SO SÁNH LỰA CHỌN MÔ HÌNH THÍCH HỢP ĐỂ MÔ PHỎNG CHẾ ĐỘ THỦY VĂN LƯU VỰC SÔNG VU GIA - THU BỒN TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

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

MÔ PHỎNG CHẾ ĐỘ THỦY VĂN LƯU VỰC

SÔNG VU GIA - THU BỒN

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy

Mã số: 60.58.02.02

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG

CÔNG TRÌNH THỦY

Đà Nẵng – Năm 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS Võ Ngọc Dương

học Bách khoa vào ngày 20 tháng 08 năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin – Học liệu,Đại học Đà Nẵng

- Thư viện Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng

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

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]

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 tuy 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 như: Địa hình, sử dụng đất, thổ nhưỡng, khí tượng thủy văn…

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

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

1.4.1 Mô hình thực nghiệm

1.4.2 Mô hình tượng trưng

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

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 mô hình được kế thừa từ các công trình nghiên cứu trước đây [3, 4, 37]

2.2.1 Mô hình HEC-HMS

Quá trình hiệu chỉnh và kiểm định mô hình HEC-HMS được thực hiện trong 20 năm, từ 1991-2000 để hiệu chỉnh và từ 2001-2010 để kiểm định Kết quả kiểm định và hiệu chỉnh của HEC-HMS như Bảng 2.1

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

2.2.2 Mô hình MIKE-NAM

Quá trình hiệu chỉnh và kiểm định mô hình HEC-HMS được thực hiện trong 20 năm, từ 1991-2000 để hiệu chỉnh và từ 2001-2010 để kiểm định Kết quả kiểm định và hiệu chỉnh của MIKE-NAM như Bảng 2.2

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

2.2.3 Mô hình SWAT

Quá trình hiệu chỉnh và kiểm định mô hình HEC-HMS được thực hiện trong 20 năm, từ 1991-2000 để hiệu chỉnh và từ 2001-2010 để kiểm định Kết quả kiểm định và hiệu chỉnh của SWAT như Bảng 2.3

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

2.2.4 Mô hình MIKE-SHE

Quá trình hiệu chỉnh và kiểm định mô hình HEC-HMS được thực hiện trong 20 năm, từ 1991-2000 để hiệu chỉnh và từ 2001-2010 để kiểm định Kết quả kiểm định và hiệu chỉnh của MIKE-SHE như Bảng 2.4

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

2.3 CÁC TIÊU CHÍ CƠ BẢN ĐỂ LỰA CHỌN MÔ HÌNH THỦY VĂN LƯU VỰC

Như vậy, hiện có rất nhiều mô hình thủy văn được xây dựng và phát triển dựa trên các lý thuyết và nền tảng khác nhau Những mô hình này có những điểm mạnh và những hạn chế khác nhau Do đó, để lựa chọn được mô hình thích hợp cho mô phỏng chế độ thủy văn lưu vực, chúng ta cần căn cứ vào những tiêu chí nhất đinh

Do quá trình thủy văn lưu vực phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau nên các tiêu chí dùng để lựa chon mô hình hình thủy văn cũng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố Tuy nhiên các tiêu chí này cơ bản thay đổi dựa vào mục đích nghiên cứu [29] và kế đến là tình hình thực tế khu vực nghiên cứu và thực trạng dữ liệu [27] Sau khi tổng kết nhiều nghiên cứu với các đặc trưng lưu vực và mô hình khác nhau Cunderlik [20] cho rằng, các tiêu chí lựa chọn mô hình tập trung vào bốn vấn đề

cơ bản sau:

- Mục đích của mô phỏng;

- Khả năng diễn tả các thành tố của chế độ thủy văn lưu vực vào

mô hình;

- Khả năng tương thích với cơ sở dữ liệu sẵn có;

- Giá thành của mô phỏng

Những tiêu chí để so sánh lựa chọn mô hình của tổ chức khí tượng thế giới, cũng như là những chuyên gia đầu ngành về thủy văn đề ra Những tiêu chí này sẽ là căn cứ để so sánh lựa chọn mô hình cho lưu vực sông Vu Gia Thu Bồn WMO cũng đưa ra một bảng các tiêu chí lựa chọn mô hình như sau:

Bảng 2.5a: Tiêu chuẩn lựa chọn mô hình do WMO đưa ra [41]

Bảng 2.5b: Tiêu chuẩn lựa chọn mô hình do WMO đưa ra [41]

Trên đây là phổ quát những tiêu chí để so sánh lựa chọn mô hình của tổ chức khí tượng thế giới, cũng như là những chuyên gia đầu ngành về thủy văn đề ra Những tiêu chí này sẽ là căn cứ để so sánh lựa chọn mô hình cho lưu vực sông Vu Gia Thu Bồn

Chương 3 LƯU VỰC SÔNG VU GIA THU BỒN

3.1 TỔNG QUAN VỀ LƯU VỰC

Sông Vu Gia - Thu Bồn là hê ̣ thống sông lớn ở vùng Duyên hải Trung Trung Bộ Toàn bô ̣ lưu vực nằm ở sườn Đông của dãy Trường Sơn có diê ̣n tích lưu vực: 10.350 km2, trong đó diê ̣n tích nằm ở tỉnh Kon Tum: 301,7 km2, còn la ̣i chủ yếu thuô ̣c đi ̣a phâ ̣n tỉnh Quảng Nam

và Thành phố Đà Nẵng

3.2 ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN VÀ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN 3.2.1 Đặc điểm địa hình

3.2.2 Đặc điểm sông ngòi

3.2.3 Đặc điểm địa chất, thổ nhưỡng

3.2.4 Đặc điểm khí hậu

3.2.5 Đặc điểm thủy văn

3.3 THIÊN TAI TRÊN LƯU VỰC

3.3.1 Tổng quan về thiên tai ở tỉnh Quảng Nam

Vấn đề thiên tai, cụ thể là thiên tai lũ lụt và hạn hán ở Quảng Nam đã và đang hạn chế sự phát triển nền kinh tế của tỉnh, đồng thời tàn phá môi trường, môi sinh tác động mạnh đến đời sống xã hội của tỉnh Đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu, khi lượng mưa được dự báo tăng nhưng tập trung chủ yếu là mùa mưa lũ và

giảm đi vào mùa kiệt là nguyên nhân gia tăng các thiên tai liên quan đến dòng chảy: lũ lụt, hạn hán…

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

Lũ và ngập lụt là loại thiên tai gây thiệt hại nặng nề nhất đối với con người, tài sản và cơ sở hạ tầng trên khắp địa bàn toàn tỉnh Từ năm 1997 đến 2016, lũ đã gây ra 668 người chết; 1.656 người bị

thương Thiệt hại về tài sản, cơ sở hạ tầng lên tới 12.232,95 tỷ đồng

[15]

3.3.3 Thiệt hại do hạn hán của ở Quảng Nam

Hạn hán ở Quảng Nam gây tổn thất nghiêm trọng thứ tư sau lũ lụt, bão và sạt lở bờ sông Tuy ít gây thiệt hại trực tiếp về người nhưng thiệt hại về kinh tế, xã hội, là hết sức phức tạp, gây hậu quả lâu dài, khó khắc phục

3.4 THỰC TRẠNG DỰ LIỆU CHO NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG CHẾ ĐỘ THỦY VĂN

3.5.1 Địa hình và mạng lưới sông

Đối với lưu vực Vu Gia-Thu Bồn thì dữ liệu bản đồ số được hưởng lợi từ hai dự án của LUCCi và VIE-08-P1 [8] Chương trình đầu tiên của LUCCi [14] bao gồm toàn bộ lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn Dữ liệu này trình bày về địa hình tại lưu vực có độ phân giải (15x15) m và bản đồ có kích thước lưới nhỏ hơn (10x10)m của VIE-08-P1 Đây cơ

sở để xây dựng dữ liệu địa hình và mạng lưới sông

Bản đồ đất cung cấp bởi dự án VIE-08-P1 mô tả 44 loại đất trên lưu vực Vu Gia - Thu Bồn Bản đồ này được gom lại thành 5 loại đất chính

3.4.3 Nước ngầm

Dữ liệu về nước ngầm do Phòng Quy hoạch và Điều tra Tài nguyên nước Trung ương Việt Nam cung cấp Số liệu này được mô tả tình hình phân bố nước ngầm sơ bộ của Quảng Nam và Đà Nẵng thông qua hai báo cáo Các báo cáo này cũng đi kèm với quy trình cấp nước ngầm ở 27 giếng khoan qua các lưu vực Tuy nhiên, hầu hết các lỗ đều nằm trong khu vực bằng phẳng, tập trung chủ yếu vào phần hạ lưu Không có giếng khoan nào ở vùng núi

3.5.4 Dữ liệu thủy văn

Dữ liệu được Trung tâm khí tượng thuỷ văn Trung tâm Trung tâm

hỗ trợ

Có trạm Đà Nẵng, đại diện cho vùng duyên hải và Trà My, phục vụ vùng núi Các trạm khác, bao gồm: Tiên Phước, Khâm Đức, Hiệp Đức, Hiên, Thành Mỹ, Nông Sơn, Quế Sơn, Hội Khách, Ái Nghĩa, Giao Thủy, Cẩm Lệ, Câu Lâu là các trạm đo mưa phổ thông Mực nước được quan sát ở 6 điểm, chỉ có hai trạm có khả năng đo được số liệu xả, đó là Nông Sơn và Thành Mỹ