Vấn đề nghiên cứu
Mơ hình MIKE NAM tính tốn dịng chảy hạn vừa (10 ngày) mùa cạn từ mưa dự báo số trị của IFS
Cơ sở lý thuyết
Mơ hình IFS Mơ hình MIKE NAM
Đánh giá khả năng dự báo lượng mưa của mơ hình Hiệu chỉnh kết quả dự
báo mưa của mơ hình
Thiết lập các cở sở dữ liệu đầu vào của mơ hình Mơ phỏng, hiệu chỉnh
bộ thơng số mơ hình Kiểm định bộ thơng số của
mơ hình
Dự báo thử, đánh giá phương án dự báo
CHƯƠNG 2
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ CƠ SỞ DỮ LIỆU
2.1 Phương pháp nghiên cứu
2.1.1 Phương pháp phân tích thống kê:
Thu thập, phân tích, xử lý tính toán đặc trưng các số liệu KTTV thực đo, số liệu mưa dự báo từ mơ hình; số liệu bản đồ và các tài liệu, số liệu có liên quan khác.
2.1.2 Phương pháp kế thừa:
Phân tích đánh giá, tổng hợp và thừa kế các nội dung phù hợp phục vụ cho các nội dung nghiên cứu của luận văn. Luận văn là một phần của Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ: “Nghiên cứu xây dựng công nghệ dự báo hạn vừa, hạn dài mùa cạn phục vụ quy trình vận hành liên hồ chứa cho các sơng chính ở khu vực Tây Nguyên” đang thực hiện nên một số nội dung nghiên cứu trong luận văn cũng là nội dung nghiên cứu của đề tài này. Ngồi ra luận văn cịn kế thừa các nghiên cứu từ các Đề tài khoa học cấp Tỉnh, các nghiên cứu về dự báo KTTV của các dự báo viên thuộc Trung tâm Dự báo KTTV Quốc gia – được nêu cụ thể trong tài liệu tham khảo.
2.1.3 Phương pháp mơ hình hóa
2.1.3.1 Mơ hình IFS:
Mơ hình IFS được phát triển bởi Trung tâm Dự báo hạn vừa Châu Âu (ECMWF) có trụ sở ở Reading của Anh. IFS là mơ hình tích hợp nhiều thành phần bao gồm mơ hình khí quyển, mơ hình sóng biển, mơ hình bề mặt đất cùng với mơ hình đồng hóa số liệu. Mơ hình khí quyển được xây dựng dựa trên tập hợp các phương trình cơ bản, mơ tả mối quan hệ giữa áp suất, mật độ, nhiệt độ, độ cao và một số ước đốn. Mơ hình sử dụng hệ tọa độ thẳng đứng sigma. Về hệ thống đồng hóa, mơ hình sử dụng đồng hóa 4D-VAR để cung cấp điều kiện ban đầu tốt nhất cho những phân tích tiếp theo của mơ hình.
Mơ hình IFS chạy một ngày 2 lần với hạn dự báo lên tới 15 ngày. Độ phân giải của mơ hình là 0,125 x 0,125 độ.
Hình 2.1. Sản phẩm dự báo của mơ hình IFS của hạn dự báo 24h cho trường gió 850mb và 700mb
Ở Việt Nam, Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn Quốc gia là cơ quan đang thực hiện mua và khai thác nguồn dữ liệu này. Sản phẩm sau khi tải về sẽ được giải mã và hiển thị để làm công cụ tham khảo cho dự báo viên và được chia sẻ trên trang web của Trung tâm, các Dự báo viên (DBV) tại các Đài khu vực và Đài tỉnh sử dụng.
Trong luận văn này, mơ hình IFS được sử dụng để lấy số liệu dự báo mưa số trị có thời hạn tới 10 ngày phục vụ tính tốn xây dựng phương án dự báo thuỷ văn hạn vừa.
2.1.3.2 Mơ hình MIKE – NAM a. Cơ sở lý thuyết:
Mơ hình NAM được xây dựng tại Khoa Thuỷ văn Viện Kỹ thuật Thuỷ Động lực và Thuỷ lực thuộc Đại học Kỹ thuật Đan Mạch năm 1982 và đã được sử dụng rộng rãi ở một số nước nằm trong nhiều vùng khí hậu khác nhau như Srilanca, Thailand, Ấn Độ, vv... và Việt Nam. Trong mơ hình NAM, mỗi lưu vực được xem là một đơn vị xử lý, do đó các thơng số và các biến là đại diện cho các giá trị được trung bình hóa trên tồn lưu vực. Mơ hình tính q trình mưa - dịng chảy theo cách tính liên tục hàm lượng ẩm trong năm bể chứa riêng biệt có tương tác lẫn nhau.
Mơ hình Nam được xây dựng trên nguyên tắc xếp 4 bể chứa theo chiều thẳng đứng và hai bể chứa tuyến tính nằm ngang
- Bể tuyết (chỉ áp dụng cho vùng có tuyết), được kiểm sốt bằng các điều kiện nhiệt độ. Đối với điều kiện nước ta không cần xét đến bể chứa này.
- Bể mặt: Lượng nước ở bể chứa này bao gồm lượng nước mưa do lớp phủ thực vật chặn lại, lượng nước đọng lại trong các chỗ trũng và lượng nước trong tầng sát mặt. Giới hạn trên của lượng nước trong bể chứa này được kí hiệu bằng Umax.
- Bể sát mặt hay tầng rễ cây: Đây là vùng đất có rễ cây nên cây cối có thể hút nước cung cấp cho bốc thoát hơi nước. Giới hạn trên của lượng nước trong bể chứa này được kí hiệu bằng Lmax, lượng nước hiện tại được kí hiệu là L và tỉ số L/Lmax biểu thị trạng thái ẩm của bể chứa.
- Bể ngầm: Mưa hoặc tuyết tan trước tiên đi vào bể chứa mặt. Lượng nước U trong bể chứa mặt liên tục tiêu hao cho bốc thoát hơi và thấm ngang
để tạo thành dòng chảy sát mặt. Khi lượng nước U vượt quá giới hạn Umax, phần lượng nước thừa sẽ tạo thành dòng chảy tràn để trực tiếp chảy ra sơng, phần cịn lại sẽ thấm xuống các bể chứa tầng dưới và bể chứa nước ngầm.
Lượng cấp nước ngầm được chia ra thành 2 bể chứa: bể chứa nước ngầm tầng trên và bể chứa nước ngầm tầng dưới. Hoạt động của hai bể chứa này như các hồ chứa tuyến tính với các hằng số thời gian khác nhau. Nước trong hai bể chứa này sẽ tạo thành dòng chảy ngầm.
Dòng chảy tràn và dịng chảy sát mặt được diễn tốn qua một hồ chứa tuyến tính thứ nhất. Sau đó, tất cả các thành phần dịng chảy được cộng lại và diễn tốn qua một hồ chứa tuyến tính thứ hai. Cuối cùng sẽ được dòng chảy tổng cộng tại cửa ra.
Những điều kiện ban đầu:
Những điều kiện ban đầu theo yêu cầu của mơ hình NAM bao gồm lượng nước trong bể tuyết, bể mặt, bể chứa tầng rễ cây, cùng với những giá trị ban đầu của dòng chảy từ 2 bể chứa tuyến tính cho dịng chảy mặt và sát mặt và dịng chảy ngầm. Thơng thường tất cả các giá trị ban đầu có thể lấy bằng 0 trừ lượng nước ở tầng rễ cây và tầng ngầm. Ước tính những điều kiện ban đầu này có thể lấy từ lần mơ phỏng trước đó, ở những năm trước đây, nhưng cần đúng với thời gian bắt đầu mô phỏng mới. Trong việc hiệu chỉnh mơ hình, thơng thường nên bỏ qua kết quả mô phỏng của nửa năm đầu tiên để loại bỏ những ảnh hưởng sai số của những điều kiện ban đầu.
Các thơng số của mơ hình:
Mơ hình NAM bao gồm 9 thơng số cần phải hiệu chỉnh cho phù hợp với từng lưu vực.
Bảng 2.1. Một số thông số cơ bản của mơ hình NAM
Thơng số Mơ Tả
Lmax
Lượng nước tối đa trong bể chứa tầng rễ cây. Lmax có thể gọi là lượng ẩm tối đa của tầng rễ cây để thực vật có thể hút để thoát hơi nước.
