Luận văn Đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến biến động tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ- Đáy thuộc thành phố Hà Nội

ưa Bốc hơi Mưa Bốc hơi Mưa Bốc hơi I 1,12 1,08 1,15 1,09 1,15 1,28 1,11 1,08 1,36 1,24 1,09 1,09 II 1,03 1,04 1,02 1,07 1,27 1,27 1,07 1,05 1,16 1,20 1,16 1,06 III 1,26 1,08 1,40 1,02 1,38 1,09 1,33 1,08 1,27 1,11 1,41 1,08 IV 1,53 1,10 1,79 1,12 1,09 1,24 1,55 1,10 1,23 1,28 1,76 1,10 V 0,74 1,08 1,15 1,07 0,70 0,93 0,76 1,08 0,94 1,14 0,86 1,09 VI 0,75 1,12 0,71 1,13 0,59 0,78 0,74 1,13 0,55 0,80 0,64 1,14 VII 0,74 1,07 1,25 0,99 0,77 0,76 0,79 1,04 0,99 0,97 0,95 1,00 VIII 0,89 1,06 0,85 1,03 0,87 0,93 0,74 1,05 0,94 0,98 0,60 1,04 IX 1,80 0,86 1,94 0,87 1,43 0,98 1,80 0,87 1,14 0,89 1,88 0,90 X 0,71 1,01 0,51 1,02 0,66 0,95 0,63 1,01 0,58 0,49 0,46 1,02 XI 0,21 1,04 0,13 1,02 0,07 0,14 0,17 1,04 0,07 0,16 0,08 1,05 XII 0,04 1,20 0,06 1,23 0,06 0,12 0,04 1,20 0,06 0,11 0,04 1,20 23 Bảng 2.4. Mức thay đổi lượng mưa (%) so với thời kỳ 1970 – 1999 kịch bản A2 Thời kỳ 2020 Nho Quan Láng Lâm Sơn Hưng Thi Hà Đông Ba Thá Trạm Thời gian Mưa Bốc hơi Mưa Bốc hơi Mưa Bốc hơi Mưa Bốc hơi Mưa Bốc hơi Mưa Bốc hơi I 1,28 0,97 1,57 0,94 1,20 1,10 1,30 0,97 1,07 0,89 1,35 0,99 II 0,57 1,16 0,57 1,23 0,54 0,59 0,57 1,16 0,60 0,62 0,55 1,19 III 0,73 1,06 1,23 1,02 0,57 0,66 0,72 1,06 0,55 0,64 0,76 1,05 IV 0,60 1,03 0,46 1,02 0,30 0,38 0,49 1,04 0,33 0,41 0,33 1,06 V 1,03 0,82 0,54 0,98 1,13 0,55 0,91 0,85 0,65 0,56 0,68 0,91 VI 2,05 0,95 1,12 0,93 0,68 1,07 2,90 0,94 0,76 1,03 3,96 0,94 VII 1,48 0,95 0,99 0,92 0,95 1,05 1,33 0,96 1,00 0,97 1,28 0,97 VIII 1,11 1,00 1,00 0,99 1,45 1,13 1,16 1,00 1,00 0,97 1,17 0,99 IX 0,38 1,13 0,26 1,14 0,67 1,04 0,34 1,12 0,24 0,58 0,26 1,11 X 0,48 1,03 0,32 1,03 0,25 0,86 0,44 1,04 0,01 0,14 0,37 1,05 XI 1,85 0,96 1,69 0,90 3,03 1,12 1,92 0,96 2,21 0,80 2,09 0,96 XII 0,83 1,10 0,89 1,11 0,45 1,42 0,81 1,10 0,33 0,71 0,71 1,10 Thời kỳ 2050 Nho Quan Láng Lâm Sơn Hưng Thi Hà Đông Ba Thá Trạm Thời gian Mưa Bốc hơi Mưa Bốc hơi Mưa Bốc hơi Mưa Bốc hơi Mưa Bốc hơi Mưa Bốc hơi I 0,65 1,26 0,78 1,30 0,94 0,63 0,72 1,26 1,04 0,69 0,91 1,26 II 1,12 1,00 1,23 0,98 1,13 1,33 1,25 1,00 0,86 0,95 1,51 1,00 III 1,04 1,15 1,38 1,09 0,88 0,70 1,03 1,16 1,29 0,90 1,10 1,17 IV 0,87 1,07 0,73 1,08 0,61 0,98 0,72 1,07 0,59 0,88 0,52 1,09 V 0,74 1,08 1,16 1,04 0,68 0,84 0,73 1,08 0,85 1,02 0,74 1,08 VI 0,14 1,31 0,21 1,32 0,24 0,42 0,14 1,32 0,42 0,61 0,16 1,34 VII 1,00 1,12 0,72 1,07 0,64 0,59 0,96 1,12 0,65 0,73 0,87 1,12 VIII 1,04 1,08 1,78 1,10 1,24 0,91 1,14 1,08 1,35 0,98 1,44 1,07 IX 0,78 0,92 1,00 0,91 2,22 1,39 0,75 0,92 1,91 1,30 0,75 0,90 X 0,20 1,16 0,25 1,12 0,12 1,22 0,20 1,15 0,22 0,94 0,22 1,13 XI 0,68 0,94 0,78 0,95 0,64 0,94 0,86 0,94 0,47 0,65 1,06 0,95 XII 0,52 1,07 0,59 1,12 1,51 1,27 0,46 1,09 1,05 1,12 0,39 1,10 24 2.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU TỚI TÀI NGUYÊN NƯỚC Hiện nay, vấn đề đánh giá sự biến đổi khí hậu tới các mặt phát triển của kinh tế - xã hội đang được quan tâm đặc biệt. Đã có rất nhiều những nghiên cứu tính toán mức độ ảnh hưởng của biến đổi khí hậu như: 1. Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường Nghiên cứu tác động của BĐKH ở lưu vực sông Hương và chính sách thích nghi ở huyện Phú Vang, tỉnh Thừa Thiên Huế (2005 – 2008). 2. Trần Thục, Nguyễn Văn Thắng, Hoàng Đức Cường, 2009. Xây dựng kịch bản BĐKH trong thế kỷ 21 cho Việt Nam và các khu vực nhỏ hơn. 3. Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn. Khung Chương chương trình hành động thích ứng với biến đổi khí hậu của ngành Nông nghiệp và PTNT giai đoạn 2008-2020. 2008 4. Trung tâm Tư vấn Khí tượng Thủy văn và Môi trường, Viện KH KTTV&MT. Đánh giá tác động của biến đổi khí hậu lên tài nguyên nước và các biện pháp thích ứng- Lưu vực sông Hồng-Thái Bình. 2010 [10] 5. Trung tâm Tư vấn Khí tượng Thủy văn và Môi trường, Viện KH KTTV&MT. Đánh giá tác động của biến đổi khí hậu lên tài nguyên nước và các biện pháp thích ứng - Lưu vực sông Đồng Nai. 2010 6. Trung tâm NC Thủy văn & TNN, Viện KH KTTV&MT. Đánh giá tác động của biến đổi khí hậu lên tài nguyên nước và các biện pháp thích ứng- Lưu vực sông Cả. 2010 7. Trung tâm NC Thủy văn & TNN, Viện KH KTTV&MT. Đánh giá tác động của biến đổi khí hậu lên tài nguyên nước và các biện pháp thích ứng - Lưu vực sông Thu Bồn. 2010 8. Trung tâm NC Thủy văn & TNN, Viện KH KTTV&MT. Đánh giá tác động của biến đổi khí hậu lên tài nguyên nước và các biện pháp thích ứng- Lưu vực sông Ba. 2010 9. Trung tâm NC Thủy văn & TNN, Viện KH KTTV&MT. Đánh giá tác động của biến đổi khí hậu lên tài nguyên nước và các biện pháp thích ứng- Đồng bằng sông Cửu Long. 2010 25 2.3. TỔNG QUAN MÔ HÌNH MÔ PHỎNG MƯA - DÒNG CHẢY a) Mô hình MIKE – SHE Mô hình mưa – dòng chảy MIKE – SHE của Viện Thủy lực Đan Mạch [12]ưthuộc nhóm mô hình phân bố. Nó bao gồm vài thành phần tính dòng chảy và phân bố theo các pha riêng của quá trình dòng chảy: • Dòng chảy mặt – tính bằng phương pháp sai phân hữu hạn 2 chiều • Giáng thủy – Số liệu đầu vào • Bốc thoát hơi, bao gồm cả phần bị giữ lại bởi thực vật– Số liệu đầu vào • Dòng chảy trong lòng dẫn – sử dụng diễn toán 1 chiều của Mike 11. Mô hình này cung cấp vài phương pháp như Muskingum, phương trình khuếch tán hoặc phương pháp giải phương trình St.Venant. • Dòng chảy sát mặt trong đới không bão hòa – mô hình 2 lớp , mô hình trọng số hoặc mô hình dựa vào phương trình Richard. • Dòng chảy cơ sở MIKE - SHE tích hợp mô hình dòng chảy cơ sở 2 chiều và 3 chiều dựa vào phương pháp sai phân hữu hạn. Đối với modun thổ nhưỡng, bộ dữ liệu bao gồm đặc tính thủy văn của đất (độ lỗ hổng, độ dẫn thấm thủy lực...) được tạo ra. Kết hợp với 2 phần mềm ESRI Arcview 3.x hoặc ArcGIS 9.1. Phần kết hợp này được sử dụng để xử lý số liệu đầu vào: Geomodel được sử dụng để lấy các thông tin địa chất; DaisyGIS mô tả tất cả các quá trình quan trọng gắn với hệ sinh thái nông nghiệp. Mô hình có chế độ hiệu chỉnh tự động thông qua AUTOCAL, đưa ra phương án tốt nhất theo điều kiện biên và ban đầu. b) Mô hình SWAT Mô hình SWAT có thể mô