ĐẶC điểm điều KIỆN tự NHIÊN và lũ lụt hệ THỐNG SÔNG HỒNG – THÁI BÌNH và ứng dụng mô hình mike dự báo lũ hệ thống sông hồng – thái bình

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH VÀ TÌNH HÌNH
NGHIÊN CỨU DỰ BÁO LŨ

1.1.Giới thiệu chung
Việc nghiên cứu và dự báo mưa, lũ, lụt là vấn đề đã được rất nhiều cơ quan và
tác giả trong cũng như ngoài nước quan tâm. Các kết quả nghiên cứu đã đạt được là
những nền tảng cho công tác qui hoạch lũ và phát triển kinh tế xã hội. Tuy nhiên do
những nhu cầu thực tế, đối tượng tiến hành nghiên cứu dự báo của các nghiên cứu có
những đặc thù khác nhau như nghiên cứu dự báo lũ cho hệ thống sông chính, nghiên
cứu dự báo lũ cho hồ chứa, cho vùng hạ du và nghiên cứu dự báo lũ cho việc quản lý
và qui hoạch lưu vực...
Những năm gần đây, Nhà nước đã dành sự quan tâm, đầu tư thích đáng đúng
với tầm quan trọng của khu vực đồng bằng Bắc Bộ. Kinh tế xã hội phát triển cũng tạo
ra nguy cơ thiệt hại do lũ lụt càng lớn. Do đó, việc cảnh báo, dự báo lũ lụt kịp thời và
chính xác sẽ góp phần rất quan trọng để giảm thiệt hại về người và tài sản. Mặt khác,
việc phát triển kinh tế xã hội cần gắn liền với công tác quy hoạch phòng chống lũ lụt
thì sự phát triển đó mới bền vừng và có hiệu quả.
1.2. Một số nghiên cứu dự báo lũ trên thế giới
Trên thế giới việc nghiên cứu, áp dụng các mô hình thủy văn, thủy lực cho các
mục đích trên đã được sử dụng khá phổ biến; nhiều mô hình đã được xây dựng và áp
dụng cho dự báo hồ chứa, dự báo lũ cho hệ thống sông, cho công tác qui hoạch phòng
lũ. Một số mô hình đã được ứng dụng thực tế trong công tác mô phỏng và dự báo dòng
chảy cho các lưu vực sông có thể được liệt kê ra như sau:
Viện Thủy lực Đan Mạch (Danish Hydraulics Institute, DHI) xây dựng phần
mềm dự báo lũ bao gồm: Mô hình NAM tính toán và dự báo dòng chảy từ mưa; Mô
hình Mike 11 tính toán thủy lực, dự báo dòng chảy trong sông và cảnh báo ngập lụt.
Phần mềm này đã được áp dụng rất rộng rãi và rất thành công ở nhiều nước trên thế
giới. Trong khu vực Châu Á, mô hình đã được áp dụng để dự báo lũ lưu vực sông
Mun-Chi và Songkla ở Thái Lan, lưu vực sông ở Bangladesh, và Indonesia. Hiện nay,
4

công ty tư vấn CTI của Nhật Bản đã mua bản quyền của mô hình, thực hiện những cải
tiến để mô hình có thể phù hợp với điều kiện thuỷ văn của Nhật Bản.
Wallingford kết hợp với Hacrow đã xây dựng phần mềm iSIS cho tính toán dự
báo lũ và ngập lụt. Phần mềm bao gồm các môđun: Mô hình đường đơn vị tính toán và
dự báo dòng chảy từ mưa; mô hình iSIS tính toán thủy lực, dự báo dòng chảy trong
sông và cảnh báo ngập lụt. Phần mềm này đã được áp dụng khá rộng rãi ở nhiều nước
trên thế giới, đã được áp dụng cho sông Mê Kông trong chương trình Sử dụng Nước
do ủy hội Mê Kông Quốc tế chủ trì thực hiện. ở Việt Nam, mô hình iSIS được sử dụng
để tính toán trong dự án phân lũ và phát triển thủy lợi lưu vực sông Đáy do Hà Lan tài
trợ.
Trung tâm khu vực, START Đông Nam á (Southeast Asia START Regional
Center) đang xây dựng "Hệ thống dự báo lũ thời gian thực cho lưu vực sông Mê
Kông". Hệ thống này được xây dựng dựa trên mô hình thủy văn khu vực có thông số
phân bố, tính toán dòng chảy từ mưa. Hệ thống dự báo được phân thành 3 phần: thu
nhận số liệu từ vệ tinh và các trạm tự động, dự báo thủy văn và dự báo ngập lụt. Thời
gian dự kiến dự báo là 1 hoặc 2 ngày.
Viện Điện lực (EDF) của Pháp đã xây dựng phần mềm TELEMAC tính các bài
toán thuỷ lực 1 và 2 chiều. TELEMAC-2D là phần mềm tính toán thủy lực 2 chiều,
nằm trong hệ thống phần mềm TELEMAC. TELEMAC-2D đã được kiểm nghiệm
theo các tiêu chuẩn nghiêm ngặt của Châu Âu về độ tin cậy; mô hình này đã được áp
dụng tính toán rất nhiều nơi ở Cộng hòa Pháp và trên thế giới. Ở Việt Nam, mô hình
đã được cài đặt tại Viện Cơ học Hà Nội và Khoa Xây dựng - Thuỷ lợi - Thuỷ điện,
Trường Đại học Kỹ thuật Đà nẵng và đã được áp dụng thử nghiệm để tính toán dòng
chảy tràn vùng Vân Cốc- Đập Đáy, lưu vực sông Hồng đoạn trước Hà Nội, và tính
toán ngập lụt khu vực thành phố Đà Nẵng.
Trung tâm kỹ thuật thủy văn (Mỹ) đã xây dựng bộ mô hình HEC-1 để tính toán
thủy văn, trong đó có HEC-1F là chương trình dự báo lũ từ mưa và diễn toán lũ trong
sông. Mô hình đã được áp dụng rất rộng rãi trên thế giới. ở Châu Á, mô hình đã được
áp dụng ở Indonesia, Thái Lan. Mô hình cũng đã được áp dụng để tính toán lũ hệ

5


thống sông Thu Bồn ở Việt Nam. Gần đây, mô hình được cải tiến và phát triển thành
HMS có giao diện đồ hoạ thuận lợi cho người sử dụng.
Trong một nghiên cứu về hệ thống dự báo lũ cho sông Maritsa và Tundzha,
Roelevink và cộng sự đã kết hợp sử dụng mô đun mưa - dòng chảy Mike 11-NAM và
mô đun thủy lực Mike 11-HD để tiến hành dự báo. Các mô hình này đã được hiệu
chỉnh sử dụng số liệu các trận lũ năm 2005 và 2006. Kết quả từ hai mô hình này được
kết hợp sử dụng với phần mềm FloodWatch để kết xuất ra mực nước dự báo và các
cảnh báo tại các điểm xác định. Kết quả cho thấy rằng, số liệu đầu vào quyết định độ
lớn của thời gian dự kiến. Kết quả sẽ chính xác hơn nếu thời gian dự kiến ngắn và
ngược lại. Trong nghiên cứu này cũng đã sử dụng chức năng cập nhật mực nước và
lưu lượng tính toán theo mực nước và lưu lượng thực đo tại các vị trí biên đầu vào.
1.3. Một số nghiên cứu dự báo lũ ở Việt Nam
Một số mô hình thủy lực đã được áp dụng có hiệu quả để diễn toán dòng chảy
trong hệ thống sông và vùng ngập lụt ở nước ta. Mô hình SOGREAH đã được áp dụng
thành công trong công tác khai thác, tính toán dòng chảy tràn trong hệ thống kênh rạch
và các ô trũng; Mô hình MASTER MODEL ứng dụng trong nghiên cứu qui hoạch cho
vùng hạ lưu sông Cửu Long vào năm 1988; Mô hình MEKSAL được xây dựng vào
năm 1974 để tính toán sự phân bố dòng chảy mùa cạn và xâm nhập mặn trong vùng hạ
lưu các sông; Mô hình VRSAP đã được áp dụng cho việc tính toán dòng chảy lũ và
dòng chảy mùa cạn cho vùng đồng bằng; Mô hình SAL và mô hình KOD đã có những
đóng góp đáng kể trong việc tính toán lũ và xâm nhập mặn đồng bằng cửa sông; Mô
hình DHM đã được áp dụng thành công trong tính toán nguy cơ ngập lụt hạ lưu lưu
vực Thu Bồn - Vũ Gia, và nghiên cứu thủy lực hạ lưu sông Hồng trong trường hợp giả
sử vỡ đập Hoà Bình, Sơn La v.v.
Đối với lưu vực sông Hồng-Thái Bình đã có một số nghiên cứu dự báo lũ tiêu
biểu như:
-

Đề tài "Nghiên cứu xây dựng công cụ tính toán và dự báo dòng chảy lũ thượng
lưu hệ thống sông Hồng" (Lê Bắc Huỳnh, TT DBKTTVTƯ)

6


Hình 1. 1. Sơ đồ lưới trạm dự báo thượng lưu sông Hồng
(Nguồn:TTQGDBKTTVTW)
Thành quả: Đã xây dựng được hệ thống dự báo thủy văn cho các lưu vực sông
Đà, Thao, Lô, vận hành hồ chứa Hoà Bình và diễn toán lũ về hạ lưu đến trạm Sơn Tây,
Hà Nội. Đề tài đã tạo dựng được nền tảng cho việc áp dụng mô hình thủy văn để dự
báo lũ, kết quả tính toán của đề tài khá tốt và đã được TTDBKTTVTƯ bổ sung và đưa
vào dự báo tác nghiệp.
Cần nghiên cứu tiếp: (1) Đề tài có tính nghiên cứu cơ bản, chưa thành một công
nghệ hoàn chỉnh để dùng vào dự báo tác nghiệp; (2) vì thiếu số liệu phía Trung Quốc
cho nên đã phải xử lý biên trên bằng phương pháp hồi qui, vì thế có hạn chế về độ
chính xác; (3) số liệu dùng trong tính toán và hiệu chỉnh mô hình là đến năm 1996, cần
được cập nhật số liệu; (4) hơn nữa, nghiên cứu chỉ mới dừng lại ở dự báo thủy văn đến
các trạm Sơn Tây và Hà Nội chưa có khả năng áp dụng cho cả hệ thống sông HồngThái Bình.
-

Đề tài "Ứng dụng một số mô hình thích hợp để dự báo lũ thượng lưu hệ thống
sông Thái Bình" (Nguyễn Lan Châu, TT DBKTTVTƯ).
7


Thành quả: Trên cơ sở phân tích các hình thế thời tiết gây mưa và chế độ nước
lũ ở thượng lưu sông Thái Bình (sông Cầu, sông Thương, sông Lục Nam), đã nghiên
cứu ứng dụng các mô hình TANK, NAM và phương pháp hồi quy bội để tính toán, dự

báo quá trình dòng chảy lũ tại Thái Nguyên trên sông Cầu, Phủ Lạng Thương trên
sông Thương và Lục Nam trên sông Lục Nam. Kết quả nghiên cứu cho thấy kết quả
tính toán và dự báo dòng chảy lũ theo 3 mô hình nêu trên đều cho kết quả tốt. Mô hình
đã được TT DBKTTVTƯ bổ sung và đưa vào dự báo tác nghiệp thử nghiệm từ năm
2000.
Cần nghiên cứu tiếp: Cũng tương tự như đề tài ở trên, (1) Đề tài có tính nghiên
cứu cơ bản, chưa thành một công nghệ hoàn chỉnh để dùng vào dự báo tác nghiệp; (2)
gặp khó khăn trong giải quyết nước vật tại trạm Chũ, và chưa xét hết lượng gia nhập
khu giữa, hạ lưu của các trạm tính toán; (3) nghiên cứu chỉ mới dừng lại ở dự báo thủy
văn đến các trạm Thác Bưởi, Cầu Sơn, Chũ và Phả Lại, chưa có khả năng áp dụng cho
cả hệ thống sông Hồng-Thái Bình.
-

Đề tài "Đánh giá khả năng phân lũ sông Đáy và sử dụng lại các khu phân chậm
lũ" do 3 cơ quan cùng thực hiện đồng thời (Viện Khí tượng Thủy văn, Trường
Đại học Thuỷ lợi, Viện Quy hoạch Thủy lợi).
Thành quả: Đề tài đã giải quyết được phần thủy lực hạ lưu của hệ thống sông

Hồng - Thái Bình. Xét đến trường hợp vận hành hồ Hoà Bình, Thác Bà, phân lũ sông
Đáy và chậm lũ Tam Thanh, Lương Phú, Lương Phú - Quảng Oai. Đã có tiến hành dự
báo thử nghiệm tại Viện Khí tượng Thủy văn, Trường Đại học Thuỷ lợi, Viện Quy
hoạch Thủy lợi, tuy nhiên kết quả chưa được đánh giá.
Cần nghiên cứu tiếp: (1) Mục tiêu của các đề tài chú trọng vào tính toán mô
phỏng lũ để áp dụng cho quy hoạch phòng chống lũ, không chú trọng đến dự báo lũ;
(2) Vì đây là mô hình thủy lực không cập nhật được sai số do sự thay đổi địa hình,
thay đổi độ nhám lòng sông, cho nên kết quả chưa thể hịên được khả năng dự báo; (3)
Không gắn kết với các mô hình thủy văn phía thượng lưu để trở thành một công nghệ
dự báo cho toàn hệ thống sông Hồng-Thái Bình.

8

m
M
ắ
B
ến
8
78

ên
h

28

30

31

Sơn Tây

2
45

394

365
42

395

367

424

367

399

415

368

368

5

414

366

366

3

364

400

416

400
402
40

397

369
7

428

418

432
43

4

433

419

440
441

404

201

202

202

sông Đuống

265

477
478

Phú Lương
579
594
595
Cầu Lai Vu
596

480

Cầu
597

248

247

249

248

64
488

65

250

249

251

250

Bá Nha

67

295
296

71
72

252

Hưng
Yên

251

73

298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311

203

74

204

204

75
76

78

312
318

Phủ Lý
337

Ninh Bình
392

394

sông Luộc

232
233

83

497

224
679

513

230

229

234

512

498
499

sô n
gM
514

Tiền Tiến

ới

615

515

Thái Bình

688

sông Hoá

689

Kinh Khê

503

504

505
690

691

695

Cầu Niệm

622

506
507

Thái Bình
508

618

623

Văn úc
624

84
85
86

Ba Lạt
87

ti "Xõy dng cụng c mụ phng s phc v cho xut, ỏnh giỏ v iu
hnh cỏc phng ỏn phũng chng l sụng Hng - Thỏi Bỡnh" (Vin C hc)
Thnh qu: ó ỏp dng mt s cỏc mụ hỡnh thy lc nh VRSAP, TL1, TL2,

TELEMAC2-D tớnh toỏn thu lc cho h lu h thng sụng Hng - Thỏi Bỡnh, phõn
l sụng ỏy v chm l Tam Thanh, Lng Phỳ, Lng Phỳ - Qung Oai. ti ó
th nghim cỏc mụ hỡnh rt cụng phu bng cỏc bi toỏn mu (test cases) m bo
c kh nng ỏp dng ca cỏc mụ hỡnh.
Cn nghiờn cu tip: Tng t nh trng hp trờn, (1) nh tờn ca ti ó
nờu rừ, ti ch chỳ trng vo tớnh toỏn mụ phng l ỏp dng cho quy hoch
phũng chng l, khụng phi l mụ hỡnh d bỏo l; (2) vỡ õy l mụ hỡnh thy lc, do
ú khụng cp nht c sai s do s thay i a hỡnh, thay i nhỏm lũng sụng,
cho nờn kt qu cha th hin c kh nng d bỏo; (3) khụng gn kt vi cỏc mụ
hỡnh thy vn phớa thng lu tr thnh mt cụng ngh d bỏo cho ton h thng
sụng Hng-Thỏi Bỡnh.
9

Kiến An

617

Hỡnh 1. 2. S tớnh toỏn thy lc h thng sụng Hng Thỏi Bỡnh
(Ngun: Vin KH KTTV&MT)
-

626

612
Cầu Tiên Cựu
613

86

242

Ninh Cơ
243

Liễu Đề

sông Hồng

241

242

sông Ninh Cơ

363

sông Đáy

358

241
kênh Quần Liêu

625

616

Trà Lý
238

238

239

396

511

496
229

223

237

393

83

395

223

222

680

237
81

608
609

611

TX Thái Bình

80

Trực Phương
239

240

355

Chanh Chữ
222

211

207

79

80

353

385

Trung Trang

495

Nhâm
Lang

Triều
Dương
205

236
386

386

607

sông Mía

235

Nam Định

391

sông Đào

510

494

231

231

sông Trà Lý

Bến Bình

606
509

sông Gùa

Quyết Chiến
230

77

602
603

604
605

489
490
491
492
493

69

Ba Thá

Như Tân
362

523

Cầu ĐS Phú Lương

290
292
294

356

522

Cầu Phú Lương

Cầu Ninh Bình

357

520

Bến Bình

479

342

361

517

Cát Khê

Cầu Hoà Lạc

279
280
281
282
284
287

351

sông Kinh Thày

516
468

470

343

452

467

203

52
53
54

384

352

453

466

sông Văn úc

383

Phả Lại

sông Thái Bình

382

463

188

sông Trà Lý

381

187

Bến Hồ

233

410

385

sông Hoàng Long

176

464
450

425
465

417

79

409

449

408

448

447

446

407

380

424

Cầu Chương Dương

sông Hồng

445

421

405

Tân Lang
Gián Khẩu
379

175

sông Cầu

418

Cầu Đáp Cầu

Thượng Cát

sông Lục Nam

448
449

469

77

420

44

2
44 44
4 3

373

378

672

232

372

Bến Đế

49

Cầu Bắc Giang
443

671

50
51

sông Đáy

5
43

436
437
438
43
9

406

371

173

48

Cầu Triều Dương

7

9
42
430
431

402

403

376

670

429

432

442

261

289

370

42

41

Khu
Chương Mỹ - Mỹ Đức
Hưng Thi
370

3

410
411
41
2

369

401

172
47

Hà Nội

273
Cầu Mai Lĩnh
274
275
276

460
399

5
40

2

4
60

365

42

398

459

416

454

396
8
39

42

364

40
9

363

39 7

4
40

Chí Thuỷ

458

415

453

401
40
7

40
8

26

87

731

457

41
3

Tràn đê bối
thượng lưu
Mai Lĩnh

730

hồ Hoà Bình
88

428

267
268
269
270
271
272

456

414

88

89

455

44 47

Cầu Long Biên

260

266

412

413

4

sông Đà

1
45

sông Tích

720

411

Đập Đáy
262

Cống
Chuốc

43
43

450

261

718

sông Hồng

32

258
Vân Cốc
259

732

K

136

75

Tr 4
un
gH
à

Cầu Đuống

29

tr
inh à n

48

Việt Trì

711 712

427

677
678

Cầu Thăng Long

Bến Mắm

27

752

91
90

tràn
Lương Phú

khu
Lương Phú +
Quảng Oai
698

3
75

N
ĩnh
nV
tr à

719

127

89

Cường

128

749

tràn
Phú

129

Bối Vĩnh Tường
700

26

137
133

Phú Cường
426

Hát Môn Hạ

19 20

698

756

702

sông Cà Lồ

709

710

áy

703

Cống Vân Cốc

7 65

171

sông Hồng

20
22 23 24
25

Đ7
ó 75

Ph

ong
ao Ph

Hát Môn Thượng

sông Thao

170

19

C

4
76

g
sôn

Lập Thạch
699

257

tràn

165

21

Tam Thanh
697

256

751

18

Trung Hà

255

263

669

Vu

152
158

161

5

7
8

Quảng Cư
701

La
i

146

147

Vụ Quang

246

247

255

ng

139

140

431

sông Thương

138

254

Cầu Sơn
430

656

trong trường hợp Sử dụng hệ thống khu phân chậm lũ

254

sông Cầu

139

145

461

6

253

253

Thác Huống
655

sơ đồ tính toán thuỷ lực
Hệ thống sông Hồng - Thái bình

Hình

252

144

145

245

137

sông Chảy

5

246

sông Lô

2

4
244

245

140

1

142

Thác Bà
138

3

sô

Tuyên Quang
141

2

75

Yên Bái
1
243

244

-

Đề tài "Đánh giá các hình thế thời tiết sinh lũ lớn phục vụ dự báo và cảnh báo
trước khả năng có lũ lớn, lũ cực hạn trên hệ thống sông Hồng - Thái Bình"
(Nguyễn Ngọc Thục, TT DBKTTVTƯ)
Thành quả: Đề tài đã xây dựng công nghệ dự báo sớm lũ lớn; bước đầu sử dụng

thông tin vệ tinh địa tĩnh xác định trường mưa trên lưu vực sông Hồng-Thái Bình phục
vụ dự báo lũ trên hệ thống sông Hồng-Thái Bình; ứng dụng các thông tin Sinốp trong
dự báo định lượng mưa và dự báo dòng chảy lũ thượng nguồn sông Hồng-Thái Bình.
Đề tài đã có đóng góp lớn trong dự báo KTTV, đã đúc kết những kinh nghiệm tích lũy
được trong công tác dự báo để thành một qui trình dự báo tương đối hoàn chỉnh. Kết
quả của đề tài có thể áp dụng để tính toán cảnh báo mưa lớn áp dụng cho công nghệ dự
báo lũ lớn hệ thống sông Hồng-Thái Bình.
-

Đề tài cấp Nhà nước “Nghiên cứu công nghệ tính toán kiểm soát lũ đồng bằng
Bắc Bộ” (Viện Khoa học Thủy lợi)
Đề tài này đang được thực hiện với các nội dung và đặc điểm sau: Xây dựng sơ

đồ bố trí mạng lới thu thập thông tin, truyền tin phục vụ kiểm soát lũ; Xây dựng công
nghệ truyền tin từ các điểm đo về trung tâm tính toán dự báo, giải mã, tính toán dự báo
cho các trạm thượng nguồn; Tính toán thủy lực hạ lưu sông Hồng - Thái Bình.
-

Đề tài cấp Bộ “Xây dựng công nghệ tính toán dự báo lũ lớn hệ thống sông
Hồng – Thái Bình” do PGS. TS. Trần Thục (Viện Khoa học Khí tượng Thủy
văn và Môi trường) làm chủ nhiệm.

Đề tài bước đầu đã xây dựng công nghệ hoàn chỉnh cho tính toán dự báo lũ tác

nghiệp cho toàn hệ thống sông Hồng - Thái Bình. Mô hình MIKE 11 được nghiên cứu
áp dụng để tính toán dự báo lũ lớn cho hệ thống sông Hồng-Thái Bình với 25 sông
chính và chia thành 52 nhánh sông bao gồm 792 mặt cắt.
Một số tồn tại khi ứng dụng các kết quả của đề tài trong dự báo lũ trên hệ thống
sông Hồng – Thái Bình:
•

Hiện tại trên hệ thống sông Hồng – Thái Bình đã có thêm một số hồ chứa đi vào
hoạt động như hồ Tuyên Quang (2007) và hồ chứa Sơn La (2011), sơ đồ mô
phỏng mạng sông trong hầu hết các đề tài đã thực hiện không còn phù hợp. Do
10


đó cần cập nhật, bổ sung mạng sơ đồ thủy lực, mặt cắt sông cho đúng với thực
tế. Khi hồ Sơn La bước vào hoạt động mực nước tại Lai Châu bị ảnh hưởng vật,
quan hệ Q=f(H) trước đây không còn sử dụng được nữa dẫn tới việc tính truyền
lũ trong sông đoạn từ Mường Tè tới thủy điện Sơn La khó khăn. Việc dự báo
lưu lượng đến hồ Hòa Bình khi thủy điện Sơn La mở nhiều cửa cũng chưa được
kiểm định.
•

Các biên trên vùng thượng lưu đều bị ảnh hưởng của hoạt động của các hồ chứa
bên Trung Quốc. Các thông tin hoạt động của các hồ chứa phần lưu vực bên
Trung Quốc không có.

•

Số liệu khí tượng thủy văn nhận được từ Cục Quản lý Đê điều và Phòng chống

lụt bão để làm dự báo tác nghiệp không có định dạng chuẩn nên việc trích xuất
dữ liệu mất nhiều thời gian và công sức

•

Tài liệu địa hình, mặt cắt chỉ có đến năm 2000 nay sử dụng trong mô hình cần
phải cập nhật.
Như vậy, đã có rất nhiều nghiên cứu và nhiều mô hình tính toán dự báo lũ và

diễn toán lũ cho hệ thống sông Hồng - Thái Bình và đã giải quyết được từng mục tiêu
cụ thể trong nghiên cứu lũ và phòng chống thủy tai đồng bằng sông Hồng - Thái Bình,
các kết quả của các nghiên cứu này là nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo. Tuy
nhiên mỗi nghiên cứu chỉ chú trọng đến một lĩnh vực, một phạm vi nhất định và chưa
có một công nghệ hoàn chỉnh cho tính toán dự báo lũ cho toàn hệ thống sông Hồng Thái Bình.
Chính vì vậy, trên cơ sở kế thừa những nghiên cứu dự báo lũ hệ thống sông
Hồng – Thái Bình như hệ thống mặt cắt cũ, cơ sở dữ liệu khí tượng thủy văn, luận văn
đã sử dụng mô hình thủy văn thủy lực MIKE để xây dựng công nghệ tính toán lũ hệ
thống sông Hồng – Thái Bình nhằm nâng cao độ chính xác và thời gian dự kiến của dự
báo tác nghiệp, tính toán dự báo lũ và vận hành các hệ thống phòng chống lũ trong
trường hợp khẩn cấp.

11


1.4. Cơ sở lý thuyết của mô hình
Mô hình MIKE 11 với những mô đun riêng biệt trong đó có mô đun dự báo với
chức năng hiệu chỉnh số liệu dự báo, cập nhật sai số. Mô hình MIKE cũng có các ứng
dụng vận hành hồ chứa, điều khiển công trình, kiểm soát lũ và mô hình thuỷ văn
(NAM). Mô đun thủy động lực học (HD) là mô đun trung tâm của bộ mô hình Mike
11. Mô đun này được dùng kết hợp với các mô đun khác như FF (Flood Forecasting),

AD (Advection-Dispersion), WQ (Water Quality) và ST (Sediment Transport) để phục
vụ cho bài toán dự báo lũ và vận hành hồ chứa, mô phỏng lan truyền chất ô nhiễm,
chất lượng nước và vận chuyển bùn cát.
Mô hình MIKE – NAM là mô hình cải tiến của mô hình Nielsen – Hánen, được
công bố trong tạp chí “ Nordic Hydrology” năm 1973 và sau này được viện thủy lực
Đan Mạch phát triển và đổi thành NAM.
Cấu trúc của mô hình :

Hình 1. 3. Cấu trúc mô hình MIKE
1.4.1. Mô hình MIKE NAM
Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE – NAM
Là mô hình thủy văn mô phỏng quá trình mưa dòng chảy trên bề mặt lưu vực
với 4 bể chứa được mô phỏng và sử dụng phương trình cân bằng nước để giải bài toán.
Mô hình NAM là một mô hình nhận thức, tất định, thông số tập trung.
12


Mô hình mô phỏng một cánh liên tục quá trình mưa dòng chảy thông qua việc
tính toán cân bằng nước ở 4 bể chứa thẳng đứng, có tác dụng qua laik lẫn nhau để diễn
tả tính chất vật lý của lưu vực. Các bể chứa gồm:
+ Bể tuyết (chỉ áp dụng cho vùng có tuyết)
+ Bể mặt
+ Bể sát mặt hay tầng rễ cây
+ Bể ngầm
Cấu trúc của mô hình
Mô hình NAM được xây dựng tại Khoa Thuỷ văn Viện Kỹ thuật Thuỷ động lực
và Thuỷ lực thuộc Đại học Kỹ thuật Đan Mạch năm 1982. NAM là chữ viết tắt của
cụm từ tiếng Đan Mạch “Nedbør - Afstrømnings - Models” có nghĩa là mô hình mưa
rào dòng chảy. Mô hình NAM đã được sử dụng rộng rãi ở Đan Mạch và một số nước
nằm trong nhiều vùng khí hậu khác nhau như Srilanca, Thái Lan, Ấn Độ và Việt

Nam.v.v. Trong mô hình NAM, mỗi lưu vực được xem là một đơn vị xử lý, do đó các
thông số và các biến là đại diện cho các giá trị được trung bình hóa trên toàn lưu vực.
Mô hình tính quá trình mưa - dòng chảy theo cách tính liên tục hàm lượng ẩm trong
năm bể chứa riêng biệt có tương tác lẫn nhau.
Cấu trúc mô hình NAM được xây dựng trên nguyên tắc các hồ chứa theo chiều
thẳng đứng và các hồ chứa tuyến tính, gồm có 5 bể chứa theo chiều thẳng đứng như
Hình 1. 4.
+ Bể chứa tuyết tan được kiểm soát bằng các điều kiện nhiệt độ. Đối với điều
kiện khí hậu nhiệt đới ở nước ta thì không xét đến bể chứa này.
+ Bể chứa mặt: lượng nước ở bể chứa này bao gồm lượng nước mưa do lớp phủ
thực vật chặn lại, lượng nước đọng lại trong các chỗ trũng và lượng nước trong tầng
sát mặt. Giới hạn trên của bể chứa này được ký hiệu bằng Umax.
+ Bể chứa tầng dưới: là vùng đất có rễ cây nên cây cối có thể hút nước cho bốc,
thoát hơi. Giới hạn trên của lượng nước trong bể chứa này được ký hiệu là Lmax,

13


lượng nước hiện tại được ký hiệu là L và tỷ số L/Lmax biểu thị trạng thái ẩm của bể
chứa.
+ Bể chứa nước ngầm tầng trên.
+ Bể chứa nước ngầm tầng dưới.
Mưa hoặc tuyết tan đều đi vào bể chứa mặt. Lượng nước (U) trong bể chứa mặt
liên tục cung cấp cho bốc hơi và thấm ngang thành dòng chảy sát mặt. Khi U đạt đến
Umax, lượng nước thừa là dòng chảy tràn trực tiếp ra sông và một phần còn lại sẽ
thấm xuống các bể chứa tầng dưới và bể chứa ngầm.
Nước trong bể chứa tầng dưới liên tục cung cấp cho bốc thoát hơi và thấm
xuống bể chứa ngầm. Lượng cấp nước ngầm được phân chia thành hai bể chứa: tầng
trên và tầng dưới, hoạt động như các hồ chứa tuyến tính với các hằng số thời gian khác
nhau. Hai bể chứa này liên tục chảy ra sông tạo thành dòng chảy cơ bản.

Dòng chảy tràn và dòng chảy sát mặt được diễn toán qua một hồ chứa tuyến
tính thứ nhất, sau đó các thành phần dòng chảy được cộng lại và diễn toán qua hồ chứa
tuyến tính thứ hai. Cuối cùng cũng thu được dòng chảy tổng cộng tại cửa ra.

Hình 1. 4. Cấu trúc mô hình NAM.
14


Các thông số cơ bản của mô hình NAM
Mô hình có các thông số cơ bản sau:
CQOF: Hệ số dòng chảy tràn không có thứ nguyên, có phạm vi biến đổi từ 0.0
đến 0.9. Nó phản ánh điều kiện thấm và cấp nước ngầm. Vì vậy nó ảnh hưởng nhiều
đến tổng lượng dòng chảy và đoạn cuối của đường rút. Thông số này rất quan trọng vì
nó quyết định phần nước dư thừa để tạo thành dòng chảy tràn và lượng nước thấm.
Các lưu vực có địa hình bằng phẳng, cấu tạo bởi cát thô thì giá trị CQOF tương đối
nhỏ, ở những lưu vực mà tính thấm nước của thổ nhưỡng kém như sét, đá tảng thì giá
trị của nó sẽ rất lớn.
CQIF: Hệ số dòng chảy sát mặt, có thứ nguyên là thời gian (giờ)-1. Nó chính là
phần của lượng nước trong bể chứa mặt (U) chảy sinh ra dòng chảy sát mặt trong một
đơn vị thời gian. Thông số này ảnh hưởng không lớn đến tổng lượng lũ, đường rút
nước.
CBL: là thông số dòng chảy ngầm, được dùng để chia dòng chảy ngầm ra làm
hai thành phần: BFU và BFL. Trường hợp dòng chảy ngầm không quan trọng thì có
thể chỉ dùng một trong 2 bể chứa nước ngầm, khi đó chỉ cần CBFL=0, tức là lượng
cấp nước ngầm đều đi vào bể chứa ngầm tầng trên.
CKOF, CKIF: Là các ngưỡng dưới của các bể chứa để sinh dòng chảy tràn,
dòng chảy sát mặt và dòng chảy ngầm, các thông số này không có thứ nguyên và có
giá trị nhỏ hơn 1. Chúng có liên quan đến độ ẩm trong đất, khi các giá trị của ngưỡng
này nhỏ hơn L/Lmax thì sẽ không có dòng chảy tràn, dòng chảy sát mặt và dòng chảy
ngầm. Về ý nghĩa vật lý, các thông số này phản ánh mức độ biến đổi trong không gian

của các đặc trưng lưu vực sông. Do vậy, giá trị các ngưỡng của lưu vực nhỏ thường
lớn so với lưu vực lớn.
Umax, Lmax: Thông số biểu diễn khả năng chứa tối đa của các bể chứa tầng
trên và tầng dưới. Do vậy, Umax và Lmax chính là lượng tổn thất ban đầu lớn nhất,
phụ thuộc và điều kiện mặt đệm của lưu vực. Một đặc điểm của mô hình là lượng chứa
Umax phải nằm trong sức chứa tối đa trước khi có lượng mưa vượt thấm, khi đó lượng

15


nước thừa sẽ PN xuất hiện, tức là U< Umax. Do đó trong thời kỳ khô hạn, tổn thất của
lượng mưa trước khi có dòng chảy tràn xuất hiện có thể được lấy làm Umax ban đầu.
CK1,2, CKBF: là các hằng số thời gian biểu thị thời gian tập trung nước. Chúng
là các thông số rất quan trọng, ảnh hưởng đến dạng đường quá trình và đỉnh.
Các yếu tố chính ảnh hưởng đến dòng chảy
- Lượng trữ bề mặt:
Lượng ẩm bị giữ lại bởi thực vật cũng như được trữ trong các chỗ trũng trên
tầng trên cùng của bề mặt đất được coi là lượng trữ bề mặt. Umax biểu thị giới hạn
trên của tổng lượng nước trong lượng trữ bề mặt. Tổng lượng nước U trong lượng trữ
bề mặt liên tục bị giảm do bốc hơi cũng như do thấm ngang. Khi lượng trữ bề mặt đạt
đến mức tối đa, một lượng nước thừa PN sẽ gia nhập vào sông với vai trò là dòng chảy
tràn trong khi lượng còn lại sẽ thấm vào tầng thấp bên dưới và tầng ngầm.
- Lượng trữ tầng thấp hay lượng trữ tầng rễ cây:
Độ ẩm trong tầng rễ cây, lớp đất bên dưới bề mặt đất, tại đó thực vật có thể hút
nước để bốc thoát hơi đặc trưng cho lượng trữ tầng thấp. Lmax biểu thị giới hạn trên
của tổng lượng nước trữ trong tầng này. Độ ẩm trong lượng trữ tầng thấp cung cấp cho
bốc thoát hơi thực vật. Độ ẩm trong tầng này điều chỉnh tổng lượng nước gia nhập vào
lượng trữ tầng ngầm, thành phần dòng chảy mặt, dòng sát mặt và lượng gia nhập lại.
- Bốc thoát hơi nước:
Nhu cầu bốc thoát hơi đầu tiên được thoả mãn từ lượng trữ bề mặt với tốc độ

tiềm năng. Nếu lượng ẩm U trong lượng trữ bề mặt nhỏ hơn yêu cầu (U < Ep) thì phần
còn thiếu được coi rằng là do các hoạt động của rễ cây rút ra từ lượng trữ tầng thấp
theo tốc độ thực tế Ea. Ea tương ứng với lượng bốc hơi tiềm năng và biến đổi tuyến
tính theo quan hệ lượng trữ ẩm trong đất, L/Lmax, của lượng trữ ẩm tầng thấp.

Ea  ( E p  U )

L
Lmax

(1 - 1)

- Dòng chảy mặt:

16


Khi lượng trữ bề mặt đã tràn, U > Umax, thì lượng nước thừa PN sẽ gia nhập
vào thành phần dòng chảy mặt. Thông số QOF đặc trưng cho phần nước thừa PN đóng
góp vào dòng chảy mặt. Nó được giả thiết là tương ứng với PN và biến đổi tuyến tính
theo quan hệ lượng trữ ẩm đất, L/Lmax, của lượng trữ ẩm tầng thấp.

QOF

L / Lmax  TOF

PN nÕu L / Lmax  TOF
CQOF
1  TOF


0
nÕu L / Lmax  TOF


Trong đó:

(1 - 2)

CQOF = hệ số dòng chảy tràn trên mặt đất (0 ≤ CQOF ≤ 1),
TOF = giá trị ngưỡng của dòng chảy tràn (0 ≤ TOF ≤ 1).

Phần lượng nước thừa PN không tham gia vào thành phần dòng chảy tràn sẽ
thấm xuống lượng trữ tầng thấp. Một phần trong đó, ∆L, của nước có sẵn cho thấm,
(PN-QOF), được giả thiết sẽ làm tăng lượng ẩm L trong lượng trữ ẩm tầng thấp.
Lượng ẩm còn lại, G, được giả thiết sẽ thấm sâu hơn và gia nhập lại vào lượng trữ tầng
ngầm.
- Dòng chảy sát mặt
Sự đóng góp của dòng chảy sát mặt, QIF, được giả thiết là tương ứng với U và
biến đổi tuyến tính theo quan hệ lượng chứa ẩm của lượng trữ tầng thấp.

QIF


1 L / Lmax  TIF
U nÕu L / Lmax  TIF
(CK IF )
1  TIF

 0
nÕu L / Lmax  TIF



(1 - 3)

Trong đó CKIF là hằng số thời gian dòng chảy sát mặt và TIF là giá trị ngưỡng
tầng rễ cây của dòng sát mặt (0 ≤ TIF ≤ 1).
- Diễn toán dòng chảy mặt và dòng sát mặt:
Dòng sát mặt được diễn toán qua chuỗi hai hồ chứa tuyến tính với cùng một
hằng số thời gian CK12. Diễn toán dòng chảy mặt cũng dựa trên khái niệm hồ chứa
tuyến tính nhưng với hằng số thời gian có thể biến đổi.
nÕu OF < OFmin
 CK12


CK  
 OF 
nÕu OF < OFmin
CK12  OF 
 min 

17

(1 - 4)


Trong đó OF là dòng chảy tràn (mm/hr) OFmin là giới hạn trên của diễn toán
tuyến tính (= 0,4 mm/giờ), và β = 0,4. Hằng số β = 0,4 tương ứng với việc sử dụng
công thức Manning để mô phỏng dòng chảy mặt.
Theo phương trình trên, diễn toán dòng chảy mặt được tính bằng phương pháp
sóng động học, và dòng chảy sát mặt được tính theo mô hình NAM như dòng chảy mặt

(trong lưu vực không có thành phần dòng chảy mặt) được diễn toán như một hồ chứa
tuyến tính.
- Lượng gia nhập nước ngầm
Tổng lượng nước thấm G gia nhập vào lượng trữ nước ngầm phụ thuộc vào độ
ẩm chứa trong đất trong tầng rễ cây.

L / Lmax  TG

nÕu L / Lmax  TG
( PN  QOF )
1  TG
G 
0
nÕu L / Lmax  TG


(1 - 5)

Trong đó TG là giá trị ngưỡng tầng rễ cây đối với lượng gia nhập nước ngầm
(0 ≤ TG ≤ 1).
- Độ ẩm chứa trong đất
Lượng trữ tầng thấp biểu thị lượng nước chứa trong tầng rễ cây. Sau khi phân
chia mưa giữa dòng chảy mặt và dòng thấm xuống tầng ngầm, lượng nước mưa còn lại
sẽ đóng góp vào lượng chứa ẩm (L) trong lượng trữ tầng thấp một lượng ∆L.

L  PN  QOF  G

(1 - 6)

- Dòng chảy cơ bản

Dòng chảy cơ bản BF từ lượng trữ tầng ngầm được tính toán như dòng chảy ra
từ một hồ chứa tuyến tính với hằng số thời gian CKBF.
Điều kiện ban đầu của mô hình
Điều kiện ban đầu mô hình bao gồm:
U là lượng nước chứa trong bể chứa mặt (mm);
L là lượng nước chứa trong bể chứa tầng dưới (mm);
18


QOF - cường suất dòng chảy mặt sau khi diễn toán qua bể chứa tuyến tính
(mm/h);
QIF - cường suất dòng chảy sát mặt khi qua bể chứa tuyến tính (mm/h);
BF - cường suất dòng chảy ngầm (mm/h).
Hiệu chỉnh thông số mô hình nhằm xác định các thông số của mô hình để cho
đường quá trình tính toán phù hợp nhất với đường quá trình thực đo. Việc hiệu chỉnh
các thông số mô hình có thể được tiến hành bằng 2 phương pháp: phương pháp thử sai
hoặc phương pháp tối ưu. Ở đây phương pháp thử sai để dò tìm bộ thông số cho lưu
vực cần tính toán được. Để đánh giá sự phù hợp giữa đường quá trình thực đo và
đường quá trình tính toán, người ta sử dụng chỉ tiêu NASH.
Tóm lại, mô hình NAM được sử dụng để xác định đường quá trình lưu lượng
tại mặt cắt cửa ra của lưu vực từ số liệu mưa bằng cách đi tìm một bộ thông số phù
hợp với đặc điểm của lưu vực nghiên cứu. Để xác định được các thông số cần thiết đó,
chúng ta lại cần phải có số liệu lưu lượng thực đo một vài năm dùng để hiệu chỉnh và
kiểm định mô hình. Với bộ thông số này, từ số liệu sẵn có, ta có thể sử dụng để khôi
phục lại số liệu tại cửa ra của lưu vực cần nghiên cứu
1.4.2. Mô hình thủy lực MIKE 11 – HD
MIKE11 là một phần mềm kỹ thuật chuyên dụng mô phỏng lưu lượng, chất
lượng nước và vận chuyển bùn cát ở cửa sông, sông, hệ thống tưới, kênh dẫn và các hệ
thống dẫn nước khác. MIKE11 là công cụ lập mô hình động lực một chiều, thân thiện
với người sử dụng nhằm phân tích chi tiết, thiết kế, quản lý và vận hành cho sông và

hệ thống kênh dẫn đơn giản và phức tạp. Với môi trường đặc biệt thân thiện với người
sử dụng, linh hoạt và tốc độ, MIKE11 cung cấp một môi trường thiết kế hữu hiệu về
kỹ thuật công trình, tài nguyên nước, quản lý chất lượng nước và các ứng dụng quy
hoạch. Mô đun mô hình thuỷ động lực (HD) là một phần trung tâm của hệ thống lập
mô hình MIKE11 và hình thành cơ sở cho hầu hết các mô đun bao gồm: dự báo lũ, tải
khuyếch tán, chất lượng nước và các mô đun vận chuyển bùn cát. Mô đun MIKE11HD giải các phương trình tổng hợp theo phương đứng để đảm bảo tính liên tục và bảo
toàn động lượng (phương trình Saint Venant).
19


Các ứng dụng liên quan đến mô đun MIKE11-HD bao gồm:
-

Dự báo lũ và vận hành hồ chứa

-

Các phương pháp mô phỏng kiểm soát lũ

-

Vận hành hệ thống tưới và tiêu thoát nước mặt

-

Thiết kế các hệ thống kênh dẫn

-

Nghiên cứu sóng triều và dòng chảy do mưa ở sông và cửa sông

Đặc trưng cơ bản của hệ thống lập mô hình MIKE 11 là cấu trúc mô đun tổng

hợp với nhiều loại mô đun được thêm vào mô phỏng các hiện tượng liên quan đến hệ
thống sông. Ngoài các mô đun thuỷ lực đã mô tả ở trên, MIKE bao gồm các mô đun
bổ sung đối với:
-

Thuỷ văn

-

Tải khuyếch tán

-

Các mô hình chất lượng nước

-

Vận chuyển bùn cát có cấu kết

-

Vận chuyển bùn cát không cấu kết
Phương trình cơ bản của mô hình để tính toán cho trường hợp dòng không ổn

định là phương trình liên tục và phương trình động lượng (hệ phương trình Saint
Venant) với các giả thiết chất lưu không nén được và đồng nhất, dòng chảy chủ yếu là
một chiều, độ dốc đáy nhỏ, các thông số mặt cắt ngang ít biến động theo chiều dọc,
phân bố áp suất thuỷ tĩnh cho phương trình liên tục (bảo toàn khối lượng) và phương

trình động lượng (bảo toàn động lượng).
Phương trình liên tục:
Q 
Q

dt    Q 
dx  dt   .dA.dx  
dx.dt
x
t



Trong đó:

(1-7)

Q A
Q
h

B
0
t
t và t
t

Phương trình động lượng:
M M .U  P Ff Fg





t
x
x x x

(1-8)
20


Trong đó:
Động lượng:

M   .H .b.U

Thông lượng:

M f   .H .b.U .U

P

Áp suất:

1
 .g .b.H 2
2

F  x.b.

Ma sát:

 .g .U 2
C2

P   .g . A.S

Trọng lượng:

Trong MIKE-11, các phương trình Saint Venant được giải bằng cách dùng lược
đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn là Bbott-Inoescu. Trong lược đồ này, các cấp mực nước
và lưu lượng dọc theo các nhánh sông được tính trong một hệ thống các điểm lưới xen
kẽ như trong Hình 1. 5.
h j-4
Q j-3
h j-2
h j-4

Q j-1

hj

Q j+1

h j+ 2

Q j+ 3

h j+ 4

Hình 1. 5. Nhánh sông với các điểm lưới xen kẽ
MIKE-11 có thể xử lý được nhiều nhánh, và tại các nhập lưu nơi mà tại đó các
nhánh gặp nhau. Một nút sẽ được tạo ra trong đó mực nước được tính toán. Hình dạng
của các điểm lưới quanh một nút trong đó có ba nhánh gặp nhau được thể hiện trong
Hình 1. 6.
h B ,n -2

Q
h A ,n - 2

Q

B ,n -1

A ,n - 1

h B ,n - 2

h A ,n
H

h C ,1
Q

C ,2

h C ,2

Hình 1. 6. Hình dạng các điểm lưới xung quanh nút mà tại đó ba nhánh gặp nhau
21

Hình 1. 7. Hình dạng các điểm lưới và các nút trong một mô hình hoàn chỉnh
Hình dạng các điểm lưới và các điểm trong một mô hình hoàn chỉnh được thể
hiện trong Hình 1. 7. Cần lưu ý rằng tại các điểm biên, ta lập các nút theo đó ta sẽ tính
được mực nước.
Trong một điểm lưới, mối quan hệ giữa biến số Zi (cả mực nước hi hay lưu
lượng xả Qi) tại chính điểm đó và tại các điểm lân cận được thể hiện bằng cách dùng
một phương trình tuyến tính như sau:
 i Z nj11   j Z nj 1   j Z nj11   j

(1-9)

Chỉ số dưới trong phương trình (3) biểu thị vị trí dọc theo nhánh và chỉ số trên
chỉ bước thời gian. Các hệ số , ,  và  trong phương trình tại các điểm h được tính
bằng sai phân hữu hạn xấp xỉ đối với phương trình liên tục và tại các điểm Q bằng
cách dùng sai phân hữu hạn xấp xỉ đối với các phương trình động lượng.
Tại tất cả các điểm lưới dọc theo một nhánh, phương trình (3) được thành lập.
Giả sử một nhánh có các điểm lưới n; n là số lẻ, thì điểm lưới đầu và cuối trong một
nhánh luôn luôn là điểm mực nước (h). Điều này tạo ra n phương trình tuyến tính có
n+2 ẩn. Hai ẩn số thừa ra là do các phương trình được tạo ra tại điểm đầu và điểm cuối
h, tại đó Zj-1 và Zj+1 lần lượt trở thành cấp mực nước tại nút, theo đó phần cuối
thượng lưu và cuối hạ lưu của nhánh sông được kết nối. Phần dưới đây mô tả các
phương trình tuyến tính:
1 H usn 1  1h1n 1   1Q2n 1   1

(1-10)
22

 2 h1n 1   2Q2n 1   2 h2n 1   2

 3Q2n1   3h3n 1   3Q4n 1   3
 4 h3n 1   4Q4n 1   4 h5n 1   4

...........................................
 n  2 Qnn31   n  2 hnn21   n 2 Qnn11   n  2
 n 1hnn21   n 1Qnn11   n 1hnn 1   n 1

 nQnn11   n hnn11   n H nn 1   n

Hus trong các phương trình đầu và Hds trong phương trình cuối cùng lần lượt
là cấp mực nước trong nút thượng lưu và nút hạ lưu. Trong MIKE-11 mực nước tương
thích được ứng dụng tại các nút, nghĩa là mực nước tại điểm đầu tiên trong một nhánh
bằng với mực nước tại nút, theo đó phần cuối thượng lưu của nhánh được nối với
nhau. Nói cách khác, h1=Hus. Điều này nghĩa là 1=-1, 1=1, 1=0 và 1=0. Tương
tự, trong điểm lưới cuối cùng tại đó hn=Hds do đó n=0, n=1, n=-1 và n= 0. Trong
Hình 1. 7, điều này tương ứng với H=hA,n= hB,n= hC,1
Nếu ta liên hệ với hệ thống một nhánh với một biên mực nước tại cuối mỗi
nhánh thì ta sẽ biết được Hus và Hds. Chỉ còn lại n ẩn số trong n phương trình và ta có
thể giải được chúng bằng cách dùng thuật toán khử chuẩn. Tuy nhiên do MIKE-11 có
thể xử lý nhiều nhánh nên ta phải áp dụng một phương pháp khác. Để giải thích vấn đề
này, các phương trình trên sẽ được trình bày trong ma trận ở Hình 1. 8.

1

1
2

1

2
3

2
3
4

3
4
...
n-1

4
...
n-1
n-1

n-1
n-1
n

n-1
n

Hình 1. 8. Ma trận nhánh trước khi khử
23

n

1

2
3
4
...
n-1
n-1
n


Bằng phương pháp khử chẩn ta chuyển ma trận 4 thành ma trận 5

a1
a2
a3
a4
...
an-2
an-1
an

1

b1
b2
b3
b4
...
bn-2
bn-1
bn

1
1
1
...
1
1
1

c1
c2
c3
c4
...
cn-2
cn-1
cn

Hình 1. 9. Ma trận nhánh sau khi khử
Từ ma trận này ta có thể thấy tại bất kỳ điểm lưới nào, biến số Z (mực nước và
lưu lượng được thể hiện dưới dạng hàm số mực nước và lưu lượng thượng lưu và hạ
lưu:
Z nj 1  c j  a j H usn 1  b j H dsn 1

(1-11)

Tại các giao điểm, phương trình liên tục tại nút giao điểm được thiết lập như
sau:

hB,n-2

QB,n-1
hA,n-2

QA,n-1
hB,n-2

hA,n
H

hC,1
QC,2
hC,2

Hình 1. 10. Giao điểm của ba nhánh sông
Phương trình liên tục tại vị trí giao điểm là:
H n 1  H n
A fl  QIn1 / 2  QOn1 / 2
t

(1-12)

H n 1  H n
A fl  0.5 Q An,n 1  QBn,n 1  QCn , 2  0.5 Q An ,n11  Q Bn,n11  QCn, 21
t





24





(1-13)


Với: Afl: Khu vực trong giới hạn phương trình liên tục
QI: Tổng dòng vào
QO: Tổng dòng ra
t: Bước thời gian
Trong phương trình trên, QA,n-1, QB,n-1, QC,n-1 tại bước thời gian n+1 có
thể được thay như trong phương trình (5), ta có:
H

n 1

n

H
A fl  0.5 Q An  QBn  QCn
t





 c A,n1  a A,n1 H An ,n11  b A,n1 H An,n11Q An,n11  



 0.5 c B ,n1  a B ,n1 H Bn ,n11  bB ,n1 H Bn,n11QBn,n11  


 cC ,n1  aC ,n1 H Cn ,n11  bC ,n1 H Cn,n11QCn,n11 

 (1-14)

Trong đó: H: Mực nước thực tại giao điểm
HA,us: Mực nước tại điểm cuối thượng lưu của nhánh A
HB,us: Mực nước tại điểm cuối thượng lưu của nhánh B
HC,us: Mực nước tại điểm đầu thượng lưu của nhánh C
Với số nhánh sông nhiều hơn ta cũng có một phương trình tương tự như
phương trình (1-14), các phương trình này được giải bằng phương pháp khử chuẩn
Gauss để tính được mực nước tại các thời điểm n+1. Sau đó, mực nước và lưu lượng
lai được tính theo phương trình (1-11).
Trong MIKE-11, có thể áp dụng ba loại điều kiện biên sau đây:
-

Mực nước theo thời gian

-

Lưu lượng theo thời gian

-

Mối quan hệ giữa mực nước và lưu lượng dòng chảy (biên Q/h)
Mỗi dạng biên được tính bằng cách sử dụng phương trình nút khác nhau.

Mực nước theo thời gian:
Trong trường hợp này mực nước tại nút tại bước thời gian là n+1 đơn giản sẽ

trở thành giá trị biên được xác định bởi người sử dụng tại bước thời gian là n+1
(

n 1
H Boundary

). Nghĩa là trong phương trình có liên quan trong ma trận điểm, chỉ có đường

chéo và hệ số bên phải là khác không và lần lượt bằng 1 và
Lưu lượng theo thời gian

25

n 1
H Boundary


Trong trường hợp này một phương trình liên tục lũy tích bao gồm khu vực chỉ
định trong hình 1.8 được thiết lập. Phương trình (1-13) trở thành:
H n 1  H n
AF1  0.5.(Qbn  Q2n )  0.5.(Qbn1  Q2n1 )
t

(1-15)

Từ phương trình (1-13) Q2 tại thời điểm n+1 được thay bằng phương trình (111) và ta có phương trình (1-16)
H n 1  H n

AF1  0.5.(Qbn  Q2n )  0.5.(Qbn1  c 2  a 2 H n 1  b2 H dsn1 )
t

(1-16)

Phương trình (1-16) tương tự với phương trình 1-14 và các hệ số trong hàng có
liên quan trong ma trận điểm có thể được tính bằng cách sắp xếp lại phương trình (116)
Biên giới hạn Q/h
Trong trường hợp này, người sử dụng xác định mối quan hệ trên bảng giữa h và
Q. Ta lập được một phương trình liên tục tại biên giới hạn giống như cách ta đã lập
cho biên giới hạn lưu lượng xả. Lưu lượng xả tại điểm biên giới hạn Qb được mô tả
theo hàm mực nước tại điểm có sử dụng mối quan hệ bảng này. Cụ thể như sau:
Ta tìm được chỉ số i với Htab,I  Hn < Htab,i+1, và tỉ lệ ‘a’ được tính dựa theo
phương trình (1-17)
a

Qtab,i 1  Qtab,i
H tab,i 1  H tab,i

(1-17)

Dùng nội suy tuyến tính giữa các giá trị trên bảng mực nước và ta có phương
trình lưu lượng (1-18) và (1-19):



Qbn 1  Qtab ,i  a. H n 1  H tab ,i



Qbn  Qtab ,i  a. H n  H tab ,i



(1-18)



(1-19)

Phương trình (1-18) và (1-19) được thế vào phương trình (1-15) và ta có
phương trình (1-20):
H n 1  H n
AF1  0.5.(Qtab,i  a.( H n  H tab,i )  Q2n )  0.5.(Qtab,i  a.( H n1  H tab,i )  Q2n1 )
t

( 11-20)
26


Phương trình (1-20) tương tự với phương trình (1-13) và các hệ số trong hàng
có liên quan trong ma trận điểm có thể được tính bằng cách sắp xếp lại phương trình
(1-14). Như vậy, trình tự áp dụng để giải các phương trình sai phân hữu hạn có thể
được tóm tắt như sau:
Tại mỗi khoảng thời gian mô phỏng thì sẽ xảy ra những điều sau đây:
1.Tại mỗi nhánh, các hệ số trong các ma trận nhánh được tính căn cứ theo
phương pháp sai phân hữu hạn xấp xỉ của các phương trình Saint - Venant.
2.Các hệ số ma trận nhánh trong các điểm Q có cấu trúc được tính bằng cách
dùng cấu trúc thuật toán có liên quan.
3.Từng ma trận nhánh được chuyển từ Hình 1. 8 sang Hình 1. 9.

4.Ở mỗi điểm mà tại đó có 2 hoặc nhiều hơn 2 nhánh gặp nhau, các hệ số trong
hàng có liên quan trong ma trận điểm sẽ được tính bằng cách sử dụng phương trình (114).
5.Ở mỗi điểm mà tại đó chỉ có một nhánh được nối kết nghĩa là các điểm biên
các hệ số trong hàng có liên quan trong ma trận điểm sẽ được tính bằng cách sử dụng
phương trình dùng cho dạng biên thực tế (

H n 1  H Boundary

) phương trình (1-16) hoặc

phương trình (1-18).
Ma trận điểm sẽ được giải và ta biết được Hn+1 tại tất cả các điểm.
Tại mỗi điểm lưới dọc theo các nhánh, các mực nước và lưu lượng dòng chảy
sẽ được tính bằng cách sử dụng phương trình (1-11).
Để có thể giải chính xác và ổn định cho phương trình sai phân hữu hạn, cần có
các điều kiện sau:
Số liệu địa hình phải tốt, giá trị cho phép tố đa với x (dx-max) được lựa chọn
trên cơ sở này;
Bước thời gian t cần thiết cho một phương trình sóng, ví dụ như khoảng thời
gian tối đa cho mô phỏng thuỷ triều là 30 phút;

27


Điều kiện Courant được dùng để lựa cọn bước thời gian soa cho thoả mãn đồng
thời các điều kiện trên
Cr 



 t V  gx
x


(1-21)

với V là lưu tốc
Giá trị Cr trong khoảng 10 – 15 nhưng các giá trị lớn hơn 100 đã được sử dụng.
Ngoài ra trong mô hình MIKE11 còn sử dụng các phương trình Darcy, phương
trình Poisson cho tính toán dòng chảy nước ngầm.
1.4.3. Mô hình Mike 21
MIKE 21 là mô hình 2 chiều dựa trên hệ phương trình với độ sâu trung bình,
mô tả chuyển động của mực nước s và vận tốc theo 2 chiều (vận tốc U và V) trên hệ
tọa độ Decac.
Phương trình liên tục:
s 

 Uh  Vh  Fs
t x
y

(1-22)

Phương trình chuyển động theo 2 hướng:
s
U
U
s
g


U

U
U
V
 g  2 U U 2  V 2  ( K xx
)  ( K yy
)  FsU s
t
x
y
x C d
x
x
y
y
(1-23)
s
V
V
s
g

V

V
U
V
 g  2 V U 2  V 2  ( K xx
)  ( K yy

)  FsVs
t
x
y
x C d
x
x
y
y

(1-24)

trong đó: s là mực nước lên xuống;
h là tổng độ sâu mực nước;
C là hệ số Chezy;
Kxx và Kyy là hệ số xoáy nhớt;
Fs là nguồn;
Vs và Us là vận tốc ban đầu.
Kết quả của hệ phương trình trên có được từ một dạng khác của hệ phương
trình sử dụng ô lưới C so le và thuật toán hai bước với ẩn không hoàn toàn được gọi là
ADI (Alternating Direction Implicit). Bằng việc viết lại giới hạn đối lưu và ma sát,
28