2.3 Mô hình thủy văn cho lưu vực nghiên cứu
2.3.1 Cấu trúc của mơ hình NAM
Mơ hình NAM đƣợc xây dựng tại Khoa Thuỷ văn Viện Kỹ thuật Thuỷ động lực và Thuỷ lực thuộc Đại học Kỹ thuật Đan Mạch năm 1982. NAM là chữ viết tắt của cụm từ tiếng Đan Mạch ―Nedbør - Afstrømnings - Models‖ có nghĩa là mơ hình mƣa dịng chảy. Mơ hình NAM đã đƣợc sử dụng rộng rãi ở Đan Mạch và một số nƣớc nằm trong nhiều vùng khí hậu khác nhau nhƣ Srilanca, Thái Lan, Ấn Độ và Việt Nam.v.v. Trong mơ hình NAM, mỗi lƣu vực đƣợc xem là một đơn vị xử lý, do đó các thơng số và các biến là đại diện cho các giá trị đƣợc trung bình hóa trên tồn lƣu vực. Mơ hình tính q trình mƣa-dịng chảy theo cách tính liên tục hàm lƣợng ẩm trong bốn bể chứa riêng biệt có tƣơng tác lẫn nhau [22] bao gồm.
- Bể chứa tuyết tan đƣợc kiểm soát bằng các điều kiện nhiệt độ. Đối với điều kiện khí hậu nhiệt đới ở nƣớc ta thì khơng xét đến bể chứa này.
- Bể chứa mặt: lƣợng nƣớc ở bể chứa này bao gồm lƣợng nƣớc mƣa do lớp phủ thực vật chặn lại, lƣợng nƣớc đọng lại trong các chỗ trũng và lƣợng
nƣớc trong tầng sát mặt. Giới hạn trên của bể chứa này đƣợc ký hiệu bằng Umax.
- Bể chứa tầng dƣới: là vùng đất có rễ cây nên cây cối có thể hút nƣớc cho bốc, thốt hơi. Giới hạn trên của lƣợng nƣớc trong bể chứa này đƣợc ký hiệu
là Lmax, lƣợng nƣớc hiện tại đƣợc ký hiệu là L và tỷ số L/Lmax biểu thị trạng
thái ẩm của bể chứa. - Bể chứa nƣớc ngầm
Ngoài ra NAM cho phép xử lý các can thiệp của con ngƣời trong chu kỳ thủy văn nhƣ tƣới và bơm nƣớc ngầm (không đƣợc xét đến trong phạm vi nghiên cứu của luận văn).
Mƣa hoặc tuyết tan đều đi vào bể chứa mặt. Lƣợng nƣớc (U) trong bể chứa mặt liên tục cung cấp cho bốc hơi và thấm ngang thành dòng chảy sát mặt. Khi U đạt đến Umax, lƣợng nƣớc thừa là dòng chảy tràn trực tiếp ra sơng và một phần cịn lại sẽ thấm xuống các bể chứa tầng dƣới và bể chứa ngầm.
Nƣớc trong bể chứa tầng dƣới liên tục cung cấp cho bốc thoát hơi và thấm xuống bể chứa ngầm. Lƣợng cấp nƣớc ngầm đƣợc phân chia thành hai bể chứa: tầng trên và tầng dƣới, hoạt động nhƣ các hồ chứa tuyến tính với các hằng số thời gian khác nhau. Hai bể chứa này liên tục chảy ra sơng tạo thành dịng chảy cơ bản.
Dòng chảy tràn và dòng chảy sát mặt đƣợc diễn tốn qua một hồ chứa tuyến tính thứ nhất, sau đó các thành phần dịng chảy đƣợc cộng lại và diễn tốn qua hồ chứa tuyến tính thứ hai. Cuối cùng cũng thu đƣợc dòng chảy tổng cộng tại cửa ra.
2.3.2 Các yếu tố chính ảnh hưởng đến dịng chảy trong mơ hình NAM
a. Lượng 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 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 PNsẽ 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.
b. Lượng trữ tầng thấp hay lượng 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.
c. Bốc thoát hơi nước
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 cịn 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.
max ( ) a p L E E U L (2) d. Dòng chảy mặt
Khi lƣợng trữ bề mặt đã tràn, U > Umax, thì lƣợng nƣớc thừa PN sẽ gia nhập vào thành phần dịng chảy mặt. Thơng số QOF đặc trƣng cho phần nƣớc thừa PN đóng góp vào dịng 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.
