Tài liệu Luận văn ứng dụng mô hình mike she để đánh giá cân bằng nước tự nhiên trên lưu vực sông la

f BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI PHẠM QUANG KHÁNH TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE SHE ĐỂ ĐÁNH GIÁ CÂN BẰNG NƢỚC TỰ NHIÊN CHO LƢU VỰC SÔNG LA Chuyên ngành: Thủy văn học LUẬN VĂN THẠC SĨ THỦY VĂN HỌC HÀ NỘI - 2019 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI PHẠM QUANG KHÁNH TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE SHE ĐỂ ĐÁNH GIÁ CÂN BẰNG NƢỚC TỰ NHIÊN CHO LƢU VỰC SÔNG LA Chuyên ngành: Thủy văn học Mã số: 8440224 GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN: PGS.TS. HOÀNG ANH HUY HÀ NỘI – 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn được chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Hoàng Anh Huy với đề tài nghiên cứu: “Ứng dụng mô hình MIKE SHE để đánh giá cân bằng nước tự nhiên trên Lưu vực sông La”. Đây là đề tài nghiên cứu mới, không trùng lặp với các đề tài luận văn nào trước đây, Do đó đây không phải là bản sao chép của bất kỳ luận văn nào. Nội dung của luận văn được thể hiện theo đúng quy định. Các số liệu, nguồn thông tin trong luận văn là do tôi thu thập, trích dẫn và đánh giá. Việc tham khảo các nguồn tài liệu tôi đã trích dẫn và ghi rất rõ nguồn tài liệu tham khảo theo đúng quy định. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung tôi đã trình bày trong luận văn này. Hà Nội, ngày 07 tháng 05 năm 2019 Ngƣời viết cam đoan Phạm Quang Khánh ii LỜI CẢM ƠN Trong cuộc sống không có thành công nào mà không gắn liền với sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của tổ chức, cá nhân, người thân, bạn bè đồng nghiệp. Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập, nghiên cứu tại Trường đến nay, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý Thầy Cô, gia đình và bạn bè. Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý Thầy Cô ở Khoa Khí tượng Thủy văn, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập. Đặc biệt, trong thời gian làm Luận văn tốt nghiệp nếu không có những lời hướng dẫn, dạy bảo của các thầy cô thì Luận văn của em rất khó có thể hoàn thiện được. Để hoàn thành Luận văn này, em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Hoàng Anh Huy – Hiệu trưởng Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình làm luận văn tốt nghiệp. Trong quá trình học tập, nghiên cứu và làm Luận văn tốt nghiệp còn nhiều thiếu sót, em rất mong các Thầy, Cô rộng lòng cảm thông. Đồng thời do năng lực nghiên cứu cũng như kinh nghiệm thực tiễn còn hạn chế nên Luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các Thầy, Cô để em hoàn thành tốt hơn Luận văn tốt nghiệp của mình. Em xin chân thành cảm ơn! Học viên Phạm Quang Khánh iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. i LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... ii THÔNG TIN LUẬN VĂN ................................................................................ v DANH SÁCH CÁC BẢNG..............................................................................vi DANH SÁCH CÁC HÌNH............................................................................. vii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................ x MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VÀ GIỚI THIỆU LƢU VỰC SÔNG LA ........................................................................................................... 3 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu ................................................................... 3 1.1.1 Trên thế giới ............................................................................................... 3 1.1.2 Trong nước ................................................................................................. 7 1.2 Giới thiệu lưu vực sông La ........................................................................... 8 1.2.1 Lưu vực sông Cả ........................................................................................ 