâm mƣa lớn nhƣ trung tâm mƣa sƣờn tây dãy Hồng Liên Sơn thuộc lƣu vực sơng nhánh Nậm Na, Nậm Mu, lƣợng mƣa trung bình năm khoảng 2500mm (trên lƣu vực Nậm Na- 10 mƣa trung bình năm tới 2000mm : Phong Thổ lƣợng mƣa trung bình năm 2202mm, PaTần 2997mm, Sình Hồ 2682mm; lƣu vực Nậm Mu lƣợng mƣa trung bình năm tới 2454mm, thƣợng lƣu lên tới 2700-2800mm) Tại vùng phía tây dãy Hồng Liên Sơn thấy rõ qui luật lƣợng mƣa tăng theo độ cao lƣu vực, mƣa tập trung vào tháng V-X, đặc biệt tháng VI-VIII; lƣợng mƣa mùa hè chiếm 90%, lƣợng mƣa tháng VI-VIII chiếm 5060% lƣợng mƣa năm Trung tâm mƣa lớn phần lƣu vực thuộc địa phận Việt Nam gần biên giới Việt-Trung tâm mƣa lớn nhất, lƣợng mƣa năm thay đổi tùy vị trí từ 2400 đến 3000mm, mƣa tập trung nhiều vào tháng VI-VIII 1.1.2 Đặc điểm dịng chảy lũ sơng Đà [4]: Địa hình núi cao, chia cắt mạnh, độ dốc lớn, thung lũng sâu, hẹp với lƣợng mƣa lớn lại tập trung vào vài tháng năm nên tạo điều kiện hình thành mạng lƣới sơng dày đặc, sơng lớn, hƣớng dịng sơng suối trùng với hƣớng lƣu vực Mật độ sông suối lớn vùng núi phía tây Hồng Liên Sơn lên tới 1,5-1,7km/km2 Phía hữu ngạn sơng Đà, có lƣợng mƣa đáng kể so với vùng khác nên sông suối thƣa hơn, từ 0,5 đến 1,5km/km2, thƣờng dƣới 1,0km/km2 Trên sơng Đà dịng sơng nhánh nhƣ Nậm Na, Nậm Mu, sông suối nhỏ đổ vào dịng thƣờng phân bố dọc sơng Vùng cao ngun đá vơi mƣa ít, sơng suối thƣa, dịng chảy nhỏ Nguồn sinh dòng chảy quan trọng sông Đà nằm phần lƣu vực thuộc vùng biên giới Việt - Trung vùng sƣờn phía tây dãy Hồng Liên Sơn, nơi có mơdun dịng chảy năm từ 30-40 l/s/km2 Ở nơi khác lƣu vực, lƣợng dịng chảy thƣờng khơng vƣợt q 20 l/s/km2 (biểu 1.3) Dịng chảy sơng tập trung vào tháng mùa lũ, chiếm tới 69-78% tổng lƣợng dòng chảy năm Mùa lũ sông Đà thƣờng bắt đầu vào tháng V, kết thúc vào cuối tháng IX đầu tháng X Lũ lớn thƣờng xảy vào cuối tháng VII, nửa đầu tháng VIII Dòng chảy lũ sông Đà lớn, tập trung nhanh không đồng phần khác lƣu vực đặc điểm bật dịng chảy sơng Đà Trong điều kiện địa lý tự nhiên thuận lợi cho dịng chảy lũ hình thành phụ lƣu sơng Đà, lƣu vực Nậm Na, Nậm Mu hai phụ lƣu lớn bên tả ngạn, thƣờng xuất trận lũ đặc biệt lớn gây tác hại nghiêm 11 trọng Mơ đun dịng chảy lũ lớn đạt tới 2000-3000 l/s/km2 - thuộc loại lớn Việt Nam Trên dịng chính, lƣợng dịng chảy lũ chiếm bình quân từ 77,6 đến 78,5% dòng chảy năm, dòng chảy tháng VIII- tháng có dịng chảy lớn năm - chiếm tới 23,7% dịng chảy năm Dịng chảy