Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Mơi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 20-25 Tích hợp mơ hình dự báo thủy văn lưu vực sông Trà Khúc Bùi Văn Chanh1,*, Trần Ngọc Anh2,3 Đài Khí tượng Thủy văn Khu vực Nam Trung Bộ, Trung tâm KTTV Quốc gia, Bộ TNMT, 22 Pasteur, Nha Trang, Khánh Hịa, Việt Nam Khoa Khí tượng Thủy văn Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam Trung tâm Động lực học Thủy khí Mơi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 08 tháng năm 2016 Chỉnh sửa ngày 26 tháng năm 2016; Chấp nhận đăng ngày 16 tháng 12 năm 2016 Tóm tắt: Dịng chảy lưu vực sơng q trình liên tục từ mưa rơi đến nhập vào đại dương Q trình phức tạp dịng chảy lưu vực mơ mơ hình tốn phục vụ tính tốn tài ngun nước, dự báo thủy văn Tuy nhiên mơ hình chưa mơ tất q trình dịng chảy lưu vực sơng Do để mơ nhiều q trình dịng chảy lưu vực sơng từ dự báo chi tiết hơn, độ xác cao cần phải tích hợp mơ hình tốn Trà Khúc sông lớn tỉnh Quảng Ngãi, diễn biến thủy văn phức tạp Việc nghiên cứu tích hợp mơ hình để mơ tốt q trình dịng chảy lưu vực nhằm nâng cao chất lượng dự báo cần thiết Trong nghiên cứu tích hợp mơ hình mưa - dịng chảy thơng số phân bố Marine, mơ hình thủy lực Mike 11 cơng cụ tính triều Mike 21 để dự báo mực nước trạm thủy văn Sơn Giang Trà Khúc Kết nghiên cứu dự báo thử cuối tháng 11 năm 2013 cho kết tốt, sở nâng cao chất lượng dự báo thủy văn cho Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Trung Trung Bộ Đài Khí tượng Thủy văn tỉnh Quảng Ngãi Từ khóa: Marine, Trà Khúc, tích hợp mơ hình Mở đầu * dụng đầu đối tượng làm đầu vào đối tượng chúng khơng có tác động với nhau; tích hợp kiểu lai ghép liên kết đầu vào, đầu đối tượng đầu vào đối tượng có tác động ngược lại tới đầu đối tượng kia; tích hợp kiểu hợp kết hợp, gắn kết đối tượng thành thể thống Trong nghiên cứu sử dụng kiểu tích hợp kết nối để tích hợp mơ hình Marine, Mike11 cơng cụ triều Mike21 Trong mơ hình Marine mơ hình mưa - dịng chảy thơng số phân bố xây dựng phát triển với Viên Cơ học Chất lỏng Pháp, mơ hình Mike 11 mơ Tích hợp kết hợp hoạt động, chương trình thành phần khác thành khối chức Tích hợp có nghĩa thống nhất, hịa hợp, kết hợp, phối hợp hoạt động khác nhau, thành phần khác hệ thống để bảo đảm hài hòa chức mục tiêu hoạt động hệ thống Các cấp độ tích hợp mơ hình tốn gồm: Kết nối (link), lai ghép (couple), hợp (integrate) Trong đó: tích hợp kiểu kết nối sử _ * Tác giả liên hệ ĐT.: 84-915620289 Email: buivanchanh@gmail.com 20 B.V Chanh, T.N Anh / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 20-25 hình thủy lực chiều Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI), cơng cụ triều tính từ Mike21 Toolbox Mơ hình Marine tính tốn dịng chảy sườn dốc lưu vực làm đầu biên gia nhập khu cho mơ hình Mike 11 Mike 21 Toolbox tính tốn mức nước triều cho biên mơ hình Mike 11 Cuối sử dụng mơ hình Mike 11 để diễn tốn dịng chảy sông dự báo