NGHIÊN cứu ỨNG DỤNG mô HÌNH số THÍCH hợp dự báo tài NGUYÊN nước mặt CHO lưu vực SÔNG BA

Hiện nay dự báo thủy văn chỉ cho phép chúng ta đánh giá, nhận định về tiềm năng nguồn nước tự nhiên lượng dòng chảy, mà chưa xét đến một cách toàn diện tác động hay nhu cầu dùng nước của

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SỐ THÍCH HỢP DỰ BÁO TÀI NGUYÊN NƯỚC MẶT CHO LƯU VỰC SÔNG BA

Thân Văn Đón(1)

, Dương Văn Khánh(2)

(1)

Trung tâm Quy hoạch và Điều tra tài nguyên nước,

(2)Trung tâm Mạng lưới KTTV&MT, Trung tâm KTTV quốc gia

Dự báo tài nguyên nước mặt có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong công tác quản lý và quy hoạch tài nguyên nước (phục vụ phân bổ, chia sẻ tài nguyên nước, bảo vệ và phòng chống tác hại do nước gây ra) Hiện nay dự báo thủy văn chỉ cho phép chúng ta đánh giá, nhận định về tiềm năng nguồn nước tự nhiên (lượng dòng chảy), mà chưa xét đến một cách toàn diện tác động hay nhu cầu dùng nước của các hộ khai thác sử dụng nước trên lưu vực sông Trong nghiên cứu dự báotài nguyên nước mặt (về mặt số lượng) nhóm tác giả có xem xét việc phân tích, tính toán và cung cấp các thông tin về khả năng đáp ứng của nguồn nước đối với các nhu cầu khác nhau của các hộ, ngành dùng nước dưới tác động của các hoạt động khai thác sử dụng cụ thể của các hộ, ngành dùng nước; giữa thượng và hạ lưu trên lưu vực sông Ba

1 Đặt vấn đề

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…

Việc xác định và dự báo được số lượng tài nguyên nước mặt theo tháng, mùa, năm để phân bổ, chia sẻ nguồn nước là một bài toán khó, phức tạp, 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

Các phương pháp xác định tài nguyên nước mặt được dùng phổ biến hiện nay gồm: nhóm phương pháp dựa trên định luật bảo toàn vật chất, phương pháp tương tự, phương pháp thống kê, xây dựng tương quan, phương pháp ứng dụng mô hình toán

Trong khuôn khổ báo cáo này nhóm tác giả trình bày ứng dụng mô hình toán để

dự báo tài nguyên nước mặt (về mặt số lượng) cho lưu vực sông Ba bao gồm: dự báo lượng mưa tháng sử dụng phương pháp hồi qui từng bước, tuy nhiên các nhân tố đầu vào là đa nhân tố, lấy từ bộ số liệu quá khứ trên trang web GPV (grid point value) của Nhật, dự báo mưa - dòng chảy trên các tiểu lưu vực sử dụng mô hình Tank, dự báo lượng dòng chảy tại các nút dự báo, có xét đến nhu cầu dùng nước của các hộ dùng nước sử dụng mô hình Mike Basin

2 Ứng dụng mô hình số dự báo số lượng tài nguyên nước mặt

2.1 Ứng dụng mô hình dự báo lượng mưa tháng

Để dự báo tài nguyên nước mặtcần phải có giá trị dự báo lượng mưa trong từng tháng, từng mùa, từng năm cụ thể Để đơn giản và hiệu quả cao, trong báo cáo này,nhóm tác giả vẫn lựa chọn phương pháp pháp hồi qui từng bước, tuy nhiên các nhân tố đầu vào là đa nhân tố, lấy từ bộ số liệu quá khứ trên trang web GPV (grid

point value) của Nhật Bộ số liệu này là số liệu chạy lại từ các mô hình nghiệp vụ của Nhật với đầu ra là hầu hết các biến khí quyển trên các tầng bao gồm: nhiệt độ, độ cao địa thế vị, tốc độ gió kinh hướng, vĩ hướng, hàm dòng, xoáy thế các mực 200mb, 300mb, 500mb, 700mb, 850mb, 1000mb và lượng giáng thủy mặt đất Bảo đảm các nhân tố đầu vào là đa nhân tố tại các điểm nút lưới trên toàn cầu

Để dự báo lượng mưa tháng cho lưu vực sông Ba, số liệu mưa quan trắc tại đây

sẽ được lấy theo số liệu trạm khí tượng phát báo Synop Như đã biết, chế độ dòng chảy tại lưu vực sông Ba có liên quan đến 2 khu vực lớn thuộc Nam Trung Bộ và bắc Tây Nguyên gồm các tỉnh KonTum, Gia Lai, Đắc Lắc và Phú Yên

Để xây dựng phương trình dự báo, chúng tôi chia bộ số liệu ra hai phần: phần 1 gồm số liệu từ năm 1981 đến năm 2005 dùng để xây dựng phương trình dự báo; phần

2 từ năm 2006 đến 2010 dùng để kiểm nghiệm phương trình dự báo

Ở đây để thuận tiện, chúng tôi ký hiệu các nhân tố: độ cao địa thế vị mực 500mb, nhiệt độ mực 850mb,khí áp mực mặt biển, mưa mô hình, độ ẩm tương đối mực 850mb lần lượt là: H, T, P, R và RH

Bảng 1.Hệ số tương quan của các trạm khí tượng trong khu vực nghiên cứu

Trạm

Hầu hết hệ số tương quan bội của các trạm trong các tháng dao động từ 0.33 đến 0.86 Giá trị như vậy là khá tốt đối với một bài toán thống kê

Trong báo cáo này nhóm tác giả đã xây dựng được phương trình dự báo lượng mưa tháng (từ tháng 1 đến tháng 12) của 6 trạm đặc trưng Tổng cộng có 72 phương trình dự báo Chương trình tính được viết bằng ngôn ngữ fortran với hệ điều hành linux nên đảm bảo tính ổn định, độ chính xác và bảo mật cao

Trong 5 năm dự báo thử nghiệm từ năm 2006 đến năm 2010 đã đánh giá mức

độ sai số theo từng tháng Kết quả nhận được, phương trình có độ ổn định cao và sai khác so với thực tế ít hơn trong hầu hết các tháng là AyunPa và An Khê Trong khi đó, phương trình dự báo của trạm Tuy Hòa có độ ổn định thấp và sai số trung bình cao

hơn, đó có thể lý giải là do những năm gần đây, giá trị mưa tại Tuy Hòa cao hơn hẳn giá trị trung bình nhiều năm cùng thời kỳ Ngoài ra cũng đã tiến hành dự báo thử nghiệm cho các tháng gần đây, cụ thể từ tháng 10 đến tháng 12 năm 2011 và từ tháng

1 đến tháng 7 năm 2012

0

100

200

300

400

500

600

Trạm

Obs Fore

Hình 1 Biểu đồ so sánh giá trị obs quan

trắc và dự báo tháng 6/2012

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Trạm

Obs Fore

Hình 2 Biểu đồ so sánh giá trị Obs quan trắc và dự báo tháng 7/2012

2.2 Ứng dụng mô hình TANK dự báo số lượng tài nguyên nước mặt theo tháng

Tài liệu đầu vào cơ bản cho mô hình bao gồm: diện tích lưu vực, mưa (Kon Tum, An Khê, PleiKu, Ayunpa, Buôn Hồ, Buôn Ma Thuột, Tuy Hòa), bốc hơi (Kon Tum, An Khê, PleiKu, Buôn Ma Thuột, Tuy Hòa) và tài liệu lưu lượng thực đo (An Khê, Sông Hinh và Củng Sơn ) để hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình

2.2.1 Hiệu chỉnh và xác định bộ thông số mô hình

Với mục đích xác định bộ thông số của mô hình cho việc mô phỏng dòng chảy cho các tiểu lưu vực sông Ba, mô hình mưa rào - dòng chảy Tank được hiệu chỉnh theo không gian và thời gian

* Hiệu chỉnh và kiểm định bộ thông số mô hình Tank tại trạm An Khê

Sử dụng lưu lượng trung bình tháng thực đo tại trạm thủy văn An Khê hiệu chỉnh mô hình cho tiểu lưu vực Bắc-Nam An Khê;

- Giai đoạn hiệu chỉnh: sử dụng số liệu thời kỳ từ năm 1980 - 1994 (15 năm tìm

bộ thông số), với chỉ tiêu đánh giá NASH -SUTCLIFFE đạt: 84,1 %

- Giai đoạn kiểm nghiệm: sử dụng số liệu thời kỳ từ năm 1995 - 1999, kết quả chỉ tiêu đánh giá NASH - SUTCLIFFE đạt 83.7%

Hình 3 Quá trình lưu lượng trung bình

tháng thực đo và tính toán (1980 - 1994)

Hình 4 Quá trình lưu lượng trung bình tháng thực đo và mô phỏng (1995 - 1999)

* Hiệu chỉnh và kiểm định bộ thông số mô hình TANK tại trạm Sông Hinh

Sử dụng lưu lượng trung bình tháng thực đo tại trạm thủy văn sông Hinh hiệu chỉnh mô hình cho tiểu lưu vực sông Hinh:

- Giai đoạn hiệu chỉnh: sử dụng số liệu thời kỳ 1979 - 1986 (8 năm tìm bộ thông số), với chỉ tiêu đánh giá NASH - SUTCLIFFE đạt: 87,4 %

- Giai đoạn kiểm nghiệm: sử dụng số liệu t hời kỳ 1987 - 1991, kết quả chỉ tiêu đánh giá NASH - SUTCLIFFE đạt 80.7%

Hình 5 Quá trình lưu lượng trung bình

tháng thực đo và tính toán (1979 - 1986)

Hình 6 Quá trình lưu lượng trung bình tháng thực đo và tính toán (1987 - 1991)

* Hiệu chỉnh và kiểm định bộ thông số mô hình Tank tại trạm Củng Sơn

Sử dụng lưu lượng trung bình tháng thực đo tại trạm thủy văn Củng Sơn hiệu chỉnh mô hình cho lưu vực sông Ba tính đến trạm Củng Sơn

- Giai đoạn hiệu chỉnh: sử dụng số liệu thời đoạn 1992 - 2001 (10 năm tìm bộ thông số), với chỉ tiêu đánh giá NASH - SUTCLIFFE đạt: 85,4 %

- Giai đoạn kiểm nghiệm: sử dụng số liệu thời đoạn 2002 - 2006, kết quả chỉ tiêu đánh giá NASH - SUTCLIFFE đạt 78.5%

2.2.2 Kết quả dự báo thử nghiệm cho năm 2011, 2012

Với bộ thông số đã tìm được ở trên và kết quả kiểm định ta có thể sử dụng mô hình TANK với bộ thông số đó để dự báo dòng chảy từ mưa tại các nút đầu vào cho

mô hình Mike Basin tại các tiểu lưu vực như sau:

+ Thượng lưu sông Ba, lưu sông Iayun và Khu giữa 1: lấy bộ thông số trạm thủy văn An Khê;

+ Lưu vực sông Krông H’năng: lấy bộ thông số của trạm thủy văn Sông Hinh; Khu giữa 2, Khu giữa 3, Khu giữa 4: lấy bộ thông số của trạm thủy văn Củng Sơn đã được kiểm định để để dự báo dòng chảy;

Kết quả dự báo tại các tiểu lưu vực được thể hiện trong Hình 6

Tiểu lưu vực thượng nguồn

sông Ba từ tháng 2/ 2011 đến

tháng 7/2012

Tiểu lưu vực sông Iayun từ tháng 2/ 2011 - 7/2012

Khu giữa 1 từ tháng 2/2011 -7/2012)

Khu giữa 2 từ tháng 2/ 2011-

7/2012)

Tiểu lưu vực sông Krông H’năng từ tháng 2/ 2011 -

7/2012

Tiểu lưu vực sông Hinh

từ tháng 2/ 2011 - 7/2012

Hình 7 Kết quả dự báo tại các tiểu lưu vực

2.3 Ứng dụng mô hình cân bằng nước - Mike Basin trong dự báo số lượng tài nguyên nước mặt theo tháng

2.3.1 Phân chia tiểu lưu vực trên lưu vực sông Ba:

Căn cứ vào 8 vùng sử dụng nước trên lưu vực sông Ba có thể phân chia thành 8 vùng cân bằng nước như sau:

Thượng lưu sông Ba: nút cân bằng nước tại

điểm trên dòng chính sông Ba trước nhập lưu sông

nhánh Iayun với diện tích lưu vực khống chế là 3856

km2; Lưu sông Iayun: với nút cân bằng nước tại cửa

ra sông Iayun với diện tích khống chế là 2850 km2

; Khu giữa 1: với nút cân bằng nước theo lượng nước

nhập lưu sông Iayun đến nhập lưu sông Krông

H’năng với diện tích không chế là 2283 km2; Lưu

vực sông Krông H’năng: nút cân bằng nước tại cửa

sông Krông Hnăng với diện tích lưu vực khống chế

là 1780 km2; Khu giữa 2: nút cân bằng nước theo

lượng nước nhập lưu sông Krông H’năng đến nhập

lưu sông Hinh với diện tích là 464 km2

; Lưu vực sông Hinh: nút cân bằng nước tại cửa sông với diện

tích khống chế là 1040 km2; Khu giữa 3: nút cân

bằng nước theo lượng nước đến từ nhập lưu sông

Hinh đến thượng lưu đập Đồng Cam với diện tích là

389km2; Khu giữa 4: nút cân bằng từ đập Đồng Cam

đến cửa sông với diện tích lưu vực là 561 km2

; 2.3.2 Tài liệu đầu vào của mô hình Mike Basin bao gồm

Lưu lượng dòng chảy mô phỏng từ mô hình Tank và đã được xử lý thống kê theo từng tiểu lưu vực theo tháng; Nhu cầu dùng nước hiện tại của các hộ dùng nước: thủy điện, tưới, chuyển nước, công nghiệp… Các thông số hồ chứa: đường quan hệ cao độ - diện tích - dung tích, thông số vận hành hồ chứa

2.3.3.Dự báo thử nghiệm mô hình Mike Basin (cho năm 2011, 2012)

b Nút tưới

Tiểu Lv Ký hiệu nút Tháng

I

Tháng

II

Tháng III

Tháng

IV

Tháng

V

Tháng

VI

Thánh VII

Tháng VIII

Tháng

IX

Tháng

X

Tháng

XI

Tháng XII

Trung Bình

c Nút cấp nước dân sinh, kinh tế

2/2011-7/2012

d Nút tưới cấp nước công nghiệp

7/2012

Thông số F Ký hiệu nút MNDBT MNC Vtb Vhi

An Khê-Kanak

e Kết quả dự bảo thử nghiệm từ tháng 2 năm 2011 đến tháng 7 năm 2012

Quá trình mô phỏng dòng chảy tính toán và dòng chảy thực đo tại trạm

An Khê từ tháng 2/2011 đến tháng 7 năm 2012

Quá trình mô phỏng dòng chảy tính toán và dòng chảy thực đo tại trạm

Củng Sơn từ tháng 2/2011 đến tháng 7 năm 2012

Bảng 2 So sánh dòng chảy trung bình tháng thực đo và tính toán tại trạm thủy văn An Khê và Củng Sơn năm 2011-2012

Qthực

đo Wthực đo Qtính toán

Wtính

toán

Wtính

2011

2012

3 Nhận xét đánh giá kết quả

Việc dự báo thử nghiệm tài nguyên nước mặt (về mặt số lượng) cho lưu vực sông Ba, có xét đến nhu cầu sử dụng nước của các hộ từ tháng 2 năm 2011 đến tháng 7 năm 2012 cho kết quả khá tốt, kết quả tại các vị trí đều nằm trong sai số cho phép Đã xác định lượng nước trung bình tháng tại các vị trí chốt Đây là kênh thông tin quan trọng cho các nhà quản lý, các cấp có thẩm quyền và các hộ dùng nước trên lưu vực sông có kế hoạch khai thác và sử dụng hiệu quả tài nguyên nước trên lưu vực sông Ba

Tại điểm chốt An Khê tổng số lần dự báo là: 18 lần, số lần đúng 13, số lần sai là

5, đạt 72,2%

Tại điểm chốt Củng Sơn tổng số lần dự báo là: 18 lần, số lần đúng 14, số lần sai

là 4, đạt 77,78%

Cần tiếp tục nghiên cứu thử nghiệm nhiều hơn, bổ sung thêm các thông số đầu vào cho mô hình như thông số dòng chảy ngầm, lượng nước tối đa trong bể tầng rễ cây, các nhu cầu sử dụng nước của các hộ dùng nước riêng rẽ trong lưu vực Bổ sung mạng lưới trạm quan trắc tài nguyên nước mặt trên các sông nhánh lưu vực sông Ba,

để nâng cao chất lượng dự báo tài nguyên nước mặt cho lưu vực sông Ba nói riêng và các lưu vực sông khác ở Việt Nam

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Jamieson, D.G.; Fedra, K 1996 The ‘WaterWare’ decision support system for river basin planning 1 Conceptual design Journal of Hydrology Vol.177, pp.163-175

2 McDonald, A 1988 International River Basin Negotiations: Building a Database

of Illustrative Successes Working Paper, WP-88-096 IIASA, Laxenburg, Austria

3 Nguyễn Văn Cư, 2005, Nghiên cứu giải pháp tổng thể sử dụng hợp lý tài nguyên

và bảo vệ môi trường lưu vực sông Ba và sông Côn, Viện Địa lý Báo cáo tổng kết

đề tài nghiên cứu khoa học độc lập cấp nhà nước Mã số KC.08-25

4 Nguyễn Hữu Khải, 2010, Nghiên cứu xây dựng công nghệ điều hành hệ thống liên

hồ chứa đảm bảo ngăn lũ, chậm lũ, an toàn vận hành hồ chứa và sử dụng hợp lý tài nguyên nước về mùa kiệt lưu vực sông Ba,Trường Đại học KHTN-Hà Nội Báo cáo tổng kết đề tài cấp Nhà nước; MS: KC.08.30/06-10

APPLICATION OF APPROPRIATE MODELS TO FORECAST WATER

RESOURCES (QUANTITATIVELY) FOR BA RIVER BASIN

Than Van Đon(1)

, Duong Van Khanh(2)

(1)Center for Water Resources Planning and Investigation,

Ministry of Natural Resources and Environment,

(2)

Trung tâm Mạng lưới KTTV&MT, Trung tâm KTTV quốc gia

Surface water resources forcasting plays a particularly important role in the

management and planning of water resources (allocation and sharing of water resources,

protection and prevention of damage caused by water) Currently, hydrological forecasting allows us to assess, identify about potential sources of natural water (flow), which is not comprehensively considered impact or demand of households in water using and exploitation

in the river basin Therefore, in this studying, the surface water resources forecasting (quantity) istakento analyzed, calculated and provided information on the ability of water demand to different demands of households, water using sector under the influence of specific mining and using of households and water using sectors between upstream and downstream

in the Ba river basin