Tài liệu Xây dựng bộ công cụ dự báo tài nguyên nước mặt cho lưu vực sông ba

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI Chu Nguyễn Ngọc Sơn XÂY DỰNG BỘ CÔNG CỤ DỰ BÁO TÀI NGUYÊN NƯỚC MẶT CHO LƯU VỰC SÔNG BA LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI, NĂM 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI Chu Nguyễn Ngọc Sơn XÂY DỰNG BỘ CÔNG CỤ DỰ BÁO TÀI NGUYÊN NƯỚC MẶT CHO LƯU VỰC SÔNG BA Chuyên ngành: Thủy văn học Mã số: 60.44.02.25 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. TS. Lương Hữu Dũng 2. PGS. TS. Ngô Lê Long HÀ NỘI, NĂM 2018 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 văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận văn Chu Nguyễn Ngọc Sơn LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập và nghiên cứu, luận văn thạc sỹ “Xây dựng bộ công cụ dự báo tài nguyên nước mặt cho lưu vực sông Ba” đã hoàn thành. Luận văn được thực hiện với mục đích áp dụng phương pháp thống kê và phương pháp mô hình toán để lập cơ sở cho việc dự báo tài nguyên nước mặt trên lưu vực sông Ba. Để có được kết quả này, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn TS. Lương Hữu Dũng và PGS. TS. Ngô Lê Long đã tận tình chỉ dẫn và đóng góp ý kiến trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn Trung tâm nghiên cứu Thủy văn và Hải văn cũng như Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi Khí hậu, nơi tác giả công tác đã tạo mọi điều kiện để tác giả có thể hoàn thành luận văn. Xin trân trọng cám ơn toàn thể các thầy, cô tại phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học, Khoa Thủy văn và Tài nguyên nước đã giảng dạy cũng như đóng góp ý kiến cho tác giá trong thời gian học tập và thực hiện luận văn. Trong quá trình thực hiện luận văn, do kiến thức còn hạn chế do đó khó tránh khỏi được những sai sót. Vì vậy tác giả rất mong tiếp tục nhận được sự chỉ bảo, giúp đỡ của các thầy cô để hoàn thiện luận văn được hoàn thiện. MỤC LỤC MỤC LỤC ............................................................................................................. i DANH MỤC HÌNH ẢNH .................................................................................. iii DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................. v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................... ix MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ DỰ BÁO TÀI NGUYÊN NƯỚC MẶT ..... 4 1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới ............................................ 4 1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu ở Việt Nam ............................................ 7 1.3. Điều kiện địa lý tự nhiên lưu vực sông Ba ............................................... 10 1.3.1. Vị trí địa lý ........................................................................................ 10 1.3.2. Đặc điểm địa hình ............................................................................. 11 1.3.3. Mạng lưới sông ngòi ......................................................................... 12 1.3.4. Đặc điểm khí tượng thủy văn ............................................................ 14 1.4. Hệ thống hồ chứa trên lưu vực ................................................................. 26 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO TÀI NGUYÊN NƯỚC TRÊN LƯU VỰC SÔNG BA ................................................................................................. 28 2.1. Các phương pháp chung ........................................................................... 28 2.2. Sơ đồ khối phương pháp dự báo tài nguyên nước ................................... 28 2.3. Mô hình dự báo đặc trưng dòng chảy ...................................................... 30 2.3.1. Giới thiệu mô hình ANN ................................................................... 30 2.3.2. Giới thiệu về mô hình MIKE-NAM.................................................. 31 2.4. Mô hình diễn toán dòng chảy và vận hành hồ ......................................... 35 2.4.1. Giới thiệu mô hình MIKE 11 ............................................................ 35 2.4.2. Giới thiệu mô hình MIKE BASIN .................................................... 36 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH DỰ BÁO TÀI NGUYÊN NƯỚC MẶT LƯU VỰC SÔNG BA ....................................................................................... 38 3.1. Thiết lập mô hình ANN............................................................................ 38 3.1.1. Các bước chính trong xây dựng mô hình ANN ................................ 38 3.1.2. Dữ liệu đầu vào mô hình ................................................................... 39 3.1.3. Hiệu chỉnh kiểm định mô hình ANN tại trạm An Khê trên lưu vực sông Ba................................................................................................................. 40 3.2. Thiết lập mô hình thủy văn mô phỏng dòng chảy ................................... 44 i 3.2.1. Thiết lập mô hình MIKE – NAM cho lưu vực sông Ba ................... 44 3.2.2. Hiệu chỉnh kiểm định mô hình MIKE-NAM .................................... 46 3.3. Thiết lập mô hình MIKE Basin cho lưu vực sông Ba .............................. 51 3.3.1. Các bước tính toán và các thông tin số liệu sử dụng trong tính toán 51 3.3.2. Hiệu chỉnh kiểm định mô hình Mike Basin ...................................... 52 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ DỰ BÁO THỬ NGHIỆM ...................................... 54 4.1. Kết quả dự báo dòng chảy dài hạn ........................................................... 54 4.1.1. Tổng lượng dòng chảy tháng đến trạm An Khê ................................ 54 4.1.2. Tổng lượng dòng chảy tháng đến trạm Củng sơn ............................. 58 4.1.3. Đánh giá kết quả dự báo dòng chảy dài hạn ..................................... 62 4.2. Kết quả dự báo dòng chảy trung hạn 5 ngày ............................................ 63 4.2.1. Kết quả dự báo mùa cạn trượt 5, 10 ngày ......................................... 63 4.2.2. Kết quả dự báo mùa lũ trượt 5 ngày.................................................. 66 4.2.3. Đánh giá kết quả dự báo trung hạn ................................................... 72 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................... 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 88 ii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1-1. Bản đồ hành chính lưu vực sông Ba ................................................... 11 Hình 1-2. Bản đồ mạng lưới sông ngòi lưu vực sông Ba.................................... 13 Hình 1-3. Mạng lưới trạm KTTV lưu vực sông Ba ............................................ 21 Hình 2-1. Sơ đồ dự báo tài nguyên nước sông Ba .............................................. 30 Hình 2-2. Cấu tạo của mạng trí tuệ nhân tạo (Nguồn: http://www.pcworld.com.vn) ............................................................................................................................. 31 Hình 2-3. Cấu trúc mô hình NAM ...................................................................... 33 Hình 2-4. Khái niệm của MIKE BASIN về lập mô hình phân bổ nước ............. 37 Hình 3-1. Tương quan dòng chảy mùa lũ tại trạm An Khê từ mạng thần kinh ANN ............................................................................................................................. 41 Hình 3-2. Đường quá trình dòng chảy mùa lũ thực đo và tính toán tại trạm An Khê ............................................................................................................................. 41 Hình 3-3. Bảng tính tương quan giữa các nhân tố với dòng chảy mùa cạn đến trạm An Khê ................................................................................................................ 42 Hình 3-4. Tương quan dòng chảy mùa cạn trạm An Khê từ mạng thần kinh ANN ............................................................................................................................. 43 Hình 3-5. Đường quá trình dòng chảy mùa cạn thực đo và tính toán tại trạm An Khê ...................................................................................................................... 44 Hình 3-6. Sơ đồ phân chia các tiểu lưu vực trên lưu vực sông Ba ..................... 45 Hình 3-7. Kết quả hiệu chỉnh tại trạm An Khê ................................................... 46 Hình 3-8. Kết quả hiệu chỉnh tại trạm Ayun Hạ ................................................. 47 Hình 3-9. Kết quả hiệu chỉnh tại trạm Củng Sơn ................................................ 48 Hình 3-10. Kết quả kiểm định tại trạm An Khê .................................................. 49 Hình 3-11. Kết quả kiểm định tại trạm Ayun Hạ ................................................ 50 Hình 3-12. Kết quả kiểm định tại trạm Củng Sơn .............................................. 50 Hình 3-13. Sơ đồ mô phỏng tính toán Mike Basin trên lưu vực sông Ba........... 52 Hình 3-14. So sánh lưu lượng tính toán và thực đo thời kỳ 1980-2000 ............. 53 Hình 3-15. So sánh lưu lượng tính toán và thực đo thời kỳ 2001-2010 ............. 53 Hình 4-1. Diễn biến tổng lượng nước tại trạm An Khê ...................................... 56 Hình 4-2. Diễn biến tổng lượng nước tại trạm Củng Sơn ................................... 60 Hình 4-3. Đánh giá kết quả dự báo dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn An Khê từ ngày 18/4 ......................................................................................................... 73 iii Hình 4-4. Đánh giá kết quả dự báo dòng chảy đến trạm thủy văn An Khê từ ngày 23/4 ...................................................................................................................... 74 Hình 4-5. Đánh giá kết quả dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn An Khê từ ngày 28/4 ...................................................................................................................... 75 Hình 4-6. Đánh giá kết quả dự báo dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn Củng Sơn từ ngày 18/4 ................................................................................................. 76 Hình 4-7: Đánh giá kết quả dự báo tổng lượng đến đến trạm thủy văn Củng Sơn từ ngày 23/4 ......................................................................................................... 