mực nước trạm thủy văn Sơn Giang Trà Khúc 21 Bản đồ thảm phủ có tỷ lệ 1:50.000 Ban đầu đồ dạng Vector cấu tạo vùng khép kín - polygon, sau đưa dạng Raster Để thuận tiện sử dụng, tên đất phân loại theo FAO-UNESCO sử dụng để tính tốn tổn thất thấm theo phương pháp Green & Ampt Dữ liệu mưa thời đoạn trạm Sơn Tây, Sơn Hà, Sơn Giang Trà Khúc xử lý phân bố theo không gian theo phương pháp đa giác Thái Sơn Tích hợp mơ hình tốn Sơn Hà 2.1 Thiết lập mơ hình Marine [1] Dữ liệu đầu vào cho mơ hình Marine gồm đồ mơ hình số độ cao (DEM), đồ đất, đồ lớp phủ thực vật, mạng lưới sông suối, lượng mưa phân bố theo không gian Bản đồ DEM độ phân giải 90x90m lưu vực sông Trà Khúc sử dụng để dẫn suất tạo đồ làm đầu vào cho mơ hình Marine gồm: (1) đồ độ dốc, (2) hướng chảy, (3) hội tụ nước, (4) mạng lưới sông, (5) đường phân nước, (6) độ dài dòng chảy Để thuận tiện cho việc xác định hệ số cản dịng chảy (hệ số nhám), tồn đồ thảm phủ tỉnh phân thành 13 nhóm thảm phủ theo cách phân loại tổ chức khoa học Mỹ (U.S Geological Survey) Hình Bản đồ DEM lưu vực Sơn Giang Hình Bản đồ đất lưu vực Sơn Giang Sơn Tây Sơn Giang Hình Bản đồ lớp phủ lưu vực Sơn Giang Hình Bản đồ phân chia đa giác Thái Sơn Bảng Phân loại thảm phủ Tên loại thảm phủ ID Rừng ổn định: rộng, kim, tre nứa Rừng non: rộng, kim, tre nứa Rừng bụi Rừng thưa Cây bụi trồng thành rừng Cây thân gỗ trồng không thành rừng Cây bụi trồng không thành rừng Cỏ Lúa Màu 10 Cây bụi rải rác 11 Rừng thưa xen lẫn rừng bụi, cỏ 12 Rừng bụi xen lẫn cỏ 13 22 B.V Chanh, T.N Anh / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 20-25 Bảng Phân loại đất Tên loại đất Cát Mùn cát Cát mùn Mùn Phù sa mùn Sét pha cát mùn Sét mùn ID 20 25 30 35 Tên loại đất Sét phù sa mùn Sét pha cát Sét phù sa Sét Núi đá Đất trơ sỏi đá 2.2 Thiết lập mơ hình Mike11 [2] ID 40 45 50 12 13 Bộ thơng số mơ hình Marine hiệu chỉnh chuỗi số liệu thực đo tính tốn trạm thủy văn Sơn Giang Đánh giá kết hiệu chỉnh từ 0h/6/11/2013 đến 23h/8/11/2013 tiêu Nash đạt 93,8%; đạt loại tốt theo tiêu chuẩn Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO) Đánh giá kết kiểm định từ 5h/15/11/2013 đến 23h/17/11/2013 tiêu Nash đạt 89,3%; đạt loại tốt theo tiêu chuẩn WMO Mạng lưới sơng số hóa từ đồ tỷ lệ 1/10.000, sử dụng hệ quy chiếu Quảng Ngãi 108 độ múi cập nhật hệ quy chiếu vào mơ hình Mike Cập nhật 68 mặt cắt ngang cao độ chuẩn Quốc gia từ trạm thủy văn Sơn Giang đến cửa biển Biên đường trình lưu lượng Sơn Giang, biên đường trình mực nước triều, gia nhập khu nhập vào đoạn sông Gia nhập đoạn Biên Gia nhập đoạn Gia nhập đoạn Biên Gia nhập đoạn Hình Sơ đồ thủy lực hạ lưu sơng Trà Khúc Hình Đường q trình hiệu chỉnh Hình Đường trình hiệu chỉnh Hình Đường trình kiểm định Hình Đường trình kiểm định B.V Chanh, T.N Anh / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 20-25 Bộ thông số mô hình Mike 11 hiệu chỉnh chuỗi số liệu thực đo tính tốn trạm thủy văn Trà Khúc Đánh