Đề tài Nghiên cứu ứng dụng mô hình số thủy văn đánh giá lượng bổ cập cho nước dưới đất; áp dụng cho hạ lưu sông Đồng Nai

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT MÔN HỌC CÔNG NGHỆ 3S Chủ đề: “Nghiên cứu ứng dụng mô hình số thủy văn đánh giá lượng bổ cập cho nước dưới đất; áp dụng cho hạ lưu sông Đồng Nai” GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN PGS.TS. Nguyễn Trường Xuân THỰC HIỆN Học viên: Mai Phú Lực Lớp: Cao học ĐCTV - K31 Hà Nội, tháng 06/2016 2 MỤC LỤC Trang MỤC LỤC ....................................................................................................................... 2 MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 3 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN MÔ HÌNH WETSPASS .................................................... 4 I.1. Lịch sử phát triển................................................................................................... 4 I.2. Tổng quan về mô hình WetSpass .......................................................................... 4 CHƯƠNG II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH WETSPASS ....................................... 7 II.1. Cấu trúc của mô hình WetSpass .......................................................................... 7 II.2. Tính toán cân bằng nước tại một ô lưới ............................................................... 7 II.2.1. Vùng có thảm thực vật .................................................................................. 8 II.2.2. Vùng đất trống ............................................................................................ 10 II.2.3. Vùng nước mặt ............................................................................................ 10 II.2.4. Vùng không thấm ........................................................................................ 11 II.3. Dữ liệu đầu vào và kết quả của mô hình WetSpass ........................................... 12 II.3.1. Dữ liệu đầu vào của WetSpass ................................................................... 12 II.3.2. Kết quả của mô hình WetSpass ................................................................... 12 II.4. Cấu trúc các bảng đầu vào của WetSpass .......................................................... 13 II.4.1. Bảng thông số loại đất ................................................................................ 13 II.4.2. Bảng hệ số dòng chảy mặt .......................................................................... 15 II.4.3. Bảng thông số sử dụng đất. ........................................................................ 21 CHƯƠNG III. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH WETSPASS ĐÁNH GIÁ LƯỢNG BỔ CẬP CHO NƯỚC DƯỚI ĐẤT Ở TỈNH ĐỒNG NAI .......................................................... 23 III.1. Xây dựng các lớp bản đồ cho mô hình WetSpass ............................................ 23 III.1.1. Bản đồ lượng bốc hơi ................................................................................ 27 III.1.2. Bản đồ gió .................................................................................................. 27 III.1.3. Bản đồ mực nước ngầm ............................................................................. 