Mục tiêu chính của luận án là nghiên cứu, lựa chọn và sử dụng mô hình thủy văn phù hợp để dự báo lũ đến các hồ chứa trên lưu vực sông Ba phục vụ điều hành hệ thống liên hồ theo Quyết định 878/QĐ-TTG ngày 18 tháng 7 năm 2018 của Thủ tướng Chính phủ.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN VĂN HIẾU NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỰ BÁO MƯA, LŨ PHỤC VỤ VẬN HÀNH CÁC HỒ CHỨA TRÊN LƯU VỰC SÔNG BA Ngành: Thủy văn học Mã số: 44 02 24 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI, 2020 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học: GS TS Vũ Minh Cát Phản biện 1: PGS TS Nguyễn Tiền Giang Phản biện 2: TS Nguyễn Tiến Thành Phản biện 3: TS Võ Văn Hòa Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp trường tại: Trường Đại học Thủy lợi vào hồi ngày Có thể tìm thấy Luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi tháng năm 2020 MỞ ĐẦU Cơ sở lựa chọn nghiên cứu Hệ thống sông Ba hệ thống sông lớn Việt Nam Hiện lưu vực có hồ chứa lớn Ayun Hạ, An Khê – Ka Nak, Krông HNăng, Sông Hinh Ba Hạ với tổng dung tích phịng lũ hồ 260,5*106 m3 – số nhỏ so với tổng lượng lũ ngày lớn xảy Củng Sơn 2.507,3*106 m3 Do đó, dự báo xác lượng mưa dịng chảy lũ đến hồ với thời gian dự kiến dài tạo điều kiện cho chủ hồ vận hành chủ động, tránh tượng “xả sốc” xuống hạ du (lưu lượng xả tăng đột ngột từ m3 đến giá trị lưu lượng lớn xuống hạ lưu), gây ngập lụt thiệt hại người tài sản cho hạ du Vì vậy, việc “Nghiên cứu nâng cao chất lượng dự báo mưa, lũ phục vụ vận hành hồ chứa lưu vực sông Ba” cần thiết cấp bách nhằm đưa luận khoa học phương pháp nhằm nâng cao chất lượng dự báo mưa, lũ trung hạn để chủ động vận hành hồ chứa theo quy trình vận hành liên hồ lưu vực sông Ba Mục tiêu nghiên cứu điểm 2.1 Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu, lựa chọn sử dụng mơ hình số trị phù hợp để dự báo mưa với thời gian dự kiến từ 72 đến 120 - Nghiên cứu, lựa chọn sử dụng mô hình thủy văn phù hợp để dự báo lũ đến hồ chứa lưu vực sông Ba phục vụ điều hành hệ thống liên hồ theo Quyết định 878/QĐ-TTG ngày 18 tháng năm 2018 Thủ tướng Chính phủ 2.2 Những đóng góp luận án - Nghiên cứu xây dựng sở khoa học lựa chọn mơ hình số trị IFS WRFARW để dự báo định lượng mưa với việc kéo dài thời gian dự kiến từ 48 lên tới từ 72 đến 120 có độ phân giải từ (14 x14) km đến độ phân giải (5x5) km lưu vực sơng Ba mơ hình thủy văn MIKE-NAM HEC-HMS để dự báo trước dòng chảy tới hồ trước từ 03 đến 05 ngày - Ứng dụng thành cơng mơ hình mưa số trị mơ hình thủy văn để thử nghiệm dự báo dòng chảy lũ tới 04 hồ lưu vực, phục vụ công tác điều hành hồ chứa lưu vực sông Ba Phạm vi đối tượng nghiên cứu 3.1 Phạm vi nghiên cứu Về không gian: Nghiên cứu dự báo dòng chảy lũ đến 04 hồ chứa lưu vực sơng Ba có dung tích 100 triệu m3, bao gồm hồ Sông Hinh, Krông H’năng, Ayun Hạ An Khê Về thời gian: Tăng thời gian dự kiến dự báo từ 24 – 48 lên 72 đến 120 3.2 Đối tượng nghiên cứu Các yếu tố mưa sinh lũ dòng chảy lũ đến 04 hồ chứa lớn thuộc lưu vực sông Ba đối tượng nghiên cứu đề tài Ý nghĩa khoa học thực tiễn 4.1 Ý nghĩa khoa học Đã lựa chọn, thử nghiệm, kiểm chứng ứng dụng mơ hình số trị IFS WRFARW để dự báo định lượng mưa có độ phân giải từ (14 x14) km đến độ phân giải (5x5) km lưu vực sơng Ba, giúp nâng cao độ xác kết dự báo mở rộng thời gian dự kiến từ 48 lên tới từ 72 đến 120 Đã ứng dụng mơ hình thủy văn MIKE-NAM HEC-HMS, có kiểm định, kết hợp với phân tích, hiệu chỉnh yếu tố ảnh hưởng đến hình thành dịng chảy lưu vực yếu tố địa hình, địa chất, thổ nhưỡng lớp phủ để dự báo định lượng dòng chảy đến hồ phục vụ điều hành hồ chứa, phòng tránh ngập lụt cho hạ du