Báo cáo: Hợp tác Nghiên cứu xây dựng công nghệ dự báo lũ trung hạn kết nối với công nghệ điều hành hệ thống công trình phòng chống lũ cho đồng bằng sông hồng - sông thái bình ppt

Bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn
trờng đại học thủy lợi




Báo cáo tổng kết đề tài
hợp tác theo nghị định th với italia

hợp tác Nghiên cứu xây dựng công nghệ dự báo
lũ trung hạn kết nối với công nghệ điều hành
hệ thống công trình phòng chống lũ
cho đồng bằng sông hồng - sông thái bình


Chủ nhiệm đề tài: pgs, ts. vũ minh cát

6735
24/2/2008

hà nội - 2007

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

**********

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN
NÔNG THÔN
**********

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI
=============================================================
BÁO CÁO KẾT QUẢ
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CẤP NHÀ NƯỚC






Hợp tác nghiên cứu xây dựng công nghệ dự báo lũ trung hạn kết nối
với công nghệ điều hành hệ thống công trình phòng chống lũ cho
đồng bằng sông Hồng – sông Thái Bình

BÁO CÁO TỔNG KẾT




Cơ quan quản lý: Bộ Khoa học Công Nghệ
Bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn
Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Thuỷ lợi
Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Vũ Minh Cát


















Hà nội tháng 11 - 2007

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

**********

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN
NÔNG THÔN
**********

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI
============================================================
BÁO CÁO KẾT QUẢ
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CẤP NHÀ NƯỚC



Hợp tác nghiên cứu xây dựng công nghệ dự báo lũ trung hạn kết nối
với công nghệ điều hành hệ thống công trình phòng chống lũ cho
đồng bằng sông Hồng – sông Thái Bình

GIAI ĐOẠN 2006 - 2007

BÁO CÁO TỔNG KẾT

Cơ quan quản lý: Bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn
Bộ Khoa học Công Nghệ
Cơ quan chủ trì: Trường Đại học Thuỷ lợi


Chủ nhiệm đề tài:

PGS.TS V
ũ Minh Cát

Những người thực hiện:

PGS.TS V
ũ Minh Cát, ĐHTL


PGS.TS Lê Văn Nghinh, ĐHTL


TS. Nguy
ễn Lan Châu, TTDBKTTVTW


Ths. Đ
ỗ Lệ Thủy, TTDBKTTVTW


Ths. Hoàng Th
anh Tùng


Ths. Nguy
ễn Ho
àng Sơn


Ths. Ph

ạm Xuân Ho
à


NCS. Ngô Lê An


Và nh
ững cộng tác vi
ên khác












Hà Nội Tháng 11 - 2007
ii

MỤC LỤC
CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU 1

1.1. Mở đầu 1

1.2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 2

1.3. Phạm vi của đề tài 3

1.4. Nội dung và các phương pháp nghiên cứu 3

1.4.1. Dự báo mưa trung hạn 3

1.4.2. Dự báo lũ trung hạn 4

1.4.3. Tích hợp dự báo mưa lũ trung hạn trong điều hành hệ thống hồ chứa 6

1.5. Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài 6

1.5.1. Tình hình nghiên cứu trong nước 6

1.5.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước 11

1.6 Đóng góp của mỗi bên trong đề tài hợp tác nghiên cứu 13

1.6.1 Phía đối tác Italy 14

1.6.2 Phía đối tác Việt Nam 15

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ LƯU VỰC SÔNG HỒNG –THÁI BÌNH THU
THẬP, PHÂN TÍCH VÀ QUẢN LÝ CÁC TÀI LIỆU CƠ BẢN 19

2.1 Tổng quan về lưu vực sông Hồng – Thái Bình 19

2.1.1. Tổng quan chung 19

2.1.2. Đặc điểm địa hình 20

2.1.3. Đặc điểm địa chất, thổ nhưỡng và thực vật 21

2.1.4. Đặc điểm khí hậu 22

2.1.5. Đặc điểm hệ thống sông ngòi 25

2.1.6. Đặc điểm dân sinh kinh tế 28

2.2. Thu thập và phân tích tài liệu cơ bản 28

2.2.1. Số liệu khí tượng 28

2.2.1.1 Mạng lưới trạm đo khí tượng 28

2.2.1.2. Đánh giá chung về tài liệu khí tượng 29

iii

2.2.1.3. Một số đặc điểm chung về khí tượng trên hệ thống 30

2.2.2. Số liệu thủy văn 31

2.2.2.1 Mạng lưới trạm đo đạc thủy văn 31

2.2.2.2 Đánh giá chung về tài liệu khí tượng thuỷ văn 31

2.2.2.3. Đặc điểm thủy văn trên lưu vực sông Hồng – Thái Bình 32

2.2.3. Số liệu thủy văn các hồ chứa 35

2.2.4. Tài liệu địa hình hệ thống sông Hồng -Sông Thái Bình 36

2.2.4.1. Tài liệu địa hình các hồ chứa 36

2.2.4.2. Bản đồ số DEM thuộc lưu vực sông Hồng 36

2.2.4.3. Tài liệu địa hình hệ thống sông Hồng 36

2.2.4.4. Tài liệu địa hình các khu phân chậm lũ 36

2.2.5. Tài liệu về thảm phủ thực vật và bản đồ đất lưu vực sông Hồng 37

2.3. Xây dựng cơ sở dữ liệu 37

2.3.1. Cơ sở số liệu bản đồ 38

2.3.2. Cơ sở số liệu KTTV 40

2.3.2.1. Giới thiệu phần mềm WRDB 41

2.3.2.2. Xây dựng cơ sở dữ liệu KTTV sử dụng phần mềm WRDB 42

2.3.2.3. Khai thác cơ sở dữ liệu KTTV đã xây dựng 58

CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CÔNG NGHỆ DỰ BÁO MƯA
TRUNG HẠN 65

3.1. Dự báo mưa ở Việt Nam 65

3.1.1. Đặc điểm sự hình thành mưa và tổ hợp các kiểu hình thời tiết gây mưa lớn
lưu vực sông Hồng 65

3.1.1.1. Các hình thế điển hình 65

3.1.1.2. Đặc điểm hình thế thời tiết gây mưa lũ lớn trên lưu vực sông Hồng66

3.1.2. Đánh giá hiện trạng các phương pháp dự báo mưa ở Việt nam 69

3.2. Thử nghiệm mô hình BOLAM của Italia 70

3.2.1. Giới thiệu mô hình BOLAM 70

iv

3.2.1.1. Động lực học và phương pháp số 71

3.2.1.2. Vật lý và các sơ đồ tham số hóa vật lý 73

3.2.1.3. Điều kiện ban đầu và điều kiện biên 74

3.2.1.4. Tiền xử lý và hậu xử lý trong mô hình BoLAM 76

3.2.2. Nghiên cứu ứng dụng mô hình BoLAM cho Việt Nam 76

3.2.2.1. Thay đổi cấu trúc thư mục trong mô hình BoLAM 79

3.2.3. Dự báo thử nghiệm bằng mô hình BOLAM mùa lũ 2007 83

3.3 Một số kết qủa so sánh mô hình BoLAM và mô hình HRM 95

3.4. Kết luận và kiến nghị 102

CHƯƠNG IV: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CÔNG NGHỆ DỰ BÁO LŨ 103

4.1. Các phương pháp dự báo thủy văn thường dùng ở Việt Nam 103

a. Các phương pháp thường dùng trong dự báo thủy văn 103

1. Phương pháp xu thế 103

2.Phương pháp lưu lượng và mực nước tương ứng 104

3. Phương pháp lượng trữ 104

4. Nhóm các phương pháp phân tích thống kê 105

5. Phương pháp mạng Nơ ron thần kinh – Mạng trí tuệ nhân tạo (Artificial
Neural Network) 105

6. Phương pháp sử dụng các mô hình thủy văn và thủy lực 106

7. Phương pháp kỹ thuật số 106

b.Tổng kết các phương pháp thường dùng trong dự báo ngắn hạn, trung hạn và dài
hạn ở Việt Nam 107

1. Các phương pháp dự báo ngắn hạn 108

2. Các phương pháp dự báo trung hạn 108

3. Các phương pháp dự báo dài hạn 109

4.2. Phân tích đặc điểm mưa lũ trên hệ thống sông Hồng 109

4.2.1. Đặc điểm của mưa gây lũ trên lưu vực hệ thống sông Hồng 109

4.2.2. Vai trò của trữ lượng nước trên lưu vực đối với sự hình thành lũ 113

v

4.2.3. Tổ hợp lũ sông Đà, Lô, Thao 116

1. Đặc điểm mưa gây lũ lưu vực sông Thao: 117

Dòng chảy lũ sông Lô 121

4.3. Xây dựng công nghệ dự báo lũ ngắn hạn hệ thống sông Hồng 125

4.3.1 Phương pháp hồi quy đa biến 128

a. Cơ sở của phương pháp Hồi quy đa biến 128

b. Các giả thiết của phương pháp và quy trình thực hiện phương pháp 128

c. Xây dựng ma trận tương quan 129

d. Phương trình dự báo và các phép thử 130

a. Cấu trúc mạng ANN 138

b. Quá trình quét xuôi 139

c. Hàm kích hoạt 139

d. Chuẩn hoá (Normalization) 140

e. Lựa chọn sơ đồ mạng nơ ron thần kinh ban đầu 141

f. Phương pháp quét ngược (Back Propagation Method) 141

g. Một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình học theo phương pháp lan truyền
ngược sai số 143