8 1.2.2 Lưu vực sông La ...................................................................................... 10 1.3 Đặc điểm khu vực nghiên cứu .................................................................... 11 1.3.1 Điều kiện địa lý tự nhiên .......................................................................... 11 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH MIKE SHE VÀ YÊU CẦU SỐ LIỆU SỬ DỤNG ....................................................................................... 24 2.1 Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE SHE .......................................................... 24 2.1.2 Các quá trình cơ bản trong mô hình MIKE SHE ..................................... 24 2.1.3 Cơ sở lý thuyết các quá trình mô phỏng .................................................. 27 CHƢƠNG 3. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE SHE ĐÁNH GIÁ CÂN BẰNG NƢỚC TỰ NHIÊN CHO LƢU VỰC SÔNG LA ............................ 41 3.1 Thiết lập chung ............................................................................................ 41 3.2 Thiết lập các dữ liệu đầu vào cho mô hình ................................................. 42 iv 3.3 Ứng dụng mô hình mike she mô phỏng quá trình mưa – dòng chảy trên lưu vực sông la......................................................................................................... 53 3.4 Đánh giá cân bằng nước cho lưu vực sông la ............................................. 57 3.5 Đánh giá sai số của mô hình ....................................................................... 77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................ 81 v THÔNG TIN LUẬN VĂN Họ và tên học viên: Phạm Quang Khánh Lớp: CH1T ; Khoá: 1 Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Hoàng Anh Huy Tên đề tài: Ứng dụng mô hình MIKE SHE để đánh giá cân bằng nước tự nhiên trên Lưu vực sông La. Tóm tắt: Để giải quyết bài toán cân bằng nước lưu vực hiện nay có một số mô hình sử dụng phổ biến ở Việt Nam và thế giới như: mô hình IQQM, MIKE BASIN, WEAP, MIKE SHE… Trong đó, MIKE SHE là mô hình thuỷ văn phân bố do Viện Thủy lực Đan Mạch nghiên cứu xây dựng. Sông La là một nhánh lớn của sông Cả. Lưu vự sông La đóng vai trò quan trọng đối với phát triển KTXH, an ninh - quốc phòng của tỉnh Hà Tĩnh. Tuy nhiên, tài nguyên nước trên lưu vực phân bố không đều; mùa lũ chiếm trên 75% tổng lượng nước cả năm, thường xảy ra ngập lụt, lũ quét, sạt lở đất ; trong khi đó mùa cạn chỉ chiếm khoảng 25% tổng lượng nước cả năm, thường xảy ra hạn hán, thiếu nước. Đã có một số công trình nghiên cứu của, Viện Qui hoạch thủy lợi, Viện Khoa học KTTV BĐKH, Trường Đại học Thủy lợi, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội về cân bằng nước tự nhiên, cân bằng nước hệ thống các lưu vực sông trên phạm vi cả nước. Tuy nhiên, với đề tài “Ứng dụng mô hình MIKE SHE để đánh giá cân bằng nước tự nhiên trên Lưu vực sông La“, học viên muốn tìm hiểu và ứng dụng mô hình MIKE SHE để tính toán cân bằng nước tự nhiên cho lưu vực sông La vi DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 2.1. Các thông số chính cho mô hình MIKE SHE ............................................. 38 Bảng 3.1 Phân loại đất trên lưu vực sông La theo thành phần cơ giới ....................... 47 Bảng 3.2. Lịch thời vụ trên lưu vực sông La .............................................................. 50 Bảng 3.3 Các chỉ số đánh giá kết quả hiệu chỉnh, kiểm định mô hình ....................... 56 Bảng 3.4 Các chỉ số đánh giá kết qu PGS.TS. Hoàng Anh Huy ả mô phỏng theo mùa57 Bảng 3.5. Thống kê các yếu tố cân bằng nước trên toàn lưu vực sông La ................. 65 Bảng 3.6 Thống kê các loại tổ hợp thổ nhưỡng – địa hình trên lưu vực sông La ....... 71 Bảng 3.7 Sai số thành phần trên lưu vực (đơn vị: mm) .............................................. 78 Bảng 3.8 So sánh sai số của số lần lặp giới hạn khác nhau tới kết quả mô hình ........ 78 vii DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1: Hệ thống mạng lưới sông LVS Cả ...................................................... 9 Hình 1.2: Mạng lưới sông LVS La ................................................................... 11 Hình 1.3 Bản đồ mạng lưới thủy văn lưu vực sông La ..................................... 12 Hình 1.4. Sơ đồ tính toán cân bằng nước bằng mô hình MIKE SHE ............... 23 Hình 2.1. Sơ đồ ba chiều mô tả các quá trình thủy văn được mô phỏng bằng MIKE SHE ........................................................................................................ 26 Hình 3.1 Sơ đồ tính toán và các mô đun được sử dụng trong nghiên cứu ........ 41 Hình 3.2 Sơ đồ phân phối mưa trên lưu vực theo phương pháp đa giác Thiessen .. 43 Hình 3.3 Địa hình và đường bao giới hạn lưu vực nghiên cứu ......................... 44 Hình 3.4 Sơ đồ mạng lưới sông được sử dụng trong mô hình .......................... 45 Hình 3.5 Bản đồ thổ nhưỡng lưu vực sông La .................................................. 46 Hình 3.6 Sơ đồ phân loại đất theo thành phần cơ giới – USDA ....................... 48 Hình 3.7 Bản đồ phân loại đất theo USDA cho lưu vực sông La ..................... 49 Hình 3.8. Bản đồ phân vùng sử dụng đất theo khả năng trữ nước tỉnh Hà Tĩnh51 Hình 3.9. Bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2009 trên lưu vực sông La ....... 52 Hình 3.10 Sơ đồ phân bố hệ số nhám Manning’s M trên bề mặt lưu vực ........ 52 Hình 3.11 Đường hiệu chỉnh quá trình lưu lượng tính toán và thực đo trạm Sơn Diệm (01/01/2002 – 31/12/2004) ........................................................................54 Hình 3.12 Đường hiệu chỉnh quá trình lưu lượng tính toán và thực đo trạm trạm Hòa Duyệt (01/01/2002 – 31/12/2004) ............................................................. 54 Hình 3.13 Đường kiểm định quá trình lưu lượng tính toán và thực đo trạm Sơn Diệm và trạm Hòa Duyệt (01/01/2007 – 31/12/2008) ...................................... 55 Hình 3.14 Biểu đồ các thành phần cân bằng nước qua các năm trên LVS La . 58 Hình 3.15 Biểu đồ các thành phần cân bằng nước trung bình năm trên LVS La .... 59 Hình 3.16. Sơ đồ thể hiện tỷ lệ đóng góp trong cân bằng nước trên lưu vực sông La .............................................................................................................. 59 viii Hình 3.17 Sơ đồ phân chia các tiểu lưu vực trên sông La ................................ 60 Hình 3.18 Biểu đồ các thành phần cân bằng nước qua các năm trên tiểu lưu vực 1 .......................................................................................................... 61 Hình 3.19. Biểu đồ các thành phần cân bằng nước trung bình năm trên tiểu lưu vực 1 .................................................................................................................. 61 Hình 3.20 Biểu đồ các thành phần cân bằng nước qua các năm trên tiểu lưu vực 2 .......................................................................................................... 62 Hình 3.21 Biểu đồ các thành phần cân bằng nước trung bình năm trên tiểu lưu vực 2 .................................................................................................................. 63 Hình 3.22 Biểu đồ các thành phần cân bằng nước qua các năm trên tiểu lưu vực 3 .......................................................................................................... 64 Hình 3.23 Biểu đồ các thành phần cân bằng nước trung bình năm trên tiểu lưu vực 3 .................................................................................................................. 64 Hình 3.24 Sự thay đổi lượng ẩm trong tầng rễ tại vị trí trạm Sơn Diệm .......... 66 Hình 3.25 Sự thay đổi lượng ẩm trong tầng rễ tại vị trí trạm Hòa Duyệt ......... 66 Hình 3.26 Sự thay đổi lượng ẩm trong tầng rễ tại vị trí trạm Hương Khê ....... 66 Hình 3.27 Sự thay đổi lượng ẩm trong tầng rễ tại vị trí trạm Linh Cảm .......... 67 Hình 3.28 Sơ đồ phân bố ẩm tầng không bão hòa trong mùa khô tháng 06/2006 (a) và tháng 07/2007 (b) .................................................................................... 68 Hình 3.29 Sơ đồ phân bố ẩm tầng không bão hòa thời điểm trước và sau lũ năm 2002 (a - 17/09/2002; b - 27/09/2002) .............................................................. 69 Hình 3.30 Sơ đồ phân bố ẩm tầng không bão hòa thời điểm trước và sau lũ năm 2007 (a - 02/08/2007; b - 12/08/2007) .............................................................. 70 Hình 3.31 Sự thay đổi lượng ẩm trong tầng rễ ứng với tổ hợp C-I .................. 72 Hình 3.32 Sự thay đổi lượng ẩm trong tầng rễ ứng với tổ hợp C-II ................. 72 Hình 3.33 Sự thay đổi lượng ẩm trong tầng rễ ứng với tổ hợp CL-I ................ 73 Hình 3.34 Sự thay đổi lượng ẩm trong tầng rễ ứng với tổ hợp CL-II............... 73 Hình 3.35 Sự thay đổi lượng ẩm trong tầng rễ ứng với tổ hợp CL-III ............. 74 ix Hình 3.36 Sự thay đổi lượng ẩm trong tầng rễ ứng với tổ hợp L-I................... 74 Hình 3.37 Sự thay đổi lượng ẩm trong tầng rễ ứng với tổ hợp SCL-I.............. 75 Hình 3.38 Sự thay đổi lượng ẩm trong tầng rễ ứng với tổ hợp SCL-II ............ 75 Hình 3.39. Sự thay đổi lượng ẩm trong tầng rễ ứng với tổ hợp SCL-III .......... 76 Hình 3.40 Sự thay đổi lượng ẩm trong tầng rễ ứng với tổ hợp L-I................... 76 Hình 3.41 Kết quả mô phỏng lưu lượng thử nghiệm chưa qua hiệu chỉnh trạm Sơn Diệm và Hòa Duyệt (01/01/2000 – 31/12/2008) ...................................... 79 x DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT STT Dịch nghĩa Chữ viết tắt 1 AMC Độ ẩm kỳ trước của lưu vực 2 AROOT Độ sâu rễ 3 DEM - 30 Bản đồ độ cao số độ phân giải 30x30 m 4 E+max Sai số mô phỏng vượt lớn nhất 5 E-max Sai số mô phỏng hụt lớn nhất 6 ET Bốc thoát hơi nước Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc - 7 FAO Food and Agriculture Organization of the United Nations 8 GRDP Tăng trưởng tổng sản phẩm trên địa bàn 9 KTTV Khí tượng thủy văn 10 LAI Chỉ số diện tích lá 11 LVS Lưu vực sông 12 MAE Sai số tuyệt đối trung bình 13 ME Sai số trung bình 14 NN&PTNT Nông nghiệp và phát triển nông thôn 15 NTTS Nuôi trổng thủy sản 16 PCG Phương pháp liên hợp có điều kiện trước 17 RMSE Sai số quân phương 18 SCS 19 TNMT 20 USDA Cơ quan Bảo vệ thổ nhưỡng Hoa Kỳ - Soil Conservation Service Tài nguyên môi trường Cơ quan Nông nghiệp Hoa Kỳ - United States Department of Agriculture 1 MỞ ĐẦU Nước là tài nguyên thiên nhiên vô cùng quý giá, cần thiết cho mọi hoạt động sống. Cùng với sự phát triển nhanh chóng về kinh tế - xã hội, nhu cầu dùng nước cũng ngày càng tăng trong khi nguồn nước đến có hạn, đòi hỏi chúng ta sử dụng nguồn nước hợp lý và có hiệu quả. Trong quy hoạch và quản lý tài nguyên nước cho lưu vực, vấn đề đánh giá, tính toán cân bằng nguồn nước là một trong những chủ đề được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới cũng như ở Việt Nam quan tâm. Trong những năm qua, các hoạt động phát triển kinh tế - xã hội trên các lưu vực sông ở nước ta diễn ra ngày càng mạnh mẽ; khiến cho nhu cầu sử dụng nước ngày càng tăng. Trong khi nguồn tài nguyên nước nói chung, nước mặt nói riêng ngày càng trở nên khan hiếm do tác động của biến đổi khí hậu, nước biển dâng và nguy cơ ô nhiễm, suy thoái nguồn nước. Việc nghiên cứu tính toán cân bằng nước tự nhiên và cân bằng nước hệ thống các lưu vực giúp các nhà kỹ thuật, các nhà quản lý nắm được tiềm năng, diễn biến tài nguyên nước, từ đó xây dựng các qui hoạch phát triển kinh tế - xã hội và quản lý tổng hợp tài nguyên nước. Để giải quyết bài toán cân bằng nước lưu vực hiện nay có một số mô hình sử dụng phổ biến ở Việt Nam và thế giới như: mô hình IQQM, MIKE BASIN, WEAP, MIKE SHE… Trong đó, MIKE SHE là mô hình thuỷ văn phân bố do Viện Thủy lực Đan Mạch nghiên cứu xây dựng. Sông La là một nhánh lớn của sông Cả. Lưu vự sông La đóng vai trò quan trọng đối với phát triển KTXH, an ninh - quốc phòng của tỉnh Hà Tĩnh. Tuy nhiên, tài nguyên nước trên lưu vực phân bố không đều; mùa lũ chiếm trên 75% tổng lượng nước cả năm, thường xảy ra ngập lụt, lũ quét, sạt lở đất ; trong khi đó mùa cạn chỉ chiếm khoảng 25% tổng lượng nước cả năm, thường xảy ra hạn hán, thiếu nước. Đã có một số công trình nghiên cứu của, Viện Qui hoạch thủy lợi, Viện Khoa học KTTV BĐKH, Trường Đại học Thủy lợi, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội về cân bằng nước tự nhiên, cân bằng nước hệ thống các lưu vực sông trên phạm vi cả nước. Tuy nhiên, với đề tài “Ứng dụng mô hình MIKE SHE để đánh giá cân bằng nước tự nhiên trên Lưu vực 2 sông La“, học viên muốn tìm hiểu và ứng dụng mô hình MIKE SHE để tính toán cân bằng nước tự nhiên cho lưu vực sông La Phạm vi nghiên cứu của luận văn giới hạn trên dòng chính của lưu vực Sông La, cụ thể là toàn bộ lưu vực sông Ngàn Phố. Để thực hiện các mục tiêu nghiên cứu đề ra, luận văn đã tiến hành thực hiện các nội dung nghiên cứu sau: 1) Tổng quan nghiên cứu về mô phỏng dòng chảy mặt và điều kiện tự nhiên, tình hình phát triển KTXH của vùng nghiên cứu. 2) Thiết lập mô hình MIKE SHE cho dòng chính lưu vực sông La và khai thác khả năng áp dụng mô hình để mô phỏng dòng chảy lưu vực. 3) Tính toán cân bằng nước tự nhiên trên lưu vực sông La. Phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật sử dụng chính mà luận văn sử dụng là: 1) Phương pháp thống kê để thu thập, tổng hợp, sử lý các số liệu tạo tệp đầu vào cho mô hình MIKE SHE. 2) Phương pháp mô hình toán ứng dụng mô hình MIKE SHE để tính toán dòng chảy mặt, sát mặt, ngầm từ mưa ; từ đó tính toán cân bằng nước cho lưu vực sông La. 3) Kỹ thuật GIS thể hiện các bản đồ phục vụ phân tích số liệu đầu vào và đầu ra mô hình MIKE SHE. Bó cục luận văn gồm 3 chương cụ thể như sau: Chương 1. Tổng quan nghiên cứu và giới thiệu lưu vực sông La: giới thiệu các nghiên cứu về mô phỏng dòng chảy trong và ngoài nước; các phương pháp tính thấm và giới thiệu về điều kiện tự nhiên, tình hình phát triển KTXH của vùng nghiên cứu; Chương 2. Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE SHE và yêu cầu số liệu sử dụng: giới thiệu chung về mô hình MIKE SHE, các cơ sở lý thuyết toán học của mô hình và các yêu cầu đầu vào của mô hình. Chương 3. Ứng dụng mô hình MIKE SHE để đánh giá cân bằng nước tự nhiên trên Lưu vực sông La 3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VÀ GIỚI THIỆU LƢU VỰC SÔNG LA 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu Khi đánh giá nguồn nước của một khu vực, vùng lãnh thổ hay một quốc gia, sông ngòi là đối tượng được chú ý nhiều nhất vì vị trí quan trọng của nó. Một vùng đất không có hoặc có rất ít dòng chảy sông ngòi thường là vùng đất kém phát triển ở tất cả các phương diện. Dòng chảy sông ngòi là yếu tố chính trong phương trình cân bằng nước của một lưu vực sông vì nó bao hàm các đặc điểm của lượng mưa rơi trên khu vực, khả năng tập trung, tích tụ và vận chuyển nước ở trên mặt, dưới lòng đất và trao đổi với biển. Hệ thống sông phải bao gồm tất cả các sông, suối, ao hồ, đầm lầy, đồng trũng và cửa ra của lưu vực. Dòng chảy của sông càng phong phú về nguồn nước thì càng chứng tỏ sự phát triển về mặt tự nhiên và nhân tạo ở nơi chúng chảy qua. Hầu hết các con sông đều cong, uốn lượn, không cân đối về mặt cắt ngang ở hai bên bờ và thay đổi bề rộng sông dọc theo chiều dòng chảy. Sự thay đổi hình thể sông rạch và dòng chảy thường xảy ra liên tục trong suốt quá trình lịch sử tiến triển của tự nhiên. Tiến trình thay đổi này thường diễn ra từ từ, rất chậm so với với thời gian của đời người. Tuy nhiên, khi con người áp đặt các công trình trên hệ thống sông thì sự thay đổi trực tiếp và gián tiếp dòng chảy và quá trình biến hình lòng dẫn, do xói lở hay bồi lắng hoặc đổi dòng, sẽ xảy ra rất nhanh, có thể là tức thời hoặc chỉ trong một thời gian ngắn. Trong khi đó, các thay đổi khác về chất lượng