TT Trạm
Tọa độ Yếu
tố đo Thời gian
Ghi chú
Kinh độ Vĩ độ 1 Phú Thông (Phương Thông, Bắc Kạn) 105o
52' 22o16' Mưa 1970 -2011 Không liên tục 2 Vũ Chấn (Vũ Chấn, Bắc Kạn) 106o02' 21o48' Mưa 1960 -2011 nt
3 Phấn Mễ (Phú Lương, Thái Nguyên) 105o
43' 21o44' Mưa 1960 -2013 nt
4 Ký Phú (Đại Từ, Thái Nguyên) 105o38' 21o32' Mưa 1960 -2013 nt
5 Đại Từ (Đại Từ, Thái Nguyên) Mưa 1960-2013 nt
6 Phố Yên (Phố Yên, Thái Nguyên) 105o52' 21o24' Mưa 1960 -2011 nt
7 Phú Bình (Phú Bình, Thái Nguyên) 105o58' 21o26' Mưa 1960-2013 nt
8 Kim Anh (Đông Anh, Hà Nội) 105o45' 21o13' Mưa 1960 -2011 nt
2.1.3. Số liệu từ các mơ hình
1) Số liệu từ mơ hình thủy văn (số liệu lưu lượng dịng chảy từ mơ hình NAM)
thời kì: Thời kì 1974-2013, số liệu đầu vào cho mơ hình NAM là số liệu lượng mưa và bốc hơi quan trắc của các trạm trong lưu vực, thời kì 2014-2033, số liệu đầu vào cho mơ hình NAM là số liệu lượng mưa và bốc hơi từ mơ hình khí hậu RegCM với kịch bản phát thải trung bình (A1B). Số liệu đầu ra của mơ hình NAM là lưu lượng nước dạng bình quân ngày, được tập hợp về dạng excel để thuận tiện tính tốn và được biểu diễn trong phụ lục 2, ở dạng đồ thị và dạng trung bình tháng trong từng thời kì.
2) Số liệu từ mơ hình khí hậu
Số liệu dự tính khí hậu tương lai là sản phẩm của mơ hình khí hậu khu vực RegCM3, của Trung tâm Quốc gia Nghiên cứu Khí quyển (National Center ofAtmospheric Research - NCAR) được sử dụng để mô phỏng các điều kiện khí hậu trên khu vực Việt Nam trong thời kì chuẩn (1980-1999) và dự tính khí hậu trong thế kỷ 21 (2001-2050). Điều kiện biên và điều kiện ban đầu cho RegCM3 là từ mơ hình CCSM3 của NCAR với điều kiện phát thải thực trong thời kì chuẩn và theo kịch bản A1B trong thế kỷ 21. Mơ hình được chạy với độ phân giải ngang là 36 km với 18 mực thẳng đứng. Miền tính từ 85-1300E và 50S - 270N, tương ứng với 142x103 nút lưới [5]. Các file số liệu của mô hình khí hậu luận văn thu thập được, có định dạng ".nc" [8], được trích xuất các giá trị của các yếu tố khí hậu thơng qua phần mềm OpenGrADS. về dạng excel để thuận tiện tính tốn và tạo số liệu đầu vào cho mơ hình thủy văn. Dưới đây, trình bày một số câu lệnh trích xuất số liệu về dạng excel trong Scripfile của OpenGraDS và giao diện của phần mềm OpenGraDS:
'sdfopen c:\grads1\RegCM\RegCM.1980_1999.bse.nc' (mở file số liệu theo đường dẫn
thư mục c:\...);
'filename= c:\grads1\RegCM\Bac_Kan_bse.xls' (lưu kết quả trạm Bắc Kạn theo đường
dẫn c:/… với định dạng xls trong excel);
'set gxout print' (đặt kết quả dưới dạng số)
'set prnopts %6.1f 12 4' (đặt một kết quả với 12 cột, 4 số có nghĩa);
*Bac Kan (trạm khí tượng Bắc Kạn)
'set lat 22.450 22.450' ( đặt vĩ độ của trạm Bắc Kạn);
'set lon 105.716 105.716' (đặt kinh độ của trạm Bắc Kạn);
'set t 1 240' (đặt thời gian từ tháng thứ 1 đến tháng thứ 240 (20 năm)); 'd prn' (hiển thị kết quả là lượng mưa);
rc=write(filename,res) (viết kết quả và lưu vào file excel).
