So sánh lựa chọn mô hình thích hợp để mô phỏng chế độ thủy văn lưu vực sông vu gia thu bồn

So sánh đã chỉ ra rằng, với kích thước lớn, địa hình phức tạp, tình hình thổ nhưỡng, cây trồng thay đổi nhiều trong lưu vực và nhất là mật độ trạm đo mưa, dòng chảy còn rất thưa, nên cả

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS Võ Ngọc Dương

Đà Nẵng - Năm 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả Luận văn

Lê Văn Quế

MỤC LỤC

TÓM TẮT LUẬN VĂN i

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ii

DANH MỤC CÁC BẢNG iii

DANH MỤC CÁC HÌNH iii

LỜI CAM ĐOAN vi

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phạm vi nghiên cứu của đề tài 2

5 Nội dung nghiên cứu 2

6 Phương pháp nghiên cứu 2

7 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 3

8 Bố cục của luận văn 3

Chương 1 KHÁI QUÁT VỀ MÔ HÌNH VÀ VAI TRÒ CỦA MÔ HÌNH TRONG NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ THỦY VĂN LƯU VỰC 4

1.1 Định nghĩa mô hình 4

1.2 Dữ liệu cần thiết cho mô hình 7

1.3 Vai trò của mô hình trong nghiên cứu chế độ thủy văn lưu vực 8

1.4 Phân loại mô hình 8

1.4.1 Mô hình thực nghiệm 9

1.4.2 Mô hình tượng trưng 9

Chương 2 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN MÔ HÌNH THỦY VĂN CHO LƯU VỰC 12

2.1 Các loại mô hình thủy văn trên thị trường 12

2.1.1 Mô hình MIKE-NAM 12

2.1.2 Mô hình HEC- HMS 15

2.1.3 Mô hình SWAT 19

2.1.4 Mô hình MIKE-SHE 22

2.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG CỦA bốn mô hình 24

2.2.1 Mô hình HEC-HMS 25

2.2.2 Mô hình MIKE-NAM 25

2.2.3 Mô hình SWAT 26

2.2.4 Mô hình MIKE-SHE 27

2.3 Các tiêu chí cơ bản để lựa chọn mô hình thủy văn cho lưu vực 29

Chương 3 LƯU VỰC SÔNG VU GIA - THU BỒN 31

3.1 Tổng quan về lưu vực 32

3.2 Đặc điểm tự nhiên và khí tượng thủy văn 33

3.2.1 Đặc điểm địa hình 33

3.2.2 Đặc điểm sông ngòi 33

3.2.3 Đặc điểm địa chất, thổ nhưỡng 34

3.2.4 Đặc điểm khí hậu 34

3.2.5 Đặc điểm thủy văn 36

3.3 đặc điểm Thiên tai trên lưu vực 39

3.3.1 Tổng quan về thiên tai ở Quảng Nam 39

3.3.2 Đặc điểm thiên tai lũ và ngập lụt ở Quảng Nam 40

3.3.3 Thiệt hại do hạn hán của ở Quảng Nam 40

3.4 Thực trạng dữ liệu cho nghiên cứu và mô phỏng chế độ thủy văn 41

3.4.1 Địa hình và mạng lưới sông 41

3.4.2 Sử dụng đất và bản đồ đất 42

3.4.3 Nước ngầm 43

3.4.4 Dữ liệu thủy văn 43

3.4.5 Kết luận 44

Chương 4 SO SÁNH MỘT VÀI MÔ HÌNH THỦY VĂN THÔNG DỤNG VÀ ÁP DỤNG MÔ HÌNH MIKE-SHE CHO NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ THỦY VĂN LƯU VỰC SÔNG VU GIA - THU BỒN 45

4.1 So sánh lựa chọn mô hình 45

4.1.1 So sánh về lý thuyết mô hình 45

4.1.2 So sánh về kết quả mô phỏng 46

4.2 Áp dụng mô hình MIKE-SHE 48

4.2.1 Thiết lập mô hình MIKE-SHE 48

4.2.2 Hiệu chỉnh mô hình 52

4.2.3 Kiểm định mô hình 53

4.2.4 Nhận xét kết quả hiệu chỉnh và kiểm định 55

4.2.5 Dòng chảy ngầm 55

4.2.6 Đánh giá tác động của biến đổi khí hậu 59

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (BẢN SAO)

TÓM TẮT LUẬN VĂN

SO SÁNH LỰA CHỌN MÔ HÌNH THÍCH HỢP ĐỂ MÔ PHỎNG CHẾ ĐỘ

THỦY VĂN LƯU VỰC SÔNG VU GIA-THU BỒN Học viên thực hiện: Lê Văn Quế Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy

Mã số: 60.58.02.02 Khóa học : 2015÷2017 Trường Đại học Bách Khoa - Đà Nẵng

Tóm tắt - Nước được xem là yếu tố sống còn của cuộc sống Nó luôn đóng một vai trò

hết sức quan trọng trong sự hình thành và phát triển của xã hội loài người Tuy nhiên việc phân bố không đồng đều của tài nguyên nước dẫn đến nhiều tác động tiêu cực tới sự sinh tồn cũng như là các hoạt động kinh tế xã hội của con người Hệ thống Sông Vu Gia-Thu Bồ n là lưu vực lớn ở vùng Duyên hải Trung Trung Bô ̣ Toàn bô ̣ lưu vực có diê ̣n tích lưu vực 10.350

km2 Với mục đích lựa chọn một mô hình thích hợp làm công cụ mô phỏng hiệu quả chế độ thủy văn của lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn, để từ đó đưa ra các giải pháp thích ứng phù hợp, giúp giảm thiểu thiệt hại do thiên tai và biến đổi khí hậu gây ra Tác giả đã tiến hành so sánh về mặt lý thuyết cũng như ứng dụng bốn mô hình thủy văn phổ biến hiện nay: HEC-HMS, MIKE-NAM, SWAT, MIKE-SHE đại diện cho ba dạng mô hình cơ bản: tập trung, bán phân bố và phân bố So sánh đã chỉ ra rằng, với kích thước lớn, địa hình phức tạp, tình hình thổ nhưỡng, cây trồng thay đổi nhiều trong lưu vực và nhất là mật độ trạm đo mưa, dòng chảy còn rất thưa, nên cả về mặt lý thuyết và về mặt áp dụng đều đưa ra khuyến nghị sử dụng mô hình thủy văn phân bố tất định MIKE-SHE để mô phỏng chế độ thủy văn của lưu vực sông

Vu Gia Thu Bồn là thích hợp nhất

Từ khóa: Vu Gia-Thu Bồn; So sánh mô hình thủy văn; Tiêu chuẩn lựa chọn mô hình

thủy văn; Mô hình thủy văn thích hợp cho Vu Gia-Thu Bồn; Bốn mô hình thủy văn phổ biến hiện nay

Abstrac t- Water is considered a vital element of life It always plays a very important role in the formation and development of human society However, the uneven distribution of water resources leads to many negative impacts on human survival as well as on socio-economic activities Vu Gia - Thu Bon River system is a large catchment in the Central Coast The entire catchment has a basin area of 10.350 km2 For the purpose of selecting a suitable model as a tool for efficient hydrological simulation of the Vu Gia Thu Bon River basin, in order to develop appropriate adaptation measures to minimize damage caused by natural disasters Ear and climate change cause HEC-HMS, MIKE-NAM, SWAT, MIKE-SHE represent the three basic models of focus: the focus , Distribution and distribution Comparison showed that, with large size, complicated terrain, soil condition, crop changes much in the basin and especially the density of rain gauge station, the flow is very sparse, so physically In theory and application, it is recommended to use the MIKE-SHE determinate hydrographic distribution model to simulate hydrological regime of Vu Gia-Thu Bon river basin

Keywords: Vu Gia-Thu Bon; Comparison of hydrological models; Standard selection

of hydrological model; Hydrographic model suitable for Vu Gia-Thu Bon; Four current hydrological models

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ANN : Mạng lưới thần kinh nhân tạo

ARS : Trung tâm phục vụ Nghiên cứu Nông Nghiệp Hòa Kỳ ASTER : Chiếu phản xạ không gian nâng cao

CREAMS : Mô hình thủy văn mưa ngày

DEM : Mô hình cao độ số

DHI : Viện thủy lực Đan Mạch

GCM : Mô hình khí hậu toàn cầu

GIS : Hệ thống thông tin địa lý

HBV : Mô hình dòng chảy bán phân bố

HEC : Trung tâm thủy văn công trình quân đội Mỹ

HEC - HMS : Mô hình mưa hiệu quả-dòng chảy trực tiếp

LTANK : Mô hình bể chứa tuyến tính

METI : Thương mại và Công nghiệp của Nhật Bản

MIKE11 : Mô hình thủy lực 1 chiều thuộc bộ mô hình MIKE MIKE SHE : Mô hình mưa - dòng chảy (DHI)

NAM : Mô hình mưa rào – dòng chảy (DHI)

NASA : Cơ quan Hàng không và Không gian Quốc gia Hoa Kỳ

RMSE : Sai số căn bình phương trung bình

ROTO : Mô đun đánh giá tác động của quản lý tài nguyên nước SCS : Cơ quan bảo vệ thổ nhưỡng Hoa Kỳ

SSARR : Mô hình tổng hợp dòng chảy từ mưa và điều tiết hồ chứa SWAT : Mô hình quản lý tổng hợp lưu vực

SWRRB : Mô hình tính toán tài nguyên nước trong lưu vực

TANK : Mô hình bề chứa theo hai phương ngang và đứng

TBNN : Trung bình nhiều năm

TOPMODEL : Mô hình mưa nhận thức – dòng chảy

USDA : Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ

USGS : Cơ quan khoa học của chính phủ Hoa Kỳ

WMO : Tổ chức khí tượng thế giới

XINANJIANG : Mô hình thủy văn

3.3 Tần suất lưu lượng đỉnh lũ lớn nhất các Trạm thủy văn 38 3.4 Đỉnh lũ lớn nhất đã quan trắc được tại các Trạm thủy văn 38 3.5 Dòng chảy kiệt nhỏ nhất các Trạm trong vùng nghiên cứu 39

3.7 Tỷ lệ sử dụng đất tại lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn 42 3.8 Tỷ lệ các loại đất tại lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn 43 4.1 Các tham số hiệu chỉnh chính của 4 mô hình 46 4.2 So sánh lưu lượng đỉnh lũ của bốn mô hình Lưu lượng đỉnh

lũ (m3/s) Lưu lượng đỉnh lũ (m3/s) 47

4.4 Các chỉ số của mô hình Mike She sau khi hiệu chỉnh 52 4.5 Các chỉ số của mô hình Mike She sau khi kiểm định 54

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu

1.2 Sơ đồ mô hình hóa quá trình thuỷ văn cho lưu vực 6

2.4 Các quá trình trong dòng chảy được mô phỏng bởi

2.7 Kết quả mô phỏng của HEC-HMS cho trạm Nông

3.2 Bản đồ mạng lưới sông trên lưu vực sông Thu Bồn –

Kết quả kiểm định của MIKE-SHE cho mực nước

4.14 Kết quả kiểm định của MIKE-SHE cho mực nước tại

4.27 Tổng lượng dòng chảy trung bình tháng tại trạm

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả Luận văn

Lê Văn Quế

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nước được xem là yếu tố sống còn của cuộc sống Do đó, nó luôn đóng một vai trò hết sức quan trọng trong sự hình thành và phát triển của xã hội loài người Tuy nhiên, sự phân bố yếu tố sống còn này không được đồng đều theo không gian và thời gian, có những khu vực rất dồi dào về loại tài nguyên này, nhưng cũng có rất nhiều khu vực lại không có, ví như ở Việt Nam, tổng lượng dòng chảy năm của sông Mê Kông bằng khoảng 500 km3, chiếm tới 59% tổng lượng dòng chảy năm của các sông trong cả nước, sau đó đến hệ thống sông Hồng 126,5 km3 (14,9%), hệ thống sông Đồng Nai 36,3 km3 (4,3%), sông Mã, Cả, Thu Bồn có tổng lượng dòng chảy xấp xỉ nhau, khoảng trên dưới 20 km3 (2,3 - 2,6%), các hệ thống sông Kỳ Cùng, Thái Bình và sông Ba cũng xấp xỉ nhau, khoảng 9 km3 (1%), các sông còn lại là 94,5 km3 (11,1%) [15]

Do tính chất quan trọng của tài nguyên nước nên sự phân bố không đồng đều theo không gian dẫn tới những mâu thuẫn và tranh chấp khốc liệt giữa các địa phương, quốc gia với nhau Về mặt thời gian, việc phân bố không đồng đều của loại tài nguyên này dẫn đến nhiều tác động tiêu cực tới sự sinh tồn cũng như là các hoạt động kinh tế

xã hội của con người Hàng năm, các loại hình thiên tai tự nhiên liên quan tới sự phân

bố không đồng đều của nước theo thời gian như lũ lụt, hạn hán…đã gây ra nhiều thiệt hại to lớn về người và của Theo thống kê năm 2013 thì những thiên tai như lũ lụt, hạn hán… hàng năm gây thiệt hại khoảng 30.000 tỷ đồng, số người bị chết và mất tích khoảng 313 người, số người bị thương là 1.150 người [15], ngoài ra cũng gây những

hệ lụy lâu dài khác Thêm vào đó, trong những năm gần đây, dưới tác động của hiện tượng biến đổi khí hậu, thiệt hại do thiên tai lũ lụt và hạn hán ngày một tăng và khốc liệt hơn Đứng trước yêu cầu của thực tiễn, việc tìm hiểu quá trình thủy văn của lưu vực để từ đó đề xuất những biện pháp đối phó được xem là một chìa khóa quan trọng hàng đầu để giảm thiểu tác động của thiên tai đến cuộc sống dân cư Vấn đề này đã được tiến hành từ rất lâu, tuy nhiên ngày nay dưới sự phát triển mạnh mẽ của toán học cũng như sự hỗ trợ tích cực của công cụ máy tính, việc nghiên cứu chế độ thủy văn của lưu vực ngày càng trở nên dễ dàng và chính xác hơn Những tiến bộ này giúp cho các nhà nghiên cứu thủy văn có những cái nhìn chi tiết và đầy đủ hơn về quá trình thủy văn lưu vực để từ đó đưa ra những quyết định, những chính sách đúng đắn đóng góp tích cực cho công tác phòng chống giảm nhẹ thiệt hại do thiên tai gây ra

Vu Gia-Thu Bồn là một lưu vực sông lớn của khu vực miền Trung Dòng chảy của Vu Gia-Thu Bồn có ảnh hưởng lớn đến sự phát triển kinh tế xã hội của địa

phương Bên cạnh những mặt tích cực thì thiên tai lũ lụt xuất phát từ Vu Gia - Thu Bồn, hàng năm cũng gây ra rất nhiều thiệt hại về người và của Hậu quả của những thiên tai này được cho là sẽ phức tạp và nghiêm trọng hơn trong tương lai dưới tác động của hiện tượng nóng lên toàn cầu Do đó thật sự cần thiết có một nghiên cứu tổng thể về các diễn biến thủy văn của lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn để từ đó đưa ra các giải pháp thích ứng phù hợp, giúp giảm thiểu thiệt hại do thiên tai và biến đổi khí hậu gây ra Với mục đích lựa chọn một mô hình thích hợp làm công cụ mô phỏng hiệu quả chế độ thủy văn của lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn, nghiên cứu này tiến hành so sánh các mô hình thủy văn hiện có, đặc trưng cho 3 loại hình thủy văn tiêu biểu là phân bố, bán phân bố và tập trung Kết quả so sánh hy vọng cung cấp một cái nhìn tổng quan về các loại mô hình cũng như cung cấp cho các nhà mô phỏng những điểm mạnh, yếu khác nhau của từng loại mô hình ứng với lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

So sánh ưu nhược điểm của các loại mô hình thủy văn làm căn cứ giúp các nhà nghiên cứu lựa chọn mô hình thủy văn một cách hiệu quả, phù hợp với điều kiện thực

tế của lưu vực nghiên cứu;

Phân tích độ nhạy các tham số mô hình, giúp cho việc xây dựng mô hình thủy văn nhanh chóng, thuận lợi hơn

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Các phần mềm thủy văn thông dụng trên thị trường hiện nay;

Chế độ thủy văn tại lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn

4 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu được thực hiện trên phạm vi lưu vực sông Vu Gia Thu Bồn, tỉnh Quảng Nam

5 Nội dung nghiên cứu

Đánh giá thực trạng dữ liệu dùng cho nghiên cứu chế độ thủy văn của lưu vực;

So sánh ưu nhược điểm của các mô hình thủy văn phổ biến hiện nay;

Áp dụng các mô hình thủy văn thông dụng trên thị trường hiện nay cho mô phỏng chế độ thủy văn của lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn;

So sánh kết quả, phân tích để lựa chọn mô hình thủy văn thích hợp nhất cho lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn

6 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sẽ sử dụng các phương pháp nghiên cứu:

Phương pháp phân tích tài liệu;

Phương pháp kế thừa các kết quả nghiên cứu liên quan;

Phương pháp mô hình hóa;

Phương pháp so sánh, phân tích kết quả

7 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

So sánh tính ưu việt của các mô hình thủy văn hiện có, giúp các nhà mô phỏng, nghiên cứu có căn cứ lựa chọn mô hình hợp lý trong mô phỏng chế độ thủy văn của lưu vực;

Dựa vào thực trạng dữ liệu hiện có của lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn, đề xuất

mô hình thủy văn phù hợp nhất cho lưu vực này;

Đánh giá độ nhạy của các thông số mô hình ứng với lưu vực Vu Gia - Thu Bồn,

từ đó giúp việc xây dựng, hiệu chỉnh, kiểm định mô hình ở lưu vực này hiệu quả và nhanh chóng hơn

8 Bố cục của luận văn

Luận văn gồm phần Mở đầu, 04 chương, phần Kết luận và kiến nghị

Chương 1: Khái quát về mô hình và vai trò của mô hình trong nghiên cứu chế độ thủy văn lưu vực

Chương 2: Phân tích lựa chọn mô hình thủy văn cho lưu vực

Chương 3: Lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn

Chương 4: So sánh một vài mô hình thủy văn thông dụng và áp dụng mô hình MIKE-SHE cho nghiên cứu chế độ thủy văn lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn

Chương 1 KHÁI QUÁT VỀ MÔ HÌNH VÀ VAI TRÒ CỦA MÔ HÌNH TRONG NGHIÊN

CỨU CHẾ ĐỘ THỦY VĂN LƯU VỰC

1.1 ĐỊNH NGHĨA MÔ HÌNH

Quá trình thủy văn có ý nghĩa vô cùng quan trọng với đời sống con người, quá trình này thể hiện gần như tất cả các diễn biến liên quan tới nguồn nước trên bề mặt trái đất Quá trình thủy văn bao gồm rất nhiều thành phần phức tạp cũng như là sự tương tác giữa các thành phần này Do đó rất khó để đưa ra các định nghĩa chính xác nhất cho quá trình này Dựa trên các nghiên cứu hiện nay, các nhà nghiên cứu thủy văn

đã đưa ra những khái niệm khái quát về quá trình thủy văn, theo đó có thể khái quát đơn giản thủy văn là một tập hợp các quá trình vật lý, hóa học và sinh học tác động lên các yếu tố đầu vào, chuyển đổi thành các yếu tố đầu ra [39] Quá trình chuyển đổi diễn

ra liên tục và có thể gọi là chu trình thuỷ văn, trong đó nước là thành tố chính của chu trình này

Do đặc trưng của quá trình thủy văn, bên cạnh những mặt tích cực, quá trình này

có những tác động tiêu cực lên đời sống con người Để giảm các tác động tiêu cực của

hệ thống này, con người đã không ngừng nghiên cứu quá trình thủy văn để hiểu sâu hơn về hoạt động của nó và có thể đưa ra dự đoán tương đối Tuy nhiên, với sự phức tạp của nó, cho đến nay, con người cũng chỉ khám phá ra một phần nhỏ của quá trình thủy văn Ngày nay, với sự phát triển của các công cụ toán học và khoa học máy tính,

mô hình được xem là công cụ hiệu quả để nghiên cứu những gì xảy ra trong các quá trình thủy văn và tác động của các yếu tố biến đổi khí hậu lên hệ thống thủy văn [38]

Mô hình là một công cụ dùng để tái hiện các hiện tượng tự nhiên, giúp nghiên cứu các quá trình này đơn giản và hiệu quả hơn, theo đó có thể có mô hình vật lý, mô hình tương tự hoặc mô hình toán học Brooks [16] thể hiện rằng các mô hình thuỷ văn, là đại diện đơn giản hóa của các hệ thống thuỷ văn thực tế, cho phép dự đoán phản ứng thủy văn từ đó giúp nghiên cứu chức năng và tương tác của các yếu tố đầu vào khác nhau, từ đó hiểu rõ hơn về diễn biến của quá trình thủy văn trong lưu vực Nói chung,

mô hình hệ thống thuỷ văn có thể được giải thích như là một chức năng biến đổi các yếu tố đầu vào thành kết quả đầu ra Kết quả mô hình có thể giúp chúng ta hiểu rõ hơn

về các hiện tượng thuỷ văn đang hoạt động trong lưu vực và sự thay đổi lưu vực có thể ảnh hưởng đến những hiện tượng này Hơn nữa, chúng giúp cho các nhà thủy văn học

có bằng chứng khoa học để dự báo các kịch bản trong tương lai như biến đổi khí hậu hoặc thay đổi sử dụng đất cũng như đề xuất thiết kế xây dựng công trình trong lưu vực Tuy nhiên, mô hình không thể diễn tả được tất cả các thành phần của hệ thống thuỷ

văn cũng như mối quan hệ giữa chúng Nó chỉ có khả năng mô tả phác hoạ hệ thống này Từ đó, Xu [39] đã định nghĩa mô hình thủy văn là đại diện đơn giản của một hệ thống phức tạp có nhiều biến ví dụ: Lượng mưa, thoát nước, thoát hơi nước, nhiệt độ, thấm, độ ẩm, Vì vậy, mô hình này chỉ đại diện cho một mô hình tương đương của hệ thống thực tế Nó không thể truyền tải hoàn toàn được những điều xảy ra trong tự nhiên Do hạn chế trong khả năng tính toán, chu trình thủy văn của lưu vực đầu nguồn được phân lập để nghiên cứu trong quy mô đầu nguồn Công việc này giống như một trong những bước đơn giản hóa cơ bản khi làm gián đoạn sự liên tục không gian của

hệ thống thủy văn

Hình 1.1: Lưu vực sông như một hệ thống thủy văn [19]

Để hiểu được lưu vực sông cần thông qua địa hình hoặc nước ngầm như hình 1.1

Nó được định nghĩa như một khu vực địa hình góp phần vào dòng chảy bề mặt trong mạng lưới sông ngòi hoặc bất cứ điểm quan tâm nào [17, 19, 22, 24] Do đó, khi nói về

mô hình thủy văn, chúng ta ngụ ý rằng mô hình này mô phỏng quá trình thủy văn cho một khu vực nhỏ hoặc lưu vực

Phân chia đầu

nguồn )

(Bề mặt lưu vực)

(Lượng mưa)

(Ranh giới hệ thống)

(Dòng chảy)

Hình 1.2: Sơ đồ mô hình hóa quá trình thuỷ văn cho lưu vực

Trong phạm vi lưu vực, mô hình thủy văn có thể được định nghĩa đơn giản hóa theo định luật bảo toàn [30], như sau:

Phương pháp luận cho việc áp dụng một mô hình để mô phỏng chu trình thủy văn lưu vực trong hầu hết các trường hợp đều được thể hiện như Hình 1.2 Phương pháp này được tóm tắt từ những nghiên cứu trước đây [32, 39, 40] Theo sơ đồ này, định nghĩa vấn đề là bước đầu tiên và đóng một vai trò quan trọng trong nghiên cứu thủy văn Bước này là để vạch ra các vấn đề tồn tại trong lưu vực Từ đó, giúp cho nhà thủy văn chỉ ra các mục tiêu mô phỏng làm cơ sở cho việc lựa chọn mô hình và chuẩn

bị dữ liệu Do đó, bước này ảnh hưởng đến rất nhiều mô hình được lựa chọn, cũng quyết định cấu trúc mô hình

Yếu tố thứ hai ảnh hưởng đến việc lựa chọn mô hình là dữ liệu có sẵn Nghĩa là cần phải có đầy đủ dữ liệu và thời lượng để phân tích và thiết kế các dự án thủy văn

1.2 DỮ LIỆU CẦN THIẾT CHO MÔ HÌNH

Dữ liệu cần thiết cho mô hình thủy văn bao gồm rất nhiều loại khác nhau và tùy thuộc vào mỗi mô hình Mỗi mô hình thủy văn có yêu cầu về dữ liệu khác nhau và được định dạng theo quy định riêng của nó Tuy nhiên về có bản các mô hình thủy văn thông thường có yêu cầu về một số loại dữ liệu chủ yếu, như sau:

