Vùng che chắn là một tập đường gấp khúc như một sự gián đoạn giới hạn vùng tìm kiếm điểm số liệu. Một đường gấp khúc có thể là một vách đá, một ngọn núi hay một số vật che chắn khác trong vùng. Khi xuất hiện yếu tố này, chỉ có những điểm mẫu cùng phía với nó và ô lưới đang khảo sát mới được sử dụng trong tính toán.
2.4.2. Tích hợp mô hình MARINE và công cụ nội suy mưa theo không gian
Công cụ nội suy mưa không gian gồm mô đun hồi quy mưa theo độ cao địa hình và mô đun nội suy nghịch đảo khoảng cách (IDW); trong đó, cơ sở lý thuyết phương pháp IDW được trình bày ở trên, phương trình hồi quy tuyến tính mưa theo độ cao được xây dựng dựa trên cơ sở giải hệ phương trình chuẩn tắc bằng phương pháp khử Gauss. Tuy nhiên, quan hệ mưa theo độ cao có thể là tuyến tính hoặc phi tuyến và ngoài yếu tố địa hình còn có một số yếu tố khác tác động đến mưa; do đó, mô đun hồi quy mưa được xây dựng để có thể xác định được phương trình hồi quy bội tuyến tính và bội phi tuyến. Các mô đun trên được xây dựng bằng ngôn ngữ lập trình Fortran 70 theo sơ đồ giải như
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 p=0 p=1 p=2 Khoảng cách Tr ọng số (a) (b)
Hình 2.28 và 2.29 và được kiểm tra với các bài toán mẫu trước khi tích hợp trong công cụ nội suy mưa. Mỗi ô lưới DEM sau khi nội suy mưa từ các trạm đo bằng mô đun IDW được công cụ tích hợp gọi mô đun hồi quy mưa để xây phương trình phù hợp và tính lại giá trị mưa cho ô lưới. Lượng mưa được nội suy cho toàn bộ ô lưới DEM và theo trình tự thời gian để tạo bản đồ phân bố mưa theo định dạng đầu vào của mô hình MARINE, tương tự định dạng ASCII của phần mềm ArcGIS.
Công cụ nội suy mưa theo không gian tích hợp với mô hình MARINE ở cấp độ kết nối được thể hiện trong Hình 2.27. Số liệu mưa sau khi nội suy được tự động lưu thành các tệp tin theo trình tự thời gian để làm đầu vào cho mô hình MARINE. Trong công cụ nội suy mưa, mô đun hồi quy bội được tích hợp ở cấp độ hợp nhất với công cụ nội suy mưa giúp cập nhật và lựa chọn được phương trình hồi quy phù hợp nhất. Với công cụ nội suy mưa theo không gian mã nguồn mở, người sử dụng có thể cập nhật, bổ sung, thay thế phương pháp IDW bằng phương pháp khác hoặc phương trình hồi quy khác để có chất lượng bản đồ mưa đầu vào tốt nhất. Ngoài tương quan mưa theo độ cao, các yếu tố khác tác động đến phân bố mưa không gian dễ dàng được bổ sung, cập nhật cho phương trình hồi quy bội để nâng cao chất lượng bản đồ nội suy mưa không gian. Mã nguồn công cụ nội suy mưa không gian được thể hiện trong Hình 4a, 4b, 5a và 5b của Phụ lục.
Hình 2.27. Sơ đồ tích hợp công cụ nội suy mưa trong mô hình MARINE
DEM Thảm phủ Loại đất Mực nước ngầm
Mưa trạm
Kết quả
Mưa phân bố
Hình 2.28. Sơ đồ khối công cụ nội suy mưa theo không gian Lượng mưa các trạm tại thời điểm ban đầu t=1 Lượng mưa các trạm tại thời điểm ban đầu t=1
Tăng bước thời gian tiếp theo: t=t+1, t=1÷H
Lượng mưa tại ô lưới thứ nhất: i=1, j=1
Tăng số hàng và số cột tiếp theo: i=i+1, j=j+1, i=1÷N, j=1÷M
Trạm thứ nhất: k=1
Tăng thêm trạm tiếp theo: k=k+1, k=1÷G
Tính lượng mưa các ô lưới theo công thức:
𝑅𝑖𝑗 = ∑ 𝑅𝑘𝑊𝑘 𝑛 𝑘=1 ∑𝑛𝑘=1𝑊𝑘 k < G i < N hoặc j < M t < H Kết thúc đúng đúng đúng sai sai sai Bản đồ DEM
Hình 2.29. Sơ đồ khối mô đun hồi quy bội phi tuyến
2.5. HOÀN THIỆN MÔ HÌNH MARINE CẢI TIẾN
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