LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG SO SÁNH ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY VĂN NAM VÀ FRASC ĐỂ ĐÁNH GIÁ TÀI NGUYÊN NƯỚC LƯU VỰC THÁC MƠ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---˜o™--- LÊ THANH TRANG LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG SO SÁNH ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY VĂN NAM VÀ FRASC ĐỂ ĐÁNH GIÁ TÀI NGUYÊN NƯỚC LƯU VỰC THÁC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-˜o™ -

LÊ THANH TRANG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

SO SÁNH ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY VĂN NAM VÀ FRASC ĐỂ ĐÁNH GIÁ TÀI NGUYÊN

NƯỚC LƯU VỰC THÁC MƠ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-˜o™ -

LÊ THANH TRANG

SO SÁNH ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY VĂN NAM VÀ FRASC ĐỂ ĐÁNH GIÁ TÀI NGUYÊN

NƯỚC LƯU VỰC THÁC MƠ

CHUYÊN NGÀNH : KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS VŨ VĂN NGHỊ

LỜI CẢM ƠN

Em chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn là TS Vũ Văn Nghị đã truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm, chỉ dẫn tận tình và hỗ trợ mô hình toán cho em trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn này

Chân thành cảm ơn các thầy cô khoa môi trường trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Tp Hồ Chí Minh đã giúp em có những kiến thức bổ ích trong những năm học tại Khoa Môi trường - trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến người thân trong gia đình, bạn bè, các đồng nghiệp Công ty Nước và Môi Trường Bình Minh – những người luôn ở bên cạnh, tận tình giúp đỡ, động viên tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận văn này Ngoài ra, trong luận văn này tác giả đã sử dụng một số tư liệu và thành quả nghiên cứu đã công bố của nhiều công trình khác nhau Rất mong nhận được sự lượng thứ

từ các tác giả của các tài liệu tham khảo trong luận văn này, và cho phép được trích dẫn tài liệu

Xin chân thành cảm ơn!

Lê Thanh Trang

Tp Hồ chí Minh Tháng 11 năm 2010

TÓM TẮT

Nước là một tài nguyên cho sự sống và được xem là một nhân tố thiết yếu cho các hệ sinh thái Trong những năm gần đây, việc thiếu hụt nguồn nước ngày càng trở nên nghiên trọng đối với quá trình phát triển kinh tế xã hội Nguyên nhân sâu xa là do những bất cập trong công tác quản lý (khai thác quá mức, phá rừng, ô nhiễm…), đánh giá trữ lượng tài nguyên nước của từng lưu vực Do đó, việc đánh giá tài nguyên nước trên lưu vực phục vụ cho phát triển kinh tế xã hội là việc làm cấp bách hiện nay

Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học máy tính nhiều mô hình toán thủy văn đã ra đời mô phỏng khá tốt nguồn nước trên các lưu vực sông hai trong số đó là mô hình NAM

và FRASC Tuy nhiên, mô hình toán không phải lúc nào hay mô hình nào cũng thích hợp cho bất cứ vùng nào; hay nói một cách khác rằng không có mô hình nào mang tính chất toàn cầu Việc lựa chọn mô hình ứng dụng cho mỗi điều kiện nhất định cũng là một vấn đề khó khăn đối với các chuyên gia thuỷ văn Do đó, trong luận văn này, tác giả đã so sánh ứng dụng hai mô hình thủy văn NAM và FRASC cho lưu vực Thác Mơ Dựa trên các tiêu chí đánh giá như hệ số thặng dư (Bias), hệ số hiệu quả mô hình (R2), và hệ số tương quan (r) Kết mô phỏng cho thấy, cả hai mô hình mô phỏng rất tốt, lưu lượng tính toán bằng mô hình phù hợp với số liệu thực đo cho lưu vực Thác Mơ Tuy nhiên, mô hình FRASC đưa ra được thông tin về tài nguyên nước tại từng điểm trên lưu vực; đặc biệt, đối với mô hình FARSC từ kết quả mô phỏng lũ với mô hình cao độ số (DEM) có thể xây dựng được bản

đồ ngập lụt Vì vậy, mô hình FRASC có thể được xem như là một công cụ hữu ích cho việc kiễm soát lũ và quản lý tài nguyên nước tổng hợp cho lưu vực Thác Mơ

Dựa vào kết quả mô phỏng của mô hình FRASC, tác giả đã tính toán tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ theo các tần suất thiết kế (P = 5% năm nhiều nước; P = 50% năm nước trung bình; và P = 90% năm ít nước) làm cơ sở phục vụ phát triển bền vững kinh tế xã hội lưu vực Thác Mơ và các vùng hưởng lợi