Kết quả số liệu nhiệt độ, lượng mưa của các trạm và các tiểu lưu vực thời kì 2014 - 2033 được tập hợp về dạng excel để tính tốn và biểu diễn ở dạng trung bình tháng trong Phụ lục 3.
Hình 2.1 Scripfile của OpenGraDS
2.1.4. Các loại số liệu khác
Số liệu về các thông số của lưu vực là những số liệu bắt buộc phải có để chạy mơ hình thủy văn (NAM). Trong đó có số liệu về diện tích lưu vực, tọa độ địa lý các lưu vực bộ phận, được tính tốn trên bản đồ số 1/50.000 trong phần mềm Mapinfo. Các số liệu báo cáo thống kê về dân số các huyện của các tỉnh trong lưu vực, tình hình sử dụng đất trên lưu vực, …
2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.2.1. Phương pháp thống kê
Phương pháp thống kê được sử dụng rất rộng rãi trong tính toán thủy văn. Trong luận văn này, phương pháp thống kê được sử dụng để tính tốn các đặc trưng của các yếu tố khí tượng thủy văn và kiểm tra tính đồng nhất, tính phù hợp của số liệu qua việc lựa chọn các chỉ tiêu trên cơ sở phân tích ý nghĩa vật lý của hiện tượng, phân bố của chuỗi và các tham số đặc trưng, …
1) Thống kê số liệu
+ Việc thống kê số liệu thực hiện trên cơ sở kế thừa, phân tích và tổng hợp các nguồn tài liệu, số liệu, thơng tin có liên quan một cách có chọn lọc.
+ Tiến hành thống kê, thu thập các số liệu quan trắc, đo đạc, khảo sát, kết quả nghiên cứu của các chương trình, dự án đã được thực hiện có liên quan đến lưu vực.
+ Thống kê, tính tốn các yếu tố khí tượng thủy văn: trung bình, max, min, các giá trị cực đoan, …
2) Kiểm tra chất lượng số liệu
Trong mọi trường hợp, số lượng (dung lượng mẫu) và chất lượng số liệu, đặc biệt là số liệu quan trắc có vai trị quyết định đối với kết quả nghiên cứu, tính tốn và nhận định. Vì nhiều lý do khác nhau, nói chung các tập số liệu quan trắc đều tiềm ẩn các sai số. Những giá trị quan trắc bất hợp lý nếu khơng được kiểm sốt sẽ tác động đến những kết quả tính tốn, phân tích và dẫn đến những kết luận vơ nghĩa. Bởi vậy, trước khi tính tốn các tập số liệu này đều được kiểm tra và xử lý những trường hợp nghi ngờ, bất hợp lý có thể bị loại bỏ. Các trường hợp thiếu số liệu có thể tính tốn nội suy tuyến tính dựa trên những số liệu đã có thời gian trước và sau với điều kiện số liệu đó tin cậy và có chất lượng tốt. Luận văn thực hiện các bước kiểm tra số liệu như sau:
+ Kiểm tra khí hậu: so sánh quan trắc với giá trị khí hậu. Kiểm tra này cũng thực hiện so sánh với các ngưỡng được xác định dựa theo giá trị khí hậu cho từng trạm;
+ Kiểm tra sự phù hợp: xác định tính tương thích về mặt vật lý giữa hai hay nhiều đại lượng;
3) Đánh giá BĐKH và tác động của BĐKH
a) Nguyên tắc chung
Nghiên cứu, khảo sát những dấu hiệu, bằng chứng của sự BĐKH trong quá khứ đến hiện tại và dự tính sự BĐKH trong tương lai cho đến vài thập kỷ hoặc xa hơn nữa được thực hiện dựa trên sản phẩm của các mơ hình khí hậu chạy với các kịch bản phát thải KNK. Đánh giá BĐKH cũng như đánh giá tác động của nó đến dịng chảy mặt, cần dựa trên việc khảo sát những thuộc tính của chuỗi thời gian của các yếu tố và hiện tượng tương ứng. Đó là xu thế biến đổi (tăng, giảm theo thời gian), mức độ biến đổi (có thể dựa vào tốc độ của xu thế) và tính chất biến đổi của yếu tố, đối tượng nghiên cứu [21].
b) Một số phương pháp cụ thể
- Đánh giá xu thế biến đổi: Thông thường xu thế biến đổi của một chuỗi thời gian được
đánh giá thơng qua phương trình hồi quy tuyến tính biểu thị sự phụ thuộc của yếu tố hoặc hiện tượng được xét (X) vào thời gian (t): X = a0 + a1t, trong đó a0 là hệ số cắt và a1 là hệ số góc. Dấu của hệ số góc a1 cho biết chuỗi có xu thế tăng (a1 > 0) hoặc giảm (a1 < 0). Để có kết luận chắc chắn về xu thế của chuỗi cần tiến hành kiểm nghiệm độ rõ rệt của hệ số góc a1. Nếu chuỗi có các thành phần đột biến (quá lớn hoặc quá bé), xét thấy có ảnh hưởng lớn đến xu thế của chuỗi thì xu thế tuyến tính của chuỗi có thể được xác định bằng phương pháp kiểm nghiệm Mann - Kendall. Xu thế của chuỗi thời gian được xác định thông qua việc so sánh độ lớn tương đối của các thành phần trong chuỗi theo thứ hạng lớn bé và khơng tính đến giá trị của chúng sai khác nhau bao nhiêu. Phương pháp này như sau: Giả sử ta có chuỗi thời gian {xt, t=1..n}. Mỗi một thành phần trong chuỗi sẽ được so sánh với tất cả các thành phần còn lại đứng sau nó (về thời gian). Giá trị thống kê Mann - Kendall (S) ban đầu được gán bằng 0 (tức là chuỗi khơng có xu thế). Nếu thành phần sau lớn hơn thành phần trước thì tăng S lên 1 đơn vị. Ngược lại nếu thành phần sau nhỏ hơn thành phần trước thì S bị trừ đi 1 đơn vị. Nếu hai thành phần có giá trị bằng nhau thì S sẽ khơng thay đổi. Tổng S sau tất cả các lần so sánh sẽ được dùng để đánh giá xu thế chung của chuỗi. Cơng thức tính như sau:
Trong đó, sgn(x) được xác định như sau: sgn(x) = 1 nếu x > 0; sgn(x) = 0 nếu x = 0 và sgn(x) = -1 nếu x < 0. Giá trị ban đầu của thống kê Mann- Kendall S là 0 và
tương ứng với việc không tồn tại xu hướng. Giá trị S > 0 (dương) là chỉ số cho một xu hướng tăng, giá trị S < 0 (âm) là chỉ số cho một xu hướng giảm. Giá trị tuyệt đối của S càng lớn xu thế càng rõ. S dương thể hiện xu thế tăng của chuỗi và S âm thể hiện xu thế giảm của chuỗi.
- Đánh giá mức độ biến đổi: Xem xét mức độ biến đổi mạnh hay yếu, nhiều hay ít,
càng ngày càng tăng hay giảm, tính biến động qua từng thời kì hoặc xu thế tăng giảm qua từng thời kì. Mức độ biến đổi tuyến tính được xác định bởi trị số tuyệt đối hệ số góc của phương trình xu thế hoặc chênh lệch của chính đối tượng giữa các thời kì.
