Mô hình MARINE cải tiến được hoàn thiện trên cơ sở tích hợp các mô hình, công cụ, mô đun vào mô hình MARINE gốc bằng cách sử dụng các chương trình con (thủ tục) trong chương trình tính toán chính. Các chương trình con đã được xây dựng độc lập, kiểm tra và thử nghiệm tính toán trước khi được tích hợp lần lượt vào mô hình MARINE gốc. Mỗi chương trình con được tích hợp lần lượt và kiểm tra lại quá trình hoạt động, tính toán, mô phỏng với các bộ số liệu mẫu.
Công cụ nội suy mưa không gian có khả năng xây dựng các lớp bản đồ mưa theo thời gian, tính toán lượng mưa cho khu vực thiếu trạm đo và thay thế phương pháp truyền thống chuyển mưa trạm đo về mưa ô lưới như đã áp dụng trong các nghiên cứu trước đây của mô hình MARINE. Mô hình sóng động học một chiều tuyến tính và phi tuyến sử dụng để hoàn thiện và tăng cường khả năng mô phỏng của mô hình MARINE trong mạng lưới sông và sử dụng được cho khu vực không có số liệu mặt cắt ngang, không ảnh hưởng của thủy triều.
Dạng hàm phi tuyến Số liệu chuyển đổi
Số liệu mưa trạm, độ cao địa hình và các nhân tố ảnh hưởng khác
Hệ số tương quan
Mức đảm bảo
Dừng
sai đúng
Phương trình hồi quy
Thử hàm phi tuyến
Phương trình chuẩn tắc Khử Gauss
Mô đun diễn toán dòng chảy qua hồ mặc dù không có chức năng nâng cao khả năng ứng dụng mô hình MARINE cải tiến trong điều kiện thiếu số liệu nhưng có khả năng tăng cường khả năng mô phỏng cho lưu vực sông có ảnh hưởng của hồ chứa không điều tiết lũ. Sơ đồ của mô hình MARINE cải tiến được thể hiện trong Hình 2.32, cấu trúc số liệu đầu vào của các mô hình, công cụ, mô đun được biên tập như các Hình 2.30 và 2.31.
Hình 2.30. Cấu trúc tệp tin số liệu bề mặt lưu vực (a) và mưa các trạm (b)
Hình 2.31. Cấu trúc tệp tin mạng lưới sông (a) và hồ chứa (b)
Độ dài số liệu Số trạm Tọa độ trạm
Phương trình hồi quy
Thời gian Số liệu mưa trạm
Thông tin địa lý bản đồ DEM
ncols Số cột nrows Số dòng
xllcenter Kinh độ góc dưới bên trái yllcenter Vĩ độ góc dưới bên trái cellsize Kích thước ô lưới
Mực nước hồ ban đầu
Số lượng cửa tràn Chiều rộng mỗi tràn Cao trình ngưỡng tràn Mực nước hồ Diện tích mặt hồ Dung tích hồ a b Tọa độ Khoảng cách Chiều rộng sông Độ dốc Hệ số nhám Cấp sông
Tọa độ kết nối nhánh sông
Hình 2.32. Sơ đồ mô hình MARINE cải tiến
TIỂU KẾT CHƯƠNG 2
- Mô hình MARINE đã được cải tiến và tăng cường khả năng mô phỏng dòng chảy trong sông bằng phương pháp tích hợp mô hình sóng động học một chiều tuyến tính và phi tuyến. Mô đun sóng động học 1 chiều tuyến tính được sử dụng thay thế thủ tục cộng dồn cho từng đoạn sông trong mô hình gốc, thể hiện tốt hơn sự truyền của sóng lũ trong sông. Trong khi mô đun sóng động học 1 chiều phi tuyến được sử dụng để kết nối trực tiếp các nhánh sông đơn thành mạng lưới sông phức tạp, khắc phục được nhược điểm của mô hình gốc là không ứng dụng đầy đủ cho một lưu vực sông lớn mà thường phải chia thành các tiểu lưu vực và kết nối với các mô hình thủy lực (đã hạn chế sự ưu việt của mô hình thông số phân bố đầy đủ), do vậy có thể khắc phục được hạn chế của mô hình gốc trong các khu vực thiếu số liệu mặt cắt lòng dẫn sông ngòi. Các mô đun đã được thử nghiệm đầy đủ với các ví dụ mẫu trong tài liệu của Ven Te Chow [97] và các trường hợp trong sông thực tế, so sánh với các giá trị thực
Mô h ìn h MARI NE g ốc S ĐH 1 c h iều ph i tu yế n tích h ợp Bản đồ thấm Bản đồ hệ số nhám
Lưu lượng ô lưới
Bản đồ Độ dốc Công cụ nội suy mưa
Lưu lượng
các trạm Mô đun diễn toán dòng chảy qua hồ Mô hình SĐH 1 chiều phi tuyến mạng lưới sông
Mô hình SĐH 1 chiều tuyến tính
Mạng lưới sông
Hệ số nhám đoạn sông Độ dốc đoạn sông
Chiều rộng đoạn sông Procedure Qluoisong Đặc trưng lòng hồ Thông số đập tràn Bản đồ DEM Bản đồ Thảm phủ Bản đồ loại đất Bản đồ H ngầm Bản đồ độ ẩm đất
đo (trạm Tà Pao, Võ Xu trên sông La Ngà) để đảm bảo độ tin cậy trước khi tích hợp vào mô hình MARINE gốc. Mô hình sau khi cải tiến có khả năng mô phỏng liên tục từ mưa đến dòng chảy trên sườn dốc, dòng chảy trong sông từ nguồn tới vùng sông không ảnh hưởng triều, và có thể ứng dụng để mô phỏng và dự báo trên lưu vực thiếu số liệu mặt cắt lòng dẫn.
- Công cụ nội suy mưa được xây dựng bằng phương pháp nghịch đảo khoảng cách kết hợp với hồi quy mưa theo độ cao địa hình cho phép biến đổi lượng mưa điểm (từ các trạm đo mưa trên mặt đất) thành trường mưa theo ô lưới phù hợp với mô hình MARINE, do vậy tiết kiệm công sức của người sử dụng mô hình đồng thời mô phỏng sát thực hơn sự biến thiên theo không gian và theo địa hình của lượng mưa, qua đó tăng cường khả năng ứng dụng của mô hình MARINE cải tiến.
- Mô đun diễn toán dòng chảy qua hồ cho các hồ chứa vừa và nhỏ không có chức năng điều tiết lũ đã được xây dựng dựa trên giải phương trình liên tục và tích hợp với mô hình MARINE gốc nhằm đáp ứng với điều kiện thực tiễn ở các lưu vực sông nhỏ (nhiều hồ chứa thủy lợi, không có dung tích phòng lũ, không có khả năng điều tiết, đập tràn chảy tự do), phù hợp với khu vực Nam Trung Bộ. Mô đun này được tích hợp trực tiếp trong mô hình gốc, và được tự động gọi tính toán khi gặp nút lưới được khai báo là hồ chứa trong mạng sông. - Toàn bộ các công cụ và mô đun này đều xây dựng trên ngôn ngữ Fortran, phù hợp với mô hình gốc, luận án sẽ chia sẻ mã nguồn mở nên thuận tiện trong việc phát triển, bổ sung để nâng cao khả năng ứng dụng của mô hình MARINE cải tiến trong tương lai.
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MARINE CẢI TIẾN ĐỂ MÔ PHỎNG VÀ DỰ BÁO DÒNG CHẢY TRÊN MỘT SỐ LƯU VỰC SÔNG
Ở KHU VỰC NAM TRUNG BỘ 3.1. CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐẦU VÀO
3.1.1. Dữ liệu bản đồ
Bản đồ mô hình số độ cao (DEM) độ phân giải 90×90m và thảm phủ thực vật thu thập từ Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (USGS) độ phân giải 230 × 230m, được sử dụng làm địa hình đầu vào cho mô hình MARINE cải tiến [74]. Bản đồ bản đồ phân loại đất và cao trình mực nước ngầm tỷ lệ 1/25.000 được thu thập từ Liên đoàn Quy hoạch Điều tra Tài nguyên nước Miền trung và Tây nguyên [13]. Bản đồ hiện trạng rừng tỷ lệ 1/25.000 được thu thập từ dự án đường sắt cao tốc đoạn thành phố Hồ Chí Minh đến Nha Trang [30]. Số liệu mưa, độ ẩm đất được thu thập từ các trạm khí tượng, thủy văn, đo mưa do Đài KTTV khu vực Nam Trung Bộ và Đài KTTV khu vực Tây Nguyên quản lý; số liệu mưa của các tự động được thu thập từ hệ thống tích hợp của Trung tâm Thông tin và Dữ liệu KTTV thuộc Tổng cục Khí tượng Thủy văn. Bản đồ địa hình, loại đất, thảm phủ, độ ẩm đất được cập nhật bổ sung, mã hóa, chuyển đổi hệ tọa độ bằng phần mềm MapInfo 15.0 và ArcGIS Desktop 10.8; dữ liệu thường dùng từ các bản đồ dạng vector được chuyển thành dạng raster và trích xuất cho mô hình MARINE cải tiến ở dạng ASCII (*.asc) bằng phần mềm ArcGIS Desktop 10.8.
Bản đồ thảm phủ thực vật được phân loại thành 13 nhóm cây theo cách phân nhóm của USGS [3], [9], mỗi nhóm cây được mã hóa và xác định hệ số nhám bề mặt lưu vực được thể hiện trong Bảng 3.1. Tương tự, bản đồ đất được phân loại thành 13 nhóm đất theo cách phân nhóm của USGS và được mã hóa để liên kết với các yếu tố độ rỗng, cột nước mao dẫn, độ dẫn thủy lực bão hòa (Bảng 3.2).
Bảng 3.1. Phân loại và mã hóa thảm phủ thực vật [3], [9]
STT Tên loại thảm phủ Mã hóa (ID)
Hệ số nhám Manning (n)
1 Rừng ổn định: lá rộng, lá kim, tre nứa 1 0.090 2 Rừng non: lá rộng, lá kim, tre nứa 2 0.080
3 Rừng cây bụi 3 0.055
4 Rừng thưa 4 0.051
5 Cây bụi trồng thành rừng 5 0.049
6 Cây thân gỗ trồng không thành rừng 6 0.045 7 Cây bụi trồng không thành rừng 7 0.043
8 Cỏ 8 0.035
9 Lúa 9 0.039
10 Hoa màu 10 0.030
11 Cây bụi rải rác 11 0.041
12 Rừng thưa xen lẫn rừng cây bụi; rừng
thưa xen lẫn cỏ 12 0.060
13 Rừng cây bụi xen lẫn cỏ 13 0.053
Bảng 3.2. Phân loại và mã hóa loại đất [3], [9]
STT Tên loại đất Mã hóa (ID) Độ rỗng θs Cột nước mao dẫn Sf (mm) Độ dẫn thủy lực bão hòa Ks (mm/h) 1 Cát 20 0.437 (0.374 - 0.500) 49.5 (9.7 - 253.6) 235.6 2 Mùn cát 25 0.453 (0.351 - 0.555) 110.1 (26.7 - 454.7) 21.8 3 Cát mùn 3 0.437 (0.363 - 0.506) 61.3 (13.5 - 279.4) 59.8 4 Mùn 4 0.463 (0.375 - 0.551) 88.9 (13.3 - 593.8) 13.2 5 Đất phù sa mùn 5 0.501 (0.420 - 0.582) 166.8 (29.2 - 953.9) 6.8 6 Đất xám mùn trên núi 30 0.474 (0.418 - 0.524) 273.0 (56.7 - 1315) 2.0 7 Đất xám Feralit 35 0.464 (0.409 - 0.519) 208.8 (47.9 - 910.0) 1.0 8 Đất nâu vàng 40 0.471 (0.418 - 0.524) 273.0 (56.7 - 1315.0) 1.0
STT Tên loại đất Mã hóa (ID) Độ rỗng θs Cột nước mao dẫn Sf (mm) Độ dẫn thủy lực bão hòa Ks (mm/h) 9 Sét pha cát 45 0.430 (0.370 - 0.490) 239.0 (40.8 - 1402) 1.2 10 Sét phù sa 50 0.479 (0.425 - 0.533) 292.2 (61.3 - 1394) 1.0 11 Sét 12 0.475 (0.427 - 0.523) 316.3 (63.9 - 1565) 0.6 12 Núi đá 13 0.951 (0.820 - 1.000) 200.0 (29.2 - 953.9) 5.0 13 Đất trơ sỏi đá 1 0.801 (0.820 - 0.882) 196.8 (29.2 - 953.9) 5.8
Mạng lưới sông gồm các đoạn thẳng nối tiếp theo hình dạng sông được tính từ các nút (node) số hóa mạng lưới sông bằng phần mềm MapInfo 15.0 và Vertical Mapper 3.5. Mỗi nút được cập nhật, tính toán các trường dữ liệu: kinh độ, vĩ độ, khoảng cách cộng dồn các nút liên tiếp từ thượng lưu về hạ lưu, chiều rộng sông, độ dốc sông và hệ số nhám. Chiều rộng sông được đo trên bản đồ địa hình tỷ lệ 1/10.000 do Bộ Tài nguyên và Môi trường xây dựng, với đoạn sông không thu thập được bản đồ thì chiều rộng sông đo từ Google Earth. Độ dốc sông tính từ dữ liệu mặt cắt ngang (nếu có), với đoạn sông không có mặt cắt ngang thì độ dốc sông xấp xỉ với độ dốc địa hình và được tính toán từ bản đồ DEM. Hệ số nhám được xác định theo loại hình lớp phủ từ Google Earth và tra bảng tra thủy lực M.F. Xripnut (Bảng 2 của Phụ lục).
3.1.2. Dữ liệu khí tượng thủy văn và hồ chứa
a) Lưu vực sông Cái Nha Trang
Trên lưu vực sông Cái Nha Trang, Luận án đã thu thập đầy đủ số liệu quan trắc liên tục tại trạm thủy văn Đồng Trăng (1983 - nay), số liệu quan trắc mực nước trong thời gian ngắn tại trạm thủy văn Diên An (1976 - 1985), Suối Dầu (1970 - 1985), Sông Chò (1981 - 1984) (nay đã dừng hoạt động, chỉ đo đạc trong các chuyên đề khảo sát) và trạm quan trắc mực nước tự động Diên Phú từ năm 2020 (trạm mới xây dựng trong khuôn khổ dự án ODA Ý giai đoạn 2). Ngoài ra, rất may mắn và quan trọng, luận án đã thu thập được số liệu quan trắc lũ đồng bộ từ ngày 30/10 đến 7/11 năm 2010 tại 5 trạm đo thiết lập bao
phủ hầu hết các nhánh sông trên lưu vực gồm có: trạm Diên Xuân trên sông Chò, trạm Sông Cầu trên sông Cầu, trạm Thác Ngựa trên sông Thác Ngựa và trạm Suối Cát trên sông Suối Dầu [16] cùng số liệu tương ứng tại trạm thủy văn Đồng Trăng.
Luận án cũng đã thu thập được các số liệu khí tượng liên tục tại trạm khí tượng Nha Trang, số liệu mưa tại trạm thủ công Khánh Vĩnh từ năm 1977 đến nay; số liệu ở các trạm khu vực lân cận, nằm ngoài lưu vực nghiên cứu gồm trạm khí tượng MadRắk và trạm đo mưa thủ công Khánh Sơn từ năm 1977 đến nay. Ngoài ra, số liệu quan trắc chi tiết theo thời gian được thu thập tại các trạm đo mưa tự động trong một vài năm gần đây (Hình 1.1).
b) Lưu vực sông Dinh Ninh Hòa
Mặc dù trên lưu vực sông Dinh Ninh Hòa không có trạm đo dòng chảy và có duy nhất trạm thủy văn Ninh Hòa quan trắc lượng mưa, mực nước liên tục nhiều năm (1977 đến nay), nhưng Luận án đã thu thập được số liệu quan trắc lưu lượng trong trận lũ đồng bộ từ ngày 17 đến ngày 24 tháng 11 năm 2010 tại 3 trạm đo thiết lập bao phủ hầu hết các nhánh sông trên lưu vực gồm có: trạm Dục Mỹ trên sông Cái, trạm Ninh Thượng trên sông Đá và trạm Đá Bàn trên sông Đá Bàn [16] cùng số liệu lưu lượng tương ứng tại trạm thủy văn Ninh Hòa. Số liệu trong trận lũ này tại trạm Ninh Hòa được sử dụng để xây dựng bảng tra và đường quan hệ mực nước ~ lưu lượng (Hình 16 của Phụ lục), từ đó khai toán được lưu lượng từ mực nước các trận lũ khác.
Do trên lưu vực sông Dinh Ninh Hòa không có trạm khí tượng nên Luận án sử dụng số liệu tại các trạm gần lưu vực nhất là trạm Nha Trang và MadRắk. Số liệu mưa quan trắc liên tục nhiều năm tại trạm đo mưa thủ công Đá Bàn (1977 - nay), số liệu quan trắc thời gian ngắn Ninh Tây (1977 - 1992) và hiện nay được thay thế bằng trạm đo mưa tự động; ngoài ra, còn có các trạm đo mưa tự động khác như Ninh Thượng, Ninh Sim quan trắc được số liệu chi tiết theo thời gian trong những năm gần đây (Hình 1.2).
c) Lưu vực sông Cái Phan Rang
Trên lưu vực sông Cái Phan Rang có nhiều trạm thủy văn, nhưng chỉ quan trắc số liệu mực nước liên tục nhiều năm tại trạm Tân Mỹ (1977 - nay),
Phan Rang (1977 - nay), Phước Hà (1998 - nay), Phước Hữu (1996 - nay) và mực nước trong thời gian ngắn tại Phước Bình (2006 - 2016), Quảng Ninh (2004 - 2016). Tuy nhiên, số liệu khá quan trọng là lưu lượng trận lũ tại trạm thủy văn Tân Mỹ, Phước Hà được thu thập từ ngày 2 đến ngày 8 tháng 11 năm 2016 và số liệu từ ngày 27 đến ngày 31 tháng 12 năm 2018. Số liệu các trận lũ này được sử dụng để xây dựng bảng tra và đường quan hệ mực nước ~ lưu lượng (Hình 16 của Phụ lục) [34], từ đó khai toán lưu lượng mực nước các trận lũ khác.
Luận án cũng đã thu thập các số liệu khí tượng liên tục tại trạm Phan Rang (1993 - nay), Nha Hố (1977 - 1993). Số liệu mưa của 11 trạm quan trắc liên tục bằng phương pháp thủ công từ 20 đến 40 năm được thu thập và số liệu quan trắc chi tiết của các trạm này bằng máy đo mưa tự động trong một vài năm gần đây (Hình 1.3).
d) Số liệu hồ chứa
Số liệu hồ chứa bao gồm: mực nước ban đầu, các thông số của đập gồm: cao trình ngưỡng tràn, số cửa xả, chiều rộng mỗi cửa xả và bảng tra đặc tính lòng hồ VFZ. Số liệu dòng chảy về hồ và qua các cửa tràn, mực nước và thông số đập được thu thập từ Chi cục thủy lợi tỉnh Khánh Hòa và Ninh Thuận, các công ty tư vấn, khai thác và quản lý các công trình hồ chứa. Dòng chảy và mực nước hồ chứa trong các trận lũ được thu thập trong những năm gần đây. Trên lưu vực sông Cái Nha Trang thu thập số liệu của hồ thủy lợi Suối Dầu, hồ thủy điện Sông Giang 1 và Sông Chò 2 [4], [5], [7]; trên lưu vực sông Dinh Ninh Hòa thu thập số liệu của hồ thủy lợi Đá Bàn và Suối Trầu, hồ thủy điện Eakongrou [25]; trên lưu vực sông Cái Phan Rang thu thập số liệu của các hồ thủy lợi Sông Sắt, Trà Co, Sông Than và Tân Giang [6].
3.2. ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY LŨ TRÊN MỘT SỐ LƯU VỰC SÔNG Ở KHU VỰC NAM TRUNG BỘ
Mô hình MARINE cải tiến có khả năng ứng dụng trên các lưu vực sông, trong đó có các lưu vực sông ở khu vực Nam Trung Bộ. Lưu vực sông Cái Nha Trang, Dinh Ninh Hòa và Cái Phan Rang được lựa chọn ứng dụng để đánh giá khả năng cải thiện chất lượng mô phỏng trong điều kiện thiếu số liệu mưa phân