giá kết hiệu chỉnh từ 0h/4/11/2013 đến 23h/9/11/2013 tiêu Nash đạt 94,5%; đạt loại tốt theo tiêu chuẩn WMO Đánh giá kết kiểm định từ 0h/13/11/2013 đến 23h/18/11/2013 tiêu Nash đạt 94,8%; đạt loại tốt theo tiêu chuẩn WMO 2.3 Thiết lập mơ hình tính triều [3] Mực nước triều sử dụng làm biên cho mơ hình Mike 11, khu vực cửa sông Trà Khúc khơng có trạm đo triều, biên triều xác định cơng cụ tính triều Mike21 Toolbox Bộ thông số triều khai thác từ đồ tham số DHI độ phân giải 0,25o x 0,25o Mực nước triều cửa sông Trà Khúc tính vị trí 15.15oN 108.94oE, thơng số thể hình 23 hình Mike 11 để diễn tốn dịng chảy đoạn sơng đến cửa Với đoạn sơng phía thượng lưu trạm thủy văn Sơn Giang khơng có liệu mặt cắt, dịng chảy đoạn sơng diễn tốn phương pháp Muskingum Cunge mơ hình Mike11 với đầu vào tính từ mơ hình Marine Đoạn sông từ trạm Sơn Giang đến cửa biển diễn tốn mơ hình thủy lực chiều Mike 11 với đầu vào kết nối với đầu phương pháp Muskingum Cunge Lượng gia nhập khu mô mơ hình Mike 11 xác định từ đoạn sơng tính từ mơ hình Marine Dữ liệu triều sau tính từ Mike 21 Toolbox kết nối với biên mơ hình Mike 11 Các mơ hình Marine, Mike 11 Mike 21 sau thiết lập, tối ưu hóa thơng số tích hợp để mơ q trình dịng chảy lưu vực sông Trà Khúc đầy đủ, chi tiết sở nâng cao chất lượng dự báo trạm Sơn Giang Trà Khúc Phương thức tích hợp chủ yếu kết nối mơ hình Marine, Mike 11 Mike 21, ngồi cịn sử dụng phương thức tích hợp kiểu lai ghép mơ hình Muskingum Cunge thủy lực chiều Mike 11 Dự báo thử lưu vực sơng Trà Khúc Hình 10 Bộ thơng số mơ hình triều 2.4 Kết nối mơ hình tốn [2] Trung tâm kết nối mơ hình tốn mơ hình Mike 11, mơ hình Marine Mike 21 làm đầu vào cho mơ hình Mike 11 đầu sản phẩm dự báo trạm Sơn Giang Trà Khúc Tuy nhiên Marine mơ hình có khối lượng liệu tính nhiều, chi tiết phức tạp Mơ hình Marine tính tốn dịng chảy sườn dốc cho đoạn sơng, sau kết nối với mơ Ứng dụng mơ hình tích hợp dự báo thử trạm thủy văn Sơn Giang Trà Khúc từ ngày 19 đến ngày 25 tháng 11 năm 2013 Đánh giá kết mô dự báo thử trạm Sơn Giang theo tiêu Nash 92,6%, trạm Trà Khúc 95,5%, đạt loại tốt theo tiêu chuẩn WMO Trường hợp khơng tích hợp đường trình mực nước triều biên cài đặt 0, đồng thời giữ lượng gia nhập khu trên, chất lượng mô trạm Trà Khúc đạt 90% Trường khơng tích hợp gia nhập khu từ mơ hình Marine tích hợp đường mực nước triều từ Mike 21 Toolbox, chất lượng mô Trà Khúc đạt 92% Trường hợp bỏ tất tích hợp, chất lượng mơ Trà Khúc 89% 24 B.V Chanh, T.N Anh / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 20-25 Kết luận Hình 11 Đường mực nước thực đo dự báo trạm Sơn Giang - Dòng chảy lưu vực sơng phức tạp chưa có mơ hình mơ tất q trình dịng chảy Do để mơ nhiều q trình hơn, dự báo chi tiết có độ xác cao cần tích hợp mơ hình toán - Do hạn chế số liệu, liệu đầu vào cho mơ hình tốn dẫn đến u cầu tích hợp mơ hình Trong nghiên cứu tích hợp mơ hình Muskingum Cunge đoạn sơng khơng có mặt cắt ngang mơ hình thủy lực chiều Mike11, tích hợp Mike 21 Toolbox Mike 11 giải vấn đề thiếu số liệu, liệu lưu vực sông Trà Khúc - Tích hợp mơ hình giúp nâng cao chất lượng dự báo trạm thủy văn Sơn Giang Trà Khúc Tài liệu tham khảo Hình 12 Đường mực nước thực đo dự báo trạm Trà Khúc [1] Nguyễn Lan Châu, Đặng Thanh Mai, Trịnh Thu Phương Các tốn việc ứng dụng mơ hình thủy văn Marine để mô dự báo lũ sông Đà Hội nghị Khoa học Công nghệ phục vụ dự báo Khí tượng thủy văn lần thứ VI, 2005 [2] MKE 11 Reference Manual, DHI Software 2011 [3] MKE 21 Toolbox Reference Manual, DHI Software 2011 Integration Models for Hydrology Forecasting on Tra Khuc Basin Bui Van Chanh1, Tran Ngoc Anh2,3 South Center Regional Hydro - Meteorologial Center, NHMS, MONRE, 22 Pasteur, Nha Trang, Khanh Hoa, Vietnam Faculty of Hydro-Meteorology & Oceanography, VNU University of Science, 334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam Center for Environmental Fluid Dynamic, VNU University of Science, 334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam Abstract: Flow on river basin is continue process since rainfall until join ocean Flow on river basin is a complicated process that is simulated by mathematical model to water resource calculating B.V Chanh, T.N Anh / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 20-25 25 and hydrology forecasting However, a model can’t simulate all flow processes on river basin Therefor, for simulating more many flow processes on river basin to be more particular and more accurate forecasting then model need iterating Tra Khu is a biggest river of Quang Ngai province, hydrology process is very complicated Researching for models iterating to be beter simulating flow process on basin for advanced accurate forecasting that is very important Some models, include: Marine distributive parameter rainfall runoff model, Mike 11 hydraulic model, tidal tool in Mike 21 model that are iterated to forecast water level at Son Giang and Tra Khuc hydrology station Researching result of experiment forecasting in end 2013 November that is good result, it is basic to advance accurately hydrology forecasting for Central Center Regional Hydro - Meteorologial Center and Quang Ngai province Hydro Meteorologial Center Keywords: Marine, Tra Khuc, iterating models ... hình thủy lực chiều Mike11, tích hợp Mike 21 Toolbox Mike 11 giải vấn đề thiếu số liệu, liệu lưu vực sông Trà Khúc - Tích hợp mơ hình giúp nâng cao chất lượng dự báo trạm thủy văn Sơn Giang Trà. .. thức tích hợp kiểu lai ghép mơ hình Muskingum Cunge thủy lực chiều Mike 11 Dự báo thử lưu vực sông Trà Khúc Hình 10 Bộ thơng số mơ hình triều 2.4 Kết nối mơ hình tốn [2] Trung tâm kết nối mơ hình. .. Ứng dụng mơ hình tích hợp dự báo thử trạm thủy văn Sơn Giang Trà Khúc từ ngày 19 đến ngày 25 tháng 11 năm 2013 Đánh giá kết mô dự báo thử trạm Sơn Giang theo tiêu Nash 92,6%, trạm Trà Khúc 95,5%,