1 2 MỤC LỤC CHƢƠNG 1 ỨNG DỤNG GIS TRONG MÔ HÌNH THỦY VĂN – THỦY LỰC 11 1 1 Giới thiệu ArcGis 11 1 2 Ứng dụng ArcGis xây dựng bản đồ DEM phục vụ bài toán thủy văn, thủy lực 14 1 3 Phân chia tiểu lƣu vực bằng Arcgis 19 1 3 1 Giới thiệu chung về DEM mô hình số độ cao 19 1 3 2 Phƣơng pháp tạo DEM 19 1 3 3 Các bƣớc phân chia tiểu lƣu vực 20 1 4 Ứng dụng Arcgis xây dựng bản đồ ngập lụt 26 CHƢƠNG 2 MÔ HÌNH THỦY VĂN MIKE NAM 36 2 1 Cơ sở lý thuyết về mô hình NAM 36 2 1 1 Bể chứa mặt 36 2 1 2 Bể sát mặt.
Trang 2MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: ỨNG DỤNG GIS TRONG MÔ HÌNH THỦY VĂN – THỦY LỰC 11
1.1 Giới thiệu ArcGis 11
1.2 Ứng dụng ArcGis xây dựng bản đồ DEM phục vụ bài toán thủy văn, thủy lực 14
1.3 Phân chia tiểu lưu vực bằng Arcgis 19
1.3.1 Giới thiệu chung về DEM mô hình số độ cao 19
1.3.2 Phương pháp tạo DEM 19
1.3.3 Các bước phân chia tiểu lưu vực 20
1.4 Ứng dụng Arcgis xây dựng bản đồ ngập lụt 26
CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH THỦY VĂN MIKE NAM 36
2.1 Cơ sở lý thuyết về mô hình NAM 36
2.1.1 Bể chứa mặt 36
2.1.2 Bể sát mặt và bể tầng rễ cây 37
2.1.3.Bốc thoát hơi 37
2.1.4 Dòng chảy mặt 37
2.1.5 Dòng chảy sát mặt 37
2.1.6 Bổ sung dòng chảy ngầm 38
2.1.7 Lượng ẩm của đất 38
2.1.8 Diễn toán dòng chảy mặt và dòng chảy sát mặt 38
2.1.9 Diễn toán dòng chảy ngầm 38
2.2 Làm việc với mô hình MIKE NAM 41
2.3 Áp dụng mô hình NAM xác định bộ thông số mô hình cho lưu vực sông Trà Khúc – Vệ 56
2.3.1 Phân chia các tiểu lưu vực 56
2.3.2 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình NAM áp dụng cho dòng chảy lũ trên lưu vực sông Trà Khúc, sông Vệ 61
CHƯƠNG 3 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG MÔ HÌNH MIKE 11 65
3.1 Làm việc với Giao diện người sử dụng MIKE 11 65
3.2 Network Editor- Mạng lưới sông 71
3.3 Cross-section Editor 76
3.4 Boundary & Time Series Editor 78
3.4.1 Tạo file Time Series Editor 78
3.4.2 Tạo file Biên .80
3.5 HD Parameter Editor 82
3.6 Chạy một mô phỏng 83
3.7 HIỂN THỊ KẾT QUẢ TRONG MIKE VIEW 86
3.7.1 Tổng quan về MIKE View 86
Trang 33.7.2 Các loại File kết quả hiển thị trong MIKE View 87
3.7.3 Mở FILE kết quả 87
3.7.4 Sử dụng công cụ MIKE View 89
3.7.5 Xem dữ liệu hệ thống 90
3.7.6 Xem kết quả 90
3.7.7 Xem các kết quả trong mặt cắt dọc 92
3.8 Áp dụng mô hình MIKE 11 mô phỏng thủy lực cho lưu vực sông Trà Khúc – Vệ 99
CHƯƠNG 4 HƯỚNG DẪN SỦ DỤNG MIKE 21 106
4.1 Giới thiệu về mô hình hai chiều MIKE 21 106
4.2 Bắt đầu với mô hình MIKE 21 FM 110
4.3 Áp dụng MIKE 21 mô phỏng ngập lụt lưu vực Trà Khúc 130
CHƯƠNG 5 MÔ HÌNH MIKE FLOOD (COUPLING MIKE 11 & MIKE 21) 142
5.1 Khái niệm MIKE FLOOD 142
5.2 Kết nối (Coupling) mô hình MIKE 11 & MIKE 21 144
5.3 Bắt đầu MIKE FLOOD 147
5.4 Áp dụng MIKE FLOOD cho lưu vực sông Trà Khúc 150
Trang 4DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1 1: Bộ phần mềm ứng dụng ArcGIS (Nguồn: ESRI) 11
Hình 1 2: Sơ đồ quá trình tạo DEM 15
Hình 1 3: Sơ đồ số hóa từ phương pháp thủ công 16
Hình 1 4: Sơ đồ số hóa từ bản vẽ không ảnh từ viễn thám 16
Hình 1 5: Tập hợp các điểm cho 17
Hình 1 6: Nối các điểm trước 17
Hình 1 7: Mô tả các nút và cạnh của TIN 18
Hình 1 8: Sơ đồ cấu trúc dữ liệu GIS 18
Hình 1 9: Phương pháp xây dựng DEM 19
Hình 1 10: DEM lưu vực sông Trà Khúc 20
Hình 1 11: Đưa công cụ ArcHydro Tools vào thanh tiêu đề .20
Hình 1 12: Chọn công cụ Fill Sinks 20
Hình 1 13: Kết quả sau khi dùng công cụ Fill Sinks 21
Hình 1 14: Chọn công cụ Flow Diretion 21
Hình 1 15: Kết quả dùng công cụ Flow Diretion 21
Hình 1 16: Chọn công cụ Flow Accumulation 22
Hình 1 17: Kết quả dùng công cụ Flow Accumulation 22
Hình 1 18: Kết quả dùng công cụ Stream Defintion 22
Hình 1 19: Kết quả dùng công cụ Stream Segmentation 23
Hình 1 20:Công cụ Catchment Grid Delineation 23
Hình 1 21: Chọn công cụ Catchment Polygon Processing 24
Hình 1 22: Kết quả dùng công cụ Catchment Polygon Processing 24
Hình 1 23: Chọn công cụ Drainage Line Processing 24
Hình 1 24: Kết quả dùng công cụ Drainage Line Processing 25
Hình 1 25: Dùng công cụ Point Delineation để phân chia dòng chảy 25
Hình 1 26: Kết quả dùng công cụ Point Delineation 25
Hình 1 27: Bản đồ phân chia tiểu lưu vực vùng nghiên cứu 26
Hình 1 28: Giao diện ở chế độ do người dùng quản lý dùng để tính toán 27
Hình 1 29: Giao diện kết quả tính toán ngập lụt lớn nhất khu vực nghiên cứu 27
Hình 1 30: Giao diện sau khi đưa kết quả từ mô hình MIKE 28
Hình 1 31: Chọn tọa độ X, Y, Z tương ứng 29
Hình 1 32: Kết quả mô phỏng từ MIKE được chuyển qua công cụ ArcGis 29
Hình 1 33: Giao diện công cụ nội suy IDW 30
Hình 1 34: Kết quả sau khi nội suy bằng công cụ IDW 30
Hình 1 35: Tạo đường bao ngập cắt đi các vùng nội suy bị sai 31
Hình 1 36: Giao diện nội suy theo vùng bao 32
Hình 1 37: Kết quả sau khi nội suy theo đường bao 32
Hình 1 38: Kết quả sau khi xử lý 33
Hình 1 39: Giao diện công cụ phân vùng Reclassify 34
Hình 1 40: Kết quả cuối cùng để làm bản đồ 34
Hình 1 41: Bản đồ ngập lụt hạ lưu sông Trà Khúc 35
Trang 5Hình 2 1: Cấu trúc mô hình Nam 36
Hình 2 2: Mở file (.dfs0) khai báo số liệu mưa 41
Hình 2 3: Chọn kiểu nhập dữ liệu, theo chuỗi, theo bản mã Ascii hoặc theo file mẫu có sẵn 42
Hình 2 4: Đặt tên, chọn các kiểu thông số và thời đoạn của chuỗi dữ liệu 42
Hình 2 5: Tạo chuỗi số liệu mưa, bốc hơi và dòng chảy 43
Hình 2 6: Tạo file RR parameter tập tin thông số mưa- dòng chảy mặt *.RR11 43
Hình 2 7: Thiết lập tên, diện tích lưu vực trong modul *.RR11 (mô hình NAM) 44
Hình 2 8: Tên, diện tích các lưu vực Trà Khúc khai báo trong modul *.RR11 (mô hình NAM) 44
Hình 2 9 Lưu lượng và tổng lượng lũ quan sát và thực đo lưu vực Trà Khúc .45
Hình 2 10: Lưu lượng lũ mô phỏng, thực đo, và chỉ số Nash 45
Hình 2 11: Khai báo các thông số ban đầu trong mô hình MIKE NAM 46
