Đặng Đình Đức Trung tâm Động lực học Thủy khí Môi trường - Thu thập số liệu mưa từ nguồn mưa vệ tinh, mô hình số trị, mưa trạm, số liệu khí tượng khác nhiệt độ, gió; số liệu thủy văn mự
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIấN
KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIấN CỨU KHOA HỌC CẤP CƠ SỞ
Tờn đề tài: Phỏt triển hệ thống dự bỏo lũ tớch hợp trờn nền tảng Delft-FEWS để nõng cao hiệu quả dự bỏo lũ cho lưu vực sụng Hồng
Mó số đề tài: TN.18.24
Chủ nhiệm đề tài: Ths Trần Thanh Huyền
Hà Nội, thỏng năm
đại học k
o a
Trang 2PHẦN I THÔNG TIN CHUNG
để nâng cao hiệu quả dự báo lũ cho lưu vực sông Hồng.
2 Mã số: TN.18.24
3 Danh sách các cán bộ thực hiện đề tài:
(Chủ nhiệm/Tham gia)
1 Ths Trần
Thanh Huyền
Trung tâm Động lực học Thủy khí Môi trường
- Thiết lập bộ kết nối Delft-FEWS với bộ mô hình
dự báo thủy văn-thủy lực: MIKE-NAM và MIKE-11
- Thiết lập hệ thống dự báo tự động trên nền tảng Delft-FEWS
- Phân tích và đánh giá kết quả dự báo
- Viết báo cáo tổng kết Đề tài
2
ThS Nguyễn
Kim Ngọc
Anh
Trung tâm Động lực học Thủy khí Môi trường
- Phụ trách kỹ thuật cấu hình cho Delft-FEWS trong việc nhập-xuất dữ liệu tại nguồn vào mô hình dự báo, tiền xử lý và hậu xử lý số liệu, biểu diễn số liệu mô hình dự báo dưới nhiều kịch bản trên Delft-FEWS
- Tính toán mô hình dựa trên các kịch bản và các nguồn mưa khác nhau
- Phân tích và đánh giá kết quả dự báo
3 ThS Đặng
Đình Đức
Trung tâm Động lực học Thủy khí Môi trường
- Thu thập số liệu mưa từ nguồn mưa vệ tinh, mô hình số trị, mưa trạm, số liệu khí tượng khác (nhiệt độ, gió); số liệu thủy văn (mực nước tại các trạm) theo giờ, ngày; bản đồ lưu vực, tiểu lưu vực, hệ thống sông, trạm khí tượng, trạm thủy văn
- Tính toán mô hình dựa trên các kịch bản và các nguồn mưa khác nhau
- Phân tích và đánh giá kết quả dự báo
4 Đơn vị chủ trì thực hiện: Trung tâm Động lực học Thủy khí Môi trường
5 Thời gian thực hiện:
5.1 Theo hợp đồng: từ tháng 6 năm 2018 đến tháng 6 năm 2019
5.2 Gia hạn (nếu có): đến tháng… năm…
5.3 Thực hiện thực tế: từ tháng 6 năm 2018 đến tháng 6 năm 2019
6 Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài: 25 triệu đồng
7 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có)
Trang 3PHẦN II TỔNG QUAN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1 Đặt vấn đề
Việt Nam là một quốc gia có nhiều hệ thống sông ngòi phức tạp với các đồng bằng hạ du là nơi tập trung đông dân số và phát triển mạnh về kinh tế - xã hội Nằm trong khu vực chịu nhiều ảnh hưởng của áp thấp nhiệt đới và bão gây mưa lớn trên diện rộng vùng thượng du và trung du, kết hợp với địa hình dốc của hệ thống núi trong khu vực, miền Bắc Việt Nam, trong đó có lưu vực sông Hồng, luôn phải đối mặt với nguy cơ lũ dưới hạ du, gây ra nhiều thiệt hại không nhỏ về người và của, ảnh hưởng đến sự phát triển kinh tế và hoạt động sản xuất của người dân Trong bối cảnh biến đổi khí hậu đang ngày một cực đoan, các hình thái thời tiết, trong đó có mưa, đang diễn biến ngày một phức tạp, chế độ mưa bị dịch chuyển