Xây dựng bộ thông số cho lưu vực sông bôi nhằm dự báo được tổng lượng và quá trình lũ

Mục lục
A. MỞ ĐẦU
I.

Mục đích nghiên cứu

II.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

III.

Ý nghĩa

B. NỘI DUNG
I.

Giới thiệu chung mô hình NAM

II.

Cấu trúc mô hình

III.

Diễn toán dòng chảy

IV.

Thông số mô hình

V.

Ứng dụng mô hình

VI.

Tính toán đối với lưu vực sông Bôi
1. Quá trình chạy mô hình
2. Quá trình hiệu chỉnh
3. Kết quả hiệu chỉnh

VII. Chỉ tiêu đánh giá sai số
1. Chỉ số tương quan
2.
C. KẾT LUẬN
I.

Kết luận

II.

Nhận xét


A. MỞ ĐẦU
I.
Mục đích nghiên cứu
Xây dựng bộ thông số cho lưu vực sông Bôi nhằm dự báo
được tổng lượng và quá trình lũ

II.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu là mô hình MIKE – NAM
- Phạm vi nghiên cứu lưu vực sông Bôi

III.

Ý nghĩa
- Nâng cao trình độ chuyên môn cho bản thân
- Tìm ra bộ thông số phù hợp nhất cho lưu vực nghiên cứu
- Cơ sở xây dựng đường quá trình lũ tính toán và thực đo,
đường tổng lượng lũ

B. NỘI DUNG
I.

Giới thiệu chung mô hình NAM

Mô hình NAM là mô hình tất định dạng nhận thức với thông số tập trung,
và là mô hình mô phỏng liên tục.
Mô hình NAM mô phỏng quá trình mưa-dòng chảy diễn ra trên lưu vực
Đây là một modun tính mưa từ dòng chảy trong bộ phần mềm thương mại
MIKE 11 do viện thủy lực Đan Mạch xây dựng và phát triển.


Cấu trúc mô hình NAM.
Mô hình NAM mô phỏng quá trình mưa-dòng chảy một cách liên tục
thông qua việc tính toán cân bằng nước ở bốn bể chứa thẳng đứng, có tác
dụng qua lại lẫn nhau để diễn tả các tính chất vật lý của lưu vực. Các bể chứa

đó gồm:
•
•
•
•

Bể tuyết ( chỉ áp dụng cho vùng có tuyết)
Bể mặt
Bể sát mặt hay bể tầng rễ cây
Bể ngầm

Dữ liệu đầu vào của mô hình là mưa, bốc hơi tiềm năng, và nhiệt độ ( chỉ áp
dụng cho vùng có tuyết). Kết quả đầu ra của mô hình là dòng chảy trên lưu
vực, mực nước ngầm và các thông tin khác cho chu trình thủy văn, như sự
thay đổi tạm thời của độ ẩm của đất và khả năng bổ sung nuớc ngầm. Dòng
chảy lưu vực được phân một cách gần đúng thành dòng chảy mặt, dòng chảy
sát mặt, dòng chảy ngầm.
II.

Cấu trúc mô hình
a. Bể tuyết
Giáng thủy sẽ được giữ lại trong bể tuyết khi nhiệt độ dưới 0oC,
còn nhiệt độ lớn hơn 0oC thì nó sẽ chuyển xuống bể chứa mặt.
Qmelt = Csmclt. T
Trong đó: Csmelt = 2 mm/ngày/K là hệ số tuyết tan trong ngày
b. Bể chứa mặt


Lượng ẩm trữ trên bể mặt của thực vật, cũng như lượng nước
điền trũng trên bề mặt lưu vực được đặc trưng bởi lượng trữ bề

mặt. Umax đặc trưng cho giới hạn trữ nước tối đa của bể này.
Lượng nước U trong bể chứa mặt sẽ giảm dần do bốc hơi, do thất
thoát theo phương nằm ngang ( dòng chảy sát mặt ). Khi luợng
nuớc này vượt quá ngưỡng Umax, thì một phần của lượng nước
vượt ngưỡng , PN này sẽ chảy vào suối dưới dạng dòng chảy tràn
bề mặt, phần còn lại sẽ thấm xuống bể sát mặt và bể ngầm
c. Bể sát mặt( bể tầng rễ cây)
Bể này thuộc tầng rễ cây, là lớp đất mà thực vật có thể hút nước
thoát ẩm. Lmax đặc trưng cho lượng ẩm tối đa mà bể này có thể
chứa.
Lượng ẩm của bể chứa này được đặc trưng bởi đại lượng L. L
phụ thuộc vào lượng tổn thất thoát hơi của thực vật. lượng ẩm
này cũng ảnh hưởng đến lượng nước sẽ đi xuống bể chứa ngầm
để bổ sung lượng nước ngầm.
d. Bể ngầm
Biểu thị tâng nước ngầm.
III.

Diễn toán dòng chảy
a. Dòng chảy mặt
Khi bể chứa mặt tràn nước, U>Umax, thì lượng nước vượt
ngưỡng PN sẽ hình thành dòng chảy mặt và thấm xuống dưới.
QOF là một phần của PN, tham gia hình thành dòng chảy mặt, nó
tỷ lệ thuận với PN và thay đổi tuyến tính với lượng ẩm tương
đối, L/Lmax của tầng rễ cây:
QOF=
Trong đó:
CQOF là hệ số dòng chảy mặt ( 0
TOF là ngưỡng của dòng chảy mặt ( 01)
Phần còn lại của PN sẽ thấm xuống tầng dưới. Một phần DL của

phần nước amthấm xuống này, ( PN – QOF) sẽ làm tăng lượng
ẩm L của bể chứa tẫng rễ cây này. Phần còn lại sẽ thẩm thấu
xuống tầng sâu hơn để bổ sung cho bể chứa tầng ngầm.
b. Dòng chảy sát mặt
Dòng chảy sát mặt, QIF được giả thiết tỷ lệ thuận với U và biến
đổi tuyến tính với độ ẩm tương đối của bể chứa tầng rễ cây:
QIF=
Trong đó:


CKIF là hằng số thời gian của dòng chảy sát mặt
TIF là giá trị ngưỡng của dòng chảy sát mặt ( 01)
c. Bổ sung dòng chảy ngầm
Lượng nươc thấm xuống G, bổ sung cho bể chứa ngầm phụ
thuộc vào độ ẩm của đất ở tầng rễ cây:
G=
Trong đó:
TG là giá trị ngưỡng của lượng nước bổ sung cho tầng ngầm
( 01)
d. Diễn toán dòng chảy mặt và dòng chảy sát mặt
Dòng chảy mặt và dòng chảy sát mặt sẽ được diễn toán thông
qua 2 bể chứa tuyến tính theo chuỗi thời gian với hằng số thời
gian CK1 và CK2

= QOF(1-)+
= QIF(1-)+
e. Diễn toán dòng chảy ngầm
Dòng chảy ngầm được diễn toán toán thông qua một bể chứa
tuyến tính với hằng số thời gian CKBF
BFt = G(1-)+

f. Tổng lượng dòng chảy
IV.

Thông số mô hình
Mô hình NAM bao gồm 9 thông số cần được hiệu chỉnh

Thông số mô
hình
Lmax
Umax
CQOF

Mô tả

Lượng nước tối đa trong bể chứa tầng rễ cây. Lmax có thể gọi là lượng
ẩm tối đa của tầng rễ cây để thực vật có thể hút để thoát hơi nước
Lượng nước tối đa trong bể chứa mặt. Lượng trũ này có thể gọi là
lượng nước để điền trũng, rơi trên mặt thực vật, và chứa vài Cm của bề
mặt của đất
Hệ số dòng chảy mặt (0≤CQOF≤1). CQOF quyết định sự phân phân
phối của mưa hiệu quả cho dòng chảy ngầm và thấm.


TOF
TIF
TG
CKIF
CK12
CKBF

Giá trị ngưỡng của dòng chảy mặt (0≤TOF≤1). Dòng chảy mặt chỉ hình
thành khi chỉ số ẩm tương đối của đất ở tầng rễ cây lớn hơn TOF
Giá trị ngưỡng của dòng chảy sát mặt (0≤TIF≤1). Dòng chảy sát mặt
chỉ hình thành khi chỉ số ẩm tương đối của đất ở tầng rễ cây lớn hơn
TIF
Giá trị ngưỡng của lượng nước bổ sung cho dòng chảy ngầm
(0≤TOF≤1). Lượng bổ sung cho bể chứa ngầm chỉ được hình thành kh
chỉ số ẩm tương đối của tầng rễ cây lớn hơn TG
Hằng số thời gian của dòng chảy sát mặt. CKIF cùng với Umax quyết
định dòng chảy sát mặt. Nó chi phối thông số diễn toán dòng chảy sát
mặt CKIF>>CK12
Hằng số thời gian cho diễn toán dòng chảy mặt và sát mặt. Dòng chảy
mặt và dòng chảy sát mặt được diễn toán theo các bể chứa tuyến tính
theo chuỗi với cùng với một hằng số thời gian CK12
Hằng số thời gian dòng chảy ngầm. Dòng chảy ngầm từ bể chứa ngầm
được diễn toán bằng mô hình bể chứa tuyến tính với hằng số thời gian
CKBF.

V.

Ứng dụng của mô hình.

VI.

Mô hình NAM đã được tích hợp như một modun trong bộ phần
mềm thương mại MIKE 11 của viện thủy lực Đan Mạch – DHI, hiện
được sử dụng ở nhiều nơi trên thế giới và những năm gần đây cũng
hay được sử dụng ở Việt Nam.
Những ứng dụng chủ yếu của mô hình:
a. Phân tích thủy văn

- Phân phối dòng chảy
- Ước tính thấm và bốc hơi
b. Dự báo lũ
- Tính toán biên nhập lưu cho các mô hình thủy lực mạng lưới
sông
- Liên kết với các mô hình khí tượng
c. Kéo dài số liệu dòng chảy
- Phục hồi những liệu bị thiếu
- Cở sở xác định các giá trị cực đoan
d. Dự báo dòng chảy kiệt
- Phục vụ tưới
- Quản lý chất lượng nước
Tính toán đối với lưu vực sông Bôi


Lưu vực sông Bôi (F = 764 km2 ) chọn chuỗi số liệu mưa, bốc hơi,
dòng a của trận lũ xảy ra từ ngày 08/10/1970 đến ngày 22/10/1970
( với bước thời gian tính toán 1 ngày).

Bảng số liệu đầu vào.
1. Quá trình chạy mô hình
Mở MIKE 11
Chọn NEW -> chọn MIKE ZERO -> chọn time series (dfs0)

Chọn Blank time series


Nhập số liệu mưa, bốc hơi, dòng chảy cho mô hình

Nhập thông số mô hình NAM
Chọn MIKE 11 -> chọn RR Parameters (.rr11)

Chọn Insert Cachment để thêm lưu vực tính toán


Chuyển về tab NAM để nhập các thông số mô hình


Chuyển sang tab time series


Chọn New  chọn MIKE 11 chọn Simulation (.sim11)

Bên tab Models chọn Rainfall runoff


Ở mục RR parameters chọn đến file rainfall runoff parameter vừa tạo
lúc trước

Bên tab simulation chọn bước thời gian bắt đầu và kết thúc


Bên tab result chọn file kết quả

Kết quả sau khi chạy mô hình:


Sau đó lần lượt thay đổi các thông số mô hình sao cho đường lưu
lượng tính toán và đường lưu lương thực đo phù hợp nhất có thể.

2. Quá trình hiệu chỉnh mô hình
Bảng bộ thông số qua các lần hiệu chỉnh:


3. Kết quả hiệu chỉnh
Thông qua quá trình hiệu chỉnh các thông số ta thu được bộ
thông số cuối cùng:
Thông
số

Umax
(mm)

Lmax
(mm)
12

Thông
số

CKBF

CKIF
CK12
CQOF
(day)
(day)
TOF
50
0.8

500
38

U/Umax
L/Lmax QOF
QIF
200
0.5
0.4
20

TIF
0

BF
18

0
R2

15

TG
0.33

WBL (%)
0.779
5.3

4. Đánh giá độ nhạy các thông số
Trong các thông số của mô hình có thể phân ra thông số
chính( thông số nhạy) hay thông số phụ ( thông số không nhạy)
- Sử dụng phương pháp thử sai đơn giản để đánh giá độ nhạy
của các thông số mô hình:
Với bộ thông số:
Thông
số

Umax
(mm)

Lmax
(mm)
10

Thông
số

CKBF

CKIF
CK12
CQOF
(day)
(day)
TOF
100
0.8
500

47

U/Umax
L/Lmax QOF
QIF
200
0.5
0.4
20

TIF
0

BF
18

TG
0

R2
15

0.33
WBL (%)

0.714


Sai lệch tổng lượng WBL= 6.4%
Số tương quan R= 0.714

Xét với Lmax
- Giảm Lmax 50% (Umax = 50 mm)


Sai lệch tổng lượng WBL= -0.9%
Hệ số tương quan R= 0.761
Tăng Lmax 50% ( Lmax = 150 mm )


Sai lệch tổng lượng WBL= 7.4%
Hệ số tương quan R= 0.976
Suy ra:
• Lmax quyết định đến đỉnh lũ ( Lmax tăng thì đỉnh lũ
giảm, quá trình lũ giảm)
Xét với Umax
- Tăng Umax 40 % ( Umax = 14 mm )


Sai lệch tổng lượng WBL= 1.0%
Hệ số tương quan R= 0.751
Khi ta thay đổi giá trị của Umax thì làm thay đổi đường chân
lũ khá nhiều
→ Umax có ảnh hưởng tới kết quả mô hình
- Xét CK12
Tăng CK12 ( tăng thêm 3 mm)


Sai lệch tổng lượng WBL= -1.6%
Hệ số tương quan R= 0.745
Giảm CK12 ( giảm đi 9 mm )

Sai lệch tổng lượng WBL= 5.3%
Hệ số tương quan R= 0.779
Suy ra:
• CK12 quyết định đến độ lớn đỉnh lũ ( tăng CK12 thì
đỉnh lũ giảm, giảm CK12 thì đỉnh lũ tăng)
• CK12 quyết định đến sai lệch tổng lượng ( tăng CK12
thì tổng lượng lũ tính toán tăng)
 Theo em thông số nhạy nhất trong bộ thông số của mô
hình là Umax
 Ngoài ra các thông số khác trong mô hình cũng có ảnh
hướng tới quá trình lũ, tuy nhiên mức độ ảnh hưởng không
lớn.
5. Kiểm định mô hình
Chọn trận lũ trên lưu vưc sông Bôi kéo dài từ ngày 22/09/1970
đến ngày 08/10/1970 để kiểm định cho bộ thông số đã chọn ta
có:


Kết quả kiểm định bộ thông số: