Có thể nói, công tác dự báo nguồn nước mặt hiện nay vẫn là một thách thức lớn không chỉ với các nhà khoa học Việt Nam mà ngay cả trên thế giới, đặc biệt là vấn đề làm thế nào để nâng cao chất lượng dự báo, kéo dài thời gian dự kiến và cũng như xem xét mô phỏng các yếu tố đặc thù đáp ứng yêu cầu bài toán tài nguyên nước. Có thể nhận thấy rằng, tích hợp mô hình mã nguồn mở mà cụ thể là mô hình HYPE với dữ liệu mưa dự báo toàn cầu là giải pháp hiệu quả để dự báo nguồn nước mặt đã và đang được ứng dụng rộng rãi trên thế giới. Ngoài thế mạnh là mô hình mã nguồn mở và có khả năng tích hợp với nguồn dữ liệu mở toàn cầu, mô hình HYPE còn cho phép dự báo trên vùng rộng lớn (liên quốc gia, liên lưu vực) nhờ khả năng mô tả linh hoạt các ô lưới và bước thời gian tính toán. Mô hình HYPE không chỉ cho phép mô phỏng được các quá trình thủy văn (như mô hình mưa-dòng chảy bề mặt; bốc thoát hơi nước; sinh trưởng thực vât; nước dưới đất; diễn toán sông, kênh, hồ ao, đầm lầy…), mà còn có khả năng mô phỏng các hoạt động khai thác sử dụng, phát triển nguồn nước (vận hành hồ chứa, tưới tiêu…) của lưu vực.
Vậy mô hình HYPE là gì?
Mô hình HYPE (Hydrological Predictions for the Environment) được phát triển bởi Viện Khí tượng thủy văn Thụy Điển (SMHI). Đây là một mô hình thủy văn thông số bán phân bố của nước và chất lượng nước, được chạy dưới hệ điều Window hoặc Linux. Các mã được viết bằng ngôn ngữ lập trình Fortran và một mã nguồn mở dưới dạng Lesser GNU Public License. SMHI đã đưa ra sáng kiến về một cộng đồng mã nguồn mở HYPE để tăng cường hợp tác quốc tế về mô hình thủy văn.
HYPE mô phỏng nước và nồng độ chất dinh dưỡng trong cảnh quan ở quy mô lưu vực. Phân chia không gian trong mô hình dựa vào các lưu vực và tiểu lưu vực, sử dụng đất hoặc độ che phủ đất, loại đất và độ cao. Trong một lưu vực, mô hình sẽ mô phỏng các phần khác nhau gồm tầng nước ngầm nông, sông và hồ. HYPE là một mô hình thủy động lực với chuỗi dữ liệu về mưa và nhiệt độ không khí bắt buộc là dữ liệu theo ngày. Trong đó, không phải tất cả các quá trình cung cấp chất dinh dưỡng đều là động lực. Ví dụ như sự lắng đọng khí quyển, phân bón và nước thải. Mô hình HYPE có khả năng mô phỏng cả số lượng và chất lượng nước trong tất cả các thành phần mô hình.
Trong thiết lập mô hình HYPE, các lưu vực được chia thành các tiểu lưu vực. Các tiểu lưu vực chứa các sông nhánh và có thể có một hồ chứa tại cửa ra của lưu vực. Một tiểu lưu vực được chia thành các phần dựa trên các yếu tố như sử dụng đất và loại đất. Lớp đất được mô tả thành các lớp và có thể được chia thành ba lớp. Mô hình HYPE có thể mô phỏng được nhiều các yếu tố như lượng mưa và tuyết, độ ẩm và bốc hơi của mặt đất, sự hấp thụ các chất dinh dưỡng trong đất, dòng chảy đến sông, hồ, xói lở bờ sông, bồi lấp cửa sông, quá trình oxi hóa trong sông hồ…
Ưu điểm của mô hình HYPE:
Mô hình mã nguồn mở HYPE cho phép người sử dụng có thể lập trình thêm các module tính toán theo yêu cầu bài toán đặc thù.
Sử dụng nguồn dữ liệu toàn cầu sẵn có bổ trợ số liệu quan trắc truyền thống có
thể giúp tăng hiệu quả mô phỏng ở những khu vực thiếu số liệu quan trắc.
Kết hợp thử nghiệm mô hình dự báo trong điều kiện tác nghiệp dự báo, cảnh
báo nghiệp vụ tài nguyên nước tại Trung tâm cảnh báo và dự báo tài nguyên nước.
Cấu trúc mô hình HYPE
Cấu trúc mô hình HYPE gồm nhiều quá trình diễn ra trên lưu vực, trong đó các quá trình chính như các quá trình diễn ra trên mặt đất, chu trình vận chuyển trong đất, các quá trình trong sông, hồ, Các quá trình nitơ và photpho trong chu trình vận chuyển trong đất, sông , hồ, quản lý nước.
Các quá trình diễn ra trên mặt đất
– Nhiệt độ không khí và mưa trên lưu vực (tempi) được phụ thuộc vào vị trí của từng lưu vực(trên núi, gần biển..) và độ cao của lưu vực so với mực nước biển. Nhiệt độ và mưa được hiệu chỉnh cho phù hợp với từng điều kiện của lưu vực trước khi đưa vào mô hình.
– Bốc hơi tiềm năng được tính dựa trên nhiệt độ. Khi nhiệt độ không khí cao hơn điểm sương thì bốc hơi xảy ra. Tuyết tan và bốc hơi có cùng điểm sương. Ngoài ra, bốc hơi còn phụ thuộc theo mùa. Bốc hơi mặt đất thưởng chỉ xuất hiện ở 2 lớp đất trên, giảm theo hàm mũ theo độ sâu.
– Lắng đọng khí quyển của nitơ, phot pho trên mặt đất có dạng kết tủa ướt của Nitơ và phot pho khi có mưa và kết tủa khô phụ thuộc vào thảm phủ thực vật và tuyết. Còn trong sông, hồ, kết tủa nitơ,photpho ướt và khô là được tính toán vì nồng độ lượng mưa là được thiết lập và một phần kết tủa khô được tạo từ nước sông hoặc hồ.
Quá trình vận chuyển nước dưới đất
Đất trong mô hình HYPE được chia thành 3 lớp, độ dày của từng lớp khác nhau. Một lớp bao gồm sự kết hợp của loại đất và sử dụng đất. Mô hình giả sử khả năng giữ nước của các lớp đất là đồng đều, tuy nhiên nó có thể được thay đổi theo độ dày của lớp đất cũng như có thể giả định thông số cho từng lớp đất.
Các quá trình chuyển động của nước trong đất đều được mô phỏng trong mô hình bao gồm mưa, tuyết tan, bốc hơi, thấm, chảy tràn bề mặt, dòng chảy sát mặt, bổ cập nước ngầm, dòng chảy ngầm…
Các quá trình trong sông, hồ
Trong mô hình HYPE có thể chứa hai loại sông ( sông nhánh và sông chính) và hai loại hồ (hồ trên lưu vực và hồ tại cửa ra lưu vực). Các sông chính và sông nhánh có trên tất cả các tiểu lưu vực và chiều dài của từng loại được tính bằng cách lấy căn bậc hai diện tích của lưu vực đó.
Trong mô hình, quá trình dòng chảy trong sông hồ được mô tả như sau: dòng chảy trên các phần diện tích của sông nhánh sẽ đổ vào sông nhánh, sau đó một phần sẽ chảy vào các hồ trên lưu vực, phần còn lại chảy vào sông chính. Nếu có dòng chảy đến từ các lưu vực ở thượng lưu bổ sung cho dòng chảy trên sông nhánh thì cả hai sẽ chảy vào sông chính. Hồ ở cửa ra lưu vực sẽ nhận toàn bộ lượng nước từ dòng chảy trên các sông nhánh và dòng chảy từ lưu vực thượng lưu.
Hoạt động khai thác và quản ly nước
Với một tiểu lưu vực nhất định, nước có thể lấy từ các hồ tại cửa ra lưu vực, các hồ trên lưu vực, dòng chính và nước ngầm. Những nguồn nước này có thể sử dụng riêng hoặc kết hợp. Ngoài ra, HYPE còn có thể lấy nước từ một nguồn không giới hạn bên ngoài lĩnh vực của mô hình.
Kết quả đầu ra của mô hình bao gồm: Các chỉ tiêu đánh giá mô phỏng (NASH, RMSE, độ lệch chuẩn giữa các giá trị thực đo, mô phỏng…), Bốc thoát hơi nước, dòng chảy tràn trên bề mặt và dòng chảy tại cửa ra từng lưu vực, Lượng nước tích lũy từng lưu vực, Kết quả vận chuyển chất dinh dưỡng hàng năm của từng lưu vực và từng nguồn.
