1 Rừng thưa 4 0.074
2 Hoa màu 10 0.064
3 Lúa 9 0.052
4 Gỗ không thành rừng 6 0.068
5 Rừng thưa xen lẫn rừng cây bụi 12 0.071
6 Rừng là rộng, tre nứa 1 0.077 120 Q (m3/s) 100 80 60 40 20 0 Thời gian Thực đo Tính toán
1400 1200 1000 800 600 400 Thời gian 200 0 Thực đo Tính toán
Hình 3.45. Biểu đồ lưu lượng thực đo và tính toán trạm Tân Mỹ trận lũ năm 2016 b) Kiểm định
Do hạn chế của việc quan trắc lưu lượng trên lưu vực sông Cái Phan Rang, nên Luận án sử dụng số liệu trận lũ lớn nhất năm 2018 tại trạm thủy văn Tân Mỹ để kiểm định bộ thông số bộ mô hình MARINE cải tiến. Đánh giá chất lượng kiểm định tại trạm thủy văn Tân Mỹ với chỉ tiêu NSE đạt 0,87, sai số tổng lượng: 4,8% và sai số đỉnh lũ: 158 m3/s (21,7%) (Hình 3.46).
900 Q (m3/s) 800 700 600 500 400 300 200 100 Thời gian 0 Thực đo Tính toán
Hình 3.46. Biểu đồ quá trình lưu lượng thực đo và tính toán lũ năm 2018 tại trạm thủy văn Tân Mỹ
3.2.3.3. Đánh giá chi tiết hiệu quả mô phỏng của mô hình MARINE cải tiếntrên lưu vực sông Cái Phan Rang so với mô hình gốc trên lưu vực sông Cái Phan Rang so với mô hình gốc
a) Hiệu quả tích hợp công cụ nội suy mưa
Hiệu quả công cụ nội suy mưa được đánh giá gián tiếp qua chất lượng mô phỏng tại trạm thủy văn Tân Mỹ 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 đạt loại tốt của trận lũ năm 2018. Phân bố theo không gian trong 1 giờ lớn nhất của trận mưa năm 2018 (01h/30/12) được thể hiện trên Hình 3.48. So sánh chất lượng mô phỏng của trận lũ năm 2018 tại trạm thủy văn Tân Mỹ, trong trường hợp sử dụng mô hình MARINE gốc và tích hợp công cụ nội suy mưa trong mô hình MARINE cải tiến, cho kết quả chỉ tiêu NSE tương ứng là 0,75 và 0,87, sai số tổng lượng là 6,7% và 4,8%, sai số đỉnh lũ là 221 m3/s (30,4%) và 158 m3/s (21,7%) (Hình 3.47). Công cụ nội suy mưa không gian tích hợp trong mô hình MARINE cải tiến đã cải thiện đáng kể chất lượng mô phỏng trên lưu vực sông Cái Pha Rang và được thể hiện ở các chỉ tiêu đánh giá NSE, sai số tổng lượng, sai số đỉnh lũ ở trên.
1000 Q (m3 /s) 900 800 700 600 500 400 300 200 100 Thời gian 0
Thực đo MARINE cải tiến MARINE gốc
Hình 3.47. So sánh lưu lượng thực đo và tính toán của mô hình MARINE gốc
a b
Hình 3.48. Minh họa bản đồ phân bố mưa giờ lớn nhất trận lũ năm 2016 (a) và 2018 (b) được xây dựng bằng công cụ nội suy
mưa b) Hiệu quả mô hình sóng động học một chiều
So sánh mô phỏng của mô hình MARINE gốc và MARINE cải tiến qua trận lũ năm 2018 cho thấy: kết quả mô phỏng bằng MARINE gốc cho quá trình lũ lên nhanh và xuống nhanh, đỉnh nhọn hơn mô phỏng so với MARINE cải tiến (Hình 3.49). Hạn chế về tính toán cộng dồn dòng chảy các đoạn sông trong mô hình MARINE gốc được khắc phục bằng mô hình sóng động học trong mô hình MARINE cải tiến đã cho đường quá trình lũ phù hợp với thực đo hơn (Hình 3.49).
Hiệu quả của mô hình sóng động học một chiều được đánh giá định lượng thông qua so sánh các chỉ tiêu mô phỏng giữa mô hình MARINE gốc và cải tiến tại trạm Tân Mỹ trong trận lũ năm 2018. Cụ thể, chỉ tiêu NSE tương ứng là 0,65 và 0,87, sai số tổng lượng là 8,7% và 4,8%, sai số đỉnh lũ là 284 m3/s (39,1%) và 158 m3
Q (m3/s) 1000 800 600 400 200 0 Thời gian
Thực đo MARINE cải tiến MARINE gốc
Hình 3.49. So sánh lưu lượng thực đo và tính toán của mô hình MARINE gốc với MARINE cải tiến tại trạm Tân Mỹ trận lũ năm
2018 c) Hiệu quả mô đun diễn toán dòng chảy qua hồ
Đánh giá hiệu quả mô đun diễn toán dòng chảy qua hồ trong mô hình MARINE cải tiến trên lưu vực sông Cái Phan Rang từ số liệu trạm thủy văn Phước Hà có vị trí gần chân đập Tân Giang. Số liệu trận lũ tại trạm Phước Hà và lưu lượng hồ Tân Giang đã thu thập trong trận lũ năm 2016 được sử dụng đánh giá (Hình 1.3 và 3.41) [34]; số liệu này không được sử dụng trong quá trình hiệu chỉnh bộ thông số mô hình MARINE để đảm bảo sự khách quan trong đánh giá. Cụ thể, chỉ tiêu NSE trong trường hợp mô phỏng bằng mô hình MARINE gốc và MARINE cải tiến tương ứng là 0,27 và 0,93, sai số tổng lượng là 8,2% và 6,2%, sai số đỉnh lũ là 17,7 m3/s (43,8%) và 2,4 m3/s (6,0%) (Hình 3.50). 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 trong mô hình MARINE cải tiến và thể hiện tầm quan trọng đối với cả hồ không thực hiện điều tiết dòng chảy.
Q (m3/s) 50 40 30 20 10 0 Thời gian
Thực đo MARINE cải tiến MARINE gốc
Hình 3.50. So sánh lưu lượng thực đo và tính toán của mô hình MARINE gốc với MARINE cải tiến tại trạm Phước Hà năm 2016
3.2.4. Đánh giá chung về hiệu quả và khả năng ứng dụng của mô hìnhMARINE cải tiến MARINE cải tiến
Mô hình MARINE cải tiến sử dụng công cụ nội suy mưa không gian để thay thế phương pháp truyền thống (thường được sử dụng trong ứng dụng mô hình MARINE trước đây), sử dụng mô hình sóng động học một chiều tuyến tính để thay thế phương pháp lũy tích dòng chảy các nút trong các đoạn sông, hoàn thiện mô phỏng dòng chảy trong mạng lưới sông bằng mô hình sóng động học một chiều phi tuyến và bổ sung mô phỏng tác động của hồ chứa bằng mô đun diễn toán dòng chảy qua hồ. Hiệu quả của mô hình MARINE cải tiến được minh chứng thông qua so sánh hiệu quả của các công cụ, mô đun, mô hình được thay thế và bổ sung vào mô hình MARINE gốc.
Công cụ nội suy mưa không gian tăng chất lượng mô phỏng đánh giá theo chỉ tiêu NSE từ 0,03 đến 0,30 (từ 0,60 - 0,89 tăng lên 0,87 - 0,92), sai số tổng lượng giảm từ 0,5% đến 17,8% (từ 1,5% - 40,8% giảm xuống từ 1,0% - 23,0%), sai số đỉnh lũ giảm từ 6,0% đến 18,8% (từ 16,3% - 30,4% giảm xuống 5,5% - 21,7%). Mô hình sóng động học một chiều tăng chất lượng mô phỏng so với mô
hình MARINE gốc, đánh giá theo các chỉ tiêu NSE tăng từ 0,02 đến 0,22 (từ 0,65 - 0,89 tăng lên 0,82 - 0,93), sai số tổng lượng giảm từ 2,9% đến 23,0% (từ 5,5% - 24,5% giảm xuống 1,0% - 14,4%), sai số đỉnh lũ giảm từ 3,4% đến 33,3% (từ 14,0% - 39,1% giảm xuống từ 1,0% - 21,7%). Mô đun diễn toán dòng chảy qua hồ chứa tăng chất lượng mô phỏng đánh giá theo các chỉ tiêu NSE từ 0,59 đến 0,70 (từ 0,23 tăng lên 0,93), sai số tổng lượng giảm từ 2,0% đến 33,4% (từ 8,2% - 38,1% giảm xuống 3,5% - 6,2%), sai số đỉnh lũ giảm từ 29,4% đến 44,1% (từ 35,3% - 59,7% giảm xuống 5,9% - 15,6%).
Mô hình MARINE cải tiến có khả năng ứng dụng cho các lưu vực sông vừa và nhỏ và bước đầu có hiệu quả trên một số sông ở khu vực Nam Trung Bộ, chất lượng mô phỏng và đánh giá hiệu quả khá ổn định nên mô hình có cơ sở để cải thiện chất lượng mô phỏng cho các lưu vực sông khác ở trong cũng như ngoài khu vực Nam Trung Bộ. Tích hợp các công cụ, mô đun, mô hình trong mô hình MARINE cải tiến không chỉ cải thiện chất lượng mô phỏng mà còn khắc thuận tiện trong ứng dụng, quản lý, vận hành và có khả năng khắc phục được thiếu số liệu mưa phân bố theo không gian, sử dụng có hiệu quả trên lưu vực thiếu số liệu mặt cắt ngang sông.