Nghiên cứu mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên đất và nước

Đại học quốc gia Hà Nội
Trường đại học khoa học tự nhiên






Nguyễn Thanh Sơn



Nghiên cứu mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy
Phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên nước và đất
một số lưu vực sông thượng nguồn miền trung






Luận án tiến sỹ địa lý

Hà Nội - 2008
1
Đại học quốc gia Hà Nội
Trường đại học khoa học tự nhiên






Nguyễn Thanh Sơn



Nghiên cứu mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy
Phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên nước và đất
một số lưu vực sông thượng nguồn miền trung


Chuyên ngành: sử dụng và bảo vệ tài nguyên môi trường
Mã số: 62.85.15.01

Luận án tiến sỹ địa lý




Người hướng dẫn khoa học:
1. GS. TS. Trương quang hải
2. TS. Lương tuấn anh




Hà Nội 2008
2


Mục lục

Lời cam đoan....................................................................................................5

Danh mục chữ viết tắt................................................................................6

Danh mục bảng biểu .....................................................................................7

Danh mục hình vẽ ..........................................................................................8

Mở đầu ..............................................................................................................10

Chương 1. Tổng quan các nghiên cứu về mưa lũ ở miền trung.

cơ sở lý thuyết mô hình mưa dòng chảy và phương pháp SCS
..............................................................................................................................15

1.1. Tổng quan các nghiên cứu và mô hình toán phục vụ sử dụng hợp lý tài
nguyên đất và nước lưu vực sông .......................................................................15

1.1.1. Nghiên cứu, áp dụng mô hình toán để tính toán và dự báo mưa lũ trên thế
giới và ở nước ta............................................................................................15

1.1.2. Nghiên cứu mưa lũ và tài nguyên nước trên địa bàn nghiên cứu............18

1.2. Cơ sở lý thuyết lớp mô hình toán mưa - dòng chảy......................................20

1.2.1. Mô hình thủy động lực học...................................................................26

1.2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng trong mô hình sóng động học
một chiều. ......................................................................................................28

1.3. Phương pháp SCS ........................................................................................39

1.3.1. Giới thiệu phương pháp SCS.................................................................39

1.3.2. Phát triển SCS.......................................................................................41

Chương 2. điều kiện địa lý tự nhiên và kinh tế xã hội một số
lưu vực thượng nguồn Miền Trung trong mối liên quan với
quá trình mưa dòng chảy ....................................................................45

2.1. Điều kiện địa lý tự nhiên.............................................................................45

2.1.1 Vị trí địa lý............................................................................................45

2.1.2 Địa hình ................................................................................................45

2.1.3. Địa chất, thổ nhưỡng ............................................................................50

2.1.4. Thảm thực vật ......................................................................................54

2.1.5. Khí hậu ................................................................................................57

2.1.6. Mạng lưới thuỷ văn các lưu vực sông nghiên cứu .................................58

2.2. Điều kiện kinh tế xã hội ..............................................................................61

2.2.1. Thừa Thiên - Huế .................................................................................61

2.2.2. Quảng Nam..........................................................................................62

2.2.3. Quảng Ngãi..........................................................................................63

2.3. Đặc điểm mưa, dòng chảy và các biện pháp phòng lũ.................................65

2.3.1. Đặc điểm mưa, dòng chảy trên các lưu vực nghiên cứu.........................65

2.3.2 Các biện pháp phòng lũ trên các lưu vực nghiên cứu..............................66

3
Chương 3. Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình mưa - dòng
chảy bằng mô hình sóng động học một chiều, phương pháp
phần tử hữu hạn và phương pháp SCS .................................................68

3.1. Nâng cao tính ổn định và độ chính xác của phương pháp phần tử hữu hạn mô
phỏng không gian thời gian trong mô hình sóng động học một chiều ..............68

3.1.1. Các vấn đề về tính ổn định và độ chính xác khi giải phương trình sóng
động học bằng phương pháp phần tử hữu hạn.................................................68

3.1.2. Các sơ đồ số để giải phương trình sóng động học .................................71

3.1.3. Một số thuật toán giải hệ phương trình vi phân phi tuyến tính trong mô
hình phần tử hữu hạn sóng động học một chiều..............................................75

3.1.4. Thực nghiệm số, đánh giá độ ổn định, độ chính xác của các sơ đồ số và
thuật toán phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng cho mô hình sóng động học
một chiều .......................................................................................................77

3.2. Hiệu chỉnh phương pháp SCS, nâng cao khả năng mô phỏng lũ trên các lưu
vực sông ngòi Miền Trung .................................................................................80

3.2.1. Sử dụng SCS nâng cao khả năng mô phỏng lưu vực ..............................80

3.2.2. Nâng cao khả năng mô phỏng của phương pháp SCS............................82

3.2.3. Thực nghiệm số công thức tính độ sâu tổn thất ban đầu trên một số lưu
vực Miền Trung. ............................................................................................83

3.3 Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy đối với một số lưu
vực sông thượng nguồn Miền Trung...................................................................87

3.3.1. Phân tích và xử lý số liệu......................................................................87

3.3.2. Xây dựng bộ thông số ..........................................................................88

3.3.3. Xây dựng mô hình và chương trình tính toán ........................................94

3.3.4. Kết quả mô phỏng................................................................................95

3.3.5. Nhận xét...............................................................................................99

Chương 4. ứng dụng mô hình mô phỏng quá trình mưa dòng
chảy phục vụ dự báo lũ và sử dụng hợp lý tài nguyên nước,
đất trên các lưu vực sông thượng nguồn miền trung..........103

4.1 ứng dụng mô hình mô phỏng quá trình mưa dòng chảy phục vụ dự báo lũ
sông Trà Khúc trạm Sơn Giang ....................................................................103

4.1.1. Dự báo thử nghiệm mưa gây lũ tại lưu vực sông Trà KhúcSơn Giang105

4.1.2. Dự báo lũ ...........................................................................................107

4.2. ứng dụng mô hình mô phỏng quá trình mưa dòng chảy phục vụ sử dụng hợp
lý tài nguyên đất trên lưu vực...........................................................................109

4.2.1. Đánh giá ảnh hưởng của quá trình sử dụng lớp phủ đất đô thị đến sự hình
thành lũ........................................................................................................110

4.2.2. Đánh giá ảnh hưởng của lớp phủ rừng đến sự hình thành lũ................ 114

4.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của quá trình sử dụng lớp phủ đất đô thị đồng thời
thay đổi thảm phủ thực vật trên lưu vực sông Tả Trạch - trạm Thượng Nhật.117

4.2.4 Xây dựng bổ sung hồ chứa trên các lưu vực nghiên cứu, tăng cường khả
năng cắt lũ làm giảm mực nước hạ du. ......................................................... 118

4.3. Kết quả và thảo luận..................................................................................121

4.3.1. Về việc phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên nước ................................ 121

4
4.3.2. Về việc phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên đất...................................122

Kết luận và kiến nghị..............................................................................124

Danh MụC CáC CÔNG TRìNH CÔNG Bố LIÊN QUAN TớI LUậN áN....127

tài liệu Tham khảo ...................................................................................129

phụ lục............................................................................................................147

Phụ lục 1. Các bản đồ sử dụng trong luận án........................................................148

Phụ lục 2. Các trận lũ dùng để hiệu chỉnh và kiểm định mô phỏng bằng mô hình
KW 1D.............................................................................................................156

Phụ lục 3. Kết quả đánh giá các kịch bản sử dụng đất trên các lưu vực bằng mô
hình KW 1D ..................................................................................................... 163

Phụ lục 4. Giao diện và các thực đơn chính của phần mềm KW-1D MODEL .....175

5


Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi
Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ công trình nào khác

Nguyễn Thanh Sơn

6
Danh mục chữ viết tắt
ACM I, II, III Điều kiện ẩm khô, trung bình và ướt của đất
ANN Mô hình mạng thần kinh nhân tạo (Artificial Neural Network)
ETA Mô hình khí tượng bất thuỷ tĩnh châu Âu (ETA model)
FLOAT Mô hình lan truyền chất ô nhiễm
GDP Tổng giá trị sản phẩm trong nước
GIBSI
Bộ mô hình tổng hợp của Canađa (Gestion Intộgrộe des Bassins versants
l'aide d'un Systốme Informatisộ)
GIS Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System)
HMC Trung tâm thuỷ văn Xô viết (Hydro-Metorology Centre)
HRM Mô hình khí tượng khu vực phân giải cao (High Resolution Regional Model)
HYDROGIS Mô hình thuỷ văn thuỷ lực của Nguyễn Hữu Nhân
IQQM Mô hình mô phỏng nguồn nước (Integrated Quality and Quantity Model)
ISIS Mô hình thuỷ động lực học (Interactive Spectral Interpretation System)
KOD Mô hình thuỷ lực không ổn định của Nguyễn Ân Niên
KW-1D Mô hình sóng động học một chiều
MIKE Bộ mô hình thuỷ lực và thuỷ văn lưu vực của Viện Thuỷ lực Đan Mạch
MM5 Mô hình khí tượng quy mô vừa ( The NCAR/PSU 5th Generation Mesoscale
Model)
NAM Mô hình dòng chảy của Đan Mạch (Nedbứr-Afrstrứmnings-Model)
ODE Phương trình vi phân thường
QUAL2E Mô hình chất lượng nước (Water Quality version 2E)
RAMS Mô hình khí tượng khu vực của Mỹ (Regional Atmospheric Modeling System)
SCS Cục bảo vệ đất (Soil Conservation Service)
SDV Phân rã đơn trị

SSARR Mô hình hệ thống diễn toán dòng chảy của Mỹ (Streamflow Synthesis and
Reservoir Regulation)
SWAT Mô hình mô phỏng dòng chảy mặt qua độ ẩm đất (Soil and Water Assessment
Tool)
SWMM
Mô hình diễn toán thuỷ lực (Storm Water Management Model)
TANK Mô hình bể chứa của Nhật Bản
USDAL Mô hình dòng chảy phân bố Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ
WMO
Tổ chức khí tượng thế giới (World Meteorological Organization)
X > PET, X<
PET
Mưa vượt thấm và không vượt thấm

7
Danh mục bảng biểu
Bảng 1.1. Đặc điểm của các thông số trong mô hình thuỷ văn tất định...................21

Bảng 1.2. Mục đích và đối tượng ứng dụng các mô hình thuỷ văn tất định .............22

Bảng 2.1. Hiện trạng rừng năm 2000 lưu vực sông Tả Trạch [14]...........................54

Bảng 2.2. Hiện trạng rừng năm 2000 lưu vực sông Thu Bồn [14] ...........................55

Bảng 2.3. Hiện trạng rừng năm 2000 lưu vực sông Trà Khúc [14]..........................55

Bảng 2.4. Lớp phủ thực vật lưu vực sông Vệ theo mức độ che phủ [14]..................57

Bảng 3.1. Số trận lũ trên sông Vệ An Chỉ qua các năm dùng để mô phỏng lũ.....83

Bảng 3. 2. Kết quả đánh giá mô phỏng lũ theo mô hình sóng động học một chiều .84

phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp SCS sông Vệ - An Chỉ [57] ............84

Bảng 3.3. Kết quả đánh giá mô phỏng lũ theo mô hình sóng động học một chiều ..85

phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp SCS với Ia = 0.13S .........................85

Bảng 3.4. Các đặc trưng hình thái lưu vực sông lựa chọn ở Miền Trung .................87

Bảng 3.5. Số liệu khí tượng thuỷ văn để mô phỏng lũ trên các lưu vực nghiên cứu 88

Bảng 3.6. Phân tích các lưu vực ra đoạn sông, dải và các phần tử ...........................89

Bảng 3.7. Đánh giá kết quả mô phỏng lũ trên các lưu vực sông nghiên cứu............99

Bảng 4.1 Kết quả đánh giá sai số dự báo lũ với số liệu mưa từ mô hình RAMS....109

Bảng 4.2. ảnh hưởng của lớp phủ đất đô thị đến dòng chảy qua 9 trận lũ trên sông
Tả Trạch.............................................................................................................. 111

Bảng 4.3. ảnh hưởng của lớp phủ đất đô thị đến dòng chảy qua 9 trận lũ trên sông
Thu Bồn...............................................................................................................111

Bảng 4.4. ảnh hưởng của lớp phủ đất đô thị đến dòng chảy qua 3 trận lũ trên sông
Trà Khúc .............................................................................................................112

Bảng 4.5 ảnh hưởng của lớp phủ đất đô thị đến dòng chảy qua 2 trận lũ trên sông Vệ
............................................................................................................................112

Bảng 4.6. Kết quả khảo sát đánh giá ảnh hưởng của rừng đến dòng chảy lũ trên các
lưu vực sông nghiên cứu ......................................................................................116

Bảng 4.7 ảnh hưởng của lớp phủ đất đô thị đến dòng chảy khi tăng diện tích rừng
qua 9 trận lũ trên lưu vực sông Tả Trạch - trạm Thượng Nhật .............................. 117

Bảng 4.8. Mực nước lũ 5% trên sông Hương khi có hồ Dương Hoà (Tả Trạch) ...118

Bảng 4.9. Các hồ chứa tham gia cắt lũ trên dòng chính sông Vu Gia Thu Bồn...120

Bảng 4.10. Giảm mực nước lũ trên sông Trà Khúc khi có các hồ chứa cắt lũ....... 120





8
Danh mục hình vẽ
Hình 1.1. Phân loại các mô hình thuỷ văn tất định .................................................21

Hình 1.2. Lưu vực và lưới phần tử hữu hạn tương ứng............................................32

Hình 1.3. Các biến số có tổn thất dòng chảy trong phương pháp SCS .....................40

Hình 2.1. Vị trí các lưu vực sông nghiên cứu .........................................................46

Hình 2.2. Địa hình lưu vực sông Trà Khúc.............................................................48

Hình 2.3. Độ dốc lưu vực sông Trà Khúc ...............................................................49

Hình 2.4. Sử dụng đất lưu vực sông Trà Khúc ........................................................53

Hình 2.5. Rừng lưu vực sông Trà Khúc..................................................................56

Hình 2.6. Mạng lưới sông lưu vực sông Trà Khúc trạm Sơn Giang......................60

Hình 3.1. Kết quả mô phỏng ( a) v đánh giá sai số (b) trận lũ từ ngày 25/11/1998
đến ngày 27/11/1998 .............................................................................................85

Hình 3.2 So sánh hai phương án (a) hiệu chỉnh SCS và (b) không hiệu chỉnh từ ngày
19/10/2001 đến ngày 20/10/2001...........................................................................86

Hình 3.3. Lưới phần tử trên lưu vực sông Tả Trạch trạm Thượng Nhật ................90

Hình 3.4. Lưới phần tử trên lưu vực sông Thu Bồn trạm Nông Sơn......................91

Hình 3.5. Lưới phần tử trên lưu vực sông Trà Khúc trạm Sơn Giang....................92

Hình 3.6 Lưới phần tử trên lưu vực sông Vệ trạm An Chỉ....................................93

Hình 3.7. Sơ đồ khối của chương trình tính theo mô hình KW-1D .........................94

Hình 3.8. Mô phỏng trận lũ từ 1h/18/-13h/23/XI/2002 s. Tả Trạch Thượng Nhật 95

Hình 3.9 Kết quả mô phỏng lũ từ 6h/20/X - 6h/24/X/2001 s. Tả Trạch - Thượng
Nhật ......................................................................................................................96

Hình 3.10. Mô phỏng trận lũ từ 7h/28/X 19h/30/X/2000 s. Thu Bồn Nông Sơn 96

Hình 3.11. Mô phỏng trận lũ từ 7h/20/X 19h/23/X/2001 s. Thu Bồn Nông Sơn 97

Hình 3.12. Mô phỏng trận lũ từ 13h/20 - 24/XII/2000 s. Trà Khúc Sơn Giang.....97

Hình 3.13. Mô phỏng lũ từ 1h/ 19/XI - 19h/ 25/XI/1998 s, Trà Khúc - Sơn Giang..98

Hình 3.14. Mô phỏng trận lũ từ ngày 21/XI - 24/XI/1998 s. Vệ An Chỉ ..............98

Hình 4.1. Lượng mưa tích luỹ 72 giờ dự báo được bằng RAMS từ 16 đến
19/XI/2005 trên 9 tiểu lưu vực thuộc sông Trà Khúc - trạm Sơn Giang ................ 107

Hình 4.2. Kết quả dự báo lũ từ 7 giờ ngày 10/X đến 7h ngày 13/X năm 2005 sông
Trà Khúc - Sơn Giang..........................................................................................108

Hình 4.3. Kết quả dự báo lũ từ 7 giờ ngày 16/XI đến 7h ngày 19/XI năm 2005 sông
Trà Khúc - Sơn Giang..........................................................................................108

Hình 4.4. ảnh hưởng của lớp phủ đất đô thị đến dòng chảy lũ trên sông Tả Trạch
trận lũ từ 16h/21 đến 7h/23/X/2001 .....................................................................111

Hình 4.5. ảnh hưởng của lớp phủ đất đô thị đến dòng chảy lũ trên sông Thu Bồn,
trận lũ từ 19h/2 13h/8/X/2003...........................................................................112

Hình 4. 6 ảnh hưởng của lớp phủ đất đô thị đến quá trình dòng chảy trên sông Trà
Khúc, trận lũ ngày 25 đến 30/XI năm 1998..........................................................113

Hình 4.7: ảnh hưởng của lớp phủ đất đô thị đến quá trình dòng chảy lũ trên sông
Vệ, trận lũ ngày 21 đến 24/XI năm 1998 .............................................................113

9
Hình 4. 8. ảnh hưởng của rừng đến dòng chảy trên sông Tả Trạch - Thượng Nhật

trận lũ từ 16h/21đến 4h/23/X/2000 ......................................................................114

Hình 4.9. ảnh hưởng của lớp phủ đất đô thị khi tăng diện tích rừng đến dòng chảy lũ
trên lưu vực sông Tả Trạch - trạm Thượng Nhật, trận lũ 23h/4 đến 10h/6/XII/1999
............................................................................................................................117

Hình 4.10. Vị trí hồ chứa cắt lũ (dự kiến) trên các lưu vực sông nghiên cứu ......... 119
















10

Mở đầu
1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Miền Trung là nơi hứng chịu nhiều thiên tai lũ lụt vào loại bậc nhất ở nước
ta. Đã có nhiều công trình nghiên cứu giải quyết vấn đề này nhằm góp phần giảm
nhẹ những hậu quả do thiên tai lũ lụt gây ra. Hướng tích cực nhất là nâng cao hiệu

quả của công tác cảnh báo và dự báo lũ, từ đó đề ra những biện pháp thích hợp để
phòng, tránh, trong đó đề cao vai trò của công tác quy hoạch sử dụng đất. Các
phương pháp dự báo truyền thống trước đây như phương pháp lưu lượng mực nước
tương ứng hay sử dụng các mô hình tương quan và mô hình thông số tập trung đã
mang lại những hiệu quả tích cực. Việc diễn toán dòng chảy từ trạm thuỷ văn đầu
nguồn về hạ lưu ở Trung tâm Dự báo Khí tượng Thuỷ văn Trung ương khá chính
xác, đạt độ đảm bảo tương đối tốt. Tuy nhiên, thực tế thường gặp phải hai vấn đề lớn
làm cho công tác dự báo lũ vẫn chưa đáp ứng được bài toán thực tiễn. Đó là: (1) do
các sông ở khu vực này thường ngắn và dốc, thời gian tập trung nước nhanh nên việc
phát các bản tin dự báo dựa trên số liệu quan trắc mưa và lưu lượng tuyến trên
thường có thời gian dự kiến ngắn, không đủ để triển khai các biện pháp phòng
chống thích hợp và (2) do chưa sử dụng các mô hình thông số dải, có khả năng diễn
toán dòng chảy tốt hơn. Nhằm góp phần khắc phục các vấn đề nêu trên, tác giả thực
hiện Nghiên cứu mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy phục vụ sử dụng hợp lý tài
nguyên nước và đất một số lưu vực sông thượng nguồn Miền Trung nhằm góp phần
nâng cao chất lượng công tác cảnh báo, dự báo dòng chảy lũ từ mưa, đồng thời phục
vụ quản lý tài nguyên nước và đất theo hướng điều tiết dòng chảy lưu vực. Mô hình
sóng động học một chiều phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp SCS là
một mô hình thông số dải, sử dụng đầu vào là mưa dự báo từ các mô hình khí tượng
được sử dụng để mô phỏng dòng chảy lũ nhằm tăng độ chính xác và thời gian dự
kiến của các dự báo lũ tại các trạm thuỷ văn đầu nguồn, làm cơ sở cho việc nâng cao
tính hiệu quả của công tác dự báo lũ trên toàn lưu vực.
11
2. Mục tiêu
Mục tiêu của luận án là xác lập cơ sở khoa học để xây dựng mô hình toán mô
phỏng quá trình mưa dòng chảy, có khả năng dự báo lũ và phục vụ sử dụng hợp lý
tài nguyên nước và đất trên các lưuvực sông thượng nguồn ở Miền Trung.
3. Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi khoa học của luận án là nghiên cứu các mô hình toán mưa dòng
chảy nhằm lựa chọn và xây dựng được một mô hình thích hợp để diễn toán quá trình

lũ từ mưa trong các điều kiện địa lý tự nhiên ở Miền Trung. Phạm vi lãnh thổ là một
số lưu vực sông thượng nguồn: Tả Trạch đến Thượng Nhật (đại diện cho các lưu vực
phía Bắc Trung Bộ), Thu Bồn đến Nông Sơn, Trà Khúc đến Sơn Giang và Vệ đến An
Chỉ (đại diện cho các lưu vực Nam Trung Bộ) đủ điều kiện áp dụng mô hình toán
thủy văn đã lựa chọn và cũng là các sông diễn ra lũ ác liệt trong những năm gần đây.
4. Những đóng góp mới
1) Phân tích các mô hình toán mưa dòng chảy và luận giải việc xây dựng
một mô hình toán trên cơ sở mô hình sóng động học một chiều (KW - 1D), sử dụng
phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp SCS là thích hợp với các lưu vực sông
vùng thượng nguồn ở Miền Trung.
2) Nâng cao tính ổn định và độ chính xác của mô hình KW - 1D qua sự
nghiên cứu và lựa chọn sơ đồ tính nhằm mô tả chính xác không gian, thời gian bằng
lý luận và thực nghiệm số kết hợp vận dụng, hiệu chỉnh phương pháp SCS để tính
thấm, nâng cao khả năng mô phỏng các điều kiện mặt đệm các lưu vực sông vùng
thượng nguồn ở Miền Trung
3) Xây dựng được một mô hình toán đủ khả năng dự báo lũ đồng thời là công
cụ tư vấn về việc sử dụng hợp lý tài nguyên nước và đất trên các lưu vực sông Miền
Trung, gồm:
a) Triển khai thành công lưới các phần tử cho các lưu vực sông tự nhiên và
bộ thông số của mô hình;
b) Xây dựng chương trình tính và phần mềm để dự báo dòng chảy lũ từ mưa
12
cũng như phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên nước và đất các lưu vực sông;
c) Định lượng hóa ảnh hưởng của lớp phủ đất đô thị và lớp phủ rừng đến sự
hình thành đỉnh và tổng lượng lũ qua các kịch bản sử dụng đất.
5. Luận điểm bảo vệ
Luận điểm 1. Kết quả mô phỏng lũ trên một số lưu vực sông thượng nguồn
Miền Trung với độ đảm bảo đạt từ khá đến tốt cho thấy việc lựa chọn và xây dựng
mô hình toán trên cơ sở mô hình sóng động học một chiều, phương pháp phần tử
hữu hạn và phương pháp SCS là thích hợp để mô phỏng quá trình mưa dòng chảy.

Luận điểm 2. Mô hình sóng động học một chiều, phương pháp phần tử hữu
hạn và SCS được ứng dụng đem lại hiệu quả hữu ích phục vụ sử dụng hợp lý tài
nguyên nước và đất trên các lưu vực sông thể hiện trên hai khía cạnh chính:
(1) dự báo lũ, đặc biệt khi kết hợp với mô hình số dự báo mưa có độ phân giải
cao để tăng thời gian dự kiến và
(2) đánh giá định lượng ảnh hưởng của lớp phủ đất đô thị và lớp phủ rừng đối
với quá trình hình thành đỉnh và tổng lượng lũ.
6. ý nghĩa khoa học và thực tiễn:
1) Hoàn thiện một phương pháp mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy trên
các lưu vực sông thượng nguồn.
2) Kết quả của luận án có thể sử dụng làm công cụ giải quyết các vấn đề thực
tiễn về sử dụng hợp lý tài nguyên nước và đất trên lưu vực sông theo hướng phát
triển bền vững
7. Phương pháp nghiên cứu:
Các phương pháp nghiên cứu chính trong luận án:
1) Phương pháp phần tử hữu hạn;
2) Phương pháp SCS;
3) Phương pháp mô hình toán thuỷ văn và
13
4) Phương pháp hệ thống thông tin địa lý (GIS).
8. Cơ sở tài liệu
8.1. Tài liệu từ các đề tài do tác giả chủ trì: 1) ứng dụng mô hình toán phục
vụ quy hoạch lưu vực sông Trà Khúc (QT 0321, 2004); 2) ứng dụng mô hình
toán diễn toán lũ lưu vực sông Vệ trạm An Chỉ (QT 0426, 2005); 3) Nghiên cứu
mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên nước và đất
trên một số lưu vực sông ngòi Miền Trung (QG 07-15, 2007); 4) Nghiên cứu áp
dụng phương pháp SCS phục vụ công tác phòng chống lũ và quy hoạch lưu vực sông
ngòi Trung Trung Bộ( CB 705606, 2006)
8.2. Tài liệu từ các đề tài do tác giả là thành viên tham gia chính: 1) Nghiên
cứu vận dụng mô hình thuỷ động lực, mưa - dòng chảy phục vụ tính toán và dự báo

dòng chảy lũ (Viện KTTV, 2004); 2) Xây dựng công nghệ dự báo lũ bằng mô
hình số thời hạn 3 ngày cho khu vực Trung Bộ Việt Nam (QGTĐ. 04.04, 2006).
8.3. Các tài liệu: (i) khí tượng thủy văn là số liệu trích lũ và mưa từ năm 1998
2005 được cung cấp bởi Trung tâm Tư liệu và Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy
văn Trung ương; (ii) tài liệu mặt đệm là các bản đồ số về địa hình, mạng lưới sông,
đất, sử dụng đất và thảm thực vật năm 1999 các lưu vực sông lấy từ Atlas Việt Nam,
Bộ Khoa học Công nghệ và Môi trường [155] và (iii) các báo cáo chiến lược phát
triển kinh tế xã hội các tỉnh.
9. Cấu trúc luận án
Luận án có 4 chương cùng với mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, phụ lục:
Chương 1: Tổng quan các nghiên cứu về mưa lũ ở miền trung và cơ sở lý
thuyết mô hình mưa dòng chảy và phương pháp SCS
Chương 2: Điều kiện địa lý tự nhiên và kinh tế xã hội một số lưu vực thượng
nguồn Miền Trung trong mối liên quan với quá trình mưa dòng chảy.
Chương 3: Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy bằng mô
hình sóng động học một chiều, phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp SCS.
14
Chương 4: ứng dụng mô hình mô phỏng quá trình mưa dòng chảy phục vụ
dự báo lũ và sử dụng hợp lý tài nguyên nước, đất trên các lưu vực sông thượng
nguồn Miền Trung
Luận án được hoàn thành tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học
Quóc gia Hà Nội, tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng Đào tạo Sau
đại học, Phòng Khoa học Công nghệ trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Ban Khoa
học Công nghệ Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện về thời gian, kinh phí hỗ
trợ qua các đề tài. Trong quá trình thực hiện, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến các
thầy, các cô trong hai khoa: khoa Địa lý và khoa Khí tượng Thuỷ văn & Hải dương
học về sự hỗ trợ chuyên môn và kỹ thuật. Đặc biệt, xin bày tỏ sự cảm ơn chân thành
nhất đến tập thể hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Trương Quang Hải và TS. Lương
Tuấn Anh đã tận tình chỉ đạo và góp ý để tác giả hoàn thành luận án này.

15

Chương 1
Tổng quan các nghiên cứu về mưa lũ ở miền trung. cơ sở lý
thuyết mô hình mưa dòng chảy và phương pháp SCS
1.1. Tổng quan các nghiên cứu và mô hình toán phục vụ sử
dụng hợp lý tài nguyên đất và nước lưu vực sông
1.1.1. Nghiên cứu, áp dụng mô hình toán để tính toán và dự báo mưa lũ trên
thế giới và ở nước ta
Ngày nay, trong tính toán và dự báo lũ, đánh giá ảnh hưởng của việc sử dụng,
khai thác bề mặt lưu vực, việc áp dụng mô hình toán thuỷ văn để khôi phục và xử lý
số liệu ngày càng rộng rãi. Đặc biệt, đối với những vùng ít được nghiên cứu thì sử
dụng mô hình toán còn được coi là công cụ ưu việt nhất. Cùng với việc phát triển kỹ
thuật tính toán kết hợp áp dụng công nghệ thông tin, thế mạnh giải quyết bằng các
bài toán số trị và ứng dụng trong hoạt động tác nghiệp càng có vị thế nổi bật.
Trong lĩnh vực dự báo, ngoài các phương pháp truyền thống trước đây như
phương pháp Kalinhin - Miuliacốp [31] phương pháp tính dòng chảy đoạn sông có
gia nhập khu giữa [32, 48, 53], mô hình HMC [2, 21], phương pháp đường đơn vị,
đường đẳng thời [31, 58] cùng với việc sử dụng các mô hình toán SSARR, TANK
[94], NAM [49, 93], ANN [30] được triển khai nghiên cứu và có những kết quả tốt,
đạt độ chính xác đáp ứng cho các yêu cầu quy hoạch, thiết kế.
Mô hình toán SSARR của Cục Công binh Mỹ được khai thác sử dụng sớm
nhất ở nước ta, từ năm 1968, đầu tiên trong lĩnh vực thuỷ văn công trình và sau đó là
trong việc cảnh báo, dự báo lũ ở đồng bằng châu thổ sông Cửu Long [80]. Mô hình
SSARR cũng được triển khai áp dụng để dự báo lũ cho hệ thống sông Hồng và Thái
Bình ở đồng bằng Bắc Bộ cho kết quả khả quan [26, 28, 35].
16

Mô hình TANK có xuất xứ từ Nhật Bản, được sử dụng vào những năm cuối
của thập kỷ 80 thế kỷ XX ở Việt Nam. Sử dụng mô hình TANK khá đa dạng, nhưng
thành tựu cơ bản nhất đạt được trong lĩnh vực khôi phục và bổ sung số liệu, là tình
trạng hạn chế phổ biến nhất khi nghiên cứu thuỷ văn ở nước ta. Mô hình đơn giản,
có ý nghĩa vật lý trực quan, thích hợp với các sông suối vừa và nhỏ [2, 93]. Gần đây
mô hình còn được sử dụng hiệu quả khi tiến hành dự báo hạn vừa các sông chính ở
Bắc Bộ [12, 13, 36, 72].
Mô hình MIKE 11 ra đời cách đây 20 năm ở Đan Mạch là một mô hình tổng
hợp thông dụng nhất trên thế giới (có hơn 100 nước sử dụng) với các mô đun về
thủy lực, phân tán chất lượng nước, chuyển tải bùn cát, mô phỏng mưa dòng chảy
(mô hình NAM), mô hình sinh thái, dự báo lũ, vỡ đập đã bắt đầu được nghiên
cứu và triển khai áp dụng. Các mô hình phát triển ở mức độ cao hơn như MIKE 21,
MIKE FLOOD để mô phỏng dòng chảy 2 chiều cũng được nghiên cứu, vận dụng.
Các mô hình toán có xuất xứ trong nước hiện nay rất ít, có thể kể ra một vài
mô hình tiêu biểu như HYDROGIS của Nguyễn Hữu Nhân [43], KOD của Nguyễn
Ân Niên [46, 47] và VRSAP của Nguyễn Như Khuê.
Ngày nay, khi thế giới đang đứng trước sự khủng hoảng về nước (cả lượng và
chất) trước sức ép về gia tăng dân số và các hoạt động kinh tế, bài toán quy hoạch tài
nguyên nước ngày càng được đề cao. Các mô hình toán trong lĩnh vực quản lý tài
nguyên và môi trường nước, vì thế, cũng được phát triển. Có thể điểm qua một số mô
hình đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới như sau:
Hệ thống mô hình GIBSI là một hệ thống mô hình tổng hợp quản lý nước cả
lượng và chất để kiểm tra hoạt động dùng nước trong các lĩnh vực kinh tế như nông
nghiệp, công nghiệp. Hệ thống này đang được sử dụng rộng rãi ở Canada gồm các
mô đun về thủy văn, về tích hợp dữ liệu viễn thám và GIS, về lan truyền chất hóa
học, về xói mòn đất và vận chuyển phù sa và chất lượng nước.
Bộ mô hình thuộc Chương trình sử dụng nước WUP của ủy hội sông Mê
Công hỗ trợ ra quyết định phân bổ nguồn nước theo các kịch bản sử dụng tài nguyên
môi trường gồm 3 mô đun chính (1) mô hình SWAT để diễn toán quá trình mưa
17

dòng chảy; (2) mô hình IQQM dùng để mô phỏng nguồn nước và quản lý các công
trình sử dụng nước (thủy điện, thủy lợi) và (3) mô hình ISIS mô phỏng các quá
trình thủy động lực học của Biển Hồ và các vùng hạ lưu.
Bộ mô hình đánh giá tổng hợp các nguồn thải tập trung và không tập trung
BASINS của Văn phòng bảo vệ môi trường Hoa Kỳ phục vụ công tác quản lý và
đánh giá chất lượng nước trên lưu vực. Mô hình đang được ứng dụng rộng rãi ở Mỹ,
thuận tiện rong việc lưu trữ và phân tích các thông tin môi trường và có thể sử dụng
như là một công cụ hỗ trợ ra quyết định trong công tác quy hoạch và quản lý lưu
vực. Bộ mô hình này bao gồm (1) mô hình trong sông QUAL2E về chất lượng nước;
(2) SWAT dùng dự doán ảnh hưởng của sử dụng đất đến dòng chảy và (3) PLOAT
về lan truyền chất ô nhiễm
Mô hình MIKEBASIN và MIKESHE [95] của Viện Thủy lực Đan Mạch là
một mô hình mô phỏng nguồn nước lưu vực sông. Mô hình thuộc loại thông số dải
và được phát triển từ các phương trình đạo hàm riêng mô tả các quá trình vật lý diễn
ra trên lưu vực: tích nước, bốc thoát hơi nước, dòng chảy tràn trên sườn dốc, trong
lòng dẫn, chuyển động của nước trong các tầng đất bão hoà và không bão hoà, tuyết
tan [105, 118, 139, 144, 116]. Mô hình này có khả năng đánh giá tác động của môi
trường đến dòng chảy, song do mức độ phức tạp của nó nên ứng dụng chưa được
rộng rãi. Trong khu vực châu á bước đầu đã được sử dụng ở Thái Lan và Inđonexia.
Cùng với sự phát triển của hệ thông tin địa lý, công nghệ GIS đang dần chiếm
lĩnh các ứng dụng trong việc nhận các thông tin từ bề mặt lưu vực [1, 33, 34, 87, 88]
góp phần thúc đẩy các công trình nghiên cứu khai thác các lớp mô hình thuỷ động
lực [4, 24, 27, 44, 47, 57, 62, 65, 70]. Trong ứng dụng thực tiễn ở Việt Nam, nhiều
mô hình như SMART, USDAHL, HEC RAS, SWMM, TOPMODEL, SCS [86,
88], đã được nghiên cứu, khai thác, vận dụng linh hoạt phù hợp với các điều kiện về
số liệu. Việc liên kết, tổ hợp các phương pháp tính [6] có khả năng đem lại hiệu quả
cao trên cơ sở tận dụng được nhiều nguồn thông tin mà không một mô hình đơn lẻ
nào có thể khái quát được.
Các công bố gần đây của các tác giả thuộc Viện Khoa học Khí tượng Thuỷ
18

văn và Môi trường [1, 3, 11, 16, 18, 23, 68-73, 90, 93, 94, 129 - 130], Trung tâm Dự
báo Khí tượng Thuỷ văn Trung ương [12, 22, 28, 29, 37-39, 40, 67, 78], Trường Đại
học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội và Trường Đại học Thuỷ lợi [41,
50, 53, 50-65, 154] về việc khai thác, ứng dụng các mô hình thủy văn tổng hợp ngày
càng chứng tỏ sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và các dự báo viên trong việc áp
dụng và khai thác hữu hiệu các mô hình toán vào công nghệ tính toán và dự báo lũ
cũng như phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên đất và nước trên các lưu vực sông.
1.1.2. Nghiên cứu mưa lũ và tài nguyên nước trên địa bàn nghiên cứu
Miền Trung là vùng có chế độ khí hậu khắc nghiệt, là vùng chuyển tiếp giữa
hai miền khí hậu Bắc - Nam [42, 79], là nơi hứng chịu nhiều thiên tai: bão, áp thấp
nhiệt đới, nước dâng, lũ lụt và hạn hán với tần suất và cường độ lớn nhất nước ta. Lũ
lụt xảy ra do ảnh hưởng tổ hợp của các yếu tố nội ngoại sinh cùng với các hoạt động
kinh tế xã hội của con người trên bề mặt lưu vực gây thiệt hại nghiêm trọng về người
và của [15]. Chính vì vậy mà Miền Trung là địa bàn được đông đảo giới nghiên cứu
khoa học đặc biệt quan tâm.
Vấn đề nghiên cứu chế độ mưa lũ Miền Trung, tìm kiếm giải pháp cảnh báo
dự báo lũ luôn là vấn đề thời sự, nhằm góp phần hạn chế những mất mát to lớn do
thiên tai lũ lụt gây nên. Xuất phát từ những nhiệm vụ cụ thể mà các hướng nghiên
cứu trên địa bàn rất đa dạng và phong phú.
Đào Đình Bắc, Vũ Văn Phái, Đặng Văn Bào, Nguyễn Hiệu [7, 8, 9, 25] qua
nghiên cứu địa mạo đã tìm kiếm các giải pháp phục vụ việc cảnh báo lũ lụt và giảm
thiểu thiên tai trên lưu vực sông Thu Bồn. Nguyễn Thanh Sơn, Trần Ngọc Anh [51,
54, 135] đã nghiên cứu các diễn biến bồi xói trên đoạn sông Hương chảy qua thành
phố Huế. Nguyễn Văn Cư [14] đã đánh giá hiện trạng và bước đầu tìm kiếm các
nguyên nhân lũ lụt vùng Nam Trung Bộ. Cao Đăng Dư đã đề xuất các biện pháp
tăng thời gian dự kiến dự báo lũ trên các sông Miền Trung [16] và đưa các phương
án dự báo, cảnh báo lũ trên các sông Trà Khúc và sông Vệ [18, 19]. Đặng Ngọc
Tĩnh [78] đã đề nghị áp dụng tin học trong dự báo, cảnh báo lũ Miền Trung.
Đặc biệt vào năm 1999, khi trên toàn bộ Miền Trung xảy ra trận lũ lịch sử
19

lớn nhất từ trước đến nay, nhiều nhà nghiên cứu đã tổng kết và đưa ra nhận định về
các nguyên nhân gây lũ như Bùi Đức Long và Đặng Thanh Mai [37], Nguyễn Văn
Cư [15]. Nguyễn Viết Thi [67] đã tiến hành nghiên cứu và tổng kết các hình thế thời
tiết chính gây mưa lũ lớn trên các sông suối Miền Trung.
Việc áp dụng các mô hình toán trên địa bàn nghiên cứu, các công trình của
Lê Xuân Cầu, Nguyễn Văn Chương [11], Nguyễn Hữu Khải [30], Trần Thục, Lê
Đình Thành, Đặng Thu Hiền [68] đã ứng dụng mô hình mạng thần kinh nhân tạo
(ANN) để tính toán dự báo lũ cho các sông Tả Trạch, Trà Khúc,Vệ và lũ quét trên
sông Dinh. Trần Thanh Xuân, Hoàng Minh Tuyển [94] đã sử dụng mô hình TANK
để tính toán lũ trên sông Tả Trạch. Bùi Đức Long áp dụng mô hình SSARR để dự
báo lũ trên sông Trà Khúc [38] và sông Cả [39]. Nguyễn Văn Lý [40] ứng dụng hàm
hồi quy nhiều biến dự báo đỉnh lũ các sông lưu vực Nam Trung Bộ. Nguyễn Thanh
Sơn tiến hành nghiên cứu đặc điểm lũ tiểu mãn sông ngòi Bắc Trung Bộ [50] và mô
hình hoá lũ tiểu mãn sông ngòi Nam Trung Bộ [53]. Trần Thục [69, 73], Phạm Việt
Tiến [76] tiến hành dự báo và tính toán ngập lụt hệ thống sông Thu Bồn Vu Gia và
hạ du sông Hương.
Một nhóm các tác giả tiến hành các nghiên cứu về đánh giá tài nguyên nước
và đất và cân bằng nước lưu vực, từ đó đề xuất các giải pháp khai thác, sử dụng một
cách có hiệu quả nhất các nguồn tài nguyên này. Tiêu biểu là các công trình của
Ngô Đình Tuấn [83 - 85], đã đánh giá tài nguyên nước, nhu cầu tưới và cân bằng
nước hệ thống các lưu vực ven biển Miền Trung. Trần Thanh Xuân và cộng sự đã
tiến hành tính toán cân bằng nước cho tỉnh Quảng Nam. Nguyễn Thanh Sơn đã đề
xuất các giải pháp định hướng sử dụng nước lưu vực đầm Trà ổ (Bình Định) [52] và
quy hoạch tổng thể tài nguyên nước tỉnh Quảng Trị đến năm 2010 [63 -64]. Trần
Thục, Huỳnh Thị Lan Hương đã tiến hành các tính toán đánh giá ảnh hưởng của sự
thay đổi sử dụng đất đến chế độ dòng chảy lưu vực Trà Khúc [71]. Để bổ khuyết số
liệu còn thiếu và thưa trên khu vực nghiên cứu đã sử dụng mô hình NLRRM để kéo
dài chuỗi dòng chảy từ tài liệu mưa [129]: Nguyễn Thị Nga, Nguyễn Thanh Sơn [41]
áp dụng để bổ khuyết số liệu dòng chảy cho các lưu vực sông tỉnh Quảng Trị, Lương
20