h. Vấn đề học chưa đủ và học quá thuộc của mạng 144

i. Một số giải pháp cho vấn đề học quá của mạng: 144

j. Giới thiệu phần mềm neuroSolutions 145

4.3.3 Xây dựng các phương án dự báo lũ ngắn hạn cho các vị trí khác nhau trên hệ
thống sông Hồng 147

4.3.3.2. Kết quả dự báo lũ cho sông Thao: 150

4.3.3.3. Kết quả dự báo lũ cho sông Lô - Gâm: 160

4.3.3.2. Kết quả dự báo lũ cho sông Đà: 166

4.4. Xây dựng công nghệ dự báo lũ trung hạn hệ thống sông Hồng 176

4.4.1. Ứng dụng mô hình của đối tác đề nghị DIMOSHONG 176

4.4.1.1. Giới thiệu mô hình DIMOSHONG 176

vi

4.4.1.2. Xây dựng mô hình DIMOSHONG cho lưu vực hệ thống sông Hồng 178

4.4.1.3. Kết quả mô phỏng mô hình DIMOSHONG cho các trận lũ lớn cho
hệ thống sông Hồng 186

4.4.2. Ứng dụng mô hình HEC-HMS 191

4.4.2.1. Giới thiệu mô hình HEC-HMS 191

4.4.2.2. Xây dựng mô hình HEC-HMS cho lưu vực hệ thống sông Hồng.192

b. Kết nối dữ liệu liệu mưa vào dự báo dòng chảy 193

c. Tóm tắt một số kết quả tính toán và dự báo dòng chảy từ mưa 196

4.5. Xây dựng công nghệ dự báo lũ cho hệ thống sông Hồng 197

4.5.1. Lập trình kết nối và xây dựng công nghệ 197

4.5.2. Sử dụng công nghệ dự báo ngắn hạn 198

4.5.3. Sử dụng công nghệ dự báo trung hạn bằng mô hình DIMOSHONG 199

4.5.4. Sử dụng công nghệ dự báo trung hạn bằng HEC-HMS 201

4.6. Thử nghiệm công nghệ dự báo lũ trung hạn cho mùa lũ 2007 207

4.6.1 Dự báo thử nghiệm sử dụng mô hình DIMOSHONG 207

4.6.2 Dự báo thử nghiệm sử dụng mô hình HEC-HMS 210

CHƯƠNG V: CÔNG NGHỆ KẾT NỐI DỰ BÁO MƯA VỚI DỰ BÁO LŨ
TRUNG HẠN 213

5.1. Xây dựng phần mềm kết nối giữa dự báo mưa với dự báo lũ 214

5.1.1. Lập trình đọc và ghi kết quả dự báo từ BOLAM ra file PPF – file số liệu vào
cho DIMOSHONG 214

5.1.2. Lập trình giao diện xử lý số liệu đầu vào và hiển thị kết quả 224

1) Chương trình Nhập dữ liệu 224

2) Chương trình hiển thị kết quả chạy mô hình DIMOSHONG 236

CHƯƠNG VI: KẾT NỐI MÔ HÌNH DỰ BÁO MƯA LŨ TRONG ĐIỀU HÀNH
HỆ THỐNG HỒ CHỨA PHÒNG CHỐNG LŨ 257

6.1. Xây dựng mô hình kết nối dự báo mưa lũ với điều hành hệ thống hồ chứa
phòng lũ 257

6.1.1. Giới thiệu tóm tắt mô hình HEC-HMS về khả năng điều tiết hồ chứa 257

vii

6.1.2. Mô phỏng hệ thống sông Hồng phục vụ điều hành hệ thống hồ chứa bằng
HEC-HMS 261

6.2. Lựa chọn hệ thống kịch bản về mưa và dòng chảy lũ phục vụ điều hành thử
nghiệm theo mô hình dự báo lũ trung hạn . 265

6.2.1. Những căn cứ để thiết lập hệ thống kịch bản 265

6.2.2. Lựa chọn kịch bản mưa lũ 266

6.3. Phương án vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ theo thời gian dự kiến của dự
báo hạn trung (từ 3 đến 5 ngày) 268

6.3.1. Điều tiết các hồ trong thời kỳ lũ sớm 268

6.3.2. Điều tiết các hồ trong thời kỳ lũ chính vụ 269

6.3.3. Điều tiết các hồ trong thời kỳ lũ muộn 270

6.3.4. Vận hành đảm bảo an toàn công trình 271

6.4. Kết quả vận hành thử nghiệm hệ thống hồ chứa theo các kịch bản đề ra 272

1. Trận lũ lịch sử năm 1971 xảy ra trong thời kỳ lũ sớm từ 15 tháng 6 đến 15 tháng
7. 272

2. Trận lũ lịch sử năm 1971 xảy ra trong thời kỳ lũ chính vụ từ 16 tháng 7 đến 25
tháng 8 275

3. Trận lũ lịch sử năm 1971 xảy ra trong thời kỳ lũ muộn từ 26 tháng 8 đến 15
tháng 9 279

6.5. Thử nghiệm mô hình vận hành trong mùa lũ 2007 283

CHƯƠNG VII: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 287

7.1. Kết luận 287

a. Về khoa học công nghệ 287

b. Về mặt hợp tác quốc tế 290

c. Về mặt đào tạo 290

d. Về phục vụ sản xuất 291

7.2 Kiến nghị 291

TÀI LIỆU THAM KHẢO 293

viii

MỤC LỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1: Vị trí địa lý lưu vực sông Hồng – Thái Bình lãnh thổ Việt Nam 19

Hình 2.2: Giao diện trang đầu của Chương trình quản lý cơ sở dữ liệu 38

Hình 2.3: CSDL quản lý bản đồ DEM có độ phân giải khác nhau của cả nước 39

Hình 2.4: CSDL quản lý toàn bộ bản đồ quét tỷ lệ 1:50.000 của cả nước 39

Hình 2.5: Sơ đồ cấu trúc CSDL trong WRDB 42

Hình 2.6: Sơ đồ mạng lưới trạm khí tượng thủy văn trên hệ thống sông Hồng -
Thái Bình 43

Hình 2.7: Giao diện bảng support 48

Hình 2.8: Các yếu tố đo 49

Hình 2.9: Phân nhóm các yếu tố đo 50

Hình 2.10: Phân nhóm các yếu tố đo 50

Hình 2.11: Sơ đồ nhập dữ liệu cho CSDL KTTV 57

Hình 2.12: Ví dụ nhập dữ liệu mực nước và lưu lượng trạm Sơn Tây 58

Hình 2.13: Dữ liệu mực nước và lưu lượng trạm Sơn Tây trong bảng Import 58

Hình 2.14: Bảng thống kê theo trạm và thông số 59

Hình 2.15: Lọc dữ liệu mực nước trạm có mã trạm là 74165 60

Hình 2.16: Sắp xếp dữ liệu từ lớn đến nhhỏ theo mã trạm và theo kết quả 60

Hình 2.17. Lựa chọn dữ liệu mực nước trạm Sơn Tây bằng QBE Query 61

Hình 2.18: Đường quá trình mực nước trạm Mường Tè và Lai Châu trên cùng một
trục tọa độ 61

Hình 2.19: Mối tương quan mực nước tại 2 trạm Mường Tè và Lai Châu 62

Hình 2.20: Đường dẫn chọn các vùng dữ liệu quan tâm 62

Hình 2.21: Chọn các vùng dữ liệu quan tâm 63

Hình 2.22: Kiểm tra vùng dữ liệu được chọn 63

Hình 3.1: Biểu đồ quy trình chạy mô hình BoLAM trên máy tính PC-Linux 78

Hình 3.2: Cấu trúc thư mục mới của mô hình BoLAM 80

ix

Hình 3.3: Ví dụ minh họa dự báo +24h cho trường mưa, khí áp và hàm dòng bề
mặt của mô hình BoLAM_FATHER (trái) và BoLAM_SON (phải) 83

Hình 3.4: Ví dụ minh họa dự báo +24h cho trường gió và độ cao địa thế vị mực
500mb của mô hình BoLAM_FATHER (trái) và BoLAM_SON (phải) 83

Hình 3.5: Ví dụ minh họa dự báo +24h cho trường nhiệt độ tại độ cao 2m của mô
hình BoLAM_FATHER (trái) và BoLAM_SON (phải) 83

Hình 3.6: Miền số liệu đầu vào của mô hình toàn cầu GFS và miền tính toán của
mô hình khu vực BoLAM cho phiên bản FATHER và SON 85

Hình 3.7: Lượng mưa phân tích trên khu vực Bắc Bộ từ ngày 26/07/2007 đến ngày
28/07/2007 87

Hình 3.8: Tổng lượng mưa từ tháng 02/2007 đến tháng 08/2007 theo phân tích
(trái, trên) và dự báo với hạn dự báo 1 ngày (phải, trên), 2 ngày (trái,
dưới) và 3 ngày (phải, dưới) theo BoLAM_FATHER. 90

Hình 3.9: Tổng lượng mưa từ tháng 02/2007 đến tháng 08/2007 theo phân tích
(trái, trên) và dự báo với hạn dự báo 1 ngày (phải, trên), 2 ngày (trái,
dưới) và 3 ngày (phải, dưới) theo BoLAM_SON. 91

Hình 3.10: Phân bố sai số hệ thống (ME) từ tháng 02 đến tháng 08/2007 theo
phân tích và dự báo với hạn dự báo 1 và 2 ngày theo
BoLAM_FATHER (các hình bên trái) và BoLAM_SON (các hình bên
phải) 92

Hình 3.11: Phân bố sai số hệ thống tần suất (FB) với ngưỡng mưa 10mm/ngày từ
tháng 02/2007 đến tháng 08/2007 theo phân tích và dự báo với hạn dự
báo 1 và 2 ngày theo BoLAM_FATHER (hình trái) và BoLAM_SON
(hình phải). 93

Hình 3.12: Phân bố hệ số tương quan (COR) từ tháng 02 đến tháng 08/2007 theo
phân tích và dự báo với hạn dự báo 1 và 2 ngày theo
BoLAM_FATHER (hình trái) và BoLAM_SON (hình phải) 94

Hình 3.13: Phân bố điểm số kỹ năng thực với ngưỡng mưa 10mm/ngày từ tháng
02/2007 đến tháng 08/2007 theo phân tích và dự báo với hạn dự báo 1
và 2 ngày theo BoLAM_FATHER (hình trái) và BoLAM_SON (hình
phải) 95

x

Hình 3.14: Tổng lượng mưa từ tháng 02/2007 đến tháng 08/2007 theo phân tích
(trái) và dự báo với hạn dự báo ngày thứ nhất từ BoLAM (giữa) và
HRM (phải) 96

Hình 3.15: Tổng lượng mưa từ tháng 02/2007 đến tháng 08/2007 theo phân tích
(trái) và dự báo với hạn dự báo ngày thứ hai từ BoLAM (giữa) và
HRM (phải) 97

Hình 3.16: Phân bố sai số hệ thống (ME) từ tháng 02/2007 đến tháng 08/2007
theo phân tích và dự báo với hạn dự báo ngày thứ nhất và ngày thứ hai
từ BoLAM (trái) và HRM (phải) 98

Hình 3.17: Phân bố sai số hệ thống tần suất (FB) với ngưỡng mưa 10mm/ngày từ
tháng 02/ 2007 đến tháng 08/2007 với hạn dự báo ngày thứ nhất và
ngày thứ hai từ BoLAM (trái) và HRM (phải) 99

Hình 3.18: Phân bố hệ số tương quan (COR) từ tháng 02, 2007 đến tháng 08,
2007 theo phân tích và dự báo với hạn dự báo ngày thứ nhất và ngày
thứ hai từ BoLAM (trái) và HRM (phải). 100

Hình 3.19: Phân bố điểm số kỹ năng thực với ngưỡng mưa 10mm/ngày từ tháng
02/2007 đến tháng 08/2007 theo phân tích và dự báo với hạn dự báo
ngày thứ nhất và ngày thứ hai từ BoLAM (trái) và HRM (phải) 101

Hình 4.1: Một số phương pháp thường dùng trong dự báo thủy văn 103

Hình 4.2: Sơ đồ mô phỏng phương pháp dự báo kỹ thuật số 107

Hình 4.3: Quy trình dự báo theo phương pháp tương quan đa biến 130

Hình 4.4: Mạng Nơ ron Thần kinh 3 lớp 139

Hình 4.5: Một neron thần kinh với hàm kích hoạt F 139

Hình 4.6: Hàm kích hoạt Logistic 140

Hình 4.7: Sơ đồ khối của thuật toán quét ngược 142

Hình 4.8- Giao diện chính của phần mềm NeuroSolutions 5.0 146

Hình 4.9- Giao diện chính của phần mềm NeuroSolutions 5.0 cho excel 147

Hình 4.10: Sơ đồ áp dụng NeuroSolutions cho Excel 147

Hình 4.11: Các bước xây dựng phương án dự báo 148

Hình 4.12: Sơ đồ mạng lưới sông Hồng-Thái Bình sử dụng trong viêc xây dựng
các phương án dự báo tại 150

xi

các trạm trên hệ thống sông 150

Hình 4.13: đường quá trình dự báo và thực đo trạm Yên Bái khi xây dựng PT dự
báo với thời gian dự kiến 24h 152

Hình 4.14: đường quá trình dự báo và thực đo trạm Yên Bái khi dự báo thử

nghiệm với thời gian dự kiến 24h 152

Hình 4.15: đường quá trình dự báo và thực đo trạm Phú Thọ khi xây dựng PT dự
báo với thời gian dự kiến 24h 155

Hình 4.16: đường quá trình dự báo và thực đo trạm Phú Thọ khi dự báo thử
nghiệm với thời gian dự kiến 24h 155

Hình 4.17: đường quá trình dự báo và thực đo trạm Yên Bái khi xây dựng mạng
với thời gian dự kiến 24h 157

Hình 4.18: đường quá trình dự báo và thực đo trạm Yên Bái khi dự báo kiểm tra
với thời gian dự kiến 24h 157

Hình 4.19: đường quá trình dự báo và thực đo trạm Phú Thọ khi xây dựng mạng
thời gian dự kiến 24h 159

Hình 4.20: đường quá trình dự báo và thực đo trạm Phú Thọ khi dự báo kiểm tra
với thời gian dự kiến 24h 159

Hình 4.21: Đường quá trình mực nước thực đo và tính toán tại Hàm Yên trước
(t+24) khi xây dựng mạng 164

Hình 4.22: Đường quá trình mực nước thực đo và tính toán tại Hàm Yên trước
(t+24) khi dự báo kiểm tra 165

Hình 4.23: Đường quá trình mực nước thực đo và tính toán tại Bắc Mê trước
(t+24) khi xây dựng mạng 166

Hình 4.24: Đường quá trình mực nước thực đo và tính toán tại Bắc Mê trước

(t+24) khi dự báo kiểm tra 166

Hình 4.25: Đường quá trình mực nước tính toán và thực đo trạm Lai Châu (trước
12h) khi kiểm định mô hình 170

Hình 4.26: Đường quá trình mực nước dự báo và thực đo trạm Quỳnh Nhai giai
đoạn kiểm định mô hình 171

Hình 4.27: Đường quá trình mực nước dự báo và thực đo trạm Tạ Bú với thời gian
dự kiến 24h – giai đoạn kiểm định 172

xii

Hình 4.28: Đường quá trình mực nước dự báo và thực đo trạm LaiChâu với thời
gian dự kiến 12h – giai đoạn kiểm định 174

Hình 4.29: Đường quá trình mực nước dự báo và thực đo trạm Quỳnh Nhai với
thời gian dự kiến 24h – giai đoạn kiểm định 174

Hình 4.30: Đường quá trình mực nước dự báo và thực đo trạm Tạ Bú với thời gian
dự kiến 24h 175

Hình 4.31: Tóm tắt sơ đồ xử lý và xây dựng các file DEM cho mô hình 180

Hình 4.32: Bản đồ DEM lưu vực sông Hồng 181

Hình 4.33: Mạng lưới sông lưu vực sông Hồng tính đến Sơn Tây theo định dạng
của DIMOSHONG 183

Hình 4.34: Bản đồ thổ nhưỡng dạng Grid lưu vực sông Hồng cả phần lãnh thổ

Trung Quốc 185

Hình 4.35: Bản đồ địa chất dạng Grid lưu vực sông Hồng cả phần lãnh thổ Trung
Quốc 186

Hình 4.36: Vị trí các trạm đo mưa vực sông Hồng cả phần lãnh thổ Trung Quốc
đưa vào mô hình (trong trường hợp sử dụng số liệu thực mưa đo vào
dự báo) 186

Hình 4.37: Mô phỏng mưa lũ cho năm 1971 187

Hình 4.38: Mô phỏng mưa lũ cho năm 1996 188

Hình 4.39: Mô phỏng mưa lũ cho năm 2000 189

Hình 4.40: Mô phỏng mưa lũ cho năm 2002 190

Hình 4.41: Sơ đồ mô phỏng lưu vực hệ thống sông Hồng đến Hà Nội bằng phần
mềm HEC-HMS 3.01 193

Hình 4.42: Thư mục chứa các File dữ liệu 194

Hình 4.43: Menu dự báo 194

Hình 4.44: Cửa sổ lọc dữ liệu 195

Hình 4.45: Kết quả lọc dữ liệu 195

Hình 4.46: Menu ghi kết quả 196

Hình 4.47: Hộp hội thoại ghi kết quả 196

xiii

Hình 4.48: Đường quá trình dòng chảy vào hồ Hoà Bình tính toán và thực đo năm
2003 197

Hình 4.49: Giao diện chương trình dự báo lũ hệ thống sông Hồng 198

Hình 4.50: Giao diện chương trình dự báo lũ ngắn hạn hệ thống sông Hồng 199

Hình 4.51: File Bolam 200

Hình 4.52: Hộp hội thoại thông số 200

Hình 4.53: Kết quả chạy mô hình 201

Hình 4.54: Danh sách các trạm khí tượng – thủy văn 202

Hình 4.55: Menu lọc dữ liệu 202

Hình 4.56: kết quả lọc dữ liệu 203

Hình 4.57: Tải chương trình DSS 204

Hình 4.58: Mở File DSS 205

Hình 4.59: Ghi lại dữ liệu 205

Hình 4.60: Dòng chảy ban đầu 206

Hình 4.61: Thông số hồ Hòa Bình 206

Hình 4.62:Thử nghiệm công nghệ dự báo lũ trung hạn cho mùa lũ 2007 207

Hình 4.63: Đường quá trình dòng chảy dự báo và dòng chảy thực đo tại trạm Tạ
Bú tháng 7/2007 208

Hình 4.64: Đường quá trình dòng chảy dự báo và dòng chảy thực đo tại trạm Yên
Bái trận lũ tháng 7/2007 209

Hình 4.65: Đường quá trình dòng chảy dự báo đến trạm Bắc Mê trận lũ tháng
7/2007 210

Hình 4.66: Đường quá trình dự báo và thực đo dòng chảy vào hồ Hoà Bình từ
16/7 đến 12/9/2007 211

Hình 4.67: Đường quá trình dự báo và thực đo dòng chảy vào hồ Tuyên Quang từ
18/7 đến 10/9/2007 212

Hình 4.68: Đường quá trình dự báo dòng chảy vào hồ Thác Bà từ 18/7 đến
10/9/2007 212

Hình 5.1: Hộp hội thoại thông báo lỗi 231

xiv

Hình 5.2: Giao diện ban đầu của chương trình Nhập dữ liệu cho DIMOSHONG 231

Hình 5. 3: Giao diện phần nhập dữ liệu Thông số chung 233

Hình 5.4: Giao diện phần nhập dữ liệu cho Thông số DIMOSHONG 234

Hình 5.5: Giao diện phần nhập dữ liệu cho Thông số BOLAM 235

Hình 5.6: Giao diện phần Kết quả nhập số liệu 236

Hình 5.7 : Hộp hội thoại thông báo lỗi đường dẫn 237

Hình 5.8: Giao diện chương trình Xem kết quả 237

Hình 5.8: Giao diện phần Lựa chọn trạm cần hiển thị kết quả dự báo 238

Hình 5.10: Kết quả mô phỏng đường quá trình lũ sử dụng mưa BOLAM cho trận
lũ 8/2002 243

Hình 5.11: Kết quả mô phỏng đường quá trình lũ sử dụng mưa BOLAM cho trận
lũ 8/2002 243

Hình 5.12: Kết quả mô phỏng đường quá trình lũ sử dụng mưa BOLAM cho trận
lũ 8/2002 244

Hình 5.13: Kết quả mô phỏng đường quá trình lũ sử dụng mưa thực đo cho trận lũ
8/2002 244

Hình 5.14: Kết quả mô phỏng đường quá trình lũ sử dụng mưa thực đo cho trận lũ
7/2000 245

Hình 5.15: Kết quả mô phỏng đường quá trình lũ sử dụng mưa thực đo cho trận lũ
7/2000 245

Hình 5.16: Kết quả mô phỏng đường quá trình lũ sử dụng mưa BOLAM cho trận
lũ 7/2000 246

Hình 5.17: Kết quả mô phỏng đường quá trình lũ sử dụng mưa BOLAM cho trận
lũ 7/2000 246

Hình 5.18: Kết quả mô phỏng đường quá trình lũ sử dụng mưa BOLAM cho trận
lũ 7/2000 247

Hình 5.19: Kết quả mô phỏng đường quá trình lũ sử dụng mưa BOLAM cho trận
lũ 7/2000 247

Hình 5.20: Kết quả mô phỏng đường quá trình lũ sử dụng mưa thực đo cho trận lũ
8/1996 248

xv

Hình 5.21: Kết quả mô phỏng đường quá trình lũ sử dụng mưa thực đo cho trận lũ
8/1996 248

Hình 5.22: Kết quả mô phỏng đường quá trình lũ sử dụng mưa thực đo cho trận lũ
8/1996 249

Hình 5.23: Kết quả mô phỏng đường quá trình lũ sử dụng mưa thực đo cho trận lũ
8/1996 249

Hình 5.24: Kết quả mô phỏng đường quá trình lũ sử dụng mưa BOLAM cho trận
lũ 8/1996 250

Hình 5.25: Kết quả mô phỏng đường quá trình lũ sử dụng mưa BOLAM cho trận
lũ 8/1996 250

Hình 5.26: Kết quả mô phỏng đường quá trình lũ sử dụng mưa BOLAM cho trận
lũ 8/1996 251

Hình 5.27: Kết quả mô phỏng đường quá trình lũ sử dụng mưa Thực đo cho trận
lũ 7/1971 251

Hình 5.28: Kết quả mô phỏng đường quá trình lũ sử dụng mưa Thực đo cho trận
lũ 7/1971 252

Hình 5.29: Kết quả mô phỏng đường quá trình lũ sử dụng mưa Thực đo cho trận
lũ 7/1971 252

Hình 5.30: Kết quả mô phỏng đường quá trình lũ sử dụng mưa Thực đo cho trận
lũ 7/1971 253

Hình 5.31: Kết quả mô phỏng đường quá trình lũ sử dụng mưa BOLAM cho trận
lũ 7/1971 253

Hình 5.32: Kết quả mô phỏng đường quá trình lũ sử dụng mưa BOLAM cho trận
lũ 7/1971 254

Hình 5.33: Kết quả mô phỏng đường quá trình lũ sử dụng mưa BOLAM cho trận
lũ 7/1971 254

Hình 5.34: Kết quả mô phỏng đường quá trình lũ sử dụng mưa BOLAM cho trận
lũ 7/1971 255

Hình 6.1: Mô phỏng dòng chảy qua hồ chứa 259

Hình 6.2: Các đường đặc tính hồ 260

xvi

Hình 6.3: Sơ đồ mô phỏng lưu vực hệ thống sông Hồng đến Hà Nội bằng phần
mềm HEC-HMS 3.01 262

Hình 6.4: Đường quá trình lưu lượng đến hồ Hòa Bình và lưu lượng xả ra khỏi hồ
từ 20/07/07 – 24/08/07 262

Hình 6.5: Quan hệ mực nước –dung tích hồ chứa hồ Tuyên Quang 263

Hình 6.6: Quan hệ mực nước –dung tích hồ chứa hồ Thác Bà 263

Hình 6.7: Mực nước tại Hà Nội năm 1971 khi chưa có sự điều tiết của hồ Hòa
Bình, Tuyên Quang, Thác Bà và khi có sự điều tiết của hồ Hòa Bình,
Tuyên Quang, Thác Bà 273

Hình 6.8 :Đường mực nước, dung tích, lưu lượng đến và lưu lượng xả hồ Hòa
Bình điều tiết theo dạng lũ năm 1971 274

Hình 6.9 :Đường mực nước, dung tích, lưu lượng đến và lưu lượng xả hồ Tuyên
Quang điều tiết theo dạng lũ năm 1971 275

Hình 6.10 :Đường mực nước, dung tích, lưu lượng đến và lưu lượng xả hồ Hòa
Bình điều tiết theo dạng lũ năm 1971 276

Hình 6.11:Đường mực nước, dung tích, lưu lượng đến và lưu lượng xả hồ Tuyên

Quang điều tiết theo dạng lũ năm 1971 277

Hình 6.12:Đường mực nước, dung tích, lưu lượng đến và lưu lượng xả hồ Thác
Bà điều tiết theo dạng lũ năm 1971 278

Hình 6.13: Mực nước tại Hà Nội năm 1971 khi chưa có sự điều tiết của hồ Hòa
Bình, Tuyên Quang, Thác Bà và khi có sự điều tiết của hồ Hòa Bình,
Tuyên Quang, Thác Bà 279

Hình 6.14:Đường mực nước, dung tích, lưu lượng đến và lưu lượng xả hồ Hòa
Bình điều tiết theo dạng lũ năm 1971 280

Hình 6.15:Đường mực nước, dung tích, lưu lượng đến và lưu lượng xả hồ Tuyên
Quang điều tiết theo dạng lũ năm 1971 281

Hình 6.16:Đường mực nước, dung tích, lưu lượng đến và lưu lượng xả hồ Thác
Bà điều tiết theo dạng lũ năm 1971 282

Hình 6.17: Mực nước tại Hà Nội năm 1971 khi chưa có sự điều tiết của hồ Hòa
Bình, Tuyên Quang, Thác Bà và khi có sự điều tiết của hồ Hòa Bình,
Tuyên Quang, Thác Bà 283

xvii

Hình 6.18: đường quá trình mực nước tính toán và thực đo năm 2007 tại Sơn Tây
từ 7h ngày 21/07 đến 07h ngày 12/09/2007 284

Hình 6.19: đường quá trình mực nước tính toán và thực đo năm 2007 tạiHà Nội từ
7h ngày 21/07 đến 07h ngày 12/09/2007 285

xviii

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 2.1: Lượng mưa trung bình năm và lượng mưa ứng với các tần suất ở một số
trạm trên lưu vực 24

Bảng 2.2. Tổng hợp tổng số lượng sông 27

Bảng 2.3 Chiều dài sông hệ thống sông Hồng – Thái Bình (phần trong nước) 27

Bảng 2.5 Đặc trưng dòng chảy năm trung bình nhiều năm hệ thống sông Hồng -
Thái Bình 33

Bảng 2.5: Thống kê tài liệu thủy văn thu thập được tại một số trạm chính 43

Bảng 2.6: Thống kê tài liệu khí tượng một số trạm chính thu thập được 46

Bảng 2.7: Bảng thống kê đặc trưng một số trạm thủy văn trong lưu vực 52

Bảng 2.8: Bảng mẫu dạng tabular format 56

Bảng 3.1: Các hình thế thời tiết gây mưa lớn ở Bắc Bộ 67

Bảng 3.2: Đặc trưng đỉnh lũ đặc biệt lớn trên các sông thuộc sông Hồng 68

Bảng 3.3. Các chi phí tính toán thời gian chạy mô hình BoLAM 78

Bảng 3.4: Danh sách các khối chương trình bị thay đổi hoặc viết mới trong phiên
bản mô hình BoLAM được cài đặt tại TT DBKTTV TƯ 81

Bảng 3.5: Cấu hình động lực, vật lý và phương pháp số của 2 phiên bản mô hình
BoLAM trong nghiên cứu dự báo định lượng mưa cho khu vực 85

Việt Nam 85

Bảng 4.1: Quan hệ mức độ lũ với tổ hợp mưu và trữ lượng nước trên lưu vực 115

Bảng 4.2: Các trận lũ lớn xảy ra vào tháng VII & VIII trên sông Hồng 115

Bảng 4.3: Tỷ lệ đóng góp (%) vào đỉnh lũ tại Sơn Tây của từng sông trong các
trận lũ lơn đã xẩy ra trên sông Hồng 116

Bảng 4.4: Thời gian truyền lưu lượng từ Hòa Bình về hạ lưu sông Hồng dưới tác
động của công trình Hòa Bình 125

Bảng 4.5 Tiêu chuẩn đánh giá phương án dự báo bằng hệ số tương quan của biên
độ dự báo 135

xix

Bảng 4.6: Phương trình dự báo lũ tại trạm Bảo Hà và Yên Bái (trước 24h) trên
sông Thao bằng phương pháp hồi qui đa biến 151

Bảng 4.7: Đánh giá phương án dự báo tại trạm Bảo Hà và Yên Bái (trước 24h)
trên sông Thao bằng phương pháp hồi quy đa biến 151

Bảng 4.8: Phương trình dự báo lũ tại trạm Yên Bái (trước 12h) và Phú Thọ (trước
24h) trên sông Thao bằng phương pháp hồi qui đa biến 153

Bảng 4.9: Đánh giá phương án dự báo tại trạm Yên Bái (trước 12h) và Phú Thọ
(trước 24h) trên sông Thao bằng phương pháp hồi quy đa biến 153

Bảng 4.10: Đánh giá phương án dự báo tại trạm Bảo Hà (trước 12h) trên sông
Thao bằng phương pháp mạng trí tuệ nhân tạo 155

Bảng 4.11: Đánh giá phương án dự báo tại trạm Yên Bái (trước 24h) trên sông
Thao bằng phương pháp mạng trí tuệ nhân tạo 156

Bảng 4.12: Đánh giá phương án dự báo tại trạm Yên Bái (trước 12h) trên sông
Thao bằng phương pháp mạng trí tuệ nhân tạo 157

Bảng 4.13: Đánh giá phương án dự báo tại trạm Phú Thọ (trước 24h) trên sông
Thao bằng phương pháp mạng trí tuệ nhân tạo 158

Bảng 4.14: Dự báo trực tiếp mực nước 24h tại trạm Hàm Yên theo phương pháp
hồi qui 161

Bảng 4.15: Đánh giá phương án trực tiếp mực nước 24h theo phương pháp hồi qui
tại trạm Hàm Yên 162

Bảng 4.16: Dự báo trực tiếp mực nước 24h tại trạm Bắc Mê theo phương pháp hồi
qui 163

Bảng 4.17: Đánh giá phương án trực tiếp mực nước 24h theo phương pháp hồi qui
tại trạm Bắc Mê 163

Bảng 4.18: Đánh giá phương án trực tiếp mực nước 24h theo phương pháp mạng
trí tuệ nhân tạo ANN tại trạm Hàm Yên 164

Bảng 4.19: Đánh giá phương án trực tiếp mực nước 24h theo phương pháp mạng
trí tuệ nhân tạo ANN tại trạm Bắc Mê 165

Bảng 4.20: Phương trình dự báo lũ tại trạm Lai Châu (thời gian dự kiến 12h) trên
sông Đà bằng phương pháp hồi qui đa biến 169

xx

Bảng 4.21: Đánh giá kết quả dự báo mực nước trạm Lai Châu (thời gian dự kiến
12h) 169

Bảng 4.22: Phương trình dự báo lũ tại trạm Quỳnh Nhai (thời gian dự kiến 24h)
bằng phương pháp hồi qui đa biến 170

Bảng 4.23: Đánh giá kết quả dự báo mực nước trạm Quỳnh Nhai với thời gian dự
kiến 24h 171

Bảng 4.24: Phương trình dự báo lũ tại trạm Tạ Bú (thời gian dự kiến 24h) bằng
phương pháp hồi qui đa biến 171

Bảng 4.25: Đánh giá kết quả dự báo mực nước trạm Tạ Bú (thời gian dự kiến
24h) 172

Bảng 4.26: Cấu trúc mô hình mạng thần kinh (BPNN) được xây dựng cho các
trạm trên sông Đà 173

Bảng 4.27: Kết quả dự báo các trạm bằng mô hình trí tuệ nhân tạo 173

Bảng 4.28. Bảng phân loại đất theo USDD- SCS-CN được sử dụng xây dựng bản
đồ lưới (grid) lớp phủ bề mặt 184

Bảng 4.29: Kết quả đánh giá sai số dự báo từ mô hình DIMOSHONG 210

Bảng 4.30: Kết quả đánh giá sai số dự báo từ mô hình HEC 213

Bảng 6.1: Kịch bản các phương án vận hành hệ thống phòng lũ 267

Bảng 6.2: Quy định về mực nước trước lũ trong các hồ thời kỳ lũ sớm 268

Bảng 6.3: Quy định về mực nước trước lũ trong các hồ thời kỳ chính vụ 269

Bảng 6.4: Cao trình mực nước trước lũ 275

Bảng 6.5: thống kê sai số dự báo tại trạm Sơn Tây và Hà Nội 285





xxi

CÁC TỪ VIẾT TẮT


NN&PTNT Nông nghiệp và phát triển nông thôn
GFS (Cơ quan thời tiết quốc gia Hoa Kỳ USNWS)

GSM (Cơ quan khí tượng Nhật Bản – JMA)
MNDBT Mực nước dâng bình thường






Hợp tác nghiên cứu xây dựng công nghệ dự báo lũ trung hạn kết nối với công nghệ điều hành hệ thống công trình
phòng chống lũ cho đồng bằng sông Hồng – sông Thái Bình

Đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ cấp nhà nước


0

Hợp tác nghiên cứu xây dựng công nghệ dự báo lũ trung hạn kết nối với công nghệ điều hành hệ thống công trình
phòng chống lũ cho đồng bằng sông Hồng – sông Thái Bình

Đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ cấp nhà nước


1

CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU
1.1. Mở đầu
Dự báo khí tượng thủy văn đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong việc điều hành
hệ thống các hồ chứa thượng nguồn phục vụ phát điện, cấp nước và chống lũ cho hạ
du. Đối với những nước nằm trong khu vực nhiệt đới như nước ta thì lũ chủ yếu hình
thành từ mưa. Tương tác giữa bức xạ mặt trời và các nhân tố mặt đệm hình thành các

tổ hợp thời tiết gây mưa. Nước mưa sau khi đã lấp đầy chỗ trũng, ngấm xuống đất thì
chảy tràn trên bề mặt lưu vực vào các sông suối nhỏ, rồi chảy ra những sông lớn hơn.
Trên cơ sở bản chất vật lý của hiện tượng, việc dự báo lũ tại 1 địa điểm nào đó sẽ bao
gồm các công đoạn như: i) Dự báo thời tiết bao gồm các yếu tố như nhiệt độ, nắng,
gió, độ ẩm, mưa, bốc hơi; ii) Mô phỏng quá trình mưa rơi xuống lưu vực, chảy tràn
trên sườn dốc và chảy vào sông suối; iii) Dự báo dòng chảy trên cơ sở qui luật chảy
truyền từ những vùng cao xuống các vùng thấp.
Dựa vào thời gian dự kiến, người ta chia dự báo nói chung thành 3 hạn: dự báo
ngắn hạn với thời gian dự kiến nhỏ hơn hoặc bằng 24 giờ; dự báo trung hạn với thời
gian dự kiến từ 2 đến 5 ngày, và dự báo dài hạn thời gian dự báo lớn hơn 5 ngày.
Lũ trên hệ thống sông Hồng tập trung nhanh, thời gian lũ ở phần thượng lưu các
sông cũng chỉ kéo dài từ 3 đến 5 ngày, trong khi các phương pháp dự báo lũ hiện nay
chỉ mới đạt thời gian dự kiến 24 đến 36 giờ, do đó các quy trình vận hành hệ thống
công trình phòng lũ hạ du cũng chỉ được xây dựng với thời gian dự kiến 24 đến 36 giờ.
Để công tác điều hành các công trình phòng lũ cho hạ du có hiệu quả, các nhà khoa
học đã nghĩ tới việc kéo dài thời gian dự kiến thông qua việc dự báo mưa. Điều đó có
nghĩa là nếu như chúng ta dự báo được lượng mưa trước một khoảng thời gian (chẳng
hạn 24 đến 36 giờ) thì cũng có nghĩa là đã kéo dài được thời gian dự báo lũ lên gấp
đôi.
Hiện nay trên thế giới công nghệ dự báo mưa và dự báo lũ đã phát triển ở mức
độ cao. Công nghệ dự báo hiện đại trong đó kết hợp nhiều mô hình toán đã kết nối với
hệ thống cơ sở dữ liệu như hệ thông tin địa lý (GIS), các vệ tinh, Rada để tăng tính
hiệu quả của các mô hình toán. Các mô hình thuỷ văn – thuỷ lực với công nghệ cao
được tích hợp với các mô hình dự báo thời tiết được xây dựng ở Châu Âu, Mỹ, Nhật
và nhiều nước khác trên thế giới. Ở Châu âu, người ta đã tiến hành tích hợp mô hình
thuỷ văn DIMOSOP với mô hình dự báo thời tiết BOLAM trong khuôn khổ nghiên
cứu RAPHAEL và MAP-SOP để dự báo mưa lũ trung hạn cho rất nhiều khu vực ở