Xây dựng mô hình bán phân bố mô phỏng dòng chảy cho một số lưu vực sông lớn và vừa khu vực Nam Trung Bộ
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
XÂY DỰNG MÔ HÌNH BÁN PHÂN BỐ MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY CHO
MỘT SỐ LƯU VỰC SÔNG LỚN VÀ VỪA KHU VỰC NAM TRUNG BỘ
Lê Thị Hải Yến, Ngô Lê An
Trường Đại học Thủy lợi
Tóm tắt: Các mô hình mưa dòng chảy được ứng dụng rộng rãi nhằm mô phỏng dòng chảy từ
mưa. Các mô hình thông số tập trung có ưu điểm tính toán nhanh, số liệu đầu vào ít nhưng
không mô tả được phân bố các đặc trưng khí tượng thuỷ văn theo không gian nên chỉ phù hợp
với các lưu vực nhỏ. Các mô hình thông số phân bố có ưu điểm mô tả tốt biến động theo không
gian cả mặt đệm lưu vực lẫn các yếu tố khí tượng thuỷ văn nhưng các mô hình đòi hỏi lượng số
liệu lớn, thời gian tính toán lâu hơn. Nghiên cứu này xây dựng mô hình bán phân bố kết hợp các
ưu điểm của hai nhóm mô hình thông số tập trung và phân bố dựa trên mô hình NAM và diễn
toán Muskingum. Mô hình được mô phỏng thử nghiệm cho các lưu vực vừa (Nông Sơn, Thành
Mỹ) và lưu vực lớn (Củng Sơn) cho kết quả hệ số Nash ở các bước hiệu chỉnh và kiểm định đều
trên 0,80 thể hiện tính hiệu quả và khả năng ứng dụng tốt của mô hình.
Từ khoá: Mô hình bán phân bố, mô hình mưa dòng chảy NAM, sông Vu Gia – Thu Bồn,
sông Ba, diễn toán Muskingum
Summary: Rainfall-runoff models are widely applied to simulate flow from rainfall. Lumped
parameter models have the advantage of fast calculation with a small amount of input data
requirement, but it cannot illustrate the variation of hydro-meteorology features by space, so it is
only suitable for small basins. The distributed parameter models provide good description of
spatial variation both in the basin responses and hydrological meteorological factors, but they
require large amounts of data and longer computational time. This research builds a semi-
distributed model combining the advantages of two groups of lumped and distributed parameter
models based on the NAM model and the Muskingum routing. The model is applied in order to
simulate daily runoff for the medium scale basins (Nong Son, Thanh My) and large scale basin
(Cung Son). The Nash coefficient of calibration and verification processes are higher than 0.80,
showing the effectiveness and the good applicability of the model.
Keywords: Semi-distributed model, Nam rainfall runoff model, Vu Gia – Thu Bon, Ba,
Muskingum routing.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ*
mô hình thuỷ văn được phân chia thành các
nhóm: mô hình thông số tập trung, mô hình
bán phân bố và mô hình thông số phân bố.
Trong mô hình thông số tập trung, các đặc
trưng về khí tượng và các đặc tính vật lý khác
được lấy trung bình hoá trên toàn bộ lưu vực
và dòng chảy chỉ được xác định tại vị trí cửa ra
(NAM, TANK…). Do vậy, các mô hình này
chỉ có thể ứng dụng cho các lưu vực nhỏ
(thường không quá 1000km2) khi các biến
động về khí tượng, thuỷ văn cũng như các đặc
Các mô hình thuỷ văn mưa dòng chảy được
ứng dụng rộng rãi trong bài toán mô phỏng
dòng chảy từ mưa do chúng được xây dựng
dựa trên bản chất vật lý của quá trình hình
thành dòng chảy trên lưu vực. Dựa trên việc
mô tả phân bố các đặc trưng vật lý này mà các
Ngày nhận bài: 29/5/2017
Ngày thông qua phản biện: 12/7/2017
Ngày duyệt đăng: 26/7/2017
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 39 - 2017
1
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
tính vật lý khác theo không gian không quá qua bộ mô hình họ MIKE. Mô hình có ít thông
nhiều. Ưu điểm của các mô hình này là yêu số và yêu cầu số liệu đầu vào không nhiều bao
cầu về số liệu đầu vào ít, thời gian tính toán gồm lượng mưa, bốc hơi tiềm năng và số liệu
nhanh. Ngược lại, các mô hình thông số phân dòng chảy dùng để hiệu chỉnh, kiểm định mô
bố mô tả sự thay đổi về các đặc trưng này theo hình. Trong điều kiện ở Việt Nam, mô hình có
không gian một cách chi tiết có thể dưới dạng ba bể chứa mô tảtrữ mặt (bểU), trữ sát mặt (bể
ô lưới hoặc theo các hàm phi tuyến L) và trữ nước ngầm (bể ngầm) như ở hình 1.
(TOPMODEL,
TOPKAPI,
WESPA, Các dữ liệu đầu vào của mô hình là lượng mưa
DIMOSOP…). Với dạng mô hình này, dòng P, bốc hơi tiềm năng Ep. Mô hình có 9 thông số
chảy có thể được xác định tại bất cứ vị trí nào chính bao gồm thông số U*, L* mô tả lượng trữ
trên lưu vực. Mô hình có thể ứng dụng cho các nước lớn nhất ở bể U và bể L, hệ số COF, CIF
lưu vực có diện tích lớn, các vùng có sự thay biểu thị hệ số dòng chảy mặt và sát mặt, K0, KI
đổi mạnh mẽ theo không gian về khí tượng và KB là hằng số thời gian tương ứng đối với
cũng như các điều kiện mặt đệm. Tuy nhiên, thành phần dòng chảy mặt, sát mặt và ngầm,
các mô hình dạng này yêu cầu số liệu chi tiết về CL1, CL2là các ngưỡng sinh dòng chảy bể mặt và
biến động các đặc trưng này theo không gian, sát mặt. Dòng chảy ra của lưu vực là dòng chảy
thời gian chạy mô phỏng của mô hình cũng tổng hợp của ba thành phần OF, IF và BF tương
thường lâu hơn nhiều so với mô hình tập trung. ứng với dòng chảy mặt, sát mặt và dòng chảy
Mô hình bán phân bố là dạng mô hình kết hợp ngầm. Chi tiết các bước tính toán mô phỏng
các ưu điểm của hai nhóm mô hình trên đó là số dòng chảy được Nielsen và Hansen trình bày
liệu yêu cầu ít, tính toán nhanh nhưng vẫn mô trong nghiên cứu của mình. (Nielsen và Hansen,
tả được biến động của các đặc trưng lưu vực 1973) [2]
theo không gian. Nhìn chung, các mô hình dạng
này dựa trên việc mô tả lưu vực lớn thành các
lưu vực con kết hợp với các phương pháp diễn
toán dòng chảy. Một số mô hình tiêu biểu dạng
này là SSARR, SWAT, HEC-HM S.
Bài báo tập trung nghiên cứu xây dựng mô
hình bán phân bố thông qua việc kết hợp mô
hình NAM (mô hình mưa dòng chảy thông số
tập trung) với mô đun diễn toán dòng chảy
Muskingum. Mô hình sẽ được thử nghiệm và
đánh giá hiệu quả cho các lưu vực sông vừa
(Vu Gia – Thu Bồn tại Nông Sơn và Thành
Mỹ với diện tích lưu vực lần lượt là 3.100km2
và 2.100km2) và lưu vực lớn (sông Ba tại
Củng Sơn với diện tích trên 13.000km2).
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Mô hình mưa dòng chảy NAM
Hình 1. Sơ đồ mô hình NAM (theo Nielsen và
Mô hình NAM được Nielsen và Hansen giới
thiệu vào năm 1973 (Nielsen và Hansen, 1973)
[2], đây là mô hình mưa dòng chảy thông số tập
trung được ứng dụng rộng rãi ở Việt Nam thông
Hansen)[2]
2.2. Mô hình diễn toán dòng chảy
Muskingum
2
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 39 - 2017
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
Phương pháp Muskingum thường được sử Dòng chảy tại cửa ra các lưu vực này sẽ được
dụng để diễn toán dòng chảy trên sông dựa diễn toán về dòng chảy cửa ra lưu vực sông
trên quan hệ biến đổi giữa lượng trữ và lưu chính trên các đoạn sông bằng phương pháp
lượng (hình 2). Mô hình có 2 tham số K và X diễn toán Muskingum. Dòng chảy lưu vực
lần lượt biểu thị thời gian chảy truyền và hệ số sông chính sẽ là tập hợp tất cả dòng chảy của
lượng trữ của đoạn sông (Cunge, 1969) [1].
các lưu vực con sau khi đã diễn toán đến cửa
ra lưu vực sông chính này.
Công thức tính toán dòng chảy ra của đoạn
sông được trình bày ở phương trình 1:
Các thông số mô hình NAM và Muskingum
cho mỗi lưu vực con và các đoạn sông được
tìm kiếm theo phương pháp thử sai Brute-
Force dựa trên việc so sánh dòng chảy tổng
cộng tại cửa ra lưu vực chính và các lưu vực
khác có đo dòng chảy theo chỉ số Nash (công
thức 5):
Oj+1 = C1Ij+1 + C2Ij + C3Oj
(1)
Với I và O lần lượt là dòng chảy vào và dòng
chảy ra đoạn sông.
