Luận văn So sánh ứng dụng mô hình thủy văn Nam và Frasc để đánh giá tài nguyên nước lưu vực thác Mơ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---˜o™--- LÊ THANH TRANG LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG SO SÁNH ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY VĂN NAM VÀ FRASC ĐỂ ĐÁNH GIÁ TÀI NGUYÊN NƯỚC LƯU VỰC THÁC MƠ TP. HỒ CHÍ MINH THÁNG 11 NĂM 2010 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---˜o™--- LÊ THANH TRANG SO SÁNH ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY VĂN NAM VÀ FRASC ĐỂ ĐÁNH GIÁ TÀI NGUYÊN NƯỚC LƯU VỰC THÁC MƠ CHUYÊN NGÀNH : KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG MÃ SỐ : 65.02.14 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS VŨ VĂN NGHỊ TP. HỒ CHÍ MINH THÁNG 11 NĂM 2010 i Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” LỜI CẢM ƠN Em chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn là TS Vũ Văn Nghị đã truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm, chỉ dẫn tận tình và hỗ trợ mô hình toán cho em trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn này. Chân thành cảm ơn các thầy cô khoa môi trường trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Tp. Hồ Chí Minh đã giúp em có những kiến thức bổ ích trong những năm học tại Khoa Môi trường - trường Đại học Khoa học Tự nhiên. Tác giả bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến người thân trong gia đình, bạn bè, các đồng nghiệp Công ty Nước và Môi Trường Bình Minh – những người luôn ở bên cạnh, tận tình giúp đỡ, động viên tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận văn này. Ngoài ra, trong luận văn này tác giả đã sử dụng một số tư liệu và thành quả nghiên cứu đã công bố của nhiều công trình khác nhau. Rất mong nhận được sự lượng thứ từ các tác giả của các tài liệu tham khảo trong luận văn này, và cho phép được trích dẫn tài liệu. Xin chân thành cảm ơn! Lê Thanh Trang Tp. Hồ chí Minh Tháng 11 năm 2010 ii Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” TÓM TẮT Nước là một tài nguyên cho sự sống và được xem là một nhân tố thiết yếu cho các hệ sinh thái. Trong những năm gần đây, việc thiếu hụt nguồn nước ngày càng trở nên nghiên trọng đối với quá trình phát triển kinh tế xã hội. Nguyên nhân sâu xa là do những bất cập trong công tác quản lý (khai thác quá mức, phá rừng, ô nhiễm…), đánh giá trữ lượng tài nguyên nước của từng lưu vực. Do đó, việc đánh giá tài nguyên nước trên lưu vực phục vụ cho phát triển kinh tế xã hội là việc làm cấp bách hiện nay. Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học máy tính nhiều mô hình toán thủy văn đã ra đời mô phỏng khá tốt nguồn nước trên các lưu vực sông hai trong số đó là mô hình NAM và FRASC. Tuy nhiên, mô hình toán không phải lúc nào hay mô hình nào cũng thích hợp cho bất cứ vùng nào; hay nói một cách khác rằng không có mô hình nào mang tính chất toàn cầu. Việc lựa chọn mô hình ứng dụng cho mỗi điều kiện nhất định cũng là một vấn đề khó khăn đối với các chuyên gia thuỷ văn. Do đó, trong luận văn này, tác giả đã so sánh ứng dụng hai mô hình thủy văn NAM và FRASC cho lưu vực Thác Mơ. Dựa trên các tiêu chí đánh giá như hệ số thặng dư (Bias), hệ số hiệu quả mô hình (R2), và hệ số tương quan (r). Kết mô phỏng cho thấy, cả hai mô hình mô phỏng rất tốt, lưu lượng tính toán bằng mô hình phù hợp với số liệu thực đo cho lưu vực Thác Mơ. Tuy nhiên, mô hình FRASC đưa ra được thông tin về tài nguyên nước tại từng điểm trên lưu vực; đặc biệt, đối với mô hình FARSC từ kết quả mô phỏng lũ với mô hình cao độ số (DEM) có thể xây dựng được bản đồ ngập lụt. Vì vậy, mô hình FRASC có thể được xem như là một công cụ hữu ích cho việc kiễm soát lũ và quản lý tài nguyên nước tổng hợp cho lưu vực Thác Mơ. Dựa vào kết quả mô phỏng của mô hình FRASC, tác giả đã tính toán tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ theo các tần suất thiết kế (P = 5% năm nhiều nước; P = 50% năm nước trung bình; và P = 90% năm ít nước) làm cơ sở phục vụ phát triển bền vững kinh tế xã hội lưu vực Thác Mơ và các vùng hưởng lợi. Từ khóa: mô hình NAM, mô hình FRASC, so sánh mô hình, tài nguyên nước. iii Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” ABSTRACT Water is an invaluable resource and is considered an essential factor for the ecosystem. In recent years, the issue of inadequate water is becoming more and more important to the social and economic development process. Deep causes are due to short of the management (overexploitation, deforestation, pollution ...), assessment of water resources reserves of each basin…. Therefore, the assessment of water resources of the catchment for socio-economic development is an imperative need now. Nowadays along with the development of computer science, many mathematics hydrologic (hydrographic mathematical) models imitated pretty well water sources in watersheds, two of those are NAM and FRASC model. However, mathematical models are not always correct or any model is also suitable for any region, or in other words there is not any model which does not have a global characteristic. The choice of model for each application under certain conditions is a difficult problem for hydrology experts. Consequently, in this thesis, the author compares the application the hydrological NAM and FRASC model for Thac Mo catchment. Based on the evaluation criteria such as water balance error (Bias), Nash-Sutcliffe (R2) and Pearson correlation coefficient (r) demonstrate that both models imitated very well, the flow calculated by the model fit the data measured for Thac Mo basin. However, the information on water resources at each point in the basin was given by FRASC model, especially; with the simulation results of FARSC model and digital elevation model (DEM), we can establish inundation maps. So FRASC model can be viewed as a useful tool for flood control and integrated management water resource in Thac Mo basin. Based on the simulation results of FRASC model, the authors calculated the water resources in the Thac Mo basin with design frequency (P = 5% wet year; P = 50% average water year, and P = 90% less water year); It will be the basis for the socio-economic sustainable development of Thac Mo catchment and beneficiaries areas. Keywords: NAM model, FRASC model, model comparison, water resource. iv Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................................ i TÓM TẮT ............................................................................................................................. ii MỤC LỤC ........................................................................................................................... iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................. vii DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................... viii DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ................................................................................ ix MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1 1. Đặt vấn đề .................................................................................................................. 1 2. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu ............................................................................... 2 2.1 Thế gới ................................................................................................................. 2 2.2 Trong nước .......................................................................................................... 3 2.3 Thảo luận về mô hình toán trong nghiên cứu tài nguyên nước ........................... 5 2.4 Đánh giá nhận xét ................................................................................................ 7 3. Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu ....................................................... 7 3.1 Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................ 7 3.2 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu ........................................................................ 8 3.3 Nội dung nghiên cứu ........................................................................................... 8 3.4 Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................... 9 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................................... 9 4.1 Ý nghĩa khoa học ................................................................................................. 9 4.2 Ý nghĩa thực tiễn ............................................................................................... 10 CHƯƠNG 1: MÔ TẢ KHU VỰC NGHIÊN CỨU ......................................................... 11 1.1 Đặc điểm tự nhiên ................................................................................................. 11 1.1.1 Vị trí địa lý ..................................................................................................... 11 1.1.2 Địa hình .......................................................................................................... 11 1.1.3 Thổ nhưỡng .................................................................................................... 12 1.1.4 Thảm thực vật ................................................................................................ 12 1.1.5 Hệ thống sông ................................................................................................ 12 1.1.6 Khí hậu ........................................................................................................... 13 1.1.6.1 Nhiệt độ không khí ................................................................................. 13 1.1.6.2 Độ ẩm ..................................................................................................... 13 1.1.6.3 Số giờ nắng ............................................................................................. 14 1.1.6.4 Gió .......................................................................................................... 14 1.1.6.5 Bốc hơi ................................................................................................... 15 1.1.6.6 Mưa ......................................................................................................... 15 v Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” 1.2 Nhận xét, đánh giá các đặc điểm tự nhiên vùng nghiên cứu ................................. 16 1.2.1 Thuận lợi ........................................................................................................ 16 1.2.2 Khó khăn ........................................................................................................ 17 1.3 Điều kiện kinh tế xã hội trên lưu vực .................................................................... 17 1.3.1 Đặc điểm dân số ............................................................................................. 17 1.3.2 Tình hình kinh tế trong khu vực .................................................................... 18 1.3.3 Phương hướng phát triển kinh tế xã hội theo các giai đoạn phát triển .......... 18 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH THỦY VĂN ............................................................................. 20 2.1 Tổng quan về mô hình thủy văn ............................................................................ 20 2.2 Phân loại mô hình thủy văn ................................................................................... 21 2.2.1 Mô hình tất định (Deterministic model) ........................................................ 22 2.2.2 Mô hình ngẫu nhiên (Stochastic model) ........................................................ 23 2.3 Tiêu chuẩn lựa chọn mô hình ................................................................................ 24 2.4 Tiêu chuẩn đánh giá mô hình mô phỏng ............................................................... 25 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN THỦY VĂN THÍCH HỢP CHO LƯU VỰC THÁC MƠ................................................................................... 27 3.1 Tổng quan.............................................................................................................. 27 3.2 Mô hình NAM ....................................................................................................... 28 3.2.1 Khái quát về mô hình NAM .......................................................................... 28 3.2.2 Cấu trúc mô hình ............................................................................................ 28 3.2.2.1 Bể tuyết (áp dụng cho vùng có tuyết) ..................................................... 30 3.2.2.2 Bể chứa mặt ............................................................................................ 30 3.2.2.3 Bể sát mặt và bể tầng rễ cây ................................................................... 30 3.2.2.4 Bốc thoát hơi .......................................................................................... 30 3.2.2.5 Dòng chảy mặt. ....................................................................................... 30 3.2.2.6 Dòng chảy sát mặt .................................................................................. 31 3.2.2.7 Bổ sung dòng chảy ngầm ....................................................................... 31 3.2.2.8 Lượng ẩm của đất ................................................................................... 31 3.2.3 Hiệu chỉnh các thông số của mô hình ............................................................ 32 3.2.4 Những điều kiện ban đầu ............................................................................... 33 3.3 Mô hình FRASC ................................................................................................... 33 3.3.1 Khái quát về mô hình FRASC ....................................................................... 33 3.3.2 Cấu trúc mô hình FRASC .............................................................................. 34 3.3.3 Cơ sở lý thuyết và các phương pháp tính ...................................................... 37 3.3.3.1 Bốc thoát hơi nước ................................................................................. 37 3.3.3.2 Hình thành dòng chảy ............................................................................. 37 3.3.3.3 Sự phân chia các thành phần dòng chảy trong mỗi ô lưới ...................... 41 vi Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” 3.3.3.4 Tập trung dòng chảy ............................................................................... 43 3.3.3.5 Diễn toán dòng chảy từ ô lưới đến ô lưới ............................................... 44 3.3.4 Thảo luận về các thông số .............................................................................. 45 3.3.4.1 Các thông số bốc thoát hơi nước ............................................................ 46 3.3.4.2 Các thông số hình thành dòng chảy ........................................................ 47 3.3.4.3 Các thông số phân chia dòng chảy ......................................................... 47 3.3.4.4 Các thông số tập trung dòng chảy .......................................................... 48 3.4 Mô hình hóa cho khu vực nghiên cứu ................................................................... 48 3.4.1 Sơ đồ mạng lưới hóa cho khu vực nghiên cứu .............................................. 48 3.4.2 Tài liệu đầu vào .............................................................................................. 49 3.4.2.1 . Tài liệu thảm thực vật (land cover) và các thông số liên quan đến thảm thực vật ............................................................................................................................. 49 3.4.2.2 Tài liệu mưa ............................................................................................ 51 3.4.2.3 Tài liệu bốc hơi ....................................................................................... 52 3.4.2.4 Tài liệu lưu lượng ................................................................................... 52 3.4.2.5 Dữ liệu GIS ............................................................................................. 52 3.5 Kết quả mô phỏng ................................................................................................. 55 3.5.1 Mô hình NAM ............................................................................................... 56 3.5.2 Mô hình FRASC ............................................................................................ 57 3.6 So sánh .................................................................................................................. 59 3.7 Kết luận ................................................................................................................. 63 CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ TÀI NGUYÊN NƯỚC LƯU VỰC THÁC MƠ .................. 64 4.1 Tổng quan.............................................................................................................. 64 4.2 Kết quả mô phỏng dòng chảy................................................................................ 65 4.3 Phân tích và đánh giá kết quả tính toán ................................................................. 65 4.3.1 Tính toán đặc trưng dòng chảy ...................................................................... 65 4.3.2 Dòng chảy năm .............................................................................................. 67 4.3.3 Dòng chảy theo mùa ...................................................................................... 68 4.3.4 Tính toán dòng chảy năm, mùa thiết kế ......................................................... 70 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 74 PHỤ LỤC ............................................................................................................................ 77 vii Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT DEM : Mô hình cao độ số DHI : Viện Thuỷ lực Đan Mạch GIS : Hệ thống thông tin địa lý KCN : Khu Công nghiệp KHCN : Khoa học công nghệ KHTL : Khoa học thủy lợi KT-XH : Kinh tế – xã hội LVS : Lưu vực sông MIKE BASIN : Mô hình tính toán cân bằng nước (DHI) NAM : Mô hình mưa rào - dòng chảy (DHI) QHTL : Quy hoạch thủy lợi TB : Trung bình TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam TV : Thủy văn VKTTĐPN : Vùng Kinh tế trọng điểm phía Nam XINANJIANG : Mô hình thủy văn FRASC : Mô hình diễn toán lũy tích dòng chảy lưu vực viii Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Nhiệt độ trung bình hang tháng và cả năm của trạm Phước Long ....................... 13 Bảng 1.2 Độ ẩm không khí bình quân nhiều năm trạm Phước Long .................................. 14 Bảng 1.3 Các đặc trưng khí tượng trung bình tháng vùng nghiên cứu ................................ 15 Bảng 1.4 Phân bố lượng bốc hơi hàng năm bằng phương pháp Penman Monteith............. 15 Bảng 1.5 Lượng mưa trung bình tháng tại các trạm đo và trung bình lưu vực (mm) .......... 16 Bảng 1.6 Hiện trạng dân số vùng nghiên cứu[13][14] ............................................................. 17 Bảng 1.7 Phân bố diện tích đất trong khu vực nghiên cứu[13][14] ......................................... 18 Bảng 1.8 Quy hoạch sử dụng đất trong khu vực nghiên cứu ............................................... 19 Bảng 3.1 Bảng tổng hợp các thông số chính trong hiệu chỉnh mô hình NAM .................... 32 Bảng 3.2 Các thông số của mô hình FRASC ....................................................................... 36 Bảng 3.3 Các thông số liên quan từng loại thảm phủ lưu vực Thác Mơ ............................. 50 Bảng 3.4 Trọng số thiessen tính mưa trung bình các tiểu lưu vực ...................................... 52 Bảng 3.5 Bộ thông số mô hình NAM từ hiệu chỉnh mô hình cho lưu vực Thác Mơ .......... 57 Bảng 3.6 Bộ thông số mô hình FRASC từ hiệu chỉnh mô hình cho lưu vực Thác Mơ ....... 58 Bảng 3.7 Tiêu chuẩn đánh giá hai mô hình NAM và FRASC thời kì hiệu chuẩn (1982 – 1984) và kiểm định (1985 – 1987) cho lưu vực Thác Mơ ................................................... 60 Bảng 4.1 Đặc trưng dòng chảy trung bình nhiều năm lưu vực nghiên cứu ......................... 66 Bảng 4.2 Lưu lượng dòng chảy TB năm tại Thác Mơ theo các tần suất thiết kế ................ 71 Bảng 4.3 Lưu lượng dòng chảy TB mùa lũ tại Thác Mơ theo các tần suất thiết kế ............ 71 Bảng 4.4 Lưu lượng dòng chảy TB mùa kiệt tại Thác Mơ theo các tần suất thiết kế ......... 71 ix Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1 Phạm vi không gian vùng nghiên cứu........................................................................ 8 Hình 1.1 Phân phối lượng mưa trung bình tháng lưu vực Thác Mơ thời kì 1981-2007 ...... 16 Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc của mô hình NAM ........................................................................ 29 Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc mô hình FRASC ........................................................................... 35 Hình 3.3 Phân bố sức chứa nước ứng suất trong lưu vực .................................................... 38 Hình 3.4 The free water storage capacity distribution curve ............................................... 42 Hình 3.5 Bản đồ thảm phủ đất UMD 1 km .......................................................................... 50 Hình 3.6 Đa giác Thiessen được xác định bằng phần mềm MIKE BASIN ........................ 51 Hình 3.7 (a) Ảnh DEM gốc, và (b) DEM được lấp đầy của lưu vực Thác Mơ ................... 53 Hình 3.8 (a) Hướng dòng chảy, và (b) Lũy tích dòng chảy tại lưu vực Thác Mơ ............... 54 Hình 3.9 (a) Lưu vực, và (b) Mạng lưới sông của lưu vực Thác Mơ .................................. 55 Hình 3.10 Quá trình lũy tích dòng chảy thực đo và mô phỏng tại Thác Mơ thời kỳ hiệu chỉnh mô hình NAM ............................................................................................................ 57 Hình 3.11 Quá trình lũy tích dòng chảy thực đo và mô phỏng tại Thác Mơ thời kỳ hiệu chỉnh mô hình FRASC ......................................................................................................... 59 Hình 4.1 Quá trình lưu lượng ngày mô phỏng cửa ra Thác Mơ .......................................... 65 Hình 4.2 Lưu lượng dòng chảy trung bình tháng tại lưu vực thác Mơ ................................ 67 Hình 4.3 Lưu lượng trung bình năm tại Thác Mơ thời kì 1981-2007 .................................. 67 Hình 4.4 Lưu lượng trung bình mùa lũ tại Thác Mơ thời kì 1981-2007 ............................. 68 Hình 4.5 Lưu lượng trung bình mùa kiệt tại Thác Mơ thời kì 1981-2007 ........................... 69 1 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Nước là yếu tố quyết định đến sự tồn tại và phát triển môi trường sống. Nước là một loại tài nguyên thiên nhiên quý giá và có hạn, là động lực chủ yếu chi phối mọi hoạt động dân sinh kinh tế của con người. Nước được sử dụng cho nông nghiệp, phát điện, giao thông vận tải, chăn nuôi, thuỷ sản, cấp nước sinh hoạt, công nghiệp, du lịch, cải tạo môi trường… Bởi vậy, tài nguyên nước có giá trị kinh tế và được coi là một hàng hoá[4]. Lưu vực Thác Mơ là một chi lưu của lưu vực sông Bé. Là vùng đồi núi trung du nằm trong địa phận các tỉnh Đắc Nông và Bình Phước có độ cao từ vài chục đến hơn 1000 m (dữ liệu khai thác từ bản đồ cao độ số DEM 90 m x 90 m). Tài nguyên nước lưu vực sông Bé có tiềm năng rất dồi dào, phân tích thống kê tài liệu khí tượng thuỷ văn, lượng mưa trung bình lưu vực khoảng 2200 – 2700 mm/năm tăng dần từ hạ lưu lên thượng lưu với hệ số dòng chảy α = 0.55[28], là nguồn cung cấp nước chính cho phát triển kinh tế địa phương và cả khu vực hạ du. Về khai thác tài nguyên nước, trên lưu vực Thác Mơ có hệ thống thuỷ lợi, thuỷ điện Thác Mơ được thiết kế và đi vào vận hành từ năm 1994 trong tổng thể bốn bậc thang trên dòng sông Bé (từ thượng lưu tới hạ lưu): Thác Mơ, Cần Đơn,Srok Phu Miêng và Phước Hoà. Hệ thống thuỷ điện, thuỷ lợi này đã và đang tạo một sản lượng điện lớn cho lưới điện quốc gia; cung cấp nước tưới, sinh hoạt, công nghiệp, cải tạo môi trường và phòng chống lũ góp phần quan trọng vào sự phát triển bền vững kinh tế xã hội khu vực Đông Nam Bộ, nơi được quy hoạch thành Vùng kinh tế Trọng điểm phía Nam (Southern Focal Economic Area – SFEA). Ngoài ra còn có các hồ chứa nhỏ được xây dựng nhằm thoả mãn nhu cầu nước cục bộ. Do đó, dòng chảy tự nhiên trên hệ thống sông có sự thay đổi lớn. 2 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” Đã có nhiều nghiên cứu về tài nguyên nước lưu vực sông Bé, đặc biệt trong những năm gần đây[12], [13], [15]. Tuy nhiên, do việc khai thác nguồn nước như đã nêu ở trên cũng như do sự biến đổi khí hậu toàn cầu và thay đổi mặt đệm (phá rừng, chuyển đổi cơ cấu cây trồng) nên việc cập nhật nghiên cứu vẫn là vấn đề thời sự. Ngày nay, cùng với sự hỗ trợ của công nghệ thông tin, nhiều mô hình toán thuỷ văn có thể mô phỏng khá tốt nguồn nước trên các lưu vực sông. Nhiều phần mềm tính toán đã được xây dựng, kiểm tra trên thực tế và hiệu chỉnh nên đã cho kết quả gần phù hợp với thực tế. Sự ra đời của các phần mềm mô phỏng này đã mở ra một kỹ nguyên mới cho việc dự báo và dự đoán nguồn nước. các mô hình này đã trở thành một công cụ đắc lực, hỗ trợ rất nhiều trong việc tính toán nên việc đánh giá tài nguyên nước trở nên dễ dàng và nhanh chóng hơn. Tuy nhiên, mô hình toán không phải lúc nào hay mô hình nào cũng thích hợp cho bất cứ vùng nào; hay nói một cách khác rằng không có mô hình nào mang tính chất toàn cầu[27]. Việc lựa chọn mô hình ứng dụng cho mỗi điều kiện nhất định cũng là một vấn đề khó khăn đối với các chuyên gia thuỷ văn. Như vậy, việc nghiên cứu mô hình toán thuỷ văn ứng dụng đầy về lưu vực Thác Mơ để phát huy hiệu quả việc xây dựng công trình, tận dụng tối đa nguồn nước là việc làm cấp bách hiện nay. Qua phân tích ở trên, đề tài “So sánh ứng dụng mô hình thuỷ văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” được đề xuất thực hiện. 2. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 2.1 Thế gới Cách mạng số hoá bắt đầu với sự ra đời của máy tính trong những năm 1960 của thế kỷ 20. Khả năng của máy tính từ đó tăng lên rất nhanh. Cách mạng số còn thúc đẩy nhiều cuộc cách mạng khác, đó là mô phỏng số và mô phỏng thống kê. Do đó, những thuận lợi về mô hình lưu vực đã ra đời và khởi nguyên là sự phát triển mô hình lưu vực Stanford (the Stanford Watershed Model – SWM) bởi Crawford và Linsley vào năm 1966[19]. 3 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” Trong suốt những năm 1970 và 1980, một số mô hình toán học đã được phát triển. Quả thực có sự gia tăng đáng kể về mô hình thuỷ văn từ đó, với việc đi sâu nghiên cứu về mô hình dựa trên quá trình vật lý như: SWMM (Storm Water Managerment Model), NWS (Nation Weather Service River Forecast Systerm), NAM model (Nedbor Afstromnings), TOP model, IHDM (Institute of Hydrology Distributed Model), Xinanjiang[27], SSARR (Streamflow Synthesis and Reservoir Regulation)[23]… tất cả những mô hình này đã và đang được cải tiến đáng kể. SWM được cải tiến thành HSPF (Hydrological Simulation Program-Fortran). Xinanjiang được phát triểu thành FRASC (Flow-Routed Accumulation Sinmulation in a Catchment)[27]. Ngày nay, sư phát triển các mô hình mới hay cải tiến mô hình trước đây vẫ đang diễn ra. Liên quan trực tiếp đến đề tài nghiên cứu, trên thế giới có một số nghiên cứu trong thời gian gần đây, điển hình như: 1. Phát triển các mô hình thuỷ văn – kinh tế để giải các bài toán về sự phân bố tối ưu các kiểu sử dụng nước cũng như định ra các mức phí thích hợp đối với khai thác sử dụng nước và gây ô nhiễm nước[21]; 2. Ứng dụng MIKE BASIN xây dựng chiến lước quản lý tài nguyên nước lưu vực sông[17]; 3. Nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE 11 NAM đánh giá mưa – dòng chảy lưu vực sông Layang; 4. Các nguồn tài nguyên nước và ô nhiễm của sông Kok lưu vực ở miền bắc Thái Lan và Myanmar đã được phân tích bằng cách sử dụng MIKE BASIN và LOAD. 2.2 Trong nước Ở Việt Nam, vấn đề ứng dụng mô hình toán trong quản lý tổng hợp lưu vực sông nói chung và quản lý tài nguyên nước nói riêng đã được nhiều tổ chức, nhiều cá nhân quan tâm nghiên cứu từ những năm 60, qua việc uỷ ban sông Mekong ứng dụng các mô hình như SSARR[23] (Rokwood D.M Vol 1- 1968) và mô hình toán triều của Hà Lan vào tính toán, dự báo dòng chảy sông Mekong. Song, chỉ sau 4 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” ngày miền nam giải phóng (1975), đất nước thống nhất thì phương pháp này mới ngày càng thực sự trở thanh công cụ quan trọng trong tính toán, dự báo thuỷ văn ở nước ta. Liên quan trực tiếp đến đề tài nghiên cứu, trong nước có một số nghiên cứu trong thời gian gần đây, điển hình như: 1. Đề tài cấp nhà nước KHCN.07.17 “Xây dựng một số cơ sở khoa học phục vụ cho việc quản lý thống nhất và tổng hợp môi trường nước lưu vực sông Đồng Nai”[8] do viện môi trường và tài nguyên chủ trì thực hiện giai đoạn 1999- 2000. 2. Đề tài nghiên cứu thể nghiệm “Đánh giá tài nguyên nước mặt lưu vực sông Lá Buông”[3] do viện Quy hoạch thuỷ lợi Nam bộ thực hiện từ tháng 3 năm 2006. Đề tài đã nghiên cứu một số vấn đề chính như sau: · Sử dụng các công cụ nghiên cứu cần thiết (mô hình toán như mô hình mưa dòng chảy NAM, mô hình toán cân bằng nước MIKE BASIN, mô hình chất lượng nước MIKE BASIN – WQ, mô hình thuỷ lực MIKE 11, mô hình lũ MIKE FLOOD) mô phỏng, phân tích, đánh giá tài nguyên nước mặt trên lưu vực; · Dự báo nhu cầu sử dụng nước lưu vực theo các phương án phát triển; · Xây dựng các giải pháp và phương án khai thác nguồn nước lưu vực; · Xây dựng và đề xuất các giải pháp bảo vệ tài nguyên nước lưu vực. 3. Đề tài cấp Nhà nước KC.08.04 “Nghiên cứu xây dựng mô hình quản lý tổng hợp tài nguyên và môi trường lưu vực sông Đà”[9] do Viện Khoa học Thủy lợi chủ trì và TS. Nguyễn Quang Trung làm chủ nhiệm đề tài, thực hiện từ 10/2001 đến tháng 9/2004. Đề tài này đã xây dựng được bộ hồ sơ lưu vực sông Đà, xây dựng phương pháp luận và đề xuất 2 mô hình quản lý tổng hợp lưu vực sông Đà: Mở rộng mô hình quản lý quy hoạch lưu vực sông Hồng (mô hình pháp lý) và Mô hình quản lý tổng hợp tài nguyên và môi trường lưu vực sông Đà. 5 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” 4. Đề tài cấp Nhà nước KC.08.05 “Nghiên cứu xây dựng cơ sở khoa học và đề xuất các giải pháp bảo vệ và sử dụng hợp lý tài nguyên nước vùng Tây Nguyên”[2] do Trường Đại học Mỏ - Địa chất chủ trì và PGS.TS. Đoàn Văn Cánh làm chủ nhiệm đề tài, thực hiện từ 10/2001 đến tháng 9/2004. Những kết quả chính của đề tài là đánh giá tiềm năng nước ở Tây Nguyên và đề xuất các giải pháp khai thác hợp lý các nguồn nước để chống hạn như giải pháp xây dựng các hồ chứa, giải pháp tăng cường trữ lượng tĩnh (bể chứa nước ngầm nhân tạo). 5. Đề tài cấp nhà nước KC.08.18/06-10 “Quản lý tổng hợp lưu vực và sử dụng hợp lý tài nguyên nước hệ thống sông Đồng Nai”[4] do PGS.TS. Đỗ Tiến Lanh - Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam chủ trì triển khai thực hiện (2007 - 2010). Mục tiêu chính của đề tài là xây dựng được cơ chế phù hợp nhằm chia sẻ nguồn nước, giải quyết xung đột về sử dụng nguồn nước, vận hành hệ thống hồ chứa tại lưu vực và đề xuất được các giải pháp khả thi nhằm sử dụng hợp lý và kiểm soát ô nhiễm tài nguyên nước lưu vực sông Đồng Nai. 2.3 Thảo luận về mô hình toán trong nghiên cứu tài nguyên nước Các mô hình toán thuỷ văn ngày càng tỏ ra có nhiều ứng dụng hiệu quả trong các lĩnh vực sản xuất và đời sống cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ máy tính và phương pháp tính, các mô hình ngày càng được hoàn thiện hơn và nâng cao độ chính xác, giải quyết hiệu quả các bài toán tính toán, dự báo, quy hoạch và quản lý tài nguyên nước. Có thể phân làm hai lĩnh vực ứng dụng chính đó là ứng dụng trong dự báo tính toán thuỷ văn và trong tính toán thuỷ lợi. Mô hình toán được ứng dụng để giải quyết có hiệu quả các bài toán của thực tế. Có mấy nội dung chính như sau: 2.3.1 Về quy hoạch hệ thống nguồn nước Các mô hình cho phép mô phỏng hệ thống lưu vực với các phương án khác nhau, và từ đó rút ra các kết luận về số các công trình cần xây dựng, vị trí công trình cũng như quy mô kích thước của nó trong hệ thống. Hiệu quả mô hình được cân nhắc 6 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” trên tác động tổng hợp của các nhân tố trên lưu vực. Mô hình toán cho phép xét đến tác động tổng hợp này, đồng thời nó cung cấp đầu vào cho các bài toán quy hoạch đáng tin cậy. 2.3.2 Về điều hành hệ thống Các công trình hoạt động trên lưu vực có liên hệ với nhau, vì vậy điều hành hệ thống nguồn nước là một bài toán tổng hợp phức tạp. Mô hình toán cho phép xem xét đến các giải pháp cụ thể bằng cách phân tích chi tiết các khả năng nước đến, yêu cầu nước dùng, lợi ích kinh tế xã hội và khả năng đảm bảo của công trình. Mô hình toán cũng đảm bảo dự báo khả năng nước đến, một đầu vào đặc biệt quan trọng để có thể điều chỉnh biểu đồ điều phối, nâng cao hiệu quả hoạt động của công trình. Mô hình toán tất định cũng như ngẫu nhiên làm tăng độ chính xác dự báo phục vụ vận hành các công trình thuỷ lợi. Nếu thực hiện việc nối mạng, thu thập và truy cập thông tin nhanh chóng thì hiệu quả điều hành hệ thống càng được nâng cao. 2.3.3 Về quản lý lưu vực Mô hình toán cho phép tính toán các nguồn nước của các lưu vực trong các điều kiện khai thác khác nhau, cũng như khi tác động của con người lên cảnh quan của lưu vực. Về mặt này mô hình toán có thể thay thế cho mô hình vật lý, thay thế cho các bãi dòng chảy thực nghiệm tốn kém, làm sáng tỏ vai trò của các nhân tố địa vật lý đến dòng chảy cũng như ảnh hưởng của dòng chảy đến các đặc trưng của lưu vực. Từ các điều kiện khai thác của lưu vực, mô hình toán giúp cho việc dự báo tính toán các quá trình xói trên lưu vực, khả năng bồi lấp hồ chứa. Từ đó xây dựng các phương án phòng chống có hiệu quả, bảo vệ lưu vực và tăng tuổi thọ công trình. Trên cơ sở phân tính bằng mô hình toán, đề xuất các biện pháp xây dựng công trình đảm bảo khai thác lưu vực hợp lý và bền vững. Một lưu vực không chỉ nằm trong một nước mà thường bao gồm nhiều quốc gia. Việc khai thác sử dụng của một nước phụ thuộc rất nhiều vào chủ quan của con người và các hoạt động của các quốc gia trên cùng lưu vực. mô hình toán giúp ta tìm được lời giải tổng hợp cho việc lợi dụng nguồn nước chung, cũng như ảnh 7 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” hưởng của từng hoạt động của từng quốc gia đến lưu vực. Từ đó có sự hợp tác liên quốc gia lâu dài, có giải pháp phối hợp chung để khai thác lưu vực có lợi nhất, không làm ảnh hưởng lẫn nhau. Các mô hình toán còn là một công cụ rất thuận tiện để nghiên cứu thuỷ văn, nhất là đánh giá các nhân tố ảnh hưởng đến dòng chảy không thua kém gì các mô hình vật lý. Các lời giải từ mô hình có thể định hướng cho những công trình nghiên cứu có giá trị thực tế[7]. Tuy nhiên, như đã trình bày ở trên, mô hình toán không phải lúc nào hay mô hình nào cũng thích hợp cho bất cứ vùng nào. Hay nói đúng hơn không có mô hình nào mang tính chất toàn cầu. Như vậy, việc nghiên cứu thuỷ văn ứng dụng đầy đủ về lưu vực Thác Mơ để phát huy hiệu quả việc xây dựng công trình, tận dụng tối đa nguồn nước là việc làm cấp bách hiện nay. 2.4 Đánh giá nhận xét Nhìn chung, những công trình nghiên cứu trong và ngoài nước đã đạt được nhiều kết quả to lớn cả về cơ sở khoa học và ứng dụng thực tiễn. Phương pháp mô hình toán được xem như là một công cụ quan trọng trong các nghiên cứu, đánh giá, quản lý, phân bố và phát triển nguồn nước. Tuy nhiên, ở Việt Nam việc ứng dụng mô hình toán trong nghiên cứu thuỷ văn còn nhiều hạn chế do thiếu về kinh phí, tài liệu đầu vào cho mô hình thường không liên tục, đủ dài và đồng nhất… Do vậy, việc ứng dụng mô hình toán thuỷ văn đối với điều kiện thực tế của Việt Nam cần được mở rộng nghiên cứu ở các vùng địa lý khác nhau, để cung cấp công cụ trợ giúp cho các nhà quản lý, người làm công tác quy hoạch, xây dựng phương án, kế hoạch quản lý và sử dụng tài nguyên dễ dàng và hiệu quả hơn. 3. Mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu 3.1 Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu ứng dụng mô hình thuỷ văn thích hợp cho lưu vực Thác Mơ, nơi mà tài nguyên nước đang được khai thác mạnh mẽ theo không gian cho các lĩnh vực khác 8 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” nhau từ đó mô phỏng dòng chảy và đánh giá tiềm năng nguồn nước phục vụ cho phát triển bền vững kinh tế xã hội vùng hưởng lợi. 3.2 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu - Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong lưu vực Thác Mơ có toạ độ 11035’ – 12017’ vỹ độ Bắc và 107000’ – 107030’ kinh độ Đông, diện tích tự nhiên 2,215 km2 (hình 1). Hình 1 Phạm vi không gian vùng nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: nghiên cứu cấu trúc, đặc điểm, chế độ thuỷ văn, tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ. Tiến hành nghiên cứu ứng dụng mô hình toán thích hợp cho lưu vực Thác Mơ. 3.3 Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về điều kiện tự nhiên và KT – XH vùng nghiên cứu; - Tổng hợp, phân tích tài liệu liên quan như: địa hình, địa chất, thảm thực vật, và đặc biệt là khí tượng thuỷ văn lưu vực (mưa, bốc hơi, dòng chảy…); 9 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” - Nghiên cứu các mô hình toán thuỷ văn; đi sâu phân tích các mô hình đã ứng dụng nhiều và có hiệu quả trên thế giới và Việt Nam; - Ứng dụng mô hình NAM và FRASC cho lưu vực Thác Mơ, từ đó đề xuất mô hình thích hợp trong các điều kiện khác nhau; - Mô phỏng dòng chảy bằng mô hình thích hợp và đánh giá tiềm năng nguồn nước lưu vực Thác Mơ theo các tần suất thiết kế khác nhau (P = 5% - năm nhiều nước, P = 50% - năm nước trung bình và P = 90% - năm ít nước). 3.4 Phương pháp nghiên cứu - Điều tra khảo sát thực địa, thu thập thông tin hiện trường; - Phân tích thống kê: tổng hợp, phân tích tài liệu sẵn có và sử dụng xác suất thống kê để đánh giá và dự báo các hiện tượng cũng như các biến cố liên quan đến đối tượng nghiên cứu; - Mô hình toán thuỷ văn: thu thập thông tin, phần mềm mô hình, thiết lập mô hình cho khu vực nghiên cứu và mô phỏng tài nguyên nước lưu vực và đánh giá hiệu quả mô hình; - Phương pháp GIS (ArcView GIS, ArcGIS): biên tập bản đồ, tích hợp dữ liệu không gian, dữ liệu thuộc tính và cung cấp dữ liệu đầu vào cho mô hình toán, trình diễn kết quả chạy mô hình và kết quả nghiên cứu. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 4.1 Ý nghĩa khoa học Luận văn ứng dụng kết hợp các công cụ mô hình toán (FRASC, NAM) với công nghệ GIS trong quản lý, để đưa ra được mô hình thích hợp để tính toán tài nguyên nước trên lưu vực Thác Mơ từ đó cung cấp thông tin cho các nhà quản lý, người làm công tác quy hoạch cũng như các hộ dùng nước xây dựng phương án, kế hoạch quản lý và sử dụng tài nguyên nước một cách dễ dàng và hiệu quả hơn. Ngoài ra, phát triển và hoàn thiện mô hình toán, là công cụ hữu hiệu cho công tác nghiên cứu khoa học ngành nước và môi trường. 10 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” 4.2 Ý nghĩa thực tiễn Kết quả so sánh hai mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ và phương pháp phân tích thống kê theo phân phối xác suất chuẩn, quản lý dữ liệu bằng công nghệ GIS là tài liệu đáng tin cậy góp phần tích cực vào hoàn thiện hệ thống công cụ hỗ trợ cho công tác quy hoạch, quản lý và sử dụng hiệu quả tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ theo nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội, bảo vệ môi trường theo hướng phát triển bền vững. 11 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” CHƯƠNG 1 MÔ TẢ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 1.1 Đặc điểm tự nhiên 1.1.1 Vị trí địa lý Thác Mơ là một tiểu lưu vực của lưu vực sông Bé với diện tích 2,215 km2 nằm trong khoảng toạ độ 11035’ – 12017’ vĩ Bắc và 107000’ – 107030’ kinh Đông thuộc các tỉnh Bình Phước, Đắc Nông. Đây là vùng chuyển tiếp giữa cao nguyên với đồng bằng, có mối quan hệ mật thiết với vành đai kinh tế phía Đông và Đông Nam. 1.1.2 Địa hình Lưu vực Thác Mơ nằm trong vùng chuyển tiếp địa hình núi và cao nguyên dãy Trường Sơn xuống vùng trung lưu Đông Nam Bộ; địa hình biến đổi rất đa dạng và phức tạp thuộc lưu vực sông Bé vừa có địa hình trung du vừa có địa hình dạng gò đồi bát úp lượn sóng xen kẹp thung lũng nhỏ hẹp và bàu trũng. Có độ cao trung bình từ vài chục mét đến gần 1000 m (dữ liệu khai thác từ bản đồ cao độ số DEM 90 m x 90 m). Địa hình núi cao tập trung ở phía Bắc và Đông Bắc thượng lưu thuộc các huyện Đắk R’Lấp, Tuy Đức (Đắc Nông), Bù Đăng, Phước Long (Bình Phước) và phần diện tích lưu vực thuộc Campuchia. Đây là những dãy núi cuối phía Nam của Trường Sơn có cao độ khá cao và dốc. Địa hình vùng này chia cắt mạnh bởi các sông suối và núi dốc. Thảm thực vật trong vùng khá tốt chủ yếu là rừng tự nhiên. Dạng địa hình này phù hợp với cây trồng công nghiệp dài ngày và rau màu. Đây cũng là vùng có diện tích đất lâm nghiệp chiếm tỉ trọng lớn trong lưu vực sông Bé và là nơi thuận lợi để bố trí các công trình khai thác tổng hợp (thủy năng và cấp nước) quy mô lớn. Ngoài ra, địa hình có ảnh hưởng lớn đến việc khai thác và sử dụng nguồn nước, bảo vệ đất đặc biệt là xây dựng đồng ruộng phục vụ cho việc 12 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” canh tác có tưới cũng như cơ giới hóa lớn trong sản xuất nông nghiệp nhằm nâng cao năng suất và sản lượng cây trồng. 1.1.3 Thổ nhưỡng Vùng dự án có 5 nhóm đất và chi tiết thành 11 loại cho thấy tài nguyên đất trong vùng dự án khá phong phú, đa dạng về nguồn gốc từ đá mẹ cũng như quá trình phát sinh phong hoá và phát triển thành đất. Do phát triển địa lý, vận động của kiến tạo đặc trưng chung của các loại đất vùng dự án là tầng dày đặc biệt là đất hình thành từ đá mẹ bazan tầng dày và khoáng sét cao chủ yếu nằm trên địa bàn bazan trẻ ở Lộc Ninh và Bình Long. Số lượng đất đáng quan tâm tới sản xuất nông nghiệp có 3 nhóm chính là: Đất đỏ vàng 559,818 ha chiếm 75,29% diện tích tự nhiên (chủ yếu là đất đỏ bazan); đất xám: 131.048ha chiếm 17,62% diện tích tự nhiên, đất dốc tụ: 25.389 ha chiếm 3,41% diện tích đất tự nhiên. Các nhóm đất còn lại chỉ chiếm khoảng 3,68% diện tích tự nhiên. Địa bàn phân bố các loại đất thể hiện khá rõ: các loại đất thuỷ thành (phù sa dốc tụ…) phân bố dọc theo các suối và các thung lũng hẹp. Đất đỏ và đất xám trên phù sa cổ ở địa hình đối núi. 1.1.4 Thảm thực vật Thảm phủ, phân loại theo UDM 1 km Global Land Cover gồm: rừng lá rộng xanh hàng năm chiếm 5,71%, rừng lá kim rụng theo mùa (5,05%), rừng lá rộng rụng theo mùa (2,3%), rừng hỗn tạp (3,27%), rừng trồng lấy gỗ (22,15%), cây thân gỗ (43,78%), bụi kín (5,71%), bụi hở (3,87%), đồng cỏ (3,97%) và hoa màu (4.18%). 1.1.5 Hệ thống sông Hệ thống sông suối trên lưu vực Thác Mơ bao gồm hai nhánh chính Đắk R’Lấp và Đak Glun hình thành từ vùng núi phía tây của vùng Nam Tây Nguyên (cao nguyên Xnaro) ở độ cao 600 – 800 m. 13 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” 1.1.6 Khí hậu Lưu vực Thác Mơ nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa cận xích đạo, với khí hậu ôn hòa, ít chịu ảnh hưởng của thiên tai, có hai mùa rõ rệt là mùa mưa và mùa khô. Theo số liệu quan trắc tại trạm khí tượng Phước Long, nền nhiệt độ bình quân năm cao (25 – 260C) và chênh lệch giữa tháng nóng nhất và lạnh nhất không lớn (khoảng 4,20C), số giờ nắng trung bình từ 6 – 8 giờ/ngày, lưu vực có điều kiện thuận lợi để phát triển cây trồng nhiệt đới, đặc biệt là các cây công nghiệp có giá trị xuất khẩu cao như cao su, cà phê, điều… lưu vực có lượng mưa năm thuộc loại lớn. Tuy nhiên, lượng mưa phân bố không đều trong năm, chủ yếu tập trung vào các tháng mùa mưa (từ tháng VI đến tháng X). 1.1.6.1 Nhiệt độ không khí Nhiệt độ (ToC) bình quân trong năm cao đều và ổn định từ 25,8 - 26,2oC . Nhiệt độ bình quân thấp nhất 21,5 - 22oC. Nhiệt độ bình quân cao nhất từ 31,7 - 32,2oC. Nhìn chung, sự thay đổi nhiệt độ qua các tháng không lớn, song chênh lệch nhiệt độ giữa ngày và đêm thì khá lớn, khoảng 7 đến 9oC nhất là vào các tháng mùa khô. Nhiệt độ cao nhất vào các tháng 4, 5 (từ 37,4 - 38,2oC) và thấp nhất vào tháng 12 là 13,4oC. Nhiệt độ bình quân nhiều năm tại trạm Phước Long được thể hiện trong bảng 1.1 Bảng 1.1 Nhiệt độ trung bình hàng tháng và cả năm của trạm Phước Long Đơn vị: 0C Trạm Đặc trưng Theo các tháng TB năm I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Phước Long TBq 23,7 25,4 26,8 27,5 26,5 26,4 26,1 25,0 25,8 25,6 25,3 24,1 25,3 TMax 34,5 37,7 35,0 38,2 37,4 35,9 34,6 35,5 34,4 34,0 34,5 35,0 38,2 TMin 13,4 15,1 16,1 15,7 20,0 17,6 16,0 20,9 20,1 17,1 13,4 13,4 13,4 1.1.6.2 Độ ẩm Do chế độ mưa theo mùa nên biên độ giao động về độ ẩm không khí (RH%) giữa mùa mưa và khô khá lớn. Độ ẩm hang năm trong vùng nghiên cứu dao động trong khoảng 77,4% tại trạm khí tượng Tân Sơn Nhất và 80,1% tại trạm khí tượng Phước Long. Độ ẩm cao trong mùa mưa từ tháng 6 đến tháng 10, đạt 85,8% (bảng 1.3). 14 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” Nhìn chung độ ẩm tăng cao vào các tháng mùa mưa và xuống thấp hơn về các tháng mùa khô. Các tháng mùa mưa độ ẩm thường đạt trên 80%, các tháng mùa khô độ ẩm biến đổi từ 60% - 70%. Đặc trưng độ ẩm bình quân nhiều năm diễn biến theo tháng của trạm Phước Long được tổng hợp trong bảng 1.2 Bảng 1.2 Độ ẩm không khí bình quân nhiều năm trạm Phước Long Đơn vị: % Đặc trưng Theo các tháng TB năm I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII UBq 61,1 63,6 66,9 69,3 80,7 82,6 86,1 87,4 88,2 85,1 80,2 75,5 77,9 UMaxBq 95,2 95,2 95,9 97,2 97,2 97,4 97,6 95,8 97,4 97,4 95,4 95,6 96,4 UMinBq 33,8 28,3 27,1 30,1 47,4 54,5 58,3 60,9 63,3 53,5 46,6 42,9 56,6 1.1.6.3 Số giờ nắng Trong vùng nghiên cứu, số giờ nắng (n-giờ) trong bình tháng thay đổi từ 4.9 giờ/ngày vào tháng 9 đến 8.7 giờ/ngày trong tháng hai/ba với giá trị trung bình 8 giờ/ngày (xem Bảng 1.3). 1.1.6.4 Gió Lưu vực Thác Mơ nằm trong vùng mang đặc trưng khí hậu nhiệt đới cận xích đạo gió mùa, có 2 mùa rõ rệt mùa mưa và mùa khô. Mùa mưa, chịu ảnh hưởng chủ yếu của gió mùa Đông – Bắc ứng với không khí đã trở thành nhiệt đới hóa tương đối ổn định, một mùa Đông ấm áp và khô hạn. Mùa khô, khu vực lại chịu ảnh hưởng trực tiếp của hai luồng gió mùa Tây Nam từ vịnh Bengan vào đầu mùa và từ Nam Thái Bình Dương vào giữa và cuối mùa. Tốc độ gió bình quân (Vtb) biến đổi trong khoảng từ 1,6-2,3 m/s, có xu thế tăng dần khi ra biển và giảm dần khi vào sâu trong đất liền. Tốc độ gió lớn nhất có thể đạt đến 20-25 m/s, xuất hiện trong bão và xoáy lốc. Vận tốc gió trung bình tháng trong lưu vực Thác Mơ được trình bày chi tiết trong bảng 1.3, như sau: 15 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” Bảng 1.3 Các đặc trưng khí tượng trung bình tháng vùng nghiên cứu Đặc trưng T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 TB T (oC) 25,4 26,1 27,6 28,5 28,1 27,1 26,6 26,5 26,3 26,1 25,8 25,0 26,6 RH [%] 71,5 70,0 70,0 73,2 79,0 84,0 85,2 85,9 86,7 85,4 80,2 74,6 78,8 n [giờ/ng] 8,2 8,7 8,7 8,1 6,9 5,9 5,7 5,3 4,9 5,6 6,5 7,3 6,8 Vtb [m/s] 2,0 2,2 2,3 2,2 2,0 2,0 2,1 2,0 1,8 1,6 1,8 2,0 2,0 Z (mm) 103 106 142 167 159 133 136 131 115 103 94 95 124 X (mm) 9 13 46 116 267 342 345 406 436 291 116 33 202 Nguồn: Tổng hợp từ các tài liệu[4][5]. 1.1.6.5 Bốc hơi Bốc hơi mặt được xác định thông qua số liệu quan trắc đồng thời giữa ống Piche và bốc hơi chậu A. Tuy nhiên trong nghiên cứu này lưu lượng bốc hơi của lưu vực Thác Mơ được tính toán bằng phương pháp Penman Monteith làm đầu vào cho mô hình và được tổng hợp trong bảng 1.4. Theo số liệu tính toán bằng phương pháp Penman Monteith lượng bốc hơi bình quân năm của trạm là 1116.3 mm. Bảng 1.4 Phân bố lượng bốc hơi hàng năm bằng phương pháp Penman Monteith Đơn vị: mm Số Năm Tháng Năm I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Thác Mơ 27 85.1 86.8 112.0 121.4 116.2 95.4 95.1 87.3 81.9 82.8 75.9 76.3 1116.3 1.1.6.6 Mưa Theo kết quả tính toán của Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam, lượng mưa (X) bình quân hàng năm khá cao biến động từ 1.955 – 2.963 mm/năm. Mùa mưa diễn ra từ tháng 5 – 10, chiếm 76,0 – 95,3 % tổng lượng mưa cả năm, tháng có lượng mưa trung bình lớn nhất 406 mm/tháng (tháng 8). Mùa khô từ cuối tháng 10 đến đầu tháng 5 năm sau, lượng mưa chỉ chiếm 4,7 – 24 % tổng lượng mưa cả năm, tháng có lượng mưa ít nhất là tháng 1, 2 (lần lượt 9, 13 mm). Lượng mưa trung bình tháng của lưu vực Thác Mơ được trình bày chi tiết trong bàng 1.6 và hình 1.2. 16 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” Bảng 1.5 Lượng mưa trung bình tháng tại các trạm đo và trung bình lưu vực (mm) Tên trạm Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Tổng TB Đắc Nông 16 41 98 167 271 336 389 456 401 256 77 19 2526 211 Đồng Phú 9 13 46 142 277 348 328 405 432 332 127 38 2498 208 Phước Long 12 12 46 118 298 374 391 472 486 304 118 35 2668 222 TB lưu vực 10 14 48 124 294 361 374 447 467 314 123 38 2614 218 Hình 1.1 Phân phối lượng mưa trung bình tháng lưu vực Thác Mơ thời kì 1981-2007 1.2 Nhận xét, đánh giá các đặc điểm tự nhiên vùng nghiên cứu 1.2.1 Thuận lợi - Phần lớn diện tích lưu vực Thác Mơ thuộc tỉnh Bình Phước, do vậy việc áp dụng các chính sách phát triển trên lưu vực sẽ đạt được kết quả cao; - Khí hậu trong lưu vực phù hợp cho việc phát triển nông nghiệp, ít chịu thiên tai; - Lượng nước mặt khá dồi dào, phân bố khá đều trên toàn lưu vực; - Tài nguyên đất đai phong phú, có nhiều loại đất tốt cho phát triển nông nghiệp như đất phù sa, đất đỏ vàng; - Lưu vực thuộc phần địa hình đồi và cao nguyên, do vậy, vấn đề thiên tai ngập lụt tại đây ít xảy ra, khả năng tiêu thoát nước tốt. Lượng mưa trung bình tháng lưu vực Thác Mơ 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Thời gian Lư ợ ng m ư a (m m ) 17 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” 1.2.2 Khó khăn - Tuy lượng nước lưu vực Thác Mơ dồi dào nhưng chỉ tập trung vào mùa mưa, do vậy vấn đề nước tưới cho nông nghiệp trong mùa khô là vấn đề nan giải; - Lưu vực Thác Mơ là tiểu lưu vực của sông Bé nhưng đây là một phần lãnh thỗ phát triển kém của lưu vực. Hệ thống cơ sở hạ tầng còn nghèo nàn, nền kinh tế còn lệ thuộc chủ yếu vào nông nghiệp, sức hút bên ngoài còn hạn chế; - Dân cư thưa thớt và phân bố không tập trung, hoạt động sản xuất chủ yếu vẫn còn dựa vào kinh nghiệm; - Do ảnh hưởng của sự chia cắt địa hình, tập quán sản xuất và nguồn nước tưới nên nền nông nghiệp trong địa bàn chưa đạt được sự phát triển tối ưu. Vì vậy, cần có những nghiên cứu để định hướng phát triển hợp lý và khoa học; - Một số khu vực đất nông nghiệp được mở rộng vào các chân đất có độ dốc lớn, chứa đựng nguy cơ bất ổn định trong sử dụng đất và bảo vệ môi trường. 1.3 Điều kiện kinh tế xã hội trên lưu vực 1.3.1 Đặc điểm dân số Lưu vực có trên 10 dân tộc nhưng đáng kể là người Kinh, Stiêng, Nùng, Tày, Khơ Me, trong đó người Kinh chiếm 83,1 %, còn lại 16,9% là dân tộc thiểu số. Theo số liệu thống kê đến cuối năm 2006, dân số toàn khu vực là 140.800 người Bảng 1.6 Hiện trạng dân số vùng nghiên cứu[13][14] Tên huyện Tỉnh Dân số 2006 (người) Thành thị Nông thôn Tổng Đồng Phú Bình Phước 1 11 12 Phước Long Bình Phước 3,986 31,217 35,203 Bù Đăng Bình Phước 4,962 77,441 82,404 Tuy Đức Đăk Nông - 15,286 15,286 Đăk RLấp Đăk Nông 891 7,059 7,950 18 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” 1.3.2 Tình hình kinh tế trong khu vực Nông nghiệp là ngành kinh tế đặc biệt quan trọng, chiếm vị trí số một trong tổng thể kinh tế - xã hội của lưu vực với một số lý do sau: - Về sử dụng tài nguyên: Nông nghiệp là ngành có tỷ lệ sử dụng các tài nguyên cao nhất (quỹ đất dành cho sản xuất nông – lâm nghiệp chiếm đến 89,8%, và nguồn nhân lực:83,74%; - Về kinh tế: Để duy trì tốc độ GDP bình quân giai đoạn 1997 -2006 đạt: 11,2% có vai trò đóng góp đặc biệt quan trọng của ngành nông lâm nghiệp chiếm tỷ trọng 60,6% GDP và tăng trưởng GDP bình quân 10,8% /năm. Kinh tế khu vực nông lâm nghiệp phát triển ổn định có ý nghĩa quyết định tăng trưởng kinh tế, ổn định đời sống, gìn giữ ổn định xã hội và đảm bảo tốt an ninh trật tự. Bảng 1.7 Phân bố diện tích đất trong khu vực nghiên cứu[13][14] Tên huyện Tỉnh Diện tích 2006(ha) Tự nhiên Nông nghiệp Lâm nghiệp Loại khác Đồng Phú Bình Phước 15 7 7 1 Phước Long Bình Phước 35,306 15,099 16,912 3,294 Bù Đăng Bình Phước 102,086 35,853 65,167 1,065 Tuy Đức Đăk Nông 74,466 16,562 51,032 6,871 Đăk RLấp Đăk Nông 7,361 4,965 1,866 530 Đất giành cho ngành lâm nghiệp rất lớn, nhưng diện tích đất có rừng không nhiều: Theo số liệu kiểm kê năm 2006, đất lâm nghiệp có 135.000 ha, chiếm 51,1% diện tích tự nhiên toàn lưu vực. Trong đất rừng, rừng gỗ còn rất ít, phần nhiều là rừng tre nứa, rừng hỗn giao, rừng trồng và còn một diện tích khá lớn là đất đồi núi trọc. 1.3.3 Phương hướng phát triển kinh tế xã hội theo các giai đoạn phát triển Nông nghiệp: Mục tiêu phát triển nông nghiệp tỉnh Bình Phước từ nay đến năm 2010 là xây dựng nền nông nghiệp tăng trưởng liên tục và bền vững, tạo ra sản phẩm chất lượng cao, nhất là thực phẩm sạch, an toàn cũng như nguyên liệu đạt tiêu 19 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” chuẩn kỹ thuật phục vụ công nghiệp chế biến, đáp ứng tốt yêu cầu thị trường mang lại giá trị sản lượng, lợi nhuận và thu nhập cao, ổn định trên một đơn vị diện tích, cũng như một đơn vị sản phẩm. Công nghiệp: Phương hướng phát triển công nghiệp tỉnh Bình Phước từ nay đến năm 2010 và xa hơn nữa là tập trung đầu tư xây dựng cơ sở hạ tầng, nhanh chóng hình thành một số khu, cụm, điểm công nghiệp về khai thác khoáng sản, sản xuất vật liệu xây dựng và qui mô lớn, đặc biệt là công nghiệp chế biến nông lâm sản. Ngoài ra, chú trọng phát triển mạnh các cơ sở tiểu thủ công nghiệp, công nghiệp sơ chế, bảo quản sản phẩm qui hoạch… đưa tỉ trọng kinh tế công nghiệp lên 16% vào năm 2010 Bảng 1.8 Quy hoạch sử dụng đất trong khu vực nghiên cứu Tên huyện Tỉnh Diện tích 2010 (ha) Tự nhiên Nông nghiệp Lâm nghiệp Loại khác Đồng Phú Bình Phước 15 9 4 1 Phước Long Bình Phước 35,306 20,348 10,405 4,553 Bù Đăng Bình Phước 102,086 48,317 41,403 12,366 Tuy Đức Đăk Nông 74,466 14,858 52,579 7,029 Đăk RLấp Đăk Nông 7,361 4,454 1,923 984 20 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH THỦY VĂN 2.1 Tổng quan về mô hình thủy văn Thủy văn là một quá trình tự nhiên và phức tạp, chịu tác động của rất nhiều yếu tố. thủy văn học là khoa học nghiên cứu về nước trên trái đất, cũng giống như nhiều ngành khoa học tự nhiên khác, quá trình nghiên cứu, phát triển của nó thường trải qua các giai đoạn: - Quan sát hiện tượng, mô tả, ghi chép thời điểm xuất hiện; - Thực nghiệm: lặp những điều đã xãy ra trong tự nhiên với quy mô thu nhỏ; - Giải thích hiện tượng, phân tích rút ra quy luật. kiểm tra mức độ phù hợp của quy luật với điều kiện thực tế, ứng dụng lợi ích của con người. Việc lặp lại các hiện tượng thủy văn trong phòng thí nghiệm có thể thực hiện bằng các mô hình vật lý (như: dụng cụ Lizimer đo bốc hơi và thấm, mô hình mưa nhân tạo và bãi dòng chảy để nghiên cứu sự hình thành dòng chảy, xói mòn bề mặt…) song chi phí cho xây dựng mô hình vật lý rất tốn kém. Các mô hình vật lý thường chỉ phù hợp với không gian không quá lớn, ví dụ công trình đầu mối của một hệ thống thủy lợi, một đập tràn hoặc một cống ngầm, một đoạn sông… khi không gian mở rộng hơn tới một vài hồ chứa, một vài trạm bơm hoặc môt hệ thống thủy nông… thì chi phí cho một mô hình vật lý tăng lên rất nhiều. Cách giải quyết đầu tiên là chọn tỷ lệ thu nhỏ, cách giải quyết thứ hai là chọn tỷ lệ biến dạng. Cả hai cách này đều làm giảm mức độ chính xác kết quả tính toán. Ví dụ nghiên cứu hiện tượng nước lũ tràn qua đồng bằng Sông Cửu Long, diện tích ngập lụt lên tới 5 vạn km2, chiều dài sông chính tới 433 km chiều rộng từ 400 m tới 2000 m, chiều sâu ngập nước có nơi lên tới 45 m nhưng có nơi không tới 0,5 m, rõ ràng không thể xây dựng mô hình vật lý cho không gian lớn như vậy dù có chọn tỷ lệ biến dạng nào thì cũng không thể biểu diễn được trên cùng một mô hình vật lý tốc độ nước chảy 2,5 21 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” m/s trong sông và 0,05 m/s tràn qua đồng bằng. Chưa kể khi thu nhỏ mô hình, làm giảm tốc độ dòng chảy sẽ chuyển chế độ chảy rối trong thực tế thành chảy tầng trên mô hình làm sai lạc hẳn kết quả tính toán. Xuất phát từ những khó khăn đó việc sử dụng mô hình toán là cách lựa chọn có độ chính xác cao. Hiện nay, mô hình toán thủy văn đang phát triểu rất nhanh chóng vì có các ưu điểm sau: - Phạm vi ứng dụng rộng rãi, đa dạng với rất nhiều dạng mô hình. Mô hình toán rất phù hợp với không gian nghiên cứu rộng lớn như quy hoạch thoát lũ cho lưu vực sông, hệ thống sông, điều hành hệ thống công trình thủy lợi, quản lý khai thác nguồn nước lưu vực sông…; - Ứng dụng mô hình toán trong thủy văn giá thành rẻ hơn và cho kết quả nhanh hơn mô hình vật lý; - Việc thay đổi phương án trong mô hình toán thực hiện rất nhanh. Mô hình toán thủy văn theo nghĩa rộng là cách mô tả các hiện tượng thủy văn bằng các biểu thức toán học. Có rất nhiều loại mô hình toán khác nhau: loại mô tả sự hình thành dòng chảy trong sông, loại mô tả số lượng nước mặt, loại mô tả số lượng nước ngầm, loại mô tả hàm lượng bùn cát, loại mô tả chất lượng nước, loại mô phỏng cách quản lý lưu vực… 2.2 Phân loại mô hình thủy văn Có nhiều cách phân loại mô hình tùy theo quan điểm và ý tưởng của người phân loại. Một trong các cách phân loại là dựa trên cơ sở xem xét sự phân bố của các biến vào và ra hệ thống trong không gian, thời gian. Mô hình toán thủy văn là mô hình miêu tả hệ thống dưới dạng toán học. Sự vận hành của hệ thống được mô tả bằng một hệ phương trình liên kết giữa các biến vào, ra của hệ thống. Các biến này có thẻ là hàm của thời gian và không gian và cũng có thể là các biến ngẫu nhiên, không lấy giá trị xác định tại một điểm riêng biệt trong không gian, thời gian mà được mô tả bằng các phân bố xác suất. Biểu thị tổng quát cho các biến như vậy là một trường 22 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” ngẫu nhiên, một vùng của không gian – thời gian, trong đó các biến tại những điểm khác nhau trong trường được xác định bởi phân bố xác suất. Xây dựng mô hình với các biến ngẫu nhiên phụ thuộc cả vào thời gian và không gian 3 chiều, đòi hỏi một khối lượng công việc khổng lồ. Vì thế trong thực hành người ta xây dựng các mô hình giản hóa bằng cách bỏ qua một số nguồn biến đổi. các mô hình thủy văn có thể phân loại theo các đường lối giản hóa được áp dụng. Đối với một mô hình, người ta xem xét 3 quyết định cơ bản sau[7][11]: - Các biển trong mô hình có là ngẫu nhiên không? - Chúng biến đổi theo không gian như thế nào? - Chúng biến đổi theo thời gian ra sao? Ờ mức tổng quát có thể chia thành mô hình tất định và mô hình ngẫu nhiên. Trong mô hình tất định không xét đến tính ngẫu nhiên còn trong mô hình ngẫu nhiên, sản phẩm đầu ra ít nhiều mang đặc tính ngẫu nhiên. Sau đây chúng ta phân tích chi tiết hơn từng loại mô hình. 2.2.1 Mô hình tất định (Deterministic model) Trong mô hình này người ta không xét đến tính ngẫu nhiên, các biến vào ra không mang tính ngẫu nhiên, không mang một phân bố xác suất nào cả. Các đầu vào như nhau đi qua hệ thống sẽ cho ta cùng một sản phẩm đầu ra. VenteChow (1964) có nêu định nghĩa “Nếu các cơ hội xảy ra của các biến của các biến của quá trình thủy văn được bỏ qua trong mô hình toán, mô hình coi như tuân theo quy luật tất định và có thể gọi đó là mô hình tất định”[7]. Mặc dù các hiện tượng thủy văn đều ít nhiều mang tính ngẫu nhiên, nhưng đôi khi mức độ biến đổi ngẫu nhiên của đầu ra có thể rất nhỏ so với sự biến đổi gây ra bởi các nhân tố đã biết. trong trường hợp đó sử dụng mô hình tất định là thích hợp. Về ý nghĩa khái niệm tất định như trên biểu thị mối quan hệ nhân quả của mô hình toán thủy văn. Việc mô tả hệ thống thủy văn thực hiện theo mô hình tất định gọi là mô phỏng tất định (deterministic simulation) hệ thủy văn. Thông qua mô phỏng các thành phần chủ yếu hoặc toàn bộ quá trình thủy văn theo các phương trình toán học, 23 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” các mô hình toán thủy văn có khả năng dần dần thể hiện và tiếp cận hệ thống, biểu đạt gần đúng quy luật của hệ thống. Trong mô hình, hệ thống thủy văn luôn được coi là hệ thống kín, các biến vào ra thực tế là các quá trình biến đổi theo thời gian và có thể đo đạc được. Sử dụng mô hình có thể tính toán các quá trình ra (biến ra) theo các giá trị đo đạc được của quá trình vào (biến vào). Những mô hình toán thủy văn tất định trong thực tế thường dùng để mô phỏng quá trình hình thành dòng chảy trên lưu vực, quá trình vận động nước trong sông. Nó cho khả năng xem xét, đánh giá được những phản ứng của hệ thống khi cấu trúc bên trong thay đổi. thí dụ như khi xây dựng các hồ chứa điều tiết hay trồng rừng, phá rừng thượng nguồn. 2.2.2 Mô hình ngẫu nhiên (Stochastic model) Trong mô hình ngẫu nhiên các kết quả đầu ra luôn mang tính ngẫu nhiên tức là luôn tuân theo một quy luật xác suất nào đấy. Ta có thể nói mô hình tất định thực hiện một “dự báo” (forecast)[7], còn mô hình ngẫu nhiên thực hiện một “dự đoán” (prediction). Nếu tính biến đổi ngẫu nhiên của đầu ra lớn thì kết quả đầu ra có thể rất khác biệt với giá trị đơn nhất tính toán theo mô hình tất định. Ví dụ ta có thể xây dựng các mô hình tất định với chất lượng tốt tại một điểm cho trước bằng các số liệu về cung cấp năng lượng và vận chuyển hơi nước, nhưng cũng với số liệu này ta không thể xây dựng được mô hình tin cậy về lượng mưa ngày càng lớn. Vì vậy hầu hết các mô hình mưa ngày đều là ngẫu nhiên. Thực sự các quá trình thủy văn, trong đó có dòng chảy là một hiện tượng ngẫu nhiên dưới tác động của nhiều nhân tố. Từng nhân tố đến lượt mình lại là hàm của rất nhiều nhân tố khác mà quy luật của nó, con người chưa thể nào mà tả đầy đủ được. Cuối cùng các quá trình thủy văn lại là sự tổ hợp của vô vàn các mối quan hệ phức tạp, biểu hiện là một hiện tượng ngẫu nhiên và được mô tả bằng một mô hình ngẫu nhiên. Với quan điểm cho rằng dòng chảy là một quá trình ngẫu nhiên, trong cấu trúc mô hình ngẫu nhiên không hề có các nhân tố hình thành dòng chảy và nguyên liệu để xây dựng mô hình chính là bản thân số liệu chuỗi dòng chảy trong quá khứ. Vì vậy chuỗi số liệu phải đủ dài để bộc lộ hết đặc tính của nó. Lớp này 24 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” không quan tâm đến các nhân tố tác động đến quá trình thủy văn mà chỉ xem xét khả năng diễn biến của bản thân quá trình đó, và chủ yếu là sản sinh ra những thể hiện mới đầy đủ hơn của một quá trình ngẫu nhiên. Ngày nay lĩnh vực này tách ra thành một chuyên ngành riêng dưới tên gọi là “thủy văn ngẫu nhiên”. Trong thời gian gần đây người ta xem xét đưa vào các mô hình tất định các thành phần ngẫu nhiên và hình thành lớp mô hình tất định – ngẫu nhiên. Việc đưa tính ngẫu nhiên vào mô hình tất định diễn ra theo 3 hướng sau: - Xét sai số tình toán như một quá trình ngẫu nhiên và trở thành một thành phần trong mô hình; - Sử dụng các mô tả xác suất cho các hàm vào; - Xét quy luật phân bố không gian của các tác động khí tượng – thủy văn dưới dạng hàm phân bố xác suất. Ví tính phức tạp của vấn đề, lớp mô hình này chỉ ở giai đoạn đầu nghiên cứu 2.3 Tiêu chuẩn lựa chọn mô hình Hiện nay, có rất nhiều dạng mô hình toán trong lĩnh vực thủy văn, việc ứng dụng mô hình này hay mô hình kia phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau. Để chọn mô hình ứng dụng cho vùng nghiên cứu ta có thể dựa vào các cơ sở sau: - Dựa vào nhiệm vụ của bài toán đặt ra; - Dựa vào cơ sở tài liệu của đối tượng nghiên cứu; - Dựa vào đặc điểm địa hình, địa chất khu vực nghiên cứu; - Dựa vào kinh nghiệm của người sử dụng mô hình. Có đề xuất các tiêu chí sử dụng để lựa chọn giữa các mô hình thay thế trong vấn đề cấu trúc mô hình và đầu vào/đầu ra như sau[27]: - Khái niệm của quy trình chính: mô hình phải phản ánh đúng chất “ý tưởng” về các tiến trình chính, tức là chúng phải thể hiện có cơ sở, lý thuyết cơ bản của các quá trình thay vì liên kết những kinh nghiệm đơn giản. - Độ chính xác của dự đoán: tính chính xác của dự báo kết quả đầu ra hệ thống là rất quan trọng. Mô hình cần được kiểm tra trong một cách mà các số liệu 25 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” thống kê lỗi được biết và tính không chắc chắn mô hình được định lượng rõ rang. Mô hình với hệ số thặng dư tối thiểu (BIAS) và phương sai lỗi sẽ được xem xét kỹ. Điều này có nghĩa cấu trúc mô hình có chất lượng cũng như dữ liệu đầu vào chính xác. - Tính đơn giản của mô hình: đây là số của các biến và các thông số phải được ước tính cho một mô tả hoàn toàn của các quá trình và các đầu vào mô hình có thể thu được dễ dàng, hiều các tham số và đầu ra có thể thu được dễ dàng, hiểu các tham số và đầu ra có thể được giải thích. - Tính nhất quán của các thông số ước tính: đây là một yếu tố quan trọng cần xem xét trong việc phát triển mô hình khái niệm bằng cách sử dụng các thông số được ước tính bằng các kỹ thuật tối ưu hóa. Nếu các giá trị tối ưu của các tham số nhạy cảm với chuổi thời gian được sử dụng, hoặc nếu khác nhau giữa các lưu vực tương tự, mô hình có khả năng là ít đáng tin cậy. Tính nhất quán của các thông số ước tính cũng ngụ ý rằng người sử dụng mô hình khác nhau nên có giá trị nhất quán của các thông số, trên thực tế hoặc hiệu chuẩn các bài tập. - Độ nhạy của các kết quả để thay đổi trong giá trị tham số: các mô hình không nên nhạy cảm cao với những biến số đầu ra là khó đo lường. - Các giả định: mô hình nên có phần tối thiểu của các giả định để giới hạn và độ nhạy của các thông số và để phù hợp với các giả định, các nhà phát triển mô hình không nên cường điệu phạm vi và tính ứng dụng của mô hình. - Tiềm năng của việc cải tiến: mô hình phải được cấu trúc một cách đơn giản để dể dàng phát triển hoặc them vào các modun mới. 2.4 Tiêu chuẩn đánh giá mô hình mô phỏng Phương pháp thống kê được dùng để định lượng sai khác giữa chuỗi số liệu tính toán và thực đo và đánh giá khả năng mô phỏng của mô hình. Trong luận văn này, ba phương pháp thống kê được sử dụng để đánh giá độ tin cậy mô phỏng của mô hình tại các vị trí có tài liệu thực đo trong lưu vực Thác Mơ gồm: 26 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” Hệ số lượng thặng dư: å åå = == - = N i i N i i N i i O OP BIAS 1 11 Hệ số hiệu quả mô hình: å å å = = = - --- = N i i N i N i iii OO OPOO R 1 2 1 1 22 2 )( )()( Hệ sô tương quan Person: åå å == = -- -- = N i i N i i N i ii OOpP OOPP r 1 2 1 2 1 )()( ))(( 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 và P là bình quân số liệu quan trắc và tính toán (i = 1 đến N). Ngoài các phương pháp thống kê, độ tin cậy của mô hình cũng được đánh giá việc so sánh trên biểu đồ chuỗi số liệu tính toán và thực đo. 27 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN THỦY VĂN THÍCH HỢP CHO LƯU VỰC THÁC MƠ 3.1 Tổng quan Chương này trình bày mô phỏng và so sánh hai mô hình thủy văn NAM và FRASC trên lưu vực Thác Mơ. Bài toán đặt ra trong luận văn này là so sánh ứng dụng của mô hình để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ, tác giả đã lựa chọn hai mô hình là Nam (Nedber Afstromnings Model) và Frasc (Flow – Routed Accmulation Sinmulation in a Catchment). Hai mô hình này đáp ứng đầy đủ yêu cầu bài toán đặt ra. Đối với mô hình Nam, đây là mô hình thủy văn khái niệm toàn cục, diễn toán lượng ẩm theo bốn bể chứa liên hoàn. Mô hình nam ban đầu do đại học kỹ thuật đan mạch xây dựng và tiếp tục được viện thủy lực đan mạch (DHI) nâng cấp và ứng dụng cho rất nhiều dự án kỹ thuật thủy văn ở nhiều vùng khí hậu khác nhau trên thế giới. hơn nữa, nam được chuyển giao cho trên 100 tổ chức trên thế giới kèm theo bộ mô hình thủy động lực học sông kênh MIKE 11 (DHI, 2004a). Mô hình Nam được ứng dụng khá thành công ở việt nam như trên các lưu vực Sài Gòn- Đồng Nai, ở Tây Nguyên (SIWRR, 2006), ở lưu vực sông Vũ Gia-Thu Bồn (SWECO Internation, 2006)… Mô hình FRASC là mô hình khái niệm, được phát triển từ mô hình XINANJIANG kết hợp với công nghệ GIS được đánh giá tốt hơn, chính xác với lưu lượng thực đo và mô phỏng trong từng trường hợp. Mô hình này được sử dụng rất thành công và phổ biến ở Trung Quốc. tại Việt Nam mô hình này được ứng dụng lần đầu tiên và được đánh giá khá tốt ở khu vực Nông Sơn thuộc lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn. Mô tả mô hình NAM và FRASC được trình bày tương ứng trong mục 3.2 và mục 3.3. 28 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” Đánh giá sự phù hợp và so sánh hai mô hình NAM và FRASC để mô phỏng tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ để quyết định lựa chọn một mô hình cho việc đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ trong bước tiếp theo của nghiên cứu này. 3.2 Mô hình NAM 3.2.1 Khái quát về mô hình NAM Mô hình thủy văn NAM mô phỏng quá trình mưa – dòng chảy mặt xảy ra trong phạm vi lưu vực sông. NAM là từ viết tắt của tiếng Đan Mạch “Nedbor- Afstromnings-Model”, có nghĩa là mô hình giáng thủy dòng chảy. NAM hình thành nên một phần Môđun mưa – dòng chảy (RR – Rainfall Runoff) của bộ mô hình MIKE11. Môđun mưa – dòng chảy (RR) có thể áp dụng độc lập hoặc 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. 3.2.2 Cấu trúc mô hình Cấu trúc mô hình NAM được thể hiện trong hình 3.1, nó mô phỏng các tầng chứa nước trong chu trình thủy 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 diển 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 đầu vào khí tượng, NAM tạo ra được dòng chảy cũng như thông tin về các thành phàn của tầng đất trong chu trình thủy văn, như sự biến đổi theo thời gian của lượng bốc hơi nước, lượng ẩm của đất, quá trình thấm vào nước ngầm, mực nước ngầm… kết quả dòng chảy lưu vực được tách ra thành dòng chảy mặt, dòng chảy sát mặt và dòng ngầm. 29 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” 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. 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 trong chu trình thuỷ văn, như sự thay đổi tạm thời của độ ẩm của đất và khả năng bổ sung nước ngầm. Dòng chảy lưu vực được phân một cách gần đúng thành dòng chảy mặt, dòng chảy sát mặt và dòng chảy ngầm. Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc của mô hình NAM[18] Dòng chảy mặt Dòng chảy sát mặt Tuyết Ep Ep Tầng rễ cây Nước ngầm Dòng chảy ngầm BFu Lmax Umax U P L Tầng mặt 30 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” 3.2.2.1 Bể tuyết (áp dụng cho vùng có tuyết) Giáng thuỷ sẽ được giữ lại trên bể tuyết khi nhiệt độ dưới 0oC, còn nếu nhiệt độ lớn hơn 0oC thì nó sẽ chuyển xuống bể chứa mặt. î í ì £ > = 0TEMP Khi 0 0TEMP Khi TEMPCSNOW Qmelt Trong đó: CSNOW = 2 mm/ngày/K là hệ số tuyết tan trong ngày. 3.2.2.2 Bể chứa mặt Lượng ẩm trên bề 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 lượng nước 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. 3.2.2.3 Bể sát mặt và bể tầng rễ cây Bể này thuộc tầng rễ cây, là lớp đất mà thực vật có thể hút nước để 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 bằng đại lượng L. L phụ thuộc vào lượng tổn thất thoát bốc hơi của thực vật. Lượng ẩm này cũng ảnh hưởng đến lượng nước sẽ đi xuống bể nước ngầm để bổ sung nước ngầm. 3.2.2.4 Bốc thoát hơi Nhu cầu bốc thoát hơi nước trước tiên là để thoả mãn tốc độ bốc thoát hơi tiềm năng của bể chứa mặt. Nếu lượng ẩm U trong bể chứa mặt nhỏ hơn nhu cầu này, thì nó sẽ lấy ẩm từ tầng rễ cây theo tốc độ Ea. Ea tỷ lệ với lượng bốc thoát hơi tiềm năng Ep. maxL/LpEaE = 3.2.2.5 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 (3-1) (3-2) 31 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” dòng chảy mặt, nó tỷ kệ thuận với PN và thay đổi tuyến tính với lượng ẩm tương đối, L/Lmax, của tầng rễ cây: ïî ï í ì £ > - - = TOFmaxL/L Khi 0 TOFmaxL/L Khi NPTOF1 TOFmaxL/L CQOFQOF Trong đó: CQOF - hệ số dòng chảy mặt (0 ≤ CQOF ≤ 1); TOF - ngưỡng của dòng chảy mặt (0 ≤ TOF ≤ 1); Phần còn lại của PN sẽ thấm xuống tầng dưới. Một phần DL của phần nước thấm xuống này, (PN - QOF), sẽ làm tăng lượng ẩm L của bể chứa tầng rễ cây này. Phần còn lại sẽ thẩm thấu xuống tầng sâu hơn để bổ sung cho bể chứa tầng ngầm. 3.2.2.6 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. ïî ï í ì £ > - - = TIFmaxL/L Khi 0 TIFmaxL/L Khi UTIF1 TIFmaxL/L 1-(CKIF)QIF Trong đó: CKIF - hằng số thời gian của dòng chảy sát mặt (0 ≤ CQOF ≤ 1); TIF - giá trị ngưỡng của dòng chảy sát mặt (0 ≤ TOF ≤ 1); 3.2.2.7 Bổ sung dòng chảy ngầm Lượng nước thấm xuống G, bổ sung cho bể chứa ngầm phụ thuộc vào độ ẩm của đất ở tầng rễ cây: ïî ï í ì £ > - - = TGmaxL/L Khi 0 TGmaxL/L Khi TG1 TGmaxL/L QOF)-N(PG Trong đó: TG - giá trị ngưỡng của lượng nước bổ sung cho tầng ngầm (0 ≤ TG ≤ 1) 3.2.2.8 Lượng ẩm của đất Bể chứa tầng sát mặt biểu thị lượng nước có trong tầng rễ cây. Lượng mưa hiệu quả sau khi trừ đi lượng nước tạo dòng chảy mặt, lượng nước bổ sung cho tầng ngầm, sẽ bổ sung và tăng độ ẩm của đất ở tầng rễ cây L bằng một lượng DL. GQOFNPDL --= (3-3) (3-4) (3-5) (3-6) 32 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” 3.2.3 Hiệu chỉnh các thông số của mô hình Mô hình NAM đơn bao gồm 9 thống số chính cần hiệu chỉnh được trình bày chi tiết trong Bảng 3.1 dưới đây. Bảng 3.1 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 đa trong bể chứa mặt. Lượng trữ này có thể được gọi là lượng nước để điền trũng, rơi trên mặt thực vật, và chứa trong vài cm của bề mặt của đất Lmax [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 thể hút để thoát hơi nước. CQOF [ ] Hệ số dòng chảy tràn trên mặt (0 ≤ CQOF ≤1). CQOF quyết định sự phân phối của mưa hiệu quả cho dòng chảy ngầm và thấm. CKIF [giờ] Hằng số thời gian 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 CK12 [giờ] Hằng số thời gian cho diễn toán dòng chảy mặt và sát mặt. Dòng chảy mặt và sát mặt được diễn toán theo các bể chứa tuyến tính theo chuỗi với cùng một hằng số thời gian CK12. TOF [ ] Giá trị ngưỡng của dòng chảy mặt (0 ≤ TOF ≤1). Dòng chảy sát mặt chỉ được hình thành khi chỉ số ẩm tương đối của tầng rễ cây lớn hơn TIF. TIF [ ] Giá trị ngưỡng của dòng chảy sát mặt (0 ≤ TIF ≤1). Dòng chảy sát mặt chỉ được hình thành khi chỉ số ẩm tương đối của tầng rễ cây lớn hơn TIF. 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 được hình thành khi chỉ số ẩm tương đối của tầng rễ cây lớn hơn dòng TG. CKBF [giờ] Hằng số thời gian dòng chảy mặt ngầm. Dòng chảy ngầm từ bể chứa ngầm được diễn toán bằng mô hình bể chứa tuyến tính với hằng số thời gian CKBF. 33 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” 3.2.4 Những điều kiện ban đầu Những điều kiện ban đầu theo yêu cầu của mô hình NAM bao gồm lượng nước trong các bể tuyết, bể mặt, bể tầng rễ cây, cùng với những giá trị ban đầu của dòng chảy từ 2 bể chứa tuyến tính cho dòng chảy mặt, sát mặt và dòng chảy ngầm. Thông thường tất cả các giá trị ban đầu có thể lấy bằng 0 trừ lượng nước ở tầng rễ cây và tầng ngầm. Ước tính những điều kiện ban đầu này có thể lấy từ lần mô phỏng trước đó, ở những năm trước đây, nhưng cần đúng thời gian mô phỏng mới. Trong việc hiệu chỉnh mô hình, thông thường nên bỏ qua kết quả mô phỏng của nữa năm đầu tiên để loại bỏ những ảnh hưởng sai số của những điều kiện ban đầu. 3.3 Mô hình FRASC 3.3.1 Khái quát về mô hình FRASC Mô hình FRASC được phát triển từ mô hình Xinanjiang thông qua phương pháp tiếp cận hỗ trợ từ GIS. Dữ liệu GIS hỗ trợ cho mô hình FRASC được xuất từ DEM bằng cách sử dụng công cụ thủy văn trong các phần mềm AcrView GIS, AcrGIS và gói phần mềm MIKE BASIN. Các quá trình thủy văn trong mỗi ô lưới được xem như một lưu vực nhỏ có chức năng và độc lập của số liệu đầu vào về mặt lý thuyết có thể định nghĩa và đo được. Căn cứ vào hướng dòng chảy, dòng ra của mỗi phần tử được diễn toán đối với các phần tử lân cận. Ngoài ra, dựa trên dữ liệu có sẵn bao gồm độ che phủ thực vật, các thông số lien quan đến thảm thực vật sẵn có trong những năm gần đây, tính toán bốc hơi tiềm năng bằng phương pháp Penman – Monteith được xem là kết quả chính xác để thay thế đầu vào của bốc hơi chậu Pan, điều này tác động rất lớn vào hiệu quả của mô hình. Điểm mấu cột của mô hình là khái niệm tạo dòng chảy ở trạng thái no của tầng chứa, nghĩa là dòng chảy mặt sẽ không được sản sinh cho đến khi độ trữ ẩm của tầng thấm đạt tới khả năng đồng ruộng, và lượng dòng chảy mặt bằng lượng mưa vượt quá và không tính thêm một loại tổn thất nào nữa. Giả thiết này được đề xuất đầu tiên ở Trung Quốc vào những năm 1960, nhiều thí nghiệm sau đó đã kiểm định cho những vùng ẩm và bán ẩm. Dòng chảy hình thành như vậy được chia ra làm hai 34 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” thành phần sử dụng khái niệm lượng thấm hằng số cuối cùng của Horton. Nước thấm được giả thiết đi xuống tầng nước ngầm và phần còn lại sẽ sinh ra dòng chảy mặt. Tuy nhiên, bằng chứng của sự biến thiên trong lượng thấm cuối cùng và trong đường thủy văn đơn vị được nối kết dòng chảy mặt với lưu lượng từ mỗi tiểu lưu vực, cần thiết có thành phần thứ ba. Dựa vào công trình nghiên cứu của Kirkby năm 1978, thành phần thêm vào (dòng chảy sát mặt) đã được bổ sung vào trong mô hình năm 1980. 3.3.2 Cấu trúc mô hình FRASC Đất, hay bất cứ môi trường xốp nào, có khả năng giữ một lượng nước nào đó trong bể chứa chống lại lực trọng lực. Điều này đôi khi được gọi “khả năng độ ẩm đồng ruộng”. Bằng định nghĩa, nước được trữ trong các bể chứa này không thể trở thành dòng chảy và bể chứa có thể bị rút bởi bốc thoát hơi. Do đó bốc thoát hơi nước trở thành thông số điều khiển gây nên sự thiếu hụt độ ẩm của đất. Trong những vùng ẩm ướt, các khả năng đồng khảo sát độ ẩm của đất chỉ ra rằng lượng ẩm của đất có thể thường đạt đồng ruộng trong phạm vi toàn bộ vỏ đất. Điều này ám chỉ rằng sự bổ sung của lượng mưa trong thời kỳ kế tiếp sẽ bằng lượng bốc thoát hơi trong thời kỳ xảy ra đó. Điều này đề xuất một mối quan hệ đơn giản giữa mưa và dòng chảy rằng trước khi sinh ra dòng chảy lượng mưa phải thỏa mãn độ thiếu hụt bên dưới khả năng đồng ruộng mà lần lượt bị gây ra bởi bốc thoát hơi nước khi độ ẩm đồng ruộng xảy ra lần cuối và sau khi trận mưa tiếp theo đó sẽ chảy đi hết vì đất không còn khả năng giữ chúng được nữa. Đây là khái niệm hình thành dòng chảy trong trạng thái đầy đủ của bể chứa và là khái niệm cơ bản của mô hình Xinanjiang. Lưu vực sông được chia thành các tiểu lưu vực. Dòng chảy ra từ các tiểu lưu vực đầu tiên được mô phỏng và rồi sẽ diễn toán xuống các sông suối tới cửa chính của lưu vực. Dựa vào khái niệm hình thành dòng chảy trong trạng thái đầy đủ của bể chứa, mô phỏng dòng chảy từ mỗi tiểu lưu vực bao gồm bốn phần chính sau: - Bốc thoát hơi nước tạo ra sự thiếu hụt lượng nước trong đất và được chia thành ba tầng: tầng trên, tầng dưới và tầng sâu; 35 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” - Dòng chảy sinh ra theo lượng mưa và sự thiếu hụt lượng ẩm trong đất; - Dòng chảy được phân thành ba thành phần: dòng mặt, dòng sát mặt và dòng ngầm; - Diễn toán dòng chảy từ dòng chảy địa phương tới cửa ra của mỗi tiểu lưu vực tạo nên dòng chảy ra của tiểu lưu vực đó. Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc mô hình FRASC[27][29] Sơ đồ mô hình FRASC được chỉ ra trong Hình 3.2. Tất cả các ký hiệu bên trong hộp là các biến bao gồm đầu vào, đầu ra, biến trạng thái và biến nội bộ, trong khi các ký hiệu bên ngoài các hộp là các thông số. Đầu vào mô hình là dữ liệu GIS từ DEM, thảm phủ thực vật, mưa trung bình lưu vực (P) và bốc hơi nước tiềm năng theo phương pháp Penman – Monteith (EM). Đầu ra là lưu lượng dòng chảy (TQ) từ toàn bộ lưu vực và từng vị trí ô lưới trong mô hình DEM. Các biến trạng thái là bể chứa nước ứng suất trung bình lưu vực (W), và bể chứa nước tự do trung bình lưu vực (S). Nước ứng suất trung bình lưu vực (W) có ba thành phần WU, WL và WD tương ứng ở tầng trên, tầng dưới và tầng sâu. FR là thông số diện tích góp phần dòng chảy có quan hệ với W. Phần còn lại của các kí hiệu bên trong hộp là tất cả các biến nội bộ. RB là dòng chảy trực tiếp từ phần nhỏ diện tích không thấm. R là dòng chảy được tạo ra từ diện tích thấm và chia ra ba 36 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” thành phần RS, RI, và RG tương ứng đó là dòng chảy mặt, sát mặt và dòng ngầm. Ba thành phần dòng chảy này sẽ được truyền và chuyển hóa thành QS, QI và QG và kết hợp với nhau tạo thành tổng dòng chảy vào hệ thống sông suối của tiểu lưu vực. Dòng chảy cửa ra của lưu vực là Q. Mô hình bao gồm 15 thông số được diễn tả bên ngoài các hộp trong Hình 3.2. K là hệ số giữa lượng bốc thoát hơi tiềm năng và bốc hơi chậu nếu tài liệu lượng bốc hơi chậu thực đo được sử dụng trong mô hình. WM và B là hai thông số mô tả sự phân bố nước ứng suất. WM là sức chứa nước ứng suất trung bình lưu vực có các thành phần UM, LM và DM. B là hệ số mũ của đường cong phân bố sức chứa nước ứng suất. IM là hệ số diện tích không thấm. SM và EX tương tự như WM và B trong khi chúng diễn tả phân bố sức chức nước tự do. KI và KG là các hệ số liên quan đến RI và RG. CI, CG, L, CS, KE và XE là các thông số cho việc diễn toán dòng chảy truyền. Ý nghĩa của tất cả các thông số sẽ được thảo luận thêm ở những phần tiếp theo. Bảng 3.2 Các thông số của mô hình FRASC Category Parameter Description Các thông số bốc thoát hơi nước K [] Hệ số giữa lượng bốc thoát hơi tiềm năng và bốc hơi chậu UM [mm] Sức chứa nước ứng suất trung bình lưu vực tầng trên LM [mm] Sức chứa nước ứng suất trung bình lưu vực tầng dưới C [] Hệ số bốc hơi tầng sâu Các thông số hình thành dòng chảy WM [mm] Sức chứa nước ứng suất trung bình lưu vực B [] Hệ số mũ của đường cong phân bố sức chứa nước ứng suất IM [] Hệ số diện tích không thấm Các thông số phân bố dòng chảy SM [mm] Sức chứa nước tự do trung bình lưu vực EX [] Hệ số mũ của đường cong phân bố sức chứa nước tự do KG [] Hệ số dòng ra của nước tự do thành dòng chảy ngầm KI [] Hệ số dòng ra của nước tự do thành dòng chảy sát mặt Các thông số tập trung dòng chảy CG [] Hằng số sút giảm của lượng trữ nước ngầm CI [] Hằng số sút giảm của lượng trữ nước sát mặt CS [] Hằng số sút giảm trong phương pháp “trễ và lộ trình” cho diễn toán dòng chảy trên hệ thống sông suối trong phạm vi mỗi tiểu lưu vực L [] Thời gian trễ 37 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” 3.3.3 Cơ sở lý thuyết và các phương pháp tính 3.3.3.1 Bốc thoát hơi nước Hiện nay, việc tính toán trực tiếp lượng bốc thoát hơi tiềm năng không có bất cứ khó khăn nào. Trong mô hình FRASC, lượng bốc thoát hơi thực tế của lưu vực được tính toán trực tiếp từ phương pháp Penman – Montieth để làm đầu vào cho mô hình Tổng sức chứa ẩm của đất trung bình lưu vực, WM, được chia thành ba phần. Đó là, UM tầng trên, LM tầng dưới và DM tầng sâu. WU, WL và WD là lượng trữ tại mọi thời điểm tương ứng với ba tầng. Bốc thoát hơi tiềm năng bằng với lượng bốc hơi chậu trong trường hợp sử dụng tài liệu bốc hơi chậu thực đo: EMEU = (3.7) Cho đến khi lượng trữ WU của tầng trên cùng cạn kiệt. Khi tầng trên cạn kiệt, bốc thoát hơi tiềm năng còn lại nào đó được áp dụng cho tầng dưới, nhưng hiệu suất bị giảm bớt bằng tích với tỉ số giữa lượng trữ thực tế WL và lượng trữ tối đa LM của tầng đó: LM WLEU)(EMEL /´-= (3.8) Khi lượng trữ tầng dưới WL bị sút giảm xuống một tỉ lệ chỉ định, C, của LM, bốc thoát hơi được giả thiết còn tiếp diễn, nhưng tại mức ED được cho bởi: EU) (EMCED -´= (3.9) 3.3.3.2 Hình thành dòng chảy Khái niệm hình thành dòng chảy trong trạng thái no của lượng trữ đúng cho một điểm đơn lẻ (một diện tích rất nhỏ) của lưu vực liên quan. Đối với toàn bộ lưu vực, mọi thứ phức tạp hơn. Sự thiếu hụt độ ẩm thường biến đổi từ nơi này đến nơi khác. Sự phân bố không đều ảnh hưởng đáng kể đến sự hình thành dòng chảy của toàn bộ lưu vực. Để giải quyết vấn đề, trong mô hình FRASC, sự phân bố sức chứa nước ứng suất được đề nghị theo cách thống kê. 38 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” Để thiết lập cho sự phân bố không đồng nhất của sức chứa nước ứng suất khắp lưu vực hay tiểu lưu vực liên quan, đường cong sức chứa nước ứng suất được giới thiệu, được thể hiện trong Hình 3.3 Hình 3.3 Phân bố sức chứa nước ứng suất trong lưu vực[27][29] Đường cong sức chứa nước ứng suất lưu vực có nghĩa là đường cong của sức chứa ẩm trong vùng thoáng tại các điểm khác nhau trong lưu vực được xắp xếp theo mức độ tăng dần và được đồ thị với diện tích tương ứng (Hình 3.3). Ở đây f biểu thị diện tích với sức chứa lượng ẩm tại mọi điểm nhỏ hơn hoặc bằng W’M, F biểu thị tổng diện tích của lưu vực. Đường cong sức chứa nước ứng suất là một hàm đơn điệu tăng và được giới hạn hai phía trong khoảng 0 ≤ W’M ≤ MM đối với những vùng ẩm, trong đó MM là sức chứa lượng ẩm lớn nhất tại mọi điểm trong lưu vực. Diện tích dưới đường cong diễn tả sức chứa nước ứng suất trung bình lưu vực trong vùng thoáng của toàn bộ lưu vực, mà được ký hiệu bởi WM, nghĩa là: ò ÷ø ö ç è æ= 1 ' IM F fMdWWM (3.10) Giá trị f/F diễn tả tỉ lệ diện tích thấm của tiểu lưu vực mà sức chứa nước ứng suất của nó nhỏ hơn hoặc bằng giá trị tung độ W’M. Hơn nữa, thật khó xác định toàn bộ lượng ẩm của đất trong vùng thoáng. Do đó, xem như rằng lượng trữ ẩm trong thời kỳ khô nhất như là điểm không của sức chứa nước ứng suất và sự khác biệt của nó với khả năng đồng ruộng như là sức chứa nước ứng suất của vùng thoáng. Như vậy, 39 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” sức chứa nước ứng suất bằng độ thiếu hụt lượng ẩm của vùng thoáng trong thời kỳ khô hạn nhất, đó là, độ thiếu hụt lượng ẩm lớn nhất. Vì vậy đường cong sức chứa nước ứng suất lưu vực cũng là đường cong phân bố của độ thiếu hụt lượng ẩm lớn nhất trong vùng thoáng của lưu vực. Trong Hình 3.3, điểm x trên đường cong diễn tả trạng thái của tiểu lưu vực tại mọi thời điểm. Diện tích phía phải và bên dưới điểm x tương ứng với lượng trữ nước ứng suất trung bình lưu vực W. Điều đó có nghĩa mỗi điểm trong tiểu lưu vực phải chăng tại sức chứa ứng suất (các điểm phía trái x) hay tại một hằng số trạng thái ứng suất (các điểm phía phải x), sức chứa nước ứng suất tại điểm W’M biến thiên từ không đến giá trị lớn nhất MM theo quan hệ sau: ( )IM MM MW F f B -´÷ ø ö ç è æ -=÷ ø ö ç è æ - 1'11 (3.11) Có hai thông số cần được xác định trong phương trình trên, đó là, B và MM. Theo Phương trình (3.11) biểu thức toán học của quan hệ mưa - dòng chảy có thể được rút ra như sau: ( )ò ÷ø ö ç è æ --= MM MWd F fIMWM 0 '1 (3.12) Sức chức nước ứng suất trung bình lưu vực, WM cấu thành một thông số khác với giá trị lớn nhất MM, và được quan hệ thông qua thông số B. Lấy tích phân Phương trình (3.12), ta có thể thu được biểu thức sau: )1( )1( IM BWMMM - + ´= (3.13) Tung độ “AU” tương ứng với W trên đường cong sức chứa nước ứng suất có thể được xác định bởi: ( )ò ÷ø ö ç è æ --= AU MWd F fIMW 0 '1 (3.14) Lấy tích phân Phương trình (2.8), đưa ra: ú ú û ù ê ê ë é ÷ ø ö ç è æ --= +B WM WMMAU 1 1 11 (3.15) 40 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” Khi lượng mưa vượt quá lượng bốc thoát hơi, tung độ AU trong Hình 2.3 tăng một lượng bằng lượng vượt quá và cùng lúc đó x đi lên theo đường cong. Do đó, dòng chảy được tạo ra tương ứng với diện tích tô đậm phía trái và trên điểm x. Đặt ( )EMKPAUA ´-+= , sự hình thành dòng chảy, R, có thể được diễn tả toán học như sau: ( )ò ÷ø ö ç è æ -= A AU MWdIM F fR ' (3.16) Bằng việc lấy tích phân, Phương trình (3.16) đưa ra hai trường hợp: · Nếu A nhỏ hơn MM, thì ( ) ( ) B MM AUEMKPWMWWMEMKPR + úû ù êë é +´--´++-´-= 1 1 (3.17) · Nếu không thì WWMEMKPR +-´-= (3.18) Khi bốc hơi vượt quá lượng mưa, lượng ẩm ứng suất giảm xuống và điểm x dịch chuyển xuống dọc theo đường cong trên Hình 2.3 tới mức mà lượng nước ứng suất trung bình lưu vực W (diện tích phía phải và dưới điểm x) nhận giá trị thích hợp. Có thể không có giá trị gì rằng điều này đưa đến sự tái phân bố lượng nước trong lưu vực. Ban đầu, nếu trạng thái nước ứng suất của lưu vực được diễn tả bằng đường cong phía trái và đường nằm ngang phía phải x trong Hình 2.3, sự giảm sút trong lượng trữ nước ứng suất tại tất cả các điểm trong lưu vực sẽ được diễn tả bởi sự dịch chuyển xuống dưới một hằng số của đường cong và đường nằm ngang. Tuy nhiên, thay vì không có sự giảm sút được áp đặt cho các điểm phía trái và bên dưới x, nhưng điểm này còn ở mức sức chứa và sự giảm sút lớn hơn tương ứng được áp đặt cho phần còn lại của lưu vực, tức là sự giảm sút lớn hơn ở vị trí của đường nằm ngang. Điều này chỉ ra rằng sự tái phân bố lượng ẩm của đất trong suốt thời kỳ khô hạn, với nước chảy từ những vùng cao của lưu vực xuống những vùng thấp hơn. 41 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” 3.3.3.3 Sự phân chia các thành phần dòng chảy trong mỗi ô lưới Sau khi hình thành dòng chảy R trong thời kỳ ẩm theo Hình 3.4, được phân chia thành ba thành phần: RS dòng chảy mặt, RI sát mặt và RG dòng ngầm. Ba thành phần dòng chảy được chuyển đến tập trung tại trung tâm của mỗi ô lưới bằng phương pháp hồ tuyến tính. Với ksur, kinter, và kbase là hằng số thời gian tuyến tính của các thành phần dòng chảy mặt, sát mặt và dòng ngầm, tương ứng: ú û ù ê ë é ÷÷ ø ö çç è æ D --+÷÷ ø ö çç è æ D -= - overover tsurtsur k tRS k tQQ exp1exp1,, (3.19) ú û ù ê ë é ÷÷ ø ö çç è æ D --+÷÷ ø ö çç è æ D -= - internteri tinter,tinter k tRI k tQQ exp1exp1, (3.20) ú û ù ê ë é ÷÷ ø ö çç è æ D --+÷÷ ø ö çç è æ D -= - basebase tbase,tbase k tRG k tQQ exp1exp1, (3.21) Trong đó, Qsur,t, Qinter,t, Qbase,t, Qsur,t – 1, Qinter,t – 1, và Q base,t – 1 là dòng chảy mặt, dòng sát mặt và dòng ngầm tương ứng tại thời gian t, t – 1 và Dt là bước thời gian tính toán trong nhiều giờ. Để làm điều này, khái niệm lượng trữ nước tự do và sự phân bố của nó được phát triển. Giả sử trong mô hình FRASC lượng trữ nước tự do và sức chứa của nó phân bố không đồng nhất khắp diện tích lưu vực, FR, trên đó dòng chảy hiện thời được hình thành. Đường cong phân bố được mô tả trong Hình 2.4. Sức chứa nước tự do S'M được giả thiết phân bố từ không đến điểm lớn nhất MS theo đường parabol trên khắp FR: EX MS MS FR f ÷ ø ö ç è æ -=÷ ø ö ç è æ - '11 (3.22) Trong đó: f là phần diện tích lưu vực mà sức chứa nước tự do nhỏ hơn hoặc bằng S'M và EX là thông số. 42 Luận văn cao học – chuyên ngành Khoa học Môi Trường Đề tài: “So sánh ứng dụng mô hình thủy văn NAM và FRASC để đánh giá tài nguyên nước lưu vực Thác Mơ” Hình 3.4 Đường phân phối sức chứa nước tự do [27][29] Giả thiết thêm nữa rằng trạng thái hiện tại của lượng chứa nước tự do trong lưu vực có thể diễn tả bằng điểm (tung độ BU trên parabol của Hình 3.4) ám chỉ rằng phần lưu vực phía trái điểm đó là tại sức chứa lượng trữ và phía phải lượng trữ là hằng số, dưới mức sức chứa. Sức chứa nước tự do trung bình lưu vực SM có thể được thay bằng MS như một thông số: ( )EXMSSM += 1/ (3.23) Tích phân S'M trong phương trình (3.22) và thay thế SM vào MS từ phương trình (3.23), lượng trữ nước tự do tương đương S khắp diện tích sinh dòng chảy FR, có thể tìm thấy từ phương trình dưới đây: ( )EX MS BU SM S + ÷ ø ö ç è æ -=- 1 11 (3.24)