Ứng dụng mô hình thủy văn mô phỏng dòng chảy năm hồ chứa nước định bình

Mục tiêu nghiên cứu Đánh giá lại lượng nước đến của lưu vực hồ chứa nước Định Bình trong tương lai có xét đến Biến đổi khí hậu, để làm cơ sở đề xuất các giải pháp thích hợp khai thác hi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS Tô Thúy Nga

Phản biện 1: PGS TS Nguyễn Chí Công

Phản biện 2: TS Võ Ngọc Dương

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 21 tháng 6 năm

2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Trường Đại học Bách Khoa, Đại

học Đà Nẵng

- Thư viện Khoa Xây dựng Thủy Lợi – Thủy Điện, Trường Đại học

Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hồ chứa nước Định Bình được xây dựng hoàn thành và đưa vào khai thác sử dụng năm 2009, dung tích thiết kế 226,21 triệu m3nước Địa điểm xây dựng trên sông Kôn thuộc xã Vĩnh Hảo, huyện Vĩnh Thạnh, tỉnh Bình Định Đây là hồ chứa thủy lợi lớn nhất và cũng là công trình trọng điểm của tỉnh Bình Định, góp phần đáng kể cho việc phát triển kinh tế xã hội của địa phương

Nhiệm vụ của hồ chứa nước cung cấp nước tưới cho hơn 28.060 ha đất nông nghiệp; xả về hạ lưu Q = 3 m3

/s chống cạn kiệt dòng chảy và xâm nhập mặn ở cửa sông, bảo vệ môi trường sinh thái trong khu vực; cấp nước cho công nghiệp nông thôn, cho dân sinh và nuôi trồng thủy sản; cắt lũ bảo vệ mùa màng, giảm nhẹ lũ chính vụ cho các vùng hạ du; kết hợp với nuôi trồng thủy sản, phát điện (công suất N = 9,9 MW) và khai thác các nguồn lợi khác

Tuy nhiên, theo đánh giá của ngân hàng thế giới (WB), Việt Nam là một trong những quốc gia chịu tác động nhiều nhất của Biến đổi khí hậu và nước biển dâng Trong khoảng 50 năm trở lại đây, nhiệt độ trung bình năm tăng 0,6 - 0,80C, mực nước biển dâng tăng khoảng 20cm, lượng mưa có xu hướng gia tăng trong mùa lũ và suy giảm vào mùa kiệt Đây là một thách thức rất lớn với nền kinh tế nông nghiệp của nước ta Tác động của BĐKH do trái đất nóng lên

sẽ ảnh hưởng lớn đến nhu cầu nước dùng cho nông nghiệp, cho cấp nước sinh hoạt và môi trường

Thực tế trong khoảng 10 năm trở lại đây ta thấy, do sự Biến đổi khí hậu nên lưu vực sông Kôn thuộc hạ lưu hồ chứa nước Định Bình đã chịu ảnh hưởng nặng nề bởi lũ lụt và hạn hán, với tần suất

xảy ra ngày càng tăng và phức tạp, nhất là các năm 2007, 2009,

2011, 2013 và 2016: mùa khô thì ít mưa, nắng nóng kéo dài gây khô hạn thiếu nước rất nghiêm trọng, cuối năm thì xảy ra mưa lũ lớn bất thường, do đó đã gây thiệt hại nặng nề, ảnh hưởng lớn đến việc điều hòa cung cấp nước của công trình, nhất là phục vụ nước tưới cho sản xuất nông nghiệp Vì vậy, việc cần thiết hiện nay là phải tính toán xây dựng trên cơ sở khoa học, phù hợp với thực tiễn và sớm đưa ra những giải pháp tối ưu để ứng phó với điều kiện Biến đổi khí hậu trong tương lai

Xuất phát từ những lý do nêu trên, tác giả chọn đề tài “Ứng dụng mô hình thủy văn mô phỏng dòng chảy năm hồ chứa nước Định Bình”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Đánh giá lại lượng nước đến của lưu vực hồ chứa nước Định Bình trong tương lai có xét đến Biến đổi khí hậu, để làm cơ sở đề xuất các giải pháp thích hợp khai thác hiệu quả hồ chứa nước Định Bình và xây dựng kế hoạch sản xuất cũng như quy hoạch chuyển đổi

cơ cấu các loại cây trồng hợp lý, để góp phần thúc đẩy kinh tế - xã hội của địa phương phát triển bền vững

