Sử dụng mô hình MARINE cải tiến đã thiết lập ở trên để dự báo thử nghiệm trên lưu vực sông Cái Nha Trang trong mùa lũ năm 2020, trong đó dự báo cho 01 trận lũ vừa vào đầu tháng 11 và 01 trận lũ lớn từ cuối tháng 11 đến đầu tháng 12. Số liệu địa hình, thảm phủ thực vật, thổ nhưỡng, độ ẩm và mực nước ngầm đã được tính toán trong phần mô phỏng ở trên, lượng mưa đầu vào gồm lượng mưa trong quá khứ tính đến thời điểm dự báo và lượng mưa dự báo với thời gian dự kiến 48 giờ. Lượng mưa quá khứ được cập nhật từ các trạm đo mưa tự động với thời đoạn 1 giờ và nối với lượng mưa dự báo thành một quá trình mưa liên tục làm đầu vào cho mô hình MARINE cải tiến.
Thời gian dự kiến (thời hạn dự báo) quy định trong Thông tư 06/2016/TT-BNTMT ngày 16 tháng 5 năm 2016 của Bộ Tài nguyên và Môi trường về Quy định bản tin và thời hạn cảnh báo, dự báo khí tượng thủy văn, yêu cầu thời gian dự kiến trong dự báo thủy văn thời hạn ngắn trên các lưu vực sông vừa và nhỏ từ 6 đến 24 giờ, lưu vực sông lớn từ 24 đến 48 giờ. Áp dụng Thông tư trên cho lưu vực sông Cái Nha Trang, thời gian dự kiến trong dự báo thủy văn thời hạn ngắn và dự báo lũ là 24 giờ. Vị trí dự báo tại các trạm thủy văn Đồng Trăng và Diên Phú, trong đó sai số cho phép với thời gian dự kiến 24 giờ của yếu tố lưu lượng tại trạm Đồng Trăng được tính từ số liệu quan trắc từ năm 1983 đến 2019 là 140 m3/s, sai số cho phép với thời gian dự kiến 24 giờ của yếu tố lưu lượng của trạm Diên Phú được tính bằng 10% từ số liệu quan trắc năm 2019. Mặc dù yêu cầu thời gian dự kiến trên lưu vực sông Cái Nha Trang là 24 giờ, nhưng nhằm nâng cao hiệu quả trong phòng chống lũ và ngập lụt, mô hình MARINE cải tiến được thử nghiệm dự báo với thời gian dự kiến lên đến 48 giờ với sai số cho phép tăng lên tại trạm thủy văn Đồng Trăng là 280 m3/s và trạm Diên Phú là 20%.
Mô hình MARINE cải tiến được sử dụng để dự báo hàng ngày, thời gian dự báo cho mỗi lần là 48h tới với và thời đoạn 1 giờ. Chất lượng dự báo được đánh giá như sau:
𝑃 = 𝑛
𝑚× 100%
Trong đó: m là tổng trị số dự báo, n là số lượng trị số dự báo trong sai số cho phép (số lần dự báo đúng).
3.3.3.2. Dự báo và đánh giá độ tin cậy với thời gian dự kiến 24h
Mô hình MARINE cải tiến được vận hành thử nghiệm trong nghiệp vụ dự báo từ 13h30 đến 14h00 hàng ngày để thu nhận được đầy đủ số liệu thực đo các trạm khí tượng, thủy văn, đo mưa và sản phẩm dự báo của mô hình số trị WRF. Số liệu được giải mã, trích xuất từ hệ thống tự động để tính toán số liệu khí tượng, thủy văn đầu vào cho mô hình, riêng trạm thủy văn Diên Phú chỉ quan trắc số liệu mực nước nên số liệu lưu lượng được khai toán từ bảng tra đã được xây dựng trong một đợt đo đạc trong mùa lũ năm 2018 (Hình 15 trong Phụ lục). Đánh giá chất lượng dự báo với thời gian dự kiến 24h và sai số cho phép 140 m3/s được kết quả như sau:
- Tại trạm thủy văn Đồng Trăng dự báo đúng 2125 trị số trong tổng số 2323 trị số dự báo, đạt chất lượng 91,5%.
- Tại trạm thủy văn Diên Phú dự báo đúng 2075 trị số trong tổng số 2312 trị số dự báo, đạt chất lượng 89,7%.
