Luận văn Nghiên cứu ứng dụng mô hình mike từng bước hoàn thiện công nghệ dự báo lũ sông hồng – Thái Bình

i ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Đặng Thị Lan Phương NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE TỪNG BƯỚC HOÀN THIỆN CÔNG NGHỆ DỰ BÁO LŨ SÔNG HỒNG – THÁI BÌNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI – 2012 ii ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Đặng Thị Lan Phương NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE TỪNG BƯỚC HOÀN THIỆN CÔNG NGHỆ DỰ BÁO LŨ SÔNG HỒNG – THÁI BÌNH Chuyên ngành: Thủy văn học Mã số: 604490 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. LƯƠNG TUẤN ANH HÀ NỘI - 2012 iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU DỰ BÁO LŨ............................................................................................................... 4 1.1.Giới thiệu chung .................................................................................................... 4 1.2.Một số nghiên cứu dự báo lũ trên thế giới.............................................................. 4 1.3.Một số nghiên cứu dự báo lũ ở Việt Nam .............................................................. 6 1.4. Cơ sở lý thuyết của mô hình ............................................................................... 12 1.4.1. Mô hình MIKE NAM ..................................................................................... 12 1.4.2. Mô hình thủy lực MIKE 11 – HD ................................................................... 19 1.4.3. Mô hình Mike 21 ............................................................................................ 28 CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÀ LŨ LỤT HỆ THỐNG SÔNG HỒNG – THÁI BÌNH.................................................................................... 30 2.1. Đặc điểm điều kiện tự nhiên ............................................................................... 30 2.1.1. Vị trí địa lý ...................................................................................................... 30 2.1.2. Địa hình ........................................................................................................... 31 2.1.3. Địa chất ........................................................................................................... 34 2.1.4. Thổ nhưỡng ..................................................................................................... 36 2.1.5. Lớp phủ thực vật.............................................................................................. 38 2.2. Nguyên nhân hình thành và một số đặc điểm của chế độ mưa - lũ ...................... 36 2.2.1. Một số hình thế thời tiết chủ yếu gây mưa lớn ................................................. 36 2.2.2. Chế độ mưa ..................................................................................................... 38 2.2.3.Đặc điểm chung về chế độ dòng chảy ............................................................... 39 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE DỰ BÁO LŨ HỆ THỐNG SÔNG HỒNG – THÁI BÌNH ............................................................................................... 48 3.1. Sơ đồ thủy văn thủy lực trên hệ thống sông Hồng – Thái Bình ........................... 48 3.1.1. Sơ đồ thủy văn ................................................................................................. 48 3.1.2. Sơ đồ thủy lực.................................................................................................. 52 3.2. Điều kiện biên và điều kiện ban đầu ................................................................... 57 iv 3.3. Hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình thủy văn .................................................... 58 3.4. Hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình thủy lực..................................................... 63 3.4.1. Kết quả với phương pháp kiểm tra chéo........................................................... 64 3.4.2. Kết quả với trường hợp phân cấp ..................................................................... 81 3.5. Kết nối mô hình truyền triều và mô hình thủy lực trong sông.............................. 87 3.6. Dự báo thử nghiệm ............................................................................................. 89 3.6.1. Quy trình tiến hành dự báo............................................................................... 90 3.6.2. Cơ sở đánh giá chất lượng dự báo .................................................................... 91 3.6.3. Cập nhật sai số tính toán .................................................................................. 92 3.6.4. Kết quả dự báo thử nghiệm.............................................................................. 95 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................. 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 106 v MỤC LỤC HÌNH Hình 1. 1. Sơ đồ lưới trạm dự báo thượng lưu sông Hồng........................................7 Hình 1. 2. Sơ đồ tính toán thủy lực hệ thống sông Hồng – Thái Bình.......................9 Hình 1. 3: Cấu trúc mô hình MIKE........................................................................12 Hình 1. 4. Cấu trúc mô hình NAM.........................................................................14 Hình 1. 5. Nhánh sông với các điểm lưới xen kẽ....................................................21 Hình 1. 6. Hình dạng các điểm lưới xung quanh nút mà tại đó ba nhánh gặp nhau.21 Hình 1. 7. Hình dạng các điểm lưới và các nút trong một mô hình hoàn chỉnh.......22 Hình 1. 8. Ma trận nhánh trước khi khử .................................................................23 Hình 1. 9. Ma trận nhánh sau khi khử ....................................................................24 Hình 1. 10. Giao điểm của ba nhánh sông..............................................................24 Hình 2. 1. Lưu vực sông Hồng - Thái Bình – phần Việt Nam ................................31 Hình 2. 2. Địa hình lưu vực sông Hồng - Thái Bình - phần Việt Nam....................32 Hình 2. 3. Bản đồ thổ nhưỡng phần thuộc lãnh thổ Việt Nam trên lưu vực sông Hồng-Thái Bình.....................................................................................................38 Hình 2. 4. Bản đồ lượng mưa trung bình nhiều năm lưu vực sông Hồng-Thái Bình phần lãnh thổ Việt Nam .........................................................................................38 Hình 2. 5. Mạng lưới sông ngòi và một số công trình trọng điểm trên sông thuộc lưu vực sông Hồng - Thái Bình....................................................................................41 Hình 3. 1. Bản đồ phân chia các lưu vực bộ phận cho lưu vực sông Hồng – Thái Bình (sơ đồ cũ) ......................................................................................................48 Hình 3. 2. Bản đồ phân chia các lưu vực bộ phận cho lưu vực sông Hồng – Thái Bình (sơ đồ mới) ...................................................................................................51 Hình 3. 3. Sơ đồ tính toán thủy văn trên hệ thống sông Hồng – Thái Bình.............51 Hình 3. 4. Các nhánh sông được cập nhật trong sơ đồ tính trên sông Đà................53 Hình 3. 5. Các nhánh sông được cập nhật trong sơ đồ tính trên sông Hồng............53 Hình 3. 6. Các nhánh sông được cập nhật trong sơ đồ tính khu vực Hải Phòng......54 Hình 3. 7. Sơ đồ tính toán thủy lực hệ thống sông Hồng-Thái Bình .......................55 vi Hình 3. 8. Thông số các hồ chứa đã được cập nhật vào mô hình thủy lực ..............56 Hình 3. 9. Đường quá trình mực nước thực đo và tính toán tại trạm Lai Châu, Tạ Bú năm 2007...............................................................................................................60 Hình 3. 10. Đường quá trình mực nước thực đo và tính toán tại trạm Lai Châu, Tạ Bú năm 2009 .........................................................................................................61 Hình 3. 11. Đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán đến hồ Sơn La, năm 2011 ......................................................................................................................61 Hình 3. 12. Đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán đến hồ Sơn La, năm 2010 ......................................................................................................................61 Hình 3. 13. Đường quá trình lưu thực đo và tính toán đến hồ Hòa Bình, năm 201162 Hình 3. 14. Đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán đến hồ Hòa Bình, năm 2010 ......................................................................................................................62 Hình 3. 15. Đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán đến hồ Tuyên Quang, năm 2011...............................................................................................................62 Hình 3. 16. Đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán đến hồ Tuyên Quang, năm 2010...............................................................................................................63 Hình 3. 17. Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (HC2006)..69 Hình 3. 18. Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ06-07) .69 Hình 3. 19. Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ06-08) .70 Hình 3. 20. Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ06-09) .70 Hình 3. 21. Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ06-10) .70 Hình 3. 22. Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ06-11) .71 Hình 3. 23. Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (HC2007)..71 Hình 3. 24. Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ07-06) .71 Hình 3. 25. Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ07-08) .72 Hình 3. 26. Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ07-09) .72 Hình 3. 27. Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ07-10) .72 Hình 3. 28. Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ07-11) .73 Hình 3. 29. Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (HC2008)..73 vii Hình 3. 30. Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ08-10) .73 Hình 3. 31. Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ08-07) .74 Hình 3. 32. Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ08-09) .74 Hình 3. 33. Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ08-10) .74 Hình 3. 34. Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ08-11) .75 Hình 3. 35. Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (HC2009)..75 Hình 3. 36. Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ09-06) .75 Hình 3. 37. Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ09-07) .76 Hình 3. 38. Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ09-08) .76 Hình 3. 39. Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ09-10) .76 Hình 3. 40. Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ09-11) .77 Hình 3. 41. Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (HC2010)..77 Hình 3. 42. Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ10-06) .77 Hình 3. 43. Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ10-07) .78 Hình 3. 44. Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ10-08) .78 Hình 3. 45. Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ10-09) .78 Hình 3. 46. Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ10-11) .79 Hình 3. 47. Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (HC2011)..79 Hình 3. 48. Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ11-06) .79 Hình 3. 49. Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ11-07) .80 Hình 3. 50. Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ11-08) .80 Hình 3. 51. Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ11-09) .80 Hình 3. 52. Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại (KĐ11-09) .81 Hình 3. 53. Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại, năm 2007- Trường hợp 1.........................................................................................................84 Hình 3. 54. Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại, năm 2009- Trường hợp 1.........................................................................................................84 Hình 3. 55. Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại, năm 2010- Trường hợp 1.........................................................................................................84 viii Hình 3. 56. Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại, năm 2011- Trường hợp 1.........................................................................................................85 Hình 3. 57. Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại, năm 2009- Trường hợp 2.........................................................................................................85 Hình 3. 58. Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại, năm 2008- Trường hợp 2.........................................................................................................85 Hình 3. 59. Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại, năm 2007- Trường hợp 2.........................................................................................................86 Hình 3. 60. Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại, năm 2006- Trường hợp 3.........................................................................................................86 Hình 3. 61. Kết quả kiểm định mực nước tại Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại, năm 2008- Trường hợp 3.........................................................................................................86 Hình 3. 62. Địa hình khu vực Vịnh Bắc Bộ............................................................87 Hình 3. 63. Đường quá trình mực nước tính toán và thực đo các trạm hạ lưu sông Hồng - Thái Bình trận lũ lớn năm 1996 .................................................................88 Hình 3. 64. Đường quá trình mực nước tính toán và thực đo các trạm hạ lưu sông Hồng - Thái Bình trận lũ lớn năm 2002. ................................................................88 Hình 3. 65. Đường quá trình mực nước tính toán và thực đo các trạm hạ lưu sông Hồng - Thái Bình trận lũ lớn năm 2006. ................................................................88 Hình 3. 66. Sơ đồ quy trình dự báo lũ sông Hồng Thái Bình..................................91 Hình 3. 67. Minh họa sai số biên và sai số pha.......................................................94 Hình 3. 68. So sánh kết quả dự báo mực nước hồ Sơn La năm 2011 và 2012 – thời gian dự kiến 24 giờ................................................................................................97 Hình 3. 69. So sánh kết quả dự báo mực nước hồ Sơn La năm 2011 và 2012 – thời gian dự kiến 48 giờ................................................................................................97 Hình 3. 70. So sánh kết quả dự báo lưu lượng đến hồ Sơn La năm 2011 và 2012 – thời gian dự kiến 24 giờ.........................................................................................98 Hình 3. 71. So sánh kết quả dự báo lưu lượng đến hồ Sơn La năm 2011 và 2012 – thời gian dự kiến 48 giờ.........................................................................................98 ix Hình 3. 72. So sánh kết quả dự báo mực nước hồ Hòa Bình năm 2011 và 2012 – thời gian dự kiến 24 giờ.........................................................................................98 Hình 3. 73. So sánh kết quả dự báo mực nước hồ Hòa Bình năm 2011 và 2012 – thời gian dự kiến 48 giờ.........................................................................................99 Hình 3. 74. So sánh kết quả dự báo lưu lượng đến hồ Hòa Bình năm 2011 và 2012 – thời gian dự kiến 24 giờ.........................................................................................99 Hình 3. 75. So sánh kết quả dự báo lưu lượng đến hồ Hòa Bình năm 2011 và 2012 – thời gian dự kiến 48 giờ.........................................................................................99 Hình 3. 76. So sánh kết quả dự báo mực nước hồ Tuyên Quang năm 2011 và 2012 – thời gian dự kiến 24 giờ....................................................................................... 100 Hình 3. 77. So sánh kết quả dự báo mực nước hồ Tuyên Quang năm 2011 và 2012 – thời gian dự kiến 48 giờ....................................................................................... 100 Hình 3. 78. So sánh kết quả dự báo lưu lượng đến hồ Tuyên Quang năm 2011 và 2012 – thời gian dự kiến 24 giờ ...........................................................................100 Hình 3. 79. So sánh kết quả dự báo lưu lượng đến hồ Tuyên Quang năm 2011 và 2012 – thời gian dự kiến 48 giờ ...........................................................................101 Hình 3. 80. So sánh kết quả dự báo mực nước trạm Hà Nội năm 2011 và 2012 – thời gian dự kiến 24 giờ....................................................................................... 101 Hình 3. 81. So sánh kết quả dự báo mực nước trạm Hà Nội năm 2011 và 2012 – thời gian dự kiến 48 giờ....................................................................................... 101 Hình 3. 82. So sánh kết quả dự báo mực nước trạm Phả Lại năm 2011 và 2012 – thời gian dự kiến 24 giờ....................................................................................... 102 Hình 3. 83. So sánh kết quả dự báo mực nước trạm Phả Lại năm 2011 và 2012 – thời gian dự kiến 48 giờ....................................................................................... 102 Hình 3. 84. So sánh kết quả dự báo mực nước trạm Tuyên Quang năm 2011 và 2012 – thời gian dự kiến 24 giờ....................................................................................102 Hình 3. 85. So sánh kết quả dự báo mực nước trạm Tuyên Quang năm 2011 và 2012 – thời gian dự kiến 48 giờ....................................................................................103 x MỤC LỤC BẢNG Bảng 2. 1. Các loại đất chính trên lưu vực sông Hồng –Thái Bình .........................36 Bảng 2. 2. Bảng tổng hợp độ che phủ rừng các tỉnh nằm trong hệ thống sông Hồng –Thái Bình (Đơn vị: ha) ........................................................................................35 Bảng 2. 3. Đặc trưng hình thái các lưu vực sông chính .........................................40 Bảng 3. 1. Các đặc trưng lưu vực phần thượng lưu hệ thống sông Hồng-Thái Bình..48 Bảng 3. 2. Các lưu vực bộ phận và trạm mưa được sử dụng để tính toán dự báo thủy văn cho các trạm thượng nguồn hệ thống sông Hồng – Thái Bình .........................49 Bảng 3. 3. Thông số mô hình NAM cho các lưu vực bộ phận ................................58 Bảng 3. 4. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình mưa - dòng chảy.............60 Bảng 3. 5. Các trường hợp hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE 11 .................64 Bảng 3. 6. Các trường hợp hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE 11 theo các trường hợp mực nước tại Hà Nội ...........................................................................64 Bảng 3. 7. Kết quả xác định hệ số nhám trên các sông tương ứng với các năm ......65 Bảng 3. 8. Kết quả đánh giá chỉ số Nash-Sutcliffe tại các trạm trên hệ thống sông Hồng-Thái Bình theo phương pháp kiểm tra