với cường độ mưa gia tăng, điều này dẫn đến tính bất thường và khó suy đoán của lưu lượng đến hạ du Hiện nay có khoảng 1.300 điểm đo mưa phục vụ công tác dự báo trên toàn bộ lãnh thổ Việt Nam, trong đó, trong lưu vực sông Hồng mới chỉ có khoảng 275 trạm trên lãnh thổ Việt Nam và 18 trạm đo (số liệu không liên tục) trên địa phận Trung Quốc [1] Sự thiếu hụt về số liệu mưa quan trắc là một trong những trở ngại lớn trong việc dự báo lũ hạ du Để xây dựng được một cơ sở dữ liệu mưa tổng quát hơn cả về không gian và thời gian, nhiều nguồn mưa vệ tinh và mưa từ mô hình số trị từ các nguồn số liệu toàn cầu miễn phí cũng đã và đang được các dự báo viên sử dụng phục
vụ công tác dự báo Tuy nhiên công đoạn đưa số liệu mưa từ các nguồn khác nhau vào mô hình tính toán vẫn còn được làm khá thủ công, mất nhiều thời gian xử lý cho từng bộ số liệu Bên cạnh đó, để thực hiện đầy đủ một quy trình dự báo, dự báo viên phải tham gia vào tất cả các công đoạn bao gồm xử lý số liệu đầu vào, thiết lập mô hình toán, hậu xử lý số liệu đầu ra, phân tích và so sánh các kịch bản, lựa chọn kịch bản dự báo phù hợp dựa trên phương pháp kết hợp định tính và định lượng Để khắc phục tính cồng kềnh và thủ công trong quy trình dự báo đồng thời hỗ trợ các dự báo viên trong việc cập nhật các mô hình dự báo mới trên thế giới việc phát triển một hệ thống tích hợp dự báo, bao gồm đầy đủ quy trình của một dự báo tiêu chuẩn, với kết quả là một tổ hợp các kịch bản dự báo hỗ trợ các dự báo viên trong việc đưa ra quyết định và biên tập bản tin, là thực sự cần thiết
Có nhiều các phương pháp được sử dụng để dự báo dòng chảy đến hồ hiện nay, bao gồm phương pháp thống kê tự hồi quy, phương pháp mô hình mưa – dòng chảy, diễn toán dòng chảy, v v… Mỗi phương pháp được sử dụng tùy theo đặc tính từng lưu vực[2] Tuy nhiên các phương pháp này đang được áp dụng riêng rẽ và rời rạc
Đề tài nghiên cứu sẽ cung cấp một hệ thống dự báo lũ tích hợp trên nền tảng Delft-FEWS có khả năng tích hợp nhiều phương pháp khác nhau vào một giao diện tổng hợp nhằm hỗ trợ và rút ngắn thời gian dự báo Tính năng ưu việt của hệ thống dự báo
lũ tích hợp đó là khả năng tự động hóa trong quy trình dự báo lũ nhằm khắc phục các hạn chế nêu trên của công tác tác dự báo lũ ở Việt Nam, kèm theo đó là một nền tảng giao diện thân thiện tới người sử dụng với khả năng hiển thị một cách trực quan nhất kết quả dự báo từ mô hình toán Trong khuôn khổ của nghiên cứu, Delft-FEWS trước tiên sẽ tích hợp phương pháp mô hình MIKE-NAM để thử nghiệm dự báo lũ trên sông Hồng
2 Mục tiêu của đề tài
Đề tài được định hướng với mục tiêu chính:
Trang 4(1) Xây dựng hệ thống dự báo lũ tích hợp toàn diện dựa trên Delft-FEWS để tăng cường tính tự động hóa trong công tác dự báo lũ tại lưu vực sông Hồng; (2) Cung cấp một bộ các kịch bản dự báo từ các nguồn mưa khác nhau trên một giao diện tích hợp trực quan trên Delft-FEWS, hỗ trợ phân tích, đánh giá và lựa chọn kết quả phù hợp để nâng cao chất lượng dự báo
3 Nội dung và phạm vi nghiên cứu
3.1 Nội dung chi tiết của nghiên cứu:
- Thu thập số liệu mưa từ nguồn mưa vệ tinh, mô hình số trị, mưa trạm, số liệu khí tượng khác (nhiệt độ, gió); số liệu thủy văn (mực nước tại các trạm) theo giờ, ngày; xây dựng bản đồ lưu vực, tiểu lưu vực, hệ thống sông, trạm khí tượng, trạm thủy văn;
- Thiết lập cấu hình cho Delft-FEWS trong việc nhập-xuất dữ liệu tại nguồn vào mô hình dự báo, tiền xử lý và hậu xử lý số liệu, biểu diễn số liệu mô hình dự báo dưới nhiều kịch bản trên Delft-FEWS Thiết lập hệ thống dự báo tự động trên nền tảng Delft-FEWS;
- Tính toán mô hình dựa trên các kịch bản và các nguồn mưa khác nhau;
- Đánh giá và phân tích kết quả dự báo dựa trên nền tảng Delft-FEWS;
- Đề xuất các ý tưởng phát triển và nâng cấp hệ thống dự báo tích hợp và viết báo cáo tổng kết Đề tài
3.2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài:
- Về không gian: nghiên cứu được áp dụng trên lưu vực sông Hồng (từ thượng lưu đến trạm Hà Nội) Lưu vực Sông Hồng được chia thành 24 tiểu lưu vực để áp
dụng tính toán trong mô hình thủy văn – thủy lực (Hình 1)
Hình 1 Phân chia tiểu lưu vực hiển thị trên Delft-FEWS
- Nghiên cứu tập trung vào thiết lập chương trình tích hợp công cụ bao gồm mô-đun mưa – dòng chảy MIKE NAM và mô hình thủy lực MIKE 11 trên nền tảng Delft-FEWS để dự báo với nhiều nguồn số liệu khác nhau
Trang 5- Số liệu mưa được lấy từ các nguồn mưa dự báo mở trên thế giới và mưa thực đo
từ các trạm phân bố trên lưu vực bao gồm:
Mưa dự báo hạn 10 ngày GFS (Global Forecast System) của Cục Khí tượng – Thủy Văn Hoa Kỳ (NOAA), bước thời gian 3h
Mưa dự báo hạn 10 ngày của Cơ quan Khí tượng Nhật Bản (JMA), bước thời gian 6h
Mưa thực đo từ các trạm mưa cung cấp bởi Ban Chỉ đạo Phòng chống Lụt bão Trung ương trong toàn mùa lũ từ 15/6/2019 đến 15/9/2019
4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
4.1 Phương pháp luận
Nhằm thực hiện được các mục tiêu đặt ra của đề tài, nhóm nghiên cứu áp dụng nhiều phương pháp nghiên cứu khác nhau để đảm bảo độ tin cậy của kết quả, sự toàn diện và tính thực tiễn của nghiên cứu, cụ thể:
- Phương pháp bản đồ và GIS: Xây dựng dữ liệu bản đồ cho lưu vực sông Hồng và trình diễn số liệu dưới dạng không gian trên Delft-FEWS
- Phương pháp thu thập số liệu: Số liệu khí tượng – thủy văn được thu thập thông qua nhiều nguồn số liệu khác nhau bao gồm nguồn số liệu toàn cầu và các trạm thủy văn, trạm khí tượng khu vực
- Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Nghiên cứu các cách tiếp cận và các phương pháp khác nhau được sử dụng trong tính toán thủy văn để đưa ra hướng tiếp cận phù hợp đối với từng đối tượng nghiên cứu cụ thể thuộc đề tài nghiên cứu
- Mô hình hóa: Mô hình toán thủy văn (MIKE NAM, MIKE 11) được sử dụng để tính toán, dự báo từ dữ liệu kết hợp giữa mưa vệ tinh, mưa số trị và mưa quan trắc tại trạm
- Phương pháp phân tích thống kê: từ các số liệu thu thập được tiến hành phân tích thống kê để bước đầu thấy được các đặc trưng, loại bỏ các giá trị gây nhiễu; sử dụng phương pháp thống kê (định tính và định lượng) kiểm định kết quả mô hình với số liệu quan trắc trong lịch sử
- Phương pháp chuyên gia: Phương pháp lấy ý kiến đóng góp của các chuyên gia trong và ngoài nước về việc phân tích và lựa chọn các phương pháp xử lý dữ liệu
từ các nguồn khác nhau, lựa chọn kịch bản phù hợp nâng cao chất lượng dự báo
4.2 Thiết lập mô hình thủy văn – thủy lực
Để tính toán dòng chảy tại các mặt cắt cửa ra, các lưu vực sông lớn được phân chia thành các lưu vực bộ phận được khống chế bởi các trạm thủy văn Đặc trưng của
các lưu vực tính toán được thể hiện trong Bảng 1
Bảng 1 Các đặc trưng lưu vực khu vực nghiên cứu
Trang 6Lưu vực sông Diện tích lưu vực tính đến
Lưu vực sông Lục
Để tính toán dòng chảy tại các mặt cắt cửa ra, các lưu vực sông lớn được phân chia thành các lưu vực bộ phận được khống chế bởi các trạm thủy văn
Hình 2 Phân chia lưu vực và tính trọng số các trạm mưa sử dụng Delft-FEWS
Cụ thể về thông tin các tiểu lưu vực xem trong Tài liệu mô tả đính kèm báo cáo a) Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình
Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm nghiệm dựa vào số liệu thời đoạn 6 giờ đối với các lưu vực có trạm thủy văn khống chế Các lưu vực còn lại thông số được lấy theo lưu vực tương tự Quá trình hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình thủy văn đã sử dụng số liệu mưa, lưu lượng các tháng mùa lũ năm 2017, 2018 với thời đoạn 6 giờ trong đó số liệu năm 2017 được dùng để hiệu chỉnh và số liệu năm 2018 được dùng
để kiểm nghiệm Sau khi hiệu chỉnh mô hình NAM, thu được bộ thông số cho các
lưu vực bộ phận như trong Bảng 2 Sai số giữa lưu lượng tính toán và thực đo
trong bước hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình được đánh giá theo chỉ số Nash-Sutcliffe
Kết quả hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình được trình bày trong Hình 3 Hầu
hết mức hiệu quả của mô hình (chỉ số Nash) đều đạt trên 0.70 Tuy vậy, kết quả nghiên cứu cũng cho thấy do hệ thống trạm quan trắc mưa phát báo phục vụ dự báo tác nghiệp khá ít nên thường những trận mưa có phân bố đều trên bề mặt lưu vực thường cho kết quả mô phỏng tốt hơn
Trang 7Bảng 2 Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình
Thời kỳ hiệu chỉnh
Thời kỳ kiểm định
3 Sông Nậm Mu Đập thủy điện Huội Quảng 0.68 0.71
Hình 3 Kết quả tính toán (xanh) và thực đo (đen) tới hồ Lai Châu, Sơn La, Bản Chát, Huội Quảng, Hòa Bình, Thác Bà năm 2017
4.2.2 Xây dựng mô hình thủy lực khu vực nghiên cứu
a) Mạng lưới sông và sơ đồ tính
Hệ thống sông Hồng - Thái Bình là một mạng lưới phức tạp với nhiều lưu vực lớn như lưu vực sông Đà, sông Thao, sông Lô phía thượng lưu; ở hạ du là vùng đồng bằng rộng lớn với mạng lưới sông ngòi chằng chịt Hệ thống sông Hồng được nối với
Trang 8hệ thống sông Thái Bình thông qua 2 sông chủ yếu đó là sông Đuống và sông Luộc Dòng chảy trên lưu vực sông Hồng - Thái Bình đổ ra biển Đông tại 9 cửa chính: Đáy, Ninh Cơ, Ba Lạt, Trà Lý, Thái Bình, Văn Úc, Lạch Tray, Cấm, Đá Bạch
Sơ đồ mạng hệ thống sông được mô tả như trong Hình 4.
Hình 4 Sơ đồ hệ thống sông Hồng-Thái Bình Hình 5 Hệ thống sông trên mô hình
MIKE 11
Đề tài sử dụng mô hình MIKE 11 của Viện Thủy lực Đan Mạch để mô phỏng dòng chảy lũ trên lưu vực sông Hồng - Thái Bình Sơ đồ mạng lưới sông được mô
phỏng trên mô hình MIKE 11 có giao diện như trên Hình 5
b) Điều kiện biên
Điều kiện biên (gồm biên trên và biên dưới) được mô tả chi tiết trong Bảng 4
Tài liệu địa hình được sử dụng trong tính toán là tài liệu thực đo trong khoảng thời gian từ 1998-2011 do Viện Quy hoạch Thuỷ Lợi, Đoàn Khảo sát Sông Hồng, Viện Khí tượng thủy văn đo đạc bao gồm 1058 mặt cắt Hệ số nhám được tính riêng cho từng mặt cắt tuỳ theo điều kiện thực tế của từng mặt cắt theo công thức kinh nghiệm và thường dao động trong khoảng 0,018-0,045 Trong quá trình hiệu chỉnh
mô hình kết hợp tham khảo thông tin điều tra thực địa
Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định
Hình 6 Kết quả tính toán (xanh) và thực đo (đen) mực nước tại Hà Nội, Tuyên Quang, Phả Lại (từ trái qua phải, trên xuống dưới) năm 2017
Trang 9Mô hình thủy lực được hiệu chỉnh và kiểm định với mực nước các trạm Hà Nội, Tuyên Quang và Phả Lại mùa lũ năm 2017 và 2018 Kết quả cho thấy mô hình mô phỏng khá đến tốt Chỉ tiêu Nash đạt từ 0.70-0.81
Bảng 3 Biên trên và biên dưới được sử dụng trong mô phỏng dòng chảy lũ
4.3 Thiết lập hệ thống dự báo Delft-FEWS
Nghiên cứu thiết lập mô hình thủy văn, thủy lực MIKE NAM – MIKE 11 trên Delft-FEWS cho lưu vực sông Hồng với nguồn số liệu dự báo toàn cầu từ GFS và JMA và số liệu quan trắc mưa tại trạm Giản đồ thiết kế Delf-FEWS-MIKE cho Sông Hồng được mô tả như Hình 7:
Hình 7 Giản đồ mô tả cấu trúc Deflt-FEWS-MIKE cho Sông Hồng
Các bước trên đều được cấu hình dưới mã XML và tích hợp thành các dòng công việc (workflow) để tiến hành chạy mô hình thủy văn thủy lực và tính toán các kịch bản dựa trên các bộ số liệu mưa đầu vào khác nhau Các dòng công việc này có thể được thiết lập chạy nghiệp vụ bằng Windows Task Scheduler bằng cách cài đặt
chuỗi thời gian bắt đầu và bước thời gian lập lịch chạy cho mỗi dòng công việc Chi
tiết về hệ thống vui lòng xem trong Tài liệu mô tả đính kèm báo cáo
Trang 105 Nội dung và kết quả nghiên cứu
5.1 Số liệu mưa đầu vào cho mô hình
Mưa thực đo tại trạm được nhập và hiển thị trên Delft-FEWS cho toàn bộ giai đoạn dự báo năm 2018
Hình 8 Chuỗi số liệu quan trắc trong thời đoạn dự báo cho sông Hồng từ 15/6-15/9/2018 hiển thị trên Delft-FEWS
Hình 9 Mưa dự báo 48h từ nguồn dự báo toàn cầu GFS, JMA so sánh với mưa tại trạm cho tiểu lưu vực Đà Trung Quốc - Mường Tè (trái) và Gâm Trung Quốc – Bảo Lạc (phải)
Hai nguồn mưa dự báo có sự khác biệt rất lớn về lượng tuy nhiên khá tương đồng về xu thế Kết quả phân tích tương quan cho thấy, tương quan về hình thái mưa trung bình vực theo chuỗi thời gian của 2 nguồn mưa dự báo so với thực đo là khá tương đồng nhau Tại 1 số tiểu lưu vực như Chiêm Hóa-Tuyên Quang, mưa dự báo thiên cao ở cả hai nguồn Trái lại, mưa dự báo lại thiên thấp tại số ít lưu vực như Đà Trung Quốc – Mường Tè, Gâm – Trung Quốc
5.2 Kết quả từ mô hình Thủy văn
Kết quả kiểm định năm 2018 cho lưu lượng cho thấy khả năng mô phỏng của
mô hình khá tốt, đã bắt được đỉnh của lưu lượng đến các hồ, tuy nhiên, ở những trận
lũ lớn, mô hình thường mô phỏng thiên thấp giá trị đỉnh lũ, trái lại đối với những giá trị lưu lượng nhỏ hơn lại cho giá trị mô phỏng thiên cao
0
2
4
6
8
10
12
29-08-2018
22:00
30-08-2018
13:00
31-08-2018 04:00
31-08-2018 19:00
Thời gian dự báo
Đà Trung Quốc - Mường Tè
(T0=29-08-2018 22:00 GMT+7)
0 5 10 15
29-08-2018 22:00
30-08-2018 16:00
31-08-2018 10:00
Thời gian dự báo
Gâm Trung Quốc - Bảo Lạc (T0=29-08-2018 22:00 GMT+7)
GFS JMA Thực đo
