Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy và cân bằng nước
MỤC LỤC
PHẦN I
ỨNG DỤNG MÔ HÌNH NAM TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY
CHƯƠNG 1. GI ỚI THI ỆU VÀ PH ẠM VI NGHIÊN C ỨU CỦA MÔ HÌNH
NAM...................................................................................................4
1.1. GIỚI THIỆU MÔ HÌNH NAM.........................................................................4
1.1.1. Quá trình hình thành mưa, dòng chảy.......................................................4
1.1.1.1. Quá trình mưa............................................................................4
1.1.1.2. Quá trình tổn thất......................................................................4
1.1.1.3. Quá trình tập trung nước trên sườn dốc và trong sông...........5
1.1.1.4. Mô hình hóa quá trình mưa dòng chảy.....................................5
1.1.1.5. Các loại mô hình hóa mưa dòng chảy......................................5
1.1.2. Giới thiệu mô hình Nam............................................................................5
1.1.2.1. Khái quát về mô hình NAM.......................................................6
1.1.2.2. Cấu trúc mô hình.......................................................................6
1.2. PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA MÔ HÌNH...................................................7
1.2.1. Phân tích thủy văn.....................................................................................7
1.2.2. Dự báo lũ ....................................................................................................7
1.2.3. Kéo dài số liệu dòng chảy..........................................................................7
1.2.4. Dự báo dòng chảy kiệt...............................................................................7
CHƯƠNG 2. HI ỆU CH ỈNH VÀ XÁC ĐỊNH BỘ THÔNG S Ố MÔ HÌNH
NAM...................................................................................................8
2.1. CÁC TÀI LIỆU DÙNG HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH........8
2.2. PHÂN CHIA CÁC TRẠM MƯA PHỤ TRÁCH CÁC TIỂU LƯU VỰC..8
2.3. CÁC THÔNG SỐ CẦN HIỆU CHỈNH...........................................................9
2.4. NHỮNG ĐIỀU KIỆN BAN ĐẦU...................................................................10
2.5. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG.............................................................11
2.6. CHẠY MÔ HÌNH.............................................................................................11
Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com 1
Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy và cân bằng nước
2.6.1. Các file cần có để chạy mô hình Nam.....................................................11
2.6.2. Nhập dữ liệu.............................................................................................12
CHƯƠNG 3. S Ử DỤNG BỘ THÔNG S Ố MÔ HÌNH TÍNH TOÁN DÒNG
CHẢY CHO CÁC TIỂU LƯU VỰC KHÁC.............................27
3.1. CÁC TÀI LIỆU DÙNG TRONG TÍNH TOÁN...........................................27
3.2. PHÂN CHIA CÁC TRẠM MƯA PHỤ TRÁCH CÁC TIỂU LƯU VỰC.27
3.3. CHUẨN BỊ DỮ LIỆU ĐỂ CHẠY MÔ HÌNH...............................................27
3.3.1. Chuẩn bị dữ liệu bốc hơi và mưa............................................................27
3.3.2. File dữ liệu mưa dòng chảy.....................................................................27
3.3.3 . Nhập dữ liệu cho Nam............................................................................28
3.4. CHẠY MÔ HÌNH.............................................................................................28
PHẦN II
ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE BASIN TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NƯỚC
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU MÔ HÌNH.................................................................37
CHƯƠNG 2. CHẠY MÔ HÌNH MIKE BASIN...................................................39
2.1. TẠO DỰ ÁN......................................................................................................39
2.2. PHÂN CHIA LƯU VỰC..................................................................................41
2.2.1. Tính toán hướng dòng chảy..................................................................41
2.2.2. Phân chia lưu vực..................................................................................45
2.3. CÂN BẰNG NƯỚC..........................................................................................53
2.3.1. Chuẩn bị dữ liệu cần nhập vào mô hình...............................................53
2.3.2. Nhập dữ liệu vào mô hình.....................................................................65
2.3.3. Chạy mô phỏng mô hình.......................................................................73
Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com 2
Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy và cân bằng nước
PHẦN I
Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com 3
ỨNG DỤNG MÔ HÌNH NAM TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY
Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy và cân bằng nước
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA MÔ HÌNH NAM
1.1. GIỚI THIỆU MÔ HÌNH NAM.
1.1.1. Quá trình hình thành mưa, dòng chảy
Sau một trận mưa rơi trên lưu vực, kết quả tại mặt cắt cửa ra ta thu được quá trình lưu lượng, là kết quả tổng hợp của nhiều quá trình x ảy ra đồng thời. Như vậy từ khi có mưa rơi xuống đến khi có lượng dòng chảy ở mặt cắt cửa ra đã xảy ra các quá trình
- Quá trình mưa
- Quá trình tổn thất
- Quá trình hình thành dòng chảy trên sườn dốc
- Quá trình tập trung nước trên sườn dốc và trong sông
1.1.1.1. Quá trình mưa
Mưa là một quá trình quan tr ọng đóng vai trò chính trong s ự hình thành dòng chảy trên lưu vực. Lượng mưa và quá trình mưa quyết định lưu lượng và quá trình dòng chảy
1.1.1.2. Quá trình tổn thất
Tổn thất cũng là một quá trình ph ức tạp, nhiều thành ph ần và chịu ảnh hưởng của
Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com 4
nhiều nhân tố khác nhau. Tổn thất bao gồm các thành phần sau:
Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy và cân bằng nước
- Tổn thất tích đọng: gồm tổn thất tích đọng bề mặt và t ổn thất tích đọng trong điền trũng.
- Tổn thất do th ấm: là tổn thất lớn nhất, nó chi ếm phần lớn tổn thất lưu vực khi mưa xảy ra.
- Tổn th ất bốc hơi: bao g ồm bốc hơi mặt đất, mặt nước và b ốc thoát h ơi nước thực vật.
1.1.1.3. Quá trình tập trung nước trên sườn dốc và trong sông Tốc độ chảy trên sườn dốc phụ thuộc vào các yếu tố như:
- Lớp dòng chảy sườn dốc (lớp nước mưa hiệu quả) - Độ dốc sườn dốc - Độ nhám sườn dốc
1.1.1.4. Mô hình hóa quá trình mưa dòng chảy.
1.1.1.5. Các loại mô hình hóa mưa dòng chảy
Hiện nay các mô hình tính dòng chảy từ số liệu mưa có rất nhiều loại:
- Các mô hình kiểu bể chứa: mô hình TANK, SSARR, NAM..vv. - Các mô hình kiểu lũ đơn vị như mô hình HEC-HMS - Các mô hình phát tri ển công th ức căn nguyên dòng ch ảy như mô hình quan h ệ (Rational model), tỷ lệ thời gian và diện tích (Time – Area model)
Các mô hình tính dòng ch ảy từ số li ệu mưa thường được dùng để khôi ph ục, bổ
Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com 5
sung số li ệu dòng ch ảy khi bi ết số li ệu mưa, phục vụ thiết kế các công trình trên sông, tính toán nguồn nước phục vụ quy hoạch thuỷ lợi và tính toán dự báo dòng chảy lũ.
Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy và cân bằng nước 1.1.2. Giới thiệu mô hình Nam
1.1.2.1. Khái quát về mô hình NAM
Cùng với việc tiếp cận và áp dụng các công nghệ tiên tiến trong nước cũng như nước ngoài, năm 2002 với sự hợp tác của chính phủ 2 nước (Việt Nam-Đan Mạch), bộ mô hình họ MIKE được giới thiệu, giảng dạy và áp dụng cho một số lưu vực của Việt Nam. Bộ mô hình MIKE là một phần mềm tiên tiến đã được áp dụng, quảng bá tại nhiều nước trên thế giới và đã được dịch ra nhiều thứ tiếng như Tây Ban Nha, Trung Quốc, Nhật Bản và hiện đang được dịch sang tiếng Việt. Bộ mô hình bao g ồm các mô hình v ới các ch ức năng tính toán khác nhau như mô hình NAM, MIKE BASIN, MIKE 11, MIKE FLOOD, MIKE 21C, MIKE MOUSE…
l ưu vực sông. NAM là t ừ vi ết
Mô hình thu ỷ văn NAM mô ph ỏng quá trình l ượng mưa - dòng ch ảy mặt xảy ra tắt của ti ếng Đan Mạch trong ph ạm vi “NedborAfstromnings-Model”, có nghĩa là mô hình giáng thuỷ dòng chảy. Mô hình này đầu tiên do Khoa Tài nguyên nước và Thuỷ lợi của trường Đại học Đan Mạch xây dựng (Nielsen và Hansen, 1973) và tiếp tục được Viện Thuỷ lực Đan Mạch (DHI) nâng cấp và ứng dụng cho rất nhiều dự án kỹ thuật thuỷ văn ở nhiều vùng khí hậu khác nhau trên thế giới. NAM hình thành nên một phần môđun lượng mưa - dòng chảy (RR - Rainfall Runoff) của bộ mô hình MIKE11.
Mô đun mưa - dòng ch ảy (RR) có th ể áp d ụng độc lập ho ặc sử dụng để trình bày một hoặc nhiều lưu vực tham gia, tạo ra dòng chảy bổ sung vào mạng lưới sông. Theo cách này thì việc thực hiện xử lý một lưu vực sông nhỏ riêng lẻ hoặc xử lý một lưu vực sông lớn có chứa nhiều lưu vực sông nhỏ và một mạng lưới sông ngòi phức tạp trong một khung công việc lập mô hình đều có thể thực hiện.
1.1.2.2. Cấu trúc mô hình
Cấu trúc mô hình NAM được th ể hi ện trong hình 1, nó mô ph ỏng các tầng ch ứa nước trong chu trình thu ỷ văn. NAM mô ph ỏng quá trình m ưa-dòng ch ảy bằng vi ệc tính toán liên t ục lượng nước trong b ốn bể ch ứa có quan h ệ với nhau mà chúng di ễn tả các thành ph ần vật lý khác nhau trong l ưu vực. Nh ững bể ch ứa này bao g ồm: bể chứa tuy ết, bể ch ứa mặt, bể ch ứa tầng sát m ặt (vùng r ễ cây) và cu ối cùng là b ể ch ứa ngầm.
Trên cơ sở đầu vào khí tượng, NAM tạo ra được dòng ch ảy cũng như thông tin về các thành ph ần của tầng đất trong chu trình thu ỷ văn, như sự biến đổi theo th ời gian của lượng bốc thoát hơi nước, lượng ẩm của đất, quá trình th ấm vào nước ng ầm, mực nước ngầm v.v... Kết quả dòng ch ảy lưu vực được tách ra thành dòng ch ảy mặt, dòng ch ảy sát mặt và dòng ngầm.
NAM xử lý mỗi lưu vực như là một đơn vị đơn lẻ. Do đó, các thông số và các biến diễn tả giá trị trung bình cho toàn bộ lưu vực. Một số thông số mô hình có thể được đánh giá từ các số liệu vật lý lưu vực, nhưng kết quả cuối cùng phải được xác định bằng việc hiệu chỉnh mô hình.
Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com 6
ết). Kết qu ả đầu ra c ủa mô hình là dòng ch Dữ li ệu đầu vào c ủa mô hình là m ưa, bốc hơi ti ềm năng, và nhi ệt độ (ch ỉ áp ảy trên l ưu vực, ỷ văn, nh ư sự thay đổi tạm dụng cho vùng có tuy mực nước ng ầm và các thông tin khác trong chu trình thu
Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy và cân bằng nước thời của độ ẩm của đất và kh ả năng bổ sung n ước ng ầm. Dòng ch ảy lưu vực được phân một cách g ần đúng thành dòng ch ảy mặt, dòng ch ảy sát m ặt và dòng ch ảy ngầm.
Hình 1. Sơ đồ cấu trúc của mô hình NAM
1.2. PHẠM VI NGHIÊN CỨU CỦA MÔ HÌNH. 1.2.1. Phân tích thủy văn
- Phân phối dòng chảy - Ước tính thấm và bốc hơi
1.2.2. Dự báo lũ
- Dòng chảy lưu vực nhỏ đổ vào mô hình sông - Liên kết với các mô hình khí tượng.
1.2.3. Kéo dài số liệu dòng chảy
- Phục hồi những số liệu bị thiếu - Cơ sở xác định các giá trị cực đoan.
Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com 7
1.2.4. Dự báo dòng chảy kiệt - Phục vụ tưới - Quản lý chất lượng nước
Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy và cân bằng nước
CHƯƠNG 2
HIỆU CHỈNH VÀ XÁC ĐỊNH BỘ THÔNG SỐ MÔ HÌNH NAM
2.1. CÁC TÀI LIỆU DÙNG HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH.
- Tài liệu địa hình: Sử dụng bản đồ cao độ số (Dem) để phân chia các tiểu lưu vực
hoặc tài liệu về diện tích các tiểu lưu vực.
- Tài liệu mưa ngày (4-11 năm) vùng hiệu chỉnh và kiểm định mô hình .
- Tài bốc hơi tháng các trạm trong vùng hiệu chỉnh mô hình, 4 - 11 năm
- Tài liệu lưu lượng thực đo ngày của trạm thủy văn, 3 – 10 năm
2.2. PHÂN CHIA CÁC TRẠM MƯA PHỤ TRÁCH CÁC TIỂU LƯU VỰC.
- Lượng mưa phân phối không đồng đều theo không gian và theo độ cao. Những
lưu vực có diện tích càng lớn thì sự phân phối lượng mưa càng không đồng đều
- Càng sử dụng nhiều trạm đo mưa gần lưu vực nghiên cứu thì kết quả hiệu chỉnh
càng chính xác.
- Để phân chia tr ạm đo mưa ph ụ trách cho các ti ểu lưu vực có nhi ều cách tuy
nhiên chúng ta có thể phân chia theo phương pháp thiessen.
Phương pháp đa giác thiessen
Cơ sở của phương pháp là coi lượng mưa đo được ở một vị trí nào đó trên lưu vực
chỉ đại diện cho lượng mưa của một khu vực nhất định quanh nó. Di ện tích của khu vực
đó được kh ống ch ế bởi các đường trung tr ực của các đoạn th ẳng nối li ền các tr ạm với nhau.
Cách làm cụ thể như sau: nối các tr ạm đo mưa trên b ản đồ thành nh ững tam giác sao cho các cạnh của tam giác đó không cắt nhau. Sau đó vẽ đường trung trực của các tam giác đó, các đường này tạo thành nh ững đa giác. Lượng mưa của các tr ạm đo nằm trong
Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com 8
mỗi đa giác là lượng mưa bình quân của phần diện tích thuộc đa giác đó.
Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy và cân bằng nước
Hình 2. Sơ đồ tính mưa bình quân lưu vực theo phương pháp đa giác Thiessen với 4 điểm đo mưa 1,2,3,4.
- Sau khi phân chia l ưu vực theo các tr ạm mưa theo ph ương pháp thiessen mà diện tích lưu vực vẫn còn lớn, trạm mưa không thể đại diện cho lưu vực đó, chúng ta có th ể nhân hệ số vào lượng mưa ( d ựa trên đường đẳng trị mưa và tham kh ảo các s ố li ệu lưu lượng đã tính c ủa các d ự án khác) để tăng độ chính xác trong việc tính lưu lượng.
2.3. CÁC THÔNG SỐ CẦN HIỆU CHỈNH
Mô hình NAM bao g ồm 9 th ống số chính c ần hi ệu ch ỉnh được trình bày chi ti ết trong Bảng 1 dưới đây.
Bảng 1. Bảng tổng hợp các thông số chính trong hiệu chỉnh mô hình Nam
Thông số
Mô tả thông số mô hình
Umax [mm]
Lmax [mm]
Lượng nước tối đa trong b ể chứa mặt. Lượng tr ữ này có th ể được gọi là lượng nước để điền trũng, rơi trên mặt thực vật, và ch ứa trong vài cm c ủa bề mặt của đất. Giá trị thông thường: 10-25 mm Lượng nước tối đa trong bể chứa tầng rễ cây. Lmax có thể được gọi là lượng ẩm tối đa của tầng rễ cây để thực vật có th ể hút để thoát hơi nước. Giá trị thông thường : 50-250 mm
CQOF [ ]
Hệ số dòng ch ảy tràn trên m ặt (0 ≤ CQOF ≤1). CQOF quy ết định sự phân phối của mưa hi ệu qu ả cho dòng ch ảy ng ầm và th ấm. Giá tr ị thông thường : 0,01 – 0,99
CKIF [giờ]
Hằng số th ời gian dòng ch ảy sát m ặt. CKIF cùng v ới Umax quy ết định dòng chảy sát mặt. Nó chi phối thông số diễn toán dòng chảy sát mặt CKIF >> CK12
Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com 9
Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy và cân bằng nước
CK12 [giờ]
Hằng số th ời gian cho di ễn toán dòng ch ảy mặt và sát m ặt. Dòng ch ảy mặt và sát m ặt được diễn toán theo các b ể chứa tuyến tính theo chu ỗi với cùng một hằng số thời gian CK12. Giá trị thông th ường : 3 - 48 hours
TOF [ ]
Giá trị ngưỡng của dòng ch ảy mặt (0 ≤ TOF ≤1). Dòng ch ảy mặt chỉ được hình thành khi lượng ẩm tương đối của đất ở tầng rễ cây lớn hơn TOF.
TIF [ ]
Giá trị ngưỡng của dòng ch ảy sát mặt (0 ≤ TIF ≤1). Dòng ch ảy sát mặt chỉ được hình thành khi chỉ số ẩm tương đối của tầng rễ cây lớn hơn TIF. Giá trị thông thường : 0,0 – 0,7
TG [ ]
Giá trị ngưỡng của lượng nước bổ sung cho dòng ch ảy ngầm (0 ≤ TG ≤1). Lượng nước bổ sung cho b ể chứa ngầm chỉ được hình thành khi ch ỉ số ẩm tương đối của tầng rễ cây lớn hơn dòng TG. Giá trị thông thường : 0,0 – 0,7
CKBF [giờ]
Hằng số th ời gian dòng ch ảy mặt ng ầm. Dòng ch ảy ng ầm từ bể ch ứa ngầm được di ễn toán b ằng mô hình b ể chứa tuy ến tính v ới hằng số thời gian CKBF. Giá tr ị thông th ường : 500 - 5000 hours
Khi thay đổi các thông s ố mô hình thì dòng ch ảy sẽ thay đổi theo 1 quy lu ật, kinh
nghiệm của tôi khi thay đổi các thông số mô hình:
Thông số Thay đổi
Quy luật diễn biến
Umax [mm] Tăng
Thay đổi thêm một vài dạng đường cong đỉnh và đáy
Lmax [mm] Tăng
Đỉnh thấp hơn
CQOF [ ] Tăng
Đỉnh cao và đáy hạ thấp hơn
CKIF [giờ] Thay đổi Hình dạng đường ít thay đổi
CK12 [giờ] Càng nhỏ Đỉnh cao và thời gian lũ lên và xuống ngắn
TOF [ ] Càng nhỏ Thay đổi đỉnh và đáy càng lớn
TIF [ ]
Càng nhỏ Dòng ch ảy mùa hạ thay đổi rõ nét
TG [ ]
Càng lớn Đỉnh thay đổi càng lớn, đáy càng thấp
CKBF [giờ] Càng lớn Càng lớn thì đường đáy mùa khô càng ít cong
2.4. NHỮNG ĐIỀU KIỆN BAN ĐẦU.
Những điều ki ện ban đầu theo yêu c ầu của mô hình NAM bao g ồm lượng nước trong bể tuyết, bể mặt, bể chứa tầng rễ cây, cùng với những giá trị ban đầu của dòng chảy từ 2 bể chứa tuyến tính cho dòng chảy mặt và sát mặt và dòng chảy ngầm
Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com 10
Trong việc hiệu chỉnh mô hình, thông thường nên bỏ qua kết quả mô phỏng của nửa năm đầu tiên để loại bỏ những ảnh hưởng sai số của những điều kiện ban đầu.
Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy và cân bằng nước 2.5. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG.
* Đánh giá kết quả hiệu chỉnh theo biểu đồ giữa tính toán và th ực đo.
* Đánh giá qua 2 thông s ố : Hệ số tổng lượng và hệ số hiệu quả mô hình.
N
Về tiêu chu ẩn đánh giá kết qu ả mô ph ỏng, phương pháp th ống kê được dùng để định lượng sai khác giữa chuỗi số liệu tính toán và thực đo để đánh giá khả năng mô phỏng của mô hình. Hai ph ương pháp th ống kê được sử dụng để đánh giá độ tin c ậy khi mô phỏng dòng ch ảy các vị trí có tài li ệu thực đo trong các lưu vực sông của mô hình NAM gồm:
N = i
1
- (cid:229) (cid:229)
P i
O i
=
1
i
N
.100% • Hệ số tổng lượng % : (cid:229)
O i
=
1
i
N
2
2
- - -
( OO
)
(
)
N = 1 i
i
(cid:229) (cid:229)
OP i
i
= 1
i
N
2
• Hệ số hiệu quả mô hình %: .100% -
(
OO
)
i
= 1
i
(cid:229)
Trong đó N là độ dài số liệu quan trắc, Oi là giá trị số liệu quan trắc thứ i, Pi số liệu tính toán thứ i, và O là bình quân số liệu quan trắc (i = 1 đến N).
Ngoài các phương pháp thống kê, độ tin cậy của mô hình cũng được đánh giá bằng so sánh trên biểu đồ chuỗi số liệu tính toán và thực đo.
Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com 11
Nếu diện tích lưu vực lớn mà ít trạm đo mưa thì đánh giá kết quả hiệu chỉnh mô hình vào mùa mưa và mùa khô.