phỏng một số quá trình vật lý khác nhau trên lưu vực sông. Một lưu vực có thể được phân chia thành nhiều lưu vực con. Việc phân chia này đặc biệt có lợi khi những vùng khác nhau của lưu vực có những thuộc tính khác nhau về đất, thảm phủ,…. Thông tin đầu vào cho mỗi lưu vực con được tổ chức như sau: các yếu tố khí hậu; thông số của các đơn vị thuỷ văn (HRUs); hồ hay các vùng chứa nước; nước ngầm; kênh chính hoặc sông nhánh, hệ thống tiêu nước. Những đơn vị thuỷ văn sẽ được tổng hợp thành các lưu vực con, các lưu vực con này được xem là đồng nhất về thảm phủ, thổ nhưỡng, và chế độ sử dụng đất. 26 Mô hình SWAT mô phỏng hiện tượng khí tượng thủy văn xảy ra trên lưu vực, việc tính toán mưa rào-dòng chảy là kết quả của một hiện tượng này. Để tính toán chính xác chuyển động của hoá chất, bùn cát hay các chất dinh dưỡng, chu trình thuỷ văn phải được mô phỏng phù hợp với những gì xảy ra trên lưu vực. Chu trình thủy văn trên lưu vực có thể chia thành hai pha: - Pha thứ nhất: được gọi là pha đất của chu trình thuỷ văn hay còn gọi là mô hình thuỷ văn. Pha đất sẽ tính toán tổng lượng nước, bùn cát, chất dinh dưỡng và hoá chất tới kênh chính của từng lưu vực. - Pha thứ hai: được gọi là pha nước hay pha diễn toán của chu trình thuỷ văn hay còn gọi là mô hình diễn toán. Pha nước sẽ tính toán các thành phần qua hệ thống mạng lưới sông suối tới mặt cắt cửa ra. Các số liệu đầu vào của mô hình Yêu cầu số liệu vào của mô hình được biểu diễn dưới hai dạng: dạng số liệu không gian và số liệu thuộc tính. • Số liệu không gian dưới dạng bản đồ bao gồm: ƒ Bản đồ độ cao số hóa DEM ƒ Bản đồ thảm phủ ƒ Bản đồ loại đất ƒ Bản đồ mạng lưới sông suối, hồ chứa trên lưu vực • Số liệu thuộc tính bao gồm: ƒ Số liệu về khí tượng bao gồm nhiệt độ không khí, bức xạ, tốc độ gió, mưa ƒ Số liệu về thuỷ văn bao gồm dòng chảy, bùn cát, hồ chứa... ƒ Số liệu về đất bao gồm: loại đất, đặc tính loại đất theo lớp của các phẫu diện đất... ƒ Số liệu về loại cây trồng trên lưu vực, độ tăng trưởng của cây trồng... ƒ Số liệu về loại phân bón trên lưu vực canh tác... Các kết quả đầu ra của mô hình ƒ Đánh giá cả về lượng và về chất của nguồn nước ƒ Đánh giá lượng bùn cát vận chuyển trên lưu vực ƒ Đánh giá quá trình canh tác đất thông qua mođun chu trình chất dinh 27 dưỡng ƒ Đánh giá công tác quản lý lưu vực c) Mô hình SAC – SMA Tính toán độ ẩm đất – Sacramento, một phần của thư viện công nghệ mô hình của hệ thống NWSRFS, phát triển từ thập kỷ 70 bởi viện khí hậu quốc gia Mỹ. Mỗi lưu vực được phân chia thành các đới, và được gắn vào hệ thống bể chứa. Cơ bản gồm có 2 đới. Đới cao hơn gồm nước có áp và nước tự do, đới thấp hơn gồm dòng chảy cơ sở và nước có áp và nước tự do bổ sung. Dòng chảy tràn sẽ hình thành một vài dạng dòng chảy: • Dòng chảy trực tiếp • Dòng chảy mặt • Dòng chảy sát mặt • Dòng chảy cơ sở ban đầu • Dòng chảy cơ sở bổ sung Sacramento là mô hình độ ẩm đất, dữ liệu quan trọng nhất là dữ liệu thổ nhưỡng – độ dẫn thấm thủy lực, độ lỗ hổng... d) Mô hình HEC – HMS Mô hình HEC-HMS là phiên bản tiếp của HEC-1, phát triển từ thập kỷ 60 của quân đội Mỹ. Thành phần cơ bản của mô hình bao gồm: • Lượng mưa hiệu quả – tính bằng các phương pháp như SCS, Green- Ampt hoặc SMA. • Lưu lượng dòng chảy trực tiếp – sử dụng phương pháp đường đơn vị, các dạng biến đổi khác (Clark, Snyder, SCS), hoặc sử dụng phương pháp sóng động học. • Dòng chảy cơ sở - người sử dụng có thể lựa chọn các phương pháp khác nhau, ví dụ phương pháp bể chứa tuyến tính, phương pháp dạng hàm mũ, hoặc phương pháp dòng chảy cơ sở là hằng số theo từng tháng. • Modun diễn toán – phương pháp Muskingum, phương pháp trễ, mô hình sóng động học hoặc các biến đổi của chúng. • Ngoài ra mô hình còn mô hình hóa một số công trình trên sông như hồ 28 chứa, công trình phân nước. Mô hình HEC-HMS mở rộng giao diện Arcview gọi là HEC-GeoHMS. Dựa vào sự kết hợp này hỗ trợ cho việc đọc vài đặc tính thủy văn cơ bản của lưu vực cơ sở như hướng dòng chảy, độ dốc... e) Mô hình NAM Mô hình NAM [5, 7, 12] hỗ trợ cả hiệu chỉnh tự động và hiệu chỉnh thông thường. Cùng với 24 thông số có thể được hiệu chỉnh, và được phân loại theo đới riêng. NAM là mô hình mưa - dòng chảy thuộc nhóm phần mềm của Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI), là một phần của mô hình MIKE 11. Nó được xem như là mô hình dòng chảy tất định, tập trung và liên tục cho ước lượng mưa - dòng chảy dựa theo cấu trúc bán kinh nghiệm. Mô hình NAM có thể sử dụng để mô phỏng mưa trong nhiều năm, hoặc cũng có thể thay đổi bước thời gian để mô phỏng trận mưa và các cơn bão nhất định. Để đánh giá sự thay đổi của các thuộc tính thủy văn của lưu vực, lưu vực chia ra thành nhiều lưu vực con khép kín. Quá trình diễn toán thực hiện bởi mô dun diễn toán thủy động lực trong kênh của MIKE 11. Phương pháp này cho phép các tham số khác nhau của NAM ứng dụng trong mỗi một lưu vực con, do đó nó được xem là mô hình phân bố. • Giáng thủy – Số liệu đầu vào. Trong đó modun tuyết được tính toán thông qua chỉ số nhiệt độ. • Bốc thoát hơi, bao gồm cả phần bị giữ lại bởi thực vật – Số liệu đầu vào. • Dòng chảy mặt – biến đổi tuyến tính theo lượng ẩm tương đối của đất, và tính theo hệ số dòng chảy mặt. • Dòng chảy sát mặt trong đới không bão hòa – được tính toán theo lượng trữ ẩm và lượng ẩm tương đối, hệ số dòng chảy sát mặt và ngưỡng sinh dòng chảy sát mặt. Có thể sử dụng chức năng tự hiệu chỉnh thông qua AUTOCAL bằng cách cung cấp số liệu lưu lượng theo bước thời gian tính toán vào mô hình. Trên cơ sở tổng quan này, với tài liệu khí tượng thủy văn và địa hình hiện có, lựa chọn mô hình NAM làm công cụ khảo sát sự biến động tài nguyên nước theo các kịch bản Biến đổi khí hậu A1B và A2 đến năm 2020 và 2050, được trình bày trong chương 3. 29 CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN ĐỐI KHÍ HẬU TỚI BIẾN ĐỘNG TÀI NGUYÊN NƯỚC 3.1. CƠ SỞ LÝ THUYÊT MÔ HÌNH NAM Để phục vụ cho tính toán, phân tích đánh giá tác động của biến đổi khí hậu lên tài nguyên nước trên lưu vực sông Nhuệ - Đáy theo các kịch bản biến đổi khí hậu, chúng tôi đã sử dụng mô hình mưa dòng chảy để tính toán dòng chảy đến trên toàn bộ lưu vực nhằm làm cung cấp tài liệu đầu vào cho các mô hình khác. Mô hình NAM đã được lựa chọn mô phỏng dòng chảy trên lưu vực. Mô hình NAM [5, 7 ]được xây dựng tại Khoa Thuỷ văn Viện Kỹ thuật Thuỷ động lực và Thuỷ lực thuộc Đại học Kỹ thuật Đan Mạch năm 1982. NAM là chữ viết tắt của cụm từ tiếng Đan Mạch “Nedbør - Afstrømnings - Models” có nghĩa là mô hình mưa rào dòng chảy. Trong mô hình NAM, mỗi lưu vực được xem là một đơn vị xử lý, do đó các thông số và các biến là đại diện cho các giá trị được trung bình hóa trên toàn lưu vực. Mô hình tính quá trình mưa-dòng chảy theo cách tính liên tục hàm lượng ẩm trong năm bể chứa riêng biệt có tương tác lẫn nhau. Cấu trúc mô hình NAM được xây dựng trên nguyên tắc các hồ chứa theo chiều thẳng đứng và các hồ chứa tuyến tính, gồm có 4 bể chứa theo chiều thẳng đứng: Bể chứa tuyết tan: được kiểm soát bằng các điều kiện nhiệt độ. Đối với điều kiện khí hậu nhiệt đới ở nước ta thì không xét đến bể chứa này; Bể chứa mặt: lượng nước ở bể chứa này bao gồm lượng nước mưa do lớp phủ thực vật chặn lại, lượng nước đọng lại trong các chỗ trũng và lượng nước trong tầng sát mặt. Giới hạn trên của bể chứa này được ký hiệu bằng Umax; Bể chứa tầng dưới: là vùng đất có rễ cây nên cây cối có thể hút nước cho bốc, thoát hơi. Giới hạn trên lượng nước trong bể chứa này được ký hiệu là Lmax, lượng nước hiện tại ký hiệu là L và tỷ số L/Lmax biểu thị trạng thái ẩm của bể chứa; Mưa hoặc tuyết tan đều đi vào bể chứa mặt. Lượng nước (U) trong bể chứa mặt liên tục cung cấp cho bốc hơi và thấm ngang thành dòng chảy sát mặt. Khi U đạt đến Umax, lượng nước thừa là dòng chảy tràn trực tiếp ra sông và một phần còn lại sẽ thấm xuống các bể chứa tầng dưới và bể chứa ngầm. Nước trong bể chứa tầng dưới liên tục cung cấp cho bốc thoát hơi và thấm xuống bể chứa ngầm. Lượng cấp nước ngầm được phân chia thành hai bể chứa: tầng trên và tầng dưới, hoạt động như các hồ chứa tuyến tính với các hằng số thời 30 gian khác nhau. Hai bể chứa này liên tục chảy ra sông tạo thành dòng chảy cơ bản. Dòng chảy tràn và dòng chảy sát mặt được diễn toán qua một hồ chứa tuyến tính thứ nhất, sau đó các thành phần dòng chảy được cộng lại và diễn toán qua hồ chứa tuyến tính thứ hai. Cuối cùng cũng thu được dòng chảy tổng cộng tại cửa ra. a) Các thông số cơ bản của mô hình NAM Bảng 3.1. Các thông số cơ bản của NAM Thông số Mô tả Lmax Lượng nước tối đa trong bể chứa tầng rễ cây. Lmax có thể gọi là lượng ẩm tối đa của tầng rễ cây để thực vật có thể hút để thoát hơi nước. Umax Lượng nước tối đa trong bể chứa mặt. Lượng trữ này có thể gọi là lượng nước để điền trũng, rơi trên mặt thực vật, và chứa trong vài cm của bề mặt của đất. CQOF Hệ số dòng chảy mặt (0 ≤ CQOF ≤ 1). CQOF quyết định sự phân phối của mưa hiệu quả cho dòng chảy ngầm và thấm. TOF Giá trị ngưỡng của dòng chảy mặt (0 ≤ TOF ≤ 1). Dòng chảymặt chỉ hình thành khi lượng ẩm tương đối của đất ở tầng rễcây lớn hơn TOF. TIF Giá trị ngưỡng của dòng chảy sát mặt (0 ≤ TOF ≤ 1). Dòng chảy sát mặt chỉ được hình thành khi chỉ số ẩm tương đối củatầng rễ cây lớn hơn TIF. TG Giá trị ngưỡng của lượng nước bổ sung cho dòng chảy ngầm (0 ≤ TOF ≤ 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 TG. CKIF Hằng số thời gian của 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 Hằng số thời gian cho diễn toán dòng chảy mặt và sát mặt.Dòng chảy mặt và dòng chảy sát mặt được diễn toán theo các bể chứa tuyến tính theo chuỗi với cùng một hằng số thời gian CK12. CKBF Hằng số thời gian dòng chảy ngầm. Dòng chảy ngầm từ bể chứa ngầm được tạo ra sử dụng mô hình bể chứa tuyến tínhvới hằng số thời gian CKBF. b) Các yếu tố chính ảnh hưởng đến mô hình NAM Lượng trữ bề mặt. Lượng ẩm bị giữ lại bởi thực vật cũng như được trữ trong các chỗ trũng trên tầng trên cùng của bề mặt đất được coi là lượng trữ bề mặt. Umax biểu thị giới hạn trên của tổng lượng nước trong lượng trữ bề mặt. Tổng 31 lượng nước U trong lượng trữ bề mặt liên tục bị giảm do bốc hơi cũng như do thấm ngang. Khi lượng trữ bề mặt đạt đến mức tối đa, một lượng nước thừa PN sẽ gia nhập vào sông với vai trò là dòng chảy tràn trong khi lượng còn lại sẽ thấm vào tầng thấp bên dưới và tầng ngầm. Lượng trữ tầng thấp hay lượng trữ tầng rễ cây. Độ ẩm trong tầng rễ cây, lớp đất bên dưới bề mặt đất, tại đó thực vật có thể hút nước để bốc thoát hơi đặc trưng cho lượng trữ tầng thấp. Lmax biểu thị giới hạn trên của tổng lượng nước trữ trong tầng này. Độ ẩm trong lượng trữ tầng thấp cung cấp cho bốc thoát hơi thực vật. Độ ẩm trong tầng này điều chỉnh tổng lượng nước gia nhập vào lượng trữ tầng ngầm, thành phần dòng chảy mặt, dòng sát mặt và lượng gia nhập lại. Bốc thoát hơi nước. Nhu cầu bốc thoát hơi đầu tiên được thoả mãn từ lượng trữ bề mặt với tốc độ tiềm năng. Nếu lượng ẩm U trong lượng trữ bề mặt nhỏ hơn yêu cầu (U < Ep) thì phần còn thiếu được coi rằng là do các hoạt động của rễ cây rút ra từ lượng trữ tầng thấp theo tốc độ thực tế Ea. Ea tương ứng với lượng bốc hơi tiềm năng và biến đổi tuyến tính theo quan hệ lượng trữ ẩm trong đất, L/Lmax, của lượng trữ ẩm tầng thấp. max ( )a p LE E U L = − (3.1) Dòng chảy mặt. Khi lượng trữ bề mặt vượt qua giới hạn trên của bể chứa mặt, U > Umax, thì lượng nước thừa PN sẽ gia nhập vào thành phần dòng chảy mặt. Thông số QOF đặc trưng cho phần nước thừa PN đóng góp vào dòng chảy mặt. Nó được giả thiết là tương ứng với PN và biến đổi tuyến tính theo quan hệ lượng trữ ẩm đất, L/Lmax, của lượng trữ ẩm tầng thấp. (3.2) −⎧ >⎪ −=⎨⎪ ≤⎩ max ax ax / Õu / 1 0 Õu / OF OF N m OF OFOF m OF L L T CQ P n L L T TQ n L L T Trong đó: CQOF = hệ số dòng chảy tràn trên mặt đất (0 ≤ CQOF ≤ 1), TOF = giá trị ngưỡng của dòng chảy tràn (0 ≤ TOF ≤ 1). Phần lượng nước thừa PN không tham gia vào thành phần dòng chảy tràn sẽ thấm xuống lượng trữ tầng thấp. Một phần trong đó, ∆L, của nước có sẵn cho thấm, (PN-QOF), được giả thiết sẽ làm tăng lượng ẩm L trong lượng trữ ẩm tầng thấp. Lượng ẩm còn lại, G, được giả thiết sẽ thấm sâu hơn và gia nhập lại vào lượng trữ 32 tầng ngầm. Dòng chảy sát mặt. Sự đóng góp của dòng chảy sát mặt, QIF, được giả thiết là tương ứng với U và biến đổi tuyến tính theo quan hệ lượng chứa ẩm của lượng trữ tầng thấp. (3.3) − −⎧ >⎪ −= ⎨⎪ ≤⎩ 1 max ax ax / ( ) Õu / 1 0 Õu / IF IF m IFIF m IF L L T CK U n L L T TQ n L L T IF Trong đó CKIF là hằng số thời gian dòng chảy sát mặt và TIF là giá trị ngưỡng tầng rễ cây của dòng sát mặt (0 ≤ TIF ≤ 1). Diễn toán dòng chảy mặt và dòng sát mặt. Dòng sát mặt được diễn toán qua chuỗi hai hồ chứa tuyến tính với cùng một hằng số thời gian CK12. Diễn toán dòng chảy mặt cũng dựa trên khái niệm hồ chứa tuyến tính nhưng với hằng số thời gian có thể biến đổi. (3.4) β− ⎧⎪= ⎛ ⎞⎨ ⎜ ⎟⎪ ⎝ ⎠⎩ 12 min 12 min min Õu OF < Õu OF < CK n OF CK OF CK n OF OF Trong đó OF là dòng chảy tràn (mm/giờ) OFmin là giới hạn trên của diễn toán tuyến tính (= 0,4mm/giờ), và β = 0,4. Hằng số β = 0,4 tương ứng với việc sử dụng công thức Manning để mô phỏng dòng chảy mặt. Theo phương trình trên, diễn toán dòng chảy mặt được tính bằng phương pháp sóng động học, và dòng chảy sát mặt được tính theo mô hình NAM như dòng chảy mặt (trong lưu vực không có thành phần dòng chảy mặt) được diễn toán như một hồ chứa tuyến tính. Lượng gia nhập nước ngầm. Tổng lượng nước thấm G gia nhập vào lượng trữ nước ngầm phụ thuộc vào độ ẩm chứa trong đất trong tầng rễ cây. (3.5) −⎧ − >⎪ −=⎨⎪ ≥⎩ max max max / ( ) Õu / 1 0 Õu / G N OF G G G L L T P Q n L L TG n L L T T Trong đó TG là giá trị ngưỡng của tầng rễ cây đối với lượng gia nhập nước ngầm (0 ≤ TG ≤ 1). 33 Độ ẩm chứa trong đất. Lượng trữ tầng thấp biểu thị lượng nước chứa trong tầng rễ cây. Sau khi phân chia mưa giữa dòng chảy mặt và dòng thấm xuống tầng ngầm, lượng nước mưa còn lại sẽ đóng góp vào lượng chứa ẩm (L) trong lượng trữ tầng thấp một lượng ∆L. ∆ = − −N OFL P Q G (3.6) Dòng chảy cơ bản Dòng chảy cơ bản BF từ lượng trữ tầng ngầm được tính toán như dòng chảy ra từ một hồ chứa tuyến tính với hằng số thời gian CKBF. 3.2. MÔ HÌNH THỦY LỰC MIKE 11[12] là một phần mềm kỹ thuật chuyên dụng mô phỏng lưu lượng, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát ở cửa sông, sông, hệ thống tưới, kênh dẫn và các hệ thống dẫn nước khác. MIKE 11 là công cụ lập mô hình động lực một chiều, thân thiện với người sử dụng nhằm phân tích chi tiết, thiết kế, quản lý và vận hành cho sông và hệ thống kênh dẫn đơn giản và phức tạp. Với môi trường đặc biệt thân thiện với người sử dụng, linh hoạt và tốc độ, MIKE 11 cung cấp một môi trường thiết kế hữu hiệu về kỹ thuật công trình, tài nguyên nước, quản lý chất lượng nước và các ứng dụng quy hoạch. Mô đun mô hình thuỷ động lực (HD) là một phần trung tâm của hệ thống lập mô hình MIKE 11 và hình thành cơ sở cho hầu hết các mô đun bao gồm: dự báo lũ, tải khuyếch tán, chất lượng nước và các mô đun vận chuyển bùn cát. Mô đun MIKE 11 HD giải các phương trình tổng hợp theo phương đứng để đảm bảo tính liên tục và bảo toàn động lượng (phương trình Saint Venant). Các ứng dụng liên quan đến mô đun MIKE 11 HD bao gồm: Dự báo lũ và vận hành hồ chứa; Các phương pháp mô phỏng kiểm soát lũ; Vận hành hệ thống tưới và tiêu thoát nước mặt; Thiết kế các hệ thống kênh dẫn và Nghiên cứu sóng triều và dòng chảy do mưa ở sông và cửa sông Đặc trưng cơ bản của hệ thống lập mô hình MIKE 11 là cấu trúc mô đun tổng hợp với nhiều loại mô đun được thêm vào mô phỏng các hiện tượng liên quan đến hệ thống sông. MIKE bao gồm các mô đun bổ sung đối với: 1) Thuỷ văn; 2) Tải khuyếch tán; 3)Các mô hình chất lượng nước; 4) Vận chuyển bùn cát có cấu kết; 5) Vận chuyển bùn cát không cấu kết. Hệ phương trình cơ bản của MIKE 11 là hệ phương trình Saint Venant viết cho trường hợp dòng chảy một chiều trong lòng kênh dẫn hở, bao gồm: q t A x Q =∂ ∂+∂ ∂ (3.7) 34 α t Q ∂ ∂ + x∂ ∂ (β A Q 2 ) + gA x h ∂ ∂ + g RA2C |Q|Q = 0 (3.8) Trong đó: Q: Lưu lượng qua mặt cắt (m3/s) Q: Lưu lượng qua mặt cắt (m3/s) A: Diện tích mặt cắt ướt (m2) x: Chiều dài theo dòng chảy (m) t: Thời gian tính toán (s) q: Lưu lượng nhập lưu α: Hệ số động năng β: Hệ số phân bố lưu tốc g: Gia tốc trọng trường g= 9.81 m/s2 C: Hệ số Sê-zi R: Bán kính thủy lực Mô hình MIKE 11 sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott. Để giải hệ phương trình Saint-Venant. Sơ đồ sai phân ẩn 6 điểm như sau (hình 3.1. 3.2): Hình 3.1: Sơ đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott Hình 3.2: Sơ đồ sai phân 6 điểm ẩn Abbott trong mặt phẳng x~t Điều kiện biên: Các điều kiện biên gồm có điều kiện mực nước theo thời gian và lưu lượng theo thời gian tại vị trí các mặt cắt khống chế cửa ra và cửa vào của đoạn sông tính toán. Điều kiện ban đầu: Các điều kiện ban đầu bao gồm các điều kiện về mực nước, lưu lượng trên khu vực nghiên cứu (thường lấy lưu lượng bằng 0, mực nước bằng mực nước trung bình). Để sơ đồ sai phân hữu hạn ổn định và chính xác, cần tuân thủ các điều kiện sau: - Địa hình phải đủ tốt để mực nước và lưu lượng được giải một cách thoả đáng. Giá trị tối đa cho phép đối với ∆x phải được chọn trên cơ sở này. - Bước thời gian ∆t phải đủ nhỏ để cho ta một thể hiện chính xác về sóng. 35 Chẳng hạn bước thời gian tối đa để mô phỏng thủy triều nói chung khoảng 30 phút. - Điều kiện Courant dưới đây có thể dùng như một hướng dẫn để chọn bước thời gian sao cho đồng thời thoả mãn được các điều kiện trên. Điển hình, giá trị của Cr là 10 đến 15, nhưng các giá trị lớn hơn (lên đến 100) đã được sử dụng: x ghVt C r ∆ +∆= )( (3.9) Trong đó: V : vận tốc; h : độ sâu dòng chảy. Cr thể hiện tốc độ nhiễu động sóng tại nước nông (biên độ nhỏ). Số Courant biểu thị số các điểm lưới trong một bước sóng, phát sinh từ một nhiễu động nhỏ, sẽ di chuyển trong một bước thời gian. Sơ đồ sai phân hữu hạn dùng trong MIKE 11 (sơ đồ 6 điểm ẩn Abbott), cho phép số Courant từ 10 - 20, nếu dòng chảy dưới phân giới (số Froude nhỏ hơn 1). Tính toán với số Courant bằng 250 cho kết quả có sai số nhỏ hơn 2% trong một số trường hợp đặc biệt. 3.3. THIẾT LẬP CƠ SỞ DỮ LIỆU a) Số liệu mô hình NAM Số liệu đầu vào. Các số liệu đầu vào phục vụ cho mô hình cũng đóng vai trò rất quan trọng đối với kết quả tính toán. Các số liệu chính xác, có độ tin cậy cao sẽ cho ta kết quả tốt hơn nhiều so với các số liệu có độ ch