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

ĐẠI HOC Ql ỏ< : (ỈIA H \ NÒI
I KI C>N<; ĐAI IK K KHOA HỌC T ự NHIÊN
NGHIÊN ( I V M ổ PHÒNG Ql A TRÌNH MƯA -DÒNG (’HÃY
TRÊN MỘT SỐ LƯU v ự c SỔNG NGÒI MIỂN TRUNG
PHỤC VỤ SỨ DỤNG HỌP LÝ TÀI NGUYÊN Nước VÀ ĐẤT
MẢ sổ: QG-07-I5
CHÚ TRÌ »>Ể TÀI: TS. NGUYÊN THANH SƠN
CÁN HÒ THAM (ỉỈA: ( N. HVCH. NGỎ CHÍ TUẤN
( N. HVCH.CỎN<; THANH
THS. N< s. HOÀNỈỈ THANH VẤN
ĐAI HOC QUỖC GIA HẢ NỘi
ĨPUNG 1AM THON'fa ÚN ÍHU viện
" 0 0 0 6 0 0 0 0 0 ị Ậ _
HÀ NÒI - 2008
MỤC LỤC
GIẢI THÍCH CÁC CHÙ VIẾT TÁ T

.
5
danh Sá ch n h ũ n g n g uời t h a m g ia thụ c hiện đ ề t à i

6
danh m ụ c c á c bản g số l iệ u

7
DANH MỤC CÁC HÌNH

.

.
8

TÓVI TẮT CÁC KẾT ỌUẢ NGHIÊN c ú u CHÍNH CỦA ĐỀ TÀI

10
MỞ Đ Ầ U

.

.
13
CHJONG I. TỐNG QUAN CÁC NGHIÊN cứu VỀ MƯA LŨ Ờ MlỂN t r u n g .
LÝ THUYẾT MÓ HÌNH MUA - DÒNG CHẢY VÀ PHUƠNG PHÁP s c s

15
1 1. Tống quan các nghiên cứu và mò hình toán phục vụ sử dụng hợp lý tài
nguyên đất và nước lưu vực sông 15
/././. N ghiên cứu, áp dụng mõ liình toán dê tinh toán và (Ị ự báo mưa lũ trên
tliếgiới \’à à nước tu 15
1.1.2. Nghiên cứu mưu lũ và lài nguyên nước trẽn tĩịư bùn nghiên c ứ u

18
1.2. cơ sờ lý thuyết lớp mỏ hình toán mưa - dòng chảy 20
1.2.1. M õ hình thúy ÍỈỘHỊÌ lực h ọ c 26
í .2.2. Phương pháp phân tử hữu hạn áp dụng trong mỏ hình sóng độtìỊị học một
chiểu
.
28
J.3. Phương pháp SC’S 39
1.3.1. Giới thiệu phương pháp s c s
39
1.3.2. Phát triển s c s

.

.

.
41
CHUỌNG2. ĐIỀU KIỆN ĐỊA LÝ TựNHiÊN VÀ KÍNH TỂ XẢ HỘI MỘT số
1.UJ v ụ t SÔNG NGÒI MỈỂN TRUNG TRONG Mối LIÊN QUAN VỚI QUÁ
TRINH MUA - DÒNG CH Ả Y 45
1. Điều kiện địa lý tự nhiên 45
2.1.1 17 trí (lịa lý 45
2.1.2 Địa hình
.
45
2.1.3. Địa chái, tho nhưỡng 50
2.1.4. Thảm thực vật 54
2 1.5. K hí hậu '

.
57
2.1.6. Mạiiỉi lưới rlmỷ vùn các lim vực SÔHỊỊ nghiên c ứ u 58
1.2. Điều kiện kinh tế xã hội 61
2.2.1. Thừa Thiên - H uế 61
2.2.2. QiuiniỊ N a m 62
2.2.3. Q uàng N gã i 63
ĩ.3. Đặc điểm mưa, dòng cháy và các hiện pháp phòng lũ
65
2
.
3

.
1
. D ặc (liêm mưa, dỏ n g cháy trên cúc Ill'll vực niỊhiẽn c ứ u

6 5
2.3.2 C ú c biện pluìp phònq 111 trẽn các lưu vực nghiên CỨII

66
Ị
'1 |U )\(Ì3. XẢY DỤNG MỎ HÌNH MỎ PHONG QUÁ TRÌNH MUA - DÒNG
:il/\Y BANG MÒ HÌNH SỒNG ĐỘNG IIỌC MỘTCÍIIlUl. PHUƠNG PHÁP
JHẮN TỬHŨIJ HẠN VÀ PHUƠNG PHÁP sc s

68
3.1. Nàng cao tinh on định và độ chính xác cíia phương pháp phần tứ him hạn mõ
phỏng không gian thời gian trong mô hình sóng động học một chiều

68
3.1.1. Các vấn (lẽ vê tilth Ổn (tịnh và (lộ cliinh xức khi lỊÍdi phương trình sóng
ilộuiỊ học htÌiiỊ’ phương pháp phần tử lìữu h ạn

6#
3.1.2. Cúc sơ đó sỏ di’ 1ỊÌùr plníơniỊ trinh sóng (lộm; h ọ c

7/
3 .1.3. M ộ t sô'thuật toán Ịịià i hệ phương trình vi phân p h i tuyến tinh trang mỏ
hình phán tứ hữu hạn sóng tíộni> học một c h iêu 75
3.1.4. Thực nạ/liệm sô, (lánh giá độ ổn định, dọ chính xác cùa cúc sơ d ó sô và
tlutật toán phưưtiỊi pliáp phim từ hữu hạn úp dụng cho m ò hình SÓHỊỊ (ỈỘHỊỊ học
một ch it’ll 77

3.2. Hiệu chinh phương pháp scs, nâng cao khả nàng mõ phóng lũ trên các lưu
vực sóng ngòi miền trung 80
3.2.1. Sử dụng s c s nâniị cao khả năng mô phòng lưu vực
80
3.2.2. N á MỊ cao klui nâng m ỏ phòng (lia phương pháp s c s

82
3.2.3. Thực nghiệm số c ò tìii tliức tinh (lộ sán tốn thái han dầu trên một sò lưu
vực M iền Trung 83
3.3 Xây dựng mổ hình mô phỏng quá trình mưa - dòng cháy đối với một sô’ lưu
vực sõng thượng nguổn Miền Trung 87
3.3.1. Phán lích và x ử lý s ố liệu 87
3.3.2. Xáv dựng bộ thông sô ' 88
3 J .3 . Xây dựng m ó hình và chương trình lính toá n
94
3.3.4. Kết i/iui m ô phôtìỊị 95
3
.
3
.
5
. N hận x é t .
.

.
w
CHUƠNG4. ÚNG DỤNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH MƯA - DÒNG
CHẢY TRÊN CÁC l.uu v ụ t SÔNG MiỀN TRUNG PHỤC v ụ Dự BÁO LŨ VÀ
SỬ DỤNG HỢP LÝ TÀI NGUYÊN NUỔC VÀ DAT

.
102
4.1 Úng dụng mô hình mô phỏng quá trình mưa - dòng chày phục vụ dự báo lũ
sônạ Trà Khúc - trạm Sơn Giang 102
4.1.1. D ự báo thử nqhìệm mưa 111 lại Ill’ll vực SÕIHỊ Trù Khúc - Sơn G iang

/04
4.1.2. Dư báo lũ

’


.
106
4.2. Úng dụim mó hình IT1Ô phóng quá trình mưa dòng cháy phục vụ sứ dụng hợp
lý tài nguyên đất trên lưu vực 108
4.2.1. Đánh giá (ình hiũhìg cùa lớp phủ (lất dỏ thị đến sự hình tliànli lũ
109
4.2.2. Đánh ỳ á linh hướnẹ của lớp phù rừng đến sự hìnli thành lũ

I I 3
4.2.3. Kliáo sát tính liiỉàníỊ cùa lớp phủ lĩât dô thị đồng tliời thay đổi thảm phũ
thực VỘI n ên lim vực SÕI1 ạ Tã Trạcli - trạm Thượng N h ậ t

ỉ là
4.2.4 Xáx ilưniỉ bo SIIHỊỈ lio ( hứa trên các lưu vực nghiên cứu. tăng cường Uui
năn li CỜI lù lùm ịỊÌảm mực nước hạ thi
//7
4.3. kẽt qua và iháo luận 120
4.3.1. \ ’ế việc phục vụ .sừdụnỉỉ hợp lý tủi nguyên Iiư ớc

120
3
4 J .2- \ ê việc phục
VII
sứ (lụiiỊỉ hợp lý lài Iiguyèn ilãt 121
DANH MỤC CÁC CÒNG B ổ LIEN QUAN ĐEN KẸT QUẢ ĐỂ T À I 123
CÁC BÀI BÁO THỤC HIỆN TRONG KHUÔN KHO CỦA ĐỂ T À I

124
KẾT ỌUẢ ĐÀO TẠO CỦA ĐH TÀI
124
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 125
TÀI LIỆU THAM K H Ả O 127
PHU LỰC

145
4
(ỈIÁI THÍCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ACM ỉ. II. Ill
Điếu kiện am khô. trung bình và tnVt cùa đál
ANN
Mò hình mạng thán kinh nhân tạo (Artificial Neural Network)
ETA
Mõ hình khí lượng bát iliuý tĩnh châu Âu (ETA model)
FLOAT
Mõ hình lan truyền chát ò nhiềm
GDP Tổng giá trị sản phẩm trong nước
GIBS1 Bộ mõ hình tổng hợp cùa Canada (Oiestion Intégróc des Bassins versants à
I'aide d'un Système Inỉormatisé)

CIS
Hệ Ihống Ihông tin địa lý (Geographic Information System)
HMC Trung lâm Ihuv vàn Xô viết (Hydro-Metorology Centre)
HRM
Mỏ hình khí tượng khu vực phân giải cao (High Resolution Regional Model)
HYDROGIS
Mỏ hình thuỷ vãn thuý lực cúa Nguyền Hữu Nhân
IQQM
Mô hình mỏ phóng nguồn nước (Integrated Quality and Quantity Model)
ISIS
Mỏ hình thuỷ động lực học (Interactive Spectral Interpretation System)
KOD
Mó hình Ihuý lực không ổn định ciia Nguyền Ân Niên
KW-ID Mó hình sóng động học một chiều
MIKE
Bộ mò hình thuý lực VÌ1 thuỷ văn lưu vực cùa Viện Thuý lực Đan Mạch
MM5
Mỏ hình khí tượng quy mỏ vừa ( The NCAR/PSU 5lh Generation Mesoscale
Model)
NAM
Mỏ hình dòng cháy cùa Đan Mạch (Neđbứr-Aừstrứmnings-Model)
ODE
Phương trình vi phàn thường
QUAL2C Mỏ hình chất lượng nước (Water Quality version 2E)
RAMS
Mỏ hình khí lượng khu vực cùa Mỹ (Regional Atmospheric Modeling System)
scs
Cục háo vệ đất (Soil Conservation Service)
SDV
Phân rã đơn trị

SSARR
Mỏ hình hệ thống diẻn toán dòng chày của Mỹ (Streamflow Synthesis and
Reservoir Regulation)
SWAT
Mò hình mô phỏng dòng chày mặt qua độ ám đất (Soil and Water Assessment
Tool)
SWMM
Mõ hình iliẻn toán thuý lực (Storm Water Management Model)
TANK
Mõ hình be chứa cùa Nhậl Bàn
USDAL
Mõ hình dòng cháy phân bỏ Bộ Nóng nghiệp Hoa Kỳ
WMO
Tổ chức khí tượng thè giới (World Meteorological Organization)
X > PUT.
x< PET
Mưa vượt thấm và không vượt thấm
DANH SÁCH n h í m ; ngư ờ i t h a m (ỉia t h ụ c h iện d ề tà i
1. TS. Nguyền Thanh Sơn, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên. Đụi học Quốc gia
Hà Nội. Chú trì dề tài
2. CN Ngỏ Chí Tuân. I lọc viên cao học, Trường ĐI I Khoa học Tự nhiên. ĐHQGHN
3. CN Còns Thanh. Học viên cao học. Trườn" ĐH Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN
4. ThS. Hoàng Thanh Vân. NCS. Trường ĐH Khoa học Tự nhiên. ĐHQGHN
5. CN Đoàn Mạnh Hùng. Viện Khoa học Khí tượng Thủy vãn và Môi trường
6. CN Phạm Còng Minh. HVCH. Trường Đi I Khoa học Tự nhiên. ĐHQGHN
6
DANH M ỤC CÁC BẢNC. s ỏ LIỆLI
iíinỉi I I Đạc điếm cùa các thõng số trong mó hình thuv van lất định

21

3únịỉ 1.2. Mục đích và đòi lượn Si ứng dụng các mó hình thuý vãn tất định

22
'ianx 2.1 Hiện trạng rừng nám 2000 lưu vực sõng Ta Trạch 1141

54
'iáiiỉi 2.2. Hiện trạng l ừng nũm 2000 lưu vực sòng Thu Bón 114]

55
3ánỉỉ 2.3. Hiện trạng rừng nam 2000 lưu vực .sông Trà Khúc 114]

55
3ÚH}’ 2.4. Lớp phú thực vật liru vực sóng Vệ theo mức độ che phú Ị14]

57
3ÚI11Ỉ 3.1. Sỏ trận lũ trôn sông Vệ - An Chi qua các năm dùng đê mô phỏng lũ

83
Bàn ị’ 3. 2. Kết quà đánh giá mỏ phỏng lũ theo mỏ hình sóng động học một chiều .84
jhirơng pháp phần tử hữu hạn và phương pháp s c s sông Vệ - An Chí ( Ạ, = 0. 2S).84
BàiiỊỉ 3.3. Kết quá đánh giá mỏ phỏng lũ theo mô hình sóng động học một chiều 85
phương pháp phán tử hữu hạn và phương pháp scs với la = 0 .13S 85
Búng 3.4. Các đặc trưng hình thái lưu vực sóng lựa chọn ờ Miền Trung

87
Bá na 3.5. Sô liệu khí tượng Ihuý vãn để mô phỏng lũ trên các lưu vực nghiên cứu .88
lỉàiiỊi 3.6. Phân tích các lưu vực ra đoạn sông, dải và các phán tứ

89
Bàng 3.7. Đánh giá kết quà mô phỏng lũ trên các lưu vực sông nghiên cứu

99
Bàng 4.1 Kết quá đánh giá sai sỏ dự báo lũ với sô liệu mưa từ mỏ hình RAMS 108
Bán 1» 4.2. Ảnh hướng cùa lớp phu đất đô thị đến dòng cháy qua 9 trận lũ trên sóng
Tá Trạch
.


.


110
BàniỊ 4.3. Anh hưởng cua lớp phú đất đỏ thị đốn dòng cháy qua 9 trận lũ trên sòng
Thu Bổn

.


.7.

.

!

110
liáiiỊi 4.4. Ảnh hướng cùa lớp phũ đất đô thị đến dòng chảy qua 3 trận lũ trên sông
Trà K h úc

.

.

.




.

111
Bân 1» 4.5 Anh hường của lớp phú đất đò thị đến dòng cháy qua 2 trận lũ trên sóng
Vệ
.

.

.

.



.

.7.

.
111
Bá Ilf’ 4.6. Kết quà kháo sát đánh giá ảnh hường của rừng đến dòng chày lũ trẽn các
lưu vực sóng nghiên cứu 115

Báng 4.7 Anh hướng á m lớp phu đấl đô thị đến dòng cháy khi tăng diện lích rừng
qua 9 trận lũ trên lưu vực sông Tá Trạch - trạm Thượng Nhậl 116
Búng 4.8. Mực nước lũ 5% trẽn sõng Hương khi có hổ Dương Hoà (Tá Trạch) 117
Bảng 4.9. Các hổ chứa tham gia cắt lữ trên dòng chính sông Vu Gia - Thu Bổn 119
Báiix 4.10. Giám mực nước lũ trên sông Trà Khúc khi có các hổ chứa cắt lũ

119
7
DANH MỤC CÁC HÌNH
'ỉình 1.1. Phân loại các mõ hình ihuý ván tất định
21
'Hull 1.2. Lưu vực và lưới phán tử hữu hạn tương ứng 32
Hình / J . Các biên số có tổn ihấi dòng chay trong phương pháp s c s
40
Hình 2.1. Vị trí các lưu vực sons nghiên cứu 11551
46
Hình 2.2. Địa hình lưu vực sông Trà K húc 48
Hình 2.3. Độ dốc lưu vực sõng Trà Khúc 49
Hìnli 2.4. Sir dụng đát lưu vực sóng Trà Khúc 53
llìnli 2.5. Rừng lưu vực sông Trà Khúc 56
Hình 2.6. Mạng lưới sõng lưu vực sông Trà Khúc - trạm Sơn Giang

60
lỉìnli 3.1. Kết quá mô phòng ( a) V à đánh giá sai số (b) trận lũ từ ngày 25/11/1998
đến ngày 27/11/1998

.

