Ứng dụng mô hình thủy văn IFAS mô phỏng dòng chảy lũ cho hồ định bình

Các nghiên cứu trước đây về mô phỏng và tính toán dòng chảy lũ cho lưu vực hồ chứa đa phần là sử dụng mô hình thủy văn tập trung và dựa trên số liệu đo mưa các trạm mặt đất.. Ý nghĩa kho

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

LỜI CAM ĐOAN

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

Các số liệu sử dụng trong luận văn là trung thực và kết quả tính toán trong luận văn này chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Dương Thị Bích Hường

TÓM TẮT LUẬN VĂN ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY VĂN IFAS MÔ PHỎNG DÕNG CHẢY LŨ

CHO HỒ ĐỊNH BÌNH

Học viên: Dương Thị Bích Hường Chuyên ngành: Xây dựng Công trình thủy

Mã số: 60580202; Khóa: K33.CTT.BĐ; Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt - Nghiên cứu này sử dụng sản phẩm mưa vệ tinh GSMaP_NRT cho mô

phỏng dòng chảy lũ về hồ Đinh Bình Với lợi thế dự báo mưa gần với thời gian thực nên kết quả mô phỏng có ý nghĩa rất lớn cho bài toán vận hành hồ chứa trong mùa mưa lũ Hai trận lũ năm 2013 và năm 2017 được chọn để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình Các kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình khi sử dụng mưa mặt đất và mưa

vệ tinh GSMaP_NRT có hệ số Nash cao và tin cậy

Từ khóa: IFAS, GSMaP_NRT; hồ Định Bình, mưa vệ tinh, sông Kôn

APPLICATION OF IFAS FOR FLOOD SIMULATING OF DINH

BINH RESERVOIR Abstract - This study uses a production of GSMaP_NRT satellite rainfall in

flood simulating for Dinh Binh Reservoir With the advantage of near real time rainfall forecasting, simulation results have great significance for reservoir operation in flood season Two floods in 2013 and 2017 were selected for calibration and testing The Nash of results of calibration and testing for model by using ground-based rainfall and GSMaP_NRT satellite rainfall is high and reliable

Keywords: IFAS; GSMaP_NRT; Dinh Binh reservoir; Satellite rainfall; Kone river

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Sự cần thiết phải nghiên cứu 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài 3

6 Cấu trúc luận văn 3

Chương 1-TỔNG QUAN 4

1.1 Giới thiệu vùng nghiên cứu 4

1.1.1 Vị trí địa lý 4

1.1.2 Nhiệm vụ công trình hồ Định Bình 6

1.1.3 Đặc điểm thủy văn lưu vực nghiên cứu 7

1.1.4 Đặc điểm địa hình địa mạo lưu vực nghiên cứu 9

1.2 Cơ sở dữ liệu phục vụ nghiên cứu 10

1.2.1 Mạng lưới trạm đo mưa mặt đất 10

1.2.2 Dữ liệu mưa vệ tinh 13

1.2.3 Bản đồ cao độ DEM và bản đồ sử dụng đất của lưu vực nghiên cứu 18 1.3 Mô hình thủy văn phân bố 19

1.3.1.Tổng quan hô hình thủy văn phân bố 19

1.3.2.Nguyên lý mô hình thủy văn phân bố 20

1.3.3.Lựa chọn mô hình tính toán 20

Chương 2-CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH IFAS 22

2.1 Giới thiệu mô hình thủy văn IFAS 22

2.1.1.Giới thiệu chung 22

2.1.2.Cơ sở lý thuyết của mô hình 22

2.2 Cơ sở dữ liệu của mô hình 29

Chương 3- ỨNG DỤNG MÔ HÌNH IFAS MÔ PHỎNG DÕNG CHẢY LŨ CHO HỒ ĐỊNH BÌNH 31

3.1 Xây dựng cơ sở dữ liệu mô hình IFAS 31

3.1.1.Cơ sở dữ liệu mưa mặt đất 31

3.1.2.Dữ liệu mưa từ mưa vệ tinh 32

3.1.3.Dữ liệu địa hình của lưu vực (DEM) 33

3.1.4.Dữ liệu sử dụng đất của lưu vực 34

3.1.5.Dữ liệu mạng lưới sông ngòi của lưu vực 34

3.2 Kết quả hiệu chỉnh mô hình IFAS và bàn luận 35

3.2.1.Hiệu chỉnh mô hình thủy văn lưu vực 35

3.2.2.Hiệu chỉnh mưa vệ tinh GSMaP_NRT 40

3.3 Kết quả kiểm định mô hình 42

3.3.1.Kiểm định mô hình thủy văn 42

3.3.2.Kiểm định mưa vệ tinh GSMaP_NRT 42

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 45

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

PHỤ LỤC 49

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Các thông số chủ yếu hồ chứa nước Định Bình 6

Bảng 1.2: Mạng lưới trạm quan trắc các yếu tố khí tượng - thủy văn 7

Bảng 1.3: Tọa độ các trạm đo mưa lấy theo hệ tọa độ WGS84 10

Bảng 1.4: Mực nước hồ lớn nhất xuất hiện trong các năm 12

Bảng 1.5: Thông số cơ bản của vệ tinh MTSAT 15

Bảng 1.6: Thông số kỹ thuật của đầu thu TMI (TRMM) 15

Bảng 1.7: Dữ liệu lượng mưa từ ảnh vệ tinh sử dụng trong IFAS 17

Bảng 2.1: Bộ thông số của lớp bề mặt 25

Bảng 2.2: Bộ thông số lớp nước ngầm 25

Bảng 2.3: Bộ thông số của lòng sông 26

Bảng 2.4: Thông tin về dữ liệu mưa vệ tinh 27

Bảng 2.5: Thời gian đo đạc của các loại mưa vệ tinh 27

Bảng 2.6: Bảng đánh giá mức độ chính xác của mô hình 29

Bảng 3.1 : Tọa độ về dữ liệu DEM 33

Bảng 3.2: Giá trị bộ thông số lớp bề mặt của lưu vực nghiên cứu 37

Bảng 3.3: Ký hiệu màu bộ thông số lớp bề mặt của lưu vực nghiên cứu 38

Bảng 3.4: Giá trị thông số lớp nước ngầm của lưu vực nghiên cứu 38

Bảng 3.5: Ký hiệu màu bộ thông số lớp nước ngầm của lưu vực nghiên cứu 38

Bảng 3.6: giá trị thông số lớp lòng sông của lưu vực nghiên cứu 39

Bảng 3.7: Ký hiệu màu bộ thông số lớp lòng sông của lưu vực nghiên cứu 40

Bảng 3.8: Tham số hiệu chỉnh mưa vệ tinh GSMaP_NRT 41

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Vị trí hồ Định Bình 4

Hình 1.2: Tổng quan hồ Định Bình 5

Hình 1.3: Đỉnh đập và vị trí đo mưa tự động 6

Hình 1.4: Mạng lưới trạm đo mưa mặt đất khu vực nghiên cứu 11

Hình 1.5: Trạm đo mưa tự động tại đỉnh đập Định Bình 11

Hình 1.6: Thiết bị đo mực nước giám sát lưu lượng qua tràn 12

Hình 1.7: Nguyên lý theo d i mưa của vệ tinh 13

Hình 1.8: Quy trình của hệ thống GSMaP NRT 17

Hình 1.9: Các bản đồ số của lưu vực nghiên cứu 19

Hình 1.10: Sơ đồ giải thích mô hình thủy văn trong IFAS 20

Hình 2.1: Quá trình thực hiện của IFAS 23

Hình 2.2: Sơ đồ giải thích mô hình thủy văn trong IFAS 23

Hình 2.3: Sơ đồ tính toán mô hình thủy văn trong IFAS 24

Hình 2.4: Các thông số của lớp bề mặt 24

Hình 2.5: Các thông số của lớp nước ngầm 25

Hình 2.6: Các thông số của mặt cắt ngang lòng sông 26

Hình 2.7: Quá trình tạo ra sản phẩm mưa vệ tinh GSMaP_NRT 28

Hình 2.8: Hình ảnh lưới tích lũy(Thuyết tương đối không gian để mô tả tốc độ di chuyển của khu vực lượng mưa dựa trên mưa vệ tinh) 28

Hình 2.9: Cơ sở dữ liệu số của lưu vực hồ Định Bình trong IFAS được tải trực tiếp từ Global map 30

Hình 3.1: Bản đồ vị trí các trạm đo mưa mặt đất của vùng nghiên cứu 32

Hình 3.2: Bản đồ DEM cho lưu vực hồ Định Bình (100mx100 m) 33

Hình 3.3: Bản đồ sử dụng đất của lưu vực nghiên cứu (100mx100m) 34

Hình 3.4: Biên và mạng lưới sông ngòi lưu vực nghiên cứu (100m x100m) 35

Hình 3.5: Kết quả hiệu chỉnh đường quá trình lũ mô phỏng của mô hình thủy văn từ mưa mặt đất (đường màu xanh);lưu lượng thực đo (đường màu đỏ) và lượng mưa phân bố tại đập (biểu đồ cột màu xanh), trận lũ từ ngày 13/11/2013 đến ngày 18/11/2013 36

Hình 3.6: Bản đồ bộ thông số lớp bề mặt của lưu vực nghiên cứu 37

Hình 3.7: Bản đồ bộ thông số lớp nước ngầm của lưu vực nghiên cứu 39

Hình 3.8: Bản đồ bộ thông số lớp lòng sông của lưu vực nghiên cứu 40

Hình 3.9: Kết quả hiệu chỉnh đường quá trình lũ mô phỏng từ mưa GSMaP_NRT(đường màu xanh),lưu lượng lũ thực đo (đường màu đỏ) và lượng mưa GSMaP_NRT phân bố tại đập (biểu đồ cột màu xanh), trận lũ từ ngày 13/11/2013 đến ngày 18/11/2013 41

Hình 3.10: Kết quả kiểm định đường quá trình lũ mô phỏng từ mưa mặt đất (đường liền nét màu xanh); đường lưu lượng lũ thực đo (đường liền nét màu đỏ) và lượng mưa phân bố tại đập (biểu đồ cột màu xanh),trận lũ ngày 03/11 – 08/11/2017 42

Hình 3.11: Kết quả hiệu chỉnh đường quá trình lũ mô phỏng từ mưa GSMaP_NRT(đường màu xanh), lưu lượng lũ thực đo (đường màu đỏ) và lượng mưa GSMaP_NRT phân bố tại đập (biểu đồ cột màu xanh), trận lũ từ ngày 03/11/2017 đến ngày 08/11/2017 43 Hình 3.12: So sánh lượng mưa phân bố tại vị trí đập Định Bình giữa mưa mặt đất và mưa GSMaP_NRT trận lũ ngày 13/11 đến ngày 18/11/2013 Nash= 0,79 44 Hình 3.13: So sánh lượng mưa phân bố tại vị trí đập Định Bình giữa mưa mặt đất và mưa GSMaP_NRT trận lũ ngày 03/11 đến ngày 08/11/2017 Nash= 0,63 44

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

IFAS Integrated Flood Analysis System Hệ thống phân tích lũ tổng hợp

ICHARM International Center for Water

Hazards and Risk Management

Trung tâm Quốc tế về nước và Quản lý rủi ro Nhật Bản

JAXA Japan Aerospace Exploration

NASA National Aeronautics and Space

Administration Cơ quan Không gian Hoa Kỳ

NAM Nedbor Afstromnings Model Mô hình giáng thuỷ - dòng chảy

GIS Geographic Information Systems Hệ thống thông tin địa lý

HEC-HMS Hydrologic Engineering

Center-Hydrologic Model System

Mô hình mưa rào dòng chảy dạng tất định, có thông số phân bố

MỞ ĐẦU

1 Sự cần thiết phải nghiên cứu

Hồ chứa nước Định Bình có dung tích là 226,21 triệu m36, được xây dựng trên sông Kôn, là con sông lớn nhất tỉnh Bình Định Con sông này là bắt nguồn từ vùng núi cao, phần thượng nguồn sông ngắn và dốc, thời gian tập trung nước nhanh dễ gây lũ quét Trên lưu vực sông hiện nay có hai hồ thủy lợi có dung tích lớn là hồ Định Bình

và hồ Núi Một

Hình 1: Vị trí vùng nghiên cứu

Đây là công trình hồ chứa có lợi ích tổng hợp, sử dụng đa mục tiêu Theo thiết

kế, công trình này ngoài việc cung cấp nước tưới cho 15.915ha đất nông nghiệp, còn

có chức năng điều hoà nguồn nước, cấp nước phục vụ sinh hoạt và các ngành kinh tế khác như nuôi trồng thủy sản, công nghiệp, hạn chế lũ tiểu mãn, lũ sớm, lũ muộn, giảm xâm nhập mặn và bảo vệ môi trường sinh thái hạ lưu sông Kôn và là nguồn điện năng cho nhà máy thuỷ điện với công suất 6MW6 Hồ chứa nước Định Bình là cơ sở

vật chất kỹ thuật quan trọng của tỉnh Bình Định, góp phần làm tích cực cho việc phát triển kinh tế xã hội của tỉnh Bình Định Tuy nhiên vào mùa mưa lũ, nếu không có dự báo lũ sớm thì nguy cơ mất an toàn hồ chứa là rất cao, đặc biệt đối với các hồ chứa với dung tích vừa và lớn Dưới tác động của biến đổi khí hậu như hiện nay thì tình hình mưa lũ rất phức tạp nên ngày càng khó dự báo và giải quyết, điển hình như trận lũ năm

2017 đã uy hiếp trực tiếp đến độ an toàn các đập và ảnh hưởng đến tính mạng của nhân dân vùng hạ lưu sông Kôn Với tầm quan trọng như vậy công tác dự báo lũ cho

Hồ nhanh nhất nhằm giảm thiểu thấp nhất thiệt hại gây ra cho khu vực hạ du là rất cần thiết

Các nghiên cứu trước đây về mô phỏng và tính toán dòng chảy lũ cho lưu vực hồ chứa đa phần là sử dụng mô hình thủy văn tập trung và dựa trên số liệu đo mưa các trạm mặt đất Đề tài này sẽ tiếp cận theo mô hình thủy văn phân bố và tiến hành mô phỏng dòng chảy lũ về hồ chứa dựa trên dữ liệu mưa vệ tinh Đây là hướng tiếp cận mới và khá phù hợp với xu thế dự báo sớm và cảnh báo sớm thiên tai

Hiện nay có rất nhiều nghiên cứu sử dụng mô hình số hiện đại dự báo lũ về hồ như: Mike NAM; Hec-HMS3 Các mô hình này đều sử dụng bộ thông số tập trung cho toàn bộ lưu vực hoặc các tiểu lưu vực và mô hình hóa dòng chảy lũ về hồ dựa vào lượng mưa tại các trạm đo mặt đất (số liệu đã xảy ra) để mô phỏng mưa - dòng chảy Tuy nhiên xét về điều kiện và mật độ rada tại Việt Nam còn khá thưa nên mô hình này còn hạn chế về phạm vi áp dụng Đề tài nghiên cứu sử dụng bộ mô hình IFAS (Integrated Flood Analysis System)12của Nhật Bản với cách tiếp cận hoàn toàn mới đó là sử dụng bộ thông số phân bố và kết hợp mây vệ tinh 5 hoặc mây mây rada

để dự báo lũ về hồ chứa một cách nhanh nhất Mô hình này sẽ được ứng dụng để mô phỏng và tính toán dòng chảy lũ cho hồ Định Bình Việc mô phỏng dòng chảy lũ cho

hồ Định Bình có ý nghĩa quan trọng trong công tác vận hành hồ chứa, vừa đảm bảo an

toàn vừa đảm bảo tối ưu dung tích hồ chứa Do đó, tác giả đề xuất đề tài: Ứng dụng

mô hình thủy văn IFAS mô phỏng dòng chảy lũ cho hồ Định Bình Kết quả nghiên

cứu hy vọng cung cấp cho chính quyền địa phương và các cơ quan quản lý thiên tai trên địa bàn những thông tin cần thiết để giúp chủ động đối phó cũng như giảm thiểu thiệt hại do mưa lũ gây ra

2 Mục đích nghiên cứu

- Ứng dụng mô hình IFAS để mô phỏng và tính toán dòng chảy lũ cho hồ Định Bình

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng: Lưu vực hồ Định Bình

- Phạm vi nghiên cứu: Từ thượng nguồn đến đập Định Bình

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thống kê, tổng hợp địa lý: sử dụng để xử lý, phân tích dữ liệu mưa, thông tin về địa lý

- Phương pháp hệ thống thông tin địa lý GIS: Sử dụng để số hóa dữ liệu đầu vào cho mô hình

- Phương pháp mô hình toán: Mưa tạo ra dòng chảy trên lưu vực

5 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

+ Ý nghĩa khoa học

Mô phỏng và tính toán đường quá trình lũ về hồ Định Bình trong quá khứ dự trên các số liệu thực đo, từ đó thiết lập được bộ thông số của mô hình IFAS (thủy văn và mưa vệ tinh) để mô phỏng và tính toán cho các trận lũ khác trên lưu vực

+ Ý nghĩa thực tiễn

Đề tài có ý nghĩa thực tiễn trong việc mô phỏng dòng chảy lũ về hồ Định Bình, giúp cơ quan chủ quản có cơ sở khoa học để đưa ra các quyết định trong vận hành hồ chứa trong mùa mưa bão

6 Cấu trúc luận văn

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

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Cơ sở lý thuyết mô hình IFAS

Chương 3: Ứng dụng IFAS mô phỏngdòng chảy lũ cho hồ Định Bình

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

Chương 1-TỔNG QUAN

Nội dung chương 1 sẽ mô tả về hồ Định Bình và cơ sở dữ liệu của vùng nghiên cứu gồm các nội dung sau: (i) giới thiệu về vị trí địa lý, nhiệm vụ của công trình, đặc điểm thủy văn và địa hình địa mạo của lưu vực nghiên cứu; (ii) cơ sở dữ liệu phục vụ nghiên cứu bao gồm mạng lưới trạm đo mưa mặt đất, dữ liệu mưa vệ tinh, bản đồ địa hình và bản đồ sử dụng đất; (iii) tổng quan và nguyên lý của mô hình mưa – dòng chảy Đây là cơ sở cho việc lựa chọn mô hình mô phỏng và tính toán

1.1 Giới thiệu vùng nghiên cứu

1.1.1 Vị trí địa lý

H nh 1.1: Vị trí hồ Định Bình

Bình Định là một tỉnh thuộc duyên hải miền Trung Việt Nam, Bắc giáp tỉnh Quảng Ngãi, Nam giáp tỉnh Phú Yên, Tây giáp 2 tỉnh Gia Lai, Kon Tum, Đông giáp biển Đông Giới hạn bỡi hệ toạ độ địa lý như sau:

- Cực Bắc : 140 42′ 10″ độ vĩ bắc, 1080 55′ 42″ độ kinh Đông

- Cực Nam : 130 30′ 10″ độ vĩ bắc, 1080 54′ 00″ độ kinh Đông

- Cực Đông : 130 36′ 33″ độ vĩ bắc, 1090 22′ 00″ độ kinh Đông

- Cực Tây : 140 25′ 00″ độ vĩ bắc, 1080 37′ 30″ độ kinh Đông

Công trình đầu mối hồ chứa nước Định Bình có vị trí tuyến áp lực tại xã Vĩnh Hảo, huyện Vĩnh Thạnh, tỉnh Bình Định trên sông Kôn Vĩnh Thạnh ở phía Tây của tỉnh Bình Định, cách thành phố Quy Nhơn 80 km Phía Bắc giáp huyện An Lão, phía Đông giáp huyện Phù Cát, phía Nam giáp huyện Tây Sơn và phía Tây giáp thị xã An Khê (tỉnh Gia Lai)

H nh 1.2: Tổng quanhồ Định Bình

Hồ chứa nước Định Bình xây dựng trên sông Kôn Khu vực đầu mối hồ thuộc địa bàn xã Vĩnh Hảo, huyện Vĩnh Thạnh, tỉnh Bình Định Với mực nước dâng bình thường hồ có dung tích 226,2106

m36, với mực nước chết, hồ có dung tích hồ 16,3

106 m3 Công trình đầu mối gồm đập ngăn sông, đập bê tông không tràn nước, tràn xả mặt, của xả đáy và 02 cống lấy nước

H nh 1.3: Đỉnh đập và vị trí đo mưa tự động

1.1.2 Nhiệm vụ công trình hồ Định Bình

Theo Quyết định phê duyệt 6 số 1815QĐ/BNN-XDCB ngày 04 tháng 05 năm 2011của Bộ trưởng Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, nhiệm vụ của hồ chứa nước Định Bình được xác định là:

- Cấp nước cho 27.660 ha diện tích đất nông nghiệp

- Cấp nước cho dân sinh và các ngành kinh tế khác như thủy sản, công nghiệp, …

- Chống lũ tiểu mãn, lũ sớm, lũ muộn với cùng tần suất lũ P = 10% đồng thời hạn chế tác hại của lũ chính vụ cho hạ du

- Cấp nước duy trì dòng chảy mùa kiệt, giảm xâm nhập mặn và bảo vệ môi trường sinh thái hạ lưu sông Kôn

