Việc lựa chọn các yếu tố quan trọng được coi là một nhiệm vụ quan trọng trong việc xây dựng mô hình tính nhạy cảm lũ lụt. Trong nghiên cứu này, kỹ thuật RF được sử dụng để đánh giá tầm quan trọng của các yếu tố điều hòa. Kết quả cho thấy độ cao (0,51), độ dốc (0,49), lượng mưa (0,48), sử dụng đất (0,46) ảnh hưởng nhất đến mô hình nhạy cảm lũ lụt tại lưu vực sông Nhật Lệ - Kiến Giang, tiếp theo là TWI (0,44), độ cong (0,37), thổ nhưỡng (0,32), khoảng cách tới đường (0,26), NDWI (0,23), NDBI (0,23), Khoảng cách đến sông (0,19), NDVI (0,1). Các yếu tố STI (0,08), hướng phơi sườn (0,012) và hướng dòng chảy (0,002) ảnh hướng ít nhất đến khả năng xảy ra lũ lụt.
61
Figure 11: Tầm quan trọng của các yếu tố ảnh hưởng đến mô hình tính nhạy cảm lũ lụt
2050
Độ chính xác của mô hình được thể hiện qua kết quả tính sai số trung phương RMSE, sai số MAE, hệ số xác định R2 và AUC được thể hiện trong bảng 3. Kết quả cho thấy rằng, tất cả mô hình đề xuất đều có độ chính xác cao và có thể được sử dụng để xây dựng bản đồ tính nhạy cảm lũ lụt cho lưu vực sông Nhật Lệ - Kiến Giang. Tuy nhiên mô hình MLP-AOA có độ chính xác cao nhất nên được sử dụng để xây dựng bản đồ tính nhạy cảm lũ lụt năm 2005, 2020, 2035 và 2050.
Table 3: Độ chính xác của mô hình sử dụng giá trị RMSE, MAE và R²
Dữ liệu huấn luyện Dữ liệu xác thực
MAE R2 RMSE AUC MAE R2 RMSE AUC
MLP-WOA 0,38 0,83 0,17 0,98 0,38 0,75 0,21 0,98 MLP-WCA 0,36 0,95 0,09 0,99 0,36 0,9 0,12 0,99 MLP-AOA 0,37 0,88 0,14 0,99 0,36 0,8 0,18 0,99 MLP-ACO 0,34 0,64 0,25 0,99 0,34 0,59 0,27 0,98
DT 0,08 0,77 0,2 0,98 0,1 0,67 0,24 0,97
ADB 0,27 0,55 0,28 0,98 0,28 0,54 0,28 0,98
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Mức độ quan trọng
62
HOẠT ĐỘNG 2.4: NGHIÊN CỨU THIẾT LẬP MÔ HÌNH THỦY LỰC TRONG MÔ PHỎNG LŨ LỤT NĂM 2005, 2020, 2035, 2050 CHO LƯU VỰC SÔNG
NHẬT LỆ - KIẾN GIANG 2.4.1. Xây dựng mô hình Mike Nam
2.4.1.1. Giới thiệu mô hình NAM
Tên gọi NAM xuất phát từ chữ viết tắt trong tiếng Đan Mạch "Nedbor -
Afstromming - Model", nghĩa là mô hình mưa - dòng chảy (DHI, 2004). Mô hình NAM
được xây dựng vào khoảng năm 1982 tại khoa Thuỷ Văn Viện kỹ thuật thủy động lực và thủy lực thuộc trường Đại học kỹ thuật Đan Mạch, thuộc loại mô hình thuỷ văn thông số tập trung. NAM là một hệ thống các diễn toán dưới dạng định lượng đơn giản
thể hiện trạng thái của đất trong chu kỳ thủy văn.