Từ khóa: mô hình NAM, mô hình FRASC, so sánh mô hình, tài nguyên nước

ABSTRACT

Water is an invaluable resource and is considered an essential factor for the ecosystem In recent years, the issue of inadequate water is becoming more and more important to the social and economic development process Deep causes are due to short of the management (overexploitation, deforestation, pollution ), assessment of water resources reserves of each basin… Therefore, the assessment of water resources of the catchment for socio-economic development is an imperative need now

Nowadays along with the development of computer science, many mathematics hydrologic (hydrographic mathematical) models imitated pretty well water sources in watersheds, two

of those are NAM and FRASC model However, mathematical models are not always correct or any model is also suitable for any region, or in other words there is not any model which does not have a global characteristic The choice of model for each application under certain conditions is a difficult problem for hydrology experts Consequently, in this thesis, the author compares the application the hydrological NAM and FRASC model for Thac Mo catchment Based on the evaluation criteria such as water balance error (Bias), Nash-Sutcliffe (R2) and Pearson correlation coefficient (r) demonstrate that both models imitated very well, the flow calculated by the model fit the data measured for Thac Mo basin However, the information on water resources at each point in the basin was given by FRASC model, especially; with the simulation results of FARSC model and digital elevation model (DEM), we can establish inundation maps So FRASC model can be viewed as a useful tool for flood control and integrated management water resource in Thac Mo basin

Based on the simulation results of FRASC model, the authors calculated the water resources in the Thac Mo basin with design frequency (P = 5% wet year; P = 50% average water year, and P = 90% less water year); It will be the basis for the socio-economic sustainable development of Thac Mo catchment and beneficiaries areas

Keywords: NAM model, FRASC model, model comparison, water resource

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ix

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 2

2.1 Thế gới 2

2.2 Trong nước 3

2.3 Thảo luận về mô hình toán trong nghiên cứu tài nguyên nước 5

2.4 Đánh giá nhận xét 7

3 Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu 7

3.1 Mục tiêu nghiên cứu 7

3.2 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu 8

3.3 Nội dung nghiên cứu 8

3.4 Phương pháp nghiên cứu 9

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 9

4.1 Ý nghĩa khoa học 9

4.2 Ý nghĩa thực tiễn 10

CHƯƠNG 1: MÔ TẢ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 11

1.1 Đặc điểm tự nhiên 11

1.1.1 Vị trí địa lý 11

1.1.2 Địa hình 11

1.1.3 Thổ nhưỡng 12

1.1.4 Thảm thực vật 12

1.1.5 Hệ thống sông 12

1.1.6 Khí hậu 13

1.1.6.1 Nhiệt độ không khí 13

1.1.6.2 Độ ẩm 13

1.1.6.3 Số giờ nắng 14

1.1.6.4 Gió 14

1.1.6.5 Bốc hơi 15

1.1.6.6 Mưa 15

1.2 Nhận xét, đánh giá các đặc điểm tự nhiên vùng nghiên cứu 16

1.2.1 Thuận lợi 16

1.2.2 Khó khăn 17

1.3 Điều kiện kinh tế xã hội trên lưu vực 17

1.3.1 Đặc điểm dân số 17

1.3.2 Tình hình kinh tế trong khu vực 18

1.3.3 Phương hướng phát triển kinh tế xã hội theo các giai đoạn phát triển 18

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH THỦY VĂN 20

2.1 Tổng quan về mô hình thủy văn 20

2.2 Phân loại mô hình thủy văn 21

2.2.1 Mô hình tất định (Deterministic model) 22

2.2.2 Mô hình ngẫu nhiên (Stochastic model) 23

2.3 Tiêu chuẩn lựa chọn mô hình 24

2.4 Tiêu chuẩn đánh giá mô hình mô phỏng 25

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN THỦY VĂN THÍCH HỢP CHO LƯU VỰC THÁC MƠ 27

