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

2
MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN Error! Bookmark not defined.
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT 5
DANH MỤC BẢNG BIỂU 6
DANH MỤC HÌNH VẼ 7
MỞ ĐẦU 9
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ MƢA LŨ Ở MIỀN
TRUNG. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH MƢA – DÕNG CHẢY VÀ PHƢƠNG
PHÁP SCS 14
1.1. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VÀ MÔ HÌNH TOÁN PHỤC VỤ SỬ
DỤNG HỢP LÝ TÀI NGUYÊN ĐẤT VÀ NƢỚC LƢU VỰC SÔNG 14
1.1.1. NGHIÊN CỨU, ÁP DỤNG MÔ HÌNH TOÁN ĐỂ TÍNH TOÁN VÀ
DỰ BÁO MƢA LŨ TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở NƢỚC TA 14
1.1.2. NGHIÊN CỨU MƢA LŨ VÀ TÀI NGUYÊN NƢỚC TRÊN ĐỊA BÀN
NGHIÊN CỨU 17
1.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT LỚP MÔ HÌNH TOÁN MƢA - DÕNG CHẢY 19
1.2.1. MÔ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰC HỌC 26
1.2.2. PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ÁP DỤNG TRONG MÔ
HÌNH SÓNG ĐỘNG HỌC MỘT CHIỀU. 28
1.3. PHƢƠNG PHÁP SCS 39
1.3.1. GIỚI THIỆU PHƢƠNG PHÁP SCS 39
1.3.2. PHÁT TRIỂN SCS 41
CHƢƠNG 2. ĐIỀU KIỆN ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN VÀ KINH TẾ XÃ HỘI MỘT SỐ
LƢU VỰC THƢỢNG NGUỒN MIỀN TRUNG TRONG MỐI LIÊN QUAN VỚI
QUÁ TRÌNH MƢA – DÕNG CHẢY 45
2.1. ĐIỀU KIỆN ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN 45

2.1.1 VỊ TRÍ ĐỊA LÝ 45
2.1.2 ĐỊA HÌNH 45
2.1.3. ĐỊA CHẤT, THỔ NHƢỠNG 51
2.1.4. THẢM THỰC VẬT 55
2.1.5. KHÍ HẬU 58
2.1.6. MẠNG LƢỚI THUỶ VĂN CÁC LƢU VỰC SÔNG NGHIÊN CỨU . 59
2.2. ĐIỀU KIỆN KINH TẾ XÃ HỘI 63
2.2.1. THỪA THIÊN - HUẾ 63
2.2.2. QUẢNG NAM 64
2.2.3. QUẢNG NGÃI 66
2.3. ĐẶC ĐIỂM MƢA, DÕNG CHẢY VÀ CÁC BIỆN PHÁP PHÕNG LŨ 67
2.3.1. ĐẶC ĐIỂM MƢA, DÕNG CHẢY TRÊN CÁC LƢU VỰC NGHIÊN
CỨU 67
2.3.2 CÁC BIỆN PHÁP PHÕNG LŨ TRÊN CÁC LƢU VỰC NGHIÊN CỨU
68



3
CHƢƠNG 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH MƢA - DÕNG
CHẢY BẰNG MÔ HÌNH SÓNG ĐỘNG HỌC MỘT CHIỀU, PHƢƠNG PHÁP
PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ PHƢƠNG PHÁP SCS 70
3.1. NÂNG CAO TÍNH ỔN ĐỊNH VÀ ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA PHƢƠNG
PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN MÔ PHỎNG KHÔNG GIAN – THỜI GIAN
TRONG MÔ HÌNH SÓNG ĐỘNG HỌC MỘT CHIỀU 70
3.1.1. CÁC VẤN ĐỀ VỀ TÍNH ỔN ĐỊNH VÀ ĐỘ CHÍNH XÁC KHI GIẢI
PHƢƠNG TRÌNH SÓNG ĐỘNG HỌC BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ
HỮU HẠN 70
3.1.2. CÁC SƠ ĐỒ SỐ ĐỂ GIẢI PHƢƠNG TRÌNH SÓNG ĐỘNG HỌC 74
3.1.3. MỘT SỐ THUẬT TOÁN GIẢI HỆ PHƢƠNG TRÌNH VI PHÂN PHI

TUYẾN TÍNH TRONG MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN SÓNG ĐỘNG
HỌC MỘT CHIỀU 77
3.1.4. THỰC NGHIỆM SỐ, ĐÁNH GIÁ ĐỘ ỔN ĐỊNH, ĐỘ CHÍNH XÁC
CỦA CÁC SƠ ĐỒ SỐ VÀ THUẬT TOÁN PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ
HỮU HẠN ÁP DỤNG CHO MÔ HÌNH SÓNG ĐỘNG HỌC MỘT CHIỀU 80
3.2. HIỆU CHỈNH PHƢƠNG PHÁP SCS, NÂNG CAO KHẢ NĂNG MÔ
PHỎNG LŨ TRÊN CÁC LƢU VỰC SÔNG NGÕI MIỀN TRUNG 83
3.2.1. SỬ DỤNG SCS NÂNG CAO KHẢ NĂNG MÔ PHỎNG LƢU VỰC . 83
3.2.2. NÂNG CAO KHẢ NĂNG MÔ PHỎNG CỦA PHƢƠNG PHÁP SCS 84
3.2.3. THỰC NGHIỆM SỐ CÔNG THỨC TÍNH ĐỘ SÂU TỔN THẤT BAN
ĐẦU TRÊN MỘT SỐ LƢU VỰC MIỀN TRUNG. 85
3.3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH MƢA - DÕNG CHẢY
ĐỐI VỚI MỘT SỐ LƢU VỰC SÔNG THƢỢNG NGUỒN MIỀN TRUNG 89
3.3.1. PHÂN TÍCH VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU 90
3.3.2. XÂY DỰNG BỘ THÔNG SỐ 91
3.3.3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN 98
3.3.4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 99
3.3.5. NHẬN XÉT 103
CHƢƠNG 4. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH MƢA – DÕNG
CHẢY PHỤC VỤ DỰ BÁO LŨ VÀ SỬ DỤNG HỢP LÝ TÀI NGUYÊN NƢỚC,
ĐẤT TRÊN CÁC LƢU VỰC SÔNG THƢỢNG NGUỒN MIỀN TRUNG 107
4.1 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH MƢA – DÕNG CHẢY
PHỤC VỤ DỰ BÁO LŨ SÔNG TRÀ KHÖC – TRẠM SƠN GIANG 107
4.1.1. DỰ BÁO THỬ NGHIỆM MƢA GÂY LŨ TẠI LƢU VỰC SÔNG TRÀ
KHÖC–SƠN GIANG 109
4.1.2. DỰ BÁO LŨ 111
4.2. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH MƢA DÕNG CHẢY
PHỤC VỤ SỬ DỤNG HỢP LÝ TÀI NGUYÊN ĐẤT TRÊN LƢU VỰC 113
4.2.1. ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA QUÁ TRÌNH SỬ DỤNG LỚP PHỦ
ĐẤT ĐÔ THỊ ĐẾN SỰ HÌNH THÀNH LŨ 114

4.2.2. ĐÁNH GIÁ ẢNH HƢỞNG CỦA LỚP PHỦ RỪNG ĐẾN SỰ HÌNH
THÀNH LŨ 118



4
4.2.3. KHẢO SÁT ẢNH HƢỞNG CỦA QUÁ TRÌNH SỬ DỤNG LỚP PHỦ
ĐẤT ĐÔ THỊ ĐỒNG THỜI THAY ĐỔI THẢM PHỦ THỰC VẬT TRÊN
LƢU VỰC SÔNG TẢ TRẠCH - TRẠM THƢỢNG NHẬT 121
4.2.4 XÂY DỰNG BỔ SUNG HỒ CHỨA TRÊN CÁC LƢU VỰC NGHIÊN
CỨU, TĂNG CƢỜNG KHẢ NĂNG CẮT LŨ LÀM GIẢM MỰC NƢỚC HẠ
DU. 122
4.3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 126
4.3.1. VỀ VIỆC PHỤC VỤ SỬ DỤNG HỢP LÝ TÀI NGUYÊN NƢỚC 126
4.3.2. VỀ VIỆC PHỤC VỤ SỬ DỤNG HỢP LÝ TÀI NGUYÊN ĐẤT 127
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 129
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN TỚI LUẬN ÁN 132
TÀI LIỆU THAM KHẢO 134
PHỤ LỤC 153
PHỤ LỤC 1. CÁC BẢN ĐỒ SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN 153
PHỤ LỤC 2. CÁC TRẬN LŨ DÙNG ĐỂ HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ
PHỎNG BẰNG MÔ HÌNH KW – 1D 162
PHỤ LỤC 3. KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ CÁC KỊCH BẢN SỬ DỤNG ĐẤT TRÊN
CÁC LƢU VỰC BẰNG MÔ HÌNH KW – 1D 169
PHỤ LỤC 4. GIAO DIỆN VÀ CÁC THỰC ĐƠN CHÍNH CỦA PHẦN MỀM KW-
1D MODEL 181

5
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
ACM I, II, III
Điều kiện ẩm khô, trung bình và ƣớt của đất
ANN
Mô hình mạng thần kinh nhân tạo (Artificial Neural Network)
ETA
Mô hình khí tƣợng bất thuỷ tĩnh châu Âu (ETA model)
FLOAT
Mô hình lan truyền chất ô nhiễm
GDP
Tổng giá trị sản phẩm trong nƣớc
GIBSI
Bộ mô hình tổng hợp của Canađa (Gestion Intộgrộe des Bassins versants à
l'aide d'un Systốme Informatisộ)
GIS
Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System)
HMC
Trung tâm thuỷ văn Xô viết (Hydro-Metorology Centre)

HRM
Mô hình khí tƣợng khu vực phân giải cao (High Resolution Regional Model)
HYDROGIS
Mô hình thuỷ văn thuỷ lực của Nguyễn Hữu Nhân
IQQM
Mô hình mô phỏng nguồn nƣớc (Integrated Quality and Quantity Model)
ISIS
Mô hình thuỷ động lực học (Interactive Spectral Interpretation System)
KOD
Mô hình thuỷ lực không ổn định của Nguyễn Ân Niên
KW-1D
Mô hình sóng động học một chiều
MIKE
Bộ mô hình thuỷ lực và thuỷ văn lƣu vực của Viện Thuỷ lực Đan Mạch
MM5
Mô hình khí tƣợng quy mô vừa ( The NCAR/PSU 5th Generation Mesoscale
Model)
NAM
Mô hình dòng chảy của Đan Mạch (Nedbứr-Afrstrứmnings-Model)
ODE
Phƣơng trình vi phân thƣờng
QUAL2E
Mô hình chất lƣợng nƣớc (Water Quality version 2E)
RAMS
Mô hình khí tƣợng khu vực của Mỹ (Regional Atmospheric Modeling System)
SCS
Cục bảo vệ đất (Soil Conservation Service)
SDV
Phân rã đơn trị
SSARR

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



6

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Đặc điểm của các thông số trong mô hình thuỷ văn tất định 20
Bảng 1.2. Mục đích và đối tƣợng ứng dụng các mô hình thuỷ văn tất định 21
Bảng 2.1. Hiện trạng rừng năm 2000 lƣu vực sông Tả Trạch [14] 55
Bảng 2.2. Hiện trạng rừng năm 2000 lƣu vực sông Thu Bồn [14] 56
Bảng 2.3. Hiện trạng rừng năm 2000 lƣu vực sông Trà Khúc [14] 56
Bảng 2.4. Lớp phủ thực vật lƣu vực sông Vệ theo mức độ che phủ [14] 58
Bảng 3.1. Số trận lũ trên sông Vệ – An Chỉ qua các năm dùng để mô phỏng lũ 86
Bảng 3. 2. Kết quả đánh giá mô phỏng lũ theo mô hình sóng động học một chiều . 87

phƣơng pháp phần tử hữu hạn và phƣơng pháp SCS sông Vệ - An Chỉ [57] 87
Bảng 3.3. Kết quả đánh giá mô phỏng lũ theo mô hình sóng động học một chiều 88
phƣơng pháp phần tử hữu hạn và phƣơng pháp SCS với Ia = 0.13S 88
Bảng 3.4. Các đặc trƣng hình thái lƣu vực sông lựa chọn ở Miền Trung 90
Bảng 3.5. Số liệu khí tƣợng thuỷ văn để mô phỏng lũ trên các lƣu vực nghiên cứu
91
Bảng 3.6. Phân tích các lƣu vực ra đoạn sông, dải và các phần tử 92
Bảng 3.7. Đánh giá kết quả mô phỏng lũ trên các lƣu vực sông nghiên cứu 103
Bảng 4.1 Kết quả đánh giá sai số dự báo lũ với số liệu mƣa từ mô hình RAMS 113
Bảng 4.2. ảnh hƣởng của lớp phủ đất đô thị đến dòng chảy qua 9 trận lũ trên sông
Tả Trạch 115
Bảng 4.3. ảnh hƣởng của lớp phủ đất đô thị đến dòng chảy qua 9 trận lũ trên sông
Thu Bồn 116
Bảng 4.4. ảnh hƣởng của lớp phủ đất đô thị đến dòng chảy qua 3 trận lũ trên sông
Trà Khúc 116
Bảng 4.5 ảnh hƣởng của lớp phủ đất đô thị đến dòng chảy qua 2 trận lũ trên sông
Vệ 116
Bảng 4.6. Kết quả khảo sát đánh giá ảnh hƣởng của rừng đến dòng chảy lũ trên các
lƣu vực sông nghiên cứu 121
Bảng 4.7 ảnh hƣởng của lớp phủ đất đô thị đến dòng chảy khi tăng diện tích rừng
qua 9 trận lũ trên lƣu vực sông Tả Trạch - trạm Thƣợng Nhật 121
Bảng 4.8. Mực nƣớc lũ 5% trên sông Hƣơng khi có hồ Dƣơng Hoà (Tả Trạch) 123
Bảng 4.9. Các hồ chứa tham gia cắt lũ trên dòng chính sông Vu Gia – Thu Bồn 125
Bảng 4.10. Giảm mực nƣớc lũ trên sông Trà Khúc khi có các hồ chứa cắt lũ 125

7

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Phân loại các mô hình thuỷ văn tất định 21
Hình 1.2. Lƣu vực và lƣới phần tử hữu hạn tƣơng ứng. 32
Hình 1.3. Các biến số có tổn thất dòng chảy trong phƣơng pháp SCS 40
Hình 2.1. Vị trí các lƣu vực sông nghiên cứu 46
Hình 2.2. Địa hình lƣu vực sông Trà Khúc 49
Hình 2.3. Độ dốc lƣu vực sông Trà Khúc 50
Hình 2.4. Sử dụng đất lƣu vực sông Trà Khúc 54
Hình 2.5. Rừng lƣu vực sông Trà Khúc 57
Hình 2.6. Mạng lƣới sông lƣu vực sông Trà Khúc – trạm Sơn Giang 62
Hình 3.1. Kết quả mô phỏng ( a) v à đánh giá sai số (b) trận lũ từ ngày 25/11/1998
đến ngày 27/11/1998 88
Hình 3.2 So sánh hai phƣơng án (a) hiệu chỉnh SCS và (b) không hiệu chỉnh từ
ngày 19/10/2001 đến ngày 20/10/2001 89
Hình 3.3. Lƣới phần tử trên lƣu vực sông Tả Trạch – trạm Thƣợng Nhật 93
Hình 3.4. Lƣới phần tử trên lƣu vực sông Thu Bồn – trạm Nông Sơn 94
Hình 3.5. Lƣới phần tử trên lƣu vực sông Trà Khúc – trạm Sơn Giang 96
Hình 3.6 Lƣới phần tử trên lƣu vực sông Vệ – trạm An Chỉ 97
Hình 3.7. Sơ đồ khối của chƣơng trình tính theo mô hình KW-1D 98
Hình 3.8. Mô phỏng trận lũ từ 1h/18/-13h/23/XI/2002 s. Tả Trạch – Thƣợng Nhật 99
Hình 3.9 Kết quả mô phỏng lũ từ 6h/20/X - 6h/24/X/2001 s. Tả Trạch - Thƣợng
Nhật 100
Hình 3.10. Mô phỏng trận lũ từ 7h/28/X – 19h/30/X/2000 s. Thu Bồn – Nông Sơn
101
Hình 3.11. Mô phỏng trận lũ từ 7h/20/X – 19h/23/X/2001 s. Thu Bồn – Nông Sơn
101
Hình 3.12. Mô phỏng trận lũ từ 13h/20 - 24/XII/2000 s. Trà Khúc – Sơn Giang 101
Hình 3.13. Mô phỏng lũ từ 1h/ 19/XI - 19h/ 25/XI/1998 s, Trà Khúc - Sơn Giang

102
Hình 3.14. Mô phỏng trận lũ từ ngày 21/XI - 24/XI/1998 s. Vệ – An Chỉ 102
Hình 4.1. Lƣợng mƣa tích luỹ 72 giờ dự báo đƣợc bằng RAMS từ 16 đến
19/XI/2005 trên 9 tiểu lƣu vực thuộc sông Trà Khúc - trạm Sơn Giang 111
Hình 4.2. Kết quả dự báo lũ từ 7 giờ ngày 10/X đến 7h ngày 13/X năm 2005 sông
Trà Khúc - Sơn Giang 112
Hình 4.3. Kết quả dự báo lũ từ 7 giờ ngày 16/XI đến 7h ngày 19/XI năm 2005 sông
Trà Khúc - Sơn Giang 113
Hình 4.4. ảnh hƣởng của lớp phủ đất đô thị đến dòng chảy lũ trên sông Tả Trạch
trận lũ từ 16h/21 đến 7h/23/X/2001 115
Hình 4.5. ảnh hƣởng của lớp phủ đất đô thị đến dòng chảy lũ trên sông Thu Bồn,
trận lũ từ 19h/2 – 13h/8/X/2003 117



8
Hình 4. 6 ảnh hƣởng của lớp phủ đất đô thị đến quá trình dòng chảy trên sông Trà
Khúc, trận lũ ngày 25 đến 30/XI năm 1998 117
Hình 4.7: ảnh hƣởng của lớp phủ đất đô thị đến quá trình dòng chảy lũ trên sông
Vệ, trận lũ ngày 21 đến 24/XI năm 1998 118
Hình 4. 8. ảnh hƣởng của rừng đến dòng chảy trên sông Tả Trạch - Thƣợng Nhật
trận lũ từ 16h/21đến 4h/23/X/2000 119
Hình 4.9. ảnh hƣởng của lớp phủ đất đô thị khi tăng diện tích rừng đến dòng chảy lũ
trên lƣu vực sông Tả Trạch - trạm Thƣợng Nhật, trận lũ 23h/4 đến 10h/6/XII/1999
122
Hình 4.10. Vị trí hồ chứa cắt lũ (dự kiến) trên các lƣu vực sông nghiên cứu 124

9

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Miền Trung là nơi hứng chịu nhiều thiên tai lũ lụt vào loại bậc nhất ở nƣớc
ta. Đã có nhiều công trình nghiên cứu giải quyết vấn đề này nhằm góp phần giảm
nhẹ những hậu quả do thiên tai lũ lụt gây ra. Hƣớng tích cực nhất là nâng cao hiệu
quả của công tác cảnh báo và dự báo lũ, từ đó đề ra những biện pháp thích hợp để
phòng, tránh, trong đó đề cao vai trò của công tác quy hoạch sử dụng đất. Các
phƣơng pháp dự báo truyền thống trƣớc đây nhƣ phƣơng pháp lƣu lƣợng mực nƣớc
tƣơng ứng hay sử dụng các mô hình tƣơng quan và mô hình thông số tập trung đã
mang lại những hiệu quả tích cực. Việc diễn toán dòng chảy từ trạm thuỷ văn đầu
nguồn về hạ lƣu ở Trung tâm Dự báo Khí tƣợng Thuỷ văn Trung ƣơng khá chính
xác, đạt độ đảm bảo tƣơng đối tốt. Tuy nhiên, thực tế thƣờng gặp phải hai vấn đề
lớn làm cho công tác dự báo lũ vẫn chƣa đáp ứng đƣợc bài toán thực tiễn. Đó là: (1)
do các sông ở khu vực này thƣờng ngắn và dốc, thời gian tập trung nƣớc nhanh nên

việc phát các bản tin dự báo dựa trên số liệu quan trắc mƣa và lƣu lƣợng tuyến trên
thƣờng có thời gian dự kiến ngắn, không đủ để triển khai các biện pháp phòng
chống thích hợp và (2) do chƣa sử dụng các mô hình thông số dải, có khả năng diễn
toán dòng chảy tốt hơn. Nhằm góp phần khắc phục các vấn đề nêu trên, tác giả thực
hiện “Nghiên cứu mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy phục vụ sử dụng hợp lý tài
nguyên nước và đất một số lưu vực sông thượng nguồn Miền Trung” nhằm góp
phần nâng cao chất lƣợng công tác cảnh báo, dự báo dòng chảy lũ từ mƣa, đồng thời
phục vụ quản lý tài nguyên nƣớc và đất theo hƣớng điều tiết dòng chảy lƣu vực.
Mô hình sóng động học một chiều phƣơng pháp phần tử hữu hạn và phƣơng pháp
SCS – là một mô hình thông số dải, sử dụng đầu vào là mƣa dự báo từ các mô hình
khí tƣợng đƣợc sử dụng để mô phỏng dòng chảy lũ nhằm tăng độ chính xác và thời
gian dự kiến của các dự báo lũ tại các trạm thuỷ văn đầu nguồn, làm cơ sở cho việc
nâng cao tính hiệu quả của công tác dự báo lũ trên toàn lƣu vực.



10
2. Mục tiêu
Mục tiêu của luận án là xác lập cơ sở khoa học để xây dựng mô hình toán mô
phỏng quá trình mƣa – dòng chảy, có khả năng dự báo lũ và phục vụ sử dụng hợp lý
tài nguyên nƣớc và đất trên các lƣuvực sông thƣợng nguồn ở Miền Trung.
3. Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi khoa học của luận án là nghiên cứu các mô hình toán mƣa – dòng
chảy nhằm lựa chọn và xây dựng đƣợc một mô hình thích hợp để diễn toán quá
trình lũ từ mƣa trong các điều kiện địa lý tự nhiên ở Miền Trung. Phạm vi lãnh thổ
là một số lƣu vực sông thƣợng nguồn: Tả Trạch đến Thƣợng Nhật (đại diện cho các
lƣu vực phía Bắc Trung Bộ), Thu Bồn đến Nông Sơn, Trà Khúc đến Sơn Giang và
Vệ đến An Chỉ (đại diện cho các lƣu vực Nam Trung Bộ) đủ điều kiện áp dụng mô
hình toán thủy văn đã lựa chọn và cũng là các sông diễn ra lũ ác liệt trong những
năm gần đây.

4. Những đóng góp mới
1) Phân tích các mô hình toán mƣa – dòng chảy và luận giải việc xây dựng
một mô hình toán trên cơ sở mô hình sóng động học một chiều (KW - 1D), sử dụng
phƣơng pháp phần tử hữu hạn và phƣơng pháp SCS là thích hợp với các lƣu vực
sông vùng thƣợng nguồn ở Miền Trung.
2) Nâng cao tính ổn định và độ chính xác của mô hình KW - 1D qua sự
nghiên cứu và lựa chọn sơ đồ tính nhằm mô tả chính xác không gian, thời gian bằng
lý luận và thực nghiệm số kết hợp vận dụng, hiệu chỉnh phƣơng pháp SCS để tính
thấm, nâng cao khả năng mô phỏng các điều kiện mặt đệm các lƣu vực sông vùng
thƣợng nguồn ở Miền Trung
3) Xây dựng đƣợc một mô hình toán đủ khả năng dự báo lũ đồng thời là
công cụ tƣ vấn về việc sử dụng hợp lý tài nguyên nƣớc và đất trên các lƣu vực sông
Miền Trung, gồm:
a) Triển khai thành công lƣới các phần tử cho các lƣu vực sông tự nhiên và



11
bộ thông số của mô hình;
b) Xây dựng chƣơng trình tính và phần mềm để dự báo dòng chảy lũ từ mƣa
cũng nhƣ phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên nƣớc và đất các lƣu vực sông;
c) Định lƣợng hóa ảnh hƣởng của lớp phủ đất đô thị và lớp phủ rừng đến sự
hình thành đỉnh và tổng lƣợng lũ qua các kịch bản sử dụng đất.
5. Luận điểm bảo vệ
Luận điểm 1. Kết quả mô phỏng lũ trên một số lƣu vực sông thƣợng nguồn
Miền Trung với độ đảm bảo đạt từ khá đến tốt cho thấy việc lựa chọn và xây dựng
mô hình toán trên cơ sở mô hình sóng động học một chiều, phƣơng pháp phần tử
hữu hạn và phƣơng pháp SCS là thích hợp để mô phỏng quá trình mưa – dòng
chảy.
Luận điểm 2. Mô hình sóng động học một chiều, phƣơng pháp phần tử hữu

hạn và SCS đƣợc ứng dụng đem lại hiệu quả hữu ích phục vụ sử dụng hợp lý tài
nguyên nƣớc và đất trên các lƣu vực sông thể hiện trên hai khía cạnh chính:
(1) dự báo lũ, đặc biệt khi kết hợp với mô hình số dự báo mƣa có độ phân
giải cao để tăng thời gian dự kiến và
(2) đánh giá định lƣợng ảnh hƣởng của lớp phủ đất đô thị và lớp phủ rừng
đối với quá trình hình thành đỉnh và tổng lƣợng lũ.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:
1) Hoàn thiện một phƣơng pháp mô phỏng quá trình mƣa - dòng chảy trên
các lƣu vực sông thƣợng nguồn.
2) Kết quả của luận án có thể sử dụng làm công cụ giải quyết các vấn đề thực
tiễn về sử dụng hợp lý tài nguyên nƣớc và đất trên lƣu vực sông theo hƣớng phát
triển bền vững
7. Phƣơng pháp nghiên cứu:
Các phƣơng pháp nghiên cứu chính trong luận án:



12
1) Phƣơng pháp phần tử hữu hạn;
2) Phƣơng pháp SCS;
3) Phƣơng pháp mô hình toán thuỷ văn và
4) Phƣơng pháp hệ thống thông tin địa lý (GIS).
8. Cơ sở tài liệu
8.1. Tài liệu từ các đề tài do tác giả chủ trì: 1) “ Ứng dụng mô hình toán
phục vụ quy hoạch lƣu vực sông Trà Khúc” (QT 03–21, 2004); 2) “Ứng dụng mô
hình toán diễn toán lũ lƣu vực sông Vệ trạm An Chỉ” (QT 04–26, 2005); 3) “Nghiên
cứu mô phỏng quá trình mƣa - dòng chảy phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên nƣớc
và đất trên một số lƣu vực sông ngòi Miền Trung” (QG 07-15, 2007); 4) “Nghiên
cứu áp dụng phƣơng pháp SCS phục vụ công tác phòng chống lũ và quy hoạch lƣu
vực sông ngòi Trung Trung Bộ”( CB 705606, 2006)

8.2. Tài liệu từ các đề tài do tác giả là thành viên tham gia chính: 1) “ Nghiên
cứu vận dụng mô hình thuỷ động lực, mƣa - dòng chảy phục vụ tính toán và dự báo
dòng chảy lũ” (Viện KTTV, 2004); 2) “Xây dựng công nghệ dự báo lũ bằng mô
hình số thời hạn 3 ngày cho khu vực Trung Bộ Việt Nam” (QGTĐ. 04.04, 2006).
8.3. Các tài liệu: (i) khí tƣợng thủy văn là số liệu trích lũ và mƣa từ năm
1998 – 2005 đƣợc cung cấp bởi Trung tâm Tƣ liệu và Trung tâm Dự báo Khí tƣợng
Thủy văn Trung ƣơng; (ii) tài liệu mặt đệm là các bản đồ số về địa hình, mạng lƣới
sông, đất, sử dụng đất và thảm thực vật năm 1999 các lƣu vực sông lấy từ Atlas
Việt Nam, Bộ Khoa học Công nghệ và Môi trƣờng [155] và (iii) các báo cáo chiến
lƣợc phát triển kinh tế xã hội các tỉnh.
9. Cấu trúc luận án
Luận án có 4 chƣơng cùng với mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, phụ lục:
Chƣơng 1: Tổng quan các nghiên cứu về mƣa lũ ở miền trung và cơ sở lý
thuyết mô hình mƣa – dòng chảy và phƣơng pháp SCS



13
Chƣơng 2: Điều kiện địa lý tự nhiên và kinh tế xã hội một số lƣu vực thƣợng
nguồn Miền Trung trong mối liên quan với quá trình mƣa – dòng chảy.
Chƣơng 3: Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình mƣa - dòng chảy bằng mô
hình sóng động học một chiều, phƣơng pháp phần tử hữu hạn và phƣơng pháp SCS.
Chƣơng 4: Ứng dụng mô hình mô phỏng quá trình mƣa – dòng chảy phục vụ
dự báo lũ và sử dụng hợp lý tài nguyên nƣớc, đất trên các lƣu vực sông thƣợng
nguồn Miền Trung
Luận án đƣợc hoàn thành tại trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học
Quóc gia Hà Nội, tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng Đào tạo Sau
đại học, Phòng Khoa học Công nghệ trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Ban Khoa
học Công nghệ Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện về thời gian, kinh phí hỗ
trợ qua các đề tài. Trong quá trình thực hiện, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến các

thầy, các cô trong hai khoa: khoa Địa lý và khoa Khí tƣợng – Thuỷ văn & Hải d-
ƣơng học về sự hỗ trợ chuyên môn và kỹ thuật. Đặc biệt, xin bày tỏ sự cảm ơn chân
thành nhất đến tập thể hƣớng dẫn khoa học: PGS. TS. Trương Quang Hải và TS.
Lương Tuấn Anh đã tận tình chỉ đạo và góp ý để tác giả hoàn thành luận án này.






14


Chƣơng 1
TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ MƢA LŨ Ở MIỀN TRUNG. CƠ SỞ LÝ
THUYẾT MÔ HÌNH MƢA – DÕNG CHẢY VÀ PHƢƠNG PHÁP SCS
1.1. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VÀ MÔ HÌNH TOÁN PHỤC VỤ SỬ
DỤNG HỢP LÝ TÀI NGUYÊN ĐẤT VÀ NƢỚC LƢU VỰC SÔNG
1.1.1. Nghiên cứu, áp dụng mô hình toán để tính toán và dự báo mƣa lũ trên
thế giới và ở nƣớc ta
Ngày nay, trong tính toán và dự báo lũ, đánh giá ảnh hƣởng của việc sử
dụng, khai thác bề mặt lƣu vực, việc áp dụng mô hình toán thuỷ văn để khôi phục
và xử lý số liệu ngày càng rộng rãi. Đặc biệt, đối với những vùng ít đƣợc nghiên
cứu thì sử dụng mô hình toán còn đƣợc coi là công cụ ƣu việt nhất. Cùng với việc
phát triển kỹ thuật tính toán kết hợp áp dụng công nghệ thông tin, thế mạnh giải
quyết bằng các bài toán số trị và ứng dụng trong hoạt động tác nghiệp càng có vị thế
nổi bật.
Trong lĩnh vực dự báo, ngoài các phƣơng pháp truyền thống trƣớc đây nhƣ
phƣơng pháp Kalinhin - Miuliacốp [31] phƣơng pháp tính dòng chảy đoạn sông có
gia nhập khu giữa [32, 48, 53], mô hình HMC [2, 21], phƣơng pháp đƣờng đơn vị,

đƣờng đẳng thời [31, 58] cùng với việc sử dụng các mô hình toán SSARR, TANK
[94], NAM [49, 93], ANN [30] đƣợc triển khai nghiên cứu và có những kết quả tốt,
đạt độ chính xác đáp ứng cho các yêu cầu quy hoạch, thiết kế.
Mô hình toán SSARR của Cục Công binh Mỹ đƣợc khai thác sử dụng sớm



15
nhất ở nƣớc ta, từ năm 1968, đầu tiên trong lĩnh vực thuỷ văn công trình và sau đó
là trong việc cảnh báo, dự báo lũ ở đồng bằng châu thổ sông Cửu Long [80]. Mô
hình SSARR cũng đƣợc triển khai áp dụng để dự báo lũ cho hệ thống sông Hồng và
Thái Bình ở đồng bằng Bắc Bộ cho kết quả khả quan [26, 28, 35].
Mô hình TANK có xuất xứ từ Nhật Bản, đƣợc sử dụng vào những năm cuối
của thập kỷ 80 thế kỷ XX ở Việt Nam. Sử dụng mô hình TANK khá đa dạng, nhƣng
thành tựu cơ bản nhất đạt đƣợc trong lĩnh vực khôi phục và bổ sung số liệu, là tình
trạng hạn chế phổ biến nhất khi nghiên cứu thuỷ văn ở nƣớc ta. Mô hình đơn giản,
có ý nghĩa vật lý trực quan, thích hợp với các sông suối vừa và nhỏ [2, 93]. Gần đây
mô hình còn đƣợc sử dụng hiệu quả khi tiến hành dự báo hạn vừa các sông chính ở
Bắc Bộ [12, 13, 36, 72].
Mô hình MIKE 11 ra đời cách đây 20 năm ở Đan Mạch là một mô hình tổng
hợp thông dụng nhất trên thế giới (có hơn 100 nƣớc sử dụng) với các mô đun về
thủy lực, phân tán chất lƣợng nƣớc, chuyển tải bùn cát, mô phỏng mƣa dòng chảy
(mô hình NAM), mô hình sinh thái, dự báo lũ, vỡ đập … đã bắt đầu đƣợc nghiên
cứu và triển khai áp dụng. Các mô hình phát triển ở mức độ cao hơn nhƣ MIKE 21,
MIKE FLOOD để mô phỏng dòng chảy 2 chiều cũng đƣợc nghiên cứu, vận dụng.
Các mô hình toán có xuất xứ trong nƣớc hiện nay rất ít, có thể kể ra một vài
mô hình tiêu biểu nhƣ HYDROGIS của Nguyễn Hữu Nhân [43], KOD của Nguyễn
Ân Niên [46, 47] và VRSAP của Nguyễn Nhƣ Khuê.
Ngày nay, khi thế giới đang đứng trƣớc sự khủng hoảng về nƣớc (cả lƣợng
và chất) trƣớc sức ép về gia tăng dân số và các hoạt động kinh tế, bài toán quy

hoạch tài nguyên nƣớc ngày càng đƣợc đề cao. Các mô hình toán trong lĩnh vực
quản lý tài nguyên và môi trường nước, vì thế, cũng đƣợc phát triển. Có thể điểm
qua một số mô hình đang đƣợc sử dụng rộng rãi trên thế giới nhƣ sau:
Hệ thống mô hình GIBSI là một hệ thống mô hình tổng hợp quản lý nƣớc cả
lƣợng và chất để kiểm tra hoạt động dùng nƣớc trong các lĩnh vực kinh tế nhƣ nông
nghiệp, công nghiệp. Hệ thống này đang đƣợc sử dụng rộng rãi ở Canada gồm các



16
mô đun về thủy văn, về tích hợp dữ liệu viễn thám và GIS, về lan truyền chất hóa
học, về xói mòn đất và vận chuyển phù sa và chất lƣợng nƣớc.
Bộ mô hình thuộc Chƣơng trình sử dụng nƣớc WUP của Ủy hội sông Mê
Công hỗ trợ ra quyết định phân bổ nguồn nƣớc theo các kịch bản sử dụng tài
nguyên môi trƣờng gồm 3 mô đun chính (1) – mô hình SWAT để diễn toán quá
trình mƣa – dòng chảy; (2) mô hình IQQM dùng để mô phỏng nguồn nƣớc và quản
lý các công trình sử dụng nƣớc (thủy điện, thủy lợi) và (3) mô hình ISIS – mô
phỏng các quá trình thủy động lực học của Biển Hồ và các vùng hạ lƣu.
Bộ mô hình đánh giá tổng hợp các nguồn thải tập trung và không tập trung
BASINS của Văn phòng bảo vệ môi trƣờng Hoa Kỳ phục vụ công tác quản lý và
đánh giá chất lƣợng nƣớc trên lƣu vực. Mô hình đang đƣợc ứng dụng rộng rãi ở Mỹ,
thuận tiện rong việc lƣu trữ và phân tích các thông tin môi trƣờng và có thể sử dụng
nhƣ là một công cụ hỗ trợ ra quyết định trong công tác quy hoạch và quản lý lƣu
vực. Bộ mô hình này bao gồm (1) mô hình trong sông QUAL2E về chất lƣợng
nƣớc; (2) SWAT dùng dự doán ảnh hƣởng của sử dụng đất đến dòng chảy và (3)
PLOAT – về lan truyền chất ô nhiễm
Mô hình MIKEBASIN và MIKESHE [95] của Viện Thủy lực Đan Mạch là
một mô hình mô phỏng nguồn nƣớc lƣu vực sông. Mô hình thuộc loại thông số dải
và đƣợc phát triển từ các phƣơng trình đạo hàm riêng mô tả các quá trình vật lý diễn
ra trên lƣu vực: tích nƣớc, bốc thoát hơi nƣớc, dòng chảy tràn trên sƣờn dốc, trong

lòng dẫn, chuyển động của nƣớc trong các tầng đất bão hoà và không bão hoà, tuyết
tan [105, 118, 139, 144, 116]. Mô hình này có khả năng đánh giá tác động của môi
trƣờng đến dòng chảy, song do mức độ phức tạp của nó nên ứng dụng chƣa đƣợc
rộng rãi. Trong khu vực châu Á bƣớc đầu đã đƣợc sử dụng ở Thái Lan và
Inđonexia.
Cùng với sự phát triển của hệ thông tin địa lý, công nghệ GIS đang dần
chiếm lĩnh các ứng dụng trong việc nhận các thông tin từ bề mặt lƣu vực [1, 33, 34,
87, 88] góp phần thúc đẩy các công trình nghiên cứu khai thác các lớp mô hình thuỷ



17
động lực [4, 24, 27, 44, 47, 57, 62, 65, 70]. Trong ứng dụng thực tiễn ở Việt Nam,
nhiều mô hình nhƣ SMART, USDAHL, HEC – RAS, SWMM, TOPMODEL, SCS
[86, 88], đã đƣợc nghiên cứu, khai thác, vận dụng linh hoạt phù hợp với các điều
kiện về số liệu. Việc liên kết, tổ hợp các phƣơng pháp tính [6] có khả năng đem lại
hiệu quả cao trên cơ sở tận dụng đƣợc nhiều nguồn thông tin mà không một mô
hình đơn lẻ nào có thể khái quát đƣợc.
Các công bố gần đây của các tác giả thuộc Viện Khoa học Khí tƣợng Thuỷ
văn và Môi trƣờng [1, 3, 11, 16, 18, 23, 68-73, 90, 93, 94, 129 - 130], Trung tâm Dự
báo Khí tƣợng Thuỷ văn Trung ƣơng [12, 22, 28, 29, 37-39, 40, 67, 78], Trƣờng
Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội và Trƣờng Đại học Thuỷ lợi
[41, 50, 53, 50-65, 154] về việc khai thác, ứng dụng các mô hình thủy văn tổng hợp
ngày càng chứng tỏ sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và các dự báo viên trong
việc áp dụng và khai thác hữu hiệu các mô hình toán vào công nghệ tính toán và dự
báo lũ cũng nhƣ phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên đất và nƣớc trên các lƣu vực
sông.
1.1.2. Nghiên cứu mƣa lũ và tài nguyên nƣớc trên địa bàn nghiên cứu
Miền Trung là vùng có chế độ khí hậu khắc nghiệt, là vùng chuyển tiếp giữa
hai miền khí hậu Bắc - Nam [42, 79], là nơi hứng chịu nhiều thiên tai: bão, áp thấp

nhiệt đới, nƣớc dâng, lũ lụt và hạn hán với tần suất và cƣờng độ lớn nhất nƣớc ta.
Lũ lụt xảy ra do ảnh hƣởng tổ hợp của các yếu tố nội ngoại sinh cùng với các hoạt
động kinh tế xã hội của con ngƣời trên bề mặt lƣu vực gây thiệt hại nghiêm trọng về
ngƣời và của [15]. Chính vì vậy mà Miền Trung là địa bàn đƣợc đông đảo giới
nghiên cứu khoa học đặc biệt quan tâm.
Vấn đề nghiên cứu chế độ mƣa lũ Miền Trung, tìm kiếm giải pháp cảnh báo
dự báo lũ luôn là vấn đề thời sự, nhằm góp phần hạn chế những mất mát to lớn do
thiên tai lũ lụt gây nên. Xuất phát từ những nhiệm vụ cụ thể mà các hƣớng nghiên
cứu trên địa bàn rất đa dạng và phong phú.
Đào Đình Bắc, Vũ Văn Phái, Đặng Văn Bào, Nguyễn Hiệu [7, 8, 9, 25] qua



18
nghiên cứu địa mạo đã tìm kiếm các giải pháp phục vụ việc cảnh báo lũ lụt và giảm
thiểu thiên tai trên lƣu vực sông Thu Bồn. Nguyễn Thanh Sơn, Trần Ngọc Anh [51,
54, 135] đã nghiên cứu các diễn biến bồi xói trên đoạn sông Hƣơng chảy qua thành
phố Huế. Nguyễn Văn Cƣ [14] đã đánh giá hiện trạng và bƣớc đầu tìm kiếm các
nguyên nhân lũ lụt vùng Nam Trung Bộ. Cao Đăng Dƣ đã đề xuất các biện pháp
tăng thời gian dự kiến dự báo lũ trên các sông Miền Trung [16] và đƣa các phƣơng
án dự báo, cảnh báo lũ trên các sông Trà Khúc và sông Vệ [18, 19]. Đặng Ngọc
Tĩnh [78] đã đề nghị áp dụng tin học trong dự báo, cảnh báo lũ Miền Trung.
Đặc biệt vào năm 1999, khi trên toàn bộ Miền Trung xảy ra trận lũ lịch sử
lớn nhất từ trƣớc đến nay, nhiều nhà nghiên cứu đã tổng kết và đƣa ra nhận định về
các nguyên nhân gây lũ nhƣ Bùi Đức Long và Đặng Thanh Mai [37], Nguyễn Văn
Cƣ [15]. Nguyễn Viết Thi [67] đã tiến hành nghiên cứu và tổng kết các hình thế thời
tiết chính gây mƣa lũ lớn trên các sông suối Miền Trung.
Việc áp dụng các mô hình toán trên địa bàn nghiên cứu, các công trình của
Lê Xuân Cầu, Nguyễn Văn Chƣơng [11], Nguyễn Hữu Khải [30], Trần Thục, Lê
Đình Thành, Đặng Thu Hiền [68] đã ứng dụng mô hình mạng thần kinh nhân tạo

(ANN) để tính toán dự báo lũ cho các sông Tả Trạch, Trà Khúc,Vệ và lũ quét trên
sông Dinh. Trần Thanh Xuân, Hoàng Minh Tuyển [94] đã sử dụng mô hình TANK
để tính toán lũ trên sông Tả Trạch. Bùi Đức Long áp dụng mô hình SSARR để dự
báo lũ trên sông Trà Khúc [38] và sông Cả [39]. Nguyễn Văn Lý [40] ứng dụng
hàm hồi quy nhiều biến dự báo đỉnh lũ các sông lƣu vực Nam Trung Bộ. Nguyễn
Thanh Sơn tiến hành nghiên cứu đặc điểm lũ tiểu mãn sông ngòi Bắc Trung Bộ [50]
và mô hình hoá lũ tiểu mãn sông ngòi Nam Trung Bộ [53]. Trần Thục [69, 73],
Phạm Việt Tiến [76] tiến hành dự báo và tính toán ngập lụt hệ thống sông Thu Bồn
– Vu Gia và hạ du sông Hƣơng.
Một nhóm các tác giả tiến hành các nghiên cứu về đánh giá tài nguyên nước
và đất và cân bằng nước lưu vực, từ đó đề xuất các giải pháp khai thác, sử dụng một
cách có hiệu quả nhất các nguồn tài nguyên này. Tiêu biểu là các công trình của



19
Ngô Đình Tuấn [83 - 85], đã đánh giá tài nguyên nƣớc, nhu cầu tƣới và cân bằng
nƣớc hệ thống các lƣu vực ven biển Miền Trung. Trần Thanh Xuân và cộng sự đã
tiến hành tính toán cân bằng nƣớc cho tỉnh Quảng Nam. Nguyễn Thanh Sơn đã đề
xuất các giải pháp định hƣớng sử dụng nƣớc lƣu vực đầm Trà Ổ (Bình Định) [52]
và quy hoạch tổng thể tài nguyên nƣớc tỉnh Quảng Trị đến năm 2010 [63 -64]. Trần
Thục, Huỳnh Thị Lan Hƣơng đã tiến hành các tính toán đánh giá ảnh hƣởng của sự
thay đổi sử dụng đất đến chế độ dòng chảy lƣu vực Trà Khúc [71]. Để bổ khuyết số
liệu còn thiếu và thƣa trên khu vực nghiên cứu đã sử dụng mô hình NLRRM để kéo
dài chuỗi dòng chảy từ tài liệu mƣa [129]: Nguyễn Thị Nga, Nguyễn Thanh Sơn
[41] áp dụng để bổ khuyết số liệu dòng chảy cho các lƣu vực sông tỉnh Quảng Trị,
Lƣơng Tuấn Anh, Evelina Harlsson, Karolina Persson [130] dùng mô hình này để
phân tích quan hệ mƣa - dòng chảy trên lƣu vực sông Túy Loan.
Tuy đã có khá nhiều công trình nghiên cứu trên địa bàn Miền Trung, nhƣng
có thể nhận thấy rằng phần lớn các mô hình dự báo đang đƣợc sử dụng là các mô

hình có thông số tập trung, thƣờng chỉ diễn toán tốt từ trạm thƣợng nguồn về hạ lƣu,
không xét đến sự biến động theo không gian của các yếu tố mặt đệm và phụ thuộc
vào điều kiện số liệu quan trắc khí tƣợng thuỷ văn nên có thời gian dự kiến ngắn
làm hạn chế công tác phòng chống lũ. Mặt khác, các mô hình ngoại nhập thƣờng là
các phần mềm có mã nguồn đóng theo mục đích thƣơng mại nên rất khó cập nhật
các điều kiện Việt Nam khi quá trình khai thác mặt đệm đang diễn ra hết sức phức
tạp theo thời gian và không gian. Vì lẽ đó, tác giả luận án này mạnh dạn xây dựng
một mô hình toán thông số dải, góp phần khắc phục những hạn chế nêu trên trong
công tác dự báo lũ cũng nhƣ trong việc khai thác sử dụng nƣớc và đất trên các lƣu
vực sông thƣợng nguồn ở Miền Trung.
1.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT LỚP MÔ HÌNH TOÁN MƢA - DÕNG CHẢY
Việc ứng dụng các công cụ toán học và logic học để xác định các mối liên hệ
định lƣợng giữa các đặc trƣng dòng chảy và các yếu tố hình thành nó là quá trình
mô hình hóa các hệ thống thủy văn. Các mô hình toán trong hệ thống thủy văn, sử
dụng đầu vào là mƣa, đầu ra là các đặc trƣng của dòng chảy đều thuộc lớp mô hình



20
toán mƣa – dòng chảy. Xét trên quan điểm hệ thống, các mô hình thuỷ văn thƣờng
có các thành phần chính theo sơ đồ sau: (1) Đầu vào của hệ thống; (2) Hệ thống và
(3) Đầu ra của hệ thống [21, 31, 168].



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

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

3. Mô hình thông số tập trung
U
j
(t)
K
j

Đầu vào (I)
Đầu ra (O)
Hệ thống (S)



21
i: Ký hiu tiu vựng thy vn
j: Ký hiu cỏc tng (tng mt, tng ngm, )
Ngun: Lng Tun Anh [2]
Mô hình tất định
(Deterministic models)
Mô hình thuỷ động lực học
(Hydro-dynamical models)
Mô hình nhận thức
(Conceptual models)
Mô hình hộp đen
(Black-box models)
Mô hình thông số dải
(Distruibuted models)
Mô hình thông số tập trung
(Concentrated models)
Phân phối theo đơn vị

diện tích nhỏ
(l-ới tính km
2
)
Phân phối theo đơn vị
diện tích lớn
(tiểu vùng thuỷ văn)

Hỡnh 1.1. Phõn loi cỏc mụ hỡnh thu vn tt nh
Vic ng dng cỏc mụ hỡnh nhn thc thụng s di theo tiu vựng thu vn
s gim c nhiu thụng s v cú kh nng ỏnh giỏ c tỏc ng ca lu vc
quy mụ trung bỡnh n dũng chy. Tuy nhiờn, cỏc mụ hỡnh loi ny cũn ớt c ph
bin rng rói v vic ng dng chỳng ũi hi s kt hp vi cỏc phng tin k
thut v cụng ngh tiờn tin cú cỏc chc nng x lý bn v cỏc thụng tin vin
thỏm [45, 108, 136, 151], nh h thng thụng tin a lý (GIS). Trong cỏc mụ hỡnh
tt nh, cỏc mụ hỡnh thụng s tp trung cú ớt thụng s, d s dng v c ng
dng rng rói. Cỏc mụ hỡnh n gin nh cỏc quan h thc nghim, mụ hỡnh ng
n v ó v s cũn chng t c tớnh hiu qu trong tớnh toỏn, d bỏo dũng chy
v cú khỏ nhiu mụ hỡnh thu vn la chn v ỏp dng trong thc t. Tuy nhiờn,
theo A. Becker [103], vic la chn tng mụ hỡnh ph thuc vo mc ớch, i
tng, tỡnh hỡnh s liu v cỏc iu kin t nhiờn ca lónh th nghiờn cu (Bng
1.2)
Bng 1.2. Mc ớch v i tng ng dng cỏc mụ hỡnh thu vn tt nh
STT
Mc ớch i tng ng dng mụ
Bc
Xp x khụng gian

22
hỡnh (cỏc bi toỏn thc tin)
thi gian
1
K hoch hoỏ v s dng v qun lý
ngun nc, bao gm vic lp k
hoch, chin lc phỏt trin
1 thỏng,
1 tun
Mụ hỡnh thụng s tp trung
hoc mụ hỡnh phõn phi theo
tiu vựng thu vn
2
ỏnh giỏ tỏc ng s bin i s
dng t quy mụ va n dũng chy,
ti nguyờn nc
1 thỏng,
1 tun
Mụ hỡnh phõn phi theo tiu
vựng thu vn
3
ỏnh giỏ tỏc ng ca s bin i
trong s dng t quy mụ nh n
dũng chy, xúi mũn lu vc,
1 ngy,
1-6 gi
Mụ hỡnh phõn phi di theo
li tớnh (thu ng lc hc)
4
D bỏo hn va, nht l thi k hn

hỏn
1 thỏng,
1 tun
Mụ hỡnh thụng s tp trung
hoc thụng s di
5
Ngoi suy chui dũng chy
1 ngy
1 tun
Mụ hỡnh thụng s tp trung
hoc thụng s di
6
Xõy dng chin lc phũng l, thit
k h cha, h thng h cha
1 ngy,
1-6 gi
Mụ hỡnh thụng s di theo tiu
vựng thu vn
7
Tớnh toỏn dũng chy l thit k
1 ngy,
1-6 gi
Mụ hỡnh thụng s tp trung
hoc thụng s di
8
Phõn tớch tỏc nghip, d bỏo ngn
hn
1-6 gi,
1 ngy
Mụ hỡnh thụng s tp trung

hoc thụng s di
Nguồn (A. Becker [103]
Về cấu trúc, các mô hình thuỷ văn tất định đơn giản hay phức tạp gồm các
bài toán thành phần sau:
- Diễn toán dòng chảy th-ờng dựa trên cơ sở hệ ph-ơng trình bảo toàn và
chuyển động của chất lỏng [2, 31, 46, 111, 118, 164, 166 -169].
- Tính l-ợng m-a sinh dòng chảy (hay còn gọi là l-ợng m-a hiệu quả hoặc
dòng chảy tràn) có thể đ-ợc -ớc tính thông qua ph-ơng trình khuyếch tán ẩm,
ph-ơng trình Boussinerq [10, 48, 167], ph-ơng pháp lý luận - thực nghiệm của
Alechsseep [161], các ph-ơng trình thấm của Green-Ampt, Horton, Phillip [111],
ph-ơng pháp SCS [111, 107, 138, 141, 149], ph-ơng trình cân bằng n-ớc [81, 82]
hoặc ph-ơng pháp hệ số dòng chảy [20, 58, 165].
- Cấu trúc tầng của mô hình (hay là các bể tuyến tính - phản ánh cơ chế hình
thành dòng chảy trên l-u vực, dòng chảy mặt, dòng chảy ngầm, ) đã đ-ợc trình bày



23
khá đầy đủ trong nhiều công trình trong [31] và ngoài n-ớc, [111, 163, 169]
- Xác định bộ thông số của mô hình đ-ợc lựa chọn qua kinh nghiệm thực tiễn
từ nguồn số liệu sẵn có hoặc dựa trên cơ sở các ph-ơng pháp giải các bài toán
ng-ợc, thử sai và tối -u hoá [31,118, 152, 171].
Từ năm 1935, Horton [dẫn trong 111] đã chỉ ra rằng, trong cơ chế hình thành
dòng chảy, c-ờng độ m-a v-ợt thấm là điều kiện cơ bản của sự hình thành dòng
chảy mặt. Hàm l-ợng n-ớc trong tầng đất thoáng khí v-ợt l-ợng n-ớc đồng ruộng là
điều kiện để sinh dòng chảy ngầm. Lý luận về sự hình thành dòng chảy này đã nói
rõ điều kiện hình thành dòng chảy ở tầng đất thoáng khí có cấu tạo đồng nhất nh-ng
không giải thích đ-ợc cơ chế hình thành dòng chảy ở tầng đất thoáng khí không
đồng nhất và tầng mặt có c-ờng độ thấm lớn.
Năm 1949, trong chuyên khảo "Cơ sở lý thuyết dòng chảy m-a rào" A. N.

Bephanhi [163] đã đ-a ra lý thuyết về sự hình thành dòng chảy s-ờn dốc. Trong đó,
dòng chảy s-ờn dốc đ-ợc chia ra 4 dạng: dòng v-ợt thấm, với c-ờng độ m-a lớn hơn
c-ờng độ thấm; dòng chảy bão hoà khi l-ợng m-a rơi v-ợt quá khả năng chứa thấm;
trong một số điều kiện thổ nh-ỡng và cấu trúc đất đá nhất định còn hình thành dòng
chảy sát mặt và chảy trong tầng đất đá, diễn ra theo hai cơ chế là dòng chảy bão hoà
và dòng chảy không bão hoà. Dòng chảy bão hoà th-ờng xảy ra ở vùng đủ ẩm
(X>PET) xuất hiện theo tầng đất nh- sau:
- Dòng chảy mặt xuất hiện ở tầng mặt của s-ờn dốc.
- Dòng chảy sát mặt (xuất hiện sau dòng chảy mặt và tr-ớc dòng chảy ngầm)
hình thành trong tầng đất từ bề mặt l-u vực đến tầng ít thấm t-ơng đối (đất tầng này
chủ yếu là đất mùn, tơi xốp), tầng đất này còn gọi là tầng rễ cây hoạt động.
- Dòng chảy ngầm hình thành từ mặt ít thấm t-ơng đối đến tầng không thấm.
Dòng chảy v-ợt thấm (dòng chảy không bão hoà) th-ờng xuất hiện ở vùng
thiếu ẩm hoặc hụt ẩm từng thời kỳ (X<PET). Khi có c-ờng độ m-a lớn, khả năng
thấm kém dòng chảy chỉ còn hai thành phần chính là dòng chảy mặt và dòng chảy
ngầm. Dòng chảy v-ợt thấm còn xuất hiện ở các nơi đủ ẩm, nh-ng có kết cấu thổ



24
nh-ỡng tầng mặt là tầng ít thấm t-ơng đối. Nh- vậy, theo A. N. Bephanhi, dòng
chảy s-ờn dốc có cấu trúc ba tầng đối với cơ chế bão hoà và hai tầng đối với cơ chế
v-ợt thấm. Lý thuyết Bephanhi khá hoàn chỉnh về ph-ơng diện lý luận. Các nghiên
cứu và thực nghiệm của ông và cộng sự [163] trên các bãi thực nghiệm chuẩn đã
chứng tỏ điều đó, tuy nhiên vào thời điểm công bố, việc thu thập các dữ liệu quan
trắc trên các mạng l-ới khí t-ợng thủy văn ch-a thể đáp ứng để triển khai ứng dụng.
Các lý luận hiện nay về cơ chế hình thành dòng chảy th-ờng bỏ qua ảnh
h-ởng của địa hình và kết cấu đất [2], và đó chính là nh-ợc điểm của chúng.
Việc ứng dụng các lý thuyết về cơ chế hình thành dòng chảy để mô hình hoá
các quá trình thuỷ văn cũng rất đa dạng. Nhiều tác giả chỉ mô phỏng dòng chảy mặt

và dòng chảy ngầm. Một số khác lại mô phỏng đủ cả dòng chảy mặt, sát mặt, dòng
chảy ngầm, dòng chảy tầng sâu, Tuy nhiên, dù xuất phát từ nhiều mục đích và lập
luận khác nhau để xây dựng các mô hình toán mô phỏng quá trình m-a dòng chảy,
nh-ng tất cả đều thống nhất ở chỗ là cần tập trung mô tả hai quá trình chính: quá
trình thấm và quá trình vận chuyển n-ớc trên l-u vực. Tùy vào mục đích khai thác,
sử dụng mà mô hình có thể phát triển hoặc theo h-ớng (1) nghiên cứu chi tiết hóa
thêm các quá trình thành phần (làm phức tạp mô hình) hoặc (2) khái quát hóa theo
không gian và nhóm tổ hợp các quá trình (đơn giản hóa mô hình).
Các mô hình có tính khái quát hóa cao là các mô hình thông số tập trung, mà
bộ thông số đ-ợc nhận cho toàn bộ l-u vực hay một vùng lãnh thổ lớn, khi đó mặc
nhiên thừa nhận tính đồng nhất không gian của các điều kiện mặt đệm. Các mô hình
này th-ờng đ-ợc sử dụng để vạch các kế hoạch chiến l-ợc khai thác tối -u tài
nguyên n-ớc, dự báo hạn dài hay khai thác lãnh thổ.
Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, việc thu thập xử lý số
liệu ngày càng trở nên đa dạng và chi tiết. Ngoài nguồn số liệu thu thập trên mạng
l-ới quan trắc khí t-ợng thủy văn, các số liệu nhận đ-ợc từ ảnh viễn thám, hàng
không, các bản đồ số với các phần mềm xử lý tiên tiến cho phép cập nhật thông 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 mô hình thông số phân bố theo dải hoặc



25
theo l-ới tính đ-ợc phát triển trên cơ sở các ph-ơng trình đạo hàm riêng có khả năng
mô tả các quá trình vật lý diễn ra trên l-u vực: tích n-ớc, bốc thoát hơi n-ớc, dòng
chảy tràn trên bề mặt l-u vực và trong lòng dẫn, chuyển động của n-ớc trong các
tầng đất bão hòa hoặc không bão hòa nh hng ca cỏc lp ph th nhng,
thc vt v cỏc hot ng nhõn sinh n quỏ trỡnh hỡnh thnh dũng chy cng c
xột n d dng. S tớch ly kin thc khỏ phong phỳ v cỏc quỏ trỡnh vt lý trong
chu trỡnh thy vn, s phỏt trin cao v cụng ngh trong vic thu thp thụng tin liờn

tc theo khụng gian v thi gian kt hp vi mỏy tớnh hin i cho kh nng x lý
cỏc ngun s liu a dng mt cỏch nhanh chúng ó m ra mt giai on mi trong
vic ng dng cỏc mụ hỡnh thy ng lc hc.
i vi cỏc sụng sui va v nh Min Trung, nm vựng m, do a
hỡnh dc, tng t xp, mựn mng, rng b suy gim, khi cú ma vi cng ln,
t b xúi mũn nờn dũng chy tp trung nhanh ch yu do tỏc dng ca trng lc
( dc) nờn vic mụ phng dũng chy mt bng cỏch ghộp dũng chy mt v dũng
chy sỏt mt trong nhiu trng hp l cú th chp nhn.
S dng cỏch tip cn mụ hỡnh hoỏ din toỏn dũng chy ti mt ct ca ra
ca lu vc ph thuc vo chớnh xỏc ca vic xỏc nh ma hiu qu v xỏc nh
cỏc thụng s iu khin ca h thng (lu vc), li ph thuc rt nhiu vo nhn
thc v cỏc iu kin a lý t nhiờn v cỏch mụ phng ca ngi s dng mụ hỡnh.
Tip cn mụ hỡnh hoỏ i vi cỏc bi toỏn thu vn thng nhm ti hai mc ớch:
1. Kho sỏt hin trng bng cỏc b s liu ma, dũng chy v mt m
xỏc nh b thụng s ti u, mụ phng chớnh xỏc nht quỏ trỡnh dũng chy, phc v
cỏc tớnh toỏn thit k v d bỏo.
2. Trờn c s mụ hỡnh c chn, tỏc ng n lu vc to ra b thụng s
hiu qu nht cho mc ớch khai thỏc, s dng hp lý ti nguyờn nc v t.
T cỏc phõn tớch trờn, la chn mụ hỡnh thy ng lc hc thụng s phõn b
l cú tớnh kh thi gii quyt cỏc bi toỏn ó t ra trong lun ỏn ny.



26
1.2.1. Mô hình thủy động lực học
Mô hình thuỷ động lực học dựa trên cơ sở xấp xỉ chi tiết không gian và tích
phân số trị các phƣơng trình đạo hàm riêng, mô tả các quá trình vật lý diễn ra trên
lƣu vực nhƣ phƣơng trình bảo toàn và chuyển động của chất lỏng. Đối với các mô
hình thuỷ động lực học, mô phỏng quá trình hình thành dòng chảy sông đƣợc chia
làm hai giai đoạn: chảy trên sƣờn dốc và trong lòng dẫn [163, 164].

Khi xây dựng các mô hình động lực học hai chiều mô phỏng dòng chảy sƣờn
dốc, một giả thuyết thƣờng đƣợc chấp nhận là chuyển động của nƣớc trên bề mặt
lƣu vực xảy ra dƣới dạng lớp mỏng liên tục [164, 166, 167]. Các kết quả khảo sát
thực địa [168] cho thấy, dòng chảy mặt liên tục chỉ quan sát đƣợc trong khoảng thời
gian ngắn, ít khi bao quát đƣợc một diện tích rộng và lớp nƣớc hình thành nhanh
chóng chuyển vào các rãnh suối. Nhƣ vậy, nếu bỏ qua thời gian chảy tập trung đến
các rãnh suối, có thể mô phỏng dòng chảy của các rãnh suối và lớp mỏng trên sƣờn
dốc với cùng một hệ phƣơng trình. Bản chất liên tục này của dòng chảy đã đƣợc đề
cập trong công trình của A.N. Bephanhi và cộng sự [163]. Mô hình động lực học
hai chiều xây dựng dựa trên cơ sở phƣơng trình Navie - Stoc, áp dụng cho dòng
chảy sƣờn dốc với các thành phần đƣợc lấy trung bình theo trục thẳng đứng 0z [152,
169]:
- Phƣơng trình liên tục:

     
IR
t
h
y
hV
x
hU









 ,,
(1.1)
- Phƣơng trình chuyển động
 
 
x
R
h
U
IR
gh
T
Sg
x
h
g
y
U
V
x
U
U
t
U
ox
ox























 Λ
ρ

 
 
y
R
h
V
IR
gh
T

Sg
y
h
g
y
V
V
x
V
U
t
V
oy
oy























 Λ
ρ
(1 2)
trong đó: U, V - vận tốc đƣợc trung bình hoá theo trục 0z ứng với trục 0x, 0y tƣơng
ứng; h - độ sâu lớp dòng chảy; S
ox
, S
oy
- độ dốc sƣờn dốc theo trục 0x, 0y tƣơng ứng;
T
ox
, T
oy
– ứng suất theo hƣớng 0x và 0y; R - cƣờng độ mƣa; I - cƣờng độ thấm;

-