Nghiên cứu cải tiến mô hình MARINE để mô phỏng và dự báo dòng chảy cho lưu vực sông thiếu số liệu - Áp dụng cho khu vực Nam Trung Bộ

BỘ TÀI NGUN VÀ MƠI TRƯỜNG
VIỆN KHOA HỌC
KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

BÙI VĂN CHANH

NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN MƠ HÌNH MARINE
ĐỂ MƠ PHỎNG VÀ DỰ BÁO DỊNG CHẢY
CHO LƯU VỰC SÔNG THIẾU SỐ LIỆU
- ÁP DỤNG CHO KHU VỰC NAM TRUNG BỘ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ THỦY VĂN HỌC

Hà Nội, 2022


b

BỘ TÀI NGUN VÀ MƠI TRƯỜNG
VIỆN KHOA HỌC
KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

BÙI VĂN CHANH
NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN MƠ HÌNH MARINE
ĐỂ MƠ PHỎNG VÀ DỰ BÁO DỊNG CHẢY
CHO LƯU VỰC SÔNG THIẾU SỐ LIỆU
- ÁP DỤNG CHO KHU VỰC NAM TRUNG BỘ
Ngành: Thủy văn học
Mã số: 9440224
LUẬN ÁN TIẾN SĨ THỦY VĂN HỌC

Tác giả Luận án

Bùi Văn Chanh

Giáo viên hướng dẫn 1

Giáo viên hướng dẫn 2

PGS.TS Trần Ngọc Anh PGS.TS Lương Tuấn Anh

Hà Nội, 2022


c

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 này là trung thực, không
sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào ngồi các kết
quả cơng bố có liên quan đến luận án của tác giả. Việc tham khảo các nguồn
tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy
định.

Tác giả Luận án

Bùi Văn Chanh


d

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Viện Khoa học Khí tượng Thuỷ
văn và Biến đổi khí hậu đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong q
trình nghiên cứu và hồn thành Luận án.
Với lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tác giả xin gửi lời cảm ơn đặc
biệt tới các thầy hướng dẫn là PGS.TS Trần Ngọc Anh và PGS.TS Lương Tuấn
Anh đã tận tình giúp đỡ tác giả từ những bước đầu tiên xây dựng hướng nghiên
cứu, cũng như trong suốt q trình nghiên cứu và hồn thiện Luận án. Các thầy
luôn động viên và hỗ trợ những điều kiện tốt nhất để tác giả hoàn thành Luận
án.
Tác giả bày tỏ lòng biết ơn đến Ban lãnh đạo Tổng cục Khí tượng Thủy
văn, Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Nam Trung Bộ và các đồng nghiệp đã
tạo mọi điều kiện giúp đỡ, động viên cho tác giả trong suốt quá trình nghiên
cứu và thực hiện Luận án.
Tác giả chân thành cảm ơn các chuyên gia, các nhà khoa học của Viện
Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu, Tổng cục Khí tượng Thủy
văn, Trường Đại học Tự nhiên Hà Nội đã có những góp ý về khoa học cũng
như hỗ trợ nguồn tài liệu, số liệu cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện
Luận án.
Cuối cùng, tác giả xin gửi lời biết ơn sâu sắc tới những người thân, gia
đình, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn động viên, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện tốt
nhất để tác giả hoàn thành tốt Luận án của mình.
Tác giả Luận án

Bùi Văn Chanh


i

MỤC LỤC

MỤC LỤC .......................................................................................................... i
DANH MỤC HÌNH .......................................................................................... v
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................ xi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................ xii
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN MÔ PHỎNG VÀ DỰ BÁO TRÊN LƯU VỰC
THIẾU SỐ LIỆU............................................................................................... 7
1.1. CÁC KHÁI NIỆM .................................................................................. 7
1.2. TỔNG QUAN MÔ PHỎNG VÀ DỰ BÁO THỦY VĂN BẰNG MƠ
HÌNH TỐN.................................................................................................. 9
1.3. TỔNG QUAN CÁC MƠ HÌNH THỦY VĂN THÔNG SỐ PHÂN BỐ
...................................................................................................................... 14
1.4. TỔNG QUAN MÔ HÌNH MARINE.................................................... 18
1.5. TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG ĐỂ CẢI TIẾN MƠ
HÌNH MARINE ........................................................................................... 22
1.5.1. Tổng quan mơ hình sóng động học một chiều.........................................22
1.5.2. Tổng quan diễn tốn dòng chảy qua hồ ...................................................23
1.5.3 Tổng quan khắc phục thiếu số liệu mưa phân bố không gian ..................24

1.5.3.1. Phương pháp định lượng mưa viễn thám ................................. 24
1.5.3.2. Phương pháp tái phân tích số liệu mưa .................................... 25
1.5.3.3. Phương pháp nội suy mưa không gian ..................................... 26
1.6. GIỚI THIỆU VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU ..................................... 29
1.6.1. Đặc điểm khu vực Nam Trung Bộ ...........................................................29
1.6.2. Đặc điểm lưu vực sông Cái Nha Trang ...................................................30
1.6.3. Đặc điểm lưu vực sơng Dinh Ninh Hịa ..................................................31
1.6.4. Đặc điểm lưu vực sông Cái Phan Rang ...................................................33

1.7. NHỮNG VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN ......................... 35
TIỂU KẾT CHƯƠNG 1 .............................................................................. 37

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN MƠ HÌNH MARINE .................... 38
2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MƠ HÌNH MARINE ........................................ 38


ii

2.1.1. Lý thuyết dịng chảy sườn dốc của mơ hình MARINE ...........................38
2.1.2. Phương pháp tính thấm trong mơ hình MARINE ...................................40
2.1.3. Sơ đồ tính tốn mơ hình MARINE ..........................................................42
2.1.4. Bộ thơng số mơ hình MARINE ...............................................................44

2.2. CẢI TIẾN MƠ HÌNH MARINE BẰNG MƠ HÌNH SĨNG ĐỘNG HỌC
MỘT CHIỀU................................................................................................ 45
2.2.1. Lựa chọn kỹ thuật xây dựng mơ hình sóng động học đáp ứng khả năng cải
tiến mơ hình MARINE ......................................................................................45
2.2.2. Cơ sở lý thuyết mơ hình sóng động học một chiều .................................46

2.2.2.1. Diễn tốn sóng động học một chiều tuyến tính ........................ 47
2.2.2.2. Diễn tốn sóng động học một chiều phi tuyến ......................... 50
2.2.2.3. Diễn tốn sóng động học một chiều cho mạng lưới sơng ........ 55
2.2.3. Tích hợp mơ hình MARINE và sóng động học một chiều ......................56

2.3. TÍCH HỢP MƠ HÌNH MARINE VỚI MƠ ĐUN DIỄN TỐN DỊNG
CHẢY QUA HỒ .......................................................................................... 61
2.3.1. Cơ sở lý thuyết diễn tốn dịng chảy qua hồ............................................61
2.3.2. Xây dựng mơ đun diễn tốn dịng chảy qua hồ .......................................64
2.3.3. Tích hợp mơ đun diễn tốn dịng chảy qua hồ với mơ hình sóng động học
...........................................................................................................................66

2.4. CẢI TIẾN MƠ HÌNH MARINE BẰNG CƠNG CỤ NỘI SUY MƯA

KHÔNG GIAN ............................................................................................ 67
2.4.1. Cơ sở lý thuyết phương pháp nghịch đảo khoảng cách ...........................68
2.4.2. Tích hợp mơ hình MARINE và công cụ nội suy mưa theo không gian ..69

2.5. HỒN THIỆN MƠ HÌNH MARINE CẢI TIẾN................................. 72
TIỂU KẾT CHƯƠNG 2 .............................................................................. 74
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MƠ HÌNH MARINE CẢI TIẾN ĐỂ MƠ PHỎNG
VÀ DỰ BÁO DỊNG CHẢY TRÊN MỘT SỐ LƯU VỰC SÔNG Ở KHU VỰC
NAM TRUNG BỘ .......................................................................................... 76
3.1. CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐẦU VÀO .............................................................. 76
3.1.1. Dữ liệu bản đồ..........................................................................................76
3.1.2. Dữ liệu khí tượng thủy văn và hồ chứa ...................................................78


iii

3.2. ỨNG DỤNG MƠ PHỎNG DỊNG CHẢY LŨ TRÊN MỘT SỐ LƯU
VỰC SÔNG Ở KHU VỰC NAM TRUNG BỘ .......................................... 80
3.2.1. Ứng dụng thử nghiệm trên lưu vực sông Cái Nha Trang ........................81

3.2.1.1. Thiết lập mơ hình MARINE cải tiến cho lưu vực sông Cái Nha
Trang ...................................................................................................... 81
3.2.1.2. Hiệu chỉnh và kiểm định bộ thông số cho lưu vực sông Cái Nha
Trang ...................................................................................................... 86
3.2.1.3. Đánh giá chi tiết hiệu quả mơ phỏng của mơ hình MARINE cải
tiến trên lưu vực sơng Cái Nha Trang so với mơ hình gốc ................... 90
3.2.2. Ứng dụng thử nghiệm trên lưu vực sông Dinh Ninh Hịa .......................94

3.2.2.1. Thiết lập mơ hình MARINE cải tiến cho lưu vực sơng Dinh Ninh
Hịa ......................................................................................................... 94

3.2.2.2. Hiệu chỉnh và kiểm định bộ thông số cho lưu vực sông Dinh Ninh
Hòa ......................................................................................................... 98
3.2.2.3. Đánh giá chi tiết hiệu quả mơ phỏng của mơ hình MARINE cải
tiến trên lưu vực sơng Dinh Ninh Hịa so với mơ hình gốc................. 101
3.2.3. Ứng dụng thử nghiệm trên lưu vực sông Cái Phan Rang ......................105

3.2.3.1. Thiết lập mơ hình MARINE cải tiến cho lưu vực sông Cái Phan
Rang ..................................................................................................... 105
3.2.3.2. Hiệu chỉnh và kiểm định bộ thông số cho lưu vực sông Cái Phan
Rang ..................................................................................................... 109
3.2.3.3. Đánh giá chi tiết hiệu quả mô phỏng của mơ hình MARINE cải
tiến trên lưu vực sơng Cái Phan Rang so với mơ hình gốc ................. 112
3.2.4. Đánh giá chung về hiệu quả và khả năng ứng dụng của mơ hình MARINE
cải tiến ..............................................................................................................115

3.3. ỨNG DỤNG DỰ BÁO THỬ NGHIỆM DỊNG CHẢY LŨ TRÊN LƯU
VỰC SƠNG CÁI NHA TRANG ............................................................... 117
3.3.1. Yêu cầu và hiện trạng dự báo trên lưu vực sơng Cái Nha Trang ..........117
3.3.2. Tính tốn lượng mưa dự báo cho mơ hình MARINE cải tiến ...............118
3.3.3. Ứng dụng dự báo thử nghiệm trong mùa lũ năm 2020 .........................120

3.3.3.1. Thiết lập phương án dự báo bằng mơ hình MARINE cải tiến 120
3.3.3.2. Dự báo và đánh giá độ tin cậy với thời gian dự kiến 24h ...... 121


iv

3.3.3.3. Dự báo và đánh giá độ tin cậy với thời gian dự kiến 48h ...... 123
3.3.4. Đánh giá khả năng ứng dụng mơ hình MARINE cải tiến trong dự báo cho
các lưu vực sông ..............................................................................................126

TIỂU KẾT CHƯƠNG 3 ............................................................................ 127
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................... 129
1. KẾT LUẬN ............................................................................................ 129
2. KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 130
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 132
Tài liệu tiếng Việt ...................................................................................... 132
Tài liệu tiếng Anh ...................................................................................... 135
Tài liệu tiếng Pháp ..................................................................................... 144
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU .................................... 145
PHỤ LỤC BẢNG ......................................................................................... 146
PHỤ LỤC HÌNH ........................................................................................... 151


v

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Minh họa bản đồ lưu vực sơng Cái Nha Trang ............................... 30
Hình 1.2. Minh họa bản đồ địa hình lưu vực sơng Dinh Ninh Hịa ................ 33
Hình 1.3. Minh họa bản đồ lưu vực Cái Phan Rang ....................................... 34
Hình 1.4. Sơ đồ nghiên cứu của Luận án ........................................................ 36
Hình 2.1. Sơ đồ tổng qt của mơ hình MARINE [3] .................................... 40
Hình 2.2. Sơ đồ thấm Green Ampt [116] ........................................................ 41
Hình 2.3. Sơ đồ khối tính tốn mơ hình MARINE ......................................... 43
Hình 2.4. Sơ đồ sai phân ẩn giải phương trình sóng động học tuyến tính ...... 48
Hình 2.5. Sơ đồ khối tính tốn sóng động học một chiều tuyến tính ............. 49
Hình 2.6. Phương pháp Newton ngoại suy đường tiếp tuyến hàm f(x) [97] .. 52
Hình 2.7. Sơ đồ sai phân sóng động học một chiều phi tuyến ........................ 52
Hình 2.8. Sơ đồ khối tính tốn sóng động học một chiều phi tuyến............... 53
Hình 2.9. Minh họa bản đồ lưu vực sơng La Ngà........................................... 54

Hình 2.10. Lưu lượng tính tốn và thực đo trạm Tà Pao ................................ 55
Hình 2.11. Lưu lượng tính tốn và thực đo trạm Võ Xu ................................ 55
Hình 2.12. Sơ đồ phân cấp cho mạng lưới sơng ............................................. 56
Hình 2.13. Thủ tục CalcApLat tích lũy lưu lượng các nút cho đoạn sơng ..... 58
Hình 2.14. Chương trình con tính dịng chảy mạng lưới sơng (thủ tục
Qluoisong) ....................................................................................................... 58
Hình 2.15. Mơ hình sóng động học một chiều tuyến tính thay thế thủ tục
CalcApLat ....................................................................................................... 59
Hình 2.16. Cài thủ tục Qluoisong và thay thế thủ tục cộng dồn dịng chảy bằng
mơ hình sóng động học một chiều tuyến tính ................................................. 59
Hình 2.17. Sơ đồ tích hợp mơ hình sóng động học một chiều phi tuyến trong
mơ hình MARINE ........................................................................................... 60


vi

Hình 2.18. Sơ đồ tích hợp mơ hình sóng động học một chiều tuyến tính trong
mơ hình MARINE ........................................................................................... 60
Hình 2.19. Sơ đồ tính các số gia ΔH1 của Runge - Kutta bậc 3...................... 63
Hình 2.20. Sơ đồ tính các số gia ΔH2 của Runge - Kutta bậc 3...................... 63
Hình 2.21. Sơ đồ tính các số gia ΔH3 của Runge - Kutta bậc 3...................... 63
Hình 2.22. Sơ đồ khối mơ đun diễn tốn dịng chảy qua hồ chứa .................. 65
Hình 2.23. Hệ số hình dạng một số loại cửa xả điển hình .............................. 66
Hình 2.24. Sơ đồ tích hợp mơ đun diễn tốn dịng chảy qua hồ trong mơ hình
tích hợp MARINE và sóng động học.............................................................. 67
Hình 2.25. Quan hệ giữa bậc và trọng số khoảng cách trong IDW ................ 69
Hình 2.26. Bán kính tìm kiếm (a) vùng chắn (b) của IDW ............................ 69
Hình 2.27. Sơ đồ tích hợp cơng cụ nội suy mưa trong mơ hình MARINE .... 70
Hình 2.28. Sơ đồ khối công cụ nội suy mưa theo khơng gian ........................ 71
Hình 2.29. Sơ đồ khối mơ đun hồi quy bội phi tuyến ..................................... 72

Hình 2.30. Cấu trúc tệp tin số liệu bề mặt lưu vực (a) và mưa các trạm (b) .. 73
Hình 2.31. Cấu trúc tệp tin mạng lưới sông (a) và hồ chứa (b) ...................... 73
Hình 2.32. Sơ đồ mơ hình MARINE cải tiến.................................................. 74
Hình 3.1. Minh họa bản đồ DEM (a) [74] và bản đồ đất (b) [13] lưu vực sông
Cái Nha Trang ................................................................................................. 81
Hình 3.2. Minh họa bản đồ độ ẩm đất (a) [30] và thảm phủ thực vật (b) [74] lưu
vực sông Cái Nha Trang.................................................................................. 82
Hình 3.3. Sơ đồ mạng lưới sơng Cái Nha Trang ............................................ 83
Hình 3.4. Biểu đồ lượng mưa thời đoạn 1 giờ của trận lũ năm 2009 ............. 84
Hình 3.5. Biểu đồ lượng mưa thời đoạn 1 giờ của trận lũ năm 2010 ............. 84
Hình 3.6. Biểu đồ lượng mưa thời đoạn 1 giờ của trận lũ năm 2013 ............. 85
Hình 3.7. Biểu đồ lượng mưa thời đoạn 1 giờ của trận lũ năm 2016 ............. 85


vii

Hình 3.8. Biểu đồ lưu lượng thực đo và tính tốn trạm Diên Xn năm 2010
......................................................................................................................... 87
Hình 3.9. Biểu đồ lưu lượng thực đo và tính tốn trạm Thác Ngựa năm 2010
......................................................................................................................... 88
Hình 3.10. Biểu đồ lưu lượng thực đo và tính tốn trạm Đồng Trăng năm 2010 . 88
Hình 3.11. Biểu đồ quá trình lưu lượng thực đo và tính tốn trận lũ năm 2009
trạm thủy văn Đồng Trăng .............................................................................. 89
Hình 3.12. Biểu đồ quá trình lưu lượng thực đo và tính tốn trận lũ năm 2013
trạm thủy văn Đồng Trăng .............................................................................. 89
Hình 3.13. Biểu đồ quá trình lưu lượng thực đo và tính tốn trận lũ năm 2016
trạm thủy văn Đồng Trăng .............................................................................. 89
Hình 3.14. Minh họa bản đồ phân bố mưa giờ lớn nhất trận lũ năm 2009 (a) và
2013 (b) được xây dựng bằng công cụ nội suy mưa ....................................... 90
Hình 3.15. So sánh lưu lượng thực đo và tính tốn của mơ hình MARINE gốc

với MARINE cải tiến trạm Đồng Trăng trận lũ năm 2009 ............................. 91
Hình 3.16. So sánh lưu lượng thực đo và tính tốn của mơ hình MARINE gốc
với MARINE cải tiến trạm Đồng Trăng trận lũ năm 2013 ............................. 91
Hình 3.17. So sánh lưu lượng thực đo và tính tốn của mơ hình MARINE gốc
với MARINE cải tiến trạm Đồng Trăng trận lũ năm 2016 ............................. 92
Hình 3.18. So sánh lưu lượng thực đo và tính tốn của mơ hình MARINE gốc
với MARINE cải tiến trạm Đồng Trăng trận lũ năm 2009 ............................. 93
Hình 3.19. So sánh lưu lượng thực đo và tính tốn của mơ hình MARINE gốc
với MARINE cải tiến trạm Đồng Trăng trận lũ năm 2013 ............................. 93
Hình 3.20. So sánh lưu lượng thực đo và tính tốn của mơ hình MARINE gốc
với MARINE cải tiến trạm Đồng Trăng trận lũ năm 2016 ............................. 93
Hình 3.21. So sánh lưu lượng thực đo và tính tốn của mơ hình MARINE gốc
với MARINE cải tiến trạm Suối Cát năm 2010 .............................................. 94


viii

Hình 3.22. Minh họa bản đồ DEM (a) [74] và bản đồ đất (b) [13] sơng Dinh
......................................................................................................................... 95
Hình 3.23. Minh họa bản đồ độ ẩm đất (a) và lớp phủ thực vật (b) lưu vực sơng
Dinh Ninh Hịa [30] [74] ................................................................................. 95
Hình 3.24. Sơ đồ mạng lưới sơng Dinh Ninh Hịa.......................................... 96
Hình 3.25. Biểu đồ lượng mưa thời đoạn 1 giờ của trận lũ năm 2010 ........... 97
Hình 3.26. Biểu đồ lượng mưa thời đoạn 1 giờ của trận lũ năm 2016 ........... 97
Hình 3.27. Biểu đồ lượng mưa thời đoạn 1 giờ của trận lũ tiểu mãn năm 2017
......................................................................................................................... 98
Hình 3.28. Biểu đồ quá trình lưu lượng thực đo và tính tốn trạm Dục Mỹ trận
lũ năm 2010 ..................................................................................................... 99
Hình 3.29. Biểu đồ quá trình lưu lượng thực đo và tính tốn trạm Ninh Thượng
trận lũ năm 2010............................................................................................ 100

