Nghiên cứu cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ để phát triển bền vững lưu vực sông hồng tổng thuật tài liệu

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

VIỆN QUI HOẠCH THỦY LỢI

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KH&CN CẤP BỘ:

“NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC
VÀ GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ ĐỂ PHÁT TRIỂN BỀN VỮNG
LƯU VỰC SƠNG HỒNG”
Chủ nhiệm đề tài: TS. Tơ Trung Nghĩa
_________________________________________________

BÁO CÁO TỔNG KẾT CÁC CHUYÊN ĐỀ NGHIÊN CỨU:

TỔNG THUẬT TÀI LIỆU

7226-3
19/03/2009
HÀ NỘI - 2008


BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN
VIỆN QUY HOẠCH THUỶ LỢI

BÁO CÁO TỔNG KẾT CHUN ĐỀ
RÀ SỐT, PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ CÁC NGUỒN
TÀI LIỆU TRONG VÀ NGỒI NƯỚC CĨ LIÊN QUAN
TRONG TÍNH TỐN THUỶ VĂN, TÍNH CÂN BẰNG
NƯỚC PHỤC VỤ QUẢN LÝ TỔNG HỢP
TÀI NGUYÊN NƯỚC
Một số hướng tiếp cận của các mơ hình tốn thơng dụng như TANK,

NAM,MITSIM, MIKE BASIN

CƠ QUAN CHỦ TRÌ THỰC HIỆN

Chủ nhịêm đề tài : TS. Tô Trung Nghĩa
Chủ nhiệm chuyên đề : Ks. Vũ Phương Nam

Hà nội, 2007


MỤC LỤC
Mục

Trang

I. GIỚI THIỆU CHUNG

1

II. PHƯƠNG PHÁP VÀ SỐ LIỆU NGHIÊN CỨU

2

II.1. MƠ HÌNH THUỶ VĂN

2

II.1.1. Khái niệm về mơ hình trong thuỷ văn

2

II.1.2. Phân loại mơ hình tốn thuỷ văn

3

II.1.3. Xác định thơng số trong mơ hình tốn thuỷ văn

4

II.1.4. Một số hướng tiếp cận của các mơ hình thuỷ văn

5

A. Mơ hình TANK

5

B. Mơ hình NAM

8

II.2. TÍNH TỐN CÂN BẰNG NƯỚC
II.2.1. Đặt vấn đề

13

II.2.2. Mục đích và yêu cầu tính tốn cân bằng nước

13

II.2.3. Một số hướng tiếp cận của các mơ hình tính tốn cân bằng nước

16

A. Mơ hình MITSIM

16

B. Mơ hình MIKE BASIN

24

III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

27

IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

28

V. PHỤ LỤC

28

2


I. GIỚI THIỆU CHUNG
Trong vài chục năm gần đây, việc tính tốn thuỷ văn và tính cân bằng nước được
mơ hình hố một cách hết sức mạnh mẽ. Tại nhiều quốc gia, ở nhiều Trung tâm, Viện

nghiên cứu, trường Đại học lớn trên thế giới đã đầu tư rất nhiều cho lĩnh vực nghiên
cứu này, điển hình là các nước như Mỹ, Nhật Bản, Anh, Đan Mạch, Hà Lan,
Pháp…Hàng trăm mơ hình lớn nhỏ được ra đời và áp dụng rộng rãi trong rất nhiều các
lưu vực sông lớn nhỏ trên thế giới và đều đưa ra được các kết quả rất khả quan và có
tính tin cậy cao.
Các mơ hình tính tốn dịng chảy nổi tiếng thế giới cũng đã có mặt ở Việt Nam.
Các Viện nghiên cứu, trường Đại học hay các công ty tư vấn thuộc ngành nước đều đã
ứng dụng các mơ hình tính tốn dịng chảy vào trong các nghiên cứu của mình, kết quả
mà các mơ hình đưa ra đều được đánh giá rất tốt, phục vụ rất đắc lực cho việc thiết kế
công trình cũng như các nghiên cứu về sử dụng và quản lý tổng hợp tài ngun nước.
Việc mơ hình hố dịng chảy xuất phát từ vấn đề đó là đánh giá lượng dịng chảy
vì một lý do nào đấy khơng quan trắc được. Đây là vấn đề khó khăn mà thực tế không
chỉ riêng các nhà thuỷ văn ở nước ta đang phải đối mặt. Chúng ta có một hệ thống các
trạm quan trắc dòng chảy rất hạn chế về số lượng, chỉ tập trung ở những sông lớn, lưu
vực rộng. Còn nhiều lưu vực vừa và nhỏ vẫn chưa có được trạm quan trắc. Do vậy các
mơ hình tính tốn dịng chảy đang và sẽ là những cơng cụ rất quan trọng trong các
nghiên cứu, tính tốn của ngành nước.
II. PHƯƠNG PHÁP VÀ SỐ LIỆU (TÀI LIỆU) NGHIÊN CỨU
Trong chuyên đề này sẽ nghiên cứu các tài liệu trong và ngồi nước có liên quan
đến tính tốn thuỷ văn và cân bằng nước, phân tích và đánh giá một số các mơ hình
tính tốn dịng chảy đã được áp dụng nhiều trong các nghiên cứu về dòng chảy ở các
lưu vực sơng của Việt Nam như mơ hình TANK, NAM, MITSIM và MIKE BASIN.
II.1. MƠ HÌNH THUỶ VĂN
II.1.1. Khái niệm về mơ hình trong thuỷ văn
Việc nghiên cứu q trình chuyển động của nước giữa khí quyển, các lục địa và
các đại dương của một tuần hoàn thuỷ văn có ý nghĩa quan trọng và được đặt ra một
cách tồn diện nhờ sự phát triển của cơng nghệ thơng tin và lý thuyết phân tích hệ
thống.
Việc nghiên cứu các quá trình chuyển động của nước được giải quyết bằng kỹ
thuật phân tích hệ thống mà trọng tâm của nó là mơ hình hố các q trình nghiên cứu.

Trong thuỷ văn, mơ hình là sự biểu diễn bằng tốn hay vật lý một hiện tượng hay tổng
thể các hiện tượng nghiên cứu và các thơng số đặc trưng cho tính phức tạp, sự thay đổi
theo không gian và thời gian của chúng.
Các mơ hình này có thể chia làm 3 loại chính:
-

Mơ hình vật lý

-

Mơ hình tương tự

-

Mơ hình tốn thuỷ văn

Việc mô tả các hiện tượng thuỷ văn bằng các biểu thức tốn học được gọi là mơ
hình tốn thuỷ văn. Vì các hiện tượng thuỷ văn phụ thuộc vào nhiều yếu tố và biến đổi
3


theo cả thời gian và không gian, cho nên các mơ hình tốn học biểu diễn đầy đủ các
mối liên quan phức tạp này địi hỏi khối lượng tính tốn lớn. Với sự trợ giúp của máy
tính điện tử, mơ hình tốn thuỷ văn được phát triển rất mạnh góp phần quan trọng đưa
các phương pháp tính tốn dịng chảy từ mưa vào ứng dụng trong thức tiễn.
I.1.2. Phân loại mơ hình tốn thuỷ văn
Mơ hình tốn thuỷ văn có thể được chia làm 2 loại: mơ hình tất định và mơ hình
ngẫu nhiên:
1- Mơ hình ngẫu nhiên: Vì dịng chảy chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố,
mỗi yếu tố lại tác động lên dòng chảy theo những quy luật riêng, phức tạp, do đó mơ

hình tốn học dù có chi tiết cũng khó mơ tả đầy đủ chính xác tất cả các mối quan hệ
này. Mơ hình tốn học coi giá trị dịng chảy mang tính ngẫu nhiên và chuỗi số tập hợp
các giá trị của dòng chảy phải tn theo quy luật thống kê.
Những mơ hình tốn loại này đang được sử dụng có hiệu quả trong việc dự báo
thủy văn dài hạn và tính tốn thiết kế các cơng trình trên sơng. Hiện có 2 loại:
- Một là để tính khả năng xuất hiện của hiện tượng, thường dùng để tính tốn
thiết kế các cơng trình trên sơng. Nội dung chính là lựa chọn đường phân bố xác suất
phù hợp nhất với chuỗi quan trắc đã có, tức là đi tìm luật phân phối xác suất lý luận
mà dịng chảy tn theo. Ví dụ như các hàm phân bố Pearson III, Log Normal,
Gumbel…
- Loại thứ 2 là mơ hình ngẫu nhiên để tính tốn dự báo dịng chảy như các mơ
hình AR, ARIMA, phương pháp Montecarlo …
2- Mơ hình tất định: Dịng chảy được coi là kết quả tất nhiên của lượng mưa,
độ ẩm,… và đặc điểm bề mặt lưu vực. Trên cơ sở đó mơ hình tìm các biểu diễn các
quan hệ mưa - dịng chảy bằng các biểu thức toán học khác nhau. Trong việc mơ hình
hố sự hình thành dịng chảy thì có 2 cách tiếp cận
• Cách tiếp cận vật lý - tốn: Các cơng thức biểu diễn 3 quy luật chung nhất của
vật lý trong trờng hợp riêng này là: Bảo tồn vật chất (phương trình liên tục
hoặc cân bằng nước), bảo tồn năng lượng (phương trình cân bằng động lực),
bảo tồn động lượng (phương trình động lượng). Hệ Sain - Venant cùng với
phương pháp số cụ thể giải nó là ví dụ minh hoạ về cách tiếp cận này trong việc
mơ hình hố giai đoạn cuối cùng của sự hình thành dịng chảy - giai đoạn chảy
trong hệ thống sơng. Tuy nhiên cần phải có tài liệu về địa hình, các đặc trưng
địa mạo …
• Cách tiếp cận thơng số hố: Cách xây dựng mơ hình trên cơ sở sử dụng tài liệu
quan trắc đồng bộ giữa mưa và dòng chảy. Điều này cho phép lựa chọn các
thông số theo tài liệu đo đạc
Mơ hình thơng số tập trung thường xét diện tích dịng chảy cơ sở và các thơng số
đặc trưng trung bình cho cảc lưu vực. Mơ hình thông số tập trung biểu diễn hàm vào
và hàm ra phụ thuộc vào thời gian mà không xét theo không gian.

Mơ hình thơng số phân tán ngồi yếu tố thời gian cịn chứa ít nhất một thơng số
nữa thí dụ như khơng gian.
Những mơ hình có thơng số tập trung lại có thể được chia làm 2 loại mơ hình hộp
đen và mơ hình quan niệm

4


- Mơ hình hộp đen: Cấu tạo và thơng số của mơ hình khơng rõ ràng Các mơ hình
thơng số đơn giản của dòng chảy mặt đã sớm được dùng trong thuỷ văn. Những mơ
hình đầu tiên thường là những mơ hình mơ phỏng quan hệ giữa dịng chảy mặt với
lượng mưa và diện tích hứng nước có dạng thuần t kinh nghiệm.
- Mơ hình quan niệm: Khi hiểu biết càng sâu hơn thì mơ hình được dùng ngày
càng phức tạp hơn. Do độ phức tạp ngày càng tăng dẫn đến sự phân chia về mặt
phương hướng sử dụng mô hình. Sự phân chia này đã đẫn đến mơ hình thành phần và
mơ hình hệ thống
Chu trình thuỷ văn xảy ra trên mặt đất có thể chia thành nhiều thành phần. Quan
trọng nhất là các thành phần thấm, bốc hơi, dịng chảy ngầm và diễn tốn dịng chảy
sơng ngịi, bao gồm sự tập trung dòng chảy trên sườn dốc và dịng chảy trong sơng
Chính từ việc nghiên cứu từng thành phần đã dẫn tới việc tìm hiểu các qui luật
vật lý, điều khiển các yếu tố và dẫn tới xây dựng mơ hình kinh nghiệm càng gần với
bản chất vật lý của hiện tượng
Các mơ hình quan niệm phổ biến như: SSARR (Mỹ), TANK (Nhật), Stanford
(Mỹ), NAM (Đan Mạch)…
Sự phân loại mơ hình nêu trên được trình bày ở hình dưới đây
MƠ HÌNH TỐN THUỶ VĂN

Mơ hình tất định

Mơ hình thơng

số tập trung

Mơ hình
hộp đen

Mơ hình ngẫu nhiên

Mơ hình thơng
số phân tán

Mơ hình
quan niệm

Hình 1. PHÂN LOẠI MƠ HÌNH THUỶ VĂN
I.1.3. Xác định thơng số trong mơ hình tốn thuỷ văn
Các mơ hình nhiều thơng số được xây dựng trên cơ sở các nguyên tắc vật lý và
chứa hàng chục thông số đối với mỗi lưu vực. Đặc biệt là các thơng số đó lại khơng
thể đo đạc hoặc tính toán trực tiếp theo các đặc trưng địa vật lý và khí hậu của lưu vực.
Bởi vậy chỉ có thể dựa vào tình hình mưa dịng chảy cùng với những đặc trưng có thể
biết được của lưu vực. Theo những nhận định về vật lý chỉ có thể đánh giá phạm vi
biến đổi của các thông số đối với mỗi lưu vực và tính áng chừng ít nhiều giá trị ban
đầu của thơng số.
Dựa vào cách đặt bài tốn xác định thơng số của mơ hình, phần tử nào là cho
trước, phần tử nào cần xác định ta phân ra bài toán thuận hay ngược.
5


+ Bài toán thuận là bài toán dựa trên lượng vào và điều kiện ban đầu cho trước
của mơ hình, cần phải xác định lượng ra.
+ Bài toán ngược, lượng ra được coi là cho trước và cần tìm các giá trị thơng số.

Bài tốn ngược quan trọng nhất đối với thuỷ văn hiện đại là xác định các thông
số và các phần tử chưa biết của cấu trúc mô hình. Những bài tốn ngược thường là các
bài tốn thiết lập khơng đúng đắn bởi vì những sai sót nhỏ của số liệu gốc có thể dẫn
đến những sai số lớn trong những đại lượng ra (những thông số của mơ hình)
Việc xác định những thơng số dùng trong thuỷ văn rất phức tạp mặt khác lại
không thể đảm bảo tính duy nhất nghiệm. Bởi vậy cần sử dụng các phương pháp tối ưu
hố giải quyết trên máy tính. Một trong những phương pháp được dùng nhiều là
phương pháp tối ưu của Rosenbrock.
Đối với bất kỳ mơ hình tốn thuỷ văn nào, muốn sử dụng cho một lưu vực cụ
thể, trước hết phải xác định được giá trị thông số của mơ hình. Thế nhưng những thơng
số đó lại khơng thể xác định bằng cách đo đạc trực tiếp mà chỉ có thể dựa vào sự hiểu
biết địa lý và điều kiện khí hậu nhất định để chọn lựa áng chừng các thông số rồi thử
đi, thử lại nhiều lần khi nào thấy phù hợp theo một tiêu chuẩn nào đó thì thơi. Để làm
được điều này địi hỏi người sử dụng phải có kiến thức về mơ hình và sự hiểu biết kỹ
lưỡng về lưu vực nghiên cứu.
I.1.4. Một số hướng tiếp cận của các mơ hình thuỷ văn
Từ trước tới nay một số mơ hình tốn được thiết lập để tính tốn thuỷ văn và
được áp dụng hầu hết trong các nghiên cứu và dự án, trong đó có các mơ hình như :
TANK, NAM. Sau đây là một số nét sơ lược về các mơ hình đó :
A. Mơ hình TANK
a. Giới thiệu mơ hình
Mơ hình TANK ra đời năm 1956 tại Trung tâm Quốc gia phòng chống lũ lụt của
Nhật bản, tác giả M.Sugawara. Từ đó đến này mơ hình đã được hồn thiện dần và ứng
dụng rộng rãi nhiều nơi trên thế giới.
Ở Việt nam rất nhiều cơ quan nghiên cứu ứng dụng như Viện Quy hoạch Thuỷ
lợi, Trường Đại học Thuỷ lợi, Viện Khí tượng Thuỷ văn …
b. Khả năng áp dụng
Mơ hình TANK là một trong những mơ hình được coi là mơ phỏng tốt q trình
dịng chảy trong lưu vực sơng. Mơ hình tính tốn dịng chảy từ các yếu tố khí tượng
như lượng mưa, bốc hơi phục vụ cho công tác phục hồi số liệu, bổ sung số liệu, dự báo

dòng chảy... dùng cho việc quy hoạch hệ thống thuỷ lợi, tính tốn xây dựng các qui
trình vận hành hồ chứa nước...
c. Yêu cầu số liệu
- Tài liệu mưa bình quân lưu vực (lượng mưa ngày, 10 ngày...) : Trong lưu vực
phải có đủ số trạm mưa để đại diện được lượng mưa cho tồn lưu vực, lượng mưa bình
qn lưu vực được tính tốn theo phương pháp đa giác Thiesen hoặc bình quân số học.
- Tài liệu bốc hơi lưu vực : Lấy theo số liệu của trạm khí tượng
- Tài liệu dịng chảy của các năm có số liệu đo đạc để làm cơ sở kiểm định sự
phù hợp của mơ hình (các thơng số mơ hình chọn tính toán phù hợp).
d. Cơ sở lý thuyết
6


Mơ hình TANK là điển hình của mơ hình dạng bể chứa, có cấu trúc tương tự như
các bể chứa ẩm trong các tầng đất lưu vực. Trong quá trình phát triển tác giả đưa ra hai
loại mơ hình cấu trúc dạng đơn và cấu trúc dạng kép
Mơ hình TANK dạng đơn gồm một số bể chứa xếp theo chiều thẳng đứng. Mỗi
bể chứa có một cửa ra ở đáy và 1 hoặc một số cửa ra ở thành bên. Nước mưa là lượng
vào bể trên cùng, sau khi khấu trừ tổn thất, một phần thấm xuống dưới theo cửa ra ở
đáy, một phần cung cấp cho dòng chảy trong sơng theo các cửa ra thành bên. Dịng
chảy tổng cộng các cửa ra thành bên cuối cùng được diễn toán qua một bể điều tiết
phản ánh khả năng điều tiết của lưu vực, cuối cùng của cửa ra.
Cấu trúc mô hình tương đối đơn giản thích hợp với các lưu vực vừa và nhỏ nằm
trong vùng ẩm ướt. Thường dùng dạng 4 bể chứa (A,B,C,D) và bể trên cùng (A) có 2
hoặc 3 cửa ra thành bên, các cửa dưới chỉ có 1 cửa ra thành bên.
Biểu thị dịng chảy qua các cửa ra thành bên, tác giả dùng một quan hệ đơn giản,
lượng dòng chảy ra là hàm tuyến tính của lượng trữ.
Y=β(X-H)
Yo=α.X
Trong đó :

β, α là hệ số dòng chảy cửa ra thành bên và đáy
H: ngưỡng của cửa ra
X: Lượng trữ trong bể

Hình 2: CẤU TRÚC MƠ HÌNH TANK DẠNG ĐƠN
7


- Nhóm thơng số về các cửa ra gồm:
Hệ số dòng chảy cửa ra thành bên: Bể A (A1, A2, A3), bể B (B1), bể C (C1),
bể D (D1) và các hệ số cửa ra ở đáy A0, B0, C0, D0.
Độ cao ngưỡng cửa ra thành bên : HA1, HA2, HA3, HB, HC, HD.
Thông số bể điều tiết: Hệ số cửa ra CH1, CH2; Độ cao ngưỡng: H
• Cấu trúc ẩm: Mô tả cấu trúc ẩm của tầng đất mặt, trong bể trên cùng tác giả
chia làm 2 phần: trên và dưới. Giữa 2 phần có sự truyền ẩm lên xuốngtrong một
số điều kiện như hiện tượng thấm trọng lực, hiện tượng mao dẫn.
Các thông số độ ẩm của mô hình gồm:
Lớp ẩm bão hồ của phần trên và phần dưới bể A : PS và SS
Lớp ẩm thực tế tại các bể : bể A (XA, XS), bể B(XB), bể C(XC), bể D(XD) và
bể điều tiết (XCH).
Trong bể A: Hệ số truyền ẩm lên TB0, TB; hệ số truyền ẩm xuống TC0, TC
Hình 3: CÁC THƠNG SỐ TRONG BỂ A
T1

T1=TBo+(1-XA/PS)TB

T2

T1

TBo
XA
PS

T2
T2=TCo+(1-XS/SS)TC

TCo

XS
SS

- Cơ cấu truyền ẩm:
Khi phần trên bão hoà ẩm, có lớp nước tự do trên mặt đất (XA>PS) mà phần
dưới bể A chưa bão hồ (XStheo công thức: T2=TCo+(1-XS/SS)TC
8


Khi phần trên chưa bão hoà ẩm (XA< PS) và phần dưới bão hồ ẩm (XS=SS) thì
có sự truyền ẩm lên theo tốc độ T1 theo cơng thức: T1=TBo+(1-XA/PS)TB
Trong đó : TC0,TC, TB0,TB là các hệ số truyền ẩm, có thể lấy theo kinh ngiệm
hoặc xác định theo thử sai.
e. Các bước tính tốn của mơ hình
- Tính mưa bình quân lưu vực vực lấy theo phương pháp bình quân gia quyền
hoặc theo phương pháp Thiesien
- Tính bốc thốt hơi nước và truyền ẩm.
Cân bằng nước bể A và tính dòng chảy mặt Y=YA1+YA2+YA3 và dòng xuống
bể B (YA0)

Tiếp tục cân bằng nước bể B, C và D để tính dịng chảy sát mặt và dịng chảy
ngầm
Tính bể điều tiết để tìm dịng chảy ở cửa ra của lưu vực
Khi diễn tốn dịng chảy như cấu trúc mơ hình khó thể hiện được sự trễ của dòng
chảy so với quá trình mưa. Để giải quyết tác giả dùng cách dịch chuyển nhân tạo với
thời gian trễ Tlag
f. Thông số của mơ hình
Mơ hình TANK là mơ hình nhiều thơng số nhưng nhóm thơng số chính là hệ số
các cửa ra các bể, hệ số hiệu chỉnh mưa và tỷ trọng trạm mưa. Các thơng số khác ảnh
hưởng đến dịng chảy tính tốn ở mức độ thấp hơn.
Các thơng số cửa ra các bể trong việc diễn tả cân bằng nước từng bể và giữa các
bể với nhau có mối quan hệ nhất định phản ánh đặc tính từng thành phần dịng chảy.
Ví dụ: Tổng hệ số cửa ra thành bên và đáy khơng thể lớn hơn 1. Hệ số dịng chảy cửa
ra thành bên bể A phải lớn hơn các bể B, C, D…
Để đánh giá kết quả mô phỏng, dùng hệ số Nash-Sutcliff (Nash và Sutcliff 1970)
N

R = 1−
2

∑ (Qdo, i − Qtinh, i)
i =1
N

∑ (Qdo, i − Qdo)

2

2

i =1

với Qtinh, i là lưu lượng mô phỏng tại thời gian i, Qdo, i : là lưu lượng quan sát được
tương ứng và Qdo là lưu lượng thực đo trung bình.
Khi hiệu chỉnh thơng số của mơ hình, có một số điểm cần chú ý:
- Với tính tốn dịng chảy ngày: cần hiệu chỉnh thông số cho một số năm bao
gồm cả năm lũ lớn và lũ bé. Khi mô phỏng dịng chảy lũ chủ yếu quan tâm đến các
thơng số bể A. Vấn đề mơ phỏng dịng chảy kiệt phức tạp hơn, nhất là các thời kỳ kiệt
trong năm (thời điểm, trị số), muốn đạt được kết quả hợp lý phải xem xét chủ yếu cơ
cấu ẩm trong tầng đất và thông số bể D, thông qua diễn biến XD.
B. Mơ hình NAM
a. Giới thiệu mơ hình NAM
Mơ hình thuỷ văn NAM mơ phỏng q trình lượng mưa-dịng chảy mặt xảy ra tại
phạm vi lưu vực sơng. NAM hình thành nên một phần của mơ đun lượng mưa-dịng
chảy mặt (RR) của hệ thống lập mơ hình sơng MIKE 11. Mơ đun lượng mưa-dịng
chảy mặt có thể được áp dụng độc lập hoặc dùng để thể hiện một hoặc nhiều lưu vực
9