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 (3) 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).
Phần lƣợng nƣớc thừa PN khơng tham gia vào thành phần dịng 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.
e. Dịng chảy sát mặt
Sự đóng góp của dịng 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.
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 (4) 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).
Dòng sát mặt đƣợc diễn ton qua chuỗi hai hồ chứa tuyến tính với cùng một hằng số thời gian CK12. Diễn tốn dịng chảy mặt cũng dựa trên khái niệm hồ chứa tuyến tính nhƣng với hằng số thời gian có thể biến đổi.
12 min 12 min min Õu OF < Õu OF < CK n OF CK OF CK n OF OF (5)
Trong đó OF là dịng chảy tràn (mm/hr) OFmin là giới hạn trên của diễn tốn tuyến tính (= 0,4 mm/giờ), và β = 0,4. Hằng số β = 0,4 tƣơng ứng với việc sử dụng cơng thức Manning để mơ phỏng dịng chảy mặt.
Theo phƣơng trình trên, diễn tốn dịng chảy mặt đƣợc tính bằng phƣơng pháp sóng động học, và dịng chảy sát mặt đƣợc tính theo mơ hình NAM nhƣ dịng chảy mặt (trong lƣu vực khơng có thành phần dịng chảy mặt) đƣợc diễn tốn nhƣ một hồ chứa tuyến tính.
g. Lượng gia nhập nước 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.
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 (6)
trong đó TG là giá trị ngƣỡng tầng rễ cây đối với lƣợng gia nhập nƣớc ngầm (0 ≤ TG ≤ 1).
h. 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.
L PN QOFG (7)
Dòng chảy cơ bản BF từ lƣợng trữ tầng ngầm đƣợc tính tốn nhƣ dịng chảy ra từ một hồ chứa tuyến tính với hằng số thời gian CKBF.
2.3.3 Các thơng số cơ bản của mơ hình NAM
- CQOF: Hệ số dịng chảy tràn khơng có thứ nguyên, có phạm vi biến đổi từ 0.0
đến 0.9. Nó phản ánh điều kiện thấm và cấp nƣớc ngầm. Vì vậy nó ảnh hƣởng nhiều đến tổng lƣợng dòng chảy và đoạn cuối của đƣờng rút. Thơng số này rất quan trọng vì nó quyết định phần nƣớc dƣ thừa để tạo thành dòng chảy tràn và lƣợng nƣớc thấm. Các lƣu vực có địa hình bằng phẳng, cấu tạo bởi cát thơ thì giá trị CQOF tƣơng đối nhỏ, ở những lƣu vực mà tính thấm nƣớc của thổ nhƣỡng kém nhƣ sét, đá tảng thì giá trị của nó sẽ rất lớn.
- CQIF: Hệ số dịng chảy sát mặt, có thứ ngun là thời gian (giờ)-1. Nó chính là phần của lƣợng nƣớc trong bể chứa mặt (U) chảy sinh ra dòng chảy sát mặt trong một đơn vị thời gian. Thông số này ảnh hƣởng không lớn đến tổng lƣợng lũ, đƣờng rút nƣớc.
- CBL: là thơng số dịng chảy ngầm, đƣợc dùng để chia dòng chảy ngầm ra làm
hai thành phần: BFU và BFL. Trƣờng hợp dịng chảy ngầm khơng quan trọng thì có thể chỉ dùng một trong 2 bể chứa nƣớc ngầm, khi đó chỉ cần CBFL=0, tức là lƣợng cấp nƣớc ngầm đều đi vào bể chứa ngầm tầng trên. - CKOF, CKIF: Là các ngƣỡng dƣới của các bể chứa để sinh dòng chảy tràn,
dòng chảy sát mặt và dịng chảy ngầm, các thơng số này khơng có thứ nguyên và có giá trị nhỏ hơn 1. Chúng có liên quan đến độ ẩm trong đất, khi các giá trị của ngƣỡng này nhỏ hơn L/Lmax thì sẽ khơng có dịng chảy tràn, dịng chảy sát mặt và dòng chảy ngầm. Về ý nghĩa vật lý, các thông số này phản ánh mức độ biến đổi trong không gian của các đặc trƣng lƣu vực sông. Do vậy, giá trị các ngƣỡng của lƣu vực nhỏ thƣờng lớn so với lƣu vực lớn. - Umax, Lmax: Thông số biểu diễn khả năng chứa tối đa của các bể chứa tầng
trên và tầng dƣới. Do vậy, Umax và Lmax chính là lƣợng tổn thất ban đầu lớn nhất, phụ thuộc và điều kiện mặt đệm của lƣu vực. Một đặc điểm của mơ hình là lƣợng chứa Umax phải nằm trong sức chứa tối đa trƣớc khi có lƣợng mƣa vƣợt thấm, khi đó lƣợng nƣớc thừa sẽ PN xuất hiện, tức là U< Umax. Do đó trong thời kỳ khơ hạn, tổn thất của lƣợng mƣa trƣớc khi có dịng chảy tràn xuất hiện có thể đƣợc lấy làm Umax ban đầu.
- CK1,2, CKBF: là các hằng số thời gian biểu thị thời gian tập trung nƣớc. Chúng là các thông số rất quan trọng, ảnh hƣởng đến dạng đƣờng quá trình và đỉnh.
2.3.4 Điều kiện ban đầu của mơ hình
- U là hàm lƣợng nƣớc ban đầu trong bể chứa mặt (mm) - L là hàm lƣợng nƣớc chứa trong bể chứa tầng dƣới (mm)
- QOF - cƣờng suất dịng chảy mặt sau khi diễn tốn qua bể chứa tuyến tính (mm/h)
- QIF - cƣờng suất dịng chảy sát mặt khi qua bể chứa tuyến tính (mm/h) - BF - cƣờng suất dòng chảy ngầm (mm/h)
2.3.5 Hàm mục tiêu
Mơ hình đƣợc tích hợp 4 hàm mục tiêu: (1) lỗi cân bằng nƣớc tổng hợp, (2) RMSE tổng hợp, (3) RMSE dòng chảy đỉnh, (4) RMSE dòng chảy thấp. Đối với RMSE dòng chảy đỉnh và dòng chảy thấp việc xác định mức ngƣỡng cho dòng chảy thấp và dòng chảy đỉnh nên đƣợc thực hiện.
Tóm lại, mơ hình NAM đƣợc sử dụng để xác định đƣờng quá trình lƣu lƣợng tại mặt cắt cửa ra của lƣu vực từ số liệu mƣa và bốc hơi thơng qua bài tốn xác định một bộ thông số phù hợp với đặc điểm của lƣu vực nghiên cứu. Để xác định đƣợc các thơng số cần thiết đó, số liệu lƣu lƣợng thực đo một vài năm đƣợc yêu cầu để hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình. Chƣơng sau sẽ trình bày chi tiết số liệu, thiết lập cũng nhƣ thực hiện tính tốn bằng mơ hình.
Chương 3
ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG CỰC TRỊ DÒNG CHẢY DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
3.1 CƠ SỞ DỮ LIỆU
3.1.1 Số liệu đầu vào mơ hình NAM
Số liệu vào của mơ hình bao gồm số liệu khơng gian và số liệu thuộc tính. Trong đó:
Số liệu khơng gian bao gồm:
Bản đồ DEM lƣu vực sông Nhuệ Đáy (30x30). Bản đồ mạng lƣới sông suối .
Bản đồ hệ thống lƣới trạm đo khí tƣợng, thuỷ văn . Số liệu thuộc tính bao gồm:
Diện tích khống chế của trạm thủy văn
Số liệu khí tƣợng bao gồm mƣa, bốc hơi trung bình ngày Số liệu thuỷ văn bao gồm lƣu lƣợng trung bình ngày.
Số liệu khí tƣợng, thủy văn đƣợc sử dụng với bƣớc thời gian ngày để cho phép nghiên cứu dòng chảy một cách chi tiết theo thời gian trên lƣu vực.
Theo thống kê trên tồn bộ hệ thống sơng suối của lƣu vực sơng Nhuệ-Đáy có các trạm đo lƣu lƣợng có với số liệu thống kê theo các năm: Hà Nội (1956- 2006); Sơn Tây (1956-2006); Ba Thá (1971-1974; 1976-1980). Tuy nhiên, dòng chảy đo tại hai trạm Hà Nội và Sơn Tây chịu ảnh hƣởng lớn của sông Hồng nên lƣu lƣợng tại hai trạm này không đƣợc sử dụng trong phạm vi luận văn, đồng thời trạm Lâm Sơn chỉ thu thập đƣợc số liệu mƣa trong hai thời khoảng gián đoạn 1970 – 1978 và 1991 – 1999. Bởi vậy để có thể đánh giá đƣợc khả năng mơ phỏng dịng chảy trên lƣu vực của mơ hình, chuỗi số liệu mƣa, bốc hơi và dòng chảy đồng bộ 1971 – 1974, 1976 – 1980 của 7 trạm đƣợc sử dụng cho bài toán hiệu chỉnh và kiểm định (hình 3. 1).
Hình 3. 1. Lưu vực cơ sở và mạng lưới trạm trên lưu vực sông Nhuệ Đáy
3.1.2 Số liệu sử dụng đánh giá biến đổi
Số liệu mƣa và bốc hơi quan trắc giai đoạn 1970 – 1999 tại 7 trạm đƣợc sử dụng để xác định hệ số hiệu sai. Bƣớc hiệu sai đƣợc thực hiện tại từng trạm
cho từng yếu tố mƣa, bốc hơi ngày đạt đƣợc từ phép nội suy song tuyến tính giá trị ở ơ lƣới 36km theo cơng thức đã đƣợc trình bày trong chƣơng 2. So sánh độ lệch chuẩn chuỗi số liệu sau khi hiệu sai với số liệu quan trắc cho thấy mức độ phù hợp tốt với cả giá trị quan trắc mƣa và bốc hơi (hình 3. 2).
Hình 3. 2. So sánh độ lệch chuẩn của chuỗi quan trắc, RegCM và RegCM đã hiệu sai
Việc lựa chọn giai đoạn nền đại diện cho điều kiện khí hậu hiện tại là một phần quan trọng trong nghiên cứu tác động BĐKH (Kalvova và Nemesova, 1997) [28]. Chuỗi số liệu càng dài thể hiện các đặc trƣng càng có tính ổn định cao. Trên cơ sở dữ liệu tối đa có thể thu thập đƣợc cho lƣu vực nghiên cứu, giai đoạn 1970 – 1999 đƣợc lựa chọn làm giai đoạn nền, đồng thời giai đoạn này cũng hợp nhất một vài biến đổi tự nhiên của khí hậu, bao gồm giai đoạn khô (1970s) và ẩm (1980s) (Wigley và Jones, 1987) [37].
Chuỗi số liệu mƣa và bốc hơi kịch bản A1B và A2 đƣợc hiệu sai qua hệ số a cho từng tháng và đƣợc sử dụng làm đầu vào cho mô hình NAM nhằm mục đích tính tốn dịng chảy với bƣớc thời gian ngày cho 40 năm giai đoạn 2010-2049. Từ
chuỗi số liệu đầu ra, thống kê tổng hợp lũ, kiệt và chế độ dòng chảy trong lƣu vực sông Nhuệ Đáy đƣợc thực hiện dƣới điều kiện khí hậu khác nhau theo hai kịch bản A1B và A2.
3.2 ÁP DỤNG MƠ HÌNH CHO KHU VỰC NGHIÊN CỨU
Bản đồ độ cao số hóa DEM kết hợp với bản đồ mạng lƣới sơng suối, mạng lƣới trạm khí tƣợng thủy văn đƣợc đƣa vào AVSWAT để xác định các đặc điểm địa hình và xác định các thông số thủy văn của lƣu vực nhƣ độ dốc lƣu vực, hƣớng dòng chảy nhằm mục đích phân chia lƣu vực cơ sở cho việc phân tích, tính tốn dịng chảy trên lƣu vực sông Nhuệ Đáy. Lƣu vực nghiên cứu tính trên địa phận thành phố Hà Nội gồm 4 lƣu vực cơ sở (hình 3. 1) và mỗi lƣu vực cơ sở đƣợc coi là