Kiểm chứng mô hình Mike 21 qua số liệu khảo sát

Trong nghiên cứu mô hình mô phỏng dạng mô hình toán hay mô hình vật lý, kiểm định mô hình có tầm quan trọng quyết định đánh giá mức độ tin cậy của mô hình cũng như là số liệu đầu vào. Từ đó, mô hình tính toán và các dữ liệu đầu vào được sử dụng phục vụ cho các kịch bản mô phỏng trong giai đoạn sau. Có thể hiểu rằng, kiểm định mô hình là việc thử nghiệm các thông số mô hình trong một phạm vi cho phép mà phù hợp với tính chất vùng để từ đó nhận biết sự ảnh hưởng của từng tham số đến kết quả mô phỏng, cuối cùng chọn được một bộ tham số mô hình phù hợp nhất. Bên cạnh đó, thấy rằng việc kiểm định mô hình không chỉ đơn thuần là thử độ nhạy để chọn tham số mô hình, trong nhiều trường hợp việc chọn một bộ tham số mô hình đảm bảo phù hợp với tính chất vùng và cơ sở khoa học, tuy nhiên kết quả của giai đoạn kiểm định chưa đạt yêu cầu thì vấn đề dữ liệu đầu vào được quan tâm. Như vậy, giai đoạn kiểm định mô hình không chỉ là kiểm định bộ tham số mô hình mà còn bao gồm cả kiểm định dữ liệu đầu vào. Chú ý rằng, kiểm định mô hình cần tiến hành càng nhiều trường hợp thì lựa chọn được một bộ tham số mô hình càng tốt.

CHUYÊN ĐỀ KIỂM CHỨNG MÔ HÌNH QUA SỐ LIỆU LỊCH SỬ VÀ SỐ

LIỆU KHẢO SÁT BỔ SUNG

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ

DANH MỤC BẢNG BIỂU

1 Tổng quát

Trong nghiên cứu mô hình mô phỏng dạng mô hình toán hay mô hình vật lý, kiểm định mô hình có tầm quan trọng quyết định đánh giá mức độ tin cậy của mô hình cũng như là số liệu đầu vào Từ đó, mô hình tính toán và các dữ liệu đầu vào được sử dụng phục vụ cho các kịch bản mô phỏng trong giai đoạn sau

Có thể hiểu rằng, kiểm định mô hình là việc thử nghiệm các thông số mô hình trong một phạm vi cho phép mà phù hợp với tính chất vùng để từ đó nhận biết sự ảnh hưởng của từng tham số đến kết quả mô phỏng, cuối cùng chọn được một bộ tham số

mô hình phù hợp nhất

Bên cạnh đó, thấy rằng việc kiểm định mô hình không chỉ đơn thuần là thử độ nhạy để chọn tham số mô hình, trong nhiều trường hợp việc chọn một bộ tham số mô hình đảm bảo phù hợp với tính chất vùng và cơ sở khoa học, tuy nhiên kết quả của giai đoạn kiểm định chưa đạt yêu cầu thì vấn đề dữ liệu đầu vào được quan tâm Như vậy, giai đoạn kiểm định mô hình không chỉ là kiểm định bộ tham số mô hình mà còn bao gồm cả kiểm định dữ liệu đầu vào Chú ý rằng, kiểm định mô hình cần tiến hành càng nhiều trường hợp thì lựa chọn được một bộ tham số mô hình càng tốt

2 Các tham số mô hình

• Độ nhớt xoáy

Độ nhớt xoáy có thể được quy định theo một trong các cách khác nhau

- Bỏ qua chuyển động xoáy

- Hằng số cho toàn khu vực

- Thay đổi theo không gian

- Tự động tính toán bằng công thức Smagorinsky

Bằng cách sử dụng công thức Smagorinsky, hệ số tỉ lệ cho từng khu vực được đưa

ra Người sử dụng cũng có thể lựa chọn giữa vận tốc hoặc thông lượng dựa trên công thức độ nhớt xoáy

Việc xây dựng độ nhớt xoáy trong các phương trình đã được thực hiện theo hai cách

- Xây dựng dựa trên thông lượng

Trong đó: P là thông lượng trong phương x và E là hệ số độ nhớt xoáy

- Xây dựng dựa trên vận tốc

Trong đó: u là vận tốc trong phương x và h chiều sâu nước

Thực chất việc xây dựng theo cách đầu tiên chỉ đúng cho độ sâu cố định, đáy là phẳng và cần được áp dụng thận trọng để tránh nhầm lẫn với các mô hình dòng chảy

Xây dựng dựa trên tốc độ có độ chính xác tốt hơn tuy nhiên khó khăn trong việc thực hiện các thuật toán Điều này là do hệ thống sử dụng các phép khử phức tạp đối với các thông số không rõ hay không vận tốc Vì vậy việc xây dựng dựa trên vận tốc được thực hiện bằng cách sử dụng vận tốc từ bước thời gian trước đó Cách làm này

có thể khả quan, tuy nhiên vấn đề ổn định khi đó hệ số nhớt xoáy E trở lên khá lớn Hệ

số phải đảm bảo

Hệ số E được xác định như sau:

Trong đó U, V là thành phần vận tốc theo chiều sâu trung bình trong hướng X,

Y, Δ là khoảng cách giữa các lưới, Cs là hằng số được chọn trong khoảng 0.25- 1.0 Như vậy nếu chọn Smagorinsky thì phải chỉ định yếu tố Cs

• Hệ số nhám

Độ nhám đáy được coi là biến chuẩn chính trong các mô đun HD và cũng rất cần thiết cho các mô hình chính xác của quá trình khác như vận chuyển bùn cát và suy giảm sóng Dù với phương thức lựa chọn nào để xác định độ nhám đáy trong mô hình, giá trị thường được chọn thử dần trong phạm vi cho phép để thực hiện hiệu chỉnh, thường sử dụng theo các biến của độ sâu hoặc loại vật liệu đáy Một số phân tích dưới đây sẽ tìm hiểu mối quan hệ giữa dòng chảy, độ sâu nước và lựa chọn hệ số nhám Bên cạnh đó so sánh lọạt giá trị được đề nghị cho hiệu chuẩn và sử dụng mô hình trước đó với các giá trị theo thời gian nghiên cứu thực địa Nghiên cứu này không chỉ đưa ra bộ hiệu chuẩn mà còn cung cấp căn cứ kinh nghiệm để chọn lựa hệ số nhám trong hiệu chuẩn mô hình

Trong mô hình, ứng suất tiếp (τb_) được xác định theo luật ma sát

τb = Cd ρ Ū2 Trong đó: Cd là hệ số cản, ρ là mật độ của môi trường chất lỏng, Ū là vân tốc trung chiều sâu

Các ứng suất tiếp tỷ lệ thuận với bình phương vận tốc nhưng lại bị thu nhỏ bởi

hệ số cản Giá trị của Cd cho phép thể hiện ảnh hưởng của thay đổi độ nhám đáy Cd có thể được chỉ định cho một chiều cao đặc biệt trên đáy (tương ứng với chiều cao mà đo

đạc tốc độ) hoặc như một giá trị trung bình độ sau (để sử dụng với độ sâu trung bình vận tốc như là trường hợp trong Mike 21)

Trong Mike 21, giá trị của Cd được quy định theo một trong các cách khác nhau: + Không xét đến sức cản thủy lực

+ Số Manning (M)

+ Số Chezy ©

Xác định theo Maning (M) Xác định theo Chezy (C)

Mối quan hệ giữa số Manning và chiều dài nhám theo Nikuradse (Ks) có thể ước lượng theo công thức

M= 25.4/ Ks1/6 Theo Soulsby (1997) Ks có thể được biểu diễn qua đường kính hạt trung bình của bùn cát (D50)

Ks= 2.5 D50 Giá trị hệ số cản cho trầm tích đáy khác nhau (đáy phẳng) được thực hiện từ thí nghiệm với nhiều kịch bản khác nhau và giá trị C100 được thu tại 1m cách phía trên đáy

Cát/ vỏ 0.0024

Giá trị Cd cần được chuyển về dựa trên giá trị C100 theo quan hệ sau:

τb = Cd ρ Ū2 =C100 ρ U2

100

Một phép ước lượng đối với vận tốc trong đoạn nửa dưới của cột nước có thể theo Soulsby (1990)

Ở đây z là độ cao tại vị trí tính toán so với đáy và Uz là vận tốc tương ứng (U100 là vận tốc tại vị trí z= 1m)

Hình 1 Sự khác biệt trong số Manning tính cho thay đổi độ sâu của nước và loại đáy biển (dựa trên giá trị từ Soulsby, 1997) Ngoài ra, giá trị đề nghị từ hiệu chuẩn Mike 21 đúng cách mô phỏng các quá trình thủy động lực.

Hình 2 Sự khác biệt trong số Chezy tính từ giá trị của Soulsby (1997) để thay đổi

độ sâu của nước và loại đáy biển.

Hình 3 Giá trị của Cd kết quả từ tối đa và giá trị đề nghị tối thiểu của Manning

và Số Chezy trong hướng dẫn sử dụng và phạm vi Chezy thay thế đề nghị trong văn bản Hộp màu xám đại diện cho phạm vi gần đúng của Cd(0,0015-0,0040)

được đề xuất bởi Soulsby (1997) cho một loạt các loại đáy biển.

Các hình từ Hình 1 – Hình 3 thể hiện các giá trị M, C và Cd với các loại trầm tích và độ sâu khác nhau được đề xuất bởi Soulsby (1997) Các giá trị sẽ được tham khảo cho tính toán mô hình Từ đó có cơ sở chọn lựa giá trị hệ số nhám hợp lý cho phép kết quả tính toán thủy lực được nâng cao độ chính xác

Tóm lại: Thông thường trong các tính toán hiệu chuẩn và kiểm định mô hình người ta quan tâm đến thông số mô hình chủ yếu là hệ số nhám và hệ số nhớt xoáy Các nghiên cứu tại phần trên đã thể hiện được rõ ràng hai vấn đề, có thể sử dụng làm căn cứ để hiệu chuẩn chọn lựa bộ tham số mô hình phù hợp một cách dễ dàng

3 Hiệu chuẩn và kiểm định mô hình

3.1 Hiệu chuẩn và kiểm định mô hình mưa và dòng chảy lũ

Để tiến hành tính toán, mô phỏng quá trình dòng chảy lũ trên lưu vực bằng mô hình thủy văn, thủy lực cần thiết hiệu chuẩn và kiểm định bộ thông số cho mô hình tính toán, bao gồm mô hình mưa- dòng chảy Nam và mô hình kết nối Mike Flood

a, Mô hình mưa rào- dòng chảy NAM

Trong khu vực nghiên cứu chỉ có trạm thủy văn Kiến Giang có tài liệu lưu lượng từ 1070- 1974 sau đó trạm chỉ quan trắc mực nước Mặt khác do hạn chế về số liệu mưa (chỉ có số liệu mưa giờ tại trạm Đồng Hới từ 1980 đến nay, trạm Kiến Giang

số liệu mưa ngày và không đầy đủ) Trong chuyên đề trình bày sử dụng quan hệ

Q-H trạm Kiến Giang để tính toán lưu lượng từ mực nước cho các năm có tài liệu mưa giờ tại trạm Đồng Hới làm cơ sở cho hiệu chuẩn và kiểm định mô hình

+ Trận lũ từ ngày 10 đến 19-11-2000 sử dụng cho hiệu chuẩn

+ Trận lũ từ ngày 1 đến 10-11-1999 sử dụng cho kiểm định

Kết quả hiệu chuẩn và kiểm định thể hiện như sau

Hình 3.1 Kết quả hiệu chỉnh mô hình NAM

Hình 3.2 Kết quả kiểm định mô hình NAM

Kết quả hiệu chỉnh mô hình NAM được thể hiện tại Hình 3.1 cho thấy kết quả hiệu chỉnh bộ thông số khá tốt, kết quả sai số Nash = 75.2% Bộ thông số mô hình được thể hiện tại Bảng 3.1 Bộ thông số mô hình được sử dụng để kiểm định mô hình và cho kết quả tính toán như Hình 3.2 đạt sai số Nash = 72.3%

Bảng 3.1 Bộ thông số mô hình NAM

b, Mô hình thủy lực

Để tiết kiệm thời gian đồng thời tăng độ chính xác, mô hình kết nối 1-2 chiều Mike Flood được sử dụng hiệu chỉnh với trận lũ năm 2000 và 1999

Hiệu chỉnh với trận lũ tháng 11/2000

Tiến hành hiệu chỉnh mô hình với số liệu biên là mực nước tại các trạm Kiến Giang, Đồng Hới trong trận lũ từ ngày 10 - 16/11/2000, kết quả tính toán so sánh với

số liệu mực nước trạm Lệ Thủy Tài liệu mưa giờ tại trạm đồng Hới kéo dài trong 8 ngày với tổng lượng là 296.9 mm Số liệu mưa này là đầu vào cho mô hình NAM để tính toán các biên đầu vào và biên gia nhập khu giữa cho mô hình 1 và 2 chiều theo các lưu vực phân chia

Sau quá trình hiệu chỉnh mô hình bằng phương pháp thử sai, đã thu được bộ thông số

độ nhám đáy sông và độ nhám trên bãi ngập lũ, các kết quả tính toán từ mô hình so sánh với kết quả thực đo được thể hiện trong hình 3.3 và bảng 3

Hình 3.3 Kết quả hiệu chỉnh mô hình hai chiều

Bảng 3.2 Thống kê diện tích ngập theo xã lưu vực sông Nhật Lệ trận lũ 1999.

Kết quả đánh giá sai số theo chỉ tiêu NASH ta thu được R2 = 87,4% kết quả đánh giá sai số này thuộc loại tốt cho thấy kết quả mô phỏng bằng mô hình có độ chính xác đạt yêu cầu, sơ đồ thuỷ lực với các mặt cắt và công trình trên sông là hợp lý Các số liệu về địa hình và độ nhám này sẽ được sử dụng để kiểm định trong giai đoạn tiếp theo

Kiểm định mô hình với trận lũ 11/1999

Quá trình kiểm định mô hình MIKE - FLOOD được tiến hành với quá trình mưa lũ từ ngày 1/XI đến ngày 6/XI/1999 Trận mưa có tổng lượng là 403,6 mm kéo dài trong 6 ngày liên tiếp đã gây ngập trên một vùng rộng trong khu vực nghiên cứu

Số liệu mưa này là đầu vào của mô hình NAM để tính toán điều kiện biên và gia nhập khu giữa cho mô hình MIKE 11và được tính trực tiếp trong mô hình MIKE 21 đối với khu vực nghiên cứu chi tiết

Số liệu mực nước tại trạm Lệ Thủy được sử dụng để kiểm định mô hình với mạng thủy lực 1D, kết quả so sánh tính toán và thực đo được thể hiện chi tiết tại hình 3.10 và bảng 4 trong phụ lục Kết quả đánh giá sai số bằng chỉ tiêu NASH đạt 88,9%

Hình 3.4 Kết quả hiệu chỉnh mô hình hai chiều

Về nguyên tắc cần phải hiệu chỉnh và kiểm định mô hình ngập lụt cho cả 2 trận

lũ trên đây, tuy nhiên do hạn chế về số liệu đo đạc vết lũ cũng như số liệu thống kê tình hình ngập lụt với các trận lũ khác nhau, nên trong chuyên đề này chỉ tiến hành đánh giá và kiểm định bộ thông số mô hình với số liệu ngập lụt trận lũ lịch sử 1999

Kết quả tính toán bằng mô hình MIKE FLOOD xuất ra dưới dạng file ASCII, được xử lý bằng phần mềm ArcGis 9.1 nhằm xây dựng các vùng ngập lụt với độ sâu ngập khác nhau thành các lớp thông tin (layer) trên hệ GIS Từ đó kết hợp với lớp ranh giới hành chính có sẵn để tính toán diện tích ngập ứng với các xã, huyện và cho toàn vùng

Các số liệu tính toán được so sánh với số liệu thống kê ngập lụt theo nghiên cứu của Dự án hỗ trợ quản lý thiên tai tại Việt Nam do Bộ NN&PTNT và UNDP phối hợp thực hiện năm 2004 [1] Kết quả trong bảng 3.3 và hình 3.11cho thấy tuy rằng mô hình tính toán diện tích ngập lụt có thiên lớn nhưng với sai số NASH=73,6% đã chứng tỏ

mô hình mô phỏng tương đối tốt diện tích ngập lụt trong trận lũ năm 1999

Hình 3.5 Kết quả so sánh diện ngập theo từng xã trận lũ năm 1999

Thông số Giá trị

3.2 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình triều

Để tính toán hiệu chỉnh mô hình, trong nghiên cứu đã tính toán thử nghiệm và chọn lựa được bộ tham số mô hình như sau:

Bộ tham số mô hình được sử dụng cho mô phỏng kiểm định và cho kết quả như Hình 3.6 với độ lệch mực nước thực đo và tính toán lớn nhất khoảng 20cm, độ lệch pha từ 1-2h, hệ số Nash đạt 68%

Hình 3.6 Kết quả kiểm định mô hình triều trong thời gian 15/5/2012- 28/5/2012

K t lu n và ki n ngh ế ậ ế ị

Các nghiên cứu trong chuyên đề đã trình bày những cơ sở khoa học chọn lựa tham số và hiệu chỉnh tham số đồng thời kiểm định mô hình tính toán mưa, lũ, triều Các kết quả đạt được cho thấy bộ tham số mô hình đã chọn cho các mô hình tính toán đạt được sự hợp lý và kết quả kiểm định khá tốt thông qua đánh giá hệ số Nash Bộ tham số mô hình được sử dụng cho những mô phỏng, tính toán sau này để phục vụ các nghiên cứu có liên quan trong đề tài

Các thông số mô hình được chọn lựa cho các tính toán như sau:

Tài li u tham kh o ệ ả

1 Dự án hỗ trợ hệ thống quản lý thiên tai tại Việt Nam – Bộ NN&PTNT và UNDP phối hợp thực hiện (2004), Bản đồ ngập lũ lịch sử năm 1999