CHƢƠNG 2 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.2. Phƣơng pháp mô hình toán
2.2.2. Các thông số cơ bản của mô hình
Mô hình có các thông số cơ bản đƣợc thể hiện trong Bảng 2.1.
Bảng 2.1. Các thông số của mô hình NAM
Thông số mô hình Mô tả
Lmax
Lƣợng nƣớc tối đa trong bể chứa tầng rễ cây. Lmax có thể gọi là lƣợng ẩm tối đa của tầng rễ cây để thực vật có thể hút để thoát hơi nƣớc.
Umax
Lƣợng nƣớc tối đa trong bể chứa mặt. Lƣợng trữ này có thể gọi là lƣợng nƣớc để điền trũng, rơi trên mặt thực vật, vàchứa trong vài cm của bề mặt của đất.
CQOF Hệ số dòng chảy mặt (0 ≤ CQOF ≤ 1). CQOF quyết định sự phân phối của mƣahiệu quả cho dòng chảy ngầm và thấm.
TOF Giá trị ngƣỡng của dòng chảy mặt (0 ≤ TOF ≤ 1). Dòng chảymặt chỉ hình thành khi lƣợng ẩm tƣơng đối của đất ở tầng rễcây lớn hơn
30
TOF. TIF
Giá trị ngƣỡng của dòng chảy sát mặt (0 ≤ TOF ≤ 1). Dòng chảy sát mặt chỉ đƣợc hình thành khi chỉ số ẩm tƣơng đối củatầng rễ cây lớn hơn TIF.
TG
Giá trị ngƣỡng của lƣợng nƣớc bổ sung cho dòng chảy ngầm (0 ≤ TOF ≤ 1).Lƣợng nƣớc bổ sung cho bể chứa ngầm chỉ đƣợc hình thành khi chỉ số ẩm tƣơng đối của tầng rễ cây lớn hơn TG. CKIF
Hằng số thời gian của dòng chảy sát mặt. CKIF cùng với Umax quyết định dòng chảy sát mặt. Nó chi phối thông số diễn toán dòng chảy sát mặt CKIF >> CK12.
CK12
Hằng số thời gian cho diễn toán dòng chảy mặt và sát mặt.Dòng chảy mặt và dòng chảy sát mặt đƣợc diễn toán theo cácbể chứa tuyến tính theo chuỗi với cùng một hằng số thời gian CK12. CKBF
Hằng số thời gian dòng chảy ngầm. Dòng chảy ngầm từ bể chứa ngầm đƣợc tạo ra sử dụng mô hình bể chứa tuyến tínhvới hằng số thời gian CKBF.
Hình 2.1. Cấu trúc của mô hình NAM 2.2.3.Các yếu tố chính ảnh hƣởng đến kết quả mô hình 2.2.3.Các yếu tố chính ảnh hƣởng đến kết quả mô hình
Lƣợng trữ bề mặt
Lƣợng ẩm bị giữ lại bởi thực vật cũng nhƣ đƣợc trữ trong các chỗ trũng trên tầng trên cùng của bề mặt đất đƣợc coi là lƣợng trữ bề mặt. Umax biểu thị giới hạn trên của tổng lƣợng nƣớc trong lƣợng trữ bề mặt. Tổng lƣợng nƣớc U trong lƣợng trữ bề mặt
31
liên tục bị giảm do bốc hơi cũng nhƣ do thấm ngang. Khi lƣợng trữ bề mặt đạt đến mức tối đa, một lƣợng nƣớc thừa PN sẽ gia nhập vào sông với vai trò là dòng chảy tràn trong khi lƣợng còn lại sẽ thấm vào tầng thấp bên dƣới và tầng ngầm.
Lƣợng trữ tầng thấp hay lƣợng trữ tầng rễ cây
Độ ẩm trong tầng rễ cây, lớp đất bên dƣới bề mặt đất, tại đó thực vật có thể hút nƣớc để bốc thoát hơi đặc trƣng cho lƣợng trữ tầng thấp. Lmax biểu thị giới hạn trên của tổng lƣợng nƣớc trữ trong tầng này. Độ ẩm trong lƣợng trữ tầng thấp cung cấp cho bốc thoát hơi thực vật. Độ ẩm trong tầng này điều chỉnh tổng lƣợng nƣớc gia nhập vào lƣợng trữ tầng ngầm, thành phần dòng chảy mặt, dòng sát mặt và lƣợng gia nhập lại.
Bốc thoát hơi nƣớc
Nhu cầu bốc thoát hơi đầu tiên đƣợc thoả mãn từ lƣợng trữ bề mặt với tốc độ tiềm năng. Nếu lƣợng ẩm U trong lƣợng trữ bề mặt nhỏ hơn yêu cầu (U < Ep) thì phần còn thiếu đƣợc coi rằng là do các hoạt động của rễ cây rút ra từ lƣợng trữ tầng thấp theo tốc độ thực tế Ea. Ea tƣơng ứng với lƣợng bốc hơi tiềm năng và biến đổi tuyến tính theo quan hệ lƣợng trữ ẩm trong đất, L/Lmax, của lƣợng trữ ẩm tầng thấp.
Dòng chảy mặt
Khi lƣợng trữ bề mặt vƣợt qua giới hạn trên của bể chứa mặt, U > Umax, thì lƣợng nƣớc thừa PN sẽ gia nhập vào thành phần dòng chảy mặt. Thông số QOF đặc trƣng cho phần nƣớc thừa PN đóng góp vào dòng chảy mặt. Nó đƣợc giả thiết là tƣơng ứng với PN và biến đổi tuyến tính theo quan hệ lƣợng trữ ẩm đất, L/Lmax, của lƣợng trữ ẩm tầng thấp.
Trong đó: CQOF: hệ số dòng chảy tràn trên mặt đất (0 ≤ CQOF ≤ 1), TOF : giá trị ngƣỡng của dòng chảy tràn (0 ≤ TOF ≤ 1).
max ( ) a p L E E U L max ax ax / Õu / 1 0 Õu / OF OF N m OF OF OF m OF L L T CQ P n L L T T Q n L L T
32
Phần lƣợng nƣớc thừa PN không tham gia vào thành phần dòng chảy tràn sẽ thấm xuống lƣợng trữ tầng thấp. Một phần trong đó, ∆L, của nƣớc có sẵn cho thấm, (PN-QOF), đƣợc giả thiết sẽ làm tăng lƣợng ẩm L trong lƣợng trữ ẩm tầng thấp. Lƣợng ẩm còn lại, G, đƣợc giả thiết sẽ thấm sâu hơn và gia nhập lại vào lƣợng trữ tầng ngầm.
Dòng chảy sát mặt
Sự đóng góp của dòng chảy sát mặt, QIF, đƣợc giả thiết là tƣơng ứng với U và biến đổi tuyến tính theo quan hệ lƣợng chứa ẩm của lƣợng trữ tầng thấp.
Trong đó CKIF là hằng số thời gian dòng chảy sát mặt và TIF là giá trị ngƣỡng tầng rễ cây của dòng sát mặt (0 ≤ TIF ≤ 1).
Diễn toán dòng chảy mặt và dòng sát mặt:
Dòng sát mặt đƣợc diễn toán qua chuỗi hai hồ chứa tuyến tính với cùng một hằng số thời gian CK12. Diễn toán dòng chảy mặt cũng dựa trên khái niệm hồ chứa tuyến tính nhƣng với hằng số thời gian có thể biến đổi.
Trong đó OF là dòng chảy tràn (mm/giờ) OFmin là giới hạn trên của diễn toán tuyến tính (= 0,4mm/giờ), và β = 0,4. Hằng số β = 0,4 tƣơng ứng với việc sử dụng công thức Manning để mô phỏng dòng chảy mặt.
Theo phƣơng trình trên, diễn toán dòng chảy mặt đƣợc tính bằng phƣơng pháp sóng động học, và dòng chảy sát mặt đƣợc tính theo mô hình NAM nhƣ dòng chảy mặt (trong lƣu vực không có thành phần dòng chảy mặt) đƣợc diễn toán nhƣ một hồ chứa tuyến tính. 1 max ax ax / ( ) Õu / 1 0 Õu / IF IF m IF IF IF m IF L L T CK U n L L T T Q n L L T 12 min 12 min min Õu OF < Õu OF < CK n OF CK OF CK n OF OF
33
Lƣợng gia nhập nƣớc ngầm
Tổng lƣợng nƣớc thấm G gia nhập vào lƣợng trữ nƣớc ngầm phụ thuộc vào độ ẩm chứa trong đất trong tầng rễ cây.
Trong đó TG là giá trị ngƣỡng của tầng rễ cây đối với lƣợng gia nhập nƣớc ngầm (0 ≤ TG ≤ 1).
Độ ẩm chứa trong đất
Lƣợng trữ tầng thấp biểu thị lƣợng nƣớc chứa trong tầng rễ cây. Sau khi phân chia mƣa giữa dòng chảy mặt và dòng thấm xuống tầng ngầm, lƣợng nƣớc mƣa còn lại sẽ đóng góp vào lƣợng chứa ẩm (L) trong lƣợng trữ tầng thấp một lƣợng ∆L.
Dòng chảy cơ bản
Dòng chảy cơ bản BF từ lƣợng trữ tầng ngầm đƣợc tính toán nhƣ dòng chảy ra từ một hồ chứa tuyến tính với hằng số thời gian CKBF.
2.2.4.Dữ liệu đầu vào
Số liệu khí tƣợng: Bao gồm số liệu bốc hơi tiềm năng và số liệu mƣa ngày. Số liệu thủy văn: Tất cả số liệu lƣu lƣợng trung bình ngày đến năm 2014 của 1 trạm thủy văn chính trên hệ thống sông đƣợc thu thập để làm cơ sở cho hiệu chỉnh và kiểm định mô hình là trạm thủy văn Gia Vòng.
Chuỗi số liệu quan trắc KTTV trên hệ thống sông Bến Hải thu thập đƣợc khá đồng bộ từ 1977- 2014 với số liệu của 2 trạm khí tƣợng, thủy văn thể hiện ở Bảng 2.2
Bảng 2.2. Danh sách các trạm khí tƣợng sử dụng trong mô hình NAM
STT Trạm Vĩ độ Kinh độ Thời kỳ quan trắc Độ Phút Độ Phút 1 Đông Hà KT 16 50 107 05 1977-2014 2 Gia VòngTV 16 56 106 56 1977-2014 max max max / ( ) Õu / 1 0 Õu / G N OF G G G L L T P Q n L L T T G n L L T L PN QOFG
34
2.2.5.Dữ liệu đầu ra của mô hình
Dữ liệu đầu ra của mô hình bao gồm giá trị lƣu lƣợng trung bình ngày tại các trạm thủy văn chính trên lƣu vực, các tiểu vùng cân bằng nƣớc và một số hồ chứa chính trên lƣu vực phục vụ tính toán cân bằng nƣớc và tính toán thủy lực.
2.2.5.1. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình
Việc hiệu chỉnh thông số mô hình đƣợc tiến hành bằng cách điều chỉnh các thông số mô hình bằng phƣơng pháp thử-sai. Sơ đồ các bƣớc hiệu chỉnh mô hình nhƣ hình dƣới.
Hình 2.2. Sơ đồ quá trình hiệu chỉnh bộ thông số mô hình
Quá trình hiệu chỉnh có thể tóm tắt thành các bƣớc sau đây: Bƣớc 1: Giả thiết bộ thông số, điều kiện ban đầu.
Bƣớc 2: Sau khi đã có bộ thông số giả thiết, tiến hành chạy mô hình.
Bƣớc 3: So sánh kết quả tính toán với số liệu thực đo tại các trạm có số liệu đo đạc lƣu lƣợng và mực nƣớc.
Việc so sánh này có thể tiến hành bằng trực quan (so sánh hai đƣờng quá trình tính toán và thực đo trên biểu đồ), đồng thời kết hợp chỉ tiêu NASH để kiểm tra.
Xo,i: Giá trị thực đo
Xs,i: Giá trị tính toán hoặc mô phỏng. : Giá trị thực đo trung bình
35
Bƣớc 4: Nếu kết quả so sánh tốt thì dừng hiệu chỉnh và lƣu bộ thông số. Nếu kết quả không đạt, tiến hành phân tích đánh giá sai lệch, sau đó tiếp tục hiệu chỉnh lại bộ thông số.
Kết quả hiệu chỉnh mô hình
Sai số giữa lƣu lƣợng tính toán và thực đo trong bƣớc hiệu chỉnh mô hình đƣợc đánh giá theo chỉ số Nash-Sutcliffe.
2 1 , 2 1 sin, , 2 1 n i obs i obs n i i i obs Q Q Q Q R
Trong đó: Qobs, i: lƣu lƣợng thực đo tại thời điểm thứ i; Qsim, i: lƣu lƣợng tính toán tại thời điểm thứ i; Qobs : lƣu lƣợng thực đo trung bình các thời đoạn. Kiểm định mô hình là công tác kiểm tra lại mức độ phù hợp của mô hình với bộ thông số chúng ta tìm đƣợc tại lƣu vực tính toán nhƣng ở giai đoạn thời gian khác có sự tƣơng quan với thời gian chúng ta dùng để hiệu chỉnh mô hình, ví dụ nhƣ khi chúng ta xây dựng bộ thông số sử dụng trong mùa lũ thì chúng ta phải kiểm lại bộ thông số đó của mô hình trong mùa lũ khác chứ không thể dùng bộ thông số này để kiểm nghiệm lại mô hình trong mùa kiệt bởi các đặc điểm của lƣu vực đƣợc biểu diễn bằng các thông số trong mô hình giữa các mùa là khác nhau nên kết quả kiểm nghiệm trong các trƣờng hợp nhƣ vậy sẽ không chính xác.
Số liệu đầu vào cho mô hình gồm: số liệu về mƣa, bốc hơi, lƣu lƣợng thực đo. + Mƣa: do lƣu vực là tƣơng đối nhỏ và chỉ ảnh hƣởng trực tiếp của trạm mƣa gần nhất là trạm mƣa Gia Vòng với số liệu đo đạc liên tục từ năm 1977 đến năm 2014 để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình.
+ Lƣu lƣợng: sử dụng số liệu Q ngày trạm Gia Vòng từ năm 1977 đến 2014 + Bốc hơi: để tính toán dòng chảy ngày cho lƣu vực Gia Vòng sử dụng bốc hơi ngày tại trạm Đông Hà làm số liệu tính toán.
Sử dụng số liệu khí tƣợng thủy văn của trạm Gia Vòng để hiệu chỉnh và kiểm định cho giai đoạn từ năm 1977 – 2014.
36
Đối với các trạm thủy văn trên sông chính, số liệu khí tƣợng thủy văn đƣợc chia thành 2 chuỗi: chuỗi từ 1977 đến 1996 lấy làm thời đoạn hiệu chỉnh và từ 1999 đến 2014 để kiểm định thông số mô hình.
Sau đây là kết quả hiệu chỉnh mô hình thủy văn tại trạm thủy văn Gia Vòng: a. Kết quả hiệu chỉnh mô hình NAM
Hình 2.3. So sánh đƣờng quá trình dòng chảy tính toán và thực đo tại trạm Gia Vòng – Hiệu chỉnh mô hình
37
Qua kết quả hiệu chỉnh ta nhận thấy đƣờng quá trình lƣu lƣợng và tổng lƣợng thực đo và tính toán tƣơng đối tốt, với chỉ số NASH= 0.754, sai số tổng lƣợng WBL= 6.6%. Dùng bộ thông số tìm đƣợc tiến hành kiểm định mô hình.
b. Kết quả kiểm định mô hình NAM
Hình 2.4. So sánh đƣờng quá trình dòng chảy tính toán và thực đo tại trạm Gia Vòng – Kiểm định mô hình
Kết quả kiểm định mô hình cho thấy đƣờng quá trình lƣu lƣợng và đƣờng tổng lƣợng lũy tích thực đo và tính toán khi kiểm định là khá phù hợp chỉ số NASH= 0.715, WBL=-9.8, khá tốt. Nhƣ vậy ta có thể sử dụng bộ thông số này
38
làm bộ thông số của mô hình MIKE-NAM trong tính toán tác động của BĐKH tới dòng chảy mặt lƣu vực sông Bến Hải.
Kết quả thu đƣợc bộ thông số của mô hình các lƣu vực bộ phận và bảng kết quả hệ số NASH của lƣu vực Gia Vòng theo Error! Reference source not found.
và Bảng 2.4.
Bảng 2.3. Bộ thông số mô hình NAM của lƣu vực trạm Gia Vòng
Trạm
Thông số
Umax Lmax CQOF CKIF CK1,2 TOF TIF TG CKB
F Gia Vòng 18 195 0.705 687.9 28.6 0.481 0.496 0.104 1205
Bảng 2.4. Kết quả hiệu chỉnh, kiểm định mô hình NAM tại trạm chính trên sông Bến Hải
Trạm Thời kỳ Hiệu chỉnh Kiểm định
Hiệu chỉnh Kiểm định NASH WBL NASH WBL
Gia Vòng 1977-1995 1996-2014 0.75 6.6 0.72 9.8
39
CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
ĐẾN TÀI NGUYÊN NƢỚC LƢU VỰC SÔNG BẾN HẢI
3.1. Biểu hiện của biến đổi khí hậu và kịch bản biến đổi khí hậu cho lƣu vực sông Bến Hải Bến Hải
3.1.1.Biểu hiện của biến đổi khí hậu ở lƣu vực sông Bến Hải
Để đánh giá xu thế diễn biến khí hậu trong những năm qua của lƣu vực sông Bến Hải, luận văn đã sử dụng chuỗi số liệu lƣợng mƣa và nhiệt độ của các trạm khí tƣợng trên lƣu vực.
Số liệu nhiệt độ trung bình năm: Trạm Đông Hà, Khe Sanh
Số liệu tổng lƣợng mƣa năm: Trạm Đông Hà, Khe Sanh, Gia Vòng a. Nhiệt độ
Trong 40 năm qua (1974-2014), nhiệt độ trung bình năm của các trạm trên lƣu vực sông Bến Hải có xu hƣớng tăng lên, khoảng 0,9ºC. Nhiệt độ tại các trạm tăng không đồng đều vào các mùa trong năm mà có xu hƣớng tăng nhanh vào mùa khô và tăng chậm hơn vào mùa mƣa. Xu thế tăng của nhiệt độ tại các trạm đƣợc trình bày trong Hình 3.1
Hình 3.1. Sự thay đổi của nhiệt độ tại một số trạm trên lƣu vực sông Bến Hải
b. Lƣợng mƣa
Trong thời kỳ 1974 – 2014, lƣợng mƣa năm trên toàn bộ lƣu vực sông Bến Hải có xu hƣớng tăng chậm ở cả ba trạm Đông Hà, Khe Sanh và Gia Vòng. Phân bố lƣợng mƣa không đều vào các mùa trong năm, lƣợng mƣa thƣờng tập trung vào 6 tháng mùa mƣa (80 – 85% lƣợng mƣa năm) trong khi lƣợng mƣa các tháng mùa khô chỉ chiếm khoảng 15 – 20% lƣợng mƣa năm. Tháng có lƣợng mƣa thấp nhất thƣờng rơi vào khoảng tháng I, III. Ngoài ra có thể nhận thấy xu thế thay đổi lƣợng mƣa năm đối với
40
trạm thủy văn Gia Vòng (1977-2014) gần nhƣ không có sự biến động. Xu thế thay đổi của lƣợng mƣa ở các trạm đƣợc trình bày trong Hình 3.2
Hình 3.2. Sự thay đổi của lƣợng mƣa tại một số trạm trên lƣu vực sông Bến Hải 3.1.2.Kịch bản biến đổi khí hậu cho lƣu vực sông Bến Hải 3.1.2.Kịch bản biến đổi khí hậu cho lƣu vực sông Bến Hải
a. Kịch bản biến đổi khí hậu với nhiệt độ trung bình
Theo kịch bản RPC4.5 trong giai đoạn từ 2016 – 2035, 2046 – 2065 và 2080 đến 2099 nhiệt độ trung bình năm cả tỉnh Quảng Trị tăng so với thời kỳ nền trung bình lần lƣợt là 0.6 ºC (0,4-1,2); 1,4 ºC (1,0-2,0) và 1,9ºC (1,3-2,8).
Theo kịch bản RCP8.5, nhiệt độ trung bình năm ở thời kỳ 2016 – 2035, 2046 –