Báo cáo "Xây dựng mô hình mưa – dòng chảy để khôi phục số liệu dòng chảy tại An Khê trên lưu vực sông Ba " pdf
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.09 MB, 9 trang )
Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 28, Số 3S (2012) 30-38
30
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
Lưu vực sông Ba là một trong 9 lưu vực
sông lớn của Việt Nam, gồm một dòng chảy
chính là Sông Ba và ba nhánh sông lớn: Iayun,
Krong Hnang, sông Hinh . Lưu vực có địa hình
bị chia cắt mạnh do sự chi phối của dãy Trường
Sơn. Đặc điểm khí hậu và thủy văn phức tạp
không giống nhau giữa các vùng. Trên lưu vực
có rất nhiều hồ chứa. Các trạm thủy văn đo lưu
lượng trên lưu vực là khá thưa và chuỗi số liệu
đo đạc là không liên tục.
Mô hình mưa – dòng chảy là một bộ phận
của mô hình thủy văn. Cho đến nay cùng với sự
_______
Tác giả liên hệ. ĐT: 84-4-38584943.
E-mail:
phát triển của máy tính đã có rất nhiều các mô
hình mô phỏng mưa – dòng chảy dựa trên các
quá trình vật lý (process-based models) được ra
đời. Có thể kể đến một số mô hình mưa rào –
dòng chảy như: HEC – HMS, TANK, MIKE –
SHE, MIKE NAM [1]. Tuy nhiên có một vấn
đề gặp phải ở đây là hầu hết các mô hình mưa –
dòng chảy thông dụng hiện nay đều là mô hình
thương mại. Do đó, đánh giá độ nhạy, phân tích
tính bất định của mô hình không thể thực hiện
được nếu không có mã nguồn và các sửa đổi
phù hợp [2]. Đồng thời việc xây dựng một mô
hình hệ thống liên kết các mô hình thủy văn,
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
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
dùng có thể đưa thêm vào các thuật toán tối ưu
dò tìm tham số, các chỉ tiêu đánh giá mô hình.
Mặt khác khi đưa thêm các mô đun tạo chuỗi số
ngẫu nhiên, người dùng có khả năng phân tích
độ nhạy và độ bất định của tham số, cũng như
đầu vào của mô hình.
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
- Bước 3: Thiết lập mô hình nhận thức
- Bước 4: Thiết lập mô hình toán
- Bước 5: Xây dựng mô hình số
- Bước 6: Kiểm tra lỗi
- Bước 7: Xác định các thông số mô hình
- Bước 8: Kiểm định chất lượng mô hình
- Bước 9: Thiết kế, tiến hành thí nghiệm số
- Bước 10: Phân tích, diễn giải kết quả sau
khi áp dụng thử nghiệm
- Bước 11: Biên tập báo cáo
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 2. Cấu trúc của mô hình NAM.
Mô hình được xây dựng trên nguyên tắc sắp
xếp một số các bể chứa theo chiều thẳng đứng
và 2 bể chứa tuyến tính nằm ngang. Riêng bể
chưa tuyết tan: Đối với khí hậu nhiệt đới ở Việt
Nam không xét đến bể chứa này.
N.T. Giang, N.T. Hoan / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 28, Số 3S (2012) 30-38
32
2.3. Mô hình toán của mô hình NAM
Hình 3 thể hiện chi tiết các bước tính toán
các thành phần dòng chảy diễn ra trong các bề
chứa của mô hình NAM.
- Dòng chảy sát mặt (QIF)
(1)
Trong đó: CKIF là hằng số thời gian dòng
chảy sát mặt, nó chính là phần U tạo thành dòng
chảy sát mặt. TIF là ngưỡng dưới của dòng
chảy sát mặt (0
TIF<1)
- Dòng chảy mặt (QOF)
Khi U > Umax, thì lượng nước thừa Pn sẽ
tạo ra dòng chảy mặt.
(2)
Trong đó: CQOF là hệ số dòng chảy mặt,
không có thứ nguyên, TOF là ngưỡng dưới của
dòng chảy tràn. Pn là phần thừa khi U
Umax
và Pn = U – Umax.
- Lượng nước ngầm cung cấp cho bể chứa
ngầm (G)
/ max
OF / max
1
0 / max
nn
L L TG
G P Q P khi L L TG
TG
G khi L L TG
(3)
- Diễn toán dòng chảy
Dòng chảy sát mặt (IF) được diễn toán
thông qua bể chứa tuyến tính với một hằng số
thời gian CK
12
. Quá trình dòng chảy mặt cũng
dựa trên khái niệm bể chứa tuyến tính nhưng
với giá trị thời gian biến đổi.
(5)
Trong đó: OF là dòng chảy mặt
(mm/h),
min
OF
là giới hạn trên của quá trình
dòng chảy (
min
OF
= 0,4 mm/h)
Công thức diễn toán dòng chảy mặt và dòng
chảy sát mặt:
/ 12 / 12
1
//
1
OF OF 1 OF .
OF OF 1 OF .
t CK t CK
i
t CK t CK
i
Q e e
Q e e
(6)
/ 12 / 12
1
IF F 1 Ff .
t CK t CK
i
QI e I e
(7)
Dòng chảy ngầm (BF) được diễn toán thông
qua một bể chứa tuyến tính với hằng số thời
gian CKBF
Công thức diễn toán dòng chảy ngầm:
//
1
BF 1 .
t CKBF t CKBF
i
G e BF e
(8)
Công thức dòng chảy (Q) tại mặt cắt cửa ra:
Ytt = OF + IFf + BF (mm) (9)
Qtt = (Ytt . Flv)/
t
(m
3
/s) (10)
2.4. Các thông số của mô hình
Các thông số của mô hình và khoảng giá trị
tương ứng được cho trong bảng 1.
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.
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.
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)
Hình 4. Phần code khai báo của mô hình.
Hình 5. Phần code tính toán các thành phần
dòng chảy của mô hình.
N.T. Giang, N.T. Hoan / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 28, Số 3S (2012) 30-38
34
Hình 6. Phân chia tiểu lưu vực và chia trọng số của
các trạm mưa bằng phương pháp đa giác Thiesses.
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 km
2
,
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
NAM – FORTRAN.
- 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.
2
1
2
1
31
ii
i
N
tt td
i
N
td td
i
CR
(11)
Trong đó: CR3 là chỉ tiêu Nash – Sutcliffe
sử dụng để đánh giá khả năng mô phỏng đường
quá trình của dòng chảy.
Hiệu chỉnh mô hình
Sử dụng số liệu ngày trong giai đoạn 1997 –
2000 để hiệu chỉnh mô hình.
Hình 7. Kết quả chạy hiệu chỉnh mô hình MIKE -
NAM tại trạm An Khê giai đoạn 1997 – 2000.
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
lưu lượng tính toán cho hệ số tương quan theo
chỉ tiêu Nash bằng 75,8% (NAM – FORTRAN)
và bằng 70,8% (MIKE – NAM) cho thấy kết
quả mô phỏng đều đạt loại khá nhưng đối với
mô hình NAM – FORTRAN kết quả đạt được
tốt hơn (hình 7 đến 9).
Kiểm định mô hình
Sử dụng bộ thông số đã hiệu chỉnh ở trên
chạy tiếp cho giai đoạn 2002 – 2005 để kiểm
định mô hình. Kết quả được trình bày trên các
hình từ 10 đến 12.
Kết quả so sánh giữa lưu lượng thực đo và
lưu lượng tính toán cho hệ số tương quan theo
chỉ tiêu Nash bằng 70.5% (NAM – FORTRAN)
và bằng 68,6% (MIKE – NAM) cho thấy kết
quả mô phỏng đều đạt loại khá nhưng đối với
mô hình NAM – FORTRAN đạt kết quả tốt
hơn.
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 1997 - 2000
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1/1/1997
4/1/1997
7/1/1997
10/1/1997
1/1/1998
4/1/1998
7/1/1998
10/1/1998
1/1/1999
4/1/1999
7/1/1999
10/1/1999
1/1/2000
4/1/2000
7/1/2000
10/1/2000
Thời gian (ngày)
(m3/s)
Q_Tính toán
Mặt
Sát mặt
Ngầm
Biểu đồ thể hiện đường quá trình lưu lượng tính toán và lưu lượng thực đo
tại trạm An Khê giai đoạn 1997 - 2000
0
200
400
600
800
1000
1200
1/1/1997
4/1/1997
7/1/1997
10/1/1997
1/1/1998
4/1/1998
7/1/1998
10/1/1998
1/1/1999
4/1/1999
7/1/1999
10/1/1999
1/1/2000
4/1/2000
7/1/2000
10/1/2000
Thời gian (ngày)
Q (m3/s)
Q_Thực đo
Q_Tính toán
Hình 8. Kết quả hiệu chỉnh mô hình NAM - FORTRAN
tại trạm An Khê giai đoạn 1997 – 2000.
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
0
200
400
600
800
1000
1200
1/1/1997
4/1/1997
7/1/1997
10/1/1997
1/1/1998
4/1/1998
7/1/1998
10/1/1998
1/1/1999
4/1/1999
7/1/1999
10/1/1999
1/1/2000
4/1/2000
7/1/2000
10/1/2000
Thời gian (ngày)
Q (m3/s)
Q_NAM (MIKE NAM)
Q_Thực đo
Q_NAM (Fortran)
Hình 9. So sánh kết quả hiệu chỉnh giữa MIKE-NAM,
NAM – FORTRAN và giá trị thực đo tại trạm An Khê
giai đoạn 1997 – 2000.
N.T. Giang, N.T. Hoan / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 28, Số 3S (2012) 30-38
36
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
0
100
200
300
400
500
600
700
1/1/2002
4/1/2002
7/1/2002
10/1/2002
1/1/2003
4/1/2003
7/1/2003
10/1/2003
1/1/2004
4/1/2004
7/1/2004
10/1/2004
1/1/2005
4/1/2005
7/1/2005
10/1/2005
Thời gian (ngày)
(m3/s)
Q_Tính toán
Mặt
Sát mặt
Ngầm
Biểu đồ thể hiện đường quá trình lưu lượng tính toán và lưu lượng thực đo
tại trạm An Khê giai đoạn 2002 - 2005
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1/1/2002
4/1/2002
7/1/2002
10/1/2002
1/1/2003
4/1/2003
7/1/2003
10/1/2003
1/1/2004
4/1/2004
7/1/2004
10/1/2004
1/1/2005
4/1/2005
7/1/2005
10/1/2005
Thời gian (ngày)
Q (m3/s)
Q_Thực đo
Q_Tính toán
Hình 10. Kết quả kiểm định mô hình NAM –
FORTRAN tại trạm An Khê giai đoạn 2002 – 2005.
Hình 11. Kết quả kiểm định mô hình MIKE – NAM tại
trạm An Khê giai đoạn 2002 – 2005.
Biểu đồ so sánh giữa đường lưu lượng tính toán bằng mô hình NAM (MIKE
NAM), đường lưu lượng thực đo và đường lưu lượng tính toán bằng NAM
(Fortran) tại trạm An Khê giai đoạn 2002 - 2005
0.00
100.00
200.00
300.00
400.00
500.00
600.00
700.00
800.00
900.00
1000.00
1/1/2002
4/1/2002
7/1/2002
10/1/2002
1/1/2003
4/1/2003
7/1/2003
10/1/2003
1/1/2004
4/1/2004
7/1/2004
10/1/2004
1/1/2005
4/1/2005
7/1/2005
10/1/2005
Thời gian (ngày)
Q (m3/s)
Q_NAM (MIKE NAM)
Q_Thực đo
Q_NAM (Fortran)
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
Hình 13. Kết quả khôi phục số liệu dòng chảy
tại trạm An Khê năm 2006.
Áp dụng mô hình NAM để khôi phục số liệu
dòng chảy cho trạm An Khê của lưu vực sông Ba
Đối với tiểu lưu vực tính đến trạm An Khê
do kết quả hiệu chỉnh kiểm định ở trên đều cho
hệ số tương quan theo chỉ tiêu Nash trên 70%
nên bộ thông số đó là đủ độ tin cậy để khôi
phục số liệu dòng chảy tại tiểu lưu vực đó năm
2006.
4. Thảo luận và kết luận
Bài báo đã trình bày một mô hình NAM
được xây dựng bằng ngôn ngữ lập trình
FORTRAN và đã tiến hành khôi phục số liệu
dòng chảy trạm An Khê của lưu vực sông Ba.
- Qua các kết quả hiệu chỉnh và kiểm định
mô hình NAM viết bằng ngôn ngữ FORTRAN
cho thấy mô hình được thiết lập mô phỏng tốt
quá trình dòng chảy từ mưa tại trạm An Khê.
Chỉ số Nash đều đạt trên 70%.
- Mô hình NAM (cả ở hai dạng) đều cho kết
quả mô phỏng thiên thấp ở các đỉnh lũ lớn. Mô
hình NAM – FORTRAN bắt đỉnh tốt hơn mô
hình MIKE – NAM.
- 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
lý thuyết của MIKE – NAM. Có thể có một số
trường hợp xử lý sau: i) Ta ép giá trị L = Lmax,
ii) Lượng thừa ẩm tầng sát mặt sẽ cung cấp cho
lớp sát mặt, iii) Lượng này cung cấp cho tầng
nước ngầm hoặc iv) Cung cấp cho bốc hơi vào
thời kì kiệt
- Cần tiếp tục thực hiện áp dụng mô hình
này và so sánh với mô hình MIKE – NAM cho
nhiều lưu vực khác nhau để khẳng định tính
đúng đắn của mô hình.
- Đưa thêm các chỉ tiêu đánh giá vào mô
hình để có cái nhìn tốt hơn về khả năng mô
phỏng các đặc trưng của lưu vực như đỉnh,
chân, cần bằng nước
Lời cảm ơn
Các tác giả trân trọng cảm ơn các đóng góp
quý báu của các đồng nghiệp bộ môn Thủy văn,
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN
để bài báo hoàn thiện hơn về mặt nội dung.
Tài liệu tham khảo
[1] Nguyễn Hữu Khải, Nguyễn Thanh Sơn (2003),
Mô hình toán thủy văn, NXB Đại học Quốc gia
Hà Nội.
N.T. Giang, N.T. Hoan / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 28, Số 3S (2012) 30-38
38
[2] N.T.Giang, D.V. Putten. Uncertainty interval
estimation of WetSpa model for flood
simulation: a case study with Ve Watershed,
Quang Ngai Province. Vietnam Geotechnical
Journal 14 (2E) (2010) 70-78.
[3] Nguyễn Tiền Giang, Phân tích hệ thống nước,
Tập bài giảng sau đại học, Trường Đại học
Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội,
2006.
[4] DHI (2007), Reference Manual MIKE 11.
[5] Nguyen Tien Giang, Tran Anh Phuong.
Calibration and verification of a hydrological
model using event data. VNU Journal of Science,
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.
