Báo cáo khoa học: " MÔ HÌNH THUỶ VĂN DÒNG CHẢY RRMOD VÀ MỘT SỐ KINH NGHIỆM HIỆU CHỈNH BỘ THÔNG SỐ CỦA MÔ HÌNH" doc

1 MÔ HÌNH THUỶ VĂN DÒNG CHẢY RRMOD VÀ MỘT SỐ KINH NGHIỆM HIỆU CHỈNH BỘ THÔNG SỐ CỦA MÔ HÌNH Nguyễn Đăng Thạch Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Mô hình RRMOD thường đ

1

MÔ HÌNH THUỶ VĂN DÒNG CHẢY RRMOD VÀ MỘT SỐ

KINH NGHIỆM HIỆU CHỈNH BỘ THÔNG SỐ CỦA MÔ HÌNH

Nguyễn Đăng Thạch

Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

TÓM TẮT

Mô hình RRMOD thường được dùng để phục hồi dòng chảy cho các sông suối không

có tài liệu đo đạc lưu lượng, bằng cách dựa vào trạm thuỷ văn trong vùng để hiệu chỉnh các bộ thông số của mô hình đạt tiêu chuẩn tối ưu hoá Sử dụng bộ thông số mô hình này cùng với diện tích lưu vực, tình hình sử dụng đất trong vùng, lượng bốc hơi, lượng mưa lưu vực, dùng

mô hình RRMOD để tính toán phục hồi lại dòng chảy cho các sông suối của lưu vực nghiên cứu Bài báo đề cập đến phương pháp xác định lượng mưa và lượng bốc hơi lưu vực, thuật toán sử dụng và một số kinh nghiệm khi hiệu chỉnh bộ thông số của mô hình RRMOD

ABSTRACT

The RRMOD model is usually used to track the data of water current of rivers and streams which have not been previously recorded The model is able to generate optimized standard parameters basing on the data collected from local hydrological stations By using the parameters recorded by RRMOD and the information on basin area, local land planning and water evaporation and rainfall, we are able to calculate parameters that help to recover the water currents of the observed basin This article deals with the ways to determine water evaporation and rainfall in the basin It is also concerned with the application of algorithm and our experiences in dealing with the regulation of RRMOD parameters

1 Đặt vấn đề

Trong công tác quy hoạch, lập dự án đầu tư, thiết kế, khai thác quản lý các công trình thuỷ lợi, thuỷ điện, công trình cấp nước sinh hoạt và công nghiệp, tài liệu về dòng chảy và sự phân phối dòng chảy trong năm là tài liệu thuỷ văn rất quan trọng Tài liệu này giúp cho việc phân tích, đánh giá dòng chảy mặt của các lưu vực sông, làm cơ sở cho việc tính toán cân bằng nước, xác định nguồn tài nguyên nước mặt, để đưa ra các phương án quy hoạch khai thác bền vững nguồn nước, đưa ra các giải pháp công trình hợp lý, xác định qui mô, kích thước các công trình, các phương án vận hành quản lý công trình Hiện nay do các trạm thuỷ văn cấp 1 (có đo đạc lưu lượng với số năm quan trắc trên 15 năm) được bố trí rất ít và thường khống chế lưu vực lớn Như ở tỉnh Thừa Thiên Huế, trên hệ thống sông Hương (gồm sông Tả Trạch, sông Hữu Trạch và sông Bồ) hiện nay chỉ có trạm thuỷ văn cấp 1 Thượng Nhật (sông Tả Trạch), tỉnh Quảng Nam và thành phố Đà Nẵng có trạm thuỷ văn Thạnh Mỹ (sông Vu Gia) và trạm Nông Sơn (sông Thu Bồn), tỉnh Quảng Ngãi có trạm An Chỉ (sông Trà Khúc), và trạm Sông Vệ (sông

Vệ), tỉnh Bình Định có trạm An Lão (sông An Lão) và trạm Cây Muồng (sông Kône), tỉnh Phú Yên có trạm Cũng Sơn (sông Ba) Còn các sông nhánh và các hệ thống sông khác ở địa bàn các tỉnh trên, không có tài liệu đo đạc dòng chảy nên gây khó khăn rất nhiều khi đáng giá khả năng dòng chảy khi xây dựng công trình khai thác nguồn nước của các sông trên

Phương pháp sử dụng mô hình thuỷ văn dòng chảy thường hay được áp dụng nhằm đánh giá khả năng dòng chảy của các lưu vực nghiên cứu không có tài liệu thực

đo, hoặc có tài liệu thực đo nhưng không đủ dài, bằng cách dựa vào các bộ thông số của

mô hình đã được hiệu chỉnh qua số liệu thực đo của các trạm thuỷ văn trong vùng Với

bộ thông số của mô hình kết hợp với diện tích lưu vực, diện tích các loại đất trong vùng, lượng bốc hơi, lượng mưa của lưu vực nghiên cứu sẽ tính toán phục hồi lại dòng chảy của lưu vực nghiên cứu

Để kéo dài và phục hồi dòng chảy năm của các lưu vực có liệt tài liệu quan trắc ngắn hoặc không có tài liệu thực đo, có thể sử dụng các mô hình thủy văn dòng chảy như: Mô hình TANK, SSARR, NAM ( MIKE), RRMOD

2 Giới thiệu các mô hình RRMOD mô phỏng dòng chảy

Mô hình RRMOD (Rainfall Runoff Model) được xây dựng vào năm 1981 do phòng Quy hoạch và Máy tính thuộc Ban Thư ký sông Mê Kông và được sử dụng cho nhiều loại lưu vực Mô hình RRMOD là mô hình dùng để tính toán và nghiên cứu dòng chảy tháng cho lưu vực sông, khôi phục và kéo dài liệt tài liệu dòng chảy ở lưu vực không có tài liệu thực đo hoặc có nhưng thiếu tài liệu Trong mô hình có mô tả hàm thấm và hàm bốc hơi của lưu vực nên rất phù hợp với việc đánh giá tài nguyên nước, ngoài ra mô hình chỉ có 25 thông số nên việc dò tìm khá thuận lợi khi sử dụng

chảy năm và dòng chảy năm thiết kế cho các nhánh sông suối không có hoặc thiếu tài liệu thực đo, phục vụ cho việc tính toán cân bằng tài nguyên nước mặt trong dùng trong công tác quy hoach, lập dự án đầu tư, thiết kế, khai thác quản lý các công trình lợi, thuỷ điện, các công trình cấp nước sinh hoạt và công nghiệp

3 Cấu trúc mô hình RRMOD

Cấu trúc của mô hình RRMOD đã được tác giả trình bày trong đề tài khoa học

và công nghệ cấp Đại học Đà Nẵng

RRMOD, phục vụ việc xây dựng các công trình thuỷ lợi - thuỷ điện trên lưu vực sông Thu Bồn tỉnh Quảng Nam“ Mã số: T05-15-91 năm 2005

Đề tài đã được nghiệm thu và cấp giấy “Xác nhận đã hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu đề tài khoa học và công nghệ cấp Đại học Đà Nẵng“ ngày 20 tháng 8 năm

2007 của Đại học Đà Nẵng

Mô hình RRMOD có các thông số và các điều kiện sau:

 25 thông số điều hành của mô hình: từ a1 đếna25

3

 3 hệ số cường độ thấm: FILCA, PERCA,DPERCA

 Sáu điều kiện đầu là: SAImin, SAmin, SFmin, SLmin, SSmin, SBmin

 Hệ số hiệu chỉnh mưa cho các tháng: 12 hệ số

Các tiêu chuẩn để tối ưu hoá các thông số của mô hình:

 Hệ số tương quan giữa kết quả tính toán và số liệu thực đo (Correlation Coefficient) phải đạt  0.9

 Chỉ số Nash - Sutcliffe  85

 Hệ số cân bằng tổng lượng nước toàn năm (Water blance index of year) phải đạt 1.0  0.01

 Hệ số cân bằng tổng lượng nước của từng tháng (Water blance index of month) phải đạt 1.0  0.10

4 Xác định bộ thông số mô hình RRMOD

Để tính toán khôi phục dòng chảy cho các nhánh sông suối không có tài liệu đo đạc dòng chảy, trước hết cần tìm bộ thống số mô hình RRMOD áp dụng cho trạm thủy văn trong vùng Bộ thông số mô hình RRMOD được xác định theo thuật toán dò tìm tối

ưu, trên cơ sở so sánh kết quả tính toán từ mô hình với số liệu dòng chảy thực đo của các trạm thuỷ văn và theo các tiêu chuẩn tối ưu như đã nêu trên

4.1 Tài liệu khí tượng thuỷ văn dùng trong mô hình RRMOD

Lưu lượng thực đo bình quân tháng của trạm thuỷ văn

Lượng mưa tháng của lưu vực trạm thuỷ văn

Lượng bốc hơi tháng của lưu vực trạm thuỷ văn

4.2 Xác định bộ thông số mô hình RRMOD cho lưu vực trạm thuỷ văn

Chương trình máy tính dùng để tính toán mô phỏng dòng chảy theo mô hình RRMOD cần có 2 file nhập liệu: BD1.d, RRMOD.run Kết quả trong 2 file: K1,K2

a) File BD1.d:

Chứa các số liệu sau:

 Bộ thông số điều hành của mô hình gồm 25 thông số

 Diện tích lưu vực, diện tích đất nông nghiệp, diện tích đất rừng: 3 giá trị

 Cường độ thấm: 3 thông số

 Ẩm độ: 12 thông số

 Hệ số hiệu chỉnh mưa cho các tháng: 12 hệ số

 Hệ số thay đổi diện tích đất nông nghiệp: số hệ số bằng số năm nghiên cứu, giá trị là hệ số giữa diện tích đất nông nghiệp năm đang xét với diện tích đất nông nghiệp năm đầu tiên

 Hệ số thay đổi diện tích đất rừng: số hệ số bằng số năm nghiên cứu, giá trị là hệ

số giữa diện tích đất rừng năm đang xét với diện tích đất đất rừng năm đầu tiên

b) File RRMOD.run:

Gồm số liệu khí tượng thuỷ văn File này chứa:

 Tài liệu mưa lưu vực

 Tài liệu bốc hơi

 Tài liệu dòng chảy thực đo

c) File K1

Kết qủa quá trình dòng chảy của lưu vực mô phỏng từ mưa

d) File K2:

Kết qủa các dòng chảy thành phần

Việc xác định các thông số của mô hình RRMOD cho lưu vực trạm thuỷ văn

thực hiện theo thuật toán dò tìm tối ưu

4.3 Đánh giá kết quả hiệu chỉnh bộ thông số mô hình:

Có 4 tiêu chuẩn để tối ưu hoá các thông số của mô hình:

 Hệ số tương quan giữa kết quả tính toán và số liệu thực đo (Correlation

Coefficient) phải đạt  0.9

 Chỉ số Nash - Sutcliffe  85

 Hệ số cân bằng tổng lượng nước toàn năm (Water blance index of year) phải đạt

1.0  0.01

 Hệ số cân bằng tổng lượng nước của từng tháng (Water blance index of month)

phải đạt 1.0  0.10

5 Phục hồi dòng chảy năm các sông suối không có tài liệu đo đạc dòng chảy

Sử dụng các bộ thông số mô hình RRMOD của lưu vực trạm thuỷ văn, tiến hành

xác định quá trình dòng chảy năm cho các sông suối không có tài liệu đo đạc dòng chảy

trong vùng với các tài liệu sau: diện tích lưu vực, tài liệu mưa, tài liệu bốc hơi, tình hình

sử dụng đất của các sông suối đó

5.1 Tài liệu mưa và bốc hơi lưu vực của các sông, suối nhánh

vực cho các sông suối, theo số liệu của các trạm đo mưa và trạm khí tượng trong lưu

vực và vùng lân cận, cách xác định tương tự như tính cho lưu vực của trạm thuỷ văn

Lượng mưa của lưu vực nghiên cứu được xác định theo công thức

( mm) (1)

5

- n: Số trạm đo mưa đưa vào tính toán

- F: Diện tích của lưu vực

tính toán, tính bằng tỷ trọng khoảng cách từ trạm mưa đến trọng tâm lưu vực

Phương pháp này có độ chính xác cao và khắc phục được nhược điểm của các phương pháp tính mưa thường dùng

Lượng bốc hơi lưu vực cũng được tính theo phương pháp bình quân gia quyền

5.2 Kết quả phục hồi dòng chảy năm các sông, suối nhánh

Bộ thông số mô hình RRMOD của trạm thuỷ văn được dùng để phục hồi dòng chảy cho các sông suối không có tài liệu đo đạc dòng chảy

Kết quả dòng chảy năm của các sông, suối trong lưu vực được phục hồi dòng chảy theo số năm của liệt tài liệu mưa và bốc hơi lưu vực của các sông suối đó

Từ các số liệu dòng chảy năm của các sông suối trên tính chuẩn dòng chảy năm

và dòng chảy năm thiết kế theo các tần suất thiết kế của các loại công trình cần nghiên cứu

6 Một số kinh nghiệm hiệu chỉnh bộ thông số của mô hình RRMOD

6.1 Giá trị của các thông số mô hình RRMOD

Bi (sông Bồ), Bình Điền (sông Hữu Trạch), Thượng Nhật (sông Tả Trạch), Thạnh Mỹ (sông Vu Gia), Nông Sơn (sông Thu Bồn), An Chỉ (sông Trà Khúc), Sông Vệ (sông Vệ), Cây Muồng (sông Kône), An Khê (sông Ia Ba), Ayun Hạ (sông Ayun), Krông Hnăng (sông Krông Hnăng), Sông Hinh (sông Hinh), Cũng Sơn (sông Ba)

sông ở miền Trung có thể tham khảo theo bảng sau:

Bảng 1 Giá trị của cá bộ thông số mô hình RRMOD đối với các sông ở miền Trung

Tên thông số Ký

hiệu

Đơn

vị

Từ - đến

Tên thông số Ký

hiệu

Đơn

vị

Từ - đến

Th số hàm bốc hơi trên diện tích đất nông

nghiệp

Thông số tập trung dòng chảy trên diện tích đất

NN

Thông số biểu thị ảnh hưởng của của việc thấm

nước xuống lớp dưới trên diện tích đất nông

nghiệp

Thông số của hàm mao dẫn trên diện tích đất

NN

Thông số của hàm bốc hơi trên diện tích đất

rừng

Th số tập trung dòng chảy trên diện tích đất

rừng

Thông số biểu thị ảnh hưởng của của việc thấm

nước xuống lớp dưới trên diện tích đất rừng

Thông số của hàm mao dẫn trên diện tích đất

rừng

Thông số của hàm bốc hơi trên diện tích đất

trống

Th số tập trung dòng chảy trên diện tích đất

trống

Thông số biểu thị ảnh hưởng của của việc thấm

nước xuống lớp dưới trên diện tích đất trống

7

Tên thông số Ký

hiệu

Đơn

vị

Từ - đến

Thông số của hàm mao dẫn trên diện tích đất

trống

Thông số của hàm bốc hơi trên diện tích dưới

mặt

Th số tập trung dòng chảy trên diện tích đất

trống

Thông số biểu thị ảnh hưởng của của việc thấm

nước xuống lớp dưới đối với lớp dưới mặt

Thông số của hàm mao dẫn đối với lớp dưới

mặt

Lượng trữ nước nhỏ nhất trên diện tích đất nông

nghiệp

6.2 Hiệu chỉnh theo nhóm cho các bộ thông số mô hình RRMOD

Trong 25 thông số của bộ thông số mô hình RRMOD và 6 điều kiện ban đầu có thể chia thành 7 nhóm như sau:

Nhóm 1: a1, a7, a13: Thông số điều chỉnh lượng mưa theo từng vùng

Nhóm 2: a2, a8, a14, a19: Thông số của hàm bốc hơi

Nhóm 3: a3, a9, a15, a20, a24: Thông số tập trung dòng chảy của các phần diện tích trên măt, dưới mặt và dưới ngầm

Nhóm 4: a4, a10, a16, a21: Thông số biểu thị ảnh hưởng của lượng trử nước lớp trên đối với lượng nước thấm xuống lớp dưới

Nhóm 5: a5, a11,a17, a22, a25: Thông số của hàm thấm

Nhóm 6: a6, a12, a18, a23: Thông số của hàm mao dẫn

Nhóm 7: SAImin, SAmin, SFmin, SLmin, SSmin, SBmin: Thông số của điều kiện phát sinh dòng chảy

thuật toán dò tìm tối ưu, đầu tiên chọn giá trị của các thông số là giá trị trung bình, sau

đó cộng thêm gia số, nếu chỉ số Nash – Sutcliffe tăng lên tiếp tục cộng thêm gia số , gia

số có thể có giá trị dương hay giá trị âm Giá trị lựa chọn cho các thông số khi hệ số tương quan và chỉ số Nash – Sutcliffe đạt giá trị cực đại và nhóm 7 là nhóm hiệu chỉnh cuối cùng

6.3 Hiệu chỉnh hệ số mưa cho các tháng của mô hình RRMOD

Việc hiệu chỉnh các hệ số mưa từ tháng 1 đến tháng 12 ảnh hưởng đến hệ số cân bằng tổng lượng nước toàn năm và hệ số cân bằng tổng lượng nước từng tháng Sau khi