Hình 2 12: Hiệu chỉnh tự động các thông số trong mô hình MIKE NAM 47
Hình 2 13: Khai báo các thông số trong mô hình MIKE NAM 47
Hình 2 14 Chọn file mô phỏng Simulation 48
Hình 2 15 Hiển thị giao diện mô phỏng simulation, lựa chọn bài toán cần mô phỏng, bỏ đánh dấu mục Hydrodynamic và chọn mục Rainfall-Runoff .48
Hình 2 16 Gắn file tham số mưa dòng chảy (RR Parameter) đã tạo ra ở trên) 49
Hình 2 17 Chọn bước thời gian mô phỏng 49
Hình 2 18 Đặt tên file kết quả để mô phỏng 50
Hình 2 19 Chọn mục Start để chạy mô phỏng 50
Hình 2 20 Mở file *.RR11 50
Hình 2 21: Lựa chọn Basin View 51
Hình 2 22: Lựa chọn Import Basin Defenitions 51
Hình 2 23 Lựa chọn Shapfile lưu vực Trà Khúc 51
Hình 2 24 Hình ảnh các tiểu lưu vực trên sông Trà Khúc 52
Hình 2 25 Tạo đường Polygon các tiểu lưu vực trên sông Trà Khúc 52
Hình 2 26 Gắn trạm đo mưa lưu vực Trà Khúc 53
Hình 2 27 Trong số mưa theo phương pháp đa giác Thiessen 54
Hình 2 28 Tính toán trọng số mưa cho dòng chảy lũ lưu vực Sông Trà Khúc – Sông Vệ 55
Hình 2 29.Kết quả trọng số mưa cho dòng chảy lũ lưu vực Sông Trà Khúc – Sông Vệ .56 Hình 2 30: Bản đồ các tiểu lưu vực 57
Hình 2 31: Sơ đồ hệ thống lưu vực sông Trà Khúc – Vệ 58
Hình 2 32 Bản đồ trọng số mưa các tiêu lực trên sông Trà Khúc (trong số mưa để tính toán dòng chảy lũ) 59
Hình 2 33: Hiệu chỉnh trận lũ năm 2013 tại trạm Sơn Giang 61
Hình 2 34: Kiểm định trận lũ năm 2009 tại trạm Sơn Giang 61
Hình 2 35: Hiệu chỉnh trận lũ năm 2013 tại trạm An Chỉ 62
Hình 2 36: Kiểm định trận lũ năm 2009 tại trạm An Chỉ 62
Hình 3 1 Hộp thoại “New” để tạo một tập tin đầu vào MIKE 11 mới 65
Trang 6Hình 3 2 Hộp thoại mở và chọn kiểu file (file type selection combo box) 66
Hình 3 3 Simulation editor, chọn chức năng Hydrodynamic 67
Hình 3 4 Gắn các File cần thiết đề chạy bài toán MIKE 11 HD 68
Hình 3 5 Chọn thời đoạn mô phỏng, bước thời gian và điều kiện ban đầu cho mô phỏng .69
Hình 3 6 Đặt tên cho tập tin kết quả (result-file ) 70
Hình 3 7 Quá trình mô phỏng (Simulation progress dialog) 71
Hình 3 8 Thanh công cụ mạng sông (Network Toolbar) 71
Hình 3 9 Vẽ bản đồ các nhánh sông được số hóa 72
Hình 3 10 Network editor, Pop-up menu khi nhấp chuột phải 73
Hình 3 11 Point properties dialog (Hộp thoại đặc tính các điểm) 73
Hình 3 12 Cửa sổ sơ đồ và cửa sổ bảng số liệu, editor mạng sông 74
Hình 3 13 Một nhánh đã được xác định, nhánh thứ hai đã được số hóa 75
Hình 3 14 Hai nhánh sông được xác định bằng các chainage do người sử dụng 75
Hình 3 15 Nối các nhánh sông 76
Hình 3 16 Mở hộp thoại khai báo mặt cắt ngang sông Cross Sections (*.xns11) 76
Hình 3 17 Khai báo mặt cắt ngang, cross-section editor, raw data editor 77
Hình 3 18 Đặt tên và copy dữ liệu mặt cắt ngang (X, Z) vào 2 cột tương ứng 77
Hình 3 19 Mặt cắt ngang sau khi đã khai báo đầy đủ .78
Hình 3 20 Mở File mới và chọn hộp thoại Time series (*.dfs0) 79
Hình 3 21 Time series editor, các items về mực nước và lưu lượng đã được đưa thêm vào time series file 79
Hình 3 22 Time series editor, các biên được đưa thêm vào Time series file 80
Hình 3 23 Mở File mới và chọn hộp thoại Boundary (*.bnd) 80
Hình 3 24 Time series editor, các items về mực nước và lưu lượng đã được đưa thêm 81 Hình 3 25 Các điều kiện biên trong tutorial set-up 81
Hình 3 26 Mở hộp thoại mới và lựa chọn HD Parameters 82
Hình 3 27 HD parameter file, các điều kiện ban đầu 82
Hình 3 28 Mở hộp thoại mới và lựa chọn Simulation (*.sim11) 83
Hình 3 29 Simulation editor, Hiển thị Form lựa chọn các mô dul tính toán 83
Hình 3 30 Simulation editor, chọn các input files cho mô phỏng 84
Hình 3 31 Chọn thời đoạn mô phỏng, bước thời gian và điều kiện ban đầu cho mô phỏng 84
Hình 3 32 Đặt tên cho result-file (tập tin kết quả) 85
Hình 3 33 Hộp thoại thể hiện tiến trình mô phỏng (Simulation progress dialog) 85
Hình 3 34 Lựa chọn File kết quả cần hiển thị (Data Load View Selection) 88
Hình 3 35 Lựa chọn dữ liệu hiển thị 89
Hình 3 36 Hiển thị sơ đồ kết quả 89
Hình 3 37 Hiển thị tùy chọn Horizontal Plan 90
Hình 3 38 Cao độ ngập lớn nhất lũ mô phỏng 91
Hình 3 39 Chọn cắt dọc đoạn sông Trà Khúc 92
Hình 3 40 Hiển thị đường mặt nước dọc sông Trà Khúc 93
Trang 7Hình 3 41 Chọn mặt cắt trên sơ đồ cần hiển thị .93
Hình 3 42 Mực nước trên mặt cắt ngang dao động theo thời gian 94
Hình 3 43 Chuẩn bị chọn mực nước tại mặt cắt dao động theo thời gian 95
Hình 3 44 Đánh dấu chọn mặt cắt ngang trên lý trình cần xem kết quả 96
Hình 3 45 Hiển thị kết quả chuỗi mực nước mô phỏng theo thời gian tại trạm Trà Khúc (lý trình 40000) 96
Hình 3 46 Gắn file dữ liệu thực đo tại mực nước Cẩm Lệ 97
Hình 3 47 Đường dẫn file dữ liệu thực đo Muc nuoc cac tram QN-DN-2009 97
Hình 3 48 Hiển thị các mực nước các trạm thực đo sau khi gắn vào 98
Hình 3 49 Hiển thị mực nước mô phỏng và mực nước thực đo tại Trạm Trà Khúc 98
Hình 3 50 Hiển thị đánh giá sai số thống kê giữa mực nước mô phỏng và thực đo tại Cẩm Lệ, ví dụ chỉ số NASH (hay hệ số tương quan), sai số đỉnh lũ, và mực nước thực đo tại trạm Trà Khúc 99
Hình 3 51: Sơ đồ mạng lưới sông duỗi thẳng hạ lưu lưu vực sông Vệ - Trà Khúc 99
Hình 3 52: Sơ đồ mạng lưới sông được thiết lập trong mô hình MIKE 11 lưu vực sông Vệ - Trà Khúc 100
Hình 3 53: Biểu đồ lưu lượng năm 1997 trạm Sơn Giang và các tiểu lưu vức sông Trà Khúc 100
Hình 3 54: Biểu đồ lưu lượng năm 2001 trạm Sơn Giang và các tiểu lưu vức sông Trà Khúc 101
Hình 3 55: Mực nước triều Cổ Lũy năm 1997 101
Hình 3 56: Mực nước triều Cổ Lũy năm 2001 102
Hình 3 57: Các nút lấy nước tưới ở hạ du 102
Hình 3 58: Kết quả hiệu chỉnh mô hình thủy lực MIKE 11 tại Cổ Lũy 104
Hình 3 59: Kết quả kiểm định mô hình triều MIKE 11 tại Cổ Lũy 104
Hình 4 1 Lưới phi cấu trúc chữ nhật và tam giác 107
Hình 4 2 Giao diện MIKE 21 FM 111