Hình 3.30. Biểu đồ quá trình lưu lượng thực đo và tính tốn trạm Ninh Hịa trận
lũ năm 2010 ................................................................................................... 100
Hình 3.31. Lượng thực đo và tính tốn trạm Ninh Hịa trận lũ năm 2016 ... 101
Hình 3.32. Lưu lượng thực đo và tính tốn trạm Ninh Hịa trận lũ năm 2017
....................................................................................................................... 101
Hình 3.33. Minh họa bản đồ phân bố mưa giờ lớn nhất trận lũ năm 2016 (a) và
2017 (b) được xây dựng bằng cơng cụ nội suy ............................................. 102
Hình 3.34. So sánh lưu lượng thực đo và tính tốn của mơ hình MARINE gốc
với MARINE cải tiến trạm Ninh Hịa trận lũ năm 2016............................... 103
Hình 3.35. So sánh lưu lượng thực đo và tính tốn của mơ hình MARINE gốc
với MARINE cải tiến trạm Ninh Hòa trận lũ năm 2017............................... 103
Hình 3.36. So sánh lưu lượng thực đo và tính tốn của mơ hình MARINE gốc
với MARINE cải tiến trạm Ninh Hòa trận lũ năm 2016............................... 104


ix

Hình 3.37. So sánh lưu lượng thực đo và tính tốn của mơ hình MARINE gốc
với MARINE cải tiến trạm Ninh Hịa trận lũ năm 2017............................... 104
Hình 3.38. So sánh lưu lượng thực đo và tính tốn của mơ hình MARINE gốc
với MARINE cải tiến trạm Đá Bàn năm 2010.............................................. 105
Hình 3.39. Minh họa bản đồ DEM (a) [74] và loại đất (b) [13] lưu vực sông Cái
Phan Rang ..................................................................................................... 106
Hình 3.40. Minh họa bản đồ độ ẩm đất (a) [34] và thảm phủ thực vật (b) [30]
[74] lưu vực sơng Cái Phan Rang ................................................................. 106
Hình 3.41. Sơ đồ mạng lưới sơng Cái Phan Rang ........................................ 107
Hình 3.42. Biểu đồ lượng mưa 1 giờ lớn nhất trận lũ tháng 11 năm 2016 ... 108
Hình 3.43. Biểu đồ lượng mưa 12 giờ trận lũ tháng 12 năm 2018 ............... 109
Hình 3.44. Biểu đồ lưu lượng thực đo và tính tốn trạm Phước Hà trận lũ năm 2016
....................................................................................................................... 110

Hình 3.45. Biểu đồ lưu lượng thực đo và tính tốn trạm Tân Mỹ trận lũ năm 2016
....................................................................................................................... 111
Hình 3.46. Biểu đồ quá trình lưu lượng thực đo và tính tốn lũ năm 2018 tại
trạm thủy văn Tân Mỹ ................................................................................... 111
Hình 3.47. So sánh lưu lượng thực đo và tính tốn của mơ hình MARINE gốc
với MARINE cải tiến tại trạm Tân Mỹ trận lũ năm 2018............................. 112
Hình 3.48. Minh họa bản đồ phân bố mưa giờ lớn nhất trận lũ năm 2016 (a) và
2018 (b) được xây dựng bằng công cụ nội suy mưa ..................................... 113
Hình 3.49. So sánh lưu lượng thực đo và tính tốn của mơ hình MARINE gốc
với MARINE cải tiến tại trạm Tân Mỹ trận lũ năm 2018............................. 114
Hình 3.50. So sánh lưu lượng thực đo và tính tốn của mơ hình MARINE gốc
với MARINE cải tiến tại trạm Phước Hà năm 2016 ..................................... 115
Hình 3.51. Minh họa bản đồ trạm mưa tự động trên lưu vực và vùng lân cận
....................................................................................................................... 119


x

Hình 3.52. Biểu đồ phân tích dự báo trận lũ lớn nhất năm 2020 thời gian dự
kiến 24 giờ lúc 19h30 ngày 30 tháng 11 tại trạm thủy văn Đồng Trăng ...... 121
Hình 3.53. Biểu đồ quá trình lưu lượng thực đo và dự báo thời gian dự kiến 24
giờ tại trạm thủy văn Đồng Trăng từ tháng 9 đến tháng 12 năm 2020 ......... 122
Hình 3.54. Biểu đồ phân tích dự báo trận lũ lớn nhất năm 2020 thời gian dự
kiến 24 giờ lúc 19h30 ngày 30 tháng 11 tại trạm thủy văn Diên Phú .......... 122
Hình 3.55. Biểu đồ quá trình lưu lượng thực đo và dự báo thời gian dự kiến 24
giờ tại trạm thủy văn Diên Phú từ tháng 9 đến tháng 12 năm 2020 ............. 123
Hình 3.56. Biểu đồ phân tích dự báo trận lũ lớn nhất năm 2020 thời gian dự
kiến 48 giờ lúc 19h30 ngày 30 tháng 11 tại trạm thủy văn Đồng Trăng ...... 124
Hình 3.57. Biểu đồ quá trình lưu lượng thực đo và dự báo thời gian dự kiến 48
giờ tại trạm thủy văn Đồng Trăng từ tháng 9 đến tháng 12 năm 2020 ......... 124

Hình 3.58. Biểu đồ phân tích dự báo trận lũ lớn nhất năm 2020 thời gian dự
kiến 48 giờ lúc 19h30 ngày 30 tháng 11 tại trạm thủy văn Diên Phú .......... 125
Hình 3.59. Biểu đồ quá trình lưu lượng thực đo và dự báo thời gian dự kiến 48
giờ tại trạm thủy văn Diên Phú từ tháng 9 đến tháng 12 năm 2020 ............. 125


xi

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Các thông số đầu vào của mơ hình MARINE [116] ...................... 44
Bảng 2.2. Tham số Green và Ampt [116] ....................................................... 44
Bảng 2.3. Xác định hệ số Manning theo lớp phủ [116] .................................. 45
Bảng 2.4. Xác định hệ số thực nghiệm cửa xả ................................................ 66
Bảng 3.1. Phân loại và mã hóa thảm phủ thực vật [3], [9] ............................. 77
Bảng 3.2. Phân loại và mã hóa loại đất [3], [9] .............................................. 77
Bảng 3.3. Thông số thổ nhưỡng sau khi hiệu chỉnh sông Cái Nha Trang ...... 87
Bảng 3.4. Thông số thảm phủ sau khi hiệu chỉnh Cái Nha Trang .................. 87
Bảng 3.5. Thông số thảm phủ sau khi hiệu chỉnh sơng Dinh Ninh Hịa ......... 99
Bảng 3.6. Thơng số thổ nhưỡng sau khi hiệu chỉnh sông Dinh Ninh Hịa ..... 99
Bảng 3.7. Thơng số thổ nhưỡng sau khi hiệu chỉnh sông Cái Phan Rang .... 110
Bảng 3.8. Thông số thảm phủ sau khi hiệu chỉnh sông Cái Phan Rang ....... 110
Bảng 3.9. Tổng hợp đánh giá hiệu quả của mơ hình MARINE cải tiến ....... 116
Bảng 3.10. Danh sách trạm đo mưa tự động lưu vực sông Cái và vùng lân cận
....................................................................................................................... 118


xii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Khí tượng Thủy văn

Sóng động học
Đặc tính lịng hồ: Dung tích (V), diện tích mặt nước (F), cao
VFZ
trình mực nước (Z)
American Standard Code for Information Interchange
ASCII
(Bộ mã chuẩn trao đổi thông tin)
Climate Forecast System Reanalysis
CFSR
(Tái phân tích hệ thống dự báo khí hậu)
Digital Elevation Model
DEM
(Mơ hình số độ cao)
Distributed Model Intercomparison Project
DMIP
(Dự án so sánh các mơ hình thủy văn thơng số phân bố)
European Centre for Medium-Range Weather Forecasts
ECMWF
(Trung tâm dự báo thời tiết hạn vừa Châu Âu)
Geographic Information System
GIS
(Hệ thống thông tin địa lý)
Global Precipitation Climatology Project
GPCP
(Dự án định lượng mưa khí hậu tồn cầu)
Inverse Distance Weighted
IDW
(Nghịch đảo khoảng cách theo trọng số)
The National Aeronautics and Space Administration
NASA

(Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Hoa Kỳ)
National Center for Atmospheric Research
NCAR
(Trung tâm Nghiên cứu Khí quyển Quốc gia Hoa Kỳ)
National Centers for Environmental Prediction
NCEP
(Trung tâm dự báo môi trường quốc gia Hoa Kỳ)
National Oceanic and Atmospheric Administration
NOAA
(Cơ quan Quản lý Khí quyển và Đại dương Quốc gia Hoa Kỳ)
Nash-Sutchliffe Efficency
NSE
(Chỉ tiêu Nash)
Percentage Error on Peak flood
PEp
(Chỉ tiêu sai số đỉnh lũ)
Percentage Error on total flow Volume
PEVol
(Chỉ tiêu sai số tổng lượng)
The Tropical Rainfall Measuring Mission
TRMM
(Vệ tinh đo mưa vùng nhiệt đới)
The United States Geological Survey
USGS
(Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ)
KTTV
SĐH


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của Luận án
Mơ hình hóa dịng chảy trên các lưu vực sơng có vai trị rất quan trọng
trong dự báo, khôi phục số liệu thủy văn phục vụ phòng chống thiên tai, sản
xuất, thiết kế xây dựng cơng trình và các hoạt động khác trong lĩnh vực khai
thác, quản lý và bảo vệ tài nguyên nước. Sự phát triển cả về lý thuyết và khả
năng tính tốn của các mơ hình tốn cho phép ngày càng cải thiện chất lượng
mơ phỏng dịng chảy trên các lưu vực sơng [91], [102]. Hiện nay, các mơ hình
thủy văn thông số tập trung đang được sử dụng phổ biến trong công tác dự báo
và khôi phục số liệu dịng chảy, tuy nhiên, các mơ hình thơng số tập trung
thường đã lược bỏ, trung bình hóa nhiều thành phần và q trình dịng chảy
trên lưu vực [78], nhằm thích ứng với điều kiện khó khăn về số liệu và khả
năng tính tốn của máy tính nên chất lượng mơ phỏng cịn hạn chế, khơng mơ
phỏng được chi tiết theo không gian trên lưu vực và tác động chi tiết của con
người đến diễn biến thủy văn. Trong khi đó, tác động của con người đến quá
trình thủy văn ngày càng mạnh mẽ nhất là các cơng trình tác động đến dịng
chính như đập dâng, hồ chứa,... cần được đánh giá đầy đủ và chi tiết. Bên cạnh
đó, trên thực tế các ngành kinh tế xã hội luôn yêu cầu các kết quả mô phỏng/dự
báo thủy văn chi tiết trên lưu vực sông đã dẫn đến xu hướng nghiên cứu ứng
dụng mơ hình thủy văn thơng số phân bố [91].
Mặc dầu các tiến bộ gần đây về khoa học máy tính cùng với sự phát triển
liên tục của hướng tiếp cận đo đạc số liệu viễn thám đã cung cấp những đầu
vào tương đối chi tiết có thể phục vụ trực tiếp cho các mơ hình thủy văn thơng
số phân bố như địa hình bề mặt lưu vực, độ che phủ, điều kiện thổ nhưỡng cũng
như các yếu tố mặt đệm khác,... tuy nhiên, để mơ phỏng được chính xác các
q trình thủy văn trên lưu vực cần thiết có số liệu mưa theo không gian (giá
trị định lượng mưa tại từng ô lưới) vốn chưa được các công nghệ quan trắc hiện
nay đáp ứng. Các số liệu mưa định lượng từ quan trắc vệ tinh còn nhiều hạn
chế về độ chính xác, đặc biệt ở các khu vực miền núi có địa hình chia cắt, trong

2

khi số liệu về radar còn thưa thớt và cần nhiều đầu tư về mạng lưới, cơ sở hạ
tầng, khả năng hiệu chỉnh [40], [67], [106], do vậy, trong thực tế hiện nay, xử
lý mưa kết hợp với số liệu quan trắc tại các trạm đo với các phương pháp và
thông tin bổ sung khác thành số liệu mưa theo không gian đang là giải pháp
hữu hiệu để giải quyết khó khăn về thiếu số liệu mưa đầu vào cho mơ hình thủy
văn thơng số phân bố [41], [42], [95]. Mặc dầu vậy, công việc này thường được
tách rời khỏi các mơ hình và vì vậy khơng thuận tiện cho việc triển khai, ứng
dụng các mơ hình thơng số phân bố trong thực tiễn.
Bên cạnh đó, nhiều mơ hình thủy văn thông số phân bố mô phỏng đầy
đủ và liên tục q trình dịng chảy từ sườn dốc đến cửa ra lưu vực, nhưng diễn
tốn dịng chảy trong sơng cịn hạn chế và chưa mô phỏng tác động của các
công trình thủy lợi. Để tăng cường khả năng và chất lượng mơ phỏng, một số
mơ hình thủy văn thơng số phân bố kết hợp mơ hình dịng chảy trên sườn dốc
với mơ hình thủy lực hoặc mơ hình diễn tốn trong lịng dẫn [33], [44], [68],
[82], [98]. Việc kết hợp/tích hợp này phụ thuộc chủ yếu vào điều kiện số liệu
hiện có về địa hình lịng dẫn. Đối với các lưu vực lớn, có đầy đủ số liệu lịng
dẫn sẽ thích hợp cho việc tích hợp giữa mơ hình thủy văn thơng số phân bố với
mơ hình thủy lực 1 chiều, nhưng đối với các lưu vực nhỏ, thượng nguồn thiếu
số liệu lịng dẫn thì có thể được khắc phục bằng việc tích hợp với các mơ hình
diễn tốn khác như Muskingum hay Muskingum - Cunge ….
Mặt khác, trên các lưu vực sông ở Việt Nam, đặc biệt ở khu vực Trung
Bộ nói chung và Nam Trung Bộ nói riêng, do nhu cầu về sử dụng nước và điện
năng, có rất nhiều cơng trình hồ chứa, đập dâng đã được xây dựng và có tác
động đáng kể đến chế độ dòng chảy hạ lưu, đặc biệt ở các lưu vực nhỏ [3], [15],
[35]. Do vậy, việc bỏ qua các tác động này sẽ làm giảm độ chính xác của các
mơ phỏng cũng như dự báo thủy văn.

Hiện trạng thiếu số liệu mưa theo khơng gian và địa hình lịng dẫn là một
thách thức lớn trong ứng dụng mơ hình thủy văn thơng số phân bố, do đó, ngồi
việc nghiên cứu các phương pháp khắc phục cần có sự lựa chọn mơ hình phù


3

hợp. Tuy nhiên, dù rất khó xác định được mơ hình phù hợp và trong số nhiều
mơ hình thủy văn thơng số phân bố hiện nay, nhưng mơ hình MARINE được
lựa chọn vì đáp ứng được các ứng dụng ở nhiều nơi trên Thế giới [48], [49],
[63], [115], [116] cũng như ở Việt Nam [1], [3], [9], [15], [39], [44], [68], có
mã nguồn mở để có thể thuận tiện cho việc can thiệp, cải tiến mơ hình. Mặc dù,
mơ hình MARINE mô phỏng bản chất vật lý tường minh của q trình dịng
chảy sườn dốc, tuy nhiên mơ hình cịn một số nhược điểm như chưa có cơng
cụ tính tốn mưa phân bố, chưa hồn thiện mơ phỏng dịng chảy trong sông và
chưa xét đến các tác động của các cơng trình hồ chứa, đập dâng ….
Xuất phát từ các khó khăn nêu trên, để hồn thiện và tăng cường mô
phỏng, khả năng ứng dụng trên lưu vực thiếu số liệu mưa và mặt cắt ngang như
một số các lưu vực sông nhỏ khu vực Nam Trung Bộ, việc cải tiến một số chức
năng mơ hình MARINE thơng qua tích hợp đầy đủ các cơng cụ xử lý mưa, mơ
hình diễn tốn dịng chảy trong sơng và mơ đun diễn tốn dịng chảy qua hồ
chứa là rất cần thiết, có ý nghĩa về khoa học và thực tiễn, là cơ sở để nghiên
cứu sinh lựa chọn đề tài “Nghiên cứu cải tiến mơ hình MARINE để mơ phỏng
và dự báo dịng chảy cho lưu vực sơng thiếu số liệu - Áp dụng cho khu vực
Nam Trung Bộ”. Mơ hình MARINE cải tiến được ứng dụng thử nghiệm cả
trong mô phỏng và dự báo lũ, trước hết với các lưu vực sông thiếu số liệu và
không chịu ảnh hưởng thủy triều ở khu vực Nam Trung Bộ nhằm chứng minh
sự phù hợp và khả năng ứng dụng trong thực tiễn.
2. Mục tiêu của Luận án
1. Cải tiến mơ hình MARINE để mơ phỏng và dự báo dịng chảy chính

xác hơn trên các lưu vực sông không ảnh hưởng của thủy triều, thiếu số liệu
mưa phân bố theo không gian và mặt cắt lịng dẫn.
2. Ứng dụng được mơ hình MARINE cải tiến để mơ phỏng và dự báo
dịng chảy cho một số lưu vực sông thiếu số liệu ở khu vực Nam Trung Bộ.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1. Đối tượng nghiên cứu:


4

- Dịng chảy trên sườn dốc và trong sơng.
- Cơ sở lý thuyết, thuật tốn, q trình tính tốn và mơ phỏng của mơ
hình thủy văn thơng số phân bố MARINE.
- Cơ sở lý thuyết, sơ đồ giải mơ hình sóng động học một chiều, diễn tốn
dịng chảy qua hồ và nội suy mưa không gian.
2. Phạm vi nghiên cứu :
- Dòng chảy trên sườn dốc và dòng chảy trong sơng khơng ảnh hưởng triều.
- Mơ hình thủy văn thơng số phân bố, mơ hình sóng động học và diễn
tốn dịng chảy qua hồ.
- Lưu vực sơng thiếu số liệu ở khu vực Nam Trung Bộ bao gồm: Cái Nha
Trang, Cái Phan Rang và Dinh Ninh Hòa.
4. Luận điểm bảo vệ của Luận án
Luận điểm 1: Việc tích hợp mơ hình sóng động học, mơ đun diễn tốn
hồ chứa và cơng cụ nội suy mưa góp phần cải tiến mơ hình MARINE để tăng
cường khả năng mơ phỏng, dự báo trên các lưu vực sông không ảnh hưởng
triều.
Luận điểm 2: Các cơng cụ, mơ hình đã xây dựng và tích hợp trong mơ
hình MARINE cải tiến đáp ứng u cầu và phù hợp để mô phỏng, dự báo lũ
cho một số lưu vực thiếu số liệu như ở khu vực Nam Trung Bộ.
5. Phương pháp nghiên cứu

Để trả lời các câu hỏi nghiên cứu, Luận án sử dụng các phương pháp
nghiên cứu sau :
1) Phương pháp phân tích hệ thống: Lưu vực sông là một hệ thống phức
tạp, đầu ra của hệ thống không chỉ chịu sự chi phối của đầu vào mà còn chịu
ảnh hưởng của sự tương tác giữa các thành phần trong hệ thống. Qua phân tích
hệ thống giúp cơ bản xác định mơ hình khái niệm làm cơ sở, lựa chọn và kiểm
chứng mơ hình mơ phỏng.
2) Phương pháp mơ hình hóa: Những yếu tố tạo thành, tác động, diễn
biến dòng chảy trên sườn dốc, trong sông, qua hồ chứa được mô tả bằng các


5

phương trình tốn - lý. Dựa trên cơ sở lý thuyết, phương trình mơ tả, thuật giải
các phương trình, kỹ thuật lập trình để cải tiến, xây dựng và tích hợp mơ hình
tốn mơ phỏng đầy đủ q trình hình thành dòng chảy từ mưa, dòng chảy trên
sườn dốc, dòng chảy trong sơng, dịng chảy qua hồ chứa, đập dâng đến cửa ra
lưu vực.
3) Phương pháp viễn thám và GIS: Bổ sung, xử lý, số hóa và tạo cơ sở
dữ liệu đầu vào cho mơ hình thủy văn thơng số phân bố MARINE và sóng động
học một chiều. Nghiên cứu ứng dụng các thuật toán xử lý dữ liệu theo không
gian để xây dựng công cụ khắc phục thiếu số liệu.
4) Phương pháp tích hợp: Dựa trên đặc điểm của mỗi mơ hình tốn được
lựa chọn để xác định một trong các cấp độ: (1) Hợp nhất, (2) Lai ghép, (3) Kết
nối; các kiểu tích hợp: (1) Tích hợp các mơ hình tốn, (2) Tích hợp cơng cụ
trong mơ hình tốn, (3) Tích hợp cơ sở dữ liệu trong mơ hình tốn.
6. Đóng góp mới của Luận án
1. Đã cải tiến mơ hình MARINE bằng việc tích hợp mơ hình sóng động
học cho mạng lưới sơng phức tạp; tích hợp công cụ nội suy mưa nghịch đảo
khoảng cách kết hợp phân bố mưa theo độ cao; và tích hợp mơ đun diễn tốn

dịng chảy qua hồ để tăng cường chất lượng mô phỏng, dự báo cho các lưu vực
sông thiếu số liệu.
2. Đã ứng dụng thành cơng mơ hình MARINE cải tiến để mơ phỏng, dự
báo dịng chảy lũ tại một số lưu vực sông ở khu vực Nam Trung Bộ và chứng
minh được hiệu quả, khả năng áp dụng cho các lưu vực sông nhỏ không ảnh
hưởng triều, thiếu số liệu.
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
7.1. Ý nghĩa khoa học
1. Hiện chưa có mơ hình thủy văn thơng số phân bố cho phép mơ phỏng
dịng chảy đầy đủ và liên tục từ mưa đến lưu lượng tại cửa lưu vực, nên việc
lựa chọn để tích hợp các mơ hình phù hợp nhằm phát huy hiệu quả tối đa của


6

từng mơ hình, cũng như tích hợp các cơng cụ xử lý mưa, mơ đun diễn tốn hồ
chứa thành bộ mơ hình đầy đủ là hướng đi cần thiết.
2. Nghiên cứu đã hồn thiện và tăng cường khả năng mơ phỏng dịng
chảy trong sơng, tác động của hồ chứa của mơ hình MARINE cải tiến, cung
cấp thêm luận cứ, cơ sở khoa học trong việc tích hợp các mơ hình và công cụ
phù hợp để xử lý một vấn đề thiếu số liệu trên lưu vực.
3. Mơ hình MARINE cải tiến được chia sẻ mã nguồn mở với cộng đồng
các nhà khoa học, nghiên cứu viên, dự báo viên, nghiên cứu sinh, học viên cao
học sẽ mang đến những cơ hội trong việc tiếp tục ứng dụng bộ mơ hình để đánh
giá cụ thể và thử nghiệm tích hợp tương tự.
7.2. Ý nghĩa thực tiễn
- Phổ biến và nâng cao khả năng ứng dụng mơ hình thủy văn thơng số
phân bố trong mô phỏng và nghiệp vụ dự báo thủy văn. Mơ hình MARINE tích
hợp với mơ hình sóng động học và các công cụ mã nguồn mở là điều kiện thuận
lợi để phát triển mơ hình MARINE cải tiến trong tương lai.

- Mơ phỏng dịng chảy được nhiều vị trí giúp giảm nhân lực trong nghiệp
vụ dự báo thủy văn, đáp ứng yêu cầu tinh giảm biên chế hiện nay. Ngồi ra, mơ
hình MARINE cải tiến thuận tiện hơn trong quản lý, sử dụng so với mơ hình
MARINE gốc.
8. Cấu trúc của Luận án
Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, nội dung Luận án gồm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan mô phỏng và dự báo trên lưu vực thiếu số liệu.
Chương 2: Nghiên cứu cải tiến mô hình MARINE.
Chương 3: Ứng dụng mơ hình MARINE cải tiến để mơ phỏng và dự báo
dịng chảy trên một số lưu vực sông ở khu vực Nam Trung Bộ.


7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN MÔ PHỎNG VÀ DỰ BÁO TRÊN LƯU
VỰC THIẾU SỐ LIỆU
1.1. CÁC KHÁI NIỆM
Tích hợp là sự kết hợp những hoạt động, chương trình hoặc các thành
phần khác nhau thành một khối chức năng [23]; tích hợp có nghĩa là sự
thống nhất, sự hịa hợp, sự kết hợp. Tích hợp (Integration) có nguồn gốc từ
tiếng La tinh với nghĩa là xác lập cái chung, cái toàn thể, cái thống nhất trên cơ
sở các bộ phận riêng lẻ, tức là kết hợp các phần, các bộ phận với nhau trong
một tổng thể.
Mơ hình thủy văn tích hợp là sự kết nối và tương tác giữa các mơ hình
hoặc mô đun để mô phỏng các thành phần của quá trình thủy văn trên lưu vực
sơng. Mục đích là cho phép mơ hình hóa tích hợp, tăng khả năng ứng dụng và
mô phỏng trong các điều kiện khác nhau, đồng thời cung cấp các ứng dụng để
ghép nối các mô hình [50]. Tích hợp mơ hình tốn thủy văn gồm 3 phương
pháp: (1) tích hợp cơng cụ trong mơ hình, (2) tích hợp cơ sở dữ liệu trong mơ
hình và (3) tích hợp các mơ hình. Các cấp độ tích hợp: (1) nối tiếp, (2) lai ghép

và (3) hợp nhất.
Tích hợp cơng cụ trong mơ hình tốn là kết nối mơ hình với cơng cụ hỗ
trợ để tăng cường khả năng thiết lập hoặc mơ phỏng cho mơ hình. Ví dụ, cơng
cụ GIS tích hợp trong mơ hình Mike Urban và HydGIS, cơng cụ OMS (Object
Modeling System) tích hợp trong mơ hình GEOTOP [51], [71], [108].
Tích hợp cơ sở dữ liệu trong mơ hình tốn là kết nối mơ hình với cơ sở
dữ liệu thông qua công cụ hỗ trợ tạo tham số, chuyển đổi số liệu đầu vào cho
mô hình. Ví dụ, tích hợp dữ liệu viễn thám để định lượng mưa trong mơ hình
IFAS [42]; dữ liệu khí tượng, loại đất, thảm phủ thực vật được tích hợp thông
qua sơ đồ chuyển đổi SVATS (Soil Vegetation Atmosphere Tranfer Scheme)
cho mơ hình TOP để xây dựng phần mềm TOPLATS (Topmodel - based Land
Atmosphere Tranfer Scheme) [79]; dữ liệu trạm khí tượng, radar, ảnh mây vệ
tinh, thảm phủ thực vật, thổ nhưỡng, địa hình, lượng mưa từ mơ hình số trị được


8

xây dựng thành bộ cơ sở dữ liệu DIAS (Data Integration and Analysis System)
và tích hợp với mơ hình WEB-DHM [38].
Tích hợp các mơ hình tốn là kết nối các mơ hình tốn để mơ phỏng các
thành phần của q trình thủy văn trên lưu vực sơng. Có 2 loại tích hợp các mơ
hình tốn là: tích hợp các mơ hình tốn độc lập và tích hợp các mơ hình tốn
thành phần.
Tích hợp các mơ hình tốn độc lập là sự ghép nối các mơ hình tốn hồn
chỉnh với nhau. Phương pháp tích hợp này được ứng dụng khá phổ biến như:
ghép nối các mơ hình trong bộ mơ hình Mike hoặc WETSPA với HEC - RAS,
DIMOSOP với Muskingum, IFAS với Mike Flood, Tank với Mike 11, Tank
với VRSAP, Tank với Muskingum, HEC - RAS với HEC - HMS, NAM với
Telemac-2D, GIUH với sóng động học hoặc việc tích hợp nhiều mơ hình dưới
dạng các mơ đun trong các phần mềm hỗ trợ dự báo như phần mềm Delf FEWS [1], [12], [19], [45], [69], [88], [98].

Tích hợp các mơ hình tốn thành phần là sự kết hợp các mơ hình con
(module) trong một mơ hình chính, hồn chỉnh. Ví dụ, mơ hình IHM là sự hợp
nhất của mơ hình dịng ngầm ModFlow và mơ hình dịng mặt HSPF [64], mơ
hình SWIM là sự hợp nhất mơ hình quản lý nguồn nước WbalMo với mơ hình
thủy lực khu vực CCLM [66], mơ hình tích hợp về chất lượng nước IQQM.
Tích hợp ở cấp độ nối tiếp (link) là sử dụng đầu ra của đối tượng này làm
đầu vào của đối tượng kia và giữa chúng khơng có tác động gì với nhau.
Tích hợp ở cấp độ lai ghép (couple) là sự liên kết giữa đầu vào, đầu ra
của các đối tượng và đầu vào của đối tượng này có ảnh hưởng đến đầu ra của
đối tượng kia.
Tích hợp ở cấp độ hợp nhất (integrate) là sự kết hợp, gắn kết giữa các
đối tượng thành một thể thống nhất.
Nếu chỉ dựa vào cơ sở lý thuyết, mơ hình và phương pháp thực nghiệm
thủy văn thì gần như khơng đủ khả năng dự báo cho lưu vực thiếu số liệu


9

(Sivapalan, 2003). Hơn nữa, để nâng cao nhận thức về sự liên kết giữa các thành
phần của quá trình thủy văn dựa vào phản ứng của số liệu đầu vào, đặc tính cấu
trúc vật lý và cho kết quả đầu ra hợp lý, là một thách thức đối với lưu vực thiếu
số liệu (Wagener, 2007; Gupta, 2008). Nói cách khác, lưu vực thiếu số liệu là
lưu vực không thể xác định được thành phần của quá trình thủy văn từ đặc điểm
tự nhiên lưu vực như khí hậu, địa hình, địa chất, loại đất và sử dụng đất [57].
Tim Van Emmerik và cộng sự (2015) cho rằng, lưu vực thiếu số liệu quan trắc
là lưu vực thiếu đáng kể dữ liệu thủy văn tại chỗ như lượng mưa, dòng chảy,
bốc hơi theo thời gian [47].
1.2. TỔNG QUAN MÔ PHỎNG VÀ DỰ BÁO THỦY VĂN BẰNG MƠ
HÌNH TỐN
Nghiên cứu thủy văn có lịch sử kéo dài hàng thiên niên kỷ (Biswas,

1970); tuy nhiên, sự ra đời của lĩnh vực dự báo thủy văn có thể bắt nguồn từ
những năm 1850 (Mulvany, 1850; Darcy, 1856). Cho đến những năm 1960,
nhiều tiến bộ đột phá trong việc mơ hình hóa các thành phần khác nhau của chu
trình thủy văn đã được thực hiện, các tiến bộ này dựa trên các định luật vật lý
toán học và một số dựa trên cơ sở của thí nghiệm hoặc thực địa thủy văn [102].
Bằng các nghiên cứu thí nghiệm và thực nghiệm, đã hình thành mơ hình vật lý
thu nhỏ (tương tự vật lý) với khả năng mô phỏng trực quan, sát với thực tế
nhưng cần nhiều thời gian và chi phí để xây dựng. Sự phát triển của cơng nghệ
máy tính là tiền đề phát triển các phương pháp mô phỏng và dự báo thủy văn
bằng phương pháp toán học, từ các phương pháp thống kê đơn giản như mực
nước tương ứng, hồi quy đến các mơ hình ngẫu nhiên như: Markov, Fragment,
ARIMA, ARX, ARMAX, Monte - Carlo, Thormat - Frering và các mơ hình
hộp đen như: ANN, DBM. Cuộc cách mạng máy tính vào những năm 1960 đã
tạo một bước tiến nhảy vọt cho mơ hình thủy văn và có khả năng mơ phỏng
q trình dịng chảy lưu vực sơng [91], [102]. Q trình phát triển sau đó đã
xuất hiện nhiều mơ hình tốn thủy văn, từ các mơ hình tuyến tính thơng số tập
trung như: Tank, NAM, SSARR, Kalinhin - Miliukốp - Nash, HBV, CLS,