Giới thiệu công nghệ dự báo lũ hệ thống sông Bến Hải và Thạch Hãn sử dụng mô hình MIKE 11

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26, Số 3S (2010) 397‐404 397 _______ Giới thiệu công nghệ dự báo lũ hệ thống sông Bến Hải và Thạch Hãn sử dụng mô hình MIKE 11 Vũ Đức Long1,*, Trần Ngọc Anh2, Hoàng Thái Bình3, Đặng Đình Khá2 1Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương, Trung tâm KTTV Quốc gia, Bộ Tài nguyên và Môi trường 2Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam 3Viện Địa lý, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam Nhận ngày 11 tháng 8 năm 2010 Tóm tắt. Bài báo giới thiệu một công nghệ dự báo lũ cho hạ lưu hệ thống sông Bến Hải, Thạch Hãn sử dụng mô hình MIKE 11 với các mô đun thủy lực mạng sông (HD), mưa-dòng chảy (RR- NAM) và đồng hóa số liệu (DA). Hệ thống đã được kiểm định với số liệu mùa lũ các năm 2005 và 2007 đạt kết quả tốt. Một phần mềm dự báo đã được xây dựng và sẽ được chuyển giao cho địa phương (Ban chỉ huy Phòng chống lụt bão và Tìm kiếm cứu nạn tỉnh Quảng Trị) phục vụ công tác dự báo, cảnh báo và ứng phó khẩn cấp với lũ lụt. Kết quả dự báo lũ dựa trên tính toán từ các số liệu mưa dự báo và có khả năng kết nối trực tiếp với cơ sở dữ liệu on-line của Trung tâm Khí tượng Thủy văn Quốc gia. Từ khóa: Công nghệ dự báo lũ, MIKE 11, Bến Hải, Thạch Hãn. 1. Mở đầu∗ Hiện nay, công tác dự báo tác nghiệp mưa lũ cho các hệ thống sông toàn quốc được thực hiện tại các đơn vị trực thuộc Trung tâm Khí tượng Thủy văn Quốc gia (TT KTTVQG). Ngoài các cơ quan thuộc TT KTTVQG còn có nhiều viện nghiên cứu, trường đại học tham gia nghiên cứu như: Viện Khoa học Khí tượng Thuỷ văn và Môi trường thuộc Bộ Tài Nguyên và Môi trường, Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam thuộc bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Trường Đại học Thuỷ lợi, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Trường Đại học Khí tượng Thuỷ văn và Môi trường Hà Nội .v.v... ∗ Tác giả liên hệ. ĐT: 84-4-38584943. E-mail: longkttv@gmail.com Các đơn vị trực thuộc TT KTTVQG hiện đang sử dụng các phương pháp dự báo truyền thống như phương pháp phân tích thống kê, nhận dạng hình thế thời tiết gây mưa lớn, phương pháp mực nước tương ứng, phương pháp hồi quy nhiều biến... một số mô hình toán thủy văn, thủy lực như mô hình SSARR, TANK, NAM và mới hơn như WESTPA, MIKE 11, MARINE, HEC để dự báo lũ, lụt. Các hệ thống sông ở khu vực miền Trung nói chung, tỉnh Quảng Trị nói riêng đều có đặc trưng chung là sông ngắn, dốc, thời gian truyền lũ ngắn. Vì vậy, các mô hình đơn giản có khả V.Đ. Long và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26, Số 3S (2010) 397‐404 398 năng tính toán nhanh như mưa rào – dòng chảy, diễn toán Muskingum thường được ưu tiên lựa chọn trong công tác tác nghiệp dự báo trước đây. Tuy nhiên, cùng với sự phát triển mạnh mẽ về công nghệ thông tin hiện nay, các máy vi tính thế hệ mới ra đời với tốc độ tính toán cao, có khả năng xử lý khối lượng tính toán lớn trong khoảng thời gian ngắn. Vì vậy, các mô hình thủy văn thông số phân bố, mô hình thủy lực có cơ sở toán học chặt chẽ, chính xác hơn đang dần chiếm ưu thế. [1-3] Bài báo này giới thiệu một công nghệ dự báo lũ cho hạ lưu hệ thống sông Bến Hải và Thạch Hãn sử dụng mô hình MIKE 11. Các bước hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thực hiện với số liệu các trận lũ năm 1999, 2004 và 2005 đạt kết quả khá tốt. Kết quả dự báo lũ dựa trên tính toán từ các số liệu mưa dự báo. Phần mềm dự báo được xây dựng cho phép kết nối trực tiếp với cơ sở dữ liệu của TT KTTVQG để truy cập các tài liệu thực đo về mực nước, lưu lượng của toàn bộ các trạm thủy văn trong khu vực. Số liệu mưa dự báo có thể được nhập thủ công từ màn hình giao diện hoặc nhập tự động từ kết quả tính toán dự báo mưa bằng mô hình số trị do vậy thể hiện tính linh hoạt của công nghệ đồng thời cho thấy khả năng tăng thời gian dự kiến của dự báo lên đến 2-3 ngày (khi kết hợp với một số mô hình số trị dự báo mưa như RAM, HRM,...). Phần mềm này sẽ được chuyển giao cho Ban chỉ huy Phòng chống lụt bão và Tìm kiếm cứu nạn (BCH PCLB&TKCN) tỉnh Quảng Trị phục vụ công tác dự báo, cảnh báo và ứng phó khẩn cấp với lũ lụt. 2. Giới thiệu vùng nghiên cứu Hệ thống sông Thạch Hãn và Bến Hải là hai hệ thống sông lớn nhất tỉnh Quảng Trị với diện tích lưu vực tương ứng là 2.660km2 và 809km2, chiếm ~73% diện tích toàn tỉnh. Phần lớn các khu dân cư và kinh tế tập trung, các khu hành chính của tỉnh đều nằm hạ lưu các hệ thống sông và thường xuyên chịu uy hiếp của lũ lụt. Để ứng phó với tình trạng mưa lũ, tỉnh Quảng Trị đã thiết lập một mạng lưới quan trắc khí tượng thủy văn trên hệ thống sông Bến Hải và Thạch Hãn với 10 trạm đo mưa và 7 trạm đo mực nước (hình 1), trong đó có 3 trạm khí tượng và 4 trạm thủy văn thuộc hệ thống quan trắc của TT KTTVQG, số còn lại là các trạm dùng riêng do BCH PCLB&TKCN thiết lập, hoạt động trong 4 tháng mùa lũ. Mặc dầu vậy, các tài liệu đo mực nước của các trạm dùng riêng chưa được dẫn về mốc cao độ thống nhất, vì thế dự báo lũ trong tỉnh chỉ dựa vào các phương pháp thống kê và quan hệ mực nước tương ứng, do vậy thời gian dự báo ngắn, chưa đáp ứng được với công tác ứng phó với lũ lụt trên địa bàn tỉnh. Hình 1. Sơ đồ các trạm đo khí tượng thủy văn trên hệ thống các sông Bến Hải và Thạch Hãn. 3. Giới thiệu mô hình MIKE 11 Bộ mô hình MIKE 11 bao gồm nhiều mô đun đảm nhận các công việc khác nhau: Mô đun RR (còn gọi là mô hình NAM) đây là mô V.Đ. Long và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26, Số 3S (2010) 397‐404 399 hình thủy văn dùng để tính toán mưa dòng chảy trên lưu vực, với số liêu đầu vào là mưa, bốc hơi, nhiệt độ... kết quả đầu ra là lưu lượng nước tại các điểm khống chế của lưu vực và gia nhập trực tiếp vào mạng lưới sông khi kết hợp với mô đun HD để tính toán thủy lực một chiều trên sông. Mô đun DA là công cụ dùng để đồng hóa số liệu tính toán, số liệu thực đo và dự báo. Giới thiệu chi tiết về mô hình MIKE 11 và các mô đun có thể được tìm thấy trong nhiều tài liệu khác [1,4-8]. 4. Ứng dụng mô hình MIKE 11 trong dự báo lũ hạ lưu hệ thống các sông Bến Hải và Thạch Hãn 4.1. Thiết lập mô hình MIKE 11 Mạng thủy lực 1 chiều được xây dựng bao gồm 3 hệ thống sông chính: Bến Hải, Thạch Hãn, Ô Lâu và 2 con sông nối kết giữa các hệ thống này là sông Cánh Hòm (nối Bến Hải với Thạch Hãn) và Vĩnh Định (nối Thạch Hãn với Ô Lâu). Hình 2. Sơ đồ thủy lực mạng tính toán hệ thống sông Bến Hải, Thạch Hãn và Ô Lâu. Toàn bộ mạng bao gồm 9 nhánh với 410 nút và 140 mặt cắt ngang. Biên trên gồm có: đập Sa Lung trên sông Sa Lung; trạm TV Gia Vòng trên sông Bến Hải; Cam Tuyền trên sông Cam Lộ; trạm dùng riêng Dakrong trên sông Ba Lòng (dòng chính Thạch Hãn), Hải Sơn trên sông Thác Ma và Phò Trạch trên sông Ô Lâu. Các biên dưới bao gồm: Cửa Tùng sông Bến Hải, trạm TV Cửa Việt sông Thạch Hãn và Cửa Lác trên sông Ô Lâu (hình 2). Các biên trên và biên gia nhập khu giữa của mô hình thủy lực được tính toán từ số liệu mưa sử dụng mô hình NAM . 4.2. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình Để có thể đưa mô hình vào phục vụ công tác dự báo ta cần tiến hành các bước hiệu chỉnh và kiểm định bộ thông số của mô hình và dự báo với các trận lũ trong lịch sử. Do biên đầu vào của mô hình được tính từ mưa bằng mô hình NAM do vậy trước hết cần hiệu chỉnh và kiểm định mô hình NAM - Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình NAM Với 10 trạm thủy văn được đặt trên hệ thống các sông nhưng chỉ có trạm Gia Vòng nằm trên sông Bến Hải là có đo lưu lượng. Do vậy số liệu lưu lượng tại đây được dùng để hiệu chỉnh và kiểm định với mô hình NAM và các trận lũ được chọn là: Trận lũ từ ngày 1 đến ngày 17/11/1999 dùng để hiệu chỉnh và trận lũ từ ngày 5 đến ngày 15/10/2005 dùng để kiểm định mô hình. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định được thể hiện trên hình 3 và 4. Kết quả đánh giá bằng chỉ tiêu Nash lần lượt là 95% và 93% đạt loại tốt, đảm bảo cho công tác dự báo dòng chảy từ mưa. - Hiệu chỉnh và kiểm định mạng thủy lực Sau khi thu được bộ thông số NAM đáng tin cậy tiến hành kết hợp mô hình NAM với mô hình thủy lực 1 chiều trên sông thông qua các biên trên và biên gia nhập khu giữa. Các trên lũ từ ngày 1 đến ngày 10/10/2004 được chọn để hiệu chỉnh mô hình, trận lũ từ ngày 2 đến ngày 9/9/2009 dùng để kiểm định mô hình. V.Đ. Long và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26, Số 3S (2010) 397‐404 400 Các kết quả tính toán so sánh với số liệu tại trạm Thạch Hãn và Đông Hà được thể hiện trên hình 5 và 6 với kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình theo chỉ tiêu Nash lần lượt là 82% và 87% đều đạt loại khá và tốt. Hình 3. Kết quả hiệu chỉnh mô hình NAM tại Gia Vòng. Hình 4. Kết quả kiểm định bằng mô hình NAM tại Gia Vòng. Hình 5. Kết quả hiệu chỉnh tại trạm Đông Hà. Hình 6. Kết quả kiểm định tại trạm Thạch Hãn. Hình 7. Dự báo thử nghiệm tại Đông Hà từ 20/8-30/11/2007. Hình 8. Dự báo thử nghiệm tại Thạch Hãn từ 20/8-30/11/2007. Hình 9. Dự báo thử nghiệm tại Hiền Lương từ 20/8-30/11/2007. V.Đ. Long và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26, Số 3S (2010) 397‐404 401 Hình 10. Dự báo thử nghiệm tại Đông Hà từ 20/8-30/11/2005. Hình 11. Dự báo thử nghiệm tại Thạch Hãn từ 20/8-30/11/2005. Hình 12. Dự báo thử nghiệm tại Hiền Lương từ 20/8-30/11/2005. Bảng 1. Đánh giá chất lượng dự báo đỉnh lũ Chất lượng dự báo đỉnh lũ Trạm Sai số cho phép (cm) Năm 2005 (%) Năm 2007 (%) Hiền Lương 39 100 100 Đông Hà 35 50 60 Thạch Hãn 35 66 60 - Ứng dụng mô hình dự báo thử cho mùa lũ 2005 và 2007 Với bộ thông số đã tìm được ở trên, sử dụng các mô đun HD, RR và DA trong mô hình MIKE11, tiến hành dự báo thử nghiệm cho mùa lũ 2005 và 2007, đạt kết quả khá (Bảng 1, 2). Những kết quả minh họa trình bày trong hình 7 - 12 thể hiện kết quả dự báo mực nước tại trạm thủy văn Đông Hà trên nhánh sông Cam Lộ, trạm Thạch Hãn trên sông Thạch Hãn và trạm Hiền Lương trên sông Bến Hải vào các năm 2005 và 2007. Bảng 2. Đánh giá chất lượng dự báo quá trình lũ Chất lượng dự báo quá trình lũ Trạm Sai số cho phép (cm) Năm 2005 (%) Năm 2007 (%) Hiền Lương 30 98 98 Đông Hà 30 96 95 Thạch Hãn 30 87 91 5. Xây dựng công nghệ dự báo lũ cho hệ thống sông Bến Hải và Thạch Hãn Để xây dựng công nghệ dự báo lũ cho hệ thống các sông Bến Hải và Thạch Hãn với các bài toán tác nghiệp khác nhau, một chương trình phần mềm được xây dựng tích hợp các mô đun cơ sở dữ liệu quá khứ và hiện tại, các mô đun chuẩn bị số liệu, chuyển đổi các định dạng, kết xuất số liệu, các mô đun xử lý số liệu mưa dự báo, kết nối các mô đun mô phỏng, dự báo, đồng hoá số liệu và mô đun in ấn, hiển thị các kết quả đầu ra ở dạng bản tin, bảng biểu, đồ thị. Chương trình này cho phép tiến hành dự báo lũ cho hệ thống các sông Bến Hải và Thạch Hãn sử dụng số liệu điện báo khí tượng thủy văn hàng ngày cùng với các kết quả dự báo mưa số trị hoặc từ các nguồn dự báo mưa khác. V.Đ. Long và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26, Số 3S (2010) 397‐404 402 Cơ sở dữ liệu: Việc đảm bảo thu thập thông tin khí tượng thủy văn trên các hệ thống sông Bến Hải, Thạch Hãn và Ô Lâu hiện nay được thực hiện theo các bước sau: Số liệu quan trắc, đo đạc, được truyền từ trạm đo về Trung tâm khí tượng thủy văn Tỉnh, từ Trung tâm Tỉnh truyền về Đài khí tượng thủy văn, từ Đài truyền về Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn Trung ương. Số liệu Khí tượng Thủy văn phục vụ cho dự báo thủy văn được lưu trữ dưới rất nhiều dạng cơ sở dữ liệu khác nhau. Dữ liệu quá khứ được lưu dưới các định dạng: dạng số kiểu Access, dBase; dạng text; dạng bảng Excel,... Dữ liệu ở hiện tại được lưu trữ ở dạng Access. Để lưu trữ, khai thác số liệu khí tượng thủy văn trong thiết lập, hiệu chỉnh, kiểm nghiệm mô hình và dự báo tác nghiệp một mô đun đã được thiết lập để chuyển đổi các dạng dữ liệu về dạng *.dfs0, *.dfs0 là dạng cơ sở dữ liệu chuẩn của bộ mô hình MIKE. Công nghệ dự báo: Giao diện của công nghệ dự báo là bản đồ mạng lưới sông, mạng lưới trạm khí tượng thủy văn (hình 13). Các công cụ trên giao diện cho phép phóng to, thu nhỏ, hiển thị bản đồ theo các tỷ lệ khác nhau. Ngoài ra trên cửa sổ còn có các thực đơn có các chức năng khác nhau. Các thực đơn sẽ được kích hoạt lần lượt sau các bước chạy chương trình. Các bước tiến hành dự báo: - Chuẩn bị, cập nhập số liệu thực đo: Chương trình có thể tự động cập nhật số liệu thực đo từ cơ sở dữ liệu của TT KTTVQG, có khả năng kiểm tra, sửa chữa, cập nhật dữ liệu. Trong trường hợp không truy cập được vào cơ sở dữ liệu của TT KTTVQG, có thể nhập dữ liệu trực tiếp vào chương trình (hình 14). Hình 13. Giao diện của phần mềm dự báo. Hình 14. Giao diện của menu số liệu. - Nhập dữ liệu mưa dự báo: Chức năng này hiển thị các giá trị mưa trong quá khứ và thời đoạn mưa tiếp theo. Cập nhập trị số dự báo mưa bình quân lưu vực thời đoạn 6 giờ cho các lưu vực bộ phận (hình 15). - Chuyển đổi cơ sở dữ liệu từ dạng *.mdb; *.text sang dạng *.dfs0 làm đầu vào cho mô hình Mike11 (*.dfs0 là dạng cơ sở dữ liệu của bộ mô hình Mike). V.Đ. Long và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26, Số 3S (2010) 397‐404 403 Hình 15. Giao diện menu nhập số liệu mưa. - Chạy mô hình Mike11. - Chuyển đổi kết quả tính toán mô phỏng, dự báo của mô hình Mike theo yêu cầu đầu ra cửa người sử dụng (hình 16). - Tự động xuất kết quả ra bản tin. Hình 16. Giao diện xuất kết quả dự báo. Khả năng phát triển mô hình: - Công cụ thông tin trên giao diện cho phép người sử dụng truy cập được các đặc trưng trạm khí tượng, thủy văn, số liệu thực đo và dự báo, đồ thị số liệu thực đo và dự báo của từng trạm. - Tích hợp tự động với các kết quả dự báo mưa số trị tạo biên đầu vào cho mô hình. Tích hợp với số liệu dự báo mưa Synop và lựa chọn mẫu phân bố mưa theo các dạng hình thế thời tiết gây mưa. - Tích hợp với mô đun điều tiết hồ chứa. - Tích hợp các mô hình khác như Westpa, Nam + Mukingum…tạo ra một bộ công cụ hỗ trợ. - Xuất kết quả đầu ra: số liệu thực đo, dự báo theo yêu cầu của người sử dụng. 6. Kết luận Việc ứng dụng công nghệ dự báo cho các hệ thống sông ở tỉnh Quảng Trị chưa đi vào thực tiễn tác nghiệp mà mới chỉ ở mức thử nghiệm cho số liệu quá khứ.Nhưng những kết quả thử nghiệm đã cho thấy mô hình hoàn toàn có thể đưa vào ứng dụng trong công tác dự báo lũ. Tiếp theo, cần có thêm các phát triển, cải tiến hơn nữa về công nghệ dự báo cũng như hiệu chỉnh, kiểm định bộ thông số mô hình để chất lượng bản tin dự báo được tốt hơn. Nghiên cứu đã xây dựng một công nghệ mới, hiện đại, sử dụng thuận lợi, tiết kiệm thời gian, cho phép dự báo quá trình lũ trên các hệ thống sông. Đây là hướng tiếp cận mới, phù hợp thực tiễn cũng như xu thế phát triển của công tác dự báo trên thế giới và ở Việt Nam. Tài liệu tham khảo [1] Hoàng Thái Bình, Xây dựng bản đồ ngập lụt hạ lưu hệ thống sông Nhật Lệ (Mỹ Trung - Tám Lu - Đồng Hới), Luận văn Thạc sỹ khoa học, Trường V.Đ. Long và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26, Số 3S (2010) 397‐404 404 Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, 2009. [2] Đặng Thanh Mai, Nghiên cứu ứng dụng mô hình Westpa và Hecras mô phỏng, dự báo quá trình lũ trên hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn, Đề tài nghiên cứu cấp bộ Trung tâm khí tượng thủy văn Trung ương, Bộ Tài nguyên và môi trường, 2009. [3] Vũ Đức Long, Ứng dụng mô hình toán dự báo quá trình lũ sông Trà Khúc, sông Vệ, Luận văn Thạc sĩ khoa học, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng, 2008. [4] Trần Ngọc Anh, Nguyễn Thọ Sáo, Nguyễn Tiền Giang, Nguyễn Thị Nga, Đánh giá năng lực tiêu thoát nước cho khu vực Bắc Thường Tín bằng mô hình toán thủy văn thủy lực, Tạp chí Khí tượng Thủy văn, số 11 (2008) 575. [5] Trần Ngọc Anh, Nguyễn Tiền Giang và nnk, Dự tính xâm nhập mặn trên các sông chính tỉnh Quảng Trị theo các kịch bản phát triển kinh tế xã hội đến 2020, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 25, số 1S (2009) 1. [6] Denmark Hydraulic Institute (DHI), 2007, “MIKE 11 Reference Manual” DHI, 514 pp. [7] Denmark Hydraulic Institute (DHI), 2007, “MIKE 11 User Guide” DHI, 514 pp [8] Denmark Hydraulic Institute (DHI), 2007, “NAM Reference Manua” DHI, 317 pp. An introduction to flood forecast technology in Ben Hai and Thach Han river systems using MIKE 11 model Vu Duc Long1, Tran Ngoc Anh2, Hoang Thai Binh3, Dang Dinh Kha2 1Central Center for Hydrological and Meteorological Forecast, Hydrological Meteorological Service, MONRE 2Faculty of Hydro-Meteorology & Oceanography, Hanoi University of Science, VNU, 334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam 3Geography Institute, Vietnamese Academy of Science and Technology The paper briefly describes a flood prediction technology in downstream area of Ben Hai and Thach Han rivers, Quang Tri province using MIKE 11 with hydrodynamics, rainfall-runoff and data assimilation modules. The system was tested and verified with observed data in flood season of 2005 and 2007. A software has been developed and will be transferred to Provincial Committee for Flood and Storm Control in order to strengthen capacity in forecast and response to flood and inundation. The software uses predicted rainfall as input and would connect with on-time database from Hydrological Meteorological Service.