Các mơ hình khí hậu – dịng chảy

2.2.1 Giới thiệu một số mơ hình khí hậu – dịng chảy

Trong vài thập kỷ qua, một số lƣợng lớn các mơ hình mƣa – dịng chảy đƣợc sử dụng phục vụ cho bài toán đánh giá tác động của BĐKH tồn cầu đến các q trình thủy văn trên lƣu vực, và mỗi mơ hình đƣợc sử dụng phổ biến và thành công ở một lĩnh vực nhất định. Trong phần này tác giả sẽ giới thiệu tóm tắt các mơ hình đƣợc sử dụng phổ biến cho bài tốn BĐKH, nhấn mạnh vào khía cạnh của mơ hình phản ánh tác động của BĐKH.

2.2.1.1 MIKE – SHE

Mơ hình mƣa – dịng chảy MIKE – SHE của Viện Thủy lực Đan Mạch thuộc nhóm mơ hình phân bố. Nó bao gồm vài thành phần tính dịng chảy và phân bố theo các pha riêng của q trình dịng chảy:

 Bốc thoát hơi, bao gồm cả phần bị giữ lại bởi thực vật– Số liệu đầu vào.  Dịng chảy mặt – tính bằng phƣơng pháp sai phân hữu hạn 2 chiều

 Dịng chảy trong lịng dẫn – sử dụng diễn tốn 1 chiều của Mike 11. Mơ hình này cung cấp vài phƣơng pháp nhƣ Muskingum, phƣơng trình khuếch tán hoặc phƣơng pháp giải phƣơng trình St.Venant.

 Dịng chảy sát mặt trong đới khơng bão hịa – mơ hình 2 lớp , mơ hình trọng số hoặc mơ hình dựa vào phƣơng trình Richard.

 Dịng chảy cơ sở - MIKE SHE tích hợp mơ hình dịng chảy cơ sở 2 chiều và 3 chiều dựa vào phƣơng pháp sai phân hữu hạn.

Đối với modun thổ nhƣỡng, bộ dữ liệu bao gồm đặc tính thủy văn của đất (độ lỗ hổng, độ dẫn thấm thủy lực...) đƣợc tạo ra. Kết hợp với 2 phần mềm ESRI Arcview 3.x hoặc ArcGIS 9.1. Phần kết hợp này đƣợc sử dụng để xử lý số liệu đầu vào: Geomodel đƣợc sử dụng để lấy các thông tin địa chất; DaisyGIS mơ tả tất cả

các q trình quan trọng gắn với hệ sinh thái nơng nghiệp. Mơ hình có chế độ hiệu chỉnh tự động thơng qua AUTOCAL, đƣa ra phƣơng án tốt nhất theo điều kiện biên và ban đầu [31].

2.2.1.2 HEC-HMS

Mơ hình HEC-HMS là phiên bản tiếp của HEC-1, phát triển từ thập kỷ 60 của quân đội Mỹ [36]. Thành phần cơ bản của mơ hình bao gồm:

 Lƣợng mƣa hiệu quả – tính bằng các phƣơng pháp nhƣ SCS, Green-Ampt hoặc SMA.

 Lƣu lƣợng dòng chảy trực tiếp – sử dụng phƣơng pháp đƣờng đơn vị, các dạng biến đổi khác (Clark, Snyder, SCS), hoặc sử dụng phƣơng pháp sóng động học.

 Dòng chảy cơ sở - ngƣời sử dụng có thể lựa chọn các phƣơng pháp khác nhau, ví dụ phƣơng pháp bể chứa tuyến tính, phƣơng pháp dạng hàm mũ, hoặc phƣơng pháp dòng chảy cơ sở là hằng số theo từng tháng.

 Mơ đun diễn tốn – phƣơng pháp Muskingum, phƣơng pháp trễ, mơ hình sóng động học hoặc các biến đổi của chúng.

 Ngồi ra mơ hình cịn mơ hình hóa một số cơng trình trên sơng nhƣ hồ chứa, cơng trình phân nƣớc.

Mơ hình HEC-HMS mở rộng giao diện Arcview gọi là HEC-GeoHMS. Sự kết hợp này hỗ trợ cho việc lấy các thơng tin về đặc tính thủy văn cơ bản của lƣu vực cơ sở nhƣ hƣớng dòng chảy, độ dốc...