.

7
.
85
Hình 3.2 So sánh hai phương án (a) hiệu chinh s c s và (b) không hiệu chinh từ ngày
19/10/2001 đến ngày 20/10/2001

.

.
I !

.

.7.86
Hìnli 3 J . Lưới phần tử trên lưu vực sông Tá Trạch - trạm Thượng Nhặt

90
Hình 3.4. Lưới phán tử trên lưu vực sông Thu Bổn - trạm Nông Sơn

91
Hình 3.5. Lưới phán tử trẽn lưu vực sóng Trà Khúc - trạm Sơn G iang

92
Hình 3.6 Lưới phán lử trên lưu vực sông Vệ - trạm An Chí 93
Hình 3.7. Sơ đổ khói cùa chương trình tinh theo mò hình K W -1D

94
Hình 3.8. Mõ phỏng trận lũ lừ lh/18/-l3h/23/XI/2002 s. Tá Trạch - Thượng Nhặt 95
Hình 3.9 Kết quá mỏ phỏng lũ từ 6h/20/X - 6h/24/X/2001 s. Tá Trạch - Thượng
N hật

.
7
.


.
96
Hình 3.10. Mỏ phỏng trận iĩi từ 7h/28/X 19h/30/X/2000 Thu Bồn - Nông Sơn 96
Hình 3.11. Mõ phỏng trận lù tìr 7h/2()/X 19H/23/X/2001 Thu Bổn - Nông Sơn 97
Hình 3.12. Mô phỏng irận lũ từ 13H/20/ - 13h/24/X11/2000 Trà Khúc - Sơn Giang 97
Hình 3.13. M ô phỏng lũ từ lh/ 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 Chi 98
Hình 4.1. Lượng mưa tích luỹ 72 giờ dự báo được háng RAMS từ 16 đến
19/XI/2005 trên 9 tiếu lưu vực thuộc sòng Trà Khúc - trạm Sơn Giang

106
Hìnli 4.2. Kết quà dự háo lũ từ 7 giờ ngày 10/X đến 7h ngày 13/X năm 2005 sông
Trà Khúc - Sơn Giang 107
lỉìnli 4.3. Kết quá dự háo lũ từ 7 giờ ngày 16/XI đến 7h ngày 19/XI năm 2005 sông
Trà Khúc - Sưn G iang 107
Hình 4.4. Anh hướng cua lớp phú đất đỏ thị đến dòng cháy lũ trên sòng Tá Trạch
trận lũ từ 16h/2l đến 7H/23/X/2001

r.

.

.
110
Hình 4.5. Anh hướng cùa lớp phú đất đô thị đến dòng chày lù trẽn sông Thu Bổn,
trận lũ từ 19h/2 - 13h/8/X/2003
.


.7.

.


111
lỉìnli 4. 6 Ảnh hướng của lớp phú đất đỏ thị đến quá trình dòng cháy trên sóng Trà
Khúc, trận lũ ngày 25 đen 30/XI năm 1998 112
lỉìnli 4.7: Anh hưởng cua lớp phú đất đò thị đến quá trình dòng chay lũ trên sông
Vệ, trận lũ ngàv 21 lien 24/XI nãni ll)98 112
8
/lull 4. S. Anh hướng cua rừng liên (lòng cháy tròn sóng Tú Trạch - Thượng Nhật
rận lũ từ 16h/21 đến 4h/23/X/2í)00

.

.

*

113
'linh 4.9. Ảnh hướng cua lớp phu đái đõ thị khi tăng diện tích rừng đến dòng chảy lũ
rên lưu vực sõng Tá Trạch - trạm Thượni’ Nhật, trận lũ 23h/4- 10h/6/XII/1999 116

Hìnli 4.10. Vị trí ho chứa cắt lù (dự kiến) trên các lưu vực sông nghiên cứu

118
9
\1() ĐẨl
Miền Trung là nưi hứng chịu nhiều thiên tai lũ lụt vào loại bậc nhất ở nước
a. Đã có nhiều cõng trình nghiên cứu giái quyết ván đề này nhằm góp phần giám
ìhẹ những hậu quá do thiên tai lũ lụt gây ra. Hướng tích cực nhất là nâng cao hiệu
|uá của công lác cánh báo và dự háo lũ. lừ đó đề ra những biện pháp thích hợp đế
ìhòng. tránh, trong dó dồ cao vai trò cua công tác quv hoạch sừ dụng đất. Các
ỉhirơng pháp dự háo truvén thốnc tnrớc đày như phương pháp lưu lượng mực nước
ương ứng hay sử dụng các mỏ hình tương quan và mô hình thòng số tập trung đã
nang lại những hiệu quá tích cực. Việc diễn toán dòng cháy từ trạm thuV vãn đầu
Iguón về hạ lưu ở Trung tâm Dự báo Khí tượng Thuỷ văn Trung ương khá chính
<ác. đạt độ đảm háo tương đối tốt. Tuy nhiên, thực tẽ thường gặp phải hai vấn để lớn
ùm cho công tác dự báo lũ vẫn chưa đáp ứng được bài toán thực tiền. Đó là: (1) do
.'ác sõng ở khu vực này thường ngán và dốc. thời gian tập trung nước nhanh nên việc
phát các hán tin dự háo dựa trên sò liệu quan trắc mưa và liru lượng tuyến trẽn
hường có thời gian dự kiến ngắn, không đú dê triển khui các biện pháp phòng
-hống thích hợp và (2) do chưa SƯ dụng các mỏ hình thông số dái, có khá năng diễn
oán dòng cháy lot hơn. Nhàm góp phẩn khấc phục các vấn đề nêu trẽn, tác giả thực
hiện "Nghiên cứu mô phòng quá trinh mưa - (ỉònỊị cháy trên một sỏ’ lưu vực sông
ngòi M iền Trung phục VII sử dụng hợp lý lủi ngu vén nước và (lất" nhằm góp phần
nâng cao chất lượng cõng tác cánh háo, dự báo dòng chảv lũ từ mưa. đổng thời phục
vụ quán lv tài nguyên nước và đất theo hướng điều tiết dòng chảy lưu vực. Mô hình
sóng dộng học một chiều phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp s c s - là
một mỏ hình thòng sô dái. sứ dụnii đầu vào là mưa dự báo từ các mô hình khí tượng
được sứ dụng đê mó phóng dòng cháy lũ nhám tãng độ chinh xác và thời gian dự
kiến của các dự háo lũ lại các trạm thuV văn đầu nguồn, làm cơ sở cho việc nâng cao
tính hiệu qua của côn'2 tác dự háo lũ trên toàn lưu vực.

M ục liê u ( lia dí'
tài là xác lập cư sở khoa học đế xây dựng mò hình toán mỏ
13
phóng quá trình mưa (lóng cháy, có khá nãnjỊ dự báo lũ và phục vụ sử dụng hợp lý
tài nguyên nước và đát tròn các lưu vực sóna neòi Miền Trung.
Phạm vi klwa học cùa đề tài là nghiên cứu các mỏ hình toán mưa - dòng
cháy nhảm lựa chọn và xây dựng được một mỏ hình thích hợp đê’ diễn toán quá trình
lũ từ mưa trong các cticu kiện địa lý tự nhiên ớ Miền Trung. Phạm vi lãnh th ổ ỉh một
sò lưu vực sông thượng nguồn: Tá Trạch đến Thương Nhật (đại diện cho các lưu vực
phía Bắc Trung Bộ). Thu Bổn đến Nông Sơn, Trà Khúc đến Sơn Giang và Vệ đến An
Chi (đại diện cho các lưu vực Nam Trung Bộ) díi điều kiện áp dụng mô hình toán
thúy vãn đã lựa chọn và cũng là các sông diễn ra lũ ác liệt trong những năm gần đây.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài là: 1) Hoàn thiện một phương pháp
mõ phóng quá trình mưa - dòng cháy trên các lưu vực sông miền núi.; 2) Kết quả
cùa đè tài có the sử dụng làm công cụ giúi quvết các vấn đé thực tiền vé sử dụng hợp
lv tài nguyên nước và đât trên lưu vực sông theo hướng phát triển bền vững
Các phương pháp nghiên cứu chính đã sử dụng là: 1) Phương pháp phần tứ
hữu hạn; 2) Phương pháp SC’S; 3) Phương pháp mò hình toán thuỷ vãn và 4) Phương
pháp hệ thống thòng tin địa lý (CỈIS).
Đề tài được trình hàv trong 4 chương cùng với mớ đáu, kết luận, tài liệu tham
kháo, phụ lục
Đề tài được hoàn thành tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên. Đại học Quóc
gia Hù Nội, tác giã xin chân ihành cám ơn Phòng Khoa học Công nghệ trường Đụi
học Khoa học Tự nhiên. Ran Khoa học Cóng nghệ Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo
điều kiện vé thời gian, kinh phi hỏ trợ .
14
Chương 1
TỐNG QllAN CÁC NCỈHIÈN cứl) VỂ MƯA LŨ ỏ MIỂN TRUNG. LÝ
THUYẾT MÔ HÌNH MƯA - DÒNÍÌ CHẢY VÀ PHƯƠNG PHÁP scs
I I. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN cú u VÀ MÔ HÌNH TOÁN PHỤC v ụ s ử

DỤNG HỢP LÝ TÀI NGUYÊN ĐẤT v à NUỚC LUU v ụ c s ô n g
1.1.1. Nghiên cứu, áp dụng mõ hình toán đế tính toán và dự báo mưa lũ trén
the giới và ờ nước ta
Ngày nay. trong tinh toán và dự háo lũ. đánh giá ánh hướng cua việc sử dụng,
khai thác bé mặt lưu vực. việc áp dụng mò hình toán thuý vãn để khôi phục và xứ lý
số liệu ngày càng rộng rãi. Đặc hiệt, đối với những vùng ít được nghiên cứu thì sứ
dụng mỏ hình toán còn được coi là công cụ duy nhấi. Cùng với việc phát triển kỳ
thuật tính toán kèl hợp áp dụng cõng nghệ thõng tin, the mạnh giái quyết hằng các
hài toán số trị và ứng dụng trong hoạt động tác nghiệp càng có vị thế nổi bật.
Trong lĩnli vưc (lự báo. ngoài các phương pháp tru vồn ihống trước đâv như
phưưng pháp Kalinhin - Miuliacỏp [31] phương pháp lính dòng cháy đoạn sông có
gia nhập khu giữa [32. 48, 53], mỏ hình HMC ị2, 21 ]. phương pháp đường đơn vị.
đường đắng thời [31. 58] cùng với việc sứ dụng các mô hình toán SSARR. TANK
[94], NAM [49, 93], ANN [30] được triển khai nghiên cứu và có những kết quá tót,
đạt độ chinh xác đáp ứng cho các yêu cầu quy hoạch, thiết kè.
Mõ hình toán SSARR của Cục Công binh Mỹ được khai thác sử dụng sớm
nhất ở nước ta. từ năm 1980. đầu liên trong lĩnh vực thuý vãn công trình và sau đó là
trong việc cánh báo, dự háo lũ ở đổng hãng châu thổ sông Cứu Long [8()|. Mỏ hình
SSARR cũng được Irion khai áp dụnti đế dự háo lũ cho hệ thốna sông Hổng và Thái
Bình ở đổng bằng Bác Bộ cho kết quá khá quan 126. 28, 351-
15
Mõ hình TANK có xuãl xứ lừ Nhật Bán. dược sứ dụng vào những nãm cuối
của ihập ký 80 the ky XX ớ Viẹi Nam. Sử đụng mó hình TANK khá đa dạng, nhưng
thành tựu cơ han nhất đạt đưực trong lình vực khôi phục và hổ sung số liệu, là tình
trạng hạn chê phổ hiến nhất khi nghiên cứu thuý vãn ờ nước ta. Mỏ hình đơn giàn,
có ý nghía vật lý trực quan, thích hợp vứi các sổng suối vừa và nhỏ [2. 93]. Gán đây
mõ hình còn được SƯ dụng hiệu quá khi liến hành dự háo hạn vừa các sòng chính ở
Băc Bõ [12. 13. 36. 72ị.
Mó hình MIKE 1 1 ra đời cách đày 20 nám ư Đan Mạch là một mỏ hình tổng
hợp ihông dụng nhấi trẽn ihẽ giới (có hơn 100 nước sử dụng) với các mó dun vé

thúy lực. phàn tán chất lượng nước, chuyến tái hùn cát. mô phỏng mưa dòng chảy
(mỏ hình NAM), mò hình sinh thái, dự báo lũ. vỡ đập đã bất đầu được nghiên
cứu và triển khai áp dụng. Các mỏ hình phát triển ở mức độ cao hơn như MIKE 21,
MIKE FLOOD dê mô phone dòng cháy 2 chiều cũng được nghiên cứu. vận dụng.
Các mô hình toán có xuất xứ trong nước hiện nay rất ít. có thê kế ra một vài
mò hình tiêu biếu như HYDROGIS của Nguyễn Hĩai Nhân [43], KOD của Nguyễn
Ân Niên [46, 471 và VRSAPciia Nguyền Như Khuê.
Ngày nay, khi thè’giới đang đứng irước sự khủng hoàng về nước (cả lượng và
chất) trước sức ép vé gia tàng dãn số và các hoại động kinh tế, hài toán quy hoạch tài
nguyên nước ngàv càng dược đề cao. Các m ô liinli toán trong lĩnh vực quàn lý lải
nguyên và mỏi trường nước, vì thế, cũng dược phát triến. Có thê điếm qua một số mô
hình đang được sir 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 chát đê kiếm tra hoạt động dùng nước trong các lĩnh vực kinh tê như nông
nghiệp, công nghiệp. Hệ thốna này đang được sứ dụng rộng rãi ở Canada gồm các
mô đun vé thúy văn. vé lích hợp (lữ liệu viễn thám và GIS, về lan truyền chất hóa
học, về xói mòn đất và vận chuyên phù sa và chát lượng nước.
Bộ mõ hình thuộc Chương trình sử dụna nước cua úy hội sông Mẽ Công hổ
trợ ra quyòi định phân bổ nauốn nước iheo các kịch hán sư dụng tài nguyên mỏi
trường gồm 3 mỏ đun chính < 11 mỏ hình SWAT để diễn toán quá trình mưa - dòng
16
cháy: (2) mó hình IỌQM đùn ạ đè mỏ phòng nguổn nước và quán lý các công trình
sir tiling nước (thúy diện, thúy lợi) và (3) mò hình ISIS mỏ phỏng các quá trình
thúy động lực học cúa Biên Hồ và các vùng hạ lưu.
Bộ mô hình đánh giá tổng hợp các nguổn thái tập trung và không tập trung
BASINS cùa Vãn phòng háo vệ môi trường Hoa Kỳ phục vụ cõng tác quản lý và
clánh giá chất lượng nước trẽn lưu vực. Mô hình dang được ứng dụng rộng rãi ở Mỹ,
thuận tiện rong việc lưu trữ và phân tích các thõng tin mói trường và có thể sử dụng
như là một cóng cụ hỗ trự ra quyết định trong còng tác quy hoạch và quản lý lưu
vực. Bộ mô hình này hao gổm (1) mô hình trong sông QUAL2E về chất lượng nước;

(2) SWAT dùng dự đoán ánh hướng cúa sir đụng đất đên dòng cháy và (3) PLOAT -
vé lan truyền chất ô nhiễm
Mô hình MIKEBASIN và MIKESHE [951 của Viện Thủy lực Đan Mạch là
một mô hình mổ phỏng nguổn nước lưu vực sông. Mô hình thuộc loại thông sỏ dải
và được phát triển từ các phương trình đạo hàm riêng mô tá các quá Irình vật lý diễn
ra trên lưu vực: tích nước, bốc thoát hơi nước, dòng cháy Iràn trên sườn dốc, trong
lòng dẫn. chuyên động của nước trong các tầng đất bão hoà và không bão hoà, tuyết
tan [ 105. 118. 139. 144. 116], Mô hình này có khá nàng đánh giá tác động của môi
trường đến dòng cháy, song do mức độ phức tạp của nó nên ứng dụng chưa được
rộng rãi. Trong khu vực châu Á hước đầu đã được sứ dụng ứ Thái Lan và Inđonexia.
Cùng với sự phát triên cua hệ thông tin địa lý. cõng nghệ GIS đang (fan chiếm
lình các ứng dụng irong việc nhận các thông tin từ bề mặt lưu vực (1. 33. 34. 87, 88]
góp phan thúc đẩy các cỏns trình nghiên cứu khai thác các lớp mỏ hình thuý động
lực 14, 24, 27. 44. 47, 57. 62. 65. 70]. Trong ứng dụng thực tiễn ở Việt Nam, nhiéu
mõ hình như SMART. USDAHL, HEC - RAS, SWMM. TOPMODEL, s c s (86,
88], đã được nghiên cứu. khai thác, vận dụng linh hoạt phù hợp với các điều kiện vé
số liệu. Việc liên kết. tổ hợp các phương pháp tính Ị6| có khá năng đem lại hiệu quả
cao trên cơ sớ lận dung đươc nhiéu ngu ổ II thõng tin mà khò nu một mô hình đơn lé
nào có thê khái quát được.
Các còng hố gán đày của các tác giá thuộc Viện Khoa học Khí tượng Thuý
17
ĐAI HỌC Q ló c GIA HA NỘI
ĨRUNG IA M IHONG ỈIN ỈHƯ viện
I CCCcCCCCC ụ
van và Mõi trường [1,3. II. 16. 18. 23. 68-73. w . 93. 94, 129 - 130], Trung tâm Dự
háo Khí tượng Thuý vãn 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 Thuý lợi (41,
50, 53. 50-65. 1541 về việc khai thác, ứng dụng các mõ hình thúy vãn tổng hợp ngày
càng chứng tỏ sự quan tâm cùa các nhà nghiên cứu và các dự báo viên trong việc áp
dụng và khai thác hữu hiệu các mõ hình toán vào còng nghệ lính toán và dự báo lũ

cũng nhơ phục vụ sử dụng họp lý tài nguyên đất và nước trên các lưu vực sông.
1.1.2. Nghiên cứu mưa lũ và tài nguyên nước trẽn địa bàn nghiên cứu
Miền Trung là vùng có chế độ khí hậu khắc nghiệt, là vùng chuyến tiếp giữa
hai miền khí hậu Bác - Nam [42. 79], là nơi hứng chịu nhiéti 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 ánh hưởng tổ hợp cùa các yếu tố nội ngoại sinh cùng với các hoạt động
kinh tê xã hội cua con người trẽn bé mặt lưu vực gâv thiệt hại nghiêm trọng về người
và cùa 115]. Chính vì vậy mà Miền Trung là địa hàn được đỏng đáo giới nghiên cứu
khoa học đặc biệt quan tâm.
Vấn đề nghiên cứu chè độ mưa lũ Miền Trung, tìm kiêm giải pháp cành báo
dự háo lũ luôn là vấn đề thời sự. nhầm góp phán hạn chế những mất mát to lứn do
thiên tai lũ lụi gây nên. Xuất phát từ những nhiệm vụ cụ thè mà các hướng nghiên
cứu trèn địa hàn rất đu dạng và phong phú.
Đào Đình Bắc, Vũ Vãn Phái. Đặng Vãn Bào. Nguyễn Hiệu |7. 8. 9. 25) qua
nghiên cứu địa mạo đã tìm kiêm các giái pháp phục vụ việc cành báo lũ lụt và giám
thiêu thiên tai Irẽn lưu vực sông Thu Bổn. Nguyễn Thanh Sơn, Trần Ngọc Anh [51,
54, 135] đã nghiên cứu các diễn hiến bổi xói trẽn đoạn sóng Hương chảy qua thành
phò Huê. Nguyễn Vãn Cư ị ] 4 1 dã đánh giá hiện trạng và bước dầu tìm kiếm các
nguyên nhân lũ lụi vùng Nam Trung Bộ. Cao Đãng Dư đã đé xuất các hiện pháp
lãng thời gian dự kiến dự háo lù trên các sông Miền Trung 116] và đưa các phương
án dự báo, cánh báo lũ trẽn các sông Trà Khúc và sông Vệ [18, 19]. Đặng Ngọc
Tĩnh [781 đã tie nghị áp dụng tin học tronu dự báo. cánh háo lũ Miền Trung.
Đặc biộl vào nàm ll)99. khi trẽn toàn hộ Miền Trung xáy ra trận lũ lịch sứ
IS
lớn nhái nr trước đôn nay. nhicu nhà nghiên cứu đã tổng kết và dưa ra nhận định vé
các nguyên nhãn gây lũ như Bùi Đức Long và Đặng Thanh Mai [37]. Nguyền Vãn
Cư 115]. Nguyền Viết Thi Ị67j đã liến hành nghiên cứu và tống kết các hình the thời
tiẽl chính gây mưa lũ lớn trên các sòng suối Miền Trung.
Việc áp ílniiỊi các mô liình toán trên địa hàn nghiên cứu. các còng trình của
Lẽ Xuân Cầu. Nguyền Vàn Chương 11 11. Nguyền Hữu Khái [30]. Trán Thục, Lê

Đình Thành. Đặng Thu Hiền [68] đã ứng dụntỉ mó hình mạng thần kinh nhàn tạo
(ANN) để tinh toán dự báo lũ cho các sòng Tà Trạch, Trà Khúc.Vệ và lũ quét trên
sõng Dinh. Trán Thanh Xuân. Hoàng Minh Tuyên [94 j đã sử dụng mỏ hình TANK
để tính toán lũ Iron sóng Tá Trạch. Bùi Đức Long áp dụng mô hình SSARR dé dự
háo lũ trên sông Trà Khúc [38ị và sông Cả [391- Nguyễn Vàn Lý [40] ứng dụng hàm
hồi quy nhiều biến dự háo đinh lù các sông lưu vực Nam Trung Bộ. Nguyễn Thanh
Sơn tiên hành nghiên cứu đặc điểm lũ tiêu mãn sông ngòi Bắc Trung Bộ [50] và mô
hình hoá lũ tiếu mãn sông ngòi Nam Trung Bộ [53]. Trấn Thục |69. 73]. Phạm Việt
Tiến [761 tiến hành dự báo và tính toán ngập lụt hệ thống sòng Thu Bổn - Vu Gia và
hạ du sòng Hương.
Một nhóm các lác giá tiên hành l ác nghiên cứu vé (lánh Ịịiá lùi nguyên nước
và (lất \'à cản hủni> Iiước lưu vực, từ đó đề xuất các giải pháp khai thác, sử dụng một
cách có hiệu quá nhất các nguồn tài nguyên này. Tiêu hiểu lũ các công trình của
Ngô Đình Tuân [83 - 85]. đã đánh giá tài nguyên nước, nhu cầu tưới và cân hằng
nước hệ thong các lưu vực ven biển Miền Trung. Trần Thanh Xuân và cộng sự đã
liến hành tính toán càn hằng nước cho tinh Quáng Nam. Nguyen Thanh Sơn đã đề
xuáì các giái pháp định hướng sir dụng nước lưu vực đám Trà () (Bình Định) [52] và
quy hoạch tổng thê tài nguvên nước tinh Quáng Trị đèn năm 2010 [63 -64ị. Trần
Thục. Huỳnh Thị Lan Hương đã tiên hành các tính toán đánh giá ánh hưởng của sự
thay đổi sứ dụng đất đến chế độ dòng cháy lưu vực Trà Khúc 17 1 ]. Đê bổ khuyết số
liệu còn thiếu vã thưa trôn khu vực nghiên cứu đã sứ dụng mõ hình NLRRM đế kéo
dài chuỗi dòng cháy từ tài liệu mưa 112^1: Nguyền Thị Nga. Nguyền Thanh Sơn [41]
áp dụng đẽ hổ khuyết số liệu dòng cháy cho các lưu vực sông tinh Quãng Trị, Lương
19
Tuan Anh. Evelina Harlsson, Karolina IVrsson 11301 dùng mô hình này đê phân tích
quan hệ mưa - dòng chảy Irên liru vực sõng Túy Loan.
Tuy dã có khá nhicu còng trình nghiên cứu trên địa bàn Mien Trung, nhưng
có thê nhộn thấy rãng phấn lớn các mõ hình dự háo đang được sử liụniỉ là các mô
hình có (hông số tập trung, thường chi diễn toán tốt từ trạm 1 hương nguổn về hạ lưu.
không xét đến sự hiên động theo không gian ciia các yếu tỏ mặt đệm và phụ thuộc

vào diều kiện sô liệu quan trắc khí tượng thuý vãn nên có thời gian dự kiến ngắn làm
hạn chẽ cóng 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 nõn rất khó cập nhật các
điều kiện Việt Nam khi quá trình khai thác mật đệm dang diễn ra hết sức phức tạp
theo thời gian và không gian. Vì lẽ đó. tác giá luận án này mạnh dạn xây dựng một
mô hình toán thông sổ dải, eóp phẩn khắc phục những hạn chế nêu trên trong công
tác dự báo lũ cũng như trong việc khai thác sử dụng nước và đất trẽn các lưu vực
sổng thượng nguồn ở Miền Trung.
1.2. C ơ SỚ LÝ THUYẾT LỚP MÔ HÌNH TOÁN MUA - DÒNG CHÁY
Việc ứng dụng các công cụ toán học và logic học đẽ xác định các mói liên hệ
định lượng giữa các đặc trưng dòng chày và các yếu tó hình thành nó là quá tành
mỏ hình hóa các hệ thòng thúy vãn. Các mỏ hình toán trong hệ thống thúy vãn, sử
dụng đầu vào là mưa. đầu ra là các đặc trưng của dòng chay déu thuộc lứp mò hình
toán mưa - dòng cháy. Xét tròn quan điếm hộ thống, các mò hình thuý vãn thường
có các thành phẩn chính theo sơ đồ sau: (1) Đầu vào cùa hệ thống: (2) Hệ thống và
(3) Đáu ra cùa hệ thống [21,31, 168].
Đáu vào (ỉ)
—
Hệ thông (S) — ► Đầu ra (O)
Như vậy. mô hình có the là ngẫu nhiên, dưới ilạns đơn gián có thể biêu diễn
bằng các quan hệ thực nghiệm, các kỹ thuật hộp đen, không chú trọng đến cấu trúc
bên trong mà chi liên kết đầu vào (mưa) và dâu ra (dòng cháy) của hệ thống. Mặt
khác mô hình có thè là tất định, mô tá các quá trình thủy văn dựa trên các phương
trình vặt lý toán và các quan niệm logic vé sự hình thành dòng chây từ mưa.
20
Dựa trẽn càu trúc vật lý, các mò hình tất định mò phỏng quá trình mưa - dòng
ch;v dược phân loại thành các mõ hình thuý động lực học. mô hình nhận thức và mô
hìrii hộp đen (Hình 1.1). Phụ thuộc vào sự xấp xi không gian, các mô hình ihuv vãn
tất định được chia thành các mò hình thóna sô phàn phoi dái và cúc mỏ hình thông
số ập trung. Theo Lương Tuấn Anh |2j, khi kháo sát các mô hình thuỷ vãn tất định,

mc hình thuý động lực học có cơ sớ lý thuyết chặt chẽ nhất và có khá năng đánh giá
tác động cùa lưu vực quy mò nhó đến dòng chày. Tuy nhiên, việc chia lưu vực thành
các lưới nhỏ hơn hoặc hung 1 k n r đã tạo ra cho mó hình rất nhiéu thông số (Bảng
1.1) và số liệu đầu vào chi tiết, rất khó đáp ứng kể cả với các lưu vực thực nghiệm.
Bàng 1.1. Đặc diem cùa các thong số trong mò hình thuv vãn lát định
Loại mò hình
Số liệu, kết quá linh và
các biến trung gian
Đặc diêm cùa các thòng
số của mô hình
1 Mò hình phàn phối dải theo
CÌC đ ơ n v ị d iệ n t íc h n h ỏ
U(x, y. I, 0 K(x, y,z)
2 Mò hình phân phối dải theo
tiỉU v ù n g th u ý v ă n
Ư„(t)
K.I
3 Mỏ hình thõng số lập trung
Ư,(t)
K,
i: Ký hiệu tiểu vùng thúy văn
j: Ký hiệu các tầng (tang mặt. láng Iigẩm )
Nguồn: Lương Tuấn Anh /2/
H ình ỉ.ỉ . Phàn loại các mô hình tliu.v vãn tát dinh
21
Việc ứng dụng các mõ hình nhận thức thõng sò dái theo lie’ll vùng thuý vãn
sẽ giám dược nhiéu thõng sổ và có khá náng đánh giá được tác dộng của lưu vực quy
mó trung hình đen dõng cháy. Tuy nhiên, các mõ hình loại này còn ít được phổ hiến
rộng rãi và việc ứng dụng chúng đòi hói sự kết hợp với các phương tiện kỹ thuật vù
cóng nghệ tiên liến có các chức nãng xử lý bàn đồ vù các thòng tin viễn thám [45.

108, 136. 151], như hệ thống thòng tin địa lý (G1S). Trong các mỏ hình tất định, các
mó hình thông sổ tập irung có ít thông số. dề sứ dụng và được ứng dụng rộng rãi.
Các mò hình đơn gián như các quan hệ thực nghiệm, mô hình đường đơn vị đã và
sẽ còn chứng tỏ được tính hiệu quá trong tính toán, dự báo dòng chảy và có khá
nhiều mỏ hình thuý vãn để lựa chọn và áp dụng trong thực tế. Tuy nhiên, theo A.
Becker Ị 103], việc lựa chọn từng mỏ hình phụ thuộc vào mục đích, đối tượng, tinh
hình sỏ liệu và các điều kiện lự nhiên cùa lãnh thổ nghiên cứu (Bảng 1.2)
Bàng 1.2. Mục đích và đui tưựng ứng dụng các mỏ hình Ihuv vãn tắt định
STT
Mục đích đối tượng ứng dụng mỏ
hình (các bài toán thực tiến)
Bước
thời gian
Xấp xi không gian
I Kẽ hoạch hoá vé sứ dụng và quán lý
nguồn nước, hao gồm việc lâp kẽ
hoạch, chiến lược phát triến
1 tháng,
1 mần
Mô hình (hông số tập trung
hoặc mồ hình phân phối Iheo
tie’ll vùng Ihuỷ vãn
1
Đánh giá tác dộng sự biên dổi sứ
dụng dát quy mỏ vừa đến dòng cháy,
tài nguyên nước
! tháng,
1 tuán
Mô hình phân phối theo liều
vùng thuý văn

3 Đánh giá lác động của sự biến đổi
trong sử dụng đát quy mô nhỏ den
dòng chày, 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 tu ấ n
Mô hình Ihỏng số lập trung
hoặc thông sò dái
5
Ngoại suy chuỗi dòng chảy
1 ngày
I luẩn
Mõ hình thông sò tập trung
hoặc thòng sò dài
6 Xây dựng chiến lược phòng lũ. thiết
kế hổ chứa, hộ thống hổ chứíi
1 ngày,
1 -6 giờ
Mô hình thòng số dải theo tiểu
vùng thuý ván
7
Tinh toán dòng cháy lũ thiết kế
1 ngày,
1-6 giờ
Mó hình thông số tập irung

hoặc thòng số dài
8 Phân lích lác nghiệp, dự báo ngan
hạn
ỉ-6 giờ.
1 ngày
Mỏ hình thông số tập Irung
hoặc thông sổ dái
Nguồn (A. Becker
1
103]
->2
v é câu trúc, các mô hình thuý vãn lất định đơn gián hay phức tạp gổm các
bài toán thành phán sau:
- Diên toán (lòng chày thường dựa trẽn cơ sở hệ phương trình bảo toàn và
chuyên động cua chát lỏng [2. 31. 46. 111. 118. 164. 166 -169J.
- Tính lượng mưa sinh dòng cluiy (hay còn ỊỊỌĨ là lưựHỊ’ mưa hiệu quá hoặc
ilòiiỊỊ cháy trùn) có thế được ước tính thôns qua phương trình khuyếch tán ẩm,
phưưng trình Boussinerq [10. 48. 167Ị. phương pháp lý luận - thực nghiệm của
Alechsseep [161], các phương trình thấm của Green-Ampt. Horton. Phillip [1I1|.
phương pháp s c s [111. 107. 138. 141. 149]. phương trình cân hàng nước [81, 82]
hoặc phương pháp hộ sò dòng cháy [20. 58. 165 ị.
- Cấu trúc táiìỊi n ia mò hình (hay là các bể tuyến tính - phản ánh cơ chế hình
thành dòng chày trên lưu vực, dòng cháy mật, dòng chày ngầm ) đã được trình bày
khá đáy đú trong nhiều công trình trong [31] và ngoài nước. f i l l . 163, 169]
- Xúc (lịnh bộ thông sô ctia mỏ liìnli được lựa chọn qua kinh nghiệm thực tiền
từ nguồn số liệu sẵn có hoặc dựa trên cơ sở các phương pháp giải các hài toán
ngược, thứ sai và tói tru hoá [31,118, 152. 171].
Từ nãm 1935. Horton [dẫn trong 111] đã chí ra rằng, trong cơ ché hình thành
dòng chảy, cường độ mưa vượt thấm là điểu kiện cơ hán cùa sự hình thành dòng
chày mặt. Hàm lượng nước trong tầng đất thoáng khí vượt lượng nước đổng ruộng là

điều kiện đế sinh dòng chày ngầm. Lý luận vé sự hình ihành dòng chảy này đã nói
rõ điều kiện hình thành dòng chảy ờ táng đất thoáng khí có cấu tạo đổng nhất nhưng
không giải thích được cơ chè hình thành dòng cháy ờ táng đất thoáng khí khỏng
đồng nhất và tiins mặt có cường độ thiím lớn.
Năm 1949. trong chuyên kháo "(V s à /ý thuyết ilòng chciv mưa rào" A. N.
Bephanhi Ị 163 ị đã đưa ra lý thuyết vé sự hình thành dòng cháy sườn dốc. Trong đó,
dòng cháy sườn dốc được chia ra 4 dạng: dòng vượt thấm, với cường độ mưa lớn hơn
cường độ thâm: dòng cháy bão hoà khi lương mưa rơi vượt quá khá năng chứa thấm;
trong một sò đicu kiện thổ nhưỡng và cấu trúc đất đá nhất định còn hình thành dòng
23
cháy sát m ạt và chày tron Sỉ lãm : clãt chi. (lien ra theo hai c ơ chẽ là dòng chày bão hoà
và dòng chay không bão hoa. Dòng chày bão hoù thường xáy ra ờ vùng đù ấm
(X>PET) xuấl hiện theo táng đát như sau:
- Dòng chay mặt xuất hiện ớ láng mặt cua sườn dỏc.
- Dòng cháy sát mật (xuất hiện sau dòna chày mật và trước dòng chày ngám)
hình thành trong tầng đất từ hề mạt lưu vực đến táng ít thấm tương đối (đất tầng này
chú yếu là đất mùn. tơi xốp), táng đất này còn gọi là táng rẻ cày hoạt động.
- Dòng chày ngầm hình thành từ mặt ít thấm tương đối đèn tầng không thấm.
Dòng cháy vượt thấm (dòng cháy không bão hoà) thường xuất hiện ờ vùng
thiếu ẩm hoặc hụt ấm từng thời kỳ (X<PET). Khi có cường độ mưa lớn, khả năng
thấm kém dòng cháy chí còn hai ihành phần chính là dòng cháy mật và dòng chảy
ngầm. Dòng cháy vượt thấm còn xuất hiện ờ các nơi đù ấm. nhưng có két cấu thố
nhưỡng tầng mật là tầng ít thấm tương đối. Như vậy. theo A. N. Bephanhi, dòng
cháy sườn dóc có cân trúc ba hìII ạ (lòi với cơ c h ế hão hoà và hai tầng (lõi với c ơ ch ế
vượt thấm. Lý thuyết Bephanhi khá hoàn chinh về phương diện lý luận. Các nghiên
cứu và thực nghiệm của ông và cộng sự [163] trên các hãi thực nghiệm chuẩn đã
chứng tò điều đó. tuV nhiên vào thời diêm còng hố. việc thu thập các dừ liệu quan
trắc trên các mạng lưới khí tượng thủy vãn chưa thô đáp ứng de triển khai ứng dụng.
Các lý luận hiện nay vé cơ chế hình thành dòng chảy thường bỏ qua ảnh
hướng cùa địa hình và kết cấu đất [2|. và đó chính là nhược điếm của chúng.

Việc ứng dụng các lý (huyết về cơ chế hình thành dòng cháy dê mô hình hoá
các quá trình thuV vãn cũng rất da dạng. Nhiều tác giá chi mỏ phỏng dòng cháy mặt
và dòng cháy ngấm. Một sô khác lại mô phỏng đú cá dòng chày mặt. sát mật, dòng
cháy ngầm, dòng cháy táng sâu, Tuy nhiên, dù xuất phát từ nhiều mục đích và lập
luận khác nhau dô xây dựng các mô hình toán mó phóng quá trình mưa - dòng cháy,
nhưng tất cá đéu thống nhát à chỏ là cần tập trung mõ tá hai quá trình chính: quá
ninh thấm vù Í/mí trình vận clmyếii Iiưỡc Irèti Ill'll vực. Tùy vào mục đích khai thác,
sir dụ nil mà mó hình có thê phái trial hoặc theo hướng (1) nnhiên cứu chi tiết hóa
24
Ihòm các quá trình thánh phẩn (làm phức tạp mó hình) hoặc (2) khái quát hóa theo
không gian và nhóm tổ hợp các quá trình (đơn gián hóa mò hình).
Các I1 1 Õ hình có tính khái quát hóa cao là các mô hình thõng số tập trung, mà
hộ thông sò được nhặn cho toàn hộ lưu vực hay một vùng lãnh thổ lớn. khi đó mặc
nhiên thừa nhận lính đổng nhát khõnii gian cua các điểu kiện mat đệm. Các mỏ hình
này thường được sử dụng đế vạch các kẽ hoạch chiến lược khai thác tối ưu tài
nguyên nước, dự báo hạn dùi hay khai thúc lãnh thổ.
Với sự phát trién mạnh mẽ cua công nghệ thông tin. việc thu thập xử lv số
liệu ngày càng trở nón da dạng và chi tiết. Ngoài nguổn sô liệu ihu thập trên mạng
lưới quan trác khí tượng thúy vàn. các số liệu nhận được từ ánh viễn thám, hàng
không, các hán đổ sổ với các phan mém xứ lý tiên tiên cho phép cập nhật thòng tin
chi tiết hơn về các điều kiện mặt đệm, thuận lợi cho việc triển khai xây dựng và khai
thác các mô hình thông số phân bố. Các mỏ hình thông sỏ phân bố theo dải hoặc
theo lưới tính được phát triến trên cư sứ các phương trình đạo hàm riêng có khá năng
mỏ lả các quá trinh vật lý tliẽn ra trẽn lưu vực: lích nước, bốc thoát hơi nước, dòng
chây tràn trẽn bé mặt lưu vực và trong lòng dần, chuyên động của nước trong các
tầng đất bão hòa hoặc không bão hòa Ánh hướng của các lớp phù thổ nhưỡng,
thực vật vù các hoạt động nhân sinh đến quá trình hình thành dòng chảy cũng được
xót đến dề dàng. Sự tích lũy kiến thức khá phong phú về các quá trình vật lý trong
chu trình thúy vãn. sự phát triển cao về công nghệ trong việc thu thập thông tin liên
tục theo không gian và thời gian kết hợp với máy tính hiện đại cho khá năng xử lý

các nguồn sò liệu đa dạng một cách nhanh chóng đã mờ ra một giai đoạn mới trong
việc ứng dụng các mõ hình thúy động lực học.
Đối với các sóng suối vừa và nhỏ ở Miền Trung, nằm ớ vùng đủ ẩm. do địa
hình dốc, táng đất xốp. mùn mỏng, rừng bị suy giám, khi có mưa với cường độ lớn.
đất bị xói mòn nen dòng cháy tập trung nhanh chú yếu do tác dụng của trọng lực (độ
dốc) nên việc mỏ phúng dòng cháy mật hãng cách ghép dòng cháy mặt và dòng
chày sát mặt trong nhicu trường hợp là có thế chấp nhận.
Sir dụng cách tiếp cận mỏ hình hoá để diễn toán dòng cháy tại mặt cát cửa ra
25
của lưti vực phụ thuộc vào độ chính xác của việc xác định mưa hiệu quà và xác định
các thông số điều khiên cùa hệ Ihòng (lưu vực), lại phụ thuộc rất nhiều vào nhận
thức vé các điều kiện địa lý tự nhiên và cách mó phỏng cua người sir dụng mô hình.
Tiêp cận mỏ hình hoá đối với các hài toán thuý vãn thường nhàm tới hai mục đích:
I . Kháo sát hiện trạng hãng các bộ sô liệu mưa. dòng chày và mật đệm để
xác định bộ thông sò tối ưu. mô phỏng chính xác nhất quá trình dòng chảy, phục vụ
các tính toán thiết kế và dự háo.
2. Trên cư sớ mô hình được chọn, tác động đến lưu vực tạo ra bộ thông sỏ
hiệu quá nhất cho mục đích khai thác, sứ dụng hợp lv tài nguyên nước và đất.
Từ các phân tích trên, lựa chon m ô hình thủy (ỈỘIIIỊ lực học thông sô phản bò
là có tinh kliii thi dẻ iỊÌái quyết các bài toán đã tiặí ra.
1.2.1. Mỏ hình thủy động lực học
Mõ hình thuý động lực học dựa trên cơ sớ xấp xí chi tiết không gian và tích
phân số trị các phương trình đạo hàm riêng, mò ta các quá trình vật lý diễn ra trên
lưu vực như phương ninh háo toàn và chuyển động của chất lỏng. Đối với các mô
hình thuỷ động lực học, mó phỏng quá trình hình thành dòng chảy sông được chia
làm hai giai đoạn: cháy trên sườn dốc và trong lòng dẫn 1163, 164].
Khi xây dựng các mó hình động lực học hai chiéu mô phóng dòng chảy sườn
dốc, một giú thuyết thường được chấp nhận là chuyển động của nước trên bề mặt lưu
vực xảy ra dưới dạng lứp mỏng liên tục [164, 166, 167]. Các kết quả khảo sát thực
địa [ 168] cho thấy, dòng cháy mặt liên tục chí quan sát được trong khoáng thời gian

ngán, ít khi hao quát được mội diện tích rộng và lớp nước hình thành nhanh chóng
chuyển vào các rãnh suối. Như vây, nếu bỏ qua thời gian cháy tập trung đến các
rãnh suối, có thê mô phỏng dòng chày cùa các rãnh suối và lớp móng trên sườn dốc
với cùng một hệ phương trình. Bán chất liên tục này cùa dòng cháy đã được đề cập
trong cõng trình của A.N. Bephanhi và cộng sự [163Ị. M õ liình (lộng lực học hai
chiếu xây dựng dựa trên cơ sờ phương trình Navie - Stoc. áp dụng cho dòng chảy
sườn dốc với các thành phán được lấy trung hình theo trục iháng đứng ()z \ 152. 169]:
26
- Phương trình lien lục:
s p . h )
+
e ịv . h)
+
m R
;
ổx rỊv r/
- Phương trình chuyến động
( 1. 1)
ÕU ,,ÕU ,,ÔU ôli
A + A + T " + * ? ~ g
r,v đv ơy C'U'
rl ' , , íT ,. <T r/í
- + (./ — - + V — - + «»— = o
í 7 civ rv IV
s ~ - ầ
pxh
s -
L
pgh
h d.x

ll f~v
trong đó: U .Y - vận tóc được trung hình hoá theo trục 0: ứng với trục O.K. Oy tương
ứng; /ỉ - độ sâu lớp dòng cháy; .y„x. s„y - độ dóc sườn dốc theo trục ()x, tìy tương ứng;
T„y- ứng suất theo hướng ().\ và Ov: R - cường độ mưa; / - cường độ thấm; A- vận
tốc hạt mưa.
Theo các số liệu phân tích và thực nghiệm (169]. các thành phán của hệ
phương trình chuyến động (] .2) có trị số xấp xi trong khoáng sau:
ÔU
„ Ẽ Ỉ
V * L
õlì
M —
u
— ( R - D
gSf
ổ(AR)
ÔI õx õy
ũx h õx
10'
10'•
10"
10 1
104 10' 107
Từ hàng trên thấv ràng, thành phẩn ° — nhó hơn nhiéu so với các thành
õx
phần khác, có thê bỏ qua và phương trình động lực 2 chiều có dạng:
dh ô{Uh) <9(17/) ôh , ôh , ÔU ,. ôh , d v fv
— +- + - = — + Li — + h —— + V — + h —~ = (/? - /)
ÔI õx ry ôt ôx ôx ộ ' õy
õ lĩ rrĐU ',ŨU ôh _ / \ tữ

^7 + u + I ~ + g — = g{snx - .Sạ )- (R - / ) -
õl õx õy õx lì
ÔV ,,5 V õt' ôh _ Ị V , J
— + V - + 1 + 8 V = ~ s >yr (R - 7)
dt õx õy CV
(1.3)
(1.4 )
,r
'/i
Hệ phương trình (1.3), (1.4) được giái hằng các phương pháp số [3, 46. 48.
105Ị. Hiện nay. một trong những phương pháp số có nhiều ưu điểm để giải hệ
phương trình thuý độniỉ lực học đói với các sườn ilỏc có hình dạng và dịa hình phức
tạp là phương pháp phần tứ hữu hạn |5. 27. 35. 106. 153. 160. 1611
27
till điểm cua mo hình đọng lực học hai chiêu mô phỏng dòng cháy sườn dốc
là có cơ sớ vật lý và toán học chật chẽ. Tuy nhiên, hiện nay khá năng áp dụng vào
ihực tẽ của mỏ hình nìtv bị hạn chẽ vì thuật toán phức tạp cũng như khó đáp ứng yêu
cáu thông tin chi tiết và dỏng hộ. Đà xuất hiện một số cõng trình áp dụng mang tính
chất nghiên cứu. thõng háo ở irony 165. 701 và ngoài nước [126, 140, 148],
Trong các phương trình <11). (1.2) nếu ho qua các thành phần quán tính, đạo
hàm lớp nước theo chiều dài sườn dốc và các thành phần tinh đến hiệu ứng động lực
của mưa. nhận được phương trình
XÓHỊỊ dộng học ha i ('/liều
[3] mô tả chuyển động
của nước theo sườn dốc trona điéu kiện cân bảng của lực cản và trọng lực [1, 2j.
Thông thường, phương trình SÓI11Ị dộHỊỉ học một chiêu được ứng dụng đê tính diẻn
toán dòng cháy trong lòng sông:
ÔỌ ỘA_
õx + ởt ( 1.6 )
t í = ~R2'3Sịn A

n
Khi đỏ: Q - lưu lượng đòng chảy sườn dốc hoặc trong sông: í/ - lưựng mưa sinh dòng
cháy đối với dòng cháy sườn dóc và lượng nhập lưu khu giữa đối với lòng dẫn; A -
mặt cát ướt dòng chủv sườn dốc hay lòng dẫn;
s
- độ dốc sườn dốc hoặc lòng sóng.
Phương trình sóng động học ( 1.6) được giai hang phương pháp sai phân đã có
thế áp dụng vào tính toán thực tế. Tuy nhiên, thực chất các kết quả tính toán mới chí
ờ mức độ thực nghiệm số chưa có khá nâng ứng dụng phổ biến. Từ các lặp luận đã
nêu trẽn, xét về phương diện toán học và vật lý, có thê áp dụng mô hình sóng động
học một chiêu, phươHiỉ pháp phân lử hữu hạn d ế m ô phỏng quá trình tập trung nước
trẽn sườn dốc và trong sông
1.2.2. Phương pháp phán lử hữu hạn áp dụng trong IĨ1Ô hình sóng động học
một chiều.
Khi phân tích các mõ hình, với các điều kiện tự nhiên được mò phỏng có độ
dài không tương xứng thì phương pháp mô hình số được sir dụng [112. 128]. Các
phương trình đạo hàm riêng của các mỏ hình toán được xấp xi nhờ sử dụng phương
pháp sai phân hữu hạn hoặc phần tử hữu hạn. Nhờ sứ dụng các xấp xỉ này, các hiên
28