Thiết lập hệ thống mô ph ng

5. Điều kiện kinh tế xã hội

2.3 Thiết lập hệ thống mô ph ng

a) Thiết lập mạng lưới thủy lực mô hình MIKE 11 HD

- Biên lưu lượng phía trên tại 3 trạm: Yên Thượng, Sơn Diệm, Hòa Duyệt. - Biên mực nước phía dưới tại trạm: Cửa Hội.

- Các trạm dùng để hiệu chỉnh và kiểm định gồm trạm: Nam Đàn, Chợ Tràng, Linh Cảm.

- Dùng trạm đo mặn Bến Thủy để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình lan truyền chất;

Số liệu dùng để hiệu chỉnh là 2 năm mùa cạn năm 2014 và 2015; dùng số liệu 2 năm mùa cạn năm 2016 và 2017 để kiểm định mô hình.

Số liệu mặt cắt:

+ Sông Cả có 71 mặt cắt ngang;

+ Sông Ngàn Phố có 40 mặt cắt ngang; +Sông Lam có 23 mặt cắt ngang; +Sông Ngàn Sâu có 14 mặt cắt ngang;

Mô phỏng mạng lưới: Sơ đồ các bước áp dụng mô hình MIKE 11 để xác định mực nước và lưu lượng mùa cạn tính toán cho lưu vực sông Cả ta thiết lập các biên của mô hình;

Biên trên:

+Trên sông Cả lấy lưu lượng tại trạm thủy văn Yên Thượng; +Trên sông Ngàn Phố lấy lưu lượng tại trạm thủy văn Sơn Diệm; +Trên sông Ngàn Sâu lấy lưu lượng tại trạm thủy văn Hòa Duyệt;

+Quá trình mực nước tại trạm Cửa Hội.

Yên Thượng Cửa Hội

Sơn Diệm

Hòa Duyệt

Thu thập tài liệu

Tài liệu thủy văn Tài liệu mặt cắt ngang

Lựa chọn số thủy văn

để tính toán

Thiết lập các biên đầu

vào cho mô hình

Chỉnh lý số liệu mặt cắt

Lập sơ đồ thủy lực

Hiệu chỉnh mô hình, xác định bộ

thông số của mô hình Kiểm định mô hình Tính mực nước và lưu

lượng tính toán

Hình 2-9: Sơ đồ các bước thiết lập mô hình MIKE 11 mô phỏng dòng chảy trên lưu vực sông Cả

b) Kịch bản biến đổi khí hậu

Mô phỏng dòng chảy theo kịch bản biến đổi khí hậu RCP4.5 và RCP8.5 biến đổi của lượng mưa, nhiệt độ áp dụng đối với khu vực nghiên cứu theo kịch bản BĐKH năm 2016 của Bộ tài nguyên và môi trường [7].

Theo báo cáo kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng cho Việt Nam được Bộ Tài nguyên và Môi trường công bố năm 2016 đã v ra bức tranh rõ nhất về diễn biến, xu thế biến đổi của khí hậu và nước biển trong thế k 21 ở Việt Nam. Báo cáo cho thấy đến năm 2030 mực nước biển dâng theo kịch bản RCP4.5 là 13cm (8 cm ÷ 18 cm); RCP8.5 là 13cm (9cm - 18cm) với mực nước biển dâng trong thời điểm này là không có sự khác biệt nhiều. Năm 2050 mực nước biển dâng trung bình cho toàn dải ven biển Việt Nam theo RCP4.5 là 22 cm

(14 cm ÷ 32 cm) và 25cm (theo RCP8.5). Đến cuối thế k 21 (năm 2100), sự khác biệt về xu thế tăng của mực nước theo các kịch bản RCP8.5 là rất rõ rệt được thể hiện trong bảng dưới đây:

Bảng 2-1: Mực nước biển dâng theo các kịch bản RCP4.5 và RCP8.5 cho dải ven biển Việt Nam

Khu vực Các mốc thời gian của thế kỷ 21

2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100

RCP4.5 13 17 22 27 33 39 46 53

(8÷18) (10÷24) (13÷31) (16÷39) (20÷47) (24÷56) (28÷65) (32÷75)

RCP8.5 13 18 25 32 41 51 61 73

(9÷18) (12÷26) (17÷35) (22÷46) (28÷58) (34÷72) (42÷87) (49÷103)

Theo kịch bản RCP8.5 vào cuối thế k 21, mực nước biển dâng cao nhất ở khu vực Hòn Dấu - Đèo Ngang 101cm, thấp nhất là 49cm và trung bình là 72cm (49cm÷101cm) (bảng 2-2).

