“Nghiên cứu ứng dụng Mô hình toán thủy văn vào dự báo dòng chảy lũ sông Ba”
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.6 MB, 106 trang )
Luận văn thạc sĩ
1
Chuyên ngành Thủy văn học
MỞ ĐẦU
Sông Ba là một trong những con sông lớn ở miền trung Trung Bộ Việt Nam với
tổng diện tích lưu vực 14132 km2 nằm trên địa phận 4 tỉnh Gia Lai, Đak Lak, Kon
P
P
Tum và Phú Yên. Hàng năm, về mùa lũ, nước sông Ba dồn từ thượng lưu về gây
ngập lụt nghiêm trọng cho hạ lưu sông Ba. Theo thống kê một số năm gần đây cho
thấy tình hình lũ lụt trên lưu vực ngày càng nghiêm trọng với mức độ thiệt hại có xu
thế ngày càng tăng:
Địa hình lưu vực sông Ba biến đổi khá phức tạp, bị chia cắt mạnh mẽ bởi sự chi
phối của dãy Trường Sơn. Lưu vực sông Ba có dạng chữ L, phình rộng ở trung lưu
và thu hẹp ở hai đầu thượng và hạ lưu. Hệ thống sông phần thượng lưu có độ cao
lớn, trung lưu ngắn, phần đồng bằng thấp trũng. Các sông suối thuộc lưu vực sông
Ba thường sâu, độ dốc sông suối lớn. Lưu vực sông thường xuyên chịu ảnh hưởng
của nhiều cơn bão, áp thấp nhiệt đới đổ bộ và bị chi phối mạnh mẽ bởi các hình thế
thời tiết gây mưa lớn như hội tụ nhiệt đới, không khí lạnh nên hàng năm thường xảy
ra lũ lớn với nhiều trận lũ ác liệt, mức độ thiệt hại về kinh tế xã hội vô cùng nghiêm
trọng.
Trong điều kiện hiện nay, kinh tế phát triển càng mạnh thì sự tác động của lũ lụt
đối với các thành phần kinh tế càng lớn, chính vì vậy càng đòi hỏi chất lượng của
công tác dự báo phải ngày càng được nâng cao. Yêu cầu thực tế của công tác phũng
chống lụt báo trên hệ thống sông đòi hỏi phải nghiên cứu ứng dụng các mô hình
thủy văn, thủy lực nhằm mô phỏng, tính toán và dự báo kịp thời quá trình lũ, đánh
giá được tác động của sự thay đổi điều kiện tự nhiên, môi trường, khí hậu đến chế
độ dòng chảy và quá trình lũ. Do vậy, việc tiến hành nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu
ứng dụng Mô hình toán thủy văn vào dự báo dòng chảy lũ sông Ba” có ý nghĩa
khoa học và thực tiễn được học viên lựa chọn nghiên cứu hy vọng sẽ góp phần vào
nâng cao chất lượng của các bản tin dự báo lũ, kịp thời phục vụ công tác phòng
chống và giảm nhẹ thiên tai cho vùng kinh tế xã hội quan trọng này của Miền Trung.
Học viên: Nguyễn Thị Kim Ngân - Cao học 17V
Luận văn thạc sĩ
2
Chuyên ngành Thủy văn học
2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
Luận văn được thực hiện nhằm mục đích:
Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán thuỷ văn, thuỷ lực vào lập phương án dự
báo lũ cho vùng hạ lưu của lưu vực sông Ba phục vụ cho công tác phòng chống
giảm nhẹ thiên tai, làm cơ sở cho tiếp tục nghiên cứu lập quy trình quản lý vận hành
hệ thống các hồ chứa sau này.
Nâng cao khả năng của học viên vận dụng các kiến thức đã học vào nghiên
cứu và giải quyết một vấn đề cụ thể của thực tế trên cơ sở vận dụng phương pháp
luận, các phương pháp tính toán và công nghệ hiện đại.
3. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
a. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ứng dụng:
•
Đối tượng: Nghiên cứu dòng chảy lũ và dự báo lũ.
•
Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống sông Ba đặc biệt là vùng hạ lưu.
b. Phương pháp nghiên cứu, công cụ sử dụng
+ Phương pháp
- Kế thừa, áp dụng có chọn lọc sản phẩm khoa học và công nghệ hiện có trên
thế giới và trong nước. Kế thừa các nghiên cứu khoa học, các dự án liên quan trên
lưu vực sông Ba.
•
Phương pháp phân tích tổng hợp nguyên nhân hình thành.
•
Phương pháp phân tích thống kê.
•
Phương pháp mô hình toán.
•
Phương pháp chuyên gia.
Học viên: Nguyễn Thị Kim Ngân - Cao học 17V
Luận văn thạc sĩ
3
Chuyên ngành Thủy văn học
+ Công cụ sử dụng
Khai thác, sử dụng phần mềm Map info và mô hình Mike – Nam, Mike 11 mô
phỏng và dự báo lũ.
4. KẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC
Tổng quan về lưu vực sông Ba: Điều kiện tự nhiên, điều kiện khí hậu, thủy văn,
điều kiện dân sinh kinh tế, nhất là những đặc điểm hình thành lũ trên lưu vực sông
Ba. Đây sẽ là cơ sở cho những lý luận khi áp dụng mô hình nghiên cứu dự báo lũ
cho trạm thủy văn Ba và đánh giá khả năng ứng dụng mô hình trong công tác dự
báo lũ cho lưu vực tính toán.
5. NỘI DUNG CỦA LUẬN VĂN.
Ngoài lời mở đầu và kết luận, Luận văn gồm có 4 chương:
Chương 1. Tổng quan các phương pháp dự báo dòng chảy lũ
Chương 2. Đặc điểm địa lý tự nhiên lưu vực sông Ba
Chương 3. Về nghiên cứu dự báo lũ trên sông Ba
Chương 4. Nghiên cứu xây dựng phương án dự báo dòng chảy lũ hạ lưu sông Ba.
Học viên: Nguyễn Thị Kim Ngân - Cao học 17V
Luận văn thạc sĩ
4
Chuyên ngành Thủy văn học
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO DÒNG CHẢY
LŨ.
1.1. Dự báo thủy văn trong phòng chống giảm nhẹ thiên tai và phát triển kinh
tế xã hội.
Nước là điều kiện cần cho sự sống của con người cũng như mọi sinh vật trên
trái đất. Nước cần thiết cho con người trong sinh hoạt, trong trồng trọt chăn nuôi,
thuỷ điện, giao thông vận tải trong du lịch giải trí... Mặt khác nước lại gây cho con
người không biết bao nhiêu tai hoạ. Ông cha ta đã đúc kết bằng câu: “Nhất thuỷ nhì
hoả”. Lịch sử đã ghi lại nhiều trận lũ lụt gây thiệt hại to lớn về người và của trên
nhiều hệ thống sông lớn trên thế giới như trên sông Trường Giang (Trung Quốc)
năm 1932, 1998. Ở Việt Nam trên hệ thống sông Hồng – Thái Bình trong những
thập kỉ gần đây đã có một số trận lũ gây vỡ đê hàng loạt và kèm theo thiệt hại về
nhiều mặt như trận lũ năm 1945,1971. Tình hình lũ lụt đang ngày càng trở nên
nghiêm trọng và trở thành vấn đề ngày càng bức thiết với tất cả các quốc gia trên
thế giới.
Dự báo thủy văn là xác định trạng thái tương lai ứng với khoảng thời gian
dự kiến xác định của hiện tượng thủy văn. Nhu cầu về dự báo ngày càng tăng lên
cùng với sự phát triển kinh tế và sử dụng nguồn nước, quản lý tài nguyên nước. Dự
báo thủy văn còn đặc biệt quan trọng để giảm thiểu thiên tai như lũ hoặc hạn hán ở
mọi cấp trong một quốc gia.
Dự báo và cảnh báo thủy văn phục vụ nhiều mục đích, nó thay đổi từ dự báo
các sự kiện xảy ra trong thời gian rất ngắn như lũ quét, đến nhận định cả mùa lũ,
năm, nhiều năm, về khả năng cung cấp nước tưới trong nông nghiệp, sản xuất điện
hoặc giao thông thủy nội địa.
Dự báo thuỷ văn rất cần cho phòng tránh lũ lụt có tác dụng không phải chỉ ở
một vị trí cần quan tâm mà còn đối với cả một triền sông, một vùng kinh tế xã hội...
Học viên: Nguyễn Thị Kim Ngân - Cao học 17V
Luận văn thạc sĩ
5
Chuyên ngành Thủy văn học
Dự báo thuỷ văn giúp cho các ngành kinh tế sử dụng, khai thác nguồn nước
được chủ động đạt hiệu ích cao, giúp cho thi công các công trình trên sông tránh
được rủi ro, sự cố.
Dự báo lũ tốt giúp cho việc điều phối lực lượng phòng tránh lũ, các biện
pháp phân lũ, chậm lũ, chủ động hạn chế thiệt hại.
Dự báo thuỷ văn ra đời và phát triển khá nhanh chóng, từ những phương tiện
đơn giản, đến nay cùng với kỹ thuật hiện đại đã có những tiến bộ lớn.
Các yếu tố cơ bản của dự báo thủy văn
•
Tổng lượng dòng chảy trong một thời khoảng xác định (thường là thời kỳ
dòng chảy cao và thời kỳ dòng chảy thấp, dòng chảy trận lũ, dòng chảy 5, 10
ngày, tháng, mùa, năm; đặc trưng dự báo có thể là lượng dòng chảy trung
bình cả thời kỳ).
•
Quá trình lưu lượng hoặc mực nước trên sông: các đặc trưng mực nước, lưu
lượng nước diễn biến theo thời gian.
•
Đỉnh lũ (mực nước và lưu lượng lớn nhất) và thời gian xảy ra trong trận lũ
hay mùa lũ; các đặc trưng khác của dòng chảy lũ: tình hình ngập lụt.
•
Quá trình dòng chảy (mực nước và lưu lượng) của hồ: Diễn biến các đặc
trưng mực nước (trung bình, lớn nhất, thấp nhất) trên hồ trong một thời kỳ
nào đó.
•
Các yếu tố chất lượng nước như: nhiệt độ, độ đục, DO, BOD,... [1, 2]
Các đặc trưng của dự báo thủy văn.
•
Yếu tố dự báo: Là các đặc trưng thuỷ văn cần được dự báo như mực nước,
lưu lượng nước...
•
Nhân tố dự báo: Là các nguyên nhân sinh ra hoặc ảnh hưởng đến các yếu tố
dự báo mà ta sử dụng để tính ra yếu tố dự báo.
Học viên: Nguyễn Thị Kim Ngân - Cao học 17V
Luận văn thạc sĩ
•
6
Chuyên ngành Thủy văn học
Thời gian dự kiến: Thời gian dự kiến là khoảng thời gian tính từ thời điểm
quan trắc cuối cùng yếu tố dùng để dự báo, đến thời điểm xuất hiện yếu tố dự
báo, [1, 2].
Các hạn dự báo thủy văn.
•
Dự báo thủy văn hạn ngắn: Dự báo hạn ngắn là dự báo có thời gian dự kiến
tối đa bằng thời gian tập trung nước trung bình trên lưu vực.
•
Dự báo thủy văn hạn vừa: là dự báo có thời gian dự kiến dài hơn dự báo hạn
ngắn, nhưng tối đa không quá 10 ngày.
•
Dự báo thủy văn hạn dài : Dự báo hạn dài là dự báo có thời gian dự kiến lớn
hơn 10 ngày, tháng, mùa, đến 1 năm.
•
Dự báo hạn siêu dài: Dự báo hạn siêu dài là dự báo có thời gian dự kiến lớn
hơn 1 năm.
•
Dự báo lũ: Dự báo lũ là sự tính toán trước có cơ sở khoa học các trạng thái
tương lai của tình hình lũ sau một thời gian nhất định với độ chính xác xác
định.
•
Cảnh báo lũ:Cảnh báo lũ là sự thông báo về tình hình lũ được coi là nguy
hiểm có thể xẩy ra; (với độ chính xác cảnh báo có thể thấp hơn dự báo), [1,
2].
Một số khái niệm khác được sử dụng trong dự báo thủy văn
1.
Dự báo đúng: Trị số dự báo được coi là đúng khi sai số dự báo bằng hoặc nhỏ
hơn sai số cho phép (+S cf )
R
2.
R
Dự báo kịp thời: Tin dự báo được coi là kịp thời khi hiệu số giữa thời gian dự
kiến và thời gian có hiệu quả của bản tin vừa bằng tổng số thời gian thu thập số
liệu, phân tích dự báo và truyền tin dự báo hợp lý được Cơ quan quản lý Dự báo
Khí tượng Thuỷ văn quy định.
Học viên: Nguyễn Thị Kim Ngân - Cao học 17V
Luận văn thạc sĩ
3.
7
Chuyên ngành Thủy văn học
Gần mức: Trị số dự báo được coi là xấp xỉ hoặc gần mức khi sai số dự báo nằm
trong phạm vi -50% S cf ÷ 0.
R
4.
R
Xấp xỉ ở mức hoặc tương đương: Trị số dự báo được coi là xấp xỉ ở mức hoặc
tương đương khi sai số dự báo nằm trong phạm vi ± 50%S cf .
R
5.
Trên mức: Trị số dự báo được coi là trên mức, khi sai số dự báo nằm trong phạm
vi từ 0÷+S cf
R
6.
R
R
Dưới mức: Trị số dự báo được coi là dưới mức khi sai số dự báo nằm trong
phạm vi -S cf ÷0
R
7.
R
Lũ lên (hoặc xuống) nhanh: Lũ được coi là lên (hoặc xuống) nhanh khi cường
suất lũ lên (hoặc xuống) vượt quá cường suất lũ lên (hoặc xuống) trung bình
nhiều năm tại trạm đang xét.
8.
Lũ lên (hoặc xuống) chậm: Lũ được coi là lên (hoặc xuống) chậm là lũ có cường
suất lên (hoặc xuống) nhỏ hơn cường suất lũ lên (hoặc xuống) trung bình nhiều
năm tại trạm đang xét.
9.
Dao động nhỏ: Mực nước trong thời gian dự kiến có lên và xuống như một đợt
lũ nhưng biên độ không đáng kể (biên độ lũ lên nhỏ hơn 0,5m).
10.
Ít biến đổi, ít thay đổi, (hoặc biến đổi chậm , thay đổi chậm): Mực nước có lên
(hoặc xuống) nhưng trong thời gian dự kiến chỉ lên (hoặc xuống) trong phạm vi
nhỏ hơn 0.3m.
11.
Chập chờn: Dùng để nhận xét chung cho một vùng hoặc nhiều sông, nhiều trạm,
mô tả tình hình mực nước có nơi lên, nơi xuống, lúc lên, lúc xuống nhưng không
rõ ràng. [1, 2].
1.2. Tổng quan nghiên cứu dự báo lũ trên thế giới và Việt Nam
1.2.1. Trên thế giới.
Cũng như các ngành khoa học khác, khoa học dự báo đã trải qua nhiều giai
đoạn phát triển từ đơn sơ đến hoàn chỉnh, trong các công trình nghiên cứu lý thuyết
từ đơn giản đến phức tạp, từ kỹ thuật đo đạc, thu thập thông tin, phương tiện tính
toán. Trong giai đoạn hiện nay, khoa học dự báo đã và đang được phát triển một
Học viên: Nguyễn Thị Kim Ngân - Cao học 17V
Luận văn thạc sĩ
8
Chuyên ngành Thủy văn học
cách mạnh mẽ trên thế giới cũng như ở Việt Nam với sự hỗ trợ của máy tính điện tử
và sự bùng nổ về công nghệ thông tin, khoa học viễn thám.
Nghiên cứu dự báo mưa, lũ trên thế giới hiện nay vẫn là vấn đề nóng các
khoa học dự báo, đặc biệt là thế nào để nâng cao chất lượng dự báo (độ chính xác)
và kéo dài thời gian dự kiến.
Mô hình toán thủy văn được xem là công cụ mạnh của dự báo – áp dụng
cách mô tả là các quy luật vận động của nước trong thiên nhiên bằng hệ thống các
phương trình toán học, lôgíc và giải chúng bằng kỹ thuật số trên các máy tính.
Kỹ thuật mô hình toán cho phép các nhà nghiên cứu đi sâu xem xét, đánh giá, định
lượng nhiều đặc trưng, yếu tố, hiện tượng khá phức tạp của hệ thống ở cả tầm vi mô
và vĩ mô.
Từ góc độ nhận thức về đối tượng nghiên cứu là tài nguyên nước và môi
trường các mô hình toán thuỷ văn có thể phân biệt theo ba loại như sau:
o
Mô hình ngẫu nhiên (Stochacstic model)
o
Mô hình tất định (Deterministic model)
o
Mô hình tất định-ngẫu nhiên (Deterministic-stochacstic model)
Theo Dawdy (Dawdy D.R. -1969) mô hình toán ngẫu nhiên trong thuỷ văn
là một phương pháp tương đối mới. Sự khởi đầu của nó có thể tính từ khi Hazen
chứng minh khả năng áp dụng lý thuyết xác suất, thống kê toán học vào phân tích
các chuỗi dòng chảy sông ngòi (1914). Năm 1949 Kriski và Menkel đã sử dụng mô
hình Marcov để tính toán quá trình dao động mực nước của biển Kaspien (Liên Xô
cũ).
Các mô hình thuỷ văn tất định dựa trên phương pháp toán học và sử dụng
máy tính làm công cụ tính toán là cách tiếp cận hiện đại trong tính toán quá trình
dòng chảy trên lưu vực và hệ thống sông. Việc ra đời các mô hình thuỷ văn tất định
Học viên: Nguyễn Thị Kim Ngân - Cao học 17V
Luận văn thạc sĩ
9
Chuyên ngành Thủy văn học
đã mở ra một hướng mới cho tính toán thuỷ văn, góp phần giải quyết các khó khăn
về số liệu thuỷ văn cũng như nâng cao độ chính xác của tính toán cho quy hoạch và
thiết kế các công trình thuỷ lợi, thuỷ điện, khắc phục một số khó khăn mà phương
pháp tính toán thuỷ văn cổ điển chưa giải quyết được.
Phương pháp mô hình toán tất định ra đời tương đối sớm và dần dần hình
thành hai hướng nghiên cứu: hướng mô hình toán dạng hộp đen và hướng mô hình
toán dạng hộp xám (hay còn gọi là mô hình nhận thức). Trong mô hình nhận thức
còn phân ra mô hình tham số tập trung và mô hình tham số phân bố.
Trong mô hình hộp đen lưu vực được coi là một hệ thống động lực. Nhìn
chung, cấu trúc của các mô hình hộp đen là hoàn toàn không biết trước. Mối quan
hệ giữa lượng vào và lượng ra của hệ thống thể hiện thông qua một hàm truyền
(hàm ảnh hưởng, hàm tập trung nước …) được xác định từ tài liệu thực đo lượng
vào và lượng ra của hệ thống.
Mô hình nhận thức ra đời sau mô hình hộp đen, nhưng đã phát triển rất
mạnh mẽ và ứng dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực thủy văn. Mô hình tất định nhận
thức xuất phát từ sự hiểu biết về nhận thức một cách rõ ràng từng thành phần của hệ
thống thuỷ văn để tiếp cận hệ thống bằng phương pháp mô phỏng, thí dụ như là mô
phỏng các quá trình tổn thất, quá trình trữ nước, quá trình tập trung dòng chảy trên
lưu vực và trong sông,... từ đó xây dựng sơ đồ cấu trúc mô hình để tính toán dòng
chảy lưu vực. Trong mô hình nhận thức, nếu dựa vào đặc tính biểu thị của các tham
số ta có thể chia mô hình ra loại mô hình tham số tập trung và mô hình tham số
phân phối. Những mô hình tham số tập trung thường dùng các phương trình vi phân
thường để diễn tả mối quan hệ giữa lượng vào và lượng ra của hệ thống chỉ phụ
thuộc vào thời gian. Vì vậy, trong các mô hình tham số tập trung không xét đến sự
phân bố của lượng mưa, dòng chảy, tính chất thấm của đất và các yếu tố thủy văn,
khí tượng khác theo không gian, chúng được thay thế bằng những giá trị bình quân
theo diện tích, chúng đều là hàm số của thời gian. Nói một cách khác, tất cả các đặc
Học viên: Nguyễn Thị Kim Ngân - Cao học 17V
Luận văn thạc sĩ
10
Chuyên ngành Thủy văn học
trưng của lưu vực được tập trung về một điểm. Trong khi đó các mô hình tham số
phân phối mô tả các mối quan hệ giữa những yếu tố của hệ thống mô tả bằng các
phương trình vi phân đạo hàm riêng, nghĩa là các phương trình chứa cả biến thời
gian và không gian.
Trong những thập kỷ gần đây do yêu cầu thực tiễn đã có loại mô hình toán
có cấu trúc tất định-ngẫu nhiên ra đời. Những mô hình này được phát triển trên cơ
sở hợp nhất giữa hai loại mô hình trên tạo nên cơ chế hoạt động nhiễu-mưa-dòng
chảy [4]. Những nghiên cứu sự tương đồng về cấu trúc giữa các mô hình tất định
dạng bể chứa với mô hình ngẫu nhiên dạng ARMA(p,q) vào những năm 70, 80 của
thế kỷ này không chỉ tạo cơ sở cho những mô hình mới ra đời mà còn mở ra nhiều
triển vọng cho việc ứng dụng các mô hình toán trong thuỷ văn, nhất là phương pháp
hiệu chỉnh tham số mô hình.
1.2.2. Tổng quan các nghiên cứu mô hình toán thuỷ văn trong dự báo dòng chảy
lũ ở Việt Nam.
Hiện nay, công tác dự báo tác nghiệp mưa lũ cho các hệ thống sông toàn
quốc được thực hiện tại Trung tâm Khí tượng Thủy văn Quốc gia. Ngoài các cơ
quan thuộc Trung tâm Khí tượng Thuỷ văn Quốc gia còn có các Viện nghiên cứu,
Trường đại học tham gia nghiên cứu như: Viện Khí tượng Thuỷ văn thuộc Bộ Tài
Nguyên và Môi trường, Viện khoa học Thuỷ lợi thuộc Bộ Nông nghiệp và Phát
triển nông thôn, Trường Đại học Thuỷ lợi, Trường Đại học Quốc gia Hà
Nội, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội.
Tại các đơn vị trực thuộc Trung tâm KTTV Quốc gia hiện đang sử dụng các
phương pháp dự báo truyền thống như các phương pháp phân tích thống kê, nhận
dạng hình thế thời tiết gây mưa lớn, phương pháp mực nước tương ứng, phương
pháp hồi quy nhiều biến ... một số mô hình toán thủy văn như mô hình SSARR,
TANK, NAM và một số mô hình mới hơn như MIKE 11, MARINE, HEC là những
công cụ chủ yếu để dự báo lũ, lụt.
Học viên: Nguyễn Thị Kim Ngân - Cao học 17V
Luận văn thạc sĩ
11
Chuyên ngành Thủy văn học
Ở Việt Nam, việc ứng dụng phương pháp mô hình toán vào nghiên cứu, tính
toán trong thủy văn có thể xem như được bắt đầu từ cuối những năm 60, qua việc
Ủy ban sông Mêkông ứng dụng các mô hình như SSARR (Rokwood D.M. Vol.1 1968) của Mỹ, mô hình DELTA của Pháp (Ban thư ký sông Mê Kông 1980) và mô
hình toán triều của Hà Lan vào tính toán, dự báo dòng chảy sông Mêkông. Ngày
nay, trước những thành tựu khoa học, kỹ thuật, sự có mặt của kỹ thuật viễn thám,
ảnh mây vệ tinh phân giải cao, sự phát triển của hệ thống rađar thời tiết, mạng lưới
đo mưa tự động và sự phát triển của công nhệ GIS, đặc biệt là sự có mặt của các
siêu máy tính điện tử đã có ảnh hưởng sâu sắc đến khoa học thủy văn trong đó có
Dự báo thuỷ văn. Mô hình toán thủy văn ứng dụng trong dự báo dòng chảy lũ đã
ngày một hoàn thiện hơn, khẳng định rõ vài trò của mình trong lĩnh vực dự báo
dòng chảy lũ.
Các mô hình toán thủy văn hiện đang được nghiên cứu và ứng dụng có kết
quả ở nước ta trong dự báo dòng chảy lũ có thể kể đến các loại mô hình sau:
1. Các mô hình Mưa-dòng chảy (Rainfall-runoff) có thể kể đến như TANK
(Nhật), LTANK (Việt Nam), NAM, Mike11-Nam (Đan Mạch), SSARR, HECHMS (Mỹ), MARINE (Pháp), DIMOSOP (Ý).
+ Mô hình Tank (Nhật): Lưu vực được mô phỏng bằng chuỗi các bể chứa xếp
theo tầng và cột phù hợp với hình dạng lưu vực, cấu trúc thổ nhưỡng, địa
chất,…Mưa trên lưu vực được xem như lượng vào của bể chứa trên cùng. Mỗi bề
chứa đều có một cửa ra ở đáy. Mô hình đơn giản nhất là kiểu cột bể TANK đơn: 4
bể trên một cột. Phù hợp cho các lưu vực nhỏ có độ ẩm cao. Mô hình phức tạp hơn
là mô hình TANK kép gồm một số cột bể mô phỏng quá trình hình thành dòng chảy
trên lưu vực, và các bể mô tả quá trình truyền sóng lũ trong sông.
Ưu điểm: Ứng dụng tốt cho lưu vực vừa và nhỏ. Khả năng mô phỏng dòng
chảy tháng, dòng chảy ngày, dòng chảy lũ. Nhược điểm: có nhiều thông số nhưng
không rõ ý nghĩa vật lý nên khó xác định trực tiếp. Việc thiết lập cấu trúc và thông
Học viên: Nguyễn Thị Kim Ngân - Cao học 17V
Luận văn thạc sĩ
12
Chuyên ngành Thủy văn học
số hóa mô hình chỉ có thể thực hiện được sau nhiều lần thử sai, đòi hỏi người sử
dụng phải có nhiều kinh nghiệm và am hiểu mô hình. Mô hình TANK hiện đang
được ứng dụng dự báo ngắn hạn quá trình lũ cho một số sông suối của Việt Nam.
Nhược điểm: Mô hình này không có phần mềm chuẩn, mà phần lớn là người
dùng tự lập bằng các ngôn ngữ khác nhau dựa trên các nguyên lý hoạt động của mô
hình.
+ Mô hình LTank (Việt Nam): Để khắc phục những nhược điểm của mô
hình TANK (Nhật) và các mô hình có cấu trúc tương tự, năm 1985-1986 Nguyễn
Văn Lai (ĐH Thuỷ lợi) và Ronny Bernttsson (ĐH Lund, Thuỵ Điển) đã cho ra đời
mô hình LTANK (Linear Tank) có cấu trúc hợp lý với vùng nhiệt đới ẩm Việt Nam,
tạo tính mềm dẻo cho mô hình. Phần mềm mô hình lúc đầu được viết bằng ngôn
ngữ FORTRAN-77 chạy trông môi trường DOS. Năm 1998 Nghiêm Tiến Lam (ĐH
Thuỷ lợi) đã chuyển đổi chương trình máy tính FORTRAN sang ngôn ngữ VB chạy
trong môi trường WINDOWS có sử dụng solver cho tối ưu hoá các tham số mô
hình tạo giao diện thuận tiện thân thiện cho người sử dụng cùng với tăng tốc độ tính
toán; nên đã nhanh chóng được ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn thuỷ văn Việt
Nam như: khôi phục các chuỗi số liệu dòng chảy cho thiết kế các công trình thuỷ lợi,
thuỷ điện [3] và dự báo dòng chảy theo mưa cho các lưu vực vừa và nhỏ [2, 4, 6].
+ Mô hình Marine: Mô hình thuỷ văn MARINE do Viện Cơ học chất lỏng
Toulouse (Pháp) xây dựng và được chuyển giao cho Viện Cơ học trong khuôn khổ
của đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ KC.08-13 với sự hỗ trợ của Dự án
FLOCODS. Mô hình được viết bằng ngôn ngữ Fortran 6.0. MARINE là mô hình
có thông số phân bố , toàn bộ lưu vực nghiên cứu được chia thành các ô lưới vuông
có kích cỡ bằng nhau . Mô hình tính toán dòng chảy dựa trên phương trình bảo toàn
khối lượng và phương thức thấm Green Ampt . Mỗi ô lưới có thông số riêng , nhận
một giá tr ị mưa và dòng chảy được hình thành trên từng ô
Học viên: Nguyễn Thị Kim Ngân - Cao học 17V
. Cuối cùng , mô hình
Luận văn thạc sĩ
13
Chuyên ngành Thủy văn học
MARINE liên kết các ô lưới lại với nhau theo hư ớng chảy tạo mạng sông và tính
toán dòng chảy tại cửa ra của các lưu vực.
Mô hình MARINE dự báo tốt các cơn lũ sinh ra do mưa trên lưu vực nhỏ,
nhưng đòi hỏi phải có số liệu địa hình, thổ nhưỡng, lớp phủ, mạng lưới trạm khí
tượng thủy văn đủ dày, đặc biệt phải có dự báo được mưa với độ phân giải cao.
Hiện tại mô hình Marine đang được Trung tâm Dự báo Khí tượng thuỷ văn Trung
ương ứng dụng dự báo cho lưu vực sông Đà và thử nghiệm cho lưu vực sông
Hương.
+ Mô hình DIMOSOP: (Distributed hydrological model for the special
observing period) sử dụng dữ liệu dạng điểm của các trạm đo mưa trong lưu vực
hoặc sử dụng kết quả dự báo dưới dạng ô lưới (grid) là đầu ra của các mô hình dự
báo thời tiết như MM5 và BOLAM để dự báo lũ. Cấu trúc chính của mô hình dựa
trên quan điểm chia lưu vực tính toán ra thành một hệ thống các ô lưới. Kích thước
của mỗi ô lưới phụ thuộc vào mức độ chi tiết của số liệu thu thập cũng như yêu cầu
tính toán. Mỗi một ô lưới trên lưu vực đều được đặc trưng bởi một yếu tố thủy văn
nào đó, có thể là một phần tử của lưu vực, có thể là một phần tử của sông, hay là
một phần tử của hồ chứa ... Đầu vào của mô hình này ngoài lượng mưa còn là bản
đồ địa hình dưới dạng DEM, bản đồ hiện trạng sử dụng đất, loại đất dưới dạng ô
lưới Grid (vì đây là mô hình thủy văn phân bố), và các loại công trình cũng như quy
trình vận hành của các công trình. Đầu ra của mô hình chính là lưu lượng hay mực
nước lũ tại bất kỳ một ô lưới nào (điểm nào) trên lưu vực chứ không phải hạn chế
chỉ tại một vị trí như các mô hình thủy văn thông số gộp đưa ra.
Ưu điểm: Khả năng sử dụng thông tin toàn cầu như bản đồ đất, hiện trạng sử
dụng đất, ảnh vệ tinh để mô phỏng lưu vực đặc biệt hữu ích cho các lưu vực liên
quốc gia, khi mà thông tin về lưu vực ở phần quốc gia kia không thu thập được hoặc
thu thập được nhưng không chính xác vì đầu vào của mô hình như đã nêu trên toàn
ở dạng ô lưới. Có khả năng kết nối với các mô hình khí tượng BOLAM và MM5 để
Học viên: Nguyễn Thị Kim Ngân - Cao học 17V
Luận văn thạc sĩ
14
Chuyên ngành Thủy văn học
kéo dài thời gian dự báo phục vụ vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa. Một lần chạy
mô hình sẽ cho kết quả dự báo của nhiều trạm, nhiều vị trí khác nhau với thời gian
dự báo lên đến 5 ngày. Hiện tại đang sử dụng dự báo lũ trung hạn cho hệ thống sông
Hồng và sông Thái Bình. Đây là mô hình được đánh giá rất khả quan cần được
nghiên cứu áp dụng cho các lưu vực khác.
2. Các mô hình thủy lực có thể kể đến như KRSAL/VRSAP, MIKE11-HD,
MIKE-21, HEC-RAS, ISIS...
Trước những năm 1990 chương trình do các chuyên gia Việt Nam viết ra được
dùng rộng rãi nhất là: VRSAP (Vietnam River System and Planing) do PGS
Nguyễn Như Khuê viết, và KOD (không ổn định) do GS Nguyễn Ân Niên viết,
ngoài ra còn một số chương trình khác nữa tính truyền mặn hoặc tính toán thiết kế
kênh. Chương trình VRSAP giải hệ phương trình Saint – Vernant theo sơ đồ sai
phân ẩn, chương trình KOD giải hệ phương trình Saint – Vernant theo sơ đồ sai
phân hiện. Cả hai chương trình này đều liên tục được bổ xung, hoàn thiện để tính
toán cho mạng lưới sông, tính truyền lũ, tính truyền mặn và tính toán phục vụ quản
lý vận hành hệ thống công trình thuỷ lợi. Sau 1990 các phần mềm nhập từ nước
ngoài thông qua các dự án tài trợ, hoặc tải miễn phí từ mạng Internet có: dòng mô
hình MIKE (11, 21), UNET, CANALMAN, HEC-RAS... các phần mềm này đã
thành sản phẩm thương mại nên có chung đặc điểm là giao diện rất đẹp, có nhiều
tính năng, nhưng là phần mềm thương mại nên không có chương trình nguồn,
chương trình cũng được nâng cấp hàng năm, nên người dùng phải luôn cập nhật
thông tin để ứng dụng chương trình.
+ Phần mềm HEC-RAS đựơc thiết kế để thực hiện các tính toán thuỷ lực một
chiều cho toàn bộ một hệ thống sông tự nhiên và hệ thống kênh mương nhân tạo với
ba chức năng chính sau :
(1) Tính toán mực nước mặt cắt dọc kênh cho dòng ổn định;
Học viên: Nguyễn Thị Kim Ngân - Cao học 17V
Luận văn thạc sĩ
15
Chuyên ngành Thủy văn học
(2) Mô phỏng dòng không ổn định (phát triển mô hình UNET của Dr. RobertL.
Barkau (Barkau, 1992 ), giải hệ phương trình Saint – Vernant theo sơ đồ sai
phân ẩn.
(3) Tính toán vận chuyển bùn cát.
Ưu điểm: Phần mềm được thiết kế để phục vụ cho nhu cầu làm việc trong môi
trường sử dụng đa mục tiêu. Hệ thống bao gồm giao diện đồ hoạ, các thành phần
phân tích thuỷ lực tách biệt, phần lưu trữ dữ liệu và các năng lực quản lí, đồ hoạ và
các tính năng thực hiện báo cáo. Là phần mềm miễn phí có thể tải từ mạng Internet,
rất dễ ứng dụng tính toán cho mạng lưới sông đơn giản (không quá nhiều mặt cắt và
cống, đập...).
+ Mô hình KRSAL (1978)/VRSAP(1994) là mô hình toán thuỷ lực mạng sông
do PGS Nguyễn Như Khuê xây dựng. Đây là mô hình toán thuỷ lực được kiểm
chứng ứng dụng có hiệu quả trong lĩnh vực thuỷ lợi hiện nay ở nước ta. Với cấu
trúc mô hình được xây dựng là giải hệ phương trình dòng chảy không ổn định mộ
chiều Saint Venant dạng đầy đủ, được giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn theo
sơ đồ ẩn 4 điểm, cho phép tính toán thuỷ lực hệ thống sông ngòi phức tạp có đầy đủ
các yếu tố: dòng sông, kênh, công trình thuỷ lợi các loại, hồ chứa, đồng ruộng chịu
ảnh hưởng của lũ, mưa, thuỷ triều, xâm nhập mặn. Năm 1994 mô hình cập nhật
thêm phần diễn toán mặn làm cho mô hình phong phú thêm về tính năng, cho phép
ứng dụng mô hình trong bài toán tổng thể lũ, kiệt và mặn.
Ưu điểm: Mô hình hiện nay được nhiều người sử dụng, do đây mà mô hình mã
nguồn mở nên được những người dùng có thể tiếp tục phát triển, hoàn thiện cho
từng bài toán cụ thể. Mô hình này được viết bằng ngôn ngữ FORTRAN-77 nên đã
và đang được nhiều người nghiên cứu chuyển đổi sang giao diện WINDOW thân
thiện với người sử dụng. Mô hình này được ứng dụng nhiều đối với các đồng bằng
lớn ở nước ta như sông Hồng-sông Thái Bình, sông Mê kông, sông Đồng Nai, và
Hương…
Học viên: Nguyễn Thị Kim Ngân - Cao học 17V
Luận văn thạc sĩ
16
Chuyên ngành Thủy văn học
+ Mô hình Mike11: Là mô hình thuộc bộ phần mềm Mike do DHI Water &
Environment phát triển, là gói phần mềm dùng để mô phỏng dòng chảy, chất lượng
nước và vận chuyển bùn cát ở các cửa sông, sông, kênh tưới và các vật thể nước
khác.
Mô-đun thủy động lực (HD) là một phần trọng tâm của mô hình MIKE 11
và hình thành cơ sở cho hầu hết các mô-đun khác bao gồm dự báo lũ, tải khuyếch
tán, chất lượng nước và các mô-đun vận chuyển bùn cát không, có kết dính.
Ưu điểm: Là mô hình động lực một chiều, thân thiện với người sử dụng
nhằm phân tích chi tiết, thiết kế, quản lý, vận hành cho sông cũng như hệ thống
kênh dẫn đơn giản và phức tạp. Với môi trường đặc biệt thân thiện với người sử
dụng, linh hoạt và tốc độ, MIKE 11 cung cấp một môi trường thiết kế hữu hiệu về
kỹ thuật công trình, tài nguyên nước, quản lý chất lượng nước và các ứng dụng quy
hoạch.
3. Kết hợp của mô hình toán thuỷ văn-thuỷ lực: Việc kết nối các mô hình toán
thuỷ văn (mưa rào-dòng chảy) với mô hình thuỷ lực hoặc một phương pháp diễn
toán lũ trong sông đơn giản nào đó để mô phỏng quá trình chuyển nước trên một hệ
thống sông phức tạp, được xem là con đường tốt nhất đối với hệ thống sông từ
thượng lưu đến cửa sông. Việc kết hợp nhiều mô hình trong một phần mềm ngày
càng làm cho các phần mềm trở lên hiện đại, hoàn thiện dễ dàng sử dụng. Ở nước ta
hiện nay trên các lưu vực sông suối lớn việc nghiên cứu ứng dụng mô hình toán
thủy văn-thuỷ lực vào dự báo lũ cho lưu vực thường đi theo hướng này.
Các mô hình kết hợp hai loại mô hình trên hiện đang được ứng dụng thông dụng
ở nước ta hiện nay có thể kể đến các mô hình thuộc bộ HEC và MIKE đây là hai
loại mô hình hiện đang được ứng dụng trên hầu hết các sông suối ở nước ta, đặc biệt
là Mike11. Ngoài ra trên các hệ thống sông lớn ở nước ta hiện đã có rất nhiều các đề
tài, dự án, công trình nghiên cứu sử dụng kết hợp hai loại mô hình trên để ứng dụng
vào dự báo lũ cho lưu vực sông Hương, Tank-Muskingum+cunge-Mike11 cho hệ
Học viên: Nguyễn Thị Kim Ngân - Cao học 17V
Luận văn thạc sĩ
17
Chuyên ngành Thủy văn học
thống sông Hồng-Thái Bình, Nam + Muskingum cho một số lưu vực sông Miền
Trung, Tây Nguyên.
1.3. Các phương pháp dự báo lũ.
1.3.1. Phương pháp xu thế
Cơ sở khoa học của phương pháp dự báo xu thế là quy luật quán tính của
chuyển động nước trong sông. Phương pháp này dựa trên giả định là đại lượng dự
báo thay đổi theo quy luật giống như sự thay đổi trước đó, nghĩa là nếu lũ đang lên
thì giá trị dự báo tiếp tục tăng và ngược lại lũ đang xuống giá trị dự báo tiếp tục
giảm.
Ưu điểm của phương pháp: Phương pháp xu thế có ưu điểm là đơn giản, không
cần quá nhiều thông tin như các phương pháp khác. Phương pháp xu thế chỉ cần sử
dụng số liệu tại một trạm đo để dự báo, đối tượng dự báo rất đa dạng cho nên đến
nay vẫn đang được sử dụng tuỳ theo yêu cầu cụ thể của sông. Do đó phương pháp
này thích hợp với các yếu tố dự báo có pha thay đổi chậm, chẳng hạn lũ tại hạ lưu
các sông lớn, dự báo tốt cho từng nhánh lũ.
Nhược điểm của phương pháp: Đối với những vùng chuyển tiếp giữa pha nước
lên và pha nước xuống, những vùng có pha lũ thay đổi lớn, nếu dùng phương pháp
này sẽ dễ gây sai số lớn.
1.3.2. Phương pháp mực nước, lưu lượng tương ứng
Phương pháp lưu lượng và mực nước tương ứng là phương pháp dùng mực
nước đo được ở trạm trạm thượng lưu để dự báo mực nước ở hạ lưu. Mối tương
quan giữa mực nước ở thượng lưu và mực nước ở hạ lưu sẽ phức tạp nếu khu giữa
có lượng gia nhập đáng kể và lượng gia nhập đó lại không hoàn toàn tương ứng với
thượng lưu.
Học viên: Nguyễn Thị Kim Ngân - Cao học 17V
Luận văn thạc sĩ
Chuyên ngành Thủy văn học
18
Ưu điểm của phương pháp: Các thông số có thể xác định dễ dàng bằng đồ thị
và bằng những cách giải đơn giản. Phương pháp này chỉ dùng tốt đối với đoạn sông
có độ dốc lớn, trạm dưới ít bị ảnh hưởng của thuỷ triều hay nước vật, các trạm trên
không quá nhiều, thường chỉ một hay hai trạm trên và một trạm dưới.
Nhược điểm của phương pháp: Điều kiện quan trọng khi áp dụng phương
pháp lưu lượng tương ứng là phải tính đúng thời gian chảy truyền trên các đoạn
sông. Việc xác định thời gian chảy truyền ở đoạn sông không nhánh đã khó, xác
định ở đoạn sông nhiều nhánh càng khó hơn và luôn có sai số. Trường hợp đoạn
sông nhiều trạm trên, hoặc nhiều trạm dưới chịu ảnh hưởng của nước vật hay thuỷ
triều thì phải tìm cách giải quyết khác.
1.3.3. Phương pháp lượng trữ
Phương pháp lượng trữ dựa trên cách giải giản hóa từ hệ phương trình SaintVernant, đây là một trong hai cách giải gần đúng cho hệ phương trình này, theo
phương pháp này người ta dùng phương trình cân bằng nước ở đoạn sông thay cho
phương trình liên tục, dùng phương trình lượng trữ thay cho phương trình động lực.
Phương trình lượng trữ: W=f(Q d ,Q tr ) biểu thị quan hệ giữa lượng nước trữ
R
R
R
R
của đoạn sông W với lưu lượng chảy vào Q tr lưu lượng chảy ra Q d . Nếu xác định
R
R
R
R
được quan hệ hàm số này thì ta có thể tính toán được giá trị lưu lượng chảy ra tại
cuối thời đoạn Q d2 khi biết các giá trị lưu lượng chảy ra tại đầu thời đoạn và lưu
R
R
lượng chảy vào Q d1 , Q tr1 , Q tr2 .
R
R
R
R
R
R
1.3.4. Phương pháp phân tích thống kê
Đây là nhóm các phương pháp thường sử dụng các phép phân tích thống kê
trong thủy văn để xây dựng phương trình dự báo, một trong những phương pháp
trong nhóm này hay được sử dụng là phương pháp phân tích hồi quy nhiều biến.
Học viên: Nguyễn Thị Kim Ngân - Cao học 17V
Luận văn thạc sĩ
19
Chuyên ngành Thủy văn học
Ưu điểm của phương pháp: phương pháp này đơn giản, dễ tính toán, có thể
đưa vào nhiều biến ảnh hưởng đến đại lượng dự báo để phân tích.
Nhược điểm của phương pháp: không xử lý được những trường hợp có
những giá trị ngoại lai, sẽ làm sai lệch kết quả dự báo. Vì vậy khi dự báo phải chuẩn
bị tốt dữ liệu, phân tích đánh giá căn nguyên để tránh những lời giải thiếu tính vật lý.
1.3.5. Phương pháp sử dụng mạng trí tuệ nhân tạo
Mạng trí tuệ nhân tạo (Artificial Nerual Networks - ANN) được xây dựng
từ những năm 1940. Với việc ứng dụng thuật toán quét ngược năm 1988, ANN
được sử dụng nhiều trong ngành tài nguyên nước, đặc biệt là dự báo thủy văn.
Mạng trí tuệ nhân tạo là một mô phỏng xử lý thông tin, được nghiên cứu ra từ hệ
thống thần kinh của sinh vật, giống như bộ não để xử lý thông tin. Nó bao gồm số
lượng lớn các mối gắn kết cấp cao để xử lý các yếu tố làm việc trong mối liên hệ
giải quyết vấn đề rõ ràng. ANN giống như con người, được học bởi kinh nghiệm,
lưu những kinh nghiệm, hiểu biết và sử dụng trong những tình huống phù hợp. Mô
hình ANN cho phép thiết lập mối quan hệ đa dạng và trực tiếp các biến đầu vào và
đầu ra, phản ánh tính chất của cả mô hình nhận thức và mô hình hộp đen.
Ưu điểm của phương pháp: Dữ liệu đầu vào mô hình ANN không nhất thiết
phải ổn định và tuân theo phân bố chuẩn như ARIMA. Mô hình ANN là mô hình
phi tuyến (tối ưu sử dụng trong ANN là tối ưu hàm phi tuyến). Mô hình ANN cũng
cho kết quả tốt hơn mô hình ARMA khi dữ liệu hạn chế và trong các trường hợp
phức tạp, khi mối quan hệ giữa các biến trong mô hình không được tường minh.
Nếu so sánh với mô hình ARMA thì ANN là công cụ dự báo tốt hơn vì nó dự báo
dựa vào quá trình hình thành mối quan hệ trong dữ liệu. Hơn nữa ANN phù hợp với
việc xử lý các dữ liệu thực chứa nhiễu hay bị bóp méo hoặc không đầy đủ.
Học viên: Nguyễn Thị Kim Ngân - Cao học 17V
Luận văn thạc sĩ
20
Chuyên ngành Thủy văn học
Nhược điểm của phương pháp: Rất khó tìm bộ thông số tối ưu, không phản
ánh được những thay đổi lớn, nếu dữ liệu sử dụng để xây dựng mạng không có
những trị số lớn đó. [1,2]
1.4. Lựa chọn phương pháp dự báo dòng chảy lũ sông Ba.
1.4.1. Đặc điểm địa lý nổi bật lưu vực sông Ba
Đặc điểm địa hình: Địa hình lưu vực sông Ba biến đổi khá phức tạp, bị chia
cắt mạnh mẽ bởi sự chi phối của dãy Trường Sơn. Đường phân thuỷ của lưu vực có
độ cao từ (500-2000)m bao bọc 3 phía: Bắc, Đông, Nam và chỉ được mở rộng về
phía Tây với cao nguyên rộng lớn Pleiku, Mang Yang, Chư Sê. Đồng thời mở ra
biển qua vùng đồng bằng Tuy Hoà rộng trên 20000 ha. Hai dãy núi phía Đông và
phía Nam của lưu vực tạo thành bức tường chắn gió, cản trở việc hoạt động của
hướng gió Đông và Đông Nam. Phía Tây Bắc có các đỉnh núi cao hơn ở phía Đông,
nhưng bị chia cắt nhiều, không liên tục.
Đặc điểm khí tượng : Trên vùng nghiên cứu có gần 20 trạm đo mưa và phần lớn
các trạm có liệt quan trắc từ sau năm 1975 với số liệu đảm bảo, đáng tin cậy. Do
đặc điểm tự nhiên lưu vực trải dài theo hướng bắc nam với nền địa hình đa dạng nên
điều kiện khí hậu nên chế độ mưa của lưu vực sông Ba khá phức tạp. Trong khi
thượng và trung lưu lưu vực sông Ba đã là mùa mưa thì hạ lưu lưu vực vẫn đang
trong thời kỳ khô hạn, khi thượng và trung lưu lưu vực mùa mưa đã kết thúc thì
vùng hạ lưu lưu vực vẫn đang trong thời kỳ mưa lớn. Vùng thượng và trung du mùa
mưa đến sớm từ tháng 5, kết thúc vào tháng 10, còn hạ du mùa mưa đến muộn từ
tháng 9 đến tháng 12 và thời gian này thường trùng với thời kỳ gió mùa Đông Bắc
và bão hoạt động trên Biển Đông. Lượng mưa bình quân trên lưu vực phân bố
không đều. Các trận mưa lớn gây lũ trên sông Ba thường kéo dài từ 5 đến 7 ngày
nhưng lượng mưa lớn thường tập trung từ 1 đến 3 ngày.
Mạng lưới sông ngòi: Lưu vực sông Ba có dạng chữ L, phình rộng ở trung lưu và
thu hẹp ở hai đầu thượng và hạ lưu. Mạng lưới sông ngòi khá dầy và được phân bố
Học viên: Nguyễn Thị Kim Ngân - Cao học 17V
Luận văn thạc sĩ
21
Chuyên ngành Thủy văn học
đều khắp trong vùng. Chiều rộng bình quân lưu vực 48,6km, có nơi rộng 80 km.
Mạng lưới sông ngòi rất phát triển với mật độ sông suối trung bình đạt 0,34 km/km2,
P
P
trong đó phần thượng nguồn có mật độ từ 0,2 đến 0,3 km/km2, phần trung lưu từ 0,3
P
P
đến 0,45 km/km2 và phần hạ lưu từ 0,45 đến 0,55 km/km2. Sông Ba thuộc loại sông
P
P
P
P
kém phát triển so với các sông khác vùng lân cận. Các sông suối thuộc lưu vực sông
Ba thường hẹp và sâu, độ dốc sông suối lớn nên có tiềm năng lớn về nguồn thủy
năng.
Hình 1.1: Bản đồ lưu vực sông Ba.
Học viên: Nguyễn Thị Kim Ngân - Cao học 17V
Luận văn thạc sĩ
22
Chuyên ngành Thủy văn học
1.4.2. Lựa chọn phương pháp dự báo dòng chảy lũ sông Ba.
Từ đặc điểm địa lý nổi bật của lưu vực sông Ba và các phương pháp dự báo đã
được giới thiệu trên, ta có thể nhận xét và lựa chọn những phương pháp thích hợp
nhất để dự báo dòng chảy mùa lũ cho lưu vực sông Ba:
Phương pháp xu thế: Điều kiện là chỉ áp dụng cho từng pha nước (pha nước lên
U
U
hoặc xuống). Phương pháp này chỉ thích hợp với các yếu tố cần dự báo có pha thay
đổi chậm, chẳng hạn như dòng chảy tại hạ lưu các sông lớn không ảnh hưởng của
thủy triều. Đối với sông Ba, các nhánh khu vực miền núi, diện tích khống chế nhỏ
nên dòng chảy lũ trên sông biến đổi nhanh, vùng hạ lưu lại là đồng bằng có độ dốc
nhỏ và luôn chịu ảnh hưởng của thuỷ triều biển Đông nên không thích hợp với việc
áp dụng phương pháp này.
Phương pháp tương ứng: Điều kiện quan trọng để áp dụng phương pháp này là phải
U
U
tính đúng thời gian chảy truyền. Việc xác định thời gian chảy truyền ở đoạn sông
không nhánh đã khó, xác định thời gian chảy truyền ở đoạn nhiều nhánh càng khó
hơn và luôn luôn có sai số. Do đó phương pháp này chỉ thích hợp với đoạn sông có
độ dốc lớn, các trạm trên không quá nhiều, thường chỉ một hoặc hai trạm trên và
một trạm dưới. Với lưu vực sông Ba, đây là lưu vực có nhiều sông nhánh nhỏ, nhiều
trạm đo nằm rải rác trên toàn bộ lưu vực nên không thích hợp để áp dụng phương
pháp này vào dự báo.
Phương pháp quan hệ mưa - dòng chảy: Quá trình mưa trên lưu vực thường được
U
U
quan trắc dễ dàng hơn dòng chảy trong sông suối, bởi vậy nếu ta biết được chính
xác quá trình mưa sẽ cho phép ta dự báo được dòng chảy trong sông với thời gian
dự kiến dài hơn. Quá trình hình thành dòng chảy trên lưu vực chịu rất nhiều yếu tố
tác động như: địa hình, mặt đệm, thảm thực vật, cấu tạo địa chất… làm cho quá
trình hình thành dòng chảy rất phức tạp đối với mỗi lưu vực. Tuy nhiên, quá trình
này đều chịu chung một số quy luật thành phần: bốc thoát hơi nước, quá trình thấm,
Học viên: Nguyễn Thị Kim Ngân - Cao học 17V
Luận văn thạc sĩ
23
Chuyên ngành Thủy văn học
quá trình chảy tràn trên sườn dốc, trong lòng sông… Do đó ta có thể áp dụng
phương pháp này vào dự báo dòng chảy cho sông Ba.
Phương pháp mô hình toán thuỷ lực: Mô hình toán là một phương pháp mới được
U
U
áp dụng vào dự báo. Với sự trợ giúp của máy tính điện tử, các phương trình trong
mô hình toán đã được giải quyết và góp phần to lớn vào việc dự báo dòng chảy
trong sông. Ta có thế áp dụng phương pháp này để dự báo.
Với ý nghĩa như trên, do yêu cầu của Luận văn, tình hình dữ liệu, mức độ
và thời gian cho phép do đó trong Luận văn này tác giả sử dụng mô hình thủy động
lực MIKE11 áp dụng với chế độ sóng động lực hoàn toàn ở c ấp độ cao đ ể tính toán
dòng chảy 1 chiều. Từ thực tế ứng dụng cho nhiều lưu vực sông Miền Trung nước
ta nhận thấy MIKE 11 có khả năng tính toán với dòng nhanh , lòng dẫn dốc , giao
diện của MIKE 11 được xây dựng trên phần mềm ARCVIEW, là một phần mềm
GIS có giao diện đẹp và rất thuận tiện cho người sử dụng. Sau khi tính toán, kết quả
của MIKE 11 có thể xuất sang MIKE 11 - GIS để xây dựng các bản đồ ngập lụt
giúp cho người sử dụng phân tích nhanh tình trạng ngập lụt, mức độ ngập sâu... làm
cơ sở để phân tích thiệt hại lũ cho lưu vực. Với các ưu điểm nổi bật đó xét với đặc
điểm tự nhiên của vùng hạ lưu sông Ba nên Luận văn đã chọn mô hình MIKE 11
dùng để tính toán dự báo dòng chảy lũ ở đây.
Học viên: Nguyễn Thị Kim Ngân - Cao học 17V
Luận văn thạc sĩ
24
Chuyên ngành Thủy văn học
CHƯƠNG 2. ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN LƯU VỰC SÔNG BA.
2.1.
Điều kiện địa lý tự nhiên.
Sông Ba chảy qua 3 tỉnh Tây Nguyên là Kon Tum, Gia Lai, Đắk Lắk và một tỉnh
Ven biển miền Trung Trung Bộ là Phú Yên. Lưu vực sông có diện tích lưu vực tính
đến cửa sông là 13.508 km2. Sông Ba ở hạ lưu có liên quan nguồn nước với sông
P
P
Bàn Thạch là một sông nhỏ trong vùng ven biển có diện tích 592 km 2. Nếu kể cả
P
P
sông Bàn Thạch thì hai lưu vực sông có diện tích 14.100 km 2. Tuy chảy qua 4 tỉnh
P
P
nhưng trong thực tế diện tích của lưu vực sông Ba chỉ thuộc 3 tỉnh Gia Lai
(64,04%), Đăk Lăk (18,11%) và Phú Yên (17,81%). Diện tích lưu vực thuộc tỉnh
Kon Tum chỉ có một phần rất nhỏ của huyện KonPlong chiếm 0,03% diện tích lưu
vực.
2.1.1. Địa hình
Có thể chia địa hình lưu vực sông Ba thành 3 vùng, đó là vùng núi, vùng
trung du và vùng đồng bằng.
Địa hình vùng thượng lưu được đặc trưng bởi các các nhánh núi, khối núi và
bị chia cắt mạnh bởi các dòng chảy thường xuyên và không thường xuyên.
Địa hình vùng trung lưu đặc trưng bởi các đồi núi với độ cao từ trung bình
đến thấp. Do phần trung lưu của lưu vực rất ngắn cho nên sông Ba tạo nên sự phân
cắt đột ngột với vùng hạ lưu dưới dạng chuyển tiếp bậc địa hình.
Địa hình vùng hạ lưu là đồng bằng xen kẽ với những gò đồi còn sót lại và
những bậc thềm, bãi bồi, đụn cát, cồn cát nguồn gốc biển, gió biển, cửa sông và
sông. Đặc điểm địa hình của vùng hạ lưu là có các nhánh núi đâm ngang ra biển,
đặc biệt là ở các hướng Tây và Tây-Nam.
2.1.2. Về độ dốc địa hình:
Học viên: Nguyễn Thị Kim Ngân - Cao học 17V
Luận văn thạc sĩ
Chuyên ngành Thủy văn học
25
Độ dốc lưu vực có sự biến đổi đột ngột rõ rệt, từ rất thoải ở vùng đồng bằng
ven biển, các bậc thềm sông biển đến rất dốc tại các hẻm vực, sườn dốc ở vùng núi.
Thậm chí có rất nhiều nơi ở miền núi tây bắc lưu vực có độ dốc lên đến trên 400/ 00 .
P
P
R
R
Ngoài ra còn có độ dốc nghiêng thoải tại các bề mặt phủ bazan cao nguyên và trũng
bằng thoải trước núi trong vùng nghiên cứu. Với đặc điểm độ dốc lưu vực sông như
vậy có cho ta thấy được đặc điểm tập trung dòng chảy ở các vùng khác nhau của lưu
vực.
2.1.3. Về địa chất, thổ nhưỡng
Lưu vực sông Ba có nền thổ nhưỡng rất phong phú. Đặc tính và sự phân
bố của các loại đất này như sau:
Nhóm đất xám có tính chua đến rất chua, nghèo mùn, đạm, lân và kali tổng
số cũng như dễ tiêu. Nhóm đất này phân bố chủ yếu ở các huyện sông Hinh, Sơn
Hoà, Krông Pa, Ayun Pa, An Khê
Nhóm đất đỏ vàng có độ chua, pH
R
KCL
R
dao động 3,9 – 4,5, hàm lượng mùn
cát trong đất khá, các chất dinh dưỡng đạm, lân, kali trung bình và dễ tiêu thấp.
Nhóm đất này phân bố ở vùng đồi núi trung lưu và thượng lưu.
Nhóm đất nâu vàng, vàng nhạt có độ chua thấp, pH KCL dao động từ 5 – 6,
R
R
đất có hàm lượng mùn,đạm từ khá đến giàu.
Tóm lại: đặc tính địa chất và thổ nhưỡng của lưu vực sông Ba là có tính
bở rời, độ pH thấp và hàm lượng mùn, đạm, lân tổng số khá cao, đặc biệt là ở vùng
trung du.
2.1.4. Về thảm thực vật
Vùng lưu vực sông Ba là vùng phân bố tự nhiên có độ đa dạng sinh học cao
ở nước ta. Cùng với điều kiện địa hình, tính chất thổ nhưỡng và điều kiện khí hậu
Học viên: Nguyễn Thị Kim Ngân - Cao học 17V