28 III.1.4. Bản đồ mưa ................................................................................................ 28 III.1.5. Bản đồ sử dụng đất .................................................................................... 29 III.1.6. Bản đồ nhiệt độ trung bình ........................................................................ 30 III.1.7. Bản đồ độ dốc ............................................................................................ 31 III.1.8. Bản đồ thổ nhưỡng .................................................................................... 32 III.1.9. Bản đồ địa hình ......................................................................................... 33 III.2. Kết quả tính toán năm 2012.............................................................................. 34 KẾT LUẬN ................................................................................................................... 35 3 MỞ ĐẦU Mục tiêu của chủ đề này gồm: tổng quan về mô hình WetSpass, cơ sở lý thuyết mô hình WetSpass, ứng dụng mô hình WetSpass đánh giá lượng bổ cập cho NDĐ ở tỉnh Đồng Nai. Nội dung của báo cáo này gồm 03 chương chính không kể phần mở đầu và kết luận: - Chương I – Tổng quan về mô hình WetSpass - Chương II – Cơ sở lý thuyết mô hình WetSpass - Chương III – Ứng dụng mô hình WetSpass đánh giá lượng bổ cập cho NDĐ ở tỉnh Đồng Nai. Chủ đề tiến hành thu thập tổng hợp các tài liệu liên quan đến phương pháp mô hình số thủy văn. Các tài liệu thu thập là kết quả của các nghiên cứu đã có trong vùng kết hợp với các thông tin mới được nghiên cứu. 4 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN MÔ HÌNH WETSPASS I.1. Lịch sử phát triển Mô hình WetSpass được hoàn thiện bởi bởi Batelaan và De Smedt, Đại học Vijre vào năm 2001. Đây là một mô hình cân bằng nước trạng thái ổn định theo không gian, được phát triển dựa trên một mô hình khác có tên là WetSpa (mô hình thủy văn phân phối dựa trên quy luật tự nhiên dùng để dự báo trao đổi nước và nhiệt giữa đất, thảm phủ thực vật, khí quyển trong phạm vi một vùng, một lưu vực). Asefa (1998) tích hợp WetSpass với GIS ARC/INFO trong môi trường phát triển mở (ODE) trên máy trạm UNIX. Giao diện đồ họa cho người dùng đã được phát triển nhằm tạo thuận lợi cho việc khai thác mô hình thông qua việc sử dụng OSF/Motif và C. Giao diện cho phép số liệu đầu vào và ra của mô hình có thể được tạo ra, lưu trữ và thể hiện trong ARC/INFO-ODE. Gebremeskel (2012) mở rộng giao diện WetSpass bằng cách thêm MODFLOW vào GIS ARC/INFO ODE. Ngoài ra, giao diện này có khả năng liên kết giữa hai mô hình bằng cách cho phép sử dụng kết quả của mô hình WetSpass làm đầu vào mô hình MODFLOW. Giao diện cũng có thể chuyển đổi các số liệu đầu ra dạng ASCII của mô hình MODFLOW vào trong lưới sử dụng chức năng ASCIIGRID của ARC/INFO, và thể hiện kết quả bằng đồ thị. Sau đó, phiên bản nâng cấp của WetSpass và MODFLOW được tích hợp trong ArcView bởi Kassa (2001). Tác giả đã ứng dụng AVENUE, ngôn ngữ lập trình của ArcView, để thiết lập giao diện cho hai mô hình. Giao diện này được thiết kế đặc biệt để tạo thuận lợi và tự động hóa quá trình xử lý để xây dựng các tập số liệu đầu vào của mô hình cũng như để xem và hiệu