C1, C2, C3 được t ính toán theo công thức 2,
3, 4:
(2)
(5)
(3)
(4)
Phương pháp thử sai Brute-Force dựa trên
nguyên lý tìm kiếm nghiệm tối ưu bằng cách
xét mọi trường hợp có thể. Trong nghiên cứu
này, các thông số mô hình đều được giới hạn
tuỳ theo ý nghĩa vật lý của nó. Các khoảng
giới hạn sẽ được chia nhỏ thành từng đoạn đều
nhau và đây chỉnh là các giá trị thông số cần
kiểm tra thử sai. Bộ thông số cho kết quả mô
hình có giá trị Nash cao nhất có thể coi là bộ
thông số phù hợp.
3. THIẾT LẬP MÔ HÌNH MÔ PHỎNG
DÒNG CHẢY KHU VỰC NGHIÊN CỨU
Hình 2. Cân bằng lượng trữ đoạn sông
2.3 Xây dựng mô hình bán phân bố
3.1 Thiết lập mạng lưới tính toán
Lưu vực sông lớn sẽ được chia thành nhiều lưu 3.1.1 Lưu vực Nông Sơn và Thành Mỹ
vực con sao cho các diện tích trên lưu vực này
Lưu vực Nông Sơn và Thành Mỹ được mô tả
không quá 1000km2, đồng thời các đặc trưng
trong mô hình bán phân bố như hình 3 và hình
trên các lưu vực này tương đối đồng nhất
4. Lưu vực Nông Sơn được chia thành 6 lưu
(phân bố mưa, bốc hơi, độ dốc, thảm phủ...).
vực con kết nối với nhau trên 4 đoạn sông
Dòng chảy sinh ra trên mỗi lưu vực con sẽ
chính trong khi lưu vực Thành Mỹ được chia
được mô phỏng bằng một mô hình NAM.
thành 5 lưu vực con và 3 đoạn sông chính. Bốc
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 39 - 2017
3
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
hơi tiềm năng thời đoạn ngày của lưu vực còn lưu vực Thành Mỹ là Đà Nẵng.
Nông Sơn lấy từ trạm Trà My và Đà Nẵng,
Lưu vực 6
Lưu vực 5
Lưu vực 3
Lưu vực 4
Lưu vực 2
Lưu vực 1
Nông Sơn
Hình 3. Sơ đồ mô phỏng lưu vực Nông Sơn
Hình bên trái là bản đồ lưu vực chính bao 17 lưu vực con. Lượng mưa trung bình
gồm các lưu vực sông con và đoạn thời đoạn ngày trên các lưu vực này được
sông.Hình bên phải là sơ đồ kết nối của lấy theo p hương p háp trung bình số học.
các thành phần này. Các trạm đo mưa Lưu vực con không có trạm đo mưa sẽ lấy
được sử dụng để tính lượng mưa trung theo lượng mưa của trạm đo mưa gần nhất
bình ngày trên các lưu vực con được trình (Hình 5). Các trạm đo mưa sử dụng trong
bày ở bảng 1.
nghiên cứu và vị trí của nó được trình bày
ở hình 5. Dữ liệu bốc hơi tiềm năng thời
đoạn ngày được lấy từ các trạm đo An
Khê, AyunPa, M’Drak và Sơn Hoà.
3.1.2 Lưu vực sông Ba
Lưu vực sông Ba là lưu vực lớn với diện
tích trên 13.000km2 nên được chia thành
4
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 39 - 2017
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
Lưu vực 5
Lưu vực 4
Lưu vực 2
Lưu vực 3
Lưu vực 1
Thành Mỹ
Hình 4. Sơ đồ mô phỏng lưu vực Thành Mỹ
Lưu vực 1
Lưu vực 6
1
5
Lưu vực 2
Lưu vực 7
2
6
Lưu vực 3
Lưu vực 8
3
7
Lưu vực 9
8
Lưu vực 4
4
Lưu vực 5
9
Lưu vực 10
10
Lưu vực 13
12
Lưu vực 11
11
Lưu vực 14
Lưu vực 12
Lưu vực 15
14
13
Lưu vực 16
Lưu vực 17
Củng Sơn
Hình 5. Sơ đồ mô phỏng lưu vực Củng Sơn. Hình bên phải là sơ đồ kết nối
với các đoạn sông được thể hiện bằng các mũi tên có đánh số.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 39 - 2017
5
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
3.2. Mô phỏng dòng chảy
3.2.1 Hiệu chỉnh
bộ thông số tương tự lúc ban đầu nhằm nâng
cao tốc độ dò tìm bộ thông số.
Giai đoạn hiệu chỉnh được lấy từ năm 1980
đến năm 1995 cho Nông Sơn và Thành Mỹ, từ
năm 1979 đến 1995 cho Củng Sơn. Kết quả
mô phỏng dòng chảy ngày tại Nông Sơn,
Thành Mỹ và Củng Sơn tại giai đoạn hiệu
chỉnh cho hệ số Nash lần lượt là 0,88;0,80 và
0,81 được trình bày ở hình 6 với bộ thông số
trình bày ở bảng 1 và bảng 2. Dòng chảy mô
phỏng tại các lưu vực con ở Pơ Mơ Rê, An
Khê, Sông Hinh có hệ số Nash lần lượt là
0,73; 0,72 và 0,68.
Dòng chảy ngày tại cửa ra tại các trạm Nông
Sơn (lưu vực Nông Sơn), Thành Mỹ (lưu vực
Thành Mỹ), An Khê, Pơ Mơ Rê, Sông Hinh,
Củng Sơn (lưu vực Củng Sơn) được sử dụng
để đánh giá khả năng mô phỏng của mô hình.
Đối với lưu vực Củng Sơn có dòng chảy thực
đo tại một số trạm đo ở thượng lưu như Pơ Mơ
Rê ở lưu vực 1, An Khê ở lưu vực 6 và Sông
Hinh ở lưu vực 15. Các số liệu này cũng được
sử dụng nhằm tìm kiếm bộ thông số cho các
lưu vực con này. Các lưu vực con lân cận sẽ có
Hình 6. Dòng chảy thực đo và mô phỏng (trung bình tháng) tại Nông Sơn (trên, trái),
Thành Mỹ (trên, phải) và Củng Sơn (dưới) giai đoạn hiệu chỉnh 1980 – 1995
6
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 39 - 2017
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
Bảng 1. Thông số mô hình các lưu vực con và các đoạn sông lưu vực Nông Sơn – Thành Mỹ
Nông Sơn
Thành Mỹ
NAM
Lưu vực
Diện tích
(km2)
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
558,2
544,4 582 594,6 304,9 504,9 160,8 488,7 325,6 466 588,7
NS
20
HĐ TP TM TM+HĐ TM TM TM+KĐ TM+KĐ KĐ
KĐ
Trạm mưa
U*
10 10 10
208 150 210
0,20 0,40 0,80
0,04 0,07 0,06
0,38 0,10 0,10
0,10 0,10 0,10
60 10 31
0,1 0,10 0,10
10
10
20
10
10
210
0,80
0,05
0,10
0,10
31
10
10
L*
COF
CIF
K0
250
0,80
0,25
0,13
0,10
28
250
0,70
0,04
0,78
0,11
60
250 300
0,70 0,80
0,04 0,25
0,78 0,13
0,11 0,10
150
0,40
0,1
150 250
0,20 0,70
0,05 0,03
0,39 0,78
0,10 0,10
0,10
0,10
10
KI
CL1-2
TG
60
28
60
60
0,10
3000
Nông Sơn
1
0,10
0,10 0,10
0,10
896
0,10
1637
0,10 0,10
500 1011
KB
500 896 1637 1011 1011 3000
Thành Mỹ
Muskingum
2
0,2
3
3
0,1
3
4
0,1
3
1
0,3
3
2
0,1
3
3
0,1
1
Đoạn sông
X
K
0,1
3
Ký hiệu các trạm mưa: Nông Sơn (NS), Hiệp Đức (HĐ), Tiên Phước (TP), Trà My (TM), Thành
Mỹ (TM), Khâm Đức (KĐ)
Bảng 2. Thông số mô hình các lưu vực con và các đoạn sông cho lưu vực Củng Sơn
Lưu vực
U*
1-2
20
3-5
10
6-9
5
10-12
10
13-14
10
15,17
18
16
20
L*
250
0,80
0,25
0,13
0,10
28
210
0,80
0,06
0,10
0,10
31
170
0,80
0,002
0,45
0,10
44
210
250
182
0,90
0,002
0,10
0,10
29
250
0,70
0,038
0,78
0,10
60
COF
CIF
K0
0,80
0,06
0,10
0,10
31
0,70
0,04
0,78
0,11
60
KI
CL1-2
TG
0,10
3000
0,1
0,10
3500
0,10
1637
0,10
1011
0,10
515
0,10
1011
KB
1640
Đoạn
sông
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15
X
0,1 0,2 0,1 0,1 0,2 0,1 0,2 0,2 0,1 0,2 0,2 0,1 0,1 0,2 0,1
K
3
2
3
5
1
3
3
2
3
2
3
3
3
3
3
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 39 - 2017
7
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
3.2.2 Kiểm định
Trạm Nông Sơn (0,87)
Hình 7. Dòng chảy thực đo và mô phỏng (trung bình tháng) tại trạm Nông Sơn (trên, trái),
Thành Mỹ (trên, phải) và Củng Sơn (dưới) giai đoạn kiểm định 1996 – 2005
Giai đoạn 1996 đến 2005 được sử dụng để kiểm gian. Đối với lưu vực có diện tích lớn như lưu
định cho mô hình. Giai đoạn 2006 trở về sau thì vực Củng Sơn có nhiều vùng mưa khác nhau,
dòng chảy trên các lưu vực sông này nhìn chung mô hình đã mô phỏng tốt dòng chảy tại cửa ra
bắt đầu bị ảnh hưởng bởi việc điều tiết của các lưu vực chính. Các số liệu đo dòng chảy tại
hồ chứa. Kết quả kiểm định về mô phỏng dòng các trạm đo khác nằm trong lưu vực cũng
chảy ngày cho hệ số Nash tại Nông Sơn, Thành được tận dụng để dò tìm bộ thông số cho các
Mỹ và Củng Sơn lần lượt là 0,87; 0,82 và 0,81 lưu vực con, giúp nâng cao độ chính xác mô
(hình 7). Điều này chứng tỏ, mô hình đã mô phỏng biến động dòng chảy theo không gian,
phỏng tốt quá trình dòng chảy và các bộ thông cũng như tiết kiệm thời gian tìm kiếm bộ
số tìm kiếm được làphù hợp với mô hình.
thông số trên toàn bộ lưu vực. Đây cũng là ưu
điểm của mô hình bán phân bố này so với mô
hình NAM truyền thống.
Từ kết quả hiệu chỉnh và kiểm định của mô
hình ở trên cho ba lưu vực khác nhau có diện
tích từ vừa đến lớn, có thể thấy rằng mô hình 4. KẾT LUẬN
bán phân bố đã mô tả tốt các đặc trưng khí
Nghiên cứu đã xây dựng mô hình mô phỏng
dòng chảy thử nghiệm cho hai nhóm lưu vực
tượng cũng như mặt đệm lưu vực theo không
8
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 39 - 2017
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
vừa (Nông Sơn và Thành Mỹ) và lưu vực lớn Brute-Force thích hợp để sử dụng để dò tìm
(Củng Sơn) sử dụng mô hình NAM và diễn toán các bộ thông số cho mô hình mà không mất
dòng chảy Muskingum. Mô hình có ưu điểm sử quá nhiều thời gian. Kết quả mô phỏng dòng
dụng được các số liệu đầu vào biến động theo chảy cho ba lưu vực Nông Sơn, Thành Mỹ và
không gian như mưa, bốc hơi, mặt đệm khi lưu Củng Sơn cho kết quả phù hợp cao khi hệ số
vực lớn được chia thành các lưu vực con có các Nash đều đạt trên 0,80 trong cả hai bước hiệu
đặc điểm khí tượng, thuỷ văn, mặt đệm tương chỉnh và kiểm định mô hình. Điều này chứng
đồng. Dòng chảy các lưu vực này được kết nối tỏ, mô hình bán phân bố được xây dựng có thể
với nhau đến cửa ra lưu vực chính bằng các đoạn mô phỏng tốt dòng chảy cho các lưu vực vừa
sông diễn toán theo phương p háp M uskingum.
và lớn. Các thông số của mô hình có ý nghĩa
vật lý phù hợp với thực tế.
Do không có quá nhiều thông số, phương pháp
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Cunge J. A. (1969). On The Subject Of A Flood Propagation ComputationMethod
(Muskingum Method). Journal of
Hydraulic
Research,
7:2,
205-230,
DOI:10.1080/00221686909500264
[2]. Nielsen S. A. và Hansen E. (1973). Numerical simulation of the rainfall-runoff process on
a daily basis. Nordic Hydrology 4, 1973, 171-190.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 39 - 2017
9
9 trang
13/01/2024
10680
Free
Bạn đang xem tài liệu "Xây dựng mô hình bán phân bố mô phỏng dòng chảy cho một số lưu vực sông lớn và vừa khu vực Nam Trung Bộ", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- xay_dung_mo_hinh_ban_phan_bo_mo_phong_dong_chay_cho_mot_so_l.pdf