77 Hình 4-8. Đánh giá kết quả dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn Củng Sơn từ ngày 28/4 ............................................................................................................. 78 Hình 4-9. Đánh giá kết quả dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn An Khê từ ngày 1/10 ...................................................................................................................... 79 Hình 4-10: Đánh giá kết quả dự báo dòng chảy Đến dòng chảy đến trạm thủy văn An Khê từ ngày 6/10 ........................................................................................... 80 Hình 4-11: Đánh giá kết quả dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn An Khê từ ngày 11/10 .................................................................................................................... 81 Hình 4-12: Đánh giá kết quả dự báo dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn An Khê từ ngày 16/10 ....................................................................................................... 82 Hình 4-13. Đánh giá kết quả dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn An Khê từ ngày 21/10 .................................................................................................................... 83 Hình 4-14. Đánh giá kết quả dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn Củng Sơn từ ngày 1/10 ............................................................................................................. 84 Hình 4-15. Đánh giá kết quả dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn Củng Sơn từ ngày 7/10 ............................................................................................................. 85 Hình 4-16. Đánh giá kết quả dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn Củng Sơn từ ngày 12/10 ........................................................................................................... 86 Hình 4-17. Đánh giá kết quả dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn Củng Sơn từ ngày 17/10 ........................................................................................................... 86 iv DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1. Đặc trưng hình thái lưu vực sông Ba và các sông nhánh ................... 13 Bảng 1-2. Lượng bức xạ tổng cộng thực tế (Kcal/cm2) ...................................... 15 Bảng 1-3. Số giờ nắng trung bình tháng và năm................................................. 15 Bảng 1-4. Nhiệt độ trung bình tháng và năm (0C) .............................................. 15 Bảng 1-5. Độ ẩm tương đối trung bình tháng, năm của không khí (%) ............ 16 Bảng 1-6. Tổng lượng bốc hơi trung bình tháng ................................................. 18 Bảng 1-7. Bảng đặc trưng tốc độ gió .................................................................. 18 Bảng 1-8. Lưới trạm khí tượng và đo mưa trên lưu vực sông Ba ....................... 18 Bảng 1-9. Các trạm thuỷ văn lưu vực sông Ba và vùng lân cận ........................ 21 Bảng 1-10. Lượng dòng chảy năm trung bình nhiều năm tại các trạm thủy văn 22 Bảng 1-11. Lưu lượng nước trung bình tháng, năm tại các trạm thủy văn (m3/s) ............................................................................................................................. 23 Bảng 1-12. Lưu lượng lũ lớn nhất ứng với tần suất thiết kế tại các trạm thủy văn (theo số liệu thực đo) ........................................................................................... 25 Bảng 1-13. Mô đun kiệt theo số liệu quan trắc tại các trạm thủy văn Mmin (l/s.km2) ............................................................................................................... 25 Bảng 1-14. Đặc trưng thống kê đường tần suất Qngàymin ................................ 26 Bảng 1-15. Kết quả điều tra kiệt tại một số sông suối trên sông nhánh và dòng chính sông Ba ...................................................................................................... 26 Bảng 2-1. Bảng thông số của mô hình NAM ...................................................... 34 Bảng 3-1. Các nhân tố khi tượng trong trong dự báo tài nguyên nước .............. 39 Bảng 3-2. Bảng tính tương quan các nhân tố với dòng chảy mùa lũ đến trạm An Khê ...................................................................................................................... 40 Bảng 3-3. Kết quả kiểm định dòng chảy mùa lũ tại trạm An Khê từ năm 2011 – 2015 ..................................................................................................................... 42 Bảng 3-4. Kết quả kiểm định dòng chảy mùa cạn tại trạm ................................. 44 Bảng 3-5. Tổng hợp kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình NAM ............... 51 Bảng 4-1 – Kết quả dự báo tổng lượng tại trạm An Khê tháng 11/2017 ............ 54 Bảng 4-2 – Kết quả dự báo tổng lượng tại trạm An Khê tháng 12/2017 ............ 54 Bảng 4-3 – Kết quả dự báo tổng lượng tại trạm An Khê tháng 1/2018 .............. 54 Bảng 4-4 – Kết quả dự báo tổng lượng tại trạm An Khê tháng 2/2018 .............. 54 Bảng 4-5 – Kết quả dự báo tổng lượng tại trạm An Khê tháng 3/2018 .............. 54 v Bảng 4-6 – Kết quả dự báo tổng lượng tại trạm An Khê tháng 4/2018 .............. 55 Bảng 4-7 – Kết quả dự báo tổng lượng tại trạm An Khê tháng 5/2018 .............. 55 Bảng 4-8 – Kết quả dự báo tổng lượng tại trạm An Khê tháng 6/2018 .............. 55 Bảng 4-9 – Kết quả dự báo tổng lượng tại trạm An Khê tháng 7/2018 .............. 55 Bảng 4-10 – Kết quả dự báo tổng lượng tại trạm An Khê mùa lũ ...................... 55 Bảng 4-11 – Kết quả dự báo tổng lượng tại trạm An Khê mùa cạn ................... 55 Bảng 4-12. Dữ liệu đầu vào dự báo tại trạm An Khê ......................................... 57 Bảng 4-13 – Kết quả dự báo tổng lượng tại trạm Củng Sơn tháng 11/2017 ...... 58 Bảng 4-14 – Kết quả dự báo tổng lượng tại trạm Củng Sơn tháng 12/2017 ...... 58 Bảng 4-15 – Kết quả dự báo tổng lượng tại trạm Củng Sơn tháng 1/2018 ........ 58 Bảng 4-16 – Kết quả dự báo tổng lượng tại trạm Củng Sơn tháng 2/2018 ........ 58 Bảng 4-17 – Kết quả dự báo tổng lượng tại trạm Củng Sơn tháng 3/2018 ........ 58 Bảng 4-18 – Kết quả dự báo tổng lượng tại trạm Củng Sơn tháng 4/2018 ........ 58 Bảng 4-19 – Kết quả dự báo tổng lượng tại trạm Củng Sơn tháng 5/2018 ........ 59 Bảng 4-20 – Kết quả dự báo tổng lượng tại trạm Củng Sơn tháng 6/2018 ........ 59 Bảng 4-21 – Kết quả dự báo tổng lượng tại trạm Củng Sơn tháng 7/2018 ........ 59 Bảng 4-22 – Kết quả dự báo tổng lượng tại trạm Củng Sơn tháng 8/2018 ........ 59 Bảng 4-23 – Kết quả dự báo tổng lượng tại trạm Củng Sơn mùa lũ .................. 59 Bảng 4-24 – Kết quả dự báo tổng lượng tại trạm Củng Sơn mùa cạn ................ 59 Bảng 4-25. Dữ liệu đầu vào dự báo trạm Củng Sơn ........................................... 61 Bảng 4-26. Kết quả đánh giá sai số dự báo thử nghiệm tổng lượng tháng trạm An Khê ...................................................................................................................... 62 Bảng 4-27. Kết quả đánh giá sai số dự báo thử nghiệm tổng lượng tháng Trạm Củng Sơn ............................................................................................................. 62 Bảng 4-28. Kết quả dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn An Khê từ ngày 18/4 ............................................................................................................................. 63 Bảng 4-29. Kết quả dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn An Khê từ ngày 23/4 ............................................................................................................................. 64 Bảng 4-30. Kết quả dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn An Khê từ ngày 28/4 ............................................................................................................................. 64 Bảng 4-31. Kết quả dự báo tổng lượng trạm thủy văn Củng Sơn từ ngày 18/4 . 65 Bảng 4-32. Kết quả dự báo tổng lượng trạm thủy văn Củng Sơn từ ngày 23/4 . 65 Bảng 4-33. Kết quả dự báo tổng lượng trạm thủy văn Củng Sơn từ ngày 28/4 . 66 vi Bảng 4-34. Kết quả dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn An Khê từ ngày 1/10 ............................................................................................................................. 67 Bảng 4-35. Kết quả dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn An Khê từ ngày 6/10 ............................................................................................................................. 67 Bảng 4-36: Kết quả dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn An Khê từ ngày 11/10 ............................................................................................................................. 68 Bảng 4-37: Kết quả dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn An Khê từ ngày 16/10 ............................................................................................................................. 68 Bảng 4-38: Kết quả dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn An Khê từ ngày 21/10 ............................................................................................................................. 69 Bảng 4-39: Kết quả dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn An Khê từ ngày 26/10 ............................................................................................................................. 69 Bảng 4-40. Kết quả dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn Củng Sơn từ ngày 1/10 ............................................................................................................................. 70 Bảng 4-41: Kết quả dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn Củng Sơn từ ngày 6/10 ............................................................................................................................. 70 Bảng 4-42: Kết quả dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn Củng Sơn từ ngày 11/10 ............................................................................................................................. 71 Bảng 4-43: Kết quả dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn Củng Sơn từ ngày 16/10 ............................................................................................................................. 71 Bảng 4-44. Đánh giá kết quả dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn An Khê từ ngày 18/4 ............................................................................................................. 72 Bảng 4-45. Đánh giá kết quả dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn An Khê từ ngày 23/4 ............................................................................................................. 73 Bảng 4-46. Đánh giá kết quả dự báo dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn An Khê từ ngày 28/4 ......................................................................................................... 74 Bảng 4-47. Đánh giá kết quả dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn Củng Sơn từ ngày 18/4 ............................................................................................................. 75 Bảng 4-48. Đánh giá kết quả dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn Củng Sơn từ ngày 23/4 ............................................................................................................. 76 Bảng 4-49: Đánh giá kết quả dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn Củng Sơn từ ngày 28/4 ............................................................................................................. 77 Bảng 4-50. Đánh giá kết quả dự báo dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn An Khê từ ngày 1/10 ......................................................................................................... 78 vii Bảng 4-51: Đánh giá kết quả dự báo dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn An Khê từ ngày 6/10 ......................................................................................................... 79 Bảng 4-52: Đánh giá kết quả dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn An Khê từ ngày 11/10 ........................................................................................................... 80 Bảng 4-53: Đánh giá kết quả dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn An Khê từ ngày 16/10 ........................................................................................................... 81 Bảng 4-54: Đánh giá kết quả dự báo dòng chảy Đến dòng chảy đến trạm thủy văn An Khê từ ngày 21/10 ......................................................................................... 82 Bảng 4-55. Đánh giá kết quả dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn Củng Sơn từ ngày 1/10 ............................................................................................................. 83 Bảng 4-56. Đánh giá kết quả dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn Củng Sơn từ ngày 7/10 ............................................................................................................. 84 Bảng 4-57. Đánh giá kết quả dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn Củng Sơn từ ngày 12/10 ........................................................................................................... 85 Bảng 4-58. Đánh giá kết quả dự báo tổng lượng đến trạm thủy văn Củng Sơn từ ngày 17/10 ........................................................................................................... 86 viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa TTDBTU Trung tâm dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương VLTK Vật lý thống kê KTTV Khí tượng thủy văn DHI Viện thủy lực Đan Mạch ix MỞ ĐẦU I. TÍNH CẤP THIẾT Tài nguyên nước đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong quá trình phát triển kinh tế - xã hội của mỗi quốc gia, nhất là trong thời kỳ công nghiệp hóa và hiện đại hóa như nước ta hiện nay. Mặc dù là tài nguyên có thể tái tạo, song tài nguyên nước của mỗi quốc gia vẫn chỉ là hữu hạn, trong khi nhu cầu sử dụng nước của các ngành kinh tế - xã hội không ngừng gia tăng, tình trạng khai thác quá mức đang làm cho tài nguyên nước ở nhiều lưu vực sông của nước ta đứng trước nguy cơ suy thoái, cạn kiệt. Tình trạng đó cũng là nguyên nhân tiềm ẩn các mâu thuẫn về lợi ích trong khai thác sử dụng tài nguyên nước giữa các hộ, ngành dùng nước, giữa thượng lưu và hạ lưu… Dự báo tài nguyên nước có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong công tác quản lý và quy hoạch tài nguyên nước, thể hiện mối liên quan chặt chẽ giữa các yếu tố khí tượng, khí hậu và thủy văn. Đánh giá và xác định tài nguyên nước hiện tại và tương lai đã trở thành vấn đề quan trọng trong quản lý tổng hợp tài nguyên nước. Trong nhiều năm qua, được sự quan tâm của Đảng và nhà nước, công tác dự báo thủy văn phục vụ phòng chống lũ lụt, hạn hán đã được tổ chức thực hiện trên hầu hết các hệ thống sông lớn của nước ta và đã có những đóng góp quan trọng cho sự nghiệp phát triển kinh tế - xã hội. Từ những năm 1980, công tác dự báo thủy văn phục vụ chuyên ngành được nhà nước, cho phép thực hiện trong khuôn khổ các Hợp đồng kinh tế giữa Ngành Khí tượng Thủy văn và các ngành sử dụng thông tin dự báo có liên quan đã cho thấy hiệu quả kinh tế trong sử dụng thông tin liên quan đến tài nguyên nước mặt. Hiện nay, vấn đề dự báo tài nguyên nước đã được quan tâm ở nhiều quốc gia trên thế giới như Mỹ, Nhật, Trung Quốc… Đặc biệt, tại quốc gia phát triển về khí tượng thủy văn như Mỹ, các thông tin dự báo tài nguyên nước, cảnh báo hạn hán tại các lưu vực sông trên toàn quốc được cập nhật thường xuyên và đưa lên các website của Trung tâm Dự báo Khí tượng Quốc gia, thuộc Cục Quản lý khí quyển và Đại Dương Hoa Kỳ- NOAA. Ở Việt Nam, trong những năm gần đây, vấn đề này rất được quan tâm bởi đòi hỏi phải đảm bảo an ninh nguồn nước cho sự phát triển về kinh tế-xã hội của các vùng và tỉnh, thành phố. Ở Việt Nam từ những năm 1960 đã tiến hành những nghiên cứu xác định tổng lượng nước, dự báo thủy văn. Đến nay vấn đề dự báo thủy văn, tài nguyên nước ngày càng trở thành nhu cầu cấp thiết, nhất là khi trên các lưu vực sông hình thức khai thác là đa dạng, thay đổi thường xuyên, nhiều hồ chứa và công trình chuyển nước được xây dựng, nhiều mâu thuẫn trong sử dụng nước nảy sinh. 1 Ngày 13/10/2011, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành quyết định số 1879/QĐ-TTg phê duyệt danh mục các hồ chứa thủy điện, thủy lợi trên các lưu vực sông phải xây dựng quy trình vận hành liên hồ chứa. Theo đó, có 61 hồ chứa thủy lợi, thủy điện lớn quan trọng trên 11 lưu vực sông phải xây dựng và vận hành theo quy trình vận hành liên hồ chứa. Trong đó, khu vực miền Trung Tây Nguyên có 07 hệ thống sông phải xây dựng là (1) sông Hương; (2) sông Vu Gia-Thu Bồn; (3) sông Trà Khúc; (4) sông Kôn-Hà Thanh; (5) sông Ba, (6) sông Sê San; (7) sông Srêpôk. Bộ Tài nguyên và Môi trường đã xây dựng các Quy trình vận hành trên các lưu vực sông và được Thủ tướng Chính phủ đã ban hành đủ 07 quy trình vận hành liên hồ chứa này. Hiện nay các Quy trình đã được các hồ áp dụng trong việc giảm lũ và cấp nước mùa cạn. Thực tế, việc dự báo tài nguyên nước vẫn còn nhiều hạn chế gây khó khăn, lúng túng cho việc lên kế hoạch sử dụng nước của các ngành, làm giảm hiệu quả sử dụng nước và ảnh hưởng đến phát triển kinh tế xã hội nói chung. Nam Trung Bộ và Tây Nguyên là 2 vùng có nhiều hồ chứa thủy lợi, thủy điện, vì thế tại hầu hết các con sông lớn thuộc vùng đã bị điều tiết bởi các hồ. Hình thức sử dụng nước tại các vùng này rất đa dạng, bao gồm dân sinh, nông nghiệp, công nghiệp, dịch vụ; Hệ thống cấp nước với nhiều loại hình khác nhau như các đập dâng (Thạch Nham ở Quảng Ngãi; Đập Văn Phong, Thạch Đề, Thạch Hòa ở Bình Định; Đồng Cam ở Phú Yên...), các hồ chứa có cả thủy lợi, thủy điện (nhiều công trình chuyển nước sang lưu vực khác như hồ An Khê, Ayun Hạ và sông Hinh trên sông Ba, hồ ĐakMi trên sông Vu Gia...). Trong các lưu vực trên, lưu vực sông Ba chuyển nước sang sông Kôn và là lưu vực có tương đối đầy đủ các loại hình sử dụng và khai thác nguồn nước (Hồ thủy điện, hồ thủy lợi, đập dâng, chuyển nước trong và ngoài lưu vực và các hộ dùng nước nông nghiệp, sinh hoạt, thủy điện, công nghiệp, dịch vụ ở cả thượng và hạ du). Nhu cầu sử dụng trên lưu vực phụ thuộc rất nhiều vào nguồn nước cấp từ các hồ. Vì thế vấn đề dự báo thủy văn và tài nguyên nước lại càng trở nên cần thiết để lập kế hoạch sử dụng nước nhằm khai thác hiệu quả nguồn nước. Chính vì vậy, luận văn “Xây dựng bộ công cụ dự báo tài nguyên nước mặt cho lưu vực sông Ba” là rất cần thiết. Nghiên cứu này sẽ hữu ích và thiết thực nhằm đưa ra những dự báo về tài nguyên nước phục vụ lập kế hoạch sử dụng nước, điều hành hợp lý hệ thống hồ chứa và giải quyết các mâu thuẫn ngày càng gay gắt giữa phát điện và cấp nước trong mùa cạn, giữa phòng lũ và tích nước cuối mùa lũ và giúp các nhà quản lý hiệu quả nguồn nước và đưa ra những chính sách dài hạn phân phối nguồn nước hợp lý của các lưu vực sông. 2 II. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Dự báo tài nguyên nước mặt cho lưu vực sông Ba. III. PHẠM VI, ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Phạm vi nghiên cứu: Lưu vực sông Ba thuộc 4 tỉnh: Kon Tum, Gia Lai, Đắc Lắc và Phú Yên ở Nam Trung Bộ và Tây Nguyên.  Đối tượng nghiên cứu: Dự báo tài nguyên nước mặt tại các lưu vực sông: thượng nguồn sông Ba, Iayun, Krông H‘năng, Sông Hinh và các khu giữa trên lưu vực sông Ba.  IV. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Cách tiếp cận  Tiếp cận kế thừa: Kế thừa bộ số liệu khí tượng thủy văn, tài nguyên nước vầ các kết quả đã nghiên cứu trước đây.  Phân tích. Phương pháp nghiên cứu  Phương pháp thống kê và xử lý số liệu: phương pháp này được sử dụng trong việc xử lý các tài liệu về địa hình, khí tượng thủy văn, thủy lực phục vụ cho tính toán và dự báo.  Phương pháp mô hình toán: Mô hình toán là một công cụ mạnh, dựa trên các phương trình mô tả sự tác động của các yếu tố tự nhiên đến mực nước, lưu lượng, mô hình có thể đánh giá được diễn biến nguồn nước đến các hồ, đánh giá thay đổi mực nước trong sông. Trong đề tài đã sử dụng các mô hình thủy văn NAM, MikeBasin và mô hình thủy lực Mike11 để mô phỏng đánh giá và dự báo ngắn hạn nguồn nước trên lưu vực sông Ba. Mô hình mạng thần kinh nhân tạo ANN được ứng dụng để dự báo đặc trưng lưu lượng/tổng lượng tháng, mùa tại các vị trí trạm thủy văn. 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ DỰ BÁO TÀI NGUYÊN NƯỚC MẶT 1.1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI Việc xác định và dự báo tài nguyên nước mặt theo tháng, mùa, năm để phân bổ, chia sẻ nguồn nước là một bài toán phức tạp, thể hiện mối liên quan chặt chẽ giữa các yếu tố khí tượng, khí hậu, khai thác sử dụng tài nguyên nước mặt với nguồn nước mặt. Xác định số lượng nước mặt của lưu vực sông bao gồm hai hợp phần: điều tra, đo đạc và tính toán xác định các đặc trưng tài nguyên nước. Các trị số đặc trưng thể hiện tài nguyên nước sông trên lưu vực gồm có: trị số trung bình năm, tháng và mùa, các trị số lớn nhất, nhỏ nhất, tần suất dòng chảy theo mùa lũ, mùa cạn… Các phương pháp xác định tài nguyên nước mặt được dùng phổ biến trên thế giới hiện nay gồm: nhóm phương pháp dựa trên định luật bảo toàn vật chất, phương pháp tương tự, phương pháp thống kê và xây dựng tương quan, phương pháp ứng dụng mô hình toán. Các phương pháp tính toán và dự báo tài nguyên nước trong sông được phân chia thành hai nhóm: Thống kê và phương pháp mô hình. Phương pháp thống kê: + Phương pháp tương tự: - Phương pháp bản đồ và nội suy địa lý (thường được dùng cho những vùng có số liệu đo đạc không đầy đủ): phương pháp này dựa trên giả thiết, các đặc trưng dòng chảy thay đổi từ từ theo vùng lãnh thổ và tuân theo quy luật địa đới. Do đó có thể thiết lập các bản đồ đẳng trị từ dữ liệu một số trạm quan trắc, để xác định tiềm năng nguồn nước của lưu vực. - Phương pháp tương tự thủy văn: Phương pháp này dựa trên giả thiết dòng chảy là sản phẩm của khí hậu và chịu sự tác động của điều kiện địa lý tự nhiên với các lưu vực tương tự thì dòng chảy của chúng cũng tương tự, có thể tính được tiềm năng dòng chảy mặt của lưu vực . + Phương pháp xây dựng phương trình tương quan và thống kê: Phương pháp phân tích tương quan: Xây dựng mối quan hệ đa biến giữa tiềm năng dòng chảy mặt (tổng lượng nước, các giá trị cực trị của nguồn nước…) với các nhân tố khí hậu (mưa, bốc hơi, độ ẩm, nhiệt độ…) và mặt đệm ảnh hưởng tới dòng chảy sông ngòi trên lưu vực. + Phương pháp xác suất thống kê: Cơ sở của phương pháp này dựa trên tính chất ngẫu nhiên của các đại lượng tài nguyên nước. Mức độ định lượng của 4 chúng theo không gian và thời gian tuân theo các quy luật ngẫu nhiên. Vận dụng phương pháp thống kê xác định mối quan hệ, đánh giá sự xuất hiện cũng như tần suất xuất hiện và sự biến động của tiềm năng tài nguyên nước (tổng lượng nước, các giá trị cực trị của nguồn nước…) theo không gian và thời gian qua các tham số thống kê cơ bản. Phương pháp mô hình: Từ những năm 1960 của thế kỷ XX, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, các mô hình thống kê phân tích chuỗi theo thời gian, các mô hình thủy văn tính toán dòng chảy từ mưa, mô hình diễn toán dòng chảy trong sông, mô hình điều tiết hồ chứa và tính toán cân bằng nước phát triển rất mạnh. Việc ứng dụng các mô hình để khôi phục lại dòng chảy trên lưu vực, tính toán dòng chảy tại những vùng không có số liệu quan trắc và kéo dài số liệu đã trở nên phổ biến. Nhiều mô hình mô phỏng tính toán cân bằng nước, các khung hỗ trợ quản lý tổng hợp và dự báo tiềm năng nguồn nước đã được đầu tư nghiên cứu và áp dụng cho các lưu vực sông lớn trên thế giới như Hoàng Hà, Trường Giang (Trung Quốc), sông Missisipi, Colorado, Missouri (Mỹ)… Công trình “Đánh giá tài nguyên nước và nguồn nước trên thế giới” (Assessment of water resources and water availability in the world) thuộc chương trình “Đánh giá toàn diện về các nguồn tài nguyên nước ngọt trên thế giới” (Comprehensive assessment of the fresh water resources in the world) do giáo sư I.A.Shiklomanov, Viện Thủy văn Liên bang Nga thực hiện năm 1997. Dựa trên số liệu của 2400 trạm quan trắc Khí tượng Thủy văn toàn thế giới với thời gian quan trắc từ 5 đến 178 năm, tác giả đã đưa ra đánh giá về tổng lượng nước trên trái đất, hệ số biến động cũng như số lượng nước sẵn có trên các lục địa. Công trình cũng đưa ra các dạng phân bố dòng chảy trong năm, xu thế biến đổi của tổng lượng tài nguyên nước theo chu kỳ nhiều năm của một số lưu vực điển hình. Từ năm 1980 đến nay, tại nhiều nước trên thế giới như Mỹ, Pháp, Đan Mạch, Trung Quốc, Hà Lan trên cơ sở ứng dụng các hệ phương trình thủy động lực học 1 chiều, 2 chiều, 3 chiều, họ mô hình HEC, các mô hình họ Mike, mô hình cân bằng nước như MIKE BASIN, MITSIM, các mô hình thủy văn thông số tập trung như NAM, TANK, mô hình thủy văn thông số phân bố như TOPMDEL (Mỹ), DIMOSOP (Italia), HBV (Thụy điển), WETSPA (Bỉ), … mô phỏng, tính toán, dự báo dòng chảy trên hệ thống sông. Trong những năm 1990, các mô hình thời tiết số trị NWP đã được nghiên cứu và hoàn thiện, tại các nước như Mỹ, Nhật, Úc, Đức, Italia, Canada và Hàn Quốc. Trong những năm đầu của thế kỷ XXI trở thành các mô hình dự báo khí hậu toàn cầu. Kết quả của các mô hình toàn cầu cho phép dự báo dài hạn các yếu 5 tố khí hậu như mưa, nhiệt độ, bốc hơi… trước 10 ngày, 1 tháng, 3 tháng, mùa và năm. Kết quả phân tích của các mô hình NWP được đưa vào đầu vào các mô hình thủy văn tính toán dự báo nguồn nước hạn vừa và hạn dài. Các mô hình NWP đưa ra một phác họa diễn biến khí hậu và tài nguyên nước liên tục từ quá khứ đến hiện tại và tương lai, mang lại các thông tin hữu ích cho các nhà quản lý và sử dụng nguồn nước. Cuối những năm 1990, một công nghệ mới ra đời: Công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý GIS mang lại sức mạnh mới trong việc thu thập, phân tích, đánh giá cũng như thể hiện các kết quả phục vụ việc tính toán, kiểm soát và phân tích tiềm năng nguồn nước trên lãnh thổ. Hệ thống Rađa, Vệ tinh đã và đang thực sự thay đổi phương thức thu nhận thông tin trong công tác phòng chống bão, lũ và hạn hán. Phương pháp ứng dụng phân tích các ảnh viễn thám đã giúp cho việc giám sát và dự báo lượng nước mùa lũ và mùa cạn trước một thời gian dài và trên diện rộng không giới hạn các biên giới quốc gia. Tiêu biểu cho phương pháp ứng dụng công nghệ ảnh viễn thám là Dự án “Ứng dụng công nghệ vệ tinh để giám sát nguồn nước và dự báo dòng chảy trên sông Hoàng Hà” năm 2008 giữa chính phủ Hà Lan, Bộ Tài nguyên nước Trung Quốc và Ủy ban quản lý lưu vực sông Hoàng Hà. Dự án đã xây dựng được công nghệ giám sát, dự báo hạn hán và dòng chảy lũ trên lưu vực sông Hoàng Hà đạt kết quả tốt và hiện nay đang được tiếp tục triển khai tại một lưu vực sông khác tại Trung Quốc. Sự phát triển mạnh mẽ của các mô hình toán thủy văn đã đem lại một hướng mới cho công tác dự báo nguồn nước mặt. Các mô hình phân tích chuỗi thời gian, phân tích dòng chảy theo tần suất đã được phát triển và ứng dụng cho dự báo dài hạn nguồn nước, dự báo dòng chảy tháng, năm như mô hình ARIMA, mô hình Thomas- Fiering. Loại mô hình này được ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới, nhưng do chỉ sử dụng một chuỗi số liệu dòng chảy đủ dài và tự tương quan với chính nó nên chất lượng thường không cao. Ra đời từ những năm 1940, phát triển mạnh vào những năm 1990, ứng dụng thành công trong lĩnh vực tài nguyên nước, mô hình mạng thần kinh nhân tạo ANN đã khắc phục các nhược điểm đó, thực hiện phân tích chuỗi thời gian và tương quan với nhiều yếu tố tác động tới dòng chảy được ứng dụng để dự báo dài hạn dòng chảy. Hiện nay, vấn đề dự báo tài nguyên nước đã được quan tâm ở nhiều quốc gia trên thế giới. Đặc biệt, tại quốc gia phát triển về tài nguyên nước như Mỹ, các thông tin dự báo về số lượng tài nguyên nước tại các lưu vực sông trên toàn quốc được cập nhật thường xuyên và đưa lên các website của Cục Quản lý khí quyển và Đại Dương Hoa Kỳ- NOAA. Các tính toán phân tích về tài nguyên nước đều lấy đầu vào là các yếu tố khí hậu từ kết quả dự báo của các mô hình số trị toàn cầu và dựa trên các phương pháp phân tích dòng chảy theo chuỗi thời gian và phân 6 tích theo tần suất, tính toán ước lượng về sự biến đổi dòng chảy (lớn nhất, nhỏ nhất, trung bình) tại các hệ thống sông theo chu kỳ 10 ngày, 1 tháng, 3 tháng và theo mùa. Hiện tại còn có 3 trung tâm khí hậu lớn trên thế giới IRI (International Research Institute for Climate and Society), CPC (Climate Prediction Center) và APCC (APEC Climate Center) đang từng bước tiếp cận, nghiên cứu - ứng dụng kỹ thuật hạ thấp qui mô thống kê nói trên, phục vụ mục đích dự báo mùa và cũng đã thu được thành công. Đặc biệt, trong dự án SMIP (Seasonal Prediction Model Intercomparison Project) của APCC đã cho phép thu thập số liệu dự báo từ 16 mô hình khí hậu toàn cầu tại những trung tâm khí hậu lớn của các nước trên toàn thế giới, thời hạn dự báo từ 1 đến 3 tháng giúp thực hiện kỹ thuật MME (Multi Model Essemble) tổ hợp đa mô hình. APCC cũng đã nhấn mạnh sẽ ủng hộ, giúp đỡ các nước đang phát triển ở khu vực Đông Nam Á. 1.2. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Ở VIỆT NAM Trong lĩnh vực dự báo, công tác dự báo các đặc trưng của tài nguyên nước tại Việt Nam theo tháng đã được nghiên cứu từ rất sớm. Các phương pháp dự báo chủ yếu dựa trên các diễn biến lịch sử, phân tích thống kê chuỗi thời gian và các phương trình hồi quy tương quan dòng chảy với yếu tố khí hậu, ENSO, áp cao Thái Bình Dương…. Phương pháp mô hình được ứng dụng từ những năm 1990. Dự báo dòng chảy tháng các trạm chính được thực hiện theo mô hình ARIMA và phân tích thống kê tương tự theo thời gian phụ thuộc chủ yếu vào kinh nghiệm. Các nghiên cứu về dự báo khí hậu: Trung tâm Dự báo KTTV Quốc gia hiện là nơi thực hiện bài toán nghiệp vụ tại Việt Nam đang ứng dụng một số phương pháp dự báo tác nghiệp như: phương pháp tương tự hoàn lưu – so sánh hình thế thời tiết hiện tại với quá khứ để tìm ra các năm tương tự; Xây dựng mối quan hệ tương quan giữa nhiệt, mưa trạm với yếu tố AT500 khu vực sống Uran – Rãnh Đông Á trong nghiên cứu. Ngoài ra, tại Trung tâm cũng đang sử dụng phương pháp di chuyển của sổ tối ưu (optimal window moving) dựa trên tư tưởng của trung tâm APCC, nhưng khác biệt ở chỗ, APCC sử dụng phương pháp SVDA (Singular Value Decomposition Analysis), còn Trung tâm Dự báo KTTV Quốc gia phát triển trên phương pháp CCA (Canon Correlation Analysis). Phương pháp CCA là phương pháp sử dụng 1 loại nhân tố nào đó làm nhân tố dự báo như: trường độ cao địa thế vị hoặc trường gió 850mb… Tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên sử dụng phương pháp Alekhin để dự báo hạn mùa trường khí tượng biển đông kết hợp với khai triển hàm trực giao 7