Thủy văn học và phân tích vùng ngập lụt ( ĐH Quốc Gia Hà Nội ) - Chương 5 potx

Chơng 5. Các mô hình thuỷ văn mô phỏng

ảnh: Ngời điều hành với máy tính trạm kỹ thuật

5.1.

Giới thiệu về các mô hình mô phỏng
Quá trình ma rào dòng chảy đà đợc trình bày chi tiết trong chơng 2, chúng ta
đà chỉ ra lợng ma đóng góp thế nào vào các thành phần khác nhau của bốc hơi, thấm,
khu chứa, dòng chảy tràn và cuối cùng là dòng chảy. Hình dạng thực tế và thời gian
chảy truyền của các đờng quá trình thuỷ văn cho một lu vực cụ thể đà đợc chỉ ra là
phụ thuộc vào rất nhiều vào yếu tố mặt đệm, khí hậu và địa lý thuỷ văn (bảng 5.1).
Ngoài thời gian và cờng độ ma là những yếu tố quan trọng nhất quyết định đến quá
trình ma rào dòng chảy, sau đó là các đặc trng của lu vực mà nó chuyển hoá từ
lợng ma đầu vào đến quá trình dòng chảy tại cửa ra của lu vực. Diện tích, độ dốc,
hình dạng, đất, và lợng trữ là những thông số quan trọng của hình thái lu vực. Các
thông số sử dụng đất và thổ nhỡng có thể ảnh hởng đáng kể đến các phản ứng thuỷ
văn tự nhiên thông qua việc tăng lớp thấm, thay đổi độ dốc và cải thiện hệ thống kªnh
tiªu n−íc.
289


Bảng 5.1. Những nhân tố ảnh hởng đến đờng quá trình thuỷ văn.
1.
2.

Khoảng thời gian ma.

3.

Kích thớc lu vực.

4.

5.
6.
7.

Độ dốc lu vực.
Hình dạng lu vực.

Lợng trữ lu vực.
Hình thái học lu vực.
8.

9.

Cờng độ ma.

Kiểu lòng dẫn.

Đất sử dụng / đất che phủ.
10. Loại đất.

11. Tỷ lệ diện tích không thấm.

Những công nghệ tiên tiến trong các phơng pháp tính trên máy tính trong vòng 2
thập kỷ qua kết hợp với những tiến bộ lớn hơn, mÃnh liệt hơn của việc quan trắc số liệu
đà cho phép phát triển những ứng dụng của các mô hình mô phỏng thuỷ văn. Những
mô hình đó sử dụng hệ các phơng trình khác nhau để mô tả các quá trình vận chuyển
thuỷ văn và sự cân bằng nớc theo thời gian. Chơng 1, 2 và 4 đà trình bày một số các
phơng pháp tính toán sử dụng để chuyển số liệu lợng ma thành đờng quá trình

thuỷ văn tại cửa ra của lu vực. Các mô hình tính trên máy tính cho phép sử dụng các
thông số khác nhau của không gian và thời gian theo các phơng pháp số trị đà biết.
Các khu vực ma phức tạp và các lu vực không đồng nhất có thể đợc mô phỏng dễ
dàng nếu có số liệu đầy đủ, và rất nhiều phơng án thiết kế, nhiều kịch bản điều khiển
có thể đợc đặt ra và kiểm tra bằng mô hình.
Những chơng trình nghiên cứu cơ bản của trờng đại học Harvard, đại học
Stanford và Cục công binh Hoa kỳ trong những năm 1960 là những nỗ lực tiên phong
trong cố gắng sử dụng máy tính để mô phỏng các diễn biến trong lu vực. Mô hình lu
vực Stanford (Crawford và Linsley, 1966) mà sau đó có liên quan đến chơng trình mô
phỏng thuỷ văn - FORTRAN (Johanson và nnk, 1980), là mô hình quan trọng đầu tiên
trong số nhng mô hình mô phỏng lu vực. Từ những cố gắng từ rất sớm này, một loạt
các mô hình đà đợc phát triển và ứng dụng trong những năm 1960 và 1970 cho ma
đô thị, lũ, tới tiêu, thiết kế hồ chứa, và quản lý lu vực.
Các mô hình mô phỏng thuỷ văn có thể đợc phân loại theo một loạt các tính chất
nh trong bảng 5.2. Trong quá trình phân tích lu vực, những phạm trù quan tâm chủ
yếu gồm thông số tập trung đối lập thông số phân bố, hiện tợng không liên tục, và
thông số ngẫu nghiên đối lập với thông số tất định. Các mô hình thông số tập trung
biến đổi từ lợng ma thực tế đầu vào thành dòng chảy cửa ra dựa trên quan điểm rằng
mọi quá trình trên lu vực đều xuất hiện tại một điểm trong không gian (giống nh− m«
290


hình hộp đen). Các thông số mô hình có thể hoặc không thể có một định nghĩa chính xác
về vật lý trong hệ thống. Đờng quá trình đơn vị tổng hợp là một ví dụ và đợc sử dụng
rộng rÃi. Các mô hình thông số phân phối cố gắng mô tả các quá trình vật lý và các cơ
chế trong không gian nh một số các mô hình mô phỏng thuỷ văn. Trong khi mô hình
thông số phân phối thờng thoả mÃn về mặt lý thuyết tốt hơn thì số liệu thờng bị
thiếu hụt cho việc hiệu chỉnh và kiểm định kết quả mô hình.
Các mô hình hiện tợng nh là HEC-1 mô tả quá trình lũ (Trung tâm thuỷ văn
công trình, 1981) hoặc mô hình điều khiển nớc lũ EPA (SWMM) (Huber và nhiều tác

giả khác, 1981) hay SCS TR2O (Cục bảo tồn đất, 1975a), mô phỏng từng phản ứng của
trân ma đơn lẻ cho mỗi một số liệu ma đầu vào nhất định. Đờng quá trình đơn vị
hay các phơng pháp sóng động học đợc sử dụng để thành lập các quá trình ma mà
sau đó đợc diễn toán trong sông. Các mô hình liên tục nh Stanford Watershed Model,
SWMM, và STORM dựa trên các phơng trình cân bằng dài hạn và do vậy tính toán
trực tiếp cho các ảnh hởng của các điều kiện trớc đó. Những mô hình này có thể hữu
dụng nhất cho các lu vực với các vùng thấm lớn.
Vài mô hình bao gồm cả các thành phần ngẫu nhiên hay thống kê để biểu diễn
lợng ma đầu vào mà sau đó đợc sử dụng để hình thành chuỗi thời gian của dòng
chảy. Chuỗi thời gian sau đó có thể đợc đánh giá thống kê sử dụng phân tích tần suất
lũ. Tổng hợp thuỷ văn cho phép các nhà thuỷ văn kéo dài các chuỗi số liệu ngắn nh số
liệu dòng chảy dựa trên các phơng pháp thống kê. Các chuỗi tổng hợp vẫn giữ đợc các
đặc trng thống kê của chuỗi số liệu lịch sử hoặc đảm bảo các yêu cầu phân bố xác suất
nh là Logarit chuẩn hay Logarit Pearson 3 (phần 3.5). Phân tích đờng cong Tổng
thể giả thiết rằng các chuỗi số liệu lịch sử sẽ đợc lặp lại một cách chính xác. Tạo số
ngẫu nhiên giả thiết rằng những dòng chảy kế tiếp là không độc lập và phân bố theo
một hàm phân bố đà biết trớc. Cuối cùng, kỹ thuật Markov giả thiết rằng dòng chảy
tiếp theo trong 1 chuỗi thì liên quan đến một phần của chuỗi dòng chảy trớc đó và
thờng bị giới hạn bởi bớc thời gian ngắn hơn khi phân tích. Các chi tiết về các mô
hình thống kê có thể tham khảo trong tài liệu của Bras và Rodriguez-Iturbe (1984).
Bảng 5.2. Các mô hình thuỷ văn
Loại mô hình

Mô hình ví dụ

Thông số tập trung

Snyder Unit Hydrograph

Phân bố

Kinematic wave

Hiện tợng

HEC-1, SWMM

Liên tục

Stanford Watershed Model, SWMM, I-ISPF, STORM

Vật lý cơ sở

HEC-1, SWMM, HSPF

Ngẫu nhiên

Synthetic streamflows

Số trị

Explicit kinematic wave

Phân tích

Nash IUH

Một u việt của các mô hình mô phỏng là sự sáng tỏ đạt đợc bằng việc tập hợp và
tổ chức số liệu cần thiết nh là đầu vào cho các thuật toán toán học mà bao gåm toµn bé
291

hệ thống mô hình. Chính nó thờng chỉ ra các thu thập số liệu bổ sung hay chính cải
tiến các cong thức toán học để biểu diễn tốt hơn các quá trình trên lu vực. Một thuận
lợi khác nữa là rất nhiều các sơ đồ biến đổi cho sự phát triển hay điều khiển lũ có thể
đợc kiểm chứng một cách mau lẹ và so sánh với các mô hình tính toán.
Hạn chế chủ yếu của các mô hình mô phỏng chính là không có khả năng hiệu chỉnh
và kiểm định mô hình hoàn hảo trong điều kiện thiếu số liệu. Các thực hành hiện tại
cho rằng mô hình đơn giản nhất mà có thể mô tả đợc hệ thống thoả mÃn cho một số
liệu đầu vào nhất định nên đợc sử dụng. Sự chính xác của mô hình đợc xác định qua
khả năng sẵn có của số liệu vào, số liệu quan trắc thực tế và chuỗi thời gian đầu ra tại
nhiều vị trí khác nhau trên lu vực.
Mặc dầu có một số những hạn chế nhng mô hình mô phỏng vẫn cung cấp cho
chúng ta một cách tiếp cận logic nhất và mang tinh khoa học hiện đại để hiểu các động
thái thuỷ văn của một lu vực và hệ thống nguồn nớc phức tạp. Những sự phát triển
của mô hình và các ứng dụng đà mở ra một trang mới trong khoa học thuỷ văn và dẫn
dắt rất nhiều các thiết kế mới và các chính sách điều hành mà trớc đây cha từng
đợc kiểm nghiệm hay hiện thực hoá. Trong vài năm gần đây, vài tổng kết chính xác về
các mô hình thuỷ văn đà đợc c«ng bè bao gåm Fleming (1975), Delleur and Dendrou
(1980), McPherson (1975), Feldman (1981), Kibler (1982), và Whipple cùng nhiều tác
giả khác (1983). Độc giả có thể tham khảo những tài liệu này để có kiến thức sâu hơn.

5.2.

Tổ chức phân tích thuỷ văn lu vực
Với rất nhiều các mô hình thuỷ văn sẵn có dành cho các nhà thuỷ văn hay các kỹ
s, rất ít các phát triển mô hình mới đợc hỗ trợ. Hơn nữa kỹ s phải lựa chọn một trong
những mô hình mô phỏng sẵn có dựa trên các đặc trng của hệ thống cần nghiên cứu,
mục đích nghiên cứu và khả năng tài chính cho việc thu thập số liệu và máy tính. Một
khi mô hình đà đợc lựa chọn, nói chung các bớc tiến hành liên quan đến phân tích

mô phỏng lu vực đợc liệt kê trong bảng 5.3.
Bớc 1 và 5 là những bớc quan trọng nhất trong toàn bộ các bớc. Sự lựa chọn mô
hình là rất khó khăn và là một quyết định quan trọng vì sự thành công của việc nghiên
cứu xoay quanh sự chính xác của các kết quả đạt đợc. Bảng 5.2 nên đợc xem xét với
các đặc trng của lu vực, mục đích nghiên cứu, để xây dựng một kế hoạch mô hình
hoá. Nhìn chung, ngoại trừ số liệu trên lu vực là đầy đủ cả về không gian và thời gian,
sự tiếp cận thông thờng về phân tích lu vực là sử dụng một mô hình sự kiện xác định
với các khái niệm thông số tập trung để phát triển các đờng quá trình và truyền lũ.
HEC 1 (Trung tâm thuỷ văn công trình, 1981) và TR-20 (Cục bảo vệ đất, 1975a) là hai
mô hình đợc sử dụng rộng rÃi nhất cho các phân tích lu vực điển hình.
Nếu một lu vực có số liệu đầy đủ về ma, thấm, dòng chảy cơ bản, dòng chảy
292


trong sông, đất và sử dụng đất, thì cả mô hình Stanford hoặc chơng trình mô phỏng
Thuỷ văn - FORTRAN (HSPF) đều có thể đợc áp dụng để tính toán cân bằng nớc liên
tục dài hạn và đờng quá trình dòng chảy cửa ra. Trong trờng hợp hệ thống tiêu nớc
đô thị xác định rõ thì mô hình SWMM hoặc ILLUDAS (Terstriep và Stall, 1974) cũng có
thể đợc áp dụng để xác định các phản ứng thuỷ văn cho các thành phần trong hệ
thống. Mô hình ma rào đô thị đợc bàn luận chi tiết trong phần 5.3 và chơng 6.
Bớc 5 trong bảng 5.3, hiệu chỉnh và kiểm chứng mô hình, là cực kỳ quan trọng
trong việc làm chuẩn hoá các thông số mô hình và sẽ quyết dịnh sự chính xác và hợp lý
của số liệu đầu ra trong bớc 6 và 7. Hiệu chỉnh mô hình liên quan đến việc lựa chọn
một số các số liệu đo đạc đợc của số liệu đầu vào (lợng ma, hệ thống sông, tình hình
sử dụng đất) và các đờng quá trình đầu ra cho các ứng dụng mô hình. Các tham số
điều khiển trong mô hình đợc vi chỉnh cho đến khi đạt đợc sự phù hợp nhất cho chuỗi
số liệu này. Mô hình sau đó đợc kiểm định bằng viƯc m« pháng mét sù kiƯn thø hai
hay thø ba (với trận ma khác) và giữ nguyên toàn bộ các thông số khác để so sánh kết
quả dự báo đợc với tài liệu thực đo.
Một ví dụ chi tiết của mô hình đà đợc hiệu chỉnh và kiểm định mô hình mô tả

trong phần 5.6, nơi mà mọt trờng hợp ứng dụng thực tế đợc nhấn mạnh để chỉ ra
những khó khăn và phức tạp mà ta thờng gặp trong phân tích lu vực.
Bảng 5.3. Các bớc trong phân tích mô phỏng lu vực
Lựa chọn mô hình dựa trên các mục đích nghiên cứu và đặc trng lu vực, khả năng số liệu và tài
chính của đề án.
Thu thập toàn bộ số liệu đầu vào cần thiết: lợng ma, thấm, địa lý thuỷ văn, sử dụng đất, đặc
trng hệ thống sông, dòng chảy, lũ thiết kế và số liệu hồ chứa.
Đánh giá và lọc các mục đích nghiên cứu trong quá trình mô phỏng để biểu diễn dới các điều kiện
thay đổi của lu vực.
Lựa chọn các phơng pháp cho việc xác định các đờng quá trình của lu vực con và hệ thống sông.
Hiệu chỉnh mô hình sử dụng lợng ma trong quá khứ, dòng chảy, và các điều kiện lu vực hiện
thời. Kiểm định mô hình bằng các sự kiện khác nhng vẫn giữ nguyên các thông số đà hiệu chỉnh.
Trình diễn các mô phỏng mô hình sử dụng các lợng ma lịch sử hay ma thiết kế, các điều kiện
khác nhau của tình hình sử dụng đất, các sơ đồ điều khiển khác nhau cho hồ chứa và kênh.
Trình diền phân tích độ nhạy của số liệu đầu vào, các thông số routing và các thông số đờng quá
trình nh yêu cầu.
Ước lợng tính hiệu dụng của mô hình và bình luận về sự cần thiết phải thay đổi hay biến đổi.

5.3.

Mô tả các mô hình mô phỏng thuỷ văn chính
Một số lựa chọn của sự kiện phổ thông nhất, liên tục và các mô hình dòng chảy đô
293


thị cho mô phỏng thuỷ văn đợc liệt kê trong bảng 5.4. Các trờng đại học hay các cơ
quan liên bang đà hỗ trợ cho sự phát triển của hầu hết các mô hình này. Vài mô hình
đợc mô tả rất kỹ lỡng, và đà cho thấy một ứng dụng rộng rÃi cho các lu vực, đặc biệt
là ở Mỹ. Những cái khác đợc áp dụng chỉ cho những vùng đặc biệt của đất nớc. Khi
ứng dụng một mô hình nào đó thì phải xem xét và cân nhắc đến khả năng sử dụng số

liệu đang có để xác định các thông số cần thiết.
Bảng 5.4. Lựa chọn các mô hình mô phỏng thuỷ văn
Mô hình

Tác giả

Thời điểm

Mô tả

1

Stanford

Crawford và Linsley

1966

Mô hình lu vực Stanford

2

HEC-1

HEC

1973-1981

Đờng quá trinh lũ

3

HEC-2

HEC

1976-1982

Các mặt cắt nớc

4

HEC-3

HEC

1973

Bảo tồn phân tích hệ thống hồ chứa

5

HEC-4

HEC

1971

Mô phỏng dòng chảy tháng.

6

HEC-5

HEC

1979

Mô phỏng hệ thống điều tiết lũ.

7

SCS-TR20

USDA SCS

1975

Mô hình mô phỏng thuỷ văn.

8

USDAH2-74

USDA ARS Holtan

1975

Mô hình lu vực thuỷ văn.

9

HSPF

Johnson và nnk

1980

Chơng trình mô phỏng thuỷ văn Fortran.

10

MITCAT

Horley

1975

Mô hình hiện tợng ma -dòng chảy đô thị.

11

SWMM

Mitcat và Eddey, Cam

1971-1988

Mô hình quản lý nớc lũ.

12

ILLUDAS

Terstriep và Stall.

1974

Mô phỏng hệ thống thoát nớc ILLLINOS.

13

STORM

HEC

1975

Mô hình lợng trữ, điều, dòng chảy mặt.

USGS, Alley và Smith.

1982

Quá trình lũ trong khu vực đô thị

14 USGSDR3M
15

PennSt

Aron, Laktos

1976

Mô hình thuỷ văn đô thị.

16

DWOPER

NWS, Fread

1978

Mô hình sóng động học NWS

Vài mô hình trong bảng 5.4 đà đợc mô tả kỹ lỡng bởi Delleur and Dendrou
(1980) và sẽ chỉ đợc giới thiệu vắn tắt dới đây.
Mô hình lu vực Stanford (Crawford and Linsley, 1966) là một trong những mô
hình thuỷ văn đầu tiên và toàn diện nhất. Mô hình lu vực Stanford (SWM-IV) đợc
hình thành từ một chuỗi các lệnh cho mỗi quá trình trong chu trình thuỷ văn dựa trên
cơ sở liên tục. Phơng trình liên tục đợc cân bằng cho mỗi bớc thời gian, và lợng
giáng thuỷ, khu chứa, bốc thoát hơi, thấm, trữ lợng ẩm giữ lại trong đất, dòng chảy
tràn, dòng chảy trong sông cũng đợc đa vào tính toán toàn bộ trong mô hình. Mô
hình yêu cầu một số lợng lớn số liệu đầu vào của lu vực và vì thế khôg đợc sử dụng
rộng rÃi nh một số các mô hình có sẵn khác.
Một vài phiên bản của mô hình trong FORTRAN đợc phát triển qua nhiều năm,
ví dụ nh tại trờng đại học Kentucky, đại học Ohio, đại học Texas. Chơng trình
Hydrocomp Simulation Program (HSP) là phiên bản thơng mại kế thừa của SWM-IV

và đà đợc biến đổi để đa vào môđun chất lợng nớc, truyền sóng động lực và các
bớc thời gian biến đổi. Phiên bản hiện tại là HSPF đợc thiết kế lại, trình diễn sự mô
294


phỏng rất nhiều các quá trình thuỷ văn và chất lợng nớc trên hay dới mặt đất,
trong kênh và trong hồ chứa (Johanson và nhiều tác giả khác, 1980).
Một trong số những môđun hữu dụng nhất trong HSPF là mô hình nguồn không
điểm (NPS), cung cấp các mô phỏng liên tục chất ô nhiễm từ đô thị và các mặt đất cha
phát triển. Nó cũng có thể nh là một mô hình riêng biệt với EPA và đà đợc kiểm
nghiệm kỹ càng với HSP của Hội đồng quy hoạch Bắc Virginia. Donigian và Crawford
(1976, 1979) phát triển mô hình và hớng dẫn sử dụng của EPA.
Mô hình MITCAT đợc phát triển bởi Bravo và những ngời khác (1970) tại
trờng đại học tổng hợp Massachusett cho trận ma đơn đỉnh. Lần đầu tiên dòng chảy
tràn đợc tính bằng phơng pháp sóng động lực, và sử dụng trung bình của hệ phơng
trình tuyến tính hoá St.Venant cho dòng chảy trong kênh. Vài phơng trình thấm cũng
đớc sử dụng cùng với nó với bớc thời gian biến đổi. Phiên bản môđun hoá của mô
hình đợc mô tả bởi Harley và các cộng sự (1970).
EPA đà tài trợ cho việc phát triển mô hình SWMM thông qua tập đoàn Metcalf và
Eddy, đại học tổng hợp Florida, (Camp, Dresser, and McKee - 1971). SWMM là mô
hình dòng chảy đô thị đợc sử dụng rộng rÃi nhất, nó cho phép mô phỏng các hiện
tợng đơn lẻ hoặc liên tục cho rất nhiều các lu vực, vận chuyển, lu trữ và hệ thống
thuỷ lợi. Cả lợng và chất lợng nớc có thể đợc mô phỏng và dòng chảy có thể đợc
trình diễn bằng phơng pháp hồ chứa phi tuyến, phơng pháp sóng động lực, hoặc hệ
phơng trình St. Venant đầy đủ trong khối SWMM EXTRAN. Mô hình đà đợc sửa
chữa và phát triển nhiều lần, phiên bản 4 (Huber và nnk, 1988; Roesner cùng nnk.,
1988) là phiên bản hiện đang sử dụng và mô hình SWMM sẽ đợc mô tả chi tiết hơn với
các ví dụ trong chơng 6.
Mô hình STORM đợc phát triển bởi Trung tâm thuỷ văn công trình (Trung tâm
thuỷ văn công trình - 1975; Roesner và nnk, 1974) để tính toán lợng và chất lợng

nớc cùa dòng chảy đô thị. Chơng trình biểu diễn các mô phỏng liên tục sử dụng chuối
số liệu ma giờ với độ dài hàng năm, nhng các trận ma đơn lẻ cũng có thể đợc phân
tích. Quá trình thấm đợc ớc tính sử dụng hệ số dòng chảy trọng số hay các phơng
pháp SCS. Lợng trữ hạ lu và các quá trình xử lý cũng có thể đợc mô phỏng nhng ở
đó sẽ không có các dòng chảy. Mô hình này đơn giản hơn SWMM khá nhiều.
Mô hình ILLUDAS đợc xây dựng bởi Terstriep and Stall (1974) và nó là mô hình
mô phỏng trận lũ đơn có thể giải quyết đợc hệ thống thoát nớc chi tiết. Mô hình có
thể chạy ở chế độ thiết kế hoặc mô phỏng cho một lu vực cụ thể. ILLUDAS đòi hỏi số
liệu ma đầu vào, cấu hình của ống và diện tích các lu vực con để tính toán dòng chảy
tại các điểm khác nhau trong hệ thống. Dòng chảy đợc tính từ đờng cong thời giandiện tích. Gần đay mô hình đà đợc cập nhật để có thể mô phỏng điều kiện chảy có tăng
cờng áp và quá tải trong hệ thống ống (Chiang và Bedient, 1986) và đợc gọi là mô
hình PIBS. Phơng pháp này đợc xem là cho kết quả khá tốt nếu so sánh với SWMM
EXTRAN Block và chạy trên máy tính cá nhân.
Mô hình dòng chảy bang Penn (Aron và Lakatos, 1976) đợc phát triển nh là một
mô hình đơn giản và ngắn gọn nhấn mạnh vào vai trò thời gian của dòng chảy ở các lu
vực con đến đỉnh lũ tại các điểm khác nhau trên lu vực. Mô hình cung cấp một cách
295


tiếp cận thực tế cho việc phân tích dòng chảy ở các vung c dân nhỏ và vừa. Lu vực
đợc chia thành phần trớc và phần sau, vận chuyển nớc và hệ thống trữ. Kibler và
Aron (1978) đà nghiên cứu độ nhạy của các thông số của mô hình và của SWMM.
Cơ quan bảo tồn đất (SCS) đà xây dựng và phát triển một loạt các phơng pháp và
mô hình và đợc mô tả chi tiết bởi MeCuen (1982). Các phơng pháp đồ thị, lập bảng
đợc sử dụng trong SCS TR-55, với tên của mô hình là Thuỷ văn đô thị cho lu vực nhỏ.
Những phơng pháp này chủ yếu dựa trên phơng pháp số đờng cong dòng chảy đÃ
đợc mô tả trong chơng 2 và sẽ không trình bày chi tiết ở đây.
Mô hình SCS TR-20 là phơg pháp máy tính hoá để giải quyết các vấn đề sử dụng
các thủ tục SCS. Chơng trình phát triển đờng quá trình dòng chảy, gửi chúng qua hệ
thống các đoạn kênh và hồ chứa, và tổ hợp hay phân tách đờng quá trình tại các điểm

hợp lu. Cho mỗi lu vực con yêu cầu diện tích, số đờng cong dòng chảy và thời gian
chảy truyền. Và sử dụng các thủ tục này dờng nh đơn giản hơn sử dụng trong HEC1. Nhìn chung các thủ tục tơng tự nh đợc sử dụng trong HEC-1 và đặc biệt thích
hợp để kiểm tra các ảnh hởng của khu chứa và lu giữ nớc trên lu vực.
Các thảo luận trên đây đà cung cấp một tổng quan về rất nhiều các mô hình mô
phỏng thuỷ văn thông dụng đợc sử dụng trong phân tích thuỷ văn lu vực. Độc giả
nên tham khảo thêm các tài liệu hớng dẫn sử dụng trực tiếp từ tác giả mô hình trớc
khi tự mình áp dụng mô hình vào một lu vực thực tế. Phần tiếp theo của chơng này
sè đợc dành cho trình bày chi tiết của mô hình HEC-1 cùng với các ví dụ và áp dụng
thực tế. Nó đợc xem là một trong những mô hình hoàn thiện nhất và là mô hình hay
đợc sử dụng nhất trong các mô hình đà đợc nhắc đến trên đây.

5.4.

Mô hình HEC-1
HEC-1 đợc thiết kế để mô phỏng các quá trình dòng chảy bề mặt từ lợng ma rơi
trên bề mặt lu vực. Nó đợc phát triển qua nhiều năm bởi trung tâm Thuỷ văn thuộc
Cục Công binh Hoa kỳ. Quá trình chuyển từ lợng ma rơi đến dòng chảy trực tiếp có
thể đợc mô phỏng bởi HEC-1 cho mét l−u vùc nhá hay mét l−u vùc lín và phức tạp
nh trong hình 5.1. Mô hình HEC-1 cho một lu vực sông đơn giản hay phức tạp gồm
những thành phần cho dòng chảy trên các lu vực con, kênh, hồ chứa và tổ hợp dòng
chảy. Các biên của các phần diện tích lu vực con đợc phác hoạ vì thế mất mát tổng
lợng ma và các thông số lu vực có thể đợc sử dụng. Lợng ma lịch sử hay lợng
ma thiết kế đợc chuyển thành dòng chảy thông qua các phơng pháp đờng thuỷ văn
đơn vị đà đợc ô tả trong chơng 2. Lu lợng đợc tính toán tại cửa ra của mỗi phần
diện tích con này (xem h×nh 5.1).

296


Hình 5.1. Sơ đồ mô hình HEC-1

Thành phần diễn toán trong HEC-1 yêu cầu các thông số đầu vào để xác định các
đặc trng diễn toán đặc biệt của một đoạn sông hay hồ chứa. Các số liệu ra bao gồm
quá trình dòng chảy ra tại trạm hạ lu. Tổ hợp quá trình dòng chảy tại các khu vực cơ
bản lµ rÊt thiÕt u cho logic toµn hƯ thèng trong HEC-1 và cho phép các sử dụng lu
trữ máy tinh tối u trong mô hình. HEC-1 là một mô hình quá trình dòng chảy lũ với
các khả năng sau:
1. Mô phỏng dòng cháy trên lu vực và trong sông suối từ lợng ma lịch sử hay
thiết kế.
2. Sử dụng đờng quá trình đơn vị, tỷ lệ mất mát, thông số dòng chảy trong sông,
từ các số liệu quan trắc.
3. Tính toán đờng cong tần suất thiệt hại và các thiệt hại hàng năm cho nhiều
vùng và nhiều dự án điều khiển lũ.
4. Mô phỏng điều tiết hồ chứa và lũ trong sông.
HEC-1 là một trong những cộng cụ đợc sử dụng rộng rÃi nhất cho mô phỏng lu
vực và phân tích lũ. Các thảo luận tiếp theo đây sẽ mô tả các đặc trng chi tiết của mô
hình thông qua các ví dụ. Độc giả đợc khuyến cáo tham khảo hớng dẫn sử dụng và
các tài liệu liên quan của trung tâm Thuỷ văn (1981) để biết thêm chi tiết.
Phác thảo lu vực
HEC-1 sử dụng các thông số trung bình hoá theo không gian và thời gian để mô
phỏng các quá trình dòng chảy. Kích thớc của lu vực con, các đoạn sông hay các bớc
tính toán đợc lựa chọn trên cơ sở điều kiện địa lý thuỷ văn của lu vực, số liệu ma
sẵn có, số liệu dòng chảy sẵn có và yêu cầu độ chính xác. Nh trên hình 5.1, một lu
vực phức tạp đợc chia thành các lu vực con nhỏ và tơng đối đồng nhất dựa vào địa
hình. Các đoạn đợc xác định và thứ tự chung của tính toán dòng chảy cũng đợc xác
định để đa vào mô hình HEC-1.
297


KÝch th−íc cđa c¸c l−u vùc con nãi chung th−êng nằm trong khoảng từ 1 10 dặm2

bởi vì các giới hạn của lý thuyết đờng quá trình đơn vị. Các đoạn lòng dẫn nên đủ dài
và sóng lũ không truyền nhanh hơn bớc thời gian tính toán trên đoạn sông đó. Mặt
khác các lối số học có thể sẽ xuất hiện trong quá trình tính toán lũ.
Giáng thuỷ
Lợng giáng thuỷ P đợc tính cho mỗi lu vực con trong hinh 5.1 sử dụng các số
liệu lịch sử hoặc ma thiết kế tổng hợp. Mô hình cho phép:
(1) Lợng ma tăng dần (độ dày P cho mỗi bớc thời gian) cho mỗi lu vực con,
(2) Tổng lợng ma và phân bố thời gian, hoặc
(3) Số liệu đo đạc quá khứ cïng víi c¸c hƯ sè träng sè thùc tÕ cho mỗi lu vực con.
Ma thiết kế tiêu chuẩn có thể đợc sử dụng ở dạng:
(1) Số liệu độ dày và thời đoạn,
(2) Lợng ma tối đa có thể, hoặc
(3) Lợng ma chuẩn cho công trình.
Số liệu lợng ma đợc nhập vào ở các bớc thời gian cố định, nhng bớc thời gian
này có thể khác với bớc thời gian tính toán trong mô hình. HEC-1 cũng cho phép tính
toán cả tuyết rơi và tuyết tan và sẽ đợc bàn luận ở phần tiếp theo.
Tuyết rơi và tuyết tan
HEC-1 có khả năng mô phỏng quá trình tuyết rơi và tuyết tan rất tốt. Có đến 10
cấp đới cân bằng động đợc đặc trng cho mỗi lu vực con. Bình thờng mỗi cấp lên đến
1000 feet nhng bất kỳ một sự tăng độ cao nào cũng có thể đợc xác định theo tỷ lệ
giảm nhiệt độ không khí tơng ứng với sự thay đổi độ cao trong từng cấp. Dữ liệu nhiệt
độ đợc nhập vào cuối của cấp cao trình thấp nhất. Sau đó nhiệt độ giảm theo tỷ lệ
giảm nhiệt độ (0C hay 0F trên mỗi sự thay đổi độ cao). Nhiệt độ băng tan đợc nhập vào
trong dữ liệu mà dự liệu này sau đó đợc sử dụng để xác định lợng giáng thuỷ rơi dới
dạng tuyết hoặc ma (nhiệt độ tan +2 0C hoặc 0F). Tuyết tan xảy ra khi nhiệt độ cân
bằng hoặc lớn hơn nhiệt độ tan và đợc tính toán bằng nhiệt kế hoặc phơng pháp cân
bằng năng lợng (xem phần 2.8). Để biết chi tiết hơn việc tính toán lợng tuyết rơi và
lợng tuyết tan trong mô hình HEC-1 xem sổ tay sử dụng mô hình HEC-1 (Trung tâm
thuỷ văn công trình, 1981) và dòng chảy sinh ra từ tuyết tan (Cục công binh Hoa Kỳ,
1960).

Phân tích tỷ lệ tổn thất
HEC-1 chứa 4 phơng pháp để tính toán sự tổn thất của lợng ma vào khu chứa
và thấm nh trong bảng 5.5. Đơn giản nhất là hàm tổn thất ban đầu và hằng số, trong
đó thể tích tổn thất ban đầu đợc thoả mÃn trớc khi tỷ lệ tổn thất hằng số bắt đầu.
Phơng pháp này giống nh hệ số k trong quá trình thấm (xem chơng 5.1) nếu nh
tổn thất ban đầu bằng 0 và thờng đợc sử dụng trong phân tích ma thiết kÕ hc ë
298


những nơi mà số liệu không đủ để tính với các phơng pháp phức tạp hơn.
Bảng 5.5. Các phơng pháp tính tổn thất trong HEC-1
Phơng pháp

Mô tả

1. Hằng số và ban đầu (LU)*

Thể tích tổn thất ban đầu đợc đáp ứng và sau đó là tổn thất theo
hằng số (phần 1.5)

2. Hàm mũ HEC (LE)

Hàm tổn thất liên quan đến điều kiện ẩm trớc đó và là hàm liên tục
của ®é Èm ®Êt

3. Sè ®−êng cong SCS (LS)

Tæn thÊt ban đầu đợc đáp ứng trớc khi tính toán dòng chảy luỹ tích
nh là một hàm số của lợng ma luỹ tích

4. Phơng pháp Holtan

Tỷ lệ thấm đợc tính nh là hàm mũ của lợng trữ ẩm trong đất từ
phơng trình Holtan

* Xác định cho cấu trúc đầu vào của HEC-1.

Tỷ lƯ tỉn thÊt hµm mị HEC lµ mét hµm sè của tổn thất luỹ tích của lợng ma và
liên quan đến trữ lợng ẩm lu trữ trong đất. Các phơng trình tính toán tổn thất đợc
trình bày dới đây và biểu diễn trên giấy bán logarit trong hình 5.2.
ALLOSS = ( AK + DLTK )PRCP ERAIN

(5.1)

⎡ ⎛ CUML ⎞⎤
DLTK = 0,2 DLTKR ⎢1 − ⎜
⎟⎥ Víi CUML ≥ DLTKR
⎣ ⎝ DLTKR

(5.2)

AK =

STRKR
RTIOL0,1CUML

(5.3)

Trong đó ALOSS là tỷ lệ tổn thất tiềm năng (mm/h) trong bớc thời gian, AK là hệ
số tỷ lệ tổn thất tại đầu thời đoạn tính toán, DLTK là lợng tăng lên của hệ số tổn thất

trong DLTKR đầu tiên của tổn thất luỹ tích, CUML. DLTKR biễu diễn tổn thất ban
đầu. Tổn thất luỹ tích, CUML, đợc xác định bằng tổng của các tổn thất thực tế cho mỗi
thời đoạn tính toán.
STRKR là giá trị bắt đầu của hệ số tổn thất của đờng cong giảm theo hàm mũ cho
tổn thất ma và đợc xem là hàm của trữ lợng thấm.
RTIOL là tỷ số giữa hệ số tổn thất ma trên đờng cong tổn thất và 10mm cđa tỉn
thÊt l tÝch. Tham sè nµy cã thĨ xem là hàm số của khả năng hấp thụ giáng thuỷ của
bề mặt lu vực và sẽ là hằng số cho các lu vực lớn và đồng nhất.
ERAIN là số mũ của lợng ma cho hàm tổn thất phản ánh ảnh hởng của tỷ lệ
ma trên dặc trng tổn thất trung bình lu vực.
Trong một số trờng hợp nhất định có thể là dễ dàn hơn nếu làm việc với tỷ lệ tổn
thất hàm mũ nh một mô hình thấm 2 tham số. Để nhận đợc hàm tổn thất ban đầu và
hằng số, cho ERAIN = 0 và RTIOL = 1.0.
Để nhận đợc hàm tỷ lệ tổn thất giảm theo hàm mũ với tổn thất ban đầu bằng
không, cho ERAIN = 0.0 vµ DLTKR = 0.0.
Hµm tỉn thÊt HEC nµy rất khó để áp dụng vào một lu vực thực tế vì các thông số
không đợc xác định trực tiếp từ các đại lợng quan trắc.
299


