ℎ δn
0 Đập không có chân không Đập có chân không
0.1 0.998 0.971 0.4 0.983 0.845 0.6 0.957 0.723 0.7 0.933 0.642 0.8 0.79 0.538 0.9 0.59 0.39 = 1 = 0.8
Hình 2.23. Hệ số hình dạng một số loại cửa xả điển hình
2.3.3. Tích hợp mô đun diễn toán dòng chảy qua hồ với mô hình sóng độnghọc học
Mô đun diễn toán dòng chảy qua hồ sau khi xây dựng được kiểm tra với bài toán mẫu và tích hợp ở cấp độ hợp nhất với mô hình sóng động học một chiều phi tuyến mạng lưới sông. Mô đun được sử dụng như là một chương trình con (Procedure Rangekutta3) trong mô hình sóng động học và chỉ được sử dụng khi trong quá trình diễn toán sóng động học gặp “nút đặc biệt” (là hồ chứa) trong mạng lưới sông. Vị trí hồ chứa trong mạng lưới sông được đánh dấu bằng “nút đặc biệt”
và mô hình cho phép mô phỏng cho cả hệ thống hồ chứa gồm nhiều hồ bậc thang trên một hoặc nhiều nhánh sông. Mô đun được lập trình bằng ngôn ngữ Fortran 70 để phù hợp với ngôn ngữ lập trình mô hình MARINE và sóng
động học, mã nguồn của mô đun diễn toán dòng chảy qua hồ chứa được thể hiện trên Hình 3a và 3b trong Phụ lục.
Mưa trạm DEM Thảm phủ Loại đất Mực nước ngầm
Mưa phân bố
Lưu lượng đoạn sông
Có hồ chứa
Kết quả
Hình 2.24. Sơ đồ tích hợp mô đun diễn toán dòng chảy qua hồ trong mô hình tích hợp MARINE và sóng động học
Mô đun không có khả năng sử dụng để mô phỏng các hoạt động điều tiết, vận hành liên hồ chứa mà chỉ có khả năng mô phỏng dòng chảy qua hệ thống các hồ chứa có đập tràn tự do, không điều tiết và biết được ngưỡng mở các van điều khiển, phù hợp với các hồ chứa nhỏ không có chức năng điều tiết, không có dung tích phòng lũ khá phổ biến ở nước ta, đặc biệt là ở khu vực miền Trung. Tuy nhiên, mô đun được xây dựng là một thủ tục độc lập và tích hợp trong mô hình sóng động học một chiều phi tuyến (sử dụng khi diễn toán dòng chảy trong sông) nên dễ dàng nâng cấp, phát triển để sử dụng cho các hồ điều tiết, vận hành trong tương lai.
2.4. CẢI TIẾN MÔ HÌNH MARINE BẰNG CÔNG CỤ NỘI SUY MƯA KHÔNG GIAN
Công cụ nội suy mưa không gian gồm mô đun tính mưa theo các ô lưới bằng phương pháp trọng số nghịch đảo khoảng cách (IDW) và phương trình hồi quy mưa theo độ cao địa hình. Mỗi mô đun có thuật toán riêng và tích hợp
với nhau thành một công cụ; trong đó, mô đun IDW tính toán lượng mưa cho mỗi ô lưới trong không gian phẳng, mô đun hồi quy sau đó điều chỉnh lượng từ phương trình hồi quy bội phi tuyến có khả năng cập nhật phương trình.
2.4.1. Cơ sở lý thuyết phương pháp nghịch đảo khoảng cách
Số liệu được nội suy trên mỗi nút lưới từ số liệu của các điểm trong một mặt phẳng. Giá trị của mỗi nút được tính bằng trung bình trọng số của các các điểm số liệu đầu vào; trong đó, trọng số là nghịch đảo khoảng cách từ nút lưới đến các điểm số liệu. Công thức nội suy lượng mưa từ các trạm trên lưới ô vuông bằng phương pháp trọng số nghịch đảo khoảng cách (Inverse Distance Weight - IDW) như sau:
= ∑ =1 (2.4.1) = 1 (2.4.2)
∑
=1
Trong đó : Rij là lượng mưa cần nội suy của ô lưới ở hàng thứ i và cột thứ j, Wk là trọng số nghịch đảo khoảng cách từ ô lưới cần nội suy đến trạm đo mưa thứ k, d là khoảng cách từ lưới cần nội suy đến trạm thứ k, p là bậc khoảng cách. Bậc p càng cao thì mức độ ảnh hưởng của các điểm ở xa càng thấp, quan hệ giữa bậc và trọng số khoảng cách được thể hiện trên Hình 2.25.
Khoảng cách từ ô lưới cần tính có kinh độ Xo và vĩ độ Yo đến trạm có kinh độ Xt và vĩ độ Yt được tính như sau :
(2.4.3)
= √( − )2 + ( − )2
Đặc trưng của nội suy mưa theo không gian còn chịu ảnh hưởng của bán kính tìm kiếm. Bán kính này giới hạn số lượng điểm số liệu đầu vào (trạm đo mưa) được sử dụng để tính cho ô lưới được nội suy. Có hai loại bán kính tìm kiếm là cố định và biến đổi; trong đó, bán kính cố định là bán kính với một số lượng điểm số liệu nhỏ nhất và một khoảng cách xác định. Khi số lượng điểm số liệu đầu vào không đủ trong bán kính này thì nó sẽ tự động nới rộng ra cho đến khi đủ số điểm bé nhất có thể. Bán kính biến đổi có số lượng các điểm số liệu cố định và khoảng cách tìm kiếm lớn nhất, quá trình tìm các điểm số liệu gần nhất với khoảng cách tìm kiếm lớn nhất cho đến khi số lượng điểm thu được đầy đủ. Nếu số lượng điểm số liệu phải thu được không đủ bên trong khoảng cách tìm kiếm lớn nhất thì chỉ sử dụng những điểm thu được để nội suy.
1 số p=0 Tr ọn g 0.8 0.6 0.4 p=1 0.2 p=2 0 Khoảng cách 0
Hình 2.25. Quan hệ giữa bậc và trọng số khoảng cách trong IDW
(b) (a)
Hình 2.26. Bán kính tìm kiếm (a) vùng chắn (b) của IDW
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
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.
Mưa trạm DEM Thảm phủ Loại đất Mực nước ngầm
Mưa phân bố
Lưu lượng đoạn sông
Kết quả
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:
= ∑ =1 ∑ =1 đúng k < G sai Bản đồ DEM
Phương trình hồi quy mưa theo độ cao
đúng i < N hoặc j < M sai đúng t < H sai Kết thúc
Số liệu mưa trạm, độ cao địa hình và các nhân tố ảnh hưởng khác Dạng hàm phi tuyến
Số liệu chuyển đổi Phương trình chuẩn tắc
Khử Gauss Phương trình hồi quy
đúng
Dừng
sai
Mức đảm bảo
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.
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.
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
a
Độ dài số liệu Số trạm Tọa độ trạm
Phương trình hồi quy
Thời gian Số liệu mưa trạm
b
Hình 2.30. Cấu trúc tệp tin số liệu bề mặt lưu vực (a) và mưa các trạm (b)
Tọa độ Chiều rộng sông Hệ số nhám Khoảng cách Độ dốc
Cấp sông
Tọa độ kết nối nhánh sông
a
Mực nước hồ ban đầu
Cao trình ngưỡng tràn Số lượng cửa tràn Chiều rộng mỗi tràn Mựcnướchồ Dung tích hồ Diện tích mặt hồ b
suy mưa M A R IN E Bản đồ độ ẩm đất Mô hình SĐH 1
Bản đồ thấm Lưu lượng ô lưới
chiều tuyến tính M ô hì n h Bản đồ H ngầm
Bản đồ Thảm phủ Bản đồ hệ số nhám Lưu lượng ô sông Procedure Qluoisong
hợ
p
tí
ch Mô hình SĐH 1 chiều phi tuyến mạng lưới sông Mạng lưới sông
tu
yế
n Độ dốc đoạn sông
p
hi Lưu lượng Mô đun diễn toán dòng chảy qua hồ
1 ch iề u Hệ số nhám đoạn sông các trạm SĐ
H Đặc trưng lòng hồ Thông số đập tràn Chiều rộng đoạn 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
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