Ứng dụng mô hình biến thiên khả năng thấm vic tính toán các chỉ số hạn cho tỉnh bình thuận

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 34, Số 1S (2018) 41-49 Ứng dụng mơ hình biến thiên khả thấm (VIC) tính tốn số hạn cho tỉnh Bình Thuận Nguyễn Quang Hưng*, Lê Đức Khánh, Nguyễn Thị Liên Khoa Khí tượng Thủy văn Hải dương học, Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 30 tháng 11 năm 2018 Chỉnh sửa ngày 10 tháng 12 năm 2018; Chấp nhận đăng ngày 25 tháng 12 năm 2018 Tóm tắt: Hạn hán mối nguy hiểm tự nhiên phức tạp, để đánh giá mức độ hạn hán có nhiều số xây dựng Trong nghiên cứu này, dựa trình trao đổi nước bề mặt, mơ hình Biến thiên khả thấm (VIC) sử dụng để tính tốn mơ diễn biến độ ẩm tương đối đất khu vực tỉnh Bình Thuận Kết nghiên cứu cho thấy khả xảy hạn hán lưu vực nghiên cứu cao, diễn biến hạn hán phức tạp, cho thấy rõ ảnh hưởng lượng mưa, nhiệt độ thảm phủ đến trình trao đổi nước đất, độ ẩm đất Kết nghiên cứu thể mơ hình VIC có tính ứng dụng cao, dùng làm sở để phát triển công cụ dự báo hạn hán phục vụ lên kế hoạch sản xuất nông nghiệp, quản lý lập quy hoạch tài ngun nước Từ khóa: Hạn hán, Mơ hình VIC, Độ ẩm tương đối đất, tỉnh Bình Thuận Giới thiệu chung khác để đánh giá Chỉ số PN (Percent of Normal) thước đo chênh lệch lượng mưa thực tế R so với giá trị trung bình nhiều năm (giá trị chuẩn) Giá trị chuẩn tính cho tháng, mùa năm xem 100% Chỉ số cán cân nước (K) số thông dụng Việt Nam, tính theo cơng thức sau: K=E/R Trong đó: E lượng bốc khoảng thời gian xác định; R lượng mưa trung bình khoảng thời gian xác định Việc xác định diễn biến độ ẩm tương đối đất xác định biện pháp đo đạc khảo sát trực tiếp thực địa, biện pháp khó khả thi muốn thu thập số liệu chi tiết cho diện tích lớn Tuy nhiên, việc ứng dụng mơ hình tốn để mơ chu Hạn hán xuất khắp giới, coi thảm họa phức tạp khó hiểu thiên nhiên Hạn hán thường xảy nhiều nhân tố, bao gồm thiếu hụt mưa, lượng bốc lớn việc khai thác mức nguồn tài nguyên nước Việc đánh giá thảm họa hạn hán khó thực khơng có phương pháp cụ thể để xác định đầy đủ, rõ ràng định lượng tác động hạn hán Hiện để đánh giá diễn biến hạn hán giới sử dụng nhiều loại số  Tác giả liên hệ ĐT.: 84-913502727 E-mail: nguyenquanghung@gmail.com https://doi.org/10.25073/2588-1094/vnuees.4334 41 42 N Q Hưng nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Mơi trường, Tập 34, Số 1S (2018) 41-49 trình thủy văn lưu vực mơ diễn biến độ ẩm đất theo thời đoạn khác Mơ hình thủy văn biến đổi khả thấm (Variable Infltration Capacity, VIC) mô hình mơ q trình thủy văn lưu vực, thơng qua tính tốn trao đổi nước lượng đất khí quyển, có tính tốn đến đặc tính thảm phủ cối, ao hồ, loại đất Mơ hình mơ dịng trao đổi nước/năng lượng đất khí lưới riêng biệt, sau mơ đun định tuyến dịng chảy (routing) sử dụng để tính tốn mơ dịng chảy lưới dựa tổng lượng dịng chảy sở dịng chảy mặt Mơ hình VIC mơ hình mã nguồn mở xây dựng Liang cộng sự, sau nâng cấp Lohmann, gần Liang & Xie [1] Mơ hình VIC hiệu chỉnh áp dụng tốt số lưu vực sông lớn lãnh thổ Mỹ giới [2] VIC tham gia vào dự án WCRP Liên minh dự án tham số bề mặt đất (PILPS) Hệ thống đồng hóa liệu đất Bắc Mỹ (NLDAS) [3] Nó đánh giá cách sử dụng số liệu quan trắc độ ẩm đất Hoa Kỳ [4] liệu mức độ che phủ tuyết toàn cầu [5] Mơ hình VIC Mỹ Mexico ứng dụng để tính tốn liệu dài hạn dịng mặt đất [6-7] Các ứng dụng khác VIC kể đến mơ thơng số dịng chảy thủy văn cho mục đích dự báo, tính tốn cân nước, mơ vận hành hồ chứa, tái tạo phân tích kiện hạn hán; nghiên cứu tượng gió mùa Bắc Mỹ, dự báo hạn hán, quản lý nguồn nước… tính, với tham số không đồng thảm thực vật, lớp đất đá địa tầng khác nhau, biến thiên thấm dịng chảy phi tuyến tính Các tính VIC sau: Mặt đất mơ hình hố lưới diện tích lớn (> 1km), lưới tính tốn coi đồng Đầu vào chuỗi thời gian số liệu khí tượng hàng ngày (lượng mưa, nhiệt độ khơng khí, tốc độ gió…) Bước tính cân nước lượng khí bề mặt đất, mơ theo bước thời gian hàng ngày Nước vào lưới tính tốn thơng qua điều kiện đầu vào khí tượng Các lưới tính tốn mơ độc lập với nhau, tồn mơ chạy cho ô lưới cách riêng rẽ Sơ đồ cấu trúc mơ hình thủy văn VIC thể hình Lý thuyết mơ hình VIC Mơ hình VIC sử dụng để mơ q trình thay đổi đặc tính vật lý nước lượng đất, thảm phủ không khí bề mặt thảm phủ q trình di chuyển khơng khí Các đặc tính mơ hình VIC thể việc tính tốn thơng qua lưới Hình Cấu trúc hoạt động mơ hình thủy văn VIC N Q Hưng nnk / Tạp ạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, ờng, Tập 34, Số 1S (2018) 41-49 Như thể hình ình 1, khu vực v tính tốn chia thành ành lưới lư riêng biệt, ô chia làm N+1 lớp ớp phủ N thể ện số loại thảm thực vật khác v lớp cuối n = N+1 lớp ớp đất đá nền Đối với ỗi thảm thực vật, đặc điểm thảm thực vật, chỉỉ số diện tích (LAI), albedo bề mặt, ặt, sức cản khí khổng tối thiểu, sức cản kiến trúc, chiều dài nhám, phần ần rễ lớp đất chiều dài thay (trong trư ường hợp LAI) mô tả gán giá trị ị Q trình tr bốc nước ợc tính tốn theo phương ph trình Penman-Monteith Phía ới lớp che phủ lớp đất, thông thường đư ược mô tả gồm ột lớp tán (canopy) v nhiều lớp đất khác tùy thuộc vào số ố liệu địa chất địa tầng khu vực nghiên cứu ứu Lớp tán tiếp nhận nước mưa dựa thông số ố tương t tác sinh khí (BATS) m hàm LAI Tầng đất nhận ận đ độ ẩm từ lớp thông qua qua trình ình nước n trọng lực, điều chỉnh theo quan an hệ h BrooksCorey áp dụng ụng với độ dẫn thủy lực khơng bão b hịa Trong mơ hình, phân bố ố độ ẩm đất, thấm, dịng chảy lớp đất, dòng òng chảy ch bề mặt, dòng chảy ới mặt đất đ tính tốn cho ỗi lớp che phủ đất bước b thời gian Sau đó, ô lưới, ới, tổng lượng l nhiệt, nhiệt độ bề mặt hiệu quả, tổng lượng l dòng chảy bề mặt dòng chảy ới mặt đ tính ằng cách tổng hợp giá trị tr tất ô phủủ đất với trọng số phân đoạn Phương trình liên tục ợc sử dụng để cân nước cho mơ hình VIC t bước thời gian: ∂S = P−E−R ∂t Trong dS/dt, P, E, R s thay đổi trữ nước, lượng mưa, bốc hơi, ơi, dòng d chảy Trong bước ớc thời gian, tất đơn đ vị biến ên mm Trên vùng thực th vật, phương trình cân nước ớc lớp tán là: l ∂W =P−E −P ∂t Trong đó: Wi lớp tán chặn nước ớc (mm), 43 Ec: bốc từ tán vàà Pt mưa vượt thấm Để mô dịng ịng ch chảy, kết mơ hình VIC (bao gồm ồm giá trị theo bbước thời gian ô lưới) ới) th thường xử lý mơ hình định ịnh tuyến ri riêng (routing) [8] dựa hàm truyền ền tải tuyến tính để mơ dịng chảy (hình ình 2) Về mơ hình định tuyến dịng chảy tính tốn th thời gian tập trung cho dòng chảy ảy chảy tới đầu lưới dịng chảy ảy mạng lưới sông Giả thiết hầu hết lưu ưu lư lượng ngang ô lưới tới mạng kênh ênh ô lư lưới trước qua biên giới vào lư lưới lân cận Khi nước chảy vào kênh mương, không ch chảy ngược trở lại khỏi kênh ênh lo loại khỏi chu trình thủy văn lưới ới Dịng chảy bề mặt vàà dịng ch chảy ngầm tính tốn mơ hình VIC ttừ lưới phương pháp đơn vịị thủy văn tam giác vvà sau ợc mô kkênh mương tới điểm mơ hình ình R1 = ∑ R1 = Dịng chảy ảy bbên lưới Qj = Dòng chảy tràn j = Các bước ớc thời gian chuỗi thời gian chảy i = Tổng số bước ớc thời gian chuỗi thời gian chảy Hình Sơ đồồ mơ tính tốn ddịng chảy 44 N Q Hưng nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 34, Số 1S (2018) 41-49 Lưu vực nghiên cứu 3.1 Khu vực nghiên cứu Sơng ngịi Bình Thuận thuộc lớp sơng có chiều dài ngắn, lượng nước khơng điều hịa, mùa mưa nước sơng chảy mạnh, mùa nắng làm sơng bị khơ hạn Tính chung, đoạn sơng qua Bình Thuận có tổng chiều dài 663 km, có sơng Cà Ty (76 km), sông La Ngà (74 km), sông Quao (63 km), sông Lịng Sơng (43 km), sơng Phan (40 km), sơng Mao (29 km) sông Luỹ (25 km) 3.2 Số liệu sử dụng mơ hình Hình Bản đồ hành tỉnh Bình Thuận Bình Thuận tỉnh có dãy đất bắt đầu chuyển hướng từ Nam sang Tây phần cịn lại Việt Nam đồ hình chữ S, có tọa độ địa lý từ 10O33'42" đến 11O33'18" vĩ độ Bắc, từ 107O23'41" đến 108O52'18" kinh độ Ðơng Địa hình Bình Thuận chủ yếu đồi núi thấp, đồng ven biển nhỏ hẹp, địa hình hẹp ngang kéo theo hướng đông bắc - tây nam Vớidiện tích tự nhiên 7.828,4 km2 địa hình Bình Thuận phân làm vùng gồm đất cát cồn cát ven biển chiếm 18,22%, đồng phù sa chiếm 9,43%, vùng đồi gò chiếm 31,65% vùng núi thấp chiếm 40,7% diện tích đất tự nhiên Nằm vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa cận xích đạo, nhiều nắng, nhiều gió, khơng có mùa đơng khơ hạn nước Nhiệt độ cao đều, trung bình năm 26 – 27OC, độ ẩm trung bình 75 - 85%, lượng mưa trung bình 800 - 2000 mm/năm, phân hóa theo mùa khu vực theo hướng tăng dần phía Nam Khí hậu nơi phân hóa thành mùa rõ rệt mùa mưa mùa khô Mùa mưa thường tháng đến tháng 10, mùa khô từ tháng 11 đến tháng năm sau Trên thực tế mùa mưa tập trung vào tháng 8, tháng 10, mùa khơ thực tế thường kéo dài Mơ hình VIC mô đun Routing áp dụng cho lưu vực tỉnh Bình Thuận, lưu vực nghiên cứu chia thành 47 lưới vng với kích thước lưới mơ có tỉ lệ 0,125 độ (13,9km) Các liệu đất, khí tượng, thảm thực vật lưu trữ theo ô luới riêng biệt tệp tin tham số đầu vào cho mơ hình VIC Mơ thực độc lập ô lưới, sau đó, sử dụng mơ hình định tuyến dịng chảy để diễn toán chênh lệch cao độ, lượng nước để cân đưa hướng dòng chảy lưới Số liệu khí tượng sử dụng mơ hình bao gồm số liệu thu thập địa bàn khu vực nghiên cứu số liệu quốc tế sở liệu National Climatic Data địa ftp://ftp.ncdc.noaa.gov/pub/data/gsod Các số liệu mưa đồng hóa số liệu có sẵn trạm quan trắc Phan Thiết số liệu quốc tế địa http://www.chikyu.ac.jp/precip Ngoài ra, số liệu mưa dự báo sử dụng từ nguồn lượng mưa ước tính dự án Quan trắc lượng mưa nhiệt đới quan hàng không vũ trụ Mỹ quan thăm dị vũ trụ Nhật Bản TRMM, cơng bố cập nhật liên tục internet địa website http://gdata1.sci.gsfc.nasa.gov/daac/bin/G3/gui cgi?instance_id=MODIS_DAILY_L3 Trên lưu vực nghiên cứu, số liệu mưa địa phương, số liệu từ trạm thủy văn Tà Pao, Sông Lũy bổ sung cho chuỗi số liệu tính tốn N Q Hưng nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 34, Số 1S (2018) 41-49 Hình Bản đồ loại đất khu vực nghiên cứu 45 Số liệu thông số lớp đất sử dụng từ nguồn công bố số liệu quốc tế Harmonized World Soil Database v 1.2 địa http://webarchive.iiasa.ac.at/Research/LUC xử lý công cụ GIS hình Các thơng tin thể ArcGIS tương đương với việc Bình Thuận có 10 loại đất với 20 tổ đất khác nhau, có kiểu rừng gỗ rộng, kiểu rừng rụng lá, kiểu rừng hỗn giao kim chiếm ưu thế, kiểu rừng hỗn giao tre nứa loại Tập tin hướng dòng chảy tập tin quan trọng để định cho mơ hình định tuyến dịng chảy tính tốn diễn tốn dịng chảy lưu vực dựa chênh lệch độ cao ô lưới Độ cao ô lưới trích xuất từ kết cơng bố dự án “Shuttle Radar Topography Mission” (STRM DEM) địa https://lta.cr.usgs.gov/SRTM1Arc, xử lý ArcMap hình Hình Xử lý tập tin hướng dịng từ đồ số độ cao (DEM) 500.0 Observed 400.0 3.3 Kết tính tốn mơ hình VIC cho Bình Thuận Simulated 300.0 200.0 100.0 Jul-99 Oct-98 Jan-98 Apr-97 Jul-96 Oct-95 Jan-95 Apr-94 Jul-93 Jan-92 Oct-92 0.0 Hình Dịng chảy bình qn tháng mơ thực đo trạm sông Lũy (1992 -1999) Kết hiệu chỉnh kiểm định mơ hình cho tỉnh Bình Thuận Các số liệu khí tượng thủy văn thu thập biên tập mơ hình từ năm 1992 đến năm 2007, thời đoạn từ năm 1992 đến năm 1999 sử dụng để hiệu chỉnh từ năm 2000 đến 2007 sử dụng để kiểm định Số liệu dòng chảy đo đạc trạm sông Lũy sử dụng để hiệu chỉnh kiểm định mơ hình định tuyến dịng chảy Kết tính tốn hiệu chỉnh kiểm định thể sơ hình hình 46 N Q Hưng nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 34, Số 1S (2018) 41-49 Kết tính tốn lưu lượng bình quân ngày cho thấy đường trình tính tốn tương đối phù hợp với thực đo trạm sông Lũy, với số NSE 74%, RE 7,3% Kết tính tốn dịng chảy cửa lưu vực thể hình 7, với tiêu đánh giá NSE 67%, RE 6,6% Như nói q trình hiệu chỉnh kiểm định mơ hình VIC cho khu vực Bình Thuận thu kết khá, mơ hình áp dụng theo hai tiêu đánh giá NSE RE Bộ thơng số mơ hình (Bảng 1) sử dụng để tính tốn dịng chảy cho khu vực chọn 800.0 Observed Simulated 600.0 400.0 200.0 0.0 Hình Dịng chảy bình qn tháng mơ thực đo Bình Thuận (2000 -2007) Bảng Các thơng số hiệu chỉnh mơ hình VIC Tham số Đơn vị Dm mm/d Ds Giá trị tham số 4,0 1,0 Ý nghĩa vật lý tham số Giá trị dòng chảy ngày lớn (mm) Phân số Dm xuất dòng chảy phi tuyến Ws d1 d2 d3 Bi 1,0 0,1 0,4 1.0 0,3 Phân số độ ẩm đất lớn tầng đất thấp với dòng chảy phi tuyến xảy Độ dày lớp đất thứ Độ dày lớp đất thứ hai Độ dày lớp đất thứ ba Hệ số đường cong thấm m m m Kết tính tốn mơ mơ hình VIC cho tỉnh Ninh Thuận bao gồm 47 ô lưới với ô lưới có chuỗi giá trị ngày từ năm 1992 2007 gồm thơng số: Mưa, bốc hơi, dịng chảy mặt, dòng chảy sở, độ ẩm lớp đất thứ 1, độ ẩm lớp đất thứ 2, độ ẩm lớp đất thứ 3, đặc trưng lớp đất, gió, nhiệt độ khơng khí, độ ẩm tương đối, tốc độ gió, bốc tiềm Như nói kết tính tốn mơ hình cho ta lượng thông tin dồi khu vực nghiên cứu Một mạnh mơ hình VIC tính tốn chi tiết độ ẩm lớp đất khả bốc thoát lớp thảm phủ Như nhắc đến phần đầu nghiên cứu, có nhiều số hạn khác xây dựng để đánh giá loại hạn hán khác hạn nông nghiệp, hạn thủy văn, hay ảnh hưởng bàn tay người đến trạng hạn hán Nhóm số đơn giản số MI tính theo tỷ lệ mưa bốc hơi, số K khô hạn Bộ Tài ngun Mơi trường tính tốn theo lượng mưa tháng bốc tháng, số RSM tính tốn theo độ ẩm đất số SPI tính tốn theo đặc trưng mưa [9-11] Hai số PN K áp dụng tính tốn thử nghiệm điểm cửa sông Lũy lưu vực, kết trình bày hình Kết tính tốn thấy rõ khả xảy hạn hán khu vực nghiên cứu cao, diễn biến phức tạp thay đổi liên tục năm Các số rõ đợt hạn nặng nặng xảy khứ Chỉ số PN, thể biến động lượng mưa so với lượng mưa bình quân nhiều năm, cho thấy thời gian mưa thiếu hụt (PN