Hình 4 3 Cách tạo lưới trong sơ đồ Mesh Generator 111
Hình 4 4 Gắn dữ liệu XYZ từ bản đồ DEM 112
Hình 4 5 Vẽ đường bao tạo lưới khu vực tính toán (sông Trà Khúc – sông Vệ) 112
Hình 4 6 Thông số giới hạn về phần tử nút lưới 113
Hình 4 7 Nội suy độ cao cho ô lưới trong sơ đồ Vu Gia Thu Bồn 113
Hình 4 8 Lưu file kết quả lưới tọa độ địa hình 114
Hình 4 9 Hiển thị File lưới địa hình (Mesh) 114
Hình 4 10 Tạo mới mô hình MIKE 21 115
Hình 4 11 Gắn file lưới đã được tạo ra Mesh Generator 115
Hình 4 12 Bản đồ DEM sau khi được gắn lưới vào bao gồm thang màu cao độ 116
Hình 4 13 Khai báo bước thời gian tính toán (VD: trận lũ 11/15/2013 đến 11/18/2013 117
Hình 4 14 Lựa chọn Module để tính toán 117
Hình 4 15 Khai báo các thông số kỹ thuật trong MIKE 21 Flow Model FM 118
Hình 4 16 Các thông số ngập và cạn 119
Trang 8Hình 4 17 Giao diện khai báo tỷ trọng 120
Hình 4 18 Khai báo hệ số nhớt rối (Eddy Viscosity) 121
Hình 4 19 Khai báo hệ số nhám của miền tính toán 122
Hình 4 20 Bảng đồ hệ số nhám theo vùng (Hệ số nhám 2D) 123
Hình 4 21 Khai báo điều kiện ban đầu cao trình mực nước (Surface elevation, vận tốc theo phương u-velocity và vận tốc theo phương v-velocity) 124
Hình 4 22 Tạo file kết quả cần xuất ra 126
Hình 4 23 Chọn các kết quả xuất mực nước bề mặt, chiều sâu mực nước, vận tốc U và vận tốc V 127
Hình 4 24 Lựa chọn bước thời gian cần xuất kết quả 127
Hình 4 25 Khai báo file kết quả và View đến file kết quả 128
Hình 4 26 Xuất kết quả theo các cao trình mực nước 128
Hình 4 27 Xuất kết quả theo các cao trình bề mặt nước, tổng chiều sâu và mực nước vận tốc U và vận tốc V 129
Hình 4 28 Xuất kết quả cao trình theo vận tốc U 129
Hình 4 29: Biểu đồ lưu lượng trạm Sơn Giang và An Chỉ trận lũ năm 2009 130
Hình 4 30: Đường quá trình lũ các tiểu lưu vực vùng hạ lưu sông Trà Khúc – sông Vệ trận lũ năm 2009 131
Hình 4 31: Mực nước triều cửa Đại Cổ Lũy năm 2009 131
Hình 4 32: Đường quá trình lũ trạm Sơn Giang và trạm An Chỉ trận lũ năm 2013 132
Hình 4 33: Đường quá trình lũ các tiểu lưu vực vùng hạ lưu sông Trà Khúc – sông Vệ trận lũ năm 2013 132
Hình 4 34: Mực nước triều cửa Đại Cổ Lũy năm 2013 133
Hình 4 35: Bản đồ vết lũ thực đo 2009 133
Hình 4 36: Bản đồ vết lũ thực đo 2013 134
Hình 4 37: Cao độ ngập lụt lớn nhất vùng hạ lưu ứng với trận lũ 2013 135
Hình 4 38: Chiều sâu ngập lụt lớn nhất vùng hạ lưu ứng với trận lũ 2013 135
Hình 4 39: Biểu đồ kết quả hiệu chỉnh vết lũ trận lũ năm 2013 137
Hình 4 40: Biểu đồ kết quả kiểm hiệu chỉnh mực nước tại Trạm Trà Khúc trận lũ năm 2013 137
Hình 4 41: Bản đồ hệ số nhám 138
Hình 4 42: Cao độ ngập lụt lớn nhất vùng hạ lưu ứng với trận lũ 2009 139
Hình 4 43: Chiều sâu ngập lụt lớn nhất vùng hạ lưu ứng với trận lũ 2009 139
Hình 4 44: Biểu đồ kết quả kiểm định vết lũ trận lũ năm 2009 140
Hình 4 45: Biểu đồ kết quả kiểm định mực nước tại Trạm Trà Khúc trận lũ năm 2009141 Hình 5 1 Phác họa mô hình dòng chảy 1 chiều và 2 chiều trong sông 142
Hình 5 2 Các trường hợp liên kết giữa mô hình MIKE 11 và MIKE 21 144
Hình 5 3 Hình dạng kết nối liên kết chuẩn 144
Hình 5 4 Dạng kết nối bên theo hình thức đập tràn từ mô hình MIKE 11 liên kết với mô hình MIKE 21 145
Hình 5 5 Dạng kết nối công trình từ mô hình MIKE 11 liên kết với mô hình 145
Trang 9Hình 5 6 Dạng liên kết Zero ngăn chặn dòng chảy lưu thông từ mô hình MIKE 11 sang
mô hình MIKE 21 146
Hình 5 7 Mở file MIKE FLOOD 147
Hình 5 8 Kết nối trong MIKE FLOOD 147
Hình 5 9 Hiển thị màn hình khai báo liên kết 148
Hình 5 10 Thông số liên kết bên trái, phải của đoạn sông Trà Khúc 149
Hình 5 11 Kết nối MIKE 11 và MIKE 21 của các đoạn sông hạ lưu Trà Khúc trong MIKE FLOOD 149
Hình 5 12 Giao diện lựa chọn mô phỏng, ưu tiên về CPU và tốc độ 150
Hình 5 13: Dạng kết nối bên theo hình thức đập tràn từ mô hình MIKE 11 liên kết với mô hình MIKE 21 150
Hình 5 14: Kết quả hiệu chỉnh trận lũ năm 2013 151
Hình 5 15: Kết quả hiệu chỉnh vết lũ trận lũ năm 2013 151
Hình 5 16: Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại trạm Trà Khúc trận lũ năm 2013 152
Hình 5 17: Kết quả hiệu chỉnh trận lũ năm 2009 152
Hình 5 18: Kết quả hiệu chỉnh vết lũ trận lũ năm 2009 153
Hình 5 19: Kết quả kiểm định mực nước trận lũ năm 2009 153
Hình 5 20: Kết quả so sánh vêt lũ thực đo – mô phỏng MIKE 21 và MIKE FLOOD trận lũ năm 2013 154
Hình 5 21: Kết quả so sánh vêt lũ thực đo – mô phỏng MIKE 21 và MIKE FLOOD trận lũ năm 2009 154
Trang 10DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2 1: Các thông số chính trong mô hình NAM 38
Bảng 2 2: Tham số kiểm định và phạm vi dò tìm tối ưu 39
Bảng 2 3: Các tiểu lưu vực trên sông Vệ và Trà Khúc 57
Bảng 2 4: Bảng trọng số mưa dòng chảy lũ trên lưu vực sông Vệ - Trà Khúc 59
Bảng 2 5: Bộ thông số mô hình NAM áp dụng cho dòng chảy lũ trên lưu vực sông Trà Khúc và sông Vệ 63
Bảng 2 6: Hệ số chảy truyền K diễn toán theo Muskingum trên lưu vực sông Trà Khúc63 Bảng 2 7: Chỉ số đánh giá độ tin cậy của mô hình NAM áp dụng cho dòng chảy lũ trên các lưu vực sông tại trạm Sơn Giang và An Chỉ (dòng chảy lũ) 64
Bảng 3 1: Bộ thông số dòng chảy năm của mô hình NAM cho lưu vực sông Trà Khúc và sông Vệ 102
Bảng 3 2: Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình 105
Bảng 4 1: Kết quả so sánh vết lũ thực đo và mô phỏng trận lũ năm 2013 136
Bảng 4 2: Kết quả hiệu chỉnh tại Trà Khúc trận lũ 2013 137
Bảng 4 3: Kết quả so sánh vết lũ thực đo và mô phỏng trận lũ năm 2009 140
Bảng 4 4: Kết quả kiểm định tại Trà Khúc trận lũ 2009 141
Bảng 5 1: Kết quả chỉ số Nash và hệ số tương quan 152
Bảng 5 2: Kết quả chỉ số Nash và hệ số tương quan 154
Trang 11CHƯƠNG 1: ỨNG DỤNG GIS TRONG MÔ HÌNH THỦY VĂN – THỦY LỰC
Giới thiệu chung về phần mềm ArcGIS (Nguồn : http://www.geoviet.vn/)
ArcGIS (ESRI Inc - http://www.esri.com): là hệ thống GIS hàng đầu hiện nay, cung cấp