3.1 Tổng quan 27

3.2 Mô hình NAM 28

3.2.1 Khái quát về mô hình NAM 28

3.2.2 Cấu trúc mô hình 28

3.2.2.1 Bể tuyết (áp dụng cho vùng có tuyết) 30

3.2.2.2 Bể chứa mặt 30

3.2.2.3 Bể sát mặt và bể tầng rễ cây 30

3.2.2.4 Bốc thoát hơi 30

3.2.2.5 Dòng chảy mặt 30

3.2.2.6 Dòng chảy sát mặt 31

3.2.2.7 Bổ sung dòng chảy ngầm 31

3.2.2.8 Lượng ẩm của đất 31

3.2.3 Hiệu chỉnh các thông số của mô hình 32

3.2.4 Những điều kiện ban đầu 33

3.3 Mô hình FRASC 33

3.3.1 Khái quát về mô hình FRASC 33

3.3.2 Cấu trúc mô hình FRASC 34

3.3.3 Cơ sở lý thuyết và các phương pháp tính 37

3.3.3.1 Bốc thoát hơi nước 37

3.3.3.2 Hình thành dòng chảy 37

3.3.3.3 Sự phân chia các thành phần dòng chảy trong mỗi ô lưới 41

3.3.3.4 Tập trung dòng chảy 43

3.3.3.5 Diễn toán dòng chảy từ ô lưới đến ô lưới 44

3.3.4 Thảo luận về các thông số 45

3.3.4.1 Các thông số bốc thoát hơi nước 46

3.3.4.2 Các thông số hình thành dòng chảy 47

3.3.4.3 Các thông số phân chia dòng chảy 47

3.3.4.4 Các thông số tập trung dòng chảy 48

3.4 Mô hình hóa cho khu vực nghiên cứu 48

3.4.1 Sơ đồ mạng lưới hóa cho khu vực nghiên cứu 48

3.4.2 Tài liệu đầu vào 49

3.4.2.1 Tài liệu thảm thực vật (land cover) và các thông số liên quan đến thảm thực vật 49

3.4.2.2 Tài liệu mưa 51

3.4.2.3 Tài liệu bốc hơi 52

3.4.2.4 Tài liệu lưu lượng 52

3.4.2.5 Dữ liệu GIS 52

3.5 Kết quả mô phỏng 55

3.5.1 Mô hình NAM 56

3.5.2 Mô hình FRASC 57

3.6 So sánh 59

3.7 Kết luận 63

CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ TÀI NGUYÊN NƯỚC LƯU VỰC THÁC MƠ 64

4.1 Tổng quan 64

4.2 Kết quả mô phỏng dòng chảy 65

4.3 Phân tích và đánh giá kết quả tính toán 65

4.3.1 Tính toán đặc trưng dòng chảy 65

4.3.2 Dòng chảy năm 67

4.3.3 Dòng chảy theo mùa 68

4.3.4 Tính toán dòng chảy năm, mùa thiết kế 70

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

PHỤ LỤC 77

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DEM : Mô hình cao độ số

DHI : Viện Thuỷ lực Đan Mạch

GIS : Hệ thống thông tin địa lý

KHCN : Khoa học công nghệ

KHTL : Khoa học thủy lợi

KT-XH : Kinh tế – xã hội

MIKE BASIN : Mô hình tính toán cân bằng nước (DHI)

NAM : Mô hình mưa rào - dòng chảy (DHI)

QHTL : Quy hoạch thủy lợi

TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam

VKTTĐPN : Vùng Kinh tế trọng điểm phía Nam

XINANJIANG : Mô hình thủy văn

FRASC : Mô hình diễn toán lũy tích dòng chảy lưu vực

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Nhiệt độ trung bình hang tháng và cả năm của trạm Phước Long 13

Bảng 1.2 Độ ẩm không khí bình quân nhiều năm trạm Phước Long 14

Bảng 1.3 Các đặc trưng khí tượng trung bình tháng vùng nghiên cứu 15

Bảng 1.4 Phân bố lượng bốc hơi hàng năm bằng phương pháp Penman Monteith 15

Bảng 1.5 Lượng mưa trung bình tháng tại các trạm đo và trung bình lưu vực (mm) 16

Bảng 1.6 Hiện trạng dân số vùng nghiên cứu[13][14] 17

Bảng 1.7 Phân bố diện tích đất trong khu vực nghiên cứu[13][14] 18

Bảng 1.8 Quy hoạch sử dụng đất trong khu vực nghiên cứu 19

Bảng 3.1 Bảng tổng hợp các thông số chính trong hiệu chỉnh mô hình NAM 32

Bảng 3.2 Các thông số của mô hình FRASC 36

Bảng 3.3 Các thông số liên quan từng loại thảm phủ lưu vực Thác Mơ 50

Bảng 3.4 Trọng số thiessen tính mưa trung bình các tiểu lưu vực 52

Bảng 3.5Bộ thông số mô hình NAM từ hiệu chỉnh mô hình cho lưu vực Thác Mơ 57

Bảng 3.6Bộ thông số mô hình FRASC từ hiệu chỉnh mô hình cho lưu vực Thác Mơ 58

Bảng 3.7 Tiêu chuẩn đánh giá hai mô hình NAM và FRASC thời kì hiệu chuẩn (1982 – 1984) và kiểm định (1985 – 1987) cho lưu vực Thác Mơ 60

