Nghiên cứu xây dựng phương án dự báo lũ trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn (Luận văn thạc sĩ)

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN DỰ BÁO LŨ
TRÊN LƯU VỰC SÔNG VU GIA – THU BỒN

CHUYÊN NGÀNH: THỦY VĂN HỌC

TRẦN VĂN ĐẠT

HÀ NỘI, NĂM 2017


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN DỰ BÁO LŨ
TRÊN LƯU VỰC SÔNG VU GIA – THU BỒN

TRẦN VĂN ĐẠT
CHUYÊN NGÀNH: THỦY VĂN
MÃ SỐ: 60440224
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS.TRƯƠNG VÂN ANH

HÀ NỘI, NĂM 2017


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

Cán bộ hướng dẫn chính: TS.Trương Vân Anh
Cán bộ hướng dẫn phụ:
Cán bộ chấm phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Hữu Khải
Cán bộ chấm phản biện 2: TS. Nguyễn Viết Thi

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 … tháng … năm 2017


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn
toàn trung thực. Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và
các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc rõ ràng và được
phép công bố.
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2017
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Trần Văn Đạt


ii

LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu xây dựng phương án dự báo lũ trên lưu

vực sông Vu Gia – Thu Bồn” được hoàn thành tại Khoa Khí tượng - Thủy văn và
Tài nguyên nước - Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường - Hà Nội, dưới sự
hướng dẫn của TS. Trương Vân Anh.
Em xin chân thành bày tỏ sự cảm ơn chân thành đến TS Trương Vân Anh –
người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện và
hoàn thành luận văn này. Em cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy,
cô giáo trong khoa Khí tượng – Thủy văn cùng tập thể các thầy cô giáo trong trường
Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã nhiệt tình giảng dạy và giúp đỡ em
trong quá trình em học tập tại trường.
Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến ban lãnh đạo Trạm thủy
văn Nam Định, Đài Khí tượng Thủy văn tỉnh Nam Định, Đài Khí tượng Thủy văn
tỉnh Ninh Bình, Đài Khí tượng Thủy văn Khu vực Đồng Bằng Bắc Bộ đã nhiệt tình
giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thời gian học tập và làm việc để tôi hoàn thành luận
văn này. Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn luôn động viên tôi trong
suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn.
Tuy nhiên, do thời gian và kinh nghiệm còn hạn chế nên luận văn không
tránh khỏi những thiếu sót, vì vậy rất mong nhận được sự góp ý của các Thầy, Cô
giáo, các chuyên gia và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn.

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2017

Trần Văn Đạt


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
MỤC LỤC……………………………………………………………………..………… iii

Thông tin luận văn ......................................................................................................v
DANH MỤC BẢNG ...................................................................................................v
DANH MỤC HÌNH .................................................................................................. vi
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT……………………………………………………… . vii
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU DỰ BÁO LŨ VÀ LƯU VỰC SÔNG
VU GIA - THU BỒN ..................................................................................................3
1.1. Tổng quan phương pháp dự báo lũ ......................................................................3
1.1.1. Phương pháp mực nước tương ứng ...................................................................3
1.1.2. Phương pháp thống kê mưa - đỉnh lũ ................................................................4
1.1.3. Phương pháp hồi quy bội ..................................................................................4
1.1.4. Phương pháp mô hình toán ...............................................................................4
1.2. Tổng quan nghiên cứu, mô hình phục vụ công tác dự báo lũ ở Việt Nam và Thế
Giới ..............................................................................................................................6
1.2.1. Một số nghiên cứu, mô hình phục vụ công tác dự báo lũ ở Thế Giới ..............6
1.2.2. Một số nghiên cứu, mô hình phục vụ công tác dự báo lũ ở Việt Nam .............7
1.3. Đặc điểm địa lý tự nhiên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn ...............................10
1.3.1. Vị trí địa lý ......................................................................................................10
1.3.2. Đặc điểm địa hình ...........................................................................................11
1.3.3. Địa chất, thổ nhưỡng .......................................................................................12
1.3.4. Thực vật...........................................................................................................12
1.3.5. Mạng lưới sông suối ........................................................................................13
1.3.6. Đặc điểm Khí tượng Thủy văn ........................................................................17
1.4. Một số trận lũ lớn trên lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn . .................................28


iv
CHƯƠNG II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU..31
2.1.Phương pháp truyền thống ..................................................................................31

2.1.1. Phương pháp mực nước tương ứng: ................................................................31
2.1.2. Phương pháp thống kê mưa - đỉnh lũ ..............................................................31
2.2. Phương pháp mô hình toán (NAM - MIKE 11) .................................................33
2.2.1. Mô hình MIKE NAM......................................................................................34
2.2.2. Giới thiệu mô hình MIKE 11 ..........................................................................38
2.3. Tài liệu khí tượng thủy văn phục vụ vận hành mô hình ....................................42
CHƯƠNG III. XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN DỰ BÁO LŨ TRÊN LƯU VỰC
SÔNG VU GIA – THU BỒN ...................................................................................43
3.1. Xây dựng các phương án dự báo lũ trên lưu vực theo phương pháp hồi quy,
tương quan .................................................................................................................43
3.1.1. Phương án dự báo cho trạm Ái Nghĩa.............................................................43
3.1.2. Phương án dự báo trạm Giao Thủy .................................................................47
3.2. Ứng dụng mô hình mike 11 dự báo lũ vùng nghiên cứu ...................................51
3.2.1. Ứng dụng mô hình toán MIKE NAM – MIKE 11 dự báo lũ trên lưu vực sông
Vu Gia – Thu Bồn .....................................................................................................52
3.2.2. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình NAM.........................................................59
3.2.3. Thiết lập mô hình thủy lực MIKE 11 - HD.....................................................63
3.3. Dự báo đỉnh lũ bằng phương pháp mô hình NAM – MIKE 11 .........................73
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................77
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................79


v

Thông tin luận văn
+ Họ và tên học viên: Trần Văn Đạt
+ Lớp: CH1T

Khóa: I

+ Cán bộ hướng dẫn: TS.Trương Vân Anh
+ Tên đề tài: “Nghiên cứu xây dựng phương án dự báo lũ cho lưu vực sông Vu Gia
– Thu Bồn”.
+ Tóm tắt: Luận văn được thực hiện trong 79 trang ngoài phần mở đầu và kết luận
bao gồm ba chương chính:
Chương 1: Tổng quan nghiên cứu dự báo lũ và lưu vực sông Vu Gia – Thu
Bồn. Trong chương 1, tác giả trình bày tổng quan phương pháp và tình hình nghiên
cứu dự báo lũ ở Việt Nam và trên Thế Giới. Trong chương này cũng sơ lược tổng
quan về lưu vực nghiên cứu.
Chương 2: Phương pháp nghiên cứu và cơ sở dữ liệu. Trong chương 2, tác
giả đã đưa ra phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn, các phương án
dự báo được áp dụng trên lưu vực và cơ sở dữ liệu sử dụng phục vụ tính toán trong
luận văn.
Chương 3: Xây dựng phương án dự báo lũ trên lưu vực sông Vu Gia – Thu
Bồn. Trong chương này, tác giả đã xây dựng được các phương án dự báo theo
phương pháp truyền thống và ứng dụng mô hình toán để dự báo lũ cho lưu vực sông
Vu Gia – Thu Bồn.


vi

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
BĐ

Báo động

DEM

Mô hình số độ cao

H

Mực nước

NAM

Mô hình MIKE NAM

Q

Lưu lượng nước

X

Lượng mưa

BQNN

Bình quân nhiều năm

GIS

Hệ thông tin địa lý

VG - TB

Vu Gia – Thu Bồn





Thời gian chảy truyền
Độ lệch chuẩn


vii

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Đặc trưng hình thái lưu vực hệ thống sông Vu Gia - Thu Bồn ................15
Bảng 1.2: Tổng số giờ nắng tháng trung bình nhiều năm tại trạm Đà Nẵng và Trạm
Trà My (Giờ) .............................................................................................................17
Bảng 1.3: Bảng nhiệt độ không khí bình quân tháng trung bình nhiều năm(0C) .....18
Bảng 1.4: Độ ẩm trung bình tháng bình quân nhiều năm (%) ..................................18
Bảng 1.5: lượng bốc hơi bình quân tháng trung bình nhiều năm (mm) ....................19
Bảng 1.6: Lượng mưa tháng trung bình nhiều năm tại các trạm mưa ......................19
Bảng 1.7: Lưu lượng bình quân tháng trung bình nhiều năm tại Trạm Thành Mỹ và
Nông Sơn...................................................................................................................22
Bảng 1.8. Mức báo động lũ và đặc trưng đỉnh lũ ở Sông Vu Gia – Thu Bồn ..........24
Bảng 1.9. Thời gian và tốc độ truyền lũ trên sông Vu Gia – Thu Bồn (1980- 2010)
...................................................................................................................................25
Bảng 1.10: Trạm Khí tượng Thủy văn trên lưu vực sông Thu Bồn - Vu Gia...........27
Bảng 3.1. Danh sách các lưu vực bộ phận hệ thống sông Vu Gia - Thu Bồn ..........53
Bảng 3.2. Danh sách các trạm đo mưa được sử dụng trong mô hình NAM .............55
Bảng 3.3. Các thông số cần hiệu chỉnh và giới hạn ..................................................58
Bảng 3.4. Bộ thông số của mô hình NAM cho các nhập lưu....................................62
Bảng 3.5. Bộ thông số nhám tại các vị trí trên hệ thống sông ..................................67
Bảng 3.6: Mức hiệu quả hiệu chỉnh bộ thông số mô hình mô phỏng năm 2007 ......68
Bảng 3.7. Mức hiệu quả kiểm định bộ thông số mô hình mô phỏng năm 2009. ......71
Bảng 3.8. Mức hiệu quả kiểm định bộ thông số mô hình mô phỏng năm 2006 .......71

Bảng 3.9. Mực nước dự báo đến trạm Ái Nghĩa theo hai phương án .......................75
Bảng 3.10. Mực nước dự báo đến trạm Giao Thủy theo hai phương án ..................75


viii

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Phân loại mô hình toán thủy văn .................................................................5
Hình 1.2. Bản đồ lưu vực Vu Gia – Thu Bồn ...........................................................10
Hình 1.3. Bản đồ mạng lưới sông ngòi trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn .........16
Hình 1.4. Bản đồ mạng lưới trạm khí tượng thủy văn trên lưu vực sông Vu Gia –
Thu Bồn .....................................................................................................................26
Hình 2.1. Cấu trúc thẳng đứng của mô hình NAM ...................................................36
Hình 2.2. Sơ đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott ...............................................40
Hình 3.1: Đường quá trình mực nước trạm trên trạm dưới và thời gian truyền lũ ...46
Hình 3.2. Sơ đồ thực hiện mô hình hóa hệ thống .....................................................51
Hình 3.3. Bản đồ DEM lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn ........................................52
Hình 3.4. Bản đồ phân chia lưu vực trên hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn ............54
Hình 3.5. Sơ đồ phân bố các trạm mưa .....................................................................56
Hình 3.6. Bản đồ phân bố mưa theo phương pháp đa giác Thiessen .......................56
Hình 3.7. Sơ đồ quá trình hiệu chỉnh bộ thông số MIKE NAM ...............................58
Hình 3.8. So sánh kết quả lưu lượng thực đo và tính toán trạm Nông Sơn năm 2007
...................................................................................................................................60
Hình 3.9. So sánh kết quả lưu lượng thực đo và tính toán trạm Thành Mỹ năm 200
...................................................................................................................................60
Hình 3.10. So sánh kết quả lưu lượng thực đo và tính toán trạm Nông Sơn năm
2009 ...........................................................................................................................61
Hình 3.11. So sánh kết quả lưu lượng thực đo và tính toán trạm Thành Mỹ............61
năm 2009 ...................................................................................................................61
Hình 3.12. Sơ đồ mạng sông tính toán trong mô hình MIKE 11 – HD ....................64