một giải pháp toàn diện từ thu thập / nhập số liệu, chỉnh lý, phân tích và phân phối thông tin trên mạng Internet tới các cấp độ khác nhau như CSDL địa lý cá nhân hay CSDL của các doanh nghiệp Về mặt công nghệ, hiện nay các chuyên gia GIS coi công nghệ ESRI
là một giải pháp mang tính chất mở, tổng thể và hoàn chỉnh, có khả năng khai thác hết các chức năng của GIS trên các ứng dụng khác nhau như: desktop (ArcGIS Desktop), máy chủ (ArcGIS Server), các ứng dụng Web (ArcIMS, ArcGIS Online), hoặc hệ thống thiết bị di động (ArcPAD) và có khả năng tương tích cao đối với nhiều loại sản phẩm của nhiều hãng khác nhau
Hình 1 1: Bộ phần mềm ứng dụng ArcGIS (Nguồn: ESRI)
ArcGIS Desktop (với phiên bản mới nhất là ArcGIS 10) bao gồm những công cụ rất mạnh để quản lý, cập nhật, phân tích thông tin và xuất bản tạo nên một hệ thống thông tin địa lý (GIS) hoàn chỉnh, cho phép:
Tạo và chỉnh sửa dữ liệu tích hợp (dữ liệu không gian tích hợp với dữ liệu thuộc tính)
- cho phép sử dụng nhiều loại định dạng dữ liệu khác nhau thậm chí cả những dữ liệu lấy
từ Internet;
Truy vấn dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính từ nhiều nguồn và bằng nhiều cách khác nhau;
Hiển thị, truy vấn và phân tích dữ liệu không gian kết hợp với dữ liệu thuộc tính;
Thành lập bản đồ chuyên đề và các bản in có chất lượng trình bày chuyên nghiệp ArcGIS Destop là một bộ phần mềm ứng dụng gồm: ArcMap, ArcCatalog, ArcToolbox, ModelBuilder, ArcScene và ArcGlobe Khi sử dụng các ứng dụng này đồng thời, người
sử dụng có thể thực hiện được các bài toán ứng dụng GIS bất kỳ, từ đơn giản đến phức tạp, bao gồm cả thành lập bản đồ, phân tích địa lý, chỉnh sửa và biên tập dữ liệu, quản lý
Trang 12dữ liệu, hiển thị và xử lý dữ liệu Phần mềm ArcGIS Desktop được cung cấp cho người dùng ở 1 trong 3 cấp bậc với mức độ chuyên sâu khác nhau là ArcView, ArcEditor, ArcInfo:
ArcView: Cung cấp đầy đủ chức năng cho phép biểu diễn, quản lý, xây dựng và phân
tích dữ liệu địa lý, các công cụ phân tích không gian cùng với việc biên tập và phân tích thông tin từ các lớp bản đồ khác nhau đồng thời thể hiện các mối quan hệ và nhận dạng các mô hình Với ArcView, cho phép:
Ra các quyết định chuẩn xác hơn dựa trên các dữ liệu địa lý;
Xem và phân tích các dữ liệu không gian bằng nhiều phương pháp;
Xây dựng đơn giản và dễ dàng các dữ liệu địa lý;
Tạo ra các bản đồ có chất lượng cao;
Quản lý tất cả các file, CSDL và các nguồn dữ liệu;
Tùy biến giao diện người dùng theo yêu cầu
ArcEditor: Là bộ sản phẩm có nhiều chức năng hơn, dùng để chỉnh sửa và quản lý dữ
liệu địa lý ArcEditor bao gồm các tính năng của ArcView và thêm vào đó là một số các công cụ chỉnh sửa, biên tập Với ArcEditor, cho phép:
Dùng các công cụ CAD để tạo và chỉnh sửa các đặc tính GIS;
Tạo ra các CSDL địa lý thông minh;
Tạo quy trình công việc một cách chuyên nghiệp cho 1 nhóm và cho phép nhiều người biên tập;
Xây dựng và giữ được tính toàn vẹn của không gian bao gồm các quan hệ hình học topo giữa các đặc tính địa lý;
Quản lý và mở rộng mạng lưới hình học;
Làm tăng năng suất biên tập;
Quản lý môi trường thiết kế đa người dùng với versioning;
Duy trì tính toàn vẹn giữa các lớp chủ đề và thúc đẩy tư duy logic của người dùng;
Cho phép chỉnh sửa dữ liệu độc lập (khi tạm ngừng kết nối với CSDL)
ArcInfo: Là bộ sản phẩm ArcGIS đầy đủ nhất ArcInfo bao gồm tất cả các chức năng
của ArcView lẫn ArcEditor Cung cấp các chức năng tạo và quản lý một hệ GIS, xử lý dữ liệu không gian và khả năng chuyển đổi dữ liệu, xây dựng dữ liệu, mô hình hóa, phân tích, hiển thị bản đồ trên màn hình máy tính và xuất bản bản đồ ra các phương tiện khác nhau Với ArcInfo, cho phép:
Xây dựng một mô hình xử lý không gian rất hữu dụng cho việc tìm ra các mối quan
hệ, phân tích dữ liệu và tích hợp dữ liệu;
Thực hiện chồng lớp các lớp vector, nội suy và phân tích thống kê;
Tạo ra các đặc tính cho sự kiện và chồng xếp các đặc tính của các sự kiện đó;
Chuyển đổi dữ liệu và các định dạng của dữ liệu theo rất nhiều loại định dạng;
Trang 13 Xây dựng những bộ dữ liệu phức tạp, các mô hình phân tích và các đoạn mã để tự động hóa các quá trình GIS;
Sử dụng các phương pháp trình diễn, thiết kế, in ấn và quản lý bản đồ để xuất bản bản
đồ
Ứng dụng của GIS trong các lĩnh vực
- Vì được thiết kế như một hệ thống chung để quản lý dữ liệu không gian, GIS có rất nhiều ứng dụng trong việc phát triển đô thị và môi trường tự nhiên như là: quy hoạch đô thị, quản lý nhân lực, nông nghiệp, điều hành hệ thống công ích, lộ trình, nhân khẩu, bản
đồ, giám sát vùng biển, cứu hoả và bệnh tật Trong phần lớn lĩnh vực này, GIS đóng vai trò như là một công cụ hỗ trợ quyết định cho việc lập kế hoạch hoạt động
- Môi trường
Theo những chuyên gia GIS kinh nghiệm nhất thì có rất nhiều ứng dụng đã phát triển trong những tổ chức quan tâm đến môi trường Với mức đơn giản nhất thì người dùng sử dụng GIS để đánh giá môi trường, ví dụ như vị trí và thuộc tính của cây rừng Ứng dụng GIS với mức phức tạp hơn là dùng khả năng phân tích của GIS để mô hình hóa các tiến trình xói mòn đất sư lan truyền ô nhiễm trong môi trường khí hay nước, hoặc sự phản ứng của một lưu vực sông dưới sự ảnh hưởng của một trận mưa lớn Nếu những dữ liệu thu thập gắn liền với đối tượng vùng và ứng dụng sử dụng các chức năng phân tích phức tạp thì mô hình dữ liệu dạng ảnh (raster) có khuynh hướng chiếm ưu thế
- Khí tượng thuỷ văn
Trong lĩnh vực này GIS được dùng như là một hệ thống đáp ứng nhanh, phục vụ chống thiên tai như lũ quét ở vùng hạ lưu, xác định tâm bão, dự đoán các luồng chảy, xác định mức độ ngập lụt, từ đó đưa ra các biện pháp phòng chống kịp thời… vì những ứng dụng này mang tính phân tích phức tạp nên mô hình dữ liệu không gian dạng ảnh (raster) chiếm ưu thế
-Nông nghiệp
Những ứng dụng đặc trưng: Giám sát thu hoạch, quản lý sử dụng đất, dự báo về hàng hoá, nghiên cứu về đất trồng, kế hoạch tưới tiêu, kiểm tra nguồn nước
- Dịch vụ tài chính
GIS được sử dụng trong lĩnh vực dịch vụ tài chính tương tự như là một ứng dụng đơn
lẻ Nó đã từng được áp dụng cho việc xác định vị trí những chi nhánh mới của Ngân hàng Hiện nay việc sử dụng GIS đang tăng lên trong lĩnh vực này, nó là một công cụ đánh giá rủi ro và mục đích bảo hiểm, xác định với độ chính xác cao hơn những khu vực
có độ rủi ro lớn nhất hay thấp nhất Lĩnh vực này đòi hỏi những dữ liệu cơ sở khác nhau như là hình thức vi phạm luật pháp, địa chất học, thời tiết và giá trị tài sản
- Y tế
Ngoại trừ những ứng dụng đánh gía, quản lý mà GIS hay được dùng, GIS còn có thể
áp dụng trong lĩnh vực y tế Ví dụ như, nó chỉ ra được lộ trình nhanh nhất giữa vị trí hiện tại của xe cấp cứu và bệnh nhân cần cấp cứu, dựa trên cơ sở dữ liệu giao thông GIS cũng
Trang 14có thể được sử dụng như là một công cụ nghiên cứu dịch bệnh để phân tích nguyên nhân bộc phát và lây lan bệnh tật trong cộng đồng
- Chính quyền địa phương
Chính quyền địa phương là một trong những lĩnh vực ứng dụng rộng lớn nhất của GIS, bởi vì đây là một tổ chức sử dụng dữ liệu không gian nhiều nhất Tất cả các cơ quan của chính quyền địa phương có thể có lợi từ GIS GIS có thể được sử dụng trong việc tìm kiếm và quản lý thửa đất, thay thế cho việc hồ sơ giấy tờ hiện hành Nhà cầm quyền địa phương cũng có thể sử dụng GIS trong việc bảo dưỡng nhà cửa và đường giao thông GIS còn được sử dụng trong các trung tâm điều khiển và quản lý các tình huống khẩn cấp
- Bán lẻ
Phần lớn siêu thị vùng ngoại ô được xác định vị trí với sự trợ giúp của GIS GIS thường lưu trữ những dữ liệu về kinh tế-xã hội của khách hàng trong một vùng nào đó Một vùng thích hợp cho việc xây dựng môt siêu thị có thể được tính toán bởi thời gian đi đến siêu thị, và mô hình hoá ảnh hưởng của những siêu thị cạnh tranh GIS cũng được dùng cho việc quản lý tài sản và tìm đường phân phối hàng ngắn nhất
- Giao thông
GIS có khả năng ứng dụng đáng kể trong lĩnh vực vận tải Việc lập kế hoạch và duy trì
cở sở hạ tầng giao thông rõ ràng là một ứng dụng thiết thực, nhưng giờ đây có sự quan tâm đến một lĩnh vực mới là ứng dụng định vị trong vận tải hàng hải, và hải đồ điện tử Loại hình đặc trưng này đòi hỏi sự hỗ trợ của GIS
- Các dịch vụ điện, nước, gas, điện thoại…
Những công ty trong lĩnh vực này là những người dùng GIS linh hoạt nhất, GIS được dùng để xây dựng những cơ sở dữ liệu là cái thường là nhân tố của chiến lược công nghệ thông tin của các công ty trong lĩnh vự này Dữ liệu vecto thường được dùng trong các lĩnh vực này những ứng dụng lớn nhất trong lĩnh vực này là Automated Mapping và Facility Management (AM-FM) AM-FM được dùng để quản lý các đặc điểm và vị trí của các cáp, valve… Những ứng dụng này đòi hỏi những bản đồ số với độ chính xác cao
Một tổ chức dù có nhiệm vụ là lập kế hoạch và bảo dưỡng mạng lưới vận chuyền hay
là cung cấp các dịch vụ về nhân lực, hỗ trợ cho các chương trình an toàn công cộng và hỗ trợ trong các trường hợp khẩn cấp, hoặc bảo vệ môi trường, thì công nghệ GIS luôn đóng vai trò cốt yếu bằng cách giúp cho việc quản lý và sử dụng thông tin địa lý một cách hiệu quả nhằm đáp ứng các yêu cầu hoạt động và mục đích chương trình của tổ chức đó
(Nguồn: http://www.esri.com.vn)
lực
Mục đích
Trang 15Công tác thu thập số liệu là khâu đầu tiên quan trọng nhất trong quá trình xây dựng, DEM là bộ cơ sở dữ liệu ban đầu cho xây dựng mô hình tính toán thủy lực cũng như phạm vi đối tượng cần nghiên cứu Để xây dựng bản đồ ngập lụt, dữ liệu địa hình cũng đã được thu thập tổng hợp từ nhiều nguồn khác nhau và đã xây dựng được bản đồ nền về độ cao địa hình tương đối chi tiết
Khi xây dựng công cụ mô hình thủy văn – thủy lực nhằm mô phỏng thoát lũ, cần phải có tài liệu về địa hình thay đổi theo quá trình phát triển, quy hoạch Để có thể mô phỏng tốt về ngập lũ cho khu vực nghiên cưú, khi các dự án sẽ phát triển trong tương lai cần phải mô phỏng lại những trận lũ lịch sử, để tìm được các bộ thông số mô hình đã kiểm nghiệm ứng với các trận lũ này Vì thế việc xây dựng DEM phải có nhiều kịch bản phát triển đô thị Việc xây dựng DEM phải căn cứ vào thời gian số liệu được khảo sát, phân tích đúng thời đoạn xây dựng cùng với sự quy hoạch khu vực
Các bước thực hiện
Quá trình xây dựng DEM được thực hiện qua các giai đoạn sau:
Hình 1 2: Sơ đồ quá trình tạo DEM
Qua quá trình phân tích, xử lý các số liệu đã thu thập được, đơn vị tư vấn sử dụng các số liệu phù hợp và đáng tin cậy để tạo DEM, phục vụ cho việc mô hình hóa thủy văn, thủy lực
Xây dựng mô hình cao độ số DEM (Digital Elevation Model), thể hiện địa hình của lưu vực dưới dạng GRID là số liệu đầu vào của các mô hình toán thủy văn - thủy lực DEM là cơ sở để xây dựng bản đồ ngập lụt cho các kịch bản mô phỏng các lũ lịch sử DEM là mô hình số mô phỏng độ cao địa hình bề mặt trái đất Ở bất kz vị trí nào
mô hình số địa hình được đặc trưng bởi z (độ cao địa hình) và tọa độ x, y trên mặt phẳng Tùy thuộc vào các phần mềm ứng dụng cụ thể có thể yêu cầu mô hình số độ cao
ở dạng DEM Độ phân giải DEM được xác định bằng kích thước ô lưới cơ bản của mô
Đi thực địa khảo sát địa hình
Hiệu chỉnh dữ liệu để tạo DEM
Tạo DEM
Xuất DEM
Trang 16hình, liên quan tới độ chính xác trong mô tả địa hình Để phục vụ trong việc xác định bản
đồ ngập lụt, độ phân giải của DEM ở đây được xác định theo mức cao nhất nhằm:
- Thể hiện chi tiết đặc điểm địa hình;
- Ước lượng sự ngập lũ và những đặc điểm phân bố mô hình thủy văn
e Phương pháp tiếp cận
- Phương pháp thủ công
Số hóa bản vẽ giấy, hay số liệu đo đạc được chuyển qua tọa độ x, y, z rồi nhập vào
GIS từng điểm dưới dạng point Phương pháp này đơn giản dễ dàng kiểm soát dữ liệu
đầu vào, nhưng tốn nhiều thời gian số hóa, dễ nhầm lẫn khi nhập dữ liệu vì số liệu đầu vào quá lớn, không khả thi cho việc xây dựng cũng như công tác quy hoạch sau này
Hình 1 3: Sơ đồ số hóa từ phương pháp thủ công
- Số hóa từ không ảnh:
Số hóa từ bản vẽ không ảnh dưới dạng ký tự số khác nhau vào GIS Cao trình từ viễn thám hàng không và trắc lượng ảnh, radar và độ cao laser Phương pháp này nhanh, tiết kiệm thời gian, nhưng độ chính xác không cao, phụ thuộc vào chất lượng tư liệu ảnh từ vệ tinh
Nhưng vị trí có sự biến đổi về địa hình nhỏ, và khu vực địa hình biến đổi bất thường thì dễ sai lệch về cao độ điểm
Cao độ điểm không đồng bộ trong cơ sở dữ liệu cũng như bản vẽ quy hoạch khớp nối thành phố sau này
Hình 1 4: Sơ đồ số hóa từ bản vẽ không ảnh từ viễn thám
Bản vẽ giấy Xử lý biên
tập số liệu
Số hóa dữ liệu từng điểm vào GIS
Tạo DEM Bản vẽ số hóa từ các
phần mềm khác
Trang 17- Số hóa từ các bản vẽ quy hoạch:
Số hóa từ các bản vẽ quy hoạch số như Mapinfo, Microtion, autocad, các file đo từ máy toàn đạc, được số hóa dưới dạng cao độ số trong GIS Phương pháp này nhanh, ít tốn thời gian, độ chính xác cao, dễ dàng kiểm tra hay kiểm định từ các bản vẽ thi công ngoài hiện trường, có tính đồng bộ số liệu cao Hạn chế là phải tinh lọc dữ liệu trước khi chuyển đổi
Dữ liệu GIS (data): dữ liệu địa lý (geo-referenced data), có thể coi thành phần này
là quan trọng nhất trong một hệ GIS; đây là dữ liệu bao gồm các dữ kiện: Vị trí địa lý, thuộc tính (attributes) của thông tin, mối liên hệ không gian (spatial relationships) của các thông tin, thời gian
Con người: Công nghệ GIS sẽ bị hạn chế nếu không có con người tham gia quản lý
hệ thống và phát triển những ứng dụng GIS trong thực tế Người sử dụng GIS có thể là những chuyên gia kỹ thuật, người thiết kế và duy trì hệ thống, hoặc những người dùng GIS để giải quyết các vấn đề trong công việc
Phương pháp: Phân tích dữ liệu không gian như tạo vùng đệm, vùng lân cận, thống
kê không gian và ghi các dữ liệu thuộc tính về biến, tập hợp Tạo mạng lưới tam giác bất quy tắc (TIN), hình thức nội suy tuyến tính bằng các đường breakline nối các điểm lại với nhau
Mạng lưới tam giác bất quy tắc (TIN-triangulated irregular network)
Mạng lưới tam giác bất quy tắc (TIN) được dùng trong GIS để mô tả hình thái bề mặt TIN là một dạng vector dựa trên dữ liệu địa hình số và được xây dựng bằng cách thành lập các hình tam giác từ tập hợp các điểm Tập hợp các điểm được nối lại với nhau bởi các đoạn thẳng, hình thành mạng lưới tam giác Có nhiều phương pháp nội suy khác nhau để tạo nên những tam giác này, trong ArcGIS sử dụng phương pháp tam giác Delaunay
Mạng lưới tam giác hình thành thỏa mãn tiểu chuẩn Tam giác Delaunay phải đảm bảo không có đỉnh nào nằm phía bên trong vòng tròn ngoại tiếp tam giác trong mạng
Trang 18lưới Nếu tiêu chuẩn Delaunay được thỏa mãn trong TIN, góc trong nhỏ nhất của tất cả các tam giác là nhỏ nhất được cực đại Các tam giác mỏng được tránh thành lập
Các đoạn thẳng của TIN là liên tiếp, các mặt tam giác không chồng lặp và có thể được sử dụng để định vị các đặc trưng tuyến tính hình thành quy luật trên bề mặt, ví dụ hình thành các đỉnh
Hình 1 7: Mô tả các nút và cạnh của TIN
Bằng mô hình TIN, bạn có thể biết được giá trị giữa của các điểm đã biết cũng như xác định các thuộc tính của các đối tượng như: đỉnh núi, sông suối, đường…
f Cách thức thực hiện
Dữ liệu xây dựng DEM, chủ yếu là dựa trên số hóa bản vẽ Autocad Hệ thống sông đưa vào mô hình được xây dựng từ bản đồ vệt sông, hoặc khảo sát v.v…
Dữ liệu sau khi thu thập và sử lý số liệu từ các file, Shapefile, autocad dưới dạng
*.xls và *.txt cao độ, điểm công trình (point), các vùng biên, quận, phường xã (Polygon) các con sông, các con đường (Polygon, Line) Các dữ liệu này được xây dựng trên cơ sở
dữ liệu cùng hệ tọa độ
Hình 1 8: Sơ đồ cấu trúc dữ liệu GIS
Mô hình dữ liệu GIS
Mô hình vector
Point
Line Polygon
Mô hình TIN (Triangulated irregular network)
Mô hình Raster
Trang 19Sau khi có bộ cơ sở dữ liệu cuối cùng tiến hành xây dựng mô hình cao độ số trên
cơ sở các bản đồ đã phân loại và số hóa từ các bản vẽ quy hoạch, bản vẽ địa hình
Hình 1 9: Phương pháp xây dựng DEM
1.3 Phân chia tiểu lưu vực bằng Arcgis
1.3.1 Giới thiệu chung về DEM mô hình số độ cao
DEM (Digital Elevation Model) là một cách số hóa miêu tả bề mặt thực địa Mô hình số hoá độ cao (DEM) là sự thể hiện bằng số sự thay đổi liên tục của độ cao trong không gian đều
1.3.2 Phương pháp tạo DEM
a Dùng các dụng cụ chuyên dụng chụp ảnh để thu thập dữ liệu của một vùng với các giá trị X, Y, Z của các điểm trên bề mặt quả đất Tiến hành tạo DEM từ số liệu dưới dạng là Raster hay Vector
b Tải DEM từ nguồn dữ liệu GIS miễn phí
Ví dụ: Natural Earth Data, ESRI Open Data, USGS Earth Explorer, …
Số hóa đưa dữ liệu vào GIS
Conversion đường Raster
Conversion nhà Raster GIS
Tạo TIN
Địa hình dạng Raster GIS
DEM hoàn chỉnh
Trang 20Hình 1 10: DEM lưu vực sông Trà Khúc
1.3.3 Các bước phân chia tiểu lưu vực
Bước 1: Tải và cài đặt Arc Hydro Tools cho ArcGIS đang sử dụng
Bước 2: Đưa menu Arc Hydro Tools vào thanh tiêu đề
Hình 1 11: Đưa công cụ ArcHydro Tools vào thanh tiêu đề
Bước 3: Chọn Fill Sinks (lc 3: Chọn Fill Sinksools và
Hình 1 12: Chọn công cụ Fill Sinks
Trang 21Hình 1 13: Kết quả sau khi dùng công cụ Fill Sinks
Bước 4: Chọn Flow Direction (hướng dòng chảy)
Hình 1 14: Chọn công cụ Flow Diretion
Hình 1 15: Kết quả dùng công cụ Flow Diretion
Trang 22Bước 5: Chọn Flow Accumulation ( tích tChọn Flow A, ttích tChọn Flow Acc
Hình 1 16: Chọn công cụ Flow Accumulation
Hình 1 17: Kết quả dùng công cụ Flow Accumulation
Bước 6: Chọn Stream Definition (định nghĩa dòng sông chính)
