Đề tài So sánh ứng dụng mô hình thủy văn Nam và Frasc để đánh giá tài nguyên nước lưu vực thác Mơ

thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” Căn cứ vào giả thuyết trên, các dòng chảy từ ô này đến ô khác được diễn toán như sau: 1. Trước khi phát triển mạng lưới sông chính: dòng mặt, dòng sát mặt, dòng ngầm được xem như là dòng thấm thông qua các lỗ khí trong tầng rễ cây và thấm xuống sâu hơn xuống tầng dưới. Do đó, chúng được diễn toán độc lập bằng phương pháp hồi quy tuyến tính đơn để tính độ tập trung dòng chảy trong mỗi ô theo các thông số ksur, kinter, và kbase cho các ô có giá trị hướng dòng chảy là 1, 4, 16 và 64 hoặc 1.41ksur, 1.41kinter, và 1.41kbase cho các ô có giá trị hướng dòng chảy là 2, 8, 32, và 128; 2. Khi sông chính phát triển: lúc này, lưu lượng của sông bao gồm cả ba thành phần của dòng chảy là dòng mặt, dòng sát mặt và dòng ngầm di chuyển dọc theo mạng lưới sông chính. Có hai sự lựa chọn để tính toán quá trình dòng chảy sông: - Sử dụng phương pháp Muskingum với hai thông số K và X cho các ô lưới có hướng dòng chảy là 1, 4, 16, và 64 hoặc 1.41K và X cho các ô lưới có hướng dòng chảy là 2, 8, 32, và 128; - Sử dụng phương pháp diễn toán phân phối dòng chảy dựa trên phương trình Saint – Venant một chiều giải bài toán sai phân 6 điểm của Abbott – Ionesscu nếu dữ liệu địa hình đầu vào như phép đo diện tích của khúc sông và đặc tính hình học của đáy sông có sẵn. Khoảng cách Dx bằng kích cở ô lưới nếu hướng dòng chảy có giá trị là 1, 4, 16 và 64 hoặc 1.41 lần kích thước ô lưới nếu hướng dòng chảy có giá trị là 2, 8, 32 và 128. 3.3.4 Thảo luận về các thông số Trong khi tất cả các thông số có ý nghĩa vật lý rõ ràng, được xác định bằng đo đạc ngoài thực địa, tuy nhiên điều này không thực tế và sự trông cậy có được để ước lượng bằng hình thức nhận dạng hệ thống nào đó. Điều này quả là công việc khó khăn bởi độ nhạy thất thường trong đầu ra tính toán đối với những sự thay đổi giá trị các thông số và sự phụ thuộc giữa các thông số, vì vậy hệ quả của việc thay đổi giá trị của thông số này có thể gây ra những thay đổi tương ứng trong thông số khác. Các thông số không nhạy đối với kết quả đầu ra có thể được cho các giá trị cố 46 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” định theo kinh nghiệm nhưng sự phụ thuộc dẫn đến sự không duy nhất và tính không ổn định trong các giá trị tối ưu. Tính chất vật lý và phạm vi khả dĩ của các thông số mô hình được áp dụng ở Trung Quốc được thảo luận dưới đây. Các thông số được nhóm như trình bày ở trong Bảng 3.2 3.3.4.1 Các thông số bốc thoát hơi nước K là hệ số giữa lượng bốc thoát hơi tiềm năng bốc hơi chậu. Đầu ra mô hình đặc biệt nhạy với thông số này, nó điều khiển sự cân bằng nước lưu vực. K có thể được xem như sản phẩm của một số nhân tố. Một trong những nhân tố là tỉ số giữa bốc hơi ao hồ và bốc hơi chậu, K1, mà phụ thuộc vào loại chậu, vị trí lắp đặt thiết bị và điều kiện môi trường v.v… K1 có thể được xác định bằng kinh nghiệm và nhiều tài liệu đã được tích lũy và phân tích. Một nhân tố khác là tỉ số giữa lượng bốc thoát hơi tiềm năng và bốc hơi ao hồ, K2, mà thường lấy bằng 1,3 - 1,5 trong mùa hè và 1,0 trong mùa đông. Còn một nhân tố khác nữa là một hệ số, K3, chuyển giá trị đo bằng chậu thành giá trị trung bình lưu vực. K3 phụ thuộc chủ yếu vào cao độ của vị trí đo liên quan đến cao độ trung bình toàn lưu vực nghiên cứu. WM, sức chứa nước ứng suất trung bình lưu vực, là tổng của UM trong tầng trên, LM trong tầng dưới và DM trong tầng sâu. DM do đó hoàn toàn phụ thuộc vào ba giá trị kia và không cần xem xét cho việc tối ưu hóa. WM là thước đo của sự khô cằn, mà biến đổi từ 80 mm ở Nam Trung Quốc đến 170 mm hoặc hơn ở Bắc Trung Quốc. Hoạt động của mô hình nhìn chung không nhạy với WM, giá trị của nó được cung cấp đủ lớn để đảm bảo rằng hàm lượng ẩm đất trung bình tính toán W không âm. Các thông số UM và LM được xác định bằng kinh nghiệm. Giá trị đặc trưng của UM từ 5 - 20 mm tương ứng vùng đồi trọc đến vùng rừng. LM, biến thiên từ 60 đến 90 mm, được lấy trong khoảng mà giả thiết rằng bốc thoát hơi tỉ lệ với lượng ẩm của đất. Hệ số bốc thoát hơi tầng sâu, C, phụ thuộc vào phần diện tích lưu vực bao phủ bởi thảm thực vật với rễ sâu. Nó biến đổi từ 0,18 ở Nam Trung Quốc đến 0,08 ở Bắc Trung Quốc. Dòng chảy không nhạy với C trong những vùng ẩm ướt và mùa mưa, nhưng khá nhạy trong vùng khô hạn và mùa khô. Giá trị thích hợp của C thường 47 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” phụ thuộc vào tổng UM + LM nhưng vì giá trị này thường giữ cố định khoảng 100 mm, giá trị thích hợp của C có thể luôn xác định được. 3.3.4.2 Các thông số hình thành dòng chảy Sự phân bố sức chứa nước ứng suất hoàn toàn xác định quan hệ mưa - dòng chảy theo khái niệm sự hình thành dòng chảy dựa trên sự đầy đủ lượng trữ. Ba thông số IM, WM, và B diễn tả đường cong phân bố như được chỉ ra trong Hình 2.3. WM đã được thảo luận ở trên. IM là tỉ số giữa diện tích không thấm và tổng diện tích lưu vực. Đối với những lưu vực tự nhiên trong vùng ẩm, điều này thường không tính đến, nhưng trong vùng bán ẩm hay vùng khô hạn diện tích không thấm có thể là phần đáng kể diện tích sinh dòng chảy của lưu vực và không thể bỏ qua được. Hệ số mũ của đường cong sức chứa nước ứng suất, B, xác định một cách thống kê tính không đồng nhất các điều kiện bề mặt chủ yếu bao gồm các nhân tố như địa hình, địa chất, loại đất và thảm phủ thực vật. Kinh nghiệm chỉ ra rằng đối với những lưu vực có diện tích nhỏ hơn 10 km2, B = 0,1 và đối với lưu vực kích thước hàng ngàn km2, B = 0,4 hoặc thậm chí hơn. 3.3.4.3 Các thông số phân chia dòng chảy Sức chứa nước tự do trung bình lưu vực của tầng đất mặt, SM, diễn tả độ thiếu hụt có thể lớn nhất của lượng trữ nước tự do. Dòng chảy mặt nhạy cảm với giá trị thông số này. Đối với các lớp đất mỏng, SM có thể xấp xỉ 10 mm hoặc nhỏ hơn, tăng lên tới 50 mm hoặc hơn đối với lớp đất mặt dày và xốp. Hệ số mũ của đường cong sức chứa nước tự do, Ex, ảnh hưởng đến sự phát triển vùng bão hòa. Ex phụ thuộc vào SM nhưng phân tích thống kê chỉ ra rằng giá trị Ex nằm trong khoảng từ 0,5 đến 2,0, sự lựa chọn tốt nhất là giữa 1 và 1,5. Nó có thể được lấy như một hằng số. KG và KI là các hệ số dòng ra của lượng nước tự do thành dòng ngầm và dòng sát mặt. Tổng của chúng xác định tỉ lệ từ lượng trữ nước tự do và tỉ số của chúng xác định phần tương ứng sẽ trở thành dòng sát mặt và dòng chảy ngầm. Nếu tổng KG + KI tăng lên và SM giảm đi trong khi giữ tỉ số KG/KI là hằng số, phân bố dòng chảy 48 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” giữa ba thành phần có thể thay đổi đôi chút, nếu có. Hoạt động của mô hình nhạy cảm với các thông số này, sự phụ thuộc này có thể gây rắc rối . Nó có thể tránh được bằng cách cố định tổng KG + KI. Vì thời gian rút của lượng trữ dòng sát mặt tầng trên thông thường nằm giữa 2 và 3 ngày, đề xuất rằng tổng KG + KI có thể lấy bằng 0,7 – 0,8. 3.3.4.4 Các thông số tập trung dòng chảy Hằng số giảm sút ngày của lượng trữ ngầm, CG, có thể dễ ràng được xác định bằng đường cong sút giảm trong suốt mùa khô và thường lấy giá trị trong khoảng giữa 0,99 và 0,998. CI, hằng số sút giảm của lượng trữ dòng sát mặt tầng dưới, thường lấy giá trị khoảng giữa 0,5 và 0,9 trong các vùng ẩm. CS, hằng số sút giảm trong phương pháp “trễ và lộ trình” cho diễn toán dòng chảy thông qua hệ thống sông suối trong mỗi tiểu lưu vực, hoàn toàn là kinh nghiệm. Trong khi đó phương pháp diễn toán dòng chảy này không có cơ sở lý thuyết chắc chắn, dễ dàng áp dụng hơn là dùng đường quá trình thủy văn đơn vị. L, thời gian “trễ” tương ứng, cũng là giá trị kinh nghiệm. KE và XE là các thông số trong phương pháp Muskingum mà ban đầu có thể được xác định bằng các phương trình thủy lực. KE có thể được lấy xấp xỉ bằng thời gian di chuyển qua một phân đoạn. XE có thể được xác định bằng phương trình sau: ( )0,5 1 /XE l LE= ´ - (3.34) Trong đó l là chiều dài đặc trưng, LE là chiều dài của phân nhánh. 3.4 Mô hình hóa cho khu vực nghiên cứu 3.4.1 Sơ đồ mạng lưới hóa cho khu vực nghiên cứu Việc nghiên cứu mô hình NAM và FRASC nhằm đánh giá tài nguyên nước cho toàn bộ vùng nghiên cứu để so sánh kết quả tính toán của hai mô hình từ đó đánh giá kết quả mô phỏng để lựa chọn mô hình thích hợp cho vùng nghiên cứu. lưu vực Thác Mơ được sơ đồ hóa thành 03 tiểu lưu vực được xác định ranh giới bằng công cụ “Phân định lưu vực” (Catchment Delineation) trên cơ sở dữ liệu cao độ số (DEM 49 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” 90 x 90 m). việc phân định tiểu lưu vực dựa trên DEM giúp xác định chính xác tiểu lưu vực và diện tích của nó. 3.4.2 Tài liệu đầu vào Tài liệu đầu vào cơ bản của mô hình bao gồm mưa, bốc hơi và tài liệu lưu lượng thực đo để hiệu chỉnh mô hình bao gồm: 3.4.2.1 Tài liệu thảm thực vật (land cover) và các thông số liên quan đến thảm thực vật Số liệu thảm thực vật được lấy từ tài liệu thảm phủ toàn cầu UDM[31] có độ phân giải 1 km dựa trên cơ sở thông tin AVHRR và LDAS cho lưu vực Thác Mơ. AVHRR cung cấp thông tin về phân loại đất toàn cầu ở độ phân giải 30s. Hình 3.5 cho thấy các loại thảm phủ độ phân giải 30 giây (khoảng 1km) của lưu vực Thác Mơ. Vùng nghiên cứu có 10 loại thảm phủ thực vật trong đó bao gồm: rừng lá rộng xanh hàng năm chiếm 5,71%, rừng lá kim rụng theo mùa (5,05%), rừng lá rộng rụng theo mùa (2,3%), rừng hỗn tạp (3,27%), rừng trồng lấy gỗ (22,15%), cây thân gỗ (43,78%), bụi kín (5,71%), bụi hở (3,87%), đồng cỏ (3,97%) và hoa màu (4.18%). 50 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” Hình 3.5 Bản đồ thảm phủ đất UMD 1 km Đối với mỗi loại thực vật trong lưu vực Thác Mơ, các thông số thực vật như sức cản khí khổng nhỏ nhất, chỉ số diện tích lá, suất phản chiếu, chiều dài nhám và chiều cao dịch chuẩn được thể hiện trong bảng 3.3[30]. Bảng 3.3 Các thông số liên quan từng loại thảm phủ lưu vực Thác Mơ Phân loại thực vật Suất phản chiếu Sức cản khí khổng nhỏ nhất (s/m) Chỉ số diện tích lá Chiều dài nhám (m) Chiều cao dịch chuẩn (m) Cây lá rộng thường xanh Cây lá kim rụng lá Cây lá rộng rụng lá Cây hỗn tạp Cây lấy gỗ Cỏ rậm Cây bụi tập trung Cây bụi phân tán Đồng cỏ Cây trồng hàng năm 0,12 0,18 0,18 0,18 0,18 0,19 0,19 0,19 0,20 0,10 250 125 125 125 125 135 135 135 120 120 3,40–4,40 1,52–5,00 1,52–5,00 1,52–5,00 1,52–5,00 2,20–3,85 2,20–3,85 2,20–3,85 2,20–3,85 0,02–5,00 1,4760 1,2300 1,2300 1,2300 1,2300 0,4950 0,4950 0,4950 0,0738 0,0060 8,040 6,700 6,700 6,700 6,700 1,000 1,000 1,000 0,402 1,005 51 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” 3.4.2.2 Tài liệu mưa Trong khu vực nghiên cứu và vùng lân cận có 3 trạm mưa gồm trạm Phước Long, Đồng Phú và Đắc Nông. Các trạm mưa sau khi được kéo dài đã tạo thành bộ số liệu mưa đồng bộ có thời đoạn từ 1978 đến 2007 (31 năm) Để phân vùng ảnh hưởng của các trạm mưa, có ba phương pháp thường được sử dụng tính toán lượng mưa trung bình trên một vùng là: phương pháp trung bình số học, phương pháp đa giác Thiessen, và phương pháp đường đẳng mưa. Mỗi một phương pháp đều có những ưu điểm riêng tùy thuộc vào vị trí phân bố của các trạm đo mưa, điều kiện tự nhiên, điều kiện về địa hình của lưu vực tính toán… theo các tài liệu đã nghiên cứu, đối với lưu vực Thác Mơ lượng mưa biến đổi không nhiều và không ảnh hưởng nhiều về điều kiện địa hình, do vậy lượng mưa trung bình trên lưu vực được xác định bằng phương pháp đa giác Thiessen[4]. Kết quả tự động hóa trọng số Thiessen trong chương trình MIKE BASIN được thể hiện trong hình 3.6 và bảng 3.4 Hình 3.6 Đa giác Thiessen được xác định bằng phần mềm MIKE BASIN # # # Dong Phu Dak Nong Phuoc Long 52 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” Bảng 3.4 Trọng số thiessen tính mưa trung bình các tiểu lưu vực TT Tên trạm Trọng số 1 Đắc Nông 0.321 2 Đồng Phú 0.024 3 Phước Long 0.655 Tổng 1.000 3.4.2.3 Tài liệu bốc hơi Thông thường tài liệu bốc hơi được đo đạc trực tiếp bằng chậu Pan hay bằng ống piche. Tuy nhiên, theo một số tài liệu nghiên cứu cho thấy trên thực tế tài liệu bốc hơi ống piche thường có nhiều sai số khó giải thích, và bốc hơi chậu không được coi là chính xác. Mặt khác, để ứng dụng được trong mô hình thủy văn phương pháp Penman Monteith để tính toán trực tiếp lượng bốc hơi tiềm năng theo dữ liệu thảm thực vật đang được ứng dụng rộng rãi. Theo tác giả Vũ Văn Nghị, dựa vào các đặc trưng khí tượng như độ ẩm tương đối, số giờ nắng, tốc độ trung bình tháng của các trạm khí tượng trong vùng hoặc lân cận lượng bốc thoát hơi nước tiềm năng được xác định trực tiếp theo mô hình Penman- Monteith cho tất cả các loại thảm trong vùng nghiên cứu, sau đó dựa vào tỉ lệ từng loại thảm phủ, lượng bốc thoát hơi tiềm năng trung bình trên các tiểu lưu vực được xác định và định dạng làm đầu vào cho mô hình. Giá trị lượng bốc hơi tiềm năng hàng tháng từ năm 1978 – 2007 của vùng nghiên cứu được tính toán và biên tập theo định dạng theo cấu trúc của mô hình, làm dữ liệu đầu vào cho mô hình. 3.4.2.4 Tài liệu lưu lượng Tài liệu lưu lượng ngày thực đo tại trạm thủy văn Phước Long khống chế diện tích 2.215 km2 (cửa ra vùng nghiên cứu) từ nưm 1981 – 1993 (13 năm) được sử dụng để hiệu chỉnh mô hình và xác định bộ thông số mô hình cho vùng nghiên cứu. 3.4.2.5 Dữ liệu GIS Dữ liệu GIS cho mô hình được xử lý từ DEM bằng công cụ phân tích thủy văn trong ArcGIS. Dựa vào công cụ này có thể xác định được vùng trũng, hướng dòng 53 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” chảy, tính toán lũy tích dòng chảy, mô tả lưu vực, và tạo ra mạng lưới dòng chảy từ DEM. Sau đó, xuất ra kết quả dưới dạng các ô lưới là dữ liệu GIS đầu vào cho mô hình. DEM được lấy từ nguồn cơ sở dữ liệu toàn cầu USGS (United States Geological Surveys). USGS cung cấp hai dữ liệu độ cao khác nhau miễn phí là GTOPO30 và HYDRO1K. GTOPO30 là mô hình cao độ số với độ phân giải 30s (khoảng 1 km). DEM khu vực nghiên cứu có nguồn gốc từ GLOBE. Căn cứ vào DEM, các phân tích dựa trên công cụ thủy văn của ArcGIS được thực hiện. Hình 3.7 (a) cho thấy DEM ở độ phân giải 30s cho lưu vực Thác Mơ. Bất kỳ vùng trũng nào trong ảnh DEM gốc thường không chính xác có giá trị thấp hơn giá trị của vùng xung quanh. Những chỗ trũng này là một vấn đề bởi vì khi nước chảy vào chúng thì không thể chảy ra ngoài. Để đảm bảo cho việc số hóa bản đồ tiêu thoát nước thì những chỗ trũng phải được lấp đầy. Hình 3.7 (b) cho thấy những chổ trũng trong DEM được lấp đầy bằng công cụ điền trũng trong ArcGIS. Hình 3.7 (a) Ảnh DEM gốc, và (b) DEM được lấp đầy của lưu vực Thác Mơ 54 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” Sử dụng DEM được lấp đầy làm đầu vào cho công cụ hướng dòng chảy, hướng của dòng nước trong mỗi ô lưới được xác định. Để tạo ra mạng lưới dòng chảy, công cụ lũy tích dòng chảy được sử dụng để tính toán số lượng ô lưới chảy vào cùng một điểm. Kết quả hướng dòng chảy thể hiện ở hình 3.8 (a) được sử dụng làm dữ liệu đầu vào cho mô hình. Kết quả tạo ra mạng lưới sông cho lưu vực Thác Mơ được thể hiện trong hình 3.8 (b) bao gồm mạng lưới sông chính từ các ô lưới có số lượng tối thiểu 100 ô lưới khác chảy vào và sông nhánh từ các ô lưới có số lượng tối thiểu là 1 ô lưới khác chảy vào. Hình 3.8 (a) Hướng dòng chảy, và (b) Lũy tích dòng chảy tại lưu vực Thác Mơ Sử dụng công cụ lưu vực sông để khoanh định thành các tiểu lưu vực sông trong vùng nghiên cứu. Tuy nhiên trong lưu vực nghiên cứu Thác Mơ được xem như một lưu vực (hình 3.9). 55 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” Hình 3.9 (a) Lưu vực, và (b) Mạng lưới sông của lưu vực Thác Mơ 3.5 Kết quả mô phỏng Mô hình NAM và FRASC được hiệu chỉnh cho lưu vực Thác Mơ theo không gian và thời gian. Phương pháp hiệu chỉnh được thực hiện đồng thời bằng kỹ thuật tự động tối ưu và phương pháp thử sai (tính thử và kiểm tra sai số mô phỏng nhiều lần). Biểu đồ và các chỉ số thống kê là tiêu chuẩn để lưa chọn bộ tham số mô hình tối ưu. Việc quyết định lựa chọn này chắc hẳn phụ thuộc vào kinh nghiệm sử dụng mô hình và quyết định của các nhà thủy văn, điều đó cũng chứng tỏ một phần nào tính chủ quan ảnh hưởng đến kết quả mô hình. Tuy nhiên, với vô số tiêu chuẩn đánh giá và vô số tham số mô hình, kỹ thuật tự động tối ưu bộ thông số thích hợp không thể thực hiện được. Thay vào đó, việc áp dụng quy trình hiệu chuẩn giúp chuyên gia mô hình có kinh nghiệm đạt được kết quả đặc trưng từ mỗi mô hình trong họ các mô hình với cùng quy trình kỹ thuật chuẩn xác thu thập xử lý số liệu, xây dựng mô hình và hiệu chuẩn mô hình. 56 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” Mô phỏng mô hình bao gồm hoàn nguyên hiệu chỉnh mô hình trên cơ sở bộ số liệu trong khoảng thời gian từ 1982 đến 1984 và kiểm định mô hình trong 3 năm tiếp theo (từ năm 1985 đến 1987). Như đã đề cập ở trên, cả hai mô hình được hiệu chỉnh bằng tay, tuy nhiên, kỹ thuật tự động của hiệu chuẩn của máy tính trong mô hình NAM cũng được xem để tham khảo. Hệ số cân bằng nước (BIAS), hệ số hiệu quả mô hình (R2), và hệ số tương quan Pearson (r) được sử dụng như các tiêu chuẩn để đánh giá. 3.5.1 Mô hình NAM Đối với mô hình NAM, ban đầu các thông số vật lý của đất như lượng nước tối đa trong bể chứa nước mặt (Umax) và trong bễ chứa tầng rễ cây (Lmax) được điều chỉnh để cân bằng nước trong hệ thống. Tổng lượng bốc thoát hơi trong giai đoạn tương ứng với lượng mưa tích lũy trừ dòng chảy. Bốc thoát hơi tăng khi Umax, Lmax tăng và ngược lại. Những đỉnh dòng chảy là nguyên nhân bởi số lượng lớn lưu lượng dòng chảy mặt, và được điều chỉnh bằng cách thay đổi hệ số dòng chảy tràn trên mặt (CQOF), trong khi hình dạng của đỉnh phụ thuộc vào hằng số thời gian cho diễn toán dòng chảy (CK12). Số lượng dòng chảy cơ bản bị ảnh hưởng bởi các thành phần dòng chảy khác nhau, sự giảm lưu lượng dòng chảy mặt hoặc dòng sát mặt sẽ làm cho dòng ngầm cao hơn và ngược lại. Đặc trưng cho sự sút giảm dòng ngầm là hàm của hằng số thời gian dòng chảy ngầm (CKBF). Ban đầu, giá trị của vùng rễ cây TOF, TIF, và TG được thiết lập về 0. Sau một vòng đầu tiên của hiệu chuẩn, các thông số Umax, Lmax, CQOF, CK12, và CKBF có thể được điều chỉnh chính xác hơn nữa cho kết quả mô phỏng. Kết quả hiệu chỉnh bộ thông số mô hình được thể hiện trong bảng 3.5 và hình 3.10. 57 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” Bảng 3.5 Bộ thông số mô hình NAM từ hiệu chỉnh mô hình cho lưu vực Thác Mơ TT Thông số chính của mô hình Giá trị 1 Lớp nước cực đại trong tầng trữ mặt , Umax [mm] 14.5 2 Lớp nước cực đại trong tầng rễ cây, Lmax [mm] 153 3 Hệ số dòng chảy mặt, CQOF [] 0.505 4 Hằng số thời gian của dòng sát mặt, CKIF [giờ] 202.5 5 Hằng số thời gian cho diễn toán dòng sát mặt và dòng chảy mặt, CK12 49.8 6 Giá trị ngưỡng tầng rễ cây sản sinh dòng chảy mặt, TOF [] 0.978 7 Giá trị ngưỡng tầng rễ cây sản sinh dòng chảy sát mặt, TIF [] 0.971 8 Giá trị ngưỡng tầng rễ cây sản sinh dòng thấm xuống tầng nước ngầm, 0.00687 9 Hằng số thời gian dòng chảy ngầm, CKBF [giờ] 1182 Hình 3.10 Quá trình lũy tích dòng chảy thực đo và mô phỏng tại Thác Mơ thời kỳ hiệu chỉnh mô hình NAM 3.5.2 Mô hình FRASC Đối với mô hình FRASC, việc phân loại của các thông số đã được đề cập trong bốn nhóm thực sự là một hệ thống của cấu trúc mô hình và tương ứng với những đặc điểm khác nhau trong chu trình thủy văn. Các thông số trong cùng một nhóm có xu hướng phụ thuộc lẫn nhau. Các giá trị tham số trong các nhóm cao hơn có ít ảnh hưởng lên các giá trị trong các nhóm thấp hơn, ví dụ sự thay đổi giá trị tham số tập trung dòng chảy trong phạm vi hợp lý sẽ không ảnh hưởng đến giá trị tối ưu của tham số phân chia dòng chảy, và thay đổi giá trị tham số phân chia dòng chảy sẽ 58 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” không ảnh hưởng đáng kể đến giá trị tối ưu của thông số hình thành dòng chảy và bốc thoát hơi. Do đó, các thông số của các nhóm thấp hơn được tối ưu hóa trước và chức năng khác nhau được sử dụng cho các nhóm khác nhau. Nguyên tắc này và quá trình hiệu chuẩn thông số đã được sử dụng thành công nhiều nơi ở Trung Quốc và Nông Sơn ở Việt Nam. Dựa trên kinh nghiệm này, thủ tục hiệu chuẩn mô hình FRASC đã được ứng dụng cho lưu vực Thác Mơ. Đầu tiên, các giá trị ban đầu được giả định và sau đó các giá trị của tham số từ hiệu chuẩn mô hình được so sánh và xem xét. Như đã đề cập ở phần trước, do sử dụng phương pháp bốc hơi tiềm năng bằng phương pháp Penman – Monteith thay vì bốc hơi chậu Pan nên K = 1. Đối với các nhóm bốc thoát hơi, UM và LM được lưa chọn bởi kinh nghiệm và C được điều chỉnh. Tổng của KG và KI cố định (0,7 hoặc 0,8) và điều chỉnh EX ở mức 1,5, các thông số nhóm tứ ba KG/KI và SM được tối ưu hóa tìm kiếm hai chiều sử dụng mục tiêu chức năng của sai số tương đối có nghĩa. Sau đó các giá trị CG và CI được điều chỉnh. Bảng 3.6 Bộ thông số mô hình FRASC từ hiệu chỉnh mô hình cho lưu vực Thác Mơ Tham số Giá trị Tỷ số lượng bốc thoát hơi tiềm năng so với lượng bốc hơi đo bằng chảo 1 Ứng suất nước diện bình quân của lớp trên (UM) 100 Ứng suất nước diện bình quân của lớp dưới (LM) 100 Ứng suất nước diện bình quân (WM) 5 Hệ số độ sâu bốc thoát hơi nước (C) 0.1 Thừa số hàm phân bố ứng suất nước (B) 0.6 Thừa số vùng không thấm (IM) 0.01 Bình quân diện lớp trữ bề mặt (SM) 100 Thừa số hàm phân bố lớp trữ bề mặt (EX) 0.01 Hệ số của lượng nước bề mặt xuống tầng ngầm (KG) 0.1 Hệ số lượng nước mặt xuống lớp sát bề mặt (KI) 0.6 Hằng số sút giảm tầng nước ngầm hằng ngày (CG) 0.1 Hằng số sút giảm tầng thấp lớp sát bề mặt (CI) 20 Hằng số trữ phương pháp Muskingum 50 Trọng số phương pháp Muskingum 0.2 59 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” Hình 3.11 Quá trình lũy tích dòng chảy thực đo và mô phỏng tại Thác Mơ thời kỳ hiệu chỉnh mô hình FRASC 3.6 So sánh Thời kì kiểm định mô hình từ năm 1985 đến năm 1987. Tổng lưu lượng mô phỏng của hai mô hình so với lưu lượng thực đo trung bình ngày trong thời kì hiệu chuẩn và kiểm định được trình bày trong hình 3.13 và 3.14; cân bằng tổng lượng nước hàng năm được thể hiện trong hình 3.12. Số liệu thống kê được trình bày trong bảng 3.7. Từ bảng 3.7 cho ta một cái nhìn khái quát về hiệu quả của hai mô hình. Theo các giá trị thống kê bảng 3.7 cho thấy rằng NAM mô phỏng phần nào tốt hơn so với mô hình FRASC trong thời kỳ hiệu chuẩn, chẳng hạn, hệ số hiệu quả R2, và hệ số tương quan, r, thời kỳ hiệu chỉnh của NAM tương ứng là 0.857 và 0.928, nhưng của FRASC chỉ là 0,800 và 0,894. Tuy nhiên, trong thời kỳ kiểm định mô hình thì FRASC lại mô phỏng tốt hơn các giá trị tương ứng là 0.855 và 0.925 cho NAM và 0.859 và 0.930 cho FRASC. Trong cả hai thời kỳ độ sai lệch tổng lượng thì NAM phần nào tốt hơn FRASC. Theo TS. Vũ Vă Nghị[27] thì giá trị hệ số hiệu quả mô hình từ 0.50 đến 1.00 là chấp nhận được. Như vậy, từ bảng 3.7 cả NAM và FRASC thể hiện khá tốt sự phù hợp và thỏa mãn các điều kiện mô phỏng quá trình dòng chảy lưu vực Thác Mơ. 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 0 200 400 600 800 1000 1200 Lưu lượng mô phỏng Lưu lượng thực đo 60 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” Bảng 3.7 Tiêu chuẩn đánh giá hai mô hình NAM và FRASC thời kì hiệu chuẩn (1982 – 1984) và kiểm định (1985 – 1987) cho lưu vực Thác Mơ Tiêu chuẩn đánh giá Thời kỳ NAM FRASC Độ sai lệch, BIAS (%) Hệ số Nash-Sutcliffe, R2 Hệ số tương quan Pearson, r Hiệu chuẩn Kiểm định Hiệu chuẩn Kiểm định Hiệu chuẩn Kiểm định 0.070 0.674 0.857 0.855 0.928 0.925 -1,582 -1.984 0,800 0.859 0,894 0.930 Trong điều kiện cân bằng nước, từ hình 3.12 cho thấy trong suốt thời kỳ hiệu chuẩn mô hình, sai số tổng lượng hàng năm thay đổi từ -5.2% đến 1.4% bình quân chung - 1.582% đối với FRASC và từ -8.8% đến 8.1% bình quân chung 0.07% cho mô hình NAM. Trong thời kỳ kiểm định mô hình các giá trị này tương ứng là -3.40% đến - 0.33% bình quân chung -1.84% đối với FRASC và từ -2.97% đến 8,85% bình quân chung 0.674% đối với NAM. Từ kết quả phân tích ở trên cho thấy nếu xét riêng từng năm thì mô hình FRASC mô phỏng cân bằng nước tốt hơn mô hình NAM. Mô hình FRASC mô phỏng gần sát với thực tế trong suốt quá trình hiệu chuẩn mô hình và kiểm định mô hình. Sai số tổng lượng mô hình NAM ít hơn mô hình FRASC là do vào thời kỳ hiệu chuẩn, năm 1982 lưu lượng mô phỏng cao hơn so với thực tế trong khi năm 1983 lại thấp hơn, thời kỳ kiểm định mô hình năm 1985 lưu lượng mô phỏng cao hơn thực tế nhưng hai năm còn lại (1986, 1987) lưu lượng mô phỏng lại thấp hơn. 61 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” Hình 3.12 Cân bằng tổng lượng nước hàng năm của mô hình NAM và FRASC mô phỏng so với thực đo trong thời kì hiệu chuẩn (1982 – 1984) và kiểm định (1985 – 1987) cho lưu vực Thác Mơ Cả mô hình NAM và FRASC mô phỏng sự phân bố lượng mưa vào ba thành phần dòng chảy: dòng chảy mặt, dòng sát mặt và dòng ngầm. Theo kết quả mô phỏng trong thời kỳ hiệu chuẩn và kiểm định lượng dòng chảy của NAM và FRASC mô phỏng cho lưu vực Thác Mơ khá tốt và khá trùng khớp với nhau, phân tích sự phân bố các lớp dòng chảy mặt, dòng sát mặt và dòng ngầm do hai mô hình sản sinh lại khá trùng khớp. Trong nghiên cứu này, thành phần dòng chảy ngầm của cả hai mô hình chiếm phần lớn chiếm khoảng từ 40% - 60%. Nguyên dẫn đến kết quả này là do tại khu vực này độ che phủ thảm thực vật trong những năm hiệu chỉnh và kiểm định mô hình tương đối lớn, lượng nước được thảm phủ thực vật giữ lại hình thành dòng ngầm. Từ hình 3.13 và 3.14 cho ta thấy được rằng, mô hình NAM và FRASC mô phỏng khá tốt lưu vực Thác Mơ, đường quá trình mô phỏng gần trùng khớp với thực tế. Tuy nhiên, trong thời kỳ kiểm định mô hình thì mô hình FRASC có phần nào tốt hơn. Ngoài ra, mô hình FRASC còn có thể cho biết thong tin tài nguyên nước từng vị trí trên lưu vực, từ đó kết hợp với DEM ta có thể xây dựng được bản đồ ngập lụt vùng nghiên cứu, hay phân bố dòng chảy để phục vụ cho các nhu cầu KT – XH. 0 10000 20000 30000 40000 50000 1982 1983 1984 Qobs NAM FRASC 0 10000 20000 30000 40000 50000 1985 1986 1987 Qobs NAM FRASC 62 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” Hình 3.13 Kết quả hiệu chuẩn mô hình của lưu lượng ngày tai Thác Mơ giai đoạn 1982 - 1984 Hình 3.14 Kết quả kiểm định mô hình lưu lượng ngày tại Thác Mô giai đoạn 1985 - 1987 0 500 1000 1500 20000 200 400 600 800 1000 1/1982 5/1982 9/1982 12/1982 Qobs NAM FRASC Rainfall -100 400 900 1400-100 400 900 1400 1982 1983 1984 Qobs NAM FRASC Rainfall 0 200 400 600 800 10000 200 400 600 800 1/1985 5/1985 9/1985 12/1985 Qobs NAM FRASC Rainfall -100 400 900 1400-100 400 900 1400 1985 1986 1987 Qobs NAM FRASC Rainfall 63 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” 3.7 Kết luận Hai mô hình NAM và FRASC được dùng để hiệu chỉnh và kiểm định cho lưu vực Thác Mơ một vùng có lượng mưa dồi dào. Nhìn chung, hai mô hình mô phỏng khá tốt, cân bằng tổng lượng nước mô phỏng sai khác nhỏ hơn ±10% trong cả hai thời kỳ hiệu chỉnh và kiểm định mô hình. Trong tất cả các trường hợp hệ số tương quan R2 đạt trên 0.8 cho thấy sự phù hợp giữa dòng chảy tính toán và thực đo tại trạm khống chế lưu vực. Theo kết quả mô phỏng cho thấy rằng, mô hình NAM mô phỏng phần nào tốt hơn so với FRASC trong thời kỳ hiệu chỉnh nhưng lài thấp hơn FRASC trong thời kỳ kiểm định. Tuy nhiên, sự khác biệt trong kết quả so sánh không lớn. Đối với NAM kết quả mô phỏng chỉ cho biết lưu lượng tại cửa ra của lưu vực. Ngoài kết quả lưu lượng tại cửa ra của lưu vực, mô hình FRASC đưa ra được thông tin về tài nguyên nước tại từng điểm trên lưu vực; đặc biệt, đối với mô hình FARSC từ kết quả mô phỏng lũ với mô hình cao độ số (DEM) có thể xây dựng được bản đồ ngập lụt, đưa ra được thông tin về sự phân bố các lớp dòng chảy tại từng vị trí trên lưu vực, tính toán tài nguyên nước tại từng vị trí phục vụ các nhu cầu phát triển KT - XH. Vì vậy, mô hình FRASC có thể được xem như là một công cụ hữu ích cho việc kiễm soát lũ và quản lý tài nguyên nước tổng hợp cho lưu vực Thác Mơ. Từ những nhận định trên, tác giả sử dụng mô hình FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ trong chương tiếp theo của nghiên cứu này. 64 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” CHƯƠNG 4 ĐÁNH GIÁ TÀI NGUYÊN NƯỚC LƯU VỰC THÁC MƠ 4.1 Tổng quan Nghiên cứu đánh giá tiềm năng nguồn nước là một trong những nội dung chính của vấn đề quản lý tổng hợp lưu vực và sử dụng hợp lý tài nguyên nước đối với bất cứ lưu vực hay hệ thống sông nào. Lượng nước chảy qua cửa ra của một lưu vực luôn luôn thay đổi theo thời gian bao gồm (i) sự thay đổi hàng năm: năm nhiều nước, năm trung bình và năm ít nước; (ii) sự thay đổi theo tính chu kỳ rõ ràng thể hiện trong từng năm một: mùa lũ và mùa kiệt. Mặt khác do yêu cầu sản xuất và kế hoạch phát triển kinh tế xã hội, người ta quan tâm đến trữ lượng nguồn nước trong một năm/mùa. Vì vậy, khi nghiên cứu và tính toán dòng chảy sông ngòi phục vụ cho công tác quy hoạch và thiết kế công trình thủy lợi thường dùng thời đoạn năm/mùa để tính toán. Dòng chảy năm/mùa thiết kế là đặc trưng quan trọng cần phải xác định khi quy hoạch, thiết kế hệ thống công trình thủy lợi, đặc biệt là công trình hồ chứa nước. Dòng chảy năm hay mùa thiết kế là căn cứ để hoạch định phương án quy hoạch và quy mô kích thước của công trình. Từ những vấn đề đặt ra trên, trong chương này học viên đánh giá tiềm năng nguồn nước phục vụ công tác quy hoạch tổng hợp lưu vực và sử dụng hợp lý tài nguyên nước lưu vực thác Mơ bao gồm: (i) tính toán đặc trưng dòng chảy; (ii) tính toán dòng chảy năm; (iii) tính toán dòng chảy theo mùa; và (iv) tính toán dòng chảy năm và mùa tương ứng với tần suất thiết kế theo phương pháp thống kê toán học. Kết quả mô phỏng và tính toán được trình bày trong những phần dưới. Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa h Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình th lưu vực Thác Mơ” 4.2 Kết quả mô phỏng dòng ch Từ kết quả so sánh và đánh giá mô h trong chương 3, trong chương này, h tài nguyên nước lưu vực Thác Với kết quả hiệu chỉnh mô hình bộ thông số mô hình đã hiệ lưu vực Thác Mơ được mô ph dòng chảy ngày cho lưu vự lưu vực được trình bày chi ti Hình 4.1 Quá trình lưu lư 4.3 Phân tích và đánh giá k Từ kết quả tính toán mô phỏ từ 1982 - 2007, dòng chảy tháng, năm và mùa hàng năm và trung b cho lưu vực Thác Mơ được xác đ 4.3.1 Tính toán đặc trưng d Từ tài liệu lưu lượng ngày t (1982- 2007), dòng chảy tháng, năm và mùa hàng năm và trung b được xác định. Bảng 4.1 dư 0 200 400 600 800 1000 1200 1982 1985 1988 65 ọc Môi Trường ủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyê ảy ình ứng dụng thích trong cho lưu v ọc viên sử dụng mô hình FRASC Mơ theo không gian và thời gian. FRASC, dựa vào tài liệu đầu vào như mưa, b u chỉnh, độ che phủ thực vật và dữ liệu GIS ỏng. Hình 4.1 thể hiện kết quả mô phỏ c Thác Mơ. Lưu lượng dòng chảy trung bình tháng c ết ở phụ lục. ợng ngày mô phỏng cửa ra Thác Mơ 198 ết quả tính toán ng dòng chảy ngày bằng mô hình FRASC ình nhi ịnh. òng chảy ại cửa ra vùng nghiên cứu trong thời kỳ 26 ình nhi ới đây thể hiện giá trị các đại lượng biểu th 1991 1994 1997 2000 2003 n nước ực Thác Mơ để đánh giá ốc hơi, , dòng chảy ng quá trình ủa 2 - 2007 trong thời kỳ ều năm năm liên tục ều năm ị dòng chảy 2007 66 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” tháng, năm và mùa trung bình nhiều năm bao gồm: lưu lượng dòng chảy bình quân, tổng lượng dòng chảy, mô đun dòng chảy, lớp dòng chảy và hệ số dòng chảy. Hình 3.3 biểu thị phân phối dòng chảy năm theo lưu lượng bình quân tháng nhiều năm tại cửa ra lưu vực Thác Mơ. Bảng 4.1 Đặc trưng dòng chảy trung bình nhiều năm lưu vực nghiên cứu Các đặc trưng Lưu lượng Q (m3/s) Tổng lượng W (106 m3) Mô đun M (l/s-km2) Lớp dòng chảy Y (mm) Lượng mưa X (mm) Hệ số dòng chảy a Tháng 1 36 96.4 16.3 43.5 10.0 4.4 Tháng 2 20 53.6 9.0 24.2 14.0 1.7 Tháng 3 11 29.5 5.0 13.3 48.0 0.3 Tháng 4 10 26.8 4.5 12.1 124.0 0.1 Tháng 5 31 83.0 14.0 37.5 294.0 0.1 Tháng 6 93 249.1 42.0 112.5 361.0 0.3 Tháng 7 172 460.7 77.7 208.0 374.0 0.6 Tháng 8 267 715.1 120.5 322.9 447.0 0.7 Tháng 9 298 798.2 134.5 360.3 467.0 0.8 Tháng 10 270 723.2 121.9 326.5 314.0 1.0 Tháng 11 128 342.8 57.8 154.8 123.0 1.3 Tháng 12 66 176.8 29.8 79.8 38.0 2.1 Năm 117 3,755.1 52.7 1695.3 2614.0 0.65 Mùa lũ 227.0 3,040.0 102.5 1372.5 2257.0 0.61 194.3% 81.0% 194.3% 81.0% 86.3% Mùa kiệt 38 715.1 17.2 322.9 357.0 0.90 32.6% 19.0% 32.6% 19.0% 13.7% 67 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” Hình 4.2 Lưu lượng dòng chảy trung bình tháng tại lưu vực Thác Mơ 4.3.2 Dòng chảy năm Kết quả tính toán lượng dòng chảy năm trung bình nhiều năm, hay còn gọi là chuẩn dòng chảy năm, cho thấy các đặc trưng dòng chảy như: lưu lượng Qo vào khoảng 117 m3/s, tổng lượng Wo = 3755.1 106 m3, mô đun dòng chảy Mo = 52.7 l/s-km2, lớp dòng chảy Yo = 1695.3 mm và hệ số dòng chảy a = 0,65. Hình 4.3 Diễn biến lưu lượng trung bình năm tại Thác Mơ thời kì 1982-2007 0 50 100 150 200 250 300 350 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Otc Nov Dec Lư u lư ợn g (m3/s) Lưu lượng dòng chảy trung bình tháng tại lưu vực thác Mơ 0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 140.0 1982 1985 1988 1991 1994 1997 2000 2003 2006 68 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” Theo Atlas tài nguyên nước Việt Nam và theo các tài liệu nghiên cứu của Viện KHTL Miền Nam[4] thì các giá trị đặc trưng dòng chảy trên cho thấy tài nguyên nước mặt trong vùng nghiên cứu là dồi dào và cao hơn rất nhiều trung bình cả nước, và xét riêng trong lưu vực Đồng Nai. Như vậy có thể kết luận rằng tài nguyên nước mặt khu vực nghiên cứu này có tiềm năng rất lớn đáp ứng các yêu cầu cho phát triển kinh tế xã hội. Dòng chảy hàng năm tại Thác Mơ biến đổi một cách tương đối. Theo liệt tài liệu dòng chảy trong thời kỳ nghiên cứu từ 1982 đến 2007, lưu lượng trung bình năm lớn nhất đạt 124 m3/s (năm 2000) trong khi năm kiệt nhất là 85.6 m3/s (năm 1995) với khoảng lệch quân phương chỉ khoảng 13.54 m3/s (tương đương 13% so với giá trị lưu lượng trung bình nhiều năm). 4.3.3 Dòng chảy theo mùa Theo thống kê các đại lượng đặc trưng dòng chảy, mùa lũ bắt đầu từ tháng 7 và kết thúc vào tháng 11 tức là chậm hơn so với mùa mưa 2 tháng (5 – 10). Hình 4.4 Diễn biến lưu lượng trung bình mùa lũ tại Thác Mơ thời kì 1982-2007 Theo tính toán lượng dòng chảy mùa lũ kéo dài trong 5 tháng nhưng chiếm tới 81% tổng lượng nguồn nước cả năm. Như vậy so sánh với lượng mưa, khả năng điều tiết tự nhiên của lưu vực chỉ đạt có 6%. Tháng có lượng dòng chảy lớn nhất là tháng 9 0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 1982 1985 1988 1991 1994 1997 2000 2003 2006 69 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” với trị số lưu lượng 298 m3/s (cao hơn 255% so với trị số trung bình năm). Quy luật dòng chảy phân bố không đều dẫn đến tình trạng hạn thủy văn vào những tháng đầu năm, đặc biệt là tháng 3 và 4 khi mà lưu lượng dòng chảy bình quân chỉ có 10 – 11 m3/s (tức chỉ khoảng 8 – 9% so với trị số trung bình năm), như vậy trên các con sông suối nhỏ đầu nguồn hầu như không có nước trong những tháng này. Do đó, đối với các nhà quy hoạch, quản lý và sử dụng tài nguyên nước mặt trên lưu vực cần có những biện pháp điều phối nguồn nước hợp lý. Diến biến lượng dòng chảy mùa lũ hàng năm biến đổi một cách tương đối như diễn biến lượng dòng chảy năm, theo liệt tài dòng chảy trong thời kỳ nghiên cứu 1982- 2007 lưu lượng mùa lũ lớn nhất là 260.5 m3/s (năm 1999) trong khi năm kiệt nhất là 147.7 m3/s (năm 2003) với trị số trung bình trong nhiều năm là 212.7 m3/s và khoảng lệch quân phương 29.2 m3/s (tương đương 13.7% so với giá trị lưu lượng mùa lũ trung bình nhiều năm). Hình 4.5 Diễn biến lưu lượng trung bình mùa kiệt tại Thác Mơ thời kì 1982-2007 Lượng dòng chảy mùa kiệt biến đổi tương đối lớn, theo liệt tài liệu dòng chảy trong thời kỳ nghiên cứu 1982 – 2007 lưu lượng dòng chảy mùa kiệt lớn nhất là 77.1 m3/s (năm 1999) trong khi năm kiệt nhất chỉ có 9.6 m3/s (năm 1983) với trị số trung bình 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 1982 1985 1988 1991 1994 1997 2000 2003 2006 70 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” trong nhiều năm là 31.7 m3/s mà khoảng lệch quân phương lên đến 15.4 m3/s (tương đương 48.7% so với giá trị lưu lượng trong mùa kiệt trung bình nhiều năm). 4.3.4 Tính toán dòng chảy năm, mùa thiết kế Dòng chảy năm/mùa thiết kế là đặc trưng quan trọng cần phải xác định khi quy hoạch, thiết kế hệ thống công trình thủy lợi, đặc biệt là công trình hồ chứa. Dòng chảy năm/mùa thiết kế là căn cứ hoạch định phương án quy hoạch và quy mô kích thước công trình. Vì dòng chảy năm/mùa thiết kế là dòng chảy năm/mùa tương ứng với tần suất thiết kế nên nó được xác định theo phương pháp thống kê toán học. Các tần suất thiết kế đưa ra cho công tác quy hoạch sử dụng tài nguyên nước đối với các tiêu chí phát triển kinh tế xã hội khác nhau như sau: P = 5% - năm nhiều nước để đánh giá và quy hoạch sử dụng nguồn nước đảm bảo đồng thời cho tất cả các hộ dùng nước trên toàn lưu vực; P = 50% - năm nước trung bình để đánh giá tổng quan tiềm năng nguồn nước; và P = 90% - năm ít nước đánh giá mức đảm bảo cấp nước thiết yếu nhất ví dụ như cấp nước cho dân sinh. Các tần suất thiết kế này được tính cho bài toán quy hoạch sử dụng nguồn nước tổng thể; còn đối với các công trình và các ngành cụ thể tần suất thiết kế phải được lấy từ TCXDVN-285-2002. Phân phối tài nguyên nước mặt theo từng tháng để tính toán cân bằng nước lưu vực theo các kịch bản khác nhau được thu phóng từ mô hình phân phối nước mặt tháng trung bình nhiều năm theo tỉ lệ K: tb p Q Q K = Trong đó Qp là lưu lượng với tần suất P và Qtb là lưu lượng trung bình nhiều năm. Dưới đây là kết quả tính toán dòng chảy năm/mùa theo một số tần suất thiết kế cho lưu vực Thác Mơ. Tổng hợp kết quả phân phối xác suất thống kê lưu lượng dòng chảy năm và dòng chảy mùa (mùa lũ và mùa kiệt) của lưu vực nghiên cứu được trình bày chi tiết trong phụ lục đính kèm. 71 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” Bảng 4.2 Lưu lượng dòng chảy TB năm tại Thác Mơ theo các tần suất thiết kế Tần suất P = 5% 50% 90% Biến chuẩn hóa y = 1.64 0.00 -1.28 Giá trị lưu lượng TB năm Q (m3/s)= 712 555 432 Bảng 4.3 Lưu lượng dòng chảy TB mùa lũ tại Thác Mơ theo các tần suất thiết kế Tần suất P = 5% 50% 90% Biến chuẩn hóa y = 1.64 0.00 -1.28 Giá trị lưu lượng mùa lũ Q (m3/s)= 1291 1022 812 Bảng 4.4 Lưu lượng dòng chảy TB mùa kiệt tại Thác Mơ theo các tần suất thiết kế Tần suất P = 5% 50% 90% Biến chuẩn hóa y = 1.64 0.00 -1.28 Giá trị lưu lượng mùa kiệt Q (m3/s)= 348 221 121 72 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận - Ngày nay cùng với sự phát triển của máy tính và phương pháp tính, nhiều mô hình thủy văn đã được xây dựng. Tuy nhiên, như đã trình bày trong nghiên cứu, không có mô hình phổ biến có thể thích hợp giải quyết mọi vấn đề thủy văn cũng như cho mọi lưu vực có điều kiện khí hậu khác nhau. Việc chọn lựa mô hình cho mỗi tình huống khác nhau cũng là vấn đề khó khăn đối với các chuyên gia thủy văn. - Luận văn đã tiến hành so sánh ứng dụng hai mô hình thủy văn NAM và FRASC để tìm ra mô hình thích hợp giải quyết các bài toán thủy văn cho lưu vực Thác Mơ. Kết quả hai mô hình mô phỏng khá tốt cho lưu vực Thác Mơ với hệ số BIAS 0.8 và r > 0.9 cho cả hai thời kỳ hiệu chỉnh và kiểm định mô hình. - Trên cơ sở các tiêu chuẩn đánh giá mô hình cũng như các yêu cầu về thông tin nguồn nước cần thiết cho các hộ sử dụng nước đang khai thác mạnh mẽ ở vùng nghiên cứu, FRASC được lựa chọn và đã mô phỏng dòng chảy ngày cho lưu vực nghiên cứu theo không gian và thời gian, cụ thể chuỗi tài liệu 26 năm (1982 - 2007) với độ phân giải 30’. - Bằng phương pháp phân tích thống kê, tiềm năng nguồn nước lưu vực Thác Mơ được đánh giá. Ví dụ tại vị trí cửa ra lưu vực các đặc trưng dòng chảy trung bình nhiều năm như: lưu lượng Q= 117 m3/s; tổng lượng W = 3755.1 m3; môđun M = 52.7 l/s-km2; lớp dòng chảy Y = 1695.3 mm; và hệ số dòng chảy α = 0.65; thêm vào đó là dòng chảy các năm thủy văn thiết kế khác nhau: P5% - năm nhiều nước, P50% - năm trung bình và P90% - năm ít nước; Kết quả ứng dụng mô hình FRASC độ tin cậy cao, là cơ sở khoa học hỗ trợ quản lý sử dụng hiệu quả tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ. 73 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” Kiến nghị Kết quả nghiên cứu của luận văn đã đạt được kết quả tốt là một trong những công cụ rất hữu ích trong quản lý tổng hợp và quản lý sử dụng hiệu quả tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ. Tuy nhiên, Luận văn cũng đề xuất một số nghiên cứu mở rộng nhằm đạt đến mục tiêu quản lý, khai thác và sử dụng hiệu quả tài nguyên nước theo lưu vực Thác Mơ như sau: - Thu thập, đánh giá sự biến đổi của thảm thực vật và ảnh hưởng của nó tới quá trình hình thành dòng chảy; - Mô phỏng dòng chảy lũ (thời đoạn ngắn) và các tác động của nó; - Nghiên cứu mở rộng sang các các lãnh vực như mô hình mô phỏng chất lượng nước, phân tích kinh tế tài nguyên nước phục vụ cho việc phát triển bền vững kinh tế xã hội trên lưu vực Thác Mơ. 74 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1]. Nguyễn Hải Âu (2009), Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán thích hợp hỗ trợ quản lý sử dụng hiệu quả tài nguyên nước lưu vực sông Bé, Luận văn thạc sỹ môi trường – Viện Tài nguyên Môi trường; [2]. Đoàn Văn Cánh (2001-2004), Nghiên cứu xây dựng cơ sở khoa học và đề xuất các giải pháp bảo vệ và sử dụng hợp lý tài nguyên nước vùng Tây Nguyên, Đề tài cấp Nhà nước KC.08.05, Trường Đại học Mỏ - Địa chất; [3]. Đỗ Đức Dũng và nnk (2006), Đánh giá tài nguyên nước mặt lưu vực sông Lá Buông, Viện Quy hoạch Thủy Lợi Miền Nam; [4]. Đỗ Tiến Lanh (2007 – 2010), Quản lý tổng hợp lưu vực và sử dụng hợp lý tài nguyên nước hệ thống sông Đồng Nai, Đề tài cấp nhà nước KC.08.18/06-10 Viện Khoa học Thuỷ lợi Miền Nam; [5]. Vũ Văn Nghị (2003), Bốc thoát hơi nước – Phương pháp xác định và tính toán lượng bốc hơi thực tế cho lưu vực sông Bé, tuyển tập Khoa học Công nghệ năm 2003, Viện KHTL Miền Nam; [6]. Lê Văn Nghinh, Bùi Công Quang, Hoàng Thanh Tùng (2006), Giáo trình cao học Thuỷ lợi Mô hình toán thuỷ văn, NXB Xây dựng – Hà Nội; [7]. Nguyễn Hữu Khải – Nguyễn Thanh Sơn (2003), Mô hình toán thuỷ văn – nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội; [8]. Lâm Minh Triết (1999 - 2000), Xây dựng một số cơ sở khoa học phục vụ cho việc quản lý thống nhất và tổng hợp môi trường nước lưu vực sông Đồng Nai, Đề tài cấp nhà nước KHCN.07.17, Viện Môi trường và Tài nguyên. [9]. Nguyễn Quang Trung (2001-2004), Nghiên cứu xây dựng mô hình quản lý tổng hợp tài nguyên và môi trường lưu vực sông Đà, Đề tài cấp Nhà nước KC.08.04, Viện Khoa học Thủy lợi; [10]. Mô hình DELTA sông Mekong – Ban thư ký uỷ ban sông Mekong, 1980; [11]. Giáo trình thuỷ văn công trình (2008), trường Đại học Thuỷ lợi; [12]. Trung tân Khí tượng Thuỷ văn quốc gia (2008), Khái quát đặc điểm khí tượng thuỷ văn và bộ tài liệu khí tượng thuỷ văn lưu vực sông Đồng Nai. Hà Nội; 75 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” [13]. Viện QHTL Miền Nam (2006), Rà soát quy hoạch thuỷ lợi phục vụ phát triển kinh tế xã hội và đảm bảo quốc phòng an ninh vùng kinh tế trọng điểm phía Nam – Báo cáo tổng hợp, Tp . Hồ Chí Minh; [14]. Viện QHTL Miền Nam (2004), Rà soát quy hoạch thuỷ lợi tỉnh Bình Phước đến năm 2010 – Báo cáo tổng hợp; [15]. Viện KHTL Miền Nam (2004), Nghiên cứu sử dụng tổng hợp nguồn nước hồ Dầu Tiếng khi có bổ sung từ hồ Phước Hoà. Tp HCM; [16]. Viện KHTL Miền Nam (2006), Nghiên cứu các giải pháp khoa học công nghệ nhằm sử dụng có hiệu quả nguồn nước mặt và nước ngầm ở vùng khan hiếm nước phục vụ cây trồng vật nuôi ở Tây Nguyên; Tiếng Anh [17]. ASHIM DAS GUPTA, Application of MIKE BASIN for water management strategies in a watershed, JHA Manoj K; [18]. DHI Water & Environment. MIKE 11. Horsholm, Denmark, 2004a; [19]. Beven, K.J. and Kirkby, M.J., A physically based variable contributing area model of basin hydrology, Hydrological Sciences Bulletin, 1979, 24: 43-69; [20]. Crawford, N. H. and Linsley, R. S., Digital simulation in hydrology: The Stanford Watershed Model IV, Technical Report No. 39, Stanford University, Palo Alto, California: Department of Civil Engineering, 1966; [21]. Expert Meeting on Economics in Water Management Models, Copenhagen, Denmark, 15-16 November 2004; HarmonIT Workshop on Model Linking using OpenMI, Munich, Germany, 27 September 2005 v.v…; [22]. Pilgrim, D.H., Estimation of large and extreme floods, Civ. Eng. Trans. Inst. Engrs. Aust., 1986, CE28: 62-73; [23]. Rockwood, D.M., Theory and practice of the SSARR model as related to analyzing and forecasting the response of hydrologic systems, Proceedings of the International Symposium on Rainfall-Runoff Modeling, May 1981, Mississippi State University, 1982; [24]. Nielsen, S.A. and Hansen, E. Numerical simulation of the rainfall runoff process on a daily basis, Nordic Hydrology, 4, 171-190, 1973; 76 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” [25]. Vu, V.N., Dang, T.L., Do, D.D. Comparison of two hydrological model simulations using nam and xinanjiang for Nong Son catchment, Vietnam Journal of Mechanics, 2008; [26]. Vu, V.N., Dang, T.L., Do, D.D. Potential evapotranspiration estimation and its effect on hydrological model response, Vietnam Journal of Mechanics, 2008; [27]. Vu, V.N. Comparison of conceptual hydrological models and improvement via GIS aided approach. Ph.D Thesis, Hohai University, 2008; [28]. Vu, V.N. Rainfall – Runoff and hydrodynamic modeling in the Dong Nai river basin, Vietnam. MSC Thesis, UNESCO – IHE Delft, The Netherlands, 2002; [29]. Zhao, R.J. and Liu, X.R., The Xinanjiang model, In: Singh, V. P. (ed.) Computer models of watershed hydrology, Colo., USA: Water Res. Publ., 1995, 215-232. Các trang Web [30]. [31]. 77 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” PHỤ LỤC