TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009
1
MÔ HÌNH THUỶ VĂN DÒNG CHẢY RRMOD VÀ MỘT SỐ
KINH NGHIỆM HIỆU CHỈNH BỘ THÔNG SỐ CỦA MÔ HÌNH
THE RRMOD WATER CURRENT HYDROLOGICAL MODEL
AND SOME EXPERIENCES IN REGULATING ITS PARAMETERS
Nguyễn Đăng Thạch
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
TÓM TẮT
Mô hình RRMOD thường được dùng để phục hồi dòng chảy cho các sông suối không
có tài liệu đo đạc lưu lượng, bằng cách dựa vào trạm thuỷ văn trong vùng để hiệu chỉnh các bộ
thông số của mô hình đạt tiêu chuẩn tối ưu hoá. Sử dụng bộ thông số mô hình này cùng với
diện tích lưu vực, tình hình sử dụng đất trong vùng, lượng bốc hơi, lượng mưa lưu vực, dùng
mô hình RRMOD để tính toán phục hồi lại dòng chảy cho các sông suối của lưu vực nghiên
cứu. Bài báo đề cập đến phương pháp xác định lượng mưa và lượng bốc hơi lưu vực, thuật
toán sử dụng và một số kinh nghiệm khi hiệu chỉnh bộ thông số của mô hình RRMOD.
ABSTRACT
The RRMOD model is usually used to track the data of water current of rivers and
streams which have not been previously recorded. The model is able to generate optimized
standard parameters basing on the data collected from local hydrological stations. By using the
parameters recorded by RRMOD and the information on basin area, local land planning and
water evaporation and rainfall, we are able to calculate parameters that help to recover the
water currents of the observed basin. This article deals with the ways to determine water
evaporation and rainfall in the basin. It is also concerned with the application of algorithm and
our experiences in dealing with the regulation of RRMOD parameters .
1. Đặt vấn đề
Trong công tác quy hoạch, lập dự án đầu tư, thiết kế, khai thác quản lý các công
trình thuỷ lợi, thuỷ điện, công trình cấp nước sinh hoạt và công nghiệp, tài liệu về dòng
chảy và sự phân phối dòng chảy trong năm là tài liệu thuỷ văn rất quan trọng. Tài liệu này
giúp cho việc phân tích, đánh giá dòng chảy mặt của các lưu vực sông, làm cơ sở cho việc
tính toán cân bằng nước, xác định nguồn tài nguyên nước mặt, để đưa ra các phương án
quy hoạch khai thác bền vững nguồn nước, đưa ra các giải pháp công trình hợp lý, xác
định qui mô, kích thước các công trình, các phương án vận hành quản lý công trình..
Hiện nay do các trạm thuỷ văn cấp 1 (có đo đạc lưu lượng với số năm quan trắc
trên 15 năm) được bố trí rất ít và thường khống chế lưu vực lớn. Như ở tỉnh Thừa Thiên
Huế, trên hệ thống sông Hương (gồm sông Tả Trạch, sông Hữu Trạch và sông Bồ) hiện
nay chỉ có trạm thuỷ văn cấp 1 Thượng Nhật (sông Tả Trạch), tỉnh Quảng Nam và
thành phố Đà Nẵng có trạm thuỷ văn Thạnh Mỹ (sông Vu Gia) và trạm Nông Sơn (sông
Thu Bồn), tỉnh Quảng Ngãi có trạm An Chỉ (sông Trà Khúc), và trạm Sông Vệ (sông
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009
2
Vệ), tỉnh Bình Định có trạm An Lão (sông An Lão) và trạm Cây Muồng (sông Kône),
tỉnh Phú Yên có trạm Cũng Sơn (sông Ba)... Còn các sông nhánh và các hệ thống sông
khác ở địa bàn các tỉnh trên, không có tài liệu đo đạc dòng chảy nên gây khó khăn rất
nhiều khi đáng giá khả năng dòng chảy khi xây dựng công trình khai thác nguồn nước
của các sông trên.
Phương pháp sử dụng mô hình thuỷ văn dòng chảy thường hay được áp dụng
nhằm đánh giá khả năng dòng chảy của các lưu vực nghiên cứu không có tài liệu thực
đo, hoặc có tài liệu thực đo nhưng không đủ dài, bằng cách dựa vào các bộ thông số của
mô hình đã được hiệu chỉnh qua số liệu thực đo của các trạm thuỷ văn trong vùng. Với
bộ thông số của mô hình kết hợp với diện tích lưu vực, diện tích các loại đất trong vùng,
lượng bốc hơi, lượng mưa của lưu vực nghiên cứu sẽ tính toán phục hồi lại dòng chảy
của lưu vực nghiên cứu.
Để kéo dài và phục hồi dòng chảy năm của các lưu vực có liệt tài liệu quan trắc
ngắn hoặc không có tài liệu thực đo, có thể sử dụng các mô hình thủy văn dòng chảy
như: Mô hình TANK, SSARR, NAM ( MIKE), RRMOD
2. Giới thiệu các mô hình RRMOD mô phỏng dòng chảy
Mô hình RRMOD (Rainfall Runoff Model) được xây dựng vào năm 1981 do
phòng Quy hoạch và Máy tính thuộc Ban Thư ký sông Mê Kông và được sử dụng cho
nhiều loại lưu vực. Mô hình RRMOD là mô hình dùng để tính toán và nghiên cứu dòng
chảy tháng cho lưu vực sông, khôi phục và kéo dài liệt tài liệu dòng chảy ở lưu vực
không có tài liệu thực đo hoặc có nhưng thiếu tài liệu. Trong mô hình có mô tả hàm
thấm và hàm bốc hơi của lưu vực nên rất phù hợp với việc đánh giá tài nguyên nước,
ngoài ra mô hình chỉ có 25 thông số nên việc dò tìm khá thuận lợi khi sử dụng.
Hiện nay mô hình RRMOD thường được áp dụng để nghiên cứu tính toán dòng
chảy năm và dòng chảy năm thiết kế cho các nhánh sông suối không có hoặc thiếu tài
liệu thực đo, phục vụ cho việc tính toán cân bằng tài nguyên nước mặt trong dùng trong
công tác quy hoach, lập dự án đầu tư, thiết kế, khai thác quản lý các công trình lợi, thuỷ
điện, các công trình cấp nước sinh hoạt và công nghiệp.
3. Cấu trúc mô hình RRMOD
Cấu trúc của mô hình RRMOD đã được tác giả trình bày trong đề tài khoa học
và công nghệ cấp Đại học Đà Nẵng.
Tên đề tài: “Nghiên cứu xác định dòng chảy năm thiết kế bằng mô hình
RRMOD, phục vụ việc xây dựng các công trình thuỷ lợi - thuỷ điện trên lưu vực sông
Thu Bồn tỉnh Quảng Nam“. Mã số: T05-15-91 năm 2005.
Đề tài đã được nghiệm thu và cấp giấy “Xác nhận đã hoàn thành nhiệm vụ
nghiên cứu đề tài khoa học và công nghệ cấp Đại học Đà Nẵng“ ngày 20 tháng 8 năm
2007 của Đại học Đà Nẵng.
Mô hình RRMOD có các thông số và các điều kiện sau:
25 thông số điều hành của mô hình: từ a1 đến a25.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009
3
3 hệ số cường độ thấm: FILCA, PERCA,DPERCA
Sáu điều kiện đầu là: SAImin, SAmin, SFmin, SLmin, SSmin, SBmin
Hệ số hiệu chỉnh mưa cho các tháng: 12 hệ số
Các tiêu chuẩn để tối ưu hoá các thông số của mô hình:
Hệ số tương quan giữa kết quả tính toán và số liệu thực đo (Correlation
Coefficient) phải đạt 0.9
Chỉ số Nash - Sutcliffe 85
Hệ số cân bằng tổng lượng nước toàn năm (Water blance index of year) phải đạt
1.0 0.01
Hệ số cân bằng tổng lượng nước của từng tháng (Water blance index of month)
phải đạt 1.0 0.10.
4. Xác định bộ thông số mô hình RRMOD
Để tính toán khôi phục dòng chảy cho các nhánh sông suối không có tài liệu đo
đạc dòng chảy, trước hết cần tìm bộ thống số mô hình RRMOD áp dụng cho trạm thủy
văn trong vùng. Bộ thông số mô hình RRMOD được xác định theo thuật toán dò tìm tối
ưu, trên cơ sở so sánh kết quả tính toán từ mô hình với số liệu dòng chảy thực đo của
các trạm thuỷ văn và theo các tiêu chuẩn tối ưu như đã nêu trên
4.1. Tài liệu khí tượng thuỷ văn dùng trong mô hình RRMOD
Lưu lượng thực đo bình quân tháng của trạm thuỷ văn
Lượng mưa tháng của lưu vực trạm thuỷ văn
Lượng bốc hơi tháng của lưu vực trạm thuỷ văn
4.2. Xác định bộ thông số mô hình RRMOD cho lưu vực trạm thuỷ văn
Chương trình máy tính dùng để tính toán mô phỏng dòng chảy theo mô hình
RRMOD cần có 2 file nhập liệu: BD1.d, RRMOD.run. Kết quả trong 2 file: K1,K2
a) File BD1.d:
Chứa các số liệu sau:
Bộ thông số điều hành của mô hình gồm 25 thông số.
Diện tích lưu vực, diện tích đất nông nghiệp, diện tích đất rừng: 3 giá trị
Cường độ thấm: 3 thông số.
Ẩm độ: 12 thông số.
Hệ số hiệu chỉnh mưa cho các tháng: 12 hệ số.
Hệ số thay đổi diện tích đất nông nghiệp: số hệ số bằng số năm nghiên cứu, giá
trị là hệ số giữa diện tích đất nông nghiệp năm đang xét với diện tích đất nông
nghiệp năm đầu tiên.
Hệ số thay đổi diện tích đất rừng: số hệ số bằng số năm nghiên cứu, giá trị là hệ
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009
4
số giữa diện tích đất rừng năm đang xét với diện tích đất đất rừng năm đầu tiên.
b) File RRMOD.run:
Gồm số liệu khí tượng thuỷ văn File này chứa:
Tài liệu mưa lưu vực.
Tài liệu bốc hơi.
Tài liệu dòng chảy thực đo.
c) File K1
Kết qủa quá trình dòng chảy của lưu vực mô phỏng từ mưa.
d) File K2:
Kết qủa các dòng chảy thành phần.
Việc xác định các thông số của mô hình RRMOD cho lưu vực trạm thuỷ văn
thực hiện theo thuật toán dò tìm tối ưu.
4.3. Đánh giá kết quả hiệu chỉnh bộ thông số mô hình:
Có 4 tiêu chuẩn để tối ưu hoá các thông số của mô hình:
Hệ số tương quan giữa kết quả tính toán và số liệu thực đo (Correlation
Coefficient) phải đạt 0.9.
Chỉ số Nash - Sutcliffe 85.
Hệ số cân bằng tổng lượng nước toàn năm (Water blance index of year) phải đạt
1.0 0.01.
Hệ số cân bằng tổng lượng nước của từng tháng (Water blance index of month)
phải đạt 1.0 0.10.
5. Phục hồi dòng chảy năm các sông suối không có tài liệu đo đạc dòng chảy
Sử dụng các bộ thông số mô hình RRMOD của lưu vực trạm thuỷ văn, tiến hành
xác định quá trình dòng chảy năm cho các sông suối không có tài liệu đo đạc dòng chảy
trong vùng với các tài liệu sau: diện tích lưu vực, tài liệu mưa, tài liệu bốc hơi, tình hình
sử dụng đất của các sông suối đó .
5.1. Tài liệu mưa và bốc hơi lưu vực của các sông, suối nhánh
Tác giả sử dụng phương pháp bình quân gia quyền, để tính mưa và bốc hơi lưu
vực cho các sông suối, theo số liệu của các trạm đo mưa và trạm khí tượng trong lưu
vực và vùng lân cận, cách xác định tương tự như tính cho lưu vực của trạm thuỷ văn.
Lượng mưa của lưu vực nghiên cứu được xác định theo công thức
( mm) (1)
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(31).2009
5
- n: Số trạm đo mưa đưa vào tính toán.
- Xi: Lượng mưa của trạm thứ i.
- F: Diện tích của lưu vực.
- fi: Hệ số trọng số của trạm mưa thứ i ảnh hưởng đến lượng mưa của lưu vực
tính toán, tính bằng tỷ trọng khoảng cách từ trạm mưa đến trọng tâm lưu vực.
với (2)
- Ri: Khoảng cách từ trạm đo mưa thứ i đến trọng tâm lưu vực
Phương pháp này có độ chính xác cao và khắc phục được nhược điểm của các
phương pháp tính mưa thường dùng.
Lượng bốc hơi lưu vực cũng được tính theo phương pháp bình quân gia quyền.
5.2. Kết quả phục hồi dòng chảy năm các sông, suối nhánh
Bộ thông số mô hình RRMOD của trạm thuỷ văn được dùng để phục hồi dòng
chảy cho các sông suối không có tài liệu đo đạc dòng chảy.
Kết quả dòng chảy năm của các sông, suối trong lưu vực được phục hồi dòng
chảy theo số năm của liệt tài liệu mưa và bốc hơi lưu vực của các sông suối đó.
Từ các số liệu dòng chảy năm của các sông suối trên tính chuẩn dòng chảy năm
và dòng chảy năm thiết kế theo các tần suất thiết kế của các loại công trình cần nghiên
cứu.
6. Một số kinh nghiệm hiệu chỉnh bộ thông số của mô hình RRMOD
6.1. Giá trị của các thông số mô hình RRMOD
Qua kết quả hiệu chỉnh bộ thông số mô hình RRMOD cho các trạm thuỷ văn Cổ
Bi (sông Bồ), Bình Điền (sông Hữu Trạch), Thượng Nhật (sông Tả Trạch), Thạnh Mỹ
(sông Vu Gia), Nông Sơn (sông Thu Bồn), An Chỉ (sông Trà Khúc), Sông Vệ (sông
Vệ), Cây Muồng (sông Kône), An Khê (sông Ia Ba), Ayun Hạ (sông Ayun), Krông
Hnăng (sông Krông Hnăng), Sông Hinh (sông Hinh), Cũng Sơn (sông Ba).
Giá trị thường gặp của bộ thông số của mô hình RRMOD đối với các lưu vực
sông ở miền Trung có thể tham khảo theo bảng sau:
Bảng 1. Giá trị của cá bộ thông số mô hình RRMOD đối với các sông ở miền Trung
Tên thông số Ký
hiệu
Đơn
vị
Từ - đến
Diện tích lưu vực
AREA
Km2
Hệ số cường độ thấm mặt
FILCA
m 0.15-0.20