Mô hình NAM đã được sử dụng tốt với các chế độ thủy văn và khí hậu khác nhau ở nhiều nơi trên thế giới như Borneo, Mantania, Srilanca, Thái Lan, Ấn Độ... Ở Việt Nam, mô hình này đã được nghiên cứu sử dụng trong tính toán dự báo lũ trên nhiều hệ thống sông (DHI, 2004). Hiện nay trong mô hình thủy động lực MIKE 11 (do Viện Thủy lực Đan Mạch - DHI xây dựng). NAM đã được tích hợp như là một môđun nhằm tính toán dòng chảy từ mưa và được xây dựng trên nguyên tắc xếp 5 bể chứa theo chiều thẳng đứng và 2 bể chứa tuyến tính nằm ngang bao gồm:
Bể chứa tuyết tan
Bể chứa tuyết tan được kiểm soát bằng các điều kiện nhiệt độ, Đối với điều kiện khí hậu nhiệt đới ở Việt Nam, không xét đến bể chứa này.
Bể chứa mặt
Lượng ẩm trữ trên bề mặt của thực vật, lượng nước điền trũng trên bề mặt lưu vực và lượng nước trong tầng sát mặt được đặc trưng bởi lượng trữ bề mặt. Giới hạn
trữ nước tối đa trong bể chứa này được ký hiệu bằng Umax.
Lượng nước U trong bể chứa mặt sẽ giảm dần do bốc hơi, do thất thoát theo phương nằm 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.
Lượng nước ở bể chứa mặt bao gồm lượng nước mưa do lớp phủ thực vật chặn lại, lượng nước đọng lại trong các chỗ trũng và lượng nước trong tầng sát mặt.
63
Bể chứa tầng dưới (bể tầng rễ cây)
Bể này thuộc tầng rễ cây, là lớp đất mà thực vật có thể hút nước để thoát ẩm,
Giới hạn trên của lượng ẩm tối đa trong bể chứa này được ký hiệu là Lmax.
Lượng ẩm của bể chứa sát mặt được đặc trưng bằng đại lượng 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 sung nước ngầm. Tỷ số L/Lmax biểu thị trạng thái ẩm của bể chứa.
Bốc thoát hơi nước của thực vật được ký hiệu là Ea, tỷ lệ với lượng bốc thoát hơi nước tiềm năng EP.
Ea = Ep L/Lmax
Bốc thoát hơi nước thực vật để thỏa mãn nhu cầu bốc 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.
Bể ngầm (gồm 2 bể)
Lượng nước bổ sung cho dòng chảy ngầm phụ thuộc vào độ ẩm của đất trong tầng rễ cây. Mưa hoặc tuyết tan trước tiên đi vào bể chứa mặt, Lượng nước U trong bể chứa mặt liên tục tiêu hao cho bốc thoát hơi và thấm ngang để tạo thành dòng chảy sát mặt. Khi lượng nước U vượt quá giới hạn Umax, phần lượng nước thừa sẽ tạo thành
dòng chảy tràn để tiếp tục chảy ra sông, phần còn lại sẽ thấm xuống các bể chứa tầng dưới và bể chứa nước ngầm.
Lượng cấp nước ngầm được chia ra thành 2 bể chứa: bể chứa nước ngầm tầng trên và bể chứa nước ngầm tầng dưới. Hoạt động của hai bể chứa này như các hồ chứa tuyến tính với các hằng số thời gian khác nhau, Nước trong hai bể chứa này sẽ tạo thành dòng chảy ngầm.
Dòng chảy tràn và dòng chảy sát mặt được diễn toán qua một hồ chứa tuyến tính thứ nhất, Sau đó, tất cả các thành phần dòng chảy được cộng lại và diễn toán qua một hồ chứa tuyến tính thứ hai. Cuối cùng sẽ được dòng chảy tổng cộng tại cửa ra.
64
Figure 12: Cấu trúc thẳng đứng của mô hình NAM
2,4,1,2, Hiệu chỉnh mô hình Mike NAM
Theo đề xuất kỹ thuật đã được phê duyệt, nhằm mục đích sử dụng mô đun MIKE-NAM trong bộ mô hình MIKE để tính toán dòng chảy cho các biên trên và gia nhập khu giữa từ các số liệu mưa, việc đầu tiên là phải hiệu chỉnh và kiểm định mô
hình với các số liệu đo đạc, từ đó xác định bộ thông số của mô hình NAM cho các tiểu lưu vực và coupling với mạng thủy lực 1 chiều nhằm tính toán các biên trên (biên không có tài liệu lưu lượng) cũng như lượng gia nhập khu giữa. Muốn vậy, cần phải thu thập các số liệu mưa trích lũ và số liệu đo đạc lưu lượng tại trạm khống chế làm cơ sở cho việc hiệu chỉnh và kiểm định mô hình.
Việc lựa chọn các các trận lũ phục vụ hiệu chỉnh và kiểm định mô hình NAM dựa trên chuỗi số liệu hiện có (đặc biệt là số liệu đo mưa theo các ốp nhỏ hơn hoặc bằng 6h), vì nếu sử dụng mưa ngày trong mô phỏng lũ sẽ có nhiều hạn chế. Do đó, 2 trận lũ tháng 11/2010 và 11/2012 tại trạm Kiến Giang được sử dụng để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình.
65 Trong khi hiệu chỉnh, các thông số mô hình được điều chỉnh bằng cách thử sai
kết hợp với hiệu chỉnh tự động để đạt tới giá trị gần đúng. Các giá trị gần đúng này được coi là hệ số điển hình để xác định dòng chảy trong lưu vực.
Sử dụng phép đo hiệu suất số học để hiệu chỉnh mô hình NAM bao gồm các chỉ tiêu đánh giá như sau:
- Độ phù hợp giữa dòng chảy trung bình thực đo và tính toán: sai số tổng lượng (WBL)
- Độ phù hợp tổng thể của dạng đường quá trình: sai số gốc quân phương trung bình tổng cộng (RMSE or R2)
- Độ phù hợp của đỉnh lũ: RMSE trung bình cho đỉnh lũ - Độ phù hợp của chân lũ: RMSE trung bình cho chân lũ MIKE - NAM đưa ra giá trị R2 (với 0 < R2 < 1) cho tất cả con lũ mô phỏng với một trận lũ thực đo tương ứng. Khi một con lũ mô phỏng trùng với con lũ thực đo, R2 sẽ đạt giá trị 1. Mục đích của việc hiệu chỉnh là tìm ra một bộ thông số có thể áp dụng cho trận lũ năm 2013 và do đó có thể là giá trị gần đúng cho các thông số thực của lưu vực.
Các bộ thông số tốt nhất được lấy ra cho mỗi trận lũ với các tiêu chuẩn đánh giá trong bảng 4.
Table 4: Các bộ thông số hiệu chỉnh mô hình MIKE-NAM
Thông số
NAM Mô tả thông số NAM Đơn vị Giá trị
Umax (mm) Lượng trữ nước mặt cực đại mm 10
Lmax (mm) Lượng trữ nước cực đại trong đới rễ mm 101
CQOF Hệ số dòng chảy tràn - 0,9
CKIF (hr) Hằng số thời gian dòng sát mặt giờ 277,6 Ck1,2 Hằng số thời gian của dòng chảy tràn giờ 25
TOF Giá trị biên của đới rễ cây đối với dòng
chảy tràn - 0,11
TIF Giá trị biên của đới rễ cây cho dòng sát mặt - 0,258 TG Giá trị biên của đới rễ cây cho dòng ngầm - 0,139 CKBF Hằng số thời gian cho dòng chảy cơ sở giờ 1168
Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy văn cho lưu vực sông Nhật Lệ tại trạm Kiến Giang cho 2 trận lũ tháng 11/2010 và 11/2012 cũng cho kết quả đánh giá theo chỉ tiêu NASH đạt 75,2% và 72,3%, thuộc loại khá. Như vậy bộ thông số của mô
66 hình thủy văn cho lưu vực sông Nhật Lệ có đủ độ tin cậy để tiến hành biên đầu vào cho mô hình thủy lực.
Figure 13: So sánh lưu lượng tính toán và
thực đo tại trạm Nhật Lệ (trận lũ X/2010),
Figure 14: So sánh lưu lượng tính toán và
thực đo tại trạm Nhật Lệ (trận lũ IX/2012),