STT Loại thảm phủ Mã thảm phủ (ID) Hệ số nhám
1 Hoa màu 10 0.067
2 Gỗ không thành rừng 6 0.072
3 Rừng thưa xen lẫn rừng cây bụi 12 0.075
4 Rừng thưa 4 0.078
5 Rừng là rộng, tre nứa 1 0.081
6 Lúa 9 0.055
Hình 3.8. Biểu đồ lưu lượng thực đo và tính toán trạm Diên Xuân năm 2010
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Thực đo Tính toán Q (m3/s) Thời gian
Hình 3.9. Biểu đồ lưu lượng thực đo và tính toán trạm Thác Ngựa năm 2010
Hình 3.10. Biểu đồ lưu lượng thực đo và tính toán trạm Đồng Trăng năm 2010
b) Kiểm định
Do hạn chế của việc quan trắc lưu lượng trên lưu vực sông Cái Nha Trang, nên Luận án sử dụng số liệu trận lũ lớn nhất các năm 2009, 2013 và 2016 tại trạm thủy văn Đồng Trăng để kiểm định bộ thông số mô hình MARINE cải tiến. Đánh giá chất lượng kiểm định với trận lũ năm 2009 tại trạm Đồng Trăng cho thấy chỉ tiêu NSE tương đối cao (0,91), sai số tổng lượng khá thấp (1,5%), sai số đỉnh lũ: 114 m3/s (4,5%) (Hình 3.11) và đều đạt mức tốt. Kết quả tương tự với trận lũ năm 2013, chỉ tiêu NSE đạt 0,89, sai số tổng lượng: 23,0% và sai số đỉnh lũ: 188 m3/s (16,7%) (Hình 3.12); với trận lũ năm 2016, chỉ tiêu NSE đạt 0,88, sai số tổng lượng chỉ 1,0% và sai số đỉnh lũ: 224 m3/s (18,3%) (Hình 3.13). 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Thực đo Tính toán Q (m3/s) Thời gian 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Thực đo Tính toán Q (m3/s) Thời gian
Hình 3.11. Biểu đồ quá trình lưu lượng thực đo và tính toán trận lũ năm 2009 trạm thủy văn Đồng Trăng
Hình 3.12. Biểu đồ quá trình lưu lượng thực đo và tính toán trận lũ năm 2013 trạm thủy văn Đồng Trăng
Hình 3.13. Biểu đồ quá trình lưu lượng thực đo và tính toán trận lũ năm 2016 trạm thủy văn Đồng Trăng
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Thực đo Tính toán Q (m3/s) Thời gian 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Thực đo Tính toán Thời gian Q (m3/s) 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Thực đo Tính toán Thời gian Q (m3/s)
3.2.1.3. Đánh giá chi tiết hiệu quả mô phỏng của mô hình MARINE cải tiến trên lưu vực sông Cái Nha Trang so với mô hình gốc trên lưu vực sông Cái Nha Trang so với mô hình gốc
a) Hiệu quả tích hợp công cụ nội suy mưa
Do không có bản đồ mưa thực đo để đánh giá trực tiếp chất lượng của phân bố mưa không gian, nên hiệu quả công cụ nội suy mưa được đánh giá gián tiếp qua chất lượng mô phỏng của mô hình với cùng bộ thông số và số liệu. Để đảm bảo so sánh khách quan, mô hình sử dụng bộ thông số đã được hiệu chỉnh và chất lượng kiểm định khá ổn định với nhiều trận lũ năm 2009, 2013 và 2016. Phân bố mưa theo không gian trong 1 giờ lớn nhất của trận mưa năm 2009 (07h/5/11) và 2013 (11h/7/11) được thể hiện trên Hình 3.14.
Hình 3.14. Minh họa bản đồ phân bố mưa giờ lớn nhất trận lũ năm 2009 (a) và 2013 (b) được xây dựng bằng công cụ nội suy mưa
So sánh chất lượng mô phỏng trận lũ năm 2009 tại trạm thủy văn Đồng Trăng giữa trường hợp sử dụng mô hình MARINE gốc và tích hợp công cụ nội suy mưa không gian trong MARINE cải tiến, kết quả cho thấy chỉ tiêu NSE tương ứng là 0,82 và 0,91, sai số tổng lượng là 17,1% và 1,1%, sai số đỉnh lũ là 759 m3/s (24,3%) và 171 m3/s (5,5%) (Hình 3.15). So sánh tương tự với trận lũ năm 2013 tại trạm thủy văn Đồng Trăng bằng chỉ tiêu NSE tương ứng là 0,80 và 0,89, sai số tổng lượng là 40,8% và 23,0%, sai số đỉnh lũ là 332 m3/s (29,4%) và 188 m3/s (16,7%) (Hình 3.16); với trận lũ năm 2016, chỉ tiêu NSE tương ứng là 0,83 và 0,88, sai số tổng lượng là 1,5% và 1,0%, sai số đỉnh lũ là 336 m3/s (24,3%) và 224 m3/s (18,3%) (Hình 3.17).