lưu vực sông Ba 4.2 Ý nghĩa thực tiễn Xây dựng cơng cụ dự báo lũ với độ xác cao thời gian mở rộng từ 48 trước lên tới 120 giờ, sử dụng nghiệp vụ nhằm nâng cao độ xác dự báo, kéo dài thời gian dự kiến từ 48 lên tới từ 72 đến 120 tăng độ phân giải dự báo mưa giúp cho việc điều hành hồ chứa linh hoạt hơn, có thêm nhiều lựa chọn đạt hiệu cao nhất, đảm bảo an toàn hồ chứa, giảm thiểu lũ, ngập lụt cho vùng hạ du Phương pháp dự báo mưa, lũ trung hạn cho lưu vực sơng Ba dùng tài liệu học tập cho sinh viên tài liệu tham khảo cho NCS học viên cao học Kết cấu luận án Ngoài phần mở đầu, kêt luận, danh mục tài liệu tham khảo, phụ lục, luận án kết cấu thành 03 chương: Chương 1: Tổng quan nghiên cứu dự báo mưa, lũ hạn vừa Chương 2: Xây dựng sở khoa học dự báo mưa, lũ hạn vừa Chương 3: Kết nghiên cứu mưa, lũ cho lưu vực sông Ba CHƯƠNG TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU DỰ BÁO MƯA VÀ DỰ BÁO LŨ HẠN VỪA 1.1 Tổng quan nghiên cứu dự báo mưa, dự báo lũ hạn vừa giới Hiện nay, dự báo hạn vừa phần thiếu tất trung tâm dự báo lớn giới Hầu hết cách tiếp cận dự báo hạn vừa dựa phương pháp dự báo tổ hợp nhằm nắm bắt nguồn bất định trường ban đầu gây Năm 1992, Trung tâm dự báo hạn vừa Châu Âu, EPS sử dụng phương pháp SV (Singular Vector) để tạo nhiễu động ban đầu (Palmer cộng sự, 1992) [4] EPS có 51 dự báo thành phần, thực dự báo hàng ngày cung cấp kết cho nước Cộng đồng Châu Âu thành viên ECMWF Hệ thống EPS có tên gọi VAREPS (Variable Resolution EPS) hạn dự báo 15 ngày, ngày đầu hệ thống chạy với độ phân giải TL399L62 (khoảng 50 km, 62 mực) ngày sau với độ phân giải TL255L62 (khoảng 80 km, 62 mực) Đây EPS hạn vừa có độ phân giải cao giới Tại NCEP, mơ hình GFS chạy phiên ngày, cách 06 tiếng với tùy chọn độ phân giải 0.25x0.25 độ, 0.5x0.5 độ 1.0x1.0 độ kinh vĩ Thời hạn dự báo mơ hình lên đến 384h (15 ngày) hồn tồn đáp ứng nhu cầu dự báo mưa hạn vừa, làm đầu vào cho mơ hình thủy văn Trong nghiên cứu F Pappenberger cộng vào năm 2008, mơ hình LISFLOOD sử dụng để nghiên cứu trận lũ năm 2007 Romania, sử dụng đầu vào lượng mưa dự báo từ dự báo tổ hợp nhiều trung tâm lớn giới ECMWF, UKMO, JMA, NCEP, CMA, CMC, BOM Các kết đưa cảnh báo trận lũ trước ngày Kết cho thấy dự báo tổ hợp theo cách tiếp cận đa mơ hình có đặc tính trung bình tốt ECMWF va UKMO, kết mô tốt phần đuôi hàm phân bố tức giá trị cực trị xảy V.Thiemig nnk (2015) sử dụng hệ thống dự báo lũ tổ hợp (AFFS) cho sông có quy mơ vừa đến lớn Châu phi với thời đoạn dự báo 15 ngày Thành phần hệ thống dự báo mơ hình thủy văn thơng số phân bố LISFLOOD với số liệu GIS số liệu mưa dự báo từ trung tâm ECMWF Trận lũ tháng năm 2003 lưu vực sông Sabi (Zimbabwe) sử dung dể mô với kết kiểm định 36 điểm quan trắc lưu vực Quá trình kiểm định AFFS cho kết tốt (dự báo đạt 70%) Đặc biệt, hệ thống cho kết dự báo lũ tốt với thời gian dự báo dài (lớn tuần) lưu vực có diện tích lớn (trên 10000 km2) Có thể thấy việc sử dụng số liệu mưa dự báo định lượng từ trung tâm ECMWF cho công tác dự báo lũ hạn vừa cho kết tốt 1.2 Tổng quan nghiên cứu dự báo mưa, lũ hạn vừa Việt Nam lưu vực sông Ba Hiện tại, mơ hình HRM, COSMO WRF chạy nghiệp vụ Trung tâm dự báo KTTV quốc gia, mơ hình MM5 WRF chạy dự báo thử nghiệm Viện khoa học KTTV Biến đổi khí hậu mơ hình RAMS chạy thử nghiệm dự báo Khoa KTTV Hải dương học, Trường Đại học khoa học tự nhiên Trong luận án, mơ hình WRF chạy nghiệp vụ Trung tâm dự báo KTTV quốc gia lựa chọn lý sau: + Đây mơ hình NWP khu vực dạng bất thủy tĩnh chạy nghiệp vụ với độ phân giải 5km + WRF có hệ thống đồng hóa số liệu 3DVAR tích hợp bên mơ hình đồng hóa nhiều loại số liệu viễn thám vệ tinh, đa, … + WRF đánh giá kiểm chứng nhiều cơng trình nghiên cứu khoa học đánh giá có kỹ dự báo mưa lớn tốt cho khu vực miền Trung Việt Nam (Bùi Minh Tăng cộng sự, 2014) Trường phân tích dự báo mơ hình NWP tồn cầu IFS ECMWF có độ phân giải 12km lựa chọn để làm điều kiện ban đầu điều kiện biên phụ thuộc vào thời gian mơ hình WRF có độ phân giải 5km Mơ hình IFS lựa chọn mơ hình NWP tồn cầu đánh giá tốt giới mơ hình tồn cầu có độ phân giải cao (Võ Văn Hòa cộng sự, 2017) Hình 1.1 sau trình bày sơ đồ khối giới thiệu tóm tắt phương pháp, mơ hình sử dụng nghiên cứu theo mục tiêu cụ thể Lưu vực sông Ba sông lớn Miền Trung Tây Nguyên, mật độ lưới trạm quan trắc lại thưa nên công nghệ dự báo mưa lớn thiết phải công nghệ dự báo định lượng, khách quan, có độ phân giải lớn có khả tích hợp với cơng nghệ dự báo lũ Nói cách khác, hướng nghiên cứu ứng Hình 1.1 Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu luận án dụng mơ hình NWP phân giải cao, dạng bất thủy tĩnh với độ phân giải ngang khoảng 5km để nắm bắt tốt q trình đối lưu quy mơ nhỏ vừa Do đó, hướng nghiên cứu ứng dụng mơ hình NWP lựa chọn phù hợp để dự báo mưa lớn lưu vực sơng Ba độ phân giải ngang dao động khoảng 5km Vì vậy, nghiên cứu NCS sử dụng mơ hình IFS mơ hình WRF-ARW để dự báo mưa cho lưu vực sông Ba CHƯƠNG CƠ SỞ KHOA HỌC DỰ BÁO MƯA VÀ DỰ BÁO LŨ HẠN VỪA CHO LƯU VỰC SÔNG BA 2.1 Giới thiệu tổng quan lưu vực sông Ba Lưu vực sông Ba lưu vực lớn khu vực miền Trung, với tổng diện tích lưu vực 13.417 km2 Đây lưu vực lớn nằm trọn lãnh thổ Việt Nam Chiều dài dịng khoảng 374 km, bắt nguồn từ dãy núi Ngọc Rô (Kon Tum) cao độ 1.549 m chảy qua tỉnh Kon Tum Gia Lai theo hướng Bắc Nam, chuyển sang hướng Tây Bắc - Đông Nam từ huyện Krông Pa Gia Lai hướng tây đông từ địa phận tỉnh Phú Yên, cuối đổ vào biển Đông cửa biển Đà Rằng thành phố Tuy Hịa Do có lượng dịng chảy lớn kết hợp với độ dốc cao nên tiềm thủy điện dịng nhánh lưu vực sông Ba lớn Theo quy hoạch thủy điện, dự kiến có 12 cơng trình thủy điện là: An Khê-Ka Nak, ĐakSRông, Sông Ba thượng, Ayun thượng 1, 2, HChan, HMun, Ayun hạ, Ea KRông Hnăng, Sông Ba hạ, Sơng Hinh có tổng cơng suất lắp máy 700 MW với điện năm 2,6 tỷ KWh Hình 2.1 Bản đồ lưu vực sông Ba 2.2 Xây dựng phương pháp dự báo mưa lưu vực sông Ba 2.2.1 Mơ hình số trị dự báo mưa cho lưu vực sơng Ba Mơ hình WRFARW sử dụng nghiên cứu chạy với độ phân giải 5km miền tích phân bao phủ vùng từ 12ºN-15ºN; 107ºE110ºE (xem hình 2.6 đây) với độ phân giải ngang tương ứng 5km (90 x 90 điểm nút lưới) 50 mực thẳng đứng Mơ hình chạy dạng bất thủy tĩnh với bước tích phân thời gian 20 giây độ phân giải chọn 7km Việc lựa chọn độ phân giải 5km trường ban đầu điều kiện biên phụ thuộc vào thời gian cho WRF lấy từ mơ hình IFS có độ phân giải 14km Qui trình chạy mơ hình WRFARW cho lần dự báo thực sau: Bước Tải số liệu IFS gồm trường phân tích dự báo (cách một) hạn dự báo ngày Bước Giải mã cắt miền số liệu miền số liệu phù hợp để giảm thiểu dung lượng số liệu đầu vào Bước Thực nội suy số liệu IFS từ lưới kinh vĩ có độ phân giải 14km lưới kinh vĩ có độ phân giải 5km Bước Thực nội suy thẳng đứng từ 26 mực áp suất số liệu IFS 50 mực thẳng đứng mơ hình WRFARW Bước Khai báo thời gian chạy đường dẫn số liệu cho tệp tin đầu vào mơ hình WRFARW Bước Thực chạy mơ hình WRFARW Bước Giải mã số liệu mưa dự báo từ mơ hình WRFARW nội suy số liệu mưa dự bao điểm trạm theo phương pháp nội suy điểm gần 2.2.2 Phương pháp hiệu chỉnh dể xác định mưa dự báo Cách tiếp cận nghiên cứu xác định qua bước sau: - Bước 1: Đánh giá kết dự báo lượng mưa - Bước 2: Xây dựng hệ số hiệu chỉnh thực hiệu chỉnh lượng mưa dự báo - Bước 3: Xây dựng trường hệ số hiệu chỉnh làm đầu vào cho hệ thống mơ hình thủy văn Dựa kết dự báo quan trắc lượng mưa tích lũy, nghiên cứu tiến hành xây dựng phương trình hồi quy cho thời đoạn dự báo Với khoảng thời gian dự báo trước từ đến 240h, tương ứng 40 thời đoạn mưa tích lũy 6h hiệu chỉnh Hình 2.11 Sơ đồ khối sở phương pháp tính mưa dự báo KẾT LUẬN CHƯƠNG Để dự báo lũ hạn vừa, nghiên cứu tiến hành hiệu chỉnh, kiểm định riêng biệt cho tiểu lưu vực mơ hình mơ hình MIKE NAM mơ hình HEC-HMS nhằm xác định thông số tối ưu đảm bảo mơ tốt q trình mưa sinh dịng chảy tiểu lưu vực Đầu vào cho mô hình dự báo lũ giá trị mưa dự báo ô lưới Nghiên cứu coi ô lưới phần diện tích lưu vực mà giá trị mưa khống chế, từ tính trọng số cho lưới cuối tính lượng mưa bình quân lưu vực theo phương pháp bình quân trọng số Kết dự báo lũ từ liệu mưa dự báo đánh giá sai số, tiêu chí kiểm định, chất lượng dự báo kiến nghị áp dụng thực tế CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết dự báo mưa lưu vực sông Ba 3.1.1 Kết dự báo từ mơ hình Mưa dự báo mơ hình lựa chọn từ trận lũ lịch sử thể bảng 3.2 (Số liệu rain_wrfarw với kích thước (5x5km) tạo thành chuỗi ô lưới (90 x 90) ô, số liệu rain_ifs có kích thước (14x14km) km tạo thành chuỗi ô lưới (39x39) ô trải lưu vực sơng Ba Bảng 3.2 Thời gian tính mưa dự báo mơ hình IFS WRFARW Năm 2017 2016 2015 2014 2013 2012 Thời gian 01-06/12 1-5/11 7-12/10 27/11-1/12 3-8/11 3-7/10 02/12/17 15-18/12 11 Hình 3.9 Định dạng số liệu mưa dự Hình 10 Định dạng số liệu mưa dự báo báo từ mơ hình IFS (39x39) lưới từ mơ hình WRFARW (90x90) lưới Kết dự báo mưa cho lưu vực sông Ba từ mơ hình phủ tồn lưu vực với miền tính 12ºN-15ºN 107ºE-110ºE Hạn dự báo 120 cho mơ hình IFS 72 cho mơ hình WRFARW với định dạng hình 3.9-3.10 3.1.2 Đánh giá kỹ dự báo mơ hình Để đánh giá kỹ dự báo mưa lớn mơ hình WRFARW cho khu vực miền Trung, luận án thực đánh giá chất lượng dự báo mưa cho khu vực nghiên cứu dựa đợt mưa lớn năm 2013-2017 Tổng cộng có 50 mẫu thu thập để phục vụ đánh giá Trung bình đợt mưa lớn kéo dài ngày với tổng lượng mưa trung bình đợt từ 250-300mm Việc kiểm chứng tính hiệu theo cách tiếp cận hạ quy mô động lực dự bán mưa thực cho mơ hình WRFARW mơ hình IFS Các giá trị dự báo định lượng mưa từ mơ hình IFS WRFARW nội suy điểm trạm quan trắc theo phương pháp nội suy điểm gần (giá trị dự báo mưa trạm giá trị dự báo mưa điểm nút lưới gần với trạm) Trong lưu vực sơng Ba có 12 trạm quan trắc mưa sử dụng để đánh giá chất lượng dự báo Lượng mưa tích lũy 24h sử dụng để đánh giá ngưỡng mưa 50mm/24h 100mm/24h sử dụng để đánh giá so sánh kỹ dự báo pha mưa lớn lớn mơ hình IFS WRF Các hạn dự báo 12 24h, 48h 72h đưa vào đánh giá, lượng mưa tích lũy từ 024h gọi dự báo mưa ngày thứ 1, từ 24-48h gọi ngày thứ 48-72h gọi ngày thứ Các số sai số trung bình (ME), sai số tuyệt đối (MAE) sai số quân phương (RMSE) sử dụng để đánh giá kỹ dự báo định lượng mưa Ngoài ra, số BIAS, POD, FAR ETS sử dụng để đánh giá kỹ dự báo pha mưa lớn lớn, số BIAS cho biết khuynh hướng sai số thiên cao (BIAS > 1) hay thiên thấp (BIAS < 1); số POD FAR cho biết tỷ lệ dự báo (POD gần tốt) tỷ lệ dự báo khống (FAR gần tốt) Chỉ số ETS số tổng hợp cho biết toàn kỹ dự báo pha bao hàm khía cạnh số BIAS, POD FAR, số ETS gần tốt Bảng 3.4 Kết đánh giá so sánh chất lượng dự báo định lượng mưa cho mơ hình IFS (14km) mơ hình WRF (5km) Lượng mưa dự báo Ngày Ngày Ngày Mơ hình IFS (14x14) km Mơ hình WRF (5x5) km ME (mm/24h) MAE (mm/24h) RMSE (mm/24h) ME (mm/24h) MAE (mm/24h) RMSE (mm/24h) - 12 22 29 -8 16 20 -19 32 46 -12 21 25 -22 41 52 -16 30 32 Tượng tự bảng 3.4, bảng 3.5 3.6 đưa kết tính tốn số BIAS, POD, FAR ETS cho ngưỡng mưa to to Từ bảng