Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI BƯỚC ĐẦU ĐÁNH GIÁ ĐỘ NHẠY MỘT SỐ THAM SỐ TRONG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG XÂM NHẬP MẶN CHO VÙNG HẠ LƯU HỆ THỐNG SÔNG Mà Lã Thanh Hà, Hoàng Văn Đại, Nguyễn Thị Hiền Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn Môi trường Nghiên cứu trình bày số kết bước đầu phân tích đánh giá độ nhạy thông số khuếch tán cho mô hình chiều phục vụ cho mô hình hóa trình xâm nhập mặn vùng hạ lưu hệ thống sông Mã. Kết phân tích độ nhạy số tham số cho thấy tác động khác đến kết mô xâm nhập mặn cho khu vực nghiên cứu. Đồng thời tiếp cận mô hình hóa dạng phân lớp thường cho kết khả quan trường hợp ngược lại. 1. Đặt vấn đề Tình hình xâm nhập mặn sông khu vực miền Trung Việt Nam diễn ngày trầm trọng với diễn biến bất thường khó kiểm soát trước đây. Với mục tiêu phục vụ dự báo cảnh báo xâm nhập mặn cho vùng hạ lưu hệ thống sông Mã, nghiên cứu lựa chọn phương pháp truyền triều mặn từ mô hình chiều cho toàn Vịnh Bắc Bộ vùng cửa sông tính toán. Tuy nhiên trình áp dụng mô hình toán gặp phải sai số làm cho việc hiệu chỉnh kiểm nghiệm tham số mô hình tốn nhiều thời gian. Ngoài sai số mô hình sai số tài liệu thu thập cách xử lý điều chỉnh người sử dụng. Vì vậy, để giảm thời gian hiệu chỉnh kiểm nghiệm mô hình MIKE 21 MIKE 11, nghiên cứu sử dụng phương pháp đánh giá độ nhạy tham số. Các sai số xem xét sơ để tìm nguyên nhân tác động yếu tố gây sai khác tính toán. Từ bước đầu đánh giá tìm biện pháp khắc phục phần sai số giảm bớt thời gian hiệu chỉnh tham số mô hình để đạt liên kết Couple có hiệu hơn. 2. Các công cụ tính toán Các công cụ sử dụng cho tính toán mô đun thủy lực truyền tải – khuếch tán chất MIKE 11. Để đạt mục tiêu kết nối mô đun khuếch tán thủy lực, trước tiên cần phải xem xét hiệu chỉnh cụ thể mô hình để giảm bớt thời gian hiệu chỉnh kết nối trực tiếp. Vì cần xác định tham số có ý nghĩa ảnh hưởng tới kết tính toán mô hình. Mô hình MIKE 11 dựa hệ phương trình Saint Venant viết cho trường hợp dòng chảy chiều kênh hở cho mô đun thủy lực nói chung phương trình chiều bảo toàn khối lượng chất hòa tan lơ lửng mô đun khuếch tán nói riêng. Mô hình ứng dụng nhiều toán thực tế dự báo lũ vận hành hồ chứa, hay nghiên cứu sóng triều dòng chảy mưa sông cửa sông. Các phương trình bao gồm: ¶Q ¶A + = q ¶x ¶t Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường (1) 81 Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI Q|Q| ¶Q ¶ ¶h Q2 + ( ) + gA + g =0 ¶t ¶x ¶x A C RA  ¶AC ¶QC ¶  ¶C  +   AD =  AKC + C2 q ¶t ¶x ¶x  ¶x    (2) (3) Trong đó: Q: Lưu lượng qua mặt cắt (m3/s); A: Diện tích mặt cắt ướt (m2); R: Bán kính thủy lực; : Hệ số động năng; x: Chiều dài theo dòng chảy (m); q: Lưu lượng nhập lưu;  : Hệ số phân bố lưu tốc; C: nồng độ (g/l) ; C2: nồng độ nguồn; K: hệ số phân huỷ tuyến tính (l/s); D: hệ số khuếch tán (m2/s). MIKE 21 sử dụng hệ phương trình Navier – Stock gồm phương trình liên tục phương trình động lượng. Đối với modun khuếch tán có thêm phương trình tải khuếch tán (phương trình bảo toàn khối lượng chất hòa tan hai chiều) có dạng sau: ¶ ¶t (hc) + ¶¶x (uhc) + ¶¶y (vhc) = ¶ ¶x  hDx ¶¶Cx  + ¶¶y  hDy ¶¶Cy   FhC + S (4) Trong đó: C nồng độ chất khuếch tán; u, v thành phần vận tốc theo phương trục x, y; Dx, Dy hệ số khuếch tán theo hướng trục x, y F hệ số ngưng kết. Như MIKE 11 MIKE 21 việc đánh giá độ nhạy thực từ thông số nhám (M,m) thông số khuếch tán (D). 3. Cơ sở liệu mạng lưới tính toán Các tài liệu sử dụng bao gồm liệu thủy văn, địa hình. Trong tài liệu mặt cắt ngang lòng dẫn hệ thống sông Mã (đo năm 1995, 2005) kế thừa từ nghiên cứu trước. Các liệu thủy văn bao gồm mực nước trạm khu vực hạ lưu năm 2003, 2009, 2010, 2011, 2012 lưu lượng thực đo vùng thượng lưu trạm Cửa Đạt, Cẩm Thủy, quan hệ (Q~H) Thạch Lâm với thời gian tương ứng. Sơ đồ tính toán cho mô hình 1D gồm: sông Mã từ Cẩm Thuỷ đến cửa Cửa Hới; sông Bưởi từ Thạch Lâm đến nhập lưu vào sông Mã; sông Chu từ tuyến Cửa Đạt đến nhập lưu vào sông Mã (ngã ba Giàng); sông Lèn từ cửa phân lưu sông Mã (ngã ba Bông) đến cửa Lạch Sung; sông Báo Văn từ Mỹ Quan trang đến nhập lưu với sông Lèn; Kênh De từ cửa phân lưu với sông Lèn đến nhập lưu vào sông Lạch Trường; sông Lạch Trường từ cửa phân lưu sông Mã (ngã ba Tuần) đến cửa Lạch Trường. Hình 1. Sơ họa sơ đồ thủy lực truyền mặn hệ thống sông Mã - Chu 82 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI 4. Hiệu chỉnh kiểm định mô hình Với số liệu thực đo độ mặn trạm hệ thống sông Mã, nghiên cứu tiến hành hiệu chỉnh cho năm 2010 kiểm định cho năm 2003. Quá trình hiệu chỉnh thông số mô hình dựa phù hợp tính toán thực đo trạm kiểm tra, cụ thể phù hợp giá trị đỉnh mặn với kết thu sau: [meter] Water Level[PSU] SONG LEN 24.019561.00 Time Series Water Level 1.4 Salinity SONG LEN 29130.00 MUOI Time Series Salinity External TS23.0 Hcuthon2 22.0 1.3 23.500 External TS Sphatham 1.2 21.0 1.1 20.0 1.0 19.0 0.9 19.412 18.0 0.8 17.0 0.7 16.0 0.6 15.0 0.5 14.0 0.4 13.0 0.3 12.0 0.2 11.0 0.1 10.0 0.0 9.0 -0.1 8.0 -0.2 7.0 6.0 -0.3 5.0 -0.4 4.0 -0.5 3.0 -0.6 2.0 -0.7 1.0 -0.8 00:00:00 18-3-2010 00:00:00 19-3-2010 00:00:00 20-3-2010 00:00:00 21-3-2010 00:00:00 22-3-2010 00:00:00 23-3-2010 00:00:00 24-3-2010 00:00:00 25-3-2010 00:00:00 26-3-2010 00:00:00 27-3-2010 00:00:00 28-3-2010 00:00:00 29-3-2010 00:00:00 30-3-2010 00:00:00 18-3-2010 00:00:00 19-3-2010 Trạm Cự Thôn (hiệu chỉnh) [meter] 00:00:00 20-3-2010 00:00:00 21-3-2010 00:00:00 22-3-2010 00:00:00 23-3-2010 00:00:00 24-3-2010 00:00:00 25-3-2010 00:00:00 26-3-2010 00:00:00 27-3-2010 00:00:00 28-3-2010 00:00:00 29-3-2010 00:00:00 30-3-2010 Trạm Phà Thắm (hiệu chỉnh) [PSU] Time Series Water Level 1.2 9.5 1.1 9.0 1.0 Salinity SONG MA 79920.00 MUOI Time Series Salinity External TS S_NguyetVien 8.5 0.9 8.0 0.8 0.7 7.5 0.6 7.0 0.5 6.5 0.4 6.0 0.3 0.2 5.5 0.1 5.0 0.0 4.5 -0.1 -0.2 4.0 -0.3 3.5 -0.4 3.0 -0.5 2.5 -0.6 -0.7 2.0 -0.8 1.5 -0.9 1.0 -1.0 0.5 -1.1 -1.2 00:00:00 3-4-2003 00:00:00 4-4-2003 00:00:00 5-4-2003 00:00:00 6-4-2003 00:00:00 7-4-2003 00:00:00 8-4-2003 00:00:00 9-4-2003 00:00:00 10-4-2003 00:00:00 11-4-2003 00:00:00 12-4-2003 00:00:00 13-4-2003 00:00:00 14-4-2003 00:00:00 15-4-2003 00:00:00 16-4-2003 12:00:00 7-4-2003 Trạm Nguyệt Viên (kiểm định) 18:00:00 00:00:00 8-4-2003 06:00:00 12:00:00 18:00:00 00:00:00 9-4-2003 06:00:00 12:00:00 18:00:00 00:00:00 06:00:00 10-4-2003 12:00:00 18:00:00 00:00:00 06:00:00 11-4-2003 12:00:00 18:00:00 00:00:00 12-4-2003 Trạm Hàm Rồng (kiểm định) Hình 2. Quá trình mực nước tính toán (màu xanh) thực đo (màu đen) trạm Dưới bảng tổng hợp tiêu đánh giá qua năm kiểm định (2010) năm hiệu chỉnh (2003) giá trị mực nước độ mặn Bảng 1. Một số kết hiệu chỉnh kiểm định thủy lực TT Trạm Giàng Hàm Rồng Nguyệt Viên Cụ Thôn Yên Ổn Phà Thắm Cự Đà Vạn Ninh Hoàng Hà Kiểm định 2003 ∆lệch ∆lệch Nashđỉnh chân Sutcliff (m) (m) Mã Mã Hiệu chỉnh 2010 ∆lệch ∆lệch Nashđỉnh chân Sutcliff (m) (m) 0.25 0.007 0.96 0.23 0.007 0.97 0.02 0.148 0.9 Mã 0.07 0.013 0.95 0.01 0.107 0.95 Lèn Lèn Lèn Lạch Trường Lạch Trường Lạch Trường 0.1 0.17 0.05 0.036 0.19 0.032 0.96 0.89 0.96 0.06 0.17 0.93 0.33 0.13 0.87 0.1 -0.02 0.95 0.14 0.05 0.91 0.08 0.03 0.93 0.02 0.017 0.97 Sông Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 83 Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI Bảng 2. Một số kết hiệu chỉnh kiểm định độ mặn Hiệu chỉnh 2010 TT Trạm Sông Kiểm định 2003 ∆lệch ∆lệch Nashđỉnh chân Sutcliff (‰) (‰) ∆lệch đỉnh (‰) ∆lệch chân (‰) NashSutcliff Hàm Rồng Mã 0.24 0.1 0.98 0.55 0.16 0.63 Nguyệt Viên Mã 4.65 0.01 0.89 0.27 0.8 Phà Thắm Lèn 4.09 0.5 0.91 0.42 0.5 0.67 Yên Ổn Lèn 5.37 1.038 0.89 Cự Thôn Lèn 1.32 0.326 0.86 0.6 0.8 2.2 0.06 0.61 Hoàng Hà Lạch Trường Từ kết hiệu chỉnh thấy đường trình mực nước tính toán trạm phía bám sát đường trình thực đo với số NASH khoảng 0.87 0.95, với sai số lệch đỉnh nhỏ. Tại trạm bên dưới, bị ảnh hưởng thủy triều song kết so sánh đường mực nước tính toán thực đo trạm phù hợp. Sai số lệch đỉnh mực nước lớn trạm đảm bảo 11%. Chỉ tiêu Nash cho trạm đo mặn sông Lèn đạt giá trị cao nằm khoảng 0.86 – 0.91 sông Mã, Lạch Trường đạt kết từ khoảng 0.8 – 0.98. Qua mà hệ số nhám lựa chọn hệ số thay đổi theo khu vực thượng lưu từ 0.025-0.04 hạ lưu từ 0.015-0.024. Và thông số D lựa chọn cụ thể: sông Mã từ ngã ba Bông tới Cẩm Thủy nằm khoảng 100-550 m2/s, khu vực hạ lưu từ 400-1100 m2/s; sông Lèn từ Phà Thắm tới ngã ba Bông từ 800-1200 m2/s, vùng gần biển từ 1500-2500 m2/s; sông Lạch Trường khu vực thượng lưu từ 150-750 m2/s hạ lưu từ 55-200m2/s. Các vị trí đoạn sông khác mô hình tự định nghĩa giá trị ban đầu đặt cho toàn hệ thống. 5. Đánh giá độ nhạy thông số Đối với mô hình MIKE 11, việc đánh giá độ nhạy dựa thay đổi hệ số khuyếch tán độ nhám cho đoạn sông cho thời gian 17/3/2010 đến ngày 30/3/2010. Các thông số thủy lực điều chỉnh chủ yếu hệ số nhám lòng dẫn điều kiện ban đầu. Điều kiện ban đầu lần chạy xác định dựa mực nước, lưu lượng trạm thủy văn từ nội suy tuyến tính cho mặt cắt lại. Đối với lần chạy sau, điều kiện ban đầu xác định cách lấy toàn trạng thái thủy lực bước thời gian trước làm điều kiện ban đầu, tính tích hợp mô hình dễ dàng xác định điều kiện ban đầu cho lần tính toán. Đối với hệ số nhám, việc điều chỉnh tự động, nhiên thực tế vùng nghiên cứu hệ số nhám chỉnh theo thứ tự, ban đầu xác định sơ hệ số nhám vào địa hình lòng dẫn đoạn sông, tiến 84 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI hành thay đổi thủ công với mục tiêu phù hợp mực nước, lưu lượng tính toán thực đo vị trí kiểm tra với vị trí thượng lưu hạ lưu khác nhau. Các tham số sử dụng để phân tích độ nhạy bao gồm: hệ số nhám, hệ số khuếch tán, hệ số mũ khuếch tán, thông số khuếch tán nhỏ nhất, thông số khuếch tán lớn trường hợp phân lớp không phân lớp. Qua tính toán sơ bộ, thấy độ nhạy hệ số nhám sau: tăng nhám hạ lưu đường trình mực nước tính toán thực đo khu vực trạm kiểm tra hạ lưu bị lệch pha tăng biên độ ảnh hưởng triều bị giảm dòng sông tác động mạnh ngược lại. Khu vực có biến đổi mạnh dao động biên độ mực nước thay đổi hệ số nhám thượng hạ lưu đoạn cách khoảng 22km Quảng Châu sông Mã, cách 8km cửa Lạch Trường sông Lạch Trường 13km cửa Lạch Sung sông Lèn. Các sông khác có thay đổi không đáng kể. Bảng 3. Một số lần hiệu chỉnh thông số cho mô đun thủy lực TT Tên Sông Điều chỉnh lần Điều chỉnh lần Điều chỉnh lần Giá trị lựa chọn sơ Kênh De 0.035 - 0.06 0.03 - 0.06 0.025 - 0.05 0.025 - 0.05 Báo Văn 0.035 - 0.06 0.03 - 0.05 0.02 - 0.04 0.02 - 0.04 Lèn 0.03 - 0.045 0.025 - 0.045 0.02 - 0.04 0.02 - 0.035 Bưởi 0.045 - 0.05 0.045 - 0.045 0.04 - 0.045 0.04 - 0.045 Chu 0.03 - 0.06 0.025 - 0.06 0.025 - 0.05 0.025 - 0.05 Mã 0.03 - 0.055 0.25 - 0.05 0.02 - 0.04 0.02 - 0.04 Lạch Trường 0.035 - 0.04 0.025 - 0.04 0.02 - 0.035 0.02 - 0.035 Với mô đun khuếch tán lan truyền mặn, việc điều chỉnh thông số khuếch tán (D) tùy thuộc vào đặc điểm dòng chảy địa hình sông. Thông số khuếch tán D tính dựa vào công thức sau: (5) Trong đó: D: thông số khuếch tán; a: hệ số khuếch tán; b: số mũ khuếch tán; V: lưu tốc dòng chảy. Quá trình phân tích độ nhạy tham số mô hình, cần phải xem xét thay đổi trị số a b cho phù hợp chúng hệ số có tính chất định đến thay đổi giá trị thông số khuếch tán theo dạng phân lớp không phân lớp. Với trường hợp phân lớp (coi trình truyền tải khuếch tán vật chất đồng theo phương thẳng đứng), kết phân tích độ nhạy cho thấy thông số D tác động đáng kể đến trình truyền tải khuếch tán chất. Trường hợp có phân lớp gồm lớp mặt đáy cho thấy thay đổi khác biệt nhanh chóng giá trị tính toán thông số khuếch tán lớp mặt nên lớn lớp đáy. Dựa đánh giá thu qua lần hiệu chỉnh sơ ban đầu cho dạng Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 85 Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI (phân lớp không phân lớp) việc hiệu chỉnh mô đun khuếch tán sau tiến hành tiến hành song song cho lớp nhằm tìm thông số phù hợp qua giảm thiểu sai số trình tình toán. Bảng 4. Một số thông số hiệu chỉnh cho mô đun khuếch tán Dạng thay đổi Giá trị ban đầu Điều Điều Điều Điều chỉnh chỉnh chỉnh chỉnh lần lần lần lần Giá trị lựa chọn sơ 0-0.9 0-0.7 0-0.7 0-0.7 0-0.7 0-0.7 Hệ số khuếch tán (a) 15 500 600 700 300 700 Số mũ khuếch tán (b) Hệ số khuếch tán nhỏ 500 400 250 300 250 Hệ số khuếch tán lớn 50 800 900 850 1200 850 Hệ số khuếch tán (a) 15 500 450 550 300 800 Số mũ khuếch tán (b) Hệ số khuếch tán nhỏ 500 400 150 300 150 Hệ số khuếch tán lớn 50 800 750 850 800 850 Hệ số khuếch tán (a) 15 200 300 450 150 450 Số mũ khuếch tán (b) Hệ số khuếch tán nhỏ 200 200 100 200 100 Hệ số khuếch tán lớn 50 700 650 650 600 650 Tham số (điều kiện ban đầu) Độ mặn Tham số khuếch tán (D) Dạng không phân lớp Dạng phân lớp (lớp mặt, lớp đáy) Lớp mặt Lớp đáy Nhìn chung kết tính toán sơ cho thấy: trường hợp phân lớp không phân lớp, hệ số khuếch tán (a) tăng đồng thời làm tăng giá trị đỉnh chân tính toán (kéo dài biên độ dao động mặn) giảm làm đỉnh giảm mạnh chân có thay đổi ko nhiều. Đồng thời hệ số có ảnh hưởng (nhạy) tới kết tính toán. Số mũ khuếch tán (b) tăng làm biên độ mặn tăng nhanh. Thông số khuếch tán nhỏ (Dmin) tăng giúp khắc phục chân mặn thấp, giảm làm kéo dài chân (nhất biểu lớp mặt). 86 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI Còn thông số khuếch tán lớn (Dmax) lớp mặt tăng làm mở rộng phạm vi dao động đỉnh triều, lớp đáy giảm khiến chân mực nước thấp hơn. 6. Kết luận Việc đánh giá độ nhạy thực mô đun thủy lực khuếch tán dựa nhận định sơ đặc điểm địa hình, lòng dẫn kinh nghiệm tham chiếu từ nghiên cứu trước đây. Nhìn chung mô đun khuếch tán hệ số khuếch tán (a) nhạy mô hình khu vực nghiên cứu. Kết thu thông số nhám khuếch tán sơ ban đầu tìm xu hướng đạt thông số phù hợp phục vụ cho việc ứng dụng mô hình mô phỏng, dự báo cảnh báo xâm nhập mặn vùng hạ lưu hệ thống sông Mã. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. A.W. Heemink (1990)., “Stochastic modelling of dispersion in shallow water”, Stochastic Hydrology and Hydraulics. 2. Đoàn Thanh Hằng (2010). Xây dựng chương trình dự báo xâm nhập mặn cho khu vực đồng sông Hồng – Thái Bình, Đề tài KHCN cấp Bộ. 3. Lã Thanh Hà, Đỗ Văn Tuy (1999). Tính toán lập phương án dự báo xâm nhập mặn mô hình SALHO cho vùng cửa sông TP. Hải Phòng, Đề tài NCKH cấp Thành phố. 4. MIKE DHI (2007). User guide, ASSESSMENT OF SOME PARAMETERS SENSITIVITY IN SIMULATIVE MODEL FOR SALINITY INTRUSION IN MA RIVER DOWNSTREAM La Thanh Ha, Hoang Van Dai, Nguyen Thi Hien Viet Nam Institute of Meteorology, Hydrology and Environment The paper presents some results that are consequence of analysis and assessment of the sensitivity of some parameters in 1D model. Those support modelling the process of saltwater intrusion in Ma river downstream. Results show the different effects on the results of simulating saltwater intrusion in objects. In addition, the approach of modelling aliquation often gives more possitive outputs than the opposite ones. Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 87 . giá độ nhạy của thông số khuếch tán cho mô hình 1 chiều phục vụ cho mô hình hóa quá trình xâm nhập mặn vùng hạ lưu hệ thống sông Mã. Kết quả phân tích độ nhạy một số tham số cho thấy sự tác động. văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 81 BƯỚC ĐẦU ĐÁNH GIÁ ĐỘ NHẠY MỘT SỐ THAM SỐ TRONG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG XÂM NHẬP MẶN CHO VÙNG. đầu đã đặt cho toàn hệ thống. 5. Đánh giá độ nhạy thông số Đối với mô hình MIKE 11, việc đánh giá độ nhạy được dựa trên sự thay đổi hệ số khuyếch tán và độ nhám cho từng đoạn sông cho thời gian