ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HECHMS DỰ BÁO DÒNG CHẢY LŨ TRÊN LƯU VỰC SÔNG BỨA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
KHOA KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN
________________________

PHẠM THỊ HIÊN

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HEC-HMS DỰ BÁO
DÒNG CHẢY LŨ TRÊN LƯU VỰC SÔNG
BỨA

Hà Nội 2017


TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
KHOA KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN
________________________

PHẠM THỊ HIÊN

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HEC-HMS DỰ BÁO
DÒNG CHẢY LŨ TRÊN LƯU VỰC SÔNG
BỨA

Chuyên ngành

: Thủy văn

Mã ngành

: D440224

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: ThS. VŨ MẠNH CƯỜNG

Hà Nội 2017


LỜI CẢM ƠN
Đồ án tốt nghiệp “Ứng dụng mô hình HEC - HMS dự báo dòng chảy lũ trên
lưu vực sông Bứa” được thực hiện tại khoa Khí tượng Thủy văn thuộc trường Đại
học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, dưới sự hướng dẫn trực tiếp của ThS. Vũ
Mạnh Cường.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa Khí tượng Thủy văn,
Trường đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã truyền thụ kiến thức cho em
suốt quá trình học tập vừa qua, đặc biệt là ThS. Vũ Mạnh Cường, người đã hướng
dẫn và chỉ dạy em tận tình trong suốt thời gian hoàn thành đồ án này. Em cũng xin
cảm ơn cán bộ, viên chức Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Việt Bắc đã giúp đỡ em
trong quá trình thu thập và xử lý số liệu. Xin gửi lời cảm ơn tới những người thân
cùng toàn thể các bạn trong lớp đã chia sẻ, giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện để
em hoàn thành nhiệm vụ học tập, thu thập số liệu cần thiết trong suốt quá trình làm
đồ án. Do đồ án được thực hiện trong thời gian có hạn, tài liệu tham khảo và số liệu
còn hạn chế, kinh nghiệm làm việc còn chưa cao nên nội dung của đồ án còn nhiều
thiếu sót. Vì vậy em rất mong nhận được sự đóng góp của các thầy cô và các bạn
sinh viên để đồ án được hoàn thiện và sẽ phát triển hơn nữa.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 24 tháng 05 năm 2017
Sinh viên

Phạm Thị Hiên


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là bài đồ án của riêng tôi và được sự hướng dẫn của
ThS. Vũ Mạnh Cường. Các số liệu và kết quả nghiên cứu trong đồ án này là trung
thực và chưa hề được sử dụng để bảo vệ một học vị nào. Mọi sự giúp đỡ cho việc
thực hiện đồ án này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong đồ án đã được
chỉ rõ nguồn gốc và được phép công bố.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về
nội dung đồ án của mình

Hà Nội ngày 24 tháng 5 năm 2017
Sinh viên thực hiện

Phạm Thị Hiên


MỤC LỤC


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
ATNĐ

: Áp thấp nhiệt đới

AT

: Áp thấp

KTTV

: Khí tượng Thủy văn

HEC - HMS : Hydrologic Engineering Center- Hydrologic Modeling System


DANH MỤC BẢNG


DANH MỤC HÌNH


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Sông Bứa bắt nguồn từ núi To, Phú Yên tỉnh Sơn La,ở độ cao 1000m, chảy
theo hướng Tây Bắc - Đông Nam qua huyện Thanh Sơn tỉnh Phú Thọ, rồi chuyển
hướng Nam - Bắc qua huyện Tam Thanh và đổ vào bờ phải Sông Hồng ở Mỹ Hạ.
Sông Bứa dài 100km. Diện tích lưu vực 1370km 2; cao trung bình 302m; độ dốc
trung bình 22.2%. Phía Bắc giáp huyện Yên Lập, phía Nam giáp tỉnh Hòa Bình,
phía Tây giáp huyện Phù Yên tỉnh Sơn La, phía Đông giáp huyện Thanh Thủy.
Do ảnh hưởng của địa hình và khí hậu, lưu vực sông Bứa xảy ra khá nhiều lũ.
Mùa lũ từ tháng 6 đến tháng 10. Tuy nhiên mùa lũ ở đây cũng không ổn định. Nhiều
năm lũ xảy ra từ tháng 5 và cũng nhiều năm sang tháng 11, thậm chí có năm sang
tháng 12. Điều này chứng tỏ lũ lụt ở lưu vực sông Bứa có sự biến động khá mạnh
mẽ. Những năm gần đây lũ lụt xảy ra thường xuyên và bất bình thường hơn, như
trận lụt lớn trong những năm 2007 và 2013 đã gây xói lở nghiêm trọng bờ sông, đe
dọa đến người, tài sản và sự tồn tại của các công trình thủy văn. Vấn đề thiên tai lũ
lụt trên lưu vực sông Bứa đã và đang hạn chế phần nào sự phát triển nền kinh tế của
tỉnh Phú Thọ, đồng thời tàn phá môi trường, môi sinh, tác động mạnh đến đời sống
kinh tế xã hội, nhất là người nghèo. Bởi vậy, hơn lúc nào hết, vấn đề dự báo về
dòng chảy lũ trên lưu vực sông Bứa, và đề xuất các giải pháp quản lý, phòng tránh
và giảm thiệt hại trên hệ thống sông Bứa đã trở thành yêu cầu cấp bách. Điều này
đặt ra yêu cầu cần phải có những biện pháp nghiên cứu phân tích trước tình hình lũ

