Tài liệu Nghiên cứu nâng cao chất lượng dự báo mưa, lũ phục vụ vận hành các hồ chứa trên lưu vực sông ba

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN VĂN HIẾU NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỰ BÁO MƯA, LŨ PHỤC VỤ VẬN HÀNH CÁC HỒ CHỨA TRÊN LƯU VỰC SÔNG BA LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI, 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN VĂN HIẾU NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG DỰ BÁO MƯA, LŨ PHỤC VỤ VẬN HÀNH CÁC HỒ CHỨA TRÊN LƯU VỰC SÔNG BA Ngành: Thủy văn học Mã số: 9 44 02 24 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. GS. TS. Vũ Minh Cát 2. TS. Đặng Thanh Mai HÀ NỘI, 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi 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 đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Nguyễn Văn Hiếu i LỜI CÁM ƠN Luận án được thực hiện và hoàn thành tại khoa Thủy văn và Tài nguyên nước trường Đại học Thủy lợi. Trong suốt thời gian thực hiện Luận án, nghiên cứu sinh (NCS) đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ nhiệt thành của các cơ quan, đoàn thể và cá nhân để hoàn thiện Luận án này. NCS xin trân trọng cám ơn GS.TS. Vũ Minh Cát và TS. Đặng Thanh Mai, những người trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận án. Tác giả xin chân thành cám ơn Lãnh đạo và các Thầy, Cô ở Khoa Thủy văn và Tài nguyên nước, các nhà khoa học, chuyên gia Trường Đại học Thủy lợi đã giúp đỡ NCS rất nhiều về chuyên môn cũng như trao đổi học thuật trong thời gian qua. Trong thời gian làm Luận án, NCS đã được Lãnh đạo Vụ Khoa học và Công nghệ, Bộ Tài nguyên và Môi trường tạo mọi điều kiện về thời gian cũng như động viên tinh thần để NCS yên tâm thực hiện Luận án của mình. NCS bày tỏ lòng biết ơn đến Lãnh đạo và toàn thể công chức của Vụ! Luận án được hoàn thành, NCS đã nhận được sự hỗ trợ về tài liệu, số liệu nghiên cứu từ Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn quốc gia, Tổng cục Khí tượng Thủy văn và sự giúp đỡ, góp ý đối với một số nội dung nghiên cứu của Luận án từ các đồng nghiệp tại đây. Gia đình, vợ, con luôn là chỗ dựa vững chắc và là nguồn động viên lớn cho NCS trong suốt thời gian quan. NCS trân trọng và luôn ghi nhớ, nỗ lực để thực hiện tốt nhiệm vụ của mình. Ngoài ra, bạn bè, đồng nghiệp, tập thể các nhà khoa học luôn cùng đồng hành và giúp đỡ NCS trong thời gian qua. Những gợi ý, trao đổi và hỗ trợ này đã giúp cho NCS hoàn thành Luận án tốt hơn. NCS chân thành cảm ơn. ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i LỜI CÁM ƠN ................................................................................................................. ii MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH......................................................................................v DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................. xii MỞ ĐẦU ........................................................................................................................1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU DỰ BÁO MƯA VÀ DỰ BÁO LŨ HẠN VỪA ...............................................................................................................6 1.1. Tổng quan nghiên cứu về dự báo mưa, dự báo lũ hạn vừa trên thế giới ..................6 1.1.1. Nghiên cứu về dự báo mưa trên thế giới........................................................6 1.1.2. Nghiên cứu về dự báo lũ hạn vừa trên thế giới ..............................................8 1.2. Tổng quan nghiên cứu về dự báo mưa, lũ hạn vừa ở Việt Nam ................................ 10 1.2.1. Nghiên cứu về dự báo mưa ở Việt Nam ......................................................10 1.2.2. Nghiên cứu về dự báo lũ hạn vừa ở Việt Nam ............................................16 1.3. Những tồn tại và định hướng nghiên cứu ...............................................................21 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ..............................................................................................24 CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG CƠ SỞ KHOA HỌC DỰ BÁO MƯA VÀ DỰ BÁO LŨ HẠN VỪA CHO LƯU VỰC SÔNG BA ....................................................26 2.1. Giới thiệu tổng quan về lưu vực sông Ba ...............................................................26 2.1.1. Vị trí địa lý ...................................................................................................26 2.1.2. Đặc điểm địa hình ........................................................................................26 2.1.3. Đặc điểm địa chất, thổ nhưỡng và thảm phủ thực vật .................................28 2.1.4. Mạng lưới sông suối ....................................................................................28 2.1.5. Đặc điểm khí hậu .........................................................................................30 2.1.6. Hệ thống hồ chứa lớn trên lưu vực sông Ba ................................................31 2.2. Các hình thế thời tiết gây mưa, lũ lớn trên lưu vực sông Ba ..................................32 2.2.1. Đặc điểm quá trình synop gây mưa lớn trên lưu vực sông Ba ....................32 2.2.2. Đặc điểm mưa và mưa sinh lũ trên lưu vực sông Ba ...................................36 2.3. Cơ sở lý luận ….....................................................................................................41 2.3.1. Công tác dự báo dòng chảy từ mưa phục vụ điều hành các hồ chứa ...........41 2.3.2. Xây dựng phương pháp dự báo mưa trên lưu vực sông Ba ........................42 iii 2.3.3. Xây dựng phương pháp dự báo lũ hạn vừa lưu vực sông Ba ......................61 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ..............................................................................................69 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU MƯA, LŨ CHO LƯU VỰC SÔNG BA VÀ THẢO LUẬN ..............................................................................................72 3.1. Đặc điểm thủy văn, chế độ dòng chảy trên lưu vực sông Ba .................................72 3.1.1. Lưu vực sông Hinh ......................................................................................75 3.1.2. Lưu vực sông Krong H’Năng ......................................................................76 3.1.3. Lưu vực sông Ayun Hạ ................................................................................77 3.1.4. Lưu vực An Khê ..........................................................................................78 3.2. Kết quả dự báo mưa trên lưu vực sông Ba .............................................................80 3.2.1. Kết quả dự báo từ mô hình...........................................................................80 3.2.2. Đánh giá kỹ năng dự báo của mô hình ........................................................81 3.2.3. Hiệu chỉnh và tính toán giá trị mưa dự báo .................................................85 3.3. Kết quả dự dòng chảy trên lưu vực sông Ba ..........................................................92 3.3.1. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình ................................................................ 92 3.3.2. Kết quả dự báo dòng chảy đến hồ trên lưu vực sông Ba ...........................105 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ............................................................................................130 KẾT LUẬN .................................................................................................................132 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................135 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................136 PHỤ LỤC ....................................................................................................................141 iv DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu trong luận án ......................................................23 Bản đồ mạng lưới sông suối, trạm kttv trên lưu vực sông Ba .....................27 Sơ đồ hệ thống sông và hồ chứa trên lưu vực sông Ba ................................ 30 Hiện trạng hồ chứa lớn trên lưu vực sông Ba ..............................................32 Bão số 12 - Damrey đổ bộ vào vào Khánh Hòa - Phú Yên .........................33 Hình thế không khí lạnh kết hợp với nhiễu động trong đới gió Đông .........34 Các hình thế thới tiết chủ yếu sinh mưa cho khu vực Miền Trung .............35 Cấu trúc mô hình WRF ................................................................................50 Miền dự báo của mô hình WRF với độ phân giải 5km ................................ 52 Sơ đồ biểu diễn các chỉ số phục vụ đánh giá chất lượng dự báo mưa .........56 Sơ đồ minh họa phương pháp nội suy điểm gần nhất ..................................59 Sơ đồ khối cơ sở phương pháp tính mưa dự báo .........................................61 Sơ đồ khối quy trình dự báo lũ hạn vừa theo mô hình MIKE NAM và HECHMS từ dữ liệu mưa dự báo theo phương pháp số trị .................................65 Phân chia lưu vực để tính diện tích cho hồ chứa sông Krong Hnang ..........66 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Phân chia ô lưới độ phân giải ô lưới (14×14) km cho lưu vực Sông Ba .....67 Phân chia ô lưới độ phân giải ô lưới (5×5) km cho lưu vực Sông Ba .........67 Lưu lượng lũ lớn nhất tại trạm Cùng Sơn qua các năm ...............................75 Bản đồ lưu vực Sông Hinh ...........................................................................76 Diễn biến mực nước, lưu lượng hồ Krong H’ Năng ....................................76 Bản đồ lưu vực sông Krong H’ Năng ..........................................................77 Bản đồ lưu vực AYun Hạ.............................................................................78 Mực nước trung bình ngày từng năm hồ Auyn Hạ ......................................78 Bản đồ lưu vực An Khê ...............................................................................79 Diễn biến mực nước, lưu lượng hồ Ka Nak .................................................79 Định dạng số liệu mưa dự báo từ mô hình IFS (39x39) ô lưới ....................80 Định dạng số liệu mưa dự báo từ mô hình WRFARW (90x90) ô lưới .......81 Lượng mưa tích lũy 48h (từ 7h ngày 1/11/2016 đến 7h ngày 3/11/2016) từ số liệu quan trắc (a), dự báo từ 7h ngày 1/11/2016 của IFS (b) và WRF (c) ...85 Hình 3.12 Lượng mưa tích lũy 48h (từ 7h ngày 4/11/2016 đến 7h ngày 6/11/2016) từ số liệu quan trắc (a), dự báo từ 7h ngày 4/11/2016 của IFS (b) và WRF (c) ...85 Hình 3.13 Biểu đồ lượng mưa giữa thực đo và dự báo bằng mô hình IFS và WRF tại trạm An Khê .................................................................................................86 Hình 3.6 Hình 3.7 Hình 3.8 Hình 3.9 Hình 3.10 Hình 3.11 v Hình 3.14 Biểu đồ lượng mưa giữa thực đo và dự báo bằng mô hình IFS và WRF tại trạm Pleiku ...................................................................................................86 Hình 3.15 Biểu đồ lượng mưa giữa thực đo và dự báo bằng mô hình IFS và WRF tại trạm Kon Tum ..............................................................................................87 Hình 3.16 Biểu đồ lượng mưa giữa thực đo và dự báo bằng mô hình IFS và WRF tại trạm Buôn Hồ ...............................................................................................87 Hình 3.17 Chỉ số ME của lượng mưa dự báo tích lũy 6h với số liệu quan trắc (mm) ..87 Hình 3.18 Hệ số tương quan (HSTQ) giữa lượng mưa dự báo với số liệu quan trắc ...87 Hình 3.19 Chỉ số ME của lượng mưa dự báo tích lũy 6h đã được hiệu chỉnh với số liệu quan trắc (mm) .............................................................................................92 Hình 3.20 Hệ số tương quan (HSTQ) giữa lượng mưa dự báo đã được hiệu chỉnh thống kê với số liệu quan trắc ................................................................................92 Hình 3.21 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng lưu vực An Khê-1986 ......................................................................................................93 Hình 3.22 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng lưu vực An Khê-1988 ......................................................................................................93 Hình 3.23 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng lưu vực An Khê-2003 ......................................................................................................94 Hình 3.24 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô Hình 3.25 Hình 3.26 Hình 3.27 Hình 3.28 Hình 3.29 Hình 3.30 Hình 3.31 hình HEC - HMS năm 1986 tiểu lưu vực An Khê .......................................94 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô hình HEC - HMS năm 1988 tiểu lưu vực An Khê .......................................95 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô hình HEC - HMS năm 2003 tiểu lưu vực An Khê .......................................95 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô hình MIKE NAM lưu vực Ayun Hạ năm 1990 ...........................................97 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô hình MIKE NAM lưu vực Ayun Hạ năm 1991 ...........................................97 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô hình MIKE NAM lưu vực Ayun Hạ năm 1992 ...........................................97 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô hình HEC - HMS lưu vực Ayun Hạ năm 1990 ............................................98 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô hình HEC - HMS lưu vực Ayun Hạ năm 1991 ............................................98 Hình 3.32 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô hình HEC - HMS lưu vực Ayun Hạ năm 1992 ............................................98 vi Hình 3.33 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô hình MIKE NAM lưu vực Krong Hnang năm 2003 ..................................100 Hình 3.34 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô hình MIKE NAM lưu vực Krong Hnang năm 2004 ..................................100 Hình 3.35 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô hình MIKE NAM lưu vực Krong Hnang năm 2005 ..................................100 Hình 3.36 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô hình HEC - HMS lưu vực Krong Hnang năm 2003 ..................................101 Hình 3.37 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô hình HEC - HMS lưu vực Krong Hnang năm 2004 ..................................101 Hình 3.38 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô hình HEC - HMS lưu vực Krong Hnang năm 2005 ..................................101 Hình 3.39 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô hình MIKE NAM lưu vực Sông Hinh năm 1986.......................................103 Hình 3.40 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô hình MIKE NAM lưu vực Sông Hinh năm 1988.......................................103 Hình 3.41 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô hình MIKE NAM lưu vực Sông Hinh năm 1991.......................................103 Hình 3.42 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô Hình 3.43 Hình 3.44 Hình 3.45 Hình 3.46 Hình 3.47 Hình 3.48 Hình 3.49 Hình 3.50 hình HEC - HMS lưu vực Sông Hinh năm 1986 .......................................104 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô hình HEC - HMS lưu vực Sông Hinh năm 1988 .......................................104 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô hình HEC - HMS lưu vực Sông Hinh năm 1991 .......................................104 Vị trí các ô lưới có kích thước (5x5) km thuộc các tiểu lưu vực nghiên cứu. ..105 Vị trí các ô lưới với kích thước 14x14km thuộc các tiểu lưu vực nghiên cứu .106 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ An Khê XI/2013 bằng mô hình MIKE NAM theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ........111 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ An Khê XI/2014 bằng mô hình MIKE NAM theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ........111 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ An Khê X/2015 bằng mô hình MIKE NAM theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ...................111 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ An Khê X/2016 bằng mô hình MIKE NAM theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ...................112 Hình 3.51 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ An Khê XI/2013 bằng mô hình HEC-HMS theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ...................112 vii Hình 3.52 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ An Khê XI/2014 bằng mô hình HEC-HMS theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ...................112 Hình 3.53 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ An Khê X/2015 bằng mô hình HEC-HMS theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ...................113 Hình 3.54 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ An Khê X/2016 bằng mô hình HEC-HMS theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ...................113 Hình 3.55 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ Ayun Hạ XI/2013 bằng mô hình MIKE NAM theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ........113 Hình 3.56 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ Ayun Hạ XI/2014 bằng mô hình MIKE NAM theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ........114 Hình 3.57 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ Ayun Hạ X/2015 bằng mô hình MIKE NAM theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ........114 Hình 3.58 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ Ayun Hạ X/2016 bằng mô hình MIKE NAM theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ........114 Hình 3.59 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ Ayun Hạ XI/2013 bằng mô hình HECHMS theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km .........115 Hình 3.60 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ Ayun Hạ XI/2014 bằng mô hình HECHMS theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km .........115 Hình 3.61 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ Ayun Hạ X/2015 bằng mô hình HEC-HMS Hình 3.62 Hình 3.63 Hình 3.64 Hình 3.65 Hình 3.66 Hình 3.67 Hình 3.68 theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ...................115 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ Ayun Hạ X/2016 bằng mô hình HEC-HMS theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ...................116 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ Krong H’Năng XI/2013 bằng mô hình MIKE NAM theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ..............116 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ Krong H’Năng XI/2014 bằng mô hình MIKE NAM theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ..............116 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ Krong H’Năng X/2015 bằng mô hình MIKE NAM theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ..............117 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ Krong H’Năng X/2016 bằng mô hình MIKE NAM theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ..............117 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ Krong H’Năng XI/2013 bằng mô hình HEC-HMS theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km 117 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ Krong H’Năng XI/2014 bằng mô hình HEC-HMS theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km 118 Hình 3.69 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ Krong H’Năng X/2015 bằng mô hình HEC-HMS theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km 118 viii Hình 3.70 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ Krong H’Năng X/2016 bằng mô hình HEC-HMS theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km 118 Hình 3.71 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ sông Hinh XI/2013 bằng mô hình MIKE NAM theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ........119 Hình 3.72 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ sông Hinh XI/2014 bằng mô hình MIKE NAM theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ........119 Hình 3.73 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ sông Hinh X/2015 bằng mô hình MIKE NAM theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ........119 Hình 3.74 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ sông Hinh X/2016 bằng mô hình MIKE NAM theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ........120 Hình 3.75 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ sông Hinh XI/2013 bằng mô hình HECHMS theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km .........120 Hình 3.76 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ sông Hinh XI/2014 bằng mô hình HECHMS theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km .........120 Hình 3.77 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ sông Hinh X/2015 bằng mô hình HECHMS theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km .........121 Hình 3.78 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ sông Hinh X/2016 bằng mô hình HECHMS theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km .........121 ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Đặc trưng hình thái lưu vực sông Ba .............................................................29 Bảng 2.2 Dung tích phòng lũ các hồ chứa lớn thượng nguồn .......................................31 Bảng 2.3 Đặc trưng lượng mưa ngày lớn nhất trên lưu vực sông Ba ............................40 Bảng 2.4 Cấu hình của mô hình WRFARW với độ phân giải 5km với trường đầu vào từ mô hình khu IFS 14km ............................................................................53 Bảng 2.5 Tiêu chuẩn được đánh giá ..............................................................................63 Bảng 2.6 Tiêu chuẩn được đánh giá sai số đỉnh lũ ........................................................64 Bảng 3.1 Đỉnh lũ lớn nhất đã qua quan trắc tại các trạm thủy văn .............................74 Bảng 3.2 Thời gian tính mưa dự báo bằng mô hình IFS và WRFARW .....................80 Bảng 3.3 Các quan trắc mưa sử dụng trong đánh giá sai số dự báo mưa từ mô hình .82 Bảng 3.4 Kết quả đánh giá và so sánh chất lượng dự báo định lượng mưa cho mô hình IFS (14km) và mô hình WRF (5km) ............................................................83 Bảng 3.5 Kết quả đánh giá và so sánh chất lượng dự báo pha mưa cho mô hình IFS (14km) và mô hình WRF (5km) với ngưỡng mưa to (>50mm/24h) ...........84 Bảng 3.6 Kết quả đánh giá và so sánh chất lượng dự báo pha mưa cho mô hình IFS (14km) và mô hình WRF (5km) với ngưỡng mưa rất to (>100mm/24h) ....84 Bảng 3.7 Kết quả tính toán hệ số phụ thuộc (a) và tự do (b) trong phương trình hồi quy đối với sản phẩm dự báo bằng mô hình IFS ................................................90 Bảng 3.8 Kết quả tính toán hệ số phụ thuộc (a) và tự do (b) trong phương trình hồi quy đối với sản phẩm dự báo bằng mô hình WRF .............................................91 Bảng 3.9 Bảng kết quả bộ thông số mô hình NAM cho tiểu lưu vực An Khê ............93 Bảng 3.10 Kết quả đánh giá sai số mô hình MIKE NAM cho tiểu lưu vực An Khê ....94 Bảng 3.11 Bảng kết quả bộ thông số mô hình HEC-HMS cho tiểu lưu vực An Khê ...95 Bảng 3.12 Bảng kết quả đánh giá sai số mô hình HEC-HMS cho tiểu lưu vực An Khê ..96 Bảng 3.13 Bảng kết quả bộ thông số mô hình MIKE NAM và HEC-HMS cho tiểu lưu vực Ayun Hạ ................................................................................................ 96 Bảng 3.14 Bảng kết quả đánh giá sai số mô hình HEC-HMS cho tiểu lưu vực Ayun Hạ 99 Bảng 3.15 Kết quả bộ thông số mô hình MIKE NAM và HEC-HMS cho tiểu lưu vực Krong Hnang ................................................................................................ 99 Bảng 3.16 Kết quả đánh giá sai số mô hình MIKE NAM cho tiểu lưu vực Krong Hnang .102 Bảng 3.17 Kết quả bộ thông số mô hình MIKE NAM và HEC-HMS cho tiểu lưu vực sông Hinh ...................................................................................................102 Bảng 3.18 Kết quả đánh giá sai số mô hình MIKE NAM cho tiểu lưu vực Krong Hnang .105 Bảng 3.19 Sơ đồ ô lưới độ phân giải (5x5) km tiểu lưu vực An Khê .........................106 x Bảng 3.20 Sơ đồ ô lưới độ phân giải (5x5) km lưu vực Ayun Hạ. .............................107 Bảng 3.21 Sơ đồ ô lưới độ phân giải (5x5) km lưu vực Sông Hinh. ...........................107 Bảng 3.22 Sơ đồ ô lưới (5x5) km lưu vực sông Krông H’Năng. ................................107 Bảng 3.23 Giá trị trọng số cho các ô lưới (5x5) km trên tiểu lưu vực An Khê ...........108 Bảng 3.24 Giá trị trọng số cho các ô lưới (14x14) km trên tiểu lưu vực An Khê .......108 Bảng 3.25 Giá trị trọng số cho các ô lưới (5x5) km trên tiểu lưu vực Ayun Hạ .........108 Bảng 3.26 Giá trị trọng số cho các ô lưới (14x14) km trên tiểu lưu vực Ayun Hạ .....109 Bảng 3.27 Giá trị trọng số cho các ô lưới (5x5) km trên tiểu lưu vực Sông Hinh ......109 Bảng 3.28 Giá trị trọng số cho các ô lưới (14x14) km trên tiểu lưu vực Sông Hinh ..109 Bảng 3.29 Giá trị trọng số cho các ô lưới (5x5) km trên tiểu lưu vực Krong H’Năng ........109 Bảng 3.30 Giá trị trọng số cho các ô lưới (14x14) km trên tiểu lưu vực Krong H’Năng ....110 Bảng 3.31 Các tiêu chí đánh giá chất lượng dự báo lũ theo mô hình MIKE NAM cho 4 tiểu lưu vực trên sông Ba ...........................................................................122 Bảng 3.32 Bảng 3.35: Các tiêu chí đánh giá chất lượng dự báo lũ theo mô hình HECHMS cho 4 tiểu lưu vực trên sông Ba ........................................................122 xi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ATNĐ Áp thấp nhiệt đới BĐ Báo động BIAS Sai số hệ thống BoM Bureau of Meteorology of Autralia BS Chỉ số đánh giá xác suất BSS Chỉ số đánh giá kỹ năng dự báo xác suất CFS Hệ thống dự báo khí hậu DBTH Dự báo tổ hợp ECMWF Trung tâm dự báo thời tiết hạn vừa Châu Âu EPS Hệ thống dự báo tổ hợp F Yếu tố dự báo Fi Thành phần dự báo thứ i GEM Mô hình toàn cầu của CMC GFS Mô hình toàn cầu của NCEP GIS Hệ thống thông tin địa lý GME Mô hình toàn cầu của DWD GSM Mô hình toàn cầu của JMA HRM Mô hình dự báo thời tiết khu vực phân giải cao HSTQ Hệ số tương quan HTTH Hệ thống dự báo tổ hợp IFS Trung tâm dự báo thời tiết hạn vừa Châu Âu ITCZ Dải hội tụ nhiệt đới JMA Cơ quan khí tượng Nhật Bản KKL Không khí lạnh KTTV Khí Tượng Thủy Văn KTXH Kinh tế - Xã hội LATS Luận án tiến sĩ ME Sai số trung bình MM5 Mô hình khí tượng động lực quy mô vừa thế hệ thứ 5 xii MOS Thống kê sau mô hình N Dung lượng mẫu hoặc tổng số dự báo thành phần NAEFS Hệ thống dự báo tổ hợp Bắc Mỹ NCEP Trung tâm dự báo môi trường quốc gia của Mỹ nnk Những người khác NOGAPS Mô hình toàn cầu của Hải quân Mỹ (US Navy) NWP Dự báo thời tiết số trị O Giá trị quan trắc Oi Giá trị quan trắc thứ i POD Xác suất phát hiện PTNT Phát triển nông thôn RMSE Sai số quân phương SREPS Hệ thống dự báo tổ hợp thời tiết hạn ngắn. TBTH Trung bình tổ hợp TT DBKTTVQG Trung Tâm Dự Báo Khí tượng Thủy văn quốc gia KH KTTV&BĐKH Khoa học khí tượng thủy văn và Biến đổi khí hậu WRF Mô hình nghiên cứu và dự báo thời tiết WRFARW Mô hình nghiên cứu và dự báo thời tiết phiên bản ARW XTNĐ Xoáy thuận nhiệt đới xiii MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hệ thống sông Ba là một trong 9 hệ thống sông lớn ở Việt Nam, thuộc địa phận của 4 tỉnh: Gia Lai, Đăk Lăk, Phú Yên và một phần nhỏ thuộc Kon Tum, có vị trí địa lý và vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế - xã hội (KTXH) của quốc gia. Lưu vực có diện tích 13417 km2, mật độ lưới sông 0,22 km/km2, chiều dài bình quân lưu vực 396 km, chiều rộng bình quân 48,6 km. Địa hình lưu vực hẹp, dốc, chia cắt dẫn tới thời gian chảy truyền của dòng chảy lũ về hạ lưu không dài. Mặt khác, lưu vực sông Ba nằm ở 2 vùng khí hậu Tây Nguyên thuộc phía tây Trường Sơn và khí hậu nam trung bộ thuộc phía đông Trường Sơn, cũng tạo ra một chế độ lũ khác biệt so với các lưu vực khác. Theo số liệu thống kê, trong 20 năm gần đây, thiên tai lũ lụt xảy ra với số lượng và cường độ ngày càng nghiêm trọng hơn trên lưu vực sông Ba. Điển hình là vào năm 2017, mưa lớn tập trung trong thời gian ngắn đầu tháng 11 và 12 đã gây ra lũ đặc biệt lớn với đỉnh lũ ở các trạm trên hệ thống sông đều vượt báo động 3 (BĐ3) từ 0,17 - 1,0 m, gây ra thiệt hại nặng nề cho hạ lưu của các công trình thủy điện trên lưu vực. Hiện nay, trên lưu vực sông Ba đã xây dựng một hệ thống công trình thủy điện bậc thang, bao gồm 04 công trình thủy điện trên dòng chính là An Khê - Kanak, sông Ba Thượng, sông Ba Hạ và các công trình thủy điện trên dòng nhánh gồm Sông Hinh, EaKrong Hnăng, AYun thượng 1, AYun thượng 2, Đaksrong, H’Chan, H’Mun, Đăk Sông ….Việc xây dựng các hồ chứa thủy điện nhằm phát triển kinh tế xã hội cho các tỉnh Miền Trung, Tây Nguyên. Tuy nhiên, do tính bất định của mưa, lũ ngày càng lớn, thêm vào đó việc dự báo mưa, lũ gặp khó khăn do mạng lưới trạm quan trắc khí tượng, thủy văn không đủ dày, công cụ dự báo chưa đủ mạnh, trong khi thời gian xảy ra lũ ngắn làm cho việc vận hành hệ thống liên hồ gặp nhiều khó khăn và trong thực tế đã gây ra lũ, ngập lụt phía hạ du, ảnh hưởng trực tiếp tới dân sinh, kinh tế trên lưu vực. Trong 04 năm từ năm 2014 đến năm 2018, Chính phủ đã ban hành 02 quyết định về việc vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Ba. Cụ thể ngày 18 tháng 7 năm 2018, Thủ tướng Chính phủ đã ban hanh Quyết định 878/QĐ-TTG thay thế Quyết định 1077/QĐ- 1 TTg ngày 07 tháng 7 năm 2014, điều này cho thấy quy trình liên hồ đã hoàn thiện, đáp ứng được công tác chỉ đạo điều hành, vận hành các hồ trong chuỗi liên hồ chứa trên sông Ba. Công tác dự báo lũ đến hồ với thời gian dự kiến dài hơn là một việc quan trọng, phục vụ việc vận hành các hồ theo đúng quy trình vận hành liên hồ chứa và cho phép điều chỉnh linh hoạt khi việc dự báo mưa, lũ có thời gian dự kiến dài hơn. Hiện tại trên lưu vực sông Ba có 5 hồ chứa lớn Ayun Hạ, An Khê - Ka Nak, Krông HNăng, Sông Hinh và Ba Hạ với tổng dung tích phòng lũ của các hồ là 260,5*106 m3. Tổng dung tích phòng lũ của các hồ là rất nhỏ so với tổng lượng lũ 5 ngày lớn nhất đã xảy ra tại Củng Sơn là 2.507,3*106 m3 [27], do đó nếu dự báo được chính xác lượng mưa và dòng chảy lũ đến hồ với thời đoạn dài hơn sẽ tạo điều kiện cho các chủ hồ vận hành chủ động, tránh được hiện tượng “Xả sốc” xuống hạ du (lưu lượng xả tăng đột ngột từ 0 m3 đến giá trị lưu lượng lớn nhất đến hồ), gây ngập lụt và thiệt hại về người và tài sản cho hạ du. Việc dự báo mưa, lũ chính xác với thời gian dự kiến dài hơn, sẽ tạo điều kiện vận hành hệ thống hồ chứa lớn trên lưu vực một cách chủ động và hiệu quả. Vì vậy, việc “Nghiên cứu nâng cao chất lượng dự báo mưa, lũ phục vụ vận hành các hồ chứa trên lưu vực sông Ba” là cần thiết và cấp bách nhằm đưa ra được luận cứ khoa học, phương pháp nâng cao chất lượng dự báo mưa, lũ trung hạn để chủ động vận hành các hồ chứa theo đúng quy trình liên hồ trên lưu vực sông Ba. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Nâng cao độ chính xác dự báo mưa, dòng chảy lũ trung hạn đến hồ chứa lớn trên lưu vực sông Ba, chủ động vận hành tốt các hồ chứa trên lưu vực theo quy trình vận hành liên hồ, đảm bảo nhiệm vụ chống lũ cho hạ du, phát điện và hạn chế đến mức thấp nhất thiệt hại do lũ gây ra trên toàn hệ thống thì mục tiêu nghiên cứu của luận án như sau: Nghiên cứu, lựa chọn và sử dụng mô hình số trị phù hợp để dự báo mưa với thời gian dự kiến từ 72 đến 120 giờ. Nghiên cứu, lựa chọn và sử dụng mô hình thủy văn phù hợp để dự báo lũ đến các hồ chứa trên lưu vực sông Ba phục vụ điều hành hệ thống liên hồ theo Quyết định 878/QĐTTg ngày 18 tháng 7 năm 2018 của Thủ tướng Chính phủ. 2 3. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu Về không gian: Nghiên cứu dự báo dòng chảy lũ đến 04 hồ chứa trên lưu vực sông Ba có dung tích trên 100 triệu m3 bao gồm hồ Sông Hinh, Krông H’năng, Ayun Hạ và An Khê. Về thời gian: Tăng thời gian dự kiến của dự báo từ 24 - 48 giờ hiện nay lên 72 đến 120 giờ. Đối tượng nghiên cứu: Các yếu tố mưa sinh lũ và dòng chảy lũ đến 04 hồ chứa lớn thuộc lưu vực sông Ba. 4. Phương pháp nghiên cứu Cách tiếp cận Ở khu vực nhiệt đới gió mùa như Việt Nam, dòng chảy sinh ra chủ yếu từ mưa. Nguyên nhân gây mưa là tổ hợp của nhiều hình thế thời tiết hoặc chỉ một hình thế thời tiết độc lập đơn lẻ, do vậy cách tiếp cận của nghiên cứu dựa vào nguyên lý “Nguyên nhân hình thành”, nghĩa là dòng chảy hình thành là do mưa, sau khi đã trừ các tổn thất. Mặt khác, sự hình thành dòng chảy trên lưu vực không chỉ phụ thuộc vào yếu tố mưa, mà còn chịu ảnh hưởng của các yếu tố khác như điều kiện địa hình, địa chất, thổ nhưỡng, lớp phủ v.v… Do vậy khi dự báo dòng chảy phải xem xét tới vai trò ảnh hưởng của các yếu tố trên. Phương pháp nghiên cứu và công cụ tính toán Phương pháp kế thừa: Luận án kế thừa một số kết quả nghiên cứu trước đây từ các đề tài, dự án có liên quan đến nội dung nghiên cứu của luận án. Trong đó, chủ yếu là kết quả thu thập số liệu khí tượng, thủy văn, hồ chứa trên lưu vực sông Ba. Phương pháp thống kê xác suất: Sử dụng để phân tích tần suất mưa, dòng chảy và sai số giữa giá trị dự báo mưa, lũ và giá trị quan trắc trên lưu vực sông Ba. Phương pháp phân tích tổng hợp: Được sử dụng để đánh giá, so sánh từ các phương án dự báo mưa, lũ trên lưu vực sông Ba. Phương pháp mô hình toán: Luận án xây dựng mô hình khí tượng số trị, thủy văn cho lưu vực sông Ba. Cụ thể: 3 Nghiên cứu dự báo mưa: Nghiên cứu sinh đã lựa chọn sử dụng kết hợp mô hình số trị dự báo thời tiết IFS của Trung tâm Dự báo thời tiết hạn vừa Châu Âu và mô hình WRFARW của Mỹ để dự báo định lượng mưa trên lưu vực. Với kết hợp này, người dự báo có thể linh hoạt đưa ra giá trị dự báo định lượng mưa với độ phân giải chi tiết hơn trên toàn lưu vực nghiên cứu và tùy vào tình hình thời tiết trên lưu vực để đưa ra được định dạng, độ phân giải số liệu dự báo mưa định lượng cho các tiểu lưu vực trên sông Ba. Nghiên cứu dự báo lũ: Nghiên cứu sinh sử dụng 2 mô hình MIKE - NAM và mô hình HEC-HMS là các mô hình dễ sử dụng và đang được dùng phổ biến trong công tác tính toán dòng chảy ở Việt Nam. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học Đã xác định được cơ sở khoa học nghiên cứu, kiểm chứng, lựa chọn và ứng dụng mô hình số trị IFS và WRFARW để dự báo định lượng mưa có độ phân giải từ (14x14) km đến độ phân giải (5x5) km trên lưu vực sông Ba. Đây là bộ công cụ dự báo mưa hiện đại, có tính ưu việt cao, phù hợp với lưu vực, giúp nâng cao độ chính xác của kết quả dự báo và mở rộng được thời gian dự kiến từ 48 giờ hiện tại lên tới từ 72 giờ đến 120 giờ. Đã ứng dụng bộ mô hình thủy văn MIKE-NAM và HEC-HMS, có kiểm định, kết hợp với các phân tích, hiệu chỉnh các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành dòng chảy trên lưu vực như các yếu tố địa hình, địa chất, thổ nhưỡng và lớp phủ để dự báo định lượng dòng chảy đến hồ phục vụ điều hành các hồ chứa, phòng tránh ngập lụt cho hạ du lưu vực sông Ba. Ý nghĩa thực tiễn Các kết quả nghiên cứu của luận án có thể sử dụng trong nghiệp vụ nhằm nâng cao độ chính xác dự báo, kéo dài thời gian dự kiến từ 48 giờ hiện tại lên tới từ 72 giờ đến 120 giờ và tăng độ phân giải trong dự báo mưa là những mục tiêu cần đạt được trong hoạt động dự báo nghiệp vụ trên lưu vực nghiên cứu hiện nay; Xây dựng được bộ công cụ dự báo lũ với độ chính xác cao và thời gian mở rộng hơn từ 48 giờ trước đây lên tới 120 giờ, giúp cho việc điều hành các hồ chứa linh hoạt hơn, có 4 thêm nhiều lựa chọn đạt được hiệu quả cao nhất, đảm bảo an toàn hồ chứa và giảm thiểu lũ, ngập lụt cho vùng hạ du. Phương pháp dự báo mưa, lũ trung hạn cho lưu vực sông Ba có thể dùng là tài liệu học tập cho sinh viên và tài liệu tham khảo cho các NCS và học viên cao học. 6. Những đóng góp mới của luận án Nghiên cứu xây dựng được cơ sở khoa học lựa chọn mô hình số trị IFS và WRFARW để dự báo định lượng mưa kéo dài thời gian dự kiến từ 48 giờ hiện tại lên tới từ 72 giờ đến 120 giờ có độ phân giải từ (14x14) km đến độ phân giải (5x5) km trên lưu vực sông Ba và bộ mô hình thủy văn MIKE-NAM và HEC-HMS để dự báo trước dòng chảy tới hồ trước từ 03 đến 05 ngày. Ứng dụng thành công bộ mô hình mưa số trị và bộ mô hình thủy văn để thử nghiệm dự báo dòng chảy lũ tới 04 hồ trên lưu vực, phục vụ công tác điều hành các hồ chứa lưu vực sông Ba. 7. Kết cấu của luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục tài liệu tham khảo, các phụ lục, luận án được kết cấu thành 03 chương: Chương 1: Tổng quan nghiên cứu dự báo mưa và dự báo lũ hạn vừa. Chương 2: Xây dựng cơ sở khoa học dự báo mưa và dự báo lũ hạn vừa cho lưu vực sông Ba. Chương 3: Kết quả nghiên cứu mưa, lũ cho lưu vực sông Ba và thảo luận. 5