Hình 3.52. Biểu đồ phân tích dự báo trận lũ lớn nhất năm 2020 thời gian dự kiến 24 giờ lúc 19h30 ngày 30 tháng 11 tại trạm thủy văn Đồng Trăng
Chất lượng dự báo của hai trạm vượt chỉ tiêu chất lượng dự báo thủy văn thời hạn ngắn theo quy định của Tổng cục Khí tượng Thủy văn từ 4,7% đến 6,5% và cao hơn chất lượng dự báo bằng mô hình Tank, NAM đang được sử dụng tại phòng Dự Báo của Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Nam Trung Bộ từ 2% đến 5%. Đường quá trình lưu lượng thực đo, mô phỏng dòng chảy thời
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
Thực đo Dự báo Mô phỏng
Thời gian Q (m3/s) T hờ iđ iểm d ự bá o
gian đã qua và dự báo tại một thời điểm dự báo với thời gian dự kiến 24h cho trạm thủy văn Đồng Trăng và Diên Phú được thể hiện trên Hình 3.52 và 3.54; quá trình lưu lượng thực đo và dự báo với thời gian dự kiến 24h trong cả mùa lũ được thể hiện trong Hình 3.53 và 3.55.
Hình 3.53. Biểu đồ quá trình lưu lượng thực đo và dự báo thời gian dự kiến 24 giờ tại trạm thủy văn Đồng Trăng từ tháng 9 đến tháng 12 năm 2020
Hình 3.54. Biểu đồ phân tích dự báo trận lũ lớn nhất năm 2020 thời gian dự kiến 24 giờ lúc 19h30 ngày 30 tháng 11 tại trạm thủy văn Diên Phú 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Thực đo Dự báo Q (m3/s) Thời gian 0 500 1000 1500 2000 2500
Thực đo Dự báo Mô phỏng
Q (m3/s) Thời gian T hờ iđ iểm d ự bá o
Hình 3.55. Biểu đồ quá trình lưu lượng thực đo và dự báo thời gian dự kiến 24 giờ tại trạm thủy văn Diên Phú từ tháng 9 đến tháng 12 năm 2020 3.3.3.3. Dự báo và đánh giá độ tin cậy với thời gian dự kiến 48h
Đánh giá chất lượng dự báo với thời gian dự kiến 48h và sử dụng sai số cho phép của 24 giờ (tại trạm thủy văn Đồng Trăng là 140 m3/s và Diên Phú là 10%) được kết quả như sau:
- Tại trạm thủy văn Đồng Trăng dự báo đúng 1700 trị số trong tổng số 2323 trị số dự báo, đạt chất lượng 73,2%.
- Tại trạm thủy văn Diên Phú dự báo đúng 1660 trị số trong tổng số 2312 trị số dự báo, đạt chất lượng 71,8%.
Với thời gian dự kiến 48 giờ và sai số cho phép như 24 giờ, chất lượng dự báo của hai trạm thấp hơn chỉ tiêu chất lượng dự báo thủy văn thời hạn ngắn theo quy định của Tổng cục Khí tượng Thủy văn từ 11,8% đến 13,2%.
Đánh giá chất lượng dự báo với sai số cho phép của 48 giờ (tại trạm thủy văn Đồng Trăng là 280 m3/s và Diên Phú là 20%) được kết quả như sau:
- Tại trạm thủy văn Đồng Trăng dự báo đúng 2019 trị số trong tổng số 2323 trị số dự báo, đạt chất lượng 86,9%. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 Thực đo Dự báo Thời gian Q (m3/s)
- Tại trạm thủy văn Diên Phú dự báo đúng 1972 trị số trong tổng số 2312 trị số dự báo, đạt chất lượng 85,3%.
Hình 3.56. Biểu đồ phân tích dự báo trận lũ lớn nhất năm 2020 thời gian dự kiến 48 giờ lúc 19h30 ngày 30 tháng 11 tại trạm thủy văn Đồng Trăng
Hình 3.57. Biểu đồ quá trình lưu lượng thực đo và dự báo thời gian dự kiến 48 giờ tại trạm thủy văn Đồng Trăng từ tháng 9 đến tháng 12 năm 2020
Với thời gian dự kiến 48 giờ và sai số cho phép như 48 giờ, chất lượng dự báo của hai trạm đều vượt chỉ tiêu chất lượng dự báo thủy văn thời hạn ngắn theo quy định của Tổng cục Khí tượng Thủy văn từ 0,3% đến 1,9%. Đường quá
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Tính toán Dự báo Mô phỏng
T hờ iđ iểm d ự bá o Thời gian Q (m3/s) 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Thực đo Dự báo Q (m3/s) Thời gian
trình lưu lượng thực đo, mô phỏng dòng chảy thời gian đã qua và dự báo tại một thời điểm dự báo với thời gian dự kiến 48h cho trạm thủy văn Đồng Trăng và Diên Phú được thể hiện trên Hình 3.56 và 3.58; quá trình lưu lượng thực đo và dự báo với thời gian dự kiến 48h trong cả mùa lũ được thể hiện trong Hình 3.57 và 3.59. Như vậy, mô hình MARINE cải tiến có thể sử dụng trong dự báo với thời gian dự kiến 48 giờ trên lưu vực sông Cái Nha Trang nếu sử dụng sai số cho phép 48 giờ như các lưu vực sông lớn.
Hình 3.58. Biểu đồ phân tích dự báo trận lũ lớn nhất năm 2020 thời gian dự kiến 48 giờ lúc 19h30 ngày 30 tháng 11 tại trạm thủy văn Diên Phú
Hình 3.59. Biểu đồ quá trình lưu lượng thực đo và dự báo thời gian dự kiến 48 giờ tại trạm thủy văn Diên Phú từ tháng 9 đến tháng 12 năm 2020 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Thực đo Dự báo Mô phỏng
T hờ iđ iểm d ự bá o Q (m3/s) Thời gian 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 Thực đo Dự báo Q (m3/s) Thời gian
3.3.4. Đánh giá khả năng ứng dụng mô hình MARINE cải tiến trong dự báo cho các lưu vực sông cho các lưu vực sông
Mô hình MARINE cải tiến đã được thiết lập, hiệu chỉnh, kiểm định chứng minh hiệu quả trên các lưu vực sông Cái Nha Trang, Dinh Ninh Hòa, Cái Phan Rang và một trong số ba lưu vực được ứng dụng dự báo thử nghiệm trong mùa lũ năm 2020. Dữ liệu đầu vào của quá trình mô phỏng thử trên các lưu vực sông được có thể sử dụng trong dự báo, riêng lượng mưa có sự khác nhau về số lượng trạm và quá trình mưa gồm hai giai đoạn là mưa thực đo trong quá khứ nối tiếp với mưa dự báo. Tuy nhiên, sự khác nhau đó được xử lý bằng công cụ nội suy mưa, quá trình mưa dự báo cho các trạm được thực hiện thông qua nghiệp vụ báo định lượng mưa và kết nối với mô hình số trị. Ngoài ra, kết quả của mô hình số trị đang dần được cải thiện về độ phân giải và nâng cao khả năng hiệu chỉnh với số liệu thực đo để tăng chất lượng mưa dự báo cho mô hình MARINE cải tiến. Kết quả dự báo mưa trên ô lưới của mô hình số trị và phương pháp tăng độ phân giải động lực (downscaling) có khả năng kết nối với mưa phân bố ô lưới của mô hình MARINE là điều kiện thuận lợi để ứng dụng mô hình MARINE cải tiến trong dự báo. Ngoài ra, công cụ nội suy mưa không gian mã nguồn mở nên dễ dàng nâng cấp và kết nối với mô hình số trị, sản phẩm định lượng mưa viễn thám để đa dạng dữ liệu đầu vào cho mô hình MARINE. Đối với lưu vực sông Cái Nha Trang, công cụ nội suy mưa có thể nâng cấp để kết nối mưa dự báo dạng lưới của mô hình WRF cũng như số liệu trạm radar Hòn Tre sẽ đa dạng hóa dữ liệu mưa đầu vào và cho phép có được các số liệu mưa dự báo tin cậy hơn. Vì vậy, mô hình MARINE cải tiến có khả năng nâng cao chất lượng dự báo lũ cho lưu vực sông Cái Nha Trang và có tiềm năng áp dụng tương tự cho các lưu vực sông Dinh Ninh Hòa, Cái Phan Rang, do đó, trong thời gian tới cần được thử nghiệm, đánh giá thêm trong chế độ dự báo nghiệp vụ tại các lưu vực sông này.
Giới hạn sử dụng của mô hình MARINE cải tiến là mô phỏng dòng chảy lũ, đến vùng sông không ảnh hưởng triều và với các hồ chứa không có chức năng điều tiết lũ. Với số liệu đầu vào dễ dàng khai thác, mô hình có điều kiện thuận lợi để thiết lập cho dự báo trên các lưu vực sông khác. Trong đó, bản đồ
DEM, lớp phủ thực vật, loại đất, mực nước ngầm, độ ẩm đất, độ rộng sông, hệ số nhám lòng sông có thể được khai thác từ ảnh vệ tinh, bản đồ chuyên đề, nội suy không gian từ các điểm/trạm; số liệu độ dốc sông được tính từ bản đồ DEM và số liệu hồ chứa được thu thập từ hồ sơ thiết kế các công trình; lượng mưa và vị trí các trạm khí tượng, thủy văn, đo mưa thủ công, đo mưa tự động của nhiều hệ thống và nguồn số liệu được đồng bộ và tích hợp. Khó khăn lớn nhất hiện nay là dự báo mưa định lượng, tuy nhiên đây là khó khăn chung và đang từng bước được cải thiện. Số liệu mưa dự báo có thể kết nối với mô hình dự báo khí tượng số trị và hiệu chỉnh thông qua phương trình hồi quy giữa dự báo và thực đo tại các trạm. Như vậy, mô hình MARINE cải tiến hoàn toàn có thể ứng dụng trong nghiệp vụ dự báo cho các lưu vực sông khác, tương tự như đã thực hiện trên lưu vực sông Cái Nha Trang.
TIỂU KẾT CHƯƠNG 3
- Mô hình MARINE cải tiến đã được ứng dụng để mô phỏng trên lưu vực sông Cái Nha Trang, Dinh Ninh Hòa, Cái Phan Rang và dự báo thử nghiệm thực tế trên lưu vực sông Cái Nha Trang trong mùa lũ năm 2020. Trong giai đoạn mô phỏng kết quả hiệu chỉnh trên lưu vực sông Cái Nha Trang đánh giá bằng chỉ tiêu NSE đạt từ 0,80 đến 0,92, sai số tổng lượng từ 10,6% đến 20%, sai số đỉnh lũ từ 2,7% đến 23,3%; kết quả kiểm định bằng chỉ tiêu NSE đạt từ 0,88 đến 0,91, sai số tổng lượng từ 1% đến 23%, sai số đỉnh lũ từ 4,5% đến 18,3%. Kết quả hiệu chỉnh trên lưu vực sông Dinh Ninh Hòa bằng chỉ tiêu NSE đạt từ 0,83 đến 0,91, sai số tổng lượng từ 3,6% đến 11,9%, sai số đỉnh lũ từ 9,1% đến 20,7%; kết quả kiểm định bằng chỉ tiêu NSE đạt từ 0,90 đến 0,92, sai số tổng lượng 5,9% đến 10%, sai số đỉnh lũ từ 6,6% đến 11,1%. Kết quả hiệu chỉnh trên lưu vực sông Cái Phan Rang bằng chỉ tiêu NSE đạt từ 0,90 đến 0,91, sai số tổng lượng từ 3% đến 16,5%, sai số đỉnh lũ từ 1,6% đến 18,8%; kết quả kiểm định bằng chỉ tiêu NSE đạt 0,87, sai số tổng lượng là 4,8%, sai số đỉnh lũ là 21,7%. Tất cả các kết quả đánh giá bằng các chỉ tiêu thống kê nói trên đều từ mức đạt đến tốt, đảm bảo yêu cầu về độ tin cậy trong mô phỏng dòng chảy lũ ở các lưu vực sông nói trên.
- Các công cụ, mô đun, mô hình tích hợp đã được chứng minh làm tăng cường khả năng và chất lượng mô phỏng của mô hình MARINE cải tiến thông qua so sánh giữa tính toán trong trường hợp mô hình gốc và mô hình cải tiến so với giá trị thực đo.
- Ứng dụng mô hình MARINE cải tiến dự báo thử nghiệm trên lưu vực sông Cái Nha Trang trong mùa lũ năm 2020 cho thấy mô hình này hoàn toàn có thể được ứng dụng cho dự báo lũ nghiệp vụ đến trạm Đồng Trăng và Diên Phú, với chất lượng dự báo đạt cao hơn quy định của Tổng cục Khí tượng Thủy văn từ 4,7% đến 6,5% với thời gian dự kiến 24 giờ và từ 0,3% đến 1,9% với thời gian dự kiến 48 giờ.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. KẾT LUẬN
1. Đã cải tiến thành công mô hình MARINE bằng phương pháp tích hợp trực tiếp mô hình sóng động học một chiều, mô đun diễn toán dòng chảy qua hồ và công cụ nội suy mưa không gian.
2. Mô hình MARINE cải tiến mô phỏng dòng chảy lũ có hiệu quả trên các lưu vực sông Cái Nha Trang, Dinh Ninh Hòa, Cái Phan Rang và bước đầu cải thiện chất lượng dự báo nghiệp vụ trên lưu vực sông Cái Nha Trang.
3. Mô hình sóng động học một chiều sử dụng có hiệu quả trên một số lưu vực sông thiếu số liệu mặt cắt ngang ở khu vực Nam Trung Bộ và tăng chất lượng mô phỏng mô hình MARINE cải tiến so với mô hình MARINE gốc; được thể hiện qua chỉ tiêu NSE tăng từ 0,65 đến 0,89 lên từ 0,82 đến 0,93, giảm sai số tổng lượng từ 5,5% đến 24,5% giảm xuống từ 1,0% đến 14,4%, giảm sai số đỉnh lũ từ 14,0% đến 39,1% xuống từ 1,0% đến 21,7%.