Hình 5.2. Hàm tổng tỷ lệ tổn thất HEC

Phơng pháp SCS sử dụng số đờng cong SCS, CN, liên hệ trực tiếp đến tình hình
sử dụng đất và các tính chất đất trên lu vực. Tiệm cận SCS (xem phần 2.4) tơng đối
phổ biến vì nó có thể áp dụng cho các khu vực không có đo đạc và hệ thống dữ liệu thực
nghiệm lớn của nó. Phơng pháp yêu cầu nhập vào CN, giả thiết ban đầu, % diện tích
không thấm.
Phơng pháp tổn thất Holtan (Holtan và nhiều tác giả khác, 1975) liên quan đến
các đặc trng lu vực, nhng các thông số vẫn có thể đợc hiệu chỉnh, điều không thể
thực hiện đợc trong các vùng không có đo đạc. Phơng pháp này tơng tự nh phơng

pháp hàm số mũ HEC nhng không xem xét đến cờng độ ma.
Tính toán dòng chảy trên các lu vực con
Trong HEC-1 có một vài các phơng pháp tính toán dòng chảy bề mặt và ngời sử
dụng có thể lựa chọn phơng pháp thích hợp. Chúng đợc trình bày trong bảng 5.6 và
bao gồm các phơng pháp đờng quá trình đơn vị cua Clark (1945), Snyder (1938) và
Cục bảo tồn đất (1975b). Những đờng quá trình đơn vị đà biết cũng có thể đợc nhập
vào trực tiếp trong mô hình. Tính toán dòng chảy tràn theo phơng pháp sóng động lực
đà đợc đa thêm vào mô hình vào năm 1979 và cho phép biểu diễn chính xác các khu
vực đô thị hoá cho các tính toán UH (Trung tâm thuỷ văn công trình, 1979).
Bảng 5.6. Các phơng pháp dòng chảy trên mặt trong HEC-1
1.

Nhập đờng quá trình đơn vị trực tiếp (UI)*
2.

3.
4.
5.

Phơng pháp đờng đơn vị Clark (UC)

Phơng pháp đờng đơn vị Snyder (xem phần 2.4) (UD)

Phơng pháp SCS (phơng pháp số đờng cong + đờng đơn vị SCS) (US)

Phơng pháp sóng động lực cho đờng quá trình dòng chảy tràn (xem phần 4.6) (UK)

* Nhận dạng cấu trúc đầu vào của HEC-1

Phơng pháp Clark dựa trên phơng pháp đờng cong thời gian diện tích đợc

mô tả trong phần 2.2. Biểu đồ thời gian diện tích, xác định từ các ®−êng ®¼ng thêi l−u
300


vực, kết hợp với biểu đồ quá trình ma thiết kế để nhận đợc đờng quá trình dòng
chảy và sau đó chảy truyền qua các lu trữ trong hồ chứa tuyến tính cho phép phân tán
đỉnh lũ.
Các thông số phơng pháp Clark là hệ số lu trữ và thời gian tập trung, R, đợc
định nghĩa là độ nghiêng của hàm SQ cho hồ chứa tuyến tính. Giá trị TC và R có thể
đợc ớc tính cho các lu vực không có đo đạc thông qua các phơng trình hồi quy liên
quan đến các đặc trng và mức độ phát triển đô thị. (xem ví dụ trong bảng 5.13)
Chơng trình HEC-1 sử dụng đờng cong tổng hợp thời gian diện tích nhận đợc
từ hình dạng lu vực tổng quát hoá và các phơng trình có thể áp dụng cho hầu hÕt c¸c
l−u vùc:
AI = 1,414T 1, 5 0 ≤ T < 0.5

(5.4)

I − AI = 1,414(1 − T )1,5 0.5 < T < 1

(5.5)

trong đó: AI là diện tích luỹ tích nh là nhân tố của lu vực con và T là nhân tố thời
gian tập trung. Các đờng cong thời gian diện tích đặc biệt cũng có thể đợc nhập vào
HEC-1.
Quá trình dòng chảy nhận đợc sau đó sẽ đợc truyền qua hồ chứa tuyến tính để
nhận đợc quá trình dòng chảy đơn vị cuối cùng. Họ các đờng đơn vị 2h hình thành từ
HEC-1 đợc biểu diễn trong hình 5.3 cho lu vực có diện tích 50-dặm2 với TC = 13,3h.
Lu ý rằng có thể nhận đợc một loạt các đờng cong có hình dạng khá biến đổi. SCS
UH cũng đợc biểu diễn để so sánh (Hoggan, 1989). Với các giá trị R/(TC + R) càng lớn

thì đờng quá trình đơn vị càng dẹt hơn.
Phơng pháp của Snyder mô tả trong phần 2.4 cung cấp thời gian xuất hiện đỉnh tp
và hệ số đỉnh lũ Cp, nhng không đủ để vẽ đờng quá trình dòng chảy. Phơng pháp
Clark vì thế đợc sử dụng để làm trơn và định dạng đờng quá trình tơng ứng với các
hệ số của Snyder.
Các tung độ của dòng chảy trực tiếp đợc tính toán bằng các kết hợp đờng quá
trình đơn vị với lợng ma rơi tiếp theo trên lu vực con.
Quá trình sóng động lực đợc biến đổi từ mô hình lu vực MIT (Harley, 1975) và
đợc mô tả chi tiết hơn trong phần 4.6. Nó biểu diễn dòng chảy phi tuyến tơng ứng so
sánh với các phơng pháp đờng quá trình đơn vị tuyến tính. Phơng pháp sóng động
lực dựa trên các tham số mà thông thờng có thể đo đạc đợc từ lu vực nh độ dốc,
chiều dài, hình dạng lòng dẫn, độ nhám, tình hình sử dụng đất và diện tích. Các yếu tố
dòng chảy tràn, thu nhận nớc, lòng dẫn chính đợc sử dụng để biểu thị các đặc
trng của lu vực tiêu nớc (hình 4.10).
Trong phơng pháp sóng động lực thì phơng trình cơ bản là phơng trình dòng
chảy của Manning và phơng trình liên tục (4.47 và 4.48). Chúng đợc giải bằng
phơng pháp số để nhận đợc dòng chảy tràn nh là một hàm của thời gian và không
gian. Các phơng trình này cũng đợc giải cho dòng chảy trong lòng dẫn (hình 4.10).
Phơng pháp sóng động học (KW) có thể dễ dàng áp dụng cho phân tích các lu vực
đô thị hơn vì lý thuyêt KW không tính đợc cho sự phân tán của sóng lũ. Khi diện tích
lu vực tăng lên thì các giả thiết yêu cầu cho KW trở nên đơn giản h¬n.
301


Hình 5.3. Họ các đờng quá trình đơn vị 2-h tÝnh tõ HEC-1

Nguån trÝch dÉn:

D.H. Hoggan, 1989, Computer-Assisted Flood plain Hydrology and

Hydraulics, McGraw-Hill, New York.

Các thông số nh là chiều dài và diện tích lu vực, độ nhám và hình dạng hình học
của lòng dẫn đợc sử dụng để xác định dòng chảy tràn trên bề mặt lu vực, chảy vào
cống hay lòng dẫn, và chảy qua hệ thống kênh bằng nhận thức. Những thay đổi trong
các lu vực đô thị có thể đợc dễ dàng thêm vào trong phơng pháp KW.
Các số liệu đầu vào theo yêu cầu cho mỗi thành phần dòng chảy tràn là: L0 = chiều
dài dòng chảy chuẩn, S0 = độ nghiên đại biểu, N = hệ số nhám, tỷ lệ phần trăm của các
lu vực con mà phần này biểu diễn, và hệ số tổn thất thấm. Thông thờng hai thành
phần đợc sử dụng, một để mô tả các vùng không thấm đợc (mái nhà, đờng phố) và
phần còn lại mô tả các vùng thấm (đồng, bÃi cỏ và gỗ). Bảng 4.2 biểu diễn, các tham số
độ nhám cho dòng chảy tràn.
Các công trình thu nớc và lòng dẫn chính đóng góp để vận chuyển dòng chảy tràn
đến cửa ra lu vực. Các số liệu sau đây cần cho các kênh thu nớc hoặc èng:
AC = diƯn tÝch tiªu b»ng mét kªnh thu n−íc đại biểu
LC = chiều dài kênh thu
302


SC = độ nghiêng chuỗi
n = độ nhám và hình dạng và kích thớc.
Các tham số kênh chính và kênh thu nớc có thể tìm thấy từ phân tích bản đồ hệ
thống tiêu thoát của lu vực.
Kênh chính nhận dòng nhập lu từ các kênh thu nớc phân bố không ®ång nhÊt
däc theo chiỊu dµi cđa nã. DiƯn tÝch l−u vực con cùng với L, S, n, hình dạng, kích thớc
và bất cứ đờng quá trình thợng lu là điều kiện cần thiết để diễn toán trên đoạn
sông. Vận chuyển KW cịng cã thĨ sư dơng trªn kªnh chÝnh. Tr−êng hợp nghiên cứu cụ
thể trong phần 5.6 sẽ minh hoạ cụ thể cách sử dụng các phơng pháp KW so sánh với
phơng pháp Clark (TC & R) cho lu vực đô thị có diện tích 17.9dặm2.
Tính toán dòng cơ bản

HEC-1 mô phỏng dòng cơ bản của đờng quá trình lũ với ba thông số:
(1) Q0, dòng chảy trong kênh trớc khi lũ bắt đầu lên.
(2) RTIOR, tỷ lệ giảm theo số mũ; và
(3) QR, điểm bắt đầu lũ xuống (Hình 5.4).
Các tham số trên có thể nhận đợc từ đờng quá trình Q~t thực đo vẽ trên giáy
bán logarit (hình 2.4). Tỷ lệ

QR
thờng khoảng từ 0,05 ữ 0,15.
Qpeak

Phơng trình (5.6) xác định các tham số sử dụng trong mô hình, trong đó ngỡng
dòng chảy rút QR và hằng số RTIOR do ngời sử dụng xác định. Hình 5.4 xác dịnh mối
liên quan giữa đờng quá trình dòng chảy các tham số sử dụng. Phơng trình (5.6) tính
toán dòng chảy rút Q nh sau:

Hình 5.4. Các thành phần của đờng quá trình thuỷ văn

Q = Q0(RTIOR)nt,

(5.6)

trong đó:
303


Q0 = dòng chảy trớc khi bắt đầu lũ lên,
Q = tỷ lệ dòng chảy thiếu hụt tại cuối của nt,
QR = tỷ lệ dòng chảy tại lúc bắt đầu lị xng
RTIOR = tû lƯ lị xng n∆t øng víi mỗi thời đoạn

Rất nhiều ứng dụng của HEC-1 là cho các trận lũ đô thị, nơi mà dòng chảy cơ bản
thờng là tơng đối nhỏ so với tổng lợng dòng chảy trên đờng quá trình thuỷ văn.
Diễn toán lũ
Diễn toán lũ liên quan đến phân tích các chuyển động của sóng lũ trong sông. Bảng
5.7 liệt kê các phơng pháp chính của tính toán truyền lũ có trong mô hình HEC-1. Các
phơng pháp này đợc trình bày chi tiết trong chơng 4. Cả phơng pháp hồ chứa
thông số lu trữ và phơng pháp vận chuyển trong sông đợc trình bày trong chơng 4.
Phơng pháp Muskingum đòi hỏi cả K và x, trong đó K nhận đợc từ phân tích nh
trong mục 4.2 hoặc sử dụng chiều dài đoạn chia cho vận tốc sóng xác định từ phơng
dQ
có thể nhận đợc từ góc nghiêng của đờng cong tỷ lệ tại một giá trị lu
dy
K
lợng tiêu biểu đợc vận chuyển. Chú ý rằng 2Kx < t K và số đoạn con bằng
.
t

trình 4.38,

Phơng pháp Puls đợc mô tả sơ bộ trong phần 4.3 cho một hồ chứa nhng cũng có
thể áp dụng cho các sông bằng việc phát triển quan hệ lu lơng lợng trữ (S-Q). Một
vài phơng pháp có thể đợc sử dụng:
(1) Tính toán phân bố dòng chảy ổn định
(2) Phân bố đo đạc
(3) Phân bố độ sâu bình thờng
(4) Lợng trữ từ quá trình dòng chảy ra và dòng chảy vào
(5) Các kỹ thuật tối u hoá.
Bảng 5.7. Diễn toán lũ trong HEC-1
Phơng pháp

Mô tả

1. Muskingum (RM)*

Hệ số lợng trữ (x) cộng với thơi gian truyền (K) qua mỗi đoạn

2. Puls có sửa chữa (RS)

Bảng của lợng trữ so với dòng chảy ra cho mỗi đoạn dựa trên HEC-2

3. Sóng động lực (RK)

Hình dạng lòng dẫn, chiều dài đoạn, độ dốc đáy và n; dòng chảy ra từ
mỗi đoạn dựa trên độ sâu cùa dòng chảy trong phơng trình liên tục và
phơng trình Manning (phơng trình 5.1)

* Nhận dạng cho cấu trúc đầu vào HEC-1

Những vấn đề này đợc mô tả chi tiết hơn trong tài liệu của Hoggan (1989) và sẽ
không đợc trình bày ở đây. Cho phơng pháp thứ nhất, vài đờng mặt nớc đợc hình
thành, WS1 đến WS5, tơng ứng với lu lợng, Q1 đến Q5, sử dụng mô hình HEC-2 (từ
phần 7.9 đến 7.15). Thể tích lợng trữ đợc tính từ diện tích mặ cắt ngang của kênh
dẫn và chiều dài của nó cho mỗi WS. Một đờng cong quan hệ S-Q (đờng cong tû lÖ)
304


đợc xác định (hình 5.5). Số bớc vận chuyển đợc sử dụng cho một đoạn sông là
K
, trong đó K = thêi gian trun vµ ∆t = b−íc thêi gian.
NSTEP, bằng với

t
Phơng pháp truyền sóng động lực trong kênh dẫn không cho phép sự tắt dần của
đỉnh lũ là một vấn đề ở những nơi mà có nhiều vùng bÃi ngËp lị. Nã cã −u ®iĨm khi cho
phÐp tÝnh ®Õn sự phân bố của dòng nhập lu dọc theo kênh dẫn chính (Trung tâm kỹ s
thuỷ văn, 1979). Các dạng cơ bản của phơng trình Manning cho phơng pháp sóng
động lực đợc mô tả trong phần 4.6.
Các khả năng khác của mô hình HEC-1
HEC-1 có thể hiệu chỉnh với trận lũ đo đạc đợc bằng cách sử dụng thuật toán tối
u hoá thông số. Một số các sự kiện quan trắc phải đợc sử dụng cho việc so sánh với
các kết quả dự báo của mô hình. Việc lựa chọn thông số thờng dựa trên phơng pháp
thử sai hệ thống: lựa chọn các giá trị của thông số, mô hình chạy với số liệu lịch sử và
đờng quá trình thuỷ văn tính đợc sẽ so sánh với số liệu quan trắc. Quá trình đợc lặp
lại cho đến khi nhận đợc sự phù hợp nhất giữa só liệu tính toán và số liệu thực đo.
Một thủ tục tối u hoá tự động trong mô hình HEC-1 là một thể hiện rất tiện lợi
của quá trình lựa chọn thông số thử-sai. Tối u hoá liên quan đến một hàm mục tiêu
mà ta phải đi tìm giá trị nhỏ nhất của nó ứng với một chuỗi các giá trị của các thông số.
Hàm ®ã cã d¹ng:
STDER =

∑ (QOBS
N

i =1

i

2 ⎛ WTi ⎞
− QCOMPi )
,
N

(5.7)

trong đó STDER là chỉ số sai số, QOBS là tung độ đờng quá trình thuỷ văn quan trắc
tại thời gian i, QCOMP1 là tung độ tính toán tại thời gian i từ mô hình HEC-1. N là
tổng số của các tung độ đờng quá trình và WT là một hàm trọng số nhấn mạnh đến
tính chính xác cần phải tái tạo lại đỉnh lũ.
Một ứng dụng chủ yếu thứ 2 trong mô hình HEC-1 là nó có thể mô tả các hiện
tợng thuỷ văn thuỷ lực cho nhng vùng mà số liệu thu thập không đầy đủ. HEC
(1980) mô tả công việc tính toán hoàn thiện cho những vùng không có đầy đủ số liệu để
tìm ra các thông số thuỷ văn đặc trng cho vùng đó. Kinh nghiệm và các thông số đầu
vào của mô hình là vô cùng quan trọng trong việc tính toán cho những vùng thiếu số
liệu quan trắc. Hiện nay có ba xu hớng nghiên cứu ứng dụng HEC, các xu hớng này
đợc trình bày trong bản báo cáo của HEC.
Cuối cùng mô hình HEC-1 có thể đợc sử dụng trong việc đánh giá các đại lợng
liên quan đến lũ. Mối quan hệ giữa độ sâu - diện tích và bớc thời gian có thể đợc mô
phỏng cho từng hệ thống sông, nhiều trận lũ có thể đợc tính toán đồng thời cùng một
lúc để có thể so sánh một cách chi tiết. Một vài phơng án tính lũ có thể đợc phân tích
xem xét trong mỗi quá trình chạy riêng lẻ. Theo thống kê thiệt hại về kinh tế do lũ gây
ra thì công việc mô phỏng lũ phải đợc thực hiện ở bất kỳ vị trí quan trọng nào trong
một lu vực. Do đó, khả năng của mô hình HEC-1 là một vấn đề mở.

305


Hình 5.5. (a) Các mặt cắt dòng mặt ổn định. (b) Đờng cong quan hệ lợng trữ - dòng chảy ra.

Nguån trÝch dÉn:

D.H. Hoggon, 1989, Computer - Assisted Floodplain Hydrology and

Hydraulics, McGraw-Hill, York.

Tất nhiên, cách tốt nhất cho mỗi sinh viên hay nhà thủy văn thực hành có đợc
những hiểu biết thực thụ về mô hình này là phải ứng dụng để tính toán cho nhiều lu
vực thực tế. ở đây không có một sự chỉ dẫn cụ thể nào cho việc thiết lập mô hình cũng
nh thu thập số liệu hay hiệu chỉnh mô hình, do đó đà trở thành một nhiệm vụ hết sức
khó khăn và phức tạp. Để giúp đỡ khắc phục những khó khăn trêm mà không làm mất
đi tính linh hoạt và sự hữu dụng của mô hình HEC-1, một vài bài toán ứng dụng đơn
giản sẽ đựơc giới thiệu trong những phần tiếp theo.

5.5.

Số liệu đầu vào và đầu ra của HEC-1

Khái quát số liệu đầu vào
Sự hữu dụng chủ yếu của việc sử dụng HEC-1 so với các mô hình khác là tổ chức số
liệu đầu vào là khá đơn giản. HEC-1 sử dụng thẻ hình ảnh để biểu diễn số liệu đầu
vào của hình dạng lu vực sông và xác định cấu trúc số liệu đầu ra. Mỗi thẻ hình ảnh
bao gồm một dÃy số liệu đầu vào 80 cột đợc thể hiện dới dạng format cố định hoặc tự
do. Format cố định bao gồm 8 cột và format tự do cho phép các giá trị số liệu đợc phân
cách nhau bằng các dấu phảy. Tiếp theo, từ "line" đợc sử dụng ®Ĩ thĨ hiƯn ®−êng ®¬n
306


của số liệu đầu vào cuối cùng.
Số liệu mô phỏng lu vực đợc xác định mỗi đờng bằng cách đồng nhất hai ký tự
mà trong cột 1 và 2. Những mà số liệu này đợc đọc hoặc chúng kích hoạt các giá trị lựa
chọn có trong chơng trình. Ký tự đầu tiên của mà xác định với các loại chung (tức là P
biểu thị số liệu giáng thuỷ) và ký tự thứ hai xác định rõ kiểu dữ liệu nào đó (tức là PB

tổng lợng ma bình quân lu vực). Bảng tóm tắt các loại dữ liệu cơ bản đợc trình bày
trong bảng 5.8.
Đối với việc mô phỏng lu vực thì tính liên tục của đờng quá trình lu lợng đầu
vào thực tế phải đợc xét đến. Ví dụ về cấu trúc dữ liệu cho một lu vực đợc miêu tả
trong bảng 5.9, mà dữ liệu đó có thể đợc nhận thấy rằng mỗi đờng KK đợc sử dụng
nh sự bắt đầu cho một khối tính toán. Ví dụ, dòng chảy trong lu vực nhỏ, sự tổ hợp
thuỷ đồ và tất cả các bớc diễn toán bắt đầu bằng một đờng KK, đa ra một khối cấu
trúc đầu vào.

Bảng 5.8. Các loại dữ liệu cơ sở

Điều khiển tính toán
I_

Khởi tạo tính toán

V_

Tóm tắt giá trị đầu ra

O_

Tối u (optimization)
J_

Kiểu tính toán

Thuỷ văn và thuỷ lực
K_

Điều khiển bớc tính toán

H_

Sự biến ®ỉi cđa thủ ®å
Q_

Sè liƯu thủ ®å

B_

Sè liƯu l−u vùc

P_
L_

Sè liệu lợng ma

Số liệu tổng tổn thất (chủ yếu là thấm )
U_

Dữ liệu đơn vị biểu đồ

M_
R_

Số liệu tuyết tan
Số liệu đờng quá trình

S_

D_
W_

Số liệu lợng trữ
Số liệu nhập lu

Số liệu tiêu thoát bằng máy bơm
Các loại khác
E_

Số liệu về kinh tÕ

ZZ

KÕt thóc tÝnh to¸n

307


Bảng 5.9 Ví dụ về cấu trúc dữ liệu đầu vào
Phân đoạn

Ký hiệu

Mô tả dữ liệu

Điều khiển tính toán

ID

Tiêu đề và hình dạng mô hình.

IT/IN

Khoảng thời đoạn và thời điểm bắt đầu.

IO

Kiểm tra dữ liệu đầu ra cho toàn bộ công việc.

Dòng chảy trong

KK

Tên trạm.

tiểu lu vực đầu tiên.

KM

Đờng giới thiệu (khoảng bắt buộc)

BA

Diện tích lu vực.

P_

Phơng pháp giáng thuỷ.

L_

Phơng pháp tỷ lệ tổn thất.

U_

Phơng pháp biến đổi ma.

Đờng quá trình

KK

Tên trạm

thủy đồ từ tiểu lu vực

KM

Đờng giới thiệu (không bắt buộc)

tới điểm tiếp theo.

R_

Phơng pháp tính toán

Tổ hợp các thuỷ đồ.

KK

Tên trạm

KM

Đờng giới thiệu (không bắt buộc)

HC

Số lợng thuỷ đồ đợc tổ hợp.

Dòng chảy

KK

từ tiểu lu vực trên

KM

đến tiêu lu vực tiếp theo.
Quá trình tính toán tiếp tục cho đến khi ra đến cửa lu vực.
ZZ

Kết thúc công việc

Mỗi nhóm dòng chảy trong tiêu lu vực bao gồm một ®−êng BA cho diÖn tÝch l−u
vùc, mét ®−êng P_ cho lợng ma đầu vào, một đờng L_ cho tỉ lệ tổn thất do thấm và
một đờng U_ cho đơn vị thuỷ đồ biến đổi ma. đờng dòng chảy cơ sở BF cũng có thể
đợc liệt kê vào nhóm này.
Có một số phơng pháp xác định biểu đồ ma hoặc tổng lợng ma trên tiểu lu
vực (hình 5.6). Các đờng PI hoặc PC là lợng ma thêm vào hoặc tích luỹ đợc đa vào

nh một chuỗi thời gian. Đờng PG đợc sử dụng để xác định tổng lợng ma đối với
các dụng cụ quan trắc hoặc biểu thị số liệu tự ghi trên các đờng PI hoặc PC nh trong
hình 5.6. Nếu lợng ma không thay đổi từ tiểu lu vực này sang lu vực khác thì số
liệu chỉ cần nhập vào một lần với nhóm KK đầu tiên. Các đờng (PR, PW) và (PT, PW)
xác định dụng cụ đo và ứng với trọng số thì lợng ma tính toán là giá trị bình quân
lu vực. Đờng PH đợc sử dụng để nhập quan hệ giữa chiều dày lớp nớc và khoảng
thời gian ma rơi cho mỗi trận ma dự kiến.
Tỷ lệ tổn thất có thể đợc tính toán bằng việc sử dụng 1 trong 4 phơng pháp có
sẵn của mô hình HEC-l (Bảng 5.5). Các đờng LE, LU,LS và LH cung cấp các mà cần
thiết để tính toán tổn thất. Trong ví dụ tiếp theo phơng pháp LS hoặc SCS ®−ỵc sư
308


dụng để tính toán lợng tổn thất (do bốc hơi) vì cơ sở dữ liệu đầy đủ có thể đáp ứng đợc
công việc tính toán. Nếu tổn thất không thay đổi trên lu vực thì chúng chỉ cần xác
định một lần trong nhóm KK đầu tiên.
Tỷ lệ tổn thất có thể đợc tính toán bằng việc sử dụng 1 trong 4 phơng pháp có
sẵn của mô hình HEC-l (Bảng 5.5). Các đờng LE, LU,LS và LH cung cấp các mà cần
thiết để tính toán tổn thất. Trong ví dụ tiếp theo phơng pháp LS hoặc SCS đợc sử
dụng để tính toán lợng tổn thất (do bốc hơi) vì cơ sở dữ liệu đầy đủ có thể đáp ứng đợc
công việc tính toán. Nếu tổn thất không thay đổi trên lu vực thì chúng chỉ cần xác
định một lần trong nhóm
KK đầu tiên.

Miêu tả

Đờng dữ liệu

- Ghi chú

ID

Tiêu đề của tập số liệu.

- Thời đoạn tính toán.

IT

- Số liệu ma xác định bằng

PG

A

5.7

dụng cụ tự ghi và không tự ghi.

PG

B

6.5

PG
PC

C
0.02

0.09

0.17 vv

(số liƯu tõ dơng cơ ®o tù ghi)
- Sè liƯu l−u vực.

KK

Ví dụ khối dòng chảy lu vực.

BA

1.5

- Trọng số của các dụng cụ đo.

PT

A

(bình quân lu vực)

PW

0.40 0.45 0.15

- Trọng số phân bố nhiệt độ.

PR

C

PW

1

- Tỷ lệ tổn thất

C

L_

- Đơn vị thuỷ đồ

B

U_

Hình 5.6 Phơng pháp nhập đặc trng dòng chảy

Các phơng pháp đờng quá trình đơn vị đợc giới trong chơng 2 và bảng 5.6
trình bày những phơng pháp có sẵn trong mô hình HEC-1. Các đờng UI, UC, US, UD
309


và UK đợc sử dụng để xác định đặc trng phơng pháp cho từng tiểu lu vực. Các dữ
liệu đặc trng (nh hệ số TC và R) đợc xuất phất từ mỗi tiểu lu vực khác nhau hay
mỗi cách giải quyết chính xác hơn. Phơng pháp dòng chảy tràn động lực học (UK) đợc
giới thiệu trong mô hình HEC-1 năm 1981 và đợc miêu tả chi tiết trong phần 4.6.

Mỗi một đờng quá trình lũ đợc tính toán hoặc tổ hợp từ các diện tích lu vực ở
thợng lu, quá trình diễn toán hồ chứa hay lòng dẫn đợc thực hiện bằng việc sử dụng
các phơng pháp thể hiện trên các đờng R_ (xem ví dụ 5.1). Các phơng pháp phỉ biÕn
nhÊt bao gåm Muskingum (RM), quan hƯ l−u l−ỵng - lợng trữ hoặc Puls cải tiến (RS)
và phơng pháp sóng động học (RK) (xem trong chơng 4). Các đờng SV/SQ đợc sử
dụng để nhập quan hệ lu lợng - lợng trữ, và các đờng SQ/SE đợc sử dụng để nhập
sự đánh giá đờng cong lu lợng với cao trình. Đối với quá trình diễn toán hồ chứa, số
nhóm thẻ đặc biệt có thể đợc sử dụng để mô tả các đặc trng đầy đủ của cấu trúc
lợng dòng chảy ra. Các đờng SA, SV và SE biểu thị bảng diện tích hồ chứa, thể tích,
mực nớc và các đờng SS, SL thể hiện dữ liệu đờng tràn tại cửa ra. Những sự lựa
chọn này đợc miêu tả một cách chi tiết trong ví dụ ở phần 5.6.

Hình 5.7. Sơ đồ của công việc tính toán bằng mô hình HEC-1

Sự tổ hợp đờng HC cho phép tính toán hai hoặc nhiều hơn đờng quá trình tại
trạm đặc trng trong lu vực. Bớc HC sẽ sử dụng đờng quá trình tính toán gần nhất
trong hệ thống. Vì vậy, chuỗi tính toán thuỷ văn đợc cung cấp bởi các nhóm đờng KK.
Trong hình 5.7, dòng chảy từ tiểu lu vực số một đợc truyền từ A đến B và đợc kết
hợp với tiểu lu vực thứ hai tại điểm B. Sauu đó truyền tới điểm C, dòng chảy từ tiểu
310


lu vực thứ ba đợc gia nhập để tạo ra một đờng quá trình thuỷ văn đơn nhất tại điểm
C. Quá trình tiếp cho đến cửa ra của lu vực. Nếu một dụng cụ đo đợc đặt tại bất kỳ
điểm nào đó, đờng QO có thể đợc sử dụng để so sánh giữa dòng chảy tính toán và
thực đo, và một bản thống kê sẽ đợc cung cấp.
Sự lựa chọn hồ chứa, kênh dẫn đợc xem xét bởi HEC-1 đối với từng lu vực đặc
trng bằng việc điều chỉnh xấp xỉ dòng chảy tiểu lu vực hoặc các bớc diễn toán thích
hợp để phán ánh sự biến đổi. ảnh hởng cđa viƯc sư dơng ®Êt theo thêi gian cã thĨ đợc
trình bày bằng việc hiệu chỉnh những thông số trong tiểu lu vực và các thông số diễn

biến lòng dẫn. Cờng suất ma khác nhau, các loại ma khác nhau và cờng độ tổn
thất khác nhau có thể dễ dàng tích hợp trong quá trình phân tích lu vực. Mô hình
HEC-1 cung cấp một số công cụ thuận lợi để đánh giá các yếu tố thuỷ văn. Sự lựa chọn
các thông số và toàn bộ dữ liệu tổ chức ở HEC-1 đợc trình bày trong ví dụ 5.1, và các
chi tiết ví dụ đợc giới thiệu trong phần 5.6.

Ví dụ 5.1
Cho một lu vực sông nhỏ có các thông số đợc liệt kê trong bảng dới đây.
Đờng quá trình đơn vị và các hệ số diễn toán Muskingum cho tiểu lu vực thứ 3, trình
bày trong hình E.5.1(a). Biểu đồ ma ứng với trận lũ xảy ra vào ngày 19-6-1983. Cho
rằng ma rơi đều trên toàn bộ lu vực. Với các thông tin đà trên, hÃy nhập dữ liệu đầu
vào cho mô hình HEC-1 để mô phỏng trận lũ đó. Chạy chơng trình để xác định dòng
chảy ra dự báo tại điểm B.

Hình E.5.1(a)

Hình E.5.1(b).

UH đối với tiểu

Thời gian (h)

0

lu vùc sè 3

U (ft3/s)

0

1

2

3

4

5

200 400 600 450 300

6

7

50

0

C¸c hƯ sè Muskingum: x = 0,15; K = 3h.

Giải
Nhập dữ liệu đầu vµo nh− sau:
311


ID ***

Ví dụ 5.1

ID ***
ID ***

Dữ liệu đầu vào HEC-1

ID ***
IT

60 19/6/1983

IO

4

KK

SUB 1

KM

Dòng chảy từ lu vực 1

PI

0.2

BA

2.5

LS

6.6

UC

2.5 5.5

KK

SUB 2

KM

Dòng chảy từ lu vực 2

BA

2.7

LS

58 0

UC

2.8

1.5

1200

2.0

1.0

100

0.5

0

7.5

KK
KM

Tổ hợp dòng chảy từ tiểu lu vực 1 với dòng chảy từ tiểu lu vực
2 tại A

HC

2

KK

A đến B

KM

Diễn toán Muskingum từ A đến B

RM

1

KK

SUB 3

KM

Dòng chảy từ lu vực 3

BA

3.3

LS

5.8 0

UI

0

KK

B

KM

Tổ hợp dòng chảy từ tiểu lu vực 3 và diễn toán điểm B

HC

2

3

200

0.15

400

600

450

300

150

0

ZZ
Thảo luận
Mỗi đờng bao gồm 2 ký tự và 8 cột, mỗi cột có 10 trờng. Các đờng ID đợc sö

312


dụng để nhập dữ liệu. Đờng IT dùng để ớc lợng thời gian tính toán khoảng 60 phút,
ngày bắt đầu và thời gian đến 12 giờ tra ngày 19/6/1983, và số tung độ lớn nhất của
đờng quá trình là 100. Đờng IO dùng để thiết lập thông tin in ấn số liệu đầu vào và
ra. Đờng quá trình sẽ đợc xây dựng có thể cho mọi trạm.
Đờng KK báo hiệu sự bắt đầu của khối tính toán. Đờng KM đợc dử dụng để
phác thảo các phơng thức tính toán sẽ đợc thực hiện trong các nhóm đặc trng đó và
bao gồm cả các thông tin đơn giản.
Đờng PT đợc sử dụng để nhập các giá trị lợng ma gia tăng. Thời gian gia tăng
giữa các giá trị lợng ma là 60 phút (xem đờng IT). Khi lợng ma rơi đồng nhất
trên toàn lu vực thì chỉ cần dùng đờng PI hoặc đờng PT có thể đợc lặp đi lặp lại
cho mỗi khối tính toán ở các tiểu lu vực. Trong trờng tơng tự, nếu hình thái ma
không đổi thì có thể tính toán dòng chảy từ mỗi tiểu lu vực.
Đối với mỗi khối dòng chảy tiểu lu vực, các đờng BA đợc sử dụng để nhập diện
tích tiểu lu vực (đơn vị dăm2). Đờng LS chỉ ra rằng phơng pháp tổn thất SCS sẽ
đợc sử dụng và số đờng cong SCS, phần trăm đất không thấm đợc nhập vào đây.
Trong các tiểu lu vực 1 và 2, đờng UC đợc sử dụng để xác định rằng phơng pháp
đờng đơn vị Clark đợc dùng. Các giá trị của TC và R đợc nhập vào đờng UC (xem
chi tiết bảng 5.13). Đờng quá trình đơn vị của tiểu lu vực 3 đà có trong số liệu và
đợc nhập vào đờng UI.
Đờng HC chỉ ra rằng bớc tổ hợp đờng quá trình đang đợc thực hiện và số các
đờng quá trình đà tổ hợp đợc nhập vào. Đờng RM đợc sử dụng để nhập các hệ số
Muskingum để diễn toán quá trình từ điểm A đến điểm B. Đờng RS có thể đợc sử
dụng để diễn toán bằng phơng pháp Puls cải tiến với mối quan hệ giữa lu lợng và
lợng trữ đợc nhập trên các đờng SV/SQ. Đờng ZZ (không có dữ liệu) chỉ ra rằng
việc nhập dữ liệu vào đà hoàn tất.
Chơng trình HEC-1 đợc thực hiện với tập dữ liệu đà có. Thông tin trong bảng
tiếp theo đợc lấy từ số liệu đầu ra của chơng trình. Hình E.5.1(c) sơ dồ đầu ra bằng

đờng quá trình thuỷ văn.

Quá trình

Đỉnh dòng

Thời gan xuất hiện

Diện tích

chảy.

đỉnh dòng chảy.

lu vực.

Trạm đo
hoạt động
Đờng quátrình tại

Lu vực 1

36.5

6.00

25.0

Đờng quátrình tại

Lu vực 2

215

7.00

2.70

Tổ hợp 2 đờng quá trình tại

A

574

6.00

5.20

Diễn toán đến

A đến B

434

9.00

5.20

Đờng quátrình tại

Lu vực 3

632

7.00

5.30

Tổ hợp 2 đờng quá trình tại

B

97.2

7.00

8.50

313