- Đánh giá tính chất biến đổi: Xem xét sự biến đổi của chuỗi thông qua độ lệch
chuẩn của biên độ. Ngồi ra cịn xem xét tính dao động theo chu kì của chuỗi hay sự lặp lại của hiện tượng hoặc trị số xác định của yếu tố.
2.2.2. Phương pháp mơ hình
1) Mơ hình khí hậu:
`Luận văn chỉ sử dụng sản phẩm của các mơ hình khí hậu, là các số liệu dự tính khí hậu tương lai để đánh giá BĐKH trên lưu vực sông Cầu. Các số liệu như lượng mưa, bốc hơi trong thời kì tương lai được sử dụng làm số liệu đầu vào cho mơ hình NAM để diễn tốn lưu lượng dịng chảy trên lưu vực sơng Cầu.
2) Mơ hình mưa -dịng chảy:
Mơ hình mưa – dịng chảy là một bộ phận của mơ hình thủy văn. Ngày nay, việc áp dụng mơ hình tốn thuỷ văn để khơi phục và xử lý số liệu ngày càng rộng rãi. Đặc biệt, đối với những vùng ít được nghiên cứu và thiếu số liệu đo đạc thì mơ hình tốn cịn được coi là cơng cụ ưu việt nhất. Cụ thể, trên lưu vực sông Cầu thiếu số liệu đo đạc thủy văn chi tiết, trên lưu vực chỉ có 6 trạm đo lưu lượng dịng chảy nhưng tài liệu đo ngắn, không liên tục và đại bộ phận đã ngừng đo như Thác Riềng 1960-1981, Thác Bưởi 1960-1996 trong đó 1991 không đo, Giang Tiên 1962-1971, Tân Cương 1971-1976, Phú Cường 1965-1975. Hiện nay chỉ còn duy nhất 1 trạm lưu lượng Gia Bảy (di chuyển từ Thác Bưởi xuống hạ lưu 7 km từ năm 1997) còn hoạt động. Trong khi đó, mạng lưới quan trắc mưa và các yếu tố khí tượng tương đối dày. Do vậy, có thể sử dụng các mơ hình tốn thủy văn để khơi phục số liệu dịng chảy trên lưu vực.
a) Các mơ hình mưa - dịng chảy
Mơ hình MARINE: là mơ hình do Viện Cơ học chất lịng Toullouse - IMFT (Cộng hòa Pháp) xây dựng dựa trên phương trình Saint-Vernant để tính tốn, dự báo q trình
hình thành lan truyền lũ trên lưu vực. Mơ hình này có ưu điểm dự báo tốt các cơn lũ sinh ra trên lưu vực nhỏ. Tuy nhiên, nó địi hỏi phải có số liệu địa hình, thổ nhưỡng, lớp phủ, mạng lưới trạm thủy văn đủ dày và số liệu dự báo mưa với độ phân dải cao.
Mơ hình SSARR (Mỹ): Đặc điểm của mơ hình là xây dựng một sơ đồ hình thế cho hệ thống sơng, bao gồm: Các lưu vực bộ phận sinh dịng chảy, điều kiện thủy văn tương đối đồng nhất, các đoạn sơng diễn tốn lũ, các hồ chứa, các đoạn sông xử lý nước vật, các điểm nối và tổng hợp dòng chảy. Kết quả tính tốn của mơ hình phụ thuộc vào việc xác định các thông số và các quan hệ vật lý, chỉ số, chỉ tiêu được xác định khá mềm dẻo. Nhược điểm của mơ hình là sử dụng nhiều quan hệ dưới dạng bảng, làm cho việc điều chỉnh mơ hình gặp nhiều khó khăn và khó tối ưu hóa. Ở Việt Nam, mơ hình SSARR được cải biên để ứng dụng cho hệ thống sông Hồng, sông Trà Khúc, sông Vệ và cho kết quả khá tốt trong tính tốn và dự báo nghiệp vụ.
Mơ hình TANK (Nhật): Lưu vực được mô phỏng bằng chuỗi các bể chứa xếp theo tầng và cột phù hợp với hình dạng lưu vực, cấu trúc thổ nhưỡng, địa chất,…Mưa trên lưu vực được xem như lượng vào của bể chứa trên cùng. Mỗi bề chứa đều có một cửa ra ở đáy. Mơ hình đơn giản nhất là kiểu cột bể TANK đơn: 4 bể trên một cột. Phù hợp cho các lưu vực nhỏ có độ ẩm cao. Mơ hình phức tạp hơn là mơ hình TANK kép gồm một số cột bể mơ phỏng q trình hình thành dịng chảy trên lưu vực, và các bể mô tả q trình truyền sóng lũ trong sơng. Ưu điểm của mơ hình là ứng dụng tốt cho lưu vực vừa và nhỏ và có khả năng mơ phỏng dịng chảy tháng, dịng chảy ngày, dịng chảy lũ. Nhược điểm là có nhiều thơng số khó xác định trực tiếp. Việc thiết lập cấu trúc và thơng số hóa mơ hình địi hỏi người sử dụng phải có nhiều kinh nghiệm, thực hiện nhiều lần thử sai, phức tạp. Mơ hình TANK đã được ứng dụng dự báo ngắn hạn q trình lũ cho thượng lưu sơng Thái Bình và một số nhánh nhỏ hệ thống sơng Hồng. Mơ hình DIMOSOP (Distributed hydrological model for the special bserving period): Sử dụng dữ liệu dạng điểm của các trạm đo mưa trong lưu vực hoặc sử dụng kết quả dự báo dưới dạng ô lưới (grid) là đầu ra của các mơ hình dự báo thời tiết như MM5 và BOLAM để dự báo lũ. Cấu trúc chính của mơ hình dựa trên quan điểm chia lưu vực tính tốn ra thành một hệ thống các ơ lưới. Kích thước của mỗi ô lưới phụ thuộc vào mức độ chi tiết của số liệu thu thập cũng như u cầu tính tốn. Mỗi một ơ lưới trên lưu vực đều được đặc trưng bởi một yếu tố thủy văn nào đó, có thể là một phần tử của lưu vực, có thể là một phần tử của sơng, hay là một phần tử của hồ chứa. Ưu điểm của mơ hình là khả năng sử dụng thơng tin toàn cầu như bản đồ đất, hiện trạng sử dụng đất, ảnh vệ tinh để mơ phỏng lưu vực đặc biệt hữu ích cho các lưu vực liên quốc gia, khi mà thông tin về lưu vực ở phần quốc gia không thu thập được hoặc thu thập được nhưng khơng chính xác vì đầu vào của mơ hình như đã nêu trên tồn ở dạng ơ lưới. Có khả năng kết nối với các mơ hình khí tượng BOLAM và MM5 để kéo
dài thời gian dự báo phục vụ vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa. Một lần chạy mơ hình sẽ cho kết quả dự báo của nhiều trạm, nhiều vị trí khác nhau với thời gian dự báo lên đến 5 ngày. Mơ hình đang sử dụng để tính tốn và dự báo lũ trung hạn cho hệ thống sơng Hồng và sơng Thái Bình.
Mơ hình HEC-HMS (Hydrologic Engineering Center-Hydrologic Modeling System) là phần mềm do các kỹ sư thuộc Trung tâm Thủy văn Cơng trình thuộc (Cục Kỹ thuật Quân đội Hoa Kỳ) thực hiện. Đây là mơ hình mưa rào - dịng chảy dạng tất định, có thơng số phân bố. Một lưu vực sông chia thành các lưu vực nhỏ, nhiều hồ chứa, nhiều nhánh sơng và các cơng trình như cầu cống, trạm bơm, đập dâng, kênh chuyển nước từ vùng này sang vùng khác...
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. NAM là chữ viết tắt của cụm từ tiếng Đan Mạch “Nedbor - Afstrømnings - Models” có nghĩa là mơ hình mưa rào dịng chảy. Trong mơ hình NAM, mỗi lưu vực được xem là một đơn vị xử lý, do