STT Tên loại đất Mã đất (ID) Độ rỗng Mao dẫn
(mm) Dẫn thủy lực (mm/h) 1 Đất nâu vàng 40 0.479 293.2 0.5 2 Xám mùn trên núi 30 0.501 173.3 2.64 3 Sét phù sa 50 0.438 64.0 1.0 4 Mùn cát 25 0.465 214.4 29.3 5 Cát mùn 3 0.454 117.7 50.7 6 Xám Feralit 35 0.471 277.3 1.0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Thực đo Tính toán Thời gian Q (m3/s)
Hình 3.29. Biểu đồ quá trình lưu lượng thực đo và tính toán trạm Ninh Thượng trận lũ năm 2010
Hình 3.30. Biểu đồ quá trình lưu lượng thực đo và tính toán trạm Ninh Hòa trận lũ năm 2010
b) Kiểm định
Do hạn chế của việc quan trắc lưu lượng trên lưu vực sông Dinh Ninh Hòa, nên Luận án sử dụng số liệu trận lũ lớn nhất năm 2016 và lũ tiểu mãn lịch sử năm 2017 tại trạm thủy văn Ninh Hòa để kiểm định bộ thông số mô hình MARINE cải tiến. Đánh giá chất lượng kiểm định cho trận lũ năm 2016 tại trạm Ninh Hòa cho thấy chỉ tiêu NSE tương đối cao (0,92), sai số tổng lượng: 5,9%, sai số đỉnh lũ: 43,8 m3/s (6,6%) (Hình 3.31) và đều đạt mức tốt. Kết quả
0 20 40 60 80 100 120 Thực đo Tính toán Thời gian Q (m3/s) 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Thực đo Tính toán Thời gian Q (m3/s)
tương tự với trận lũ năm 2017, chỉ tiêu NSE đạt 0,90, sai số tổng lượng: 10,0% và sai số đỉnh lũ: 60,7 m3/s (11,1%) (Hình 3.32).
Hình 3.31. Lượng thực đo và tính toán trạm Ninh Hòa trận lũ năm 2016
Hình 3.32. Lưu lượng thực đo và tính toán trạm Ninh Hòa trận lũ năm 2017 3.2.2.3. Đánh giá chi tiết hiệu quả mô phỏng của mô hình MARINE cải tiến trên lưu vực sông Dinh Ninh Hòa 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 của mô hình với cùng bộ thông số và số liệu các trận lũ năm 2016 và
0 100 200 300 400 500 600 700 Thực đo Tính toán Thời gian Q (m3/s) 0 100 200 300 400 500 600 Thực đo Tính toán Thời gian Q (m3/s)
2017. Phân bố mưa theo không gian trong 1 giờ lớn nhất của trận mưa năm 2016 (07h/16/12) và 2017 (18h/28/5) được thể hiện trên Hình 3.33. Mô hình sử dụng bộ thông số đã hiệu chỉnh và kiểm định với chất lượng ổn định từ các trận lũ trên để việc đánh giá được khách quan.
So sánh chất lượng mô phỏng của mô hình MARINE gốc và MARINE cải tiến trong trận lũ năm 2016 tại trạm thủy văn Ninh Hòa, kết quả cho thấy chỉ tiêu NSE tương ứng là 0,89 và 0,92, sai số tổng lượng là 17,0% và 5,9%, sai số đỉnh lũ là 108 m3/s (16,3%) và 43,8m3/s (6,6%) (Hình 3.34). So sánh tương tự với trận lũ năm 2017 tại trạm thủy văn Ninh Hòa bằng chỉ tiêu NSE lần lượt là lần lượt là 0,60 và 0,90, sai số tổng lượng là 20,0% và 10,0%, sai số đỉnh lũ là 128 m3/s (22,7%) và 60,7m3/s (11,1%) (Hình 3.35). Công cụ nội suy mưa đã tăng chất lượng mô phỏng cho mô hình MARINE cải tiến trên lưu vực sông Dinh Ninh Hòa và được thể hiện thông qua các chỉ tiêu đánh giá với trận lũ năm 2016 và 2017.
Hình 3.33. Minh họa bản đồ phân bố mưa giờ lớn nhất trận lũ năm 2016 (a) và 2017 (b) được xây dựng bằng công cụ nội suy
Hình 3.34. So sánh lưu lượng thực đo và tính toán của mô hình MARINE gốc với MARINE cải tiến trạm Ninh Hòa trận lũ năm 2016
Hình 3.35. So sánh lưu lượng thực đo và tính toán của mô hình MARINE gốc với MARINE cải tiến trạm Ninh Hòa trận lũ năm 2017
b) Hiệu quả mô hình sóng động học một chiều
Số liệu các trận lũ năm 2016 và 2017 được sử dụng để so sánh trong trường hợp mô phỏng bằng mô hình MARINE gốc và MARINE cải tiến. Do dòng chảy đoạn sông cồng dồn và chứa tính toán truyền lũ trong mô hình gốc mô hình gốc nên mô phỏng lũ lên nhanh, xuống nhanh; tuy nhiên, mô hình cải tiến đã khắc phục hạn chế này bằng diễn toán sóng động học 1 chiều và cho kết quả tính toán sát với thực đo hơn.
Hiệu quả tích hợp mô hình sóng động học trong MARINE được thể hiện qua đánh giá chất lượng bằng mô hình gốc và mô hình cải tiến so với lưu lượng
0 200 400 600 800
Thực đo MARINE cải tiến MARINE gốc
Q (m3/s) Thời gian 0 100 200 300 400 500 600
Thực đo MARINE cải tiến MARINE gốc
Q (m3/s)
thực đo tại trạm Ninh Hòa. Cụ thể, đối với trận lũ năm 2016, chỉ tiêu NSE tương ứng là 0,89 và 0,93, sai số tổng lượng là 5,86% và 5,92%, sai số đỉnh lũ là 92,5 m3/s (14,0%) và 43,8 m3/s (6,6%) (Hình 3.36). So sánh tương tự cho trận lũ năm 2017 tai trạm Ninh Hòa tương ứng được chỉ tiêu NSE là 0,88 và 0,90, sai số tổng lượng là 12,9% và 10,0%, sai số đỉnh lũ là 79,6 m3/s (14,5%) và 60,7 m3/s (11,1%) (Hình 3.37).
Hình 3.36. So sánh lưu lượng thực đo và tính toán của mô hình MARINE gốc với MARINE cải tiến trạm Ninh Hòa trận lũ năm 2016
Hình 3.37. So sánh lưu lượng thực đo và tính toán của mô hình MARINE gốc với MARINE cải tiến trạm Ninh Hòa trận lũ năm 2017
0 100 200 300 400 500 600 700 800
Thực đo MARINE cải tiến MARINE gốc
Q (m3/s) Thời gian 0 100 200 300 400 500 600 700
Thực đo MARINE cải tiến MARINE gốc
Thời gian Q (m3/s)
c) Hiệu quả mô đun diễn toán dòng chảy qua hồ
Hiệu quả mô đun diễn toán dòng chảy qua hồ trong mô hình MARINE cải tiến trên lưu vực sông Dinh Ninh Hòa được đánh qua số liệu trạm Đá Bàn có vị trí gần sát chân đập Đá Bàn và thể hiện rõ tác động của hồ chứa đến dòng chảy trong sông (Hình 1.2 và 3.24). Số liệu đồng bộ năm 2010 của hồ Đá Bàn và trạm Đá Bàn [16] gần chân đập được sử dụng để đánh giá hiệu quả của mô đun diễn toán dòng chảy qua hồ; để đánh giá khách quan, số liệu này không được sử dụng trong quá trình hiệu chỉnh bộ thông số mô hình MARINE.
So sánh giữa kết quả tính toán bằng mô hình MARINE gốc và MARINE cải tiến với giá trị lưu lượng thực đo trạm Đá Bàn trong trận lũ năm 2010, cho kết quả chỉ tiêu NSE tương ứng là 0,33 và 0,92, sai số tổng lượng là 38,1% và 4,7%, sai số đỉnh lũ là 80,6 m3/s (59,7%) và 21,0 m3/s (15,6%) (Hình 3.38). Như vậy, mô đun diễn toán dòng chảy qua hồ nâng cao chất lượng mô phỏng của mô hình MARINE cải tiến và thể hiện tầm quan trọng của mô phỏng tác động hồ chứa đối với quá trình dòng chảy phía hạ lưu.
Hình 3.38. So sánh lưu lượng thực đo và tính toán của mô hình MARINE gốc với MARINE cải tiến trạm Đá Bàn năm 2010
3.2.3. Ứng dụng thử nghiệm trên lưu vực sông Cái Phan Rang
3.2.3.1. Thiết lập mô hình MARINE cải tiến cho lưu vực sông Cái Phan Rang
a) Thiết lập chung
Mô hình MARINE thiết lập cho lưu vực sông Cái Phan Rang đến trạm thủy văn Phan Rang; các lớp bản đồ địa hình, thảm phủ, loại đất, độ ẩm đất, mực nước ngầm được chuyển đổi sang dạng raster kích thước lưới 90 × 90 m, hệ tọa độ VN2000 kinh tuyến gốc 105o múi chiếu 6o, với số ô lưới gồm 1032
0 50 100 150 200
Thực đo MARINE cải tiến MARINE gốc
Q (m3/s)
hàng và 757 cột (Hình 3.39 và 3.40). Thông số ban đầu dẫn suất thủy lực, mao dẫn, độ rỗng đất và hệ số nhám được xác định từ Bảng 3.1 và 3.2.
Hình 3.39. Minh họa bản đồ DEM (a) [74] và loại đất (b) [13] lưu vực sông Cái Phan Rang
Hình 3.40. Minh họa bản đồ độ ẩm đất (a) [34] và thảm phủ thực vật (b) [30] [74] lưu vực sông Cái Phan Rang
a b
b) Mô hình hóa hệ thống sông
Mạng lưới sông Cái Phan Rang được mô hình hóa trong mô đun sóng động học một chiều tuyến tính và phi tuyến với tổng chiều dài là 292,6 km. Trong đó, dòng chính sông Dinh (sông cấp 1) có độ dài 143400 m, 1593 nút; sông Lu (sông cấp 2) có độ dài 39120 m, 435 nút; sông Than (sông cấp 2) có độ dài 24590 m, 273 nút; sông Ông (sông cấp 2) có độ dài 13860 m, 154 nút; sông Trà Co (sông cấp 2) có độ dài 24290, 270 nút; sông Sung (sông cấp 2) có độ dài 23330 m, 259 nút và sông Bà Râu (sông cấp 2) có độ dài 24010 m, 267 nút (Hình 3.41). Các nút được cộng dồn khoảng cách từ thượng lưu về hạ lưu, tại mỗi nút đã tính toán độ dốc, chiều rộng, hệ số nhám Manning và xuất sang định dạng ASCII (*.txt) để làm đầu vào cho mô hình.
c) Thiết lập mô đun diễn toán dòng chảy qua hồ
Trên lưu vực sông Cái Phan Rang có 4 hồ thủy lợi ảnh hưởng lớn đến dòng chảy gồm: hồ Sông Sắt có 2 cửa tràn, hồ Trà Co có 3 cửa tràn, hồ Sông Than và Tân Giang có 3 cửa tràn và 1 đập tràn tự do; các hồ chứa trên đều có van điều khiển và không có chức năng điều tiết lũ. Dữ liệu đầu vào của các hồ định dạng ASCII (*.txt), đường đặc tính lòng hồ và bảng tra quan hệ V~F~Z các hồ Sông Sắt, Trà Co, Sông Than và Tân Giang được thể hiện trong Bảng 5, từ Hình 12 đến Hình 14 của Phụ lục.
d) Đồng bộ hóa số liệu lượng mưa các trạm
Số liệu mưa phân bố không gian được nội suy từ các trạm khí tượng Phan Rang và Nha Hố; các trạm thủy văn Tân Mỹ, Phước Bình, Quảng Ninh, Phước Hà, Phước Hữu; các trạm đo mưa Khánh Sơn, Phước Đại, Sông Pha, Phước Chiến, Nhị Hà, Quán Thẻ, Phương Cựu, Ba Tháp, Đá Hang, Bà Râu. Mỗi loại trạm có chế độ và tần suất quan trắc khác nhau, do đó số liệu cần được tính toán thống nhất thời đoạn 1 giờ và khoảng thời gian sử dụng. Số liệu đợt mưa tương ứng với trận lũ lớn nhất năm 2016 và 2018 tại các trạm trên được thu thập và đồng bộ để làm đầu vào cho công cụ nội suy mưa phân bố không gian (Hình 3.42 và 3.43).
Hình 3.42. Biểu đồ lượng mưa 1 giờ lớn nhất trận lũ tháng 11 năm 2016
0 10 20 30 40 50 60 70
Phước Bình Khánh Sơn Phước Đại Sông Pha Quảng Ninh Nha Hố Phước Chiến Tân Mỹ Phước Hà Nhị Hà Quán Thẻ Phước Hữu Phan Rang Phương Cựu Ba Tháp Bà Râu Đá Hang
X (mm)
Hình 3.43. Biểu đồ lượng mưa 12 giờ trận lũ tháng 12 năm 2018
e) Thiết lập công cụ nội suy mưa phân bố không gian
Công cụ nội suy mưa không gian thiết lập trên lưu vực sông Cái Phan Rang để tính toán lượng mưa ô lưới từ các trạm mưa đã được đồng bộ hóa ở trên. Tọa độ của các trạm và ô lưới DEM được thống nhất chuyển về hệ VN2000 để tính toán khoảng cách từ ô lưới đến các trạm. Công cụ nội suy mưa tự động xây dựng phương trình hồi quy mưa theo độ cao từ số liệu lượng mưa của các trạm đo mưa tự động trên địa bàn tỉnh Khánh Hòa, Ninh Thuận và Đắk Lắk, số liệu được biên tập tương tự như đã thiết lập trên lưu vực sông Cái Nha Trang và Dinh Ninh Hòa.
3.2.3.2. Hiệu chỉnh và kiểm định bộ thông số cho lưu vực sông Cái Phan Rang Bộ thông số của mô hình MARINE cải tiến được hiệu chỉnh với trận lũ Bộ thông số của mô hình MARINE cải tiến được hiệu chỉnh với trận lũ lớn từ 1h ngày 2 đến 19h ngày 8 tháng 11 năm 2016 (Hình 3.42) [34] và trận lũ lớn nhất năm 2018, quan trắc từ 1h ngày 27 đến 21h ngày 31 tháng 12 được sử dụng để kiểm định bộ thông số mô hình (Hình 3.43). Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng hiệu chỉnh và kiểm định bao gồm chỉ tiêu Nash - Sutcliffe (NSE), sai số tổng lượng, sai số đỉnh lũ được thể hiện tại Bảng 1 của Phụ lục.
a) Hiệu chỉnh
Sử dụng số liệu trận lũ năm 2016 để hiệu chỉnh bộ thông số mô hình MARINE cải tiến được kết quả thông số độ rỗng, mao dẫn, dẫn suất thủy lực và hệ số nhám Manning ở các Bảng 3.7 và 3.8. Đánh giá chất lượng hiệu chỉnh bộ thông số mô hình MARINE cải tiến tại trạm thủy văn Phước Hà với chỉ tiêu NSE đạt 0,90, sai số tổng lượng: 16,5% và sai số đỉnh lũ: 18,3 m3/s (18,8%)
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0
Phước Bình Khánh Sơn Phước Đại Sông Pha Quảng Ninh Nha Hố Phước Chiến Tân Mỹ Phước Hà Nhị Hà Quán Thẻ Phước Hữu Phan Rang Phương Cựu Ba Tháp Bà Râu Đá Hang
Thời gian X (mm)
(Hình 3.44). Đánh giá tương tương tự tại trạm thủy văn Tân Mỹ với chỉ tiêu NSE đạt 0,91; sai số tổng lượng: 3,0% và sai số đỉnh lũ: 22 m3/s (1,6%) (Hình 3.45). Các chỉ tiêu này đều nằm trong ngưỡng đạt yêu cầu và bộ thông số được lựa chọn để đánh giá kiểm định với chuỗi số liệu độc lập.