Khai thác dữ liệu mưa vệ tinh nâng cao mô phỏng dòng chảy lũ sông Mã

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN TIẾN KIÊN NGHIÊN CỨU KHAI THÁC DỮ LIỆU MƯA VỆ TINH NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY LŨ KHU VỰC THIẾU SỐ LIỆU TRÊN LƯU VỰC SÔNG MÃ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2023 luan an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN TIẾN KIÊN NGHIÊN CỨU KHAI THÁC DỮ LIỆU MƯA VỆ TINH NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY LŨ KHU VỰC THIẾU SỐ LIỆU TRÊN LƯU VỰC SÔNG MÃ Ngành: Thủy văn học Mã số: 9440224 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1.TS LÊ ĐÌNH THÀNH 2. TS NGÔ LÊ AN HÀ NỘI, NĂM 2023 luan an LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.

Tác giả luận án Nguyễn Tiến Kiên i luan an LỜI CÁM ƠN Đầu tiên, tác giả xin gửi lời cám ơn tới Trường Đại học Thủy lợi đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận án tiến sĩ. Tác giả xin trân trọng cám ơn người thầy hướng dẫn nghiên cứu khoa học GS. Lê Đình Thành và PGS. Ngô Lê An đã luôn tận tình hướng dẫn, đưa ra những định hướng đúng đắn và động viên trong những thời điểm khó khăn.

Tác giả cũng vô cùng biết ơn các thầy cô giáo, các nhà khoa học trong và ngoài Trường Đại học Thủy lợi đã có những đóng góp quý báu giúp tác giả hoàn thiện luận án. Tác giả cũng xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến lãnh đạo và các đồng nghiệp tại Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn quốc gia luôn hỗ trợ, tạo điều kiện về thời gian để tác giả hoàn thành luận án. Đặc biệt chân thành cám ơn các đồng nghiệp tại Phòng Dự báo thủy văn Bắc Bộ, Phòng Dự báo thủy văn Trung Bộ, Tây Nguyên và Nam Bộ đã có những giúp đỡ tận tình tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu. Cuối cùng, tác giả xin được gửi tới những người thân trong gia đình của mình lời biết ơn sâu sắc vì sự yêu thương và ủng hộ, dành thời gian và điều kiện tốt nhất để giúp tác giả hoàn thành nghiên cứu.

ii luan an MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.vi DANH MỤC BẢNG BIỂU. viii MỞ ĐẦU. Tính cấp thiết của luận án. Mục tiêu nghiên cứu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu. Bố cục của luận án .5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƯA VỆ TINH………….1 Tổng quan về mưa vệ tinh.1 Tổng quan về sản phẩm mưa vệ tinh .2 Các nghiên cứu đánh giá chất lượng mưa vệ tinh .2 Tổng quan các nghiên cứu khai thác sản phẩm mưa vệ tinh trên thế giới .1 Các nghiên cứu và phương pháp điển hình .2 Nghiên cứu ứng dụng mưa vệ tinh trong lĩnh vực thủy văn .3 Nhận xét các nghiên cứu trên thế giới.3 Tổng quan các nghiên cứu liên quan đến khai thác mưa vệ tinh ở Việt Nam .4 Lưu vực sông Mã và những đặc điểm liên quan đến đề tài luận án .1 Lưu vực sông Mã, địa hình và sông suối .2 Đặc điểm mưa trên lưu vực sông Mã .3 Đặc điểm dòng chảy trên lưu vực sông Mã .4 Các hình thế thời tiết chính gây mưa - lũ lớn trên lưu vực .5 Hiện trạng mạng lưới trạm đo mưa và những khó khăn trong tính toán dòng chảy lũ trên lưu vực sông Mã .5 Định hướng nghiên cứu của đề tài luận án .1 Những hạn chế, tồn tại trong nghiên cứu ứng dụng mưa vệ tinh cho lĩnh vực thủy văn và những khó khăn trong tính toán lũ trên lưu vực sông Mã .2 Định hướng nghiên cứu của đề tài luận án .6 Kết luận chương 1 .43 iii luan an CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHỈNH MƯA VỆ TINH VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG LŨ SÔNG MÃ .1 Phân tích, lựa chọn mưa vệ tinh sử dụng trong nghiên cứu .1 Đánh giá chất lượng sản phẩm mưa vệ tinh GSMaP .2 Lựa chọn sản phẩm mưa GSMaP .2 Phương pháp hiệu chỉnh mưa vệ tinh .1 Phương pháp kết hợp, lân cận gần nhất và hiệu chỉnh theo vị trí trạm .2 Lựa chọn phương án hiệu chỉnh .3 Kết quả dữ liệu mưa lưới kết hợp giữa mưa vệ tinh và thực đo .3 Đánh giá dữ liệu mưa trong mô phỏng dòng chảy lũ .1 Các mô hình thủy văn thường được ứng dụng tính toán lũ .2 Lựa chọn mô hình thủy văn cho nghiên cứu .3 Một số đặc điểm chính của mô hình NAM .4 Phương pháp Muskingum .5 Thiết lập mô hình NAM cho lưu vực sông Mã .4 Lựa chọn thời gian xuất hiện mưa – lũ trên lưu vực sông Mã .5 Số liệu sử dụng trong nghiên cứu .1 Số liệu mưa thực đo từ các trạm bề mặt .2 Số liệu thủy văn .6 Kết luận chương 2 .99 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƯA VỆ TINH NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY LŨ SÔNG MÃ .1 Đánh giá chất lượng dữ liệu mưa không gian trong mô phỏng dòng chảy lũ sông Mã….1 Tính toán mô phỏng dòng chảy lũ sông Mã.2 Chỉ tiêu đánh giá .3 Cách đánh giá chất lượng dữ liệu mưa bằng mô hình thuỷ văn.2 Phân tích kết quả mô phỏng dòng chảy lũ trên lưu vực sông Mã .1 Mô phỏng dòng chảy lũ sử dụng mưa thực đo .2 Mô phỏng dòng chảy lũ sử dụng mưa GSMaP_NRT .3 Mô phỏng dòng chảy lũ sử dụng mưa kết hợp .4 Mô phỏng dòng chảy lũ sử dụng mưa lân cận gần nhất.107 iv luan an 3.5 Mô phỏng dòng chảy lũ sử dụng mưa hiệu chỉnh theo vị trí trạm .6 Đánh giá khả năng nâng cao chất lượng mô phỏng lũ .3 Kết luận chương 3 .123 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.

Những đóng góp mới của luận án. Kiến nghị và định hướng nghiên cứu tiếp theo .125 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .127 TÀI LIỆU THAM KHẢO .135 v luan an DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Bản đồ lưu vực sông Mã: địa hình và mạng lưới trạm đo khí tượng thủy văn trong lưu vực.2 Bản đồ đẳng trị mưa năm lưu vực sông Mã trên lãnh thổ Việt Nam .3 Phân bố tổng lượng mưa tháng trung bình nhiều năm khu vực thượng lưu đến hạ lưu sông Mã (%) .4 Sơ đồ các bước thực hiện nghiên cứu trong luận án .1 Vị trí các trạm trên lưu vực sông Mã và lân cận .2 Sơ đồ nội dung đánh giá chất lượng mưa vệ tinhh GSMaP .3 Lượng mưa GSMaP và thực đo (mm) của một số trận mưa năm 2017/2018 lưu vực sông Mã .4 Chênh lệch giữa lượng mưa GSMaP và thực đo (mm) của một số trận mưa năm 2017/2018 lưu vực sông Mã .5 Đường quá trình mưa thời đoạn 6 giờ trung bình lưu vực theo thực đo và các sản phẩm GSMaP .6 Quan hệ giữa lượng mưa mô phỏng theo các sản phẩm GSMaP với lượng mưa thực tế ước tính từ trạm đo thời đoạn 6 giờ .7 Các bước hiệu chỉnh mưa vệ tinh GSMaP .8 Phân bố tổng lượng mưa từ 01/VIII – 31/X/2000 .9 Phân bố tổng lượng mưa từ 15/VI – 15/IX/2002 .10 Phân bố tổng lượng mưa từ 01/VII – 30/IX/2003 .11 Phân bố tổng lượng mưa từ 01/VII – 15/X/2005 .12 Phân bố tổng lượng mưa từ 01/VII – 30/IX/2006 .13 Phân bố tổng lượng mưa từ 01/VIII – 31/X/2007 .14 Phân bố tổng lượng mưa từ 01/VIII – 15/XI/2008 .15 Phân bố tổng lượng mưa từ 15/VI – 15/X/2012 .16 Phân bố chênh lệch về tổng lượng giữa mưa GSMaP_NRT (Raw), mưa kết hợp (Bias), mưa lân cận gần nhất (NR), mưa hiệu chỉnh theo vị trí trạm (MLR) với mưa thực đo .17 Cấu trúc cơ bản của mô hình NAM .18 Các tiểu lưu vực được phân chia cho lưu vực sông Mã .19 Bản đồ phân bố tổng lượng mưa từ ngày 1 – 5/X/2007 (a) [78] và từ 19h/03 – 19h/08/IX/2012 (b) [80] .1 Sơ đồ thực hiện tính toán lũ cho lưu vực sông Mã.100 vi luan an Hình 3.2 Kết quả mô phỏng lũ năm 2000 tại Cẩm Thủy, Xã Là, Cửa Đạt trước và sau khi hiệu chỉnh mưa vệ tinh .3 Kết quả mô phỏng lũ năm 2002 tại Cẩm Thủy, Xã Là, Cửa Đạt trước và sau khi hiệu chỉnh mưa vệ tinh .4 Kết quả mô phỏng lũ năm 2003 tại Cẩm Thủy, Xã Là, Cửa Đạt trước và sau khi hiệu chỉnh mưa vệ tinh .5 Kết quả mô phỏng lũ năm 2005 tại Cẩm Thủy, Xã Là, Cửa Đạt trước và sau khi hiệu chỉnh mưa vệ tinh .6 Kết quả mô phỏng lũ năm 2006 tại Cẩm Thủy, Xã Là, Cửa Đạt trước và sau khi hiệu chỉnh mưa vệ tinh .7 Kết quả mô phỏng lũ năm 2007 tại Cẩm Thủy, Xã Là, Cửa Đạt trước và sau khi hiệu chỉnh mưa vệ tinh .8 Kết quả mô phỏng lũ năm 2008 tại Cẩm Thủy, Xã Là, Cửa Đạt trước và sau khi hiệu chỉnh mưa vệ tinh .9 Kết quả mô phỏng lũ năm 2012 tại Cẩm Thủy, Xã Là trước và sau khi hiệu chỉnh mưa vệ tinh .121 vii luan an DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tổng hợp một số bộ dữ liệu mưa vệ tinh chính hiện nay [14] .2 Tổng hợp một số nghiên cứu đánh giá hiệu quả ứng dụng liệu mưa vệ tinh bằng mô hình thủy văn .3 Danh sách các trạm mưa trên lưu vực sông Mã .1 Các sản phẩm dữ liệu mưa vệ tinh GSMaP, phân loại và thời gian .2 Các sản phẩm GSMaP trong nghiên cứu .3 Các trận lũ trong năm 2017 và 2018 được sử dụng để đánh giá các nguồn mưa .4 Sai số trung bình giữa mưa thực đo và mô phỏng hiệu chỉnh (mm) .5 Phân tích ưu nhược điểm của các mô hình toán thủy văn .6 Các thông số của mô hình NAM .7 Thời gian xuất hiện mưa - lũ lớn được lựa chọn trong nghiên cứu .8 Các trạm mưa trên lưu vực sông Mã và khu vực lân cận được sử dụng trong nghiên cứu .9 Các trận lũ được lựa chọn để tính toán trong mô hình NAM .1 Đánh giá mức độ chính xác của kết quả mô hình theo các chỉ số NSE và PBIAS [83].2 Kết quả đánh giá chất lượng tính toán dòng chảy lũ tại Cẩm Thủy, Xã Là và Cửa Đạt với số liệu đầu vào là mưa thực đo .