Nghiên cứu ứng dụng mô hình marine dự báo lũ sông kỳ lộ, tỉnh phú yên

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MARINE
DỰ BÁO LŨ SÔNG KỲ LỘ TỈNH PHÚ YÊN

CHUYÊN NGÀNH: THỦY VĂN HỌC

VÕ ANH KIỆT

HÀ NỘI, NĂM 2018


BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MARINE
DỰ BÁO LŨ SÔNG KỲ LỘ TỈNH PHÚ YÊN

VÕ ANH KIỆT

CHUYÊN NGÀNH: THỦY VĂN HỌC
MÃ SỐ: 60440224

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. ĐẶNG THANH MAI
TS. TRƯƠNG VÂN ANH

HÀ NỘI, NĂM 2018


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
Cán bộ hướng dẫn chính: TS. Đặng Thanh Mai

Cán bộ chấm phản biện 1: TS. Nguyễn Viết Thi

Cán bộ chấm phản biện 2: TS. Nguyễn Lan Châu

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
Ngày 27 tháng 12 năm 2017


LỜI CẢM ƠN
Học viên xin chân thành cảm ơn Khoa Khí tượng Thủy văn, Phòng Đào tạo,
Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác
giả được học tập và nghiên cứu thực hiện luận văn.
Học viên cũng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Đặng Thanh Mai, Trung tâm dự
báo Khí tượng Thủy văn Trung ương và TS. Trương Vân Anh, Trường Đại học Tài
nguyên và Môi trường Hà Nội, đã tận tình hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình tìm
hiểu, nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Học viên cũng chân thành cám ơn quý cơ quan: Trung tâm Dự báo Khí tượng
Thủy văn Trung ương, Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Nam Trung Bộ, Đài Khí tượng
Thủy văn tỉnh Phú Yên, Ban chỉ huy PCTT & TKCN tỉnh Phú Yên, đã giúp đỡ tác giả
trong quá trình tìm hiểu thực tế, thu thập dữ liệu và thực hành tác nghiệp liên quan đến
luận văn này.

Cuối cùng Học viên xin gửi lời cám ơn đến các thầy cô, các đồng nghiệp, bạn bè
học viên lớp cao học CH2AT đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả trong suốt
quá trình thực hiện luận văn.

Người viết

Võ Anh Kiệt


LỜI CAM ĐOAN
Tôi là Võ Anh Kiệt, tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của
riêng tôi. Những nội dung trong luận văn này là trung thực và chưa được ai công bố trong
bất kỳ công trình khoa học nào.

Người cam đoan

Võ Anh Kiệt


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
TANK

: Mô hình thủy văn thông số tập trung của Nhật Bản

MIKE 11

: Mô hình thủy lực 1 chiều của Viện Thủy lực Đan Mạch

MIKE 21

: Mô hình thủy lực 2 chiều của Viện Thủy lực Đan Mạch

DHI

: Danish Hydraulic Institute - Viện Thủy lực Đan Mạch

WMO

: World Meteorological Organization - Tổ chức Khí tượng Thế giới

HR

: Ký hiệu của trạm Thủy văn

RR

: Ký hiệu của điểm đo mưa nhân dân

UCAR

: University Corporation for Atmospheric Research

GFS

: Global Forecast System - Hệ thống dự báo toàn cầu

IFS

: Integnated Forecasting system – Hệ thống dự báo tích hợp

NCEP

: National Centers for Environmental Prediction - Trung tâm dự báo môi
trường Quốc gia Mỹ

MRF

: Medium Range Forecast - Mô hình dự báo hạn vừa

Pbl

: Planetary boundary layer - Lớp biên hành tinh

IR

: Infra Red - Bức xạ hồng ngoại

UV

: Ultraviolet - Bức xạ tử ngoại

K

: Độ Kelvin

CAPE

: Convective available potential energy - Chỉ số bất ổn định

SAS

: Sơ đồ đối lưu Schubert - Arakawa-Schubert

UTC

: Giờ quốc tế

ATNĐ

: Áp thấp nhiệt đới

KKL

: Không khí lạnh

XTNĐ

: Xoáy thuận nhiệt đới

ITCZ

: Intertropical Convergence Zone - Dải hội tụ nhiệt đới

KTTV

: Khí tượng thủy văn

CSDL

: Cơ sở dữ liệu

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU .............................................................................................................................1
CHƯƠNG 1 ........................................................................................................................3
TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH DỰ BÁO LŨ VÀ LƯU VỰC NGHIÊN CỨU..............3
1.1. KHÁI QUÁT MÔ HÌNH DỰ BÁO ..........................................................................3
1.1.1. Quá trình phát triển mô hình dự báo thủy văn ....................................................3
1.1.2. Phân loại mô hình thủy văn .................................................................................4
1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC ....................................7
1.2.1. Đánh giá tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước ........................................7
1.2.2. Đánh giá tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước ......................................10
1.2.3. Đánh giá tổng quan tình hình nghiên cứu trên lưu vực.....................................12
1.3. ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN ...........................................................................14
1.3.1. Đặc điểm hình thái lưu vực sông ......................................................................14
1.3.2. Đặc điểm địa hình, địa chất, thổ nhưỡng, thảm phủ thực vật ...........................15
1.3.3. Khái quát đặc điểm khí hậu thủy văn ................................................................20
1.4. ĐẶC ĐIỂM MƯA LŨ LƯU VỰC SÔNG KỲ LỘ ................................................22
1.4.1. Đặc điểm chung.................................................................................................22
1.4.2. Các đợt mưa lũ điển hình ..................................................................................23
1.5. ĐIỀU KIỆN KINH TẾ XÃ HỘI .............................................................................25
1.6. MẠNG LƯỚI TRẠM KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN ...............................................26
CHƯƠNG 2 ......................................................................................................................28
CƠ SỞ MÔ HÌNH VÀ BỘ SỐ LIỆU NGHIÊN CỨU ..................................................28
2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH MARINE ...........................................................28
2.1.1. Các giả thiết và nguyên lý mô phỏng ................................................................28
2.1.2. Lý thuyết sinh dòng chảy ..................................................................................29
2.1.3. Lý thuyết thấm ..................................................................................................30
2.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH MUSKINGUM .................................................32

2.2.1. Các phương trình cơ bản ...................................................................................32
2.2.2. Xây dựng mô hình Muskingum ........................................................................34
2.3. TÍNH TOÁN VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU ......................................................................34
2.3.1. Số liệu địa hình..................................................................................................34


2.3.2. Số liệu thảm phủ................................................................................................37
2.3.3. Số liệu đất ..........................................................................................................38
2.3.4. Xử lý mưa phân bố theo không gian .................................................................39
2.3.5. Số liệu sông .......................................................................................................41
2.4. DẪN SUẤT ĐẦU VÀO MÔ HÌNH MARINE ......................................................42
2.4.1. Xây dựng các bản đồ dẫn suất từ bản đồ DEM phục vụ đầu vào cho mô hình
MARINE .....................................................................................................................42
2.4.2. Kết quả xây dựng bản đồ dẫn suất đầu vào mô hình MARINE .......................45
CHƯƠNG 3 ......................................................................................................................49
ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MARINE VÀ MUSKINGUM XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN
CẢNH BÁO, DỰ BÁO LŨ VÀ ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP PHÒNG CHỐNG LŨ ... 49
3.1. HIỆU CHỈNH BỘ THÔNG SỐ MÔ HÌNH ............................................................49
3.2. KIỂM ĐỊNH BỘ THÔNG SỐ MÔ HÌNH ..............................................................52
3.3. DỰ BÁO THỬ TRẬN LŨ NĂM 2017...................................................................54
3.4. XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN CẢNH BÁO, DỰ BÁO LŨ SÔNG KỲ LỘ ............56
3.5. HƯỚNG DẪN QUY TRÌNH DỰ BÁO LŨ BẰNG MÔ HÌNH MARINE VÀ
MUSKINGUM ...............................................................................................................56
3.6. CÁC GIẢI PHÁP PHÒNG CHỐNG LŨ TRÊN LƯU VỰC SÔNG KỲ LỘ .......58
3.6.1. Các giải pháp công trình ....................................................................................58
3.6.2. Các giải pháp phi công trình..............................................................................60
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .........................................................................................63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................................................65
PHẦN PHỤ LỤC .............................................................................................................67

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Cây phân loại mô hình toán thủy văn ................................................................6
Hình 1.2. Bản đồ địa hình lưu vực sông Kỳ Lộ ................................................................17
Hình 1.3. Mức nước lũ ngập sâu tại trạm thủy văn Hà Bằng tại trạm thủy văn Hà Bằng, trận lũ
lịch sử tháng 11/2009 ........................................................................................................25
Hình 1.4. Lũ cuốn trôi công trình đo mực nước tự ghi tại trạm thủy văn Hà Bằng, trận lũ
lịch sử tháng 11/2009 .........................................................................................................25
Hình 1.5. Bản đồ sông suối lưu vực sông Kỳ Lộ ..............................................................27
Hình 2.1. Sơ đồ tổng quát của mô hình MARINE ...........................................................28
Hình 2.2. Mô tả vùng thấm trong lý thuyết Green Ampt .................................................31
Hình 2.3. Code mô hình Muskingum ............................................................................... 34
Hình 2.4. Chi tiết địa hình khu vực trung lưu ...................................................................35
Hình 2.5. Kiểm tra bản đồ mô hình số độ cao (DEM) và đường bình đồ địa hình ..........35
Hình 2.6. Kiểm tra bản đồ mô hình số độ cao (DEM) và hệ thống sông suối ..................36
Hình 2.7. Bản đồ mô hình số độ cao (DEM) lưu vực sông Kỳ Lộ ...................................36
Hình 2.8. Bản đồ lớp phủ thực vật lưu vực sông Kỳ Lộ ...................................................38
Hình 2.9. Bản đồ đất lưu vực sông Kỳ Lộ ........................................................................39
Hình 2.10. Bản đồ phân bố mưa các ô lưới theo đa giác Theissen ...................................41
Hình 2.11. Bản đồ mạng lưới sông và tính toán dữ liệu cho MARINE ...........................42
Hình 2.12. Sơ đồ mô tả quá trình tạo các bản đồ dẫn suất từ DEM .................................43
Hình 2.13. Sơ đồ mô tả quá trình tạo hướng chảy từ bản đồ DEM ..................................44
Hình 2.14. Sơ đồ mô phỏng số ô hội tụ nước và hình thành mạng sông ..........................44
Hình 2.15. Tạo các bản đồ dẫn suất từ AML files ............................................................45
Hình 2.16. Bản đồ hướng dòng chảy lưu vực sông Kỳ Lộ ...............................................46
Hình 2.17. Bản đồ độ rỗng đất lưu vực sông Kỳ Lộ .........................................................46
Hình 2.18. Bản đồ độ dẫn thủy lực bão hòa lưu vực sông Kỳ Lộ ....................................46
Hình 2.19. Bản đồ lượng trữ lưu vực sông Kỳ Lộ ............................................................46
Hình 2.20. Bản đồ độ dốc lưu vực sông Kỳ Lộ ................................................................47
Hình 2.21. Bản đồ lực mao dẫn lưu vực sông Kỳ Lộ .......................................................47

Hình 2.22. Hàm lượng nước ban đầu lưu vực sông Kỳ Lộ ..............................................47
Hình 2.23. Bản đồ hệ số nhám Manning lưu vực sông Kỳ Lộ .........................................47
Hình 2.24. Bản đồ miền tính lưu vực sông Kỳ Lộ ............................................................48


Hình 3.1. Sơ đồ khối ứng dụng mô hình Marine - Muskingum dự báo lũ sông Kỳ Lộ .............49
Hình 3.2a. Biểu đồ mưa các trạm để hiệu chỉnh bộ thông số ...........................................50
Hình 3.2b. Biểu đồ mưa các trạm để hiệu chỉnh bộ thông số ...........................................50
Hình 3.3. Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo trận lũ hiệu chỉnh bộ thông số ...... 52
Hình 3.4a. Biểu đồ mưa các trạm để kiểm định bộ thông số ............................................53
Hình 3.4b. Biểu đồ mưa các trạm để kiểm định bộ thông số ...........................................53
Hình 3.5. Đường quá trình lưu lượng tính toán và TĐ trận lũ kiểm định bộ thông số .....53
Hình 3.6a. Biểu đồ mưa các trạm trận lũ năm 2017 .........................................................55
Hình 3.6b. Biểu đồ mưa các trạm trận lũ năm 2017 .........................................................55
Hình 3.7. Đường qt lưu lượng tính toán và thực đo trận lũ dự báo thử năm 2017 ...........55
Hình 3.8. Đường qt mực nước tính toán và thực đo trận lũ dự báo thử năm 2017 ..........56
Hình 3.9. Mô hình hồ điều hòa chống lũ ..........................................................................59
Hình 3.10. Mô hình trạm giám sát ....................................................................................60


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Đặc trưng hình thái sông ..................................................................................15
Bảng 1.2. Tổng hợp diện tích các loại đất huyện Đồng Xuân ..........................................17
Bảng 1.3. Thống kê các trận lũ điển hình trên sông Kỳ Lộ ..............................................24
Bảng 1.4. Danh mục trạm Khí tượng Thủy văn thuộc lưu vực sông Kỳ Lộ và vùng phụ cận ... 26
Bảng 2.1. Phân loại thảm phủ ...........................................................................................37
Bảng 2.2. Phân loại đất ......................................................................................................39
Bảng 3.1. Chỉ tiêu đánh giá chỉ tiêu Nash của WMO .......................................................51
Bảng 3.2. Bộ thông số mô hình Marine được tối ưu hóa ...................................................51

THÔNG TIN LUẬN VĂN
+ Họ và tên học viên: Võ Anh Kiệt
+ Lớp: CH2AT
+ Cán bộ hướng dẫn chính: TS Đặng Thanh Mai
+ Cán bộ hướng dẫn phụ: TS Trương Vân Anh
+ Tên luận văn: Nghiên cứu ứng dụng mô hình Marine dự báo lũ sông Kỳ Lộ tỉnh Phú Yên
+ Tóm tắt luận văn:
Kỳ Lộ là con sông lớn thứ hai của tỉnh Phú Yên, trải rộng trên hai huyện
Đồng Xuân và Tuy An. Diễn biến lũ và ngập lụt rất nghiêm trọng, hàng năm xuất
hiện từ 2 đến 3 trận lũ lớn gây hậu quả rất to lớn về người và của, đặc biệt là trận lũ
lịch sử năm 2009 đã xóa sổ một số làng mạc ven sông của huyện Đồng Xuân. Lưu
vực sông Kỳ Lộ cũng như các lưu vực sông khác ở khu vực Miền Trung có địa
hình rất dốc, chiều dài sông ngắn nên thời gian lũ lên nhanh, xuống nhanh, dòng
chảy mạnh, độ ngập sâu lớn. Ngoài ra đặc điểm thổ nhưỡng, thảm phủ, mưa phân
hóa rất mạnh theo không gian. Với đặc điểm như trên, luận văn đã nghiên cứu ứng
dụng mô hình thủy văn thông số phân bố (Marine) để dự báo lũ sông Kỳ Lộ. Mô
hình này có khả năng mô phỏng, đánh giá tác động của các yếu tố địa hình, thổ
nhưỡng, thảm phủ và mưa chi tiết theo không gian.
Dòng chảy sườn dốc được diễn toán bằng mô hình Marine, quá trình lưu
lượng tiếp tục được diễn toán bằng mô hình Muskingum. Luận văn đã tích hợp mô
hình Marine với mô hình Muskingum để mô phỏng liên tục quá trình dòng chảy
trên lưu vực sông Kỳ Lộ và dự báo lũ tại trạm thủy văn Hà Bằng. Kết quả dự báo
thử trong trận lũ đầu tháng 12/2017 đã cho kết quả tốt, làm cơ sở nâng cao chất
lượng dự báo thủy văn tại Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Nam Trung Bộ và Đài
Khí tượng Thủy văn tỉnh Phú Yên.


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận văn

Biến đổi khí hậu đang ngày càng có những tác động mạnh mẽ tới đời sống dân
sinh kinh tế trên khắp đất nước Việt Nam nói chung và tỉnh Phú Yên nói riêng. Sự biến
động bất thường về quy luật hoạt động của các hiện tượng thời tiết, thủy văn, sự gia tăng
cường độ bão, lũ, hạn hán, trên địa bàn tỉnh Phú Yên trong những năm qua là những biểu
hiện khá rõ nét về sự tác động của biến đổi khí hậu đối với tỉnh Phú Yên nói chung và
sông Kỳ Lộ nói riêng.
Tại Sông Kỳ Lộ tỉnh Phú Yên hàng năm có từ 3 - 4 trận lũ lớn gây nhiều thiệt hại
về người và tài sản đối với khu vực hạ lưu. Lưu vực sông Kỳ Lộ bao gồm các huyện
Đồng Xuân và Tuy An, trong đó có trung tâm phát triển kinh tế xã hội của lưu vực là thị
trấn Chí Thạnh. Các trận lũ lớn đã gây ra nước chảy xiết, làm xói lở bờ sông, hư hại công
trình, cuốn trôi nhà cửa ở các xã ven sông huyện Đồng Xuân, gây ngập lụt nghiêm trọng
huyện Tuy An. Điển hình là trận lũ xảy ra vào ngày 01- 06/11/2009, lũ lên nhanh, đỉnh lũ
13,47m, vượt mức báo động 3 là 3,97m và là đỉnh lũ lịch sử trong chuỗi số liệu quan trắc
được. Mưa lớn ở thượng nguồn gây lũ đột ngột vào ban đêm trên sông Kỳ Lộ, sông Cầu
gây thiệt hại to lớn cho thị xã Sông Cầu, huyện Đồng Xuân và Tuy An. Thiệt hại đợt mưa
lũ này có 73 người chết, thiệt hại ước tính 2.405 tỉ đồng.
Mặc dù không thể tránh được thiên tai, nhưng với sự phát triển của khoa học công
nghệ hiện đại và sự hiểu biết của con người về tự nhiên, chúng ta có thể quan trắc, tổng
hợp, đánh giá, dự báo… từ đó xây dựng các giải pháp ứng phó, phòng ngừa, giảm thiểu
tác động có hại của thiên tai là một việc làm hết sức cần thiết và cấp bách. Ý tưởng của
luận văn này không chỉ xây dựng được công cụ dự báo sát với thực tế, đánh giá tác động
của nhiều yếu tố đến dòng chảy mà còn xây dựng được công cụ ổn định và tiếp tục được
phát triển thành công nghệ dự báo hoàn thiện.
2. Mục tiêu của luận văn
- Xây dựng được phương án dự báo lũ trên lưu vực sông Kỳ Lộ bằng mô hình thủy
văn thông số phân bố MARINE và phương pháp Muskingum.
- Đề xuất được các giải pháp phòng ngừa và giảm nhẹ thiệt hại do lũ lụt gây ra
trên lưu vực sông Kỳ Lộ.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Luận văn tập trung nghiên cứu mô hình thủy văn thông số phân bố MARINE và

Muskingum để dự báo lũ sông Kỳ Lộ tỉnh Phú Yên, làm cơ sở phục vụ công tác chỉ đạo
ứng phó với thiên tai ở địa phương.
1


Phạm vi nghiên cứu của luận văn là lưu vực sông Kỳ Lộ (bao gồm các huyện
Đồng Xuân, Tuy An tỉnh Phú Yên).
4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thống kê: thu thập và biên tập số liệu khí tượng, thủy văn, địa chất,
địa hình, lớp phủ làm đầu vào cho mô hình toán và đánh giá được tác động của các yếu tố
trên đến quá trình hình thành lũ trên sông Kỳ Lộ.
- Phương pháp kế thừa: Phân tích, đánh giá, kế thừa các kết quả số liệu nghiên cứu
đã có liên quan đến các phương án dự báo lũ.
- Phương pháp chuyên gia: trao đổi, học tập, lấy ý kiến từ các chuyên gia về
phương pháp đánh giá, tính toán để xây dựng phương án dự báo lũ theo đúng quy phạm
hiện hành.
- Phương pháp mô hình hóa: Áp dụng mô hình thủy văn thông số phân bố
MARINE và diễn toán Muskingum, để mô phỏng và xây dựng phương án dự báo lũ cho
lưu vực sông nghiên cứu.
5. Bố cục của luận văn
Báo cáo kết quả đạt được trong luận văn gồm 3 chương cùng với phần mở đầu,
kết luận, phụ lục và tài liệu tham khảo:
Chương 1: Tổng quan về mô hình dự báo lũ và lưu vực nghiên cứu
Chương 2. Cơ sở mô hình và bộ số liệu nghiên cứu
Chương 3. Ứng dụng mô hình MARINE và MUSKINGUM xây dựng phương án
cảnh báo, dự báo lũ và các giải pháp phòng chống lũ trên lưu vực sông Kỳ Lộ

2

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH DỰ BÁO LŨ VÀ LƯU VỰC NGHIÊN CỨU

1.1. KHÁI QUÁT MÔ HÌNH DỰ BÁO
1.1.1. Quá trình phát triển mô hình dự báo thủy văn
Dự báo thủy văn có vai trò quyết định trong công tác phòng chống lũ lụt, giảm nhẹ
thảm họa thiên tai do ngập lụt gây ra. Dự báo trước một hiện tượng thiên nhiên là công
việc hết sức khó khăn, phức tạp nhưng rất quan trọng trong đời sống, kinh tế xã hội. Từ
thời xa xưa, con người không có máy móc, thiết bị quan trắc các hiện tượng thiên nhiên
nhưng cũng đã cố gắng dự báo trước hiện tượng thông qua sự phản ứng của sinh vật với
môi trường và truyền lại những đúc rút kinh nghiệm dự báo đó cho thế hệ sau. Dự báo
thủy văn dựa trên dữ liệu quan trắc, có cơ sở khoa học bắt đầu phát triển từ đầu thế kỷ 20
với phương pháp đơn giản là dự báo xu thế, sau đó là thành lập các tương quan thực
nghiệm. Đến giữa thế kỷ 20, dự báo bằng phương pháp đường đẳng thời, tiến hành những
tính toán về mưa lũ theo phương pháp đường đơn vị, đặt nền móng cho việc phân tích
căn nguyên quá trình hình thành lũ. Một số mô hình thủy văn thông số tập trung ra đời
cho phép mô hình hóa quá trình dòng chảy lưu vực sông. Quá trình phát triển của dự báo
thủy văn mạnh nhất vào cuối thế kỷ 20 và những năm gần đây với sự phát triển của các
mô hình toán cho phép mô phỏng dòng chảy phân bố theo không gian trên bề mặt lưu
vực, diễn toán dòng chảy trong sông, mô phỏng ngập lụt, diễn biến nước ngầm, điều tiết
hồ chứa, vận chuyển trầm tích, chất lượng nước. Công tác dự báo thủy văn ngày nay
không chỉ đơn giản là mực nước tại vị trí các trạm trên sông mà còn chi tiết cho nhiều vị
trí khác dọc sông, ngập lụt, úng ngập trên lưu vực sông. Ngoài dự báo yếu tố mực nước
cần dự báo lưu lượng, mặn, chất lượng nước [4].
Các mô hình toán phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây cho phép mô
phỏng tốt hơn quá trình dòng chảy lưu vực sông, chất lượng dự báo tốt hơn. Cùng với sự
phát triển đó thì yêu cầu của xã hội, công tác phòng chống thiên tai cũng đòi hỏi độ chính
xác dự báo thủy văn cao hơn, chi tiết hơn. Công tác dự báo thủy văn ngoài chi tiết theo
không gian, nhiều yếu tố dự báo cần có thời gian dự kiến dài hơn, thời đoạn ngắn hơn,
nhiều trị số dự báo hơn. Sự tác động của biến đổi khí hậu làm cho dòng chảy có tính cực

đoan hơn, quy luật dòng chảy đã thay đổi nên các phương pháp thống kê, tương quan có
độ chính xác ngày càng kém đi. Sự tác động của con người đến lưu vực sông như xây
dựng hồ chứa, đập dâng, công trình chỉnh trị sông ngòi, đường giao thông, cầu, cống, sử
dụng đất đã tác động đáng kể đến dòng chảy mà các mô hình thủy văn thông số tập trung
không thể mô phỏng được. Để khắc phục những nhược điểm trên cần phát triển các mô
hình thủy văn thông số phân bố [5].
3


1.1.2. Phân loại mô hình thủy văn
Mục tiêu của phân tích hệ thống thủy văn là nghiên cứu sự vận hành của hệ thống
và dự đoán các kết quả đầu ra. Mô hình hệ thống thủy văn là sự phản ánh gần đúng của
một hệ thống thủy văn có thật. Các yếu tố đầu vào và các sản phẩm đầu ra của mô hình là
các biến lượng thủy văn đo được và cấu trúc của mô hình là tập hợp các phương trình liên
kết các yếu tố đầu vào và đầu ra. Vấn đề trung tâm trong cấu trúc của mô hình là khái
niệm về phép biến đổi hệ thống [3].
Trên thế giới có nhiều mô hình toán thủy văn với các nguyên lý mô phỏng khác
nhau. Các nguyên lý mô phỏng ngày càng phù hợp, sát với thực tế theo sự phát triển của
mô hình toán thủy văn. Phân loại các mô hình toán giúp xác định được ưu nhược điểm
chính của một nhóm các mô hình, sự phát triển về khả năng mô phỏng, mức độ hỗ trợ của
các công nghệ khác cho mô hình. Trong nghiên cứu này có sử dụng một số mô hình để
tích hợp thành một bộ mô hình, do đó cần phân loại các mô hình thủy văn để biết được
mức độ phát triển, ưu nhược điểm chính, mức độ phù hợp của các mô hình toán được sử
dụng.
Các mô hình thủy văn có thể được phân chia thành 3 loại chính là mô hình vật lý,
mô hình tương tự và mô hình toán học. Trong đó mô hình toán học được nghiên cứu và
ứng dụng khá nhiều ở trên thế giới, trong mô hình toán được chia thành mô hình ngẫu
nhiên và mô hình tất định. Mô hình ngẫu nhiên được sử dụng nhiều trong thiết kế, dự báo
hạn dài và cực dài trên cơ sở phân bố xác suất và các đặc trưng thống kê. Mô hình tất
định có xu hướng phát triển mạnh trong những năm gần đây và ngày càng mô phỏng quá

trình thủy văn sát với thực tế, loại mô hình này được ứng dụng rộng rãi trong dự báo hạn
ngắn và hạn vừa, khôi phục số liệu dòng chảy và tính toán tài nguyên nước. Trong mô
hình tất định được chia thành hai loại là mô hình hộp đen và mô hình nhận thức (mô hình
hộp xám), trong đó mô hình hộp xám được phát triển mạnh mẽ nhất.Phân loại mô hình hệ
thống thủy văn được thể hiện trong hình 1, cụ thể một số mô hình trong cây phân loại
như sau [5]:
* Mô hình hệ thống thủy văn: là mô phỏng của một hệ thống thủy văn có thật [1].
* Hệ thống thủy văn: là các quá trình thủy văn hoặc chu trình thủy văn trên một
vùng không gian nhất định [1].
* Mô phỏng: là sự bắt chước, phỏng theo một sự vật, hiện tượng hay quá trình
nào đó bằng cách xây dựng những mô hình động, xử lý chúng trong tác động qua lại
nhằm nghiên cứu các hiện tượng, sự vật, quá trình đó trên những mô hình này.
* Mô hình vật lý: là mô hình thu nhỏ nguyên mẫu ngoài thực địa theo một tỷ lệ
nhất định. Mô hình vật lý còn được gọi là mô hình tỷ lệ, thường sử dụng để thí nghiệm và
tuân thủ theo một số nguyên tắc, tiêu chuẩn nhất định.
4


* Mô hình tương tự: là một mô hình vật lý khác có tính chất tương tự mô hình
nguyên thể [1]. Ví dụ như mô hình tương tự điện.
* Mô hình toán học: là mô hình miêu tả hệ thống dưới dạng toán học. Sự vận
hành của hệ thống được mô tả bằng một hệ phương trình liên kết giữa các biến vào, ra
của hệ thống [1].
* Mô hình ngẫu nhiên: là một quá trình mô phỏng quá trình thủy văn theo một
quy luật phân bố xác suất [1].
* Mô hình ngẫu nhiên độc lập không và thời gian: Các đại lượng xuất hiện tại
các thời điểm khác nhau không làm ảnh hưởng lẫn nhau và giá trị tại vị trí này không liên
quan đến vị trí khác. Hàm phân bố xác suất là duy nhất và chỉ là hàm một chiều [1].
* Mô hình ngẫu nhiên độc lập không gian nhưng tương quan thời gian: Xác
suất xuất hiện của các biến trong không gian không làm ảnhhưởng lẫn nhau. Nhưng giá

trị của biến tại một thời điểm chịu ảnh hưởng của các giá trị tại một số thời điểm trước
[1]. Các loại mô hình thuộc loại này gồm: Mô hình Markov, Fragment, ARIMA, ARX,
ARMAX.
* Mô hình ngẫu nhiên tương quan không gian nhưng độc lập thời gian: Trong
mô hình xem xét tác động tương hỗ giữa xác suất xuất hiện các biến tại các vị trí khác
nhau, nhưng theo thời gian không bị ảnh hưởng [1].
* Mô hình ngẫu nhiên tương quan không và thời gian: Trong mô hình xem xét
xác suất xuất hiện của các biến phụ thuộc lẫn nhau cả theo không gian, cả theo thời gian
[1]. Các loại mô hình thuộc loại này gồm: Monte-Carlo, Thormat-Frering.
* Mô hình tất định: là một quá trình mô phỏng hệ thống bằng các phương trình
toán học, thể hiện mối quan hệ nhân quả của hệ thống thủy văn, có khả năng tiếp cận hệ
thống và dần dần thể hiện, biểu đạt gần đúng quy luật của hệ thống [1].
* Mô hình hộp đen: là mô hình mô phỏng những hệ thống mà cấu tạo và các
thông số của nó hoàn toàn không rõ ràng, chỉ có thể được xác định trên cơ sở những
thông tin vào - ra [1]. Mô hình hộp đen gồm: ANN, DBM.
* Mô hình nhận thức: là loại mô hình được mô tả bởi một tập hợp các quan hệ
toán học, từng quan hệ biểu diễn từng mặt riêng của quá trình, nhưng kết hợp lại chúng
mô hình hóa cả quá trình trọn vẹn [1].
* Mô hình thông số tập trung: là mô hình mà hệ thống được trung bình hoá
trong không gian và có thể coi hệ thống như một điểm đơn độc trong không gian. Các
thông số coi như không thay đổi theo không gian mà chỉ nhận một giá trị đặc trưng cho
cả hệ thống [1].
* Mô hình tuyến tính: là mô hình trong đó hàm lượng trữ là một phương trình
tuyến tính có các hệ số là hằng số [1]. Mô hình tuyến tính thông số tập trung gồm:
TANK, NAM, SSARR, Kalinhin - Miliukốp - Nash, HBV, CLS, NWS, Sacromento,
RRMOD.

5

* Mô hình phi tuyến: là mô hình mà hàm lượng trữ là một hàm phi tuyến [1]. Các
mô hình phi tuyến thông số tập trung gồm: LTANK, STANFORD 4, HEC-HMS, HMC,
SMART, ARNO.
* Mô hình thông số phân bố: là mô hình mà hệ thống mô phỏng sự diễn biến của
quá trình thủy văn tại các điểm khác nhau trong không gian và định nghĩa các biến trong
mô hình như là hàm tọa độ. Các thông số được xem xét theo sự biến đổi không gian của
hệ thống [1].
* Mô hình thủy văn thông số phân bố: là mô hình thông số phân bố tổng hợp
dòng chảy từ mưa hoặc diễn toán dòng chảy trên lưu vực sông [2].
* Mô hình tham số:là mô hình thủy văn thông số phân bố dựa trên giả định
phương trình vật lý thực nghiệm kết hợp với quan hệ bán kinh nghiệm của lượng mưa và
dòng chảy đầu ra. Mô hình còn được gọi là mô hình thủy văn thông số phân bố khái niệm
[2]. Mô hình thông số phân bố khái niệm gồm có: mô hình IFAS, TOPMODEL, FRASC,
VIC, DIMOSOP, GEOTOP, Girard.
* Mô hình vật lý cơ bản: là mô hình thủy văn thông số phân bố xem dòng chảy
như là một hiện tượng di chuyển của mưa trên lưu vực sông và thể hiện quá trình di
chuyển bằng phương trình thấm và phương trình dòng chảy không đều. Mô hình còn
được gọi là mô hình thủy văn thông số phân bố đầy đủ, hiện nay không có một mô hình
nào có thể trình bày quá trình di chuyển bởi các hàm vật lý hoàn thiện [2]. Các mô hình
thông số phân bố đầy đủ gồm có: mô hình MIKE SHE, MARINE, WETSPA, TOPKAPI,
SHETRAN, HDSVM.
* Mô hình thủy lực: là mô hình diễn toán dòng chảy dưới tác động của lực. Cơ
chế sinh lực tác động là chênh lệch áp suất, độ dốc hoặc độ cao mực nước.
* Mô hình sóng động học: là mô hình mô phỏng dòng chảy đã bỏ qua gia tốc địa
phương, gia tốc đối lưu và các thành phần áp suất trong phương trình động lượng [3].
Các loại mô hình sóng động học như 1DKWM-FEM&SCS.

Hình 1.1. Cây phân loại mô hình toán thủy văn [5]
6

* Mô hình sóng khuếch tán: là mô hình mô phỏng dòng chảy đã bỏ qua gia tốc
địa phương và gia tốc đối lưu trong bằng phương trình động lượng [3]. Mô hình thủy lực
hai chiều như HDM.
* Mô hình sóng động lực: là mô hình mô phỏng dòng chảy bằng phương trình
động lượng đầy đủ [3]. Các loại mô hình thủy lực một chiều (1D) gồm: MIKE 11,
VRSAP, IMECH1D, KOD1, HEC-RAS, ISIS-1D, HydroGIS, MK4, QUAL2-E, HEC 6,
IMECH1D, SOBECK-1D; mô hình thủy lực hai chiều (2D) gồm: MIKE 21, NAKATA,
SOBEK-2D, NK-GIAS, ISIS-2D, TULFOW-2D, DUFLOW, TELEMAC-2D, TREM,
CCHE2D; mô hình thủy lực 3 chiều (3D) gồm: TELEMAC-3D, MIKE-3, Delft-3D, Flo-3D.
1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
1.2.1. Đánh giá tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước [6]
Dự báo thủy văn có vai trò quyết định trong công tác phòng chống lũ và ngập lụt ở
các nước trên Thế giới. Việc dự báo thủy văn cũng như các hiện tượng thiên tai khác xuất
hiện từ thời xa xưa, bằng những phương pháp, kinh nghiệm đơn giản như dựa vào sự di
trú, tập quán của các loài sinh vật, một số hiện tượng trên bầu trời. Sự phát triển của dự
báo thủy văn phát triển cùng với thời đại công nghiệp đến thời đại công nghệ thông tin
như hiện nay. Từ các thiết bị đơn giản, đã đo được các yếu tố cơ bản của thủy văn và
hình thành các phương pháp dự báo mực nước tương ứng, phương trình hồi quy, đường
đơn vị, mô hình ngẫu nhiên, mô hình hộp đen. Với sự phát triển của máy tính phương
pháp dự báo thủy văn đã có sự phát triển mạnh thông qua mô hình hóa các quá trình thủy
văn. Các ngôn ngữ lập trình, máy tính ra đời, cùng với đó là các số liệu khí tượng thủy
văn đủ tin cậy để mô phỏng quá trình dòng chảy trên lưu vực sông. Các mô hình thủy văn
thông số tập trung ra đời như TANK, NAM, HEC-HMS, HMC, SMART, ARNO,
STANFORD 4, HBV, SSARR với các loại phương trình phát triển từ tuyến tính đến phi
tuyến. Tuy nhiên mô hình thủy văn thông số tập trung đã trung bình hóa lưu vực, đối
tượng mô phỏng nên có nhiều hạn chế đã dẫn đến ra đời nhiều mô hình thủy văn thông số
phân bố. Các loại mô hình thủy văn thông số phân bố gồm các loại mô hình thủy lực,
mưa dòng chảy đang phát triển mạnh mẽ và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực trong đó có
dự báo thủy văn. Các loại mô hình mưa dòng chảy thông số phân bố có nhiều ưu việt so

với các mô hình thông số tập trung như mô phỏng được tác động của nhiều yếu tố, điều
kiện tự nhiên đến dòng chảy nên mô phỏng sát thực tế hơn, mô phỏng được quá trình lan
truyền sóng lũ, đánh giá tác động của biến đổi các yếu tố khí tượng thủy văn và điều kiện
tự nhiên khác theo không gian đến diễn biến dòng chảy lưu vực sông.
Với sự phát triển mạnh mẽ của các ngôn ngữ lập trình, máy tính, công nghệ viễn
thám và GIS đã có nhiều mô hình mưa - dòng chảy thông số phân bố được ứng dụng rộng
rãi, có hiệu quả trong công tác dự báo thủy văn, khôi phục số liệu. Các mô hình mưa dòng chảy thông số phân bố điển hình trên Thế giới gồm:
1) Mô hình TOP: Mô hình TOP (Topography Model) do giáo sư Mike Kirkby
thuộc trường Đại học Địa lý Leeds phát triển vào năm 1974 dưới sự bảo trợ của Hội đồng
7


nghiên cứu môi trường thiên nhiên Vương quốc Anh. Năm 1975, Keith Beven bắt đầu
xây dựng chương trình TOPMODEL bằng ngôn ngữ Fortran IV. Mô hình thông số phân
bố TOP là mô hình nhận thức mưa - dòng chảy. Mô hình hoạt động dựa trên các mô tả
gần đúng về thủy văn, thủy lực.
2) Mô hình TOPKAPI: TOPKAPI là mô hình thủy văn thông số phân bố đầy đủ
với việc tham số hóa đơn giản và chi tiết. Cấu trúc mô hình gồm 5 mô đun: thoát hơi thực
vật, tuyết tan, dòng chảy trong đất, dòng chảy mặt và dòng chảy trong kênh.
3) Mô hình GEOTOP: Mô hình GEOTOP do Riccardo Rigon thuộc trường đại
học Trento - Italia xây dựng. Mô hình chạy trên ô lưới của bản đồ mô hình số độ cao
(DEM), tại mỗi ô lưới mô hình giải phương trình năng lượng và phương trình cân bằng
nước. Mô hình mô phỏng ảnh hưởng của mưa phân bố, cản mưa từ tán cây, nhiệt độ, áp
suất không khí, bức xạ mặt trời, bốc hơi mặt đất, thoát hơi thực vật, độ ẩm đất đến quá
trình hình thành dòng chảy mặt, sát mặt và dòng ngầm.
4) Mô hình WETSPA: WETSPA (Water and Energy Transfer between Soil, Plant
and Atmosphere) là mô hình thủy văn vật lý phân phối dùng để mô phỏng sự trao đổi năng
lượng giữa lớp đất, thực vật và khí quyển trên phạm vi lưu vực hoặc khu vực. Mô hình
được phát triển tại phòng nghiên cứu Thuỷ văn Thủy lực, Khoa khoa học ứng dụng đại học
tự do Brusels, Vương quốc Bỉ. Mô hình quan niệm một hệ thống thủy văn lưu vực là tổ

hợp của các quá trình khí quyển, hấp thu thực vật, vùng rễ cây, vùng chuyển nước và vùng
bão hoà. Mỗi một ô lại được chia thành các phần có lớp phủ và phần không thấm.
5) Mô hình DIMOSOP: DIMOSOP (Distributed hydrological MOdel for the
Special Observing Period) là mô hình thủy văn thông số phân bố tham số (khái niệm)
được sử dụng nhiều ở các nước châu Âu như Ý, Pháp, Thụy Sỹ. Đầu vào của mô hình
ngoài mưa phân bố theo không gian còn có bản đồ mô hình số độ cao, bản đồ hiện trạng
sử dụng đất, bản đồ đất dưới dạng ô lưới. Các phần tử ô lưới có thể là thành phần của
sườn dốc lưu vực, sông hoặc công trình hồ chứa.
6) Mô hình FRASC: Mô hình FRASC (Flow Routed Accumulation Simulation in
a Catchment - mô phỏng lũy tích diễn toán dòng chảy trên lưu vực) được cải tiến từ mô
hình Xinanjiang được xây dựng từ năm 1973 và công bố năm 1980. Điểm mấu chốt của
mô hình Xinanjiang là khái niệm tạo dòng chảy ở trạng thái no của tầng chứa nước, nghĩa
là dòng chảy sẽ không được sản sinh cho đến khi lượng ẩm của tầng thoáng khí đạt tới
khả năng đồng ruộng, sau đó dòng chảy bằng lượng mưa vượt quá và không tính thêm
một loại tổn thất nào nữa.
7) Mô hình IFAS: IFAS (Integrate Flood Analysis System) là một phần mềm tích
hợp hệ thống phân tích lũ của Nhật Bản. Cốt lõi của phần mềm là mô hình thủy văn
thông số phân bố tham số mô phỏng dòng chảy sườn dốc thông qua các lưới DEM dưới
tác động của lớp phủ thực vật, lớp đất của bề mặt lưu vực. Mỗi lưới gồm một hệ thống
các bể chứa phi tuyến sắp xếp theo chiều thẳng đứng, mỗi bề chứa có 1 hoặc 2 cửa bên, 1
cửa đáy (trừ bể chứa dưới cùng) cho phép mô phỏng các thành phần dòng chảy mặt, sát
mặt và dòng ngầm.
8


8) Mô hình VIC: VIC (Variable Infiltration Capacity): mô hình biến đổi thể tích
thấm là mô hình thủy văn quy mô lớn thể hiện đầy đủ quá trình cân bằng nước và năng
lượng được phát triển bởi Xu Liang thuộc trường Đại học Washington - Hoa Kỳ. Mô
hình VIC được sử dụng để mô phỏng quá trình thay đổi đặc tính vật lý của nước và năng
lượng trong đất, thảm phủ và không khí trên bề mặt thảm phủ trong quá trình di chuyển

của không khí. Mô hình VIC là mô hình mã nguồn mở được xây dựng bởi Liang và cộng
sự, sau đó được nâng cấp bởi Lohmann, cuối cùng là Liang & Xie.
9) Mô hình MARINE: Mô hình MARINE (Modelisation de l’Anticipation du
Ruissellement at des INondations pour des événements Extremes) hay (Model of
Anticipation Runoff and INundations for Extreme events) là mô hình thủy văn thông số
phân bố do Viện Cơ học chất lỏng Toulouse (Pháp) phát triển (Institute de Mecanique de
Fluides de Toulouse -IMFT). Mô hình MARINE được ứng dụng tính toán lũ quét thời
gian thực từ dự án PACTES (cảnh báo nguy cơ lũ quét theo không gian) tại Pháp với sự
hỗ trợ ban đầu của Bộ nghiên cứu Pháp và Cơ quan vũ trụ Pháp để tính toán trận lũ quét
xảy ra năm 1999 tại vùng phía Nam nước Pháp. Trên thế giới, MARINE được đánh giá
cao và được khai thác sử dụng tính toán lũ quét ở nhiều nước như Pháp, Hà Lan, Brasil.
10) Mô hình MIKE SHE: Năm 1969, Freeze và Harlan đã đề xuất một thiết kế
cho mô hình hóa chu trình thủy văn, trong đó đề cập đến quá trình vật lý của chu trình.
Năm 1977, các nhà thủy văn học của châu Âu đã phát triển và mở rộng thiết kế trên và
nâng cấp thành mô hình hóa hệ thống thủy văn gọi là hệ thống thủy văn châu Âu (SHE).
Từ giữa những năm 80 của thế kỷ trước, Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) đã phát triển và
mở rộng hơn thành mô hình MIKE SHE. Mô hình này đã mô phỏng nhiều nhất các thành
phần tham gia vào quá trình hình thành dòng chảy trên lưu vực. Các phép tính của mô
hình được chạy trên lưới ô vuông với các dữ liệu đầu vào gồm bản đồ DEM, lớp phủ, địa
chất, chỉ số thực vật, mưa phân bố.
11) Mô hình IHM: IHM (Integrated Hydrologic Model) là mô hình thủy văn tích
hợp, được sử dụng để nghiên cứu nước mặt và nước dưới đất. Thành phần nước mặt được
mô phỏng gồm dòng chảy trong sông suối, hồ chứa và đầm lầy, thành phần nước dưới đất
gồm nước ngầm tầng nông, nước ngầm tầng sâu, nước khe nứt. IHM đặc biệt hữu ích
trong việc nghiên cứu nước ngầm tầng nông, lớp nước sát mặt. Mô hình cho phép mô
phỏng dòng chảy trên lưu vực dưới tác động của mưa, bốc hơi từ mặt đất và mặt nước,
thoát hơi thực vật, dòng chảy sông suối và khe nứt, tình trạng nước mặt và nước ngầm,
thấm từ nước mặt xuống hệ thống nước dưới đất, lượng trữ nước ngầm, đặc tính và phát
triển kiểu loại đất, bơm nước từ giếng, giữ nước trong sông.
12) Mô hình IHDM: IHDM (The Institute of Hydrology Distributed) có xuất xứ

từ Vương Quốc Anh, được Morris đề xuất năm 1980. Mô hình tiếp cận hệ thống bằng
cách chia lưu vực thành các dải phần tử có độ dốc lớn nhất và mô phỏng dòng chảy một
chiều của dòng chảy sườn dốc trên các dải đó. Dòng chảy trên sườn dốc được đổ vào các
kênh và tiếp tục được diễn toán một chiều đến cửa ra lưu vực.
9


13) Mô hình WEP: Mô hình WEP (Water and Energy transfer Processes) dựa
trên cơ sở nghiên cứu của Jai và Tamai, được phát triển tại Viện nghiên cứu việc làm
công cộng Nhật Bản. Là mô hình thủy văn thông số phân bố vật lý cơ bản tương tự như
mô hình MIKE SHE của Đan Mạch. Mô hình tính thấm bằng phương trình Green-Ampt
xuống nhiều tầng nước ngầm, chuyển động của nước trong tầng đất chưa bão hòa được
tính theo phương trình Richards.
14) Mô hình WATFLOOD: WATFLOOD được phát triển bởi Kouwen thuộc
trường Đại học Waterloo - Canada, là mô hình thủy văn thông số phân bố vật lý cơ bản
mô phỏng quá trình tự nhiên của dòng chảy trên lưu vực sông. Mô hình được ứng dụng
mô phỏng thủy văn thời đoạn ngắn để dự báo lũ hoặc mô phỏng thời đoạn dài để tính
toán nguồn nước lưu vực sông. Mô hình có khả năng kết nối với lượng mưa phân bố
quan trắc từ trạm radar thời tiết hoặc sản phẩm của mô hình số trị. Quá trình mô phỏng
gồm: tác động của tán cây, thấm, bốc hơi, tuyết tan, bào mòn bề mặt, dòng chảy sát mặt,
nạp lại dòng chảy, dòng chảy cơ bản, dòng chảy tràn và dòng chảy trong sông.
15) Mô hình SWAT: SWAT được xây dựng bởi Trung tâm phục vụ nghiên cứu
nông nghiệp (Agricultural Research Service) thuộc Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (United
States Department of Agriculture) và Trung tâm nghiên cứu nông nghiệp (Texas A&M
AgriLife Research) thuộc Đại học Texas A&M, Hoa Kỳ vào đầu những năm 1990 với
mục đích dự báo những ảnh hưởng của thực hành quản lý sử dụng đất đến nước, sự bồi
lắng và lượng hóa chất sinh ra từ hoạt động nông nghiệp trên những lưu vực rộng lớn và
phức tạp trong khoảng thời gian dài. Một trong những module chính của mô hình này là
mô phỏng dòng chảy từ mưa và các đặc trưng vật lý trên lưu vực.
1.2.2. Đánh giá tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước [6]

Đất nước ta có

¾ địa hình là đồi núi, độ dốc lớn nên dòng chảy tập trung nhanh,

lũ rất bất ngờ và khốc liệt, đặc biệt là khu vực Miền Trung. Các sông Miền Trung ngắn,
độ dốc lớn, địa hình các lưu vực sông rất dốc nên lũ lên rất nhanh và xuống nhanh, thời
gian duy trì một trận lũ ngắn. Công tác nghiệp vụ dự báo thủy văn, trên một lưu vực sông
cần dự báo cho nhiều điểm tại vị trí các trạm thủy văn, lưu lượng về các hồ chứa, mô
hình thủy lực cần nhiều biên đầu vào. Với bộ mô hình tích hợp hệ thống đơn giản hơn do
cần sử dụng ít mô hình hơn, cần ít người vận hành hơn. Ngoài ra bộ mô hình tích hợp chi
tiết hóa theo không gian, mô phỏng sát với thực tế hơn là cơ sở đáp ứng ngày càng cao
của công tác dự báo thủy văn đối với sự phát triển của xã hội, yêu cầu của công tác phòng
tránh giảm nhẹ thiên tai.
Trong thực tế các trạm quan trắc bề mặt thường có sự thay đổi như chuyển trạm,
thành lập mới, giải thể dẫn đến sự thay đổi trong phương án dự báo thủy văn được thiết
lập bằng mô hình thông số tập trung do phương pháp tính mưa bình quân lưu vực có sự
thay đổi. Với bộ mô hình tích hợp thì phương án dự báo không thay đổi vì lượng mưa tại
các trạm không nhập trực tiếp vào mô hình mà đã qua xử lý mưa phân bố theo không
10


gian. Trong điều kiện đô thị hóa ngày càng mạnh, sự vi phạm hành lang công trình quan
trắc thì việc thay đổi trạm quan trắc bề mặt ngày càng nhiều. Các điểm đo mưa nhân dân,
trạm thủy văn dùng riêng rất dễ có sự thay đổi do điều chỉnh kinh phí hoạt động phòng
chống thiên tai ở địa phương. Những sự thay đổi trên gây khó khăn trong việc sử dụng
mô hình thủy văn thông số tập trung trong phương án dự báo. Xác định lượng mưa phân
bố theo không gian, dự báo định lượng mưa từ mô hình số trị đang có xu hướng phát
triển trong những năm gần đây, việc ứng dụng mô hình thủy văn thông số phân bố sẽ
khai thác có hiệu quả hơn lượng mưa phân bố theo không gian.
Các mô hình mưa dòng chảy thông số phân bố được sử dụng ở nước ta chủ yếu có

nguồn gốc từ nước ngoài. Mô hình MARINE được sử dụng trên sông Đà để dự báo dòng
chảy về hồ Hòa Bình, ứng dụng mô hình WESTPA dự báo dòng chảy lưu vực sông Vũ
Gia Thu Bồn, ứng dụng mô hình DIMOSOP dự báo dòng chảy lưu vực sông Hồng. Các
mô hình trên đang được sử dụng trong nghiệp vụ tại Trung tâm Dự Báo Khí tượng Thủy
văn Trung ương. Mô hình mưa dòng chảy thông số phân bố xây dựng ở trong nước có thể
kể đến Mô hình 1DKWM-FEM&SCS. Là mô hình sóng động học một chiều phương
pháp phần tử hữu hạn kết hợp và phương pháp SCS do PGS.TS. Nguyễn Thanh Sơn,
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội xây dựng. Mô hình sóng động học một chiều
dựa trên cơ sở xấp xỉ chi tiết không gian lưu vực và tích phân số trị các phương trình đạo
hàm riêng mô tả các quá trình vật lý diễn ra trên lưu vực nhằm diễn toán quá trình hình
thành dòng chảy sông qua hai giai đoạn: dòng chảy trên sườn dốc và trong lòng dẫn. Mô
hình cho phép đánh giá được tác động của lưu vực quy mô nhỏ đến dòng chảy. Phương
pháp phần tử hữu hạn kết hợp với phương pháp số dư của Galerkin được sử dụng để giải
hệ phương trình sóng động học của dòng chảy một chiều gồm phương trình liên tục và
phương trình động lượng. Thuật giải gồm: rời rạc hóa khối liên tục, lựa chọn các mô hình
biến số của trường, tìm các phương trình phần tử hữu hạn, tập hợp các phương trình đại
số cho toàn bộ khối liên tục được rời rạc hóa, giải cho các vector của các biến của trường
tại nút, tính toán các kết quả từng phần tử từ biên độ các biến của trường tại nút. Hệ số
nhám các phần tử được lấy từ bản đồ rừng, hệ số CN được tính theo phương pháp trung
bình trọng số từ bản đồ sử dụng đất. Mô hình mô phỏng cả quá trình dòng chảy sườn dốc
và trong sông liên tục bằng hệ phương trình sóng động học một chiều. Ngoài các ưu điểm
trên, mô hình 1DKWM-FEM&SCS còn một số nhược điểm như: mô hình chưa mô
phỏng chi tiết so với các mô hình giải trên ô lưới (DEM), chưa mô phỏng thành phần bốc
hơi và thoát hơi thực vật, đầu vào ít được hỗ trợ bởi công nghệ GIS.
Nghiên cứu tích hợp mô hình toán ở nước ta được phát triển trong những năm gần
đây, các công trình nghiên cứu có hiệu quả như: Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng mô hình
toán thuỷ văn - thuỷ lực giải bài toán cân bằng nước liên lưu vực sông Thạch Hãn và Bến
11

Hải, Quảng Trị” của Nguyễn Đình Thanh - Đại học Thủy lợi năm 2003 đã kết hợp mô
hình TANK và VRSAP thành bộ công cụ để tính toán cân bằng nước. Đề tài “Nghiên cứu
dự báo mưa, lũ trung hạn cho vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ - ứng dụng cho lưu
vực sông Cả” của Hoàng Thanh Tùng - Đại học Thủy lợi năm 2011 đã sử dụng mô hình
HEC - HMS và ARIMA để dự báo dòng chảy đến hồ. Đề tài “Nghiên cứu quản lý lũ lớn
lưu vực sông Lam” của Trần Duy Kiều - Đại học Thủy lợi năm 2012 đã ứng dụng bộ mô
hình MIKE của Đan Mạch để mô phỏng lũ do mưa lớn trên lưu vực sông gồm MIKE
NAM, MIKE 11, MIKE 21 và MIKE FLOOD.
Việc sử dụng mô hình thủy văn thông số phân bố MARINE trong dự báo lũ được
nghiên cứu rất sâu trong các đề tài nghiên cứu khoa học cấp Nhà nước, cấp Bộ như:
- Nguyễn Văn Điệp, đề tài nghiên cứu khoa học cấp Nhà nước “Nghiên cứu cơ sở
khoa học cho các giải pháp tổng thể dự báo phòng tránh lũ lụt ở đồng bằng sông Hồng”,
Viện Cơ học, Trung tâm KHTN & CNQG (2001 – 2004).
- Nguyễn Hồng Khánh, đề tài nghiên cứu khoa học cấp Nhà nước “Nghiên cứu đề
xuất các giải pháp quản lý sử dụng tổng hợp tài nguyên nước lưu vực sông Vu Gia – sông
Hàn đáp ứng nhu cầu phát triển bền vững thành phố Đà Nẵng” (2007G/43).
- Nguyễn Lan Châu, đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ “Nghiên cứu xây dựng
công nghệ dự báo lũ phục vụ điều tiết hồ chứa Hòa Bình trong công tác phòng chống lũ
lụt” (2006).
- Hoàng Văn Lai, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ “Xây dựng công nghệ cảnh
báo, dự báo ngập lụt vùng hạ lưu hệ thống sông Hương” (2007).
- Bùi Đình Lập, đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ “Nghiên cứu xây dựng công
nghệ dự báo dòng chảy lũ đến các hồ chứa lớn trên hệ thống sông Hồng” (2014 – 2016).
1.2.3. Đánh giá tổng quan tình hình nghiên cứu trên lưu vực
Hiện nay công tác dự báo lũ trên lưu vực sông Kỳ Lộ được địa phương rất quan
tâm, tuy nhiên địa hình rất ngắn và dốc, thời gian tập trung dòng chảy nhanh, phân hóa
mưa theo không gian mạnh do tác động bởi địa hình. Các mô hình thủy văn thông số tập
trung đang được áp dụng không mô phỏng được tác động của các yếu tố trên đến dòng
chảy lưu vực sông. Các phương pháp truyền thống như xây dựng phương trình tương
quan nhiều biến, mực nước tương ứng không đáp ứng yêu cầu của công tác dự báo hiện

nay và độ chính xác không cao do tác động của biến đổi khí hậu, ảnh hưởng của hồ chứa,
ngoài ra khi số lượng trạm mưa, vị trí trạm thủy văn thay đổi thì các phương án trên cũng
phải xây dựng lại.
Phương án đang sử dụng hiện nay là dùng phương trình hồi quy bội tuyến tính,
phương pháp này chỉ dự báo được trị số đỉnh lũ, không dự báo được thời gian xuất hiện,
không dự báo được cả đường quá trình và không thể áp dụng cho mùa cạn. Ngoài ra do
12


tác động của hồ chứa và đập dâng nên phương pháp này có độ chính xác không cao.
Phương pháp sử dụng mô hình thủy văn thông số tập trung không thể áp dụng cho trạm
thủy văn Hà Bằng vì đây là trạm hạng II, không đo lưu lượng, vị trí trạm ở hạ lưu, dòng
chảy bị phân nhánh và chia nước nhiều. Việc áp dụng mô hình thủy văn thông số tập
trung cho các nhánh sông cần nhiều mô hình, rất phức tạp, không mô phỏng được lượng
nước gia nhập đáng kể ở khu giữa, không mô phỏng được tác động của các công trình
thủy lợi. Do đó phương án dự báo tốt nhất cho lưu vực sông Kỳ Lộ là sử dụng mô hình
mưa - dòng chảy thông số phân bố.
Mô hình mưa - dòng chảy thông số phân bố tính toán dòng chảy từ phương trình
sóng động học trên địa hình sườn dốc kết hợp với tính toán dòng chảy trong sông bằng
mô hình thủy lực 1 chiều cho phép mô phỏng dòng chảy lưu vực sông chi tiết hơn, sát với
thực tế hơn. Mô hình tính toán đầy đủ các thành phần dòng chảy và liên tục từ thượng
nguồn đến cửa biển, qua đó chất lượng dự báo cho lưu vực sông Kỳ Lộ có độ chính xác
cao hơn, chi tiết hơn. Các công trình hồ chứa và đập dâng được mô phỏng trong mô hình
thủy lực 1 chiều giúp đánh giá được ảnh hưởng của công trình thủy lợi đến dòng chảy lưu
vực sông Kỳ Lộ. Luận văn sử dụng mô hình MARINE của Pháp là mô hình thủy văn
thông số phân bố đầy đủ, mô phỏng bản chất vật lý của quá trình dòng chảy trong trên
lưu vực sông. Đây là mô hình mã nguồn mở được ứng dụng rộng rãi trên thế giới, đặc
biệt là ở châu Âu, ở nước ta mô hình đã được sử dụng để dự báo dòng chảy về hồ Hòa
Bình, hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình, sử dụng giảng dạy trong nhiều trường đại
học. Mô hình tiếp tục được phát triển và nâng cấp, ở châu Âu đã phát triển mô hình để dự

báo lũ quét và ứng dụng trong nghiệp vụ dự báo lũ quét ở Pháp và Ý. Tuy nhiên mô hình
mới chỉ mô phỏng dòng chảy sườn dốc, phần dòng chảy trong sông mô hình cộng dồn
dòng chảy các ô lưới để tính dòng chảy trong các đoạn sông. Từ dòng chảy các đoạn sông
có thể sử dụng nhiều mô hình khác nhau để diễn toán. Phương pháp cộng dồn dòng chảy
các ô lưới để tính dòng chảy cho một đoạn sông là không sát với thực tế, do đó trong đề
tài nghiên cứu xây dựng mô hình sóng động học một chiều phi tuyến để diễn toán dòng
chảy trong sông. Mô hình sóng động học một chiều phi tuyến được xây dựng sẽ kết nối
mã nguồn với mô hình MARINE để mô phỏng quá trình động lực, liên tục của dòng chảy
trên lưu vực sông. Ngoài ra mô hình MARINE chưa mô phỏng dòng chảy của đoạn sông
phân nhánh, nên với lưu vực có nhiều nhánh sông gia nhập, hệ thống sông suối phức tạp
ảnh hưởng nhiều đến chất lượng mô phỏng. Để khắc phục nhược điểm này, luận văn tiếp
tục cải tiến mô hình MARINE để tính toán dòng chảy cho các ô lưới của sông phân
nhánh và phát triển mô hình sóng động một chiều phi tuyến cho một đoạn sông để mô
phỏng cho một mạng lưới sông. Việc cải tiến và kết nối trên sẽ mô phỏng dòng chảy lưu
vực sông liên tục, đầy đủ và sát với thực tế để nâng cao chất lượng dự báo.
13