thành phần tạo ra dòng ngang chảy vào một mạng sơng. Như vậy, việc thiết lập mơ
hình để mơ phỏng một lưu vực sông nhỏ riêng lẻ hay một lưu vực sơng lớn có ( nhiều
lưu vực sơng nhỏ và một mạng sơng ngịi phức tạp đều có thể thực hiện được.
NAM là từ viết tắt của tiếng Đan Mạch “ Nedbor – afstromnings – Model”, có
nghĩa là mơ hình giáng thuỷ – dịng chảy mặt. Mơ hình này đầu tiên do Khoa Tài
nguyên nước và Thuỷ lợi của Trường Đại học Đan Mạch xây dựng (Nielsen và
Hansen, 1973).
Mơ hình thuỷ văn toán học như NAM là một bộ biểu thức tốn học kết nối với
nhau mơ tả hoạt động của chu kỳ thuỷ văn trong pha đất bằng hình thức định lượng
được đơn giản hoá. NAM thể hiện các thành phần khác nhau trong q trình mưa –
dịng chảy mặt bằng cách tính tốn sự thay đổi lượng nước liên tục trong bốn thành

phần trữ lượng khác nhau có tương tác lẫn nhau. Mỗi trữ lượng thể hiện một thành
phần vật lý của lưu vực sơng nhỏ. NAM có thể được sử dụng để lập mơ hình thuỷ văn
liên tục cho một thời đoạn có dịng chảy hoặc để mơ phỏng những sự kiện riêng lẻ.
Mơ hình NAM là một mơ hình tất định, tập trung, khái niệm, với các yêu cầu về
số liệu đầu vào ở mức trung bình. Phân loại mơ hình đã được mơ tả trong Abbott và
Refsgaard (1996). Refsgaard và Knudsen (1997) đã so sánh một số các mơ hình thuỷ
văn khác nhau bao gồm cả mơ hình NAM xét cả về khía cạnh u cầu dữ liệu và vận
hành của mơ hình.
Mơ hình NAM là một công cụ kỹ thuật được chứng minh là áp dụng tốt cho một
số các lưu vực sông nhỏ trên thế giới, với cơ chế thuỷ văn và điều kiện khí hậu khác
nhau.
b. Cấu trúc mơ hình NAM
Một mơ hình khái niệm như NAM dựa trên các phương trình và cấu trúc vật lý
cùng với các phương trình bán kinh nghiệm. Là một mơ hình tập trung, NAM coi mỗi
một lưu vực là một đơn vị riêng lẻ. Do đó, tham số và biến số thể hiện giá trị trung
bình cho tồn bộ lưu vực. Như vậy, một vài tham số mơ hình có thể được đánh giá từ
dữ liệu lưu vực vật lý nhưng ước tính tham số cuối cùng phải được dựa trên mô phỏng
theo chuỗi thực đo.

10


Hình 4. CHU TRÌNH THUỶ VĂN

Hình 5. CẤU TRÚC MƠ HÌNH NAM
Cấu trúc mơ hình NAM được trình bày trong Hình 3. Đó là mơ phỏng pha đất
thuộc chu kỳ thuỷ văn. NAM mơ phỏng q trình mưa – dịng chảy mặt bằng tính
tốn sự biến đổi lượng nước trong 4 thành phần lượng trữ khác nhau có tương tác lẫn
nhau, thể hiện các thành phần vật lý khác nhau của lưu vực. Các thành phần lượng trữ
gồm:

• Lưu trữ tuyết
• Lưu trữ bề mặt
• Lưu trữ vùng bộ sát mặt hoặc vùng bộ rễ
• Lưu trữ nước ngầm
Ngồi ra NAM cho phép xử lý các can thiệp của con người trong chu kỳ thủy văn
như tưới và bơm nước ngầm.
Dựa trên dữ liệu thuỷ văn, NAM tính được dịng chảy ra của lưu vực cũng như các
yếu tố khác của pha đất trong chu kỳ thuỷ văn, chẳng hạn như sự thay đổi trong bốc
hơi, độ ẩm của đất, lượng ngấm nước bề mặt và mực nước ngầm. Dòng chảy ra của
lưu vực được chia thành dòng chảy trên mặt đất, chảy sát mặt và dòng chảy ngầm.
Dòng chảy mặt QOF được xác định từ lượng mưa PN theo:
11


L/Lmax - TOF
⎧
PN Khi L / L max > TOF
⎪CQOF
1 − TOF
QOF = ⎨
⎪0
Khi L / L max < TOF
⎩

Hình 6. Quan hệ L/Lmax và QOF/PN.
Dòng chảy sát QIF mặt được xác định như sau:
L/Lmax - TIF
⎧
U Khi L / L max > TIF
⎪CKIF

1 − TIF
QIF = ⎨
⎪0
Khi L / L max < TIF
⎩

Hình 7. Dịng chảy sát mặt
Lượng bổ sung cho nước ngầm được tính bằng:
L/Lmax - TG
⎧
U Khi L / L max > TG
⎪( PN − QOF)
1 − TG
G=⎨
⎪0
Khi L / L max < TG
⎩
DL = ( PN − QOF) - G

12


Hình 8. Lượng bổ sung nước ngầm
Lưu lượng nước ngầm BF được tính như sau:
⎧(GWLBF0 − GWL) Sy (CK BF ) −1 Khi GWL < GWLBF0
QF = ⎨
Khi GWL > GWLBF0
⎩0

Các thơng số cơ bản của mơ hình NAM:

-

Umax : Khả năng trữ tối đa của lớp bề mặt, giá trị thường trong khoảng 1025mm.

-

Lmax : Khả năng trữ tối đa của tầng sát mặt, gia trị thường trong khoảng 50300mm.

-

CQOF: Hệ số dòng chảy mặt, thực chất đây là hệ số chia lượng nước mưa chảy
tràn thành dòng chảy mặt và lượng nước ngấm xuống tầng dưới, CQOF = 0.01
– 0.99

-

TOF: Thể hiện sự quan hệ giữa độ ẩm (L/Lmax) của tầng đất sát mặt đối với
dòng chảy mặt. Tác động chính của hệ số này có thể hiện ở thời đoạn đầu của
mùa mưa, lúc đó khi tăng giá trị TOF sẽ làm trễ thời gian bắt đầu hình thành
dịng chảy mặt. TOF nhận giá trị từ 0 - 0.7, giá trị lớn nhất có thể lấy 0.99.

-

TIF: quan hệ giữa độ ẩm của đất và dòng chảy sát mặt.

-

TG: giá trị ngưỡng của tầng sát mặt đối với bổ sung nước ngầm. Giá trị này thể
hiện quan hệ giữa độ ẩm của đất (L/Lmax) đối với lượng bổ sung nước ngầm.
Giá trị TG = 0 - 0.7

-

CKBF: Thời gian truyền đối với nước ngầm, giá trị thường trong khoảng 500 –
5000 giờ.

-

CK1, CK2: Thời gian chảy truyền của dòng chảy mặt.

13


II. TÍNH TỐN CÂN BẰNG NƯỚC
II.1. Đặt vấn đề
Trong nghiên cứu tính tốn quy hoạch quản lý tổng hợp phát triển tài nguyên
nước (vẫn quen gọi là quy hoạch thủy lợi) tính tốn cân bằng nước là hết sức quan
trọng, nó là cơ sở để đề ra phương án quy hoạch thủy lợi, lựa chọn phương án và trình
tự thực hiện phương án quy hoạch qua các giai đoạn.
Cân bằng nước được tính tốn theo nhiều mức độ khác nhau từ tổng thể đến chi
tiết, từ toàn lưu vực đến từng cơng trình với mức độ chính xác của nó hoàn toàn phụ
thuộc vào tài liệu cơ bản và dân sinh kinh tế và các công cụ sử dụng cho tính tốn.
Trong mục này sẽ tập trung giới thiệu về mục đích u cầu của tính tốn cân
bằng nước, những tài liệu cần thiết, phương pháp và các bước tính tốn, việc áp dụng
khoa học cơng nghệ tiên tiến vào tính tốn. Kết quả của tính tốn cân bằng và việc sử
dụng nó trong quản lý tổng hợp tài nguyên nước.
II.2. Mục đích và u cầu tính tốn cân bằng nước
II.2.1. Mục đích tính tốn cân bằng
Nước là một tài nguyên được coi là một sản phẩm quan trọng nhất để duy trì
cuộc sống của động thực vật trên tồn thế giới. Tương tự như mọi loại hàng hoá cung

và cầu là vấn đề cần được xem xét đầu tiên để hoạch địch sự phát triển của mọi ngành
kinh tế. Khơng có sự cân bằng phù hợp thì sẽ xảy ra khủng hoảng, cung lớn hơn cầu
thì khủng hoảng thừa, cung nhỏ hơn cầu gây ra khủng hoảng thiếu. Do sự biến động
của tự nhiên và sự phát triển của xã hội, cung và cầu luôn luôn biến động với xu thế
ngày càng tăng về số lượng và đòi hỏi chất lượng ngày càng cao. Phải luôn tạo ra được
trạng thái cân bằng mới duy trì được sự phát triển bền vững. Đặc thù của nguồn nước
lại là một tài nguyên hữu hạn, xuất hiện theo một chu kỳ nhưng lại không đều theo
không gian và thời gian, muốn cân bằng được phải có tác động của con người vào chu
trình trên.
Nước thừa gây ra lụt lội, úng ngập, thiếu nước gây ra hạn hán, thừa hoặc thiếu
đều gây ra khủng hoảng ảnh hưởng to lớn tới cuộc sống của con người và phát triển
của xã hội. Cân bằng nước là cơ sở để con người biết khả năng của tự nhiên, mức độ
mất cân bằng do biến động của nguồn nước và kế hoạch phát triển kinh tế xã hội, cuộc
sống của con người hiện tại cũng như tương lai gây ra, từ đó tìm mọi biện pháp tạo ra
sự cân bằng mới đáp ứng phát triển bền vững nguồn nước đó là mục đích của tính tốn
cân bằng nước.
II.2.2. u cầu tính tốn cân bằng nước
Để xây dựng được bài tốn và tiến hành tính tốn cân bằng nước phải dựa trên
một số yêu cầu chủ yếu được đặt ra. Đồng thời với những điều kiện nhất định sẽ cho
kết quả tính tốn cân bằng tương ứng. Một số yêu cầu cơ bản để xây dựng bài toán cân
bằng đó là:
* u cầu về phạm vi (khơng gian): phạm vi của bài tốn cân bằng có thể biến
đổi rất lớn có thể là phạm vi cả nước, một vùng kinh tế, liên lưu vực, lưu vực, một
phần lưu vực, hệ thống thủy lợi, vùng lãnh thổ, tập hợp một số cơng trình hoặc một
cơng trình thủy lợi cụ thể nào đó. Tương ứng với phạm vi mà có mức độ tính tốn cân
bằng phù hợp và cho các kết quả từ mức tổng quát đến chi tiết có thể.

14

* Yêu cầu về thời gian: Bài toán cân bằng thường được tính tốn thể hiện kết quả
cho cả q khứ, hiện tại và tương lai. Thời đoạn trong tính tốn có thể là: năm, mùa,
tháng, 10 ngày hoặc chi tiết hơn tuỳ thuộc vào mục tiêu nghiên cứu của các quy hoạch.
* Yêu cầu về nguồn nước cung cấp: Nguồn nước được thể hiện dưới 3 dạng chủ
yếu đó là: nước mặt, nước mưa và nước ngầm.
- Nước mặt là nguồn nước chảy theo các dịng sơng, suối, kênh, rạch trong vùng
nghiên cứu và ven vùng quy hoạch, có khả năng cung cấp nước cho nhu cầu dùng
nước của vùng quy hoạch. Đây là nguồn nước xuất hiện theo tính ngẫu nhiên và rất
biến động theo cả khơng gian và thời gian (x, y, t) trong chu trình nhiều năm hình
thành những thời kỳ nhiều nước, ít nước. Tuy nhiên trong chu kỳ một năm hình thành
nên mùa lũ, mùa cạn, tháng khô hạn nhất, tháng nhiều nước nhất khá ổn định. Với
nguồn nước này con người có thể sử dụng các biện pháp cơng trình thủy lợi để điều
chỉnh lại ở mức có thể cả về lượng và hướng phục vụ nhu cầu dùng nước.
- Nước mưa cũng là nước mặt nhưng lại được rải trên bề mặt của vùng quy
hoạch, nó mang tính ngẫu nhiên và cũng biến động rất lớn cả về không gian và thời
gian. Trong chu trình nhiều năm mưa cũng hình thành thời kỳ mưa nhiều và thời kỳ
mưa ít nhưng trong một năm hình thành mùa mưa và mùa khơ. Với nguồn nước này
con người chưa có biện pháp tác động vào chu trình xuất hiện của nó, thường vẫn sử
dụng mang tính ngẫu nhiên (chủ yếu cho hộ dùng nước nơng nghiệp, có dân sinh
nhưng khơng đáng kể), mưa nhân tạo chỉ là ví dụ.
- Nguồn nước ngầm thường khi khai thác cũng trở thành nước mặt, nguồn nước
ngầm thường biến đổi mạnh theo không gian cả về số lượng và chất lượng [nguồn
nước ngầm là một hàm toạ độ địa lý (x, y)] tuy nhiên nó lại là nguồn ít biến động theo
thời gian nhất là trong các vỉa nước ngầm tầng sâu. Con người với các biện pháp cơng
trình nhằm khai thác là chính khó có biện pháp điều chỉnh trữ lượng của nguồn này.
- Nguồn nước kể cả nước mặt và nước ngầm là hữu hạn và nó có mức sử dụng
giới hạn nhằm đảm bảo cân bằng sinh thái và phát triển bền vững nguồn nước (chuyên
đề khí tượng thủy văn sẽ nêu rõ và kỹ vấn đề này). Trong tính tốn cân bằng sẽ xem
xét với hai trường hợp đó là nguồn tự nhiên và thời gian xuất hiện phục vụ nhu cầu sử
dụng và chế ngự thiên tại do nước gây ra theo tiêu chuẩn đề ra. Sự can thiệp được chấp

nhận qua cân bằng nó trở thành phương án phát triển nguồn nước (phương án quy
hoạch thủy lợi cho mục tiêu nào đó).
* Yêu cầu về nhu cầu dùng nước (Cầu): sẽ được nêu đầy đủ trong chuyên đề “Dự
báo nhu cầu nước”. Tuy nhiên đây là yêu cầu rất quan trọng, việc tính đúng tính đủ các
nhu cầu dùng nước sẽ làm cho tính tốn cân bằng phù hợp và phương án quy hoạch
thủy lợi đề ra là đúng đắn. Trên một phạm vi quy hoạch nào đó đều cần được xem xét
hai loại nhu cầu nước chủ yếu đó là nhu cầu sử dụng nước mang tính tiêu thụ và nhu
cầu sử dụng nước khơng mang tính tiêu thụ.
- Nhu cầu sử dụng nước mang tính tiêu thụ là nhu cầu mà sau khi được cung cấp
lượng nước sẽ bị tổn hao trong sử dụng phần lớn, phần hồi quy trả lại nguồn cung cấp
hầu hết là bị ơ nhiễm (dù có xử lý hay khơng), muốn sử dụng được cần có lượng nước
pha loãng từ nguồn nước. Các nhu cầu sử dụng nước mang tính tiêu thụ có thể nêu là:
Nước dùng cho nông nghiệp (trồng trọt, chăn nuôi), nước cho dân sinh (đô thị, nông
thôn, công cộng,…); nước cho công nghiệp (không kể thủy điện); nước cho thủy sản;
nước cho môi trường…

15


- Nhu cầu sử dụng nước khơng mang tính tiêu thụ là nhu cầu lợi dụng nước để
phục vụ nhiệm vụ của mình như: Thủy điện (tuy nhiên do hoạt động về điện không
đồng điệu với các nhu cầu sử dụng nước khác nên cũng gây ra việc sử dụng nguồn
giảm hiệu quả); nhu cầu giao thông thủy; nhu cầu nước để duy trì sự sống của dịng
sơng, ngăn mặn xâm nhập, chống sói lở bồi lằng và làm suy thối dịng sơng cửa sơng.
Trên cơ sở các u cầu trên mà ta có thể xây dựng được một sơ đồ phục vụ tính
tốn cân bằng thể hiện nguồn nước, nhu cầu sử dụng theo không gian và thời gian.
Đồng thời cũng hình dung ra các phương án phát triển nguồn nước để phục vụ các bài
toán cân bằng.
II.2.3. Tài liệu trong tính tốn cân bằng nước
Cân bằng nước là sự xem xét mối quan hệ giữa nguồn nước và nhu cầu sử dụng

nước (quan hệ cung – cầu) để tìm cách tác động điều chỉnh bằng các biện pháp (cơng
trình và phi cơng trình) thích hợp nhằm giải quyết mâu thuẫn giữa nguồn và nhu cầu
sử dụng cho hiện tại và tương lai. Để làm được điều này cần chuẩn bị những tài liệu,
những chuyên đề và những vấn đề quan trọng sau:
1. Tài liệu về khí tượng thủy văn, đây là mảng tài liệu quan trọng để tính toán
nguồn nước với các số liệu như: nhiệt độ, độ ẩm, nắng, gió, bốc hơi, mưa, mực nước,
lưu lượng, thủy triều theo liệt năm quan trắc, đo đạc bổ sung về kiệt, lũ, mặn.
2. Tài liệu dân sinh kinh tế hiện tại và tương lai: mảng tài liệu này bao gồm tài
liệu hiện trạng và quy hoạch phát triển tương lai của các ngành sử dụng nước (hộ sử
dụng nước). Có thể có vài kịch bản phát triển trong tương lai hoặc chỉ có một tuỳ
thuộc một số vào tài liệu thu thập được.
3. Các tài liệu cơ bản về bản đồ, bình đồ, trắc ngang dọc sơng trục kênh rạch, quy
mơ các cơng trình đã có và dự kiến, tài liệu về môi trường, chất lượng nước, đo đạc bổ
sung tài liệu về chất lượng nước và các tài liệu cơ bản khác.
4. Hiện trạng thủy lợi và các phương án quy hoạch thủy lợi dự kiến trong tương
lai theo mục tiêu và nhiệm vụ quy hoạch.
+ Phương án cho cấp nước (nếu là quy hoạch cấp nước).
+ Phương án cho tiêu thoát nước (nếu là quy hoạch tiêu úng).
+ Phương án cho phòng chống lũ (nếu là quy hoạch lũ).
+ Kết luận cả 3 nhiệm vụ đều phải có phương án tổng hợp dự kiến.
5. Hai chuyên đề quan trọng cũng phải được chuẩn bị để kết hợp trong tính tốn
cân bằng đó là chun đề tính tốn khí tượng và chun dề tính tốn nhu cầu dùng
nước.
II.2.4. Phương pháp tính tốn cân bằng nước
a. Phương pháp cân bằng đại diện: là phương pháp được tính cân bằng giữa khả
năng cung cấp nước và nhu cầu dùng nước được tính với các năm có tần suất đặc trưng
cho cả nguồn và nhu cầu (ví dụ 75%, 85%, 95%) với mức bảo đảm cấp nước của các
hộ dùng nước chính. Đơi khi cũng tính với năm trung bình 50% để đánh giá một cách
tổng qt.
Để tính tốn cân bằng cũng có thể cân bằng tổng lượng hoặc lưu lượng theo năm,

theo mùa, theo tháng hoặc trong giai đoạn giới hạn nào đó và đều bám chặt vào tần
suất đại diện. Tuy nhiên cũng cần được kiểm chứng theo một năm thực tế tương đương
để hiệu chỉnh cho phù hợp.
16


b. Phương pháp cân bằng theo chuỗi tài liệu (phương pháp lịch): phương pháp
cân bằng này dựa trên cơ sở chuỗi tài liệu khí tượng thủy văn của lưu vực hay vùng
nghiên cứu đã được quan trắc và chuối tài liệu dùng nước theo các năm tương ứng với
tài liệu khí tượng thủy văn (thường là 20-30 năm).
Phương pháp này yêu cầu về tài liệu là lớn và tương đối đầy đủ, nó đảm bảo tính
thực tiễn và tính biến động của nhu cầu dùng nước song để tính được cân bằng khối
lượng tính tốn lớn, hàng loạt tính tốn, thuật tốn phải được sử dụng như điều tiết
dịng chảy, hồ chứa, các cơng trình bổ sung vv…
c. Phương pháp cân bằng theo chuỗi giả đinh cả về dòng chảy và lượng nước nước
dùng (thường gọi là phương pháp tổng qt hố). Cân bằng được thiết lập cho chuỗi năm
dịng chảy giả định, chuỗi năm lượng nước tiêu thụ tương ứng và phải dài năm (thường là
50 năm, ít năm cũng từ 25-50 năm).
Việc lựa chọn phương pháp ứng dụng vào tính cân bằng thường phụ thuộc vào
vấn đề cần giải quyết và tài liệu hiện có, thời gian cũng như năng lực thực hiện.
Thường dùng phương pháp đại diện phù hợp với những lưu vực, vùng mà nền kinh tế
đang phát triển.
II.3. Một số hướng tiếp cận của các mơ hình tính tốn cân bằng nước
A. Mơ hình MITSIM
a. Giới thiệu mơ hình
Mơ hình MITSIM (Massachusetts Institute of Techonology Simulation Model)
được thiết lập năm 1977 - 1978 bởi phòng tài ngun nước, khoa cơng trình, Viện Kỹ
thuật Masachusetts Hoa Kỳ. Mơ hình được lập ra để nghiên cứu giai đoạn II của lưu
vực sông Vardar Ai Cập và Axiots Nam Tư, sau đó mơ hình đã được sử dụng ở một số
nước và lưu vực sông Mêkông thuộc 4 nước Thái Lan, Việt Nam, Lào và Campuchia.

Năm 1989 theo đơn đặt hàng của ban thư ký sông Mêkông, trung tâm Thuỷ lợi
Viện Đại học Anna, bang MADRAS - ấn Độ, cải tiến thêm phần dẫn tính hồ chứa để
phù hợp với sơ đò khai thác bậc thang hồ Pamong và Thượng Chiềng Khan thuộc lưu
vực sơng Mêkơng.
Mơ hình có tính chất định hướng cho người sử dụng trong cơng tác quy hoạch và
quản lý một lưu vực sông, do thời đoạn cân bằng là một tháng và phương trình cân
bằng cho mỗi nút là cân bằng tĩnh, không xét đến khả năng chảy truyền nên chỉ có tác
động đánh giá một cách tổng quan tồn bộ hệ thống sơng trong một thời đoạn dài.
Mơ hình MITSIM hiện có bản chương trình gốc được viết bằng ngơn ngữ
FORTRAN77 chạy trên hệ điều hành UNIX và cũng là mơ hình duy nhất có xét đến
hiệu quả sử dụng nước thơng qua các chỉ tiêu về mức bảo đảm dòng chảy được điều
tiết và các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật trên toàn hệ thống, cũng như các tiểu vùng và từng
cấp cơng trình riêng rẽ.
Do mơ hình vẫn cịn một số hạn chế chưa đáp ứng được yêu cầu phục vụ nghiên
cứu quy hoạch:
-

Phân lưu dòng chảy

-

Cấp nước cho hệ thống phải căn cứ theo mưa thực tế hàng năm và phù hợp với
tính tốn trong quy hoạch

-

Mưa và bốc hơi ảnh hưởng trực tiếp trong thời gian tính tốn
17

-

Phân bố xác suất của biến ngẫu nhiên (dòng chảy, mực nước, hồ chứa, điện
lượng...)

-

Vấn đề khai thác bậc thang của nhiều hồ chứa khác nhau.

Vì vậy, trong đề tài KC12.07, Viện Quy hoạch Thuỷ lợi đã có một số cải tiến
nhằm khắc phục các hạn chế trên:
-

Tính tốn lượng nước cần thực tế cho các cơng trình lấy nước tưới

-

Đưa thêm nút kết thúc và phân lưu

-

Sửa lại cách tính biểu thị HISTOGRAM và chuyển thành đường duy trì cho
từng tháng

-

Cải tiến phấn trình bày xuất lượng phục vụ đồ hoạ

-

Cải tiến dẫn tính hồ chứa có xét đến bậc thang.
b. Cơ sở lý thuyết của mơ hình

Chương trình MITSIM là một mơ hình phân tích hệ thống bao gồm 8 loại nút cân
bằng nước:
-

Nút khởi đầu của hệ thống

-

Nút nhập lưu và phân lưu

-

Nút hồ chứa riêng rẽ hoặc cóp kết hợp phát điện

-

Nút hệ thống tưới

-

Nút hộ dùng nước công nghiệp và đô thị

-

Nút lấy nước ngầm

-

Nút chuyển nước

-

Nút kiểm sốt dịng chảy kiệt

Phương pháp luận và cách tính tốn tại các nút cơng trình được thực hiện theo 3
bước:
-

Tính tốn cân bằng nước của các nút

-

Tính mức đảm bảo trong mơ hình

-

Tính các chỉ tiêu kinh tế trong mơ hình

Với nội dung nghiên cứu của luận văn, sau đây chỉ xin giới thiệu chi tiết phần
phương pháp tính tốn cân bằng nước tại các nút và các cải tiến mới nhất do Viện Quy
hoạch Thuỷ lợi thực hiện trong đề tài KC - 12.
Nút khởi đầu hệ thống (biên trên):
Đây là các biên của mơ hình, đối với nút này dòng chảy sẽ là lưu lượng trung
bình tháng hoặc từng thời đoạn theo liệt tài liệu dòng chảy năm.
Các lưu lượng này hoặc là tài liệu quan trắc, hoặc là kết quả tính tốn từ các mơ
hình thuỷ văn "Mưa dịng chảy", mơ hình ngẫu nhiên. Chương trình sẽ căn cứ vào
những thơng tin được khai báo (tên trạm biên, mã số thứ tự các trạm biên) mà lấy các

giá trị lưu lươngj từ file số liệu dòng chảy , ghép nối vào trong sơ đồ phân phối dịng
chảy thuộc hệ thống tính tốn. Biên lưu lượng có thể mang giá trị (-) hoăc (+).
Nút nhập lưu:
18


Trong mơ hình hệ thống sơng, tại các điểm nhánh hợp lưu, MITSIM giới hạn hai
nhánh phía thượng lưu và một nhánh phía hạ lưu của nút, những trường hợp nút có số
nhánh lớn hơn 3 bằng cách tách ra thành các nút phụ cận nữa.Trong hình vẽ dưới đây,
phương trình cân bằng nước tại nút là:
QN3 = QN1 + QN2 (1)
QN1, QN2 là lu lợng đi vào nút

QN1

QN2

QN3 lu l−ỵng ra khái nót

QN3
Nút cơng trình (hồ chứa riêng rẽ hoặc có kết hợp với phát điện)
Đây là nút cơng trình trọng điểm có ảnh hưởng tới tồn hệ thống, ngồi việc thể
hiện các đặc trưng của hồ chứa cịn thể hiện mối quan hệ giữa hồ chứa và nhà máy
thuỷ điện. Bốn nguyên tắc vận hành cơ bản của hồ là:
-

Hồ làm việc không kết hợp với nhà máy thuỷ điện (có nghĩa là chỉ có yêu cầu
trữ nước và xả nước theo yêu cầu của hạ du).

-

Hồ có kết hợp với nhà máy thuỷ điện (xả theo yêu cầu dùng nước hạ du và phát
điện là thứ cấp).

-

Hồ có kết hợp với nhà máy thuỷ điện (xả để thoả mãn nhu cầu phát điện được
ưu tiên hàng đầu).

-

Hồ kết hợp với nhà máy thuỷ đện (ưu tiên lấy nước trên hồ cho tưới và cấp
nước công nghiệp, ưu tiên thứ 2 là xả xuống hạ lưu phát điện và cấp nước tưới
hạ du).

-

Đối với hồ chứa khả năng nguồn nước tại nút S ở tháng thứ n năm thứ t được
biểu thị theo phương trình:
Ws (t,n) = Ss (t,n) + Qs (t,n) -EVs (t,n) (2)
trong đó:
Ws(t,n) - Khả năng nguồn nước tháng thứ n năm thứ t
Ss(t,n) - Lượng trữ hồ đầu tháng thứ n năm thư t
Qs(t,n) - Lượng nước đến hồ tháng thứ n năm thứ t
EVs(t,n) - Lượng bốc hơi từ hồ chứa trong thời đoạn tháng thứ n năm

thứ t.
Lượng bốc hơi là hàm số của diện tích mặt hồ và tỷ lệ bốc hơi tháng. Trong mơ
hình sửa đổi giá trị EVs (t,n) đã được quy đổi bao gồm lượng mưa thực tế lượng bốc
hơi thực tế của tháng thư n, năm thứ t để mô phỏng.

Do Qs (t,n) thay đổi theo năm tháng nên phương trình cân bằng nước tại nút hồ
chứa được viết như sau:
Ds (t,n)

= Ws(t,n) nếu Ws(t,n)<= TRs(n)

(3)

= TRs(n) nếu TRs=Ws(t,n) - Vs nếu Ws(t,n)>TRs(n) + Vs

(5)
19


Trong đó:
Ds(t,n) - Lượng xả nước xuống hạ lưu tháng thứ n, năm thứ t
TRs (t,n) - Yêu cầu lưu lượng xả xuống hạ lưu tháng thứ n
Vs - Khả năng dung tích hồ
Do lượng xả biến đổi nên dung tích hồ ở cuối tháng n hay đầu tháng n+1 cũng có
3 trường hợp tương ứng:
Ss (t,n+1): = 0 nếu Ws(t,n) <=TRs (n)
=Ws (t,n) nếu TRs(t,n)= Vs nếu Ws(t,n)>TRs(t,n)+Vs
Để phù hợp với thực tế, Vs được cho trước đối với từng tháng trong năm: Vs(n)
= Smax(n) - Smin(n)
(7)
Smax(n), Smin(n) là giới hạn dung tích lớn nhất và nhỏ nhất của hồ chứa trong
từng tháng n. Dung tích hồ chứa phảo nằm trong 2 đường giới hạn trên. Chương trình
cân bằng đối với nút hồ chứa được tính tốn theo các phương trình cân bằng (4), (5),

(6), (7).
Khi hồ chứa kết hợp với phát điện thì mơ hình sẽ tính tốn năng lượng bảo đảm,
năng lượng tổng cộng và cơng suất phát huy cho từng tháng tuỳ thuộc vào hệ số cơng
suất.
Nút hệ thống tưới:
Diện tích tưới trong hệ thống sẽ lấy nước từ sơng thơng qua cơng trình lấy nước,
sơ đồ cân bằng hệ thống tưới được trình bày trong hình 3.
Hình 3: SƠ ĐỒ CÂN BẰNG HỆ THỐNG TƯỚI
Qs(t, n)
Es (t, n)
Ws(t,n)
Ss
q1(t,n)
q2(t,n)

QD(t,n)

Q ngÊm(t,n)

Ý nghĩa các thông số như sau:
Qs(t,n) - Lượng nước đến nút hệ thống tưởi tháng n, năm t
20


Es(t,n) - Lượng nước lấy vào hệ thống tưới, đại lượng này biến đổi theo nhu cầu
dùng nước của cây trồng và lượng mưa có hiệu quả trong thời đoạn tính tốn
Nếu Es(t,n)>Qs(t,n) thì Es(t,n) = Qs(t,n)
Ss(t,n) - lượng nước cần cho cây trồng tại ruộng và
Ss(t,n) = Es(t,n)*a1 (8)
Trong đó: a1 hệ số chuyển nước của kênh mương

q1(t, n) và q2(t, n): lượng nước hồi quy vào dịng chính và cách tính như sau:
Lượng nước tổn thất đối với hệ thống tưới là QTT(t,n):
QTT (t,n) = Es(t,n) - Ss(t,n)*(1-a2)

(9)

= Es(t,n) - Es(t,n)*a1*(1 - a2)
Lượng nước hồi quy vào dòng chính
q1(t,n) + q2(t,n) = QHQ(t,n)
QHQ(t,n) = QTT (t,n) * a3

(10)

Trong đó: a2 hệ số % tổn thất do rị rỉ kênh mương
a3 hệ số % lượng nước hồi quy lại dịng chính
Qngấm(t,n): lượng nước ngấm bổ sung cho tầng nước ngầm
Q ngấm(t,n) = QTT (t,n) * a4

(11)

Trong đó: a4 - hệ số % lượng nước hồi quy vào tầng nước ngầm
QD(t,n): lượng nước xả xuống hạ lưu
QD(t,n) = Qs(t,n) - Es(t,n) + q1(t,n) +q2(t,n)

(12)

Nút cấp nước cho công nghiệp và đô thị:
Lượng nước cung cấp cho công nghiệp và đô thị theo yêu cầu nước của từng
tháng mô phỏng. Trong mỗi một thời đoạn tính tốn MITSIM so sánh lượng nước đến
nút như sau:

Nếu dòng chảy đến > lượng nước u cầu tháng cho cơng nghiệp và dân cư thì
lượng nước còn lại sẽ chảy xuống hạ lưu.
Nếu dòng chảy đến < lượng nước yêu cầu tháng cho công nghiệp và dân cư thì
yêu cầu nước bị phá vỡ: Q yêu cầu nước = Q dòng chảy đến
Lúc này dòng chính sẽ khơng cịn nước để xả xuống hạ lưu.
Trường hợp cấp nước cho khu công nghiệp (làm lạnh, tẩy rửa..) và đô thị, lượng
nước thừa sau khi xử lý sẽ được bổ sung cho dìng chảy phía hạ lưu hoặc sang một
vị trí khác của sơ đồ (VD: nút hợp lưu)
Nút lấy nước ngầm
Thông thường trong 1 hệ thống lấy nươc tưới, có thể hoặc là lấy nước từ hồ chứa,
hoặc từ dịng chính, hoặc kết hợp với khai thác nguồn nước ngầm tại chỗ. Nút nước
ngầm trong MITSIM hoạt động giống như 1 hồ chứa, lượng nược trong tháng bổ sung
cho khu tưới được bơm từ tầng ngậm nước của giếng. Phương trình cân bằng nước
tầng ngầm như sau:
W(i+1) = (W(i) - Wbơm (i+1) -Ws(i+1)) +W1(i+1) +W2(i+1)

(13)
21


W(i+1) - dung tích tầng ngầm tại tháng i+1
W(i) - dung tích tầng ngầm tại tháng i
Wbơm (i+1) - lượng nước bơm tháng i+1 từ giếng nươc ngầm
Ws(i+1) - lượng nước ngầm đi vào sông yháng i+1
W1(i+1) - lượng nước từ khu tưới bổ sung vào tầng ngầm
W2(i+1) - lượng nước đến từ ngoại lai đi vào tầng ngầm.
Điều kiện ràng buộc như sau:
Khi lượng nước yêu cầu tưới bằng nước ngầm>khả năng lấy nước ngầm từ giếng
bơm thì yêu cầu bị phá vỡ và:
Q yêu cầu tưới bằng nước ngầm = Q bơm từ giếng bơm

Khi yêu W(i+1)>W chứa lớn nhất của nước ngầm Wmax thì: W(i+1) = Wmax và
lượng nước còn lại W(i+1) - Wmaxx sẽ bổ sung trực tiếp vào sông cùng lượng nước
ngầm bổ sung vào sơng trong từng tháng mơ phỏng (phần này được tính bằng phần
trăm dịng chảy ngầm đi vào sơng)
Khi W(i+1)thác nước ngầm thoả mãn lượng nước yêu cầu tưới.
W(i+1)cũng bị phá vỡ.
Nút chuyển nước:
Nút này có ý nghĩa chuyển lượng nước từ sơng chính cho yêu cầu dùng nước,
hoặc chuyển nước sang nhánh khác. Mỗi bước tính tốn của tháng thứ i phải tuân thủ
các điều kiện ràng buộc sau:
Nếu lượng nước đến đủ thì phải đảm bảo u cầu nước cho cơng trình.
Nếu lượng nước đến thiếu thì yêu cầu chuyển nước bị phá vỡ và chúng ta có Q
yêu cầu chuyển nước (i) = Q đến (i)
Phải đảm bảo xả đủ nước cho yêu cầu dùng nước các hộ phía sau, Như vậy trong
trường hợp Q đến (i) - Q yêu cầu chuyển nước (i) < Q yêu cầu xả hạ lưu (i) thì yêu cầu
chuyển nước cũng bị phá vỡ và
Q yêu cầu chuyển nước (i) = Qđến (i) - Q yêu cầu xả hạ lưu (i) (14)
Nút kiểm soát dòng chảy kiệt:
Tại nút này, dòng chảy nhỏ nhất phải cần thiết đảm bảo cho các yêu cầu về chất
lượng nước, nuôi cá, đời sống vùng đặc biệt, giao thông thuỷ.
Khi điều kiện dịng chảy khơng đáp ứng, có nghĩa là lưu lượng yêu cầu nhỏ nhất
bị phá vỡ và điều kiện này có liên quan đến tính tốn chỉ tiêu kinh tế của mơ hình.
c.Tổ chức và cấu trúc của mơ hình
Giới hạn mơ hình:
Mơ hình được thiết kế sử dụng cho một hệ thống sông khá lớn, tuỳ theo mức độ
cần thiết có thể tăng thêm giới hạn sử dụng của mơ hình.
Hện tại, mơ hình có thể áp dụng cho hệ thống sông bao gồm các đặc trưng giới hạn
sau đây:

22


Nút khởi đầu: 90
Nút hồ chứa: 25
Nút phân lưu và hợp lưu: 70
Nút chuyển nước: 10
Nút cấp nước đô thị và cơng nghiệp: 20
Nút tưới: 20
Nút nước ngầm: 15
Nút dịng chảy kiệt:20
Tài liệu mưa và dòng chảy đưa vào để mô phỏng theo chuỗi năm, tuỳ yêu cầu cụ
thể.
Tổ chức của MITSIM:
Cấu trúc của chương trình được tóm tắt trong 3 phần chính:
Nhập lượng
Tính tốn hiệu quả sử dụng nước và các chỉ tiêu kinh tế
Xuất lượng
Chương trình sau khi sửa đổi có tất cả 38 chương trình con và 1 chương trình
chính dùng để chạy trên PC
Nội dung từng phần được trình bày dưới đây:
Nhập lượng:
Có 11 dạng số liệu mô tả về cấu trúc hệ thống, thông số các nút cơng trình tương
ứng với 11 chương trình con từ PART1 đến PART11:
PART1: Cung cấp các thông tin được xác địnhđể chạy chương trình, các dạng in
kết quả, các chỉ tiêu trong tính tốn kinh tế hệ thống
PART2: Mơ tả cấu trúc hệ thống, sự liên hệ tuần tự giữa các nút trong sơ đồ toán.
Phần này là cơ sở để MITSIM nối ghép mơ hình trong q trình tính tốn
PART3: Các thơng tin về hồ chứa riêng rẽ hoặc kết hợp nhà máy thuỷ điện.
PART4: Các thông tin về nút hợp lưu và phân lưu

PART5: Cá thông tin về nút khởi đầu (biên trên)
PART6: Các thông tin về nút hệ thống tưới
PART7: Thông tin về nút chuyển nước
PART8: Thông tin về nút cấp nước đo thị và công nghiệp
PART9: Thông tin về nguồn nước ngầm
PART10: Thông tin về dịng chảy kiệt
PART11: Thơng tin về nước kiểm sốt lũ
Tính toán hiệu quả sử dụng nước và các chỉ tiêu kinh tế:
Có 6 chương trình con đảm nhận các chức năng trên là: IEVAL, OPER, ROUT,
HIST, EVAL, NETBEN. Ngoài ra cịn có một số chương trình conkhác làm vệ tinh
cho 6 chương trình trên là: HTTAD, IPN, INTAIL, CROP1, CROP2, AKN.
23


Xuất lượng:
Có 8 chương trình con phục vụ cho u cầu này, tuỳ thuộc các thơng tin bao hàm
chương trình DESCRB, RELOUT, ECOUT, GIHIST, IROR, PIPFND, REL2, EC2.
Lược đồ tóm tắt MITSIM thể hiện trong hình 10
Hình 10 : SƠ ĐỒ CẤU TRUC CHƯƠNG TRÌNH MITSIM
MAIN

PART1
SEQUEN

INDEX

IEVAL

OPER

NETBEN

DESCRB

RELOUT

ECOUT

PART11

ROUT

EVAL

HIST

RELA2

IROR

GOHIST

EC2

PIPSPND

Các cải tiến:
Để thuận lợi trong công tác quy hoạch và quản lý nước, Viện Quy hoạch và Quản
lý nước (nay là Viện Quy hoạch Thuỷ lợi) đã cải tiến MITSIM với 1 số một số nội
dung chính sau:

Tính tốn lượng nước cần thực tế cho các cơng trình lấy nước gồm:
Tính tốn lượng nước cần cho cây lúa:
Phương trình cân bằng có dạng m(i) = Wh(i) - Wđ (i)
Trong đó:
- m(i) lượng nước cần tưới thời đoạn thứ i
- Wh(i) lượng nước hao thời đoạn thứ i, tuỳ thuộc từng thời đoạn tính tốn
mà lượng nước bao gồm:
+ Wa(i): lượng nước tạo thành lớp nước mặt ruộng
+ Wb(i): lượng nước ngấm bão hoà
24