1. Phân phối m−a năm theo mùa
Cũng nh− các nơi khác ở n−ớc ta, l−ợng m−a ở tỉnh Quảng Trị cũng phân phối không đều trong năm. Một năm hình thành hai mùa rõ rệt là mùa m−a và mùa khô. Sử dụng chỉ tiêu phân mùa: mùa m−a gồm các tháng liên tục trong năm có l−ợng m−a tháng bình quân nhiều năm đạt hoặc v−ớt 1/12 l−ợng m−a năm bình quân nhiều năm, mùa khô gồm các tháng còn lại, kết quả phân mùa cho tất cả 7 trạm đo m−a trong tỉnh Quảng Trị, đ−ợc thống kê trong bảng 2.8.
Các kết quả phân mùa m−a - khô trong bảng trên cho thấy:
- Mùa m−a và mùa khô bắt đầu và kết thúc không đồng bộ trên toàn tỉnh Quảng Trị. Các khu vực thuộc s−ờn phía Đông Tr−ờng Sơn (Đông Hà, Gia Vòng, Cồn Cỏ, Thạch Hãn và Cửa Việt) có mùa m−a xuất hiện muộn và ngắn, chỉ 3 đến 4 tháng (từ tháng IX đến tháng XI hoặc XII) còn mùa khô kéo dài tới 8-9 tháng (từ tháng XII năm tr−ớc đến tháng VIII năm sau hoặc từ tháng I đến tháng VIII). Các khu vực thuộc s−ờn phía Tây Tr−ờng Sơn có mùa m−a đến sớm hơn và kéo dài hơn (từ tháng V đến tháng XI, kéo dài 7 tháng) còn mùa khô ngắn hơn (từ tháng XII
năm tr−ớc đến tháng IV năm sau, chỉ kéo dài 5 tháng).
Bảng 2.8. Kết quả phân mùa m−a - khô tại các trạm có đo m−a tỉnh Quảng Trị
Mùa m−a Mùa khô
TT Trạm
Thời gian % so với Xnăm Thời gian % so với Xnăm
1 Đông Hà IX ữ XI 63,97 XII ữ X 36,03
2 Cồn Cỏ IX ữ XII 66,64 XII ữ X 33,36
3 Gia Vòng IX ữ XI 63,97 XII ữ X 36,03
4 Thạch Hãn IX ữ XII 72,70 XII ữ X 27,30
5 Cửa Việt IX ữ XII 72,83 XII ữ X 27,17
6 Tà Rụt IX ữ XI 59,24 XII ữ X 40,76
7 Khe Sanh V ữ XI 89,54 XI ữ IV 10,48
- Sự phân hóa giữa hai mùa m−a-khô ở tỉnh Quảng Trị khá sâu sắc. Đối với các khu vực thuộc s−ờn phía Đông Tr−ờng Sơn, tổng l−ợng m−a của 3-4 tháng mùa m−a chiếm tới 59-73% tổng l−ợng m−a năm; trong khi đó, tổng l−ợng m−a của cả 9 tháng mùa khô chỉ chiếm 27-41% . Tại các khu vực thuộc s−ờn phía Tây Tr−ờng Sơn, tổng l−ợng m−a của 7 tháng mùa m−a chiếm tới xấp xỉ 90% tổng l−ợng m−a năm còn tổng l−ợng m−a của 5 tháng mùa khô chỉ chiếm trên d−ới 10%.
2. Phân phối m−a năm theo tháng
Sử dụng tài liệu m−a tháng của các trạm có tài liệu đo m−a trong tỉnh Quảng Trị, tiến hành tính phân phối m−a năm theo tháng dạng bình quân nhiều năm và các đặc tr−ng m−a của từng trạm. Kết quả đ−ợc thống kê trong các bảng 2.9 và 2.10. Các kết quả này cho thấy:
- Mô hình phân phối m−a năm theo tháng tại các trạm đo m−a trong tỉnh Quảng Trị phân hoá thành 2 dạng rất khác biệt. Các khu vực thuộc s−ờn phía Đông Tr−ờng Sơn (Đông Hà, Gia Vòng, Cồn Cỏ, Thạch Hãn, Cửa Việt và Tà Rụt) có phân phối m−a trong năm dạng 2 đỉnh, tức là một năm có 2 cực đại và 2 cực tiểu: cực đại chính xuất hiện vào X, cực đại phụ xuất hiện vào tháng VI do có m−a "tiểu mãn", cực tiểu chính xuất hiện vào 1 trong các tháng I ữ IV còn cực tiểu phụ xuất hiện vào tháng VII. Các khu vực thuộc s−ờn phía Tây Tr−ờng Sơn (Sê Păng Hiêng) có phân phối m−a trong năm dạng 1 đỉnh, tức là một năm có 1 cực đại và 1 cực tiểu: cực đại xuất hiện vào X còn cực tiểu xuất hiện vào một trong các tháng I ữ IV.
- Sự phân hoá m−a năm theo tháng cũng khá sâu sắc. L−ợng m−a của tháng m−a nhiều nhất (tháng X) chiếm từ 20% đến 29% tổng l−ợng m−a năm. L−ợng m−a của tháng ít m−a nhất (I, II, III hoặc IV) rất không đáng kể, chỉ chiếm từ 0,5% đến
2,1% tổng l−ợng m−a năm. Tháng m−a nhiều nhất có l−ợng m−a lớn gấp từ 10 lần (Cồn Cỏ) đến 54 lần (Tà Rụt) l−ợng m−a của tháng m−a ít nhất. Ba tháng m−a nhiều nhất là các tháng IX, X, XI. Ba tháng m−a ít nhất là các tháng I, II, III hoặc II, III, IV. Tổng l−ợng m−a của ba tháng m−a nhiều nhất lớn gấp từ 7 lần (Cồn Cỏ) đến 18 lần (Tà Rụt) tổng l−ợng m−a của ba tháng m−a ít nhất
Bảng 2.9. Phân phối m−a năm theo tháng tại các trạm đo m−a tỉnh Quảng Trị
Tháng
TT Trạm Đặc
tr−ng
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Năm Xth 46,1 36,8 35,0 60,5 128,5 87,4 67,2 167,3 394,3 609,7 438,4 183,4 2254,7 1 Đông Hà γ% 2,05 1,63 1,55 2,68 5,70 3,88 2,98 7,42 17,49 27,04 19,44 8,14 100 Xth 134,6 72,6 55,346,0 94,4 83,0 75,1 162,7 415,4 493,1 323,0 213,7 2168,8 2 Cồn Cỏ γ% 6,21 3,35 2,552,12 4,35 3,83 3,46 7,50 19,15 22,74 14,89 9,85 100 Xth 59,4 66,2 40,472,3 139,8 97,0 72,0 152,1 466,3 649,6 458,4 187,6 2461,0 3 Gia Vòng γ% 2,41 2,69 1,642,94 5,68 3,94 2,93 6,18 18,95 26,40 18,63 7,62 100 Xth 78,0 55,7 52,563,9 152,3 84,4 62,9 141,5 400,7 694,7 490,8 253,8 2531,1 4 Thạch Hãn γ % 3,08 2,20 2,072,52 6,02 3,34 2,48 5,59 15,83 27,45 19,39 10,03 100 Xth 64,8 49,0 37,459,7 118,7 64,6 59,2 158,1 374,3 575,9 454,9 234,5 2251,1 5 Cửa Việt γ % 2,88 2,18 1,662,65 5,27 2,87 2,63 7,02 16,63 25,58 20,21 10,42 100 Xth 28,0 11,6 31,6 94,7 168,9 193,6 113,4 164,9 353,6 626,1 294,0 92,8 2149,9 6 Tà Rụt γ % 1,30 0,54 1,47 4,41 7,85 9,01 5,27 7,67 16,45 29,12 13,67 4,32 100 Xth 15,7 20,4 31,3 87,4 172,2 199,4 196,4 297,6 371,7 416,1 184,9 60,0 2053,1 7 Khe Sanh γ % 0,76 0,99 ,52 4,26 8,39 9,71 9,57 4,49 18,10 20,27 9,00 2,92 100
Bảng 2.10. Các đặc tr−ng m−a tại các trạm thuộc tỉnh Quảng trị
TT Trạm Xthmax Xthmin Xthmax
Xthmin X3thmax X3thmin
X3thmax X3thmin 1 Đông Hà 609,7 35,0 17,40 1442,4 117,9 12,23 2 Cồn Cỏ 493,1 46,0 10,73 1231,5 173,8 7,09 3 Gia Vòng 649,6 40,4 16,08 1574,3 165,9 9,49 4 Thạch Hãn 694,7 52,5 13,24 1586,3 172,0 9,22 5 Cửa Việt 575,9 37,4 15,41 1405,1 146,2 9,61 6 Tà Rụt 626,1 11,6 54,15 1273,7 71,1 17,91 7 Khe Sanh 416,1 15,7 26,53 972,7 67,4 14,44
Trên các sông suối của tỉnh Quảng Trị chỉ có hai trạm đo l−u l−ợng dòng chảy là trạm Gia Vòng trên sông Bến Hải (khống chế diện tích l−u vực 300 km2) và trạm Rào Quán trên sông Rào Quán (khống chế diện tích l−u vực 185 km2). Trạm Gia Vòng do Trung tâm Khí t−ợng Thủy văn Quốc gia quản lý, tiến hành đo liên tục l−u l−ợng và mực n−ớc từ năm 1977 đến nay còn trạm Rào Quán chỉ đo l−u l−ợng và mực n−ớc trong 4 năm (1983-1985, 2004) để phục vụ việc thiết kế và xây dựng nhà máy thủy điện Rào Quán trên sông Rào Quán. Trong khi đó, các trạm đo m−a trong phạm vi tỉnh t−ơng đối nhiều và tiến hành đo t−ơng đối đồng bộ và liên tục từ năm 1977 đến nay. Bởi vậy, để có thể đánh giá đ−ợc đầy đủ các diễn biến theo thời gian và không gian của tài nguyên n−ớc sông trong tỉnh Quảng Trị, tr−ớc hết cần khôi phục lại quá trình dòng chảy trên các sông còn thiếu hoặc hoàn toàn không có tài liệu đo l−u l−ợng từ số liệu đo m−a khá đầy đủ và đồng bộ trên các l−u vực sông trong tỉnh.
Có rất nhiều mô hình toán có thể sử dụng để khôi phục quá trình dòng chảy từ quá trình m−a. Báo cáo này đã chọn sử dụng mô hình m−a - dòng chảy phi tuyến NLRRM (Non Linear Rainfall Runoff Model). Mô hình do Viện KTTV xây dựng, đã đ−ợc kiểm nghiệm cho các l−u vực sông vừa và nhỏ, cho kết quả rất phù hợp với số liệu thực đo và đã đ−ợc đánh giá cao trong việc khôi phục và tính toán dòng chảy từ m−a cho các l−u vực thiếu hoặc không có tài liệu quan trắc.
2.3.1. ứng dụng mô hình NLRRM để khôi phục số liệu quá trình dòng chảy tháng trên các l−u vực sông chính tỉnh Quảng Trị trên các l−u vực sông chính tỉnh Quảng Trị
1. Cơ sở lý thuyết của mô hình NLRRM
Hệ thống mô hình mô phỏng l−u vực là một hệ thống động lực có đầu vào là m−a và đầu ra là dòng chảy. Các quá trình xem xét trong việc mô hình hoá bao gồm:
- L−ợng m−a sinh dòng chảy,
- Dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm,
- Diễn toán dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm, - Xác định các thông số của mô hình.
Có thể nhận thấy rằng, l−ợng m−a sinh dòng chảy càng lớn thì tỷ trọng của dòng chảy ngầm càng nhỏ so với dòng chảy mặt. Điều này phù hợp với quy luật dòng chảy ở n−ớc ta. Về mùa cạn, dòng chảy sông chủ yếu đ−ợc cung cấp từ l−ợng trữ n−ớc ngầm. Về mùa m−a, l−ợng n−ớc cung cấp cho dòng chảy sông chủ yếu lại
do dòng chảy mặt mặc dù l−ợng dòng chảy ngầm có tăng. Mô hình gồm 8 thông số nh− sau: C1, C2, C3, C4 là các thông số −ớc tính l−ợng m−a sinh dòng chảy; K1 , P1 là các thông số diễn toán dòng chảy mặt; K2 , P2 là các thông số diễn toán dòng chảy ngầm. Cấu trúc của mô hình đ−ợc thể hiện trong hình 2.3
Các thông số của mô hình đ−ợc xác định theo thuật toán đơn hình, ứng dụng ph−ơng pháp Monte-Carlo. Ch−ơng trình tính đ−ợc lập bằng ngôn ngữ FORTRAN.
Hình 2.2. Cấu trúc hệ thống của mô hình m−a - dòng chảy phi tuyến
Mức độ phù hợp giữa các kết quả tính toán và thực đo đ−ợc đánh giá theo tiêu chuẩn đánh giá sai số của Tổ chức Khí t−ợng Thế giới (WMO).