lũ sơng Đà thuộc loại lớn hệ thống sông Hồng Mô đun đỉnh lũ Lai Châu 324 l/s/km2 xảy vào tháng VII năm 1966 428 l/s/km2 vào tháng VIII năm 1945 Mô đun đỉnh lũ Hịa Bình lên tới 454 l/s/km2 vào tháng VII năm 1964 Nhìn chung, đoạn sơng từ Lai Châu Hịa Bình thấy rõ quy luật tăng dần mơdun dịng chảy cực đại diện tích lƣu vực tăng Điều chứng tỏ lƣợng gia nhập đáng kể phần lƣu vực thuộc địa phận Việt Nam Tại Lai Châu, biên độ lũ lớn đạt tới 25 mét, cao Việt Nam, với cƣờng suất lũ lên lớn tới 77,4 cm/h Dòng chảy lũ tập trung nhanh nhƣ nên công tác dự báo thủy văn gặp khó khăn lớn, mà để giải vấn đề địi hỏi phải có mơ hình tƣơng đối nhạy với qúa trình thay đổi dịng chảy sông Trên sở xác định thời gian truyền lũ trung bình đoạn sơng từ Mƣờng Tè tới Hịa bình phụ lƣu Nậm Na, Nậm Mu, thấy rằng, mùa lũ, thời gian truyền lƣu lƣợng có nhiều khác lũ lên lũ xuống, nhiên tính tốn dự báo lấy thời gian trung bình truyền lũ từ Lai Châu tới Tạ Bú 12-18 giờ, từ Tạ Bú tới Hịa Bình 12-24 tự nhiên, có hồ chứa Hịa Bình thời gian truyền lũ rút ngắn - 12h tuỳ theo mực nƣớc hồ Lƣu ý rằng, thời gian truyền lũ đoạn sông phụ lƣu cịn phụ thuộc vào vị trí tâm mƣa lƣu vực Nhƣ vậy, với điều kiện kỹ thuật thủy văn điều kiện thông tin khí tƣợng thủy văn có thời gian dự kiến thực tế dự báo lƣu lƣợng mực nƣớc trạm Tạ Bú sông Đà vƣợt q 18 giờ, Hịa Bình - khơng vƣợt 36 Để kéo dài thời gian dự kiến dự báo sử dụng thơng tin lƣợng mƣa dự báo thời gian dự kiến phần lƣu vực khác Dự báo lƣợng mƣa 24 48 tới, điều kiện nay, thƣờng xác định tính định lƣợng Do vậy, trị số dự báo lƣu lƣợng mực nƣớc sông Đà với thời gian dự kiến 36 nên dùng để tham khảo nên xem nhƣ nhận định khả 1.1.3 Vai trò hồ Hòa Bình [4]: Hồ Hịa Bình hồ thủy điện lớn đƣợc xây dựng với nhiều mục đích sử dụng khác bao gồm: - Mục đích chống lũ ... Chƣơng CÁC KẾT QUẢ ỨNG DỤNG MƠ HÌNH KẾT NỐI MARINE VÀ IMECH1D ĐỂ DỰ BÁO LƢU LƢỢNG VÀO HỒ HÕA BÌNH 57 6.1 Kết kiểm tra toán mẫu cho 10 lƣu vực phận: 57 6.2 Sử dụng mơ hình kết nối Marine- IMech1D. .. Hịa Bình Chƣơng 5: Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật lọc Kalman để nâng cao độ xác mơ hình kết nối Marine IMech1D Chƣơng 6: Trình bày kết sử dụng mơ hình kết nối MarineIMech1D dự báo lƣu lƣợng vào hồ. .. sông Hồng sông Thái Bình Các kết khả quan 36 Chương ỨNG DỤNG MƠ HÌNH KẾT NỐI MARINEIMECH1D CHO LƯU VỰC SƠNG ĐÀ PHẦN TRÊN LÃNH THỔ VIỆT NAM 4.1 Mơ hình kết nối Marine Imech1D [5]: Trong mơ hình kết