thấy khuynh hướng sai số dự báo thiên thấp xảy IFS WRF, WRF có kỹ dự báo tốt IFS, đặc biệt ngưỡng mưa lớn Về kỹ dự báo tượng có xảy (qua số POD) mơ hình WRF có kỹ tốt so với IFS, đặc biệt hạn dự báo 48 72h hai ngưỡng mưa to to Tương tự, tỷ lệ dự báo khống (chỉ số FAR: dự báo có xảy tượng thực tế không 13 xảy ra) giảm đáng kể sau hạ quy mơ động lực mơ hình WRF Từ kết đánh giá so sánh bảng 3.3 3.4, dễ dàng nhận thấy mơ hình WRF có chất lượng dự báo mưa to to tốt nhiều so với mơ hình IFS (xem số ETS) Bảng 3.5 Kết đánh giá so sánh chất lượng dự báo pha mưa cho mơ hình IFS (14km) mơ hình WRF (5km) với ngưỡng mưa to (>50mm/24h) Lượng mưa dự báo Ngày Ngày Ngày Mơ hình IFS (14x14) km Mơ hình WRF (5x5) km BIAS POD FAR ETS BIAS POD FAR ETS 0.33 0.15 0.42 0.28 0.32 0.49 0.21 0.10 0.65 0.38 0.75 0.56 0.25 0.33 0.34 0.28 -0.08 0.13 0.62 0.09 0.24 0.34 0.42 0.19 Bảng 3.6 Kết đánh giá so sánh chất lượng dự báo pha mưa cho mơ hình IFS (14km) mơ hình WRF (5km) với ngưỡng mưa to (>100mm/24h) Lượng mưa dự báo Ngày BIAS POD FAR ETS BIAS POD FAR ETS 0.21 0.36 0.46 0.13 0.46 0.45 0.22 0.28 Ngày Ngày -0.09 -0.24 0.22 0.09 0.59 0.72 0.08 0.02 0.30 0.21 0.38 0.20 0.41 0.48 0.20 0.15 Mơ hình IFS 14km Mơ hình WRF 5km 3.1.3 Hiệu chỉnh tính tốn giá trị mưa dự báo Các bước thực việc hiệu chỉnh phương pháp tính tốn lại giá trị mưa dự báo trình bày chương Dựa kết dự báo quan trắc lượng mưa tích lũy, luận án tiến hành xây dựng phương trình hồi quy cho thời đoạn dự báo Với khoảng thời gian dự báo trước từ đến 240h, tương ứng 40 thời đoạn mưa tích lũy 6h hiệu chỉnh Như vậy, với thời đoạn dự báo, phương trình hồi quy tuyến tính xây dựng riêng 14 3.1.3.1 Đánh giá giá kết dự báo lượng mưa chưa hiệu chỉnh thống kê Hình 3.17 Chỉ số ME lượng mưa dự Hình 3.18 Hệ số tương quan (HSTQ) báo tích lũy 6h với số liệu quan trắc (mm) lượng mưa dự báo với số liệu quan trắc Hình 3.17 trình bày kết tính tốn số ME (mm) lượng mưa dự báo với số liệu quan trắc thực tế số trạm khu vực nghiên cứu Có thể nhận thấy mơ hình có thiên hướng dự báo lượng mưa thấp so với thực tế, với số ME phổ biến từ - 4,85 mm đến khoảng mm, sai số dự báo rõ ràng trạm An Khê Buôn Hồ, với số ME phổ biến nhỏ -2mm, đặc biệt trạm An Khê Sai số dự báo nhỏ trạm Kon Tum Pleiku với số ME phổ biến dao động khoảng từ -1mm đến 1mm Bên cạnh đó, kết dự báo cho thấy, sai số dự báo thời đoạn ngắn lớn thời đoạn dự báo tăng lên Hình 3.18 trình bày kết tính tốn hệ số tương quan lượng mưa dự báo quan trắc Kết cho thấy, hệ số tương quan có giá trị dương hầu hết trường hợp Điều cho thấy, kết dự báo phần thể xu diễn biến lượng mưa thực tế Tuy nhiên, hệ số tương quan lượng mưa dự báo với thực tế thấp Hệ số tương quan cao thời hạn dự báo nhỏ 78h phổ biến > 0,2, sau thời điểm 78h, hệ số tương quan thấp, 0,1 Từ kết phân tích cho thấy, xu diễn biến lượng mưa dự bán tốt từ đến thứ 78h, nhiên sai số dự báo lớn Ngược lại, mơ hình dự báo có xu khơng tốt lượng mưa sau thứ 78 (từ 78 đến 240h), sai số lượng lại thấp 15 3.1.3.2 Đánh giá chất lượng dự báo mưa sau hiệu chỉnh thống kê Sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính đơn biến, luận án tiến hành hiệu chỉnh lượng mưa cho thời đoạn dự báo Lượng mưa dự báo hiệu chỉnh dựa hệ số “a” “b” phương trình hồi quy Kết dự báo lượng mưa hiệu chỉnh có sai số thấp, với số ME phổ biến từ -1mm đến khoảng 0mm Nhìn chung, kết dự báo mưa hiệu chỉnh có thiên hướng thấp so với số liệu quan trắc, sai số dự báo lớn trạm An Khê Buôn Hồ Tuy nhiên, so với lượng mưa dự báo chưa hiệu chỉnh kết dự báo sau hiệu chỉnh có sai số thấp đáng kể Kết tính tốn hệ số tương quan lượng mưa dự báo sau hiệu chỉnh với số liệu quan