Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xây dựng thuật toán tối ưu bộ thông số cho mô hình thủy văn Marine

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:160

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án "Nghiên cứu xây dựng thuật toán tối ưu bộ thông số cho mô hình thủy văn Marine" là đề xuất được một giải thuật tối ưu toàn cục, đa mục tiêu mới dựa trên trên nền tảng tích hợp các ưu điểm vượt trội của các giải thuật đang được các nhà khoa học trên thế giới đánh giá cao; tích hợp được thuật toán tối ưu đề xuất vào mô hình thủy văn thông số phân bố Marine; áp dụng thử nghiệm thuật toán đề xuất mới cho lưu vực sông Nậm Mu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xây dựng thuật toán tối ưu bộ thông số cho mô hình thủy văn Marine

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI BÙI ĐÌNH LẬP NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TOÁN TỐI ƯU BỘ THÔNG SỐ CHO MÔ HÌNH THỦY VĂN MARINE LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2023
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI BÙI ĐÌNH LẬP NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TOÁN TỐI ƯU BỘ THÔNG SỐ CHO MÔ HÌNH THỦY VĂN MARINE Ngành: Thủy văn học Mã số: 9440224 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS.TS. Phạm Thị Hương Lan 2. GS.TS. Trần Hồng Thái HÀ NỘI, NĂM 2023
LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Bùi Đình Lập i
LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian nỗ lực nghiên cứu, thực hiện luận án, cùng với sự giúp đỡ tận tình của các Thầy cô, các nhà khoa học và các đồng nghiệp, Luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu xây dựng thuật toán tối ưu bộ thông số cho mô hình thủy văn Marine” đã hoàn thành. Từ đáy lòng mình, em xin chân thành cảm ơn GS.TS. Trần Hồng Thái và GS.TS. Phạm Thị Hương Lan, những người hướng dẫn khoa học đã tận tình dìu dắt, hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tác giả xin chân thành cảm ơn Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn quốc gia và các đồng nghiệp, nơi tác giả đang công tác đã tạo điều kiện về thời gian và công việc giúp tác giả hoàn thành luận án. Tác giả xin được gửi lời cảm ơn đến các Thầy cô trong khoa Thủy văn và Tài nguyên nước, Phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học, Bộ môn Mô hình toán và dự báo khí tượng thủy văn, Trường Đại Học Thủy Lợi - Hà Nội, đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện để tác giả hoàn thành luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thành viên trong gia đình, những người đã dành thời gian và động viên tác giả vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành luận án của mình. Tác giả luận án Bùi Đình Lập ii
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH......................................................................................v DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................... vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. viii MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ MÔ HÌNH TOÁN THỦY VĂN THÔNG SỐ PHÂN BỐ VÀ BÀI TOÁN ƯỚC TÍNH THÔNG SỐ TRONG HỆ THỐNG PHI TUYẾN ....................................................................................................................8 1.1 Tổng quan cấu trúc và cơ sở toán học trong các mô thủy văn thông số phân bố đang sử dụng trên thế giới ...........................................................................................8 1.1.1 Hệ thống nước trong khí quyển .................................................................9 1.1.2 Hệ thống nước bề mặt ..............................................................................13 1.1.3 Hệ thống diễn toán dòng chảy trong sông ...............................................19 1.2 Tổng quan các thông số trong mô hình thủy văn thông số phân bố .................20 1.2.1 Các thông số thường được sử dụng để hiệu chỉnh, kiểm định hệ thống ..21 1.2.2 Sự biến đổi của các thông số theo không gian .........................................22 1.3 Tổng quan các phương pháp ước tính thông số trong hệ thống phi tuyến .......23 1.4 Tổng quan các nghiên cứu trong nước về vấn đề ước tính thông số trong hệ thống mô hình thủy văn .............................................................................................27 1.4.1 Tổng quan hiện trạng các công trình nghiên cứu có ứng dụng kỹ thuật tối ưu để giải các bài toán trong lĩnh vực thủy văn và tài nguyên nước .....................27 1.4.2 Tổng quan các nghiên cứu trong nước về vấn đề ước tính tối ưu thông số trong mô hình thủy văn..........................................................................................29 1.5 Định hướng nghiên cứu của luận án .................................................................32 1.6 Kết luận chương ...............................................................................................33 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC ĐỀ XUẤT GIẢI THUẬT TỐI ƯU BỘ THÔNG SỐ MÔ HÌNH MARINE .....................................................................................................35 2.1 Nghiên cứu đề xuất giải thuật tối ưu toàn cục đa mục tiêu mới cho bài toán hiệu chỉnh thông số tự động trong mô hình thủy văn ........................................................35 2.1.1 Bài toán tối ưu thông số tự động trong hệ thống mô hình thủy văn ........35 2.1.2 Đề xuất giải thuật tối ưu toàn cục đa mục tiêu mới của luận án ..............37 2.2 Nghiên cứu tích hợp giải thuật vào mô hình MARINE ...................................47 2.2.1 Nghiên cứu, mô phỏng giải thuật trên môi trường MatLab .....................47 iii
2.2.2 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của mô hình MARINE ........................51 2.2.3 Tích hợp giải thuật vào mô hình MARINE .............................................57 2.3 Kết luận chương ...............................................................................................60 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN .............62 3.1 Đặc điểm lưu vực thử nghiệm ..........................................................................62 3.2 Ứng dụng mô hình MARINE cho lưu vực thử nghiệm ....................................71 3.2.1 Ứng dụng kỹ thuật đánh số lưu vực Pfafstetter để phân chia các tiểu lưu vực trên lưu vực thử nghiệm .................................................................................71 3.2.2 Phân chia lưu vực bộ phận .......................................................................73 3.2.3 Thiết lập sơ đồ tính mưa~dòng chảy cho mô hình MARINE ..................75 3.3 Số liệu, thông số và hàm mục tiêu tham gia thử nghiệm .................................77 3.3.1 Số liệu thử nghiệm ...................................................................................77 3.3.2 Đặc điểm thành phần thảm phủ và các thành phần đất trên các tiểu lưu vực tham gia thử nghiệm ..............................................................................................78 3.3.3 Lựa chọn thông số và hàm mục tiêu ........................................................86 3.4 Phân tích kết quả thử nghiệm ...........................................................................87 3.4.1 Ngưỡng tiêu chí sử dụng để đánh giá chất lượng mô phỏng của hệ thống 87 3.4.2 Kết quả ứng dụng thử nghiệm giải thuật đề xuất mới MSCE_UA hiệu chỉnh thông số cho mô hình MARINE ..................................................................89 3.4.3 Phân tích kết quả ......................................................................................93 3.4.4 Kết quả so sánh giữa giải thuật đề xuất mới MSCE_UA và giải thuật gốc SCE_UA trong bài toán hiệu chỉnh thông số mô hình MARINE .........................93 3.5 Kết luận chương ...............................................................................................98 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................99 1. Kết luận..................................................................................................................99 2. Những điểm mới của luận án ..............................................................................100 3. Hướng phát triển và kiến nghị của luận án ..........................................................100 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................102 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................103 PHỤ LỤC ....................................................................................................................108 iv
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1-1: Cấu trúc mô tả hệ thống nước trong khí quyển của mô hình WEB-DHM (Nguồn trích từ mô hình SiB2 [57]) ..............................................................................11 Hình 1-2: Cấu trúc tổng quan mô tả hệ thống của mô hình WEB-DHM [5] ................15 Hình 1-3: Đồ thị trình bày các quá trình trong phương trình cân bằng nước lớp root zone của mô hình WetSpa (Nguồn trích từ tài liệu tham khảo [10]) .....................................17 Hình 1-4: Giao diện tính năng điều khiển tối ưu thông số đa mục tiêu tích hợp trong Mike-NAM ....................................................................................................................31 Hình 2-1: Các giao điểm của hướng tham chiếu và một đơn vị đơn hình. (a) các hướng tham chiếu trên một Simp(i) và (b) là các hướng trong không gian 3 mục tiêu (28 hướng được sinh ra bởi 3 lớp) [42] ...........................................................................................42 Hình 2-2: Kết quả mô phỏng tập Pareto front qua bài toán kiểm tra a) ZDT1 và b) ZDT6 .......................................................................................................................................50 Hình 2-3: Kết quả mô phỏng tập Pareto front qua bài toán kiểm tra a) DTLZ1 và b) DTLZ5 ...........................................................................................................................50 Hình 2-4 Minh họa tính toán dòng chảy từ mưa trên các ô lưới trong mô hình MARINE .......................................................................................................................................52 Hình 2-5 Minh họa khối tính toán xử lý số liệu đầu vào và khối xuất kết quả trong mô hình MARINE ...............................................................................................................53 Hình 2-6 Sơ đồ cấu trúc của mô hình MARINE ...........................................................54 Hình 2-7: Mô tả vùng thấm trong lý thuyết Green Ampt ..............................................57 Hình 2-8: Chương trình tối ưu thông số đa mục tiêu đề xuất mới MSCE_UA.............58 Hình 3-1: Phân bố địa hình trong lưu vực hứng nước vùng hồ Bản Chát .....................62 Hình 3-2: Kết quả ứng dụng hệ thống đánh số lưu vực Pfafstetter cho hồ Bản Chát ...63 Hình 3-3: Bản đồ phân bố thảm phủ vùng hồ Bản Chát ...............................................64 Hình 3-4: Bản đồ mạng lưới trạm KTTV và vùng lân cận trên lưu vực sông Đà .........67 Hình 3-5: Bản đồ hệ thống thủy điện vừa và nhỏ trên lưu vực hồ Bản Chát và vùng lân cận ..................................................................................................................................68 Hình 3-6: Tỷ lệ % các hình thế thời tiết gây mưa trên lưu vực .....................................69 v
Hình 3-7: Mẫu phân bố mưa theo thời gian ứng với các cấp mưa vùng nghiên cứu thử nghiệm ...........................................................................................................................71 Hình 3-8: Mô tả quy luật đánh số lưu vực theo phương pháp Pfafstetter .....................72 Hình 3-8: Mã AML được sử dụng để triển khai phân tách, đánh số các tiểu lưu vực ..74 Hình 3-9: Mô tả tiến trình đánh số lưu vực trong môi trường ARC/INFO cho lưu vực hồ Bản Chát ........................................................................................................................75 Hình 3-10: Sơ đồ tính mưa dòng chảy cho lưu vực hồ Bản Chát .................................76 Hình 3-11: Bản đồ phân vùng ảnh hưởng mưa theo phương pháp Thiessen cho hồ Bản Chát ................................................................................................................................77 Hình 3-12: Bản đồ đất và bản đồ thảm phủ tiểu lưu vực số 9 .......................................79 Hình 3-13: Bản đồ đất và bản đồ thảm phủ tiểu lưu vực số 8 .......................................80 Hình 3-14: Bản đồ đất và bản đồ thảm phủ tiểu lưu vực số 7 .......................................81 Hình 3-15: Bản đồ đất và bản đồ thảm phủ tiểu lưu vực số 6 .......................................82 Hình 3-16: Bản đồ đất và bản đồ thảm phủ tiểu lưu vực số 5 .......................................82 Hình 3-17: Bản đồ đất và bản đồ thảm phủ tiểu lưu vực số 4 .......................................83 Hình 3-18: Bản đồ đất và bản đồ thảm phủ tiểu lưu vực số 3 .......................................84 Hình 3-19: Bản đồ đất và bản đồ thảm phủ tiểu lưu vực số 2 .......................................85 Hình 3-20: Bản đồ đất và bản đồ thảm phủ tiểu lưu vực số 1 .......................................86 Hình 3-21: Không gian tham số chuẩn hóa, đường đậm là lời giải tìm được của giải thuật MSCE_UA phù hợp cho mùa lũ nhiều năm ..................................................................89 Hình 3-22: Không gian mục tiêu chuẩn hóa, đường đậm là 3 mục tiêu tối ưu đồng thời đạt được của giải thuật MSCE_UA tương ứng với tham số tìm được ..........................89 Hình 3-23: Đường quá trình giữa lưu lượng đến hồ Bản Chát tính toán và thực tế (nội suy) năm 2009 ...............................................................................................................93 Hình 3-24: Biểu đồ phân bố các điểm tham số hiệu chỉnh tối ưu trong không gian chuẩn hóa của 2 giải thuật tố ứu SCE_UA và MSCE_UA ......................................................94 Hình 3-25: Biểu đồ tham số chuẩn hóa của mô hình MARINE, sử dụng hàm mục tiêu hiệu chỉnh NASH và giải thuật SCE_UA......................................................................96 Hình 3-26: Biểu đồ tham số chuẩn hóa của mô hình MARINE, hiệu chỉnh đồng thời 3 hàm mục tiêu (NASH, RMSE, APD) và giải thuật MSCE_UA ...................................96 vi
Hình 3-27: Kết quả kiểm định khả năng mô phỏng của hệ thống cho mùa lũ năm 2019 theo giải thuật MSCE_UA và giải thuật gốc SCE_UA .................................................97 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Bảng thực nghiệm giá trị biến đổi của các thông số theo loại đất [16] ........21 Bảng 1.2: Bảng phân loại thảm phủ thường sử dụng [16] ............................................22 Bảng 2.1: Kết quả chỉ số đánh giá mức độ hiệu quả của giải thuật IGD, HV (trung bình và độ lệch chuẩn) đạt được qua các bài toán kiểm tra ...................................................51 Bảng 3.1: Tỷ lệ các đơn vị thảm thực vật theo diện tích phân bố trên lưu vực vùng hồ Bản Chát ........................................................................................................................65 Bảng 3.2 Các hệ thống synốp chủ đạo gây mưa lớn trên lưu vực .................................69 Bảng 3.3: Kết quả phân tích không gian mưa vùng nghiên cứu ...................................70 Bảng 3.4: Kết quả tính toán đặc trưng trận mưa theo 3 cấp mưa vùng trung và hạ lưu sông Đà ..........................................................................................................................70 Bảng 3.5: Ký hiệu tên đất theo phân loại đất phát sinh .................................................78 Bảng 3.6: Ký hiệu mầu các loại bản đồ sử dụng trong luận án .....................................79 Bảng 3.7: Các thông số tối ưu và giới hạn biên của chúng trong mô hình MARINE ..86 Bảng 3.8: Danh sách các hàm mục tiêu tham gia vào bài toán thử nghiệm ..................87 Bảng 3.9: Phân loại ngưỡng tiêu chí đánh giá thông qua chỉ số S/ ............................88 Bảng 3.10: Phân loại ngưỡng tiêu chí đánh giá thông qua chỉ số NASH .....................88 Bảng 3.9: Kết quả dò tìm bộ thông số thấm trong mô hình MARINE ứng dụng cho hệ thống dự báo dòng chảy lũ đến hồ Bản Chát .................................................................90 Bảng 3.10: Kết quả dò tìm thông số nhám Manning trong mô hình MARINE ứng dụng cho hệ thống dự báo dòng chảy lũ đến hồ Bản Chát .....................................................91 Bảng 3.11: Kết quả đánh giá chỉ tiêu mô phỏng mùa lũ các năm thông qua lưu lượng đến hồ Bản Chát ............................................................................................................92 Bảng 3.12: So sánh sự biến động của các lời giải tối ưu giữa 2 phương pháp theo chỉ số Nash qua các sự kiện lũ điển hình .................................................................................95 Bảng 3.13: So sánh sự biến động của các lời giải tối ưu giữa 2 phương pháp theo chỉ số Nash ...............................................................................................................................97 vii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT GBHM The Geomorphology Based Hydrological Model The Water and Energy Budget based Distributed Hydrological WEB-DHM Model SiB2 The Simple Biosphere model Modelisation de l’Anticipation du Ruissellement at des MARINE Inondations pour des événements Extrêmes IFAS The Integrated Flood Analysis System The Water and Energy Transfer between Soil, Plants and WETSPA Atmosphere WaSiM-ETH The hydrological Water flow and balance Simulation Model KTTV Khí tượng thủy văn MOEAs Multiobjective evolutionary algorithms MaOPs Many - objective optimization problems MOPs Multi-objective optimization problems EA Evolutionary algorithm Strength Pareto evolutionary algorithm based on reference SPEA/R direction HypE Hypervolume-based estimation algorithm MOEA/D Multi-objective evolutionary algorithm based on decomposition SPEA2+SDE SPEA2 with shift-based density estimation NSGA-III Non-dominated sorting genetic algorithm III Giải thuật tiến hóa xáo trộn phức hợp của trường đại học SCE-UA Arizona TOPMODEL Topography Model BOLAM– Distributed hydrological Model for the Special Observing DIMOSOP Period MSE Mean-Square-Error NASH Nash–Sutcliffe Measure RMSE Root Mean Squared Error APD Absolute Peak Difference SA Simulated annealing GA Genetic algorithm PSO Particle swarm optimization HSA Harmony search algorithm PARETO FRONT Tập các giải pháp hiệu quả của Pareto viii
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Biến đổi khí hậu, sự biến động của nguồn nước, các loại hình thiên tai cực đoan như hạn hán, thiếu nước, xâm nhập mặn, bão, lũ, ngập úng... đã và đang có nhiều tác động tiêu cực đến công tác quản lý tài nguyên nước và phòng, chống thiên tai. Do vậy cần có sự đánh giá, nhận diện đầy đủ và dự báo được các khả năng xảy ra để chủ động ứng phó trong mọi tình huống, đây là một vấn đề rất phức tạp, chịu tác động của nhiều yếu tố đầu vào phụ thuộc lẫn nhau, trong đó vấn đề tính toán dòng chảy trên lưu vực luôn là một thách thức lớn đối với các nhà khoa học vì tính bất định của nhiều yếu tố. Mô hình toán thủy văn luôn là một trong những công cụ hữu hiệu trong việc mô phỏng và dự báo nguồn nước và là một trong những yếu tố then chốt giúp nâng cao chất lượng dự báo. Tuy nhiên, hiện nay ở Việt Nam đa phần các công cụ, mô hình hỗ trợ tính toán, dự báo trong lĩnh vực này còn nhiều hạn chế, chủ yếu sử dụng hiện nay là các mô hình thủy văn thông số tập trung, đặc biệt là mô hình Tank và mô hình Mike-Nam. Khi triển khai trong thực tế nghiệp vụ dự báo tại Tổng cục KTTV, mô hình Tank và mô hình Mike-Nam đã đóng góp một phần không nhỏ trong công tác phòng chống, giảm nhẹ thiên tai, phục vụ lợi ích kinh tế xã hội, tuy nhiên chúng vẫn còn một số hạn chế có thể nghiên cứu khắc phục giúp nâng cao hơn nữa năng lực theo dõi và dự báo của các công nghệ dự báo lũ đang sử dụng hiện nay, các hạn chế của hai mô hình này có thể kể đến như: ✓ Khai thác không hiệu quả số liệu mưa mặt đất và mưa vệ tinh dẫn đến lãng phí về tài nguyên, mạng lưới quan trắc mưa mặt đất ở nước ta hiện đang có trên 2000 trạm trong khi số liệu vào 2 mô hình lại là chuỗi số liệu mưa trung bình lưu vực. ✓ Cả hai mô hình đang được sử dụng phổ biến ở nước ta hiện nay đều là các mô hình có tham số tập trung, chưa xét đến vai trò điều tiết dòng chảy của mặt đệm lưu vực và sự phân bố của mưa theo không gian, 2 nhân tố có ảnh hưởng rất lớn 1
đến quá trình hình thành dòng chảy trên lưu vực dẫn đến chất lượng còn nhiều hạn chế. Gần đây, do các điều kiện về năng lực máy tính; chất lượng dữ liệu không gian (đặc biệt là dữ liệu vệ tinh, địa hình, thảm phủ); và chất lượng số liệu mưa mặt đất ngày một tốt hơn, các mô hình thủy văn thông số phân bố đang được phát triển và ứng dụng ngày càng nhiều trong thực tế, đặc biệt là ở các nước phát triển có chất lượng dữ liệu đầu vào tốt hơn. Tại các đơn vị trực thuộc Tổng cục KTTV, thông qua các đề tài và dự án hợp tác quốc tế đã có 3 mô hình đang được nghiên cứu ứng dụng vào trong nghiệp vụ dự báo gồm: mô hình WEB-DHM (Nhật Bản); mô hình MARINE (Pháp) và mô hình WETSPA (Bỉ). Mô hình thủy văn thông số phân bố ngày càng được ứng dụng nhiều trong các bài toán có liên quan đến lĩnh vực dự báo thủy văn và tài nguyên nước do có ưu điểm lớn là có thể mô phỏng và đánh giá biến động của tài nguyên nước theo không gian và thời gian. Tuy nhiên hầu hết các mô hình thủy văn thông số đang ứng dụng ở Việt Nam hiện nay, chưa có mô hình nào được phát triển và tích hợp tính năng điều khiển tối ưu thông số, đây là một hạn chế có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng dự báo và khả năng mở rộng phạm vi ứng dụng của mô hình sang các lưu vực khác, do việc dò tìm thông số phải thực hiện thủ công sẽ tiêu tốn một lượng lớn thời gian, công sức, mang nặng tính chủ quan và hiểu biết của người hiệu chỉnh. Với mục tiêu có được một công cụ mô hình toán thủy văn hiện đại để giải các bài toán thực tiễn trong lĩnh vực thủy văn và tài nguyên nước. Trong khuôn khổ luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu xây dựng thuật toán tối ưu bộ thông số cho mô hình thủy văn MARINE”, tác giả sẽ đi sâu nghiên cứu các ưu, nhược điểm, cấu trúc của các giải thuật tối ưu trong lĩnh vực toán tối ưu và cấu trúc của các mô hình toán thủy văn thông số phân bố đang được đánh giá cao trên thế giới nhằm đề xuất một giải thuật tối ưu toàn cục, đa mục tiêu mới dựa trên trên nền tảng tích hợp các ưu điểm vượt trội của các giải thuật đang được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án 2
✓ Đề xuất được một giải thuật tối ưu toàn cục, đa mục tiêu mới dựa trên trên nền tảng tích hợp các ưu điểm vượt trội của các giải thuật đang được các nhà khoa học trên thế giới đánh giá cao. ✓ Tích hợp được thuật toán tối ưu đề xuất vào mô hình thủy văn thông số phân bố MARINE ✓ Áp dụng thử nghiệm thuật toán đề xuất mới cho lưu vực sông Nậm Mu. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là thuật toán tối ưu toàn cục, đa mục tiêu và cấu trúc mô hình thủy văn thông số phân bố Phạm vi nghiên cứu của luận án là bộ thông số của mô hinh MARINE 4. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng i) Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết Thực hiện trên cơ sở thu thập các nguồn tài liệu, các công trình nghiên cứu trên thế giới và ở Việt Nam trong lĩnh vực toán tối ưu và xây dựng, phát triển mô hình toán thủy văn thông số phân bố. Xử lý, phân tích, kiểm tra và tổng hợp một cách khoa học, chọn lọc nhằm đánh giá được hiện trạng nghiên cứu và những kết quả nghiên cứu mới nhất trong lĩnh vực nghiên cứu của luận án, chỉ ra được những thành tựu khoa học cần được kế thừa và những khoảng trống nghiên cứu cần được tập trung nghiên cứu. Phân tích các ưu, nhược điểm, cấu trúc của các giải thuật tối ưu và cấu trúc của các mô hình toán thủy văn thông số phân bố đang được đánh giá cao trên thế giới, qua đó lựa chọn hướng tiếp cận phù hợp, vừa mang tính kế thừa vừa đảm bảo tính sáng tạo trong nghiên cứu. Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết chủ yếu được sử dụng để hoàn thành các nội dung trong Chương 1 “Tổng quan các nghiên cứu về mô hình toán thủy văn thông số phân bố và bài toán ước tính thông số trong hệ thống phi tuyến” ii) Phương pháp kế thừa 3
Luận án khai thác và kế thừa số liệu mà các công trình nghiên cứu khác đã thu thập được bao gồm những thông tin số liệu về hồ chứa, số liệu địa hình, thảm phủ, tình hình sử dụng đất, số liệu mặt cắt,... trên lưu vực thử nghiệm để thực hiện nội dung 3.3 và 3.4 trong Chương 3 “Kết quả nghiên cứu thử nghiệm và thảo luận”. Luận án sử dụng 19 năm (2001-2019) số liệu quan trắc để đánh giá hiệu suất và hiệu quả của thuật toán, nguồn số liệu do Trung tâm Dự báo KTTV quốc gia cung cấp: trong đó số liệu từ năm 2001-2016 được kế thừa từ đề tài "Nghiên cứu xây dựng công nghệ dự báo dòng chảy lũ đến các hồ chứa lớn trên hệ thống sông Hồng", các số liệu còn lại được lấy trực tiếp từ cở sở dữ liệu tại Trung tâm Dự báo KTTV quốc gia. Đặc biệt mô hình MARINE của Pháp kế thừa từ đề tài "Nghiên cứu xây dựng công nghệ dự báo dòng chảy lũ đến các hồ chứa lớn trên hệ thống sông Hồng" sẽ được lựa chọn để thực hiện nội dung 3.2 trong Chương 3 “Kết quả nghiên cứu thử nghiệm và thảo luận” và là đối tượng để thử nghiệm giải thuật tối ưu của luận án. ii) Phương pháp chuyên gia Thực hiện thông qua hội thảo trong và ngoài nước, huy động được hiểu biết, kinh nghiệm của các chuyên gia trong các lĩnh vực cần nghiên cứu, tránh được những trùng lặp và phát hiện kế thừa được những nghiên cứu đã có. Các đóng góp của chuyên gia chủ yếu được sử dụng để hoàn thành các nội dung trong Chương 1 “Tổng quan các nghiên cứu về mô hình toán thủy văn thông số phân bố và bài toán ước tính thông số trong hệ thống phi tuyến”. iii) Phương pháp phân tích hệ thống Để đạt được mục tiêu nghiên cứu của Luận án, phương pháp phân tích hệ thống được Luận án sử dụng để phân tích các thành phần bên trong hệ thống mô hình thủy văn thông số phân bố nhằm đánh giá ưu, nhược điểm, mức độ hoạt động cũng như, sự tương tác và mối quan hệ giữa các thành phần trong hệ thống, để có cơ sở phát triển và tích hợp thêm các thành phần mới vào mô hình thủy văn thông số phân bố tạo lên một hệ thống mới hiện đại, phù hợp với điều kiện số liệu và các lưu vực sông thuộc lãnh thổ Việt Nam. Trong nghiên cứu này cụm từ “Hệ thống” được hiểu là cấu trúc của mô hình thủy văn 4
thông số phân bố, được tạo thành bởi các thành phần như: mưa, tổn thất, bốc hơi, thấm, chảy tràn, chảy mặt, chảy sát mặt, chảy ngầm, chảy trong sông, suối tương tác và quan hệ với nhau tạo nên quá trình dòng chảy và được mô tả dưới dạng mô hình toán học. Phương pháp phân tích hệ thống chủ yếu được sử dụng để hoàn thành nội dung tổng quan trong chương 1, nội dung 2.2 “Nghiên cứu tích hợp giải thuật vào mô hình MARINE” trong chương 2 và nội dung “Ứng dụng mô hình MARINE cho lưu vực thử nghiệm” trong Chương 3 của luận án. iv) Kỹ thuật GIS Sử dụng kỹ thuật GIS để phân tích và xử lý dữ liệu không gian: bản đồ DEM, sử dụng đất, cấu trúc đất, số liệu mưa vệ tinh, mưa số trị, … tạo dữ liệu đầu vào cho mô hình thử nghiệm MARINE. Các công cụ xử lý dữ liệu GIS trong luận án gồm: - Bộ các phần mềm xử lý GIS chuyên dụng bao gồm (ArcInfo WorkSation, ArcView, ArcEditor) - Ngông ngữ lập trình GIS Pythoon và các Macro tool trong ArcGIS - Ngôn ngữ gfortran và g++ (trong Cygwin) - Phần mềm MapInfo, Auto Card Kỹ thuật GIS chủ yếu được sử dụng chủ yếu để hoàn thành nội dung “Ứng dụng mô hình MARINE cho lưu vực thử nghiệm” và nội dung “Số liệu, thông số và hàm mục tiêu tham gia thử nghiệm” trong Chương 3 của luận án. v) Sử dụng kỹ thuật lập trình Sử dụng MatLab để thử nghiệm thuật toán tối ưu đa mục tiêu đề xuất mới của luận án. Sử dụng ngôn ngữ lập trình Fortran và C++ để tích hợp trực tiếp thuật toán tối ưu đa mục tiêu vào mô hình thủy văn thông số phân bố MARINE như là một phần của mô hình toán nhằm phát triển mô hình và thử nghiệm giải thuật. Kỹ thuật lập trình chủ yếu được sử dụng chủ yếu để hoàn thành nội dung 2.2 “Nghiên cứu tích hợp giải thuật vào mô hình MARINE” trong Chương 2 của luận án. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 5
5.1 Ý nghĩa khoa học Luận án ứng dụng các tiến bộ KH&CN mới nhằm hiện đại hóa và nâng cao năng lực ứng dụng mô hình toán trong mô phỏng và dự báo tài nguyên nước; Góp phần hoàn thiện mô hình thủy văn thông số phân bố MARINE; Có được một giải thuật tối ưu toàn cục, đa mục tiêu mới dựa trên trên nền tảng tích hợp các ưu điểm vượt trội của các giải thuật đang được các nhà khoa học trên thế giới đánh giá cao; Giải thuật đề xuất mới đã góp phần cải thiện ba vấn đề còn tồn tại của các công trình nghiên cứu trước đó trong lĩnh vực thủy văn và tài nguyên nước bao gồm: 1) thời gian hiệu chỉnh còn rất lớn (đặc biệt là khi áp dụng cho mô hình thủy văn thông số phân bố); 2) bài toán có xu hướng hội tụ nhanh (giả hội tụ) khi số lượng thông số cần tìm lớn hoặc các hàm mục tiêu có tương quan cao; 3) các thuật toán thường có hiệu quả không cao khi số lượng các hàm mục tiêu cần hiệu chỉnh lớn. 5.2 Ý nghĩa thực tiễn Mô hình phát triển sử dụng các kỹ thuật hiện đại, tích hợp năng lực khai thác hiệu quả các nguồn số liệu hiện có trên mạng lưới quan trắc KTTV của Việt Nam và kỹ thuật hiệu chỉnh thông số đa mục tiêu nên có tính ứng dụng thực tiễn cao, giúp nâng cao chất lượng giải các bài toán trong lĩnh vực thủy văn và tài nguyên nước. Mô hình sau khi phát triển thử nghiệm có thể triển khai trong nghiệp vụ tại Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn quốc gia; Mô hình được thiết kế phù hợp với điều kiện về số liệu và đặc điểm địa hình trên các lưu vực sông thuộc lãnh thổ Việt Nam nên có thể dễ dàng triển khai sang các lưu vực sông khác (ngoài lưu vực thử nghiệm của luận án); Luận án đã góp phần thực hiện mục tiêu tổng quát trong chiến lược phát triển ngành, hướng tới ngành Khí tượng Thủy văn Việt Nam đạt trình độ khoa học công nghệ tiên tiến của khu vực châu Á; Mô hình dễ dàng khai thác và sử dụng, giúp tiết kiệm được thời gian và nhân lực, làm giảm nhẹ những thiệt hại do lũ, lụt gây ra thông qua việc nâng cao chất lượng mô phỏng 6
của mô hình thủy văn thông số phân bố. 6. Cấu trúc của luận án Ngoài phần mở đầu, phần kết luận và kiến nghị, luận án được trình bày trong 3 chương: Chương 1: Tổng quan các nghiên cứu về mô hình toán thủy văn thông số phân bố và bài toán ước tính thông số trong hệ thống phi tuyến; Chương 2: Cơ sở khoa học đề xuất giải thuật tối ưu bộ thông số mô hình MARINE. Chương 3: Kết quả nghiên cứu thử nghiệm và thảo luận 7
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ MÔ HÌNH TOÁN THỦY VĂN THÔNG SỐ PHÂN BỐ VÀ BÀI TOÁN ƯỚC TÍNH THÔNG SỐ TRONG HỆ THỐNG PHI TUYẾN 1.1 Tổng quan cấu trúc và cơ sở toán học trong các mô thủy văn thông số phân bố đang sử dụng trên thế giới Trong những thập niên gần đây, quan điểm phát triển hệ thống theo hướng tiếp cận vật lý- toán, theo đó các đối tượng trong hệ thống được xem xét phân tích theo không gian và thời gian đã được rất nhiều các nhà khoa học trong và ngoài nước tập trung nghiên cứu phát triển và được quan tâm hơn cả so với các quan điểm tiếp cận hệ thống khác. Điều này xuất phát do các điều kiện về năng lực máy tính; chất lượng dữ liệu vệ tinh (đặc biệt là dữ liệu địa hình, thảm phủ); và chất lượng số liệu mưa mặt đất ngày một tốt hơn và tiệm cận thời gian thực. Các mô hình thủy văn thông số phân bố đang được phát triển và ứng dụng trong thực tế ngày càng nhiều, đặc biệt là ở các nước phát triển có chất lượng dữ liệu đầu vào tốt hơn. Hầu hết các trường đại học lớn trên thế giới đều nghiên cứu và phát triển mô hình thủy văn thông số phân bố nhằm phục vụ công tác nghiên cứu và giảng dạy. Một vài mô hình có cấu trúc và thuật toán tốt đã được triển khai vào ứng dụng trong thực tế. Các mô hình mưa - dòng chảy thông số phân bố được đánh giá cao về tính ứng dụng có thể kể đến như: TOPMODEL [1]; SHE [2]; MIKE SHE models [3]; GBHM model [4]; WEB-DHM model [5]; MARINE model [6]; IFAS model [7]; WaSiM-ETH [8]; DIMOSOP [9]; WETSPA [10]; KsEdgeFC2D [11]; SWAT [12], ...Trong số những mô hình này, đã có 05 mô hình (WEB-DHM, MARINE, WETSPA, DIMOSOP, IFAS) đang được sử dụng như những công cụ tính toán hiện đại để giải các bài toán trong lĩnh vực thủy văn và tài nguyên nước ở Việt Nam. Mô hình MARINE do Viện Cơ học chất lỏng Toulouse phát triển (IMFT -Institut de Mecanique de Fluides de Toulouse). Mô hình hiện đang được triển khai ứng dụng dự báo lũ cho nhiều lưu vực sông ở Việt Nam. Trên thế giới, năm 2005, mô hình MARINE đã được ứng dụng để tính toán lũ quét thời gian thực tại vùng phía Nam nước Pháp thông qua dự án PACTES (cảnh báo nguy cơ lũ quét theo không gian) 8
tại Pháp với sự hỗ trợ ban đầu của Bộ nghiên cứu Pháp và Cơ quan vũ trụ Pháp [13]. Năm 2012, phương pháp đồng hóa dữ liệu đã được [14] nghiên cứu ứng dụng nhằm nâng cao chất lượng bài toán dự báo lũ quét thời gian thực cho mô hình MARINE. Năm 2015, nghiên cứu [15] phân tích độ nhạy của mô hình đã được thực hiện bằng cách sử dụng phương pháp GSA-GLUE trên 11 lưu vực đầu nguồn của các ngọn núi phía đông Pyrenees (Pháp) với diện tích từ 36 đến 776 km2, kết quả thực nghiệm trên nhiều sự kiện lũ đã cho thấy mô hình MARINE có thể được xem là công cụ thích hợp để thiết lập mô hình lũ quét với nhiều loại dữ liệu lượng mưa khác nhau, ngay cả với lưu vực nhỏ. Để diễn tả hệ thống, mô hình sử dụng hệ thống các lưới ô vuông rời rạc để mô tả lưu vực, mỗi ô lưới thường được xem xét như là một đơn vị tính tương đương với một mô hình thủy văn thông số tập trung, các quá trình thủy văn trong mỗi ô lưới thường được biểu diễn bằng các phương trình toán học khác nhau tùy theo mục đích và cách tiếp cận của người phát triển hệ thống. Để đạt được mục tiêu nghiên cứu của luận án, trong nội dung này tác giả sẽ tập trung phân tích tổng quan cấu trúc vật lý-toán của 12 mô hình thủy văn thông số phân bố đã đề cập ở trên và trình bày 5 mô hình điển hình (theo lát cắt ngang) có tính ứng dụng cao, hiện đang được sử dụng tại nhiều nước trên thế giới, trong đó có Việt Nam nhằm đánh giá ưu, nhược điểm của các thành phần bên trong hệ thống của các mô hình, sự tương tác và mối quan hệ giữa các thành phần trong hệ thống, để có cơ sở phát triển và tích hợp thêm các thành phần mới vào mô hình MARINE tạo lên một mô hình mới hiện đại, phù hợp với điều kiện số liệu và các lưu vực sông thuộc lãnh thổ Việt Nam: 1.1.1 Hệ thống nước trong khí quyển Quá trình tương tác giữa khí quyển và mặt đất rất phức tạp, tùy thuộc vào mục tiêu thiết kế hệ thống, năng lực tính toán của máy tính và nguồn số liệu đầu vào sẵn có (đặc biệt là số liệu vệ tinh), người thiết kế hệ thống sẽ xem xét, phân tích và lựa chọn mức độ phức tạp của các phương trình toán biểu diễn hệ thống. 1.1.1.1 Mô hình WEB-DHM Mô hình WEB-DHM [5] sử dụng 11 biến để mô tả trạng thái quá trình trao đổi năng lượng và khối lượng giữa các lớp đất, thực vật và khí quyển: Nhiệt độ lớp thực vật (Tc), 9
bề mặt đất (Tg), và lớp dưới mặt đất (Td); lượng nước tổn thất do thực vật (Mcw), và bề mặt đất (Mgw), lượng nước từ mưa tuyết bị giữ lại do thực vật (Mcs), và lớp đất bề mặt (Mgs); độ ẩm của đất trong lớp đầu tiên (W1), trong tầng rễ cây (W2), và trong tâng sâu (W3); và độ dẫn thủy lực trong lớp thực vật (gc). Các phương trình mô tả trạng thái diễn biến nhiệt độ và quá trình bốc thoát hơi nước được đưa ra như sau: Nhiệt độ Trong lớp thực vật: 𝜕𝑇 𝑐 (1-1) 𝐶𝑐 = 𝑅𝑛 𝑐 − 𝐻 𝑐 − 𝜆𝐸 𝑐 − 𝜉 𝑐𝑠 𝜕𝑡 Trong lớp đất bề mặt: 𝜕𝑇 𝑔 2𝜋𝐶 𝑑 (1-2) 𝐶𝑔 = 𝑅𝑛 𝑔 − 𝐻 𝑔 − 𝜆𝐸 𝑔 − (𝑇 𝑔 − 𝑇 𝑑 ) − 𝜉 𝑔𝑠 𝜕𝑡 𝑡𝑑 Trong lớp đất tầng sâu: 𝜕𝑇 𝑑 1 (1-3) 𝐶𝑑 = 1 (𝑅𝑛 𝑔 − 𝐻 𝑔 − 𝜆𝐸 𝑔 ) 𝜕𝑡 2(365𝜋) ⁄2 Trong đó: Rn là sự hấp thụ bức xạ (𝑊. 𝑚−2 ); H là thông lượng nhiệt (𝑊. 𝑚−2 ); E là tốc độ bốc hơi (𝑘𝑔. 𝑚−2 . 𝑠 −1 ); C là nhiệt dung hiệu quả (𝐽. 𝑚−2 . 𝐾 −1 ); 𝜆 là nhiệt ẩn hóa hơi (𝐽. 𝑘𝑔−1 ); 𝑡 𝑑 thời gian ban ngày (s); 𝜉 năng lượng trao đổi trong quá trình chuyển pha giữa Mc và Mg (𝑊. 𝑚−2 ); các chỉ mục dưới: c là tham chiếu đến lớp thực vật; g tham chiếu đến lớp đất bề mặt; và d tham chiếu tới lớp đất tầng sâu. Hình 1-1 mô tả cấu trúc hệ thống nước trong khí quyển hoạt động trong mô hình WEB-DHM. 10