2.2.1.3 NASIM

Mơ hình mƣa – dòng chảy NASIM (Niederschlag – Abfluss Simulation Model) của viện thủy văn Đức, phát triển kể từ thập niên 80 và thuộc nhóm mơ hình bán phân bố, tất định, nhận thức [31]. Các thành phần cơ bản sau:

 Số liệu giáng thủy – để xác định dạng giáng thủy, mơ hình sử dụng phƣơng pháp chỉ số nhiệt độ.

 Phân phối mƣa theo không gian – chuyển đổi từ các giá trị tại các điểm thành giá trị mƣa cho khu vực.

 Phân chia thành phần dòng chảy – dòng chảy trong đới chƣa bão hòa (dòng nhập lƣu) và đới bão hòa (dịng chảy cơ sở) bằng mơ hình tầng tuyến tính và phi tuyến. Đối với dòng chảy mặt, sử dụng phƣơng pháp đƣờng đơn vị.  Dòng chảy trong lòng dẫn – sử dụng phƣơng pháp Kalinin – Miljukov.

Kết hợp với Arcview 3.x để hỗ trợ phân tích dữ liệu. Những kết hợp quan trọng nhất là ―Zfl‖ và ―Verchneidung‖. ―Zfl‖ thiết lập hàm diện tích – thời gian của lƣu vực. ―Verchneidung‖ xây dựng các đặc tính cơ bản của lƣu vực.

Mơ hình chƣa tích hợp cơng cụ tự hiệu chỉnh, nhạy với các thông số thể hiện đặc tính của đất nhƣ độ dẫn thấm thủy lực theo phƣơng ngang và phƣơng thẳng đứng, độ lỗ hổng, tốc độ thấm...

2.2.1.4 SAC – SMA (Sacramento)

Tính tốn độ ẩm đất – Sacramento, một phần của thƣ viện công nghệ mơ hình của hệ thống NWSRFS, phát triển từ thập kỷ 70 bởi viện khí hậu quốc gia Mỹ. Mỗi lƣu vực đƣợc phân chia thành các đới, và đƣợc gắn vào hệ thống bể chứa. Cơ bản gồm có 2 đới. Đới cao hơn gồm nƣớc có áp và nƣớc tự do, đới thấp hơn gồm

dòng chảy cơ sở và nƣớc có áp và nƣớc tự do bổ sung. Dịng chảy tràn sẽ hình thành một vài dạng dòng chảy:

 Dòng chảy trực tiếp  Dòng chảy mặt  Dòng chảy sát mặt

 Dòng chảy cơ sở ban đầu  Dòng chảy cơ sở bổ sung

Sacramento là mô hình độ ẩm đất, dữ liệu quan trọng nhất là dữ liệu thổ nhƣỡng – độ dẫn thấm thủy lực, độ lỗ hổng.v.v. Sacramento hỗ trợ cả hiệu chỉnh tự động và hiệu chỉnh thông thƣờng. Cùng với 24 thơng số có thể đƣợc hiệu chỉnh, và đƣợc phân loại theo đới riêng [31]. Mơ hình này đƣợc các nhà nghiên cứu USA sử dụng phổ biến trong bài tốn BĐKH (ví dụ 20, 27, 32)

2.2.1.5 HBV

Mơ hình thủy văn HBV, phát triển từ thập niên 70 ở viện khí tƣợng và thủy văn Thụy Điển, là mơ hình dịng chảy bán phân bố. Nó là một phần của hệ thống mơ hình IHMS (hệ thống mơ hình thủy văn kết hợp), đƣợc sử dụng phổ biến nhất trong đánh giá tác động của biến đổi khí hậu ở các nƣớc Bắc Âu. Mơ hình tính tốn với dữ liệu vào ở bƣớc thời gian ngày, bao gồm các thành phần đặc trƣng:

 Modun tuyết – xác định dựa vào nhiệt độ theo ngày.

 Modun độ ẩm đất – thành phần tính tốn chính của dịng chảy mặt.  Modun dòng chảy – dựa vào phƣơng pháp đƣờng đơn vị.

 Modun bể chứa

2.2.1.6 SWAT

Mơ hình SWAT đƣợc xây dựng dựa trên cơ sở về mặt vật lý, có khả năng tính tốn mức chi tiết không gian cao thông qua bƣớc chia lƣu vực thành các lƣu vực cơ sở và có thể chi tiết hơn theo đơn vị thủy văn. Là tổng hợp các hàm của vài mơ hình khác nhau, SWAT cho phép tính tốn biến đổi khí hậu, thủy văn, sự phát triển cây trồng, xói mịn, truyền tải chất dinh dƣỡng, thuốc trừ sâu cũng nhƣ thực

tiễn quản lý.

BĐKH đƣợc tính tốn trực tiếp trong mơ hình thơng qua thay đổi hàm lƣợng khí CO2 trên lƣu vực. Lƣợng CO2 thay đổi tác động đến sự phát triển và bốc thoát hơi của cây trồng. Điểm đáng chú ý khác là SWAT cho phép cài đặt các hệ số biến đổi khí hậu theo tháng ở các yếu tố nhƣ nhiệt độ, mƣa, bức xạ... ngoài phƣơng pháp đƣa trực tiếp số liệu đầu vào khí hậu nhƣ thơng thƣờng đƣợc thực hiện trong các mơ hình khác.

Tuy nhiên theo nhiều nghiên cứu [6, 7, 14] khả năng mô phỏng đỉnh lũ của mơ hình thể hiện mức độ chính xác chƣa cao, do đó sử dụng để khảo sát bài toán cực trị dịng chảy sẽ có nhiều hạn chế.

2.2.1.7 Phương pháp SCS

Cơ quan bảo vệ thổ nhƣỡng Hoa Kỳ (1972) đã phát triển một phƣơng pháp để tính tổn thất dịng chảy từ mƣa (gọi là phƣơng pháp SCS). Theo đó, trong một trận mƣa rào, độ sâu mƣa hiệu dụng hay độ sâu dịng chảy trực tiếp Pe khơng bao giờ vƣợt quá độ sâu mƣa P. Tƣơng tự, sau khi q trình dịng chảy bắt đầu, độ sâu nƣớc bị cầm giữ có thực trong lƣu vực, Fa bao giờ cũng nhỏ hơn hoặc bằng một độ sâu trữ nƣớc tiềm năng tối đa nào đó S. Đồng thời có một lƣợng Ia bị tổn thất ban đầu khơng sinh dịng chảy trƣớc thời điểm sinh nƣớc đọng trên bề mặt lƣu vực. Do đó, có lƣợng dịng chảy tiềm năng là P - Ia. Trong phƣơng pháp SCS, giả thiết rằng tỉ số giữa hai đại lƣợng có thực Pe và Fa bằng với tỉ số giữa hai đại lƣợng tiềm năng P - Ia và S, có nghĩa là: a e a I P P S F   Từ ngun lí liên tục, có: a a e I F P P  

  S I P I P P a a e     2

Đó là phƣơng trình cơ bản của phƣơng pháp SCS để tính độ sâu mƣa hiệu dụng hay dòng chảy trực tiếp từ một trận mƣa rào. Qua nghiên cứu các kết quả thực nghiệm trên nhiều lƣu vực nhỏ đã xây dựng đƣợc quan hệ:

S Ia 0,2 Trên cơ sở này, ta có:

  S P S P Pe 8 . 0 2 . 0 2   

Lập đồ thị quan hệ giữa P và Pe bằng các số liệu của nhiều lƣu vực, đã tìm ra đƣợc họ các đƣờng cong tiêu chuẩn hố, sử dụng số hiệu CN làm thơng số. Đó là một số khơng thứ nguyên, lấy giá trị trong khoảng 0CN 100. Đối với các mặt không thấm hoặc mặt nƣớc, CN = 100 ; đối với các mặt tự nhiên, CN < 100. Số hiệu của đƣờng cong CN và S liên hệ với nhau qua phƣơng trình:

10 1000  CN S (inch) hay        25.4 1000 10 CN S (mm)

Các số hiệu của đƣờng cong CN đã đƣợc cơ quan bảo vệ thổ nhƣỡng Hoa Kỳ lập thành bảng tính sẵn dựa trên các bảng phân loại đất theo 4 nhóm và các loại hình sử dụng đất [11].

2.2.1.7. NAM

NAM là mơ hình mƣa - dịng chảy thuộc nhóm phần mềm của Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI), là một phần của mơ hình MIKE 11. Nó đƣợc xem nhƣ là mơ hình dịng chảy tất định, tập trung và liên tục cho ƣớc lƣợng mƣa - dòng chảy dựa theo cấu trúc bán kinh nghiệm. Mơ hình NAM có thể sử dụng để mơ phỏng mƣa trong nhiều năm, hoặc cũng có thể thay đổi bƣớc thời gian để mơ phỏng trận mƣa nhất định.

Để đánh giá những thay đổi thuộc tính thủy văn trên lƣu vực, lƣu vực chia thành nhiều lƣu vực con khép kín. Q trình diễn tốn thực hiện bởi mơ dun diễn toán thủy động lực trong kênh của MIKE 11. Phƣơng pháp này cho phép các tham số khác nhau của NAM ứng dụng trong mỗi một lƣu vực con, do đó đƣợc xem là mơ hình phân bố.

 Giáng thủy – Số liệu đầu vào. Trong đó mơ đun tuyết đƣợc tính tốn thơng qua chỉ số nhiệt độ.

 Bốc thoát hơi, bao gồm cả phần bị giữ lại bởi thực vật– Số liệu đầu vào.  Dòng chảy mặt – biến đổi tuyến tính theo lƣợng ẩm tƣơng đối của đất, và

tính theo hệ số dịng chảy mặt.

 Dịng chảy sát mặt trong đới khơng bão hịa – đƣợc tính tốn theo lƣợng trữ ẩm và lƣợng ẩm tƣơng đối, hệ số dòng chảy sát mặt và ngƣỡng sinh dịng chảy sát mặt.

Có thể sử dụng chức năng tự hiệu chỉnh thông qua AUTOCAL bằng cách cung cấp số liệu lƣu lƣợng theo bƣớc thời gian tính tốn vào mơ hình [22].

Để mơ hình hóa các q trình mƣa – dịng chảy phục vụ cho bài tốn BĐKH, có thể nhiều phƣơng pháp khác nhau đƣợc sử dụng để giải đáp những mục tiêu thủy văn khác nhau, nhƣ quản lý tài nguyên nƣớc, lũ lụt, hạn hán hay ô nhiễm. Một trong những bƣớc đầu tiền để giải quyết vấn đề là lựa chọn mơ hình phù hợp với mục tiêu cụ thể.

2.2.2 Nhận xét và lựa chọn mơ hình

Mơ hình thủy văn đƣợc lựa chọn cần phải đáp ứng đƣợc yêu cầu: 1) đánh giá đƣợc những thay đổi thủy văn trong lƣu vực sông Nhuệ Đáy dƣới điều kiện BĐKH, 2) phải phù hợp với việc phân tích những thay đổi trong phân bố dòng chảy năm, và 3) phản ánh đƣợc những thay đổi trong yếu tố cực trị .

Với những mơ hình thơng số phân bố và mơ hình cân bằng nƣớc nhƣ SWAT là những mơ hình hiệu quả trong những bài tốn quản lý tài nguyên nƣớc trên phạm vi lƣu vực, bài toán xác định các hậu quả thủy văn do những thay đổi mƣa, nhiệt độ

và các yếu tố khí tƣợng khác hay tính tốn phản ứng thay đổi theo không gian của các yếu tố thủy văn, có độ chính xác tƣơng đối cao, linh hoạt và dễ sử dụng. Tuy nhiên, khơng thích hợp trong tính tốn những thay đổi có thể của những đặc trƣng dòng chảy cụ thể, đồng thời giới hạn lớn của ứng dụng những mơ hình thơng số phân bố này là khối lƣợng dữ liệu đầu vào lớn, vì thế chất lƣợng của dữ liệu đầu vào đóng vai trị rất quan trọng và có khả năng phải chấp nhận việc thơng số hóa khơng chính xác khi sử dụng dữ liệu chất lƣợng kém, hơn nữa những thay đổi trong các dữ liệu khác ngồi yếu tố khí hậu nhƣ sử dụng đất trong điều kiện tƣơng lai là bài tốn khó. So với mơ hình cân bằng nƣớc và mơ hình thơng số phân bố, mơ hình thơng số tập trung có khả năng đánh giá chi tiết hơn cƣờng độ, thời gian của phản ứng thủy văn đối với BĐKH, đồng thời cũng giảm đƣợc những biến động sinh ra do dữ liệu đầu vào. Hơn nữa hầu hết các nghiên cứu về BĐKH ở Việt Nam đều sử dụng mô hình NAM làm cơng cụ đánh giá, do đó nó đƣợc lựa chọn làm công cụ thực hiện bài tốn .

2.3 MƠ HÌNH THỦY VĂN CHO LƢU 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, thoát 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: