Tính toán khoa học kỷ thuật và xây dựng phần mềm dự báo thiên tai

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các dữ liệu, kết quả
nêu trong Luận văn là trung thực và chƣa đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Hà Nội, tháng 9 năm 2013
Tác giả luận văn

Phan Hữu Hoàng


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1: Diễn biến mực nƣớc, lƣu lƣợng dọc theo chiều dài sông và theo thời gian ....... 29
2Hình 2.2: Sơ đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott........................................................ 30
Hình 2.3: Sơ đồ sai phân 6 điểm ẩn Abbott trong mặt phẳng x~t ...................................... 30
Hình 2.4: Sơ đồ sai phân ẩn 6 điểm trung tâm ................................................................... 30
Hình 2.5: Sơ đồ sai phân hoá phƣơng trình liên tục ........................................................... 31
Hình 2.6: Sơ đồ sai phân hoá phƣơng trình động lƣợng .................................................... 32
Hình 2.7: Ma trận phƣơng trình viết cho một nhánh chƣa khử chuẩn ............................... 34
Hình 2.8: Ma trận hệ phƣơng trình viết cho một nhánh đã khử chuẩn .............................. 35
Hình 3.1: Bản đồ hành chính và mạng lƣới sông suối lƣu vực sông Ba ............................ 40
Hình 3.2: Bản đồ lƣới trạm mƣa và khí tƣợng lƣu vực sông Ba ........................................ 46
Hình 3.3: Bản đồ lƣới trạm thủy văn lƣu vực sông Ba ...................................................... 54
Hình 3.4: Mặt cắt ngang phổ biến của sông Ba (cách trạm TV.Củng Sơn 37849m) ......... 61
Hình 3.5: Vị trí các ô bãi ngập lũ ....................................................................................... 62
Hình 3.6: Vị trí các đƣờng quá trình lƣu lƣợng gia nhập ................................................... 65
Hình 3.7: Cửa sổ bắt đầu dự án mới trong mô hình MIKE 11 ........................................... 65
Hình 3.8: Mô đun thủy lực (Hydrodynamic)...................................................................... 66
Hình 3.9: Cửa sổ điều khiển Simulation trong mô hình MIKE 11 .................................... 66
Hình 3.10: Cửa sổ để tạo ra file mạng sông ....................................................................... 67
Hình 3.11: Thanh công cụ trong MIKE 11......................................................................... 68
Hình 3.12: Sơ đồ tính toán thuỷ lực sông Ba ..................................................................... 68
Hình 3.13: Cửa sổ tạo file để nhập mặt cắt ........................................................................ 69

Hình 3.14: Cửa sổ Insert Branch ........................................................................................ 70
Hình 3.15: Cửa sổ Nhập số liệu mặt cắt ngang .................................................................. 70
Hình 3.16: Sơ đồ quá trình hiệu chỉnh bộ thông số mô hình.............................................. 71
Hình 3.17: Kết quả mô phỏng trận lũ tháng 10/1993 tại Phú Lâm .................................... 73
Hình 3.9: Kết quả mô phỏng trận lũ tháng 11/1988 tại Phú Lâm ...................................... 76
Hình 3.10: Kết quả mô phỏng trận lũ tháng 9/2005 tại Phú Lâm ..................................... 77
Hình 3.11: Bản đồ ngập lũ lớn nhất ứng với trận lũ 10/1993............................................. 80
Trang 2


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1 Lƣới trạm khí tƣợng và đo mƣa lƣu vực sông Ba và vùng lận cận .................... 44
Bảng 3.2 Lƣợng bức xạ tổng cộng thực tế (kcal/cm2) ....................................................... 47
Bảng 3.3 Số giờ nắng trung bình tháng và năm (giờ) ........................................................ 47
Bảng 3.4 Nhiệt độ trung bình tháng và năm (oC) ............................................................... 48
Bảng 3.5 Lƣợng mƣa trung bình tháng và năm (mm) ........................................................ 49
Bảng 3.6 Lƣới trạm thủy văn lƣu vực sông Ba và vùng lận cận ........................................ 53
Bảng 3.7 Sông suối lƣu vực sông Ba phân theo cấp diện tích lƣu vực .............................. 56
Bảng 3.8 Đặc trƣng hình thái lƣu vực sông Ba .................................................................. 56
Bảng 3.9 Đặc trƣng địa hình mặt cắt ngang sông trong sơ đồ tính toán thủy lực .............. 60
Bảng 3.10 Thông số chính đập dâng Đồng Cam ................................................................ 63
Bảng 3.11 Kết quả mô phỏng trận lũ tháng 10/1993 tại trạm Phú Lâm ............................. 72
Bảng 3.12 Trích kết quả mực nƣớc tính toán lớn nhất và nhỏ nhất tại một số vị trí của con
lũ tháng 10/1993 ......................................................................................................... 73
Bảng 3.13 Kết quả mô phỏng trận lũ tháng 11/1988 tại trạm Phú Lâm............................. 75
Bảng 3.14 Kết quả mô phỏng trận lũ tháng 9/2005 tại một số vị trí .................................. 77
Bảng 3.15 Diện tích ngập ứng với mức ngập lớn nhất (10/1993) ...................................... 79

Trang 3

MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 7
CHƢƠNG 1 .......................................................................................................................... 9
TỔNG QUAN VỀ CÁC PHẦN MỀM MÔ HÌNH TOÁN TRÊN THẾ GIỚI VÀ TRONG
NƢỚC ................................................................................................................................... 9
1.1 GIỚI THIỆU VỀ MÔ HÌNH TOÁN ........................................................................ 9
1.2 MÔ HÌNH TOÁN TRONG NƢỚC ....................................................................... 11
1.2.1

Mô hình VRSAP................................................................................................. 11

1.2.2

Mô hình KOD ..................................................................................................... 14

1.2.3

Mô hình BPNN ................................................................................................... 14

1.2.4

Mô hình SAL ...................................................................................................... 15

1.3 MÔ HÌNH TOÁN NƢỚC NGOÀI ........................................................................ 16
1.3.1

Mô hình HEC-RAS ............................................................................................ 16

1.3.2

Mô hình ISIS ...................................................................................................... 17

1.3.3

Mô hình EFDC ................................................................................................... 17

1.3.4

Mô hình MIKE 11 .............................................................................................. 18

CHƢƠNG 2 ........................................................................................................................ 19
TÌM HIỂU MÔ HÌNH TOÁN THỦY VĂN THỦY LỰC MIKE 11 ................................ 19
2.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN MÔ HÌNH MIKE 11 ............................................... 19
2.1.1

Xuất xứ của mô hình .......................................................................................... 19

2.1.2

Tính năng đồ họa của mô hình ........................................................................... 20

2.2 CẤU TRÚC MÔ HÌNH MIKE 11 ......................................................................... 21
2.2.1

Mô đun mƣa dòng chảy (RR) ............................................................................. 21

2.2.2

Mô đun thủy động lực (HD) ............................................................................... 24

2.2.3

Mô đun tải – khuyếch tán (AD) .......................................................................... 25
Trang 4


2.2.4

Mô đun sinh thái (Ecolab) .................................................................................. 27

2.3 HỆ PHƢƠNG TRÌNH CƠ BẢN VÀ CÁCH GIẢI TRONG MIKE 11HD .......... 27
2.3.1

Hệ phƣơng trình cơ bản trong mô hình MIKE 11 .............................................. 27

2.3.2

Cách giải trong mô hình MIKE 11 ..................................................................... 28

CHƢƠNG 3 ........................................................................................................................ 39
3.1 GIỚI THIỆU VỀ KHU VỰC ÁP DỤNG THỰC TẾ ............................................ 39
3.1.1 Điều kiện tự nhiên ............................................................................................. 39
3.1.2 Điều kiện kinh tế xã hội..................................................................................... 58
3.2 TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG LŨ TRONG SÔNG ................................................... 59
3.2.1 Tài liệu sử dụng trong mô hình ......................................................................... 59
3.2.2 Thiết lập mô hình............................................................................................... 65
3.2.3 Hiệu chính mô hình tính toán ............................................................................ 71
3.2.4 Kiểm định tính phù hợp của mô hình tính toán ................................................. 75
3.2.5 Tính toán ngập lụt khu vực ................................................................................ 78
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................................ 81

4.1 Kết Luận ................................................................................................................. 81
4.2 Kiến nghị ................................................................................................................ 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 83

Trang 5


LỜI CẢM ƠN
Đƣợc sự quan tâm giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của tập thể các Giáo sƣ, phó
Giáo sƣ, Tiến sỹ, giảng viên trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, sự tham gia góp ý
của các nhà khoa học, các nhà quản lý, bạn bè, đồng nghiệp cùng sự nỗ lực của bản
thân tác giả, luận văn này đƣợc hoàn thành vào tháng 09 năm 2013 tại khoa Sau đại
học trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội.
Tự đáy lòng mình tác giả xin bày tỏ lòng kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc
tới nhà giáo GS.TSKH Lê Hùng Sơn ngƣời thầy hƣớng dẫn khoa học trực tiếp đã tận
tình chỉ bảo hƣớng đi cũng nhƣ cung cấp các thông tin và căn cứ khoa học cần thiết
cho luận văn.
Thời gian làm đồ án tốt nghiệp là một dịp tốt để em có điều kiện hệ thống lại
kiến thức đã đƣợc học tại trƣờng, giúp em biết cách áp dụng lý thuyết đã đƣợc học
vào thực tế . Những điều đó đã giúp em có thêm hành trang kiến thức chuyên ngành
để phục vụ công việc và những nghiên cứu sâu hơn trong tƣơng lai.
Mặc dù bản thân đã hết sức cố gắng nhƣng do điều kiện thời gian hạn chế
nên trong đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong đƣợc sự chỉ bảo,
đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo giúp cho đồ án của em đƣợc hoàn chỉnh hơn,
chính xác hơn, giúp cho kiến thức chuyên môn của em đƣợc hoàn thiện.
Cuối cùng xin chân thành cảm ơn Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp đã tạo
điều kiện thuận lợi để tác giả đƣợc trình bày luận văn này.
Hà Nội, ngày 20 tháng 09 năm 2013
Tác giả

Phan Hữu Hoàng

Trang 6


MỞ ĐẦU
I. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Hàng năm dân miền Trung Việt Nam thƣờng phải hứng chịu những thiệt hại nặng nề
về con ngƣời và vật chất vì những ảnh hƣởng của thiên tai, chủ yếu là lũ và bão mang lại.
Việc nghiên cứu và xây dựng phƣơng pháp dự báo lũ lụt có ý nghĩa khoa học cao do tính
phức tạp của quá trình này ở các vùng đặc biệt là khu vực miền Trung Việt Nam. Hiện
nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật đặc biệt là công nghệ thông tin trên cơ sở giúp
sức của máy tính đã có rất nhiều phần mềm toán đƣợc viết ra để nhằm mục đích mô
phỏng lại quá trình lũ lụt. Việc nghiên cứu và ứng dụng các mô hình toán thủy văn này
đang trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Bởi vậy đề tài luận văn cao học: “Tính toán Khoa
học Kỷ thuật và xây dựng phần mềm dự báo thiên tai” đƣợc đề xuất và nghiên cứu.
Nội dung cụ thể của báo cáo này bao gồm:
-

Giới thiệu một số phần mềm mô hình toán thủy văn thủy lực trên thế giới và

trong nƣớc.
-

Nguyên lý và phƣơng trình cơ bản trong tính toán lũ.

-

Tổng quan về phần mềm mô hình toán thủy văn thủy lực MIKE 11.

-

Phƣơng trình và thuật toán giải trong phần mềm mô hình toán MIKE 11.

-

Ứng dụng thực tế phần mềm mô hình toán MIKE 11 trong việc giải bài toán lũ

lụt trong sông.
II. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
Nghiên cứu và ứng dụng mô hình MIKE 11 trong bài toán lũ lụt và đề xuất phƣơng
án kiểm soát lũ phục vụ phát triển kinh tế xã hội .
III. HƯỚNG TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
a) Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ứng dụng
-

Đối tƣợng nghiên cứu: Mô hình toán MIKE 11

Trang 7


Phạm vi nghiên cứu: Tìm hiểu mô hình và ứng dụng thực tế nghiên cứu lũ trên

-

sông Ba.
) Phư ng pháp nghiên cứu c ng cụ s dụng
1
-

h

ng pháp

Kế th a, áp dụng có chọn lọc sản phẩm khoa học và công nghệ hiện có trên thế
giới và trong nƣớc. Kế th a các nghiên cứu khoa học, các dự án liên quan.

-

Phƣơng pháp điều tra phân tích tổng hợp nguyên nhân hình thành

-

Phƣơng pháp phân tích thống kê

-

Phƣơng pháp mô hình toán thuỷ văn, thuỷ lực, cân bằng nƣớc và ứng dụng các
công nghệ hiện đại: viễn thám, GIS

-

Phƣơng pháp chuyên gia
2. Công c s d ng

Khai thác, sử dụng phần mềm mô hình toán thủy văn thủy lực MIKE 11
IV. KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC
Kết quả dự kiến đạt đƣợc bao gồm:
1. Đánh giá tổng hợp các phần mềm mô hình toán thủy văn thủy lực;
2. Nghiên cứu chi tiết cụ thể về thuật toán và khả năng áp dụng của phần mềm mô

hình toán MIKE 11;
3. Ứng dụng cụ thể phần mềm mô hình toán MIKE 11 để giải bài toán lũ lụt ;
4. Báo cáo luận văn và những kết luận, kiến nghị cuối cùng.

Trang 8


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC PHẦN MỀM MÔ HÌNH TOÁN TRÊN THẾ GIỚI
VÀ TRONG NƯỚC

1.1

GIỚI THIỆU VỀ MÔ HÌNH TOÁN
Sự phát triển nhƣ vũ bão của công nghệ máy tính và công cụ tin học, đồng thời các

công cụ mới về toán học cũng phát triển. Hai yếu tố này giúp con ngƣời có thể giải quyết
rất nhanh các bài toán phức tạp về mặt toán học.
Mặt khác, yêu cầu về phát triển kinh tế, xã hội và dân số dẫn đến việc đặt ra rất
nhiều bài toán phức tạp ảnh hƣởng đe dọa tới sự sống trên hành tinh trong tƣơng lai. Vì
vậy càng đòi hỏi các công cụ mô hình hóa để có thể xác định tính toán hay dự báo đƣợc
biến đổi có thể xảy ra.
Trong nhiều lĩnh vực hoạt động hàng ngày ta phải thực hiện tính toán t đơn giản tới
phức tạp. Ở trƣờng phổ thông phải thực hiện các phép cộng tr nhân chia, rồi cao hơn là
các phép đạo hàm, vi tích phân. Rồi hơn nữa ta đƣợc học các phƣơng pháp số nhƣ sai
phân hữu hạn, phần tử hữu hạn. Nói chung chúng ta đƣợc tiếp cận với các công cụ toán
học và sử dụng chúng để giải quyết các bài toán trong thực tế hàng ngày, t đơn giản đến
phức tạp. Với sự phát triển nhanh của công nghệ thông tin, kỹ thuật máy tính và các công
cụ toán học hiện đại, mô hình toán học đã đƣợc phát triển rất nhanh và đã trở thành công
cụ nhanh mạnh, không thể thiếu đối với những ngƣời làm công tác quy hoạch và ra quyết

định.
Thuật ngữ mô hình đƣợc định nghĩa theo nhiều cách khác nhau:
Mô hình là một đối tƣợng nhỏ, thƣờng đƣợc xây dựng theo tỷ lệ, nó mô tả một vài
đối tƣợng thực tế trong tự nhiên.
Mô hình là một mẫu thể hiện một sự vật còn chƣa đƣợc xây dựng trên thực tế, đƣợc
xem nhƣ là kế hoạch (trên thực tế sẽ lớn hơn mẫu) và sẽ đƣợc xây dựng.

Trang 9


Stehr đã thêm vào mệnh đề sau: Mô hình là công cụ tốt, mô hình toán học còn tốt
hơn. Chung nhất cho các mô hình chính là chức năng quan trọng nhất của chúng – là sự
giảm thiểu độ phức tạp của phạm vi yêu cầu.
Theo Pierre Duhem, nhà vật lý ngƣời Pháp: Mô hình trong khoa học chỉ là một công
cụ để giải thích về lý thuyết và có thế đƣợc loại bỏ một khi lý thuyết khác đƣợc phát triển.
Campell, nhà vật lý ngƣời Anh: Mô hình là một phần thiết yếu (của lý thuyết),
không có nó lý thuyết sẽ hoàn toàn không có giá trị.
Theo Stehr thì 2 thuộc tính cần quan tâm của mô hình là chất lƣợng mô hình và kết
quả định lƣợng đƣợc tạo ra t mô hình.
Theo Stehr: Mô hình là công cụ giúp dự báo cũng nhƣ tính toán trƣớc những hậu
quả có thể trong thực thi các dự án kinh tế và phát triển xã hội. Dự báo này đƣợc xây
dựng trên những tri thức về đặc trƣng của các quá trình xảy ra trong thiên nhiên, quy luật
phát triển xã hội và sự ảnh hƣởng lẫn nhau trong mối quan hệ tƣơng hỗ này.
Mô hình là loại công cụ đƣợc sử dụng rộng rãi trong khoa học. Các nhà khoa học
trƣớc đây sử dụng rộng rãi các mô hình vật lý để tiến hành các thí nghiệm ngoài hiện
trƣờng cũng nhƣ trong phòng thí nghiệm để nghiên cứu các mối quan hệ chính mà ngƣời
ta quan tâm. Ngày nay, do sự phát triển của công nghệ máy tính và công nghệ thông tin
xu thế phổ biến là làm các thí nghiệm trên máy tính trƣớc khi tiến hành bắt buộc một số
thí nghiệm vật lý nhằm kiểm định các kết quả t máy tính, và do đó mô hình toán đƣợc sử
dụng rất rộng rãi.

Quá trình mô hình hóa có thể dựa trên những nguyên lý khác nhau, dựa trên cơ sở
xem xét và phân tích các mối liên hệ nhân – quả. Mô hình toán học miêu tả hệ thống dƣới
dạng toán học. Mô hình toán học là tập hợp các phƣơng trình toán học, các mệnh đề logic
thể hiện các quan hệ giữa các biến và các thông số của mô hình để mô phỏng hệ thống tự
nhiên hay nói cách khác mô hình toán học là một hệ thống biến đổi đầu vào đã biết thành
đầu ra là các dữ liệu chúng ta cần để phân tích.
Khả năng của mô hình toán:

Trang 10


- Bằng các công cụ mang tính hình thức để giải phƣơng trình và các bất phƣơng
trình hay bằng thuật toán ngƣời nghiên cứu có thể dự báo sự thay đổi hình vi của đối
tƣợng nghiên cứu.
- Xem xét các đối tƣợng này thay đổi nhƣ thế nào khi các điều kiện này hay điều
kiện khác (đƣợc mô tả bởi các tham số của mô hình) thay đổi.
1.2 MÔ HÌNH TOÁN TRONG NƯỚC
1.2.1 Mô hình VRSAP
- Mô hình VRSAP (Vietnam River System And Plains): tiền thân là mô hình
KRSAL do cố PSG.TS Nguyễn Nhƣ Khuê xây dựng t 1965 đến 1993 và đƣợc sử dụng
rộng rãi ở nƣớc ta trong khoảng 25 năm trở lại đây.
- Đây là mô hình toán thủy văn - thủy lực của dòng chảy một chiều trên hệ thống
sông ngòi có nối với đồng ruộng và các khu chứa khác. Dòng chảy trong các đoạn sông
đƣợc mô tả bằng hệ phƣơng trình Saint-Venant đầy đủ, không bỏ bớt một vài số hạng nhƣ
trong một số mô hình khác. Dòng chảy qua các công trình đƣợc mô tả bằng các công thức
thủy lực đã biết và đƣợc đƣa vào cùng một số hạng nhƣ phƣơng trình của các đoạn sông.
Dòng chảy tràn vào các ô ruộng hay khu chứa đƣợc mô phỏng theo tƣ tƣởng chung của
mô hình SOGREAH. Các khu chứa nƣớc và các ô đồng ruộng trao đổi nƣớc với sông và
trao đổi nƣớc với nhau qua các tràn hay cống điều tiết. Do đó, mô hình đã chia các khu
chứa và các ô đồng ruộng thành hai loại chính. Loại kín trao đổi nƣớc với sông qua cống

điều tiết, loại hở trao đổi nƣớc với sông qua tràn mặt hay trực tiếp gắn với sông nhƣ các
khu chứa thông thƣờng.
- Mô hình VRSAP cũng xét đến sự gia nhập của mƣa trong tính toán thủy lực dòng
chảy trong các hệ thống sông khi diễn toán lũ hay tính tiêu nƣớc cho hệ thống thủy nông.
Mô hình cũng xét đến khả năng truyền mặn trên hệ thống sông và đồng ruộng. Sơ đồ tính
trong VRSAP là sơ đồ sai phân ẩn lƣới chữ nhật có xét đến trọng số đối với các bƣớc sai
phân theo thời gian t và không gian x.
- Mô hình VRSAP phù hợp với điều kiện Việt Nam, có thể sử dụng để:

Trang 11


- + Tính toán và tìm ra quy luật thay đổi của lƣu lƣợng Q và mực nƣớc Z tại t ng
mặt cắt trên hệ thống sông và ô chứa kể cả vùng bị ảnh hƣởng của thủy triều.
- + Giải bài toán tiêu úng, thoát lũ và cấp nƣớc trên các hệ thống công trình thủy lợi
vùng đồng bằng và ven biển.
- + Lập các phƣơng án quy hoạch quản lý và khai thác thủy lợi trên lƣu vực sông lớn
nhỏ và các hệ thống công trình thủy lợi.
- + Tính truyền triều và truyền mặn trên các hệ thống sông v.v...
- Mô hình VRSAP là mô hình mã nguồn mở, nên t đó nhiều tác giả đã cải tiến để
mô hình có thể tính đƣợc truyền tải phù sa, tính tiêu thoát nƣớc đô thị. Các loại mô hình
toán này hiện cũng đang đƣợc ứng dụng ở nƣớc ta và cho kết quả tốt. Một số ứng dụng
của mô hình cho hệ thống sông Hồng, sông Thái Bình, sông Cả, sông Nhật Lệ, sông
Hƣơng, sông Thu Bồn, sông Cửu Long... đủ đạt các kết quả tin cậy. Mô hình VRSAP ứng
dụng rất có hiệu quả đối với việc tính toán thủy lực tƣới, tiêu các hệ thống thủy nông, quy
hoạch và lập các dự án quản lý, khai thác hệ thống thủy nông, tính toán quy mô các công
trình trên hệ thống, quản lý lƣu vực và tài nguyên ở nƣớc ta.
- Chuyển động của chất lỏng trong lòng dẫn hở có thể mô tả bằng hệ phƣơng trình
Saint - Venant. Trong mô hình VRSAP, hệ phƣơng trình Saint - Venant của dòng chảy
một chiều là hệ phƣơng trình thủy động lực viết cho dòng chảy một chiều trong lòng dẫn

hở:
- Phƣơng trình liên tục:
-

(1.1)

- Phƣơng trình động lực:

-

(1.2)

- Mô hình VRSAP chỉ giải quyết đƣợc bài toán mà dòng chảy có số

-

(tức là dòng chảy êm).
Trang 12


- Hai hệ phƣơng trình trên là hệ phƣơng trình Saint – Venant có hai ẩn số là :
-

+ Q=Q(x,t) là lƣu lƣợng trung bình mặt cắt phụ thuộc vào trục x và thời

điểm t.
-

+ Z=Z(x,t) là mặt nƣớc tại mặt cắt x, thời điểm t.

- Trong đó, biến không gian x và thời gian t là hai biến độc lập.
- Ý nghĩa của các đại lƣợng trong hệ phƣơng trình Saint - Venant:
- Bc - chiều rộng toàn mặt cắt ngang sông, Bc = B + Bb;
- B - chiều rộng lòng sông;
- Bb - chiều rộng bãi sông;
- q - lƣu lƣợng dòng chảy gia nhập trên một đơn vị dài theo đoạn sông;
- J - độ dốc thủy lực, đƣợc tính theo công thức tổn thất của dòng chảy ổn định,

- R- là bán kính thủy lực,
-

A - diện tích mặt cắt ƣớt;

- P - chu vi ƣớt;
- C - hệ số Chezy. Nếu tính theo công thức Manning, C= R1/ 6
-

n - hệ số nhám Manning;

-

hệ số động lƣợng;

-

α hệ số sửa chữa động năng

Tuy nhiên mô hình VRSAP không phải là một mô hình thƣơng mại, mà là mô hình có
mã nguồn mở chỉ thích hợp với những ngƣời có sự am hiểu sâu rộng về kiến thức mô
Trang 13

hình; còn đối với công tác dự báo, cảnh báo nhanh cho một khu vực cụ thể, nhất là khu
vực miền Trung thì mô hình tỏ ra chƣa phù hợp.
1.2.2 Mô hình KOD
Mô hình do GS.TSKH.Nguyễn Ân Niên thiết lập năm 1974 để giải bài toán phân lũ
sông Đáy, sau đó phối hợp với Cục dự báo Khí tƣợng thủy văn để tính toán lũ và tiêu úng
cho toàn mạng sông Hồng và sông Thái Bình. Mô hình cũng có thể dùng để xem xét đánh
giá nguồn nƣớc, đánh giá khả năng vận hành các hệ thống thủy lợi, giải quyết các bài toán
quy hoạch thuỷ lợi...
Mô hình dùng phƣơng pháp giải theo sơ đồ hiện, về mặt cấu trúc có thể xem đó là sơ
đồ sai phân hỗn hợp: Phƣơng trình liên tục sai phân theo tam giác thuận (Lax) phƣơng
trình chuyển động sai phân theo sơ đồ tam giác ngƣợc không cân. Theo cách tính của mô
hình thì sông đƣợc chia thành các ô chứa bởi các mặt cắt, lƣu lƣợng đƣợc tính tại các mặt
cắt này còn mực nƣớc đƣợc tính ở tâm ô chứa.
Ƣu điểm chính của mô hình KOD là có thể tính cho mọi lƣới sông ô chứa phức tạp
nhất, độ chính xác cao, tính toán đơn giản, gọn nhẹ, kết quả đáp ứng tốt các bài toán thực
tế đặt ra. Nhƣợc điểm chính của mô hình là bƣớc thời gian t bị hạn chế bởi điều kiện
Courant - Lewy, nhƣng mô hình không phải tính lặp các hệ số nên tốc độ tính toán vẫn
nhanh, không mất thời gian thành lập và giải hệ đại số tuyến tính, tổng thời gian mỗi lớp
tính cũng nhỏ. Một nhƣợc điểm nữa của mô hình là việc mô phỏng hệ thống tiêu chƣa
thật đầy đủ ví dụ nhƣ quá trình trao đổi nƣớc trên khu vực tiêu. Các công trình trao đổi
nƣớc cũng nhƣ phƣơng thức điều khiển chƣa đƣợc xem xét đầy đủ nhất là các thực trạng
tiêu úng trong những điều kiện tác động của con ngƣời trong quá trình điều khiển hệ
thống.
1.2.3 Mô hình BPNN
Mô hình BPNN là mô hình do Viện Quy hoạch Thủy lợi tạo ra trên cơ sở lý thuyết
phát triển năm 1986 bởi Rumelhart D.E, USA). Mô hình toán dựa trên phép giải lan
truyền ngƣợc của phƣơng pháp mạng trí tuệ nhân tạo. Mô hình có khả năng ứng dụng mô

Trang 14


phỏng nhiều quá trình tự nhiên nhƣ mƣa rào dòng chảy hay mô hình thống kê, tuy nhiên
vẫn chƣa đƣợc rõ ràng về mặt cấu trúc vật lý.
1.2.4 Mô hình SAL
SAL là một mô hình đƣợc xây dựng chặt chẽ về mặt toán học, dựa trên sơ đồ sai
phân ẩn 4 điểm của Preissman, nhƣng lấy trọng số bằng 2/3 để giảm thiểu sai số trong
phép sai phân. Cách giải chia làm 2 bƣớc (sau khi tuyến tính hóa hệ phƣơng trình đại số)
nhƣ sau:
- Bƣớc 1: Thiết lập các công thức truy đuổi để tính mực nƣớc và lƣu lƣợng tại các
mặt cắt. Dùng các công thức này để thiết lập hệ phƣơng trình (gọi là hệ phƣơng trình nút)
mà ẩn số chỉ còn là mực nƣớc tại các hợp lƣu. Hệ phƣơng trình này có số ẩn nhỏ hơn rất
nhiều so với hệ có ẩn là mực nƣớc tại các mặt cắt,nên giải nhanh và tốn ít bộ nhớ.
- Bƣớc 2: Sau khi giải hệ phƣơng trình nút sẽ đƣợc mực nƣớc tại 2 đầu mỗi nhánh,
và khi đó có thể giải cho mỗi nhánh riêng rẽ khi sử dụng lại công thức truy đuổi ban đầu.
Thực tế việc tính nhanh hay chậm là ở độ phức tạp của hệ kênh sông đƣợc mô phỏng, nếu
số lƣợng các hợp lƣu càng nhiều thì thời gian tính càng nhiều hơn.Hơn nữa nếu dùng
thuật tóan lặp thì thời gian tính tăng theo số lần lặp. Mặc dù là sơ đồ ẩn, tuy nhiên bƣớc
thời gian lớn cũng ảnh hƣởng đến độ chính xác của kết quả. Thông thƣờng bƣớc thời gian
30 phút là đủ bảo đảm cho cả tính dòng chảy và mặn. Nếu chỉ tính dòng chảy thì bƣớc
thời gian 1 giờ cũng đủ bảo đảm chính xác.
Có thể nói cách chia ra 2 bƣớc tính là một sáng tạo và phát triển học thuật đáng kể
của mô hình SAL, mà việc chia lớp ô chứa trong sơ đồ tính MEK01 của SOGREAH mới
chỉ là một thủ thuật sơ khởi.
Việc tính lan truyền chất trong SAL dựa trên thuật toán phân rã. Khi giải phƣơng
trình tải thuần túy dùng phƣơng pháp đƣờng đặc trƣng ẩn với cách nội suy spline bậc 3
bảo đảm giảm tối đa khuyếch tán số và do mặn lan tới đâu tính tới đó nên tốc độ tính của
SAL rất nhanh.

Trang 15


1.3 MÔ HÌNH TOÁN NƯỚC NGOÀI
1.3.1 Mô hình HEC-RAS
Mô hình HEC-RAS: do Trung tâm Thủy văn kỹ thuật quân đội Hoa Kỳ (Hydrologic
Engineering Center of US Army Corps of Engineers) xây dựng. Mô hình có ƣu điểm là
cho kết quả rõ ràng, có sơ đồ mạng lƣới sông, mặt cắt của t ng nút sông. Các quan hệ Q ~
t và Z ~ t đƣợc trình bày ở dạng biểu bảng và đồ thị, đƣờng mặt nƣớc trong sông đƣợc mô
tả chi tiết. Mô hình HEC-RAS là mô hình tính dòng chảy một chiều của hệ thống sông,
dòng chảy trong sông đƣợc mô tả bằng hệ phƣơng trình Saint - Venant đầy đủ và đƣợc
xây dựng theo sơ đồ sai phân ẩn có xét đến trọng số đối với các bƣớc sai phân theo thời
gian t và chiều dọc theo dòng chảy x. Mô hình có hạn chế là không xét đến lƣợng mƣa rơi
xuống các khu chứa sau đó gia nhập dòng chảy. Trong những năm gần đây HEC-RAS đã
đƣợc sử dụng ở nƣớc ta trong các nghiên cứu về lũ, đặc biệt là trong công tác đào tạo tại
các trờng đại học.
Dòng chảy trong sông thiên nhiên đƣợc coi là dòng không ổn định biến đổi chậm
chảy một chiều, thay đổi theo không gian và thời gian. Các yếu tố đƣợc mô tả bằng hệ
phƣơng trình Saint - Venant, gồm phƣơng trình liên tục và phƣơng trình động lực. Hệ
phƣơng trình Saint - Venant trong mô hình này có dạng:
Phƣơng trình liên tục:

(1.3)
Phƣơng trình động lực:

(1.4)
Để giải hệ gồm hai phƣơng trình liên tục (1.3) và động lực (1.4) dùng phƣơng pháp
sai phân hữu hạn thay các đạo hàm riêng bằng tỷ số các sai phân. Giống nhƣ mô hình
VRSAP, trong mô hình HEC-RAS cũng sử dụng sơ đồ ẩn (lƣới sai phân chữ nhật) để giải
hệ phƣơng trình Saint-Venant.

Trang 16


1.3.2 Mô hình ISIS
Bộ phần mềm này của Công ty Halcrow và trƣờng Wallingford phối hợp xây dựng.
Cũng nhƣ những phần mềm thủy văn khác thì ISIS cũng sử dụng hệ phƣơng trình SaintVenant một chiều cho dòng chảy.
ISIS là phần mềm thƣơng mại nên có giao diện khác đẹp và tiện dụng, tuy nhiên
cũng bộc lộ một số điểm yếu và khó khăn khi giải quyết các bài toán trên phạm vi rộng,
nhiều liên kết.
Tốc độ tính toán của ISIS cũng rất chậm và cũng chƣa kết hợp đƣợc với ArcView để
kết nối với GIS và Database.
1.3.3 Mô hình EFDC
Mô hình EFDC (Environmental Fluid Dynamics Code) là một phần mềm mô hình
toán có khả năng dự báo, tính toán và mô phỏng các quá trình dòng chảy, lan truyền có
tính đến các quá trình sinh - địa - hóa trong sông, hồ, hồ chứa, các vùng cửa sông… Mô
hình đƣợc cơ quan bảo vệ môi trƣờng Mỹ US EPA phát triển t những năm 1980 đến
1994 đƣợc các nhà khoa học viện khoa học biển Virgina tiếp tục xây dựng. Mô hình đƣợc
xây dựng dựa trên các phƣơng trình động lực, nguyên tắc bảo toàn khối lƣợng và bảo toàn
thể tích. Mô hình là mô hình đa chiều (1 chiều, 2 chiều, 3 chiều) nên có khả năng đạt độ
chính xác cao trong việc mô hình hóa các hệ thống đầm lầy, đất ngập nƣớc, kiểm soát
dòng chảy, các dòng sinh sóng gần bờ và các quá trình vận chuyển trầm tích.
Giao diện sử dụng: giao diện sử dụng mô hình EFDC cấu trúc trên tập hợp các phần
mền xử lý riêng . Ta có thể chỉnh sửa t ng phần riêng biệt mà không ảnh hƣởng đến kết
quả của các phần khác. Tuy là xử lý riêng biệt nhƣng giữa các phần này đƣợc tính hợp tạo
nên một sự thống nhất trong mô hình. Giao diện này đảm bảo tính khả chuyển giữa các
phần máy tính và cho phép ngƣời sử dụng mô hình có thể dễ dàng quản lý các số liệu đầu
vào của mô hình này. Vì vậy việc chỉnh sửa các tệp số liệu đầu vào này là tƣơng đối dễ
dàng.
Đặc biệt cửa sổ xem mô hình cho ta biết đƣợc các thông số của t ng điểm lƣới trên
miền mô hình: kích thƣớc ô lƣới, cao trình địa hình, mực nƣớc, độ sâu cột nƣớc, hệ số

Trang 17


nhám… hơn nữa mô hình cho phép điều chỉnh tất cả các thông số t ng điểm lƣới ngay
trên giao diện miền mô hình.
Phần mềm tiền xử lý: trƣớc giai đoạn tính toán mô phỏng phần mềm mô hình
EFDC có bộ mã tiền xử lý tạo lƣới với tên gọi GEFDC. Bộ mã tiền xử lý này cho phép
xây dựng lƣới mô hình, đƣa vào các số liệu đo đạc độ sâu cũng nhƣ các thông số ban đầu
nhƣ độ cao mặt nƣớc, mật độ bùn cát… cho cả miền mô hình. Qua quá trình xử lý của bộ
mã tiền xử lý này, các file số liệu đầu vào và các thông số ban đầu của đƣờng mặt nƣớc
cũng nhƣ các điều kiện biên của mô hình đƣợc tạo ra. Để có thể mô phỏng một cách phù
hợp nhất vùng nghiên cứu bộ mã tiền xử lý của phần mềm EFDC có khả năng cho phép
tạo ra các lƣới tọa độ mô hình dạng ĐềCác hoặc dạng lƣới cong trực giao.
1.3.4 Mô hình MIKE 11
Mô hình thuỷ lực một chiều MIKE 11: Là mô hình thủy lực một chiều MIKE 11 của
Viện thủy lực Đan Mạch DHI phát triển, là phần mềm dùng để mô phỏng dòng chảy, lƣu
lƣợng, chất lƣợng nƣớc và vận chuyển bùn cát ở các cửa sông, sông, kênh tƣới và các vật
thể nƣớc khác. MIKE 11 là một mô hình mạnh và có nhiều điểm thuận lợi trong quá trình
tính toán thuỷ lực, áp dụng với chế độ sóng động lực hoàn toàn ở cấp độ cao, có khả năng
tính toán với dòng chảy biến đổi nhanh, lƣu lƣợng thủy triều, hiệu quả nƣớc đọng thay đổi
nhanh, sóng lũ và lòng dẫn có độ dốc lớn.

Trang 18


CHƯƠNG 2
TÌM HIỂU MÔ HÌNH TOÁN THỦY VĂN THỦY LỰC MIKE 11

2.1

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN MÔ HÌNH MIKE 11

2.1.1 Xuất xứ của mô hình
Sự công bố ra đời của MIKE 11 phiên bản 4 (năm 1997) đã mở ra một kỷ nguyên
mới cho việc ứng dụng rộng rãi công cụ lập mô hình thuỷ động lực cho sông và kênh dẫn.
MIKE 11 là một phần của thế hệ phần mềm mới của DHI dựa trên khái niệm của MIKE
Zero, bao gồm Giao diện Ngƣời dùng đồ hoạ tích hợp trong Windows, thích hợp với các
tiêu chuẩn rút ra cho phần mềm dựa trên Windows. Giao diện ngƣời dùng của
MIKEZero/MIKE 11 đƣợc thiết kế yêu cầu rằng màn hình với độ phân giải Super VGA
(1024x768) đƣợc yêu cầu để có thể xem đƣợc nội dung đầy đủ của các hội thoại.
Thực tế có thể chạy MIKE 11 trên màn hình có độ phân giải thấp hơn, nhƣng chỉ có
thể xem đƣợc một phần của hộp hội thoại, nếu một phần của cửa sổ nào đó bị di chuyển
bằng cách dùng chuột. Tuy nhiên, phần tính toán trọng tâm đƣợc biết đến và đã đƣợc
kiểm chứng của thế hệ MIKE 11 trƣớc đây- phiên bản „Cổ điển‟ („Classic‟ version)- vẫn
còn đƣợc duy trì. MIKE 11 là một ứng dụng 32-bit thực sự, đảm bảo tốc độ tính toán
nhanh hoặc tốc hoạt các con số so với các phiên bản MIKE 11 trƣớc đây.
MIKE 11 là một phần mềm kỹ thuật chuyên dụng mô phỏng lƣu lƣợng, chất lƣợng
nƣớc và vận chuyển bùn cát ở cửa sông, sông, hệ thống tƣới, kênh dẫn và các hệ thống
dẫn nƣớc khác. MIKE 11 là công cụ lập mô hình động lực một chiều, thân thiện với ngƣời
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 trƣờng đặc biệt thân thiện với ngƣời sử dụng, linh hoạt
và tốc độ, MIKE 11 cung cấp một môi trƣờng thiết kế hữu hiệu về kỹ thuật công trình, tài
nguyên nƣớc, quản lý chất lƣợng nƣớc và các ứng dụng quy hoạch.
Đã t lâu, MIKE 11 đƣợc biết đến nhƣ là một công cụ phần mềm có các tính năng
giao diện tiên tiến và nhằm ứng dụng dễ dàng. T ban đầu, MIKE 11 đƣợc vận hành/ sử
Trang 19


dụng thông qua hệ thống trình đơn tƣơng tác (interactive menu system) hữu hiệu với các
layout có hệ thống và các menu xếp dãy tuần tự. Ở mỗi bƣớc trong cây trình đơn (menu

tree), một hỗ trợ trực tuyến sẽ đƣợc cung cấp trong màn hình Help menu. Trong khuôn
khổ này, phiên bản MIKE 11„Classic‟ („Cổ điển‟)- phiên bản 3.20 đã đƣợc phát triển lên.
Thế hệ mới của MIKE 11 kết hợp các đặc tính và kinh nghiệm t

MIKE 11

„Classic‟, giao diện ngƣời sử dụng dựa trên cơ sở các tính năng hữu hiệu trong Windows
bao gồm các tiện ích chỉnh sửa sơ đồ (graphical editing facilities) và tăng tốc độ tính toán
bằng cách tận dụng tối đa công nghệ 32- bit.
2.1.2 Tính năng đồ họa của mô hình
Về đầu vào/ chỉnh sửa, các đặc tính trong MIKE 11 bao gồm:
 Nhập dữ liệu/ chỉnh sửa bản đồ
 Nhiều dạng dữ liệu đầu vào/ chỉnh sửa mang tính mô phỏng
 Tiện ích copy và dán (paste) để nhập (hoặc xuất) trực tiếp, ví dụ nhƣ t các
chƣơng trình trang bảng tính (spreadsheet programs)
 Bảng số liệu tổng hợp (tabular) và cửa sổ sơ đồ (graphical windows)
 Nhập dữ liệu về mạng sông và địa hình t ASCII text files
 Layout cho ngƣời sử dụng xác định cho tất cả các cửa sổ sơ đồ (màu sắc, cài
đặt font, đƣờng, các dạng điểm vạch dấu marker, v.v...)
Về đầu ra, có các tính năng trình bày báo cáo tiên tiến, bao gồm:
 Màu của bản đồ trong horizontal plan cho hệ thống dữ liệu và kết quả
 Trình bày kết quả bằng hình động trong sơ đồ mặt ngang, dọc và chuỗi thời
gian
 Thể hiện các kết quả bằng hình động đồng thời
 Trình bày chuỗi thời gian mở rộng
 Tiện ích copy và dán (paste) để xuất các bảng kết quả hoặc trình bày bản đồ
vào các ứng dụng khác (trang bảng tính, word hoặc các dạng khác)

Trang 20

CẤU TRÚC MÔ HÌNH MIKE 11

2.2

2.2.1 Mô đun m a dòng chảy (RR)
Mô đun mƣa dòng chảy MIKE-NAM là một modul xử lý tính toán có tích hợp mô
hình thủy văn xác định lƣợng dòng chảy sinh ra t mƣa. NAM là một phần trong mô hình
hệ thống sông MIKE 11.
Mô hình NAM đƣợc viết tắt t chữ Đan Mạch”Nedbor- Afstromming-Model, nghĩa
là mô hình mƣa - dòng chảy. Mô hình NAM thuộc loại mô hình tất định, thông số tập
trung, và là mô hình mô phỏng liên tục. Mô hình NAM hiện nay đƣợc sử dụng rất nhiều
nơi trên thế giới và gần đây cũng hay đƣợc sử dụng ở Việt Nam
Mô hình NAM là mô hình thuỷ văn mô phỏng quá trình mƣa – dòng chảy diễn ra
trên lƣu vực. Là một mô hình toán thủy văn, mô hình Nam bao gồm một tập hợp các biểu
thức toán học đơn gian để mô phỏng các quá trình trong chu trình thuỷ văn. Mô hình
Nam là mô hình nhận thức, tất định, thông số tập trung. Đây là một modun tính mƣa t
dòng chảy trong bộ phần mềm thƣơng mại MIKE 11 do Viện Thủy lực Đan Mạch xây
dựng và phát triển.
Mô hình NAM mô phỏng quá trình mƣa – dòng chảy một cách liên tục thông qua
việc tính toán cân bằng nƣớc ở bốn bể chứa thẳng đứng, có tác dụng qua lại lẫn nhau để
diễn tả các tính chất vật lý của lƣu vực. Các bể chứa đó gồm:


Bể tuyết (chỉ áp dụng cho vùng có tuyết)



Bể mặt



Bể sát mặt hay bể tầng rễ cây



Bể ngầm

Dữ liêu đầu vào của mô hình là mƣa, bốc hơi tiềm năng, và nhiệt độ (chi áp dụng
cho vùng có tuyết. Kết quả đầu ra của mô hình là dòng chảy trên lƣu vực, mực nƣớc
ngầm, và các thông tin khác trong chu trình thuỷ văn, nhƣ sự thay đổi tạm thời của độ ẩm
của đất và khả năng bổ xung nƣớc ngầm. Dòng chảy lƣu vực đƣợc phân một cách gần
đúng thành dòng chảy mặt, dòng chảy sát mặt, dòng chảy ngầm.
Trang 21


Cấu trúc của mô hình
Bể tuyết
Giáng thủy sẽ đƣợc giữ lại trong bể tuyết khi nhiệt độ dƣới 0 độ C, con nếu nhiệt
độ lớn hơn 0 độ C thì nó se chuyển xuống bể chứa mặt:
CSNOW TEMP for TEMP  0
Qmelt  
for TEMP  0
0

Trong đó

(2.1)

CSNOW = 2 mm/day/K là hệ số tuyết tan trong ngày.

Bể chứa mặt
Lƣợng ẩm trữ trên bể mặt của thực vật, cũng nhƣ lƣợng nƣớc điền trũng trên bề
mặt lƣu vực đƣợc đặc trƣng bởi lƣợng trữ bề mặt. Umax đặc trƣng cho giới hạn trữ nƣớc
tối đa của bể này.
Lƣợng nƣớc, U, trong bể chứa mặt sẽ giảm dần do bốc hơi, do thất thoát theo
phƣơng năm ngang (dòng chảy sát mặt). Khi lƣợng nƣớc này vƣợt quá ngƣỡng Umax, thì
một phần của lƣợng nƣớc vƣợt ngƣỡng, PN này sẽ chảy vào suối dƣới dạng dòng chảy
tràn bề mặt, phần còn lại sẽ thấm xuống bể sát mặt và bể ngầm.
Bể sát mặt hoặc bể tầng rễ cây
Bể này thuộc tầng rễ cây, là lớp đất mà thực vật có thể hút nƣớc để thoát ẩm.
Lmax đặc trƣng cho lƣợng ẩm tối đa mà bể này có thể chứa.
Lƣợng ẩm của bể chứa này đƣợc đặc trƣng băng đại lƣợng L. L phụ thuộc vào
lƣợng tổn thất thoát hơi của thực vật. Lƣợng ẩm này cũng ảnh hƣởng đến lƣợng nƣớc sẽ
đi xuống bể chứa ngầm để bổ xung nƣớc ngầm.
Bốc thoát hơi
Nhu cầu bốc thoát hơi nƣớc trƣớc tiên là để thoả mãn tốc độ bốc thoát hơi tiềm năng
của bể chứa mặt. Nếu lƣợng ẩm U trong bể chứa mặt nhỏ hơn nhu cầu này, thì nó sẽ lấy
ẩm t tầng rễ cây theo tốc độ Ea. Ea là tỷ lệ với lƣợng bốc thoát hơi tiềm năng Ep:
E a  E p L / Lm ax

Trang 22

(2.2)


Dòng chảy mặt
Khi bể chứa mặt tràn nƣớc, U  Umax, thì lƣợng nƣớc vƣợt ngƣỡng PN (PN = UUmax) sẽ hình thành dòng chảy mặt và thấm xuống dƣới. QOF là một phần của P N, tham
gia hình thành dòng chảy mặt, nó tỉ lệ thuận với PN và thay đổi tuyến tính với lƣợng ẩm
tƣơng đối, L/Lmax, của tầng rễ cây:

L / Lmax  TOF

PN for L / Lmax  TOF
CQOF
QOF  
1  TOF
0
for L / Lmax  TOF


Trong đó

(2.3)

CQOF là hệ số dòng chảy mặt (0  CQOF  1).

TOF là ngƣỡng của dòng chảy mặt (0  TOF  1).
Phần còn lại của PN sẽ thấm xuống tầng dƣới. Một phần DL của phần nƣớc thấm
xuống này, (PN-QOF), sẽ làm tăng lƣợng ẩm L của bể chứa tầng rễ cây này. Phần còn lại
sẽ thẩm thấu xuống tầng sâu hơn để bổ xung cho bể chứa tầng ngầm.
Dòng chảy sát mặt
Dòng chảy sát mặt, QIF, đƣợc giả thiết tỉ lệ thuận với U và biến đổi tuyến tính với
độ ẩm tƣơng đối của bể chứa tần rễ cây

1 L / Lmax  TIF
U for L / Lmax  TIF
(CKIF )
QIF  
1  TIF


for L / Lmax  TIF
0

(2.4)

Trong đó CKIF là hằng số thời gian của dòng chảy sát mặt
TIF là giá trị ngƣỡng của dòng chảy sát mặt (0  TIF  1)
Bổ sung dòng chảy ngầm
Lƣợng nƣớc thấm xuống G, bổ sung cho bể chứa ngầm phụ thuộc vào độ ẩm của
đất ở tầng rễ cây:
L / Lmax  TG

for L / Lmax  TG
PN  QOF 
G
1  TG
0
for L / Lmax  TG


Trang 23

(2.5)


Trong đó TG là giá trị ngƣỡng của lƣợng nƣớc bổ sung cho tầng ngầm (0  TG  1).
Lượng ẩm của đất
Bể chứa tấng sát mặt biểu thị lƣợng nƣớc có trong tầng rễ cây. Lƣợng mƣa hiệu
quả sau khi tr đi lƣợng nƣớc tạo dòng chảy mặt , lƣợng nƣớc bổ xung cho tầng ngầm, sẽ
bổ sung và làm tăng độ ẩm của đất ở tầng rễ cây L bằng một lƣợng DL

DL  PN  QOF  G

(2.6)

Diễn toán dòng chảy mặt và dòng chảy sát mặt
Dòng chảy mặt và dòng chảy sát mặt sẽ đƣợc diễn toán thông qua 2 bể chứa tuyến
tính theo chuỗi thời gian với cùng một hằng số thời gian CK12.
Diễn toán dòng chảy ngầm
Dòng chảy ngầm đƣợc diễn toán thông qua một bể chứa tuyến tính với hằng số
thời gian CKBF.
2.2.2 Mô đun thủy động lực (HD)
Mô-đun mô hình thủy động lực (HD) là một phần trọng tâm của hệ thống lập mô
hình MIKE 11 và hình thành cơ sở cho hầu hết các mô-đun bao gồm Dự báo lũ, Tải
khuyếch tán, Chất lƣợng nƣớc và các mô-đun vận chuyển bùn lắng không có cố kết. Môđun MIKE 11 HD giải các phƣơng trình tổng hợp theo phƣơng đứng để đảm bảo tính liên
tục và động lƣợng (momentum), nghĩa là phƣơng trình Saint Venant.
Các ứng dụng liên quan đến mô-đun MIKE 11 HD bao gồm:
 Dự báo lũ và vận hành hồ chứa
 Các phƣơng pháp mô phỏng kiểm soát lũ
 Vận hành hệ thống tƣới và tiêu thoát bề mặt
 Thiết kế các hệ thống kênh dẫn
 Nghiên cứu sóng triều và dâng nƣớc do mƣa ở sông và cửa sông
Đặc trƣng cơ bản của hệ thống lập mô hình MIKE 11 là cấu trúc mô-đun tổng hợp
với nhiều loại mô-đun đƣợc thêm vào mỗi mô phỏng các hiện tƣợng liên quan đến hệ
thống sông.
Trang 24


Chúng ta sẽ nghiên cứu sâu hơn về mô đun HD ở phần dƣới đây.
2.2.3 Mô đun tải – khuyếch tán (AD)
Mô đun khuếch tán bình lƣu (AD) dựa trên phƣơng trình 1 chiều về bảo toàn

khối lƣợng của chất hoà tan hoặc lơ lửng, nó sử dụng các kết quả tính toán của mô
hình thuỷ lực. Mô hình AD giải theo sơ đồ sai phân ẩn, mà về nguyên tắc là ổn định
vô điều kiện.
Phư ng trình khuếch tán:
AC QC
 
C 


 AD
  AKC  C2 q (2.7)

t
x
x 
x 

Trong đó:
C-nồng độ;

D-hệ số khuếch tán

A-diện tích mặt cắt ngang;

K-hệ số phân huỷ tuyến tính;

C2-nồng độ nguồn

q-dòng gia nhập;

x-khoảng cách;

t-thời gian.

Phƣơng trình phản ánh 2 cơ chế vận chuyển:
- Vận chuyển bình lƣu/ đối lƣu bởi dòng chảy trung bình,
- Vận chuyển khuếch tán bởi gradient nồng độ.
* Các giả thiết:
- Vật chất và nguồn hoàn toàn xáo trộn trong mặt cắt ngang,
- Vật chất bảo toàn theo định luật khuếch tán bậc nhất Fick, tức là vận chuyển
khuếch tán tỷ lệ với gradient nồng độ.
Điều kiện iên:
Chảy ra khỏi biên hở:

Trang 25