Tính toán và khôi phục chuỗi số liệu dòng chảy cho lưu vực sông Thao (bao gồm cả phần lãnh thổ Trung Quốc) bằng bộ mô hình khí tượng thủy văn kết hợp WEHY-WRF

Bài báo trình bày kết quả tính toán khôi phục dữ liệu dòng chảy cho lưu vực sông Thao, sử dụng bộ công cụ mô hình khí tượng thủy văn kết hợp WEHY-WRF với số liệu đầu vào là dữ liệu khí tượng toàn cầu ERA-20C. Mô hình khí tượng WRF được thiết lập dựa trên các đặc tính vật lý của lưu vực và được kiểm định với các chuỗi số liệu mưa thực đo của các trạm khí tượng mặt đất, kết hợp với bộ số liệu mưa toàn cầu APH của Nhật Bản. Mô hình thủy văn lưu vực WEHY được xây dựng dựa trên các thông số lưu vực như: địa hình, thảm phủ, thổ nhưỡng, v.v... Mô hình được kiểm định dựa trên các chuỗi số liệu thực đo thu thập được ở cả phần lãnh thổ Việt Nam và Trung Quốc. Kết quả số liệu dòng chảy sông Thao được khôi phục từ năm 1950-2008 có độ tin cậy khá tốt và có thể sử dụng để tính toán, phân tích, nghiên cứu về các đặc trưng thủy văn, dòng chảy trên lưu vực.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Khôi phục dữ liệu dòng chảy trong điều kiện hạn chế về số liệu hoặc không có số liệu thực đo là một vấn đề rất cần thiết để phục vụ công tác phân tích, tính toán thủy văn. Các số liệu thủy văn trong quá khứ có độ tin cậy tốt sẽ là cơ sở để tính toán các thông số thủy văn thiết kế, lập quy hoạch, quản lý tài nguyên nước,... xây dựng các đánh giá, phân tích về diễn biến của các đặc trưng thủy văn trên lưu vực. Trước đây, các nghiên cứu khôi phục số liệu thủy văn, dòng chảy chủ yếu sử dụng các dữ liệu mưa thực đo và tính toán bằng các mô hình diễn toán mưa - dòng chảy [1], hoặc sử dụng các phương pháp thống kê thông qua các chuỗi số liệu đo đạc trong quá khứ [2], [3]. Tuy nhiên, nếu trong điều kiện không có số liệu đo đạc mưa, dòng chảy, hoặc dữ liệu không liên tục, hoặc ở các bước thời gian quá dài (tháng, năm), thì các phương pháp này thường có sai số lớn và không thích hợp [4].

Trong những năm gần đây với sự phát triển của công nghệ máy tính và sự hoàn thiện của các thuật toán, phần mềm mô phỏng số được ứng dụng trong lĩnh vực khí tượng – thủy văn, thì vấn đề khôi phục các dữ liệu dòng chảy trong điều kiện ít dữ liệu hoặc không có dữ liệu đã trở nên khả thi hơn. Kavvas và các cộng sự [5] đã phát triển bộ công cụ kết hợp giữa mô hình khí tượng và mô hình thủy văn nhằm khôi phục lại phần dữ liệu còn thiếu tại các lưu vực ít số liệu và không có số liệu. Bộ mô hình này sử dụng các dữ liệu toàn cầu bao gồm: dữ liệu khí tượng toàn cầu (mưa, gió, nhiệt độ, khí áp, bốc hơi, bức xạ,…), dữ liệu ảnh viễn thám. Những dữ liệu này được sử dụng làm đầu vào để tính toán các điều kiện biên, điều kiện ban đầu và thiết lập các thông số vật lý của mô hình, hoặc cũng có thể sử dụng như những dữ liệu thực đo, phục vụ cho việc hiệu chỉnh và kiểm định mô hình áp dụng.

Bài báo trình bày một số kết quả tính toán khôi phục chuỗi số liệu dòng chảy từ năm 1950 - 2008 cho lưu vực sông Thao bằng việc sử dụng bộ mô hình khí tượng thủy văn kết hợp WEHY-WRF.

2. PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN VÀ SỐ LIỆU

2.1. Tổng quan khu vực nghiên cứu

2.2. Phương pháp tính toán khôi phục dữ liệu dòng chảy cho lưu vực sông Thao

a) Tiếp cận đánh giá dữ liệu khí tượng toàn cầu (Reanalysis data)

b) Thu hẹp động lực các điều kiện khí tượng lưu vực bằng mô hình WRF

c) Tính toán mô phỏng dòng chảy trên lưu vực bằng mô hình WEHY

d) Quy trình tính toán khôi phục dữ liệu dòng chảy cho lưu vực sông Thao

2.3. Số liệu sử dụng để kiểm định mô hình khí tượng thủy văn WEHY-WRF

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Kết quả kiểm định mô hình khí tượng WRF

3.2. Kết quả kiểm định mô hình thủy văn WEHY

3.3. Kết quả tính toán và khôi phục dữ liệu dòng chảy cho lưu vực sông Thao

4. KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Adam, Jennifer C., and Dennis P. Lettenmaier “Application of new precipitation and reconstructed streamflow products to streamflow trend attribution in northern Eurasia”. Journal of Climate 21.8 (2008): 1807-1828.

[2] Salas, J. D., Ramírez, J. A., Burlando, P., and Pielke, R. A. (2003) “Stochastic simulation of precipitation and streamflow processes”. Handbook of weather, climate, and water: Atmospheric chemistry, hy-drology, and societal impacts, T. D. Thomas and B. R. Colman, eds.,Wiley, New York, 607–640

[3] Salas, J. D. (1993) “Analysis and modeling of hydrologic time series”. Chapter 19, Handbook of hydrology, D. R. Maidment, ed.,McGraw-Hill, New York.

[4] Chen, Z. R., Kavvas, M., Ohara, N., Anderson, M., and Yoon, J. (2011) “Coupled regional hydroclimate model and its application to the Tigris-Euphrates basin”. J.Hydrol. Eng., 10.1061/(ASCE)HE.1943-5584.0000207, 1059–1070.

[5] Kavvas, M., Kure, S., Chen, Z., Ohara, N., and Jang, S. (2013). “WEHY-HCM for modeling interactive atmospheric-hydrologic processes atwatershed scale. I: Model description”. J. Hydrol. Eng.,10.1061/(ASCE)HE.1943-5584.0000724, 1262–1271

[6] Hồ Việt Cường, Trịnh Quang Toàn và Nnk“Nghiên cứu ứng dụng phương pháp tính toán khôi phục chuỗi số liệu dòng chảy cho lưu vực sông”. Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, Năm 2017.

[7] Trinh, T., et al. (2016). “New methodology to develop future flood fre-quency under changing climate by means of physically based numericalatmospheric-hydrologic modeling”. J. Hydrol. Eng.,10.1061/(ASCE)HE.1943-5584.0001331, 04016001.

[8] Lo, Jeff Chun‐Fung, Zong‐Liang Yang, and Roger A. Pielke. “Assessment of three dynamical climate downscaling methods using the Weather Research and Forecasting (WRF) model”. Journal of Geophysical Research: Atmospheres 113.D9 (2008).

[9] T. Trinh, et al.Reconstruction of historical inflows into and water supply from Shasta Dam by coupling physically based hydroclimate model with reservoir operation modelJ. Hydrol. Eng. (2016), p. 04016029

CHUYỂN GIAO CÔNG NGHỆ

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 41 - 2017 11

[10] Yoshitani, J., et al. “Atmospheric model-based streamflow forecasting at small, mountainous watersheds by a distributed hydrologic model: Application to a watershed in Japan”. Journal of Hydrologic Engineering 14.10 (2009): 1107-1118.

[11] Amin, M. Z. M., et al “Future climate change impact assessment of watershed scale hydrologic processes in Peninsular Malaysia by a regional climate model coupled with a physically-based hydrology modelo”. Science of The Total Environment 575 (2017): 12-22.

[12] Kavvas, M. L., et al. “Watershed environmental hydrology (WEHY) model based on upscaled conservation equations: hydrologic module”. Journal of Hydrologic Engineering 9.6 (2004): 450-464.

[13] Chen, Z. Q., et al. “Geomorphologic and soil hydraulic parameters for Watershed Environmental Hydrology (WEHY) model”. Journal of Hydrologic Engineering 9.6 (2004): 465-479.

[14] Yatagai, Akiyo, et al. “APHRODITE: “Constructing a long-term daily gridded precipitation dataset for Asia based on a dense network of rain gauges”. Bulletin of the American Meteorological Society 93.9 (2012): 1401-1415.

[15] LI Yungang, *HE Daming, YE Changqing: “Spatial and temporal variation of runoff of Red River Basin in Yunnan". Asian International Rivers Center, Yunnan University, Kunming 650091, China.  

Xem bài báo tại đây: Tính toán và khôi phục chuỗi số liệu dòng chảy cho lưu vực sông Thao (bao gồm cả phần lãnh thổ Trung Quốc) bằng bộ mô hình khí tượng thủy văn kết hợp WEHY-WRF