Sự cải thiện đáng kể khi sử dụng công cụ nội suy mưa theo không gian được thể hiện ở tất cả các trận lũ kiểm tra và các chỉ tiêu trên về hiệu quả mô phỏng (NSE), sai số tổng lượng cũng như sai số đỉnh lũ đã khẳng định khả năng tăng cường chất lượng mô phỏng của mô hình MARINE khi được tích hợp thêm công cụ nội suy mưa không gian trên lưu vực sông Cái Nha Trang.
Hình 3.15. So sánh lưu lượng thực đo và tính toán của mô hình MARINE gốc với MARINE cải tiến trạm Đồng Trăng trận lũ năm 2009
Hình 3.16. So sánh lưu lượng thực đo và tính toán của mô hình MARINE gốc với MARINE cải tiến trạm Đồng Trăng trận lũ năm 2013
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
Thực đo MARINE cải tiến MARINE gốc
Thời gian Q (m3/s) 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Thực đo MARINE cải tiến MARINE gốc
Thời gian Q (m3/s)
Hình 3.17. So sánh lưu lượng thực đo và tính toán của mô hình MARINE gốc với MARINE cải tiến trạm Đồng Trăng trận lũ năm 2016
b) Hiệu quả mô hình sóng động học một chiều
Số liệu các trận lũ năm 2009, 2013 và 2016 được sử dụng để so sánh trong trường hợp mô phỏng bằng mô hình MARINE gốc và MARINE tích hợp với mô hình sóng động học (MARINE cải tiến). Trường hợp mô phỏng bằng mô hình MARINE gốc, các đường quá trình lũ thường có độ dốc lớn, đỉnh nhọn, lũ lên nhanh và xuống nhanh (Hình 3.18 đến 3.20). Nguyên nhân là trong mô hình gốc, dòng chảy trên đoạn sông được cộng dồn, chưa tính đến quá trình truyền sóng lũ trong sông. Và hạn chế này đã được khắc phục khi thay thế bằng mô đun sóng động học 1 chiều, cho kết quả tính toán sát với thực đo hơn, bám sát cả quá trình lũ lên và lũ xuống, đỉnh lũ phù hợp với thực đo.
Hiệu quả này được đánh giá định lượng thông qua các chỉ tiêu thống kê so sánh giữa tính toán bằng mô hình MARINE gốc và MARINE cải tiến so với lưu lượng thực đo tại trạm Đồng Trăng. Cụ thể, đối với trận lũ năm 2009, chỉ tiêu NSE tương ứng là 0,74 và 0,93, sai số tổng lượng là 24,5% và 1,5%, sai số đỉnh lũ là 1074 m3/s (34,3%) và 14 m3/s (1,0%) (Hình 3.18). So sánh tương tự cho trận lũ năm 2013 tại trạm Đồng Trăng tương ứng được chỉ tiêu NSE là 0,73 và 0,82, sai số tổng lượng là 23,1% và 14,4%, sai số đỉnh lũ là 276 m3/s (24,4%) và 188 m3/s (16,6%) (Hình 3.19); trận lũ năm 2016 tương ứng được chỉ tiêu NSE là 0,78 và 0,82, sai số tổng lượng là 5,5% và 1,0%, sai số đỉnh lũ là 385 m3/s (31,6%) và 224 m3/s (18,4%) (Hình 3.20). 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Thực đo MARINE cải tiến MARINE gốc
Q (m3/s)
Hình 3.18. So sánh lưu lượng thực đo và tính toán của mô hình MARINE gốc với MARINE cải tiến trạm Đồng Trăng trận lũ năm 2009
Hình 3.19. So sánh lưu lượng thực đo và tính toán của mô hình MARINE gốc với MARINE cải tiến trạm Đồng Trăng trận lũ năm 2013
Hình 3.20. So sánh lưu lượng thực đo và tính toán của mô hình MARINE gốc với MARINE cải tiến trạm Đồng Trăng trận lũ năm 2016
0 1000 2000 3000 4000 5000
Thực đo MARINE cải tiến MARINE gốc
Thời gian Q (m3/s) 0 500 1000 1500
Thực đo MARINE cải tiến MARINE gốc
Thời gian Q (m3/s) 0 500 1000 1500 2000
Thực đo MARINE cải tiến MARINE gốc
Thời gian Q (m3/s)
c) Hiệu quả mô đun diễn toán dòng chảy qua hồ
Đánh giá hiệu quả mô đun diễn toán dòng chảy qua hồ cần thiết sử dụng số liệu các trạm đo gần sát chân đập để thể hiện rõ tác động của hồ chứa đến dòng chảy trong sông. Trên lưu vực sông Cái Nha Trang thu thập được số liệu đồng bộ năm 2010 của hồ Suối Dầu và trạm Suối Cát gần chân đập (Hình 1.1 và 3.3) [16]; để đánh giá khách quan, số liệu của điểm này không được sử dụng trong quá trình hiệu chỉnh bộ thông số mô hình MARINE. So sánh giữa kết quả tính toán bằng mô hình MARINE gốc và MARINE cải tiến có tích hợp mô đun hồ chứa so với giá trị lưu lượng thực đo tại Suối Cát cho thấy: chỉ tiêu NSE tương ứng là 0,23 và 0,93, sai số tổng lượng là 20,0% và 3,5%, sai số đỉnh lũ là 94,5 m3/s (35,3%) và 20,3 m3/s (5,9%) (Hình 3.21).