trắc cho thấy sau hiệu chỉnh, lượng mưa dự báo có quan hệ dương với số liệu quan trắc toàn trường hợp dự báo Điều cho thấy, lượng mưa dự báo sau hiệu chỉnh phản ánh xu diễn biến số liệu quan trắc trạm Hệ số tương quan cao, phổ biến 0,4 thời điểm dự báo trước 78h Với thời hạn dự báo dài (trên 78h), hệ số tương quan giảm dần, phổ biến dao động xung quanh giá trị 0,2 Như vây, so với trường hợp chưa hiệu chỉnh, hệ số tương quan lượng mưa dự báo với thực tế quan trắc cải thiện đáng kể Điều cho thấy, hiệu chỉnh thống kê giúp cải thiện chất lượng dự báo với xu diễn biến lượng mưa dự báo phù hợp với thực tế 3.1.3.3 Trường mưa dự báo phục vụ tính tốn Từ phân tích cho thấy, kết dự báo lượng mưa hiệu chỉnh phương pháp hồi quy tuyến tính cải thiện đáng kể sai số diễn biến so với kết chưa hiệu chỉnh Trong đó, sai số dự báo lượng mưa hiệu chỉnh thấp, với số ME phổ biến từ -1mm đến 0mm Với thời hạn dự báo trước 78h, hệ số tương quan dự báo hiệu chỉnh với quan trắc tốt, phổ biến 0,4, số trường hợp lên tới 0,8 (tại trạm Pleiku vào thời hạn dự báo 18-24h 42-48h) Tuy 16 nhiên, với thời hạn dự báo dài 78h, hệ số tương quan cải thiện thấp, phổ biến xung quanh 0,2 Số liệu mưa sau hiệu chỉnh sử dụng cho mơ lũ, kết dự báo với thời hạn nhỏ 78h có phù hợp tốt xu mô thực tế Để phục vụ tính tốn thủy văn, hệ số a b nội suy theo không gian cho lưu vực nghiên cứu Bảng 3.7 Kết tính tốn hệ số phụ thuộc (a) tự (b) phương trình hồi quy sản phẩm dự báo mơ hình IFS Thời đoạn dự báo 00-06h 06-12h 12-18h 18-24h 24-30h 30-36h 36-42h 42-48h : 234-240h Kết xác định hệ số a b phương trình hồi quy tuyến tính An Khê Bn Hồ Kon tum Pleiku a b a b a b a b 1.02 4.01 0.05 1.86 1.65 1.18 0.82 0.61 1.89 0.82 0.28 1.38 0.49 1.9 0.96 0.68 1.26 4.03 0.95 4.57 0.01 2.01 0.55 0.92 1.13 3.04 -0.11 2.75 0.23 0.12 1.33 -0.29 2.05 1.52 0.27 1.46 0.14 1.94 0.43 1.11 1.09 2.14 0.25 1.51 1.09 1.08 1.07 0.39 0.53 4.73 0.5 5.31 0.43 1.29 0.19 0.79 1.24 2.98 0.31 2.1 0.15 0.19 0.81 -0.27 0.96 3.06 0.07 0.06 0 0.01 Bảng 3.8 Kết tính tốn hệ số phụ thuộc (a) tự (b) phương trình hồi quy sản phẩm dự báo mơ hình WRF Thời đoạn dự báo 00-06h 06-12h 12-18h 18-24h : 54-60h Kết xác định hệ số a b phương trình hồi quy tuyến tính An Khê Buôn Hồ Kon Tum Pleiku a b a b a b a b 2.08 0.4 0.08 1.91 0.47 1.75 0.49 0.61 1.55 -0.21 2.58 0.85 0.77 0.31 0.94 0.01 4.18 0.51 6.14 0.31 2.07 0.53 0.92 0.52 5.05 -0.12 3.89 -0.02 0.54 0.11 0.87 0.98 0.35 -0.21 2.84 17 0.53 1.88 0.28 1.19 Hình 3.20 Hệ số tương quan (HSTQ) lượng mưa dự báo hiệu chỉnh thống kê với số liệu quan trắc Hình 3.19 Chỉ số ME lượng mưa dự báo tích lũy 6h hiệu chỉnh với số liệu quan trắc (mm) Như vậy, sở phương pháp tính tốn, đánh giá hiệu chỉnh giá trị dự báo mưa hai mơ hình IFS WRF, luận án xác định giá trị lượng mưa dự báo hiệu chỉnh phù hợp với thực tế Giá trị mưa dự báo sử dụng làm đầu vào mơ hình dự báo thủy văn hạn vừa lưu vực sông Ba 3.2 Kết dự báo dịng chảy lưu vực sơng Ba 3.2.1 Hiệu chỉnh kiểm định mơ hình Bảng 3.9 Bảng kết thơng số mơ hình Mike NAM HEC-HMS cho tiểu lưu vực An Khê Ayun Hạ 18 Bảng 3.10 Kết thơng số mơ hình MIKE NAM HEC-HMS cho tiểu lưu vực Krong Hnang sơng Hinh Như trình bày Chương 2, luận án sử dụng liệu trận mưa thực đo khứ tạo đỉnh lũ khác để hiệu chỉnh kiểm định tìm thơng số mơ hình (MIKE NAM HEC-HMS) ứng với tiểu lưu vực (An Khê, Ayun Hạ, Krong Hnang Sơng Hinh) 3.2.2 Kết dự báo dịng chảy đến hồ lưu vực sông Ba 3.3.2.1 Thiết lập liệu mưa dự báo làm đầu vào cho mô hình Giá trị lượng mưa dự báo theo mơ hình IFS WRF thực nội dung 3.2 Giá trị mưa dự báo hiệu chỉnh cho phù hợp với số liệu thực tế đảm bảo độ tin cậy Các lưới với kích thước (5x5) km (14 x 14) km thuộc tiểu lưu vực nghiên cứu thể hình 3.45 – 3.46 bảng 3.19 – 3.20 Hình 3.46 Vị trí lưới với kích thước 14x14km Hình 3.45 Vị trí lưới có kích thước (5x5) km 19 Lượng mưa ô lưới cụ thể cho 04 lưu vực hồ chứa chi tiết chuyển đổi để tính giá trị lượng mưa dự báo bảng 3.23 3.24 Bảng 3.19 Sơ đồ ô lưới độ phân Bảng 3.20 Sơ đồ ô lưới độ phân giải (5x5) km tiểu lưu vực An Khê giải (5x5) km lưu vực Ayun Hạ + Trọng số ô lưới: Bảng 3.23 Giá trị trọng số cho ô lưới (5x5) km tiểu lưu vực An Khê Ô lưới M10 Trọng số 0.004 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8 N9 N10 N11 0.007 0.012 0.012 0.017 0.020 0.012 0.004 0.013 0.027 0.008 Bảng 3.24 Giá trị trọng số cho ô lưới (14x14) km tiểu lưu vực An Khê Ô lưới Trọng số E1 E3 G4 G3 E4 E2 F1 F3 F5 F4 F2 0.007 0.035 0.161 0.063 0.052 0.039 0.007 0.244 0.001 0.252 0.139 3.3.2.2 Kết dự báo lũ cho lưu vực sông Ba Các trận mưa dự báo với thời gian dự kiến 6h, sử dụng để dự báo trận lũ tiểu lưu vực là: 13/XI/2013 06:00 đến 22/XI/2013 12:00; 27/XI/2014 06:00 đến 05/XI/2014 06:00; 07/X/2015 06:00 đến 19/X/2015 00:00; 30/X/2016 06:00 đến 11/XI/2016 06:00 Kết tính mơ hình Mike-NAM cho năm 2013, 2015, 2015 2016 theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km (14x14) km Hình 3.48 Đường trình dự báo lũ đến hồ An Khê XI/2014 Hình 3.47 Đường trình dự báo lũ đến hồ An Khê XI/2013 20 Hình 3.50 Đường trình dự báo lũ đến hồ An Khê X/2016 Hình 3.49 Đường trình dự báo lũ đến hồ An Khê X/2015 Kết tính mơ hình HEC-HMS cho năm 2013, 2015, 2015 2016 theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km (14x14) km Hình 3.51 Đường trình dự báo lũ đến hồ An Khê XI/2013 Hình 3.52 Đường trình dự báo lũ đến hồ An Khê XI/2014 Hình 3.53 Đường trình dự báo lũ đến hồ An Khê X/2015 Hình 3.54 Đường trình dự báo lũ đến hồ An Khê X/2016 + Đánh giá sai số dự báo lũ theo hai mơ hình MIKE NAM HEC-HMS thể bảng 3.31 bảng 3.32 Kết dự báo lũ hạn vừa mơ hình MIKE NAM theo số liệu mưa dự báo kích thước lưới (5x5) km (14x14) km phần lớn cho kết 21 tốt, cịn số phương án mơ có kết thấp, xấp xỉ mức đạt yêu cầu với sai số không lớn Tương tự, kết dự báo lũ hạn vừa mơ hình HEC-HMS theo số liệu mưa dự báo kích thước ô lưới (5x5) km (14x14) km phần lớn cho kết tốt, số phương án mơ có kết thấp, xấp xỉ mức đạt yêu cầu với sai số không lớn Bảng 3.31 Các tiêu chí đánh giá chất lượng dự báo lũ theo mơ hình MIKE NAM cho tiểu lưu vực sơng Ba Bảng 3.32 Các tiêu chí đánh giá chất lượng dự báo lũ theo mơ hình HECHMS cho tiểu lưu vực sông Ba KẾT LUẬN CHƯƠNG Kết dự báo lượng mưa hiệu chỉnh phương pháp hồi quy tuyến tính cải thiện đáng kể sai số chung xu diễn biến so với kết 22 chưa hiệu chỉnh, sai số dự báo lượng mưa hiệu chỉnh thấp, với số ME phổ biến từ -1mm đến 0mm Với thời hạn dự báo ngắn 78h, hệ số tương quan dự báo hiệu chỉnh với quan trắc cao, phổ biến 0,4, số trường hợp lên tới 0,8 Tuy nhiên, thời hạn dự báo dài 78h, hệ số tương quan cải thiện thấp, phổ biến xung quanh 0,2 Số liệu mưa sau hiệu chỉnh sử dụng dự báo lũ Các kết dự báo với thời hạn nhỏ 78h có xu diễn biến phù hợp với số liệu thực tế Để phục vụ tính tốn thủy văn, hệ số a b nội suy theo không gian cho cho tiểu lưu vực An Khê, Yaun Hạ, Krong H’Năng sông Hinh Trên sở thông số tối ưu, kết hợp với kết hiệu chỉnh mưa dự báo theo hai phương án kích thước lưới (5x5) km (14x14) km, mơ hình MIKE NAM HEC-HMS dự báo dòng chảy cho kết tốt theo hai tiêu Nash sai số đỉnh lũ Từ kết nghiên cứu, NCS thấy việc sử dụng mơ hình mưa dự báo với kích thước lưới (5x5) km làm số liệu đầu vào cho mơ hình dự báo lũ cho kết tốt số liệu mưa dự báo kích thước ô lưới (14x14) km Mô hình MIKE NAM sử dụng để dự báo lũ tốt tiểu lưu vực thuộc Yaun Hạ An Khê KẾT LUẬN Những nội dung thực luận án: Đánh giá tổng quan tình hình nghiên dự báo mưa, lũ vừa giới Việt Nam Hiệu chỉnh xây dựng trường mưa dự báo định lượng sau mơ hình Thiết lập tốn dự báo mưa định lượng với độ phân giải cao lưu vực sơng Ba bàng mơ hình số trị IFS WRFARW có độ phân giải từ (14 x14) km đến độ phân giải (5x5) km để mở rộng thời gian dự kiến từ 48 lên tới 120 23 Tích hợp dự báo mưa định lượng độ phân giải cao từ mơ hình dự báo mưa số trị IFS WRFARW với mơ hình thủy văn MIKE-NAM HECHMS để dự báo dự báo dòng chảy đến với thời đoạn trung hạn kết hợp với phân tích, hiệu chỉnh yếu tố địa phương địa hình, địa chất, thổ nhưỡng lớp phủ để dự báo định lượng dòng chảy đến hồ phục vụ điều hành hồ chứa, phòng tránh ngập lụt cho hạ du lưu vực sông Ba Những điểm luận án - Nghiên cứu xây dựng sở khoa học lựa chọn mơ hình số trị IFS WRFARW để dự báo định lượng mưa kéo dài thời gian dự kiến từ 48 lên tới từ 72 đến 120 có độ phân giải từ (14 x14) km đến độ phân giải (5x5) km lưu vực sông Ba mô hình thủy văn MIKE-NAM HEC-HMS để dự báo trước dòng chảy tới hồ trước từ 03 đến 05 ngày - Ứng dụng thành cơng mơ hình mưa số trị mơ hình thủy văn để thử nghiệm dự báo dòng chảy lũ tới 04 hồ lưu vực, phục vụ công tác điều hành hồ chứa lưu vực sông Ba Hướng phát triển luận án Trong nghiên cứu mơ hình sử dụng có ô lưới từ (14x14) km (5x5) km, địa hình thực tế bị chia cắt lớn, nên mức độ bình qn hóa điều kiện khí hậu mặt đệm lớn, phản ánh chưa tốt điều kiện mặt đệm, gây sai số lớn, dẫn tới kết dự báo chưa mong đợi Để giải vấn đề này, NCS đề xuất tăng độ phân giải xuống mức (1x1) km, phản ánh tốt điều kiện mặt đệm chắn cho kết tốt Đề xuất đồng nghĩa với khối lượng tính tốn tăng lên nhiều, nay, cơng cụ tính tốn ngày đại, tốc độ tính tốn tăng lên nhiều rào cản công nghệ vấn đề lớn tính tốn Với hướng này, việc dự báo dòng chảy tới hồ tăng thêm thời gian dự kiến tạo điều kiện cho vận hành chủ động tốt 24 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ Nguyen Van Hieu, Can Thu Van and Vu Minh Cat, 2018: Application of Hydrological Model to Simulate Rainfall-Runoff into An Khe Reservoir in the Ba River Basin, Vietnam, Journal of Environmental Science and Engineering, A7, pg 101-107 Nguyễn Văn Hiếu, 2018: Nghiên cứu thiết lập mạng lưới trạm đo mưa lưu vực phương pháp kriging lưu vực sơng Ba, Tạp chí KTTV, 687, tr 42-52 Nguyễn Văn Hiếu, Bùi Minh Tăng, Bùi Đức Long, Vũ Đức Long, 2014: Sử dụng mưa dự báo số trị phân giải cao để nâng cao chất lượng dự báo lũ khu vực miền Trung Tây Nguyên, Tạp chí KTTV, 644, tr 32-38 Đặng Thanh Mai, Vũ Đức Long, Nguyễn Văn Hiếu, 2013: Tích hợp mơ hình thủy văn, thủy lực, điều tiết hồ chứa dự báo lũ ngập lụt cho hệ thống sơng Ba Tạp chí KTTV, 629, tr 37-43 Nguyễn Văn Hiếu, Dư Dức Tiến, Nguyễn Mạnh Linh, 2018: Nghiên cứu đánh giá khả dự báo mưa lớn mơ hình khu vực WRF kết hợp với đồng hóa số liệu 3DVAR khu vực miền trung việt nam, Hội nghị Khoa học thường niên Đại học Thủy Lợi, tr 130-133 ... hành hồ chứa lưu vực sông Ba Phạm vi đối tượng nghiên cứu 3.1 Phạm vi nghiên cứu Về khơng gian: Nghiên cứu dự báo dịng chảy lũ đến 04 hồ chứa lưu vực sông Ba có dung tích 100 triệu m3, bao gồm hồ. .. vận hành hồ chứa lưu vực sông Ba? ?? cần thiết cấp bách nhằm đưa luận khoa học phương pháp nhằm nâng cao chất lượng dự báo mưa, lũ trung hạn để chủ động vận hành hồ chứa theo quy trình vận hành. .. 3.31 Các tiêu chí đánh giá chất lượng dự báo lũ theo mơ hình MIKE NAM cho tiểu lưu vực sơng Ba Bảng 3.32 Các tiêu chí đánh giá chất lượng dự báo lũ theo mơ hình HECHMS cho tiểu lưu vực sông Ba