CHƯƠNG 3. ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BĐKH ĐẾN TÀI NGUYÊN NƯỚC MẶT TỈNH QUẢNG NGÃI
3.1. PHƯƠNG PHÁP VÀ MÔ HÌNH TOÁN SỬ DỤNG ĐỂ ĐÁNH GIÁ
3.1.1. Mô hình MIKE – NAM
Mô hình NAM là mô hình thuỷ văn mô phỏng quá trình mưa – dòng chảy diễn ra trên lưu vực. Là một mô hình toán thủy văn, mô hình Nam bao gồm một tập hợp các biểu thức toán học đơn gian để mô phỏng các quá trình trong chu trình thuỷ văn. Mô hình Nam là mô hình nhận thức, tất định, thông số tập trung.Đây là một modun tính mưa từ dòng chảy trong bộ phần mềm thương mại MIKE 11 do Viện Thủy lựcĐan Mạch xây dựng và phát triển.
Mô hình NAM mô phỏng quá trình mưa – dòng chảy một cách liên tục thông qua việc tính toán cân bằng nước ở bốn bể chứa thẳng đứng, có tác dụng qua lại lẫn nhau để diễn tả các tính chất vật lý của lưu vực. Các bể chứa đó gồm:
Bể tuyết (chỉ áp dụng cho vùng có tuyết) Bể mặt
Bể sát mặt hay bể tầng rễ cây Bể ngầm
Dữ liêu đầu vào của mô hình là mưa, bốc hơi tiềm năng, và nhiệt độ (chi áp dụng cho vùng có tuyết. Kết quả đầu ra của mô hình là dòng chảy trên lưu vực, mực nước ngầm, và các thông tin khác trong chu trình thuỷ văn, như sự thay đổi tạm thời của độ ẩm của đất và khả năng bổ xung nước ngầm. Dòng chảy lưu vực được phân một cách gần đúng thành dòng chảy mặt, dòng chảy sát mặt, dòng chảy ngầm.
3.1.1.1.Giới thiệu chung về cấu trúc của mô hình
a. Bể tuyết
Giáng thủy sẽ được giữ lại trong bể tuyết khi nhiệt độ dưới 0 độ C, con nếu nhiệt độ lớn hơn 0 độ C thì nó se chuyển xuống bể chứa mặt:
≤
= >
0 0
0 TEMP for
TEMP for TEMP CSNOW
Qmelt (3.1)
Trong đó CSNOW = 2 mm/day/K là hệ số tuyết tan trong ngày.
b. Bể chứa mặt
Lượng ẩm trữ trên bể mặt của thực vật, cũng như lượng nước điền trũng trên bề mặt lưu vực được đặc trưng bởi lượng trữ bề mặt.Umax đặc trưng cho giới hạn trữ nước tối đa của bể này.
Lượng nước, U, trong bể chứa mặt sẽ giảm dần do bốc hơi, do thất thoát theo phương năm ngang (dòng chảy sát mặt). Khi lượng nước này vượt quá ngưỡng Umax, thì một phần của lượng nước vượt ngưỡng, PN này sẽ chảy vào suối dưới dạng dòng chảy tràn bề mặt, phần còn lại sẽ thấm xuống bể sát mặt và bể ngầm.
c. Bể sát mặt hoặc bể tầng rễ cây
Bể này thuộc tầng rễ cây, là lớp đất mà thực vật có thể hút nước để thoát ẩm.Lmax đặc trưng cho lượng ẩm tối đa mà bể này có thể chứa.
Lượng ẩm của bể chứa này được đặc trưng băng đại lượng L. L phụ thuộc vào lượng tổn thất thoát hơi của thực vật.Lượng ẩm này cũng ảnh hưởng đến lượng nước sẽ đi xuống bể chứa ngầm để bổ xung nước ngầm.
d. Bốc thoát hơi
Nhu cầu bốc thoát hơi nước trước tiên là để thoả mãn tốc độ bốc thoát hơi tiềm năng của bể chứa mặt. Nếu lượng ẩm U trong bể chứa mặt nhỏ hơn nhu cầu này, thì nó sẽ lấy ẩm từ tầng rễ cây theo tốc độ Ea. Ea là tỷ lệ với lượng bốc thoát hơi tiềm năng Ep:
/Lmax
L E
Ea = p (3.2)
e. Dòng chảy mặt
Khi bể chứa mặt tràn nước, U ≥ Umax, thì lượng nước vượt ngưỡng PN(PN= U- Umax) sẽ hình thành dòng chảy mặt và thấm xuống dưới. QOF là một phần của PN, tham gia hình thành dòng chảy mặt, nó tỉ lệ thuận với PN và thay đổi tuyến tính với lượng ẩm tương đối, L/Lmax, của tầng rễ cây:
≤
− >
−
=
TOF L
L for
TOF L
L for TOF P
TOF L
CQOFL
QOF N
max max max
/ 0
1 / /
(3.3)
Trong đó CQOF là hệ số dòng chảy mặt (0 ≤ CQOF ≤ 1).
TOF là ngưỡng của dòng chảy mặt (0 ≤ TOF ≤ 1).
Phần còn lại của PN sẽ thấm xuống tầng dưới. Một phần DL của phần nước thấm xuống này, (PN-QOF), sẽ làm tăng lượng ẩm L của bể chứa tầng rễ cây này.
Phần còn lại sẽ thẩm thấu xuống tầng sâu hơn để bổ xung cho bể chứa tầng ngầm.
f. Dòng chảy sát mặt
Dòng chảy sát mặt, QIF, được giả thiết tỉ lệ thuận với U và biến đổi tuyến tính với độ ẩm tương đối của bể chứa tần rễ cây
≤
− >
−
=
−
TIF L
L for
TIF L
L for TIF U
TIF L
CKIF L QIF
max max 1 max
/ 0
1 / ) / (
(3.4) Trong đó CKIF là hằng số thời gian của dòng chảy sát mặt
TIF là giá trị ngưỡng của dòng chảy sát mặt (0 ≤ TIF ≤ 1) g. Bổ sung dòng chảy ngầm
Lượng nước thấm xuống G, bổ sung cho bể chứa ngầm phụ thuộc vào độ ẩm của đất ở tầng rễ cây:
( )
≤
− >
− −
=
TG L
L for
TG L
L TG for
TG L
QOF L G PN
max max max
/ 0
1 / /
(3.5)
Trong đó
TG là giá trị ngưỡng của lượng nước bổ sung cho tầng ngầm (0 ≤ TG ≤ 1).
h. Lượng ẩm của đất
Bể chứa tấng sát mặt biểu thị lượng nước có trong tầng rễ cây. Lượng mưa hiệu quả sau khi trừ đi lượng nước tạo dòng chảy mặt , lượng nước bổ xung cho tầng ngầm, sẽ bổ sung và làm tăng độ ẩm của đất ở tầng rễ cây L bằng một lượng DL
G QOF P
DL= N − − (3.6)
i. Diễn toán dòng chảy mặt và dòng chảy sát mặt
Dòng chảy mặt và dòng chảy sát mặt sẽ được diễn toán thông qua 2 bể chứa tuyến tính theo chuỗi thời gian với cùng một hằng số thời gian CK12.
k. Diễn toán dòng chảy ngầm
Dòng chảy ngầm được diễn toán thông qua một bể chứa tuyến tính với hằng số thời gian CKBF.
3.1.1.2.Số liệu đầu vào cho mô hình - Diện tích các lưu vực - Số liệu mưa
- Số liệu bốc hơi 3.1.1.3.Thông số mô hình
- 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 thoat 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 Cm của bề mặt của đất.
- CQOF:Hệ số dòng chảy mặt (0 ≤ CQOF ≤ 1). CQOF quyết định sự phân phối của mưa hiệu quả cho dòng chảy ngầm và thấm.
- TOF:Giá trị ngưỡng của dòng chảy mặt (0 ≤ TOF ≤ 1). Dòng 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 ≤ TOF ≤ 1). Dòng chảy sát mặt chỉ được hình thành khi chỉ số ẩm tương đối của tầng rễ cây lớn hơn TIF.
- TG:Giá trị ngưỡng của lượng nước bổ sung cho dòng chảy ngầm (0 ≤ TOF ≤ 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.
- CKIF:Hằng số thời gian của dòng chảy sát mặt. CKIF cùng với Umax quyết định dòng chảy sát mặt. Nó chi phối thông số siễn toán dòng chảy sát mặt CKIF >> CK12.
- CK12:Hằng số thời gian cho diễn toán dòng chảy mặt và sát mặt. Dòng chảy mặt và dòng chảy sát mặt được diễn toán theo các bể 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 được tạo ra sử dụng mô hình bể chứa tuyến tính với hằng số thời gian CKBF.
3.1.1.4.Áp dụng mô hình MIKE NAM vào tính toán cho lưu vực
Luận văn ứng dụng mô hình mưa - dòng chảy MIKE NAM để tính toán chuyển mưa thành dòng chảy tại mặt cắt khống chế của các tiểu lưu vực trên hệ thống sông Trà Khúc. Số liệu lưu lượng tại các vị trí này sẽ là biên đầu vào thượng lưu của mô đun thủy lực và phần gia nhập khu giữa.
Các trạm mưa sử dụng để tính toán dòng chảy được liệt kê trong Bảng 3.1 và trọng số của các trạm mưa được tính theo phương pháp đa giác Thiessen.
Số liệu mưa, lưu lượng dòng chảy được sử dụng để hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình là số liệu của các trận mưa lũ của các năm từ 1981 đến 1990 và từ1991 đến 1997.
Bảng 3.1. Các trạm mưa được sửdụng đểtính toán chuyển mưa thành dòng chảy bằng mô hình NAM
Lưu vực Diện tích (Km2) Trạm mưa sử dụng
An Chỉ 814 An Chỉ, Mộ Đức, Ba
Tơ, Giá Vực
Sơn Giang 2440
Sơn Giang, Trà Bông, Cổ Ly, Sơn Hà, Giá
Vực, KonPlong Kết quả hiệu chỉnh kiểm định mô hình MIKE NAM
Sốliệu mưa, lưu lượng các năm từ 1981 - 1990 được dùng đểhiệu chỉnh môhình, và sốliệu năm từ 1991-1997 được dùng đểkiểm nghiệm môhình.
Sai sốgiữa lưu lượng tính toán và thực đo trong bước hiệu chỉnh và kiểm nghiệm môhình được đánh giá theo chỉtiêuNash-Sutcliffe.
∑
∑
=
=
−
−
−
= n
i
tdtb tdi n i
tti tdi
Q Q
Q Q EI
1
2 1
2
) (
) (
1
trong đó: Qtdi là lưu lượng thực đo tại thời điểm i Qtti là lưu lượng tính toán tại thời điểm i Qtdtb là lưu lượng thực đo trung bình
Kết quảhiệu chỉnh và kiểmnghiệmmôhình bằng chỉ tiêu Nash -Sutcliffe tại một sốvịtrí trên lưu vực, được trình bày ởBảng 3.2,Hình 3.1 và Hình 3.2,cho thấy
cósựphù hợp giữa sốliệu tính toán và thực đo. Các chỉtiêu đánh giá mức hiệu quảcủa mô hình đều đạt.
Bảng 3.2. Kết quảhiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình mưa - dòng chảyMIKE NAM Lưu vực Tên trạm Chỉ tiêu Nash-Sutcliffe
Hiệu chỉnh Kiểm định
An Chỉ An Chỉ 91.3% 88%
Sơn Giang Sơn Giang 88.4% 82.7%
a) Hiệu chỉnh b) Kiểm định
Hình 3.1. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định tại trạm An Chỉ
AN CHI, Observed RunOff [m^3/s]
AN CHI, Simulated RunOff [m^3/s]
D:\TL Cao Hoc\QuangNgai\Models\Nam_QuangNgai\AnChi\RRcalibration\AN CHI.dfs0
1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 0
1000 2000 3000
AN CHI, Observed RunOff [m^3/s]
AN CHI, Simulated RunOff [m^3/s]
D:\TL Cao Hoc\QuangNgai\Models\Nam_QuangNgai\AnChi\RRcalibration\AN CHI.dfs0
1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 0
500 1000 1500
AN CHI, Accumulated Qobs. Million [m^3]
AN CHI, Accumulated Qsim. Million [m^3]
D:\TL Cao Hoc\QuangNgai\Models\Nam_QuangNgai\AnChi\RRcalibration\AN CHI.dfs0
1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 0
5000 10000 15000
AN CHI, Accumulated Qobs. Million [m^3]
AN CHI, Accumulated Qsim. Million [m^3]
D:\TL Cao Hoc\QuangNgai\Models\Nam_QuangNgai\AnChi\RRcalibration\AN CHI.dfs0
1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 0
5000 10000
a) Hiệu chỉnh b) Kiểm định Hình 3.2. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định tại trạm Sơn Giang
Kết luận:
Hiệu chỉnh mô hình
Với kết quả hiệu chỉnh của mô hình cho chuỗi số liệu 1981-1990 tại trạm An Chỉ và 1991 – 1997 tại trạm Sơn Giang cho thấy đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán tại cả 2 trạm tương đối phù hợp với chỉ tiêu Nash-Sutcliffe lần lượt là 0.91 và 0.88. Như vậy, với bộ thông số của mô hình tương ứng với kết quả hiệu chỉnh này ta có thể dùng để tính toán kiểm định.
Kiểm định mô hình:
Để kiểm định độ tin cậy của bộ thông số mô hình, ta dùng bộ thông số sau khi hiệu chỉnh mô hình tiến hành chạy kiểm tra cho chuỗi số liệu 1991-1997 tại trạm An Chỉ và 1981-1989 cho trạm Sơn Giang.
Kết quả kiểm định mô hình cũng được thể hiện trên biểu đồ quá trình lưu lượng thực đo tại trạm An Chỉ và Sơn Giang, kết hợp với chỉ tiêu kiểm định Nash-
SON GIANG, Observed RunOff [m^3/s]
SON GIANG, Simulated RunOff [m^3/s]
D:\TL Cao Hoc\QuangNgai\Models\Nam_QuangNgai\SonGiang\RRcalibration\SON GIANG.dfs0
1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 0
2000 4000
SON GIANG, Observed RunOff [m^3/s]
SON GIANG, Simulated RunOff [m^3/s]
D:\TL Cao Hoc\QuangNgai\Models\Nam_QuangNgai\SonGiang\RRcalibration\SON GIANG.dfs0
1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 0
5000 10000
SON GIANG, Accumulated Qobs. Million [m^3]
SON GIANG, Accumulated Qsim. Million [m^3]
D:\TL Cao Hoc\QuangNgai\Models\Nam_QuangNgai\SonGiang\RRcalibration\SON GIANG.dfs0
1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 0
20000 40000
SON GIANG, Accumulated Qobs. Million [m^3]
SON GIANG, Accumulated Qsim. Million [m^3]
D:\TL Cao Hoc\QuangNgai\Models\Nam_QuangNgai\SonGiang\RRcalibration\SON GIANG.dfs0
1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 0
20000 40000
Sutcliffe lần lượt là 0.88 và 0.83. Kết quả đường quá trình tính toán và thực đo trong trường hợp kiểm định mô hình là tương đối phù hợp. Ta có thể áp dụng bộ thông số của mô hình cho các lưu vực tương tự để tính toán dòng chảy trên lưu vực.