Tiêu chuẩn đánh giá nh− sau:
⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ > − − = tốt kh t d R % 85 á % 85 65 ạ % 65 40 2
2. Hiệu chỉnh vμ kiểm nghiệm mô hình
Phần lớn các l−u vực sông chính trong tỉnh Quảng Trị đều hoàn toàn không có số liệu thực đo dòng chảy nên để khôi phục số liệu quá trình dòng chảy tháng từ số liệu quá trình m−a tháng cho các l−u vực này bằng mô hình NLRRM, phải m−ợn bộ thông số tối −u đã đ−ợc hiệu chỉnh và kiểm định của l−u vực sông Bến Hải - trạm Gia Vòng (l−u vực có số liệu dòng chảy thực đo đầy đủ nhất) trên cơ sở thừa nhận
IM(t) a(t) aN(t) R(t) Diễn toán dòng chảy mặt (Hệ thống có độ nhạy cao) Diễn toán dòng chảy ngầm (Hệ thống có độ nhạy thấp) RM(t) RN(t) QM(t) QN(t) Q(t) Hệ thống động lực X(t)
các l−u vực này có các điều kiện địa lý tự nhiên t−ơng tự nhau.
a. Hiệu chỉnh mô hình tìm bộ thông số tối −u
Để hiệu chỉnh mô hình NLRRM tìm ra bộ thông số tối −u cho l−u vực sông Bến Hải - trạm Gia Vòng, báo cáo đã sử dụng số liệu m−a và dòng chảy thực đo của 11 năm đo đạc liên tục (1979-1989) tại trạm Gia Vòng trên sông Bến Hải với trọng số m−a là 1,06 (xác định dựa theo bản đồ đẳng trị chuẩn m−a năm).
Kết quả hiệu chỉnh thông số mô hình bằng ph−ơng pháp thử sai cho bộ 8 thông số tối −u nh− sau:
C1 = 0,948; C2 = 8,774; K1 = 19,3; P1 = 0,638; C3 = 0,407 C4 = 55,8; K2 = 1138,6; P2 = 0,986.
Với bộ thông số này, đ−ờng quá trình l−u l−ợng dòng chảy trạm Gia Vòng tính từ quá trình m−a nhờ mô hình NLRRM rất phù hợp với đ−ờng quá trình l−u l−ợng dòng chảy thực đo; sai số t−ơng đối giữa đỉnh lũ (Qthmax) tính toán và đỉnh lũ thực đo của tất cả 11 năm trong khoảng từ 0,08% đến 6,07% (Bảng 2.11); độ hữu hiệu tính theo chỉ tiêu R2 rất cao, đạt tới 99,87%. Theo tiêu chuẩn của WMO, mô hình đ−ợc đánh giá vào loại tốt.
Bảng 2.11. Sai số t−ơng đối giữa đỉnh lũ tính toán và đỉnh lũ thực đo (1979-1989)
tại trạm Gia Vòng
TT Năm Qmaxtính Qmaxđo σ (%)
1 1979 58,4 57,5 1,56 2 1980 65,7 67,5 -2,71 3 1981 95,4 97,9 -2,54 4 1982 66,7 64,4 3,53 5 1983 84,2 84,3 -0,08 6 1984 49,2 50,4 -2,29 7 1985 68,9 70,1 -1,75 8 1986 35,4 35,0 1,05 9 1987 41,9 42,5 -1,32 10 1988 37,3 39,7 -6,07 11 1989 31,3 32,1 -2,58
b. Kiểm nghiệm mô hình
Để kiểm tra độ ổn định của mô hình với bộ thông số đã tối −u đ−ợc, báo cáo đã tiến hành kiểm nghiệm mô hình NLRRM cho l−u vực sông Bến Hải-trạm Gia Vòng dựa theo số liệu quá trình m−a và dòng chảy tháng độc lập (1990- 2000) tại trạm Gia Vòng trên sông Bến Hải và số liệu quá trình m−a và dòng chảy tháng của 4
năm (1983 – 1985 và 2004) cho cả trạm Rào Quán trên sông Rào Quán
Tất nhiên, khi kiểm nghiệm mô hình cho trạm Rào Quán, số liệu diện tích l−u vực đ−ợc thay thế bằng số liệu diện tích l−u vực của trạm Rào Quán còn số liệu quá trình m−a tháng đ−ợc thay thế bằng số liệu quá trình m−a tháng của trạm Rào Quán – lấy bằng 1,4 lần m−a Khe Sanh. Kết quả kiểm nghiệm và đánh giá độ hữu hiệu của mô hình cho hai trạm cho thấy: đ−ờng quá trình dòng chảy tháng tính toán từ mô hình NLRMM với bộ thông số đã tối −u rất phù hợp với d−ờng quá trình dòng chảy thực đo. Sai số t−ơng đối gi−a đỉnh lũ tính toán và đỉnh lũ thực đo của tất cả 11 năm tại Gia Vòng trong khoảng từ 0,32% đến 2,76% (Bảng 2.12) còn của 4 năm tại trạm Rào Quán trong khoảng từ 0,46% đến 3,34% (Bảng 2.13). Độ hữu hiệu R2 của mô hình với bộ thông số đã tối −u khi kiểm nghiệm đối với trạm Gia Vòng là 99,94% còn đối với trạm Rào Quán thời kỳ 3 năm (1983-1985) là 99,93% và năm 2004 là 99,86%. Theo tiêu chuẩn của WMO, mô hình đ−ợc đánh giá vào loại tốt đối với cả hai trạm.
Bảng 2.12. Sai số t−ơng đối giữa đỉnh lũ tính toán và thực đo (1990-2000) tại trạm
Gia Vòng
TT Năm Qmaxtính Qmaxđo σ (%)
1 1990 133,5 135,7 -1,60 2 1991 69,8 69,2 0,89 3 1992 128,6 129,0 -0,32 4 1993 51,2 51,4 -0,37 5 1994 38,2 38,4 -0,54 6 1995 146,4 149,1 -1,81 7 1996 76,0 78,2 -2,76 8 1997 27,0 26,8 0,63 9 1998 93,7 94,2 -0,58 10 1999 105,5 107,0 -1,38 11 2000 48,1 48,8 -1,47
Bảng 2.13. Sai số t−ơng đối của đỉnh lũ tính toán và thực đo (1983-1985, 2004) tại
trạm Rào Quán
TT Năm Qmaxtính Qmaxđo σ (%)
1 1990 133,5 135,7 -1,60
2 1991 69,8 69,2 0,89
3 1992 128,6 129,0 -0,32
4 1993 51,2 51,4 -0,37
Các kết quả kiểm nghiệm mô hình NLRMM với bộ thông số đã tối −u đ−ợc cho trạm Gia Vòng trên sông Bến Hải trên đã cho thấy: bộ thông số mô hình này cho kết quả tốt và ổn định không chỉ cho trạm Gia Vòng trên sông Bến Hải mà cho cả trạm Rào Quán trên sông Rào Quán nên có thể ứng dụng để khôi phục số liệu
quá trình dòng chảy tháng cho các l−u vực không có số liệu thực đo trên địa bàn tỉnh Quảng Trị và số liệu quá trình dòng chảy tháng các năm không đo đạc của trạm Rào Quán trên sông Rào Quán từ số liệu quá trình m−a với độ tin cậy cao.
3. ứng dụng mô hình NLRMM để khôi phục số liệu quá trình dòng chảy tháng cho các l−u vực sông tỉnh Quảng Trị
Báo cáo đã sử dụng bộ thông số mô hình NLRRM đã tối −u và đảm bảo cho kết quả ổn định của l−u vực sông Bến Hải-trạm Gia Vòng để khôi phục số liệu dòng chảy tháng từ quá trình m−a tháng thời kỳ 1977-2004 cho 8 l−u vực sông chính hoàn toàn không có số liệu thực đo dòng chảy trong tỉnh Quảng Trị (sông Bến Hải-trạm Bến Thiêng, sông Thạch Hãn-trạm Đông Hà và trạm Thạch Hãn, sông Ô Khế-trạm Hải Tr−ờng, sông Sê Păng Hiêng-trạm Ta Păng, sông ái Tử-trạm Triệu ái, sông La La-trạm Troai, sông Nhùng-trạm Hải Lâm) trên cơ sở thừa nhận điều kiện mặt đệm của các l−u vực này t−ơng tự với l−u vực sông Bến Hải-trạm Gia Vòng. Bộ số liệu diện tích l−u vực và quá trình m−a tháng của trạm t−ơng ứng đ−ợc chọn với các trọng số phù hợp (dựa theo bản đồ đẳng trị chuẩn m−a năm) nh− trong bảng 2.14. Kết quả là đã khôi phục đ−ợc chuỗi số liệu dòng chảy tháng. (Xem báo cáo chuyên đề Đánh giá tiềm năng và hiện trạng sử dụng tài nguyên n−ớc tỉnh Quảng Trị).
Bảng 2.14. Trạm m−a và trọng số đã lựa chọn cho các l−u vực sông
TT L−u vực sông - trạm Trạm m−a Trọng số
1 Bến Hải - Bến Thiềng Gia Vòng 1,05
2 Thạch Hãn - Đông Hà Đông Hà 1,15
Khe Sanh 1,5