Hình 1 18: Kết quả dùng công cụ Stream Defintion
Trang 23Bước 7: Chọn Stream Segmentation (Phân dòng chảy chính)
Hình 1 19: Kết quả dùng công cụ Stream Segmentation
Bước 8: Chọn Catchment Grid Delineation (phác họa lưới lưu vực)
Hình 1 20:Công cụ Catchment Grid Delineation
Bước 9: Chọn Catchment Polygon Processing (xử lý vùng theo lưu vực)
Trang 24Hình 1 21: Chọn công cụ Catchment Polygon Processing
Hình 1 22: Kết quả dùng công cụ Catchment Polygon Processing
Bước 10: Chọn Drainage Line Processing (Đường thoát nước)
Hình 1 23: Chọn công cụ Drainage Line Processing
Trang 25Hình 1 24: Kết quả dùng công cụ Drainage Line Processing
Bước 11: Chọn vị trí chia lưu vực Point Delineation (điểm phân dòng chảy)
Hình 1 25: Dùng công cụ Point Delineation để phân chia dòng chảy
Hình 1 26: Kết quả dùng công cụ Point Delineation
Kết quả phân chia tiểu lưu vực sông Trà Khúc
Trang 26Hình 1 27: Bản đồ phân chia tiểu lưu vực vùng nghiên cứu
1.4 Ứng dụng Arcgis xây dựng bản đồ ngập lụt
- Hiện nay việc sử dụng Arcgis xây dựng các mô hình để mô phỏng ngập lụt khá phổ biến , điển hình là hai bộ phần mềm MIKE (được phát triển bởi Viện địa lý Đan Mạch (DHI)) và bộ phần mềm HEC-RAS (được phát triển bởi Hiệp hội Kỹ sư quân đội Hoa Kỳ) Trong cuốn sách này sẽ sử dụng mô hình MIKE để mô phỏng ngập lụt sông Trà Khúc Dưới đây là các bước sử dụng cộng cụ ArcGis để thành lập bản đồ ngập lụt từ kết quả MIKE 21 hoặc MIKE FLOOD mô phỏng
Các bước xây dựng bản đồ ngập lụt hạ lưu sông Trà Khúc, sông Vệ
Bước 1: Xuất kết quả trong mô hình MIKE 21 ( hoặc MIKE FLOOD)
- Trước tiên, mở kết quả mô phỏng MIKE 21 (hoặc MIKE FLOOD), nếu trên thanh tiêu
đề chưa xuất hiện chữ “Tools” có thể làm như sau : trên thanh tiêu đề chọn File =>
Options => Use settings => File Accociations => Ở Cột Editor tương ứng với cột File type tại dòng dfsu chọn Data Manager => Nhấn OK => Thoát phần mềm => Vào lại
sẽ xuất hiện chữ “Tools” trên thanh tiêu đề.
Trang 27Hình 1 28: Giao diện ở chế độ do người dùng quản lý dùng để tính toán
- Sau khi đã xuất hiện chữ “Tools” như hình 1.28, chọn Tools => Calculate statistics,
phầnmềm sẽ tự động tính toán ngập lụt tương ứng với 3 mức độ : Statistical maximum
(lớn nhất ), Statistical mean (trung bình) và Statistical minimum (nhỏ nhất) Để xây
dựng bản đồ ngập lụt chọn mức độ ngập lụt lớn nhất.
Hình 1 29: Giao diện kết quả tính toán ngập lụt lớn nhất khu vực nghiên cứu
- Xuất kết quả ngập lụt lớn nhất bằng cách : chọn Tools => tích vào ô vuông có dòng Statistical maximum => Nhấn OK Kết quả sau khi xuất là tệp có dạng XYZ File
Trang 28với 4 cột là 4 thuộc tính có dạng tọa độ X, Y, Z đáy (cao trình địa hình), Z (Cao độ
ngập) Có thể chuyển tệp XYZ file về dạng xlsx (Excel) hoặc txt (Text)
Bước 2: Sử dụng ArcGis để thành lập bản đồ
- Đối với tệp kết quả ở dạng xlsx (excel), có thể dùng công cụ ArcToolbox để
chuyển kết quả đã xuất từ MIKE vào ArcGis Các bước làm như sau: bật công cụ
ArcToolbox => Conversion Tools => Excel => Excel to Table => Tìm đến tệp excel đã
xuất từ MIKE => nhấn OK
- Đối với tệp kết quả có dạng txt, có thể dùng công cụ Catalog tìm đường dẫn đến
file đó và mở trực tiếp vào Tệp được đưa vào ArcGis được thể hiện như hình dưới đây:
Hình 1 30: Giao diện sau khi đưa kết quả từ mô hình MIKE
- Để chuyển kết quả về dạng điểm : click chuột phải => chọn Display XY Data =>
chọn các thuộc tính tương ứng với X, Y, Z và chọn hệ tọa độ tương ứng =>
Nhấn OK, kết quả được thể hiện ở hình dưới đây:
Trang 29Hình 1 31: Chọn tọa độ X, Y, Z tương ứng
- Nhấn OK, cho kết quả thể hiện như sau:
Hình 1 32: Kết quả mô phỏng từ MIKE được chuyển qua công cụ ArcGis
- Tiếp theo, Export tệp vừa tạo và lưu vào thư mục tùy chọn Sau đó, vào
ArcToolbox => 3D Analyst Tools => Raster Interpolation => IDW để nội suy
những điểm đã được tạo trước đó, được thể hiện hình dưới đây:
Trang 30Hình 1 33: Giao diện công cụ nội suy IDW
Hình 1 34: Kết quả sau khi nội suy bằng công cụ IDW
Nhận xét: Với kết quả từ mô hình MIKE xuất ra sẽ cho kết quả ở dạng điểm; mô hình MIKE quy ước rằng những vị trí không bị ngập sẽ có cao độ và chiều sâu ngập bằng 0, vì vậy khi ta nội suy kết quả sẽ bị ngập toàn vùng như hình 1.34 nên kết quả sẽ sai Ngoài
Đầu vào là dạng điểm (point) Thuộc tính ( chọn cao độ)
Chọn thư mục để lưu
Ô lưới sau khi nội suy
Trang 31ra, vì chưa biết phạm vi ngập thế nào nên những vùng được khoanh như hình trên cần phải được xử lý Để giải quyết việc này có thể làm như sau; tạo một vùng bao như hình dưới đây
- Vùng bao được tạo như sau: Click phải chuột vào một thư mục bất kì ở công cụ
Catalog và chọn “shapefile” dạng vùng (polygon) => Vẽ 1 vùng bao như hình
dưới:
Hình 1 35: Tạo đường bao ngập cắt đi các vùng nội suy bị sai
Nội suy cao độ ngập theo vùng
Chọn công cụ IDW và điền các mục như trên, sau đó chọn Enviroments => Raster
Analysis và chọn As specified Below, ở tiêu đề Mask chọn vùng bao đã tạo, được thể hiện
như hình vẽ sau:
Trang 32Hình 1 36: Giao diện nội suy theo vùng bao
Hình 1 37: Kết quả sau khi nội suy theo đường bao Nhận xét: Kết quả nội suy vẫn còn các vùng có giá trị bằng 0, để loại bỏ các vùng này ta phải chọn một trị số nào đó thuộc phạm vi (0;1), bằng cách thử dần từ 0 đến 1 và đối
Trang 33chiếu với các giá trị đã xuất ở dạng điểm (dạng shapefile) Kết quả được thể hiện như sau:
Hình 1 38: Kết quả sau khi xử lý
Cuối cùng; để làm bản đồ ta sử dụng công cụ Reclassify để phân vùng, những vùng nào thuộc từ (0 – 0,5) ( tức là dạng điểm xuất trong MIKE bằng 0) sẽ bỏ đi
Chọn ArcToolsbox => Spatial Analyst Tools => Reclass => Reclassify, sau đó chọn đối tượng cần phân vùng và lưu, được thể hiện ở hình dưới đây:
Trang 34Hình 1 39: Giao diện công cụ phân vùng Reclassify
Hình 1 40: kết quả cuối cùng để làm bản đồ
