Tài liệu So sánh lựa chọn mô hình thích hợp để mô phỏng chế độ thủy văn lưu vực sông vu gia thu bồn

MỤC LỤC TÓM TẮT LUẬN VĂN ................................................................................................. i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .............................................ii DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................... iii DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................... iii LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... vi MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài............................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài .................................................................................... 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 2 4. Phạm vi nghiên cứu của đề tài ..................................................................................... 2 5. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................... 2 6. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................. 2 7. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ......................................................................................... 3 8. Bố cục của luận văn ..................................................................................................... 3 Chương 1. KHÁI QUÁT VỀ MÔ HÌNH VÀ VAI TRÒ CỦA MÔ HÌNH TRONG NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ THỦY VĂN LƯU VỰC .................................................... 4 1.1. Định nghĩa mô hình .................................................................................................. 4 1.2. Dữ liệu cần thiết cho mô hình .................................................................................. 7 1.3. Vai trò của mô hình trong nghiên cứu chế độ thủy văn lưu vực .............................. 8 1.4. Phân loại mô hình ..................................................................................................... 8 1.4.1. Mô hình thực nghiệm ............................................................................................ 9 1.4.2. Mô hình tượng trưng ............................................................................................. 9 Chương 2. PHÂN TÍCH LỰA CHỌN MÔ HÌNH THỦY VĂN CHO LƯU VỰC ....................................................................................................................................... 12 2.1. Các loại mô hình thủy văn trên thị trường.............................................................. 12 2.1.1. Mô hình MIKE-NAM.......................................................................................... 12 2.1.2. Mô hình HEC- HMS ........................................................................................... 15 2.1.3. Mô hình SWAT ................................................................................................... 19 2.1.4. Mô hình MIKE-SHE ........................................................................................... 22 2.2. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG CỦA bốn mô hình .......................................................... 24 2.2.1. Mô hình HEC-HMS ............................................................................................ 25 2.2.2. Mô hình MIKE-NAM.......................................................................................... 25 2.2.3. Mô hình SWAT ................................................................................................... 26 2.2.4. Mô hình MIKE-SHE ........................................................................................... 27 2.3. Các tiêu chí cơ bản để lựa chọn mô hình thủy văn cho lưu vực ............................ 29 Chương 3. LƯU VỰC SÔNG VU GIA - THU BỒN ................................................ 31 3.1. Tổng quan về lưu vực ............................................................................................. 32 3.2. Đặc điểm tự nhiên và khí tượng thủy văn .............................................................. 33 3.2.1. Đặc điểm địa hình ................................................................................................ 33 3.2.2. Đặc điểm sông ngòi ............................................................................................. 33 3.2.3. Đặc điểm địa chất, thổ nhưỡng ............................................................................ 34 3.2.4. Đặc điểm khí hậu ................................................................................................. 34 3.2.5. Đặc điểm thủy văn ............................................................................................... 36 3.3. đặc điểm Thiên tai trên lưu vực .............................................................................. 39 3.3.1. Tổng quan về thiên tai ở Quảng Nam ................................................................. 39 3.3.2. Đặc điểm thiên tai lũ và ngập lụt ở Quảng Nam ................................................. 40 3.3.3. Thiệt hại do hạn hán của ở Quảng Nam .............................................................. 40 3.4. Thực trạng dữ liệu cho nghiên cứu và mô phỏng chế độ thủy văn ........................ 41 3.4.1. Địa hình và mạng lưới sông ................................................................................ 41 3.4.2. Sử dụng đất và bản đồ đất ................................................................................... 42 3.4.3. Nước ngầm .......................................................................................................... 43 3.4.4. Dữ liệu thủy văn .................................................................................................. 43 3.4.5. Kết luận................................................................................................................ 44 Chương 4. SO SÁNH MỘT VÀI MÔ HÌNH THỦY VĂN THÔNG DỤNG VÀ ÁP DỤNG MÔ HÌNH MIKE-SHE CHO NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ THỦY VĂN LƯU VỰC SÔNG VU GIA - THU BỒN ............................................................................. 45 4.1. So sánh lựa chọn mô hình....................................................................................... 45 4.1.1. So sánh về lý thuyết mô hình .............................................................................. 45 4.1.2. So sánh về kết quả mô phỏng .............................................................................. 46 4.2 Áp dụng mô hình MIKE-SHE ................................................................................. 48 4.2.1. Thiết lập mô hình MIKE-SHE ............................................................................ 48 4.2.2. Hiệu chỉnh mô hình ............................................................................................. 52 4.2.3. Kiểm định mô hình .............................................................................................. 53 4.2.4. Nhận xét kết quả hiệu chỉnh và kiểm định .......................................................... 55 4.2.5. Dòng chảy ngầm .................................................................................................. 55 4.2.6. Đánh giá tác động của biến đổi khí hậu .............................................................. 59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 63 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................... 65 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (BẢN SAO) i TÓM TẮT LUẬN VĂN SO SÁNH LỰA CHỌN MÔ HÌNH THÍCH HỢP ĐỂ MÔ PHỎNG CHẾ ĐỘ THỦY VĂN LƯU VỰC SÔNG VU GIA-THU BỒN Học viên thực hiện: Lê Văn Quế. Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy Mã số: 60.58.02.02 Khóa học : 2015÷2017. Trường Đại học Bách Khoa - Đà Nẵng Tóm tắt - Nước được xem là yếu tố sống còn của cuộc sống. Nó luôn đóng một vai trò hết sức quan trọng trong sự hình thành và phát triển của xã hội loài người. Tuy nhiên việc phân bố không đồng đều của tài nguyên nước dẫn đến nhiều tác động tiêu cực tới sự sinh tồn cũng như là các hoạt động kinh tế xã hội của con người. Hệ thống Sông Vu Gia-Thu Bồ n là lưu vực lớn ở vùng Duyên hải Trung Trung Bô ̣. Toàn bô ̣ lưu vực có diê ̣n tić h lưu vực 10.350 km2. Với mục đích lựa chọn một mô hình thích hợp làm công cụ mô phỏng hiệu quả chế độ thủy văn của lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn, để từ đó đưa ra các giải pháp thích ứng phù hợp, giúp giảm thiểu thiệt hại do thiên tai và biến đổi khí hậu gây ra. Tác giả đã tiến hành so sánh về mặt lý thuyết cũng như ứng dụng bốn mô hình thủy văn phổ biến hiện nay: HECHMS, MIKE-NAM, SWAT, MIKE-SHE đại diện cho ba dạng mô hình cơ bản: tập trung, bán phân bố và phân bố. So sánh đã chỉ ra rằng, với kích thước lớn, địa hình phức tạp, tình hình thổ nhưỡng, cây trồng thay đổi nhiều trong lưu vực và nhất là mật độ trạm đo mưa, dòng chảy còn rất thưa, nên cả về mặt lý thuyết và về mặt áp dụng đều đưa ra khuyến nghị sử dụng mô hình thủy văn phân bố tất định MIKE-SHE để mô phỏng chế độ thủy văn của lưu vực sông Vu Gia Thu Bồn là thích hợp nhất. Từ khóa: Vu Gia-Thu Bồn; So sánh mô hình thủy văn; Tiêu chuẩn lựa chọn mô hình thủy văn; Mô hình thủy văn thích hợp cho Vu Gia-Thu Bồn; Bốn mô hình thủy văn phổ biến hiện nay. Abstract- Water is considered a vital element of life. It always plays a very important role in the formation and development of human society. However, the uneven distribution of water resources leads to many negative impacts on human survival as well as on socioeconomic activities. Vu Gia - Thu Bon River system is a large catchment in the Central Coast. The entire catchment has a basin area of 10.350 km2. For the purpose of selecting a suitable model as a tool for efficient hydrological simulation of the Vu Gia Thu Bon River basin, in order to develop appropriate adaptation measures to minimize damage caused by natural disasters. Ear and climate change cause. HEC-HMS, MIKE-NAM, SWAT, MIKE-SHE represent the three basic models of focus: the focus , Distribution and distribution. Comparison showed that, with large size, complicated terrain, soil condition, crop changes much in the basin and especially the density of rain gauge station, the flow is very sparse, so physically In theory and application, it is recommended to use the MIKE-SHE determinate hydrographic distribution model to simulate hydrological regime of Vu Gia-Thu Bon river basin. Keywords: Vu Gia-Thu Bon; Comparison of hydrological models; Standard selection of hydrological model; Hydrographic model suitable for Vu Gia-Thu Bon; Four current hydrological models. ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ANN ARS ASTER CREAMS DEM DHI E GCM GIS HBV HEC HEC - HMS LTANK METI MIKE11 MIKE SHE NAM NASA R RMSE ROTO SCS SSARR SWAT SWRRB TANK TBNN TOPMODEL USDA USGS WMO XINANJIANG : Mạng lưới thần kinh nhân tạo : Trung tâm phục vụ Nghiên cứu Nông Nghiệp Hòa Kỳ. : Chiếu phản xạ không gian nâng cao : Mô hình thủy văn mưa ngày. : Mô hình cao độ số : Viện thủy lực Đan Mạch : Hệ số Nash : Mô hình khí hậu toàn cầu. : Hệ thống thông tin địa lý : Mô hình dòng chảy bán phân bố : Trung tâm thủy văn công trình quân đội Mỹ. : Mô hình mưa hiệu quả-dòng chảy trực tiếp. : Mô hình bể chứa tuyến tính : Thương mại và Công nghiệp của Nhật Bản : Mô hình thủy lực 1 chiều thuộc bộ mô hình MIKE. : Mô hình mưa - dòng chảy (DHI) : Mô hình mưa rào – dòng chảy (DHI) : Cơ quan Hàng không và Không gian Quốc gia Hoa Kỳ : Hệ số tương quan : Sai số căn bình phương trung bình. : Mô đun đánh giá tác động của quản lý tài nguyên nước. : Cơ quan bảo vệ thổ nhưỡng Hoa Kỳ. : Mô hình tổng hợp dòng chảy từ mưa và điều tiết hồ chứa : Mô hình quản lý tổng hợp lưu vực. : Mô hình tính toán tài nguyên nước trong lưu vực : Mô hình bề chứa theo hai phương ngang và đứng. : Trung bình nhiều năm : Mô hình mưa nhận thức – dòng chảy. : Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ. : Cơ quan khoa học của chính phủ Hoa Kỳ. : Tổ chức khí tượng thế giới : Mô hình thủy văn iii DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5a 2.5b 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 Tên bảng Trang Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình HEC-HMS Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE-NAM Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình SWAT Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE-SHE Tiêu chuẩn lựa chọn mô hình do WMO đưa ra Tiêu chuẩn lựa chọn mô hình do WMO đưa ra Kết quả tính tần suất dòng chảy năm tại các Trạm trong lưu vực Nguồn nước các sông trong lưu vực Tần suất lưu lượng đỉnh lũ lớn nhất các Trạm thủy văn Đỉnh lũ lớn nhất đã quan trắc được tại các Trạm thủy văn Dòng chảy kiệt nhỏ nhất các Trạm trong vùng nghiên cứu Mức độ ảnh hưởng của thiên tai Tỷ lệ sử dụng đất tại lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn Tỷ lệ các loại đất tại lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn Các tham số hiệu chỉnh chính của 4 mô hình So sánh lưu lượng đỉnh lũ của bốn mô hình Lưu lượng đỉnh lũ (m3/s) Lưu lượng đỉnh lũ (m3/s) Các chỉ số thống kê của bốn mô hình Các chỉ số của mô hình Mike She sau khi hiệu chỉnh Các chỉ số của mô hình Mike She sau khi kiểm định 25 26 27 28 29 30 37 38 38 38 39 39 42 43 46 47 47 52 54 iv DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình 1.1 1.2 1.3 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 4.1 Tên hình Trang Lưu vực sông như một hệ thống thủy văn Sơ đồ mô hình hóa quá trình thuỷ văn cho lưu vực. Phân loại mô hình thuỷ văn Sơ đồ cấu trúc của mô hình MIKE-NAM Biểu đồ mưa Cấu trúc tổng quát của mô hình SWAT Các quá trình trong dòng chảy được mô phỏng bởi SWAT Sơ đồ chu trình thủy văn trong pha đất Cấu trúc tổng quát của mô hình MIKE-SHE Kết quả mô phỏng của HEC-HMS cho trạm Nông Sơn và Thành Mỹ Kết quả kiểm định của MIKE-NAM tại Nông Sơn và Thành Mỹ Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định SWAT tại Nông Sơn và Thạnh Mỹ. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định MIKE-SHE tại Nông Sơn và Thạnh Mỹ. Bản đồ lưu vực Vu Gia – Thu Bồn Bản đồ mạng lưới sông trên lưu vực sông Thu Bồn – Vu Gia Bản đồ độ cao lưu vực Vu Gia- Thu Bồn độ phân giải 15m Bản đồ sử dụng đất tại lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn Bản đồ đất cung cấp bởi dự án VIE-08-P1 Mạng lưới sông ngòi và trạm khí tượng thuỷ văn lưu vực Vu Gia - Thu Bồn Các thành phần chính được thiết lập trong mô hình MIKE-SHE 5 6 9 13 17 20 21 21 23 25 26 27 28 32 34 41 42 43 44 48 v Số hiệu hình 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 Tên hình Phạm vi mô phỏng của mô hình MIKE-SHE cho lưu vực Vu Gia-Thu Bồn Bản đồ độ cao số (DEM) của Vu Gia-Thu Bồn (nguồn NASA) Bản đồ sử dụng đất của lưu vực Vu Gia-Thu Bồn (nguồn LUCCI) Bản đổ các loại đất của lưu vực Vu Gia-Thu Bồn (nguồn VIE 08-P1) Mạng lưới sông của lưu vực Vu Gia-Thu Bồn (nguồn VIE-08-P1) Kết quả hiệu chỉnh của MIKE-SHE cho lưu lượng tại Nông Sơn. Kết quả hiệu chỉnh của MIKE-SHE cho mực nước tại Nông Sơn Kết quả hiệu chỉnh của MIKE-SHE cho mực nước tại Hiệp Đức. Kết quả kiểm định của MIKE-SHE cho lưu lượng tại Thành Mỹ. Kết quả kiểm định của MIKE-SHE cho mực nước tại Thành Mỹ. Kết quả kiểm định của MIKE-SHE cho lưu lượng tại Nông Sơn. Kết quả kiểm định của MIKE-SHE cho mực nước tại Nông Sơn. Kết quả kiểm định của MIKE-SHE cho mực nước tại Hiệp Đức. Bảng đồ các vị trí trích xuất nước ngầm tại lưu vực Vu Gia-Thu Bồn Diễn biến mực nước ngầm tại vị trí 57 trên lưu vực Vu Gia-Thu Bồn. Diễn biến mực nước ngầm tại vị trí 78 trên lưu vực Vu Gia-Thu Bồn. Trang 49 50 50 51 51 53 53 53 54 54 54 55 55 56 57 57 vi Số hiệu hình 4.18 4.19 4.20 4.21 4.22 4.23 4.24 4.25 4.26 4.27 Tên hình Diễn biến mực nước ngầm tại vị trí 87 trên lưu vực Vu Gia-Thu Bồn. Diễn biến mực nước ngầm tại vị trí 91 trên lưu vực Vu Gia-Thu Bồn. Diễn biến mực nước ngầm tại vị trí 96 trên lưu vực Vu Gia-Thu Bồn. Diễn biến mực nước ngầm tại vị trí 97 trên lưu vực Vu Gia-Thu Bồn. Diễn biến mực nước ngầm tại vị trí 99 trên lưu vực Vu Gia-Thu Bồn. Diễn biến mực nước ngầm tại vị trí 136 trên lưu vực Vu Gia-Thu Bồn. Dòng chảy trung bình tháng tại trạm Nông Sơn Dòng chảy trung bình tháng tại trạm Thành Mỹ Tổng lượng dòng chảy trung bình tháng tại trạm Nông Sơn Tổng lượng dòng chảy trung bình tháng tại trạm Thành Mỹ Trang 57 58 58 58 59 59 60 61 61 61 vii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Luận văn Lê Văn Quế 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Nước được xem là yếu tố sống còn của cuộc sống. Do đó, nó luôn đóng một vai trò hết sức quan trọng trong sự hình thành và phát triển của xã hội loài người. Tuy nhiên, sự phân bố yếu tố sống còn này không được đồng đều theo không gian và thời gian, có những khu vực rất dồi dào về loại tài nguyên này, nhưng cũng có rất nhiều khu vực lại không có, ví như ở Việt Nam, tổng lượng dòng chảy năm của sông Mê Kông bằng khoảng 500 km3, chiếm tới 59% tổng lượng dòng chảy năm của các sông trong cả nước, sau đó đến hệ thống sông Hồng 126,5 km3 (14,9%), hệ thống sông Đồng Nai 36,3 km3 (4,3%), sông Mã, Cả, Thu Bồn có tổng lượng dòng chảy xấp xỉ nhau, khoảng trên dưới 20 km3 (2,3 - 2,6%), các hệ thống sông Kỳ Cùng, Thái Bình và sông Ba cũng xấp xỉ nhau, khoảng 9 km3 (1%), các sông còn lại là 94,5 km3 (11,1%) [15]. Do tính chất quan trọng của tài nguyên nước nên sự phân bố không đồng đều theo không gian dẫn tới những mâu thuẫn và tranh chấp khốc liệt giữa các địa phương, quốc gia với nhau. Về mặt thời gian, việc phân bố không đồng đều của loại tài nguyên này dẫn đến nhiều tác động tiêu cực tới sự sinh tồn cũng như là các hoạt động kinh tế xã hội của con người. Hàng năm, các loại hình thiên tai tự nhiên liên quan tới sự phân bố không đồng đều của nước theo thời gian như lũ lụt, hạn hán…đã gây ra nhiều thiệt hại to lớn về người và của. Theo thống kê năm 2013 thì những thiên tai như lũ lụt, hạn hán… hàng năm gây thiệt hại khoảng 30.000 tỷ đồng, số người bị chết và mất tích khoảng 313 người, số người bị thương là 1.150 người [15], ngoài ra cũng gây những hệ lụy lâu dài khác. Thêm vào đó, trong những năm gần đây, dưới tác động của hiện tượng biến đổi khí hậu, thiệt hại do thiên tai lũ lụt và hạn hán ngày một tăng và khốc liệt hơn. Đứng trước yêu cầu của thực tiễn, việc tìm hiểu quá trình thủy văn của lưu vực để từ đó đề xuất những biện pháp đối phó được xem là một chìa khóa quan trọng hàng đầu để giảm thiểu tác động của thiên tai đến cuộc sống dân cư. Vấn đề này đã được tiến hành từ rất lâu, tuy nhiên ngày nay dưới sự phát triển mạnh mẽ của toán học cũng như sự hỗ trợ tích cực của công cụ máy tính, việc nghiên cứu chế độ thủy văn của lưu vực ngày càng trở nên dễ dàng và chính xác hơn. Những tiến bộ này giúp cho các nhà nghiên cứu thủy văn có những cái nhìn chi tiết và đầy đủ hơn về quá trình thủy văn lưu vực để từ đó đưa ra những quyết định, những chính sách đúng đắn đóng góp tích cực cho công tác phòng chống giảm nhẹ thiệt hại do thiên tai gây ra. Vu Gia-Thu Bồn là một lưu vực sông lớn của khu vực miền Trung. Dòng chảy của Vu Gia-Thu Bồn có ảnh hưởng lớn đến sự phát triển kinh tế xã hội của địa 2 phương. Bên cạnh những mặt tích cực thì thiên tai lũ lụt xuất phát từ Vu Gia - Thu Bồn, hàng năm cũng gây ra rất nhiều thiệt hại về người và của. Hậu quả của những thiên tai này được cho là sẽ phức tạp và nghiêm trọng hơn trong tương lai dưới tác động của hiện tượng nóng lên toàn cầu. Do đó thật sự cần thiết có một nghiên cứu tổng thể về các diễn biến thủy văn của lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn để từ đó đưa ra các giải pháp thích ứng phù hợp, giúp giảm thiểu thiệt hại do thiên tai và biến đổi khí hậu gây ra. Với mục đích lựa chọn một mô hình thích hợp làm công cụ mô phỏng hiệu quả chế độ thủy văn của lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn, nghiên cứu này tiến hành so sánh các mô hình thủy văn hiện có, đặc trưng cho 3 loại hình thủy văn tiêu biểu là phân bố, bán phân bố và tập trung. Kết quả so sánh hy vọng cung cấp một cái nhìn tổng quan về các loại mô hình cũng như cung cấp cho các nhà mô phỏng những điểm mạnh, yếu khác nhau của từng loại mô hình ứng với lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài So sánh ưu nhược điểm của các loại mô hình thủy văn làm căn cứ giúp các nhà nghiên cứu lựa chọn mô hình thủy văn một cách hiệu quả, phù hợp với điều kiện thực tế của lưu vực nghiên cứu; Phân tích độ nhạy các tham số mô hình, giúp cho việc xây dựng mô hình thủy văn nhanh chóng, thuận lợi hơn. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Các phần mềm thủy văn thông dụng trên thị trường hiện nay; Chế độ thủy văn tại lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn. 4. Phạm vi nghiên cứu của đề tài Nghiên cứu được thực hiện trên phạm vi lưu vực sông Vu Gia Thu Bồn, tỉnh Quảng Nam. 5. Nội dung nghiên cứu Đánh giá thực trạng dữ liệu dùng cho nghiên cứu chế độ thủy văn của lưu vực; So sánh ưu nhược điểm của các mô hình thủy văn phổ biến hiện nay; Áp dụng các mô hình thủy văn thông dụng trên thị trường hiện nay cho mô phỏng chế độ thủy văn của lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn; So sánh kết quả, phân tích để lựa chọn mô hình thủy văn thích hợp nhất cho lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn. 6. Phương pháp nghiên cứu Đề tài sẽ sử dụng các phương pháp nghiên cứu: 3 Phương pháp phân tích tài liệu; Phương pháp kế thừa các kết quả nghiên cứu liên quan; Phương pháp mô hình hóa; Phương pháp so sánh, phân tích kết quả. 7. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài So sánh tính ưu việt của các mô hình thủy văn hiện có, giúp các nhà mô phỏng, nghiên cứu có căn cứ lựa chọn mô hình hợp lý trong mô phỏng chế độ thủy văn của lưu vực; Dựa vào thực trạng dữ liệu hiện có của lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn, đề xuất mô hình thủy văn phù hợp nhất cho lưu vực này; Đánh giá độ nhạy của các thông số mô hình ứng với lưu vực Vu Gia - Thu Bồn, từ đó giúp việc xây dựng, hiệu chỉnh, kiểm định mô hình ở lưu vực này hiệu quả và nhanh chóng hơn. 8. Bố cục của luận văn Luận văn gồm phần Mở đầu, 04 chương, phần Kết luận và kiến nghị. Chương 1: Khái quát về mô hình và vai trò của mô hình trong nghiên cứu chế độ thủy văn lưu vực Chương 2: Phân tích lựa chọn mô hình thủy văn cho lưu vực. Chương 3: Lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn. Chương 4: So sánh một vài mô hình thủy văn thông dụng và áp dụng mô hình MIKE-SHE cho nghiên cứu chế độ thủy văn lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn. 4 Chương 1 KHÁI QUÁT VỀ MÔ HÌNH VÀ VAI TRÒ CỦA MÔ HÌNH TRONG NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ THỦY VĂN LƯU VỰC 1.1. ĐỊNH NGHĨA MÔ HÌNH Quá trình thủy văn có ý nghĩa vô cùng quan trọng với đời sống con người, quá trình này thể hiện gần như tất cả các diễn biến liên quan tới nguồn nước trên bề mặt trái đất. Quá trình thủy văn bao gồm rất nhiều thành phần phức tạp cũng như là sự tương tác giữa các thành phần này. Do đó rất khó để đưa ra các định nghĩa chính xác nhất cho quá trình này. Dựa trên các nghiên cứu hiện nay, các nhà nghiên cứu thủy văn đã đưa ra những khái niệm khái quát về quá trình thủy văn, theo đó có thể khái quát đơn giản thủy văn là một tập hợp các quá trình vật lý, hóa học và sinh học tác động lên các yếu tố đầu vào, chuyển đổi thành các yếu tố đầu ra [39]. Quá trình chuyển đổi diễn ra liên tục và có thể gọi là chu trình thuỷ văn, trong đó nước là thành tố chính của chu trình này. Do đặc trưng của quá trình thủy văn, bên cạnh những mặt tích cực, quá trình này có những tác động tiêu cực lên đời sống con người. Để giảm các tác động tiêu cực của hệ thống này, con người đã không ngừng nghiên cứu quá trình thủy văn để hiểu sâu hơn về hoạt động của nó và có thể đưa ra dự đoán tương đối. Tuy nhiên, với sự phức tạp của nó, cho đến nay, con người cũng chỉ khám phá ra một phần nhỏ của quá trình thủy văn. Ngày nay, với sự phát triển của các công cụ toán học và khoa học máy tính, mô hình được xem là công cụ hiệu quả để nghiên cứu những gì xảy ra trong các quá trình thủy văn và tác động của các yếu tố biến đổi khí hậu lên hệ thống thủy văn [38]. Mô hình là một công cụ dùng để tái hiện các hiện tượng tự nhiên, giúp nghiên cứu các quá trình này đơn giản và hiệu quả hơn, theo đó có thể có mô hình vật lý, mô hình tương tự hoặc mô hình toán học. Brooks [16] thể hiện rằng các mô hình thuỷ văn, là đại diện đơn giản hóa của các hệ thống thuỷ văn thực tế, cho phép dự đoán phản ứng thủy văn từ đó giúp nghiên cứu chức năng và tương tác của các yếu tố đầu vào khác nhau, từ đó hiểu rõ hơn về diễn biến của quá trình thủy văn trong lưu vực. Nói chung, mô hình hệ thống thuỷ văn có thể được giải thích như là một chức năng biến đổi các yếu tố đầu vào thành kết quả đầu ra. Kết quả mô hình có thể giúp chúng ta hiểu rõ hơn về các hiện tượng thuỷ văn đang hoạt động trong lưu vực và sự thay đổi lưu vực có thể ảnh hưởng đến những hiện tượng này. Hơn nữa, chúng giúp cho các nhà thủy văn học có bằng chứng khoa học để dự báo các kịch bản trong tương lai như biến đổi khí hậu hoặc thay đổi sử dụng đất cũng như đề xuất thiết kế xây dựng công trình trong lưu vực. Tuy nhiên, mô hình không thể diễn tả được tất cả các thành phần của hệ thống thuỷ 5 văn cũng như mối quan hệ giữa chúng. Nó chỉ có khả năng mô tả phác hoạ hệ thống này. Từ đó, Xu [39] đã định nghĩa mô hình thủy văn là đại diện đơn giản của một hệ thống phức tạp có nhiều biến ví dụ: Lượng mưa, thoát nước, thoát hơi nước, nhiệt độ, thấm, độ ẩm, ...Vì vậy, mô hình này chỉ đại diện cho một mô hình tương đương của hệ thống thực tế. Nó không thể truyền tải hoàn toàn được những điều xảy ra trong tự nhiên. Do hạn chế trong khả năng tính toán, chu trình thủy văn của lưu vực đầu nguồn được phân lập để nghiên cứu trong quy mô đầu nguồn. Công việc này giống như một trong những bước đơn giản hóa cơ bản khi làm gián đoạn sự liên tục không gian của hệ thống thủy văn. (Lượng mưa) Phân chia đầu nguồn ) (Bề mặt lưu vực) (Ranh giới hệ thống) (Dòng chảy) Hình 1.1: Lưu vực sông như một hệ thống thủy văn [19] Để hiểu được lưu vực sông cần thông qua địa hình hoặc nước ngầm như hình 1.1. Nó được định nghĩa như một khu vực địa hình góp phần vào dòng chảy bề mặt trong mạng lưới sông ngòi hoặc bất cứ điểm quan tâm nào [17, 19, 22, 24]. Do đó, khi nói về mô hình thủy văn, chúng ta ngụ ý rằng mô hình này mô phỏng quá trình thủy văn cho một khu vực nhỏ hoặc lưu vực. 6 Hình 1.2: Sơ đồ mô hình hóa quá trình thuỷ văn cho lưu vực. 7 Trong phạm vi lưu vực, mô hình thủy văn có thể được định nghĩa đơn giản hóa theo định luật bảo toàn [30], như sau: I = O + ΔS Trong đó: I = dòng chảy vào O = dòng chảy ra ΔS = lượng nước trữ lại Phương trình trên cho thấy trong một thời kỳ nhất định tại lưu vực, thì tổng lưu lượng vào một khu vực nhất định phải bằng tổng lượng dòng chảy ra từ khu vực cộng với sự thay đổi trong lưu trữ. Phương pháp luận cho việc áp dụng một mô hình để mô phỏng chu trình thủy văn lưu vực trong hầu hết các trường hợp đều được thể hiện như Hình 1.2. Phương pháp này được tóm tắt từ những nghiên cứu trước đây [32, 39, 40]. Theo sơ đồ này, định nghĩa vấn đề là bước đầu tiên và đóng một vai trò quan trọng trong nghiên cứu thủy văn. Bước này là để vạch ra các vấn đề tồn tại trong lưu vực. Từ đó, giúp cho nhà thủy văn chỉ ra các mục tiêu mô phỏng làm cơ sở cho việc lựa chọn mô hình và chuẩn bị dữ liệu. Do đó, bước này ảnh hưởng đến rất nhiều mô hình được lựa chọn, cũng quyết định cấu trúc mô hình. Yếu tố thứ hai ảnh hưởng đến việc lựa chọn mô hình là dữ liệu có sẵn. Nghĩa là cần phải có đầy đủ dữ liệu và thời lượng để phân tích và thiết kế các dự án thủy văn. 1.2. DỮ LIỆU CẦN THIẾT CHO MÔ HÌNH Dữ liệu cần thiết cho mô hình thủy văn bao gồm rất nhiều loại khác nhau và tùy thuộc vào mỗi mô hình. Mỗi mô hình thủy văn có yêu cầu về dữ liệu khác nhau và được định dạng theo quy định riêng của nó. Tuy nhiên về có bản các mô hình thủy văn thông thường có yêu cầu về một số loại dữ liệu chủ yếu, như sau: - Dữ liệu địa hình: Đây là kiểu dữ liệu không gian, nó cung cấp về cao độ số của lưu vực. Độ cao được xác định theo một trong các đơn vị như: meters, centimeters, yards, feet, inches. - Dữ liệu thổ nhưỡng: Bao gồm danh mục các loại đất trong bản đồ thổ nhưỡng cần phải được kết nối với cơ sở dữ liệu đất và được bổ sung các loại đất mới cùng với các thuộc tính của chúng. - Dữ liệu sử dụng đất: Bao gồm danh mục các loại hình sử dụng đất/thực phủ cần phải được phân loại lại theo các loại cây trồng/thực phủ quy định cho từng loại mô hình. - Dữ liệu về khí tượng: Mỗi mô hình thủy văn có yêu cầu về dữ liệu khí tượng 8 khác nhau và phụ thuộc vào mục đích sử dụng của mô hình đó. Về cơ bản dữ liệu khí tượng bao gồm: Lượng mưa (mm); Lượng bốc hơi tiềm năng (mm); Nhiệt độ (oC); Số giờ nắng; Tốc độ gió; Độ ẩm không khí… - Dữ liệu về thủy văn: Những mô hình thủy văn hiện nay thường cần một số dữ liệu về thủy văn cơ bản bao gồm: Lưu lượng (m3/s); Mực nước; Mực nước thủy triều…. - Biến động theo mùa của bảng nước ngầm hoặc đầu áp; - Cây trồng, hoa màu và sử tiêu hao; - Dữ liệu chất lượng nước của các dòng sông suối và nước ngầm; - Các nghiên cứu địa mạo về lưu vực, như diện tích, hình dạng và độ dốc của lưu vực, độ cao trung bình, nhiệt độ trung bình và các đặc điểm sinh lý khác của lưu vực; Mật độ dòng chảy và mật độ thoát nước; Bể chứa và hồ chứa. 1.3. VAI TRÒ CỦA MÔ HÌNH TRONG NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ THỦY VĂN LƯU VỰC Trong nghiên cứu thủy văn học nói chung việc nghiên cứu, khai thác các mô hình toán ngày càng đóng một vai trò vô cùng quan trọng. Đặc biệt hiện nay, khi mà các hoạt động dân sinh kinh tế đang có những tác động mạnh mẽ đến các lưu vực đầu nguồn thì việc nghiên cứu sự hình thành dòng chảy, mô phỏng những quá trình vật lý diễn ra trên các lưu vực trong điều kiện thiếu số liệu quan trắc sẽ cung cấp cho các nhà quản lý, các nhà hoạch định chính sách những thông tin vô cùng bổ ích nhằm đánh giá, quy hoạch, kiểm soát và hạn chế các thiệt hại do tai biến thiên nhiên như lũ lụt, xói lở, trượt đất, ô nhiễm nguồn nước… gây ra. Các mô hình toán thủy văn ngày càng tỏ ra có nhiều ứng dụng hiệu quả trong các lĩnh vực sản xuất và đời sống cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ máy tính và phương pháp tính, các mô hình ngày càng được hoàn thiện hơn và nâng cao độ chính xác, giải quyết có hiệu quả các bài toán về tính toán, dự báo, quy hoạch và quản lý tài nguyên nước có thể phân chúng thành hai lĩnh vực ứng dụng chính. Đó là ứng dụng trong dự báo tính toán thủy văn và trong tính toán thủy lực. 1.4. PHÂN LOẠI MÔ HÌNH Cho đến nay, nhiều mô hình thủy văn đã được phát triển dựa trên các lý thuyết khác nhau để mô phỏng hiện tượng thuỷ văn của lưu vực. Chúng đã góp phần đáng kể trong việc tìm hiểu thêm về hiện tượng thuỷ văn, cũng như dự báo kịch bản trong tương lai. Chúng cung cấp luận chứng hợp lý cho các nhà quy hoạch, chính quyền địa phương để đưa ra quyết định hợp lý trong quy hoạch quản lý nguồn nước cũng như là giảm nhẹ tác động của thảm họa thủy văn đối với con người. 9 Hình 1.3: Phân loại mô hình thuỷ văn [33] Khả năng và hạn chế của mỗi mô hình có thể được xác định dựa vào phân loại mô hình. Việc phân loại rõ ràng giúp cho nhà nghiên cứu hiểu rõ các đặc tính của mô hình trước khi quyết định sử dụng chúng theo mục đích của họ. Harun và Singh [23, 33] cho rằng mô hình thủy văn có thể được phân loại như Hình 1.3, theo đó: 1.4.1. Mô hình thực nghiệm Như định nghĩa của Chow [19] một mô hình thực nghiệm là cách sử dụng một hệ thống tương tự để đại diện cho hệ thống thực. Hệ thống này có những tính chất tương tự với thực tế, nhưng nó đơn giản hơn. Do đó không phản ánh đầy đủ về hiện tượng và về quy mô các qúa trình xảy ra trong thực tế. Chi phí mô hình thực nghiêm khá đắt và không thuận tiện cho xây dựng. Nhưng nó có thể được áp dụng để hỗ trợ các nhà nghiên cứu thay thế một hiện tượng trong một lĩnh vực mới hoặc để mô phỏng, kiểm định kết quả cho các nghiên cứu. 1.4.2. Mô hình tượng trưng Có rất nhiều định nghĩa liên quan đến sự khác biệt này, nhưng Xu [39] cho rằng mô hình tượng trưng là loại mô hình sử dụng các hệ thống tương tự để biểu diễn các 10 đặt tính của hệ thống cần mô phỏng. Singh [33] phân chia hệ thống này thành hai loại chính: Mô hình toán học và phi toán học. Tuy nhiên, trong lịch sử, loại mô hình này phần lớn chỉ xem xét trên phương diện toán học do đó khi nói đến mô hình tượng trưng, chúng ta có thể ngầm hiểu là mô hình toán học. Do đó, thể loại mô hình tượng trưng là khá phong phú. Để phân loại các mô hình này, người ta thường xét đến điểm tương đồng giữa chúng và cũng như các điểm khác nhau cơ bản. Theo đó các loại mô hình thủy văn có thế sắp xếp theo các dạng sau: a. Dựa vào phương pháp mô phỏng Dựa vào phương pháp mô phỏng quá trình thuỷ văn, mô hình thủy văn có thể được phân thành ba loại. Mô hình theo lối kinh nghiệm (mô hình kinh nghiệm) cũng được gọi là mô hình hộp đen mà chủ yếu là độc lập với quá trình vật lý. Nó hoàn toàn được xây dựng trên thí nghiệm hoặc quan sát đầu vào đầu ra [28]. Mô hình theo lối kinh nghiệm mô tả mối quan hệ giữa chuỗi thời gian đầu vào và đầu ra bằng cách sử dụng chức năng chuyển đổi giữa các yếu tố này. Mô hình lý thuyết (mô hình dựa trên mô hình vật lý) ngược lại có nguồn gốc từ các quy luật vật lý và các giả định. Loại mô hình này có một cấu trúc gần như tương tự với cấu tạo hệ thống thực [39]. Về lý thuyết, hầu hết các tham số mô hình có thể được đo lường trên thực tế. Hiện nay có nhiều loại mô hình được phát triển dưới dạng này như MIKE-SHE, SHETRAN, SWAT, TOPMODE. Mô hình khái niệm là loại mô hình trung gian giữa mô hình lý thuyết và mô hình kinh nghiệm. Nhìn chung, mô hình khái niệm cũng là một dạng mô hình vật lý nhưng mức độ đơn giản cao hơn [33]. Mô hình khái niệm đã được xây dựng và áp dụng (ví dụ như HYRROM, HBV, ...) trong thực tế do hiệu quả và tính đơn giản của nó. b. Dựa vào tính liên tục Trong thuật ngữ liên tục, có ít nhất hai ý nghĩa: Liên tục theo nghĩa hệ thống lý thuyết và liên tục trong ý nghĩa hồi quy thống kê [39]. Định nghĩa đầu tiên được sử dụng rộng rãi nhất trong lịch sử mô hình thủy văn. Trong các mô hình tuyến tính, có sự tương quan đơn giản giữa đầu vào và đầu ra. Ngược lại đối với mô hình phi tuyến tính, quan hệ này phức tạp hơn và không thể đảo ngược được khiến mô hình này khó nghiên cứu hơn. c. Dựa vào yếu tố thời gian Về đặc điểm thời gian, mô hình thuỷ văn cũng có thể được phân loại thành mô hình đặc trưng cho sự kiện và mô hình liên tục theo số lượng các sự kiện thủy văn được mô phỏng (hoặc chiều dài mô phỏng). Mô hình dựa vào đặc trưng cho sự kiện chỉ mô phỏng một hiện tượng cụ thể trong một khoảng thời gian ngắn (hàng giờ đồng 11 hồ cho đến vài ngày). Ngược lại, mô hình có thể được áp dụng để truyền tải một loạt các hiện tượng thủy văn (mô phỏng thời gian dài), được gọi là mô hình liên tục [23]. Rõ ràng, mô hình liên tục với nhiều đặc tính tốt hơn đã được sử dụng trong thực tế nhiều hơn mô hình dựa trên hiện tượng. Mô hình thủy văn có thể được chia thành hai loại do mối quan hệ giữa yếu tố đầu vào và đầu ra với thời gian, bao gồm mô hình bất biến theo thời gian và thay đổi theo thời gian. Một mô hình được gọi là mô hình bất biến thời gian nếu mối quan hệ đầu vào với đầu ra của nó không thay đổi theo thời gian. Ngược lại, nếu mối quan hệ này thay đổi theo thời gian thì đó là mô hình thay đổi theo thời gian. d. Dựa vào tính chất phân bố không gian Mô hình thủy văn có thể được tổ chức thành ba loại tùy các mức cụ thể khác nhau trong việc thể hiện không gian các đặc điểm lưu vực. Xét về không phân định không gian, có ba yếu tố không gian chính được sử dụng, đó là mô hình tập trung, bán phân bố và phân bố. Mô hình thể hiện một cách đơn giản các đặc điểm lưu vực theo không gian được gọi là mô hình gộp. Mô hình tập trung giả định rằng tất cả các đặc điểm là liên tục và đồng nhất trên lưu vực. Các tham số của mô hình tập trung thì được định nghĩa khá đơn giản và tính hiện thực không cao. Các thông số của mô hình tập trung không thể được xác định trực tiếp từ các đặc tính vật lý của lưu vực được xem xét. Chúng thường được xác định thông qua quá trình hiệu chỉnh mô hình [18, 25]. Ngược lại, mô hình phân bố được xây dựng nhằm phân chia lưu vực thành các phần tử đơn vị. Mỗi phần tử thể hiện gần như đầy đủ các đặc tính vật lý tại vị trí phần tử đại diện. Do đó, loại hình mô hình này thể hiện được bản chất vật lý của quá trình thủy văn lưu vực và kể đến tính chất phân bố không gian của các yếu tố cấu thành như loại đất, độ dốc và sử dụng đất [31, 35]. Về lý thuyết, các thông số của mô hình phân bố có thể được xây dựng trực tiếp dựa trên dữ liệu của lưu vực. Mô hình trung gian của hai loại mô hình trên đã được phát triển để hài hoà các ưu điểm và hạn chế những nhược điểm. Đây là mô hình bán phân bố. Loại mô hình này mô tả cấu trúc lưu vực chi tiết hơn mô hình tập trung nhưng mức độ không đạt như mô hình phân bố [20]. e. Dựa vào tính tất định của mô hình Dựa vào quan hệ giữa yếu tố mô hình và sự ngẫu nhiên, Chow [19] đã chia mô hình thủy văn thành hai dạng. Đầu tiên là mô hình tất định không bao gồm các yếu tố ngẫu nhiên. Thứ hai là mô hình ngẫu nhiên bao gồm các yếu tố ngẫu nhiên.