xảy ra trên lưu vực để tìm giải pháp giảm một cách tối đa các thiệt hại do lũ gây ra.
Hiện nay trên thế giới nói chung cũng như ở Việt Nam xuất hiện rất nhiều loại
mô hình mưa - dòng chảy khác nhau. So sánh khả năng áp dụng của các mô hình
này thường không được tiến hành nhằm lựa chọn một mô hình để áp dụng vào một
bài toán cụ thể. Nhằm mục tiêu giảm thiểu các thiệt hại do lũ lụt gây ra. Việc xây
dựng mô hình dự báo dòng chảy lũ của lưu vực sông Bứa là vấn đề cần thiết.
Bài đồ án tốt nghiệp này em đã sử dụng mô hình HEC - HMS để dự báo dòng
chảy lũ trên lưu vực sông Bứa. Kết quả tính toán được dùng cho dự báo lũ hoặc
9


làm đầu vào cho các mô hình thủy lực và có thể được sử dụng trực tiếp hoặc được
kết hợp với các phần mềm khác để nghiên cứu tác động của quá trình đô thị hoá,
thiết kế đường tràn, dự báo lũ nhằm hạn chế, giảm thiệt hại do lũ gây ra, điều tiết lũ
và vận hành hệ thống. Độ chính xác của mô hình cũng đã được kiểm nghiệm với
một số lưu vực từ 15–1500km2.
Vì vậy đồ án đã chọn đề tài “Ứng dụng mô hình HEC - HMS dự báo dòng
chảy lũ trên lưu vực sông Bứa” sẽ là cơ sở để xây dựng phương án dự báo lũ tại
trạm thủy văn Thanh Sơn. Ngoài ra, còn là tài liệu tham khảo cho quy hoạch phòng
chống lũ và hoạch định chính sách của các cơ quan quyết định ở địa phương.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu dự báo lũ tại trạm thủy văn Thanh Sơn trên sông Bứa bằng mô
hình HEC - HMS.
3. Phạm vi nghiên cứu đề tài
Hệ thống lưu vực sông Bứa tính đến trạm thủy văn Thanh Sơn.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp phân tích tổng hợp.
- Phương pháp phân tích hệ thống, phân tích thống kê.
- Phương pháp kế thừa.
- Phương pháp mô hình toán thuỷ văn và ứng dụng công nghệ GIS.

- Phương pháp chuyên gia.
5. Bố cục của đề tài
Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo, phụ lục, bố cục
đề tài bao gồm 3 chương :
- Chương I: Tổng quan về điều kiện địa lý tự nhiên, mạng lưới sông suối và các
mô hình mưa rào- dòng chảy
- Chương II: Cơ sở lý thuyết mô hình HEC - HMS
- Chương III: Áp dụng mô hình HEC - HMS dự báo dòng chảy lũ trên lưu vực
sông Bứa.

10


Chương I: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KIỆN ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN, MẠNG LƯỚI
SÔNG SUỐI VÀ CÁC MÔ HÌNH MƯA RÀO- DÒNG CHẢY
1.1. Điều kiện địa lý tự nhiên lưu vực sông Bứa
1.1.1. Vị trí địa lý
Lưu vực sông Bứa chủ yếu nằm gần trọn trong tỉnh Phú Thọ và trải khắp 3
huyện Thanh Sơn, Tân Sơn và Tam Nông, chỉ có phần đầu nguồn từ núi To, Phú
Yên tỉnh Sơn La, cuối nguồn đổ ra sông Hồng.
Lưu vực sông Bứa thuộc khu vực miền núi, trung du phía Bắc, có vị trí nằm
trong giới hạn từ 20055’ đến 21043’ vĩ độ bắc; 104048’ đến 105027’ kinh độ đông.
Vị trí nguồn sông: 104045’00’’ E, 21011’30’’ N.
Vị trí cửa sông: 105011’50’’ E, 21019’40’’ N.
Phía Bắc giáp huyện Yên Lập.
Phía Nam giáp tỉnh Hòa Bình.
Phía Tây giáp huyện Phù Yên tỉnh Sơn La.
Phía Đông giáp huyện Thanh Thủy.

11

Hình 1.1. Bản đồ lưu vực sông Bứa [1]

12


1.1.2. Địa hình địa mạo
Lưu vực thuộc các tỉnh miền núi, trung du nên địa hình bị chia cắt mạnh vì
nằm ở cuối dãy Hoàng Liên Sơn, nơi chuyển tiếp giữa miền núi cao và miền núi
thấp, gò đồi, độ cao giảm dần từ Tây Bắc xuống Đông Nam. Lưu vực sông có địa
hình khá phức tạp, mang sắc thái của cả 3 vùng địa hình chính là miền núi, trung du
và đồng bằng ven sông. Đặc điểm chung nhất là địa hình dốc, cao độ thấp dần từ
Bắc xuống Nam và từ Tây sang Đông. Ở phía Tây của tỉnh có những đỉnh khá cao
với sườn dốc, đỉnh nhọn xen các khe sâu. Vùng ven sông Hồng có địa hình thấp và
bằng phẳng hơn.

Hình 1.2. Bản đồ địa hình lưu vực sông Bứa [1]
Huyện Thanh Sơn là đoạn cuối của dãy Hoàng Liên Sơn với nhiều dãy núi
nằm nhô trong hệ phức hợp vùng núi thấp có độ cao trung bình từ 500m đến 700m.
đây là vùng thượng lưu của sông Bứa, địa hình nghiêng dần về vùng trũng phía
Đông (Địch Quả; Sơn Hùng) rồi đổ ra sông Hồng ở địa phận huyện Tam Nông.
1.1.3. Địa chất thổ nhưỡng
a) Địa chất
Địa hình bị chia cắt nên cấu tạo địa chất dễ bị phong hóa, xói mòn. Đó cũng là
nguyên nhân tạo ra hệ thống sông ngòi khá phong phú, đa dạng trên lưu vực.
Vùng núi cao trong hệ thống sông Bứa được cấu tạo bởi loại đá granit, đá
phiến, sa diệp thạch, phiến thạch, sa thạch, cát kết, cuội kết, đá vôi.
13

b) Thổ nhưỡng
Do Điều kiện địa hình và khí hậu nên đất đai lưu vực sông Bứa phát triển rất
đa dạng và phong phú. Đất trong lưu vực sông Bứa được phát triển trên các loại đá
mẹ khác nhau. Có những loại đất chính như sau:
Đất granit phát triển trên các loại đá như đá granit, xa thạch, cuội kết, đá kết,
phiến thạch mica, phiến xa, đá vôi, phù sa cổ với các màu sắc khác nhau như vàng
nhạt, vàng, đỏ vàng, nâu đỏ.
- Đất mùn trên núi cao
- Đất đá vôi
- Đất bồi tụ
1.1.4. Thảm phủ thực vật
Thực vật trên lưu vực sông Bứa rất phong phú, đa dạng và phát triển với tốc
độ cao. Do sự khác biệt về điều kiện khí hậu và thủy văn, rừng phân bố theo độ cao
và được chia ra làm 2 loại chính, từ 700m trở lên và dưới 700m. Từ 700m trở lên,
chủ yếu là rừng kín hỗn hợp lá cây rộng, lá kim ẩm á nhiệt nhiệt đới và rừng kín
thường xanh mưa ẩm nhiệt đới. Ở độ cao dưới 700m, rừng chủ yếu là rừng kín
thường xanh mưa ẩm nhiệt đới. Ngoài ra, còn có các loại rừng trồng, các loại cây
bụi trên các đồi trọc.
Diện tích rừng với nhiều cây công nghiệp tương đối phong phú, đa dạng như:
gỗ trai, cây sơn, cây bạch đàn, cây keo... có tác dụng bảo vệ môi trường sinh thái,
chống xói mòn, sạt lở. Diện tích rừng trồng (rừng kinh tế) phát triển tương đối
mạnh, góp phần quan trọng trng việc cung cấp nguồn tài nguyên đầu vào cho công
nghiệp giấy và vật liệu xây dựng.
Do khai thác, đốt phá rừng bừa bãi nên rừng đã bị tàn phá nặng nề, tỷ lệ rừng
che phủ trong lưa vực còn tương đối thấp.
Trong những năm gần đây, nhờ có phong trào trồng và bảo vệ rừng nên tỉ lệ
rừng che phủ ở các tỉnh trong lưu vực sông Bứa đã tăng lên đáng kể. Tính đến năm
1999 tỷ lệ rừng che phủ ở vùng trung du và miền núi đã tăng lên 35%.

14


1.1.5. Đặc điểm khí hậu, thủy văn
a) Mạng lưới sông suối
Sông Bứa bắt nguồn từ núi To, Phú Yên - Sơn La ở độ cao 1000m, chảy theo
hướng Tây Bắc - Đông Nam qua huyện Thanh Sơn tỉnh Phú Thọ, rồi chuyển hướng
Nam - Bắc qua huyện Tam Nông và đổ vào bờ phải Sông Hồng ở Mỹ Hạ.
Sông Bứa có 13 phụ lưu lớn trong đó có 10 phụ lưu lớn thuộc tỉnh Phú Thọ, 3
phụ lưu thuộc tỉnh Sơn La. Sông Bứa có các phụ lưu như: phụ lưu số 1, phụ lưu số
2, phụ lưu số 3, ngòi Cúc, sông Cẩn, sông Làng, sông Miên, sông Giai, sông Sài,
sông Bông, sông Giàn, phụ lưu số 12, phụ lưu số 13.
b) Đặc điểm khí hậu
Cũng như các tỉnh khác ở Bắc Bộ, đặc điểm khí hậu lưu vực sông Bứa có tính
chất nhiệt đới ẩm, gió mùa. Đặc điểm khí hậu của lưu vực sông Bứa chịu ảnh hưởng
sâu sắc của địa hình và vị trí lưu vực nên có sự biến đổi mạnh mẽ cả về không gian
và thời gian. Khí hậu trong lưu vực sông nói chung là ẩm ướt với mùa đông còn khá
lạnh, xong đã ấm hơn phía Đông Bắc và Bắc Bộ. Điều đó chỉ rõ sự suy yếu phần
nào của gió mùa Đông Bắc khi tới lưu vực.
Tùy thuộc vào vị trí đặc điểm cao hay thấp của địa hình cùng với mức độ ảnh
hưởng của hoàn lưu gió mùa đối với từng nơi mà có sự thay đổi về khí hậu giữa các
vùng trong lưu vực.
*Chế độ nhiệt
Phân bố nhiệt độ phù hợp với qui luật phân bố chung, đó là sự giảm nhiệt độ
theo độ cao địa hình. Tại lưu vực, nhiệt độ trung bình cũng giảm khoảng 0,5 đến
0,8oC/100m từ các triền núi xuống đến các khu vực đồng bằng ven sông. Nhiệt độ
trung bình năm dao động từ 22,8oC tại Minh Đài (có độ cao tuyệt đối là 100m).
Bảng 1.1. Nhiệt độ trung bình tháng và năm (oC) [7]
Trạm

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Nă
m

Minh
15.9 17.1 20.2 23.7 26.5 27.8 28.0 27.4 26.3 23.7 20.2 16.7 22.8
Đài

Bảng 1.1 là kết quả tính toán nhiệt độ trung bình tháng và năm tại trạm khí
tượng Minh Đài. Từ kết quả tính toán nhiệt độ trung bình tháng cho thấy, hàng năm,

15


ba tháng có nhiệt độ trung bình dưới 20 oC (các tháng chính đông là tháng 12, 1 và
2); hai tháng có nhiệt độ trung bình từ 20-21 oC (tháng 3 và 11); hai tháng có nhiệt
độ trung bình từ 23-25oC (tháng 4 và 10); năm tháng có nhiệt độ trung bình từ 2629oC (từ tháng 5-9).
Từ kết quả tính toán nhiệt độ tối cao trung bình tháng và năm (bảng 1.2) ta
thấy nhiệt độ tối cao trung bình cả năm 27.4oC. Hàng năm có 8 tháng nhiệt độ trên
25oC là các tháng 4- 11 và chỉ có 4 tháng dưới 25oC.
Bảng 1.2. Nhiệt độ tối cao trung bình tháng và năm (oC) [7]
Trạm

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Năm

Minh
19.6 20.6 23.5 27.9 31.4 32.7 33.0 32.4 31.2 28.8 25.3 21.8 27.4
Đài
Kết quả tính toán nhiệt độ tối thấp trung bình được trình bày trong bảng 1.3.
Từ bảng 1.3 ta thấy nhiệt độ tối thấp trung bình năm 19.9 oC. Hàng năm chỉ
có 3 tháng có nhiệt độ tối thấp trung bình trên 24 oC và có tới 9 tháng có nhiệt độ tối
thấp trung bình dưới 24oC.
Bảng 1.3. Nhiệt độ tối thấp trung bình tháng và năm (oC) [7]
Trạm

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Năm

Minh
13.5 14.8 17.7 21.1 23.4 24.6 24.9 24.5 23.3 20.7 17.1 13.5 19.9
Đài
Biên độ dao động nhiệt độ năm trung bình, cực đại, cực tiểu và năm được trình
bày trong bảng 1.4.
Bảng 1.4. Biên độ dao động nhiệt độ năm (oC) [7]
Trạm

Trung
bình

Minh Đài
13.1

*Độ ẩm không khí

Cao nhất
16.0

Năm
xuất hiện
1977

Thấp nhất
10.4

Năm
xuất hiện
1991

Lưu vực có độ ẩm vừa phải trong tương quan với các tiểu vùng khí hậu khác
của Phú Thọ, quanh năm độ ẩm tương đối trung bình các tháng dao động từ 8587%. Tuy nhiên, kỷ lục về độ ẩm thấp nhất của Phú Thọ lại quan trắc thấy ở Minh
Đài với giá trị 9% vào thời kỳ ẩm ướt nhất trong năm ở những vùng lân cận do hiệu
ứng của mưa phùn cuối đông.
Bảng 1.5. Các đặc trưng độ ẩm tương đối trung bình (Ftb), trung bình thấp nhất
16


(Fntb) và thấp nhất tuyệt đối (Fn) của Minh Đài thời kỳ 1975-2004 [7]
Đặc trưng

Tháng

Năm

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Ftb (%)

87

88

88

87

85

85

86

87

86

86

85

85

86

Fntb (%)

71

72

72

70

66

65

66

67

65

62

61

61

66

Fn (%)

18

14

9

20

18

27

35

28

26

18

20

18

9

*Chế độ mưa
Theo tài liệu quan trắc khí tượng thủy văn của trạm khí tượng Minh Đài và
Thanh Sơn, khí hậu tại lưu vực nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa; mỗi năm có 2
mùa rõ rệt: mùa mưa và mùa khô.
- Mùa mưa bắt đầu từ tháng 4 đến tháng 10, chiếm 90% tổng lượng mưa cả
năm, tháng có lượng mưa cao nhất là tháng 8, tháng 9 hàng năm. Lượng mưa bình
quân năm là 1.826mm, lượng mưa cực đại có thể tới 2.453mm (năm 1971).
- Mùa khô kéo dài từ tháng 11 đến tháng 3 năm sau, thường chịu ảnh hưởng
của gió mùa Đông Bắc, nhiệt độ xuống thấp, lượng mưa ít và có nhiều sương mù.
Lượng mưa năm khá lớn, phân bố ko đều theo không gian và thời gian. Lượng
mưa cũng là một yếu tố biến thiên theo độ cao địa hình khá mạnh mẽ. Điểm khác

biệt so với nhiệt độ là lượng mưa còn phụ thuộc vào dạng của địa hình nên sự biến
đổi của nó khá phức tạp. Mùa mưa ở lưu vực sông Bứa dài khoảng 6 tháng, bắt đầu
từ tháng 5 và kết thúc vào tháng 10. Các tháng mưa lớn nhất trong mùa là các tháng
7,8,9 chiếm trên 50% tổng lượng mưa của cả năm.
Hoàn lưu nóng ẩm hướng đông và đông nam vào mùa hạ kết hợp với điều kiện
địa hình cao dần về phía Bắc đã tạo điều kiện đem đến lượng mưa lớn cho lưu vực
sông Bứa. Lượng mưa năm trung bình khoảng dưới 1800mm.
*Chế độ nắng
Lưu vực sông Bứa nằm trong vùng có chế độ bức xạ mặt trời kiểu II (theo hệ
thống phân vùng bức xạ mặt trời ở Việt Nam). Chỉ tiêu về chế độ nắng của kiểu này
là: Nắng tập trung vào khoảng từ tháng IV, V đến tháng X, XI. Mấy tháng đầu năm
và cuối năm đều rất ít nắng. Kiểu này thấy ở rất nhiều nơi trên đồng bằng, trung du
Bắc Bộ. Tổng số giờ nắng năm lớn hơn 1500 giờ.
Số giờ nắng trung bình rất thấp trong các tháng II, III (khoảng 2 giờ/ngày),
17


tăng lên vào tháng V ( > 5 giờ/ngày), trong khoảng từ tháng VII đến tháng IX số giờ
nắng cao hơn một ít so với các tháng trong năm.
Nhìn chung phân bố giờ nắng năm, từ tháng I đến tháng IV có tính biến động
không lớn theo không gian, số giờ nắng dao động từ khoảng 50-80 giờ. Còn số giờ
nắng từ tháng V đến tháng XII dao động mạnh hơn theo không gian dao động từ
khoảng 110-180 giờ. Trung bình từ tháng V đến tháng X, mỗi tháng có khoảng 160180 giờ nắng và là thời kỳ nhiều nắng nhất trong năm. Thời kỳ ít nắng trong năm là
từ tháng I đến tháng III, khoảng 45-85 giờ/tháng.
* Chế độ gió
Do địa hình tương đối khuất dạng thung lũng nên gió ở khu vực này yếu và
yếu nhất so với các tiểu vùng khí hậu ở Phú Thọ. Tốc độ gió trung bình năm chỉ
khoảng 0.7m/s và thời kỳ giữa mùa đông có gió yếu nhất, khoảng 0.5m/s. Tốc độ
cực đại chỉ xuất hiện trong các cơn dông vào mùa hè và mới chỉ quan trắc thấy tốc
độ kỷ lục 26m/s vào tháng 8.

Bảng 1.6. Các đặc trưng tốc độ gió trung bình (Vtb) và mạnh nhất (Vx) của
trạm Minh Đài thời kỳ 1975-2004 [7]
Đặc
trưng

Tháng
1

2

3

4

5

6

7

Năm
8

9

10

11

12

Vtb (m/s) 0.6 0.7 0.8 0.9 0.8 0.8 0.9 0.7 0.6 0.7 0.5 0.5

0.7

Vx (m/s) 14 24 24
c) Đặc điểm thủy văn

26

24

24

20

24

26

24

20

16

14

* Dòng chảy năm
Căn cứ vào tài liệu thực đo tại Thanh Sơn và Minh Đài cho thấy lượng dòng

chảy trên lưu vực rất phong phú với mô đun dòng chảy bình quân nhiều năm đạt
M0= 27.4 (l/s.km2). Với lưu lượng dòng chảy bình quân nhiều năm đạt Q0= 37.6
m3/s.

18


Bảng 1.7. Bảng tần suất dòng chảy năm

Trạm
Thanh
Sơn

Thời
kì tính
19892015

Q0
37.64

Cv
0.34

Cs
0.38

F

Qp(%) m3 /s

(km2)

10

25

50

75

90

5.54

45.83

36.89

28.89

71.03

1370

Phân phối dòng chảy năm

Để phân mùa dòng chảy, đề tài đã sử dụng các chỉ tiêu vượt trung bình năm.
Kết quả phân mùa dòng chảy trên lưu vực sông Bứa có 2 mùa rõ rệt, mùa lũ kéo dài
5 tháng từ tháng VI đến tháng X, còn mùa cạn từ tháng XI đến tháng IV năm sau.
* Dòng chảy lũ

- Chế độ lũ
Trên lưu vực sông Bứa có mùa lũ hằng năm kéo dài 5 tháng từ tháng VI đến
tháng X (lượng nước mùa lũ chiếm 70.7% lượng nước cả năm).
Tuy nhiên, mùa lũ ở đây cũng không ổn định, có năm lũ xảy ra sớm từ tháng
IV, tháng V và cũng nhiều năm lũ xảy ra muộn sang tháng XI, thậm chí có năm còn
sang tháng XII. Điều này chứng tỏ lũ lụt ở lưu vực sông Bứa có sự biến động khá
mạnh mẽ.
Trong những thập kỉ gần đây lũ lụt xảy ra ngày một thường xuyên hơn, bất
bình thường hơn với những trận lũ rất lớn và gây hậu quả rất nặng nề như trận lũ
lớn trong những năm 2007 và 2013 đã gây xói lở nghiêm trọng bờ sông, đe dọa đến
người, tài sản.
Lưu lượng lớn nhất Qmax= 7140m3/s vào năm 2005 (số liệu đo được tại trạm
Thanh Sơn). Lũ lớn nhất trong năm thường xảy ra vào tháng VII, tháng VIII là
tháng có các trận mưa lớn nhất.
Lũ sớm: Lũ xảy ra vào cuối tháng III đến đầu tháng V gọi là lũ sớm. Lũ sớm
thường có biên độ không lớn, lượng nước trong các sông suối còn ở mức thấp, lũ
sớm thường có đỉnh lũ đơn. Đây là thời kỳ lũ gây thiệt hại cho sản xuất nông nghiệp
vì trùng vào thời kỳ thu hoạch.
Lũ muộn: Lũ xảy ra vào tháng XII, tháng XII được coi là lũ muộn. Lũ thời
kỳ này ảnh hưởng đến thời vụ gieo trồng của sản xuất nông nghiệp.

19


- Mực nước lũ
Đặc điểm lũ là biên độ lũ cao, cường suất nước lũ lớn, thời gian lũ lên ngắn, dạng
lũ nhọn: Đặc điểm này là do cường độ mưa lớn, tập trung nhiều đợt, tâm mưa nằm ở
trung du và thượng du các lưu vực sông, độ dốc sông lớn, nước tập trung nhanh.
Đặc trưng 1 số trận lũ:
Bảng 1.8. Bảng đặc trưng của 1 số trận lũ

STT

Thời gian

Tổng lượng
lũ(Wlũ) ( m3)

1

Tháng 10-2007

2

Biên độ lũ(∆H) Cường suất lũ
(m)

(cm/h)

160706160

6.08

11.3

Tháng 10-2008

92705760

4.79

13.3

3

Tháng 7-2009

57045780

2.91

10.8

4

Tháng 8-2011

55188900

2.78

23.2

5

Tháng 8-2013

113603580

2.70

8.2

6

Tháng 10-2014

46107360

2.62

23.8

7

Tháng 8-2015

28196640

2.58

6.8

*Dòng chảy mùa kiệt
Về mùa kiệt, dòng chảy trong sông nhỏ, nguồn cung cấp nước cho sông chủ
yếu là nước ngầm. Mùa kiệt trên sông Bứa kéo dài từ tháng XI tới tháng IV năm
sau. Theo số liệu quan trắc từ 1989-2015 thì năm kiệt nhất là năm 1998.
1.2. Mạng lưới trạm khí tượng, thủy văn
Hiện lưu vực chỉ có 1 trạm khí tượng Minh Đài thuộc huyện Tân Sơn và 1
trạm thủy văn Thanh Sơn thuộc huyện Thanh Sơn.
Lưu vực có 2 trạm đo mưa nhân dân Cường Thịnh và Đông Cửu, nhưng không

lấy số liệu mưa điện báo (không có số liệu mưa tức thời).

20


Hình 1.3. Bản đồ mạng lưới trạm khí tượng, thủy văn trên lưu vực sông Bứa [7]
1.3. Tổng quan về các mô hình mưa – dòng chảy
1.3.1. Sự ra đời và phát triển của mô hình mưa – dòng chảy
Mô hình mưa - dòng chảy là một bộ phận của mô hình thủy văn. Todini
(1988) nói rằng “mô hình mưa - dòng chảy bắt đầu vào nửa cuối thế kỷ IX xuất
phát từ ba vấn đề chính: Thiết kế hệ thống thoát nước đô thị, thiết kế hệ thống
thoát nước cải tạo đất và thiết kế đập tràn hồ chứa”. Và thành tựu chính của những
nỗ lực ban đầu đạt được trong việc mô hình hóa là tính toán lưu lượng thiết kế.
Dooge 1977 đã ý kiến rằng rất nhiều trong số các mô hình đầu tiên xây dựng dựa
trên các phương trình thực nghiệm được khai triển trong điều kiện duy nhất và sau
đó được dùng cho các ứng dụng có các điều kiện tương tự. Một số mô hình thì sử
dụng “phương pháp tỷ số” để dự báo đỉnh của dòng chảy đã được công bố bởi
Mulvaney 1851. Vào đầu thế kỷ XX, các nhà nghiên cứu thủy văn đã cố gắng để
cải tiến các ứng dụng của phương pháp tỷ số để tính toán cho các lưu vực lớn với
tính không đồng nhất về lượng mưa và đặc điểm lưu vực (Tonidi, 1988).
Sherman 1932 đã giới thiệu “đường đơn vị” hay còn gọi là đường quá trình
thủy văn đơn vị. Và khái niệm này đã chiếm ưu thế trong ngành thủy văn hơn 25
năm và vẫn còn sử dụng rộng rãi cho đến ngày nay (Anderson and Burt, 1985).

21


Đường thủy văn đơn vị là mô hình đầu tiên dùng để tính toán toàn bộ hình
dạng của ẩm chứ không đơn giản là chỉ là các giá trị lớn nhất của thủy văn. Trong
những năm 1950, các nhà nghiên cứu thủy văn bắt đầu tiến hành đi xây dựng “mô

hình khái niệm”. Đến năm 1962 , đánh dấu sự ra đời của mô hình máy tính cho
phép các quá trình phức tạp diễn ra trong môi trường nước được mô phỏng như các
hệ thống hoàn chỉnh (Bedient và Huber, 1992). Mô hình máy tính thủy văn đầu tiên
là mô hình lưu vực Straford, được xây dựng tại đại học Straford (Crawford và
Linsley, 1966). Trong cuối những năm 1960, HEC-1 được xây dựng bởi trung tâm
kỹ thuật thủy văn thuộc quân đoàn kỹ thuật của quân đội Mỹ. Đến những năm 1970
và 1980 thì mô hình dự báo mưa - dòng chảy mới thực sự phát triển để đáp ứng nhu
cầu dự báo cho các khu vực dễ bị lụt và phục vụ cho công tác quản lý hồ chứa, các
công trình thủy lợi (Tonidi, 1988).
Gần đây cùng với sự phát triển của máy tính. Khi kết quả không hoàn toàn
chắc chắn do đó các mô hình phân bố mưa - dòng chảy sẽ được phát triển chi tiết
hơn, phức tạp hơn, và sẽ tiếp cận hệ thống thông tin địa lý cho đầu vào của số liệu
và hiển thị kết quả.
1.3.2. Một số mô hình mưa – dòng chảy thông dụng
a) Mô hình HEC - HMS
Mô hình HEC - HMS là một mô hình được nâng cấp từ mô hình HEC–1 công bố
năm 2000. HEC - HMS sử dụng tài liệu mưa để tính toán quá trình mưa rào - dòng
chảy trên một lưu vực cụ thể. Chức năng của các thành phần mô hình dựa trên các mối
quan hệ toán học đơn giản mà các mối quan hệ này có xu hướng biểu thị các quá
trình khí tượng, thủy văn, bao gồm cả thủy lực cùng với quá trình mưa rào–dòng chảy.
Những quá trình này được phân ra thành mưa, tích đọng, thấm, chuyển lượng mưa hiệu
quả thành dòng chảy của lưu vực, cung cấp nước cho dòng chảy cơ bản và diễn toán lũ.
Kết quả tính toán được dùng cho dự báo lũ hoặc làm đầu vào cho các mô hình thủy
lực và có thể được sử dụng trực tiếp hoặc được kết hợp với các phần mềm khác để
nghiên cứu tác động của quá trình đô thị hoá, thiết kế đường tràn, dự báo lũ nhằm hạn
chế, giảm thiệt hại do lũ gây ra, điều tiết lũ và vận hành hệ thống.

22

Mô hình HEC - HMS là một mô hình có ít tham số và dễ sử dụng, không yêu
cầu cao về tài liệu địa hình lưu vực, độ chính xác của mô hình cũng đã được kiểm
nghiệm với một số lưu vực từ 15–1500km2.
b) Mô hình TANK
Mô hình TANK ra đời vào năm 1956 tại trung tâm quốc gia phòng chống lũ
lụt Nhật, tác giả M. Sugawar. Từ đó đến nay mô hình được hoàn thiện dần và được
ứng dụng rộng rãi nhiều nơi trên thế giới.
Cấu trúc của mô hình: Lưu vực được diễn tả như một chuỗi các bể chứa sắp
xếp theo hai phương thẳng đứng và nằm ngang. Giả thiết của mô hình là dòng chảy
cũng như dòng thấm. Chúng là các hàm số của lượng nước trữ trong các tầng đất.
Mô hình TANK có hai dạng cấu trúc: TANK đơn và TANK kép.
- Mô hình TANK đơn không xét đến sự biến đổi của độ ẩm đất theo không
gian, phù hợp với những khu vực nhỏ trong vùng ẩm ướt quanh năm.
- Mô hình TANK kép thể hiện chi tiết sự biến đổi độ ẩm các tầng đất trên lưu
vực theo không gian, trong đó lưu vực được chia thành nhiều vành đai ẩm dọc theo
sông, mỗi vành đai có lượng ẩm khác nhau và được mô tả bằng một TANK có cấu
trúc đơn.
c) Mô hình MIKE- SHE
MIKE–SHE: Là mô hình mưa dòng chảy của Viện thủy lực Đan Mạch thuộc
nhóm mô hình bán phân bố hoặc phân bố. Nó bao gồm vài thành phần tính lưu
lượng và phân phối nước theo các pha riêng của quá trình dòng chảy:
- Số liệu đầu vào là mưa bao gồm cả dạng lỏng và rắn.
- Bốc thoát hơi bao gồm cả phần bị giữ lại bởi thực vật.
- Dòng chảy mặt dựa vào phương pháp sai phân hữu hạn hai chiều.
- Dòng chảy trong lòng dẫn: diễn toán một chiều được sử dụng trong
MIKE11. Mô hình này cung cấp vài phương pháp như Muskingum, phương pháp
khuếch tán hoặc phương pháp dựa vào phương trình Saint - Venant.
- Dòng chảy sát mặt trong đới không bão hòa: mô hình hai lớp đơn, mô hình
dòng chảy trọng lực hoặc mô hình giải phương trình Richard.
- Dòng chảy cơ sở: bao gồm mô hình dòng chảy cơ sở 2D và 3D dựa vào

phương pháp sai phân hữu hạn.
23


d) Mô hình NAM
Mô hình NAM là mô hình mưa rào - dòng chảy được xây dựng vào khoảng
năm 1982 tại khoa Thủy văn, Viện Kỹ thuật thủy động lực thuộc trường đại học kỹ
thuật Đan Mạch. Nó được xem như là mô hình dòng chảy tất định, tập trung và liên
tục cho ước lượng mưa - dòng chảy theo cấu trúc kinh nghiệm.
Cấu trúc của mô hình NAM được xây dựng trên nguyên tắc xếp 5 bể chứa
theo chiều thẳng đứng và hai bể chứa tuyến tính nằm ngang.Với cấu trúc như trên
thì mô hình sẽ tiến hành xác định lần lượt từng dòng chảy thành phần:
- Dòng chảy mặt
- Dòng chảy sát mặt
- Lượng nước ngầm cung cấp cho bể chứa ngầm
- Lượng ẩm của đất
- Diễn toán dòng chảy
Tuy nhiên các mô hình mưa - dòng chảy từ trước đến nay hầu hết là mô hình
thương mại nên khó kết hợp chúng thành một mô hình tổng thể, khả năng đánh giá
độ nhạy của mô hình và phân tích tính bất định của tham số trong mô hình đó là
chưa được chú trọng và không thực hiện được nếu không có các sửa đổi phù hợp
mã nguồn.

24


Chương II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH HEC – HMS
2.1. Giới thiệu mô hình HEC - HMS.
Mô hình HEC là sản phẩm của tập thể các kỹ sư thuỷ văn thuộc quân đội Hoa
Kỳ. HEC-1 đã góp phần quan trọng trong việc tính toán dòng chảy lũ tại những con

sông nhỏ không có trạm đo lưu lượng. Tính cho đến thời điểm này, đã có không ít
đề tài nghiên cứu khả năng ứng dụng thực tế. Tuy nhiên, HEC-1 được viết từ những
năm 1968, chạy trong môi trường DOS, số liệu nhập không thuận tiện, kết quả in ra
khó theo dõi. Hơn nữa, đối với những người không hiểu sâu về chương trình kiểu
Format thường rất lúng túng trong việc truy xuất kết quả mô hình nếu không muốn
làm thủ công. Do vậy, HEC - HMS là một giải pháp, nó được viết để “chạy” trong
môi trường Windows, hệ điều hành rất quen thuộc với mọi người.
2.2. Cơ sở lý thuyết mô hình HEC- HMS
Mô hình HEC - HMS được sử dụng để mô phỏng quá trình mưa- dòng chảy
khi nó xảy ra trên một lưu vực cụ thể. Ta có thể biểu thị mô hình bằng sơ đồ sau:
Tổn thất(P)

Đường lũ đơn vị

Y=X-P

qp

Mưa (X) ----------> Dòng chảy (Y) -------------> Đường quá trình lũ (Q~t).
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.
2.2.1. Mưa.
Mưa được sử dụng là đầu vào cho quá trình tính toán dòng chảy ra của lưu
vực. 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

25