Giới thiệu một số mô hình khí hậu – dòng chảy

Trong vài thập kỷ qua, một số lƣợng lớn các mô hình mƣa – dòng chảy đƣợc sử dụng phục vụ cho bài toán đánh giá tác động của BĐKH toàn cầu đến các quá trình thủy văn trên lƣu vực, và mỗi mô 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 mô hình đƣợc sử dụng phổ biến cho bài toán BĐKH, nhấn mạnh vào khía cạnh của mô hình phản ánh tác động của BĐKH.

2.2.1.1 MIKE – SHE

Mô hình mƣa – dòng chảy MIKE – SHE của Viện Thủy lực Đan Mạch thuộc nhóm mô hình phân bố. Nó bao gồm vài thành phần tính dòng chảy và phân bố theo các pha riêng của quá trình dòng chảy:

30

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

 Dòng chảy trong lòng dẫn – sử dụng diễn toán 1 chiều của Mike 11. Mô hình này cung cấp vài phƣơng pháp nhƣ Muskingum, phƣơng trình khuếch tán hoặc phƣơng pháp giải phƣơng trình St.Venant.

 Dòng chảy sát mặt trong đới không bão hòa – mô hình 2 lớp , mô hình trọng số hoặc mô hình dựa vào phƣơng trình Richard.

 Dòng chảy cơ sở - MIKE SHE tích hợp mô hình dòng 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 mô tả tất cả

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

2.2.1.2 HEC-HMS

Mô 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 mô 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.

 Mô đun diễn toán – phƣơng pháp Muskingum, phƣơng pháp trễ, mô hình sóng động học hoặc các biến đổi của chúng.

31

 Ngoài ra mô hình còn mô hình hóa một số công trình trên sông nhƣ hồ chứa, công trình phân nƣớc.

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

2.2.1.3 NASIM

Mô hình mƣa – dòng chảy NASIM (Niederschlag – Abfluss Simulation Model) của viện thủy văn Đức, phát triển kể từ thập niên 80 và thuộc nhóm mô 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, mô 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 (dòng chảy cơ sở) bằng mô 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.

Mô hình chƣa tích hợp công 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 toán độ ẩm đất – Sacramento, một phần của thƣ viện công nghệ mô 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

32

dòng chảy cơ sở và nƣớc có áp và nƣớc tự do bổ sung. Dòng 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 thông số có thể đƣợc hiệu chỉnh, và đƣợc phân loại theo đới riêng [31]. Mô hình này đƣợc các nhà nghiên cứu USA sử dụng phổ biến trong bài toán BĐKH (ví dụ 20, 27, 32)

2.2.1.5 HBV

Mô hình thủy văn HBV, phát triển từ thập niên 70 ở viện khí tƣợng và thủy văn Thụy Điển, là mô hình dòng chảy bán phân bố. Nó là một phần của hệ thống mô hình IHMS (hệ thống mô 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. Mô hình tính toán 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 toán chính của dòng chảy mặt.  Modun dòng chảy – dựa vào phƣơng pháp đƣờng đơn vị.

 Modun bể chứa

2.2.1.6 SWAT

Mô hình SWAT đƣợc xây dựng dựa trên cơ sở về mặt vật lý, có khả năng tính toán 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 mô hình khác nhau, SWAT cho phép tính toán biến đổi khí hậu, thủy văn, sự phát triển cây trồng, xói mòn, truyền tải chất dinh dƣỡng, thuốc trừ sâu cũng nhƣ thực

33 tiễn quản lý.

BĐKH đƣợc tính toán trực tiếp trong mô hình thông 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 thông thƣờng đƣợc thực hiện trong các mô hình khác.

Tuy nhiên theo nhiều nghiên cứu [6, 7, 14] khả năng mô phỏng đỉnh lũ của mô hình thể hiện mức độ chính xác chƣa cao, do đó sử dụng để khảo sát bài toán cực trị dòng 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 dòng chảy từ mƣa (gọi là phƣơng pháp SCS). Theo đó, trong một trận mƣa rào, độ sâu mƣa hiệu dụng hay độ sâu dòng chảy trực tiếp Pe không bao giờ vƣợt quá độ sâu mƣa P. Tƣơng tự, sau khi quá trình dòng 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 không sinh dòng chảy trƣớc thời điểm sinh nƣớc đọng trên bề mặt lƣu vực. Do đó, có lƣợng dòng 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 nguyên lí liên tục, có: a a e I F P P  

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

35

Để đánh giá những thay đổi thuộc tính thủy văn trên lƣu vực, lƣu vực chia thành nhiều lƣu vực con khép kín. Quá trình diễn toán thực hiện bởi mô 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 mô hình phân bố.

 Giáng thủy – Số liệu đầu vào. Trong đó mô đun tuyết đƣợc tính toán thông 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 dòng chảy mặt.

 Dòng chảy sát mặt trong đới không bão hòa – đƣợc tính toán theo lƣợng trữ ẩm và lƣợng ẩm tƣơng đối, hệ số dòng chảy sát mặt và ngƣỡng sinh dòng 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 toán vào mô hình [22].

Để mô hình hóa các quá trình mƣa – dòng chảy phục vụ cho bài toán 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 mô hình phù hợp với mục tiêu cụ thể.