Đề tài 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 .