- Kết hợp xây dựng nhà máy thủy điện phát điện với công suất N = 6,6 MW theo chế độ tưới được bổ sung sau khi có Quyết định phê duyệt theo công văn số 5043/XDCB ngày 22 tháng 11 năm 2001 và công văn số 951/XDCB ngày 07 tháng 03 năm 2002 của Vụ ĐTXDCB – Bộ NN&PTNT

ng 1.1: Các thông số chủ yếu hồ chứa nước Định Bình

1.1.3 Đặc điểm thủy văn lưu vực nghiên cứu

Bình Định thuộc vùng nhiệt đới ẩm gió mùa Nhiệt độ trung bình 270C Lượng mưa trung bình hàng năm trong 5 năm gần đây là 2.185 mm Mùa mưa (từ tháng 8 đến tháng 12) tập trung 70 - 80% lượng mưa cả năm Mùa mưa trùng với mùa bão nên thường gây ra lũ lụt Ngược lại mùa nắng kéo dài nên gây hạn hán ở nhiều nơi Độ ẩm trung bình là 80%

a) Mạng lưới Khí tượng thủy văn (KTTV) trên lưu vực sông Kôn

Mạng lưới trạm đo mưa trên lưu vực sông Kôn, nhất là vùng hạ du khá dày, nhưng trạm đo thủy văn thì thưa thớt, tài liệu thiếu đồng bộ và đây là một hạn chế trong việc đánh giá nguồn nước của dòng chính sông Kôn

ng 1.2: Mạng lưới trạm quan trắc các yếu tố khí tượng - thủy văn

TT Tên trạm Thời kỳ đo Số năm đo Yếu tố đo Ghi chú

X(mm): Điểm

đo mưa Trạm thuỷ văn

Trạm khí tượng

- Mưa:

Lượng mưa trung bình năm trong vùng vào khoảng 1700 † 1800 mm, phân bố thành 2 mùa r rệt Mùa mưa từ tháng 9 đến tháng 12, mùa khô từ tháng 1 đến tháng 8 Trong mùa mưa, cường độ mưa lớn thường tập trung vào tháng 10 và tháng 11, chiếm tới 80% lượng mưa cả năm, thường gây lũ lụt Mùa khô kéo dài khoảng 8 tháng, lượng mưa chỉ chiếm 20% cả năm, bốc hơi lớn, thường gây ra hạn hán thiếu nước nghiêm trọng

b) Thủy văn:

-Hệ thống sông ngòi:

Các sông trong tỉnh đều bắt nguồn từ vùng núi cao của sườn phía đông dãy Trường Sơn Ở thượng lưu có nhiều dãy núi bám sát bờ sông nên độ dốc rất lớn, lũ lên xuống rất nhanh, thời gian truyền lũ ngắn Ở đoạn đồng bằng lòng sông rộng và nông

có nhiều luồng lạch, mùa kiệt nguồn nước rất nghèo nàn; nhưng khi lũ lớn nước tràn ngập mênh mông vùng hạ lưu gây ngập úng dài ngày vì các cửa sông nhỏ và các công trình che chắn nên thoát lũ kém Mạng lưới sông ngòi của tỉnh Bình Định bao gồm có

4 con sông chính là sông Lại Giang, sông Kôn, Sông La Tinh, Sông Hà Thanh Vùng

dự án tập trung con sông lớn là sông Kôn

Sông Kôn: là sông lớn nhất trong các sông trong tỉnh, có tổng diện tích lưu vực là

Flv = 3.067km2, dài L = 178km4 Sông bắt nguồn từ vùng rừng núi của dãy Trường Sơn Sông chảy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam đến Thạnh Quang - Vĩnh Phúc sông chảy theo hướng Bắc Nam về đến Bình Tường sông chảy theo hướng Tây Đông và về đến Bình Thạnh sông chia thành hai nhánh chính: Nhánh Đập Đá chảy ra cửa An Lợi rồi đổ vào đầm Thị Nại; nhánh Tân An có nhánh sông Gò Chàm cách ngã ba về phía

hạ lưu khoảng 2km, sau khi chảy trên vùng đồng bằng rồi nhập với sông Tân An cùng

đổ vào đầm Thị Nại tại cửa Tân Giảng Tất cả các nhánh sông Đập Đá và Tân An sau khi đổ vào đầm Thị Nại được thông qua biển qua cửa Quy Nhơn Trên sông Kôn về mùa mưa hầu hết nước sông không bị mặn, độ mặn chỉ vào khoảng 0,03 đến 0,330/00;

Từ thượng lưu về hạ lưu sông chảy giữa các vách núi cao có độ dốc lưu vực lớn nên lũ tập trung nhanh Đoạn sông Kôn ở vùng đồng bằng có lòng sông rộng và nông, nhiều chi lưu nhỏ, ngắn, mùa kiệt nguồn nước rất nghèo nàn, khả năng điều tiết lưu vực kém Ngược lại gặp lũ lớn, nước ngập mênh mông vùng hạ lưu Rừng đầu nguồn sông Kôn còn tương đối tốt, ít bị chặt phá, nguồn nước sông khá dồi dào nhưng phân bố không thuận lợi Thượng nguồn sông Kôn có khả năng xây dựng một số hồ chứa nước lớn, tạo nguồn và làm nhiệm vụ điều tiết khai thác tổng hợp phục vụ phát triển kinh tế khu vực

c) Tài liệu nghiên cứu:

Sau khi nghiên cứu và phân tích tổng hợp tài liệu đo đạc KTTV trên cả hệ thống sông Kôn, xem xét tính đồng pha, đồng bộ của các chuổi tài liệu mưa và dòng chảy thấy rằng:

- Về mưa: Với trạm đo mưa khá dày, nhất là vùng hạ lưu, tài liệu khá đầy đủ,

chất lượng đo đạc đáng tin cậy

- Về thuỷ văn: Trạm thuỷ văn Cây Muồng (hay BìnhTường) sau 1975 đã được cũng cố, tăng cường nên chất lượng đo đạc thuỷ văn được nâng cao Đây là trạm được đánh giá hoạt động tốt, tài liệu có độ tin cậy cao và sử dụng tốt cho tính toán thuỷ văn công trình

- Trong phạm vi lưu vực nghiên cứu có trạm đo mưa An Khê, An Toàn, Kbang, Krong Pa, Hoài Ân, Vĩnh Sơn, Vĩnh Kim, Định Bình nằm trên lưu vực sông Kôn ảnh hưởng đến dòng chảy đến của Hồ Định Bình và nằm gần sát với tuyến công trình Tuy nhiên, do trạm Vĩnh Kim và Vĩnh Sơn nằm gần nhau tài liệu tương đối giống nhau nên tác giả chọn trạm Vĩnh Sơn để tính toán Trạm có liệt tài liệu tương đối dài với số liệu của 25 năm quan trắc từ năm 1983 đến năm 2008 và đầy đủ, chất lượng đo đạc tương đối tốt Trạm được đánh giá là hoạt động tốt, tài liệu có độ tin cậy cao và sử dụng tốt

cho tính toán thuỷ văn công trình

1.1.4 Đặc điểm địa hình địa mạo lưu vực nghiên cứu

a) Đặc điểm địa h nh

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 bới các nhánh suối nhỏ của sông Kôn

Địa mạo khu vực đặc trưng bởi dạng thung lũng mở rộng, với các sườn đồi hai bên khá thoải, kết quả của một quá trình bào mòn, phát triển mạnh cả về chiều thẳng đứng và chiều nằm ngang trên một nền địa chất tương đối tương đối đồng nhất, không

có tính phân lớp Quá trình bào mòn phát triển mạnh dọc theo các hệ thống đứt gãy chính trong vùng Lớp phủ tàn tích, sản phẩm của quá trình phong hoá đá gốc thường

có bề dày lớn từ 5 † 15 m, hoặc hơn Dạng địa hình tích tụ chỉ gặp ở dọc sông, các thềm sông thường có bề rộng 50 † 60 m kéo dài hàng trăm mét, từ phía đập Định Bình

về phía phía hạ lưu địa hình tích tụ phát triển mạnh, tạo thành cánh đồng rộng vài km thuộc xã Vĩnh Thịnh

b) Đặc điểm địa chất

Theo các kết quả nghiên cứu địa chất, cấu tạo và kiến tạo mới nhất, nền đá biến chất của địa khối Kon Tum trong vùng công trình bị phân cách bởi hệ thống đứt gãy cấp III chạy dọc theo hướng Bắc - Nam Đứt gãy lớn nhất gọi là đứt gãy sông Kôn chạy phía bên phải và gần song song với hướng chảy của sông Kôn Do tác động của đứt gãy này đã kéo theo sự hình thành của một loại đứt gãy nhỏ khác theo hướng tương tự

Hệ thông đứt gãy thứ hai cáo hướng Tây Bắc – Đông Nam Dọc theo các đứt gãy thuộc hệ thống này đã hình thành các khối xâm nhập Granit nhỏ như đã nêu trên Một đứt gãy thuộc hệ thống này chạy ngang phía hạ lưu vị trí đầu mối Định Bình, và có thể

là nguyên nhân chính làm thay đổi hướng chảy của sông Kôn ngay phía hạ lưu vị trí

dự định xây dựng đập

Do nền địa chất là các lớp đất đá kết tinh và đá xâm nhập liền khối, có tính thấm nước và trữ nước nhỏ, do đó nước ngầm chỉ gặp ở phần trên cùng của nề đá gốc trong đới đá phong hoá nứt nẻ Nước ngầm có nguồn bù cấp chính là nước mưa và có hướng vận động về phía sông Kôn và các nhánh của nó Do lượng mưa trong vùng tương đối cao, khoảng 1700 † 1800 mm/ năm, nên nước ngầm khá dồi dào Mực nước ngầm tại các sườn đồi nói chung nằm sâu từ 7† 15m

Nước mặt tập trung chủ yếu ở sông Kôn và các chi lưu chính như Đắc Sem, Kriêng-Tin Dòng chảy hiện tại của sông Kôn phụ thuộc một mặt vào sự làm việc của

hồ chứa Vĩnh Sơn, cách vị trí dự định xây dựng đập Định Bình khoảng 20 km về thượng lưu và vào lưu lượng của các chi lưu nhỏ nằm dưới thuỷ điện Vĩnh Sơn

1.2 Cơ sở dữ liệu phục vụ nghiên cứu

1.2.1 Mạng lưới trạm đo mưa mặt đất

Trong mô hình thủy văn phân bố IFAS, do kích thước ô lưới tính toán có độ phân giải là (100x100)m, theo đó lưu vực được số hóa và chia thành các ô lưới hình vuông với diện tích tương ứng (100x100)m IFAS là mô hình phân bố sẽ tự động chia lưới trạm ảnh hưởng gần nhất và lượng mưa của từng ô lưới sẽ được ước tính theo công thức Theissen Đối với lưu vực hồ Định Bình có diện tích lưu vực tính đến đập là 1.040 km2 hiện chỉ có 2 trạm đo mưa nằm trong lưu vực đó là trạm đo mưa tự động Bình Định đặt ngay tại đỉnh đập (hình 1.3; hình 1.5 và hình 1.6) và trạm Vĩnh Sơn (hình 1.4) cách thượng lưu đập trên 20 km Tác giả đề xuất chọn thêm các trạm đo mưa lân cận xung quanh lưu vực nghiên cứu với số lương là 09 trạm, bao gồm: KonPlông; Hoài Ân; KBang; An Khê, An Hòa, Hoài Nhơn, Bồng Sơn, Giá Vực và BaTơ (xem hình 1.4 và bảng 1.3)

ng 1.3: Tọa độ các trạm đo mưa lấy theo hệ tọa độ WGS84

H nh 1.4: Mạng lưới trạm đo mưa mặt đất khu vực nghiên cứu

H nh 1.5: Trạm đo mưa tự động tại đỉnh đập Định Bình

H nh 1.6: Thiết bị đo mực nước giám sát lưu lượng qua tràn

(Vị trí đo lưu lượng lũ về hồ)

- Dữ liệu lưu lượng thực đo các trận lũ:

Lưu lượng dòng chảy đến của lưu vực hồ Định Bình được tính toán dựa vào mực nước quan trắc từ năm (20092017) trong hồ, thông qua các cửa tràn và đường đặc tính lòng hồ Định Bình

ng 1.4: Mực nước hồ lớn nhất xuất hiện trong các năm

Các trận lũ lớn gây nguy hiểm đến an toàn của hồ Định Bình tương ứng với các năm 2013, 2016 và 2017 Tác giả dùng trận lũ tháng 11 năm 2013 để hiệu chỉnh mô hình thủy văn và mô hình mưa vệ tinh Để kiểm định bộ thông số tác giả sử dụng lưu lượng thực đo trận lũ vào tháng 11 năm 2017 là trận lũ mới cập nhật Sau đó dùng trận

lũ lớn nhất vào tháng 11 năm 2017 để mô phỏng dòng chảy lũ cho hồ Bịnh Bình

1.2.2 Dữ liệu mưa vệ tinh

Ngay từ những năm 1960, công nghệ viễn thám đã bắt đầu được nghiên cứu ứng dụng trong theo dõi thời tiết, đặc biệt là mưa với viễn thám hồng ngoại và viễn thám radar Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ vũ trụ và khoa học tính toán, nhiều thuật toán, phương pháp đã được xây dựng để tính toán lượng mưa từ dữ liệu vệ tinh với độ chính xác ngày càng được nâng cao

H nh 1.7: Nguyên lý theo dõi mưa của vệ tinh

Xác định lượng mưa bằng viễn thám hồng ngoại từ các vệ tinh GEO cho thông tin về nhiệt độ bề mặt (phía trên) của các đám mây để tính toán lượng mưa với nhận định rằng cường độ mưa tỉ lệ nghịch với nhiệt độ bề mặt đám mây – hay đám mây có nhiệt độ bề mặt càng thấp thì gây mưa càng lớn Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, các thuật toán tính mưa từ ảnh vệ tinh GEO phổ hồng ngoại hiệu quả trong vấn đề tính toán mưa đối lưu vùng nhiệt đới nhưng xuất hiện sai số lớn bởi ảnh hưởng mây ở tầng cao (Arkin và Meisner, 1987; Adler và Negri, 1988) Kỹ thuật phân loại mây dựa vào các thông số về đặc điểm mây được sử dụng để cải thiện kết quả tính mưa Việc kết hợp thông tin ảnh chụp từ nhiều phổ khác nhau cũng mang lại kết quả tốt hơn (Ba và

Gruber, 2001; Bellerby và cs., 2000; Bellerby, 2004; Capacci và Conway, 2005; Hong

và cs., 2004; Hsu và cs., 1999; Turk và Miller, 2005)

Bên cạnh viễn thám hồng ngoại, viễn thám radar từ dữ liệu vệ tinh LEO vớicác cảm biến thu nhận năng lượng bức xạ nhiệt từ các hạt mưa ở bước sóng microwave (Passive Microwave – PMW) Cảm biến của vệ tinh LEO thu nhận tín hiệu PMW cung cấp thông tin chi tiết hơn về cấu trúc của các đám mây Ảnh vệ tinh GEO với diện tích bao phủ toàn bộ bề mặt địa cầu nhưng kết quả tính mưa với độ chính xác không cao, còn ảnh vệ tinh LEO cho thông tin về mưa chính xác hơn nhưng diện tích bao phủ nhỏ tại một thời điểm Do đó, việc kết hợp ảnh vệ tinh LEO để hiệu chỉnh các khu vực tương ứng của ảnh vệ tinh GEO đã đem lại kết quả tính mưa được cải thiện đáng kể (Ba và Gruber, 2001; Bellerby và cs., 2000; Bellerby, 2004; Hsu và cs., 1997; Huffman và cs., 2007; Kidd và cs., 2003; Marzano và cs., 2004; Nicholson và cs., 2003a, 2003b; Sorooshian và cs., 2000; Todd và cs., 2001; Turk và Miller, 2005; Vicente và cs., 1998)

Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra hiệu quả của việc sử dụng ảnh vệ tinh LEO kết hợp với ảnh vệ tinh GEO Trung tâm Dự báo khí hậu (Climate Prediction Center) sử dụng phương pháp nội suy tuyến tính để hiệu chỉnh ảnh GEO-IR theo ảnh LEOPMW

ở những vùng ảnh tương ứng để cho ra dữ liệu mưa CMORPH (Joyce và cs., 2004) Phương pháp lọc Kalman (Kalman filter) đang được phát triển để nâng cao chất lượng

dữ liệu CMORPH (Joyce và cs., 2008; Okamoto và cs., 2005) Một số nghiên cứu cho rằng việc sử dụng mô hình đơn giản về sự phát triển của một trận mưa giữa các dải quét của vệ tinh LEO sẽ cho kết quả tốt hơn là sử dụng phương pháp nội suy hay cập nhật Phương pháp này sử dụng quan hệ của những thay đổi trong đặc điểm bề mặt các đám mây và các quá trình hình thành mưa để tính lượng mưa hơn là dựa vào quan hệ tĩnh giữa ảnh GEO-IR và mưa (Machado và cs., 1998; Horsfield, 2006; Bellerby và cs., 2009; Hsu và cs., 2009; Behrangi và cs., 2010)

Chương trình đo mưa nhiệt đới (Tropical Rainfall Measurement Mission – TRMM) do NASA hợp tác với JAXA (Nhật Bản) thực hiện từ năm 1997 đã sử dụng

vệ tinh LEO để đo mưa cho khu vực nhiệt đới (38o Nam – 38o Bắc) với độ chính xác được nâng cao (Kummerow và cs., 1998; Kummerow và cs., 2000; Simpson và cs., 1988) Hệ thống vệ tinh LEO trong chương trình Đo mưa toàn cầu (Global Precipitation Measurement – GPM) theo kế hoạch sẽ được phóng vào năm 2014 Nhờ

có nhiều vệ tinh nên hệ thống GPM sẽ cho ảnh với độ phân giải thời gian ngắn (3 giờ), bao phủ khoảng 90% diện tích bề mặt địa cầu Hệ thống GPM được kỳ vọng sẽ mang lại nhiều thành tựu to lớn trong việc quan trắc mưa trên toàn cầu Dưới đây, xin giới thiệu phương pháp xác định lượng mưa gần thời gian thực bằng công nghệ viễn thám kết hợp viễn thám hồng ngoại và viễn thám radar nhằm phục vụ công tác phòng chống giảm nhẹ thiên tai do lũ lụt Mô hình kết hợp có thể ở dạng 2 loại dữ liệu viễn thám hoặc nhiều loại dữ liệu viễn thám khác nhau

Mô hình chiết xuất thông tin lượng mưa gần thời gian thực từ 2 loại dữ liệu vệ thám - MTSAT và TRMM 2A12

Ảnh MTSAT với độ phân giải thời gian là 30 phút cho khu vực Bắc bán cầu và 1 giờ cho toàn bộ bán cầu, cho phép JMA có thể giám sát chặt chễ hơn sự di chuyển của bão và các đám mây

ng 1.5: Thông số cơ b n của vệ tinh MTSAT

IR2 11.5 - 12.5

IR 3 6.5 - 7.0

IR4 3.5 - 4.0

Độ phân giải

không gian 1 km (VIS) và 4 km (IR)

Mứcđộmã hóa 10 bits đối với kênh VIS và IR (1,024 gradations)

Tần số S-band (Tiếp nhận: 2026-2035 MHz, truyền tải: 1677- 1695 MHz) UHF (Tiếp nhận: 402 MHz, truyền tải: 468 MHz) TRMM là vệ tinh quan sát trái đất đầu tiên được thiết kế bởi NASA và JAXA với nhiệm vụ theo d i và nghiên cứu lượng mưa nhiệt đới, phục vụ mục đích theo d i biến đổi khí hậu và môi trường trên toàn cầu Vệ tinh TRMM gồm năm đầu thu: Precipitation radar (PR), TRMM Microwave Imager (TMI), Visible and Infrared Scanner (VISR), Clouds and the Earth‟s Radiant Energy System (CERES) and Lightning Imaging Sensor (LIS) Tuy nhiên trong nghiên cứu này, tác giả tập trung vào dữ liệu sản phẩm TRMM 2A12 của đầu thu TMI Dữ liệu TRMM 2A12 với thông tin lượng mưa theo thời gian thực ước tính từ đầu thu TMI gồm có 14 kênh chứa một số các thông số vật lý như: mây chứa nước, nước mưa, đám mây băng, mưa đá, cường độ mưa trên bề mặt (mm/h), mưa đối lưu… Dữ liệu thu được sẽ sử dụng với các thuật toán khác nhau cho mục đích tình mưa ở các khu vực khác nhau như đất liền hay đại dương

ng 1.6: Thông số kỹ thuật của đầu thu TMI (TRMM)

Thông tin lượng mưa gần thời gian thực được chiết xuất từ sự kết hợp hai nguồn

dữ liệu MTSAT và TRM 2A12 dựa trên phương pháp kết hợp của Maathuis (2006) Thực tế phương pháp này ứng dụng để kết hợp dữ liệu MSG với dữ liệu TRMM 2A12 Đặc điểm chính của phương pháp này là sự phát triển của mối quan hệ thống kê giữa MSG và TRMM bằng cách kết hợp nhóm dữ liệu hồng ngoại của MSG với dữ liệu lấy

trung bình của TRMM Dựa trên phương pháp này, tác giả đã thay thế dữ liệu MSG bằng dữ liệu MTSAT với các kênh tương ứng

Thực tế việc tích hợp hai nguồn dữ liệu MTSAT và TRMM 2A12 để chiết xuất thông tin lượng mưa có thể chia làm 3 bước cơ bản:

- Đồng bộ dữ liệu theo không gian và thời gian Dữ liệu TRMM 2A12 1R (kênh hồng ngoại/IR và hơi nước (WV) Đồng bộ thời gian và không gian Giao thoa dữ liệu trung bình các kênh của TRMM 2A12 với nhóm kênh nhiệt của MTSAT Thống kê quy hồi chuyển dữ liệu MTSAT-1R chuyển đổi thành lượng mưa ước tính dựa theo phương trình hồi quy Dữ liệu MTSAT-1R thông tin lượng mưa theo thời gian thực

MTSAT Mối quan hệ thống kê (statistical relationship)

- Chuyển đổi dữ liệu

Mô hình chiết xuất thông tin lượng mưa gần thời gian thực từ 2 loại dữ liệu vệ thám - Hệ thống GSMaP

Hệ thống GSMaP được phát triển dựa trên các hoạt động của dự án GSMaP CREST (Bản đồ vệ tinh lượng mưa toàn cầu) Dự án được tài trợ bởi Cơ quan Khoa học và Công nghệ Nhật Bản (JST), được nghiên cứu từ năm 2002 và được đưa vào hoạt động trên trang Web http://sharaku.eorc.jaxa.jp/GSMaP/ từ năm 2007

JST-GSMaP cung cấp theo giờ bản đồ lượng mưa toàn cầu trong thời gian gần thực (khoảng bốn giờ sau khi quan sát) bằng cách sử dụng các thuật toán MW-IR kết hợp với dữ liệu TRMM TMI, Aqua AMSR-E, DMSP SSM / I và SSMIS, NOAA-19 AMSU, MetOp-A AMSUGEO IR Thuật toán điện toán đám mây toàn cầu kết hợp dữ liệu IR chiết xuất từ dữ liệu, dữ liệu hồng ngoại được sử dụng chiết xuất từ dữ liệu vệ tinh MTSAT

Như vậy, các mô hình kết hợp dữ liệu viễn thám hồng ngoại và viễn thám radar

để chiết xuất lượng mưa được nghiên cứu và sử dụng khá rộng rãi trên thế giới Dưới đây, xin được giới thiệu ứng dụng của dữ liệu này trong Hệ thống phân tích lũ lụt IFAS do Nhật Bản xây dựng và phát triển

H nh 1.8: Quy trình của hệ thống GSMaP NRT

Dữ liệu lượng mưa sử dụng trong mô hình

Trong các hợp phần của IFAS, có một chức năng kết hợp các dữ liệu lượng mưa

đo trên các trạm đo thực địa và dữ liệu dự báo lượng mưa theo thời gian thực từ vệ tinh Các dữ liệu mưa từ vệ tinh như dữ liệu của NASA-3B42RT, NOAACMORPH,

JAXA-GSMaP_NRT để mô phỏng dòng chảy lũ như trong bảng 1.7

ng 1.7: Dữ liệu lượng mưa từ nh vệ tinh sử dụng trong IFAS

Đầu thu chụp

TRMM/TMI Aqua/AMSR-E AMSU-B DMSP/SSM/I IR

Aqua/AMSR-E AMSU-B DMSP/SSM/I TRMM/TMI IR

TRMM/TMI Aqua/AMSR-E ADEOS-2 AMSR

IR AMSU-B

Trong các loại dữ liệu trên thì dữ liệu GSMaP_NRT là dữ liệu có nhiều triển vọng cho mục đích dự báo vì độ phân giải thời gian và không gian của dữ liệu cao và việc phân phối dữ liệu cũng nhanh chóng Theo các nghiên cứu đã được khẳng định ở Nhật Bản và Mỹ thì dữ liệu GSMaP_NRT khó có thể dự đoán lượng mưa khi mưa rất

to Tuy nhiên Shiraishi et al.,2009 đã phát hiện có sự tương quan giữa yếu tố không gian và mức độ dự đoán Dựa trên tương quan này, ông phát triển phương pháp tự hiệu chỉnh cho dữ liệu GSMaP_NRT mà không có dữ liệu đo mưa thực địa Phương pháp này có tính thực tế và tiện dụng đối với những lưu vực sông mà có ít dữ liệu quan trắc tại các trạm, chỉ sử dụng dữ liệu dự báo lượng mưa từ ảnh vệ tinh cho công tác phân tích và dự báo lũ Bởi vì rất khó có thể xây dựng một mạng lưới đầy đủ các trạm quan trắc lượng mưa cho một hệ thống dự báo lũ lụt

Một nghiên cứu khác đối với trường hợp cơn bão Morakot ở Đài Loan năm 2009 thì phương pháp này có thể dự báo gần đúng nhất lượng mưa trong lưu vực sông Tuy nhiên, trong một số trường hợp thì dữ liệu tự hiệu chỉnh về lượng mưa từ ảnh vệ tinh không tính được dòng chảy đúng, lý do là tần xuất quan trắc của vệ tinh chưa đủ dầy khi lượng mưa tăng nhanh Vì vậy, cần phải có một hệ thống đo đạc lượng mưa toàn cầu, nhiệm vụ này đã được Mỹ và Nhật Bản lên kế hoạch để xây dựng một hệ thống vệ tinh có thể quan sát bất cứ nơi nào trong vòng 3 giờ (hiện tại là từ 5 – 6 giờ)

Dữ liệu mưa vệ tinh được sử dụng là dữ liệu do quan trắc viễn thám được tải miễn phí từ trang web của Nhật Bản đồ mưa vệ tinh toàn cầu – GSMaP là một dựán nhằm thúc đẩy việc nghiên cứu “Thành lập bản đồ mưa toàn cầu độ phân giải cao bằng cách sử dụng số liệu vệ tinh” được tài trợ bởi JSTA (Japan Science and Technology Agency)

Mưa vệ tinh được sử dụng trong IFAS gồm có mưa vệ tinh của Mỹ (NASA) và mưa vệ tinh của nhật (JAXA) Trong nghiên cứu này sẽ tập trung làm r cách hiệu chỉnh mưa vệ tinh của Nhật nhằm đưa ra bộ thông số tối ưu cho lưu vực hồ Định Bình

1.2.3 Bản đồ cao độ DEM và bản đồ sử dụng đất của lưu vực nghiên cứu

Do hạn chế về khả năng cập nhật cở sở dữ liệu hiện trạng nên tác giả chỉ sử dụng

cơ sở dữ liệu DEM và bản đồ sử dụng đất lấy từ cơ sở dữ liệu toàn cầu Hình 1.9 mô tả bản đồ DEM (hình bên trái ngoài cùng); Biên và mạng lưới sông ngòi (hình giữa); bản

đồ sử dụng đất (hình bên phải ngoài cùng) của lưu vực nghiên cứu

H nh 1.9: Các b n đồ số của lưu vực nghiên cứu

1.3 Mô hình thủy văn phân bố

1.3.1 Tổng quan hô hình thủy văn phân bố

Mô hình mưa - dòng chảy là công cụ hữu ích, giúp ước tính dòng chảy từ mưa Thông thường thì số liệu về dòng chảy không đầy đủ, vì vậy, ước tính dòng chảy dựa vào lượng mưa là bài toán cần giải quyết Việc phân loại mô hình có thể thực hiện thông qua nhiều chỉ tiêu theo lĩnh vực mà nó đề cập tới (mô hình lý, hóa, sinh, thủy văn, thủy lực,…), sự phân bố không gian của kết quả (mô hình phân bố, tập trung), đặc tính của mô hình (mô hình động, tĩnh),… Có ba loại mô hình chính gồm:

-Mô hình tất định (explicative, deteministic, process-based, phenomenological, ) Mô hình được xây dựng dựa trên các định luật vật lý, hóa học, mô tả quá trình cần mô phỏng và các thông số cần kiểm định chính là các thông

số trong các phương trình mô tả các định luật này

– Mô hình nhận thức (conceptual, comportement) Toàn bộ hệ thống hoặc phần lớn các thành phần của hệ thống được sơ đồ hóa hay được thay thế bởi một hệ thống giả định đơn giản nhưng thể hiện gần đúng chức năng chuyển hóa đầu vào - đầu ra của

1.3.2 Nguyên lý mô hình thủy văn phân bố

IFAS là mô hình tất định, được nghiên cứu và phát triển bởi ICHARM - Trung tâm nghiên cứu của Nhật để phân tích lũ trên lưu vực sông Mô hình tính toán dòng chảy dựa vào lượng mưa tương tự như nguyên lý hồ chứa của mô hình TANK, NAM

Để mô phỏng quá trình lũ, IFAS sử dụng nguyên lý bể chứa, định luật Manning, định luật Darcy và phương pháp sóng động học Khi dòng chảy ngang và dọc được thiết lập, IFASver 1.3 được thiết lập thông qua mô hình 3 bể chứa: Bể mặt, bể chứa nước ngầm, bể trữ nước trong sông

H nh 1.10: Sơ đồ gi i thích mô hình thủy văn trong IFAS

1.3.3 Lựa chọn mô hình tính toán

Hệ thống IFAS đã được ứng dụng thành công ở một số quốc gia châu Á như: Nhật, Pakistan, Mianmar và cả ở Việt Nam cũng đã được áp dụng (tỉnh Cao Bằng), cho kết quả phân tích khả quan Với việc không phụ thuộc quá lớn vào dữ liệu quan trắc thực địa, kết quả xử lý nhanh chóng, đây được xem là một phương pháp tiên tiến

cần được nghiên cứu áp dụng hơn nữa trong thời gian tới đặc biệt là trong điều kiện ở nước ta Việc áp dụng IFAS cho lưu vực hồ Định Bình thuộc thượng lưu lưu vực sông Kôn tỉnh Bình Định là phù hợp với điều kiện tự nhiên của tỉnh, với tình hình tài liệu,

số liệu hiện có

Nhận xét:

Từ những thống kê, phân tích ở trên, có thể khái quát tình hình lũ trên lưu vực ở một số điểm sau: Đây là khu vực có địa hình hẹp và dốc nên lũ lên nhanh Hàng năm trung bình có đến 2 - 3 trận lũ Lũ được hình thành chủ yếu do mưa sinh lũ kết hợp với

sự tác động tổ hợp của các yếu tố khác: Địa hình, địa chất, địa mạo, thổ nhưỡng, thảm phủ thực vật, mạng lưới sông,

Qua chương này, đã tìm hiểu và nghiên cứu sơ lược về hệ thống IFAS; các hợp phần cũng như nguyên lý áp dụng mô hình để phục vụ công tác phân tích dự báo

Chương 2-CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH IFAS

Nội dung chương 2 sẽ giới thiệu các nội dung sau: (i) cơ sở lý thuyết của mô hình IFAS là sự kết nối hai mô hình thủy văn và mô hình mưa từ mưa vệ tinh hoặc mây radar; (ii) cơ sở dữ liệu đầu vào của mô hình bao gồm bản đồ và cơ sở dữ liệu mưa vệ tinh, tài liệu mưa thực đo ở các trạm trên lưu vực nghiên cứu

2.1 Giới thiệu mô hình thủy văn IFAS

2.1.1 Giới thiệu chung

IFAS là hệ thống phân tích lũ - dòng chảy nhỏ gọn do ICHARM 1phát triển như một bộ công cụ nhằm dự báo lũ hiệu quả và phù hợp hơn cho các nước đang phát triển Hệ thống này được gọi là "Hệ thống Phân tích lũ lụt tích hợp (IFAS)" có khả năng cung cấp giao diện để nhập dữ liệu mưa đầu vào không chỉ sử dụng dữ liệu từ vệ tinh mà cả số liệu mưa quan trắc bề mặt, cũng như các chức năng GIS nhằm thiết lập mạng lưới sông ngòi và ước tính các thông số của cơ chế phân tích dòng chảy mặc

định và giao diện hiển thị kết quả đầu ra

IFAS dựa trên nền tảng thiết kế chung là hệ thống dự báo và cảnh báo lũ lụt ở các lưu vực sông, đã được phát triển trong một nghiên cứu với sự nỗ lực chung của Viện Phát triển cơ sở hạ tầng - Nhật Bản (Infrastructure Development Institude - IDI) và chính công ty tư vấn tư nhân với các mục tiêu sau:

+ Phát triển một giao diện xử lý dữ liệu lượng mưa từ ảnh vệ tinh và dữ liệu đo lượng mưa ngoài thực địa ở các trạm sẵn có trong khu vực hoặc toàn cầu để phân tích

và dự báo lũ;

+ Tích hợp hai kiểu mô hình thủy văn có các tham số được cung cấp (PWRI Distributed Hydrologic Model - PDHM và Block-Wise TOP - BTOP model) Các tham số trong mô hình có thể ước tính gần đúng và sẵn có trên phạm vi toàn cầu có trong cơ sở dữ liệu GIS;

+ Có công cụ phân tích dữ liệu GIS để thiết lập các tham số cho mô hình phân tích dự báo, vì vậy không cần phải có phần mềm GIS kèm theo

+ Phát triển một giao diện đồ họa đơn giản, dễ thực hiện để nhập dữ liệu, mô hình hóa, phân tích dòng chảy và đưa ra dữ liệu cảnh báo;

+ Phân phối phần mềm miễn phí

ICHARM cũng tổ chức các hội thảo kỹ thuật, đào tạo để các nước đang phát triển

sử dụng các thông tin được cung cấp và các kỹ thuật một cách dễ dàng nhất Các hoạt động trọn gói như vậy là các hoạt động then chốt nhằm xây dựng khả năng cho các nước này trong việc phân tích và dự báo lũ lụt

2.1.2 Cơ sở lý thuyết của mô hình

Mô hình IFAS là sự kết nối hai mô hình thủy văn và mô hình mưa từ mưa vệ tinh hoặc mây radar Các bộ thông số của 2 mô hình được hiệu chỉnh dựa trên số liệu lưu lượng lũ thực đo và lưu lượng lũ tính toán của mô hình Sau khi xác định được bộ

thông số của 2 mô hình thì từ dữ liệu mưa vệ tinh hoặc mây radar, ta có thể dự báo được lưu lượng và đường quá trình lũ về hồ

Trong nghiên cứu này, do chưa có dữ liệu mây radar nên tác giả sử dụng dữ liệu mưa vệ tinh để ước tính lượng mưa rơi xuống lưu vực Hình 2.1 mô tả quá trình thực hiện của IFAS

H nh 2.1: Quá trình thực hiện của IFAS a) Mô h nh thủy văn

Khác với các mô hình thủy văn trước đây là sử dụng thông số tập trung, IFAS có tính mới là sử dụng bộ thông số phân bố cho toàn bộ lưu vực, theo đó lưu vực được số hóa và chia thành các ô lưới hình vuông với diện tích là 1 km2

Mỗi ô lưới lưu vực được đặc trưng bởi một bộ thông số thủy văn Trình tự tính toán mô hình thủy văn được sơ đồ hóa như hình 2.2

H nh 2.2: Sơ đồ gi i thích mô hình thủy văn trong IFAS

H nh 2.3: Sơ đồ tính toán mô hình thủy văn trong IFAS

Theo quan niệm mưa rơi xuống lưu vực sẽ hình thành lớp nước mặt, lớp nước ngầm và tập trung về hồ chứa Các thông số này được xác định như sau: