CHƢƠNG I : ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN, KINH TẾ XÃ HỘI LƢU VỰC SÔNG LÔ
3.1. Mơ hình thủy văn
Để phục vụ cho tính tốn, phân tích đánh giá tác động của biến đổi khí hậu lên tài nguyên nƣớc trên lƣu vực sông Lô theo các kịch bản biến đổi khí hậu, luận văn đã sử dụng mơ hình mƣa dịng chảy để tính tốn dịng chảy đến trên tồn bộ lƣu vực nhằm làm cung cấp tài liệu đầu vào cho các mơ hình khác. Mơ hình NAM đã đƣợc lựa chọn mơ phỏng dịng chảy trên lƣu vực.
3.1.1. Khái qt về 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 rào dịng chảy. 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 năm bể chứa riêng biệt có tƣơng tác lẫn nhau.
Cấu trúc mơ hình NAM đƣợc xây dựng trên nguyên tắc các hồ chứa theo chiều thẳng đứng và các hồ chứa tuyến tính, gồm có 5 bể chứa theo chiều thẳng đứng:
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 dưới: 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 nước ngầm tầng trên. Bể chứa nước ngầm tầng dưới.
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 sông tạo thành dòng 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.
3.1.2. Các thơng số cơ bản của mơ hình NAM
Mơ hình có các thơng số cơ bản sau:
Bảng 5: Các thơng số của mơ hình NAM
Thơng số mơ 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 thốt 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). Dịng chảymặt chỉ hình thành khi lƣợng ẩm tƣơng đối của đất ở tầng rễcây lớn hơn 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 dịng chảy sát mặt. Nó chi phối thơng số diễn tốn dịng chảy sát mặt CKIF >> CK12.
CK12
Hằng số thời gian cho diễn tốn dịng chảy mặt và sát mặt.Dịng chảy mặt và dòng chảy sát mặt đƣợc diễn tốn 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 mơ hình bể chứa tuyến tínhvới hằng số thời gian CKBF.
3.1.3. Các yếu tố chính ảnh hƣởng đến kết quả mơ hình
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 PN sẽ gia nhập vào sơng với vai trị là dịng chảy tràn trong khi lƣợng còn lại sẽ thấm vào tầng thấp bên dƣới và tầng ngầm.
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.
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 u 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 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 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
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.
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
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 tốn 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
Trong đó OF là dòng chảy tràn (mm/giờ) OFmin là giới hạn trên của diễn tốn tuyến tính (= 0,4mm/giờ), và β = 0,4. Hằng số β = 0,4 tƣơng ứng với việc sử dụng công 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.
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
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 cịn lại sẽ đóng góp vào lƣợng chứa ẩm (L) trong lƣợng trữ tầng thấp một lƣợng ∆L.
L PN QOFG
Dòng chảy cơ bản
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.
3.1.4. 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 2000 của 7 trạm thủy văn chính trên hệ thống sơng đƣợc thu thập để làm cơ sở cho hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình.
Chuỗi số liệu quan trắc KTTV trên hệ thống sông Lô thu thập đƣợc khá đồng bộ từ 1980- 2000 với số liệu của 16 trạm khí tƣợng.
Bảng 6: Danh sách các trạm khí tượng sử dụng trong mơ hình NAM STT Trạm Vĩ độ Kinh độ Độ cao Thời kỳ quan trắc Độ Phút Độ Phút (m) 1 Bảo Lạc 22 57 105 40 258 1961-2012 2 Hà Giang 22 49 104 59 118 1957-2012 3 Hồng Su Phì 22 45 104 40 553 1961-2012 4 Bắc Mê 22 44 105 22 74 1964-2012 5 Bắc Hà 22 32 104 17 957 1961-2012 6 Bắc Quang 22 29 104 52 74 1961-2012 7 Chợ Rã 22 27 105 43 210 1961-2012 8 Chiêm Hoá 22 09 105 16 50 1961-2012 9 Lục Yên 22 05 104 43 4 1961-2012 10 Hàm Yên 22 04 105 02 47 1961-2012 11 Tuyên Quang 21 49 105 13 42 1960-2012 12 Phú Hộ 21 27 105 14 36 1962-2012 13 Việt Trì 21 18 105 25 17 1961-2012 14 Lào Cai 22 30 103 57 99 1955-2012 15 Sa Pa 22 20 103 50 1570 1957-2012 16 Yên Bái 21 42 104 52 56 1956-2012
3.1.5. Dữ liệu đầu ra của mơ hình
Dữ liệu đầu ra của mơ 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 tốn cân bằng nƣớc và tính tốn thủy lực.
3.1.6. Phân chia lƣu vực
Căn cứ vào mạng lƣới trạm thủy văn, bản đồ sử dụng nƣớc và bản đồ địa hình DEM, tồn bộ lƣu vực sông Lô đƣợc chia làm 7 tiểu lƣu vực nhƣ sau:
• Lƣu vực 1: Lƣu vực sơng Lơ đến trạm thủy văn Đạo Đức; • Lƣu vực 2: Từ trạm thủy văn Đạo Đức đến trạm Hàm n; • Lƣu vực 3: Lƣu vực sơng Gâm đến trạm thủy văn Chiêm Hóa;
• Lƣu vực 4: Khu giữa từ trạm Hàm Yên và Chiêm Hóa tới trạm Ghềnh Gà; • Lƣu vực 5: Lƣu vực sơng Chảy đến trạm thủy văn Bảo Yên;
• Lƣu vực 6: Khu giữa từ trạm Bảo Yên đến trạm Thác Bà;
• Lƣu vực 7: Khu giữa từ trạm Ghềnh Gà và Thác Bà tới trạm Vụ Quang
3.1.7. Hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình
Đối với các trạm thủy văn trên sơng chính, số liệu khí tƣợng thủy văn đƣợc chia thành 2 chuỗi: chuỗi từ 1980 đến 1990 lấy làm thời đoạn hiệu chỉnh thơng số của mơ hình và từ 1991-2000 lấy làm số liệu kiểm định mơ hình. Trạm Bảo n trên sơng Chảy
sử dụng chuỗi số liệu từ 1982 đến 1990 để hiệu chỉnh và từ 1991 đến 2000 để kiểm định thơng số mơ hình.
Các thơng số mơ hình đƣợc xác định theo phƣơng pháp thử sai.
Bảng 7: Kết quả hiệu chỉnh, kiểm định mơ hình NAM tại các trạm chính trên sơng Lô
TT Trạm Thời kỳ NASH
Hiệu chỉnh Kiểm định Hiệu chỉnh Kiểm định
1 Bảo Yên 1982-1990 1991-2000 0,76 0,70 2 Chiêm Hóa 1980-1990 1991-2000 0,85 0,83 3 Đạo Đức 1980-1990 1991-2000 0,82 0,90 4 Hàm Yên 1980-1990 1991-2000 0,74 0,93 5 Ghềnh Gà 1980-1990 1991-2000 0,86 0,84 6 Vụ Quang 1980-1990 1991-2000 0,90 0,85
Các kết quả hiệu chỉnh, kiểm định mơ hình tại các trạm thủy văn chính trên Sơng Lơ đểu đạt mức cho phép (NASH > 0,7). Vì vậy, có thể sử dụng bộ thơng số tìm đƣợc từ hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình để tính tốn dịng chảy trên lƣu vực sông Lô theo các kịch bản BĐKH.
a. Kết quả hiệu chỉnh mơ hình NAM
Hình 18: Kết quả hiệu chỉnh mơ hình tại trạm Đạo Đức
Hình 19: Kết quả hiệu chỉnh mơ hình tại trạm Hàm n
Hình 21: Kết quả hiệu chỉnh mơ hình tại trạm Vụ Quang
b. Kết quả kiểm định mơ hình NAM
Hình 22: Kết quả kiểm định mơ hình tại trạm Bảo Yên
Hình 24: Kết quả kiểm định mơ hình tại trạm Đạo Đức
Hình 25: Kết quả kiểm định mơ hình tại trạm Hàm n
Hình 27: Kết quả kiểm định mơ hình tại trạm Vụ Quang
Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình cho thấy, mơ hình NAM mơ phỏng khá tốt q trình hình thành dịng chảy từ mƣa trên lƣu vực sơng Lơ. Vì vậy, có thể sử dụng bộ thơng số tìm đƣợc từ q trình hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình để mơ phỏng dịng chảy từ mƣa theo các kịch bản BĐKH.
3.2. Mơ hình thủy lực
Để mơ phỏng thủy lực trên lƣu vực sơng Lơ, mơ hình MIKE 11 đã đƣợc sử dụng.
3.2.1. Cơ sở lý thuyết mơ hình MIKE 11
a. Hệ phƣơng trình Saint – Venant
Mơ hình MIKE 11 là mơ hình tính tốn mạng sơng dựa trên việc giải hệ phƣơng trình một chiều Saint –Venant, với các giả thiết cơ bản sau đây:
- Chất lỏng (nƣớc) là không nén đƣợc và đồng nhất (xem nhƣ khơng có sự khác biệt về trọng lƣợng riêng của nƣớc)
- Độ dốc đáy sông (kênh) là tƣơng đối nhỏ
- Chiều dài sóng là tƣơng đối dài so với độ sâu dịng chảy (điều kiện nƣớc nơng – xem rằng tại mọi điểm trong hệ thống, véc-tơ lƣu tốc luôn song song với đáy kênh và khơng có sự biến đổi của lƣu tốc theo phƣơng thẳng đứng, từ đó có thể áp dụng giả thiết áp suất thủy tĩnh trong kênh)
- Dòng chảy trong hệ thống là dịng chảy êm (có số Froude lớn hơn 1) Hệ phƣơng trình Saint-Venant bao gồm hai phƣơng trình: