Báo cáo "Xây dựng mô hình mưa – dòng chảy để khôi phục số liệu dòng chảy tại An Khê trên lưu vực sông Ba "

Chia sẻ: Phạm Huy | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:9

Thêm vào BST

Báo xấu

168
lượt xem 19
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài báo này trình bày các bước xây dựng mô hình mô phỏng mưa – dòng chảy cho tiểu lưu vực An Khê, thuộc lưu vực sông Ba dựa trên một mô hình nhận thức thông dụng (mô hình NAM). Mô hình được viết bằng ngôn ngữ lập trình FORTRAN, được hiệu chỉnh, kiểm định, so sánh kết quả tính toán với số liệu lưu lượng ngày thực đo và kết quả tính toán bằng mô hình MIKE – NAM.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo "Xây dựng mô hình mưa – dòng chảy để khôi phục số liệu dòng chảy tại An Khê trên lưu vực sông Ba "

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 28, Số 3S (2012) 30-38 Xây dựng mô hình mưa – dòng chảy để khôi phục số liệu dòng chảy tại An Khê trên lưu vực sông Ba Nguyễn Tiền Giang*, Nguyễn Thị Hoan Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN,334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 15 tháng 7 năm 2012 Tóm tắt. Bài báo này trình bày các bước xây dựng mô hình mô phỏng mưa – dòng chảy cho tiểu lưu vực An Khê, thuộc lưu vực sông Ba dựa trên một mô hình nhận thức thông dụng (mô hình NAM). Mô hình được viết bằng ngôn ngữ lập trình FORTRAN, được hiệu chỉnh, kiểm định, so sánh kết quả tính toán với số liệu lưu lượng ngày thực đo và kết quả tính toán bằng mô hình MIKE – NAM. Kết quả hiệu chỉnh, kiểm định và so sánh cho thấy mô hình được thiết lập (NAM – FORTRAN) mô phỏng tốt quá trình dòng chảy từ mưa cho tiểu lưu vực trên. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định đạt 75,8% và 70.5% (theo chỉ tiêu Nash), đối với mô hình NAM – FORTRAN, trong khi với cùng bộ thông số mô hình MIKE – NAM cho trị số Nash lần lượt là 70,8% và 68,6%. Có thể kết luận, với cùng một mô hình nhận thức, do cách xử lí mô hình toán và xây dựng mô hình số khác nhau nên các kết quả mô phỏng là khác nhau. Mô hình xây dựng được cần được tiếp tục áp dụng ở các lưu vực khác để khẳng định tính đúng đắn của nó. Từ khóa: Mô phỏng, mô hình NAM, An Khê, sông Ba. 1. Giới thiệu phát triển của máy tính đã có rất nhiều các mô hình mô phỏng mưa – dòng chảy dựa trên các Lưu vực sông Ba là một trong 9 lưu vực quá trình vật lý (process-based models) được ra sông lớn của Việt Nam, gồm một dòng chảy đời. Có thể kể đến một số mô hình mưa rào – chính là Sông Ba và ba nhánh sông lớn: Iayun, dòng chảy như: HEC – HMS, TANK, MIKE – Krong Hnang, sông Hinh . Lưu vực có địa hình SHE, MIKE NAM [1]. Tuy nhiên có một vấn bị chia cắt mạnh do sự chi phối của dãy Trường đề gặp phải ở đây là hầu hết các mô hình mưa – Sơn. Đặc điểm khí hậu và thủy văn phức tạp dòng chảy thông dụng hiện nay đều là mô hình không giống nhau giữa các vùng. Trên lưu vực thương mại. Do đó, đánh giá độ nhạy, phân tích có rất nhiều hồ chứa. Các trạm thủy văn đo lưu tính bất định của mô hình không thể thực hiện lượng trên lưu vực là khá thưa và chuỗi số liệu được nếu không có mã nguồn và các sửa đổi đo đạc là không liên tục. phù hợp [2]. Đồng thời việc xây dựng một mô Mô hình mưa – dòng chảy là một bộ phận hình hệ thống liên kết các mô hình thủy văn, của mô hình thủy văn. Cho đến nay cùng với sự thủy lực, điều tiết hồ chứa... là khó khăn. _______ Từ những nhận định trên, bài báo này tiến  xây dựng một mô hình NAM bằng ngôn ngữ Tác giả liên hệ. ĐT: 84-4-38584943. E-mail: giangnt@vnu.edu.vn 30
N.T. Giang, N.T. Hoan / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 28, Số 3S (2012) 30-38 31 lập trình FORTRAN. Với mô hình này người - Bước 8: Kiểm định chất lượng mô hình dùng có thể đưa thêm vào các thuật toán tối ưu - Bước 9: Thiết kế, tiến hành thí nghiệm số dò tìm tham số, các chỉ tiêu đánh giá mô hình. - Bước 10: Phân tích, diễn giải kết quả sau Mặt khác khi đưa thêm các mô đun tạo chuỗi số khi áp dụng thử nghiệm ngẫu nhiên, người dùng có khả năng phân tích độ nhạy và độ bất định của tham số, cũng như - Bước 11: Biên tập báo cáo đầu vào của mô hình. 2.2. Sơ lược về mô hình NAM Nam là chữ viết tắt của chữ Đan Mạch “Nedbor – Afstromming – Model” [4], nghĩa là mô hình mưa – dòng chảy. Mô hình NAM thuộc loại mô hình thủy văn tất định – nhận thức – gộp, được xây dựng vào khoảng năm 1982 tại khoa Thủy Văn Viện kỹ thuật thủy động lực và thủy lực thuộc trường Đại học kỹ thuật Đan Mạch. Mô hình đã được áp dụng rộng rãi ở Việt Nam và cho kết quả khả quan [5]. Hình 1. Lưu vực sông Ba. 2. Tìm hiểu và xây dựng mô hình NAM 2.1. Các bước xây dựng mô hình mô phỏng Tiến hành mô phỏng sử dụng mô hình toán gồm các bước sau [3] - Bước 1: Thiết lập và định nghĩa vấn đề - Bước 2: Định nghĩa hệ thống Hình 2. Cấu trúc của mô hình NAM. - Bước 3: Thiết lập mô hình nhận thức - Bước 4: Thiết lập mô hình toán Mô hình được xây dựng trên nguyên tắc sắp xếp một số các bể chứa theo chiều thẳng đứng - Bước 5: Xây dựng mô hình số và 2 bể chứa tuyến tính nằm ngang. Riêng bể - Bước 6: Kiểm tra lỗi chưa tuyết tan: Đối với khí hậu nhiệt đới ở Việt - Bước 7: Xác định các thông số mô hình Nam không xét đến bể chứa này.
32 N.T. Giang, N.T. Hoan / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 28, Số 3S (2012) 30-38 2.3. Mô hình toán của mô hình NAM Hình 3 thể hiện chi tiết các bước tính toán (5) các thành phần dòng chảy diễn ra trong các bề chứa của mô hình NAM. Trong đó: OF là dòng chảy mặt - Dòng chảy sát mặt (QIF) (mm/h), OFmin là giới hạn trên của quá trình dòng chảy ( OFmin = 0,4 mm/h) (1) Công thức diễn toán dòng chảy mặt và dòng chảy sát mặt: OF  QOF 1  et / CK 12   OFi 1.et / CK 12 Trong đó: CKIF là hằng số thời gian dòng  (6) OF  QOF 1  et / CK   OFi 1.et / CK chảy sát mặt, nó chính là phần U tạo thành dòng  chảy sát mặt. TIF là ngưỡng dưới của dòng IF  QIF 1  et / CK 12   IFfi 1.et / CK12 (7) chảy sát mặt (0  TIF Umax, thì lượng nước thừa Pn sẽ gian CKBF tạo ra dòng chảy mặt. Công thức diễn toán dòng chảy ngầm: BF  G 1  et /CKBF   BFi 1.et /CKBF (8) (2) Công thức dòng chảy (Q) tại mặt cắt cửa ra: Ytt = OF + IFf + BF (mm) (9) Trong đó: CQOF là hệ số dòng chảy mặt, Qtt = (Ytt . Flv)/  t (m /s) 3 (10) không có thứ nguyên, TOF là ngưỡng dưới của 2.4. Các thông số của mô hình dòng chảy tràn. Pn là phần thừa khi U  Umax Các thông số của mô hình và khoảng giá trị và Pn = U – Umax. tương ứng được cho trong bảng 1. - Lượng nước ngầm cung cấp cho bể chứa ngầm (G)  L / L max  TG G   Pn  QOF 1  TG Pn khi L / L max  TG  (3)  G  0 khi L / L max  TG - Diễn toán dòng chảy Dòng chảy sát mặt (IF) được diễn toán thông qua bể chứa tuyến tính với một hằng số thời gian CK12. Quá trình dòng chảy mặt cũng dựa trên khái niệm bể chứa tuyến tính nhưng với giá trị thời gian biến đổi.
N.T. Giang, N.T. Hoan / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 28, Số 3S (2012) 30-38 33 Hình 3. Mô hình tính toán của mô hình NAM-FORTRAN. Hình 4. Phần code khai báo của mô hình. Bảng 1. Bảng các thông của mô hình NAM 2.5. Mô hình số viết trên FORTRAN của mô hình NAM Mô hình toán trình bày ở mục trên được chuyển đổi sang mô hình số sử dụng ngôn ngữ lập trình FORTRAN. Ví dụ mã nguồn của mô hình được thể hiện ở hình 4 và 5. Hình 5. Phần code tính toán các thành phần dòng chảy của mô hình. 2.6. Xử lý dữ liệu đầu vào Đầu tiên xác định trọng số mưa của ba trạm để xét mức độ ảnh hưởng của các trạm bằng phương pháp đa giác Thiessen (hình 6)
34 N.T. Giang, N.T. Hoan / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 28, Số 3S (2012) 30-38 - So sánh giữa NAM – FORTRAN và thực đo (có so sánh kết quả từ MIKE – NAM) trong quá trình hiệu chỉnh với một chuỗi số liệu ngày thực đo từ 1997 – 2000. - So sánh giữa NAM – FORTRAN và thực đo (có so sánh kết quả từ MIKE – NAM) trong quá trình kiểm định với một chuỗi số liệu ngày thực đo từ 2002 – 2005. Chỉ tiêu được sử dụng đánh giá mô hình là chỉ tiêu Nash – Sutcliffe.  Q  N 2 tti  Qtdi CR3  1  i 1 (11)  Q  N 2 tdi  Qtd i 1 Trong đó: CR3 là chỉ tiêu Nash – Sutcliffe sử dụng để đánh giá khả năng mô phỏng đường quá trình của dòng chảy. Hình 6. Phân chia tiểu lưu vực và chia trọng số của Hiệu chỉnh mô hình các trạm mưa bằng phương pháp đa giác Thiesses. Sử dụng số liệu ngày trong giai đoạn 1997 – 2000 để hiệu chỉnh mô hình. Sau đó kiểm tra các dữ liệu đầu vào, các file dữ liệu đầu được format thành các file input của mô hình dưới dang txt theo định dạng chương trình mở file trong FORTRAN. 2.7. Hiệu chỉnh kiểm định mô hình Tiến hành hiệu chỉnh 9 thông số trong bảng 1. Các bước tiến hành hiệu chỉnh mô hình NAM-FORTRAN áp dụng đối với tiểu lưu vực tính đến trạm An Khê với diện tích 1394 km2, cụ thể như sau: - Hiệu chỉnh tự động mô hình MIKE – NAM để thu được bộ thông số ban đầu. - Hiệu chỉnh bằng phương pháp thử dần để tăng độ chính xác từ kết quả hiệu chỉnh tự động của mô hình MIKE – NAM. - Dùng bộ thông số này đưa vào mô hình Hình 7. Kết quả chạy hiệu chỉnh mô hình MIKE - NAM tại trạm An Khê giai đoạn 1997 – 2000. NAM – FORTRAN.
N.T. Giang, N.T. Hoan / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 28, Số 3S (2012) 30-38 35 Kết quả so sánh giữa lưu lượng thực đo và Biểu đồ thể hiện đường quá trình lưu lượng tính toán và lưu lượng thực đo lưu lượng tính toán cho hệ số tương quan theo tại trạm An Khê giai đoạn 1997 - 2000 chỉ tiêu Nash bằng 75,8% (NAM – FORTRAN) 1200 và bằng 70,8% (MIKE – NAM) cho thấy kết quả mô phỏng đều đạt loại khá nhưng đối với 1000 mô hình NAM – FORTRAN kết quả đạt được 800 tốt hơn (hình 7 đến 9). Q (m3/s) Q_Thực đo 600 Kiểm định mô hình Q_Tính toán Sử dụng bộ thông số đã hiệu chỉnh ở trên 400 chạy tiếp cho giai đoạn 2002 – 2005 để kiểm 200 định mô hình. Kết quả được trình bày trên các hình từ 10 đến 12. 0 97 98 99 00 97 97 97 98 98 98 99 99 99 00 00 00 Kết quả so sánh giữa lưu lượng thực đo và /19 /19 /19 /20 /19 /19 /19 /19 /19 /19 /19 /19 /19 /20 /20 /20 10 /1 10 /1 10 /1 10 /1 1/1 4/1 7/1 1/1 4/1 7/1 1/1 4/1 7/1 1/1 4/1 7/1 lưu lượng tính toán cho hệ số tương quan theo Thời gian (ngày) chỉ tiêu Nash bằng 70.5% (NAM – FORTRAN) và bằng 68,6% (MIKE – NAM) cho thấy kết Hình 8. Kết quả hiệu chỉnh mô hình NAM - FORTRAN quả mô phỏng đều đạt loại khá nhưng đối với tại trạm An Khê giai đoạn 1997 – 2000. mô hình NAM – FORTRAN đạt kết quả tốt hơn. Biểu đồ so sánh đường lưu lượng tính toán bằng mô hình NAM (MIKE NAM), đường lưu lượng thực đo và đường lưu lượng tính toán bằng mô hình NAM (Fortran) tại trạm An Khê giai đoạn 1997 - 2000 Biểu đồ thể hiện kết quả tính toán các thành phần dòng chảy mặt, dòng 1200 chảy sát mặt và dòng chảy ngầm trong NAM (Fortran) tại trạm An Khê giai đoạn 1997 - 2000 1000 1000 900 800 800 Q_NAM (MIKE NAM) Q (m3/s) 600 Q_Thực đo 700 Q_NAM (Fortran) 600 Q_Tính toán 400 (m3/s) Mặt 500 Sát mặt 200 400 Ngầm 300 0 1/1 97 98 1/1 99 00 4/1 97 7/1 97 10 997 4/1 98 7/1 98 10 998 4/1 99 7/1 99 10 999 4/1 00 7/1 00 10 000 /19 /19 /19 /19 /19 /19 /20 /20 19 19 19 20 200 /1 /1 /1 /2 / 1/ / 1/ / 1/ / 1/ 1/1 1/1 100 Thời gian (ngày) 0 1/1 97 98 1/1 99 00 97 97 97 98 98 98 4/1 99 99 99 00 00 00 /19 /19 /19 /19 /19 /19 /19 /19 /19 /20 /20 /20 19 19 19 20 Hình 9. So sánh kết quả hiệu chỉnh giữa MIKE-NAM, / 1/ / 1/ / 1/ / 1/ 1/1 4/1 7/1 4/1 7/1 1/1 7/1 4/1 7/1 10 10 10 10 NAM – FORTRAN và giá trị thực đo tại trạm An Khê Thời gian (ngày) giai đoạn 1997 – 2000.
36 N.T. Giang, N.T. Hoan / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 28, Số 3S (2012) 30-38 Biểu đồ thể hiện kết quả tính toán các thành phần dòng chảy mặt, dòng chảy sát mặt và dòng chảy ngầm trong NAM (Fortran) tại trạm An Khê giai đoạn 2002 - 2005 700 600 500 Q_Tính toán 400 (m3/s) Mặt Sát mặt 300 Ngầm 200 100 0 1/1/2002 4/1/2002 7/1/2002 1/1/2003 4/1/2003 7/1/2003 1/1/2004 4/1/2004 7/1/2004 1/1/2005 4/1/2005 7/1/2005 10/1/2002 10/1/2003 10/1/2004 10/1/2005 Thời gian (ngày) Hình 11. Kết quả kiểm định mô hình MIKE – NAM tại Biểu đồ thể hiện đường quá trình lưu lượng tính toán và lưu lượng thực đo trạm An Khê giai đoạn 2002 – 2005. tại trạm An Khê giai đoạn 2002 - 2005 1000 Biểu đồ so sánh giữa đường lưu lượng tính toán bằng mô hình NAM (MIKE 900 NAM), đường lưu lượng thực đo và đường lưu lượng tính toán bằng NAM (Fortran) tại trạm An Khê giai đoạn 2002 - 2005 800 1000.00 700 900.00 600 Q (m3/s) Q_Thực đo 800.00 500 Q_Tính toán 700.00 400 600.00 Q_NAM (MIKE NAM) Q (m3/s) 300 500.00 Q_Thực đo 200 Q_NAM (Fortran) 400.00 100 300.00 0 200.00 02 03 04 05 02 02 02 03 03 03 04 04 04 05 05 05 20 20 20 20 20 20 20 /20 /20 /20 /20 /20 /20 /20 /20 /20 100.00 /1/ /1/ /1/ /1/ / / / 1/1 4/1 7/1 1/1 4/1 7/1 1/1 4/1 7/1 1/1 4/1 7/1 10 10 10 10 0.00 Thời gian (ngày) 1/1 02 1/1 03 1/1 04 05 4/1 0 2 7/1 0 2 10 00 2 4/1 0 3 7/1 0 3 10 00 3 4/1 0 4 7/1 0 4 10 00 4 4/1 0 5 7/1 0 5 10 00 5 20 20 20 20 /20 /20 /20 /20 /20 /20 /20 /20 /2 /2 /2 /2 /1/ /1/ /1/ /1/ 1/1 Thời gian (ngày) Hình 10. Kết quả kiểm định mô hình NAM – FORTRAN tại trạm An Khê giai đoạn 2002 – 2005. Hình 12. So sánh kết quả hiệu chỉnh giữa NAM - FORTRAN và MIKE – NAM tại trạm An Khê giai đoạn 2002 -2005.
N.T. Giang, N.T. Hoan / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 28, Số 3S (2012) 30-38 37 - Kết quả mô phỏng của mô hình NAM – FORTRAN tốt hơn MIKE – NAM trong trường hợp này có thể giải thích bởi hai nguyên nhân sau: + Mặc dù mô hình nhận thức và mô hình toán giữa hai mô hình là giống nhau nhưng khi chuyển sang mô hình số thì có sự khác nhau do trình tự tính toán các thành phần dòng chảy trong hai mô hình NAM – FORTRAN và MIKE – NAM là khác nhau. + Đồng thời, việc xử lý khi xảy ra trường hợp L > Lmax là không tường minh trong cơ sở Hình 13. Kết quả khôi phục số liệu dòng chảy lý thuyết của MIKE – NAM. Có thể có một số tại trạm An Khê năm 2006. trường hợp xử lý sau: i) Ta ép giá trị L = Lmax, ii) Lượng thừa ẩm tầng sát mặt sẽ cung cấp cho Áp dụng mô hình NAM để khôi phục số liệu lớp sát mặt, iii) Lượng này cung cấp cho tầng dòng chảy cho trạm An Khê của lưu vực sông Ba nước ngầm hoặc iv) Cung cấp cho bốc hơi vào Đối với tiểu lưu vực tính đến trạm An Khê thời kì kiệt... do kết quả hiệu chỉnh kiểm định ở trên đều cho - Cần tiếp tục thực hiện áp dụng mô hình hệ số tương quan theo chỉ tiêu Nash trên 70% này và so sánh với mô hình MIKE – NAM cho nên bộ thông số đó là đủ độ tin cậy để khôi nhiều lưu vực khác nhau để khẳng định tính phục số liệu dòng chảy tại tiểu lưu vực đó năm đúng đắn của mô hình. 2006. - Đưa thêm các chỉ tiêu đánh giá vào mô hình để có cái nhìn tốt hơn về khả năng mô 4. Thảo luận và kết luận phỏng các đặc trưng của lưu vực như đỉnh, chân, cần bằng nước... Bài báo đã trình bày một mô hình NAM được xây dựng bằng ngôn ngữ lập trình Lời cảm ơn FORTRAN và đã tiến hành khôi phục số liệu dòng chảy trạm An Khê của lưu vực sông Ba. Các tác giả trân trọng cảm ơn các đóng góp - Qua các kết quả hiệu chỉnh và kiểm định quý báu của các đồng nghiệp bộ môn Thủy văn, mô hình NAM viết bằng ngôn ngữ FORTRAN Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN cho thấy mô hình được thiết lập mô phỏng tốt để bài báo hoàn thiện hơn về mặt nội dung. quá trình dòng chảy từ mưa tại trạm An Khê. Chỉ số Nash đều đạt trên 70%. Tài liệu tham khảo - Mô hình NAM (cả ở hai dạng) đều cho kết quả mô phỏng thiên thấp ở các đỉnh lũ lớn. Mô [1] Nguyễn Hữu Khải, Nguyễn Thanh Sơn (2003), hình NAM – FORTRAN bắt đỉnh tốt hơn mô Mô hình toán thủy văn, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội. hình MIKE – NAM.
38 N.T. Giang, N.T. Hoan / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 28, Số 3S (2012) 30-38 [2] N.T.Giang, D.V. Putten. Uncertainty interval Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, estimation of WetSpa model for flood 2006. simulation: a case study with Ve Watershed, [4] DHI (2007), Reference Manual MIKE 11. Quang Ngai Province. Vietnam Geotechnical [5] Nguyen Tien Giang, Tran Anh Phuong. Journal 14 (2E) (2010) 70-78. Calibration and verification of a hydrological [3] Nguyễn Tiền Giang, Phân tích hệ thống nước, model using event data. VNU Journal of Science, Tập bài giảng sau đại học, Trường Đại học Earth Sciences Volume 26 No2, (2010) 64. Developing rainfall – runoff model to recover discharge for An Khe in Ba river basin Nguyen Tien Giang, Nguyen Thi Hoan VNU University of Science, 334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam This paper presented steps to develop a rainfall – runoff model for An Khe subbasin, in Ba river basin based on popular conceptual model (NAM model). The model was programmed using FORTRAN language, then it was calibrated, verificated. And the simulated result was compared with observed daily discharge and compared with the simulated MIKE – NAM model output. This comparision indicated that the developed model (NAM – FORTRAN) simulated well discharge hydrograph using precipitation for the studied subbasin. Calibration and verification results gained 75,8% and 70.5% respectively (according to Nash index). In terms of NAM – FORTRAN model, with the same set of parameters of MIKE – NAM model, those figure are 70,8% and 68,6%. It could be concluded that, with the same conceptual model, because of treating mathematical model and developing digital model in different ways, simulated results were different. And the developed model need to be employed for other basin to confirm its appropriate. Keywords: Simulation, NAM model, An Khe, Ba river.