So sánh lựa chọn mô hình thích hợp để mô phỏng chế độ thủy văn lưu vực sông vu gia thu bồn

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - LÊ VĂN QUẾ SO SÁNH LỰA CHỌN MƠ HÌNH THÍCH HỢP ĐỂ MƠ PHỎNG CHẾ ĐỘ THỦY VĂN LƯU VỰC SÔNG VU GIA-THU BỒN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH THỦY Đà Nẵng - Năm 2017 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - LÊ VĂN QUẾ SO SÁNH LỰA CHỌN MƠ HÌNH THÍCH HỢP ĐỂ MÔ PHỎNG CHẾ ĐỘ THỦY VĂN LƯU VỰC SƠNG VU GIA-THU BỒN Chun ngành : Xây dựng cơng trình thủy Mã số: 60.58.02.02 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH THỦY NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Võ Ngọc Dương Đà Nẵng - Năm 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả Luận văn Lê Văn Quế MỤC LỤC TÓM TẮT LUẬN VĂN i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .ii DANH MỤC CÁC BẢNG iii DANH MỤC CÁC HÌNH iii LỜI CAM ĐOAN vi MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu đề tài Nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa thực tiễn đề tài Bố cục luận văn Chương KHÁI QT VỀ MƠ HÌNH VÀ VAI TRỊ CỦA MƠ HÌNH TRONG NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ THỦY VĂN LƯU VỰC 1.1 Định nghĩa mơ hình 1.2 Dữ liệu cần thiết cho mơ hình 1.3 Vai trị mơ hình nghiên cứu chế độ thủy văn lưu vực 1.4 Phân loại mơ hình 1.4.1 Mơ hình thực nghiệm 1.4.2 Mơ hình tượng trưng Chương PHÂN TÍCH LỰA CHỌN MƠ HÌNH THỦY VĂN CHO LƯU VỰC 12 2.1 Các loại mơ hình thủy văn thị trường 12 2.1.1 Mơ hình MIKE-NAM 12 2.1.2 Mơ hình HEC- HMS 15 2.1.3 Mơ hình SWAT 19 2.1.4 Mơ hình MIKE-SHE 22 2.2 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG CỦA bốn mơ hình 24 2.2.1 Mơ hình HEC-HMS 25 2.2.2 Mơ hình MIKE-NAM 25 2.2.3 Mơ hình SWAT 26 2.2.4 Mơ hình MIKE-SHE 27 2.3 Các tiêu chí để lựa chọn mơ hình thủy văn cho lưu vực 29 Chương LƯU VỰC SÔNG VU GIA - THU BỒN 31 3.1 Tổng quan lưu vực 32 3.2 Đặc điểm tự nhiên khí tượng thủy văn 33 3.2.1 Đặc điểm địa hình 33 3.2.2 Đặc điểm sơng ngịi 33 3.2.3 Đặc điểm địa chất, thổ nhưỡng 34 3.2.4 Đặc điểm khí hậu 34 3.2.5 Đặc điểm thủy văn 36 3.3 đặc điểm Thiên tai lưu vực 39 3.3.1 Tổng quan thiên tai Quảng Nam 39 3.3.2 Đặc điểm thiên tai lũ ngập lụt Quảng Nam 40 3.3.3 Thiệt hại hạn hán Quảng Nam 40 3.4 Thực trạng liệu cho nghiên cứu mô chế độ thủy văn 41 3.4.1 Địa hình mạng lưới sông 41 3.4.2 Sử dụng đất đồ đất 42 3.4.3 Nước ngầm 43 3.4.4 Dữ liệu thủy văn 43 3.4.5 Kết luận 44 Chương SO SÁNH MỘT VÀI MƠ HÌNH THỦY VĂN THƠNG DỤNG VÀ ÁP DỤNG MƠ HÌNH MIKE-SHE CHO NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ THỦY VĂN LƯU VỰC SÔNG VU GIA - THU BỒN 45 4.1 So sánh lựa chọn mơ hình 45 4.1.1 So sánh lý thuyết mơ hình 45 4.1.2 So sánh kết mô 46 4.2 Áp dụng mơ hình MIKE-SHE 48 4.2.1 Thiết lập mơ hình MIKE-SHE 48 4.2.2 Hiệu chỉnh mơ hình 52 4.2.3 Kiểm định mơ hình 53 4.2.4 Nhận xét kết hiệu chỉnh kiểm định 55 4.2.5 Dòng chảy ngầm 55 4.2.6 Đánh giá tác động biến đổi khí hậu 59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (BẢN SAO) i TÓM TẮT LUẬN VĂN SO SÁNH LỰA CHỌN MƠ HÌNH THÍCH HỢP ĐỂ MƠ PHỎNG CHẾ ĐỘ THỦY VĂN LƯU VỰC SÔNG VU GIA-THU BỒN Học viên thực hiện: Lê Văn Quế Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy Mã số: 60.58.02.02 Khóa học : 2015÷2017 Trường Đại học Bách Khoa - Đà Nẵng Tóm tắt - Nước xem yếu tố sống sống Nó ln đóng vai trị quan trọng hình thành phát triển xã hội lồi người Tuy nhiên việc phân bố khơng đồng tài nguyên nước dẫn đến nhiều tác động tiêu cực tới sinh tồn hoạt động kinh tế xã hội người Hệ thống Sông Vu Gia-Thu Bồ n là lưu vực lớn ở vùng Duyên hải Trung Trung Bô ̣ Toàn bô ̣ lưu vực có diê ̣n tić h lưu vực 10.350 km2 Với mục đích lựa chọn mơ hình thích hợp làm cơng cụ mơ hiệu chế độ thủy văn lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn, để từ đưa giải pháp thích ứng phù hợp, giúp giảm thiểu thiệt hại thiên tai biến đổi khí hậu gây Tác giả tiến hành so sánh mặt lý thuyết ứng dụng bốn mơ hình thủy văn phổ biến nay: HECHMS, MIKE-NAM, SWAT, MIKE-SHE đại diện cho ba dạng mơ hình bản: tập trung, bán phân bố phân bố So sánh rằng, với kích thước lớn, địa hình phức tạp, tình hình thổ nhưỡng, trồng thay đổi nhiều lưu vực mật độ trạm đo mưa, dòng chảy thưa, nên mặt lý thuyết mặt áp dụng đưa khuyến nghị sử dụng mơ hình thủy văn phân bố tất định MIKE-SHE để mô chế độ thủy văn lưu vực sơng Vu Gia Thu Bồn thích hợp Từ khóa: Vu Gia-Thu Bồn; So sánh mơ hình thủy văn; Tiêu chuẩn lựa chọn mơ hình thủy văn; Mơ hình thủy văn thích hợp cho Vu Gia-Thu Bồn; Bốn mơ hình thủy văn phổ biến Abstract- Water is considered a vital element of life It always plays a very important role in the formation and development of human society However, the uneven distribution of water resources leads to many negative impacts on human survival as well as on socioeconomic activities Vu Gia - Thu Bon River system is a large catchment in the Central Coast The entire catchment has a basin area of 10.350 km2 For the purpose of selecting a suitable model as a tool for efficient hydrological simulation of the Vu Gia Thu Bon River basin, in order to develop appropriate adaptation measures to minimize damage caused by natural disasters Ear and climate change cause HEC-HMS, MIKE-NAM, SWAT, MIKE-SHE represent the three basic models of focus: the focus , Distribution and distribution Comparison showed that, with large size, complicated terrain, soil condition, crop changes much in the basin and especially the density of rain gauge station, the flow is very sparse, so physically In theory and application, it is recommended to use the MIKE-SHE determinate hydrographic distribution model to simulate hydrological regime of Vu Gia-Thu Bon river basin Keywords: Vu Gia-Thu Bon; Comparison of hydrological models; Standard selection of hydrological model; Hydrographic model suitable for Vu Gia-Thu Bon; Four current hydrological models ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ANN ARS ASTER CREAMS DEM DHI E GCM GIS HBV HEC HEC - HMS LTANK METI MIKE11 MIKE SHE NAM NASA R RMSE ROTO SCS SSARR SWAT SWRRB TANK TBNN TOPMODEL USDA USGS WMO XINANJIANG : Mạng lưới thần kinh nhân tạo : Trung tâm phục vụ Nghiên cứu Nơng Nghiệp Hịa Kỳ : Chiếu phản xạ không gian nâng cao : Mơ hình thủy văn mưa ngày : Mơ hình cao độ số : Viện thủy lực Đan Mạch : Hệ số Nash : Mơ hình khí hậu tồn cầu : Hệ thống thơng tin địa lý : Mơ hình dịng chảy bán phân bố : Trung tâm thủy văn công trình qn đội Mỹ : Mơ hình mưa hiệu quả-dịng chảy trực tiếp : Mơ hình bể chứa tuyến tính : Thương mại Công nghiệp Nhật Bản : Mơ hình thủy lực chiều thuộc mơ hình MIKE : Mơ hình mưa - dịng chảy (DHI) : Mơ hình mưa rào – dịng chảy (DHI) : Cơ quan Hàng không Không gian Quốc gia Hoa Kỳ : Hệ số tương quan : Sai số bình phương trung bình : Mơ đun đánh giá tác động quản lý tài nguyên nước : Cơ quan bảo vệ thổ nhưỡng Hoa Kỳ : Mơ hình tổng hợp dòng chảy từ mưa điều tiết hồ chứa : Mơ hình quản lý tổng hợp lưu vực : Mơ hình tính tốn tài ngun nước lưu vực : Mơ hình bề chứa theo hai phương ngang đứng : Trung bình nhiều năm : Mơ hình mưa nhận thức – dịng chảy : Bộ Nơng nghiệp Hoa Kỳ : Cơ quan khoa học phủ Hoa Kỳ : Tổ chức khí tượng giới : Mơ hình thủy văn iii DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5a 2.5b 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 Tên bảng Trang Kết hiệu chỉnh kiểm định mô hình HEC-HMS Kết hiệu chỉnh kiểm định mơ hình MIKE-NAM Kết hiệu chỉnh kiểm định mơ hình SWAT Kết hiệu chỉnh kiểm định mơ hình MIKE-SHE Tiêu chuẩn lựa chọn mơ hình WMO đưa Tiêu chuẩn lựa chọn mơ hình WMO đưa Kết tính tần suất dịng chảy năm Trạm lưu vực Nguồn nước sông lưu vực Tần suất lưu lượng đỉnh lũ lớn Trạm thủy văn Đỉnh lũ lớn quan trắc Trạm thủy văn Dòng chảy kiệt nhỏ Trạm vùng nghiên cứu Mức độ ảnh hưởng thiên tai Tỷ lệ sử dụng đất lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn Tỷ lệ loại đất lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn Các tham số hiệu chỉnh mơ hình So sánh lưu lượng đỉnh lũ bốn mơ hình Lưu lượng đỉnh lũ (m3/s) Lưu lượng đỉnh lũ (m3/s) Các số thống kê bốn mơ hình Các số mơ hình Mike She sau hiệu chỉnh Các số mô hình Mike She sau kiểm định 25 26 27 28 29 30 37 38 38 38 39 39 42 43 46 47 47 52 54 iv DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình 1.1 1.2 1.3 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 4.1 Tên hình Trang Lưu vực sơng hệ thống thủy văn Sơ đồ mơ hình hóa q trình thuỷ văn cho lưu vực Phân loại mơ hình thuỷ văn Sơ đồ cấu trúc mơ hình MIKE-NAM Biểu đồ mưa Cấu trúc tổng quát mơ hình SWAT Các q trình dịng chảy mơ SWAT Sơ đồ chu trình thủy văn pha đất Cấu trúc tổng qt mơ hình MIKE-SHE Kết mô HEC-HMS cho trạm Nông Sơn Thành Mỹ Kết kiểm định MIKE-NAM Nông Sơn Thành Mỹ Kết hiệu chỉnh kiểm định SWAT Nông Sơn Thạnh Mỹ Kết hiệu chỉnh kiểm định MIKE-SHE Nông Sơn Thạnh Mỹ Bản đồ lưu vực Vu Gia – Thu Bồn Bản đồ mạng lưới sông lưu vực sông Thu Bồn – Vu Gia Bản đồ độ cao lưu vực Vu Gia- Thu Bồn độ phân giải 15m Bản đồ sử dụng đất lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn Bản đồ đất cung cấp dự án VIE-08-P1 Mạng lưới sơng ngịi trạm khí tượng thuỷ văn lưu vực Vu Gia - Thu Bồn Các thành phần thiết lập mơ hình MIKE-SHE 13 17 20 21 21 23 25 26 27 28 32 34 41 42 43 44 48 v Số hiệu hình 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 Tên hình Phạm vi mơ mơ hình MIKE-SHE cho lưu vực Vu Gia-Thu Bồn Bản đồ độ cao số (DEM) Vu Gia-Thu Bồn (nguồn NASA) Bản đồ sử dụng đất lưu vực Vu Gia-Thu Bồn (nguồn LUCCI) Bản đổ loại đất lưu vực Vu Gia-Thu Bồn (nguồn VIE 08-P1) Mạng lưới sông lưu vực Vu Gia-Thu Bồn (nguồn VIE-08-P1) Kết hiệu chỉnh MIKE-SHE cho lưu lượng Nông Sơn Kết hiệu chỉnh MIKE-SHE cho mực nước Nông Sơn Kết hiệu chỉnh MIKE-SHE cho mực nước Hiệp Đức Kết kiểm định MIKE-SHE cho lưu lượng Thành Mỹ Kết kiểm định MIKE-SHE cho mực nước Thành Mỹ Kết kiểm định MIKE-SHE cho lưu lượng Nông Sơn Kết kiểm định MIKE-SHE cho mực nước Nông Sơn Kết kiểm định MIKE-SHE cho mực nước Hiệp Đức Bảng đồ vị trí trích xuất nước ngầm lưu vực Vu Gia-Thu Bồn Diễn biến mực nước ngầm vị trí 57 lưu vực Vu Gia-Thu Bồn Diễn biến mực nước ngầm vị trí 78 lưu vực Vu Gia-Thu Bồn Trang 49 50 50 51 51 53 53 53 54 54 54 55 55 56 57 57 [11] Nguyễn Thanh Sơn, (2003), Tính tốn thủy văn, giáo trình giáo trình Đại học Quốc gia Hà Nội [12] Lê Thanh Trang, (2010), So sánh ứng dụng mơ hình thủy văn Nam Frasc để đánh giá tài nguyên nước lưu vực thác Mở, luận văn Thạc sĩ, Đại học quốc gia thành phố Hồ Chí Minh [13] Trần Văn Tình, (2013), Xây dựng đồ ngập lụt vùng hạ lưu lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn, luận văn thạc sỹ Đại học Quốc gia Hà Nội [14] Nguyễn Vũ Việt, Lars Ribbe giáo sư, chuyên gia thuộc trường đại học CHLB Đức, Viện nghiên cứu Việt Nam, (2015), Nghiên cứu mối quan hệ tương tác sử dụng đất biến đổi khí hậu lưu vực sơng Vu Gia - Thu Bồn (LUCCI), Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam [15] Các trang Web: http://www.gso.gov.vn; http://www.qso.gov.vn; http://www.luanvan.co Tiếng Anh [16] Brooks, K N., Ffolliott, P F., & Magner, J A (2013), Hydrology and the Management of Watersheds (4th ed.), John Wiley & Sons, Inc [17] Brutsaert, W (2005), Hydrology: an introduction, Cambridge University Press [18] Chow, V (1972) Hydrologic modelling, Journal of the Boston Society of Civil Engineering, 60(1-27) [19] Chow, V T., Maidment, D R., & Mays, L W (1988), Applied hydrology [20] Cunderlik, J, (2003), Hydrologic model selection for the CFCAS project: Assessment of Water Resources Risk and Vulnerability to Changing Climatic Conditions, Department of Civil and Environmental Engineering, The University of Western Ontario [21] DHI (2012e) MIKE SHE User’s Manual, Mike by DH, Ed [22] Dingman, S L (1994), Physical hydrology (Vol 575), Prentice Hall Englewood Cliffs, NJ [23] Harun, S., Jajarmizadeh, M., & Salarpour, M (2012), A review on theoretical consideration and types of models in hydrology, Journal of Environmental Science and Technology, 5(5), pp 249–261 [24] Linsley, R K., Kohler, M A., & Paulhus, J L H (1949), Applied hydrology, McGraw-Hill New York [25] Madsen, H (2003), Parameter estimation in distributed hydrological catchment modelling using automatic calibration with multiple objectives, Advances in Water Resources, 26(2), pp 205–216 [ 26] Neitsch S.L et al., 2009 Overview of Soil and Water Assessment Tool (SWAT) Model In: Arnold, J et al., eds 2009 Soil and Water Assessment Tool (SWAT): Global Applications Special Publication No 4., World Associatiom of Soil and Water Conservation, Bangkok: Funny Publishing, pp.3-23 [27] Ng, H Y F., & Marsalek, J (1992), Sensitivity of streamflow simulation to changes in climatic inputs, Nordic Hydrology, 23(4), pp 257–272 [28] Oogathoo, S (2006), RUNOFF SIMULATION IN THE CANAGAGIGUE CREEK WATERSHED USING THE MIKE SHE MODEL, Citeseer [29] Plate, E J (2009), HESS Opinions: Classification of hydrological models for flood management”, Hydrology and Earth System Sciences, 13(10), pp 1939– 1951 [30] Raghunath, H M (2006), Hydrology: principles, analysis and design, New Age International [31] Refsgaard, J C, (1997), Parameterisation, calibration and validation of distributed hydrologi [32] Rochester, R E L (2010), Uncertainty in hydrological modelling: a case study in the Tern catchment, Shropshire, UK UCL, University College London [33] Singh, V P (1988), Hydrologic systems Volume I: Rainfall-runoff modeling Prentice Hall, Englewood Cliffs New Jersey, 1988 480 [34] US Army Corps of Engineers, Hydrological Model systems HEC-HMS User’s Manual Version 4.1 [35] Vansteenkiste, T., Tavakoli, M., Ntegeka, V., Willems, P., De Smedt, F., & Batelaan, O, (2013), Climate change impact on river flows and catchment hydrology: a comparison of two spatially distributed models, Hydrological Processes, 27(25), pp 3649–3662 [36] Vo, G (2014), Rainfall uncertainty in distributed hydrological modelling in large catchments: an operational approach applied to the Vu Gia-Thu Bon catchmentViet Nam [37] Vo N D, (2015) Deterministic hydrological modelling for flood risk assessment and climate change in large catchment Application to Vu Gia Thu Bon catchment, Vietnam [38] Vu, V N., Do, D D., & Dang, T L (2008).,Potential evapotranspiration estimation and its effect on hydrological model response at the Nong Son Basin [39] Xu, C (2002), Hydrologic models Textbooks of Uppsala University Department of Earth Sciences Hydrology [40] Yu, Z (2002), Modeling and Prediction [41] Wittwer, C (2013), WMO/UNESCO-IHP guideline for flood forecasting, In Regional Workshop on hydrological forecasting and impact of climate change on water ressources Przno/Budva, Montenegro [42] web https://www.mikepoweredbydhi.com/ [43] web http://swat.tamu.edu/software/arcswat/ [44] web http://www.hec.usace.army.mil/software/hec-hms/ ... Mỹ Bản đồ lưu vực Vu Gia – Thu Bồn Bản đồ mạng lưới sông lưu vực sông Thu Bồn – Vu Gia Bản đồ độ cao lưu vực Vu Gia- Thu Bồn độ phân giải 15m Bản đồ sử dụng đất lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn Bản... chuyên gia đầu ngành thủy văn đề Những tiêu chí để so sánh lựa chọn mơ hình cho lưu vực sông Vu Gia Thu Bồn 32 Chương LƯU VỰC SÔNG VU GIA - THU BỒN 3.1 TỔNG QUAN VỀ LƯU VỰC Sông Vu Gia - Thu Bồ... Nam gia? ?p lưu vực sông Trà Bồ ng và Sê San; Phiá Tây gia? ?p Lào; Phiá Đông gia? ?p biể n Đơng và lưu vực sơng Tam Kỳ [13] Hình 3.1: Bản đồ lưu vực Vu Gia – Thu Bồn Lưu vực sông Vu Gia