Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng mô hình marine dự báo lũ sông kỳ lộ, tỉnh phú yên

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MARINE DỰ BÁO LŨ SÔNG KỲ LỘ TỈNH PHÚ YÊN CHUYÊN NGÀNH: THỦY VĂN HỌC VÕ ANH KIỆT HÀ NỘI, NĂM 2018 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MARINE DỰ BÁO LŨ SÔNG KỲ LỘ TỈNH PHÚ YÊN VÕ ANH KIỆT CHUYÊN NGÀNH: THỦY VĂN HỌC MÃ SỐ: 60440224 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. ĐẶNG THANH MAI TS. TRƯƠNG VÂN ANH HÀ NỘI, NĂM 2018 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Cán bộ hướng dẫn chính: TS. Đặng Thanh Mai Cán bộ chấm phản biện 1: TS. Nguyễn Viết Thi Cán bộ chấm phản biện 2: TS. Nguyễn Lan Châu Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Ngày 27 tháng 12 năm 2017 LỜI CẢM ƠN Học viên xin chân thành cảm ơn Khoa Khí tượng Thủy văn, Phòng Đào tạo, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả được học tập và nghiên cứu thực hiện luận văn. Học viên cũng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Đặng Thanh Mai, Trung tâm dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương và TS. Trương Vân Anh, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, đã tận tình hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình tìm hiểu, nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Học viên cũng chân thành cám ơn quý cơ quan: Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương, Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Nam Trung Bộ, Đài Khí tượng Thủy văn tỉnh Phú Yên, Ban chỉ huy PCTT & TKCN tỉnh Phú Yên, đã giúp đỡ tác giả trong quá trình tìm hiểu thực tế, thu thập dữ liệu và thực hành tác nghiệp liên quan đến luận văn này. Cuối cùng Học viên xin gửi lời cám ơn đến các thầy cô, các đồng nghiệp, bạn bè học viên lớp cao học CH2AT đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Người viết Võ Anh Kiệt LỜI CAM ĐOAN Tôi là Võ Anh Kiệt, tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những nội dung trong luận văn này là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào. Người cam đoan Võ Anh Kiệt DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT TANK : Mô hình thủy văn thông số tập trung của Nhật Bản MIKE 11 : Mô hình thủy lực 1 chiều của Viện Thủy lực Đan Mạch MIKE 21 : Mô hình thủy lực 2 chiều của Viện Thủy lực Đan Mạch DHI : Danish Hydraulic Institute - Viện Thủy lực Đan Mạch WMO : World Meteorological Organization - Tổ chức Khí tượng Thế giới HR : Ký hiệu của trạm Thủy văn RR : Ký hiệu của điểm đo mưa nhân dân UCAR : University Corporation for Atmospheric Research GFS : Global Forecast System - Hệ thống dự báo toàn cầu IFS : Integnated Forecasting system – Hệ thống dự báo tích hợp NCEP : National Centers for Environmental Prediction - Trung tâm dự báo môi trường Quốc gia Mỹ MRF : Medium Range Forecast - Mô hình dự báo hạn vừa Pbl : Planetary boundary layer - Lớp biên hành tinh IR : Infra Red - Bức xạ hồng ngoại UV : Ultraviolet - Bức xạ tử ngoại K : Độ Kelvin CAPE : Convective available potential energy - Chỉ số bất ổn định SAS : Sơ đồ đối lưu Schubert - Arakawa-Schubert UTC : Giờ quốc tế ATNĐ : Áp thấp nhiệt đới KKL : Không khí lạnh XTNĐ : Xoáy thuận nhiệt đới ITCZ : Intertropical Convergence Zone - Dải hội tụ nhiệt đới KTTV : Khí tượng thủy văn CSDL : Cơ sở dữ liệu MỤC LỤC MỞ ĐẦU .............................................................................................................................1 CHƯƠNG 1 ........................................................................................................................3 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH DỰ BÁO LŨ VÀ LƯU VỰC NGHIÊN CỨU..............3 1.1. KHÁI QUÁT MÔ HÌNH DỰ BÁO ..........................................................................3 1.1.1. Quá trình phát triển mô hình dự báo thủy văn ....................................................3 1.1.2. Phân loại mô hình thủy văn .................................................................................4 1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC ....................................7 1.2.1. Đánh giá tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước ........................................7 1.2.2. Đánh giá tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước ......................................10 1.2.3. Đánh giá tổng quan tình hình nghiên cứu trên lưu vực.....................................12 1.3. ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN ...........................................................................14 1.3.1. Đặc điểm hình thái lưu vực sông ......................................................................14 1.3.2. Đặc điểm địa hình, địa chất, thổ nhưỡng, thảm phủ thực vật ...........................15 1.3.3. Khái quát đặc điểm khí hậu thủy văn ................................................................20 1.4. ĐẶC ĐIỂM MƯA LŨ LƯU VỰC SÔNG KỲ LỘ ................................................22 1.4.1. Đặc điểm chung.................................................................................................22 1.4.2. Các đợt mưa lũ điển hình ..................................................................................23 1.5. ĐIỀU KIỆN KINH TẾ XÃ HỘI .............................................................................25 1.6. MẠNG LƯỚI TRẠM KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN ...............................................26 CHƯƠNG 2 ......................................................................................................................28 CƠ SỞ MÔ HÌNH VÀ BỘ SỐ LIỆU NGHIÊN CỨU ..................................................28 2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH MARINE ...........................................................28 2.1.1. Các giả thiết và nguyên lý mô phỏng ................................................................28 2.1.2. Lý thuyết sinh dòng chảy ..................................................................................29 2.1.3. Lý thuyết thấm ..................................................................................................30 2.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH MUSKINGUM .................................................32 2.2.1. Các phương trình cơ bản ...................................................................................32 2.2.2. Xây dựng mô hình Muskingum ........................................................................34 2.3. TÍNH TOÁN VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU ......................................................................34 2.3.1. Số liệu địa hình..................................................................................................34 2.3.2. Số liệu thảm phủ................................................................................................37 2.3.3. Số liệu đất ..........................................................................................................38 2.3.4. Xử lý mưa phân bố theo không gian .................................................................39 2.3.5. Số liệu sông .......................................................................................................41 2.4. DẪN SUẤT ĐẦU VÀO MÔ HÌNH MARINE ......................................................42 2.4.1. Xây dựng các bản đồ dẫn suất từ bản đồ DEM phục vụ đầu vào cho mô hình MARINE .....................................................................................................................42 2.4.2. Kết quả xây dựng bản đồ dẫn suất đầu vào mô hình MARINE .......................45 CHƯƠNG 3 ......................................................................................................................49 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MARINE VÀ MUSKINGUM XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN CẢNH BÁO, DỰ BÁO LŨ VÀ ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP PHÒNG CHỐNG LŨ ... 49 3.1. HIỆU CHỈNH BỘ THÔNG SỐ MÔ HÌNH ............................................................49 3.2. KIỂM ĐỊNH BỘ THÔNG SỐ MÔ HÌNH ..............................................................52 3.3. DỰ BÁO THỬ TRẬN LŨ NĂM 2017...................................................................54 3.4. XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN CẢNH BÁO, DỰ BÁO LŨ SÔNG KỲ LỘ ............56 3.5. HƯỚNG DẪN QUY TRÌNH DỰ BÁO LŨ BẰNG MÔ HÌNH MARINE VÀ MUSKINGUM ...............................................................................................................56 3.6. CÁC GIẢI PHÁP PHÒNG CHỐNG LŨ TRÊN LƯU VỰC SÔNG KỲ LỘ .......58 3.6.1. Các giải pháp công trình ....................................................................................58 3.6.2. Các giải pháp phi công trình..............................................................................60 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .........................................................................................63 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................................................65 PHẦN PHỤ LỤC .............................................................................................................67 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Cây phân loại mô hình toán thủy văn ................................................................6 Hình 1.2. Bản đồ địa hình lưu vực sông Kỳ Lộ ................................................................17 Hình 1.3. Mức nước lũ ngập sâu tại trạm thủy văn Hà Bằng tại trạm thủy văn Hà Bằng, trận lũ lịch sử tháng 11/2009 ........................................................................................................25 Hình 1.4. Lũ cuốn trôi công trình đo mực nước tự ghi tại trạm thủy văn Hà Bằng, trận lũ lịch sử tháng 11/2009 .........................................................................................................25 Hình 1.5. Bản đồ sông suối lưu vực sông Kỳ Lộ ..............................................................27 Hình 2.1. Sơ đồ tổng quát của mô hình MARINE ...........................................................28 Hình 2.2. Mô tả vùng thấm trong lý thuyết Green Ampt .................................................31 Hình 2.3. Code mô hình Muskingum ............................................................................... 34 Hình 2.4. Chi tiết địa hình khu vực trung lưu ...................................................................35 Hình 2.5. Kiểm tra bản đồ mô hình số độ cao (DEM) và đường bình đồ địa hình ..........35 Hình 2.6. Kiểm tra bản đồ mô hình số độ cao (DEM) và hệ thống sông suối ..................36 Hình 2.7. Bản đồ mô hình số độ cao (DEM) lưu vực sông Kỳ Lộ ...................................36 Hình 2.8. Bản đồ lớp phủ thực vật lưu vực sông Kỳ Lộ ...................................................38 Hình 2.9. Bản đồ đất lưu vực sông Kỳ Lộ ........................................................................39 Hình 2.10. Bản đồ phân bố mưa các ô lưới theo đa giác Theissen ...................................41 Hình 2.11. Bản đồ mạng lưới sông và tính toán dữ liệu cho MARINE ...........................42 Hình 2.12. Sơ đồ mô tả quá trình tạo các bản đồ dẫn suất từ DEM .................................43 Hình 2.13. Sơ đồ mô tả quá trình tạo hướng chảy từ bản đồ DEM ..................................44 Hình 2.14. Sơ đồ mô phỏng số ô hội tụ nước và hình thành mạng sông ..........................44 Hình 2.15. Tạo các bản đồ dẫn suất từ AML files ............................................................45 Hình 2.16. Bản đồ hướng dòng chảy lưu vực sông Kỳ Lộ ...............................................46 Hình 2.17. Bản đồ độ rỗng đất lưu vực sông Kỳ Lộ .........................................................46 Hình 2.18. Bản đồ độ dẫn thủy lực bão hòa lưu vực sông Kỳ Lộ ....................................46 Hình 2.19. Bản đồ lượng trữ lưu vực sông Kỳ Lộ ............................................................46 Hình 2.20. Bản đồ độ dốc lưu vực sông Kỳ Lộ ................................................................47 Hình 2.21. Bản đồ lực mao dẫn lưu vực sông Kỳ Lộ .......................................................47 Hình 2.22. Hàm lượng nước ban đầu lưu vực sông Kỳ Lộ ..............................................47 Hình 2.23. Bản đồ hệ số nhám Manning lưu vực sông Kỳ Lộ .........................................47 Hình 2.24. Bản đồ miền tính lưu vực sông Kỳ Lộ ............................................................48 Hình 3.1. Sơ đồ khối ứng dụng mô hình Marine - Muskingum dự báo lũ sông Kỳ Lộ .............49 Hình 3.2a. Biểu đồ mưa các trạm để hiệu chỉnh bộ thông số ...........................................50 Hình 3.2b. Biểu đồ mưa các trạm để hiệu chỉnh bộ thông số ...........................................50 Hình 3.3. Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo trận lũ hiệu chỉnh bộ thông số ...... 52 Hình 3.4a. Biểu đồ mưa các trạm để kiểm định bộ thông số ............................................53 Hình 3.4b. Biểu đồ mưa các trạm để kiểm định bộ thông số ...........................................53 Hình 3.5. Đường quá trình lưu lượng tính toán và TĐ trận lũ kiểm định bộ thông số .....53 Hình 3.6a. Biểu đồ mưa các trạm trận lũ năm 2017 .........................................................55 Hình 3.6b. Biểu đồ mưa các trạm trận lũ năm 2017 .........................................................55 Hình 3.7. Đường qt lưu lượng tính toán và thực đo trận lũ dự báo thử năm 2017 ...........55 Hình 3.8. Đường qt mực nước tính toán và thực đo trận lũ dự báo thử năm 2017 ..........56 Hình 3.9. Mô hình hồ điều hòa chống lũ ..........................................................................59 Hình 3.10. Mô hình trạm giám sát ....................................................................................60 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Đặc trưng hình thái sông ..................................................................................15 Bảng 1.2. Tổng hợp diện tích các loại đất huyện Đồng Xuân ..........................................17 Bảng 1.3. Thống kê các trận lũ điển hình trên sông Kỳ Lộ ..............................................24 Bảng 1.4. Danh mục trạm Khí tượng Thủy văn thuộc lưu vực sông Kỳ Lộ và vùng phụ cận ... 26 Bảng 2.1. Phân loại thảm phủ ...........................................................................................37 Bảng 2.2. Phân loại đất ......................................................................................................39 Bảng 3.1. Chỉ tiêu đánh giá chỉ tiêu Nash của WMO .......................................................51 Bảng 3.2. Bộ thông số mô hình Marine được tối ưu hóa ...................................................51 THÔNG TIN LUẬN VĂN + Họ và tên học viên: Võ Anh Kiệt + Lớp: CH2AT + Cán bộ hướng dẫn chính: TS Đặng Thanh Mai + Cán bộ hướng dẫn phụ: TS Trương Vân Anh + Tên luận văn: Nghiên cứu ứng dụng mô hình Marine dự báo lũ sông Kỳ Lộ tỉnh Phú Yên + Tóm tắt luận văn: Kỳ Lộ là con sông lớn thứ hai của tỉnh Phú Yên, trải rộng trên hai huyện Đồng Xuân và Tuy An. Diễn biến lũ và ngập lụt rất nghiêm trọng, hàng năm xuất hiện từ 2 đến 3 trận lũ lớn gây hậu quả rất to lớn về người và của, đặc biệt là trận lũ lịch sử năm 2009 đã xóa sổ một số làng mạc ven sông của huyện Đồng Xuân. Lưu vực sông Kỳ Lộ cũng như các lưu vực sông khác ở khu vực Miền Trung có địa hình rất dốc, chiều dài sông ngắn nên thời gian lũ lên nhanh, xuống nhanh, dòng chảy mạnh, độ ngập sâu lớn. Ngoài ra đặc điểm thổ nhưỡng, thảm phủ, mưa phân hóa rất mạnh theo không gian. Với đặc điểm như trên, luận văn đã nghiên cứu ứng dụng mô hình thủy văn thông số phân bố (Marine) để dự báo lũ sông Kỳ Lộ. Mô hình này có khả năng mô phỏng, đánh giá tác động của các yếu tố địa hình, thổ nhưỡng, thảm phủ và mưa chi tiết theo không gian. Dòng chảy sườn dốc được diễn toán bằng mô hình Marine, quá trình lưu lượng tiếp tục được diễn toán bằng mô hình Muskingum. Luận văn đã tích hợp mô hình Marine với mô hình Muskingum để mô phỏng liên tục quá trình dòng chảy trên lưu vực sông Kỳ Lộ và dự báo lũ tại trạm thủy văn Hà Bằng. Kết quả dự báo thử trong trận lũ đầu tháng 12/2017 đã cho kết quả tốt, làm cơ sở nâng cao chất lượng dự báo thủy văn tại Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Nam Trung Bộ và Đài Khí tượng Thủy văn tỉnh Phú Yên. MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận văn Biến đổi khí hậu đang ngày càng có những tác động mạnh mẽ tới đời sống dân sinh kinh tế trên khắp đất nước Việt Nam nói chung và tỉnh Phú Yên nói riêng. Sự biến động bất thường về quy luật hoạt động của các hiện tượng thời tiết, thủy văn, sự gia tăng cường độ bão, lũ, hạn hán, trên địa bàn tỉnh Phú Yên trong những năm qua là những biểu hiện khá rõ nét về sự tác động của biến đổi khí hậu đối với tỉnh Phú Yên nói chung và sông Kỳ Lộ nói riêng. Tại Sông Kỳ Lộ tỉnh Phú Yên hàng năm có từ 3 - 4 trận lũ lớn gây nhiều thiệt hại về người và tài sản đối với khu vực hạ lưu. Lưu vực sông Kỳ Lộ bao gồm các huyện Đồng Xuân và Tuy An, trong đó có trung tâm phát triển kinh tế xã hội của lưu vực là thị trấn Chí Thạnh. Các trận lũ lớn đã gây ra nước chảy xiết, làm xói lở bờ sông, hư hại công trình, cuốn trôi nhà cửa ở các xã ven sông huyện Đồng Xuân, gây ngập lụt nghiêm trọng huyện Tuy An. Điển hình là trận lũ xảy ra vào ngày 01- 06/11/2009, lũ lên nhanh, đỉnh lũ 13,47m, vượt mức báo động 3 là 3,97m và là đỉnh lũ lịch sử trong chuỗi số liệu quan trắc được. Mưa lớn ở thượng nguồn gây lũ đột ngột vào ban đêm trên sông Kỳ Lộ, sông Cầu gây thiệt hại to lớn cho thị xã Sông Cầu, huyện Đồng Xuân và Tuy An. Thiệt hại đợt mưa lũ này có 73 người chết, thiệt hại ước tính 2.405 tỉ đồng. Mặc dù không thể tránh được thiên tai, nhưng với sự phát triển của khoa học công nghệ hiện đại và sự hiểu biết của con người về tự nhiên, chúng ta có thể quan trắc, tổng hợp, đánh giá, dự báo… từ đó xây dựng các giải pháp ứng phó, phòng ngừa, giảm thiểu tác động có hại của thiên tai là một việc làm hết sức cần thiết và cấp bách. Ý tưởng của luận văn này không chỉ xây dựng được công cụ dự báo sát với thực tế, đánh giá tác động của nhiều yếu tố đến dòng chảy mà còn xây dựng được công cụ ổn định và tiếp tục được phát triển thành công nghệ dự báo hoàn thiện. 2. Mục tiêu của luận văn - Xây dựng được phương án dự báo lũ trên lưu vực sông Kỳ Lộ bằng mô hình thủy văn thông số phân bố MARINE và phương pháp Muskingum. - Đề xuất được các giải pháp phòng ngừa và giảm nhẹ thiệt hại do lũ lụt gây ra trên lưu vực sông Kỳ Lộ. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Luận văn tập trung nghiên cứu mô hình thủy văn thông số phân bố MARINE và Muskingum để dự báo lũ sông Kỳ Lộ tỉnh Phú Yên, làm cơ sở phục vụ công tác chỉ đạo ứng phó với thiên tai ở địa phương. 1 Phạm vi nghiên cứu của luận văn là lưu vực sông Kỳ Lộ (bao gồm các huyện Đồng Xuân, Tuy An tỉnh Phú Yên). 4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thống kê: thu thập và biên tập số liệu khí tượng, thủy văn, địa chất, địa hình, lớp phủ làm đầu vào cho mô hình toán và đánh giá được tác động của các yếu tố trên đến quá trình hình thành lũ trên sông Kỳ Lộ. - Phương pháp kế thừa: Phân tích, đánh giá, kế thừa các kết quả số liệu nghiên cứu đã có liên quan đến các phương án dự báo lũ. - Phương pháp chuyên gia: trao đổi, học tập, lấy ý kiến từ các chuyên gia về phương pháp đánh giá, tính toán để xây dựng phương án dự báo lũ theo đúng quy phạm hiện hành. - Phương pháp mô hình hóa: Áp dụng mô hình thủy văn thông số phân bố MARINE và diễn toán Muskingum, để mô phỏng và xây dựng phương án dự báo lũ cho lưu vực sông nghiên cứu. 5. Bố cục của luận văn Báo cáo kết quả đạt được trong luận văn gồm 3 chương cùng với phần mở đầu, kết luận, phụ lục và tài liệu tham khảo: Chương 1: Tổng quan về mô hình dự báo lũ và lưu vực nghiên cứu Chương 2. Cơ sở mô hình và bộ số liệu nghiên cứu Chương 3. Ứng dụng mô hình MARINE và MUSKINGUM xây dựng phương án cảnh báo, dự báo lũ và các giải pháp phòng chống lũ trên lưu vực sông Kỳ Lộ 2 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH DỰ BÁO LŨ VÀ LƯU VỰC NGHIÊN CỨU 1.1. KHÁI QUÁT MÔ HÌNH DỰ BÁO 1.1.1. Quá trình phát triển mô hình dự báo thủy văn Dự báo thủy văn có vai trò quyết định trong công tác phòng chống lũ lụt, giảm nhẹ thảm họa thiên tai do ngập lụt gây ra. Dự báo trước một hiện tượng thiên nhiên là công việc hết sức khó khăn, phức tạp nhưng rất quan trọng trong đời sống, kinh tế xã hội. Từ thời xa xưa, con người không có máy móc, thiết bị quan trắc các hiện tượng thiên nhiên nhưng cũng đã cố gắng dự báo trước hiện tượng thông qua sự phản ứng của sinh vật với môi trường và truyền lại những đúc rút kinh nghiệm dự báo đó cho thế hệ sau. Dự báo thủy văn dựa trên dữ liệu quan trắc, có cơ sở khoa học bắt đầu phát triển từ đầu thế kỷ 20 với phương pháp đơn giản là dự báo xu thế, sau đó là thành lập các tương quan thực nghiệm. Đến giữa thế kỷ 20, dự báo bằng phương pháp đường đẳng thời, tiến hành những tính toán về mưa lũ theo phương pháp đường đơn vị, đặt nền móng cho việc phân tích căn nguyên quá trình hình thành lũ. Một số mô hình thủy văn thông số tập trung ra đời cho phép mô hình hóa quá trình dòng chảy lưu vực sông. Quá trình phát triển của dự báo thủy văn mạnh nhất vào cuối thế kỷ 20 và những năm gần đây với sự phát triển của các mô hình toán cho phép mô phỏng dòng chảy phân bố theo không gian trên bề mặt lưu vực, diễn toán dòng chảy trong sông, mô phỏng ngập lụt, diễn biến nước ngầm, điều tiết hồ chứa, vận chuyển trầm tích, chất lượng nước. Công tác dự báo thủy văn ngày nay không chỉ đơn giản là mực nước tại vị trí các trạm trên sông mà còn chi tiết cho nhiều vị trí khác dọc sông, ngập lụt, úng ngập trên lưu vực sông. Ngoài dự báo yếu tố mực nước cần dự báo lưu lượng, mặn, chất lượng nước [4]. Các mô hình toán phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây cho phép mô phỏng tốt hơn quá trình dòng chảy lưu vực sông, chất lượng dự báo tốt hơn. Cùng với sự phát triển đó thì yêu cầu của xã hội, công tác phòng chống thiên tai cũng đòi hỏi độ chính xác dự báo thủy văn cao hơn, chi tiết hơn. Công tác dự báo thủy văn ngoài chi tiết theo không gian, nhiều yếu tố dự báo cần có thời gian dự kiến dài hơn, thời đoạn ngắn hơn, nhiều trị số dự báo hơn. Sự tác động của biến đổi khí hậu làm cho dòng chảy có tính cực đoan hơn, quy luật dòng chảy đã thay đổi nên các phương pháp thống kê, tương quan có độ chính xác ngày càng kém đi. Sự tác động của con người đến lưu vực sông như xây dựng hồ chứa, đập dâng, công trình chỉnh trị sông ngòi, đường giao thông, cầu, cống, sử dụng đất đã tác động đáng kể đến dòng chảy mà các mô hình thủy văn thông số tập trung không thể mô phỏng được. Để khắc phục những nhược điểm trên cần phát triển các mô hình thủy văn thông số phân bố [5]. 3 1.1.2. Phân loại mô hình thủy văn Mục tiêu của phân tích hệ thống thủy văn là nghiên cứu sự vận hành của hệ thống và dự đoán các kết quả đầu ra. Mô hình hệ thống thủy văn là sự phản ánh gần đúng của một hệ thống thủy văn có thật. Các yếu tố đầu vào và các sản phẩm đầu ra của mô hình là các biến lượng thủy văn đo được và cấu trúc của mô hình là tập hợp các phương trình liên kết các yếu tố đầu vào và đầu ra. Vấn đề trung tâm trong cấu trúc của mô hình là khái niệm về phép biến đổi hệ thống [3]. Trên thế giới có nhiều mô hình toán thủy văn với các nguyên lý mô phỏng khác nhau. Các nguyên lý mô phỏng ngày càng phù hợp, sát với thực tế theo sự phát triển của mô hình toán thủy văn. Phân loại các mô hình toán giúp xác định được ưu nhược điểm chính của một nhóm các mô hình, sự phát triển về khả năng mô phỏng, mức độ hỗ trợ của các công nghệ khác cho mô hình. Trong nghiên cứu này có sử dụng một số mô hình để tích hợp thành một bộ mô hình, do đó cần phân loại các mô hình thủy văn để biết được mức độ phát triển, ưu nhược điểm chính, mức độ phù hợp của các mô hình toán được sử dụng. Các mô hình thủy văn có thể được phân chia thành 3 loại chính là mô hình vật lý, mô hình tương tự và mô hình toán học. Trong đó mô hình toán học được nghiên cứu và ứng dụng khá nhiều ở trên thế giới, trong mô hình toán được chia thành mô hình ngẫu nhiên và mô hình tất định. Mô hình ngẫu nhiên được sử dụng nhiều trong thiết kế, dự báo hạn dài và cực dài trên cơ sở phân bố xác suất và các đặc trưng thống kê. Mô hình tất định có xu hướng phát triển mạnh trong những năm gần đây và ngày càng mô phỏng quá trình thủy văn sát với thực tế, loại mô hình này được ứng dụng rộng rãi trong dự báo hạn ngắn và hạn vừa, khôi phục số liệu dòng chảy và tính toán tài nguyên nước. Trong mô hình tất định được chia thành hai loại là mô hình hộp đen và mô hình nhận thức (mô hình hộp xám), trong đó mô hình hộp xám được phát triển mạnh mẽ nhất.Phân loại mô hình hệ thống thủy văn được thể hiện trong hình 1, cụ thể một số mô hình trong cây phân loại như sau [5]: * Mô hình hệ thống thủy văn: là mô phỏng của một hệ thống thủy văn có thật [1]. * Hệ thống thủy văn: là các quá trình thủy văn hoặc chu trình thủy văn trên một vùng không gian nhất định [1]. * Mô phỏng: là sự bắt chước, phỏng theo một sự vật, hiện tượng hay quá trình nào đó bằng cách xây dựng những mô hình động, xử lý chúng trong tác động qua lại nhằm nghiên cứu các hiện tượng, sự vật, quá trình đó trên những mô hình này. * Mô hình vật lý: là mô hình thu nhỏ nguyên mẫu ngoài thực địa theo một tỷ lệ nhất định. Mô hình vật lý còn được gọi là mô hình tỷ lệ, thường sử dụng để thí nghiệm và tuân thủ theo một số nguyên tắc, tiêu chuẩn nhất định. 4 * Mô hình tương tự: là một mô hình vật lý khác có tính chất tương tự mô hình nguyên thể [1]. Ví dụ như mô hình tương tự điện. * Mô hình toán học: là mô hình miêu tả hệ thống dưới dạng toán học. Sự vận hành của hệ thống được mô tả bằng một hệ phương trình liên kết giữa các biến vào, ra của hệ thống [1]. * Mô hình ngẫu nhiên: là một quá trình mô phỏng quá trình thủy văn theo một quy luật phân bố xác suất [1]. * Mô hình ngẫu nhiên độc lập không và thời gian: Các đại lượng xuất hiện tại các thời điểm khác nhau không làm ảnh hưởng lẫn nhau và giá trị tại vị trí này không liên quan đến vị trí khác. Hàm phân bố xác suất là duy nhất và chỉ là hàm một chiều [1]. * Mô hình ngẫu nhiên độc lập không gian nhưng tương quan thời gian: Xác suất xuất hiện của các biến trong không gian không làm ảnhhưởng lẫn nhau. Nhưng giá trị của biến tại một thời điểm chịu ảnh hưởng của các giá trị tại một số thời điểm trước [1]. Các loại mô hình thuộc loại này gồm: Mô hình Markov, Fragment, ARIMA, ARX, ARMAX. * Mô hình ngẫu nhiên tương quan không gian nhưng độc lập thời gian: Trong mô hình xem xét tác động tương hỗ giữa xác suất xuất hiện các biến tại các vị trí khác nhau, nhưng theo thời gian không bị ảnh hưởng [1]. * Mô hình ngẫu nhiên tương quan không và thời gian: Trong mô hình xem xét xác suất xuất hiện của các biến phụ thuộc lẫn nhau cả theo không gian, cả theo thời gian [1]. Các loại mô hình thuộc loại này gồm: Monte-Carlo, Thormat-Frering. * Mô hình tất định: là một quá trình mô phỏng hệ thống bằng các phương trình toán học, thể hiện mối quan hệ nhân quả của hệ thống thủy văn, có khả năng tiếp cận hệ thống và dần dần thể hiện, biểu đạt gần đúng quy luật của hệ thống [1]. * Mô hình hộp đen: là mô hình mô phỏng những hệ thống mà cấu tạo và các thông số của nó hoàn toàn không rõ ràng, chỉ có thể được xác định trên cơ sở những thông tin vào - ra [1]. Mô hình hộp đen gồm: ANN, DBM. * Mô hình nhận thức: là loại mô hình được mô tả bởi một tập hợp các quan hệ toán học, từng quan hệ biểu diễn từng mặt riêng của quá trình, nhưng kết hợp lại chúng mô hình hóa cả quá trình trọn vẹn [1]. * Mô hình thông số tập trung: là mô hình mà hệ thống được trung bình hoá trong không gian và có thể coi hệ thống như một điểm đơn độc trong không gian. Các thông số coi như không thay đổi theo không gian mà chỉ nhận một giá trị đặc trưng cho cả hệ thống [1]. * Mô hình tuyến tính: là mô hình trong đó hàm lượng trữ là một phương trình tuyến tính có các hệ số là hằng số [1]. Mô hình tuyến tính thông số tập trung gồm: TANK, NAM, SSARR, Kalinhin - Miliukốp - Nash, HBV, CLS, NWS, Sacromento, RRMOD. 5 * Mô hình phi tuyến: là mô hình mà hàm lượng trữ là một hàm phi tuyến [1]. Các mô hình phi tuyến thông số tập trung gồm: LTANK, STANFORD 4, HEC-HMS, HMC, SMART, ARNO. * Mô hình thông số phân bố: là mô hình mà hệ thống mô phỏng sự diễn biến của quá trình thủy văn tại các điểm khác nhau trong không gian và định nghĩa các biến trong mô hình như là hàm tọa độ. Các thông số được xem xét theo sự biến đổi không gian của hệ thống [1]. * Mô hình thủy văn thông số phân bố: là mô hình thông số phân bố tổng hợp dòng chảy từ mưa hoặc diễn toán dòng chảy trên lưu vực sông [2]. * Mô hình tham số:là mô hình thủy văn thông số phân bố dựa trên giả định phương trình vật lý thực nghiệm kết hợp với quan hệ bán kinh nghiệm của lượng mưa và dòng chảy đầu ra. Mô hình còn được gọi là mô hình thủy văn thông số phân bố khái niệm [2]. Mô hình thông số phân bố khái niệm gồm có: mô hình IFAS, TOPMODEL, FRASC, VIC, DIMOSOP, GEOTOP, Girard. * Mô hình vật lý cơ bản: là mô hình thủy văn thông số phân bố xem dòng chảy như là một hiện tượng di chuyển của mưa trên lưu vực sông và thể hiện quá trình di chuyển bằng phương trình thấm và phương trình dòng chảy không đều. Mô hình còn được gọi là mô hình thủy văn thông số phân bố đầy đủ, hiện nay không có một mô hình nào có thể trình bày quá trình di chuyển bởi các hàm vật lý hoàn thiện [2]. Các mô hình thông số phân bố đầy đủ gồm có: mô hình MIKE SHE, MARINE, WETSPA, TOPKAPI, SHETRAN, HDSVM. * Mô hình thủy lực: là mô hình diễn toán dòng chảy dưới tác động của lực. Cơ chế sinh lực tác động là chênh lệch áp suất, độ dốc hoặc độ cao mực nước. * Mô hình sóng động học: là mô hình mô phỏng dòng chảy đã bỏ qua gia tốc địa phương, gia tốc đối lưu và các thành phần áp suất trong phương trình động lượng [3]. Các loại mô hình sóng động học như 1DKWM-FEM&SCS. Hình 1.1. Cây phân loại mô hình toán thủy văn [5] 6 * Mô hình sóng khuếch tán: là mô hình mô phỏng dòng chảy đã bỏ qua gia tốc địa phương và gia tốc đối lưu trong bằng phương trình động lượng [3]. Mô hình thủy lực hai chiều như HDM. * Mô hình sóng động lực: là mô hình mô phỏng dòng chảy bằng phương trình động lượng đầy đủ [3]. Các loại mô hình thủy lực một chiều (1D) gồm: MIKE 11, VRSAP, IMECH1D, KOD1, HEC-RAS, ISIS-1D, HydroGIS, MK4, QUAL2-E, HEC 6, IMECH1D, SOBECK-1D; mô hình thủy lực hai chiều (2D) gồm: MIKE 21, NAKATA, SOBEK-2D, NK-GIAS, ISIS-2D, TULFOW-2D, DUFLOW, TELEMAC-2D, TREM, CCHE2D; mô hình thủy lực 3 chiều (3D) gồm: TELEMAC-3D, MIKE-3, Delft-3D, Flo-3D. 1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 1.2.1. Đánh giá tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước [6] Dự báo thủy văn có vai trò quyết định trong công tác phòng chống lũ và ngập lụt ở các nước trên Thế giới. Việc dự báo thủy văn cũng như các hiện tượng thiên tai khác xuất hiện từ thời xa xưa, bằng những phương pháp, kinh nghiệm đơn giản như dựa vào sự di trú, tập quán của các loài sinh vật, một số hiện tượng trên bầu trời. Sự phát triển của dự báo thủy văn phát triển cùng với thời đại công nghiệp đến thời đại công nghệ thông tin như hiện nay. Từ các thiết bị đơn giản, đã đo được các yếu tố cơ bản của thủy văn và hình thành các phương pháp dự báo mực nước tương ứng, phương trình hồi quy, đường đơn vị, mô hình ngẫu nhiên, mô hình hộp đen. Với sự phát triển của máy tính phương pháp dự báo thủy văn đã có sự phát triển mạnh thông qua mô hình hóa các quá trình thủy văn. Các ngôn ngữ lập trình, máy tính ra đời, cùng với đó là các số liệu khí tượng thủy văn đủ tin cậy để mô phỏng quá trình dòng chảy trên lưu vực sông. Các mô hình thủy văn thông số tập trung ra đời như TANK, NAM, HEC-HMS, HMC, SMART, ARNO, STANFORD 4, HBV, SSARR với các loại phương trình phát triển từ tuyến tính đến phi tuyến. Tuy nhiên mô hình thủy văn thông số tập trung đã trung bình hóa lưu vực, đối tượng mô phỏng nên có nhiều hạn chế đã dẫn đến ra đời nhiều mô hình thủy văn thông số phân bố. Các loại mô hình thủy văn thông số phân bố gồm các loại mô hình thủy lực, mưa dòng chảy đang phát triển mạnh mẽ và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực trong đó có dự báo thủy văn. Các loại mô hình mưa dòng chảy thông số phân bố có nhiều ưu việt so với các mô hình thông số tập trung như mô phỏng được tác động của nhiều yếu tố, điều kiện tự nhiên đến dòng chảy nên mô phỏng sát thực tế hơn, mô phỏng được quá trình lan truyền sóng lũ, đánh giá tác động của biến đổi các yếu tố khí tượng thủy văn và điều kiện tự nhiên khác theo không gian đến diễn biến dòng chảy lưu vực sông. Với sự phát triển mạnh mẽ của các ngôn ngữ lập trình, máy tính, công nghệ viễn thám và GIS đã có nhiều mô hình mưa - dòng chảy thông số phân bố được ứng dụng rộng rãi, có hiệu quả trong công tác dự báo thủy văn, khôi phục số liệu. Các mô hình mưa dòng chảy thông số phân bố điển hình trên Thế giới gồm: 1) Mô hình TOP: Mô hình TOP (Topography Model) do giáo sư Mike Kirkby thuộc trường Đại học Địa lý Leeds phát triển vào năm 1974 dưới sự bảo trợ của Hội đồng 7 nghiên cứu môi trường thiên nhiên Vương quốc Anh. Năm 1975, Keith Beven bắt đầu xây dựng chương trình TOPMODEL bằng ngôn ngữ Fortran IV. Mô hình thông số phân bố TOP là mô hình nhận thức mưa - dòng chảy. Mô hình hoạt động dựa trên các mô tả gần đúng về thủy văn, thủy lực. 2) Mô hình TOPKAPI: TOPKAPI là mô hình thủy văn thông số phân bố đầy đủ với việc tham số hóa đơn giản và chi tiết. Cấu trúc mô hình gồm 5 mô đun: thoát hơi thực vật, tuyết tan, dòng chảy trong đất, dòng chảy mặt và dòng chảy trong kênh. 3) Mô hình GEOTOP: Mô hình GEOTOP do Riccardo Rigon thuộc trường đại học Trento - Italia xây dựng. Mô hình chạy trên ô lưới của bản đồ mô hình số độ cao (DEM), tại mỗi ô lưới mô hình giải phương trình năng lượng và phương trình cân bằng nước. Mô hình mô phỏng ảnh hưởng của mưa phân bố, cản mưa từ tán cây, nhiệt độ, áp suất không khí, bức xạ mặt trời, bốc hơi mặt đất, thoát hơi thực vật, độ ẩm đất đến quá trình hình thành dòng chảy mặt, sát mặt và dòng ngầm. 4) Mô hình WETSPA: WETSPA (Water and Energy Transfer between Soil, Plant and Atmosphere) là mô hình thủy văn vật lý phân phối dùng để mô phỏng sự trao đổi năng lượng giữa lớp đất, thực vật và khí quyển trên phạm vi lưu vực hoặc khu vực. Mô hình được phát triển tại phòng nghiên cứu Thuỷ văn Thủy lực, Khoa khoa học ứng dụng đại học tự do Brusels, Vương quốc Bỉ. Mô hình quan niệm một hệ thống thủy văn lưu vực là tổ hợp của các quá trình khí quyển, hấp thu thực vật, vùng rễ cây, vùng chuyển nước và vùng bão hoà. Mỗi một ô lại được chia thành các phần có lớp phủ và phần không thấm. 5) Mô hình DIMOSOP: DIMOSOP (Distributed hydrological MOdel for the Special Observing Period) là mô hình thủy văn thông số phân bố tham số (khái niệm) được sử dụng nhiều ở các nước châu Âu như Ý, Pháp, Thụy Sỹ. Đầu vào của mô hình ngoài mưa phân bố theo không gian còn có bản đồ mô hình số độ cao, bản đồ hiện trạng sử dụng đất, bản đồ đất dưới dạng ô lưới. Các phần tử ô lưới có thể là thành phần của sườn dốc lưu vực, sông hoặc công trình hồ chứa. 6) Mô hình FRASC: Mô hình FRASC (Flow Routed Accumulation Simulation in a Catchment - mô phỏng lũy tích diễn toán dòng chảy trên lưu vực) được cải tiến từ mô hình Xinanjiang được xây dựng từ năm 1973 và công bố năm 1980. Điểm mấu chốt của mô hình Xinanjiang là khái niệm tạo dòng chảy ở trạng thái no của tầng chứa nước, nghĩa là dòng chảy sẽ không được sản sinh cho đến khi lượng ẩm của tầng thoáng khí đạt tới khả năng đồng ruộng, sau đó dòng chảy bằng lượng mưa vượt quá và không tính thêm một loại tổn thất nào nữa. 7) Mô hình IFAS: IFAS (Integrate Flood Analysis System) là một phần mềm tích hợp hệ thống phân tích lũ của Nhật Bản. Cốt lõi của phần mềm là mô hình thủy văn thông số phân bố tham số mô phỏng dòng chảy sườn dốc thông qua các lưới DEM dưới tác động của lớp phủ thực vật, lớp đất của bề mặt lưu vực. Mỗi lưới gồm một hệ thống các bể chứa phi tuyến sắp xếp theo chiều thẳng đứng, mỗi bề chứa có 1 hoặc 2 cửa bên, 1 cửa đáy (trừ bể chứa dưới cùng) cho phép mô phỏng các thành phần dòng chảy mặt, sát mặt và dòng ngầm. 8