Luận án Tiến sĩ Thủy văn học: Nghiên cứu cải tiến mô hình MARINE để mô phỏng và dự báo dòng chảy cho lưu vực sông thiếu số liệu - Áp dụng cho khu vực Nam Trung Bộ

Chia sẻ: Dạ Vũ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:176

Thêm vào BST

Báo xấu

18
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài "Nghiên cứu cải tiến mô hình MARINE để mô phỏng và dự báo dòng chảy cho lưu vực sông thiếu số liệu - Áp dụng cho khu vực Nam Trung Bộ" nghiên cứu nhằm cải tiến mô hình MARINE để mô phỏng và dự báo dòng chảy chính xác hơn trên các lưu vực sông không ảnh hưởng của thủy triều, thiếu số liệu mưa phân bố theo không gian và mặt cắt lòng dẫn; ứng dụng được mô hình MARINE cải tiến để mô phỏng và dự báo dòng chảy cho một số lưu vực sông thiếu số liệu ở khu vực Nam Trung Bộ.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Thủy văn học: Nghiên cứu cải tiến mô hình MARINE để mô phỏng và dự báo dòng chảy cho lưu vực sông thiếu số liệu - Áp dụng cho khu vực Nam Trung Bộ

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU BÙI VĂN CHANH NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN MÔ HÌNH MARINE ĐỂ MÔ PHỎNG VÀ DỰ BÁO DÒNG CHẢY CHO LƯU VỰC SÔNG THIẾU SỐ LIỆU - ÁP DỤNG CHO KHU VỰC NAM TRUNG BỘ LUẬN ÁN TIẾN SĨ THỦY VĂN HỌC Hà Nội, 2022
b BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU BÙI VĂN CHANH NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN MÔ HÌNH MARINE ĐỂ MÔ PHỎNG VÀ DỰ BÁO DÒNG CHẢY CHO LƯU VỰC SÔNG THIẾU SỐ LIỆU - ÁP DỤNG CHO KHU VỰC NAM TRUNG BỘ Ngành: Thủy văn học Mã số: 9440224 LUẬN ÁN TIẾN SĨ THỦY VĂN HỌC Tác giả Luận án Giáo viên hướng dẫn 1 Giáo viên hướng dẫn 2 Bùi Văn Chanh PGS.TS Trần Ngọc Anh PGS.TS Lương Tuấn Anh Hà Nội, 2022
c 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 này là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào ngoài các kết quả công bố có liên quan đến luận án của tác giả. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả Luận án Bùi Văn Chanh
d LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Viện Khoa học Khí tượng Thuỷ văn và Biến đổi khí hậu đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận án. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tác giả xin gửi lời cảm ơn đặc biệt tới các thầy hướng dẫn là PGS.TS Trần Ngọc Anh và PGS.TS Lương Tuấn Anh đã tận tình giúp đỡ tác giả từ những bước đầu tiên xây dựng hướng nghiên cứu, cũng như trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện Luận án. Các thầy luôn động viên và hỗ trợ những điều kiện tốt nhất để tác giả hoàn thành Luận án. Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đến Ban lãnh đạo Tổng cục Khí tượng Thủy văn, Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Nam Trung Bộ và các đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ, động viên cho tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện Luận án. Tác giả chân thành cảm ơn các chuyên gia, các nhà khoa học của Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu, Tổng cục Khí tượng Thủy văn, Trường Đại học Tự nhiên Hà Nội đã có những góp ý về khoa học cũng như hỗ trợ nguồn tài liệu, số liệu cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện Luận án. Cuối cùng, tác giả xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới những người thân, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn động viên, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện tốt nhất để tác giả hoàn thành tốt Luận án của mình. Tác giả Luận án Bùi Văn Chanh
i MỤC LỤC MỤC LỤC .......................................................................................................... i DANH MỤC HÌNH .......................................................................................... v DANH MỤC BẢNG ........................................................................................ xi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................ xii MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN MÔ PHỎNG VÀ DỰ BÁO TRÊN LƯU VỰC THIẾU SỐ LIỆU............................................................................................... 7 1.1. CÁC KHÁI NIỆM .................................................................................. 7 1.2. TỔNG QUAN MÔ PHỎNG VÀ DỰ BÁO THỦY VĂN BẰNG MÔ HÌNH TOÁN.................................................................................................. 9 1.3. TỔNG QUAN CÁC MÔ HÌNH THỦY VĂN THÔNG SỐ PHÂN BỐ ...................................................................................................................... 14 1.4. TỔNG QUAN MÔ HÌNH MARINE.................................................... 18 1.5. TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG ĐỂ CẢI TIẾN MÔ HÌNH MARINE ........................................................................................... 22 1.5.1. Tổng quan mô hình sóng động học một chiều.........................................22 1.5.2. Tổng quan diễn toán dòng chảy qua hồ ...................................................23 1.5.3 Tổng quan khắc phục thiếu số liệu mưa phân bố không gian ..................24 1.5.3.1. Phương pháp định lượng mưa viễn thám ................................. 24 1.5.3.2. Phương pháp tái phân tích số liệu mưa .................................... 25 1.5.3.3. Phương pháp nội suy mưa không gian ..................................... 26 1.6. GIỚI THIỆU VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU ..................................... 29 1.6.1. Đặc điểm khu vực Nam Trung Bộ ...........................................................29 1.6.2. Đặc điểm lưu vực sông Cái Nha Trang ...................................................30 1.6.3. Đặc điểm lưu vực sông Dinh Ninh Hòa ..................................................31 1.6.4. Đặc điểm lưu vực sông Cái Phan Rang ...................................................33 1.7. NHỮNG VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN ......................... 35 TIỂU KẾT CHƯƠNG 1 .............................................................................. 37 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN MÔ HÌNH MARINE .................... 38 2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH MARINE ........................................ 38
ii 2.1.1. Lý thuyết dòng chảy sườn dốc của mô hình MARINE ...........................38 2.1.2. Phương pháp tính thấm trong mô hình MARINE ...................................40 2.1.3. Sơ đồ tính toán mô hình MARINE ..........................................................42 2.1.4. Bộ thông số mô hình MARINE ...............................................................44 2.2. CẢI TIẾN MÔ HÌNH MARINE BẰNG MÔ HÌNH SÓNG ĐỘNG HỌC MỘT CHIỀU................................................................................................ 45 2.2.1. Lựa chọn kỹ thuật xây dựng mô hình sóng động học đáp ứng khả năng cải tiến mô hình MARINE ......................................................................................45 2.2.2. Cơ sở lý thuyết mô hình sóng động học một chiều .................................46 2.2.2.1. Diễn toán sóng động học một chiều tuyến tính ........................ 47 2.2.2.2. Diễn toán sóng động học một chiều phi tuyến ......................... 50 2.2.2.3. Diễn toán sóng động học một chiều cho mạng lưới sông ........ 55 2.2.3. Tích hợp mô hình MARINE và sóng động học một chiều ......................56 2.3. TÍCH HỢP MÔ HÌNH MARINE VỚI MÔ ĐUN DIỄN TOÁN DÒNG CHẢY QUA HỒ .......................................................................................... 61 2.3.1. Cơ sở lý thuyết diễn toán dòng chảy qua hồ............................................61 2.3.2. Xây dựng mô đun diễn toán dòng chảy qua hồ .......................................64 2.3.3. Tích hợp mô đun diễn toán dòng chảy qua hồ với mô hình sóng động học ...........................................................................................................................66 2.4. CẢI TIẾN MÔ HÌNH MARINE BẰNG CÔNG CỤ NỘI SUY MƯA KHÔNG GIAN ............................................................................................ 67 2.4.1. Cơ sở lý thuyết phương pháp nghịch đảo khoảng cách ...........................68 2.4.2. Tích hợp mô hình MARINE và công cụ nội suy mưa theo không gian ..69 2.5. HOÀN THIỆN MÔ HÌNH MARINE CẢI TIẾN................................. 72 TIỂU KẾT CHƯƠNG 2 .............................................................................. 74 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MARINE CẢI TIẾN ĐỂ MÔ PHỎNG VÀ DỰ BÁO DÒNG CHẢY TRÊN MỘT SỐ LƯU VỰC SÔNG Ở KHU VỰC NAM TRUNG BỘ .......................................................................................... 76 3.1. CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐẦU VÀO .............................................................. 76 3.1.1. Dữ liệu bản đồ..........................................................................................76 3.1.2. Dữ liệu khí tượng thủy văn và hồ chứa ...................................................78
iii 3.2. ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY LŨ TRÊN MỘT SỐ LƯU VỰC SÔNG Ở KHU VỰC NAM TRUNG BỘ .......................................... 80 3.2.1. Ứng dụng thử nghiệm trên lưu vực sông Cái Nha Trang ........................81 3.2.1.1. Thiết lập mô hình MARINE cải tiến cho lưu vực sông Cái Nha Trang ...................................................................................................... 81 3.2.1.2. Hiệu chỉnh và kiểm định bộ thông số cho lưu vực sông Cái Nha Trang ...................................................................................................... 86 3.2.1.3. Đánh giá chi tiết hiệu quả mô phỏng của mô hình MARINE cải tiến trên lưu vực sông Cái Nha Trang so với mô hình gốc ................... 90 3.2.2. Ứng dụng thử nghiệm trên lưu vực sông Dinh Ninh Hòa .......................94 3.2.2.1. Thiết lập mô hình MARINE cải tiến cho lưu vực sông Dinh Ninh Hòa ......................................................................................................... 94 3.2.2.2. Hiệu chỉnh và kiểm định bộ thông số cho lưu vực sông Dinh Ninh Hòa ......................................................................................................... 98 3.2.2.3. Đánh giá chi tiết hiệu quả mô phỏng của mô hình MARINE cải tiến trên lưu vực sông Dinh Ninh Hòa so với mô hình gốc................. 101 3.2.3. Ứng dụng thử nghiệm trên lưu vực sông Cái Phan Rang ......................105 3.2.3.1. Thiết lập mô hình MARINE cải tiến cho lưu vực sông Cái Phan Rang ..................................................................................................... 105 3.2.3.2. Hiệu chỉnh và kiểm định bộ thông số cho lưu vực sông Cái Phan Rang ..................................................................................................... 109 3.2.3.3. Đánh giá chi tiết hiệu quả mô phỏng của mô hình MARINE cải tiến trên lưu vực sông Cái Phan Rang so với mô hình gốc ................. 112 3.2.4. Đánh giá chung về hiệu quả và khả năng ứng dụng của mô hình MARINE cải tiến ..............................................................................................................115 3.3. ỨNG DỤNG DỰ BÁO THỬ NGHIỆM DÒNG CHẢY LŨ TRÊN LƯU VỰC SÔNG CÁI NHA TRANG ............................................................... 117 3.3.1. Yêu cầu và hiện trạng dự báo trên lưu vực sông Cái Nha Trang ..........117 3.3.2. Tính toán lượng mưa dự báo cho mô hình MARINE cải tiến ...............118 3.3.3. Ứng dụng dự báo thử nghiệm trong mùa lũ năm 2020 .........................120 3.3.3.1. Thiết lập phương án dự báo bằng mô hình MARINE cải tiến 120 3.3.3.2. Dự báo và đánh giá độ tin cậy với thời gian dự kiến 24h ...... 121
iv 3.3.3.3. Dự báo và đánh giá độ tin cậy với thời gian dự kiến 48h ...... 123 3.3.4. Đánh giá khả năng ứng dụng mô hình MARINE cải tiến trong dự báo cho các lưu vực sông ..............................................................................................126 TIỂU KẾT CHƯƠNG 3 ............................................................................ 127 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................... 129 1. KẾT LUẬN ............................................................................................ 129 2. KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 130 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 132 Tài liệu tiếng Việt ...................................................................................... 132 Tài liệu tiếng Anh ...................................................................................... 135 Tài liệu tiếng Pháp ..................................................................................... 144 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU .................................... 145 PHỤ LỤC BẢNG ......................................................................................... 146 PHỤ LỤC HÌNH ........................................................................................... 151
v DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Minh họa bản đồ lưu vực sông Cái Nha Trang ............................... 30 Hình 1.2. Minh họa bản đồ địa hình lưu vực sông Dinh Ninh Hòa ................ 33 Hình 1.3. Minh họa bản đồ lưu vực Cái Phan Rang ....................................... 34 Hình 1.4. Sơ đồ nghiên cứu của Luận án ........................................................ 36 Hình 2.1. Sơ đồ tổng quát của mô hình MARINE [3] .................................... 40 Hình 2.2. Sơ đồ thấm Green Ampt [116] ........................................................ 41 Hình 2.3. Sơ đồ khối tính toán mô hình MARINE ......................................... 43 Hình 2.4. Sơ đồ sai phân ẩn giải phương trình sóng động học tuyến tính ...... 48 Hình 2.5. Sơ đồ khối tính toán sóng động học một chiều tuyến tính ............. 49 Hình 2.6. Phương pháp Newton ngoại suy đường tiếp tuyến hàm f(x) [97] .. 52 Hình 2.7. Sơ đồ sai phân sóng động học một chiều phi tuyến ........................ 52 Hình 2.8. Sơ đồ khối tính toán sóng động học một chiều phi tuyến............... 53 Hình 2.9. Minh họa bản đồ lưu vực sông La Ngà........................................... 54 Hình 2.10. Lưu lượng tính toán và thực đo trạm Tà Pao ................................ 55 Hình 2.11. Lưu lượng tính toán và thực đo trạm Võ Xu ................................ 55 Hình 2.12. Sơ đồ phân cấp cho mạng lưới sông ............................................. 56 Hình 2.13. Thủ tục CalcApLat tích lũy lưu lượng các nút cho đoạn sông ..... 58 Hình 2.14. Chương trình con tính dòng chảy mạng lưới sông (thủ tục Qluoisong) ....................................................................................................... 58 Hình 2.15. Mô hình sóng động học một chiều tuyến tính thay thế thủ tục CalcApLat ....................................................................................................... 59 Hình 2.16. Cài thủ tục Qluoisong và thay thế thủ tục cộng dồn dòng chảy bằng mô hình sóng động học một chiều tuyến tính ................................................. 59 Hình 2.17. Sơ đồ tích hợp mô hình sóng động học một chiều phi tuyến trong mô hình MARINE ........................................................................................... 60
vi Hình 2.18. Sơ đồ tích hợp mô hình sóng động học một chiều tuyến tính trong mô hình MARINE ........................................................................................... 60 Hình 2.19. Sơ đồ tính các số gia ΔH1 của Runge - Kutta bậc 3...................... 63 Hình 2.20. Sơ đồ tính các số gia ΔH2 của Runge - Kutta bậc 3...................... 63 Hình 2.21. Sơ đồ tính các số gia ΔH3 của Runge - Kutta bậc 3...................... 63 Hình 2.22. Sơ đồ khối mô đun diễn toán dòng chảy qua hồ chứa .................. 65 Hình 2.23. Hệ số hình dạng một số loại cửa xả điển hình .............................. 66 Hình 2.24. Sơ đồ tích hợp mô đun diễn toán dòng chảy qua hồ trong mô hình tích hợp MARINE và sóng động học.............................................................. 67 Hình 2.25. Quan hệ giữa bậc và trọng số khoảng cách trong IDW ................ 69 Hình 2.26. Bán kính tìm kiếm (a) vùng chắn (b) của IDW ............................ 69 Hình 2.27. Sơ đồ tích hợp công cụ nội suy mưa trong mô hình MARINE .... 70 Hình 2.28. Sơ đồ khối công cụ nội suy mưa theo không gian ........................ 71 Hình 2.29. Sơ đồ khối mô đun hồi quy bội phi tuyến ..................................... 72 Hình 2.30. Cấu trúc tệp tin số liệu bề mặt lưu vực (a) và mưa các trạm (b) .. 73 Hình 2.31. Cấu trúc tệp tin mạng lưới sông (a) và hồ chứa (b) ...................... 73 Hình 2.32. Sơ đồ mô hình MARINE cải tiến.................................................. 74 Hình 3.1. Minh họa bản đồ DEM (a) [74] và bản đồ đất (b) [13] lưu vực sông Cái Nha Trang ................................................................................................. 81 Hình 3.2. Minh họa bản đồ độ ẩm đất (a) [30] và thảm phủ thực vật (b) [74] lưu vực sông Cái Nha Trang.................................................................................. 82 Hình 3.3. Sơ đồ mạng lưới sông Cái Nha Trang ............................................ 83 Hình 3.4. Biểu đồ lượng mưa thời đoạn 1 giờ của trận lũ năm 2009 ............. 84 Hình 3.5. Biểu đồ lượng mưa thời đoạn 1 giờ của trận lũ năm 2010 ............. 84 Hình 3.6. Biểu đồ lượng mưa thời đoạn 1 giờ của trận lũ năm 2013 ............. 85 Hình 3.7. Biểu đồ lượng mưa thời đoạn 1 giờ của trận lũ năm 2016 ............. 85
vii Hình 3.8. Biểu đồ lưu lượng thực đo và tính toán trạm Diên Xuân năm 2010 ......................................................................................................................... 87 Hình 3.9. Biểu đồ lưu lượng thực đo và tính toán trạm Thác Ngựa năm 2010 ......................................................................................................................... 88 Hình 3.10. Biểu đồ lưu lượng thực đo và tính toán trạm Đồng Trăng năm 2010 . 88 Hình 3.11. Biểu đồ quá trình lưu lượng thực đo và tính toán trận lũ năm 2009 trạm thủy văn Đồng Trăng .............................................................................. 89 Hình 3.12. Biểu đồ quá trình lưu lượng thực đo và tính toán trận lũ năm 2013 trạm thủy văn Đồng Trăng .............................................................................. 89 Hình 3.13. Biểu đồ quá trình lưu lượng thực đo và tính toán trận lũ năm 2016 trạm thủy văn Đồng Trăng .............................................................................. 89 Hình 3.14. Minh họa bản đồ phân bố mưa giờ lớn nhất trận lũ năm 2009 (a) và 2013 (b) được xây dựng bằng công cụ nội suy mưa ....................................... 90 Hình 3.15. So sánh lưu lượng thực đo và tính toán của mô hình MARINE gốc với MARINE cải tiến trạm Đồng Trăng trận lũ năm 2009 ............................. 91 Hình 3.16. So sánh lưu lượng thực đo và tính toán của mô hình MARINE gốc với MARINE cải tiến trạm Đồng Trăng trận lũ năm 2013 ............................. 91 Hình 3.17. So sánh lưu lượng thực đo và tính toán của mô hình MARINE gốc với MARINE cải tiến trạm Đồng Trăng trận lũ năm 2016 ............................. 92 Hình 3.18. So sánh lưu lượng thực đo và tính toán của mô hình MARINE gốc với MARINE cải tiến trạm Đồng Trăng trận lũ năm 2009 ............................. 93 Hình 3.19. So sánh lưu lượng thực đo và tính toán của mô hình MARINE gốc với MARINE cải tiến trạm Đồng Trăng trận lũ năm 2013 ............................. 93 Hình 3.20. So sánh lưu lượng thực đo và tính toán của mô hình MARINE gốc với MARINE cải tiến trạm Đồng Trăng trận lũ năm 2016 ............................. 93 Hình 3.21. So sánh lưu lượng thực đo và tính toán của mô hình MARINE gốc với MARINE cải tiến trạm Suối Cát năm 2010 .............................................. 94
viii Hình 3.22. Minh họa bản đồ DEM (a) [74] và bản đồ đất (b) [13] sông Dinh ......................................................................................................................... 95 Hình 3.23. Minh họa bản đồ độ ẩm đất (a) và lớp phủ thực vật (b) lưu vực sông Dinh Ninh Hòa [30] [74] ................................................................................. 95 Hình 3.24. Sơ đồ mạng lưới sông Dinh Ninh Hòa.......................................... 96 Hình 3.25. Biểu đồ lượng mưa thời đoạn 1 giờ của trận lũ năm 2010 ........... 97 Hình 3.26. Biểu đồ lượng mưa thời đoạn 1 giờ của trận lũ năm 2016 ........... 97 Hình 3.27. Biểu đồ lượng mưa thời đoạn 1 giờ của trận lũ tiểu mãn năm 2017 ......................................................................................................................... 98 Hình 3.28. Biểu đồ quá trình lưu lượng thực đo và tính toán trạm Dục Mỹ trận lũ năm 2010 ..................................................................................................... 99 Hình 3.29. Biểu đồ quá trình lưu lượng thực đo và tính toán trạm Ninh Thượng trận lũ năm 2010............................................................................................ 100 Hình 3.30. Biểu đồ quá trình lưu lượng thực đo và tính toán trạm Ninh Hòa trận lũ năm 2010 ................................................................................................... 100 Hình 3.31. Lượng thực đo và tính toán trạm Ninh Hòa trận lũ năm 2016 ... 101 Hình 3.32. Lưu lượng thực đo và tính toán trạm Ninh Hòa trận lũ năm 2017 ....................................................................................................................... 101 Hình 3.33. Minh họa bản đồ phân bố mưa giờ lớn nhất trận lũ năm 2016 (a) và 2017 (b) được xây dựng bằng công cụ nội suy ............................................. 102 Hình 3.34. So sánh lưu lượng thực đo và tính toán của mô hình MARINE gốc với MARINE cải tiến trạm Ninh Hòa trận lũ năm 2016............................... 103 Hình 3.35. So sánh lưu lượng thực đo và tính toán của mô hình MARINE gốc với MARINE cải tiến trạm Ninh Hòa trận lũ năm 2017............................... 103 Hình 3.36. So sánh lưu lượng thực đo và tính toán của mô hình MARINE gốc với MARINE cải tiến trạm Ninh Hòa trận lũ năm 2016............................... 104
ix Hình 3.37. So sánh lưu lượng thực đo và tính toán của mô hình MARINE gốc với MARINE cải tiến trạm Ninh Hòa trận lũ năm 2017............................... 104 Hình 3.38. So sánh lưu lượng thực đo và tính toán của mô hình MARINE gốc với MARINE cải tiến trạm Đá Bàn năm 2010.............................................. 105 Hình 3.39. Minh họa bản đồ DEM (a) [74] và loại đất (b) [13] lưu vực sông Cái Phan Rang ..................................................................................................... 106 Hình 3.40. Minh họa bản đồ độ ẩm đất (a) [34] và thảm phủ thực vật (b) [30] [74] lưu vực sông Cái Phan Rang ................................................................. 106 Hình 3.41. Sơ đồ mạng lưới sông Cái Phan Rang ........................................ 107 Hình 3.42. Biểu đồ lượng mưa 1 giờ lớn nhất trận lũ tháng 11 năm 2016 ... 108 Hình 3.43. Biểu đồ lượng mưa 12 giờ trận lũ tháng 12 năm 2018 ............... 109 Hình 3.44. Biểu đồ lưu lượng thực đo và tính toán trạm Phước Hà trận lũ năm 2016 ....................................................................................................................... 110 Hình 3.45. Biểu đồ lưu lượng thực đo và tính toán trạm Tân Mỹ trận lũ năm 2016 ....................................................................................................................... 111 Hình 3.46. Biểu đồ quá trình lưu lượng thực đo và tính toán lũ năm 2018 tại trạm thủy văn Tân Mỹ ................................................................................... 111 Hình 3.47. So sánh lưu lượng thực đo và tính toán của mô hình MARINE gốc với MARINE cải tiến tại trạm Tân Mỹ trận lũ năm 2018............................. 112 Hình 3.48. Minh họa bản đồ phân bố mưa giờ lớn nhất trận lũ năm 2016 (a) và 2018 (b) được xây dựng bằng công cụ nội suy mưa ..................................... 113 Hình 3.49. So sánh lưu lượng thực đo và tính toán của mô hình MARINE gốc với MARINE cải tiến tại trạm Tân Mỹ trận lũ năm 2018............................. 114 Hình 3.50. So sánh lưu lượng thực đo và tính toán của mô hình MARINE gốc với MARINE cải tiến tại trạm Phước Hà năm 2016 ..................................... 115 Hình 3.51. Minh họa bản đồ trạm mưa tự động trên lưu vực và vùng lân cận ....................................................................................................................... 119
x Hình 3.52. Biểu đồ phân tích dự báo trận lũ lớn nhất năm 2020 thời gian dự kiến 24 giờ lúc 19h30 ngày 30 tháng 11 tại trạm thủy văn Đồng Trăng ...... 121 Hình 3.53. Biểu đồ quá trình lưu lượng thực đo và dự báo thời gian dự kiến 24 giờ tại trạm thủy văn Đồng Trăng từ tháng 9 đến tháng 12 năm 2020 ......... 122 Hình 3.54. Biểu đồ phân tích dự báo trận lũ lớn nhất năm 2020 thời gian dự kiến 24 giờ lúc 19h30 ngày 30 tháng 11 tại trạm thủy văn Diên Phú .......... 122 Hình 3.55. Biểu đồ quá trình lưu lượng thực đo và dự báo thời gian dự kiến 24 giờ tại trạm thủy văn Diên Phú từ tháng 9 đến tháng 12 năm 2020 ............. 123 Hình 3.56. Biểu đồ phân tích dự báo trận lũ lớn nhất năm 2020 thời gian dự kiến 48 giờ lúc 19h30 ngày 30 tháng 11 tại trạm thủy văn Đồng Trăng ...... 124 Hình 3.57. Biểu đồ quá trình lưu lượng thực đo và dự báo thời gian dự kiến 48 giờ tại trạm thủy văn Đồng Trăng từ tháng 9 đến tháng 12 năm 2020 ......... 124 Hình 3.58. Biểu đồ phân tích dự báo trận lũ lớn nhất năm 2020 thời gian dự kiến 48 giờ lúc 19h30 ngày 30 tháng 11 tại trạm thủy văn Diên Phú .......... 125 Hình 3.59. Biểu đồ quá trình lưu lượng thực đo và dự báo thời gian dự kiến 48 giờ tại trạm thủy văn Diên Phú từ tháng 9 đến tháng 12 năm 2020 ............. 125
xi DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Các thông số đầu vào của mô hình MARINE [116] ...................... 44 Bảng 2.2. Tham số Green và Ampt [116] ....................................................... 44 Bảng 2.3. Xác định hệ số Manning theo lớp phủ [116] .................................. 45 Bảng 2.4. Xác định hệ số thực nghiệm cửa xả ................................................ 66 Bảng 3.1. Phân loại và mã hóa thảm phủ thực vật [3], [9] ............................. 77 Bảng 3.2. Phân loại và mã hóa loại đất [3], [9] .............................................. 77 Bảng 3.3. Thông số thổ nhưỡng sau khi hiệu chỉnh sông Cái Nha Trang ...... 87 Bảng 3.4. Thông số thảm phủ sau khi hiệu chỉnh Cái Nha Trang .................. 87 Bảng 3.5. Thông số thảm phủ sau khi hiệu chỉnh sông Dinh Ninh Hòa ......... 99 Bảng 3.6. Thông số thổ nhưỡng sau khi hiệu chỉnh sông Dinh Ninh Hòa ..... 99 Bảng 3.7. Thông số thổ nhưỡng sau khi hiệu chỉnh sông Cái Phan Rang .... 110 Bảng 3.8. Thông số thảm phủ sau khi hiệu chỉnh sông Cái Phan Rang ....... 110 Bảng 3.9. Tổng hợp đánh giá hiệu quả của mô hình MARINE cải tiến ....... 116 Bảng 3.10. Danh sách trạm đo mưa tự động lưu vực sông Cái và vùng lân cận ....................................................................................................................... 118
xii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT KTTV Khí tượng Thủy văn SĐH Sóng động học Đặc tính lòng hồ: Dung tích (V), diện tích mặt nước (F), cao VFZ trình mực nước (Z) American Standard Code for Information Interchange ASCII (Bộ mã chuẩn trao đổi thông tin) Climate Forecast System Reanalysis CFSR (Tái phân tích hệ thống dự báo khí hậu) Digital Elevation Model DEM (Mô hình số độ cao) Distributed Model Intercomparison Project DMIP (Dự án so sánh các mô hình thủy văn thông số phân bố) European Centre for Medium-Range Weather Forecasts ECMWF (Trung tâm dự báo thời tiết hạn vừa Châu Âu) Geographic Information System GIS (Hệ thống thông tin địa lý) Global Precipitation Climatology Project GPCP (Dự án định lượng mưa khí hậu toàn cầu) Inverse Distance Weighted IDW (Nghịch đảo khoảng cách theo trọng số) The National Aeronautics and Space Administration NASA (Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Hoa Kỳ) National Center for Atmospheric Research NCAR (Trung tâm Nghiên cứu Khí quyển Quốc gia Hoa Kỳ) National Centers for Environmental Prediction NCEP (Trung tâm dự báo môi trường quốc gia Hoa Kỳ) National Oceanic and Atmospheric Administration NOAA (Cơ quan Quản lý Khí quyển và Đại dương Quốc gia Hoa Kỳ) Nash-Sutchliﬀe Eﬃcency NSE (Chỉ tiêu Nash) Percentage Error on Peak ﬂood PEp (Chỉ tiêu sai số đỉnh lũ) Percentage Error on total ﬂow Volume PEVol (Chỉ tiêu sai số tổng lượng) The Tropical Rainfall Measuring Mission TRMM (Vệ tinh đo mưa vùng nhiệt đới) The United States Geological Survey USGS (Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ)
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của Luận án Mô hình hóa dòng chảy trên các lưu vực sông có vai trò rất quan trọng trong dự báo, khôi phục số liệu thủy văn phục vụ phòng chống thiên tai, sản xuất, thiết kế xây dựng công trình và các hoạt động khác trong lĩnh vực khai thác, quản lý và bảo vệ tài nguyên nước. Sự phát triển cả về lý thuyết và khả năng tính toán của các mô hình toán cho phép ngày càng cải thiện chất lượng mô phỏng dòng chảy trên các lưu vực sông [91], [102]. Hiện nay, các mô hình thủy văn thông số tập trung đang được sử dụng phổ biến trong công tác dự báo và khôi phục số liệu dòng chảy, tuy nhiên, các mô hình thông số tập trung thường đã lược bỏ, trung bình hóa nhiều thành phần và quá trình dòng chảy trên lưu vực [78], nhằm thích ứng với điều kiện khó khăn về số liệu và khả năng tính toán của máy tính nên chất lượng mô phỏng còn hạn chế, không mô phỏng được chi tiết theo không gian trên lưu vực và tác động chi tiết của con người đến diễn biến thủy văn. Trong khi đó, tác động của con người đến quá trình thủy văn ngày càng mạnh mẽ nhất là các công trình tác động đến dòng chính như đập dâng, hồ chứa,... cần được đánh giá đầy đủ và chi tiết. Bên cạnh đó, trên thực tế các ngành kinh tế xã hội luôn yêu cầu các kết quả mô phỏng/dự báo thủy văn chi tiết trên lưu vực sông đã dẫn đến xu hướng nghiên cứu ứng dụng mô hình thủy văn thông số phân bố [91]. Mặc dầu các tiến bộ gần đây về khoa học máy tính cùng với sự phát triển liên tục của hướng tiếp cận đo đạc số liệu viễn thám đã cung cấp những đầu vào tương đối chi tiết có thể phục vụ trực tiếp cho các mô hình thủy văn thông số phân bố như địa hình bề mặt lưu vực, độ che phủ, điều kiện thổ nhưỡng cũng như các yếu tố mặt đệm khác,... tuy nhiên, để mô phỏng được chính xác các quá trình thủy văn trên lưu vực cần thiết có số liệu mưa theo không gian (giá trị định lượng mưa tại từng ô lưới) vốn chưa được các công nghệ quan trắc hiện nay đáp ứng. Các số liệu mưa định lượng từ quan trắc vệ tinh còn nhiều hạn chế về độ chính xác, đặc biệt ở các khu vực miền núi có địa hình chia cắt, trong
2 khi số liệu về radar còn thưa thớt và cần nhiều đầu tư về mạng lưới, cơ sở hạ tầng, khả năng hiệu chỉnh [40], [67], [106], do vậy, trong thực tế hiện nay, xử lý mưa kết hợp với số liệu quan trắc tại các trạm đo với các phương pháp và thông tin bổ sung khác thành số liệu mưa theo không gian đang là giải pháp hữu hiệu để giải quyết khó khăn về thiếu số liệu mưa đầu vào cho mô hình thủy văn thông số phân bố [41], [42], [95]. Mặc dầu vậy, công việc này thường được tách rời khỏi các mô hình và vì vậy không thuận tiện cho việc triển khai, ứng dụng các mô hình thông số phân bố trong thực tiễn. Bên cạnh đó, nhiều mô hình thủy văn thông số phân bố mô phỏng đầy đủ và liên tục quá trình dòng chảy từ sườn dốc đến cửa ra lưu vực, nhưng diễn toán dòng chảy trong sông còn hạn chế và chưa mô phỏng tác động của các công trình thủy lợi. Để tăng cường khả năng và chất lượng mô phỏng, một số mô hình thủy văn thông số phân bố kết hợp mô hình dòng chảy trên sườn dốc với mô hình thủy lực hoặc mô hình diễn toán trong lòng dẫn [33], [44], [68], [82], [98]. Việc kết hợp/tích hợp này phụ thuộc chủ yếu vào điều kiện số liệu hiện có về địa hình lòng dẫn. Đối với các lưu vực lớn, có đầy đủ số liệu lòng dẫn sẽ thích hợp cho việc tích hợp giữa mô hình thủy văn thông số phân bố với mô hình thủy lực 1 chiều, nhưng đối với các lưu vực nhỏ, thượng nguồn thiếu số liệu lòng dẫn thì có thể được khắc phục bằng việc tích hợp với các mô hình diễn toán khác như Muskingum hay Muskingum - Cunge …. Mặt khác, trên các lưu vực sông ở Việt Nam, đặc biệt ở khu vực Trung Bộ nói chung và Nam Trung Bộ nói riêng, do nhu cầu về sử dụng nước và điện năng, có rất nhiều công trình hồ chứa, đập dâng đã được xây dựng và có tác động đáng kể đến chế độ dòng chảy hạ lưu, đặc biệt ở các lưu vực nhỏ [3], [15], [35]. Do vậy, việc bỏ qua các tác động này sẽ làm giảm độ chính xác của các mô phỏng cũng như dự báo thủy văn. Hiện trạng thiếu số liệu mưa theo không gian và địa hình lòng dẫn là một thách thức lớn trong ứng dụng mô hình thủy văn thông số phân bố, do đó, ngoài việc nghiên cứu các phương pháp khắc phục cần có sự lựa chọn mô hình phù
3 hợp. Tuy nhiên, dù rất khó xác định được mô hình phù hợp và trong số nhiều mô hình thủy văn thông số phân bố hiện nay, nhưng mô hình MARINE được lựa chọn vì đáp ứng được các ứng dụng ở nhiều nơi trên Thế giới [48], [49], [63], [115], [116] cũng như ở Việt Nam [1], [3], [9], [15], [39], [44], [68], có mã nguồn mở để có thể thuận tiện cho việc can thiệp, cải tiến mô hình. Mặc dù, mô hình MARINE mô phỏng bản chất vật lý tường minh của quá trình dòng chảy sườn dốc, tuy nhiên mô hình còn một số nhược điểm như chưa có công cụ tính toán mưa phân bố, chưa hoàn thiện mô phỏng dòng chảy trong sông và chưa xét đến các tác động của các công trình hồ chứa, đập dâng …. Xuất phát từ các khó khăn nêu trên, để hoàn thiện và tăng cường mô phỏng, khả năng ứng dụng trên lưu vực thiếu số liệu mưa và mặt cắt ngang như một số các lưu vực sông nhỏ khu vực Nam Trung Bộ, việc cải tiến một số chức năng mô hình MARINE thông qua tích hợp đầy đủ các công cụ xử lý mưa, mô hình diễn toán dòng chảy trong sông và mô đun diễn toán dòng chảy qua hồ chứa là rất cần thiết, có ý nghĩa về khoa học và thực tiễn, là cơ sở để nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài “Nghiên cứu cải tiến mô hình MARINE để mô phỏng và dự báo dòng chảy cho lưu vực sông thiếu số liệu - Áp dụng cho khu vực Nam Trung Bộ”. Mô hình MARINE cải tiến được ứng dụng thử nghiệm cả trong mô phỏng và dự báo lũ, trước hết với các lưu vực sông thiếu số liệu và không chịu ảnh hưởng thủy triều ở khu vực Nam Trung Bộ nhằm chứng minh sự phù hợp và khả năng ứng dụng trong thực tiễn. 2. Mục tiêu của Luận án 1. Cải tiến mô hình MARINE để mô phỏng và dự báo dòng chảy chính xác hơn trên các lưu vực sông không ảnh hưởng của thủy triều, thiếu số liệu mưa phân bố theo không gian và mặt cắt lòng dẫn. 2. Ứng dụng được mô hình MARINE cải tiến để mô phỏng và dự báo dòng chảy cho một số lưu vực sông thiếu số liệu ở khu vực Nam Trung Bộ. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1. Đối tượng nghiên cứu:
4 - Dòng chảy trên sườn dốc và trong sông. - Cơ sở lý thuyết, thuật toán, quá trình tính toán và mô phỏng của mô hình thủy văn thông số phân bố MARINE. - Cơ sở lý thuyết, sơ đồ giải mô hình sóng động học một chiều, diễn toán dòng chảy qua hồ và nội suy mưa không gian. 2. Phạm vi nghiên cứu : - Dòng chảy trên sườn dốc và dòng chảy trong sông không ảnh hưởng triều. - Mô hình thủy văn thông số phân bố, mô hình sóng động học và diễn toán dòng chảy qua hồ. - Lưu vực sông thiếu số liệu ở khu vực Nam Trung Bộ bao gồm: Cái Nha Trang, Cái Phan Rang và Dinh Ninh Hòa. 4. Luận điểm bảo vệ của Luận án Luận điểm 1: Việc tích hợp mô hình sóng động học, mô đun diễn toán hồ chứa và công cụ nội suy mưa góp phần cải tiến mô hình MARINE để tăng cường khả năng mô phỏng, dự báo trên các lưu vực sông không ảnh hưởng triều. Luận điểm 2: Các công cụ, mô hình đã xây dựng và tích hợp trong mô hình MARINE cải tiến đáp ứng yêu cầu và phù hợp để mô phỏng, dự báo lũ cho một số lưu vực thiếu số liệu như ở khu vực Nam Trung Bộ. 5. Phương pháp nghiên cứu Để trả lời các câu hỏi nghiên cứu, Luận án sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau : 1) Phương pháp phân tích hệ thống: Lưu vực sông là một hệ thống phức tạp, đầu ra của hệ thống không chỉ chịu sự chi phối của đầu vào mà còn chịu ảnh hưởng của sự tương tác giữa các thành phần trong hệ thống. Qua phân tích hệ thống giúp cơ bản xác định mô hình khái niệm làm cơ sở, lựa chọn và kiểm chứng mô hình mô phỏng. 2) Phương pháp mô hình hóa: Những yếu tố tạo thành, tác động, diễn biến dòng chảy trên sườn dốc, trong sông, qua hồ chứa được mô tả bằng các