Như vậy, chất lượng mô phỏng đã được cải thiện đáng kể khi tích hợp thêm mô đun diễn toán dòng chảy qua hồ chứa và thể hiện tầm quan trọng của các hồ chứa đối với quá trình dòng chảy phía hạ lưu kể cả đối với các hồ không thực hiện điều tiết dòng chảy.
Hình 3.21. So sánh lưu lượng thực đo và tính toán của mô hình MARINE gốc với MARINE cải tiến trạm Suối Cát năm 2010
3.2.2. Ứng dụng thử nghiệm trên lưu vực sông Dinh Ninh Hòa
3.2.2.1. Thiết lập mô hình MARINE cải tiến cho lưu vực sông Dinh Ninh Hòa
a) Thiết lập chung
Mô hình MARINE thiết lập cho lưu vực sông Dinh tính đến trạm thủy văn Ninh Hòa bao gồm các lớp bản đồ địa hình, thảm phủ, loại đất, độ ẩm đất, mực nước ngầm và được chuyển đổi sang dạng raster kích thước lưới 90 × 90
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Thực đo MARINE cải tiến MARINE gốc
Q (m3/s)
m, hệ tọa độ VN2000 kinh tuyến gốc 105o múi chiếu 6o, số ô lưới gồm 487 hàng và 395 cột (Hình 3.22 và 3.23). Thông số ban đầu dẫn suất thủy lực, mao dẫn, độ rỗng đất và hệ số nhám được xác định từ Bảng 3.1 và 3.2.
Hình 3.22. Minh họa bản đồ DEM (a) [74] và bản đồ đất (b) [13] sông Dinh
Hình 3.23. Minh họa bản đồ độ ẩm đất (a) và lớp phủ thực vật (b) lưu vực sông Dinh Ninh Hòa [30] [74]
a
a
b
b) Mô hình hóa hệ thống sông
Mạng lưới sông Dinh Ninh Hòa được mô hình hóa phục vụ tính toán trong mô đun sóng động học một chiều tuyến tính và phi tuyến với tổng chiều dài là 116,6 km (Hình 3.24). Trong đó: dòng chính sông Cái (sông cấp 1) có độ dài 46410 m, 547 nút; sông Đá Bàn (sông cấp 2) có độ dài 26180 m, 309 nút; sông Đá (sông cấp 2) có độ dài 22525 m, 266 nút và sông Cầu Lắm (sông cấp 2) có độ dài 21505 m, 254 nút (Hình 3.24).
Hình 3.24. Sơ đồ mạng lưới sông Dinh Ninh Hòa
c) Thiết lập mô đun diễn toán dòng chảy qua hồ
Trên lưu vực sông Dinh Ninh Hòa có 3 ảnh hưởng lớn đến dòng chảy trong sông gồm hồ thủy điện Eakrongrou, hồ thủy lợi Đá Bàn và Suối Trầu. Trong đó, hồ Eakrongrou có 2 cửa xả tràn, Đá Bàn có 3 cửa xả tràn và Suối Trầu có 1 đập tràn tự do. Dữ liệu đầu vào của các hồ định dạng ASCII (*.txt), đường đặc tính lòng hồ và bảng tra quan hệ V~F~Z các hồ Eakrongrou, Đá Bàn, Suối Trầu thể hiện trong Bảng 4 và từ Hình 9 đến Hình 11 của Phụ lục.
d) Đồng bộ hóa số liệu lượng mưa các trạm
Số liệu mưa phân bố không gian được nội suy từ trạm thủy văn Ninh Hòa, trạm đo mưa thủ công Đá Bàn và các trạm đo mưa tự động Ninh Tây, Ninh Sim, Ninh Thượng. Do tần suất quan trắc khác nhau, nên số liệu các trạm được tính toán đồng nhất cùng thời đoạn 1 giờ và khoảng thời gian sử dụng. Luận án đã sử dụng số liệu của trận mưa tương ứng với các trận lũ lớn nhất năm 2010, 2016 và trận lũ tiểu mãn lịch sử năm 2017 tại trạm mưa trên để đồng bộ số liệu lượng mưa cho công cụ nội suy mưa không gian (Hình 3.25 đến 3.27).
Hình 3.25. Biểu đồ lượng mưa thời đoạn 1 giờ của trận lũ năm 2010
Hình 3.26. Biểu đồ lượng mưa thời đoạn 1 giờ của trận lũ năm 2016
0 10 20 30 40 50 60 70
Đá Bàn Ninh Tây Ninh Sim Ninh Thượng Ninh Hòa
Thời gian X (mm) 0 10 20 30 40 50 60 70
Đá Bàn Ninh Tây Ninh Sim Ninh Thượng Ninh Hòa
Thời gian X (mm)
Hình 3.27. Biểu đồ lượng mưa thời đoạn 1 giờ của trận lũ tiểu mãn năm 2017
e) Thiết lập công cụ nội suy mưa phân bố không gian
Lượng mưa thời đoạn 1 giờ các trạm Ninh Hòa, Đá Bàn, Ninh Tây, Ninh Sim và Ninh Thượng sau khi đồng bộ cho các trận lũ năm 2010, 2016 và 2017 (Hình 3.25 đến 3.27) cùng với tọa độ các trạm được biên tập làm đầu vào cho công cụ nội suy mưa không gian. Hệ tọa độ các trạm và bản đồ DEM đầu vào của công cụ được sử dụng thống nhất là VN2000. Số liệu để công cụ nội suy mưa không gian tự động xây dựng phương trình hồi quy mưa theo độ cao tương tự như thiết lập cho lưu vực sông Cái Nha Trang ở trên.
3.2.2.2. Hiệu chỉnh và kiểm định bộ thông số cho lưu vực sông Dinh Ninh Hòa Bộ thông số của mô hình MARINE cải tiến được hiệu chỉnh với trận lũ Bộ thông số của mô hình MARINE cải tiến được hiệu chỉnh với trận lũ lớn, quan trắc đồng bộ từ 1h ngày 30 tháng 10 đến 7h ngày 13 tháng 11 năm 2010 (Hình 3.25) [16]; được kiểm định với trận lũ lớn năm 2016 (từ 1h ngày 15 đến 19h ngày 19 tháng 12) (Hình 3.26) và trận lũ tiểu mãn từ 0h ngày 25 đến 23h ngày 31 tháng 5 năm 2017 (Hình 3.27). Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng mô phỏng các trận lũ hiệu chỉnh và kiểm định được thể hiện trong Bảng 1 của Phụ lục.
a) Hiệu chỉnh
Sử dụng số liệu trận lũ năm 2010 để hiệu chỉnh bộ thông số mô hình MARINE cải tiến được kết quả thông số độ rỗng, mao dẫn, dẫn suất thủy lực và hệ số nhám Manning ở các Bảng 3.5 và 3.6. Đánh giá chất lượng hiệu chỉnh bộ thông số mô hình MARINE cải tiến tại trạm Dục Mỹ với chỉ tiêu NSE đạt 0,90, sai số tổng lượng: 3,6% và sai số đỉnh lũ: 207 m3/s (20,7%) (Hình 3.28);
0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 140.0 160.0 180.0
Ninh Hòa Đá Bàn Ninh Tây Ninh Sim Ninh Thượng
Thời gian X (mm)
tại vị trí Ninh Thượng chỉ tiêu NSE đạt 0,83, sai số tổng lượng: 8,7% và sai số đỉnh lũ: 10,6 m3/s (9,1%) (Hình 3.29); tại trạm thủy văn Ninh Hòa, chỉ tiêu NSE khá cao (0,91), sai số tổng lượng: 11,9% và sai số đỉnh lũ: 254 m3/s (15,5%) (Hình 3.30). Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng hiệu chỉnh nằm trong ngưỡng đạt yêu cầu và bộ thông số được sử dụng để kiểm định với chuỗi số liệu độc lập.