- Dữ liệu địa hình: Đây là kiểu dữ liệu không gian, nó cung cấp về cao độ số của lưu vực Độ cao được xác định theo một trong các đơn vị như: meters, centimeters, yards, feet, inches

- Dữ liệu thổ nhưỡng: Bao gồm danh mục các loại đất trong bản đồ thổ nhưỡng cần phải được kết nối với cơ sở dữ liệu đất và được bổ sung các loại đất mới cùng với các thuộc tính của chúng

- Dữ liệu sử dụng đất: Bao gồm danh mục các loại hình sử dụng đất/thực phủ cần phải được phân loại lại theo các loại cây trồng/thực phủ quy định cho từng loại mô hình

- Dữ liệu về khí tượng: Mỗi mô hình thủy văn có yêu cầu về dữ liệu khí tượng

khác nhau và phụ thuộc vào mục đích sử dụng của mô hình đó Về cơ bản dữ liệu khí tượng bao gồm: Lượng mưa (mm); Lượng bốc hơi tiềm năng (mm); Nhiệt độ (oC); Số giờ nắng; Tốc độ gió; Độ ẩm không khí…

- Dữ liệu về thủy văn: Những mô hình thủy văn hiện nay thường cần một số dữ liệu về thủy văn cơ bản bao gồm: Lưu lượng (m3/s); Mực nước; Mực nước thủy triều…

- Biến động theo mùa của bảng nước ngầm hoặc đầu áp;

- Cây trồng, hoa màu và sử tiêu hao;

- Dữ liệu chất lượng nước của các dòng sông suối và nước ngầm;

- Các nghiên cứu địa mạo về lưu vực, như diện tích, hình dạng và độ dốc của lưu vực, độ cao trung bình, nhiệt độ trung bình và các đặc điểm sinh lý khác của lưu vực; Mật độ dòng chảy và mật độ thoát nước; Bể chứa và hồ chứa

1.3 VAI TRÒ CỦA MÔ HÌNH TRONG NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ THỦY VĂN LƯU VỰC

Trong nghiên cứu thủy văn học nói chung việc nghiên cứu, khai thác các mô hình toán ngày càng đóng một vai trò vô cùng quan trọng Đặc biệt hiện nay, khi mà các hoạt động dân sinh kinh tế đang có những tác động mạnh mẽ đến các lưu vực đầu nguồn thì việc nghiên cứu sự hình thành dòng chảy, mô phỏng những quá trình vật lý diễn ra trên các lưu vực trong điều kiện thiếu số liệu quan trắc sẽ cung cấp cho các nhà quản lý, các nhà hoạch định chính sách những thông tin vô cùng bổ ích nhằm đánh giá, quy hoạch, kiểm soát và hạn chế các thiệt hại do tai biến thiên nhiên như lũ lụt, xói lở, trượt đất, ô nhiễm nguồn nước… gây ra

Các mô hình toán thủy văn ngày càng tỏ ra có nhiều ứng dụng hiệu quả trong các lĩnh vực sản xuất và đời sống cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ máy tính và phương pháp tính, các mô hình ngày càng được hoàn thiện hơn và nâng cao độ chính xác, giải quyết có hiệu quả các bài toán về tính toán, dự báo, quy hoạch và quản

lý tài nguyên nước có thể phân chúng thành hai lĩnh vực ứng dụng chính Đó là ứng dụng trong dự báo tính toán thủy văn và trong tính toán thủy lực

1.4 PHÂN LOẠI MÔ HÌNH

Cho đến nay, nhiều mô hình thủy văn đã được phát triển dựa trên các lý thuyết khác nhau để mô phỏng hiện tượng thuỷ văn của lưu vực Chúng đã góp phần đáng kể trong việc tìm hiểu thêm về hiện tượng thuỷ văn, cũng như dự báo kịch bản trong tương lai Chúng cung cấp luận chứng hợp lý cho các nhà quy hoạch, chính quyền địa phương để đưa ra quyết định hợp lý trong quy hoạch quản lý nguồn nước cũng như là giảm nhẹ tác động của thảm họa thủy văn đối với con người

Hình 1.3: Phân loại mô hình thuỷ văn [33]

Khả năng và hạn chế của mỗi mô hình có thể được xác định dựa vào phân loại

mô hình Việc phân loại rõ ràng giúp cho nhà nghiên cứu hiểu rõ các đặc tính của mô hình trước khi quyết định sử dụng chúng theo mục đích của họ Harun và Singh [23, 33] cho rằng mô hình thủy văn có thể được phân loại như Hình 1.3, theo đó:

1.4.1 Mô hình thực nghiệm

Như định nghĩa của Chow [19] một mô hình thực nghiệm là cách sử dụng một

hệ thống tương tự để đại diện cho hệ thống thực Hệ thống này có những tính chất tương tự với thực tế, nhưng nó đơn giản hơn Do đó không phản ánh đầy đủ về hiện tượng và về quy mô các qúa trình xảy ra trong thực tế Chi phí mô hình thực nghiêm khá đắt và không thuận tiện cho xây dựng Nhưng nó có thể được áp dụng để hỗ trợ các nhà nghiên cứu thay thế một hiện tượng trong một lĩnh vực mới hoặc để mô phỏng, kiểm định kết quả cho các nghiên cứu

1.4.2 Mô hình tượng trưng

Có rất nhiều định nghĩa liên quan đến sự khác biệt này, nhưng Xu [39] cho rằng

mô hình tượng trưng là loại mô hình sử dụng các hệ thống tương tự để biểu diễn các

đặt tính của hệ thống cần mô phỏng Singh [33] phân chia hệ thống này thành hai loại chính: Mô hình toán học và phi toán học Tuy nhiên, trong lịch sử, loại mô hình này phần lớn chỉ xem xét trên phương diện toán học do đó khi nói đến mô hình tượng trưng, chúng ta có thể ngầm hiểu là mô hình toán học Do đó, thể loại mô hình tượng trưng là khá phong phú Để phân loại các mô hình này, người ta thường xét đến điểm tương đồng giữa chúng và cũng như các điểm khác nhau cơ bản Theo đó các loại mô hình thủy văn có thế sắp xếp theo các dạng sau:

a Dựa vào phương pháp mô phỏng

Dựa vào phương pháp mô phỏng quá trình thuỷ văn, mô hình thủy văn có thể được phân thành ba loại

Mô hình theo lối kinh nghiệm (mô hình kinh nghiệm) cũng được gọi là mô hình hộp đen mà chủ yếu là độc lập với quá trình vật lý Nó hoàn toàn được xây dựng trên thí nghiệm hoặc quan sát đầu vào đầu ra [28] Mô hình theo lối kinh nghiệm mô tả mối quan hệ giữa chuỗi thời gian đầu vào và đầu ra bằng cách sử dụng chức năng chuyển đổi giữa các yếu tố này

Mô hình lý thuyết (mô hình dựa trên mô hình vật lý) ngược lại có nguồn gốc từ các quy luật vật lý và các giả định Loại mô hình này có một cấu trúc gần như tương tự với cấu tạo hệ thống thực [39] Về lý thuyết, hầu hết các tham số mô hình có thể được

đo lường trên thực tế Hiện nay có nhiều loại mô hình được phát triển dưới dạng này như MIKE-SHE, SHETRAN, SWAT, TOPMODE

Mô hình khái niệm là loại mô hình trung gian giữa mô hình lý thuyết và mô hình kinh nghiệm Nhìn chung, mô hình khái niệm cũng là một dạng mô hình vật lý nhưng mức độ đơn giản cao hơn [33] Mô hình khái niệm đã được xây dựng và áp dụng (ví

dụ như HYRROM, HBV, ) trong thực tế do hiệu quả và tính đơn giản của nó

b Dựa vào tính liên tục

Trong thuật ngữ liên tục, có ít nhất hai ý nghĩa: Liên tục theo nghĩa hệ thống lý thuyết và liên tục trong ý nghĩa hồi quy thống kê [39] Định nghĩa đầu tiên được sử dụng rộng rãi nhất trong lịch sử mô hình thủy văn Trong các mô hình tuyến tính, có

sự tương quan đơn giản giữa đầu vào và đầu ra Ngược lại đối với mô hình phi tuyến tính, quan hệ này phức tạp hơn và không thể đảo ngược được khiến mô hình này khó nghiên cứu hơn

c Dựa vào yếu tố thời gian

Về đặc điểm thời gian, mô hình thuỷ văn cũng có thể được phân loại thành mô hình đặc trưng cho sự kiện và mô hình liên tục theo số lượng các sự kiện thủy văn được mô phỏng (hoặc chiều dài mô phỏng) Mô hình dựa vào đặc trưng cho sự kiện chỉ mô phỏng một hiện tượng cụ thể trong một khoảng thời gian ngắn (hàng giờ đồng

hồ cho đến vài ngày) Ngược lại, mô hình có thể được áp dụng để truyền tải một loạt các hiện tượng thủy văn (mô phỏng thời gian dài), được gọi là mô hình liên tục [23]

Rõ ràng, mô hình liên tục với nhiều đặc tính tốt hơn đã được sử dụng trong thực tế nhiều hơn mô hình dựa trên hiện tượng

Mô hình thủy văn có thể được chia thành hai loại do mối quan hệ giữa yếu tố đầu vào và đầu ra với thời gian, bao gồm mô hình bất biến theo thời gian và thay đổi theo thời gian Một mô hình được gọi là mô hình bất biến thời gian nếu mối quan hệ đầu vào với đầu ra của nó không thay đổi theo thời gian Ngược lại, nếu mối quan hệ này thay đổi theo thời gian thì đó là mô hình thay đổi theo thời gian

d Dựa vào tính chất phân bố không gian

Mô hình thủy văn có thể được tổ chức thành ba loại tùy các mức cụ thể khác nhau trong việc thể hiện không gian các đặc điểm lưu vực Xét về không phân định không gian, có ba yếu tố không gian chính được sử dụng, đó là mô hình tập trung, bán phân bố và phân bố

Mô hình thể hiện một cách đơn giản các đặc điểm lưu vực theo không gian được gọi là mô hình gộp Mô hình tập trung giả định rằng tất cả các đặc điểm là liên tục và đồng nhất trên lưu vực Các tham số của mô hình tập trung thì được định nghĩa khá đơn giản và tính hiện thực không cao Các thông số của mô hình tập trung không thể được xác định trực tiếp từ các đặc tính vật lý của lưu vực được xem xét Chúng thường được xác định thông qua quá trình hiệu chỉnh mô hình [18, 25]

Ngược lại, mô hình phân bố được xây dựng nhằm phân chia lưu vực thành các phần tử đơn vị Mỗi phần tử thể hiện gần như đầy đủ các đặc tính vật lý tại vị trí phần

tử đại diện Do đó, loại hình mô hình này thể hiện được bản chất vật lý của quá trình thủy văn lưu vực và kể đến tính chất phân bố không gian của các yếu tố cấu thành như loại đất, độ dốc và sử dụng đất [31, 35] Về lý thuyết, các thông số của mô hình phân

bố có thể được xây dựng trực tiếp dựa trên dữ liệu của lưu vực

Mô hình trung gian của hai loại mô hình trên đã được phát triển để hài hoà các ưu điểm và hạn chế những nhược điểm Đây là mô hình bán phân bố Loại mô hình này

mô tả cấu trúc lưu vực chi tiết hơn mô hình tập trung nhưng mức độ không đạt như mô hình phân bố [20]

e Dựa vào tính tất định của mô hình

Dựa vào quan hệ giữa yếu tố mô hình và sự ngẫu nhiên, Chow [19] đã chia mô hình thủy văn thành hai dạng Đầu tiên là mô hình tất định không bao gồm các yếu tố ngẫu nhiên Thứ hai là mô hình ngẫu nhiên bao gồm các yếu tố ngẫu nhiên

Chương 2 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN MÔ HÌNH THỦY VĂN CHO LƯU VỰC

2.1 CÁC LOẠI MÔ HÌNH THỦY VĂN TRÊN THỊ TRƯỜNG

Hiện nay, đã có rất nhiều mô hình thủy văn được phát triển Những mô hình này rất đa dạng được phát triển trên cơ sở nhiều nền tảng lý thuyết khác nhau và cũng đặt những trọng tâm giải quyết khác nhau Những trong khuôn khổ của luận văn này tác giả chỉ đi sâu vào một số mô hình thủy văn thông dụng như: MIKE-NAM, HEC-HMS, SWAT và MIKE-SHE

2.1.1 Mô hình MIKE-NAM

a Tổng quan về mô hình MIKE-NAM

Mô hình NAM là mô hình mưa rào – dòng chảy được xây dựng vào khoảng năm

1982 tại khoa Thủy văn, Viện Kỹ thuật thủy động lực thuộc trường đa ̣i học kỹ thuật Đan Ma ̣ch Nó được xem như là mô hình dòng chảy tất định, tập trung và liên tục cho ước lượng mưa – dòng chảy theo cấu trúc kinh nghiệm

Mô hình thủy văn NAM mô phỏng quá trình mưa – dòng chảy mặt xảy ra trong phạm vi lưu vực sông NAM là từ viết tắt của tiếng Đan Mạch “Nedbor-Afstromnings-Model”, có nghĩa là mô hình giáng thủy dòng chảy NAM hình thành nên một phần Môđun mưa - dòng chảy (RR - Rainfall Runoff) của bộ mô hình MIKE11

Môđun mưa - dòng chảy (RR) có thể áp dụng độc lập hoặc sử dụng để trình bày một hoặc nhiều lưu vực tham gia, tạo ra dòng chảy bổ sung vào mạng lưới sông

b Lịch sử pháp triển mô hình MIKE-NAM

Mô hình NAM thuộc loa ̣i mô hình thủy văn tất định – nhận thức – gộp, được xây dựng vào khoảng năm 1982 ta ̣i khoa Thủy Văn Viện kỹ thuật thủy động lực và thủy lực thuộc trường Đa ̣i học kỹ thuật Đan Ma ̣ch

Mô hình NAM là một hệ thống các diễn đạt bằng công thức toán học dưới da ̣ng định lượng đơn giản thể hiện tra ̣ng thái của đất trong chu kỳ thủy văn Mô hình NAM còn được gọi là mô hình mang tính xác định, tính khái niệm và khái quát với yêu cầu

dữ liệu đầu vào là trung bình

Mô hình NAM đã được sử dụng tốt ở nhiều nơi trên thế giới với các chế độ thủy văn và khí hậu khác nhau như Borneo, Mantania, Srilanca, Thái Lan, Ấn Độ ở Việt Nam, mô hình này đã được nghiên cứu sử dụng trong tính toán dự báo lũ trên nhiều hệ thống sông

Hiện nay trong mô hình thủy động lực MIKE 11 (do Viện Thủy Lực Đan Ma ̣ch –

DHI xây dựng), mô hình NAM đã được tích hợp như một môđun tính quá trình dòng chảy từ mưa

c Cơ sở lý thuyết của mô hình MIKE-NAM [12, 42]

Cấu trúc mô hình NAM được thể hiện trong Hình 2.1, nó mô phỏng các tầng chứa nước trong chu trình thủy văn NAM mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy bằng việc tính toán liên tục lượng nước trong bốn bể chứa có quan hệ với nhau mà chúng diễn tả các thành phần vật lý khác nhau trong lưu vực những bể chứa này bao gồm: bể chứa tuyết, bể chứa mặt, bể chứa tầng sát mặt (vùng rễ cây) và cuối cùng là bể chứa ngầm

Trên cơ sở đầu vào khí tượng, MIKE-NAM tạo ra được dòng chảy cũng như thông tin về các thành phàn của tầng đất trong chu trình thủy văn, như sự biến đổi theo thời gian của lượng bốc hơi nước, lượng ẩm của đất, quá trình thấm vào nước ngầm, mực nước ngầm… kết quả dòng chảy lưu vực được tách ra thành dòng chảy mặt, dòng chảy sát mặt và dòng ngầm

MIKE-NAM xử lý mỗi lưu vực như là một đơn vị đơn lẻ Do đó, các thông số và các biến diễn tả giá trị trung bình cho toàn bộ lưu vực Một số thông số mô hình có thể được đánh giá từ các số liệu vật lý lưu vực, nhưng kết quả cuối cùng phải được xác định bằng việc hiệu chỉnh mô hình

Dữ liệu đầu vào của mô hình là mưa, bốc hơi tiềm năng, và nhiệt độ (chỉ áp dụng cho vùng có tuyết) Kết quả đầu ra của mô hình là dòng chảy trên lưu vực, mực nước ngầm và các thông tin khác trong chu trình thuỷ văn, như sự thay đổi tạm thời của độ ẩm của đất và khả năng bổ sung nước ngầm Dòng chảy lưu vực được phân một cách gần đúng thành dòng chảy mặt, dòng chảy sát mặt và dòng chảy ngầm

Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc của mô hình MIKE-NAM

- Bể tuyết (áp dụng cho vùng có tuyết)

Giáng thuỷ sẽ được giữ lại trên bể tuyết khi nhiệt độ dưới 0oC, còn nếu nhiệt độ

lớn hơn 0oC thì nó sẽ chuyển xuống bể chứa mặt

0

melt

CSNOWTEMPkhiTEMP Q

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 này sẽ chảy vào suối dưới dạng dòng chảy tràn bề mặt phần còn lại sẽ thấm xuống bể sát mặt và bể ngầm

Dòng chảy mặt, nó tỷ lệ thuận với PN và thay đổi tuyến tính với lượng ẩm tương đối, L/Lmax, của tầng rễ cây:

max

max

/

/1

Trong đó:

CQOF - Hệ số dòng chảy mặt (0 ≤ CQOF ≤ 1);

TOF - Ngưỡng của dòng chảy mặt (0 ≤ TOF ≤ 1);

Phần còn lại của PN sẽ thấm xuống tầng dưới Một phần nước thấm xuống này, (PN - QOF), sẽ làm tăng lượng ẩm L của bể chứa tầng rễ cây này Phần còn lại sẽ thẩm thấu xuống tầng sâu hơn để bổ sung cho bể chứa tầng ngầm

CKIF- Hằng số thời gian của dòng chảy sát mặt;

TIF - giá trị ngưỡng của dòng chảy sát mặt;

a Tổng quan về mô hình HEC-HMS

Mô hình HEC-HMS (Hydrologic Engineering Center- Hydrologic Modeling System) được phát triển từ mô hình HEC-1 viết từ những năm 1968, do tập thể các kỹ

sư thủy văn thuộc quân đội Hoa Kỳ Nghiên cứu

Về lý thuyết, mô hình HMS cũng dựa trên cơ sở lý luận của mô hinh

HEC-1, nhằm mô phỏng quá trình mưa-dòng chảy Mô hình bao gồm hầu hết các phương pháp tính dòng chảy lưu vực và diễn toán, phân tích đường tần suất lưu lượng, công trình xả hồ chứa và vỡ đập của mô hình HEC-1

Những phương pháp tính toán mới được đề cập trong mô hình HEC-HMS: Tính toán đường quá trình liên tục trong thời đoạn dài và tính toán dòng chảy phân bố trên

cơ sở các ô lưới của lưu vực Việc tính toán liên tục có thể dùng một bể chứa đơn giản biểu thị độ ẩm của đất hay phức tạp hơn là mô hình 5 bể chứa, bao gồm sự trữ nước tầng trên cùng, sự trữ nước trên bề mặt, trong lớp đất và trong hai tầng ngầm Dòng chảy phân bố theo không gian có thể được tính toán theo sự chuyển đổi phân bố phi tuyến (Mod Clak) của mưa và thấm cơ bản

HEC-HMS có các thành phần phân tích thủy văn, lưu trữ số liệu, các công cụ quản lý và bản ghi Chương trình đã kết hợp các ngôn ngữ lập trình C, C++ và Fortran

b Lịch sử phát triển của mô hình HEC-HMS

Mô hình HEC là sản phẩm của tập thể các kỹ sư thuỷ văn thuộc quân đội Hoa

Kỳ HEC-1 đã góp phần quan trọng trong việc tính toán dòng chảy lũ tại những con sông nhỏ không có trạm đo lưu lượng Tính cho đến thời điểm này, đã có không ít đề tài nghiên cứu khả năng ứng dụng thực tế Tuy nhiên, HEC-1 được viết từ những năm

1968, chạy trong môi trường DOS, số liệu nhập không thuận tiện, kết quả in ra khó theo dõi Hơn nữa, đối với những người không hiểu sâu về chương trình kiểu Fortran thường rất lúng túng trong việc truy xuất kết quả mô hình nếu không muốn làm thủ công Do vậy, HEC-HMS là một giải pháp, nó được viết để “chạy” trong môi trường Windows, hệ điều hành rất quen thuộc với mọi người Phiên bản đầu tiên của HEC- HMS là version 2.0, công bố năm 2000, hiện nay phiên bản mới nhất của HEC- HMS

là version 4.3

c Cơ sở lý thuyết của mô hình HEC-HMS [10, 34, 44]

Mô hình HEC-HMS được sử dụng để mô phỏng quá trình mưa- dòng chảy khi

nó xảy ra trên một lưu vực cụ thể Ta có thể biểu thị mô hình bằng sơ đồ sau:

cường độ mưa vượt quá cường độ thấm (mưa hiệu quả) thì trên bề mặt bắt đầu hình

thành dòng chảy tràn trên bề mặt lưu vực, sau đó tập trung vào mạng lưới sông suối

Sau khi đổ vào sông, dòng chảy chuyển động về hạ lưu, trong quá trình chuyển động

này dòng chảy bị biến dạng do ảnh hưởng của đặc điểm hình thái và độ nhám lòng

sông

- Mưa

Mưa được sử dụng là đầu vào cho quá trình tính toán dòng chảy ra của lưu vực

Mô hình HEC- HMS là mô hình thông số tập trung, mỗi lưu vực con có một trạm đo

mưa đại diện Lượng mưa ở đây được xem là mưa bình quân lưu vực (phân bố đồng

đều trên toàn lưu vực) Dù mưa được tính theo cách nào đều tạo nên một biểu đồ mưa

như Hình 2.2 Biểu đồ mưa biểu thị chiều sâu lớp nước trung bình trong một thời

đoạn tính toán

Phương pháp tính lượng mưa trung bình trên diện tích tính toán gồm có: phương

pháp trung bình số học và phương pháp trung bình có trọng số; phương pháp sau còn

có thể chia ra: phương pháp đa giác Thiessen, phương pháp đường đẳng trị mưa

t0 t1 t2 t3 t4 t5 Thời gian (giờ)

+ Mưa tính theo phương pháp trung bình số học:

Lớp nước mưa trung bình trên lưu vực là giá trị trung bình số học của lượng

mưa tại các trạm đo mưa nằm trên lưu vực

Xi : Lượng mưa tại trạm thứ i

n : Số trạm đo mưa trên lưu vực

+ Mưa tính theo phương pháp trung bình có trọng số:

• Phương pháp đa giác Thiessen: Trọng số là hệ số tỷ lệ giữa phần diện tích của lưu vực do một trạm mưa nằm trong lưu vực hoặc bên cạnh lưu vực đại biểu với toàn bộ diện tích lưu vực

X f X

- Tổn thất

Nước mưa điền trũng và thấm được gọi là lượng tổn thất trong mô hình HMS Lượng điền trũng và thấm được biểu thị bằng lượng trữ nước trên bề mặt của lá cây hay cỏ, lượng tích đọng cục bộ trên bề mặt đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển lượng mưa hiệu quả thành dòng chảy Mô hình bể chứa tuyến tính là sự biểu thị chung của các tác động tới lượng trữ Mô hình bắt đầu với phương trình liên tục Với mô hình bể chứa tuyến tính lượng trữ tại thời điểm t có quan hệ với dòng chảy ra như trong các vết nứt, kẽ hở hoặc trên mặt đất ở đó nước không tự do di chuyển như dòng chảy trên mặt đất Thấm biểu thị sự di chuyển của nước xuống những vùng nằm dưới bề mặt đất

HEC Chuyển đổi dòng chảy

Nước được trữ một thời đoạn ngắn trong khu vực: Trong đất, trên bề mặt và trong tầng sát mặt:

(t) Q(t)

dS I





- Tính toán dòng chảy ngầm

Dòng chảy trong sông bao gồm hai thành phần: Dòng chảy mặt do nước mưa cung cấp, dòng chảy ngầm do nguồn nước ngầm cung cấp Dòng chảy ngầm không đo đạc trực tiếp mà chỉ tính theo suy đoán hợp lý

Mô hình HEC-HMS cung cấp 3 phương pháp tính dòng chảy ngầm: Phương pháp cắt nước ngầm, phương pháp dòng chảy ngầm ổn định theo tháng và phương pháp hồ chứa tuyến tính (Linear Reservoir)

- Diễn toán dòng chảy

Diễn toán lũ được dùng để tính toán sự di chuyển sóng lũ qua đoạn sông và hồ chứa Hầu hết các phương pháp diễn toán lũ có trong HEC-HMS đều dựa trên phương trình liên tục và các quan hệ giữa lưu lượng và lượng trữ Những phương pháp này là Muskingum, Muskingum- Cunge, Puls cải tiến (Modified Puls), sóng động học (Kinematic Wave) và Lag

Trong tất cả những phương pháp này quá trình diễn toán được tiến hành trên một nhánh sông độc lập từ thượng lưu xuống hạ lưu, các ảnh hưởng của nước, vật cản trên đường mặt nước như nước nhảy hay sóng đều không được xem xét

2.1.3 Mô hình SWAT

a Tổng quan về mô hình SWAT

SWAT là mô hình thủy văn bán phân phối được thiết kế để dự báo những ảnh hưởng của thực hành quản lý sử dụng đất đến nước, sự bồi lắng và lượng hóa chất sinh ra từ hoạt động nông nghiệp trên những lưu vực rộng lớn và phức tạp trong khoảng thời gian dài Một trong những mô-đun chính của mô hình này là mô phỏng dòng chảy từ mưa và các đặc trưng vật lý trên lưu vực Kết quả mô phỏng dòng chảy

từ SWAT có thể hỗ trợ cho cảnh báo lũ trên lưu vực sông

SWAT là công cụ đánh giá nước và đất, được xây dựng bởi tiến sĩ Jeff Arnold

ở Trung tâm phục vụ nghiên cứu nông nghiệp (ARS) thuộc Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA) SWAT là mô hình ở cấp độ lưu vực, được thiết kế để dự báo những ảnh

hưởng của thực hành quản lý sử dụng đất đến nước, sự bồi lắng và lượng hóa chất sinh ra từ hoạt động nông nghiệp trên những lưu vực rộng lớn và phức tạp trong khoảng thời gian dài Mô hình là sự tập hợp những phép toán hồi quy để thể hiện mối quan hệ giữa giá trị thông số đầu vào và thông số đầu ra Các thành phần chính của mô hình bao gồm thời tiết, thủy văn, tính chất và nhiệt độ của đất, sự phát triển cây trồng, dưỡng chất, thuốc trừ sâu, vi khuẩn và mầm bệnh, và quản lý đất đai

Hình 2.3: Cấu trúc tổng quát của mô hình SWAT

b Lược sử phát triển mô hình SWAT [43]

Sự phát triển của SWAT là nỗ lực của Trung tâm Phục vụ Nghiên cứu Nông nghiệp (ARS) thuộc Bộ Nông nghiệp Hoa Kì (USDA) trong gần 30 năm qua SWAT tích hợp nhiều mô hình của USDA - ARS, bao gồm: mô hình Hệ thống Quản lý Nông nghiệp về hóa chất, dòng chảy và xói mòn (CREAMS), mô hình Hệ thống Quản lý Nông nghiệp về ảnh hưởng của sự tích trữ nước ngầm (GLEAMS) và mô hình Chính sách Khí hậu về tác động Môi trường (EPIC)

Mô hình SWAT là thế hệ tiếp nối của mô hình Mô phỏng Tài nguyên nước Lưu vực Nông thôn (SWRRB), được thiết kế để mô phỏng tác động của hoạt động quản lý đất lên nước và vận chuyển phù sa cho những lưu vực nông thôn không có

hệ thống quan trắc tại Hoa Kì

Từ khi ra đời vào đầu thập niên 90 thế kỉ XX, SWAT luôn được nghiên cứu và

mở rộng khả năng Đến nay, mô hình SWAT đã trải qua các phiên bản: SWAT94.2, SWAT96.2, SWAT98.1, SWAT99.2, SWAT2000, SWAT2005, SWAT2009 và mới nhất là SWAT2012

c Cơ sở lý thuyết mô hình SWAT [2, 26, 43]

Cho dù nghiên cứu vấn đề gì trong SWAT thì cân bằng nước vẫn là lực chi phối phía sau tất cả những thứ xuất hiện trong lưu vực Để dự báo chính xác sự di chuyển của thuốc trừ sâu, phù sa và dưỡng chất thì chu trình thủy văn được mô phỏng bở SWAT cần phải phù hợp với những diễn biến đang xảy ra trong lưu vực Mô hình thủy học trong lưu vực được phân chia mỗi tiểu lưu vực ra sông chính

Pha nước của chu trình thủy văn như Hình 2.4: Kiểm soát quá trình di chuyển của dòng nước, quá trình bồi lắng, v.v…diễn ra thông qua hệ thống sông ngòi của lưu vực đến cửa xả

Hình 2.4: Các quá trình trong dòng chảy được mô phỏng bởi SWAT [26]

Hình 2.5: Sơ đồ chu trình thủy văn trong pha đất [26]

Pha đất của chu trình thủy văn SWAT mô hình hóa chu trình nước dựa trên

cơ sở phương trình cân bằng nước sau [25]:

SWt = SWo + ∑(Rday − Qsurf − Ea − wseep − Qgw) (2.11)

Trong đó:

SWt : Lượng nước trong đất tại thời điểm t (mm H2O)

SWo : Lượngnướctrongđấttạithờiđiểmbanđầutrongngàythứi(mmH2O)

T : Thời gian(ngày)

Rday : Lượng nước mưa trong ngày thứ i (mm H2O)

Qsurf : lượng dòng chảy bề mặt trong ngày thứ i (mmH2O)

Ea : Lượng nước bốc hơi trong ngày thứ i (mm H2O)

wseep : Lượng nước thấm vào vùng chưa bão hòa trong ngày thứ i (mmH2O) Qgw : Lượng nước ngầm chảy ra sông trong ngày thứ i (mm H2O)

Quá trình chia nhỏ lưu vực thành các tiểu lưu vực và HRUs làm cho việc mô tả cân bằng nước thêm độ chính xác và tốt hơn

Trình tự các bước SWAT mô phỏng chu trình thủy văn trong pha đất được thể hiện trong Hình 2.5 Các dữ liệu đầu vào và tiến trình liên quan đến pha đất của chu trình thủy văn bao gồm: Khí hậu, thủy văn, thực phủ/ sự phát triển cây trồng, xói mòn, dưỡng chất, thuốc trừ sâu, quản lý

2.1.4 Mô hình MIKE-SHE

a Tổng quan về mô hình MIKE SHE

Mục tiêu cung cấp thông tin khoa học để tối ưu hóa quy hoạch dự án tài nguyên nước, cũng để ước tính tác động của đô thị hóa, thay đổi sử dụng đất, phát triển cơ sở

hạ tầng về quy trình thuỷ văn và phát triển và quản lý tài nguyên nước ở châu Âu vào thập niên 70 Mô hình này hy vọng sẽ có khả năng vượt qua được nhiều thiếu sót liên quan đến các phương pháp mô phỏng đơn giản tại thời điểm này

Trên cơ sở yêu cầu có những luận cứ khoa học phục vụ cho công tác quy hoạch tài nguyên nước, đánh giá tác động của đô thị hóa, sự thay đổi thảm phủ, cũng như là

sự phát triển cơ sở hạ tầng đối với quá trình thủy văn khu vực châu Âu, mô hình thủy văn đặc trưng cho khu vực này đã được phát triển, mô hình Système Hydrologique Européen còn gọi là SHE Mô hình này là sản phẩm liên kết của Viện Thủy văn Anh (British Institute of Hydrology, UK), Viện thủy lực Đan Mạch (The Danish Hydraulic Institute) và công ty tư vấn SOGREAH, Pháp (the French Consulting Company SOGREAH) dưới sự hỗ trợ tài chính của ủy ban châu Âu

b Lịch sử phát triển của mô hình MIKE-SHE

Mô hình SHE được xây dựng dựa trên bản phát thảo mà Freeze và Harlan đề xuất vào năm 1969 để mô phỏng quá trình thủy văn lưu vực [42] Về lý thuyết, quá trình

mô phỏng được chia thành nhiều phần khác nhau và được giải bằng phương trình

tương ứng Sau nhiều thử nghiệm để xác nhận chất lượng của mô hình với nhiều nghiên cứu điển hình, phiên bản đầu tiên của SHE đã bắt đầu hoạt động vào năm 1982

Từ đó, mô hình SHE đã được tiếp tục hoàn thiện và mở rộng bởi DHI Water & Environment với tên mới là MIKE-SHE Mô hình này được tiếp tục phát triển để cải thiện chất lượng mô phỏng Ngày nay, MIKE-SHE được xem như là một công cụ hiệu quả trong mô phỏng chế độ thủy văn lưu vực

c Lý thuyết cơ bản của mô hình MIKE-SHE [21, 37, 42]

Cấu trúc tổng quá của mô hình MIKE-SHE được thể hiện như Hình 2.7, theo đó, quá trình thủy văn được chia thành 8 phần trong mô hình MIKE-SHE Mô tả các thành phần này được tóm tắt như sau

Hình 2.6: Cấu trúc tổng quát của mô hình MIKE-SHE

- Mưa

Lượng mưa là một yếu tố quan trọng trong quá trình thủy văn Do đó, nó luôn luôn là yêu cầu dữ liệu đầu tiên với bất kỳ mô hình thủy văn nào Dữ liệu đầu vào này ảnh hưởng nhiều đến chất lượng mô phỏng Trong MIKE-SHE, dữ liệu lượng mưa có thể được đưa vào như một giá trị không đổi hoặc một chuỗi thời gian tùy thuộc và hiện trạng dữ liệu và mục tiêu mô phỏng MIKE-SHE cung cấp ba định dạng phân bố không gian cho dữ liệu mưa, đó là: Đồng nhất, dựa vào Trạm đo hay phân bố Ngoài

ra, trong MIKE-SHE còn có các chức năng khác giúp điều chỉnh lượng mưa nhập vào phù hợp với thực tế hơn, như mưa theo độ cao cũng như là ảnh hưởng của tuyết tan

- Bốc hơi

Trong cân bằng nước, quá trình bốc hơi là một thành phần quan trọng Yếu tố này bao gồm quá trình bay hơi và quá trình thoát hơi nước Trong MIKE-SHE lượng bốc hơi được tính toán thông qua dữ liệu thời tiết và thảm thực vật MIKE-SHE cung cấp ba phương pháp để xác định lượng bốc hơi thực tế (ET) Phương pháp SVAT,

Phương pháp Kristensen và Jensen, Phương pháp cân bằng hai lớp

- Dòng không bão hòa

Ứng với dòng không bão hòa, MIKE-SHE giả thiết rằng chỉ tồn tại dòng chảy theo chiều đứng, dòng chảy theo chiều ngang rất nhỏ nên có thể bỏ qua MIKE-SHE cung cấp bốn lựa chọn cho việc mô phỏng thành phần này: Phương pháp của Richards, Phương pháp dòng chảy trọng lực, Phương pháp cân bằng hai lớp, Phương pháp quy vùng bão hòa về dạng tập trung

- Dòng chảy mặt

Trong MIKE-SHE, dòng chảy mặt được tính toán với phương pháp phần tử hữu hạn và Phương pháp bán phân bố

- Dòng chảy trên sông

Quá trình này được MIKE-SHE mô phỏng thông qua sự kết hợp với MIKE 11

- Dòng chảy trong đô thị

Đối với quá trình dòng chảy trong hệ thống cấp thoát nước, MIKE-SHE sử dụng kết nối với MIKE URBAN để biểu diễn

- Dòng chảy ngầm

Thành phần này được MIKE-SHE mô phỏng với hai phương pháp, đó là: Phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp bể chứa

- Công trình thủy lợi

MIKE-SHE có chức năng tùy chọn công trình thuỷ lợi tạo ra một số tiểu mục trong cây dữ liệu cho các thông số tưới giống như hồ chứa thủy lợi được sử dụng để

mô tả nơi mà nước đến và nước tưới được áp dụng như là mô hình

2.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG CỦA BỐN MÔ HÌNH

Lưu vực Vu Gia -Thu Bồn đã có rất nhiều tác giả thực hiện các nghiên cứu khoa học với việc sử dụng các mô hình thủy văn MIKE-NAM, HEC-HMS, SWAT và MIKE-SHE để mô phỏng chế độ thủy văn lưu vực Nghiên cứu mới nhất về chế độ thủy văn của lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn có sử dụng mô hình thủy văn MIKE-NAM, HEC-HMS, SWAT và MIKE-SHE là nghiên cứu khoa học của sinh viên khoa xây dựng Thủy lợi-Thủy điện, trường Đại học Bách Khoa-Đà Nẵng Trong quá trình thực hiện luận văn, tác giả đã tập trung đi sâu vào việc tìm hiểu, phân tích cấu trúc, quá trình thiết lập, dữ liệu đầu vào, cách thức mô phỏng, quá trình hiệu chỉnh, kiểm định và trích xuất kết quả của 04 mô hình MIKE-NAM, HEC-HMS, SWAT và MIKE-SHE Kết quả của bốn mô hình được kế thừa từ các công trình nghiên cứu trước đây [3, 4, 37]

2.2.1 Mô hình HEC-HMS

HEC-HMS sử dụng khoảng thời gian từ 1991 đến 2000 để thực hiện quá trình hiệu chỉnh, từ 2001 đến năm 2010 để kiểm định và kết quả mô phỏng sẽ được so sánh với kết quả thực đo của trạm lưu lượng Nông Sơn và Thành Mỹ

Kết quả của quá trình hiệu chỉnh mô hình được thể hiện như Bảng 2.1 và Hình 2.7

Bảng 2.1:Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình HEC-HMS [4]

Hình 2.7: Kết quả mô phỏng của HEC-HMS cho trạm Nông Sơn và Thành Mỹ

2.2.2 Mô hình MIKE-NAM

MIKE-NAM sử dụng khoảng thời gian từ 1991 đến 2000 để thực hiện quá trình hiệu chỉnh, từ 2001 đến năm 2010 để kiểm định và kết quả mô phỏng sẽ được so sánh

với kết quả thực đo của trạm lưu lượng Nông Sơn và Thành Mỹ

Kết quả của quá trình hiệu chỉnh mô hình được thể hiện như Bảng 2.2 và Hình 2.8

Bảng 2.2 Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE-NAM [4]

Hình 2.8: Kết quả kiểm định của MIKE-NAM tại Nông Sơn và Thành Mỹ

2.2.3 Mô hình SWAT

SWAT sử dụng khoảng thời gian từ 1991 đến 2000 để thực hiện quá trình hiệu chỉnh, từ 2001 đến năm 2010 để kiểm định và kết quả mô phỏng sẽ được so sánh với kết quả thực đo của trạm lưu lượng Nông Sơn và Thành Mỹ

Kết quả của quá trình hiệu chỉnh mô hình được thể hiện như Bảng 2.3 và Hình 2.9

Bảng 2.3: Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình SWAT [3]

Hình 2.9: Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định SWAT tại Nông Sơn và Thạnh Mỹ.

2.2.4 Mô hình MIKE-SHE

MIKE-SHE sử dụng khoảng thời gian từ 1991 đến 2000 để thực hiện quá trình hiệu chỉnh, từ 2001 đến năm 2010 để kiểm định và kết quả mô phỏng sẽ được so sánh với kết quả thực đo của trạm lưu lượng Nông Sơn và Thành Mỹ

Kết quả của quá trình hiệu chỉnh mô hình được thể hiện như Bảng 2.4 và Hình 2.10

Bảng 2.4: Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE-SHE [37]

Thông số Trạm

Hiệu chỉnh (1991-2000)

RMSE (m3/s) R E

RMSE (m3/s) R E Mực nước (m)

Thành Mỹ 0,77 0,86 0,67 0,52 0,97 0,77 Hiệp Đức 0,77 0,89 0,77 0,44 0,97 0,77 Nông Sơn 0,89 0,88 0,76 0,49 0,97 0,89 Lưu lượng (m3/s) Thành Mỹ 132,3 0,89 0,78 58,06 0,96 132,3

RMSE (m3/s) R E Mực nước (m)

Thành Mỹ 0,68 0,83 0,61 0,32 0,94 0,86 Hiệp Đức 0,91 0,83 0,59 0,63 0,92 0,67 Nông Sơn 0,84 0,86 0,72 0,42 0,96 0,89 Lưu lượng (m3/s) Thành Mỹ 123,2 0,9 0,69 47,03 0,96 0,87

Nông Sơn 250,5 0,91 0,82 131,04 0,97 0,87

Hình 2.10: Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định MIKE-SHE tại Nông Sơn và Thạnh Mỹ.