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Mô phỏng, đánh giá sự thay đổi chế

độ dòng chảy trên lưu vực hồ chứa nước Định Bình khi xét đến ảnh

hưởng của Biến đổi khí hậu cho các giai đoạn trong thế kỷ 21

- Phạm vi nghiên cứu: Lưu vực công trình hồ chứa nước Định Bình

4 Phương pháp nghiên cứu

4.1 Cách tiếp cận

Từ các số liệu thực tế và kịch bản biến đổi khí hậu đã được

Bộ Tài nguyên và Môi trường năm 2016 công bố cho từng vùng, áp dụng mô hình toán thủy văn tính toán dòng chảy trên các tiểu lưu vực, tìm bộ thông số tối ưu của mô hình Sau đó, áp dụng tính toán dòng chảy năm cho lưu vực hồ chứa nước Định Bình trong tương lai

4.2 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp kế thừa nghiên cứu

- Phương pháp phân tích, thống kê và xử lý số liệu

- Phương pháp ứng dụng mô hình toán

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Từ kết quả nghiên cứu có thể chuyển giao cho cơ quan quản

lý hồ chứa, nâng cao trình độ chuyên môn cho những người kỹ sư tham gia thực hiện Xây dựng bộ thông số mô hình phù hợp với lưu vực nghiên cứu ứng với kịch bản biến đổi khí hậu, làm cơ sở tính toán dự báo nguồn nước đến đủ độ tin cậy để kịp thời phục vụ công tác vận hành hồ chứa, có chế độ cấp nước cho sinh hoạt, sản xuất và phục vụ tưới tiêu một cách hợp lý

Số liệu dự báo sẽ giúp cho các đơn vị có liên quan có cái nhìn tổng thể về chế độ dòng chảy ứng với kịch bản biến đổi khí hậu trong tương lai Giúp cho đơn vị Quản lý, có kế hoạch vận hành hồ chứa nước Định Bình hợp lý, vừa đảm bảo an toàn cho công trình, vừa tránh được tình trạng thiếu nước tưới, sinh hoạt và sản xuất trong mùa khô, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất kinh doanh cho doanh nghiệp và đảm bảo an sinh xã hội trong khu vực hưởng lợi

6 Nội dung luận văn bao gồm

Luận văn gồm phần Mở đầu, 03 chương và phần kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN KHU VỰC HỒ CHỨA NƯỚC ĐỊNH BÌNH VÀ SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

ĐẾN TÀI NGUYÊN NƯỚC 1.1 Đặc điểm địa lý tự nhiên

1.1.1 Vị trí địa lý khu vực

Hồ chứa nước Định Bình được xây dựng ở thượng nguồn sông Kôn tại xã Vĩnh Hảo, huyện Vĩnh Thạnh, tỉnh Bình Tổng diện tích lưu vực tính đến tuyến công trình F=1.040km2

1.1.2 Địa hình địa mạo

Khu vực nghiên cứu nằm trong vùng có địa hình đồi núi cao, các dãy núi phát triển theo hướng Bắc Nam, các đỉnh núi có cao độ

800 ÷ 900m và bị phân cách bỡi các nhánh suối nhỏ của sông Kôn

1.2 Đặc điểm địa chất, thổ nhưỡng khu vực nghiên cứu

1.2.1 Điều kiện địa chất

1.2.2 Điều kiện thổ nhưỡng, thảm thực vật

1.3 Đặc điểm khí hậu thủy văn của khu vực

14.23333 14.30000 14.13333 14.16667

1983-2008 1995-2008 1995-2008 1989-2008

X(mm): Điểm đo mưa

14.31667 14.56589 14.36667 13.95000 13.94805 13.78633

1983-2008 1995-2008 1995-2008 1983-2008 1983-2008 1983-2008

- Lượng bốc hơi và tổn thất bốc hơi mặt nước, Z (mm):

- Tình hình gió, bão trong vùng:

- Lượng mưa:

Lượng mưa trung bình nhiều năm trong vùng đa ̣t từ 1700 ÷

1800 mm ở vùng đồng bằng và đạt 2000  2200 mm ở các vùng núi hoă ̣c các sườn phía Đông , Đông Nam Những vùng núi cao lượng mưa đa ̣t trên 2200 mm

1.3.2 Đặc điểm thủy văn

1.3.2.1 Mạng lưới sông ngòi

1.3.2.2 Dòng chảy năm

Dòng chảy năm là lượng dòng chảy sản sinh ra của lưu vực trong thời đoạn bằng một năm cùng với sự thay đổi của nó trong năm Lượng dòng chảy năm phụ thuộc vào hai nhân tố quan trọng là

lượng mưa (X) và bốc hơi năm (Z)

1.3.2.3 Dòng chảy lũ

1.3.2.4 Dòng chảy kiệt

1.4 Tổng quan về ảnh hưởng của BĐKH đến tài nguyên nước

1.4.1 Xu thế biến đổi khí hậu

1.4.1.1 Xu thế biến đổi khí hậu quy mô toàn cầu

1.4.1.2 Xu thế biển đổi khí hậu Việt Nam

Trung bình cả nước, nhiệt độ trung bình năm thời kỳ

1958-2004 tăng khoảng 0,62°C, riêng giai đoạn (1985-2014) nhiệt độ tăng khoảng 0,42°C

1.4.2 Tình hình biến đổi khí hậu ở Việt Nam

1.4.2.1 Nhiệt độ

1.4.2.2 Lượng mưa

Bảng 1 2: Thay đổi lượng mưa (%) trong 57 năm qua (1958-2014) ở các vùng khí hậu

1.4.2.3 Các hiện tượng cực đoan liên quan đến nhiệt độ

1.4.2.4 Các hiện tượng cực đoan liên quan đến mưa

1.4.2.5 Bão và áp thấp nhiệt đới

1.4.3 Các kịch bản biến đổi khí hậu cho Việt Nam

1.4.4 Tổng quan về nghiên cứu ảnh hưởng của BĐKH đến tài nguyên nước [3]

1.4.5 Tình hình sử dụng tài nguyên nước ở nước ta hiện nay [4]

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT LẬP MÔ HÌNH THỦY VĂN TRÊN LƯU VỰC HỒ ĐỊNH BÌNH

2.1 Tổng quan về mô hình thủy văn

2.1.1 Giới thiệu chung

2.1.2 Các bước thiết lập mô hình

- Thu thập thông tin về hệ thống thủy văn, xác định mục tiêu

mô phỏng toán học hệ thống

- Chọn loại mô hình toán mô tả hệ thống

- Xác lập cấu trúc hệ thống và mô tả bằng sơ đồ các mối quan hệ giữa các thành phần trong hệ thống

- Chọn các thông số của mô hình đặc trưng cho mối quan hệ giữa các thành phần của hệ thống và thiết lập các biểu thức toán học, các biểu thức logic của các quá trình trên

- Xác định bộ thông số của mô hình

2.1.3.2 Mô hình quan niệm

2.1.4 Các mô hình thủy văn tiêu biểu

2.1.4.1 Mô hình HEC–HMS (Hydrologic Engineering Hydrologic Modeling System)

Với mô hình với mức độ phân bố càng cao thì số lượng tham

số hiệu chỉnh càng giảm Những mô hình có mức độ phân bố cao hơn thì quá trình hiệu chỉnh sẽ đơn giản hơn và kết quả mô hình sẽ phản ánh đúng thực tế hơn Từ đó đưa ra kết quả đáng tin cậy hơn

Tuy nhiên, đối với mô hình phân bố thì yêu cầu dữ liệu chính xác cao hơn và nhiều hơn so mô hình tập trung Trong khi lưu vực hồ chứa nước Định Bình là một trong những lưu vực không quá lớn, hiện tại tài liệu khí tượng thủy văn trong lưu vực thu thập được để phục vụ nghiên cứu tính toán chưa đủ dài và đảm bảo độ tin cậy cao

Vì vậy ta có thể lựa chọn mô hình tập trung MIKE-NAM để tính toán dòng chảy đến lưu vực hồ Định Bình là phù hợp

2.2 Khái quát mô hình NAM:

Mô hình NAM là mô hình thuỷ văn mô phỏng quá trình mưa

- dòng chảy diễn ra trên lưu vực Là một mô hình toán thủy văn, mô hình NAM bao gồm một tập hợp các biểu thức toán học đơn giản để

mô phỏng các quá trình trong chu trình thuỷ văn Mô hình NAM là

mô hình nhận thức, tất định, thông số tập trung Đây là một môđun tính dòng chảy từ mưa trong bộ phần mềm thương mại MIKE 11 do Viện Thủy lực Đan Mạch xây dựng và phát triển

2.2.1 Các điều kiện ban đầu:

Cấu trúc 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: Cấu trúc của mô hình NAM [13]

2.2.1.9 Diễn toán dòng chảy mặt và dòng chảy sát mặt:

3.2.1.10 Diễn toán dòng chảy ngầm

2.2.1.11 Bể chứa ngầm

* Điều kiện ban đầu của mô hình

U - lượng nước ban đầu trong bể chứa mặt (mm)

L - lượng nước ban đầu trong bể chứa tầng dưới (mm) QOF - cường suất dòng chảy mặt sau khi diễn toán qua bể

chứa tuyến tính (mm/h)

QIF - cường suất dòng chảy sát mặt khi qua bể chứa tuyến tính (mm/h)

BF - cường suất dòng chảy ngầm (mm/h)

2.2.2 Các thông số cơ bản của mô hình

Umax Lượng trữ bề mặt tối đa;

Lmax Lượng trữ tối đa tầng đáy;

CQOF Hệ số dòng chảy bề mặt, không có thứ nguyên; TOF Giá trị ngưỡng tầng đáy cho dòng chảy tràn mặt; TIF Giá trị ngưỡng dưới của dòng chảy sát mặt;

TG Giá trị ngưỡng tầng đáy cho lưu lượng;

CKIF Hệ số thời gian dòng chảy sát mặt, có thứ nguyên là thời gian (giờ);

CKBF Hệ số thời gian cho lộ trình dòng chảy đáy;

CK1, CK2 Là hằng số thời gian cho dòng chảy tràn mặt

2.3 Xây dựng mô hình Mike Nam cho lưu vực hồ Định Bình

2.3.1 Dữ liệu đầu vào:

- Bản đồ phân chia các tiểu lưu vực; mạng lưới sông suối và vị trí các trạm khí tượng thủy văn trong vùng nghiên cứu;

- Số liệu mưa ngày thực đo của 04 trạm trong lưu vực gồm: Vĩnh Sơn, Vĩnh kim, Định Bình và Bình Tường từ năm 1983 đến năm 2008 (trạm ít nhất 14 năm: từ năm 1995 đến năm 2008);

- Số liệu bốc hơi ngày thực đo của trạm Quy Nhơn, Bình Định từ năm 1983 đến năm 2008;

- Số liệu dòng chảy ngày thực đo của trạm thủy văn Bình Tường, Tây Sơn từ năm 1983 đến năm 2008 (26 năm trước khi hồ Định Bình xây dựng xong năm 2009);

- Số liệu biến đổi khí hậu được xác định theo kịch bản nền

và cộng thêm số gia tăng (hoặc giảm) lượng mưa theo các mùa

Xuân, Hạ, Thu, Đông theo các kịch bản BĐKH năm 2016 của Bộ Tài nguyên và Môi trường

Hình 2.6 Sơ đồ mạng lưới sông lưu vực Bình Tường

- Từ các số liệu đầu vào, tiến hành tạo các tập tin chuỗi thời

gian Time series files (*.DFS0):

Hình 2 2: Dữ liệu thực đo lưu lượng tại trạm thủy văn Bình Tường

từ năm 1995 – 2008

Hình 2 3: Dữ liệu thực đo lượng mưa lưu vực Bình Tường từ

năm 1995-2008

Hình 2 4: Dữ liệu bốc hơi thực đo từ năm 1995-2008

- Cách chia tiểu lưu vực: Sử dụng số liệu từ bản đồ địa hình 1/10.000 của Sở Tài nguyên và Môi trường Bình Định, dùng phần mềm ArcGIS tiến hành phân chia tự động lưu vực của trạm Bình

Tường (bao gồm cả lưu vực hồ Định Bình), ta có được kết quả bản

đồ các tiểu lưu vực gồm: Lưu vực hồ Định Bình và lưu vực hạ lưu hồ Định Bình

- Xác định trọng số mưa của lưu vực: Từ vị trí các trạm đo mưa trong lưu vực thực tế phân bố không đều và thưa, lượng mưa ở các trạm chênh lệch nhau khá nhiều, cho nên tác giả đã sử dụng phương pháp hình đa giác Thiessen để tính toán xác định được trọng

số mưa của từng trạm đo mưa đại diện cho từng khu vực (bảng 2.1

và bảng 2.2)

Hình 2 5: Bản đồ vị trí các trạm đo mưa lưu vực Bình Tường

Bảng 2 1: Bảng phân chia tiểu lưu vực Bình Tường

Tên lưu vực Diện tích (km 2 )

(km 2 )

Trọng

số mưa

Diện tích (km 2 )

Trọng số mưa

0.65 <

NSE ≤ 0.75

0.50 <

NSE ≤ 0.65

NSE ≤ 0.50

Mức độ

mô phỏng Rất tốt Tốt

Trung bình Dưới trung bình

Bảng 2 4: Tiêu chuẩn đánh giá hệ số tương quan (Theo Moriasi, 2007)

Số liệu khí tượng thủy văn được chia thành hai chuỗi: Chuỗi

số liệu thực đo từ năm 1995-2001 lấy làm thời đoạn hiệu chỉnh thông

số của mô hình và từ năm 2002-2008 lấy làm số liệu kiểm định mô hình

Hiệu chỉnh thông số mô hình nhằm xác định các thông số của mô hình để cho đường quá trình tính toán phù hợp nhất với đường quá trình thực đo

2.4.1 Kết quả hiệu chỉnh mô hình NAM:

Hình 2 6: Kết quả hiệu chỉnh mô hình Nam

2.4.2 Kết quả kiểm định mô hình NAM:

Hình 2 7: Kết quả kiểm định mô hình Nam

Bảng 2 5: Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình NAM tại trạm Bình Tường

T

T Trạm

Hiệu chỉnh

Kiểm định

Hiệu chỉnh

Kiểm định

Hiệu chỉnh

Kiểm định

- Quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng khá đồng dạng;

- Hệ số NASH rất tốt đều trên 0,75;

- Pha dao động giữa đường thực đo và mô phỏng khá bám sát nhau;

- Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình cho thấy, mô hình NAM mô phỏng khá tốt quá trình hình thành dòng chảy từ mưa trên lưu vực Bình Tường Vì vậy, có thể sử dụng bộ thông số tìm được từ quá trình hiệu chỉnh và kiểm định mô hình của lưu vực Bình Tường để mô phỏng dòng chảy cho lưu vực hồ Định Bình

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY NĂM LƯU VỰC HỒ ĐỊNH BÌNH THEO CÁC KỊCH BẢN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU 3.1 Ứng dụng mô hình MIKE NAM mô phỏng dòng chảy năm lưu vực hồ chứa nước Định Bình theo các kịch bản BĐKH:

3.1.2 Sự thay đổi lượng mưa theo các kịch bản BĐKH

Bảng 3 1: Sự thay đổi lượng mưa trung bình tháng theo kịch bản RCP 4.5

Giai đoạn

Mùa xuân (12-2)

Mùa hè (tháng 3-5)

Mùa thu (tháng 6-8)

Mùa đông (tháng 9- 11)

Đầu thế kỷ (2016-2035) 10,4% 1,5% 19,0% 5,3% Giữa thế kỷ (2046-2065) -2,9% -4,3% 27,9% 12,6% Cuối thế kỷ (2080-2099) 22,5% 4,3% 22,0% 54,5%

Bảng 3 2: Sự thay đổi lượng mưa trung bình tháng theo kịch bản RCP 8.5

Giai đoạn

Mùa xuân (12-2)

Mùa hè (tháng 3- 5)

Mùa thu (tháng 6- 8)

Mùa đông (9-11)

Đầu thế kỷ (2016-2035) 2,9% 26,1% 18,2% 1,2% Giữa thế kỷ (2046-2065) -8,9% 5,2% 24,5% 11,8% Cuối thế kỷ (2080-2099) 17,7% 3,2% 16,9% 23,9%

3.1.3 Mô phỏng dòng chảy năm lưu vực hồ Định Bình khi xét đến BĐKH:

Với lượng mưa đã tính toán lại theo các kịch bản đã chọn và tài liệu bốc hơi của trạm Quy Nhơn, sử dụng bộ thông số đã hiệu