Bước 3: Xây dựng bản đồ ngập lụt
- Để xây dựng bản đồ ngập lut , cần có đầy đủ các thông tin về các vị trí UBND, đường, sông, suối, ranh giới hành chính , đường đồng mức;…
Trang 35Kết quả xây dựng bản đồ ngập lụt được thể hiện ở hình dưới đây:
Hình 1 41: Bản đồ ngập lụt hạ lưu sông Trà Khúc
Trang 36CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH THỦY VĂN MIKE NAM
2.1 Cơ sở lý thuyết về mô hình NAM
NAM là từ viết tắt của tiếng Đan Mạch “Nedbor – Afstromnings – Model”, có nghĩa là mô hình giáng thủy – dòng chảy mặt Mô hình này đầu tiên do Khoa Tài Nguyên nước và Thuỷ lợi của Trường Đại học Đan Mạch xây dựng (Nielsen và Hansen, 1973)
Mô hình thủy động lực MIKE 11, mô hình NAM đã được tích hợp như là
một môđun tính quá trình dòng chảy từ mưa, => mô hình MIKE-NAM
NAM = Giáng thủy – Dòng chảy mặt – Mô hình
Cấu trúc của mô hình NAM
Mô hình NAM được xây dựng trên nguyên tắc xếp 5 bể chứa theo chiều thẳng đứng và 2 bể chứa tuyến tính nằm ngang (hình 2.1):
Hình 2 1: Cấu trúc mô hình Nam
2.1.1 Bể chứa mặt
Lượng ẩm trữ trên bề mặt của thực vật, cũng như lượng nước điền trũng trên
bề mặt lưu vực được đặc trưng bởi lượng trữ bề mặt Umax đặc trưng cho giới hạn trữ nước tối đa của bể này
Lượng nước U trong bể chứa mặt sẽ giảm dần do bốc hơi, do thất thoát theo phương nằm ngang (dòng chảy sát mặt) Khi lượng nước này vượt quá ngưỡng Umax thì một phần của lượng nước vượt ngưỡng PN sẽ chảy vào suối dưới dạng dòng chảy tràn bề mặt phần còn lại sẽ thấm xuống bể sát mặt và bể ngầm
Trang 37độ ẩm tương đối L/Lmax của tầng rễ cây:
max
max
max
10
N
L TOF
Trong đó: CQOF là hệ số dòng chảy mặt (0 ≤ CQOF≤ 1) TOF là
ngưỡng của dòng chảy mặt (0 ≤ TOF≤ 1) Phần còn lại của PN sẽ thấm xuống dưới Một phần (PN -QOF) thấm xuống dưới này sẽ làm tăng lượng ẩm L của bể chứa tầng rễ cây Phần còn lại sẽ thẩm thấu xuống sâu hơn để bổ xung cho bể chứa tầng ngầm
0
L TIF
Trong đó: TIF là ngưỡng sinh ra dòng chảy sát mặt (0 ≤ TIF≤ 1)
CKIF là hằng số thời gian của dòng chảy sát mặt
Trang 38L TG
2.1.8 Diễn toán dòng chảy mặt và dòng chảy sát mặt
Dòng chảy mặt và dòng chảy sát mặt sẽ được diễn toán thông qua hai bể chứa tuyến tính theo thời gian với cùng một hằng số thời gian CK1,2
2.1.9 Diễn toán dòng chảy ngầm
Dòng chảy ngầm được diễn toán thông qua một bể chứa tuyến tính theo thời gian với hằng số thời gian CKBF
Bảng 2 1: Các thông số chính trong mô hình NAM
Lmax
Lượng nước tối đa trong bể chứa tầng rễ cây Lmax có thể gọi là lượng
ẩm tối đa của tầng rễ cây để thực vật có thể hút để thoát hơi nước
Umax
Lượng nước tối đa trong bể chứa mặt Lượng trữ này có thể gọi là lượng nước để điền trũng, rơi trên mặt thực vật và chứa trong vài cm của bề mặt đất
sát mặt CKIF >>CK12
TOF Giá trị ngưỡng của dòng chảy mặt (0≤TOF≤1) Dòng chảy mặt chỉ hình
thành khi lượng ẩm tương đối của đất ở tầng rễ cây lớn hơn TOF
Trang 39TIF Giá trị ngưỡng của dòng chảy sát mặt (0≤TIF≤1) Dòng chảy sát mặt chỉ
hình thành khi lượng ẩm tương đối của tầng rễ cây lớn hơn TIF
CK12
Hằng số thời gian cho diễn toán dòng chảy sát mặt và sát mặt Dòng chảymặt và sát mặt được diễn toán theo các bể chứa tuyến tính theo chuỗi với cùng với một hằng số thời gian CK12
CKBF
Hằng số thời gian dòng chảy ngầm Dòng chảy ngầm từ bể chứa ngầmđược tạo ra sử dụng mô hình bể chứa tuyến tính với hằng số thời gian CKBF
TG Giá trị ngưỡng của lượng nước bổ sung cho dòng chảy ngầm (0≤TG≤ 1)
Lượng nước bổ sung cho bể chứa ngầm chỉ được hình thành khi chỉ số ẩm tương đối của tầng rễ cây lớn hơn TG
Quy trình hiệu chỉnh:
1 Đầu tiên, điều chỉnh phù hợp về:
– Lmax và Umax cho cân bằng nước;
– CQof và CK1,2 cho đỉnh;
– CKBF cho dòng chảy đáy
2 Lặp lại sự điều chỉnh cho tham số khác:
– Xác định thay đổi tham số, giống như để thúc đẩy kiểm tra;
– Chỉ thay đổi tham số;
– Làm một số sự thay đổi quan trọng trong lần đầu
Lộ trình kiểm định tự động
Việc kiểm định mô hình NAM cơ bản bao gồm 9 thông số mô hình liệt kê trong
Bảng 2.2, lộ trình kiểm định tối ưu tự động có sẵn, được dựa trên một chiến lược
tối ưu hóa đa mục tiêu trong đó bốn mục tiêu kiểm định khác nhau được cung cấp có thể được tối ưu hóa một cách đồng thời
Bảng 2 2: Tham số kiểm định và phạm vi dò tìm tối ưu
Parameter
(Thông số)
Unit (đơn vị)
Lower bound (Giới hạn dưới)
Upper bound (Giới hạn trên)
Trang 40TIF [-] 0 0.9
Phương pháp kiểm định tối ưu đa mục tiêu
Trong kiểm định tối ưu đa mục tiêu, trong mô hình MIKE NAM có sử dụng 4 mục tiêu cho người sử dụng lựa chọn cần tối ưu để xác định các thông số như sau:
1 Hàm mục tiêu ở đây sai số giữa tổng lượng dòng chảy mô phỏng và quan sát là
bé nhất (tức sai số về cân bằng nước là bé nhất);
2 Hàm mục tiêu là sai giữa đường quá trình quan sát và thực đo là bé nhất;
3 Thống nhất giữa dòng chảy đỉnh: RMSE trung bình của dòng chảy đỉnh;
4 Thống nhất dòng chảy thấp: RMSE trung bình cho dòng chảy thấp Sai
số về tổng lượng
F1(θ) = (2.2) Trong đó:
Qobs,i là lưu lượng quan sát tại thời điểm i;
Qsim,i là lưu lượng mô phỏng tại thời điểm i;
θ:là bộ tham số mô hình được kiểm định;
N là số bước thời gian mô phỏng
Sai số trung bình giữa đường quá trình mô phỏng và thực đo là bé nhất
F2(θ) = (2.2)
Hệ số xác định trong công thức (2.2) được một biện pháp chuẩn hoá của RMSE tổng hợp (chuẩn hoá với khía cạnh thay đổi của đường thuỷ văn được quan sát) Do
đó, sự tối ưu hoá hàm mục tiêu (2.2) tương xứng với chỉ số Nash R2
Sai số trung bình giữa đỉnh đường mô phỏng và thực đo là bé nhất RMSE F3(θ)
= (2.3) Trong đó MP là số sự kiện dòng chảy đỉnh trong thời gian kiểm định và nj
là số bước thời gian trong sự kiện số j Dòng chảy đỉnh được xác định như là
giai đoạn mà ở đó lưu lượng được quan sát được dưới mức giá trị ngưỡng
Sai số trung bình giữa chân đường mô phỏng và thực đo là bé nhất RMSE
F3(θ) = (2.4)