Hình 3.13: Ghép nối MIKE-NAM và MIKE-HD .....................................................65
Hình 3.14. Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại trạm Ái Nghĩa năm 2007 ...................68
Hình 3.15. Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại trạm Giao Thủy năm 2007 .................69
Hình 3.16. Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại trạm Câu Lâu năm 2007 ....................69


ix
Hình 3.17. Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại trạm Cẩm Lệ năm 2007 .....................70
Hình 3.18. Kết quả kiểm định mực nước tại trạm Ái Nghĩa năm 2006 và 2009. ....71
Hình 3.19. Kết quả kiểm định mực nước tại trạm Giao Thủy năm 2006 và 2009. .72
Hình 3.20. Kết quả kiểm định mực nước tại trạm Câu Lâu năm 2006 và 2009 .......72
Hình 3.21. Kết quả kiểm định mực nước tại trạm Cẩm Lệ 2009. ............................73


1
MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Hệ thống sông Vu Gia - Thu Bồn là hệ thống sông lớn thuộc khu vực duyên
hải Miền Trung và là một trong 9 hệ thống sông lớn ở nước ta, với diện tích
10.350km2. Hệ thống sông Vu Gia - Thu Bồn bắt nguồn từ vùng núi tỉnh Kon Tum,
chảy qua tỉnh Quảng Nam và thành phố Đà Nẵng, sau đó đổ ra biển Đông theo lối
Cửa Đại và cửa sông Hàn. Toàn bộ lưu vực sông nằm trọn trong phần sườn Đông
của dãy Trường Sơn, nơi có thành phố Đà Nẵng và tỉnh Quảng Nam là trung tâm
kinh tế, thương mại, du lịch của của khu vực Trung bộ, có mạng lưới giao thông
hàng không, đường sắt, mạng lưới đường bộ nối với phần lãnh thổ phía Bắc, phía
Nam và các tỉnh vùng Tây Nguyên, là đầu mối giao thông đối ngoại nối nước ta với
nước bạn Lào, có cảng biển quốc tế phát triển xuất nhập khẩu, cửa ngõ nối khu vực
Miền Trung với thế giới qua đường hàng hải... Trong vùng có nhiều danh lam thắng
cảnh, các khu công nghiệp đã và đang đi vào sử dụng và khai thác thu hút đầu tư
trong, ngoài nước là những thuận lợi cơ hội phát triển kinh tế nội vùng.

Trên lưu vực do địa hình khá phức tạp, phần lớn là núi cao, bị chia cắt mạnh,
độ dốc lớn, thời tiết khắc nghiệt, chất lượng thảm thực vật bị suy giảm, thiên tai bão
lũ luôn xảy ra và có xu hướng ngày càng ác liệt với đặc trưng lũ cơ bản: Tần suất
lớn, thời gian truyền lũ rất nhanh, cường suất lũ lớn và rất bất ổn định thay đổi theo
từng đoạn sông và từng trận lũ, thời gian lũ lên rất ngắn từ 1 đến 3 ngày gây ra ngập
lụt nghiêm trọng vùng hạ lưu.
Vì vậy, nhằm mục tiêu giảm thiểu các thiệt hại do lũ lụt gây ra, việc xây
dựng phương án dự báo lũ trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn hiệu quả và ít tốn
kém đang là một vấn đề cấp thiết. Luận văn này tiến hành “Nghiên cứu xây dựng
phương án dự báo lũ trên lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn”. Kết quả của nghiên cứu
sẽ là cơ sở giúp lựa chọn phương án tốt dự báo phòng chống lũ hiệu quả cho lưu
vực cũng như là tài liệu tham khảo tốt cho các nhà hoạch định chính sách và ra
quyết định ở địa phương.


2
2. Mục tiêu của đề tài
Xây dựng các phương án dự báo lũ trên lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn từ
đó đánh giá lựa chọn được phương án dự báo lũ thích hợp góp phần giảm thiểu thiệt
hại do lũ gây ra trên lưu vực.
3. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu
* Đối tượng nghiên cứu: Dòng chảy lũ trên hệ thống sông Vu Gia – Thu
Bồn.
* Phạm vi nghiên cứu: Lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn (điểm dự báo thử
nghiệm tại trạm Ái Nghĩa và Giao Thủy).
* Các phương pháp nghiên cứu chính trong luận văn sử dụng gồm:
- Phương pháp phân tích thống kê: Thu thập, xử lý số liệu
- Phương pháp kế thừa: Tham khảo và kế thừa các tài liệu, số liệu, kết quả,
các hồ sơ báo cáo, hội thảo có liên quan đã được nghiên cứu trước đây của các tác
giả, cơ quan và tổ chức.

- Phương pháp mô hình toán: Sử dụng mô hình toán thủy văn, thủy lực để dự
báo lũ cho lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn.
- Công cụ - công nghệ GIS
- Phương pháp chuyên gia: Tham khảo, xin ý kiến, kinh nghiệm của các
chuyên gia trong các lĩnh vực cần nghiên cứu, đồng thời kế thừa được những thành
quả đạt được.
4. Bố cục của luận văn
Luận văn có mở đầu, 3 chương, kết luận - kiến nghị và tài liệu tham khảo:
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan nghiên cứu dự báo lũ và lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn.
Chương 2: Phương pháp nghiên cứu và xây dựng cơ sở dữ liệu
Chương 3: Xây dựng phương án dự báo lũ trên lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn.
Kết luận - kiến nghị
Tài liệu tham khảo


3
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU DỰ BÁO LŨ VÀ LƯU VỰC
SÔNG VU GIA - THU BỒN
1.1. Tổng quan phương pháp dự báo lũ
Hiện nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ máy tính, các vệ tinh khí
tượng, rađa thời tiết…nên có rất nhiều lý thuyết cũng như các phương pháp để giải
quyết các bài toán dự báo.
Đối với nước ta do đặc thù từng vùng có vị trí địa lý, khí hậu, địa hình phức
tạp nên công tác dự báo lũ chưa có một phương pháp nào chiếm được ưu thế tuyệt
đối. Vì vậy, bên cạnh việc ứng dụng các phương pháp truyền thống như là các
phương pháp thống kê, phương pháp hồi quy, tương quan, mực nước tương ứng…
thì việc ứng dụng phương pháp mô hình toán, sử dụng các phương pháp dự báo số
trị thông qua các mô hình giải bài toán thuỷ động lực cũng đang là xu thế hiện nay
trên thế giới. Nhưng vẫn rất cần kinh nghiệm của người làm dự báo.

1.1.1. Phương pháp mực nước tương ứng
Phương pháp dự báo này dựa vào quy luật chuyển động của nước trong sông
và vào quy luật tập trung nước của lưu vực của từng nhánh sông và phân phối của
nó theo dọc sông.
Phương pháp mực nước tương ứng là phương pháp đã có từ lâu và được
dùng tương đối rộng rãi ở các nước cũng như ở nước ta. Trong sông thiên nhiên sở
dĩ có sự thay đổi mực nước hoặc lưu lượng với cường suất lớn, phần lớn là do quá
trình chuyển động sóng lũ tạo nên bởi lượng mưa rơi trên lưu vực. Mặc dù trong
quá trình chuyển động sóng lũ từ thượng lưu về hạ lưu, sóng lũ dần dần bị biến
dạng, song do sóng lũ là loại sóng chuyển dịch có khả năng mang những khối nước
lớn (khác với sóng do gió tạo nên), độ dốc của lũ nhỏ, chiều cao và chiều dài biến
đổi chậm theo chiều dài sông. Do đó sóng lũ trong sông được xem là trạng thái
chuyển động không ổn định biến đổi chậm. Như vậy khi biết được các đặc trưng
sóng lũ ở các trạm trên có thể tính sóng lũ ở trạm dưới sau một thời gian chảy
truyền, tức là có thể dự báo được mực nước, lưu lượng tại thời điểm mà sóng lũ
chuyển qua.


4
1.1.2. Phương pháp thống kê mưa - đỉnh lũ
Phương pháp này dựa trên việc xây dựng các quan hệ giữa tổng lượng mưa
lưu vực với đỉnh lũ hoặc biên độ lũ tại vị trí cảnh báo, có xét đến các nhân tố ảnh
hưởng như thời gian mưa, cường độ mưa, mực nước chân lũ, tổng lượng lũ tuyến
trên, lượng gia nhập khu giữa. Nhược điểm của phương pháp là thời gian dự kiến
ngắn, thường chỉ 6 đến 24 giờ.
Nhiều phương pháp đã và đang được sử dụng để cảnh báo đỉnh lũ trên hệ
thống sông như:
+ Phương pháp cảnh báo mực nước đỉnh lũ tại các vị trí dự báo khi có lũ lớn.
+ Phương pháp tương tự dựa trên sự phân biệt hình thế thời tiết tương tự,
mưa ở lưu vực tương tự, nguyên nhân gây lũ để phân tích, cảnh báo lũ...

1.1.3. Phương pháp hồi quy bội
Phương pháp này được xây dựng trên cơ sở của phương hồi quy bội kết hợp
với thuật toán lọc từng bước. Đây là một trong những phương pháp được ứng dụng
rộng rãi trong tính toán, dự báo khí tượng thuỷ văn. Ưu điểm của phương pháp này
là đơn giản, dễ sử dụng và cho kết quả đáp ứng được yêu cầu.
m

Yi = bo+

b X
j 1

i

ij

 Ui

Với Yi là giá trị của biến phụ thuộc; Xji giá trị thứ i của biến độc lập thứ j;
bj (j = 0  m) - các hệ số hồi qui; Ui - biến ngẫu nhiên không tương quan có kỳ vọng
bằng không và phương sai không đổi.
1.1.4. Phương pháp mô hình toán
Mô hình toán thủy văn có khả năng xem xét những diễn biến của hiện tượng
thủy văn từ vi mô đến vĩ mô. Mô hình toán thủy văn đã và đang được ứng dụng
trong quy hoạch, thiết kế, dự báo và khai thác tối ưu tài nguyên nước.
Các mô hình ứng dụng trong dự báo thủy văn thường được phân làm 3 loại
chính sau (hình 1.1) [9]:
a. Mô hình ngẫu nhiên: Sự vận hành của hệ thống được mô tả bằng một hệ
thống các phương trình toán liên kết giữa các biến vào và biến ra của hệ thống. Các

5
biến lượng này có thể là các hàm theo thời gian và không gian, chúng cũng có thể là
các biến ngẫu nhiên, các biến không lấy các giá trị xác định tại một điểm trong
không gian và thời gian mà được mô tả bằng các phân bố xác suất.
b. Các mô hình nhận thức: được xây dựng với mục đích cung cấp cơ sở vật
lý của các mối quan hệ giữa dòng chảy và nhân tố ảnh hưởng. Phụ thuộc vào điều
kiện thực tế, các mô hình này có thể mô tả một phần hoặc toàn bộ chu trình thuỷ
văn.
c. Mô hình thủy động lực học: Các mô hình mô phỏng quá trình thủy văn dựa
vào cơ sở hệ thống các phương trình toán lý và các quan niệm lý luận về sự hình
thành dòng chảy.
MÔ HÌNH TOÁN THỦY VĂN

Mô hình ngẫu nhiên

Mô hình tất định

MH ngẫu nhiên + tất định

Mô hình nhận thức

Mô hình thông số tập trung

Mô hình thông số phân bố

Hình 1.1. Phân loại mô hình toán thủy văn
Sau nhiều năm phát triển và ứng dụng các mô hình thủy văn, trong những
năm gần đây các mô hình tính toán thủy văn có sử dụng hệ thống thông tin địa lý
GIS tỏ ra có nhiều ưu điểm vượt trội. Các mô hình thủy văn kết nối với các mô hình

thủy lực 1, 2 chiều sẽ là công cụ mạnh trong tính toán dự báo quá trình lan truyền
lũ.


6
1.2. Tổng quan nghiên cứu, mô hình phục vụ công tác dự báo lũ ở Việt Nam và
Thế Giới
1.2.1. Một số nghiên cứu, mô hình phục vụ công tác dự báo lũ ở Thế Giới
Trên thế giới việc nghiên cứu, áp dụng các mô hình thủy văn, thủy lực cho
các mục đích trên đã được sử dụng khá phổ biến, nhiều mô hình đã được xây dựng
và áp dụng cho dự báo hồ chứa, dự báo lũ cho hệ thống sông, cho công tác quy
hoạch phòng lũ. Một số mô hình đã được ứng dụng thực tế trong công tác mô phỏng
và dự báo dòng chảy cho các lưu vực sông có thể được liệt kê ra như sau:
Viện Thủy lực Đan Mạch (Danish Hydraulics Institute, DHI) xây dựng phần
mềm dự báo lũ bao gồm: Mô hình NAM tính toán và dự báo dòng chảy từ mưa, mô
hình MIKE 11 tính toán thủy lực, dự báo dòng chảy trong sông và cảnh báo ngập
lụt. Phần mềm này đã được áp dụng rất rộng rãi và rất thành công ở nhiều nước trên
thế giới. Trong khu vực Châu Á, mô hình đã được áp dụng để dự báo lũ lưu vực
sông MunChi và Songkla ở Thái Lan, lưu vực sông ở Bangladesh, và Indonesia.
Hiện nay, 5 công ty tư vấn CTI của Nhật Bản đã mua bản quyền của mô hình, thực
hiện những cải tiến để mô hình có thể phù hợp với điều kiện thuỷ văn của Nhật Bản.
Wallingford kết hợp với Hacrow đã xây dựng phần mềm ISIS cho tính toán
dự báo lũ và ngập lụt. Phần mềm bao gồm các mô đun: Mô hình đường đơn vị tính
toán và dự báo dòng chảy từ mưa, mô hình ISIS tính toán thủy lực, dự báo dòng
chảy trong sông và cảnh báo ngập lụt. Phần mềm này đã được áp dụng khá rộng rãi
ở nhiều nước trên thế giới, đã được áp dụng cho sông Mê Kông trong chương trình
sử dụng nước do ủy hội Mê Kông Quốc tế chủ trì thực hiện.
Trung tâm khu vực, START Đông Nam Á (Southeast Asia START Regional
Center) đã xây dựng "Hệ thống dự báo lũ thời gian thực cho lưu vực sông
MêKông". Hệ thống này được xây dựng dựa trên mô hình thủy văn khu vực có

thông số phân bố, tính toán dòng chảy từ mưa. Hệ thống dự báo được phân thành 3
phần: thu nhận số liệu từ vệ tinh và các trạm tự động, dự báo thủy văn và dự báo
ngập lụt.


7
Trung tâm kỹ thuật thủy văn (Mỹ) đã xây dựng bộ mô hình HEC-1 để tính
toán thủy văn, trong đó có HEC-1F là chương trình dự báo lũ từ mưa và diễn toán lũ
trong sông. Mô hình đã được áp dụng rất rộng rãi trên thế giới. Ở Châu Á, mô hình
đã được áp dụng ở Indonesia, Thái Lan. Gần đây, mô hình được cải tiến và phát
triển thành HEC HMS có giao diện đồ hoạ thuận lợi cho người sử dụng.
Trong một nghiên cứu về hệ thống dự báo lũ cho sông Maritsa và Tundzha,
Roelevink và cộng sự đã kết hợp sử dụng mô đun mưa - dòng chảy MIKE 11- NAM
và mô đun thủy lực MIKE 11- HD để tiến hành dự báo. Các mô hình này đã được
hiệu chỉnh sử dụng số liệu các trận lũ năm 2005 và 2006. Kết quả từ hai mô hình
này được kết hợp sử dụng với phần mềm FloodWatch để kết xuất ra mực nước dự
báo và các cảnh báo tại các điểm xác định. Kết quả cho thấy rằng, số liệu đầu vào
quyết định độ lớn của thời gian dự kiến. Kết quả sẽ chính xác hơn nếu thời gian dự
kiến ngắn và ngược lại.
Năm 2006, Xiang-Yang Li, K.W.Chau, Chun-Tian Cheng, Y.S. Li sử dụng
hệ thống cảnh báo trên Web cho vùng Shuangpai ở Trung Quốc (WFFS). Dự báo lũ
truyền thống và vận hành các hồ chứa ở Trung Quốc trên cơ sở tính toán thủy văn
thông qua chương trình tính trên máy tính. WFFS mang lại ý nghĩa thuận tiện hơn
cho người dự báo lũ và điều khiển, cho phép phân bố thời gian thực trong phạm vi
rộng, cảnh báo lũ tại các vị trí khác nhau theo không gian và thời gian. WFFS đã
phát triển ngôn ngữ Java và ứng dụng trong khu vực Shuangpai với kết quả tốt.
Ngoài ra, một số mô hình nhận thức TANK, NAM, MERINA, WETSPA…
cũng được ứng dụng trong công tác dự báo lũ.
1.2.2. Một số nghiên cứu, mô hình phục vụ công tác dự báo lũ ở Việt Nam
Một số mô hình thủy lực đã được áp dụng có hiệu quả để diễn toán dòng

chảy và dự báo lũ trong hệ thống sông ở nước ta. Mô hình VRSAP đã được áp dụng
cho việc tính toán dòng chảy lũ và dòng chảy mùa cạn cho vùng đồng bằng; Mô
hình SAL và mô hình KOD đã có những đóng góp đáng kể trong việc tính toán lũ
và xâm nhập mặn đồng bằng cửa sông. Mô hình DHM đã được áp dụng thành công


8
trong tính toán nguy cơ ngập lụt hạ lưu lưu vực Thu Bồn - Vũ Gia, và nghiên cứu
thủy lực hạ lưu sông Hồng trong trường hợp giả sử vỡ đập Hoà Bình, Sơn La v.v.
Năm 2006, Đoàn Xuân Thủy, Hà Ngọc Hiến, Nguyễn Văn Điệp, Ngô
Huy Cẩn và cộng sự, Sử dụng bộ chương trình IMECH_1D được phát triển bởi
Viện Cơ học với các mô đun tính toán điều tiết hồ tự động và dự báo mực nước hạ
du, tính toán điều tiết lũ phục vụ quy trình vận hành liên hồ cho hệ thống sông
Hồng – Thái Bình.
Năm 2010, Đặng Thanh Mai [15] (Trung tâm Khí tượng Thủy văn quốc
gia.). Nghiên cứu ứng dụng mô hình WETSPA và HECRAS mô phỏng, dự báo quá
trình lũ trên hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn.
Năm 2011, Nguyễn Lan Châu và Bùi đình Lập đã sử dụng các mô hình mưa
rào dòng chảy TANK và diễn toán Muskingum - Cunge dự báo dòng chảy thượng
lưu hệ thống sông Đà, Thao, Lô và Thái Bình; Mô hình thủy lực IMECH1D lấy dữ
liệu đầu vào tại sáu biên trên từ hệ mô hình này (TANK + MuskingumCunge) dự
báo dòng chảy hạ du hệ thống sông Hồng tại Phả Lại với thời gian dự kiến là 5
ngày.
Năm 2012, Tô Thúy Nga, Lê Hùng [6] đã nghiên cứu áp dụng mô hình
MIKE FLOOD mô phỏng lại trận lũ năm 2009 và đánh giá ảnh hưởng của việc xả
lũ hồ A Vương đến ngập lụt hạ du. Đây là cơ sở định hướng cho việc nâng cao hiệu
quả cắt lũ theo thời gian thực mà tác giả đang và sẽ tiếp tục nghiên cứu.
Viện Địa Lý (2011), xây dựng mô hình thủy lực, trên lưu vực sông Vu GiaThu Bồn [11,12], nhằm sử dụng nó làm công cụ cho dự báo sớm diện và mức độ
ngập lụt, hướng và vận tốc dòng chảy nhằm giảm thiệt hại tối đa cho người dân và
của cải của các cư dân sống trên vùng ngập lũ. Với mục tiêu là xây dựng và triển

khai các mô hình thủy lực và thủy văn để hỗ trợ cho các thể chế cấp tỉnh trong việc
lập kế hoạch và quản lý lũ tại những vùng ngập thấp của tỉnh Quảng Nam; mô hình
lũ sẽ cung cấp: một cơ chế quản lý lũ (như bản đồ khu vực lũ nguy hiểm và phân
tích rủi ro thiên tai để củng cố quy hoạch sử dụng đất); một công cụ dự báo lũ và
cảnh báo lũ (do đó nâng cao năng lực các cơ quan cấp tỉnh nhằm xác định, đánh giá,


9
quản lý rủi ro thiên tai). Mô hình sẽ kết nối với các mô phỏng thủy văn về quá trình
mưa - dòng chảy trên lưu vực với các mô phỏng thủy lực về luồng nước lũ dọc dòng
chảy và qua vùng ngập.
Năm 2013, PGS. TS. Hoàng Ngọc Quang [16], đã ứng dụng mô hình HEC
HMS, HEC RAS để “Nghiên cứu đánh giá các thiên tai lũ lụt, hạn hán thiếu nước
và đề xuất các giải pháp tăng cường quản lý, phòng tránh và giảm thiệt hại trên hệ
thống sông Vu Gia – Thu Bồn”.
Năm 2013, Ngô Lê An và Nguyễn Ngọc Hoa (Tạp chí khoa học kỹ thuật thủy
lợi và môi trường số 43) đã nghiên cứu xây dựng một bộ mô hình toán bao gồm các
mô hình thuỷ văn, thuỷ lực và điều tiết như MIKE NAM, MIKE 11 và HECRESSIM kết hợp với mô hình khí tượng dự báo mưa để phục vụ công tác dự báo lũ
trên lưu vực nghiên cứu dự báo dòng chảy lũ lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn.
Năm 2013, Đặng Thanh Mai, Vũ Đức Long[14], đã trình bày các kết quả xây
dựng công nghệ giám sát, cảnh báo, dự báo lũ, ngập lụt và điều tiết hồ chứa cho hệ
thống sông Ba dựa trên việc tích hợp các mô hình thủy văn, thủy lực và điều tiết hồ.
Trong đó, mô hình NAM được dùng mô phỏng dòng chảy từ mưa làm đầu vào cho
mô hình thủy lực và mô hình điều tiết hồ chứa trên toàn lưu vực. Mô hình MIKE
11- GIS dùng các kết quả của các mô hình NAM và điều tiết hồ để mô phỏng dòng
chảy và ngập lụt vùng hạ lưu hệ thống sông. Các mô hình được thiết lập, kiểm định
và thử nghiệm với kết quả đạt được khá tốt cho phép sử dụng bộ mô hình để tính
toán dự báo và điều tiết hồ chứa cho lưu vực sông Ba trong điều kiện tác nghiệp.
Năm 2014, Vũ Đức Long [17], đã “Nghiên cứu xây dựng công nghệ cảnh
báo, dự báo lũ và cảnh báo ngập lụt cho các sông chính ở Quảng Bình, Quảng Trị”

nhằm mục tiêu xây dựng được công nghệ cảnh báo, dự báo lũ và cảnh báo ngập lụt
vùng hạ lưu sông cho các sông Gianh, sông Kiến Giang, sông Bến Hải, sông Thạch
Hãn, cảnh báo lũ trước 24-48 giờ, dự báo quá trình lũ và cảnh báo ngập lụt trước
12-24 giờ. Dựa trên phương pháp thống kê, nhận dạng, phân tích chuỗi số liệu của
các trạm khí tượng thủy văn để xây dựng các phương trình tương quan mưa - mực
nước, mô hình NAM mô phỏng dự báo dòng chảy từ mưa. Dựa trên sự kết hợp các


10
mô hình thủy văn, thủy lực của bộ mô hình MIKE, mô hình điều tiết hồ chứa với số
liệu đầu vào từ 2 nguồn số liệu đo đạc truyền thống, số liệu từ trạm đo tự động và
các sản phẩm dự báo từ các mô hình số trị. Phần mềm được xây dựng nhằm hỗ trợ
các chuyên gia dự báo thủy văn trong việc tác nghiệp dự báo lũ. Công nghệ được
chạy thử nghiệm trong mùa lũ năm 2013 cho thấy kết quả dự báo khá tốt và đáp ứng
được các yêu cầu sử dụng trong nghiệp vụ.
1.3. Đặc điểm địa lý tự nhiên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn
1.3.1. Vị trí địa lý
Hệ thống sông Vu Gia - Thu Bồn là một trong 9 hệ thống sông lớn ở nước ta,
hệ thống sông lớn nhất của tỉnh Quảng Nam và thành phố Đà Nẵng và cũng là một
trong những con sông lớn nhất các tỉnh duyên hải Trung Bộ. Toàn bộ lưu vực nằm ở
sườn Đông của dãy Trường Sơn với tổng diện tích lưu vực 10.350 km2 chiếm gần
90% diện tích tự nhiên của tỉnh Quảng Nam và thành phố Đà Nẵng.
Lưu vực có tọa độ: 107015’-108020’ kinh độ Đông; 14055’-16004’ vĩ độ Bắc.

Hình 1.2. Bản đồ lưu vực Vu Gia – Thu Bồn
“Nguồn: Atlat Việt Nam 2005”


11
Phía Bắc giáp lưu vực sông Cu Đê và sông Hương, giới hạn bởi dãy núi

Bạch Mã, một nhánh núi đâm ra biển ở phần cuối dãy Trường Sơn Bắc. Phía Nam
giáp lưu vực sông Trà Bồng và Sê San. Phía Tây giáp Lào. Phía Đông giáp biển
Đông và lưu vực sông Tam Kỳ [3].
1.3.2. Đặc điểm địa hình
Với độ cao trung bình toàn lưu vực trên 500m. Địa hình lưu vực biến đổi khá
phức tạp, phần lớn là núi cao, bị chia cắt mạnh. Địa hình có xu thế nghiêng dần từ
tây sang đông. Hướng dốc chủ yếu của lưu vực là hướng tây bắc - đông nam, độ dốc
trung bình 25,5%.
Địa hình lưu vực có thể chia làm bốn dạng cơ bản:
Vùng núi là thượng nguồn các dòng sông nằm ở sườn phía Đông dãy Trường
Sơn Nam. Địa hình không những cao mà còn dốc và bị chia cắt mạnh. Với độ cao
trên 1000m như: Núi Mang (1768m), Bà Nà (1467m), A Tuất (2500m), Lum Heo
(2045m), núi Tiên (2032m) ở thượng nguồn sông Vu Gia, Ngọc Linh (2598m), Hòn
Ba (1358m) ở thượng nguồn sông Tranh… các dãy núi tạo thành hình vòng cung án
ngữ toàn bộ phần phía bắc, phía tây và phía nam lưu vực.
Vùng trung du là vùng chuyển tiếp từ vùng núi đến đồng bằng có độ cao từ
100m đến dưới 800m có địa hình gợn sóng thấp dần. Ở trung lưu sông Thu Bồn có
các dãy núi chạy theo hướng Bắc Nam ở các huyện: Tiên Phước, Hiệp Đức, Quế
Sơn với những đỉnh núi cao từ 500-800m. Các dải núi ở trung lưu chạy theo hướng
Bắc - Nam cho nên độ dốc địa hình thấp dần theo hướng Bắc - Nam bắt đầu từ địa
phận bắc huyện Trà My đến giáp phía Tây huyện Duy Xuyên. Đây là nơi hợp lưu
của các sông nhánh tương đối lớn của dòng chính sông Thu Bồn như các sông:
Tranh, Trường, Tiên, Lân, Ngọn Thu Bồn, Khe Diên, Khe Le.
Vùng đồng bằng tương đối bằng phẳng, ít biến đổi. Đồng bằng Quảng Nam
là một trong những dải đồng bằng lớn ở miền Trung với diện tích 1450 km2, bao
gồm địa phận các huyện: Đại Lộc, Duy Xuyên, Điện Bàn, Thăng Bình, thành phố
Hội An, thành phố Tam Kỳ và huyện Hoà Vang (thành phố Đà Nẵng). Đồng bằng
tập trung chủ yếu là phía Đông lưu vực hình thành từ tích tụ phù sa cổ, trầm tích và

12
phù sa bồi đắp ven của biển, sông, suối... nên diện tích hẹp và trải dài ven biển. Xen
giữa vùng là một số đồi núi còn sót lại như núi Ngũ Hành.
Vùng ven biển là các cồn cát có nguồn gốc biển. Cát được gió đẩy đi xa về
phía Tây chạy dọc theo bờ biển tạo nên các đồi cát có dạng lượn sóng, dải cát cao
bảo vệ đồng bằng khỏi sự xâm nhập trực tiếp của nước biển.
1.3.3. Địa chất, thổ nhưỡng
Địa chất lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn nằm trong các giới địa tầng của ba
đới kiến tạo Khâm Đức, A Vương - Sê Kông và Nông Sơn.
Đới kiến tạo A Vương - Sê Kông chiếm phần lớn diện tích phía Bắc của lưu
vực, hình thành một nếp lớn. Phía Bắc của đới giới hạn bởi đường đứt gãy Sơn Trà A Trép và phía Nam bởi đứt gãy Tam Kỳ - Phước Sơn. Phức hệ này được đặc trưng
bằng tổ hợp đá phun trào mafic xen trầm tích silic…
Đới Nông Sơn nằm ở trung tâm vùng nghiên cứu, phía Bắc được giới hạn
bằng đứt gãy sông Vu Gia, phía Nam là đứt gãy Thăng Bình - Hiệp Đức, phía Đông
là đứt gãy sông Tranh.
Đới Khâm Đức có cấu trúc khá phức tạp giới hạn với các đới khác bởi đứt
gãy Tam Kỳ, Phước Sơn ở phía Bắc, đứt gãy Hương Nhượng - Tà Vi ở phía Nam,
đứt gãy Pô Cô ở phía Tây.
Về thổ nhưỡng trong lưu vực hệ thống sông Thu Bồn - Vu Gia có các nhóm
đất chính là đất cồn cát ven biển, đất mặn, đất phèn, đất xám bạc màu, đất phù sa
châu thổ, đất vàng và đất mùn đỏ. Những loại đất này có khả năng trữ ẩm kém và
tiêu thoát nước nhanh cũng là một trong những nguyên nhân gây lũ trên lưu vực.
1.3.4. Thực vật
Thành phần thực vật trong lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn khá phong phú
với các kiểu rừng.
Tính đến tháng 12/1998, diện tích rừng tỉnh Quảng Nam là 439.748ha, chiếm
38,5% diện tích toàn tỉnh, trong đó diện tích rừng tự nhiên 405.050ha, rừng trồng
34.698ha. Tuy nhiên rừng ở đây chủ yếu là rừng nghèo và rừng phục hồi có cấu trúc

13
đơn giản nên khả năng giữ nước và điều tiết nước kém và khả năng cắt lũ của rừng
cũng không cao.
1.3.5. Mạng lưới sông suối
Hệ thống sông Vu Gia - Thu Bồn do dòng chính sông Vu Gia và sông Thu
Bồn tạo thành. Thượng lưu sông Thu Bồn được gọi là sông Tranh hay sông Tĩnh
Gia, bắt nguồn từ vùng núi cao trên 2.000m ở sườn đông nam dãy Ngọc Linh cao
2598m chảy theo hướng nam qua các huyện Trà My, Tiên Phước, Hiệp Đức và Quế
Sơn, rồi chảy qua Giao Thuỷ vào vùng đồng bằng qua các huyện Duy Xuyên, Đại
Lộc, Điện Bàn, Quế Sơn, đổ ra biển tại cửa Đại. Ở trung thượng lưu sông Thu Bồn
có một số sông nhánh tương đối lớn như: sông Ghềnh, sông Ngọn Thu Bồn, sông
Vang, sông Chang (sông Khang)...
Sau khi chảy qua Giao Thuỷ, sông Thu Bồn chảy vào vùng đồng bằng và
tiếp nhận nước sông Vu Gia từ phân lưu Quảng Huế đổ vào, sông Thu Bồn có phân
lưu Bà Rén - Chiêm Sơn. Phụ lưu này chảy qua huyện Duy Xuyên - tiếp nhận nước
sông Ly Ly ở bờ phải, rồi lại chảy vào sông Thu Bồn ở gần cửa sông. Với tên mới
là sông Kỳ Lam. Dòng chính sông Thu Bồn chảy qua huyện Điện Bàn và từ hạ lưu
cầu Câu Lâu lại có tên là sông Câu Lâu. Sau đó, sông này tách thành sông Hội An ở
phía bờ tả và một phân lưu nhỏ ở dưới bờ hữu, phân lưu này nhập với sông Bà Rén
và lại có tên gọi là sông Thu Bồn. Sông Hội An chảy qua thành phố Hội An, sau đó
nhập với sông Thu Bồn để đổ vào sông Cửa Đại, rồi chảy ra cửa Đại.
Sông Kỳ Lam - sông Điện Bình, có các phân lưu: Cổ Cò, Vĩnh Điện. Suối
Cổ Cò lại tách thành phân lưu Tam Giáp và sông Thanh Quít. Các sông này đều
chảy vào sông Vĩnh Điện. Sông Vĩnh Điện dài 24km chảy theo hướng Bắc - Nam,
Tây Nam - Đông Bắc, đổ vào sông Hàn rồi chảy ra vịnh Đà Nẵng.
Sông Vu Gia bắt nguồn từ vùng núi cao phía Tây - Nam tỉnh Quảng Nam,
bao gồm nhiều nhánh sông lớn hợp thành (Sông Cái, sông Bung, sông Côn), diện
tích lưu vực khống chế tính đến ngã ba sông Vu Gia - Quảng Huế (Ái Nghĩa) là
51.800km2. Sông Vu Gia có một số nhánh lớn gồm: