Giáo trình Tích hợp bộ mô hình dự báo thủy văn lưu vực sông Trà Khúc - Bùi Văn Chanh

Nội dung text: Giáo trình Tích hợp bộ mô hình dự báo thủy văn lưu vực sông Trà Khúc - Bùi Văn Chanh

1. Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 20-25 Tích hợp bộ mô hình dự báo thủy văn lưu vực sông Trà Khúc Bùi Văn Chanh1,*, Trần Ngọc Anh2,3 1Đài Khí tượng Thủy văn Khu vực Nam Trung Bộ, Trung tâm KTTV Quốc gia, Bộ TNMT, 22 Pasteur, Nha Trang, Khánh Hòa, Việt Nam 2Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam 3Trung tâm Động lực học Thủy khí Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 08 tháng 8 năm 2016 Chỉnh sửa ngày 26 tháng 8 năm 2016; Chấp nhận đăng ngày 16 tháng 12 năm 2016 Tóm tắt: Dòng chảy trên lưu vực sông là một quá trình liên tục từ khi mưa rơi đến khi nhập vào đại dương. Quá trình phức tạp của dòng chảy trên lưu vực được mô phỏng bằng các mô hình toán phục vụ tính toán tài nguyên nước, dự báo thủy văn. Tuy nhiên một mô hình chưa mô phỏng được tất cả các quá trình dòng chảy trên lưu vực sông. Do đó để mô phỏng được nhiều hơn quá trình dòng chảy trên lưu vực sông từ đó dự báo được chi tiết hơn, độ chính xác cao hơn cần phải tích hợp các mô hình toán. Trà Khúc là con sông lớn nhất của tỉnh Quảng Ngãi, diễn biến thủy văn rất phức tạp. Việc nghiên cứu tích hợp các mô hình để mô phỏng tốt hơn quá trình dòng chảy trên lưu vực nhằm nâng cao chất lượng dự báo là rất cần thiết. Trong nghiên cứu này đã tích hợp mô hình mưa - dòng chảy thông số phân bố Marine, mô hình thủy lực Mike 11 và công cụ tính triều trong Mike 21 để dự báo mực nước tại trạm thủy văn Sơn Giang và Trà Khúc. Kết quả nghiên cứu dự báo thử của cuối tháng 11 năm 2013 cho kết quả tốt, là cơ sở nâng cao chất lượng dự báo thủy văn cho Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Trung Trung Bộ và Đài Khí tượng Thủy văn tỉnh Quảng Ngãi. Từ khóa: Marine, Trà Khúc, tích hợp bộ mô hình. 1. Mở đầu * dụng đầu ra của đối tượng này làm đầu vào của đối tượng kia và giữa chúng không có tác động Tích hợp là sự kết hợp những hoạt động, gì với nhau; tích hợp kiểu lai ghép là sự liên kết chương trình hoặc các thành phần khác nhau giữa đầu vào, đầu ra của các đối tượng và đầu thành một khối chức năng. Tích hợp có nghĩa là vào của đối tượng này có tác động ngược lại tới sự thống nhất, sự hòa hợp, sự kết hợp, là sự đầu ra của đối tượng kia; tích hợp kiểu hợp nhất phối hợp các hoạt động khác nhau, các thành là sự kết hợp, gắn kết giữa các đối tượng thành phần khác nhau của một hệ thống để bảo đảm một thể thống nhất. sự hài hòa chức năng và mục tiêu hoạt động của Trong nghiên cứu này sử dụng kiểu tích hợp hệ thống ấy. Các cấp độ tích hợp mô hình toán kết nối để tích hợp mô hình Marine, Mike11 và gồm: Kết nối (link), lai ghép (couple), hợp nhất công cụ triều của Mike21. Trong đó mô hình (integrate). Trong đó: tích hợp kiểu kết nối là sử Marine là mô hình mưa - dòng chảy thông số ___ phân bố được xây dựng và phát triển với Viên * Tác giả liên hệ. ĐT.: 84-915620289 Cơ học Chất lỏng Pháp, mô hình Mike 11 là mô Email: buivanchanh@gmail.com 20
2. B.V. Chanh, T.N. Anh / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 20-25 21 hình thủy lực 1 chiều của Viện Thủy lực Đan Bản đồ thảm phủ có tỷ lệ 1:50.000. Ban đầu Mạch (DHI), công cụ triều được tính từ Mike21 bản đồ ở dạng Vector cấu tạo bởi các vùng Toolbox. Mô hình Marine tính toán dòng chảy khép kín - polygon, sau đó được đưa về dạng trên sườn dốc lưu vực làm đầu tại biên trên và Raster. Để thuận tiện trong sử dụng, tên đất gia nhập khu giữa cho mô hình Mike 11. Mike được phân loại theo FAO-UNESCO và được sử 21 Toolbox tính toán mức nước triều cho biên dụng để tính toán tổn thất do thấm theo phương dưới của mô hình Mike 11. Cuối cùng là sử pháp Green & Ampt. Dữ liệu mưa thời đoạn 1 dụng mô hình Mike 11 để diễn toán dòng chảy giờ tại các trạm Sơn Tây, Sơn Hà, Sơn Giang trong sông và dự báo mực nước tại trạm thủy và Trà Khúc được xử lý phân bố theo không văn Sơn Giang và Trà Khúc. gian theo phương pháp đa giác Thái Sơn. 2. Tích hợp mô hình toán Sơn Hà 2.1. Thiết lập mô hình Marine [1] Dữ liệu đầu vào cho mô hình Marine gồm bản đồ mô hình số độ cao (DEM), bản đồ đất, Sơn Tây bản đồ lớp phủ thực vật, mạng lưới sông suối, lượng mưa giờ phân bố theo không gian. Bản Sơn Giang đồ DEM độ phân giải 90x90m lưu vực sông Trà Khúc được sử dụng để dẫn suất tạo 6 bản đồ làm đầu vào cho mô hình Marine gồm: (1) bản đồ độ dốc, (2) hướng chảy, (3) hội tụ nước, (4) mạng lưới sông, (5) đường phân nước, và (6) độ dài dòng chảy. Để thuận tiện cho việc xác định Hình 3. Bản đồ lớp phủ Hình 4. Bản đồ phân hệ số cản dòng chảy (hệ số nhám), toàn bộ bản lưu vực Sơn Giang. chia đa giác Thái Sơn. đồ thảm phủ các tỉnh được phân thành 13 nhóm thảm phủ chính theo cách phân loại của tổ chức Bảng 1. Phân loại thảm phủ khoa học Mỹ (U.S. Geological Survey). Tên loại thảm phủ ID Rừng ổn định: lá rộng, lá kim, tre nứa 1 Rừng non: lá rộng, lá kim, tre nứa 2 Rừng cây bụi 3 Rừng thưa 4 Cây bụi trồng thành rừng 5 Cây thân gỗ trồng không thành rừng 6 Cây bụi trồng không thành rừng 7 Cỏ 8 Lúa 9 Màu 10 Cây bụi rải rác 11 Hình 1. Bản đồ DEM Hình 2. Bản đồ đất lưu vực Sơn Giang. lưu vực Sơn Giang. Rừng thưa xen lẫn rừng cây bụi, cỏ 12 Rừng cây bụi xen lẫn cỏ 13
3. 22 B.V. Chanh, T.N. Anh / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 20-25 Bảng 2. Phân loại đất 2.2. Thiết lập mô hình Mike11 [2] Tên loại đất ID Tên loại đất ID Mạng lưới sông được số hóa từ bản đồ tỷ lệ Cát 20 Sét phù sa mùn 40 1/10.000, sử dụng hệ quy chiếu Quảng Ngãi Mùn cát 25 Sét pha cát 45 108 độ múi 3 và cập nhật hệ quy chiếu này vào Cát mùn 3 Sét phù sa 50 mô hình Mike. Cập nhật 68 mặt cắt ngang cao Mùn 4 Sét 12 độ chuẩn Quốc gia từ trạm thủy văn Sơn Giang Phù sa mùn 5 Núi đá 13 đến cửa biển. Biên trên là đường quá trình lưu Sét pha cát mùn 30 Đất trơ sỏi đá 1 Sét mùn 35 lượng tại Sơn Giang, biên dưới là đường quá trình mực nước triều, gia nhập khu giữa được Bộ thông số mô hình Marine được hiệu nhập vào 4 đoạn sông. chỉnh bằng chuỗi số liệu thực đo và tính toán tại trạm thủy văn Sơn Giang. Đánh giá kết quả Gia nhập đoạn 3 hiệu chỉnh từ 0h/6/11/2013 đến 23h/8/11/2013 bằng chỉ tiêu Nash đạt 93,8%; đạt loại tốt theo Biên trên Gia nhập đoạn 4 tiêu chuẩn của Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO). Đánh giá kết quả kiểm định từ Gia nhập đoạn 2 Biên dưới 5h/15/11/2013 đến 23h/17/11/2013 bằng chỉ Gia nhập đoạn 1 tiêu Nash đạt 89,3%; đạt loại tốt theo tiêu chuẩn của WMO. Hình 7. Sơ đồ thủy lực hạ lưu sông Trà Khúc. Hình 5. Đường quá trình hiệu chỉnh. Hình 8. Đường quá trình hiệu chỉnh. Hình 6. Đường quá trình kiểm định. Hình 9. Đường quá trình kiểm định.
4. B.V. Chanh, T.N. Anh / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 20-25 23 Bộ thông số mô hình Mike 11 được hiệu hình Mike 11 để diễn toán dòng chảy của các chỉnh bằng chuỗi số liệu thực đo và tính toán tại đoạn sông đến cửa ra. Với những đoạn sông trạm thủy văn Trà Khúc. Đánh giá kết quả hiệu phía thượng lưu trạm thủy văn Sơn Giang chỉnh từ 0h/4/11/2013 đến 23h/9/11/2013 bằng không có dữ liệu mặt cắt, dòng chảy ở những chỉ tiêu Nash đạt 94,5%; đạt loại tốt theo tiêu đoạn sông này được diễn toán bằng phương chuẩn của WMO. Đánh giá kết quả kiểm định pháp Muskingum Cunge trong mô hình Mike11 từ 0h/13/11/2013 đến 23h/18/11/2013 bằng chỉ với đầu vào được tính từ mô hình Marine. Đoạn tiêu Nash đạt 94,8%; đạt loại tốt theo tiêu chuẩn sông từ trạm Sơn Giang đến cửa biển được diễn của WMO. toán bằng mô hình thủy lực 1 chiều Mike 11 với đầu vào được kết nối với đầu ra của phương 2.3. Thiết lập mô hình tính triều [3] pháp Muskingum Cunge. Lượng gia nhập khu giữa mô phỏng trong mô hình Mike 11 được Mực nước triều được sử dụng làm biên dưới xác định từ 4 đoạn sông ở trên và được tính từ cho mô hình Mike 11, tại khu vực cửa ra của mô hình Marine. Dữ liệu triều sau khi tính từ sông Trà Khúc không có trạm đo triều, do đó Mike 21 Toolbox kết nối với biên dưới của mô biên triều được xác định bằng công cụ tính triều hình Mike 11. trong Mike21 Toolbox. Bộ thông số triều được Các mô hình Marine, Mike 11 và Mike 21 khai thác từ bản đồ tham số của DHI độ phân o o sau khi thiết lập, tối ưu hóa thông số được tích giải 0,25 x 0,25 . Mực nước triều tại cửa ra hợp để mô phỏng quá trình dòng chảy lưu vực sông Trà Khúc được tính ở vị trí 15.15oN và o sông Trà Khúc đầy đủ, chi tiết hơn là cơ sở 108.94 E, bộ thông số được thể hiện ở hình nâng cao chất lượng dự báo tại trạm Sơn Giang dưới đây. và Trà Khúc. Phương thức tích hợp chủ yếu là kết nối giữa mô hình Marine, Mike 11 và Mike 21, ngoài ra còn sử dụng phương thức tích hợp kiểu lai ghép giữa mô hình Muskingum Cunge và thủy lực 1 chiều trong Mike 11. 3. Dự báo thử lưu vực sông Trà Khúc Ứng dụng bộ mô hình tích hợp dự báo thử tại trạm thủy văn Sơn Giang và Trà Khúc từ ngày 19 đến ngày 25 tháng 11 năm 2013. Đánh giá kết quả mô phỏng dự báo thử tại trạm Sơn Giang theo chỉ tiêu Nash là 92,6%, tại trạm Trà Hình 10. Bộ thông số mô hình triều. Khúc là 95,5%, đạt loại tốt theo tiêu chuẩn của WMO. 2.4. Kết nối mô hình toán [2] Trường hợp không tích hợp đường quá trình mực nước triều tại biên dưới và cài đặt bằng 0, Trung tâm của kết nối các mô hình toán là đồng thời giữ lượng gia nhập khu giữa như trên, mô hình Mike 11, mô hình Marine và Mike 21 chất lượng mô phỏng tại trạm Trà Khúc đạt làm đầu vào cho mô hình Mike 11 và đầu ra là 90%. Trường không tích hợp gia nhập khu giữa sản phẩm dự báo tại trạm Sơn Giang và Trà từ mô hình Marine và tích hợp đường mực Khúc. Tuy nhiên Marine là mô hình có khối nước triều từ Mike 21 Toolbox, chất lượng mô lượng dữ liệu tính nhiều, chi tiết và phức tạp phỏng tại Trà Khúc đạt 92%. Trường hợp bỏ tất nhất. Mô hình Marine tính toán dòng chảy sườn cả các tích hợp, chất lượng mô phỏng tại Trà dốc cho các đoạn sông, sau đó kết nối với mô Khúc là 89%.
5. 24 B.V. Chanh, T.N. Anh / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 20-25 4. Kết luận - Dòng chảy trên lưu vực sông rất phức tạp và chưa có một mô hình nào mô phỏng được tất cả các quá trình dòng chảy trên. Do đó để mô phỏng được nhiều quá trình hơn, dự báo chi tiết và có độ chính xác cao hơn cần tích hợp các mô hình toán. - Do hạn chế về số liệu, dữ liệu đầu vào cho mô hình toán dẫn đến yêu cầu tích hợp các mô hình. Trong nghiên cứu này đã tích hợp mô hình Muskingum Cunge của đoạn sông không có mặt cắt ngang và mô hình thủy lực 1 chiều trong Mike11, tích hợp Mike 21 Toolbox và Hình 11. Đường mực nước thực đo Mike 11 đã giải quyết được vấn đề về thiếu số và dự báo trạm Sơn Giang. liệu, dữ liệu trên lưu vực sông Trà Khúc. - Tích hợp bộ mô hình là giúp nâng cao chất lượng dự báo tại trạm thủy văn Sơn Giang và Trà Khúc. Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Lan Châu, Đặng Thanh Mai, Trịnh Thu Phương. Các bài toán trong việc ứng dụng mô hình thủy văn Marine để mô phỏng và dự báo lũ sông Đà. Hội nghị Khoa học Công nghệ và phục vụ dự báo Khí tượng thủy văn lần thứ VI, 2005. [2] MKE 11 Reference Manual, DHI Software 2011. Hình 12. Đường mực nước thực đo [3] MKE 21 Toolbox Reference Manual, DHI và dự báo trạm Trà Khúc. Software 2011. Integration Models for Hydrology Forecasting on Tra Khuc Basin Bui Van Chanh1, Tran Ngoc Anh2,3 1South Center Regional Hydro - Meteorologial Center, NHMS, MONRE, 22 Pasteur, Nha Trang, Khanh Hoa, Vietnam 2Faculty of Hydro-Meteorology & Oceanography, VNU University of Science, 334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam 3Center for Environmental Fluid Dynamic, VNU University of Science, 334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam Abstract: Flow on river basin is continue process since rainfall until join ocean. Flow on river basin is a complicated process that is simulated by mathematical model to water resource calculating
6. B.V. Chanh, T.N. Anh / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 20-25 25 and hydrology forecasting. However, a model can’t simulate all flow processes on river basin. Therefor, for simulating more many flow processes on river basin to be more particular and more accurate forecasting then model need iterating. Tra Khu is a biggest river of Quang Ngai province, hydrology process is very complicated. Researching for models iterating to be beter simulating flow process on basin for advanced accurate forecasting that is very important. Some models, include: Marine distributive parameter rainfall runoff model, Mike 11 hydraulic model, tidal tool in Mike 21 model that are iterated to forecast water level at Son Giang and Tra Khuc hydrology station. Researching result of experiment forecasting in end 2013 November that is good result, it is basic to advance accurately hydrology forecasting for Central Center Regional Hydro - Meteorologial Center and Quang Ngai province Hydro - Meteorologial Center. Keywords: Marine, Tra Khuc, iterating models.