Bảng 2-2: Mực nước biển dâng theo các kịch bản RCP4.5 và RCP8.5 (cm)

Khu vực Các mốc thời gian của thế kỷ 21

2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100 Hòn Dấu 13 17 22 27 33 39 46 53 Đèo Ngang (8÷18) (10÷25) (13÷32) (16÷40) (20÷48) (24÷57) (28÷66) (32÷76) Hòn Dấu 13 18 25 32 41 51 61 73 Đèo Ngang (9÷18) (12÷26) (17÷35) (22÷46) (28÷58) (34÷72) (42÷87) (49÷103)

Tiến hành xây dựng các kịch bản mô phỏng quá trình xâm nhập mặn có xét đến biến đổi khí hậu. Tác giả lựa chọn phương án mô phỏng xâm nhập mặn trong thời kỳ tháng kiệt nhất trong năm từ tháng I-IV để mô phỏng quá trình xâm nhập mặn có xét đến BĐKH.

Bảng 2-3: Biến đổi của lượng mưa mùa xuân (%) so với thời kì cơ sở [7]

Bảng 2-4: Tổng hợp các kịch bản mô phỏng

Kịch bản Yếu tố biến đổi Giá trị

RCP4.5 RCP8.5 Kịch bản 1 - Năm 2030 Mưa 2.9% 0.3% Mực nước biển 0.13 0.13 Kịch bản 2 - Năm 2050 Mưa 11% 10.9% Mực nước biển 0.22 0.25 Kịch bản 3 - Năm 2100 Mưa 17.6% 5.6% Mực nước biển 0.53 0.72

Thiết lập biên dƣới:

Mực nước tại trạm Cửa Hội được lấy làm biên dưới theo kịch bản RCP4.5 và RCP8.5, năm 2030 mực nước tăng 13 cm, năm 2050 mực nước tăng 22-25 cm, năm 2100 mực nước biển dâng tăng từ 53cm đến 72cm khi đó biên dưới thay đổi như sau:

Hình 2-10: Mực nước triều trạm Cửa Hội năm 2030, 2050 và 2100

Thiết lập biên trên:

Để xác định được nguồn nước tự nhiên được cấp cho lưu vực, ngoài các số liệu thực đo tại các trạm thu văn thì việc tính toán từ số liệu mưa là cần thiết, vì mạng lưới trạm không đủ dày để khống chế hết tất cả lượng nước cho từng khu sử dụng nước. Để tính toán được biên trên cho khu vực nghiên cứu, đề tài đã nghiên cứu áp dụng mô hình MIKE-NAM để tính toán xác định lưu lượng nước tập trung cho các lưu vực bộ phận theo kịch bản biến đổi lượng mưa trong bảng 2-3.

Công cụ để thực hiện việc phân chia lưu vực là sử dụng phần mềm ArcGis dữ liệu đầu vào là bản đồ số hóa độ cao DEM. Cơ sở để phân chia các tiểu lưu vực bộ phận dựa vào các trạm thủy văn khống chế trên lưu vực. Kết quả sau khi thực hiện, lưu vực sông Cả được phân chia thành 34 tiểu lưu vực bộ phận như hình sau:

Hình 2-11: Kết quả phân chia lưu vực thành các tiểu lưu vực trong mô hình

Bảng 2-5: Diện tích các lưu vực bộ phận trên sông Cả trong mô hình MIKE NAM

Để tính toán dòng chảy cho lưu vực sông Cả, các trạm khí tượng thủy văn trong lưu vực sông được đưa vào sử dụng như trong bảng sau:

Bảng 2-6: Các trạm khí tượng thủy văn sử dụng trong mô hình

1. Yếu tố đo 2. Mƣa 3. Bốc hơi 4. Lƣu lƣợng Ghi chú

Trạm Dừa x x x Trạm Đô Lương x x Yên Thượng x x Linh Cảm x x x Con Cuông x x Ngh a Khánh x x x Quỳ Châu x x Mường Xén x x Hòa Duyệt x x x Nam Đàn x x Tây Hiếu x x Sơn Diệm x x Hương Khê x x Chợ Tràng x x x Quỳnh Lưu x x

Trên lưu vực sông Cả có nhiều trạm và điểm đo mưa do vậy để tính toán mưa bình quân lưu vực, luận văn sử dụng phương pháp Thiessen.

Nội dung của phương pháp như sau:

- Phương pháp đa giác Thiessen: Trọng số là hệ số t lệ giữa phần diện tích của lưu vực do một trạm mưa nằm trong lưu vực hoặc bên cạnh lưu vực đại biểu với toàn bộ diện tích lưu vực. Diện tích bộ phận khống chế bởi mỗi trạm mưa được xác định như sau: Nối liền các trạm đo mưa bằng các đoạn thẳng chia lưu vực thành nhiều hình tam giác, kẻ các đường trung trực của các cạnh tam giác, các đường này s là giới hạn diện tích bộ phận của từng trạm đo.

Lượng mưa trung bình trên lưu vực được tính theo công thức sau:

X i f in

 i 1 (2.19)

X n

f i i1

Trong đó Xi là lượng mưa đo được tại trạm thứ i; fi là diện tích lưu vực bộ phận thứ i; n là số trạm đo mưa (cũng là số diện tích lưu vực bộ phận).

Hình 2-12: Mô tả diện tích trạm khống chế của trạm mưa theo phương pháp Thiessen

Quá trình mô phỏng đối với bài toán xét đến tính toán kịch bản biến đổi khí hậu:

Thu Thập tài liệu: MIKE 11 HD

- Tài liệu địa hình; - Thiết lập mạng thủy lực mô hình

-Tài liệu khí tượng thủy văn - Thiết lập điều kiện ban đầu

(X, H, Q); - Thiết lập biên đầu vào cho mô

- Số liệu độ mặn; hình

Hiệu chỉnh MIKE 11 AD

- Thiết lập điều kiện ban đầu

Kiểm chỉnh - Thiết lập biên đầu vào cho mô

hình

Kiểm chỉnh

MIKE NAM Kịch bản

- Tài liệu địa hình; mô ph ng

-Tài liệu khí tượng thủy văn

(X, H, Q);

Hình 2-13: Sơ đồ quá trình mô phỏng tính toán xâm nhập mặn theo các kịch bản BĐKH

KẾT LUẬN CHƢƠNG II

1. Đã thu thập được toàn bộ số liệu khí tượng, thủy văn, hải văn, nồng độ mặn phục vụ cho việc thiết lập biên đầu vào cho bài toán thủy lực (HD), truyền tải khuếch tán (AD).

2. Giới thiệu tổng quan về mô hình MIKE 11 với 02 mô đun (HD, AD) phục vụ cho việc mô phỏng, tính toán kết quả trong Chương 3.

3. Thiết lập hệ thống mô phỏng trong đó:

+ Xây dựng mạng lưới thủy lực mô phỏng tính toán trong mô hình MIKE 11 cho khu vực hạ lưu sông Cả;

+ Chỉ ra được các bước thiết lập, tính toán hiệu chỉnh và kiểm trong mô hình MIKE 11.

4. Tính toán, xác định được biên phục vụ cho việc tính toán ảnh hưởng của quá trình xâm nhập mặn theo các kịch bản BĐKH cho khu vực hạ lưu sông Cả trong Chương 3.

CHƢƠNG 3: TÍNH TOÁN XÂM NHẬP MẶN HẠ LƢU SÔNG CẢ DƢỚI TÁC ĐỘNG BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU 3.1 Kết quả hiệu ch nh bộ thông số mô hình MIKE 11

Để đánh giá chất lượng kết quả hiệu chỉnh mô hình, nghiên cứu đã sử dụng số liệu độc lập hai năm 2014, 2015 để đánh giá chất lượng tính toán. Chỉ số NSE (Nash-Sutcliffe efficiency), PBIAS (Percent bias) và RSR (RMSE -

observations standard deviation ratio) [20, 21], được sử dụng để so sánh, đánh

giá chất lượng đường quá trình tính toán và thực đo vtừ mô hình, NSE, PBIAS, RSR được tính toán theo các công thức (3-1, 3-3).

NSE  1  iN1XiTD  XiTT2 (3-1)

iN1XiTD X iTD 2 PBIASiN1X iTD X iTT x100 (3-2) iN1X iTD n 2 RMSE X iTDXiTT (3-3) RSR   i 1 n STDEVobs 2   X iTDX i 1

Trong đó XTD là giá trị thực đo; XTD là giá trị trung bình thực đo; XTT là giá trị tính toán; n là số lượng giá trị thực đo.

Dựa vào nguồn số liệu điều tra, đo đạc, mô hình được hiệu chỉnh cho hai thời kỳ mùa cạn năm 2014 - 2015 và được đánh giá chất lượng với các chỉ số được thống kê trong Bảng 3-1.

Bảng 3-1: Tiêu chí đánh giá chất lượng cho các chỉ số 18,19,20]

Xếp loại NSE RSR PBIAS

Rất tốt 0,75 < NSE ≤ 1 0 ≤ RSR ≤ 0.5 PBIAS < ± 10 Tốt 0,65 < NSE ≤ 0,75 0.5 ≤ RSR ≤ 0.6 ± 10 ≤ PBIAS < ± 15 Đạt yêu cầu 0,5 < NSE ≤ 0,65 0.6 ≤ RSR ≤ 0.7 ± 15 ≤ PBIAS < ± 25

Không đạt NSE ≤ 0,5 RSR > 0.7 PBIAS ≥ ± 25

Kết quả hiệu chỉnh tính toán và thực đo quá trình mực nước giờ tại các trạm thủy văn: Nam Đàn, Linh Cảm và Chợ Tràng được thể hiện trên hình 3-1.

1.5 Nam Đàn 2014 (m ) 1 nƣ ớc0.5 M ự c 0 -0.5 Thực đo Tính toán 1/1/2014 0:00 31/1/2014 0:00 2/3/2014 0:00 1/4/2014 0:00 1/5/2014 0:00

Linh Cảm 2014 Thời gian (giờ)

2 (m )1.51 nƣ ớc 0.5 M ự c 0 -0.5 -1 Thực đo Tính toán -1.5 1/1/2014 0:00 31/1/2014 0:00 2/3/2014 0:00 1/4/2014 0:00

Thời gian (giờ) Chợ Tràng 2014

Mực nƣớc (m)

Hình 3-1: Kết quả hiệu chỉnh đường quá trình mực nước tại các trạm thủy văn năm 2014

2 Nam Đàn 2015 (m ) 1.5 1 nƣ ớ 0.5 M ực 0 -0.5 Thực đo Tính toán -1 6/1/2015 0:00 5/2/2015 0:00 7/3/2015 0:00 6/4/2015 0:00

Thời gian (giờ)

2 Linh Cảm 2015 nƣ ớc (m ) 0 1 M ự c -1 -2 Thực đo Tính toán 6/1/2015 0:00 5/2/2015 0:00 7/3/2015 0:00 6/4/2015 0:00 Mực nƣớc (m)

gia n (gi ờ)

Hình 3-2: Kết quả hiệu chỉnh đường quá trình mực nước tại các trạm thủy văn năm 2015

Mô hình MIKE 11 mô phỏng quá trình dòng chảy khá tốt với các chỉ số lần lượt như sau: NSE cho quá trình hiệu chỉnh dao động từ 0,78 - 0,83; RSR thay đổi từ 0,12 - 0,46 < 0,5; PBIAS dao động từ -5.38% ÷ - 1.80% (PBIAS < ±10); Kết quả cho thấy các giá trị mô phỏng dòng chảy được đánh giá rất tốt và được thể hiện trong Bảng 3-2.

Bảng 3-2: Đánh giá chất lượng hiệu chỉnh mô hình

Quá Năm Ch tiêu Nam Đàn Linh Cảm Chợ Đánh giá

trình Tràng NSE 0.81 0.79 0.83 Rất tốt 2014 RSR 0.14 0.38 0.45 Rất tốt PBIAS -3.84 -5.38 -2.50 Rất tốt Hiệu R2 0.89 0.88 0.89 Rất tốt ch nh NSE 0.78 0.82 0.80 Rất tốt 2015 RSR 0.12 0.32 0.46 Rất tốt PBIAS -4.56 -3.50 -1.80 Rất tốt R2 0.89 0.89 0.87 Rất tốt