Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy và cân bằng nước

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. GIỚI THIỆU VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 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. HIỆU CHỈNH VÀ XÁC ĐỊNH BỘ THÔNG SỐ 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 ñể chạy mô hình Nam.....................................................11
2.6.2. Nhập dữ liệu. ............................................................................................12
CHƯƠNG 3. SỬ DỤNG BỘ THÔNG SỐ 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
ỨNG DỤNG MÔ HÌNH NAM TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY

Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com

3


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 ñược quá trình
lưu lượng, là kết quả tổng hợp của nhiều quá trình xảy ra ñồng thời. Như vậy từ khi có
mưa rơi xuống ñến khi có lượng dòng chảy ở mặt cắt cửa ra ñã 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 trọng ñóng vai trò chính trong sự hình thành dòng chảy
trên lưu vực. Lượng mưa và quá trình mưa quyết ñịnh lưu lượng và quá trình dòng chảy
1.1.1.2. Quá trình tổn thất
Tổn thất cũng là một quá trình phức tạp, nhiều thành phần và chịu ảnh hưởng của
nhiều nhân tố khác nhau. Tổn thất bao gồm các thành phần sau:

Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com

4


Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy và cân bằng nước

− Tổn thất tích ñọng: gồm tổn thất tích ñọng bề mặt và tổn thất tích ñọng trong
ñiền trũng.
− Tổn thất do thấm: là tổn thất lớn nhất, nó chiếm phần lớn tổn thất lưu vực khi
mưa xảy ra.
− Tổn thất bốc hơi: bao gồm bốc hơi mặt ñất, mặt nước và bốc thoát hơi nước
thực vật.
1.1.1.3. Quá trình tập trung nước trên sườn dốc và trong sông
Tốc ñộ 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 ñơn vị như mô hình HEC-HMS

− Các mô hình phát triển công thức căn nguyên dòng chảy như mô hình quan hệ
(Rational model), tỷ lệ thời gian và diện tích (Time – Area model)
Các mô hình tính dòng chảy từ số liệu mưa thường ñược dùng ñể khôi phục, bổ
sung số liệu dòng chảy khi biết số liệu 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.

Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com

5


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 ñược 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 ñã ñược áp dụng, quảng bá tại nhiều nước trên thế giới và
ñã ñược dịch ra nhiều thứ tiếng như Tây Ban Nha, Trung Quốc, Nhật Bản và hiện ñang ñược
dịch sang tiếng Việt. Bộ mô hình bao gồm các mô hình với các chức năng tính toán khác
nhau như mô hình NAM, MIKE BASIN, MIKE 11, MIKE FLOOD, MIKE 21C, MIKE
MOUSE…
Mô hình thuỷ văn NAM mô phỏng quá trình lượng mưa - dòng chảy mặt xảy ra
trong phạm vi lưu vực sông. NAM là từ viết tắt của tiếng Đan Mạch
“NedborAfstromnings-Model”, có nghĩa là mô hình giáng thuỷ dòng chảy. Mô hình này ñầu
tiên do Khoa Tài nguyên nước và Thuỷ lợi của trường Đại học Đan Mạch xây dựng (Nielsen
và Hansen, 1973) và tiếp tục ñược 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 môñun lượng mưa - dòng chảy (RR - Rainfall Runoff) của bộ mô

hình MIKE11.
Mô ñun mưa - dòng chảy (RR) có thể áp dụng ñộc lập hoặc sử dụng ñể 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 ñều có thể thực hiện.
1.1.2.2. Cấu trúc mô hình
Cấu trúc mô hình NAM ñược thể hiện trong hình 1, nó mô phỏng các tầng chứa
nước trong chu trình thuỷ văn. NAM mô phỏng quá trình mưa-dòng chảy bằng việc
tính toán liên tục lượng nước trong bốn bể chứa có quan hệ với nhau mà chúng diễn
tả các thành phần vật lý khác nhau trong lưu vực. Những bể chứa này bao gồm: bể
chứa tuyết, bể chứa mặt, bể chứa tầng sát mặt (vùng rễ cây) và cuối cùng là bể chứa
ngầm.
Trên cơ sở ñầu vào khí tượng, NAM tạo ra ñược dòng chảy cũng như thông tin về
các thành phần của tầng ñất trong chu trình thuỷ văn, như sự biến ñổi theo thời gian của
lượng bốc thoát hơi nước, lượng ẩm của ñất, quá trình thấm vào nước ngầm, mực nước
ngầm v.v... Kết quả dòng chảy lưu vực ñược tách ra thành dòng chảy mặt, dòng chảy sát
mặt và dòng ngầm.
NAM xử lý mỗi lưu vực như là một ñơn vị ñơn lẻ. Do ñó, 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 ñược ñánh giá
từ các số liệu vật lý lưu vực, nhưng kết quả cuối cùng phải ñược xác ñịnh bằng việc hiệu
chỉnh mô hình.
Dữ liệu ñầu vào của mô hình là mưa, bốc hơi tiềm năng, và nhiệt ñộ (chỉ áp
dụng cho vùng có tuyết). Kết quả ñầu ra của mô hình là dòng chảy trên lưu vực,
mực nước ngầm và các thông tin khác trong chu trình thuỷ văn, như sự thay ñổi tạm
Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com

6

Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy và cân bằng nước

thời của ñộ ẩm của ñất và khả năng bổ sung nước ngầm. Dòng chảy lưu vực ñược
phân một cách gần ñúng thành dòng chảy mặt, dòng chảy sát mặt và dòng chảy
ngầm.

Hình 1. Sơ ñồ 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 ñổ 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 ñịnh các giá trị cực ñoan.
1.2.4. Dự báo dòng chảy kiệt
− Phục vụ tưới
− Quản lý chất lượng nước

Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com

7


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 ñịa hình: Sử dụng bản ñồ cao ñộ số (Dem) ñể 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 ñịnh mô hình .
− Tài bốc hơi tháng các trạm trong vùng hiệu chỉnh mô hình, 4 - 11 năm
− Tài liệu lưu lượng thực ño 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 ñồng ñều theo không gian và theo ñộ cao. Những
lưu vực có diện tích càng lớn thì sự phân phối lượng mưa càng không ñồng
ñều
− Càng sử dụng nhiều trạm ño mưa gần lưu vực nghiên cứu thì kết quả hiệu chỉnh
càng chính xác.
− Để phân chia trạm ño mưa phụ trách cho các tiểu lưu vực có nhiều cách tuy
nhiên chúng ta có thể phân chia theo phương pháp thiessen.
Phương pháp ña giác thiessen
Cơ sở của phương pháp là coi lượng mưa ño ñược ở một vị trí nào ñó trên lưu vực
chỉ ñại diện cho lượng mưa của một khu vực nhất ñịnh quanh nó. Diện tích của khu vực
ñó ñược khống chế bởi các ñường trung trực của các ñoạn thẳng nối liền các trạm với
nhau.
Cách làm cụ thể như sau: nối các trạm ño mưa trên bản ñồ thành những tam giác
sao cho các cạnh của tam giác ñó không cắt nhau. Sau ñó vẽ ñường trung trực của các tam
giác ñó, các ñường này tạo thành những ña giác. Lượng mưa của các trạm ño nằm trong
mỗi ña giác là lượng mưa bình quân của phần diện tích thuộc ña giác ñó.

Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com

8


Ứng dụng Mike Nam, Mike BaSin tính toán dòng chảy và cân bằng nước

Hình 2. Sơ ñồ tính mưa bình quân lưu vực theo phương pháp ña giác Thiessen với 4
ñiểm ño mưa 1,2,3,4.
− Sau khi phân chia lưu vực theo các trạm mưa theo phương pháp thiessen
mà diện tích lưu vực vẫn còn lớn, trạm mưa không thể ñại diện cho lưu vực
ñó, chúng ta có thể nhân hệ số vào lượng mưa ( dựa trên ñường ñẳng trị
mưa và tham khảo các số liệu lưu lượng ñã tính của các dự án khác) ñể
tăng ñộ chính xác trong việc tính lưu lượng.
2.3. CÁC THÔNG SỐ CẦN HIỆU CHỈNH
Mô hình NAM bao gồm 9 thống số chính cần hiệu chỉnh ñược trình bày chi tiết
trong Bảng 1 dưới ñây.
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]

Lượng nước tối ña trong bể chứa mặt. Lượng trữ này có thể ñược gọi là
lượng nước ñể ñiền trũng, rơi trên mặt thực vật, và chứa trong vài cm của
bề mặt của ñất. Giá trị thông thường: 10-25 mm

Lmax [mm]

Lượng nước tối ña trong bể chứa tầng rễ cây. Lmax có thể ñược gọi là lượng
ẩm tối ña của tầng rễ cây ñể thực vật có thể hút ñể thoát hơi nước. Giá trị
thông thường : 50-250 mm

CQOF [ ]

Hệ số dòng chảy tràn trên mặt (0 ≤ CQOF ≤1). CQOF quyết ñịnh sự phân
phối của mưa hiệu quả cho dòng chảy ngầm và thấm. Giá trị thông
thường : 0,01 – 0,99

CKIF [giờ]

Hằng số thời gian dòng chảy sát mặt. CKIF cùng với Umax quyết ñịnh
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 thời gian cho diễn toán dòng chảy mặt và sát mặt. Dòng chảy
mặt và sát mặt ñược diễn toán theo các bể chứa tuyến tính theo chuỗi với
cùng một hằng số thời gian CK12. Giá trị thông thường : 3 - 48 hours

TOF [ ]

Giá trị ngưỡng của dòng chảy mặt (0 ≤ TOF ≤1). Dòng chảy mặt chỉ ñược
hình thành khi lượng ẩm tương ñối của ñất ở tầng rễ cây lớn hơn TOF.

TIF [ ]

Giá trị ngưỡng của dòng chảy sát mặt (0 ≤ TIF ≤1). Dòng chảy sát mặt chỉ
ñược hình thành khi chỉ số ẩm tương ñối 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 chảy ngầm (0 ≤ TG ≤1).
Lượng nước bổ sung cho bể chứa ngầm chỉ ñược hình thành khi chỉ số ẩm
tương ñối của tầng rễ cây lớn hơn dòng TG. Giá trị thông thường : 0,0 – 0,7

CKBF [giờ]

Hằng số thời gian dòng chảy mặt ngầm. Dòng chảy ngầm từ bể chứa
ngầm ñược diễn toán bằng mô hình bể chứa tuyến tính với hằng số thời
gian CKBF. Giá trị thông thường : 500 - 5000 hours

Khi thay ñổi các thông số mô hình thì dòng chảy sẽ thay ñổi theo 1 quy luật, kinh
nghiệm của tôi khi thay ñổi các thông số mô hình:
Thông số

Thay ñổi

Quy luật diễn biến

Umax [mm] Tăng

Thay ñổi thêm một vài dạng ñường cong ñỉnh và ñáy

Lmax [mm] Tăng

Đỉnh thấp hơn

CQOF [ ]

Tăng

Đỉnh cao và ñáy hạ thấp hơn

CKIF [giờ] Thay ñổi

Hình dạng ñường ít thay ñổi

CK12 [giờ] Càng nhỏ

Đỉnh cao và thời gian lũ lên và xuống ngắn

TOF [ ]

Càng nhỏ

Thay ñổi ñỉnh và ñáy càng lớn

TIF [ ]

Càng nhỏ

Dòng chảy mùa hạ thay ñổi rõ nét

TG [ ]

Càng lớn

Đỉnh thay ñổi càng lớn, ñáy càng thấp

CKBF [giờ] Càng lớn

Càng lớn thì ñường ñáy mùa khô càng ít cong

2.4. NHỮNG ĐIỀU KIỆN BAN ĐẦU.
Những ñiều kiện ban ñầu theo yêu cầu của mô hình NAM bao gồm lượng nước
trong bể tuyết, bể mặt, bể chứa tầng rễ cây, cùng với những giá trị ban ñầu của dòng chảy
từ 2 bể chứa tuyến tính cho dòng chảy mặt và sát mặt và dòng chảy ngầm
Trong việc hiệu chỉnh mô hình, thông thường nên bỏ qua kết quả mô phỏng của nửa
năm ñầu tiên ñể loại bỏ những ảnh hưởng sai số của những ñiều kiện ban ñầu.
Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com

10


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 ñồ giữa tính toán và thực ño.
∗ Đánh giá qua 2 thông số : Hệ số tổng lượng và hệ số hiệu quả mô hình.
Về tiêu chuẩn ñánh giá kết quả mô phỏng, phương pháp thống kê ñược dùng ñể
ñịnh lượng sai khác giữa chuỗi số liệu tính toán và thực ño ñể ñánh giá khả năng mô phỏng
của mô hình. Hai phương pháp thống kê ñược sử dụng ñể ñánh giá ñộ tin cậy khi mô
phỏng dòng chảy các vị trí có tài liệu thực ño trong các lưu vực sông của mô hình NAM
gồm:
•

∑
Hệ số tổng lượng % :

N
i =1

Pi − ∑i =1 Oi
N

∑i =1 Oi

• Hệ số hiệu quả mô hình %:

N

∑

N
i =1

.100%

(Oi − O ) 2 − ∑i =1 ( Pi − Oi ) 2
N

∑i =1 (Oi − O) 2
N

.100%

Trong ñó N là ñộ 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 ñến N).
Ngoài các phương pháp thống kê, ñộ tin cậy của mô hình cũng ñược ñánh giá bằng
so sánh trên biểu ñồ chuỗi số liệu tính toán và thực ño.
Nếu diện tích lưu vực lớn mà ít trạm ño mưa thì ñánh giá kết quả hiệu chỉnh mô hình
vào mùa mưa và mùa khô.

Blogger: www.ungdungmikenambasin.blogspot.com

11