Bảng 4.1 Đặc trưng dòng chảy trung bình nhiều năm lưu vực nghiên cứu 66

Bảng 4.2 Lưu lượng dòng chảy TB năm tại Thác Mơ theo các tần suất thiết kế 71

Bảng 4.3 Lưu lượng dòng chảy TB mùa lũ tại Thác Mơ theo các tần suất thiết kế 71

Bảng 4.4 Lưu lượng dòng chảy TB mùa kiệt tại Thác Mơ theo các tần suất thiết kế 71

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1 Phạm vi không gian vùng nghiên cứu 8

Hình 1.1 Phân phối lượng mưa trung bình tháng lưu vực Thác Mơ thời kì 1981-2007 16

Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc của mô hình NAM 29

Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc mô hình FRASC 35

Hình 3.3 Phân bố sức chứa nước ứng suất trong lưu vực 38

Hình 3.4 The free water storage capacity distribution curve 42

Hình 3.5 Bản đồ thảm phủ đất UMD 1 km 50

Hình 3.6 Đa giác Thiessen được xác định bằng phần mềm MIKE BASIN 51

Hình 3.7 (a) Ảnh DEM gốc, và (b) DEM được lấp đầy của lưu vực Thác Mơ 53

Hình 3.8 (a) Hướng dòng chảy, và (b) Lũy tích dòng chảy tại lưu vực Thác Mơ 54

Hình 3.9 (a) Lưu vực, và (b) Mạng lưới sông của lưu vực Thác Mơ 55

Hình 3.10 Quá trình lũy tích dòng chảy thực đo và mô phỏng tại Thác Mơ thời kỳ hiệu chỉnh mô hình NAM 57

Hình 3.11 Quá trình lũy tích dòng chảy thực đo và mô phỏng tại Thác Mơ thời kỳ hiệu chỉnh mô hình FRASC 59

Hình 4.1 Quá trình lưu lượng ngày mô phỏng cửa ra Thác Mơ 65

Hình 4.2 Lưu lượng dòng chảy trung bình tháng tại lưu vực thác Mơ 67

Hình 4.3 Lưu lượng trung bình năm tại Thác Mơ thời kì 1981-2007 67

Hình 4.4 Lưu lượng trung bình mùa lũ tại Thác Mơ thời kì 1981-2007 68

Hình 4.5 Lưu lượng trung bình mùa kiệt tại Thác Mơ thời kì 1981-2007 69

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Nước là yếu tố quyết định đến sự tồn tại và phát triển môi trường sống Nước là một loại tài nguyên thiên nhiên quý giá và có hạn, là động lực chủ yếu chi phối mọi hoạt động dân sinh kinh tế của con người Nước được sử dụng cho nông nghiệp, phát điện, giao thông vận tải, chăn nuôi, thuỷ sản, cấp nước sinh hoạt, công nghiệp, du lịch, cải tạo môi trường… Bởi vậy, tài nguyên nước có giá trị kinh tế và được coi là một hàng hoá[4]

Lưu vực Thác Mơ là một chi lưu của lưu vực sông Bé Là vùng đồi núi trung du nằm trong địa phận các tỉnh Đắc Nông và Bình Phước có độ cao từ vài chục đến hơn 1000 m (dữ liệu khai thác từ bản đồ cao độ số DEM 90 m x 90 m) Tài nguyên nước lưu vực sông Bé có tiềm năng rất dồi dào, phân tích thống kê tài liệu khí tượng thuỷ văn, lượng mưa trung bình lưu vực khoảng 2200 – 2700 mm/năm tăng dần từ hạ lưu lên thượng lưu với hệ số dòng chảy α = 0.55[28], là nguồn cung cấp nước chính cho phát triển kinh tế địa phương và cả khu vực hạ du

Về khai thác tài nguyên nước, trên lưu vực Thác Mơ có hệ thống thuỷ lợi, thuỷ điện Thác Mơ được thiết kế và đi vào vận hành từ năm 1994 trong tổng thể bốn bậc thang trên dòng sông Bé (từ thượng lưu tới hạ lưu): Thác Mơ, Cần Đơn,Srok Phu Miêng và Phước Hoà Hệ thống thuỷ điện, thuỷ lợi này đã và đang tạo một sản lượng điện lớn cho lưới điện quốc gia; cung cấp nước tưới, sinh hoạt, công nghiệp, cải tạo môi trường và phòng chống lũ góp phần quan trọng vào sự phát triển bền vững kinh tế xã hội khu vực Đông Nam Bộ, nơi được quy hoạch thành Vùng kinh tế Trọng điểm phía Nam (Southern Focal Economic Area – SFEA) Ngoài ra còn có các hồ chứa nhỏ được xây dựng nhằm thoả mãn nhu cầu nước cục bộ Do đó, dòng chảy tự nhiên trên hệ thống sông có sự thay đổi lớn