Luận văn sử dụng chỉ tiêu của Nash – Sutcliffe (1970) [34] để đánh giá kết quả tính toán của mô hình. Chỉ tiêu này đƣợc lựa chọn vì chúng đƣợc sử dụng trong đánh giá hoạt động của mô hình ở hầu hết các nghiên cứu, hơn nữa nó là chỉ tiêu đƣợc tích hợp sẵn trong mô hình NAM.
Chỉ tiêu Nash xác định tỉ lệ tổng chênh lệch giữa chuỗi quan trắc và tính toán và đƣợc xác định theo công thức sau:
n 1 i 2 i n 1 i n 1 i 2 i ' i 2 i 2 ) x x ( ) x x ( ) x x ( R trong đó:
R2 : Hệ số hiệu quả của mô hình i : Chỉ số
xi : Giá trị đo đạc
x’i : Giá trị tính toán theo mô hình
x : Giá trị thực đo trung bình
Bảng 3. 2. Mức độ mô phỏng của mô hình tƣơng ứng với chỉ số Nash
R2 0.9-1 0.7 - 0.9 0.5 – 0.7 0.3 - 0.5
Mức độ mô phỏng Tốt Khá Trung bình Kém
Trong giai đoạn kiểm định, các giá trị thông số đƣợc giữ nguyên nhƣ trong hiệu chỉnh, nhƣng đƣợc thực hiện với chuỗi số liệu đầu vào khác độc lập.
48
3.2.2 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình mưa dòng chảy NAM
Quy trình hiệu chỉnh tự động đƣợc sử dụng để trợ giúp tối ƣu hóa chỉ tiêu NSE (hệ số Nash–Sutcliffe) trong khi giữ sai số tổng nƣớc tích lũy thấp. Do dòng chảy từ các lƣu vực cơ sở hạ lƣu và trung lƣu không đƣợc đo đạc một cách độc lập, hay nói cách khác trên lƣu vực sông Nhuệ Đáy chỉ có Ba Thá đƣợc xây dựng để thực hiện quan trắc lƣu lƣợng, vì thế không có hiệu chỉnh riêng của mô hình NAM đƣợc thực hiện cho từng lƣu vực cơ sở này. Bộ thông số hiệu chỉnh và kiểm định tại lƣu vực ND1 đƣợc áp dụng cho các lƣu vực còn lại.
Quá trình hiệu chỉnh tại Ba Thá trên lƣu vực sông Đáy từ tháng 01/1972 đến tháng 12/1974 cho thấy mức độ phù hợp tƣơng đối tốt giữa giá trị tính toán và thực đo dựa vào sai số tổng lƣợng, lƣu lƣợng đỉnh lũ, hệ số tƣơng quan và chỉ số Nash (hình 3. 3a). Sai số tổng lƣợng tích lũy là 0.3%, dòng chảy trung bình các tháng mùa lũ dƣới ƣớc tính 4.39% trong khi sai số đỉnh lũ vƣợt giá trị thực đo 23.33%. Hệ số tƣơng quan là 0.811 và chỉ số Nash đạt 0.824. Bộ thông số này đƣợc kiểm định với số liệu mƣa và lƣu lƣợng tại mặt cắt cửa ra của lƣu vực ND1 từ tháng 1 năm 1976 đến tháng 12 năm 1978 cũng cho thấy mức độ phù hợp tốt giữa kết quả tính toán và thực đo với sai số tổng lƣợng tích lũy là 0.4%, sai số đỉnh lũ dƣới ƣớc tính 8.23%, hệ số tƣơng quan 0.862 và hệ số Nash 0.858 (hình 3. 3b).
Nhận xét: Ngoại trừ một vài đỉnh lũ tính toán chênh lệch (lớn hơn hoặc nhỏ
hơn) so với quan trắc, nhìn chung các giai đoạn đều thể hiện mức độ phù hợp tƣơng đối tốt giữa chuỗi dòng chảy quan trắc và tính toán. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định đều đạt chỉ tiêu Nash khoảng 85%, thuộc loại khá, và hệ số tƣơng quan cao do đó có thể sử dụng bộ thông số trong mô hình vừa hiệu chỉnh và kiểm định tại trạm Ba Thá (bảng 3. 3) để tính toán dòng chảy đến cho các lƣu vực con thuộc lƣu vực sông Nhuệ Đáy (ND). Đồng thời qua giai đoạn hiệu chỉnh và kiểm định cho thấy giả thiết về điều kiện lƣu vực không thay đổi đáng kể trong tƣơng lai là hoàn toàn chấp nhận đƣợc.
49 RunOff, BASIN (1640.31), 1640.310 RunOff
R2 = 0.811 5-2-1972 23-8-1972 11-3-1973 27-9-1973 15-4-1974 1-11-1974 0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 350.0 400.0 450.0 [m^3/s] 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 [] Model Series Data Series Low er Calc Threshold Model Series Data Series Low er Calc Threshold
RunOff, BASIN (1640.31), 1640.310 RunOff
R2 = 0.862 9-2-1975 20-5-1975 28-8-1975 6-12-1975 15-3-1976 23-6-1976 1-10-1976 9-1-1977 19-4-1977 28-7-1977 5-11-1977 0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 350.0 400.0 450.0 [m^3/s] 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 [] Model Series Data Series Low er Calc Threshold Model Series Data Series Low er Calc Threshold
RunOff, BASIN (1640.31), 1640.310 RunOff
R2 = 0.811 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 350.0 [m^3/s] Gauge 0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 350.0 400.0 450.0 [m^3/s] Model
Scatter Plot. Model vs Gauge a=0.836 b=11.5 Theoretical
Best Fit Line
Scatter Plot. Model vs Gauge a=0.836 b=11.5 Theoretical
Best Fit Line
RunOff, BASIN (1640.31), 1640.310 RunOff
R2 = 0.862 0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 350.0 400.0 [m^3/s] Gauge 0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 350.0 400.0 [m^3/s] Model
Scatter Plot. Model vs Gauge a=0.892 b=5.85 Theoretical
Best Fit Line
Scatter Plot. Model vs Gauge a=0.892 b=5.85 Theoretical
Best Fit Line
Hình 3. 3a. Hiệu chỉnh mô hình NAM xây dựng cho tiểu lưu vực ND1 - Ba Thá (1972-1974). Sai số tổng lượng tích lũy = 0.3%, và NSE=0.824.
Hình 3. 3b. Kiểm định mô hình NAM xây dựng cho tiểu lưu vực ND1 - Ba Thá cho (1976-1978). Sai số cân bằng nước tích lũy = 0.4%, và NSE=0.858.
50
Bảng 3. 3. Bộ thông số tối ƣu cho lƣu vực sông Nhuệ Đáy
Thông số
Umax Lmax CQOF CKIF CK1.2 TOF TIF TG CKBF CK2
14 292 0.568 282.5 88.9 0.0374 0.141 0.0541 1318 10
U L QOF QIF BF Điều kiện
ban đầu
0.6 0.4 5 1 8
3.3 ĐÁNH GIÁ BIẾN ĐỘNG CỰC TRỊ DÒNG CHẢY
3.3.1 Biến động các đặc trưng dòng chảy lũ
3.3.1.1 Dòng chảy lũ, dòng chảy 3 tháng lớn nhất và dòng chảy tháng lớn nhất
Sử dụng chỉ tiêu phân mùa dòng chảy (mùa lũ bao gồm các tháng liên tục trong năm có lƣu lƣợng dòng chảy bình quân tháng bình quân nhiều năm đạt hoặc vƣợt lƣu lƣợng dòng chảy bình quân năm nhiều năm; mùa kiệt bao gồm các tháng còn lại) cho thấy xu hƣớng biến đổi rõ rệt trên lƣu vực mà do sự khác biệt về mƣa và đặc điểm lƣu vực, cụ thể là diện tích lƣu vực và độ cao. Tính chất của dòng chảy lũ trong giai đoạn 1970 – 1999 không mạnh có xu hƣớng biến đổi ít đột ngột và diễn ra trong 6 tháng, bắt đầu tháng VI và kết thúc tháng XI cũng đƣợc kết luận trong nghiên cứu của Nguyễn Thanh Sơn (2011) [13]. Dòng chảy mùa lũ giai đoạn 2010 – 2050 ở cả 2 kịch bản A1B, A2 tập trung vào 4 tháng từ tháng VII đến tháng X với 2 xu hƣớng đối lập, dòng chảy tăng mạnh về cƣờng độ ở vùng thƣợng lƣu và giảm ở vùng hạ lƣu (hình 3. 4). Biến đổi khí hậu tác động đến dòng chảy tƣơng tự nhau nhƣng khác nhau về cƣờng độ. Kịch bản A2 gây ra tác động tăng lớn hơn ở dòng chảy lũ ở các lƣu vực thƣợng lƣu và tác động giảm nhỏ hơn ở các lƣu vực hạ lƣu so với kịch bản A1B ngoại trừ tiểu lƣu vực ND3, điểm đặc biệt ở đây là xu hƣớng giảm ở vùng hạ lƣu này thể hiện cả trên dòng chảy kiệt (xem xét kỹ hơn ở phần sau).
Lƣu vực ND3, nằm ở rìa phía Tây với trạm khống chế cửa ra trạm Thủy văn Hƣng Thi, cho thấy một xu hƣớng hoàn toàn độc lập so với xu hƣớng diễn ra ở vùng thƣợng lƣu và hạ lƣu đã đề cập ở trên. Biến đổi khí hậu theo kịch bản A1B
51
làm giảm dòng chảy trong khi xu hƣớng tăng nhẹ đƣợc tìm thấy dƣới tác động của kịch bản A2.
Hình 3. 4. Diễn biến dòng chảy tháng trung bình nhiều năm trên các tiểu lưu vực cho từng thời kỳ thuộc lưu vực sông Nhuệ Đáy
52
Hình 3. 5a. Tỉ lệ biến động dòng chảy 6 tháng và 4 tháng mùa lũ giữa kịch bản
A1B và giai đoạn nền (1970 – 1999)
Hình 3. 5b. Tỉ lệ biến động dòng chảy 6 tháng và 4 tháng mùa lũ giữa kịch bản
A2 và giai đoạn nền (1970 – 1999)
Trên hình 3. 5, biểu đồ cột cho thấy sự thay đổi dòng chảy 6 tháng (màu xám) và dòng chảy 4 tháng mùa lũ (màu đen) trên lƣu vực trong điều kiện khí hậu kịch bản A1B (hình 3. 5a) và kịch bản A2 (hình 3. 5b) so với điều kiện khí hậu giai đoạn nền. Điểm đáng chú ý nhất trong hình 3. 5 là sự thay đổi mạnh của dòng chảy 4 tháng mùa lũ trong cả 2 kịch bản so với sự thay đổi của dòng chảy 6 tháng mùa lũ. Sự thay đổi điều kiện khí hậu theo kịch bản A1B và A2 làm dòng chảy 6 tháng mùa lũ trên lƣu vực ND1 tăng 6.33%, 24.03%. Trong khi dòng chảy 4 tháng mùa lũ theo 2 kịch bản tăng 10.45% và 27.56% tƣơng ứng. Trên lƣu vực ND5, dòng chảy 6 tháng và 4 tháng mùa lũ dƣới tác động của khí hậu kịch bản A1B giảm 21.1%, 16.2% và kịch bản A2 giảm 4.95%, 3.03% tƣơng ứng. Với lƣu vực ND3 con số này tƣơng ứng là -13.18%, -9.07% với kịch bản A1B, +15.09, 17.99% với kịch bản A2. Xu thế biến đổi theo không gian của dòng chảy dƣới tác động của biến đổi khí hậu này là do trên lƣu vực xuất hiện 2 xu hƣớng thay đổi mƣa khác nhau theo kịch bản, tăng ở vùng thƣợng lƣu và giảm ở vùng hạ lƣu.
Tác động của điều kiện khí hậu khác nhau theo 2 kịch bản đối với dòng chảy khi xét đến đại lƣợng trung bình mùa lũ, 3 tháng lũ lớn nhất trung bình nhiều
53
năm, tháng lũ lớn nhất trung bình nhiều năm và tháng lũ lớn nhất tuyệt đối đƣợc minh họa trên hình 3. 6 và tổng kết trong bảng 3. 4.
Bảng 3. 4. Thay đổi của một số đặc trƣng dòng chảy lũ của lƣu vực ND1
Lưu vực ND1 Dòng chảy mùa lũ Dòng chảy tháng lớn nhất Dòng chảy tháng lớn nhất tuyệt đối Dòng chảy ba tháng lớn nhất
Giai đoạn a1b a2 a1b a2 a1b a2 a1b a2
1970-1999 89.23 150.91 297.86 119.01 2010-2019 87.96 124.41 173.27 238.37 338.18 819.76 127.14 171.94 2020-2029 106.19 95.41 179.63 176.99 356.28 373.23 142.00 132.56 2030-2039 106.15 131.24 196.98 297.85 486.05 883.82 147.56 189.60 2040-2049 79.23 91.64 149.91 192.60 311.16 474.14 112.82 131.97 2010-2049 94.88 110.67 174.95 226.45 372.92 637.74 132.38 156.52 % thay đổi 6.33% 24.03% 15.93% 50.06% 25.20% 114.11% 11.23% 31.52%
Hình 3. 6 này cho thấy 2 xu hƣớng khác biệt ở 2 khu vực thƣợng lƣu và hạ lƣu của các đặc trƣng dòng chảy lũ, xu hƣớng tăng ở vùng thƣợng lƣu (màu đỏ) và xu hƣớng giảm ở hạ lƣu (màu xanh) và đều thể hiện một xu hƣớng thay đổi tƣơng tự nhau dƣới tác động của cả 2 kịch bản nhƣng khác nhau về mức độ đối với cả 3 đặc trƣng dòng chảy bao gồm 3 tháng lớn nhất, tháng lớn nhất và tháng lớn nhất tuyệt đối. Khoảng biến đổi của dòng chảy mùa lũ từ -23.05% đến +8.95% dƣới tác động của kịch bản A1B, -7.24% đến + 21.22% dƣới tác động của kịch bản A2. Trong khi khí hậu của kịch bản A1B và A2 làm dòng chảy tháng lớn nhất dao động trong khoảng -21.39% đến +21.98% và khoảng +5.74% đến 41.48% tƣơng ứng. Điều đó cho thấy một điểm thú vị là khoảng biến đổi có xu hƣớng thiên dƣơng đối với những yếu tố cực trị hơn hay nói cách khác những yếu tố cực trị hơn chịu tác động mạnh hơn của kịch bản biến đổi khí hậu (hàng cuối bảng 3. 4), đồng thời xu hƣớng thiên dƣơng cũng tìm thấy khi so sánh biến đổi dƣới tác động của kịch bản A2 so với kịch bản A1B, làm dòng chảy tăng mạnh hơn kịch bản A1B ở khu vực phía bắc, giảm nhẹ hơn ở khu vực phía Nam.
So sánh với nghiên cứu trƣớc [17] thể hiện xu hƣớng tăng của dòng chảy mùa lũ trên toàn lƣu vực sông Hồng – Thái Bình, sở dĩ có sự khác biệt trong kết quả này là do nghiên cứu trƣớc đƣợc phân tích với dải kịch bản khác cũng nhƣ sử
54
dụng mô hình khí hậu khu vực khác, hơn nữa nghiên cứu đƣợc thực hiện trên lƣu vực quy mô lớn không cho phép thể hiện một cách chi tiết xu hƣớng biến đổi nhƣ trong nghiên cứu này.
Hình 3. 6. Biến động theo không gian của các đặc trưng dòng chảy lũ trên hệ thống
55
Nhận xét: Tồn tại 2 xu thế biến đổi chính của dòng chảy trên lƣu vực,
thƣợng lƣu và hạ lƣu. Dòng chảy lũ và dạng lũ thay đổi đáng kể, dòng chảy lũ tập trung vào 4 tháng từ tháng VII đến tháng X với cƣờng độ lớn hơn ở thƣợng lƣu, nhỏ hơn ở hạ lƣu. Tính cực trị của yếu tố chịu ảnh hƣởng mạnh hơn bởi biến đổi khí hậu, đồng thời tác động của kịch bản A2 lớn hơn so với A1B.
3.3.1.2 Thời gian xuất hiện đỉnh lũ
Xu hƣớng biến đổi dạng lũ đƣợc thể hiện rõ rệt hơn qua đƣờng quá trình dòng chảy cực đại tháng qua từng giai đoạn (hình 3. 7) trên 5 lƣu vực cơ sở thuộc hệ thống lƣu vực sông Nhuệ Đáy. Xem xét thời gian xuất hiện đỉnh lũ cho các năm trong từng giai đoạn (hình 3. 7), phần lớn đỉnh lũ xuất hiện vào tháng VIII trong giai đoạn 1970 – 1999 trong khi đó xuất hiện vào tháng X trong giai đoạn 2010 – 2050. Cƣờng độ biến đổi của dòng chảy cực đại tháng dƣới tác động của 2 kịch bản vẫn thể hiện hai xu hƣớng chính. Ở các lƣu vực thƣợng lƣu, cƣờng độ dòng chảy biến đổi mạnh và đột ngột, mức độ biến đổi của dòng chảy dƣới tác động của kịch bản A2 vẫn lớn hơn đáng kể so với kịch bản A1B. Ở hạ lƣu dòng chảy dƣới tác động của kịch bản A1B cho thấy một dao động tƣơng tự với dòng chảy ở điều kiện khí hậu hiện tại, thậm chí còn ít rủi ro hơn; dƣới tác động của kịch bản A2 mức độ rủi ro của dòng chảy tăng cao, có sự xuất hiện của 2 đỉnh lũ lớn gần tƣơng đƣơng nhau vào 2 thời điểm, tháng VIII và tháng X.
Dao động dòng chảy ngày lớn hơn so với hiện tại, yếu tố này đƣợc thể hiện qua so sánh đại lƣợng độ lệch chuẩn dòng chảy tháng tại các tiểu lƣu vực trên Nhuệ Đáy cho từng giai đoạn. Nhìn chung độ lệch chuẩn có xu hƣớng tăng do giá trị thấp và cao hơn giá trị trung bình biến đổi lớn, độ lệch chuẩn lớn nhất vào tháng X trên cả 5 tiểu lƣu vực khác với giai đoạn hiện tại, độ lệch chuẩn lớn nhất vào khoảng tháng VIII hoặc tháng IX. Xu hƣớng dịch chuyển này có khả năng do sự khác biệt về thời gian phản ứng với mƣa của lƣu vực và khoảng thời gian mƣa.
Nhƣ vậy tác động của biến đổi khí hậu gây ra dao động mạnh của dòng chảy ngày, đồng thời dẫn đến sự dịch chuyển về cuối năm của tháng đỉnh lũ, muộn hơn
56
với cƣờng độ lớn hơn. Ngƣợc lại dòng chảy hạ lƣu cho thấy một dấu hiêu khả quan hơn, ít biến động hơn dƣới tác động của kịch bản A1B.
Hình 3. 7. Đường quá trình dòng chảy tháng cực đại tại các tiểu lưu vực sông Nhuệ Đáy cho thời kỳ nền, kịch bản A1B và kịch bản A2
57
3.3.1.3 Dòng chảy ngày cực đại
Hình 3. 8 thể hiện xu thế biến đổi của dòng chảy ngày cực đại trên các tiểu lƣu vực từ năm 1970 đến 2049 theo 2 kịch bản A1B và A2, đƣợc xác định từ hệ số góc A của phƣơng trình hồi qui tuyến tính một biến. Giá trị tuyệt đối của hệ số A càng lớn có nghĩa là mức độ biến đổi của nó càng mạnh và dấu của hệ số này cho thấy xu thế biến đổi, giảm khi mang dấu âm và ngƣợc lại tăng khi mang dấu dƣơng.
Hình 3. 8. Biến động dòng chảy ngày cực đại theo thập niên trên lưu vực Nhuệ Đáy theo kịch bản A1B
58
Xét trong thời kỳ 1970 – 2049, kết quả tính toán cho thấy xu thế tăng nhanh của dòng chảy theo thời gian, đƣợc biểu hiện qua giá trị tƣơng đối lớn và dƣơng của hệ số A với giá trị lớn nhất 3.4, 2.6 ở ND1, ND4 tƣơng ứng, thể hiện rõ rệt trong hầu hết các tiểu vùng ngoại trừ ND5 có hệ số A âm, giá trị của nó mặc dù không lớn