đã hiệu chỉnh xong 7 nhóm thông số của mô hình, tiến hành hiệu chỉnh hệ số cân bằng tổng lượng nước từng tháng, các hệ số này phải nằm trong khoảng 0,9 đến 1,1 mới đạt yêu cầu Muốn tăng hệ số này lên thì phải giảm giá trị của hệ số mưa và ngược lại Kinh nghiệm cần phải hiệu chỉnh các hệ số mưa của tháng nào có hệ số cân bằng tổng lượng nước của tháng đó nằm ở hai biên xa giá trị 1 trước, sau đó hiệu chỉnh cho các hệ số này hội tụ gần giá trị 1 Khi các hệ số cân bằng tổng lượng nước của tháng nằm trong phạm

vi cho phép thì hệ số cân bằng tổng lượng nước toàn năm sẽ nằm trong khoảng 0,99 đến 1,01

Kết quả hiệu chỉnh chỉ đạt yêu cầu khi 4 tiêu chuẩn để tối ưu hoá bộ thông số của mô hình RRMOD đạt được các giá trị đã nêu trên

Qua kinh nghiệm hiệu chỉnh bộ thông số RRMOD của các trạm thuỷ văn trên các sông miền Trung, lượng mưa và bốc hơi lưu vực tính theo phương pháp bình quân

gia quyền cho chỉ số Nash – Sutcliffe lớn hơn các phương pháp khác Tác giả kiến nghị

để tính lượng mưa và bốc hơi lưu vực khi tính dòng chảy năm cho các sông suối ở miền Trung nên sử dụng phương pháp bình quân gia quyền

7 Kết luận và kiến nghị

Qua tính toán dòng chảy của các trạm thuỷ văn trong khu vực miền Trung bằng

mô hình RRMOD so với dòng chảy thực đo, kết quả cho hệ số tương quan đều lớn hơn

90 và chỉ số Nash – Sutcliffe khá cao Trạm thuỷ văn Cổ Bi có chỉ số cho Nash –

Sutcliffe N= 88,208, Bình Điền N= 89,006, Thượng Nhật N= 90,712, Thạnh Mỹ N=87,248, Nông Sơn N= 93,203, An Chỉ N= 94,216, Sơn Giang (Sông Vệ ) N= 90,423, Cây Muồng N= 92,784, An Khê N=91,061, Ayun Hạ 92,943, Krông Hnăng N=93,123, Sông Hinh N= 90,608 Điều này chứng tỏ dùng mô hình RRMOD để tính toán dòng chảy cho các sông suối miền Trung rất phù hợp vì mô hình mô phỏng được nguyên nhân phát sinh dòng chảy của vùng này

Trạm An Chỉ có chỉ số Nash – Sutcliffe (94,216) cao nhất vì có các trạm đo

mưa, trạm khí tượng bao quanh lưu vực Trạm Thạnh Mỹ có chỉ số Nash – Sutcliffe

(87,248) thấp nhất vì phía Tây của lưu vực sát với biên giới nước Lào nên không có

9

trạm đo mưa, trạm khí tượng nào

Khi tính toán lượng mưa và bốc hơi lưu vực nên dùng phương pháp bình quân

gia quyền vì phương pháp này cho chỉ số Nash – Sutcliffe cao hơn các phương pháp

khác và đường quá trình lưu lượng qua kết quả tính toán của mô hình RRMOD và thực

đo rất sát nhau và đồng dạng, điều này chứng tỏ phương pháp bình quân gia quyền cho kết quả tính lượng mưa và sự phân bố mưa trong lưu vực gần với thực tế đã xẩy ra

Nếu trong lưu vực có ít trạm đo mưa, trạm khí tượng có thể chọn các trạm lân cận và các trạm này tốt nhất phải nằm bao quanh được lưu vực tính toán

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Đăng Thạch (2008), Đánh giá khả năng nguồn nước sông Ba tỉnh Phú Yên khi các công trình thuỷ lợi thuỷ điện được xây dựng trên lưu vực sông trong giai

đoạn năm 2010-2020 Đề tài khoa học công nghệ cấp Bộ Mã số B2006-DN-02-14

[2] Nguyễn Đăng Thạch (2007), Nghiên cứu xác định dòng chảy năm thiết kế bằng mô hình RRMOD, phục vụ việc xây dựng các công trình thuỷ lợi- thuỷ điện trên lưu

vực sông Thu Bồn tỉnh Quảng Nam Đề tài khoa học công nghệ cấp Đại học Đà

Nẵng Mã Số: T05-15-91 năm 2005