nước, đa dạng sinh học, hình dạng dòng sông... cả về phía thượng lưu và hạ lưu có thể diễn ra trong một thời gian dài hơn. 1.1.1 Trên thế giới Từ những năm đầu của thập kỷ 60 thế kỷ 20 đã diễn ra sự phát triển sâu rộng việc mô hình hóa dòng chảy sông ngòi. Vấn đề mô hình hóa dòng chảy được thảo luận trên nhiều hội nghị Quốc tế, lượng mô hình hoá dòng chảy đã tăng lên không ngừng. Các mô hình toán thuỷ văn đã được nhanh chóng ứng dụng trong công tác quy hoạch và quản lý nguồn nước cũng như trong thiết kế công trình thuỷ lợi. Các mô hình toán thuỷ văn không những giúp ta phân tích sâu hơn bản chất hiện tượng 4 thuỷ văn mà còn làm tăng tính hiệu quả và độ tin cậy trong quá trình quy hoạch, thiết kế và quản lý hệ thống nguồn nước. Trong những năm gần đây các mô hình toán thuỷ văn phát triển rất mạnh và đã được ứng dụng rộng rãi trong quy hoạch và thiết kế các công trình thuỷ lợi. Mô phỏng hệ thống là phương thức mô tả một hệ thống bằng một hệ thống không thực do người nghiên cứu tạo ra. Trên hệ thống nhân tạo, các quá trình vật lý của mô hình thực được mô tả gần đúng hoặc tương tự. Các quy luật vật lý của hệ thống thực được suy ra từ những kết quả nghiên cứu trên hệ thống do người nghiên cứu tạo ra. Có nhiều cách mô phỏng, bao gồm: mô hình vật lý, mô hình toán v..v...Chẳng hạn quá trình tập trung nước trên lưu vực có thể mô tả bằng mô hình tương tự điện. Các quy luật chuyển động nước trong lòng dẫn có thể mô tả bằng các mô hình vật lý được xây dựng trong phòng thí nghiệm theo các tiêu chuẩn tương tự. Khi nghiên cứu các hệ thống kỹ thuật và hệ nguồn nước người ta sử dụng mô phỏng toán học. Mô phỏng toán học là sự biểu đạt các quy luật vật lý và quá trình hoạt động của hệ thống bằng các biểu thức toán học bao gồm các hàm số, các công thức toán học, các biểu thức logic, các bảng biểu và các biểu đồ. Mô hình thông số phân bố thuộc nhóm mô hình tất định. Mô hình thông số phân phối lại được chia làm 3 loại: mô hình sóng động học, mô hình sóng động lực và mô hình sóng khuếch tán. Khi sử dụng mô hình thông số phân bố thì dòng chảy được coi là hàm của cả không gian và thời gian trên toàn hệ thống, tức là người ta xem xét diễn biến của các quá trình dòng chảy tại các vị trí khác nhau trong không gian. Trên cơ sở phân tích các hiện tượng vật lý tạo nên quá trình hình thành dòng chảy để xây dựng những quy luật tương ứng, được biểu diễn dưới dạng các phương trình, các biểu thức toán học dựa trên 3 quy luật chung nhất của vật lý là: - Bảo toàn vật chất (phương trình liên tục hay phương trình cân bằng nước); - Bảo toàn năng lượng (phương trình cân bằng động lực hay phương trình chuyển động thể hiện nguyên lý Dalambera); - Bảo toàn động lượng (phương trình động lượng). 5 Trong trường hợp tổng quát, những công thức được biểu diễn dưới dạng các phương trình vi phân đạo hàm riêng thì đặc trưng địa hình - thủy địa mạo lòng sông đóng vai trò các thông số phương trình (các hằng số, hoặc trong trường hợp chung sẽ biến đổi theo thời gian), quá trình dòng chảy tại các nút vào hoặc nút ra của hệ thống sông là điều kiện biên, còn trạng thái dòng chảy ban đầu gọi là những điều kiện ban đầu. Hệ phương trình Saint -Venant được giải bằng phương pháp số là một điển hình về cách tiếp cận này. Bởi vậy, mô hình thông số phân bố còn được gọi là mô hình vật lý - toán hoặc còn gọi là mô hình thủy lực. Các mô hình thông số phân bố có thể được dùng để diễn toán dòng chảy trong hệ thống lòng dẫn, diễn toán dòng chảy chậm như nước tưới được cấp qua một hệ thống kênh hay hệ thống sông. Quá trình dòng chảy trong cả hai ứng dụng trên biến đổi trong một không gian 3 chiều. Chẳng hạn vận tốc trong một con sông thay đổi theo chiều dọc, theo chiều ngang của sông và cũng thay đổi theo chiều sâu từ mặt thoáng tới đáy sông. Tuy nhiên đối với nhiều mục đích tính toán thực tế, sự thay đổi theo không gian của vận tốc theo chiều ngang của lòng dẫn và theo chiều sâu có thể được bỏ qua để cho quá trình dòng chảy được xấp xỉ coi như biến đổi theo không gian một chiều, dọc theo dòng chảy trong kênh sông hay theo chiều dòng chảy. Hệ phương trình Saint -Venant mô tả dòng không ổn định một chiều trong lòng dẫn hở có thể được áp dụng cho trường hợp này. Bằng việc sử dụng phương trình liên tục dạng đầy đủ và loại trừ một số thành phần trong phương trình động lực ta sẽ có các dạng mô hình thông số phân bố khác nhau. Các mô hình sóng động học, sóng khuếch tán, sóng động lực là những ví dụ điển hình về mô hình diễn toán dòng không ổn định phân bố, một chiều này. Trên thế giới, công trình đầu tiên nghiên cứu về đặc trưng thấm của đất là của nhà bác học Darcy vào năm 1856, ông đã đưa ra Định luật Darcy để tính lượng nước thấm vào đất. Sau này có rất nhiều mô hình thấm nước của đất đã được phát triển dựa vào việc đơn giản hóa quá trình vật lý và mô hình kinh nghiệm. Đáng chú ý là mô hình thấm của Green – Ampt (1911), Horton (1933), Philip (1957), Smith (1972) và Smith and Parlange (1978). Mô hình Green - Ampt được xây dựng dựa trên cơ sở của định luật Darcy. Horton (1933) (Surendra Kumar Mishra and Vijay P.Singh, 2003) 6 lại dựa vào tốc độ thấm khởi đầu, ổn định xây dựng mô hình thấm. Philip (1957) lại sử dụng tỉ lệ hút nước và tốc độ thấm nước ổn định rồi thiết lập mô hình thấm nước. Smith (1972) thì xây dựng công thức tính tốc độ thấm và được cải tiến cùng với Parlange (1978). Ngoài ra còn các mô hình thấm nước được các tác giả và tổ chức khác xây dựng như Zhao (1981), HEC (1981), Simgh and Yu (1990), Mishra and Singh (2002). Những mô hình thấm và khả năng trữ nước đã đạt được những thành công khá lớn và đã đặt tiền đề vững chắc cho các nghiên cứu các lĩnh vực khác nhau như khí tượng, thủy văn, nông nghiệp, rừng,... Trong đó những công trình nghiên cứu về độ ẩm đất phục vụ khí tượng thủy văn đã có từ rất sớm như nghiên cứu của T.C.Yeh, R.T.Wetherald and S.Manabe (1983) về tác động của độ ẩm đất đến biến đổi khí tượng thủy văn khu vực. Tác giả đã miêu tả hàng loạt các mô phỏng kinh nghiệm cho 3 khu vực vĩ độ khác nhau 30oN-60oN, 0-30oN, và 15oS-15oN để cho thấy sự biến đổi của chu trình thủy văn trong nhưng khu vực này. Năm 1988, Thomas L, Delwworth and Syukuro Manabe lại có nghiên cứu về ảnh hưởng của bốc hơi tiềm năng đến biến đổi khí tượng và độ ẩm đất. Năm 1994 Alan Robock, Vinnikov và Adam Schlosser sử dụng độ ẩm đất trung độ và dữ liệu khí tượng quan trăc để mô phỏng độ ẩm đất với mô hình Biosphere và Bucket. Sau đó G.Srinivasan, Alan Robock và nnk (2000) đã mô phỏng độ ẩm đất dựa trên mô hình so sánh khí quyển (AMIP). Tác giả đã mô phỏng và so sánh độ ẩm đất tính toán với độ ẩm đất thực tế của các khu vực trên thế giới.. Năm 2001, Zaitao Pan, Raymond .Wrritt và nnk đã mô phỏng và dự báo độ đẩm đất dựa trên mô hình khí hậu khu vực. Năm 2002 V.A. Bell, E.M. Blyth and R.J. Moore đã sử dụng độ ẩm đất để dự báo thủy văn. Trong nghiên cứu dữ liệu độ ẩm đất được xác định từ mô hình khí tượng và sau đó được đưa vào mô hình thủy văn để hiệu chỉnh kiểm định cho khu vực lưu vực sông Thames. Kết quả độ ẩm đất phù hợp với mô hình tạo kết quả tính toán tương đối chính xác cho mô hình thủy văn. Trên cơ sở nghiên cứu đó cho thấy dóng chảy bề mặt khá nhạy cảm với các tính chất của đất thương lưu hay là độ ẩm đất, cũng như các thông số trong mô hình mưa rào dòng chảy. 7 Nhiều công trình nghiên cứu khác về mô phỏng độ ẩm đất như Masimiliano Zappa và Joachim Gurtz (2003) đã mô phỏng độ ẩm đất và bốc thoát hơi trong năm 1999 cho Riviera Campaign. Haibin Li, Alan Robock, Suxia Liu, Xingguo Mo và Pedro Viterbo (2004) đã ước tính mô phỏng lại độ ẩm đất để cập nhật lại dữ liệu quan trắc độ ẩm đất cho Trung Quốc. Sau đó Cheng Hsuan Lu và nhóm nghiên cứu (2005) cũng được tính độ đẩm đất trong phân tích toàn cầu NCEP-NCAR và NCEP-DOE. Lei Meng và Steven M.Quiring (2008) đã so sánh giữa mô hình độ ẩm đất sử dụng mạng quan trắc phân tích khí hậu. Gần đây nhất là các công trình nghiên cứu của V.Sipek và M.Tesar (2013) mô phỏng độ ẩm đất dựa trên tiếp cận hai mô hình khác nhau. Youlong Xia, Justin Sheffield và nnk (2014) đã nghiên cứu ước tính mô phỏng độ ẩm đất trong NLDAS -2 1.1.2 Trong nước Thông thường khi nghiên cứu, đánh giá nguồn nước của một lưu vực sông bất kì, các nhà thủy văn học đã chỉ ra rằng mưa và mặt đệm là 2 nhân tố chủ đạo, có tác động trực tiếp đến nguồn nước. Tuy nhiên các nghiên cứu trước đây đối với lưu vực sông Lam thì nhân tố mặt đệm được xem xét ở góc độ tổng hợp, đưa tất cả các yếu tố của mặt đệm như đặc trưng lưu vực sông, điều kiện thảm phủ thực vật, sự phát triển của kinh tế - xã hội... gộp chung vào 1 hệ số gọi là thông số tập chung. Điều này đã phần nào hạn chế trong việc xem xét chi tiết đến quá trình hình thành, phát triển và suy giảm dòng chảy. Và cũng chính vì vậy phần nào chưa đánh giá được chính xác nguồn nước trên lưu vực. Những nghiên cứu trong nước có thể kể đến như: Áp dụng công nghệ tin học xây dựng ngân hàng dữ liệu các đặc trưng hình thái lưu vực sông do Hoàng Minh Tuyển làm chủ nhiệm đã sử dụng thành công công nghệ tin học đối với bài toán xây dựng dữ liệu về các đặc trưng lưu vực sông. Tuy nhiên, trong đề tài này các đặc trưng lưu vực vẫn mang tính thời điểm, chưa đánh giá được sự thay đổi cũng như tác động của chúng đến phát triển nguồn nước; Nghiên cứu xây dựng khung hỗ trợ ra quyết định trong quản lý tài nguyên nước lưu vực sông Cả năm 2007 đã xây dựng được bộ mô hình tính toán phục vụ quản lý tài nguyên nước lưu vực sông Cả; đưa ra khung hỗ trợ ra quyết định cho lưu vực sông Cả; bộ phần mềm bao gồm ngân hàng dữ liệu liên kết với các mô hình toán, 8 mô đun phân tích trình diễn trên cơ sở GIS phục vụ cho việc quản lý tài nguyên nước sông Cả, tập trung vào nguồn nước mặt về số lượng; các bản đồ cần thiết phục vụ cho quản lý tài nguyên nước số hoá, được lưu trữ trong GIS. Các kết quả đạt được của đề tài có được sự hỗ trợ của công nghệ GIS trong vấn đề lưu trữ và sử dụng. Tuy nhiên, tài nguyên nước được quản lý chủ yếu là về lượng dòng chảy mặt với những số liệu đo đạc thực tế, trong khi vấn đề cảnh báo xu thế thay đổi của dòng chảy mặt làm căn cứ đưa ra các giải pháp phát triển bền vững thì chưa thực hiện được, và cũng như các nghiên cứu trước đây, vấn đề tác động của đặc trưng lưu vực sông đến nguồn nước cũng không được đề cập đến. Nghiên cứu nhận dạng lũ lớn, phân vùng nguy cơ lũ lớn và xây dựng bản đồ ngập lụt phục vụ cảnh báo lũ lớn lưu vực sông Lam do Trần Duy Kiều làm chủ nhiệm đã hoàn thiện việc phân vùng nguy cơ lũ lớn và xây dựng bản đồ ngập lụt, kết quả này cũng đã phần nào hỗ trợ đắc lực cho công tác dự báo và cảnh báo lũ.Tuy nhiên, trong đề tài này vẫn chưa xem xét được sự thay đổi của một số hình thái lưu vực đối với quá trình biến đổi của dòng chảy. Nghiên cứu xây dựng thang mức độ rủi ro do thiên tai lũ, ngập lụt hạ lưu lưu vực sông Cả do Trần Duy Kiều làm chủ nhiệm đã xây dựng được thang mức độ rủi ro thiên tai do lũ, đã xây dựng bản đồ cảnh báo mức độ rủi ro thiên tai cho hạ lưu sông Cả theo một số trận lũ lớn điển hình. Tuy nhiên, sản phẩm đạt được của đề tài được xây dựng dựa trên bản đồ nền hiện trạng của một năm đại biểu, cũng chưa xem xét đến sự thay đổi của đặc trưng lưu vực theo thời gian và không gian. 1.2 Giới thiệu lƣu vực sông La 1.2.1 Lưu vực sông Cả Dòng chính sông Cả bắt nguồn từ vùng núi Mường Khút, Mường Lập, cao (1.8002.000) m trên lãnh thổ nước Lào. Ở đây, sông Cả do 2 sông Nậm Nơn và Nậm Mộ hợp thành. Sau đó, sông Cả chảy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam chảy vào lãnh thổ Việt Nam tại Keng Du thuộc huyện Kỳ Sơn tỉnh Nghệ An, rồi chảy qua các huyện Tương Dương, Con Cuông, Anh Sơn, Thanh Chương, Nam Đàn, Hưng Nguyên, thành phố Vinh rồi đổ ra vịnh Bắc Bộ tại Cửa Hội. Dòng chính sông Cả dài 531 km, trong đó có 361 km trong lãnh thổ nước ta. Lưu vực sông Cả có dạng thon dài với độ rộng trung bình khoảng 89 km, độ cao trung bình 294 m, độ dốc trung bình 18,3% và mật độ lưới sông 0,60 km/km2.