Trận Nội suy mưa Sóng động học Diễn toán hồ
Trạm lũ Chỉ tiêu chứa
có không có không có không
Năm NSE 0,91 0,82 0,93 0,74 Sai số tổng lượng (%) 1,1 17,1 1,5 24,5 2009 Sai số đỉnh lũ (%) 5,5 24,3 1,0 34,3 Đồng Năm NSE 0,89 0,80 0,82 0,73 Sai số tổng lượng (%) 23,0 40,8 14,4 23,1 Trăng 2013 Sai số đỉnh lũ (%) 16,7 29,4 16,6 24,4 Năm NSE 0,88 0,83 0,82 0,78 Sai số tổng lượng (%) 1,0 1,5 1,0 5,5 2016 Sai số đỉnh lũ (%) 18,3 24,3 18,4 31,6
Suối Năm NSE 0,93 0,23
Sai số tổng lượng (%) 3,5 20,0
Cát 2010
Sai số đỉnh lũ (%) 5,9 35,3
Ninh Năm NSE 0,92 0,89 0,93 0,89
Sai số tổng lượng (%) 5,9 17,0 5,92 5,86 Hòa 2016
Năm NSE 0,90 0,60 0,90 0,88 Sai số tổng lượng (%) 10,0 20,0 10,0 12,9 2017 Sai số đỉnh lũ (%) 11,1 22,7 11,1 14,5 Đá Năm NSE 0,92 0,33 Sai số tổng lượng (%) 4,7 38,1 Bàn 2010 Sai số đỉnh lũ (%) 15,6 59,7
Tân Năm NSE 0,87 0,75 0,87 0,65 0,93 0,27
Sai số tổng lượng (%) 4,8 6,7 4,8 8,7 6,2 8,2
Mỹ 2018
Sai số đỉnh lũ (%) 21,7 30,4 21,7 39,1 6,0 43,8
3.3. ỨNG DỤNG DỰ BÁO THỬ NGHIỆM DÒNG CHẢY LŨ TRÊNLƯU VỰC SÔNG CÁI NHA TRANG LƯU VỰC SÔNG CÁI NHA TRANG
3.3.1. Yêu cầu và hiện trạng dự báo trên lưu vực sông Cái Nha Trang
Công tác dự báo thủy văn trên lưu vực sông Cái Nha Trang cần thực hiện cho nhiều loại hình thiên tai như lũ, ngập lụt, lũ quét, sạt lở đất, hạn hán, xâm nhập mặn. Ngoài dự báo thủy văn phục vụ phòng chống thiên tai, trên lưu vực cần dự báo dòng chảy để vận hành hồ chứa, cấp nước cho sản xuất nông nghiệp, công nghiệp và sinh hoạt của thành phố Nha Trang, thị trấn Diên Khánh, thị trấn Khánh Vĩnh. Việc nâng cao chất lượng dự báo thủy văn ngày càng khó khăn hơn do tác động của hồ chứa, công trình giao thông thủy lợi phát triển mạnh ở hạ lưu và tính cực đoan của biến đổi khí hậu. Những tác động này đã làm cho số lượng trận lũ giảm nhưng thường xuất hiện các giá trị lũ lịch sử, diễn biến lũ phức tạp như trận lũ lớn nhất các năm 2003, 2009, 2010, 2016, 2018 và 2020.
Các phương án dự báo thủy văn hiện tại trên lưu vực sông Cái Nha Trang chủ yếu bằng phương pháp hồi quy bội tuyến tính, mô hình Tank và NAM. Trong khuôn khổ dự án ODA Italia giai đoạn 2, trên lưu vực sông đang được đầu tư nâng cao năng lực dự báo bằng mô hình Mike NAM, Mike Flood. Tuy nhiên, dự án mới được bàn giao và ứng dụng thử nghiệm nên chưa đánh giá được hiệu quả cũng như khả năng cải thiện chất lượng dự báo. Mô hình mưa dòng chảy thông số tập trung đang được sử dụng trên lưu vực sông Cái Nha Trang có nhiều hạn chế về mô phỏng chi tiết và tác động của sự biến đổi của đặc điểm tự nhiên, hình thái các tiểu lưu vực. Ngoài ra, dòng chảy trên lưu vực
có tác động của hồ thủy lợi Suối Dầu, thủy điện Sông Chò 2, Sông Giang 1. Từ yêu cầu trong nghiệp vụ và hiện trạng phương án dự báo, việc sử dụng mô hình MARINE cải tiến được kỳ vọng sẽ cải thiện chất lượng dự báo trên lưu vực sông Cái Nha Trang.
3.3.2. Tính toán lượng mưa dự báo cho mô hình MARINE cải tiến
Lượng mưa dự báo được khai thác từ mô hình số trị WRF được trang bị
ở Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Nam Trung Bộ theo dự án ODA Italia giai đoạn 2, độ phân giải mô hình là 6 km. Sản phẩm của mô hình được trích xuất cho các trạm đo mưa tự động trên lưu vực sông Cái Nha Trang và khu vực lân cận (Bảng 3.10 và Hình 3.51). Giữa trị số dự báo của mô hình WRF và thực đo tại các trạm còn sai số khá lớn, do đó, Luận án sử dụng phương pháp hồi quy để hiệu chỉnh lượng mưa dự báo từ số liệu thực đo tại các trạm. Phương trình hồi quy giữa tính toán và thực đo của mô hình số trị WRF trong quá khứ được công cụ nội suy mưa không gian tự động xây dựng để hiệu chỉnh lượng mưa dự báo.
Kết quả dự báo của mô hình số trị WRF được trích xuất cho các trạm tự động trước 13h30 hàng ngày để thử nghiệm mô hình MARINE cải tiến trong dự báo nghiệp vụ từ ngày 1 tháng 9 đến ngày 5 tháng 12 năm 2020. Lượng mưa thực đo và dự báo tại các trạm đo mưa tự động được ghép nối thành một chuỗi liên tục để làm đầu vào cho mô hình MARINE. Quá trình hiệu chỉnh lượng mưa dự báo được thực hiện trước khi ghép nối với số liệu thực đo để tính toán
mưa phân bố không gian trong công cụ nội suy.
Bảng 3.10. Danh sách trạm đo mưa tự động lưu vực sông Cái và vùng lân cận
Trạm trong lưu vực Trạm ở lưu vực lân cận
STT Tên trạm Huyện STT Tên trạm Huyện 1 Khánh Phú Khánh Vĩnh 1 Ninh Tây Ninh Hòa 2 Khánh Thượng Khánh Vĩnh 2 Ninh Sim Ninh Hòa 3 Sơn Thái Khánh Vĩnh 3 Ninh Thượng Ninh Hòa 4 Khánh Đông Khánh Vĩnh 4 Ninh An Ninh Hòa 5 Khánh Bình Khánh Vĩnh 5 Ninh Tân Ninh Hòa
6 Khánh Hiệp Khánh Vĩnh 6 Ninh Sơn Ninh Hòa 7 TT Khánh Vĩnh Khánh Vĩnh 7 Ninh Lộc Ninh Hòa 8 Sông Cầu Khánh Vĩnh 8 Cam Hải Tây Cam Lâm 9 Đỉnh Hòn Bà Diên Khánh 9 Cam An Bắc Cam Lâm 10 Hồ Suối Dầu Diên Khánh 10 Cam Phước Tây Cam Lâm 11 Núi Tam Đầu Diên Khánh 11 Ba Ngòi Cam Ranh 12 Diên Điền Diên Khánh 12 Cam Thịnh Đông Cam Ranh 13 Suối Cát Diên Khánh 13 Sơn Lâm Khánh Sơn 14 Hồ Am Chúa Diên Khánh 14 Thành Sơn Khánh Sơn 15 Vĩnh Thái Nha Trang 15 Tô Hạp Khánh Sơn 16 Sơn Hiệp Khánh Sơn
3.3.3. Ứng dụng dự báo thử nghiệm trong mùa lũ năm 2020
3.3.3.1. Thiết lập phương án dự báo bằng mô hình MARINE cải tiến
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:
= × 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%. 1800 Q (m3 /s) 1600 dự b áo 1400 1200 đi ểm 1000 T hờ i 800 600 400 200 Thời gian 0
Thực đo Dự báo Mô phỏng
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
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.
1800 Q (m3/s) 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 Thời gian 0 Thực đo Dự báo
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
2500 Q (m3/s) 2000 báo dự 1500 T hờ i đ iể m 1000 500 0 Thời gian
Thực đo Dự báo Mô phỏng
Hình 3.54. Biểu đồ phân tích dự báo trận lũ lớn nhất năm 2020 thời gian dự
2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 Thời gian 0 Thực đo Dự báo
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%.
trị số dự báo, đạt chất lượng 85,3%. 2000 Q (m3/s) 1800 bá o 1600 dự 1400 đi ểm 1200 T hờ i 1000 800 600 400 200 Thời gian 0
Tính toán Dự báo Mô phỏng
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
2000 Q (m3/s) 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 Thời gian 0 Thực đo Dự báo
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
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.
2000 Q (m3/s) báo 1800 1600 dự 1400 đi ểm 1200 T hờ i 1000 800 600 400 200 Thời gian 0
Thực đo Dự báo Mô phỏng
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
2200 Q (m3/s) 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 Thời gian 0 Thực đo Dự báo
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
3.3.4. Đánh giá khả năng ứng dụng mô hình MARINE cải tiến trong dự báo cho các lưu vực sông báo 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