Thạc Sĩ Nghiên cứu ứng dụng mô hình WETSPA và HECRAS mô phỏng, dự báo quá trình lũ trên hệ thống sông Thu Bồ

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRUNG TÂM KHÍ TƯỢNG THUỶ VĂN QUỐC GIA

MỤC LỤC
MỤC LỤC BẢNG V
MỤC LỤC HÌNH VII
MỤC LỤC HÌNH VII
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG I:QUY LUẬT HÌNH THÀNH LŨ VÀ VẤN ĐỀ DỰ BÁO LŨ TRÊN HỆ THỐNG SÔNG THU BỒN – VU GIA. 3
1.1 ĐIỀU KIỆN ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN VÀ QUY LUẬT HÌNH THÀNH LŨ
TRÊN HỆ THỐNG SÔNG THU BỒN VU GIA 3
1.1.1 Khái quát điều kiện địa lý tự nhiên lưu vực sông Thu Bồn – Vu Gia . 3
1.1.2 Đặc điểm mưa và hình thế thời tiết gây mưa 10
1.1.3 Đặc điểm dòng chảy lũ hệ thống sông Thu Bồn – Vu Gia .12
1.1.4 Các thông tin về mạng lưới trạm, điện báo mưa và mực nước trên lưu vực hệ
thống sông Thu Bồn – Vu Gia 14
1.1.4.1 Thông tin về mạng lưới trạm 14
1.1.4.2 Thông tin về điện báo mưa và mực nước: .16
1.2 VẤN ĐỀ DỰ BÁO LŨ TRÊN HỆ THỐNG SÔNG THU BỒN – VU GIA
VÀ LUẬN CHỨNG CHỌN KIỂU MÔ HÌNH . 18
1.2.1 Tổng quan những phương án, phương pháp đang được sử dụng trong dự báo
nghiệp vụ trên lưu vực sông Thu Bồn – Vu Gia. .18
1.2.2 Tình hình nghiên cứu về mô hình thủy văn, thủy lực trên thế giới và ở Việt
Nam 19
1.2.3 Một số nghiên cứu tính toán mô phỏng lũ tiêu biểu đối với lưu vực sông Thu
Bồn – Vu Gia 21
1.2.4 Luận chứng cho việc chọn mô hình tính toán và dự báo dòng chảy lũ trên hệ
thống sông Thu Bồn – Vu Gia. .23

CHƯƠNG II:MÔ HÌNH WETSPA, MÔ HÌNH HECRAS VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CÔNG NGHỆ DỰ BÁO QUÁ TRÌNH LŨ HỆ THỐNG SÔNG THU BỒN-VU GIA 27
2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MÔ HÌNH WETSPA 27
2.1.1 Cấu trúc và các giả thiết của mô hình .27
2.1.1.1 Cấu trúc của mô hình .27
2.1.1.2 Các giả thiết của mô hình .29
2.1.2 Các công thức của mô hình 30
2.1.3 Các thông số của mô hình 36
ii
2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MÔ HÌNH HECRAS 42
2.2.1 Các công thức của mô hình 43
2.2.2 Các số liệu đầu vào cơ bản của mô hình: 46
2.2.2.1 Số liệu hình học: 46
2.2.2.2 Điều kiện biên và điều kiện ban đầu: 47
2.2.2.3 Số liệu về lưu lượng: .48
2.3 HƯỚNG TIẾP CẬN XÂY DỰNG CÔNG NGHỆ DỰ BÁO CHO HỆ
THỐNG SÔNG THU BỒN - VU GIA . 48
2.4 CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG ĐÁNH GIÁ MÔ PHỎNG VÀ DỰ BÁO CỦA
MÔ HÌNH . 49

CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH WETSPA MÔ PHỎNG LŨ TRÊN HỆ THỐNG SÔNG THU BỒN - VU GIA . 52
3.1 PHÂN CHIA LƯU VỰC VÀ THIẾT LẬP MÔ HÌNH WETSPA . 52
3.1.1 Phân chia lưu vực bộ phận .52
3.1.2 Thiết lập mô hình 54
3.1.3 Tài liệu khí tượng thủy văn phục vụ vận hành mô hình WETSPA 58
3.2 XÂY DỰNG CÁC LOẠI BẢN ĐỒ THÔNG SỐ CHO MÔ HÌNH WETSPA . 59
3.2.1. Xây dựng các bản đồ cơ bản và cắt tách các lưu vực bộ phận cho hệ thống
sông Thu Bồn - Vu Gia 64
3.2.1.1 Xây dựng bản đồ DEM .64
3.2.1.2 Xây dựng bản đồ cấu trúc đất 67
3.2.1.3 Xây dựng bản đồ thảm phủ 68
3.2.1.4 Xây dựng bản đồ phân vùng ảnh hưởng các trạm mưa 73
3.2.2 Xây dựng các bản đồ thông số về đặc trưng vật lý của lưu vực cho các lưu
vực bộ phận .75
3.2.3 Xây dựng các bản đồ thông số về đặc trưng vật lý của đất cho các lưu vực bộ
phận 76
3.2.4 Xây dựng các bản đồ thông số về đặc tính lớp phủ thực vật cho các lưu vực
bộ phận .77
3.2.5 Xây dựng các bản đồ thông số về đặc tính dòng chảy của lưu vực .78
3.3 BỘ THÔNG SỐ CỦA MÔ HÌNH WETSPA VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 78
3.3.1 Nguyên tắc tối ưu bộ thông số của mô hình WETSPA 78
3.3.2 Kết quả tối ưu bộ thông số .80
3.3.2.1 Kết quả tối ưu bộ thông số của mô hình cho lưu vực Thành Mỹ .80
3.3.2.2 Kết quả tối ưu bộ thông số của mô hình WETSPA cho lưu vực Nông
Sơn 86
3.3.2.3 Lựa chọn thông số mô hình cho các lưu vực bộ phận không có
trạm đo .94
3.3.3 Phân tích tính nhạy cảm, phạm vi biến đổi các thông số của mô hình 97
3.3.4 Đánh giá chất lượng mô phỏng và kiểm định của mô hình 99
3.3.4.1 Trạm Thành Mỹ 101
3.3.4.2 Trạm Hội Khách 103
3.3.4.3 Trạm Ái Nghĩa 106
3.3.4.4 Trạm Hiệp Đức 108
3.3.4.5 Trạm Nông Sơn 110
3.3.4.6 Trạm Giao Thủy . 113
3.3.4.7 Trạm Câu Lâu 115
3.3.4.8 Trạm Hội An . 118
3.3.4.9 Một số nhận xét về kết quả mô phỏng và kiểm định của mô hình
WETSPA 120

CHƯƠNG IV. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH WETSPA VÀ HECRAS MÔ PHỎNG LŨ HỆ THỐNG SÔNG THU BỒN – VU GIA 123
4.1 THIẾT LẬP MÔ HÌNH WETSPA KẾT NỐI VỚI HECRAS . 123
4.1.1 Phương pháp kết hợp hai mô hình WETSPA và HECRAS .123
4.1.2 Xây dựng sơ đồ mạng thuỷ lực diễn toán dòng chảy trong sông .125
4.1.2.1 Sơ đồ thủy lực vùng hạ lưu hệ thống sông . 125
4.1.2.2 Biên của mô hình 128
4.1.3 Tài liệu thủy văn để tối ưu và kiểm định mô hình .131
4.2 BỘ THÔNG SỐ CỦA MÔ HÌNH HECRAS VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
CỦA BỘ MÔ HÌNH WETSPA - HECRAS. 132
4.2.1 Nguyên tắc hiệu chỉnh bộ mô hình WETSPA - HECRAS: .132
4.2.2 Kết quả tối ưu bộ thông số của mô hình .132
4.2.3 Đánh giá kết quả 133
4.2.3.1 Kết quả hiệu chỉnh mô hình . 133
4.2.3.2 Kiểm nghiệm bộ thông số tối ưu . 139
4.1.4 Nhận xét chung 145

CHƯƠNG V. CÁC VẤN ĐỀ CẦN THỰC HIỆN TRONG ỨNG DỤNG BỘ MÔ HÌNH WETSPA VÀ HECRAS VÀO DỰ BÁO NGHIỆP VỤ 146
5.1 XÂY DỰNG PHÂN BỐ MƯA THEO KHÔNG GIAN CHO CÁC HÌNH
THẾ THỜI TIẾT GÂY MƯA. 146
5.1.1 Đặc điểm mưa trên lưu vực 147
5.1.2 Đặc điểm mưa của các hình thế thời tiết gây lũ lớn .150
5.1.2.1 Các hình thế thời tiết gây mưa lớn 150
5.1.2.2 Đặc điểm và phân bố mưa của các hình thế thời tiết gây mưa lớn.154
5.1.3 Các trận lũ lớn do các hình thế thời tiết điển hình gây ra 161
5.1.3.1 Trận lũ đặc biệt lớn tháng XI năm 1998 (B +KKL +HTND) . 161
5.1.3.2 Trận lũ lớn đầu tháng XI năm 1999 (KKL +HTND + ĐGD) 162
5.1.3.3 Trận lũ lớn đầu tháng XII/1999 (KKL + ĐGD) 164
5.1.3.4 Trận lũ lớn tháng XI/2004 (KKL +Bão) 166
5.1.3.5 Trận lũ tháng XI năm 2007 (B + ĐGĐ) . 167
5.1.4 Xây dựng phân bố mưa theo không gian cho các hình thế thời tiết điển hình
gây mưa lớn .168
5.2 ỨNG DỤNG CÁC SẢN PHẨM DỰ BÁO MƯA . 172
5.2.1 Giới thiệu chung 172
5.2.2 Sản phẩm dự báo mưa số trị phục vụ đầu vào mô hình 172
5.2.3 Các sản phẩm khác .175
5.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHỈNH KẾT QUẢ 178
5.3.1 Lọc theo Kalman .179
5.3.2 Lọc theo Hồi Qui .180
5.3.3 Hiệu chỉnh tức thời 182

CHƯƠNG VI:XÂY DỰNG CÔNG NGHỆ DỰ BÁO LŨ HỆ THỐNG SÔNG THU BỒN -VU GIA. . 183
6.1 CÁC BÀI TOÁN CẦN THỰC HIỆN 183
6.2 XÂY DỰNG NGÂN HÀNG DỮ LIỆU . 184
6.2.1 Tổ chức cơ sở dữ liệu 184
6.2.2 Cấu trúc ngân hàng dữ liệu 187
6.3 XÂY DỰNG CÔNG NGHỆ DỰ BÁO DÒNG CHẢY LŨ HỆ THỐNG
SÔNG THU BỒN – VU GIA. . 189
6.3.1 Hệ thống các mô đun và chương trình phục vụ công nghệ dự báo 189
6.3.2 Hệ thống các thực đơn và phần mềm giao diện .192
6.4 QUY TRÌNH DỰ BÁO VÀ HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ DỰ
BÁO . 194
6.4.1 Cài đặt chương trình 194
6.4.2 Hướng dẫn sử dụng công nghệ 195
6.5 KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM TÁC NGHIỆP . 208
6.5.1 Trình tự dự báo 208
6.5.2 Kết quả dự báo thử nghiệm 208
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 214
TÀI LIỆU THAM KHẢO 218

MỞ ĐẦU
Lũ lụt xảy ra hàng năm trên hệ thống sông Thu Bồn- Vu Gia thường gây
ra những tổn hại nghiêm trọng về người và tài sản. Dự báo quá trình lũ cho hệ
thống sông có một ý nghĩa rất quan trọng trong việc đối phó kịp thời với lũ lụt
nhằm giảm thiểu những ảnh hưởng do lũ gây ra.
Các nghiên cứu và mô hình tính toán dự báo dòng lũ trên hệ thống sông
Thu Bồn- Vu Gia hiện nay mới bước đầu đáp ứng một phần yêu cầu của công
tác phòng chống thiên tai trên hệ thống sông. Kết quả của các nghiên cứu này
còn nhiều hạn chế cần được nghiên cứu bổ sung cả về lý thuyết và kỹ thuật. Đặc
biệt, chưa có một công nghệ hoàn chỉnh tính toán dự báo dòng chảy tác nghiệp
cho hệ thống sông phục vụ cho công tác phòng chống và giảm nhẹ thiên tai cũng
như khai thác hợp lý tài nguyên nước trên lưu vực sông.
Trong mô phỏng và dự báo các quá trình lũ, các mô hình thuỷ văn vật lý
phân phối và mô hình thủy lực ngày càng trở nên phổ biến và là một công cụ
đắc lực trong mô phỏng, dự báo lũ và cảnh báo ngập lụt. Bên cạnh đó, với sự
phát triển nhanh chóng của công cụ máy tính, sự phát triển của mô hình kỹ thuật
số, các số liệu về lớp phủ thực vật, lớp đất, các công cụ của hệ thống thông tin
toàn cầu (GIS) và các thông tin viễn thám đã tạo ra một khả năng mới cho loại
mô hình này trong việc nghiên cứu, mô phỏng các quá trình thủy văn.
Theo xu hướng phát triển đó, đề tài “Nghiên cứu ứng dụng mô hình
WETSPA và HECRAS mô phỏng, dự báo quá trình lũ trên hệ thống sông Thu
Bồn – Vu Gia” do Trung tâm Dự báo Khí tượng thủy văn Trung ương chủ trì,
được thực hiện trong 2 năm từ tháng V năm 2007 đến tháng V năm 2009.
Mục tiêu của đề tài là: Tạo ra một công nghệ dự báo nghiệp vụ quá trình
lũ sông Thu Bồn – Vu Gia trên cơ sở liên kết mô hình thuỷ văn WETSPA,
HECRAS và GIS với thời gian dự kiến 24 giờ và cảnh báo 36 giờ.
Thực hiện mục tiêu trên, nhiệm vụ chính của đề tài là nghiên cứu ứng
dụng hệ thống mô hình thủy văn thủy lực hiện đại có sử dụng công nghệ GIS
trong dự báo lũ lưu vực hệ thống sông Thu Bồn - Vu Gia gồm mô hình thủy văn
WETSPA (của Bỉ), mô hình thủy lực HECRAS (của quân đội Mỹ) đồng thời
giải quyết các bài toán cơ bản của nghiệp vụ dự báo như: sử dụng mưa dự báo,
hiệu chỉnh hậu mô hình, vấn đề tính gia nhập khu giữa đối với mô hình thủy lực
HECRAS, tự động cập nhật đầu vào các mô hình, giao diện phần mềm dễ sử
Nghiên cứu ứng dụng mô hình WETSPA và HECRAS mô phỏng, dự báo quá trình lũ trên hệ thống sông Thu Bồn-Vu Gia
dụng, mềm dẻo, kết quả dự báo phải phong phú và đa dạng nhằm đáp ứng các
yêu cầu mới của công tác dự báo lũ trên lưu vực sông.