Umax Lượng nước tối đa trong bể chứa mặt. Lượng trữ này có thể gọi là lượng nước để điền trũng, rơi trên mặt thực vật và chứa trong vài
Thông số Mô Tả
cm của bề mặt đất.
CQOF H số dòng chảy mặt (0 ≤ CQOF≤ 1 ). Quyết định sự phân phối của mưa hiệu quả cho dòng chảy ngầm và thấm.
CKIF
CKIF là hằng số thời gian của dòng chảy sát mặt. CKIF cùng với Umax quyết định dòng chảy sát mặt. Nó chi phối thơng số diễn tốn dịng chảy sát mặt CKIF >>CK12.
TOF
Giá trị ngưỡng của dòng chảy mặt (0 ≤ TOF≤ 1). Dịng chảy mặt chỉ hình thành khi lượng ẩm tương đối của đất ở tầng rễ cây lớn hơn TOF.
TIF
Giá trị ngưỡng của dòng chảy sát mặt (0 ≤ TIF≤ 1). Dòng chảy sát mặt chỉ hình thành khi lượng ẩm tương đối của tầng rễ cây lớn hơn TIF.
CK12
Hằng số thời gian cho diễn tốn dịng chảy sát mặt và sát mặt. Dòng chảy mặt và sát mặt được diễn tốn theo các bể chứa tuyến tính theo chuỗi với cùng với một hằng số thời gian CK12.
CKBF
Hằng số thời gian dòng chảy ngầm. Dòng chảy ngầm từ bể chứa ngầm được tạo ra sử dụng mơ hình bể chứa tuyến tính với hằng số thời gian CKBF.
TG
Giá trị ngưỡng của lượng nước bổ sung cho dòng chảy ngầm (0 ≤ TG≤ 1). Lượng nước bổ sung cho bể chứa ngầm chỉ được hình thành khi chỉ số ẩm tương đối của tầng rễ cây lớn hơn TG.
b. Chia lưu vực tính tốn, thiết lập đầu vào cho mơ hình MIKE-NAM:
Để tính tốn dịng chảy của lưu vực sơng Sê San bằng mơ hình Mike- Nam, trước tiên ta phải phân chia lưu vực này thành các lưu vực nhỏ để quá trình mơ phỏng được chính xác. Dựa vào điều kiện địa lý tự nhiên, mạng lưới sơng ngịi và mạng lưới trạm quan trắc khí tượng thủy văn trên lưu vực, tài liệu điều tra, khảo sát thu thập được, vị trí các hồ chứa thủy điện, có thể chia lưu vực hệ thống sông Sê San thành các lưu vực bộ phận dựa theo các tiêu chí sau:
- Các lưu vực phải có ít nhất một điểm đổ nước ra sơng Sê San.
- Trạm thuỷ văn cần dùng để hiệu chỉnh kết quả phải nằm trong lưu vực bộ phận.
- Phân chia lưu vực bộ phận đến các hồ chứa.
- Các lưu vực bộ phận có diện tích đủ nhỏ để phù hợp với tính tốn trong mơ hình Nam.
Cơng cụ để thực hiện việc phân chia lưu vực là sử dụng phần mềm MIKE GIS và Mapinfo 10.5. Các lưu vực con được tạo ra từ việc sử dụng bản đồ DEM và công cụ Terrain Preprocessing trong Arc Hydro tool của MIKE GIS. Phần mềm Mapinfo 10.5 sử dụng kết nối các lưu vực con được tạo kết hợp với 2 tiêu chí trên để có được phân chia lưu vực bộ phận trên hệ thống sông Sê San.
b1. Xây dựng mơ hình DEM cho lưu vực sơng Sê San:
Bản đồ DEM 30 x 30m lưu vực sông Sê San được down load trực tiếp trên trang web http://gdex.cr.usgs.gov/gdex/. Trang web này cho phép download các loại bản đồ DEM dạng 90 x 90m và 30 x 30m với các độ cao khác nhau của toàn bộ lưu vực. Bản đồ Dem download về vẫn ở dạng thô, cần chỉnh sửa định dạng để có 1 bản đồ Dem 30x30m hoàn chỉnh.