Hướng dẫn sử dụng phần mềm HEC HMS

MỤC LỤC
PHẦN I. GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM HEC – HMS............................................................1
1.1 Giới thiệu về phần mềm HEC - HMS.............................................................................1
1.2 Ứng dụng của phần mềm.................................................................................................1
PHẦN II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHẦN MỀM...............................................................3
2.1 Các phương pháp tính mưa trong mô hình......................................................................4
2.2.1 Phương pháp biểu đồ mưa........................................................................................4
2.2.2 Phương pháp tính mưa bình quân trên lưu vực........................................................5
2.2 Các phương pháp tính tổn thất........................................................................................6
2.2.1 Phương pháp tốc độ thấm ban đầu và thấm ổn định (Intial and Constant Rate......7
2.2.2 Phương pháp chỉ số thấm CN (SCS Curve Number)..............................................8
2.2.3 Phương pháp tính thấm Green và Ampt.................................................................10
2.2.4 Phương pháp tính toán độ ẩm đất (Soil Moisture Accounting).............................11
2.3 Đường quá trình lũ đơn vị.............................................................................................13
2.3.1 Phương pháp cơ bản...............................................................................................14
2.3.2 Đường quá trình đơn vị tổng hợp...........................................................................14
2.4 Tính toán dòng chảy ngầm............................................................................................19
2.4.1 Các phương pháp cắt nước ngầm...........................................................................19
2.4.2. Phương pháp dòng chảy ngầm ổn định theo tháng (Constant Monthly)..............20
2.4.3. Hồ chứa tuyến tính (Linear Reservoir).................................................................20
2.5 Diễn toán dòng chảy......................................................................................................21
2.5.1 Phương pháp diễn toán sóng động học..................................................................22
2.5.2 Phương pháp Muskingum......................................................................................24
2.5.3 Phương pháp diễn toán Muskingum- Cunge.........................................................26
2.5.4. Modified Puls.........................................................................................................29
2.5.5. Phương pháp diễn toán Lag...................................................................................30
PHẦN III. HƯỚNG DẪN LẬP MÔ HÌNH HEC – HMS......................................................32
3.1 Chuẩn bị tài liệu.............................................................................................................32
3.2 Xây dựng mô hình.........................................................................................................32
3.2.1 Các bước xây dựng mô hình...................................................................................32
3.2.2 Khai báo các thông số cho hồ chưa – tính điều tiết lũ...........................................43

..........................................................................................................................................43
3.2.3 Phân tích kết quả tính toán.....................................................................................45


3.3 Ví dụ về tính toán lũ thiết kế cho công trình hồ chứa nước sông Mây – Đồng Nai....48
3.3.1 Bước 1: chuẩn bị tài liệu đầu vào...........................................................................48
3.3.2 Bước 2: Thiết lập mô hình......................................................................................50
3.3.3. Bước 3: Nhập các số liệu đầu vào bao gồm mưa, quan hệ lòng hồ vào mô hình 50
3.3.4. Bước 4: Tạo mô hình lưu vực (Basin Modun); Và khai báo các thông số lưu vực
..........................................................................................................................................53
3.3.5. Bước 5: Khai báo mô hình khí tượng....................................................................60
3.3.6. Bước 6. Khai báo modun điều khiển.....................................................................61
3.3.7. Bước 7. Mô phỏng.................................................................................................62
3.3.8. Xem và phân tích kết quả......................................................................................63
PHẦN IV. TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................65


QUY TRÌNH HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ

Hướng dẫn sử dụng phần mềm HEC - HMS

TẬP 8: HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THỦY VĂN – THỦY LỰC

Số hiệu: 17 - 08 - 01

r fu

PHẦN I. GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM HEC – HMS
1.1 Giới thiệu về phần mềm HEC - HMS
HEC - HMS (Hydrologic Engineering Center - Hydrologic Model System) là sản

phẩm của tập thể kỹ sư thủy văn thuộc hiệp hội thủy văn quân đội Hoa Kỳ. Mô hình đã góp
phần quan trọng trong việc tính toán dòng chảy lũ tại những con sông nhỏ, không có trạm
đo lưu lượng. Cho đến thời điểm này, mô hình đã liên tục được nâng cấp từ các phiên bản từ
mô hình HEC1 chạy trong môi trường DOS đến nay là mô hình HEC - HMS với các
Version 2.0, hiện nay phiên bản mới nhất là mô hình HEC - HMS Version 3.5.0 chạy trong
môi trường Windows.

Hình 1: Cửa sổ chính của phần mềm HEC – HMS
Phần mềm HEC – HMS có thể được Download miễn phí tại trang Web:
www.hec.usace.army.mil
1.2 Ứng dụng của phần mềm
HEC- HMS được xây dựng dựa trên cơ sở lý luận của mô hình HEC-1 nhằm mô
phỏng quá trình mưa - dòng chảy. Mô hình bao gồm hầu hết các phương pháp tính dòng
chảy lưu vực và diễn toán, phân tích đường tần suất lưu lượng, công trình xả của hồ chứa và

CÔNG TY TƯ VẤN & CHUYỂN GIAO CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐẠI HỌC
THỦY LỢI – CHI NHÁNH MIỀN NAM

Trang 1


QUY TRÌNH HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ

TẬP 8: HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THỦY VĂN – THỦY LỰC

Hướng dẫn sử dụng phần mềm HEC - HMS

Số hiệu: 17 - 08 - 01

r fu

vỡ đập của mô hình HEC-1. Chức năng phân tích thiệt hại lũ không được xây dựng trong
mô hình HEC-HMS mà được trình bày trong phần mềm HEC-FDA.
Mô hình HEC – HMS rất thích hợp cho việc tính toán dòng chảy lũ tại những con
sông không có trạm đo lưu lượng, hoặc trước đây có trạm đo lưu lượng nhưng giờ trạm đo
đó không còn họat động, rất thích hợp cho việc tính toán mô phỏng tại những lưu vực nhỏ.
HEC - HMS không những được ứng dụng trong phạm vi nước Mỹ, mà còn được ứng
dụng rộng rãi trên nhiều nước trên thế giới như Hà Lan, Đan Mạch, Ấn Độ, Trung Quốc,
Thái Lan, Việt Nam … Tại Việt Nam, mô hình HEC – HMS đã được nghiên cứu và ứng
dụng tính toán dòng chảy lũ trên các sông suối nhỏ thuộc miền Trung, Tây Nguyên, vùng
núi Bắc Bộ.
Với phiên bản mới Version 3.5.0 thì HEC – HMS được ứng dụng để.
-

Mô phỏng diễn biến của dòng chảy lũ trên lưu vực

-

Tính toán lũ thiết kế trên lưu vực

-

Dự báo dòng chảy lũ trên lưu vực

-

Điều tiết dòng chảy lũ qua hồ chứa.

…

CÔNG TY TƯ VẤN & CHUYỂN GIAO CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐẠI HỌC
THỦY LỢI – CHI NHÁNH MIỀN NAM

Trang 2


QUY TRÌNH HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ

TẬP 8: HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THỦY VĂN – THỦY LỰC

Hướng dẫn sử dụng phần mềm HEC - HMS

Số hiệu: 17 - 08 - 01

r fu

PHẦN II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHẦN MỀM
Mô hình HEC - HMS được sử dụng để mô phỏng quá trình hình thành dòng chảy lũ
trên lưu vực theo sơ đồ sau:
Tổn thất (Z)

Mưa (X)

Đường lũ đơn vị

Dòng Chảy (Y)
Y=X–Z

Đường quá trình lũ (Q ~t)
qP

Ta có thể hình dung bản chất của sự hình thành dòng chảy của một trận lũ như sau:
Khi mưa bắt đầu rơi cho đến một thời điểm t i nào đó, dòng chảy mặt chưa được hình thành,
lượng mưa ban đầu đó tập trung cho việc làm ướt bề mặt và thấm. Khi cường độ mưa vượt
quá cường độ thấm (mưa hiệu quả) thì trên bề mặt bắt đầu hình thành dòng chảy, chảy tràn
trên bề mặt lưu vực, sau đó tập trung vào mạng lưới sông suối. Sau khi đổ vào sông, dòng
chảy chuyển động về hạ lưu, trong quá trình chuyển động này dòng chảy bị biến dạng do
ảnh hưởng của đặc điểm hình thái và độ nhám lòng sông.
Theo sơ đồ này HEC - HMS bao gồm tổ hợp nhiều phương pháp tính toán:
Tính toán mưa bình quân lưu vực.
Tính toán tổn thất trên bề mặt lưu vực.
Tính toán dòng chảy đơn vị.
Diễn toán dòng chảy lũ.
Diễn toán dòng chảy qua hồ chưa
Diễn toán dòng chảy qua công trình trên hồ chưa (Đập, tràn xả lũ, cửa lấy nước …)
+ Tổn thất
Một tập hợp các phương pháp khác nhau có sẵn trong mô hình để tính toán tổn thất.
Có thể lựa chọn một phương pháp tính toán tổn thất trong số các phương pháp : Phương
pháp tính thấm theo hai giai đoạn- Thấm ban đầu và thấm hằng số (Initial and Constant),
thấm theo số đường cong thấm của cơ quan bảo vệ đất Hoa Kỳ (SCS Curve Number), thấm
theo Gridded SCS Number và thấm theo hàm Green and Ampt. Phương pháp Deficit and
Constant có thể áp dụng cho các mô hình liên tục đơn giản. Phương pháp tính độ ẩm đất bao
gồm 5 lớp đước áp dụng cho các mô hình mô phỏng quá trình thấm phức tạp và bao gồm
bốc hơi.
+ Chuyển đổi dòng chảy
Có nhiều phương pháp để chuyển lượng mưa hiệu quả thành dòng chảy trên bề mặt
của khu vực. Các phương pháp đường đơn vị bao gồm: đường đơn vị tổng hợp Clack,
Snyder và đường đơn vị không thứ nguyên của cơ quan bảo vệ đất Hoa Kỳ. Ngoài ra
phương pháp tung độ đường đơn vị xác định bởi người sử dụng cũng có thể được dùng.
CÔNG TY TƯ VẤN & CHUYỂN GIAO CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐẠI HỌC

THỦY LỢI – CHI NHÁNH MIỀN NAM

Trang 3


QUY TRÌNH HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ

TẬP 8: HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THỦY VĂN – THỦY LỰC

Hướng dẫn sử dụng phần mềm HEC - HMS

Số hiệu: 17 - 08 - 01

r fu

Phương pháp Clark sửa đổi (Mod Clark) là một phương pháp đường đơn vị không phân bố
tuyến tính được dùng với lưới mưa. Mô hình còn bao gồm cả phương pháp sóng động học
+ Diễn toán kênh hở
Một số phương pháp diễn toán thủy văn được bao gồm để tính toán dòng chảy trong
các kênh hở. Diễn toán mà không tính đến sự suy giảm có thể được mô phỏng trong phương
pháp trễ. Mô hình bao gồm cả phương pháp diễn toán truyền thống Muskingum. Phương
pháp Puls sửa đổi cũng có thể được dùng để mô phỏng một đoạn sông như là một chuỗi các
thác nước, các bể chứa với quan hệ lượng trữ - dòng chảy ra được xác định bởi người sử
dụng. Các kênh có mặt cắt ngang hình thang, hình chữ nhật, hình tam giác hay hình cong có
thể được mô phỏng với phương pháp sóng động học hay Muskingum- Cunge. Các kênh có
diện tích bãi được mô phỏng với phương pháp Muskingum- Cunge và phương pháp mặt cắt
ngang 8 điểm.
+ Tính toán mưa - dòng chảy
Chương trình tính toán được tạo bằng cách kết hợp mô hình lưu vực, mô hình khí
tượng - thủy văn và mô hình điều khiển chương trình.

Các kết quả tính toán được xem từ lược đồ mô hình lưu vực. Bảng tổng kết chung và
bảng tổng kết từng phần chứa các thông tin về lưu lượng đỉnh lũ và tổng lượng. Mỗi một
yếu tố đều có các bảng tổng kết và đồ thị.
+ Hiệu chỉnh thông số
Hầu hết thông số của các phương pháp có trong mô hình lưu vực và trong yếu tố
đoạn sông đều có thể ước tính bằng phương pháp dò tìm tối ưu. Mô hình gồm có 4 hàm mục
tiêu để dò tìm thông số. Việc dò tìm thông số tối ưu nhằm mục đích tìm ra bộ thông số thích
hợp nhất để cho kết quả tính toán phù hợp với kết quả thực đo.
2.1 Các phương pháp tính mưa trong mô hình
Trong phần mềm HEC – HMS bao gồm các phương pháp tính toán mưa bình quân
trên lưu vực như sau:
 Phương pháp biểu đồ mưa.
 Phương pháp tính mưa bình quân
 Phương pháp bình quân số học.
 Phương pháp trung bình có trọng số
• Phương pháp đa giác Theissen
• Phương pháp đường đẳng trị mưa.
2.2.1 Phương pháp biểu đồ mưa
Mưa được sử dụng là đầu vào cho quá trình tính toán dòng chảy ra của lưu vực.
CÔNG TY TƯ VẤN & CHUYỂN GIAO CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐẠI HỌC
THỦY LỢI – CHI NHÁNH MIỀN NAM

Trang 4


QUY TRÌNH HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ

TẬP 8: HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THỦY VĂN – THỦY LỰC

Hướng dẫn sử dụng phần mềm HEC - HMS

Số hiệu: 17 - 08 - 01

r fu

Mô hình HEC- HMS là mô hình thông số tập trung, mỗi lưu vực con có một trạm đo
mưa đại diện. Lượng mưa ở đây được xem là mưa bình quân lưu vực (phân bố đồng đều
trên toàn lưu vực). Dù mưa được tính theo cách nào đều tạo nên một biểu đồ mưa như hình
2. Biểu đồ mưa biểu thị chiều sâu lớp nước trung bình trong một thời đoạn tính toán.

Hình 2: Biểu đồ mưa tính toán
2.2.2 Phương pháp tính mưa bình quân trên lưu vực
 Tính mưa theo phương pháp trung bình số học
Lớp nước mưa trung bình trên lưu vực là giá trị trung bình số học của lượng mưa tại
các trạm đo mưa nằm trên lưu vực.
n

X=

∑ X( )
i

i =1

(2.1)

n

Trong đó:
Xi : lượng mưa tại trạm thứ i

n : số trạm đo mưa trên lưu vực
 Tính mưa theo phương pháp trung bình có trọng số
 Phương pháp đa giác Theissen
Trọng số là hệ số tỷ lệ giữa phần diện tích của lưu vực do một trạm mưa nằm trong
lưu vực hoặc bên cạnh lưu vực đại biểu với toàn bộ diện tích lưu vực. Diện tích bộ phận
khống chế bởi mỗi trạm mưa được xác định như sau: Nối liền các trạm đo mưa bằng các

CÔNG TY TƯ VẤN & CHUYỂN GIAO CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐẠI HỌC
THỦY LỢI – CHI NHÁNH MIỀN NAM

Trang 5


QUY TRÌNH HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ

TẬP 8: HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THỦY VĂN – THỦY LỰC

Hướng dẫn sử dụng phần mềm HEC - HMS

Số hiệu: 17 - 08 - 01

r fu

đoạn thẳng chia lưu vực thành nhiều hình tam giác, kẻ các đường trung trực của các cạnh
tam giác, các đường này sẽ là giới hạn diện tích bộ phận của từng trạm đo.
Lượng mưa trung bình trên lưu vực được tính theo công thức sau:
n

X =

∑X
i =1
n

∑
i =1

i

fi

(2.2)
fi

Trong đó:
Xi : lượng mưa đo được tại trạm thứ i
fi : diện tích lưu vực bộ phận thứ i
n : số trạm đo mưa ( cũng là số diện tích lưu vực bộ phận )
 Phương pháp đường đẳng trị mưa:
Trọng số là tỷ số giữa diện tích kẹp giữa hai đường đẳng trị mưa và diện tích toàn bộ
của lưu vực.
Trong công thức (2.2) thì Xi là lượng mưa trung bình của hai đường đẳng trị mưa kề
nhau, fi là diện tích bộ phận nằm giữa hai đường ấy.

Hình 3: Phương pháp tính mưa theo đa giá Theissen và đường đẳng trị mưa
2.2 Các phương pháp tính tổn thất
Nước mưa điền trũng và thấm được gọi là lượng tổn thất trong HEC-HMS. Lượng
điền trũng và thấm được biểu thị bằng lượng trữ nước trên bề mặt của lá cây hay cỏ, lượng
tích đọng cục bộ trên bề mặt đất, trong các vết nứt, kẽ hở hoặc trên mặt đất ở đó nước không
CÔNG TY TƯ VẤN & CHUYỂN GIAO CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐẠI HỌC

THỦY LỢI – CHI NHÁNH MIỀN NAM

Trang 6


QUY TRÌNH HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ

TẬP 8: HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THỦY VĂN – THỦY LỰC

Hướng dẫn sử dụng phần mềm HEC - HMS

Số hiệu: 17 - 08 - 01

r fu

tự do di chuyển như dòng chảy trên mặt đất. Thấm biểu thị sự di chuyển của nước xuống
những vùng nằm dưới mặt đất.
Hai nhân tố quan trọng nên được chú ý khi tính toán tổn thất mưa. Thứ nhất, lượng
mưa không tham gia vào quá trình dòng chảy được coi là bị tổn thất từ hệ thống. Thứ hai,
các phương trình được dùng để tính toán lượng tổn thất không tính đến sự phục hồi độ ẩm
hay lượng trữ bề mặt đất. Thực tế này đã cho biết chương trình HEC-HMS là mô hình có xu
thế áp dụng cho hiện tượng mưa - lũ đóng.
Tính toán tổn thất mưa có thể được sử dụng theo cả đường đơn vị hay các thành phần
mô hình sóng động học. Trong trường hợp dùng thành phần đường đơn vị, lượng tổn thất
được xem là đều trên toàn lưu vực (phân bố đều trên toàn lưu vực). Theo cách khác lượng
tổn thất mưa riêng biệt có thể được xác định cho mỗi vùng dòng chảy riêng biệt trên mặt đất
trong thành phần sóng động học. Lượng tổn thất được xem là phân bố đều trên toàn bộ mỗi
vùng dòng chảy tràn qua.
Trong vài trường hợp cá biệt có những lượng tổn thất không đáng kể theo vị trí của
lưu vực con. Điều này đúng cho những vùng là hồ tự nhiên, hồ nhân tạo hay những vùng

không thấm. Trong trường hợp này tổn thất không được tính toán theo phần trăm xác định
của diện tích không thấm.
Mô hình HEC-HMS có 4 phương pháp được dùng để tính toán tổn thất. Dùng bất kỳ
phương pháp nào ta đều tính được lượng tổn thất trung bình trong một thời đoạn tính toán,
lượng mưa hiệu quả được dùng để tính toán đường quá trình dòng chảy ra cho lưu vực. Một
hệ số không thấm tính theo phần trăm được sử dụng với các phương pháp để bảo đảm tại
phần diện tích không thấm đó 100% mưa sẽ sinh dòng chảy.
-

Phương pháp tốc độ thấm ban đầu và thấm ổn định (Intial and Constant Rate)

-

Phương pháp chỉ số CN (SCS Curve Number)

-

Phương pháp tính thấm Green và Ampt

-

Phương pháp tính toán độ ẩm của đất (Soil Moisture Accounting)

2.2.1 Phương pháp tốc độ thấm ban đầu và thấm ổn định (Intial and Constant Rate
Khái niệm cơ bản của phương pháp này là: Tỷ lệ tiềm năng lớn nhất của tổn thất mưa
fc, nó không đổi trong suốt cả trận mưa. Do vậy, nếu pt là lượng mưa trong khoảng thời gian
từ t đến t + ∆t, lượng mưa hiệu quả pet trong thời đoạn đó được cho bởi:
pet = pt – fc

nếu pt > fc

pet = 0

nếu pt ≤ fc

(2.3)

Quá trình thấm bắt đầu từ một cường độ thấm I a nào đó, sau đó giảm dần cho đến khi
đạt tới một giá trị không đổi fc. Tổn thất ban đầu được thêm vào mô hình để biểu thị hệ số
trữ nước của lưu vực. Hệ số trữ là kết quả của sự giữ nước của thảm phủ thực vật trên lưu
vực, nước được trữ trong những chỗ lõm bị thấm hay bốc hơi gọi là tổn thất điền trũng. Tổn
CÔNG TY TƯ VẤN & CHUYỂN GIAO CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐẠI HỌC
THỦY LỢI – CHI NHÁNH MIỀN NAM

Trang 7


QUY TRÌNH HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ

TẬP 8: HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THỦY VĂN – THỦY LỰC

Hướng dẫn sử dụng phần mềm HEC - HMS

Số hiệu: 17 - 08 - 01

r fu

thất này xảy ra trước khi hình thành dòng chảy trên lưu vực. Khi lượng mưa rơi trên lưu vực
chưa vượt quá lượng tổn thất ban đầu thì chưa sinh dòng chảy.
Lượng mưa hiệu quả được tính theo công thức:

pet = 0

nếu Σ pi < Ia

pet = pt - fc nếu Σ pi > Ia và pt > fc
pet = 0

(2.4)

nếu Σ pi > Ia và pt< fc

Những thông số của phương pháp này biểu thị các đặc trưng vật lý các lớp đất của
lưu vực, điều kiện ẩm kỳ trước.
Nếu lưu vực ở điều kiện bão hòa ẩm, tổn thất ban đầu sẽ tiến dần tới 0. Nếu lưu vực
khô hạn, tổn thất ban đầu sẽ lớn biểu thị lớp nước mưa lớn nhất rơi trên lưu vực nhưng
không sinh dòng chảy, điều này sẽ phụ thuộc vào địa hình lưu vực, việc sử dụng đất, loại
đất và việc xử lý đất.
2.2.2 Phương pháp chỉ số thấm CN (SCS Curve Number)
Cơ quan bảo vệ thổ nhưỡng Hoa Kỳ (1972) đã phát triển một phương pháp để tính
tổn thất dòng chảy từ mưa gọi là phương pháp SCS. Mục đích là thành lập một hệ thống
phân loại đất để sử dụng trong bản đồ dùng đất trên toàn quốc. Ta đã thấy, trong một trận
mưa, độ sâu mưa hiệu dụng hay độ sâu dòng chảy trực tiếp P e không bao giờ vượt quá độ
sâu mưa P. Tương tự như vậy, sau khi quá trình dòng chảy bắt đầu, độ sâu nước bị cầm giữ
có thực trên lưu vực Fa bao giờ cũng nhỏ hơn hoặc bằng một độ sâu nước cầm giữ tiềm năng
tối đa S nào đó (hình 4). Ta còn có một lượng mưa I a bị tổn thất hết nên không sinh dòng
chảy, đó là lượng tổn thất ban đầu trước thời điểm sinh nước đọng trên bề mặt lưu vực. Do
đó, ta có lượng dòng chảy tiềm năng là P – I a. Trong phương pháp SCS, người ta giả thieets
rằng: tỷ số giữa hai đại lượng có thực Pe và Fa thì bằng với tỷ số giữa hai đại lượng tiềm
năng P – Ia và S. Vậy ta có:
Fa

Pe
=
S
P − Ia

(2.5)

Từ nguyên lý liên tục, ta có:
P = P e + Ia + F a

(2.6)

Kết hợp (2.5) và (2.6) để giải:
Pe =

( P − Ia )2
P − Ia + S

(2.7)

Đó là phương trình cơ bản của phương pháp SCS để tính độ sâu mưa hiệu dụng hay
dòng chảy trực tiếp từ một trận mưa.

CÔNG TY TƯ VẤN & CHUYỂN GIAO CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐẠI HỌC
THỦY LỢI – CHI NHÁNH MIỀN NAM

Trang 8


QUY TRÌNH HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ

TẬP 8: HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THỦY VĂN – THỦY LỰC

Hướng dẫn sử dụng phần mềm HEC - HMS

Số hiệu: 17 - 08 - 01

Cường độ mưa

r fu

Pe

Ia

Fa

Hình 4. Tổn thất dòng chảy theo phương pháp SCS
Thời gian

Qua nghiên cứu các kết quả thực nghiệm trên nhiều lưu vực nhỏ, người ta đã xây
dựng được qua hệ kinh nghiệm:
Ia = 0,2*S

(2.8)

Do đó:
Pe =

( P − 0,2S ) 2

P + 0,8S

(2.9)

Lập đồ thị quan hệ giữa P và Pe bằng các số liệu của nhiều lưu vực, người ta đã tìm ra
được họ các đường cong. Để tiêu chuẩn hóa các đường cong này, người ta sử dụng số liệu
của đường cong CN làm thông số. Đó là một số không thứ nguyên, lấy giá trị trong khoảng
(0,100). Đối với bề mặt không thấm nước hoặc mặt nước, CN = 100; đối với bề mặt tự
nhiên, CN < 100.
Theo phương pháp này, lưu vực được chia thành các ô nhỏ và CN được tính toán cho
từng ô nhỏ, sau đó lấy giá trị trung bình cho toàn lưu vực:
n

CN ( II ) =

∑ A CN
i

i =1

n

∑A
i −1

i

(2.10)

i

Trong đó:
CN(II) là độ ẩm thời kỳ trước của đất trong điều kiện bình thường

Ai là diện tích của từng ô tính toán trên lưu vực
CNi là độ ẩm của từng ô tính toán
n là số ô tính toán
Số hiệu của đường cong CN và S liên hệ với nhau qua phương trình:

CÔNG TY TƯ VẤN & CHUYỂN GIAO CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐẠI HỌC
THỦY LỢI – CHI NHÁNH MIỀN NAM

Trang 9


QUY TRÌNH HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ

TẬP 8: HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THỦY VĂN – THỦY LỰC

Hướng dẫn sử dụng phần mềm HEC - HMS

Số hiệu: 17 - 08 - 01

r fu

Độ ẩm của đất trước trận mưa đang xét được gọi là độ ẩm kỳ trước. Độ ẩm này được
chia thành ba nhóm: độ ẩm kỳ trước trong điều kiện bình thường ( ký hiệu là AMC II),
trong điều kiện khô (AMC I) và trong điều kiện ướt (AMC III ).
Đối với điều kiện khô ( AMC I ) hoặc điều kiện ướt ( AMC III ), các số liệu đường
cong tương đương có thể được suy ra như sau:

CN ( I ) =

4.2 * CN ( II )
10 − 0.0568 * CN ( II )

(2.13)

23 * CN ( II )
10 + 0.13 * CN ( II )

(2.14)

CN ( III ) =

Các số hiệu của đường cong CN đã được cơ quan bảo vệ thổ nhưỡng Hoa Kỳ lập
thành bảng tính sẵn dựa trên phân loại đất và tình hình sử dụng đất. Đất được phân thành 4
nhóm theo định nghĩa sẵn như sau:
Nhóm A: cát tầng sâu, hoàng thổ sâu và phù sa kết tập
Nhóm B: hoàng thổ nông, đất mùn pha cát
Nhóm C: mùn pha sét, mùn pha cát tầng nông, đất có hàm lượng chất hữu cơ thấp và
đất pha sét cao
Nhóm D: đất nở ra rõ rệt khi ướt, đất sét dẻo nặng và đất nhiễm mặn.
Nếu lưu vực tạo thành bởi nhiều loại đất và có nhiều tình hình sử dụng đất khác
nhau, ta có thể tính một giá trị hỗn hợp của CN.
2.2.3 Phương pháp tính thấm Green và Ampt
Green và Ampt (1911) đã đề nghị bức tranh giản hóa về thấm như minh họa trong
hình 5. Frônt ướt là một biên giới rõ rệt phân chia đất có hàm lượng ẩm θ i ở bên dưới với
đất bão hoà có hàm lượng ẩm η ở bên trên. Front ướt thâm nhập vào đất tới độ sâu L ở thời
điểm t tính từ khi thấm bắt đầu. Trên mặt đất có một lớp nước đọng mỏng với chiều sâu h 0.
h

0
o

Vùng ướt

L

(đ
ộ ẩm K)
Front ướt

θr

θi

∆θ

θe

η

Hình 5. Các biến số trong phương pháp thấm Green- Ampt

CÔNG TY TƯ VẤN & CHUYỂN GIAO CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐẠI HỌC
THỦY LỢI – CHI NHÁNH MIỀN NAM

Trang 10


QUY TRÌNH HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ

TẬP 8: HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THỦY VĂN – THỦY LỰC

Hướng dẫn sử dụng phần mềm HEC - HMS

Số hiệu: 17 - 08 - 01

r fu

Xét một cột đất thẳng đứng có diện tích mặt cắt ngang bằng đơn vị và xác định thể
tích kiểm tra là thể tích bao quanh đất ướt giữa mặt đất và độ sâu L. Nếu lúc đầu, đất có hàm
lượng ẩm θ i trên toàn bộ chiều sâu thì hàm lượng ẩm của đất sẽ tăng lên từ θ i tới η (độ
rỗng) khi front ướt đi qua. Hàm lượng ẩm θ i là tỷ số của thể tích nước trong đất so với tổng
thể tích bên trong thể tích kiểm tra, do đó lượng gia tăng của nước trữ bên trong thể tích
kiểm tra do thấm sẽ là L( η -θ i ) đối với một đơn vị diện tích mặt cắt ngang. Độ sâu luỹ tích
của nước mưa thấm vào trong đất được tính:
F(t) = L( η - θ i ) = L∆θ

(2.15)

với ∆θ = η − θ i
Khi đã tìm được F, ta có thể xác định được tốc độ thấm f bằng phương trình sau:
ψ∆θ

f (t ) = K 
+ 1
 F (t ) 

Trong đó:

(2.16)

K là độ dẫn thủy lực của đất
ψ là cột nước mao dẫn của front ướt
∆θ

là khả năng thấm của tầng đất

F là độ sâu luỹ tích của nước thấm vào đất

F (t ) 

F (t ) = Kt + ψ∆θ ln1 +
 ψ∆θ 

(2.17)

Phương trình (2.17) là phương trình phi tuyến đối với F, giải phương trình này bằng
phương pháp thay thế liên tiếp. Cho trước các giá trị của K, t, ψ và ∆θ . Trước hết, giả thiết
một giá trị thăm dò của F và gán vào vế phải của (2.17) (nên chọn giá trị thăm dò đầu tiên F
= Kt), từ đó tính được giá trị mới của F ở vế trái. Giá trị mới này lại được coi là giá trị thăm
dò thứ hai của F để gán vào vế phải, lặp lại cho đến khi các giá trị tính toán của F hội tụ về
một hằng số. Giá trị tính toán cuối cùng của F được thay thế vào (2.16) để xác định tốc độ
thấm tiềm năng f tương ứng.
Khi áp dụng mô hình Green- Ampt cần phải ước lượng được các thông số K, η và ψ
. Quan hệ biến đổi của cột nước mao dẫn và độ dẫn thủy lực theo hàm lượng ẩm θ đã được
Brooks và Corey (1964) nghiên cứu. Qua nhiều thí nghiệm đối với nhiều loại đất khác nhau,
hai ông đã kết luận rằng cột nước mao dẫn ψ có thể được biểu thị bằng một hàm logarit của
độ bão hoà hiệu dụng se.
2.2.4 Phương pháp tính toán độ ẩm đất (Soil Moisture Accounting)

Phương pháp tính toán độ ẩm đất ( SMA ) dùng hệ thống bể chứa 5 lớp bao gồm sự
trữ nước tầng trên cùng, sự trữ nước trên bề mặt, tầng sát mặt đất và trong hai tầng ngầm
với bốc hơi để mô phỏng thấm. Dung tích trữ và tỉ lệ thấm lớn nhất được xác định riêng biệt

CÔNG TY TƯ VẤN & CHUYỂN GIAO CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐẠI HỌC
THỦY LỢI – CHI NHÁNH MIỀN NAM

Trang 11


QUY TRÌNH HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ

Hướng dẫn sử dụng phần mềm HEC - HMS

TẬP 8: HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THỦY VĂN – THỦY LỰC

Số hiệu: 17 - 08 - 01

r fu

từ các lưu vực con trong các đơn vị SMA, nhiều lưu vực con có thể dùng cùng một đơn vị
SMA. Sơ đồ biểu diễn tổn thất trong tính toán mưa- dòng chảy:

Hình 6. Sơ đồ tính thấm theo độ ẩm của đất
Tính toán thấm cho mỗi bước thời gian được tính trước bốc hơi. Lượng trữ được yêu
cầu cho mỗi bước thời gian theo trình tự sau:
+ Trữ tầng trên
+ Trữ bề mặt
+ Trữ ở lớp đất sát mặt
+ Nước ngầm tầng 1

+ Nước ngầm tầng 2
Lượng mưa rơi xuống lưu vực trước tiên được giữ trên bề mặt lá cây. Sau khi trữ
trên lá cây đã đủ mưa được trữ vào bề mặt đất. Nước thấm từ bề mặt xuống các lớp đất theo
tỉ lệ tăng dần đến tỉ lệ thấm lớn nhất. Khi lượng tích đọng bề mặt đã đủ, mưa vượt quá tỉ lệ
thấm lớn nhất trở thành mưa hiệu quả và sinh dòng chảy mặt. Nước trong các lớp đất thấm

CÔNG TY TƯ VẤN & CHUYỂN GIAO CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐẠI HỌC
THỦY LỢI – CHI NHÁNH MIỀN NAM

Trang 12


QUY TRÌNH HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ

TẬP 8: HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THỦY VĂN – THỦY LỰC

Hướng dẫn sử dụng phần mềm HEC - HMS

Số hiệu: 17 - 08 - 01

r fu

xuống tầng ngầm 1. Nước trong tầng ngầm 1 tạo thành dòng chảy ngầm chảy với tốc độ
chậm và sau đó thấm xuống tầng ngầm 2. Nước trong tầng ngầm 2 hình thành dòng chảy
ngầm và tiếp tục thấm sâu xuống tầng không thấm.
Bốc hơi được tính toán theo trình tự sau:
+ Canopy interception ( Bị giữ bởi tán cây)
+ Surface depression ( Điền trũng)
+ Surface runoff ( Dòng chảy mặt)
+ Soil profile storage ( Lớp đất sát mặt )

Bốc hơi mặt nước chỉ xảy ra khi có lớp nước mưa trên bề mặt đất. Một thời gian sau
khi mưa, khi bề mặt đã khô sẽ chuyển sang bốc hơi mặt đất.
2.3 Đường quá trình lũ đơn vị
Đường quá trình đơn vị là đồ thị hàm phản ứng dải xung đơn vị của một hệ thống
thủy văn tuyến tính. Do Sherman đưa ra đầu tiên vào năm 1932, đường quá trình đơn vị (lúc
đầu gọi là biểu đồ đơn vị) được định nghĩa là đường quá trình dòng chảy trực tiếp tạo ra bởi
1 inch mưa vượt thấm (hay 1cm đối với hệ met) phân bố đều trên lưu vực theo một cường
độ mưa không đổi trong một đơn vị thời gian. Đầu tiên, Sherman đã dùng từ “đơn vị” để chỉ
một đơn vị thời gian, nhưng sau đó từ “đơn vị” được dùng để chỉ một đơn vị độ sâu mưa
vượt thấm.
Đường quá trình đơn vị là một mô hình đơn giản mà ta có thể sử dụng để xây dựng
các đường quá trình dòng chảy trong sông tạo ra bởi một lượng mưa vượt thấm bất kỳ. Lý
thuyết của mô hình này gắn liền với các giả thiết cơ bản sau:
* Mưa vượt thấm có cường độ mưa không đổi trong suốt thời gian mưa.
* Mưa vượt thấm phân bố đều trên toàn diện tích lưu vực.
* Thời gian đáy của đường quá trình dòng chảy trực tiếp (tức là thời gian duy trì
dòng chảy trực tiếp) tạo ra bởi mưa vượt thấm trong một thời gian mưa cho trước thì không
đổi.
* Tung độ của các đường quá trình dòng chảy trực tiếp của một thời gian đáy chung
tỷ lệ thuận với tổng lượng dòng chảy trực tiếp biểu thị bởi mỗi đường quá trình.
* Đối với một lưu vực ch trước, đường quá trình dòng chảy tạo ra bởi một trận mưa
hiệu dụng cho trước phản ánh các đặc trưng không thay đổi của lưu vực.
Trong các điều kiện tự nhiên, các giả thiết trên không thể thoả mãn hoàn toàn. Tuy
nhiên khi các số liệu thủy văn dùng trong tính toán được chọn lọc để phù hợp tốt nhất với
các giả thiết trên thì kết quả tính của mô hình đường đơn vị nói chung vẫn có thể chấp nhận
được trong các tính toán thực tiễn (Heerdergen, 1974).

CÔNG TY TƯ VẤN & CHUYỂN GIAO CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐẠI HỌC
THỦY LỢI – CHI NHÁNH MIỀN NAM

Trang 13


QUY TRÌNH HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ

TẬP 8: HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THỦY VĂN – THỦY LỰC

Hướng dẫn sử dụng phần mềm HEC - HMS

Số hiệu: 17 - 08 - 01

r fu

Đường đơn vị có thể được đưa trực tiếp vào chương trình hoặc đường đơn vị tổng
hợp có thể được tính toán từ các thông số được cung cấp bởi người sử dụng.
2.3.1 Phương pháp cơ bản
Phương trình chập thời gian rời rạc cho phép ta tính toán lưu lượng dòng chảy trực
tiếp Qn khi cho mưa vượt thấm Um và đường quá trình đơn vị Xn-m+1.
Biểu đồ mưa hiệu quả được chuyển thành dòng chảy lưu vực bằng cách sử dụng
phương trình sau:
Qn =

n≤M

∑U
m =1

m

X n −m +1

(2.15)

Ta cần áp dụng một quá trình giải nghịch để suy ra đường quá trình đơn vị từ các số
liệu đã cho của Um và Qn. Giả sử trong trận mưa tính toán có M dải xung của mưa vượt thấm
và N lưu lượng dòng chảy trực tiếp. Ta có thể thành lập được N phương trình cho Q i, i = 1,
2, …, N theo N - M + 1 ẩn của đường quá trình đơn vị theo bảng sau:
Q1 = U 1 X1
Q2

= U2X1 + U1X2

Q3

= U3X1 + U2X2 + U1X3
…

QM

= UMX1 + UM-1X2 +… + U1XM

QM+1 = 0

+ UMX2 +… + U2XM + U1XM+1
…

QN-1

=0

+ 0 +… + 0 + 0

+… + UMXN-M + UM-1XN-M-1

QN

=0

+ 0 +… + 0 + 0

+… + 0

+ UMXN-M+1

Nếu Qn , Um là các giá trị cho trước và X n-m+1 là giá trị cần tìm thì hệ phương trình
trong bảng trên là một hệ vô định, vì số phương trình N nhiều hơn số ẩn
N-M+1.
Khi đường quá trình đơn vị đã được xác định, ta có thể áp dụng nó để tính các biểu
đồ quá trình dòng chảy trực tiếp và quá trình dòng chảy trong sông. Chọn một biểu đồ quá
trình mưa và ước lượng các tổn thất dòng chảy để xác định ra biểu đồ quá trình mưa vượt
thấm. Thời khoảng dùng để xác điịnh các tung độ của đường quá trình mưa vượt thấm phải
giống như thời khoảng trong đường quá trình đơn vị. Áp dụng phương trình (2.15), ta sẽ xác
định được đường quá trình dòng chảy trực tiếp. Đường quá trình dòng chảy này cộng thêm
đường quá trình dòng chảy đáy ước tính sẽ cho ta đường qúa trình dòng chảy trong sông.
2.3.2 Đường quá trình đơn vị tổng hợp
Phương pháp xây dựng đường quá trình đơn vị từ các số liệu của mưa và dòng chảy
chỉ có thể áp dụng được c ho các lưu vực hoặc cho một vị trí trên dòng sông tại đó đã có
CÔNG TY TƯ VẤN & CHUYỂN GIAO CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐẠI HỌC
THỦY LỢI – CHI NHÁNH MIỀN NAM

Trang 14


QUY TRÌNH HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ

TẬP 8: HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THỦY VĂN – THỦY LỰC

Hướng dẫn sử dụng phần mềm HEC - HMS

Số hiệu: 17 - 08 - 01

r fu

các số liệu đo đạc về dòng chảy. Người ta sử dụng các thủ tục tính toán về đường quá trình
đơn vị tổng hợp để xây dựng đường quá trình đơn vị cho các địa điểm khác trên sông hoặc
cho một lưu vực kế cận không có đủ số liệu đo đạc nhưng có đặc điểm tương tự. Có 3 kiểu
đường quá trình đơn vị tổng hợp là: (1) đường quá trình đơn vị dựa theo mối quan hệ giữa
các đặc trưng hình dạng của đường cong (lưu lượng đỉnh, thời gian đáy…) với các đặc trưng
của lưa vực(Snyder, 1938; Gray, 1961), (2) đường quá trình đơn vị không thứ nguyên (cơ
quan bảo vệ thổ nhưỡng Hoa Kỳ, 1972), và (3) đường quá trình đơn vị dựa trên các mô hình
lượng trữ nước của lưu vực (Clark, 1943).
A. Đường quá trình đơn vị tổng hợp Clark
Nước được trữ một thời đoạn ngắn trong khu vực: trong đất, trên bề mặt và trong
kênh đóng vai trò quan trong trong việc chuyển lượng mưa hiệu quả thành dòng chảy. Mô
hình bể chứa tuyến tính là sự biểu thị chung của các tác động tới sự trữ. Mô hình bắt đầu với
phương trình liên tục:
dS
= I (t ) − Q(t )
dt

Trong đó:

(2.16)

dS
là lượng trữ nước trong hệ thống trong thời gian t
dt

I(t) là lưu lượng chảy vào hồ chứa tại thời điểm t.
Q(t) là lưu lượng chảy ra khỏi hồ chứa tại thời điểm t
Với mô hình bể chứa tuyến tính lượng trữ tại thời điểm t có quan hệ với dòng chảy ra
như sau:
S t = k * Qt

(2.17)

trong đó: k là hệ số trữ của bể chứa tuyến tính (là hằng số). Kết hợp và giải hai
phương trình dùng lược đồ sai phân đơn giản:
Qt = C A I A + C B Qt −1

(2.18)

trong đó CA, CB: hệ số diễn toán, được tính theo:
CA =

∆t
k + 0.5∆t

(2.19)
CB = 1 − C A

Dòng chảy ra trung bình trong thời đoạn t:
Q=

Qt −1 + Qt
2

(2.20)

(2.20) là dòng chảy ra tại một vi phân diện tích, giả sử rằng lưu lượng này truyền đến
tuyến cửa ra không bị biến dạng. Vấn đề còn lại là thời gian đi từ vi phân diện tích tới tuyến
cửa ra lưu vực. Dòng chảy cửa ra là tập hợp của các lưu lượng đến cùng một lúc, do đó mỗi
CÔNG TY TƯ VẤN & CHUYỂN GIAO CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐẠI HỌC
THỦY LỢI – CHI NHÁNH MIỀN NAM

Trang 15


QUY TRÌNH HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ

TẬP 8: HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THỦY VĂN – THỦY LỰC

Hướng dẫn sử dụng phần mềm HEC - HMS

Số hiệu: 17 - 08 - 01

r fu

lưu vực cần xác định đường cong phân bố diện tích- thời gian chảy truyền để tính ra lưu
lượng cửa ra.

Trong trường hợp không có số liệu dùng đường cong kinh nghiệm sau:
1.5

t 
t
1.414  for (t ≤ c )
2
At 
 tc 
=
1.5
A 

tc
t 
1 − 1.4141 −  for (t ≥ )
2
 tc 


(2.21)

trong đó: A là tổng diện tích của lưu vực, A t là luỹ tích diện tích thành phần lưu vực
trong thời gian t, tc là thời gian tập trung nước của lưu vực.
Tung độ của đường cong thời gian- diện tích được nội suy theo thời đoạn tính toán.
Đường quá trình chuyển đổi thu được, được diễn toán qua một hồ chứa tuyến tính để tính
toán mưa hiệu quả được chuyển thành lưu lượng của dòng chảy theo thời gian.
Diễn toán qua hồ chứa tuyến tính được thiết lập dùng phương trình sau:
Q( 2) = C A * I + C B * Q(1)

(2.22)

Hệ số diễn toán được tính từ:
Qc =

Q(1) + Q(2)
2

(2.23)

trong đó: Q(2) là lưu lượng tức thời tại cuối thời đoạn tính toán, Q(1) là lưu lượng
tức thời tại đầu thời đoạn tính toán, I là tung độ của đường quá trình chuyển đổi ∆t (là thời
khoảng tính toán tính bằng giờ) và Q c là độ đường quá trình đơn vị tại cuối của thời đoạn
tính toán.
B. Đường quá trình đơn vị tổng hợp Snyder

Trong công trình nghiên cứu về nhiều lưu vực nằm chủ yếu ở các miền cao nguyên
Hoa Kỳ có diện tích trong khoảng tờ 30- 30000 km 2, Snyder (1938) đã tìm ra các quan hệ
tổng hợp về một số đặc trưng của một đường quá trình đơn vị chuẩn. Từ các quan hệ đó ta,
có thể xác định được 5 đặc trưng cần thiết của một đường quá trình đơn vị đối với một thời
gian mưa hiệu dụng cho trước: lưu lượng đỉnh trên một đơn vị diện tích q pR, thời gian trễ
của lưu vực tpR, (tức là khoảng chênh lệch thời gian giữa tâm của biểu đồ quá trình mưa hiệu
dụng với thời gian xuất hiện đỉnh đường quá trình đơn vị), thời gian đáy t b và các chiều rộng
W (theo đơn vị thời gian) của đường quá trình đơn vị tại các tung độ bằng 50% và 75% của
lưu lượng đỉnh. Sử dụng các đặc trưng này, ta có thể vẽ ra được đường quá trình đơn vị yêu
cầu.
Snyder đã đưa ra định nghĩa về đường quá trình đơn vị chuẩn. Đó là một đường đơn
vị có thời gian mưa tr liên hệ với thời gian trễ của lưu vực qua phương trình:
tp = 5.5*tr

(2.26)

CÔNG TY TƯ VẤN & CHUYỂN GIAO CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐẠI HỌC
THỦY LỢI – CHI NHÁNH MIỀN NAM

Trang 16


QUY TRÌNH HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ

TẬP 8: HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THỦY VĂN – THỦY LỰC

Hướng dẫn sử dụng phần mềm HEC - HMS

Số hiệu: 17 - 08 - 01

r fu

Đối với đường quá trình đơn vị chuẩn, ông đã tìm thấy rằng:
* Thời gian trễ tp được tính:
tp = C1Ct (LLc)0.3

(2.27)

trong đó: tp được tính bằng giờ, L là chiều dài của dòng chính (tính bằng km) từ cửa
ra đến đường phân nước, Lc là khoảng cách (tính bằng km) từ cửa ra đến một điểm trên
dòng sông gần nhất với tâm của diẹn tích lưu vực, C 1 = 0.75 và Ct là một hệ số được suy ra
từ những lưu vực có số liệu đo đạc trong cùng vùng nghiên cứu.
* Lưu lượng đỉnh trên đơn vị diện tích lưu vực tính theo m 3/s.km2 (hay cfs/mi2) của
đường quá trình đơn vị chuẩn là:

qp =

C2 * C p
tp

(2.28)

trong đó: C2 = 2.75 và Cp là một hệ số được suy ra từ các lưu vực có số liệu đo đạc
trong cùng vùng nghiên cứu.
Để tính Ct và Cp cho một lưu vực có đo đạc, các giá trị L và L c được đo từ bản đồ địa
hình của lưu vực. Từ đường quá trình đơn vị của lưu vực có đo đạc, ta thu được các giá trị
của thời gian mưa hiệu dụng tR (tính bằng giờ), thời gian trễ của lưu vực t pR (giờ) và lưu
lượng đỉnh trên đơn vị diện tích qpR (m3/s.km2).
Nếu tpR = 5.5 tR thì : tR = tr, tpR = tp, qpR = qp và các hệ số Ct, Cp được tính bởi các
phương trình (2.27), (2.28). Nếu tpR khác đáng kể 5.5 tR, thì thời gian trễ chuẩn được tính
bởi:
t p = t pR +

tr − tR
4

(2.29)

và các phương trình (2.26), (2.29) sẽ được giải đồng thời để tính t r và tp. Các giá trị
của Ct và Cp được tính từ (2.27), (2.28) với qpR = qp và tpR = tp.
Khi một lưu vực không có số liệu đo đạc, nhưng có các đặc trưng tương tự với một
lưu vực khác có số liệu đo đạc, ta có thể sử dụng các hệ số C t và Cp của lưu vực có số liệu
được tính từ các phương trình ở trên để suy ra đường quá trình đơn vị tổng hợp của lưu vực
không có đo đạc.
* Mối liên hệ giữa lưu lượng đỉnh trên đơn vị diện tích lưu vực của đường quá trình

đơn vị chuẩn qp và đường quá trình đơn vị tính toán qpR được biểu thị qua phương trình:
q pR =

q pt p
t pR

(2.30)

* Thời gian đáy tb (tính bằng giờ) của đường quá trình đơn vị có thể được xác định
dựa theo điều kiện: diện tích nằm bên dưới đường quá trình đơn vị phải tương đương với độ

CÔNG TY TƯ VẤN & CHUYỂN GIAO CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐẠI HỌC
THỦY LỢI – CHI NHÁNH MIỀN NAM

Trang 17


QUY TRÌNH HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ

TẬP 8: HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THỦY VĂN – THỦY LỰC

Hướng dẫn sử dụng phần mềm HEC - HMS

Số hiệu: 17 - 08 - 01

r fu

sâu 1 cm của lượng dòng chảy trực tiếp. Giả thiết, biểu đồ đường quá trình đơn vị có dạng
hình tam giác, ta ước tính được thời gian đáy:
tb =

C3
q pR

(2.31)

với: C3 = 5.56
* Chiều rộng (tính bằng giờ) của biểu đồ đường quá trình đơn vị tại một lưu lượng
bằng một tỷ số phần trăm nào đó của lưu lượng đỉnh qpR được tính theo hệ thức:
W = CW q −pR1.08

(2.32)

với: CW = 1.22 đối với chiều rộng 75%
CW = 2.14 đối với chiều rộng 50%
Người ta thường phân bố 1/3 chiều rộng đó trước thời gian xuất hiện đỉnh và 2/3
chiều rộng còn lại cho sau thời gian này.
C. Đường đơn vị tổng hợp không thứ nguyên SCS
Trong đường quá trình đơn vị không thứ nguyên này, tung độ lưu lượng được biểu
thị bằng tỷ số của lưu lượng q so với lưu lượng đỉnh q p và thời gian được biểu thị bằng tỷ số
của thời gian t so với thời gian nước lên T p của đường quá trình đơn vị. Khi cho trước lưu
lượng đỉnh và thời gian trễ đối với khoảng thời gian mưa hiệu dụng, ta có thể ước tính được
đường quá trình đơn vị từ đường quá trình đơn vị tổng hợp không thứ nguyên của lưu vực
cho trước. Ta có thể ước tính q p và Tp bằng cách sử dụng mô hình giản hóa của đường quá
trình đơn vị hình tam giác, trong đó thời gian được tính bằng giờ và lưu lượng tính bằng
m3/s.cm (hay cfs/inch).
Từ kết quả phân tích một số lượng lớn đường quá trình đơn vị, cơ quan bảo vệ thổ
nhưỡng Hoa Kỳ đã đề nghị thời gian nước rút có thể được lấy xấp xỉ bằng 1.67 T p. Bởi vì
diện tích nằm bên dưới đường quá trình đơn vị phải bằng với độ sâu dòng chảy trực tiếp là 1
cm nên ta có:

qp =

C*A
Tp

(2.33)

với C = 2.08 (483.4 trong đơn vị Anh) và A là diện tích lưu vực tính bằng km 2 (hay
mi2).
Hơn nữa, công trình nghiên cứu các đường quá trình đơn vị của nhiều lưu vực lớn và
nhỏ miền nông thôn đã cho thấy có thể ước tính thời gian trễ của lưu vực: t p ≈ 0.6Tc , với Tc
là thời gian tập trng nước của lưu vực.
Thời gian nước lên Tp có thể được biểu thị theo thời gian trễ t p và thời gian mưa hiệu
dụng tr như sau:

CÔNG TY TƯ VẤN & CHUYỂN GIAO CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐẠI HỌC
THỦY LỢI – CHI NHÁNH MIỀN NAM

Trang 18


QUY TRÌNH HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ

TẬP 8: HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THỦY VĂN – THỦY LỰC

Hướng dẫn sử dụng phần mềm HEC - HMS

Số hiệu: 17 - 08 - 01

r fu

Tp =

tr
+ tp
2

(2.34)

D. Đường đơn vị xác định bởi người sử dụng
Cho phép điều khiển chính xác mối quan hệ kinh nghiệm giữa 1 đơn vị lượng mưa và
dòng chảy trực tiếp nhận được. Tung độ của đường quá trình phải được nhập vào cùng thời
đoạn như bước thời gian mô hình. Các thông số yêu cầu là tung độ đường quá trình và thời
đoạn tung độ.
E. Phương pháp sóng động học ( Kinematic Wave)
Phương pháp sóng động học dùng phương trình liên tục và phương trình động lượng
để chuyển lượng mưa hiệu quả thành dòng chảy (sẽ trình bày ở phần dưới).
F. Phương pháp Mod Clack
Phương pháp Mod Clack là phương pháp chuyển đổi tuyến tính áp dụng trên lưu vực
có dạng ô lưới. Lượng mưa vượt thấm cho mỗi ô sẽ có một thời gian trễ và được diễn toán
như một hồ chứa tuyến tính. Mỗi ô chứa các thông tin về toạ độ, diện tích và chỉ số thời
gian chảy truyền trong lưu vực. Thời gian trễ cho mỗi ô theo chỉ số thời gian tập trung nước,
các ô trong lưu vực có cùng hệ số trữ. Các thông số yêu cầu là thời gian tập trung nước của
toàn bộ lưu vực, thời gian chảy truyền và hệ số trữ của mỗi ô lưới.
2.4 Tính toán dòng chảy ngầm
Dòng chảy trong sông bao gồm hai thành phần: dòng chảy mặt do nước mưa cung
cấp, dòng chảy ngầm do nguồn nước ngầm cung cấp. Vì lượng dòng chảy ngầm cấp cho
sông tương đối ổn định, không phụ thuộc rõ rệt vào lượng mưa như dòng chảy mặt cho nên,
khi tính toán dòng chảy từ mưa người ta chỉ tính lớp dòng chảy mặt, sau đó cộng thêm
thành phần dòng chảy ngầm để xác định dòng chảy thực đo. Dòng chảy ngầm cũng không

đo đạc trực tiếp mà chỉ tính theo suy đoán hợp lý.
Mô hình HEC-HMS cung cấp 3 phương pháp tính dòng chảy ngầm:
2.4.1 Các phương pháp cắt nước ngầm
Có nhiều phương pháp khác nhau để tách dòng chảy trực tiếp và dòng chảy ngầm
như: phương pháp đường thẳng, phương pháp chiều dài đáy cố định và phương pháp độ dốc
biến đổi (hình 2.5).
* Cắt nước ngầm theo đường thẳng nằm ngang: trong phương pháp này, ta chỉ cần vẽ
một đường thẳng nằm ngang từ điểm bắt đầu của dòng chảy mặt đến giao điểm của nó với
nhánh nước hạ của đường quá trình lưu lượng. Theo phương pháp này, lưu lượng nước
ngầm là hằng số bằng lưu lượng thực đo tại chân đường lũ lên.
* Phương pháp đáy cố định: cho rằng dòng chảy mặt kết thúc sau khi xuất hiện đỉnh
là một khoảng thời gian N (N được coi là ngưỡng của dòng chảy ngầm). Từ điểm bắt đầu
của dòng chảy mặt, ta kéo dài đường quá trình dòng ngầm về phía trước cho đến khi gặp
CÔNG TY TƯ VẤN & CHUYỂN GIAO CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐẠI HỌC
THỦY LỢI – CHI NHÁNH MIỀN NAM

Trang 19


QUY TRÌNH HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ

TẬP 8: HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THỦY VĂN – THỦY LỰC

Hướng dẫn sử dụng phần mềm HEC - HMS

Số hiệu: 17 - 08 - 01

r fu

đường thẳng đứng đi đỉnh lũ. Sau đó, dùng một đoạn thẳng nối giao điểm này với điểm trên

nhánh nước hạ cách đỉnh một khoảng thời gian N (N = F 0.2, F là diện tích lưu vực). Công
thức tính:
Q = Q0 k t

(2.35)

trong đó: Q0 là lưu lượng tại điểm chân lũ lên
k là hệ số kinh nghiệm
t là thời gian tính từ chân lũ tới điểm có lưu lượng Q tính toán
* Phương pháp độ dốc biến đổi: Từ điểm bắt đầu dòng chảy mặt, ta kéo dài đường
quá trình dòng chảy ngầm về phía trước như trên, mặt khác, từ điểm kết thúc dòng chảy mặt
ta kéo dài đường quá trình dòng ngầm về phía sau cho đến khi gặp đường thẳng đứng đi qua
điểm uốn trên nhánh nước hạ. Sau cùng nối liền giao điểm bằng một đoạn thẳng.
Q

Log Q

Điểm uốn

t

N

(c)
(b)

(a)
t

Hình 2.5: Các phương pháp cắt nước ngầm

2.4.2. Phương pháp dòng chảy ngầm ổn định theo tháng (Constant Monthly)
Phương pháp này sử dụng dòng chảy ngầm ổn định trong một tháng cụ thể tại tất cả
các bước thời gian tính toán. Dòng chảy mặt được tính bằng phương pháp đường đơn vị và
cộng thêm với dòng chảy ngầm để tạo thành dòng chảy tổng cộng tại cửa ra.
2.4.3. Hồ chứa tuyến tính (Linear Reservoir)
Phương pháp hồ chứa tuyến tính tính toán dòng chảy từ tầng ngầm và chỉ có thể
được dùng cùng với phương pháp tổn thất tính toán độ ẩm đất. Lượng nước có ở trong mỗi
tầng ngầm được chuyển thành dòng chảy qua một chuỗi các hồ chứa tuyến tính. Các thông
số yêu cầu là: hệ số lượng trữ và số hồ chứa. Dòng chảy ra từ hồ chứa cuối cùng trong chuỗi
hồ chứa của một tầng ngầm là dòng chảy ngầm của tầng đó. Dòng chảy ngầm tổng cộng là
tổng của dòng chảy ra trong hai tầng ngầm.

CÔNG TY TƯ VẤN & CHUYỂN GIAO CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐẠI HỌC
THỦY LỢI – CHI NHÁNH MIỀN NAM

Trang 20


QUY TRÌNH HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ

TẬP 8: HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THỦY VĂN – THỦY LỰC

Hướng dẫn sử dụng phần mềm HEC - HMS

Số hiệu: 17 - 08 - 01

r fu

2.5 Diễn toán dòng chảy
Diễn toán lũ được dùng để tính toán sự di chuyển sóng lũ qua đoạn sông và hồ chứa.

Hầu hết các phương pháp diễn toán lũ có trong HEC-HMS dựa trên phương trình liên tục và
các quan hệ giữa lưu lượng và lượng trữ. Những phương pháp này là Muskingum,
Muskingum- Cunge, Puls cải tiến (Modified Puls), sóng động học (Kinematic Wave) và
Lag.
Trong tất cả những phương pháp này quá trình diễn toán được tiến hành trên một
nhánh sông độc lập từ thượng lưu xuống hạ lưu, các ảnh hưởng của nước vật trên đường
mặt nước như nước nhảy hay sóng đều không được xem xét.
Thấm trong kênh
Tổn thất thấm trong kênh được tính theo hai phương pháp:
* Phương pháp thứ nhất tính toán tính tổn thất theo phương trình sau:
Q1(i) = [ Qvào(i) – Qtổn thất ] * ( 1- C )

(2.31)

trong đó: Qvào (i) là tung độ đường quá trình dòng chảy đến tại thời điểm thứ i trước
khi tổn thất. Qtổn thất là hằng số tổn thất tính bằng cfs (m 3/s), C là một phần của lưu lượng duy
trì bị tổn thất và Q(i) là tung độ đường quá trình sau khi tổn thất.
Đường quá trình được tính tổn thất sau khi diễn toán cho tất cả các phương trình
ngoại trừ phương pháp Puls cải tiến, đối với Puls cải tiến tổn thất được tính trước khi diễn
toán.
* Phương pháp thứ hai tính toán tổn thất trong kênh khi diễn toán lượng trữ dựa trên
tổn thất kênh không đổi (cfs/arce) trên diện tích đơn vị và diện tích mặt nước của dòng chảy
trong kênh. Diện tích bề mặt của kênh được tính:
S=

Wt (i )
h

(2.32)

trong đó: Wt (i) là lượng trữ trong kênh tại thời điểm i tương ứng với dòng chảy ra
tại cuối thời đoạn, S là diện tích bề mặt kênh tương ứng và h là độ sâu dòng chảy trung bình
trong kênh. Độ sâu dòng chảy trung bình trong kênh được tính theo công thức:
h = h m – hđ

(2.33)

trong đó: hm là cao trình mực nước tương ứng với W(i) và h đ là cao trình đáy kênh.
Đường quá trình dòng chảy được tính:
Q2(i) = Qđ(i) - S * P

(2.34)

trong đó: Qđ(i) là lưu lượng dòng chảy đến tại thời điểm i khi chưa tính tổn thất và P
là tỉ lệ tổn thất không đổi của kênh (cfs/acre).

CÔNG TY TƯ VẤN & CHUYỂN GIAO CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐẠI HỌC
THỦY LỢI – CHI NHÁNH MIỀN NAM

Trang 21


QUY TRÌNH HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ

TẬP 8: HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THỦY VĂN – THỦY LỰC

Hướng dẫn sử dụng phần mềm HEC - HMS

Số hiệu: 17 - 08 - 01

r fu

2.5.1 Phương pháp diễn toán sóng động học

Khi giải phương trình sóng động học giả thiết rằng độ dốc đáy kênh và độ dốc mặt
nước là như nhau và các ảnh hưởng của gia tốc trọng trường là không đáng kể (các thông số
theo đơn vị mét được chuyển thành đơn vị Anh để sử dụng trong phương trình).
Mô hình sóng động học được xác định bằng hai phương trình sau:
Phương trình động lượng đơn giản thành:
St = S0

(2.35)

trong đó: St là độ dốc ma sát và S0 là độ dốc đáy kênh. Vì vậy, lưu lượng tại bất kỳ
điểm nào trong kênh đều được tính theo công thức Maning:
Q=

1.49 1 / 2 2 / 3
S 0 AR
n

(hệ đơn vị Anh)

(2.36)

với: Q là lưu lượng dòng chảy, S0 là độ dốc đáy kênh, R là bán kính thủy lực, A là
diện tích mặt cắt ướt, n là hệ số nhám Manning. Phương trình (2.36) được đơn giản thành:
Q = αA m

(2.37)

Trong đó: α và m liên quan tới chế độ dòng chảy và độ nhám bề mặt. Hình 2.4 đưa ra
một số các giá trị của α và m cho các kênh sử dụng trong HEC-HMS.
Phương trình động lượng được đơn giản thành quan hệ giữa diện tích và lưu lượng,
sự chuyển động của sóng lũ còn được mô tả bởi phương trình liên tục:
∂A ∂Q
+
=q
∂t ∂x

(2.38)

Điều kiện ban đầu của vùng dòng chảy tràn trên mặt là đất khô và không có lưu
lượng gia nhập tại đường biên của vùng. Điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho diễn toán
sóng động học trong kênh được xác định dựa trên đường quá trình ở thượng lưu.
Cách giải:

Phương trình tổng quát cho diễn toán sóng động học và Muskingum được giải theo
cùng một cách. Phương pháp giả thiết rằng lưu lượng đầu vào có thể là mưa vượt thấm hay
lượng nhập khu giữa là ổn định trong một bước thời gian và phân bố theo không gian. Bằng
cách kết hợp phương trình (2.37) và (2.38) phương trình tổng quát thu được là:
∂A
∂A
+ αmA ( m−1)
=q
∂t
∂x

(2.39)

CÔNG TY TƯ VẤN & CHUYỂN GIAO CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐẠI HỌC
THỦY LỢI – CHI NHÁNH MIỀN NAM

Trang 22


QUY TRÌNH HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ

TẬP 8: HƯỚNG DẪN TÍNH TOÁN THỦY VĂN – THỦY LỰC

Hướng dẫn sử dụng phần mềm HEC - HMS

Số hiệu: 17 - 08 - 01

r fu

Trong đó: A là biến độc lập trong phương trình α và m được coi là hằng số. Phương
trình được giải theo cách dùng lược đồ sai phân hữu hạn của Leclerc và Schaake(1973).
Dạng chuẩn của sai phân hữu hạn theo phương trình như sau:
 A j −1 + Ai −j −11 
Ai j − Ai j −1
+ αm  i

∆t
2



Trong đó qa được tính:

qa =

m −1

 Ai j −1 − Ai j−−11 

 = qa
∆x



(2.40)

qij + qij −1
2

(2.41)

Chỉ số của lược đồ được đánh theo các vị trí trên lưới thời gian- không gian. Lưới chỉ
ra vị trí của lược đồ khi nó giải các giá trị chưa biết của A cho các vị trí và thời gian khác
nhau. Chỉ số i chỉ ra vị trí hiện tại của lược đồ giải theo chiều dài L của kênh hay vùng dòng
chảy tràn qua, chỉ số j chỉ ra bước thời gian hiện tại của lược đồ. i- 1, j- 1chỉ ra vị trí và thời
gian quay lại một giá trị ∆x và ∆t từ vị trí hiện tại của lược đồ. Giá trị không biết trong
j

phương trình là giá trị hiện tại Ai . Tất cả các giá trị khác đều đã biết từ khi giải phương
trình tại vị trí i-1 và thời gian j-1, hay từ điều kiện biên:
Ai = q a ∆t + Ai
j

j −1

j −1
j −1
 ∆t   A + Ai −1 
− αm    i

2
 ∆x  


m −1

[A

j −1

i

− Ai −j −11

]

(2.42)

j
Khi Ai đã biết lưu lượng được tính:

[ ]

Qi j = α Ai j

m

(2.43)

Dạng chuẩn của phương trình sai phân hữu hạn được áp dụng khi hệ số ổn định R
( Khi R nhỏ hơn 1):
R=

{[

]

m
m
α
q a ∆t + ( Ai j−−11 ) − ( Ai j−−11 )
q a ∆x

}

qa> 0

(2.44)

hay:

R = αm( Ai j−−11 ) m−1

∆t
qa
∆x

qa = 0 (2.45)

Nếu R nhỏ hơn 1 thì hình thức chuyển đổi của phương trình sai phân hữu hạn:
Qi j − Qi j−1 Ai j−1 − Ai j−−11
+
= qa
∆x
∆t

(2.46)

j
j
Trong đó: Qi chưa biết. Tìm Qi :

Qi j = Qi j−1 + q∆x −

[

∆x j
Ai −1 − Ai j−−11
∆t

]

(2.47)

CÔNG TY TƯ VẤN & CHUYỂN GIAO CÔNG NGHỆ TRƯỜNG ĐẠI HỌC
THỦY LỢI – CHI NHÁNH MIỀN NAM

Trang 23