Tuấn Anh, Evelina Harlsson, Karolina Persson [130] dùng mô hình này để phân tích
quan hệ mưa - dòng chảy trên lưu vực sông Túy Loan.
Tuy đã có khá nhiều công trình nghiên cứu trên địa bàn Miền Trung, nhưng
có thể nhận thấy rằng phần lớn các mô hình dự báo đang được sử dụng là các mô
hình có thông số tập trung, thường chỉ diễn toán tốt từ trạm thượng nguồn về hạ lưu,
không xét đến sự biến động theo không gian của các yếu tố mặt đệm và phụ thuộc
vào điều kiện số liệu quan trắc khí tượng thuỷ văn nên có thời gian dự kiến ngắn làm
hạn chế công tác phòng chống lũ. Mặt khác, các mô hình ngoại nhập thường là các
phần mềm có mã nguồn đóng theo mục đích thương mại nên rất khó cập nhật các
điều kiện Việt Nam khi quá trình khai thác mặt đệm đang diễn ra hết sức phức tạp
theo thời gian và không gian. Vì lẽ đó, tác giả luận án này mạnh dạn xây dựng một
mô hình toán thông số dải, góp phần khắc phục những hạn chế nêu trên trong công
tác dự báo lũ cũng như trong việc khai thác sử dụng nước và đất trên các lưu vực
sông thượng nguồn ở Miền Trung.
1.2. cơ sở lý thuyết lớp mô hình toán mưa - dòng chảy
Việc ứng dụng các công cụ toán học và logic học để xác định các mối liên hệ
định lượng giữa các đặc trưng dòng chảy và các yếu tố hình thành nó là quá trình
mô hình hóa các hệ thống thủy văn. Các mô hình toán trong hệ thống thủy văn, sử
dụng đầu vào là mưa, đầu ra là các đặc trưng của dòng chảy đều thuộc lớp mô hình
toán mưa dòng chảy. Xét trên quan điểm hệ thống, các mô hình thuỷ văn thường
có các thành phần chính theo sơ đồ sau: (1) Đầu vào của hệ thống; (2) Hệ thống và
(3) Đầu ra của hệ thống [21, 31, 168].



Như vậy, mô hình có thể là ngẫu nhiên, dưới dạng đơn giản có thể biểu diễn
bằng các quan hệ thực nghiệm, các kỹ thuật hộp đen, không chú trọng đến cấu trúc
bên trong mà chỉ liên kết đầu vào (mưa) và đầu ra (dòng chảy) của hệ thống. Mặt
khác mô hình có thể là tất định, mô tả các quá trình thủy văn dựa trên các phương
trình vật lý toán và các quan niệm logic về sự hình thành dòng chảy từ mưa.

Đầu vào (I) Đầu ra (O) Hệ thống (S)
21
Dựa trên cấu trúc vật lý, các mô hình tất định mô phỏng quá trình mưa - dòng
chảy được phân loại thành các mô hình thuỷ động lực học, mô hình nhận thức và mô
hình hộp đen (Hình 1.1). Phụ thuộc vào sự xấp xỉ không gian, các mô hình thuỷ văn
tất định được chia thành các mô hình thông số phân phối dải và các mô hình thông
số tập trung. Theo Lương Tuấn Anh [2], khi khảo sát các mô hình thuỷ văn tất định,
mô hình thuỷ động lực học có cơ sở lý thuyết chặt chẽ nhất và có khả năng đánh giá
tác động của lưu vực quy mô nhỏ đến dòng chảy. Tuy nhiên, việc chia lưu vực thành
các lưới nhỏ hơn hoặc bằng 1 km
2
đã tạo ra cho mô hình rất nhiều thông số (Bảng
1.1) và số liệu đầu vào chi tiết, rất khó đáp ứng kể cả với các lưu vực thực nghiệm.
Bảng 1.1. Đặc điểm của các thông số trong mô hình thuỷ văn tất định
Loại mô hình
Số liệu, kết quả tính và
các biến trung gian
Đặc điểm của các thông
số của mô hình
1. Mô hình phân phối dải theo
các đơn vị diện tích nhỏ
U(x, y, z, t) K(x, y, z)
2. Mô hình phân phối dải theo
tiểu vùng thuỷ văn
U
ij
(t) K
ij

3. Mô hình thông số tập trung U

j
(t) K
j

i: Ký hiệu tiểu vùng thủy văn
j: Ký hiệu các tầng (tầng mặt, tầng ngầm,...)
Nguồn: Lương Tuấn Anh [2]
Mô hình tất định
(Deterministic models)
Mô hình thuỷ động lực học
(Hydro-dynamical models)
Mô hình nhận thức
(Conceptual models)
Mô hình hộp đen
(Black-box models)
Mô hình thông số dải
(Distruibuted models)
Mô hình thông số tập trung
(Concentrated models)
Phân phối theo đơn vị
diện tích nhỏ
(lưới tính

km
2
)
Phân phối theo đơn vị
diện tích lớn
(tiểu vùng thuỷ văn)

Hình 1.1. Phân loại các mô hình thuỷ văn tất định
22
Việc ứng dụng các mô hình nhận thức thông số dải theo tiểu vùng thuỷ văn
sẽ giảm được nhiều thông số và có khả năng đánh giá được tác động của lưu vực quy
mô trung bình đến dòng chảy. Tuy nhiên, các mô hình loại này còn ít được phổ biến
rộng rãi và việc ứng dụng chúng đòi hỏi sự kết hợp với các phương tiện kỹ thuật và
công nghệ tiên tiến có các chức năng xử lý bản đồ và các thông tin viễn thám [45,
108, 136, 151], như hệ thống thông tin địa lý (GIS). Trong các mô hình tất định, các
mô hình thông số tập trung có ít thông số, dễ sử dụng và được ứng dụng rộng rãi.
Các mô hình đơn giản như các quan hệ thực nghiệm, mô hình đường đơn vị... đã và
sẽ còn chứng tỏ được tính hiệu quả trong tính toán, dự báo dòng chảy và có khá
nhiều mô hình thuỷ văn để lựa chọn và áp dụng trong thực tế. Tuy nhiên, theo A.
Becker [103], việc lựa chọn từng mô hình phụ thuộc vào mục đích, đối tượng, tình
hình số liệu và các điều kiện tự nhiên của lãnh thổ nghiên cứu (Bảng 1.2)
Bảng 1.2. Mục đích và đối tượng ứng dụng các mô hình thuỷ văn tất định
STT Mục đích đối tượng ứng dụng mô
hình (các bài toán thực tiến)
Bước
thời gian
Xấp xỉ không gian
1 Kế hoạch hoá về sử dụng và quản lý
nguồn nước, bao gồm việc lập kế
hoạch, chiến lược phát triển
1 tháng,
1 tuần
Mô hình thông số tập trung
hoặc mô hình phân phối theo
tiểu vùng thuỷ văn
2 Đánh giá tác động sự biến đổi sử
dụng đất quy mô vừa đến dòng chảy,

tài nguyên nước
1 tháng,
1 tuần
Mô hình phân phối theo tiểu
vùng thuỷ văn
3 Đánh giá tác động của sự biến đổi
trong sử dụng đất quy mô nhỏ đến
dòng chảy, xói mòn lưu vực,...
1 ngày,
1-6 giờ
Mô hình phân phối dải theo lưới
tính (thuỷ động lực học)
4 Dự báo hạn vừa, nhất là thời kỳ hạn
hán
1 tháng,
1 tuần
Mô hình thông số tập trung
hoặc thông số dải
5 Ngoại suy chuỗi dòng chảy 1 ngày
1 tuần
Mô hình thông số tập trung
hoặc thông số dải
6 Xây dựng chiến lược phòng lũ, thiết
kế hồ chứa, hệ thống hồ chứa
1 ngày,
1-6 giờ
Mô hình thông số dải theo tiểu
vùng thuỷ văn
7 Tính toán dòng chảy lũ thiết kế 1 ngày,
1-6 giờ

Mô hình thông số tập trung
hoặc thông số dải
8 Phân tích tác nghiệp, dự báo ngắn
hạn
1-6 giờ,
1 ngày
Mô hình
thông số tập trung
hoặc thông số dải
Nguồn (A. Becker [103]
23
Về cấu trúc, các mô hình thuỷ văn tất định đơn giản hay phức tạp gồm các
bài toán thành phần sau:
- Diễn toán dòng chảy thường dựa trên cơ sở hệ phương trình bảo toàn và
chuyển động của chất lỏng [2, 31, 46, 111, 118, 164, 166 -169].
- Tính lượng mưa sinh dòng chảy (hay còn gọi là lượng mưa hiệu quả hoặc
dòng chảy tràn) có thể được ước tính thông qua phương trình khuyếch tán ẩm,
phương trình Boussinerq [10, 48, 167], phương pháp lý luận - thực nghiệm của
Alechsseep [161], các phương trình thấm của Green-Ampt, Horton, Phillip [111],
phương pháp SCS [111, 107, 138, 141, 149], phương trình cân bằng nước [81, 82]
hoặc phương pháp hệ số dòng chảy [20, 58, 165].
- Cấu trúc tầng của mô hình (hay là các bể tuyến tính - phản ánh cơ chế hình
thành dòng chảy trên lưu vực, dòng chảy mặt, dòng chảy ngầm,...) đã được trình bày
khá đầy đủ trong nhiều công trình trong [31] và ngoài nước, [111, 163, 169]
- Xác định bộ thông số của mô hình được lựa chọn qua kinh nghiệm thực tiễn
từ nguồn số liệu sẵn có hoặc dựa trên cơ sở các phương pháp giải các bài toán
ngược, thử sai và tối ưu hoá [31,118, 152, 171].
Từ năm 1935, Horton [dẫn trong 111] đã chỉ ra rằng, trong cơ chế hình thành
dòng chảy, cường độ mưa vượt thấm là điều kiện cơ bản của sự hình thành dòng
chảy mặt. Hàm lượng nước trong tầng đất thoáng khí vượt lượng nước đồng ruộng là

điều kiện để sinh dòng chảy ngầm. Lý luận về sự hình thành dòng chảy này đã nói
rõ điều kiện hình thành dòng chảy ở tầng đất thoáng khí có cấu tạo đồng nhất nhưng
không giải thích được cơ chế hình thành dòng chảy ở tầng đất thoáng khí không
đồng nhất và tầng mặt có cường độ thấm lớn.
Năm 1949, trong chuyên khảo "Cơ sở lý thuyết dòng chảy mưa rào" A. N.
Bephanhi [163] đã đưa ra lý thuyết về sự hình thành dòng chảy sườn dốc. Trong đó,
dòng chảy sườn dốc được chia ra 4 dạng: dòng vượt thấm, với cường độ mưa lớn hơn
cường độ thấm; dòng chảy bão hoà khi lượng mưa rơi vượt quá khả năng chứa thấm;
trong một số điều kiện thổ nhưỡng và cấu trúc đất đá nhất định còn hình thành dòng
24
chảy sát mặt và chảy trong tầng đất đá, diễn ra theo hai cơ chế là dòng chảy bão hoà
và dòng chảy không bão hoà. Dòng chảy bão hoà thường xảy ra ở vùng đủ ẩm
(X>PET) xuất hiện theo tầng đất như sau:
- Dòng chảy mặt xuất hiện ở tầng mặt của sườn dốc.
- Dòng chảy sát mặt (xuất hiện sau dòng chảy mặt và trước dòng chảy ngầm)
hình thành trong tầng đất từ bề mặt lưu vực đến tầng ít thấm tương đối (đất tầng này
chủ yếu là đất mùn, tơi xốp), tầng đất này còn gọi là tầng rễ cây hoạt động.
- Dòng chảy ngầm hình thành từ mặt ít thấm tương đối đến tầng không thấm.
Dòng chảy vượt thấm (dòng chảy không bão hoà) thường xuất hiện ở vùng
thiếu ẩm hoặc hụt ẩm từng thời kỳ (X<PET). Khi có cường độ mưa lớn, khả năng
thấm kém dòng chảy chỉ còn hai thành phần chính là dòng chảy mặt và dòng chảy
ngầm. Dòng chảy vượt thấm còn xuất hiện ở các nơi đủ ẩm, nhưng có kết cấu thổ
nhưỡng tầng mặt là tầng ít thấm tương đối. Như vậy, theo A. N. Bephanhi, dòng
chảy sườn dốc có cấu trúc ba tầng đối với cơ chế bão hoà và hai tầng đối với cơ chế
vượt thấm. Lý thuyết Bephanhi khá hoàn chỉnh về phương diện lý luận. Các nghiên
cứu và thực nghiệm của ông và cộng sự [163] trên các bãi thực nghiệm chuẩn đã
chứng tỏ điều đó, tuy nhiên vào thời điểm công bố, việc thu thập các dữ liệu quan
trắc trên các mạng lưới khí tượng thủy văn chưa thể đáp ứng để triển khai ứng dụng.
Các lý luận hiện nay về cơ chế hình thành dòng chảy thường bỏ qua ảnh
hưởng của địa hình và kết cấu đất [2], và đó chính là nhược điểm của chúng.

Việc ứng dụng các lý thuyết về cơ chế hình thành dòng chảy để mô hình hoá
các quá trình thuỷ văn cũng rất đa dạng. Nhiều tác giả chỉ mô phỏng dòng chảy mặt
và dòng chảy ngầm. Một số khác lại mô phỏng đủ cả dòng chảy mặt, sát mặt, dòng
chảy ngầm, dòng chảy tầng sâu,... Tuy nhiên, dù xuất phát từ nhiều mục đích và lập
luận khác nhau để xây dựng các mô hình toán mô phỏng quá trình mưa dòng chảy,
nhưng tất cả đều thống nhất ở chỗ là cần tập trung mô tả hai quá trình chính: quá
trình thấm và quá trình vận chuyển nước trên lưu vực. Tùy vào mục đích khai thác,
sử dụng mà mô hình có thể phát triển hoặc theo hướng (1) nghiên cứu chi tiết hóa