chỉnh các kết quả của mô hình. I.2. Tổng quan về mô hình WetSpass Mô hình sử dụng số liệu khí hậu trung bình dài hạn cùng với các bản đồ độ cao, sử dụng đất và bản đồ đất để mô phỏng sự phân bố không gian của dòng chảy mặt, độ bốc hơi và lượng bổ cập cho nước dưới đất của một vùng. Mô hình này được tích hợp và nhúng trong GIS ArcView (phiên bản 3.x) dưới dạng là mô hình mảnh (raster), được viết bằng Avenue, các thông số như việc sử dụng đất liên quan tới loại đất được liên kết với mô hình dưới dạng các bảng thuộc tính. Điều này cho phép dễ dàng định nghĩa các loại đất và sử dụng đất mới cũng như trong việc thay đổi giá trị của các thông số. Mô hình này chứa các biến không gian như: sự phân bố của đất, thảm phủ, độ dốcHình 1 đưa ra sơ đồ đồ cân bằng nước tại một ô lưới. Tổng lượng cân bằng nước cho mỗi ô được phân tích ra, phụ thuộc vào cân bằng nước giữa các phần đất trống, thực vật, ao hồ và đất không thấm. Sự không đồng nhất của các yếu tố đầu vào theo không 5 gian sẽ phụ thuộc vào độ phân giải của ô lưới. Các quá trình trong mỗi một ô lưới được sắp xếp theo từng lớp. Điều này có nghĩa là sau khi mưa rơi trên lưu vực, tiếp sau đó sẽ diễn ra các quá trình như hình vẽ. Hình 1: Một ô lưới giả thiết trong WetSpass Mục đích chính của WetSpass là thiết lập được sự liên kết giữa mô hình thủy văn WetSpass và mô hình nước dưới đất MODFLOW (phiên bản 2000). Mô hình này chạy lần lượt nối tiếp với mô hình kia cùng với sự trao đổi số liệu đầu vào liên tục. Vì vậy, đầu ra của kết quả chạy mô hình MODFLOW, chiều sâu mực nước dưới đất, được sử dụng như đầu vào để chạy mô hình WetSpass và đầu ra của mô hình WetSpass, lượng bổ cập được dùng như đầu vào cho mô hình MODFLOW để tính toán chiều sâu mực nước dưới đất. Tuy nhiên, trong dự án này lại sự dùng mô hình nước dưới đất GMS. Hơn nữa, WetSpass vẫn chưa có khả năng liên kết với một mô hình nước dưới đất nào khác ngoài MODFLOW-2000. Nhóm nghiên cứu sẽ phát triển một công cụ để liên kết giữa 2 mô hình WetSpass và mô hình nước dưới đất. Trước mắt, việc liên kết này sẽ thực hiện thủ công: chạy WetSpass trước và dùng kết quả của mô hình WetSpass để bổ sung bộ dữ liệu đầu vào cho mô hình nước dưới đất. Sau khi chạy mô hình nước dưới đất, kết quả về độ sâu mực nước ngầm sẽ được đưa vào để chạy WetSpass cho bước thời gian tiếp theo. Vì lý do đó, trong báo cáo này, nhóm nghiên cứu chỉ tập trung vào trình bày những nội dung trong việc ứng dụng khai thác mô hình WetSpass, bao gồm: - Cơ sở lý thuyết của mô hình: cấu trúc của mô hình, các giả thuyết, các phương trình cân bằng nước, - Dữ liệu đầu vào của mô hình: các lớp dữ liệu đầu vào gồm yếu tố khí hậu, lớp 6 phủ, sử dụng đất, - Ứng dụng mô hình WetSpass để đánh giá lượng bổ cập cho nước dưới đất ở tỉnh Đồng Nai: các bước cần tiến hành để ứng dụng mô hình WetSpass cho khu vực nghiên cứu: hiệu chỉnh dữ liệu đầu vào, các bảng thông số, những khó khăn trong quá trình thực hiện, 7 CHƯƠNG II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH WETSPASS II.1. Cấu trúc của mô hình WetSpass Mô hình sử dụng nhiều lớp để mô phỏng quá trình cân bằng giữa nước và nhiệt cho mỗi ô lưới, trong đó gồm các quá trình: giáng thủy, ngưng tụ, tuyết tan, tích nước trong các vùng trũng, thấm, bốc thoát hơi, ngấm, chảy tràn, chảy sát mặt và dòng chảy ngầm. Hệ thống mô phỏng quá trình thủy văn gồm có bốn bể chứa: lớp phủ thực vật, lớp đất bên trên, tầng rễ cây và tầng nước ngầm bão hoà. Mưa rơi từ khí quyển trước khi xuống mặt đất bị giữ lại bởi lượng ngưng tụ trên lá cây. Phần mưa còn lại rơi xuống mặt đất được chia thành hai phần phụ thuộc vào thảm phủ, loại đất, độ dốc, cường độ mưa và độ ẩm kì trước của đất. Thành phần đầu tiên làm đầy các vùng trũng trên mặt đất và đồng thời chảy tràn trên mặt đất trong khi phần còn lại ngấm vào đất. Phần mưa ngấm đó có thể giữ lại ở đới rễ cây, chảy sát mặt hay thấm sâu hơn xuống tầng nước ngầm, chúng phụ thuộc vào độ ẩm của đất. Nước tích tụ từ một ô lưới bất kì chảy sát mặt phụ thuộc vào lượng trữ nước ngầm và hệ số triết giảm. Thấm từ lớp đất được giả định cung cấp cho lượng nước ngầm. Chảy sát mặt từ đới rễ cây được giả định đóng góp vào dòng chảy tràn và diễn toán ra cửa ra của lưu vực cùng với dòng chảy tràn. Tổng lượng dòng chảy tràn từ mỗi ô lưới là tổng lượng dòng chảy tràn, sát mặt và dòng ngầm. Bốc thoát hơi diễn ra từ thực vật qua hệ thống rễ cây ở trong lớp đất và một phần nhỏ từ lượng nước ngầm. Cân bằng nước đối với lượng ngưng tụ gồm có mưa, bốc hơi và qua dòng chảy. Cân bằng nước cho các vùng trũng gồm có lượng mưa rơi, thấm, bốc hơi và chảy tràn. Cân bằng nước cho khối đất gồm: ngấm, bốc thoát hơi, thấm và chảy sát mặt. Cân bằng nước cho lượng nước ngầm gồm: lượng cung cấp cho nước ngầm, bốc thoát hơi từ tầng sâu và dòng chảy sát dòng ngầm. II.2. Tính toán cân bằng nước tại một ô lưới Các thành phần cân bằng nước gồm diện tích thảm thực vật, đất trống, mặt nước tự nhiên, và bề mặt không thấm nước được sử dụng để tính toán cân bằng nước của một ô lưới ETraster = avETv + asEs + aoEo + aiEi 2.1 Sraster =avSv + asSs + aoSo + aiSi 2.2 Rraster =avRv + asRs + aoRo + aiRi 2.3 ở đây ETraster, Sraster, Rraster lần lượt là tổng lượng bốc hơi, dòng chảy mặt và lượng bổ cập cho NDĐ của mỗi ô lưới, mỗi yếu tố này đều có các thành phần diện tích thảm thực vật, đất trống, mặt nước tự nhiên, và bề mặt không thấm nước ký hiệu lần lượt là av, as, ao, và ai. Lượng mưa được coi là điểm bắt đầu để tính toán cân bằng nước của mỗi thành 8 phần nêu trên tại mỗi ô lưới, các quá trình còn lại (interception – không thấm, dòng chảy mặt, bốc hơi và bổ cập) được tính tuần tự tiếp theo. Cơ sở lý thuyết về cân bằng nước của từng thành phần được trình bày sau đây. II.2.1. Vùng có thảm thực vật Cân bằng nước cho vùng có thảm thực vật dựa trên lượng mưa trung bình theo mùa (P), lượng nước bị giữ lại (I), dòng chảy mặt (Sv), lượng bốc hơi thực tế (Tv) và bổ cập nước ngầm (Rv), tất cả đều có thứ nguyên là [LT-1], công thức liên quan được trình bày phía dưới P = I + Sv + Tv + Es + Rv 2.4 Trong đó: P: lượng mưa trung bình (mm) I: lượng nước bị giữ lại (mm) Sv: dòng chảy mặt (mm) Tv: lượng bốc thoát hơi của thảm phủ thực vật (mm) Es: lượng bốc hơi từ đất Rv: lượng bổ cập vào tầng nước dưới đất (mm) Hình 2: Các thành phần trong cân bằng nước ở vùng có thảm phủ thực vật Lượng mưa: Sử dụng số liệu quan trắc từ các trạm đo mưa ở khu vực nghiên cứu. Lượng nước bị giữ lại Lượng nước bị giữ lại sẽ được tính dựa vào một hệ số giữ nước (tỷ lệ phần trăm 9 lương mưa bị giữ lại). Hệ số giữ nước này phụ thuộc vào loại thảm phủ thực vật. Dòng chảy mặt Dòng chảy mặt được tính toán dựa vào mối quan hệ giữa lượng mưa với lượng bốc hơi, khả năng giữ nước và thấm nước của đất. Đầu tiên dòng chảy mặt tiềm năng (Sv-pot) được tính bằng công thức: Sv-pot = Csv (P - I) 2.5 Trong đó Sv-pot: dòng chảy mặt tiềm năng (mm). Csv : hệ số dòng chảy mặt, phụ thuộc vào loại thảm phủ thực vật, loại đất và độ dốc. Hệ số này được định nghĩa trong bảng thông số về dòng chảy mặt. Ở bước thứ hai, dòng chảy mặt thực tế được tính từ Sv-pot bằng cách xem xét sự khác biệt giữa cường độ mưa trong mối quan hệ với khả năng thấm của đất. Sv = CHor Sv-pot 2.6 Trong đó Sv: dòng chảy mặt (mm). CHor: hệ số mô tả tỷ lệ lượng mưa đóng góp vào sự hình thành dòng chảy trên mặt. Hệ số này được định nghĩa trong bảng thông số thổ nhưỡng. Bốc thoát hơi nước Lượng bốc thoát hơi nước tham chiếu được tính toán theo phương pháp Penman: Trv = c Eo 2.7 Trong đó Trv: lượng bốc thoát hơi tham chiếu [LT-1] E0: hệ số bốc thoát hơi Penman [LT-1] c: hệ số phụ thuộc vào loại thảm phủ thực vật [–]. Sau khi tính được lượng bốc thoát hơi nước tham chiếu, lượng bốc thoát hơi nước thực tế sẽ được tính trong 2 trường hợp: - Đối với những khu vực thoát nước dưới đất có thảm phủ thực vật, lượng bốc hơi thực tế sẽ bằng với lượng bốc hơi tham. Tv = Trv khi (Gd −ht) ≤Rd 2.10 Trong đó Gd, là độ sâu mực nước dưới đất [L]; ht là độ cao đới có sức căng bão hòa [L] Rd là độ sâu tầng rễ cây [L] - Đối với vùng có thảm phủ thực vật mà độ sâu mực nước ngầm thấp hơn độ sâu đới rễ cây thì lượng bốc hơi thực tế được tính bằng: Tv = f(θ)Trv khi (Gd −ht) > Rd 2.11 f(θ) là một hàm số của hàm lượng nước và trạng thái thay đổi theo thời gian, nó 10 được định nghĩa như sau 2.12 Với w =P +(θ fc −θ pwp )R d 2.13 a1 là một tham số hiệu chỉnh, tỷ lệ với hàm lượng cát và loại đất [-]; w là lượng nước sẵn có cho quá trình bốc hơi [LT-1]. θ fc − θ pwp là hàm lượng nước có trong thực vật [T-1] trong một bước thời gian, tính bằng mức chênh lệch giữa lượng nước trong thực vật lúc bình thường so với lúc héo rũ. Lượng bổ cập Thành phần cuối cùng, lượng bổ cập vào nước ngầm, được tính bằng thành phần còn lại của cân bằng nước: Rv = P – Sv – Tv – I 2.14 II.2.2. Vùng đất trống Cân bằng nước cho vùng đất trống cũng tương tự như trên, nhưng không có thành phần lượng nước bị giữ lại và bốc thoát hơi của thực vật P = Ss+ Es+ Rs 2.15 Trong đó: P: lượng mưa (mm) Ss: dòng chảy mặt (mm) Es: bốc hơi của đất (mm) Rs: lượng bổ cập (mm) Hình : Các thành phần trong cân bằng nước ở vùng đất trống Từ đó, lượng bổ cập được tính bằng: Rs = P - Ss - Es 2.16 II.2.3. Vùng nước mặt Cân bằng nước ở vùng nước mặt cũng tương tự như trên, nhưng không có thành 11 phần lượng nước bị giữ lại và bốc thoát hơi của thực vật P = Eo + So + Ro 2.15 Trong đó: P: lượng mưa (mm) Eo: bốc hơi (mm) So: dòng chảy mặt (mm) Ro: lượng bổ cập (mm) Hình 3: Các thành phần trong cân bằng nước ở vùng nước mặt II.2.4. Vùng không thấm Cân bằng nước ở vùng không thấm bao gồm các thành phần: mưa, bốc hơi, dòng chảy mặt và bổ cập cho NDĐ. P = Si + Ei + R 2.16 12 Hình 4: Các thành phần trong cân bằng nước ở vùng không thấm II.3. Dữ liệu đầu vào và kết quả của mô hình WetSpass II.3.1. Dữ liệu đầu vào của WetSpass Dữ liệu đầu vào của WetSpass bao gồm 9 loại bản đồ phân bố theo không gian và 3 loại bảng thông số: 9 loại bản đồ bao gồm: - Bản đồ loại đất - Bản đồ địa hình - Bản đồ độ dốc - Bản đồ sử dụng đất - Bản đồ về nhiệt độ không khí trung bình năm - Bản đồ về lượng mưa trung bình năm - Bản đồ về lượng bốc hơi tiềm năng - Bản đồ tốc gió trung bình năm - Bản đồ độ sâu nước dưới đất tầng trên cùng. 3 loại bảng biểu bao gồm: - Bảng thông số về đất - Bảng hệ số dòng chảy mặt - Bảng thông số sử dụng đất II.3.2. Kết quả của mô hình WetSpass Kết quả của mô hình WetSpass gồm 8 loại bản đồ - Bản đồ về lượng bổ cập 13 - Bản đồ dòng chảy mặt - Bản đồ bốc thoát hơi nước tổng cộng - Bản đồ lượng nước bị giữ lại - Bản đồ sai số - Bản đồ lượng bốc hơi của đất - Bản đồ bốc thoát hơi nước của thực vật - Bản đồ của bước thời gian trước. II.4. Cấu trúc các bảng đầu vào của WetSpass II.4.1. Bảng thông số loại đất Bảng dữ liệu có sẵn gồm có 12 loại đất với 9 thông số tương ứng với m loại đất. 1. Tỷ lệ chứa nước trong đất [%] 2. Tỷ lệ chứa nước cây héo [%] 3. Tỷ lệ chứa nước cho thực vật [%] 4. Tỷ lệ chứa nước còn dư [%] 5. A1 [] 6. Độ sâu bay hơi của vùng đất trống [m] 7. Độ sâu sức căng bão hòa [m] 8. Tỷ lệ mưa mùa hè đóng góp vào dòng chảy tràn [%] 9. Tỷ lệ mưa mùa đông đóng góp vào dòng chảy tràn [%] 14 Bảng 1: Thông số loại đất trong mô hình WetSpass STT Loại đất Tỷ lệ chứa nước Tỷ lệ chứa nước cây héo Tỷ lệ chứa nước cho thực vật Tỷ lệ chứa nước còn dư Hệ số A1 Độ sâu bay hơi của vùng đất trống Độ sâu sức căng bão hòa Tỷ lệ mưa mùa hè đóng góp vào dòng chảy tràn Tỷ lệ mưa mùa đông đóng góp vào dòng chảy tràn 1 Cát 0,12 0,05 0,07 0,02 0,51 0,05 0,07 0,09 0,01 2 Thịt pha cát 0,15 0,07 0,08 0,035 0,47 0,05 0,09 0,09 0,01 3 Cát pha thịt 0,21 0,09 0,12 0,041 0,44 0,05 0,15 0,09 0,01 4 Thịt bùn 0,29 0,1 0,19 0,015 0,4 0,05 0,21 0,26 0,07 5 Thịt 0,25 0,12 0,13 0,027 0,37 0,05 0,11 0,15 0,02 6 Bùn 0,3 0,1 0,2 0,04 0,35 0,05 0,61 0,09 0,01 7 Cát pha sét 0,26 0,16 0,1 0,068 0,32 0,05 0,28 0,54 0,3 8 Bùn pha sét 0,36 0,19 0,17 0,04 0,29 0,05 0,33 0,62 0,41 9 Thịt sét 0,33 0,19 0,14 0,075 0,27 0,05 0,26 0,62 0,41 10 Sét pha cát 0,32 0,23 0,09 0,109 0,25 0,05 0,29 0,8 0,68 11 Sét bùn 0,43 0,27 0,16 0,056 0,23 0,05 0,34 0,84 0,75 12 Sét 0,46 0,33 0,13 0,09 0,21 0,05 0,37 0,95 0,85 15 II.4.2. Bảng hệ số dòng chảy mặt Bảng hệ số dòng chảy mặt được xây dựng cho nhiều loại hình sử dụng đất khác nhau: - Loại hình sử dụng đất: 5 loại: mùa vụ, đồng cỏ, rừng, đất trống và vùng nước mặt. - Mã loại hình sử dụng đất. - Độ dốc [%] - Mã độ dốc - Loại đất - Mã loại đất - Hệ số dòng chảy mặt - Chỉ số duy nhất: xác định bằng công thức: 100* [Mã loại đất] + 10 * [Mã sử dụng đất] + [Mã độ dốc] - Mã loại đất trống - Mã loại độ dốc - Hệ số đóng góp vào dòng chảy mặt của loại đất trống - Chỉ số đất trống - Loại đất không thấm - Mã loại đất không thấm - Mã loại độ dốc của đất không thấm - Hệ số đóng góp vào dòng chảy mặt của loại đất không thấm - Chỉ số đất không thấm 16 Bảng 2: Hệ số dòng chảy mặt Loại hình sử dụng đất Mã sử dụng đất Độ dốc Mã độ dốc Loại đất Mã loại đất Hệ số dòng chảy mặt Chỉ số duy nhất Mã loại đất trống Mã loại độ dốc Hệ số dòng chảy đất trống Chỉ số đất trống Loại đất không thấm