Nghiên cứu xây dựng phương án dự báo lũ cho lưu vực sông hoàng long tỉnh ninh bình

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
CHO LƯU VỰC SÔNG HOÀNG LONG TỈNH NINH BÌNH

CHUYÊN NGÀNH: THỦY VĂN HỌC

NGUYỄN HẢI LÂN

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
CHO LƯU VỰC SÔNG HOÀNG LONG TỈNH NINH BÌNH

NGUYỄN HẢI LÂN
CHUYÊN NGÀNH: THỦY VĂN HỌC
MÃ SỐ: 60440224

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. TRẦN DUY KIỀU

HÀ NỘI, NĂM 2017

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Trần Duy Kiều

Cán bộ phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Hữu Khải

Cán bộ 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 26 tháng 12 năm 2017


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các số liệu, nội dung, kết quả trong luận văn “Nghiên
cứu xây dựng phương án dự báo lũ cho lưu vực sông Hoàng Long tỉnh Ninh
Bình” là công trình do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Trần Duy
Kiều. Nội dung trong luận văn là trung thực, các tài liệu, số liệu trích dẫn đều ghi
rõ trong phần tài liệu tham khảo và chưa được công bố trên các công trình
nào
khác.
Nếu có bất kỳ sự gian lận trong nội dung nghiên cứu của luận văn, tôi xin
hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng nhà trường.
TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Hải Lân


ii

LỜI CẢM ƠN
Luận văn “Nghiên cứu xây dựng phương án dự báo lũ cho lưu vực sông Hoàng
Long tỉnh Ninh Bình” đã được hoàn thành, học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến
nhà trường các thầy cô giáo Khoa Khí tượng - Thủy văn, cùng toàn thể các thầy cô,
giảng viên và các anh chị trong trường, đã tạo mọi điều kiện, đóng góp và trao đổi
nhiều ý kiến quý báu giúp cho học viên có thể hoàn thành luận văn một cách tốt nhất.
Đặc biệt học viên xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Trần Duy Kiều đã
tận tình hướng dẫn, động viên em trong suốt quá trình giảng dạy cũng như chỉ bảo
và cung cấp những tài liệu, thông tin cần thiết cho em trong thời gian làm luận văn.
Học viên cảm ơn lãnh đạo Đài KTTV khu vực Đồng bằng Bắc Bộ, Đài KTTV tỉnh
Ninh Bình, gia đình, bạn bè đã nhiệt tình giúp đỡ, khích lệ và động viên em rất nhiều
để em có thể hoàn thành luận văn này.
Do thời gian, kinh nghiệm nghiên cứu chưa nhiều, bên cạnh đó nội dung nghiên
cứu rộng, phức tạp luận văn khó tránh được những thiếu sót. Học viên rất mong
nhận được những ý kiến đóng góp quý báu để luận văn được hoàn thiện hơn và tiến
tới ứng
dụng được vào thực tiễn.
Hà Nội, tháng 12 năm 2017
Học viên

Nguyễn Hải Lân


3

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...........................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ii
MỤC LỤC .................................................................................................................... iii
THÔNG TIN LUẬN VĂN ............................................................................................ v
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT....................................................................................vi
DANH MỤC BẢNG ....................................................................................................vii
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................... viii
MỞ ĐẦU......................................................................................................................... 1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO LŨ ....................... 3
1.1 Tổng quan về các phương pháp dự báo lũ ............................................................ 3
1.1.1 Tổng quan về nghiên cứu dự báo lũ trên thế giới...................................................
3
1.1.2 Tổng quan về nghiên cứu dự báo lũ ở Việt Nam ................................................... 6
1.1.3 Tổng quan về dự báo lũ trên lưu vực sông Hoàng Long .......................................
10
1.2 Điều kiện tự nhiên lưu vực sông Hoàng Long .................................................... 11
1.2.1 Vị trí địa lý lưu vực sông Hoàng Long................................................................. 11
1.2.2 Đặc điểm địa hình lưu vực sông Hoàng Long ...................................................... 11
1.2.3 Đặc điểm địa chất, thổ nhưỡng và thảm phủ thực vật ..........................................
12
1.2.4 Đặc điểm khí hậu lưu vực sông Hoàng Long ....................................................... 14
1.2.4.1 Mạng lưới trạm quan trắc KTTV trên lưu vực sông hoàng Long ..................... 14
1.2.4.2 Đặc điểm khí hậu lưu vực sông Hoàng Long................................................... 14
1.2.5 Đặc điểm lũ lưu vực sông Hoàng Long................................................................ 19
1.2.6 Đặc điểm kinh tế xã hội lưu vực sông Hoàng Long ............................................. 23
1.3 Nhận xét chương 1 ................................................................................................. 24
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ MÔ HÌNH
ỨNG DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU ......................................................................25
2.1 Phương pháp nghiên cứu của đề tài .................................................................... 25

2.1.1 Hướng tiếp cận ..................................................................................................... 25
2.1.2 Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................
26


4

2.2 Cơ sở lý thuyết mô hình ứng dụng trong nghiên cứu ........................................ 26
2.2.1 Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE - NAM ............................................................... 27


5

2.2.2 Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE 11 ....................................................................... 30
2.3 Nghiên cứu sử dụng mô hình số trị (NWP) trong dự báo lũ ............................. 35
2.4 Cơ sở số liệu............................................................................................................ 38
2.5 Nhận xét chương 2 ................................................................................................. 38
Chương 3: XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN DỰ BÁO LŨ CHO LƯU VỰC SÔNG HOÀNG
LONG ........................................................................................................... 39
3.1 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE - NAM ............................................... 39
3.1.1 Thiết lập sơ đồ tính toán cho mô hình MIKE - NAM .......................................... 39
3.1.2 Số liệu đầu vào mô hình MIKE - NAM ............................................................... 42
3.1.3 Hiệu chỉnh mô hình MIKE - NAM ...................................................................... 43
3.1.4 Kiểm định mô hình MIKE - NAM ....................................................................... 45
3.2 Hiệu chỉnh và kiểm đinh mô hình MIKE 11 ....................................................... 47
3.2.1 Thiết lập sơ đồ thủy lực cho mô hình MIKE11.................................................... 47
3.2.2 Số liệu đầu vào cho mô hình MIKE11 ................................................................. 49
3.2.3 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE11 ......................................................... 50
3.3 Xây dựng phương án dự báo lũ cho lưu vực sông Hoàng Long........................ 56
3.3.1 Tính toán lượng mưa dự báo ................................................................................ 56

3.3.2 Xây dựng phương án dự báo lũ cho lưu vực sông Hoàng Long .......................... 58
3.4 Dự báo thử nghiệm dòng chảy lũ trên sông Hoàng Long tại trạm Bến Đế...... 59
3.5 Nhận xét chương 3 ................................................................................................. 65
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..................................................................................... 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 67


6

THÔNG TIN LUẬN VĂN

Họ tên học viên: Nguyễn Hải Lân
Lớp: CH2AT

Khóa: 2017 - 2018

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS.Trần Duy Kiều
Tên đề tài: Nghiên cứu xây dựng phương án dự báo lũ cho lưu vực sông Hoàng Long
tỉnh Ninh Bình.

Tóm tắt nội dung luận văn:
Đề tài đã đưa ra xu hướng nghiên cứu trong và ngoài nước hiện nay và vị
trí địa lý lưu vực sông Hoàng Long. Phân tch tìm ra hình thế thời tiết gây mưa
cho lưu vực để tìm được nguyên nhân chính sinh ra dòng chảy lũ cho hạ du sông
Hoàng Long. Do đó nắm bắt được đặc điểm lũ trên lưu vực sông Hoàng Long từ
đó đưa ra hướng nghiên cứu phương án cảnh báo, dự báo lũ cho hạ lưu
sông. Việc tìm hiểu kỹ lý thuyết các phương pháp và mô hình để ứng dụng trong
lĩnh vực nghiên cứu của đề tài là rất cần thiết và hợp lý. Kết quả đạt được
trong nghiên cứu của đề tài đưa ra được phương án dự báo lũ cho hạ lưu
sông, qua đánh giá dự báo thử nghiệm phương án đạt kết quả tốt.

7

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

WMO

Tổ chức khí tượng thế giới

TTKTTVQG

Trung tâm Khí tượng Thủy văn quốc gia TTDBTƯ

Trung tâm dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương KTTV
Khí tượng Thủy văn
ĐBBB

Đồng bằng Bắc Bộ

JMA

Cơ quan Khí tượng học Nhật Bản

NWP

Mô hình dự báo số trị

BĐKH

Biến đổi khí hậu

BĐ

Báo động

LV

Lưu vực

HTNĐ

Hội tụ nhiệt đới
9

3

W (10 m )

Tổng lượng dòng chảy

X - R (mm)

Lượng mưa

T (°C)

Nhiệt độ không khí

Tn (°C)

Nhiệt độ nước

Z (mm)

Bốc hơi U

(%)

Độ ẩm W

(m/s)

Gió

V (m/s)

Tốc độ gió

H (cm)

Mực nước

3

Q (m /s)
3

(m /s)

Lưu lượng nước Qmax
Lưu lượng lớn nhất SSĐ

Sai số đỉnh
SSW

Sai số tổng lượng


vii

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Phương pháp dự báo thủy văn hạn ngắn cho các sông chính đang được sử
dụng tại Trung tâm Dự báo KTTV TƯ ............................................................................ 9
Bảng 1.2: Một số đặc trưng lưu vực sông Hoàng Long ................................................ 12
Bảng 1.3: Danh sách trạm Khí tượng trên lưu vực sông Hoàng Long ......................... 14
Bảng 1.4: Danh sách trạm thuỷ văn trên lưu vực sông Hoàng Long............................ 14
Bảng 1.5: Số giờ nắng trung bình tháng, năm tại một số vị trí trên lưu vực sông Hoàng
Long (1997-2016) ......................................................................................................... 15
Bảng 1.6: Nhiệt độ không khí trung bình tháng, năm tại một số vị trí trên lưu vực sông
Hoàng Long (1997-2016) .............................................................................................. 15
Bảng 1.7: Bốc hơi trung bình tháng, năm tại một số vị trí trên lưu vực ...........................
sông Hoàng Long (1997-2016) ..................................................................................... 16
Bảng 1.8: Lượng mưa trung bình tháng, năm tại một số vị trí trên lưu vực .....................
sông Hoàng Long (1997-2016) ..................................................................................... 18
Bảng 1.9: Đặc trưng của một số trận lũ lớn trên sông Hoàng Long ............................ 20
Bảng 1.10: Đặc điểm lũ và nguyên nhân gây mưa lũ chủ yếu trên lưu vực sông Hoàng
Long tại Bến Đế [1]
................................................................................................................. 21
Bảng 3.1: Trận lũ lựa chọn tính toán trong mô hình MIKE - NAM.............................. 42

Bảng 3.2: Chỉ tiêu đánh giá chất lượng hiệu chỉnh mô hình MIKE - NAM.................. 45
Bảng 3.3: Bộ thông số mô hình MIKE - NAM lưu vực sông Hoàng Long .................... 45
Bảng 3.4: Chỉ tiêu đánh giá chất lượng kiểm định mô hình MIKE-NAM..................... 46
Bảng 3.5: Điều kiện biên cho mô hình MIKE11 sông Hoàng Long.............................. 49
Bảng 3.6: Trận lũ lựa chọn tính toán trong mô hình MIKE11 ..................................... 50
Bảng 3.7: Đánh giá chất lượng hiệu chỉnh mô hình MIKE11 ...................................... 52
Bảng 3.8: Hệ số nhám trong hệ thống sông Hoàng Long ............................................. 52
Bảng 3.9: Đánh giá chất lượng kiểm định mô hình MIKE11 ....................................... 54
Bảng 3.10: Minh họa định dạng số liệu lượng mưa ngày LVS Hoàng Long ................ 56
Bảng 3.11: Bảng phân cấp lượng mưa theo tiêu chuẩn WMO .....................................
57
Bảng 3.12: Hệ số mưa của các trạm so với toàn lưu vực ............................................. 57
Bảng 3.13: Hệ số mưa của các trạm so với trạm Ninh Bình......................................... 57
Bảng 3.14: Đánh giá chất lượng dự báo lũ tại trạm Bến Đế theo PA1 ........................ 63
Bảng 3.15: Đánh giá chất lượng dự báo tại trạm Bến Đế theo PA2 ............................ 64


8

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Bản đồ lưu vực sông Hoàng Long................................................................. 12
Hình 1.2: Biểu đồ tổng số giờ nắng trung bình năm trên lưu vực ................................ 15
Hình 1.3: Biểu đồ biến thiên nhiệt độ không khí trung bình tháng trên lưu vực .......... 16
Hình 1.4: Lượng mưa trung bình tháng tại một số vị trí trên lưu vực sông Hoàng Long
(1997-2016) ................................................................................................................... 18
Hình 1.5: Sơ đồ tiếp cận xây dựng phương án dự báo lũ cho lưu vực sông Hoàng Long
... 24
Hình 2.1: Sơ đồ mô hình NAM ..................................................................................... 28
Hình 2.2: Danh sách địa phương được cung cấp sản phẩm dự báo số trị ................... 36
Hình 2.3: Các yếu tố dự báo tại trạm khí tượng Ninh Bình .......................................... 37

Hình 2.4: Sản phẩm dự báo sau khi giải mã với thời gian dự kiến 84 giờ ................... 37
Hình 3.1: Giao diện chính mô hình MIKE 11 ............................................................... 39
Hình 3.2: Tạo File mô đun RR ...................................................................................... 39
Hình 3.3: Sơ đồ thiết lập các tiểu lưu vực sông Hoàng Long ....................................... 40
Hình 3.4: Diện tích cho các tiểu lưu vực trong mô hình NAM ..................................... 40
Hình 3.5: Nhập số liệu trạm khí tượng vào mô hình NAM ........................................... 41
Hình 3.6: Tính toán trọng số cho các tiểu lưu vực bộ phận.......................................... 41
Hình 3.7: Bảng thông số của các lưu vực trong mô hình NAM .................................... 42
Hình 3.8: Sơ đồ các bước hiệu chỉnh bộ thông số mô hình MIKE - NAM .................... 43
Hình 3.9: Đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán trận lũ 2005 tại trạm Hưng
Thi trong quá trình hiệu chỉnh mô hình MIKE - NAM .................................................. 44
Hình 3.10: Đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán trận lũ 2007 tại trạm
Hưng Thi trong quá trình hiệu chỉnh mô hình MIKE - NAM ........................................ 44
Hình 3.11: Đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán trận lũ 2013 tại trạm
Hưng Thi trong quá trình kiểm định mô hình MIKE - NAM ......................................... 46
Hình 3.12: Đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán trận lũ 2014 tại trạm
Hưng Thi trong quá trình kiểm định mô hình MIKE - NAM ......................................... 47
Hình 3.13: Sơ đồ lưới trạm thủy văn và hệ thống lưu vực sông Hoàng Long .............. 48
Hình 3.14: Sơ đồ mạng lưới thủy lực sông Hoàng Long .............................................. 48
Hình 3.15: Minh họa mặt cắt sông Hoàng Long........................................................... 49


9

Hình 3.16: Đường quá trình mực nước thực đo và tính toán trận lũ 2005 tại trạm Bến
Đế trong quá trình hiệu chỉnh mô hình MIKE 11 ......................................................... 51
Hình 3.17: Đường quá trình mực nước thực đo và tính toán trận lũ 2007 tại trạm Bến
Đế trong quá trình hiệu chỉnh mô hình MIKE 11 ......................................................... 51
Hình 3.18: Đường quá trình mực nước thực đo và tính toán trận lũ 2013 tại trạm Bến
Đế trong quá kiểm định chỉnh mô hình MIKE 11 ......................................................... 55

Hình 3.19: Đường quá trình mực nước thực đo và tính toán trận lũ 2014 tại trạm Bến
Đế trong quá trình kiểm định mô hình MIKE 11 .......................................................... 55
Hình 3.20: PA1 giả định giá trị biên mực nước hạ lưu................................................. 58
Hình 3.21: PA2 kéo dài mực nước tại biên hạ lưu theo các đường xu thế ................... 59
Hình 3.22: Giao diện chính của mô đun FF ................................................................. 59
Hình 3.23: So sánh kết quả dự báo mực nước thời đoạn 6 giờ tại trạm Bến Đế (PA1)
...... 60
Hình 3.24: So sánh kết quả dự báo mực nước thời đoạn 12 giờ tại trạm Bến Đế (PA1)
..... 60
Hình 3.25: So sánh kết quả dự báo mực nước thời đoạn 24 giờ tại trạm Bến Đế (PA1)
..... 61
Hình 3.26: So sánh kết quả dự báo mực nước thời đoạn 6 giờ tại trạm Bến Đế (PA2)........
61
Hình 3.27: So sánh kết quả dự báo mực nước thời đoạn 12 giờ tại trạm Bến Đế (PA2)
..... 62
Hình 3.28: So sánh kết quả dự báo mực nước thời đoạn 24 giờ tại trạm Bến Đế (PA2)
......62


1


2

MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Việt Nam là nước có rất nhiều sông, suối lớn và nhỏ khác nhau. Mật độ sông
suối phân bố không đều giữa các vùng. Mật độ lưới sông trung bình từ 0,5÷1,0
2

2

km/km , những nơi có mật độ lưới sông dày lên tới 1,5 ÷ 2,0 km/km gồm các vùng
núi cao Hoàng Liên Sơn, Tây Công Lĩnh, thượng nguồn sông Thu Bồn, Đồng Nai. Vùng
2

núi cao trung bình và thấp khác có mật độ lưới sông từ 1,0 ÷ 1,5 km/km [6].
Những hệ thống sông ở Việt Nam ở phía dưới hạ lưu có độ dốc nhỏ thông thường
là những vùng đồng bằng khá bằng phẳng có độ cao thấp trước khi đổ ra biển, nên
việc tiêu thoát lũ những nơi này rất kém. Gặp những năm xuất hiện nhiều đợt mưa lũ
lớn trên lưu vực tạo ra mực nước hạ du các hệ thống sông dâng cao và kéo dài trong
nhiều ngày, gây ngập lụt nghiêm trọng cho những vùng dân cư trong vài ngày, vài
tuần, có thể hàng tháng hoặc vài tháng. Làm cho thiệt hại rất nặng nề về người và tài
sản, kìm hãm sự phát triển kinh tế xã hội cho khu vực ngập lụt. Ngoài ra lũ lụt ngày
càng tăng về độ lớn và phạm vi xảy ra cũng như tnh ác liệt của nó là do biến đổi khí
hậu và sự tác động của con người trong hoạt động đời sống, xã hội đã làm cho môi
trường tự nhiên bị phá hủy nghiêm trọng.
Lưu vực sông Hoàng Long thuộc tỉnh Ninh Bình có khí hậu nhiệt đới gió mùa và
thường xuyên gánh chịu nhiều thiên tai do: Bão, mưa lớn gây lũ lụt ảnh hưởng trực
tiếp đến lưu vực. Bên cạnh đó với vị trí địa lý gần biển, địa hình đầu nguồn là rừng núi
cao phức tạp và có nhiều nhánh sông suối, rừng phòng hộ ngày càng bị tàn phá cộng
với thời tiết biến đổi. Tuy nhiên do vùng hạ lưu sông Hoàng Long là vùng đất thấp và
địa hình phức tạp nên thường xuyên chịu sự ảnh hưởng của lũ mỗi khi có mưa lớn, gây
ra ngập lụt nghiêm trọng làm thiệt hại lớn về cơ sở vật chất, phá hủy nhà cửa, ruộng
đồng, hủy hoại và tác động lâu dài đến môi trường sinh thái. Ảnh hưởng trực tiếp đến
đời sống xã hội và phát triển kinh tế cho tỉnh. Ngoài ra lưu vực sông Hoàng Long là
một trong những lưu vực sông có vị trí chiến lược quan trọng trong việc phát triển kinh
tế xã hội, an ninh quốc phòng của tỉnh Ninh Bình. Vì vậy, dự báo lũ luôn được đề

cao, cần nhiều tổ chức và các nhà khoa học tập trung nghiên cứu chi tiết và chuyên

sâu về cảnh báo, dự báo lũ và ứng dụng các mô hình công nghệ mới đưa ra các giải
pháp ứng phó phù hợp nhất là vấn đề rất cấp thiết và hiệu quả.


Từ những lý do trên luận văn đã lựa chọn nội dung: “Nghiên cứu xây dựng
phương án dự báo lũ cho lưu vực sông Hoàng Long tỉnh Ninh Bình” để thực hiện. Để
tiến hành nghiên cứu xây dựng đưa ra các phương án cảnh báo, dự báo lũ cho lưu vực
sông. Nhằm góp phần giúp các nhà quản lý có được thêm một công cụ trong công tác
dự báo nhằm giảm thiểu tác hại của lũ lụt gây ra và đưa ra định hướng quy hoạch phát
triển trong tương lai ở khu vực.

2. Mục tiêu của luận văn
Xây dựng phương án dự báo lũ cho lưu vực sông Hoàng Long.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
+ Đối tượng chính: Dòng chảy lũ trên lưu vực sông Hoàng Long
+ Phạm vi nghiên cứu: Trong mùa lũ lưu vực sông Hoàng Long thuộc tỉnh
Ninh Bình.
Phương pháp nghiên cứu
+ Phương pháp thu thập, phân tích, thống kê, tổng hợp
+ Phương pháp kế thừa, lấy ý kiến chuyên gia
+ Ứng dụng mô hình toán thủy văn, thủy lực
4. Bố cục của luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo nội dung luận văn
được bố cục thành 3 chương:
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO LŨ
Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ MÔ HÌNH
ỨNG DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU
Chương 3: XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN DỰ BÁO LŨ CHO LƯU VỰC SÔNG
HOÀNG LONG

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO LŨ
1.1 Tổng quan về các phương pháp dự báo lũ
1.1.1 Tổng quan về nghiên cứu dự báo lũ trên thế giới
Nhiều năm nay công tác dự báo mưa và các yếu tố khí tượng của các trung tâm
dự báo khí tượng lớn trên thế giới như Mỹ, Nhật, Đức, Pháp, Hàn Quốc ... đã sử dụng
nhiều công nghệ tự động phân tch và hiển thị các bản đồ thời tiết trong nghiệp vụ.
Mỹ sử dụng hệ phân tch và hiển thị bản đồ thời tiết AWIPS và NAWIPS; Đức và Pháp
sử dụng hệ SYNERGY; Úc sử dụng hệ AIFS,...
Các hệ thống đều có đủ các chức năng quan trọng như: phân tích, hiển thị và
tch hợp các loại số liệu khác nhau như số liệu quan trắc bề mặt, cao không, pilot,
ship, ảnh mây vệ tinh, kết quả của các mô hình dự báo số trị,... đồng thời cũng cho
phép tạo các kịch bản dự báo thời tiết theo những hình thế gây mưa khác nhau. Các
hệ thống này đáp ứng rất tốt các yêu cầu nghiệp vụ tại các trung tâm khí tượng nói
trên và đều có thể ứng dụng cho các trung tâm khí tượng khác với những nghiên cứu
để điều chỉnh, bổ sung các chức năng theo yêu cầu của nghiệp vụ dự báo thời tiết của
từng quốc gia.
Tại Nhật, cơ quan Khí tượng Nhật Bản đang vận hành một hệ thống đồng hóa
số liệu bốn chiều quy mô vừa là Meso 4D-Var. Với hệ thống này, nhiều loại quan trắc
được đồng hóa cho các mô hình số. Meso 4D-Var đồng hóa số liệu quan trắc từ thám
không vô tuyến, các trạm khí tượng bề mặt, tàu thuyền, phao, máy bay, thiết bị đo
mặt cắt gió, vệ tinh, radar cho mô hình dự báo quy mô vừa. Việc có một hệ thống các
loại quan trắc dày đặc và hệ thống tích hợp, phân tích dữ liệu quan trắc cho mô hình
số đã nâng cao đáng kể chất lượng dự báo của các mô hình số, đặc biệt là dự báo
lượng mưa.
Hiện nay sự phát triển công nghệ thông tin cùng với những kết quả to lớn
trong nghiên cứu tìm tòi bản chất vật lý các quá trình trong khí quyển đã tạo điều kiện
cho các mô hình dự báo số ngày càng chính xác và kịp thời, dần thay thế phương pháp
dự báo truyền thống. Trong tác nghiệp ngày nay các nước tiên tiến đều sử dụng các

mô hình dự báo số trong công tác dự báo thời tiết.


Nhật đang vận hành nghiệp vụ 3 mô hình chính là mô hình phổ toàn cầu
(GMS), mô hình phổ khu vực (RSM), mô hình quy mô vừa (MSM), mô hình dự báo bão
(TYM); Hàn Quốc vận hành nghiệp vụ các mô hình có chức năng tương tự là Mô hình
dự báo toàn


cầu (GDAPS), Mô hình dự báo khu vực (GDAPS), Mô hình dự báo độ phân giải cao
(HLAM) và Mô hình bão (DBAR)...[6].
Tóm lại các trung tâm dự báo trên đã đưa ra nhiều mô hình dự báo số phục vụ
cho công tác dự báo nhất là về dự báo lượng mưa tương đối chính xác, cho từng vùng
khác nhau trên thế giới. Qua đó giúp cho các trung tâm KTTV của các nước đang phát
triển tiếp cận, sử dụng trong việc cảnh báo, dự báo lũ, lụt.
Dự báo lũ có vai trò quyết định trong công tác phòng chống lũ và ngập lụt ở các
nước, đây được xem như biện pháp phi công trình quan trọng nhất phục vụ phòng
tránh thiên tai do lũ.
Cùng sự phát triển các ngôn ngữ lập trình và việc ra đời các siêu máy tnh, kết
hợp với các số liệu KTTV đáng tin cậy từ thông tin có được trong công nghệ viễn
thám để mô phỏng quá trình dòng chảy lũ trên các lưu vực sông, nên phương pháp
dự báo trong thủy văn đã có sự thay đổi, phát triển mạnh thông qua mô hình số
hóa dự báo các quá trình thủy văn. Từ đó trên thế giới đã có nhiều phần mềm được
xây dựng để đáp ứng yêu cầu tính toán dự báo thủy văn trên các lưu vực sông từ
thượng lưu về hạ lưu. Các phần mềm này đã giải quyết được các bài toán dự báo lũ từ
mưa, tính toán truyền lũ trong sông, điều tiết hồ chứa, ngập lụt… Hướng xây dựng
trong các hệ thống cảnh báo, dự báo lũ, lụt dựa trên tổ hợp dự báo mưa đã được thực
hiện trong nhiều hệ thống dự báo nghiệp vụ. Trong cách tiếp cận này dự báo tổ hợp
dòng chảy đã được thực hiện dựa trên các dự báo tổ hợp mưa số trị (NWP) kết hợp
với đồng bộ hóa dữ liệu, từ đó đưa ra kết quả dự báo, cảnh báo lũ đáp ứng theo yêu

cầu đặt ra của công tác dự báo. Những năm gần đây nghiên cứu dự báo lũ thường tập
trung vào việc sử dụng các mô hình thủy văn, thủy lực. Việc áp dụng các mô hình này
vào dự báo thủy văn tỏ ra có nhiều ưu điểm vượt trội có độ chính xác cao. Sau đây là
một số mô hình được các trung tâm KTTV lớn phát triển được ứng dụng rộng rãi trên
thế giới:
Hoa Kỳ: Bộ phận dự báo thuỷ văn thuộc Cơ quan Thời tiết Hoa kỳ sử dụng để
tnh toán dòng chảy từ mưa: Mô hình SSARR là mô hình mô phỏng quá trình hình
thành dòng chảy mặt, sát mặt, ngầm và quá trình tập trung nước trên lưu vực khi
sử dụng thông tin về mưa trung bình thời đoạn, quan hệ ẩm kỳ trước với hệ số dòng
chảy, quan hệ dòng chảy ngầm, chỉ số thấm và các thông tin khác trên lưu vực.


Mô hình HEC – RAS là mô hình do trung tâm thủy văn công trình – Đoàn công


5

binh Hoa Kỳ phát triển phân tch thủy văn thủy lực cho hệ thông sông. Mô hình có thể
áp dụng cho sông đơn hoặc cả một hệ thống sông phức tạp, có cả nhập lưu giữa dòng.
Mô hình SWAT được xây dựng bởi trung tâm phục vụ nghiên cứu nông nghiệp
thuộc Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ và Trung tâm nghiên cứu nông nghiệp thuộc Đại học
Texas A&M 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.
Canada: Mô hình WATFLOOD được ứng dụng mô phỏng thủy văn thời gian
ngắn để dự báo lũ hoặc mô phỏng thời đoạn dài để tnh toán nguồn nước lưu vực. 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.

Đan Mạch: Bộ Mô hình MIKE được Viện thuỷ lực Đan Mạch phát triển xây
dựng phần mềm dự báo lũ, gồm: Mô hình NAM tnh toán và dự báo dòng chảy từ
mưa; Mô hình MIKE 11 là mô hình 1 chiều tính toán thủy lực, dự báo dòng chảy trong
sông và cảnh báo ngập lụt; Mô hình MIKE SHE mô phỏng nhiều thành phần tham gia
vào quá trình hình thành dòng chảy trên lưu vực. Các phép tnh 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.
Cộng hòa Pháp: Mô hình MARINE được ứng dụng tnh 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 tnh toán trận lũ quét
xảy ra năm 1999 tại vùng phía Nam. Trên thế giới, MARINE được đánh giá cao và
được khai thác sử dụng tnh toán lũ quét ở nhiều nước như Pháp, Hà Lan, Brasil.
Vương quốc Bỉ: Mô hình WETSPA (Water and Energy Transfer between Soil,
Plant and Atmosphere) được phát triển tại phòng nghiên cứu Thuỷ văn Thủy lực, khoa
khoa học ứng dụng đại học tự do Brusels. 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.


6

Nhật Bản: Mô hình IFAS (Integrate Flood Analysis System) là một phần mềm
tch hợp hệ thống phân tch lũ, 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 do tác
động của lớp phủ thực vật, lớp đất của bề mặt lưu vực và cho phép mô phỏng các
thành phần dòng chảy mặt, sát mặt và dòng ngầm.
Mô hình TANK ra đời năm 1956 tại trung tâm quốc gia phòng chống lũ lụt
Nhật. Mô hình này áp dụng trong dự báo lũ và khôi phục chuỗi số liệu dòng chảy từ
tài liệu mưa và bốc hơi theo các điều kiện biên, điều kiện ban đầu [7].

1.1.2 Tổng quan về nghiên cứu dự báo lũ ở Việt Nam
Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương (TTDBTƯ) đã ứng dụng nhiều công nghệ, kỹ
thuật mới với mục đích hiện đại hoá công tác thu thập, xử lý phân tích số liệu và điền
bản đồ thời tiết rất hiệu quả cho công tác phục vụ dự báo mưa và các yếu tố khí
tượng. Cung cấp các dạng thông tin, số liệu cho các đơn vị trong ngành KTTV cũng như
các đối tác trong và ngoài nước.
Hiện nay, tại trung tâm ứng dụng một số công nghệ tiên tiến có thể tích hợp
nhiều loại dữ liệu một cách tự động, các loại dữ liệu lại có thể lồng ghép trên cùng
một bản đồ nền để tiện so sánh, phân tích, đánh giá là rất cần thiết và phù hợp với xu
thế phát triển chung trong khu vực và trên thế giới đáp ứng yêu cầu phục vụ nhanh
khi xảy ra các tình huống khẩn cấp. Hệ tương tác hỗ trợ dự báo viên NAWIPS được tiếp
nhận và nghiên cứu ứng dụng tại TTDBTƯ trong khuôn khổ của đề tài nghiên cứu khoa
học cấp Bộ “Ứng dụng phần mềm NAWIPS để xây dựng công nghệ phân tích và

hiển thị bản đồ thời tiết trên máy tính” từ năm 2006 – 2008 [6]. Với hệ thống
NAWIPS, công tác thu thập, phân tích và hiển thị các số liệu đã được tự động hóa từng
phần hoặc hoàn toàn. Kết quả nghiên cứu của đề tài cho thấy việc cần thiết phải ứng
dụng một hệ thống phần mềm hỗ trợ dự báo vào nghiệp vụ.
Những năm gần đây, TTDBTƯ đã được chuyển giao một số sản phẩm dự báo
của mô hình toàn cầu GSM từ Cơ quan khí tượng Nhật bản (JMA) (dạng số, cuối năm
1997), mô hình TLAPS (nay là TXLAPS) của Cơ quan khí tượng Ôxtrâylia (BoM) (dạng
bản đồ (1999), dạng số (đầu năm 2001)) và một vài Trung tâm khí tượng khác (dạng
bản đồ).
Năm 2002, tại TTDBTƯ bắt đầu chạy nghiệp vụ mô hình số phân giải cao HRM


7

với 2 phiên bản là 28 km và 14 km. Số liệu đầu vào cho mô hình thủy tĩnh này (cả 2
phiên

7

bản) được lấy từ các trường phân tch và dự báo của mô hình toàn cầu GME của Tổng
cục Khí tượng Cộng hòa Liên bang Đức (DWD). Đến nay, hệ thống thông tin liên lạc và
tính toán của TTDBTƯ đã được tăng cường đáng kể.
Năm 2006, TTDBTƯ đã có thêm một đường truyền internet tốc độ cao cho phép
truy cập và lấy được nhiều sản phẩm dự báo số trị toàn cầu như mô hình GFS và
NOGAPS của Mỹ, GEM của Cơ quan khí tượng Canađa (CMC), và AGCM của Cơ quan
khí tượng Brazil. Ngoài các sản phẩm dự báo tất định của các mô hình toàn cầu nói
trên, các sản phẩm dự báo tổ hợp của hai mô hình GFS và GEM cũng được thu nhận và
xử lý theo thời gian thực.
Hiện tại TTDBTƯ đang chạy nghiệp vụ 2 hệ thống NWP: 1) Hệ thống dự báo tất
định bao gồm 2 phiên bản của mô hình HRM và mô hình ETA; và 2) Hệ thống dự báo
tổ hợp hạn ngắn dựa trên cách tiếp cận đa mô hình đa phân tích và hạn 3-5 ngày dựa
trên cách tiếp chạy lồng bên trong hệ thống dự báo tổ hợp toàn cầu [6].
Như vậy, công nghệ dự báo tại TTDBTƯ là khá đầy đủ và hiện đại. Các sản phẩm
NWP tại TTDBTƯ là khá phong phú và cung cấp nhiều thông tin hữu ích về mưa dự báo
phục vụ cho công tác dự báo lũ trong nghiệp vụ hàng ngày.
20 năm trở lại đây công nghệ dự báo lũ đã có những biến đổi nhanh chóng với
sự hỗ trợ mạnh mẽ của công nghệ tin học. Đi kèm với sự phát triển đó, mạng lưới
KTTV cũng như mạng lưới trạm điện báo đã phát triển hoàn chỉnh trên cơ sở tối ưu về
mặt thu thập thông tin KTTV đồng thời kết hợp sử dụng các thông tin viễn thám trên
toàn lãnh thổ. Thời kỳ này, rất nhiều các mô hình toán về dự báo lũ được xây dựng và
ứng dụng trong nghiệp vụ để dự báo lũ từ mưa, có thể kể tên như:
Hiện nay, tại Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương, 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 hồi quy bội... được kết hợp với việc ứng dụng các mô hình
toán thuỷ văn như mô hình: SSARR, TANK, NAM, IMECH-1D... là những công cụ chủ

yếu để dự báo lũ, lụt. Trung tâm đã triển khai nghiên cứu và bước đầu ứng dụng
mô hình thủy văn thông số phân bố MARINE, WETSPA (Bỉ) và các mô hình thủy lực
tiên tiến như HEC - RAS, bộ mô hình MIKE, mô hình URBS - FEW(MRC) trong nghiệp
vụ dự báo.


8

Ngoài ra một số cơ quan khác cũng ứng dụng một số mô hình toán thủy văn
trong lĩnh vực dự báo như:
Viện khoa học KTTV và BĐKH, đã nghiên cứu ứng dụng thành công trong
nghiên cứu dòng chảy bằng mô hình SSARR, TANK, SACRAMENTO, ANN, HEC1, HMS,
NLRRM và đang ứng dụng mô hình MIKE11+NAM.
Viện Khoa học Thủy lợi, Trường Đại học Thủy lợi, Viện Quy họach thủy lợi sử
dụng các mối quan hệ mưa-dòng chảy và lưu lượng tương ứng, mô hình NAM để tnh
toán dự báo dòng chảy lũ sông Hồng.
Viện Cơ học nghiên cứu ứng dụng mô hình MARINE và IMECH-1D tnh toán mô
phỏng và dự báo dòng chảy lũ thượng lưu hệ thống sông Hồng. Viện Cơ học đã có mã
nguồn phần mềm và làm chủ được công nghệ của mô hình này đã có kết quả
nghiên cứu ban đầu, để áp dụng vào trong công tác dự báo lũ.
Đề tài cấp Bộ, năm 2017 “Nghiên cứu xây dựng công nghệ dự báo dòng chảy lũ
đến các hồ chứa lớn trên hệ thống sông Hồng” ứng dụng mô hình MARINE và
MUSKINGUM – CUNGE diễn toán cho dòng chảy lũ cho 6 hồ chứa do chủ nhiệm thạc
sĩ Bùi Đình Lập - Trung tâm KTTVQG.
Đề tài cấp Bộ “Nghiên cứu ứng dụng mô hình WETSPA và HEC-RAS mô phỏng,
dự báo quá trình lũ trên hệ thống sông Vũ Gia - Thu Bồn” của tiến sĩ Đặng Thanh Mai,
thạc sĩ Vũ Đức Long - Trung tâm DBTƯ năm 2009.
Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng mô hình NAM dự báo quá trình lũ sông Bưởi tại
Kim Tân” tỉnh Thanh Hóa của thạc sĩ Vũ Đức Long - Trung tâm DBTƯ năm 2007.
Mô hình thủy lực được phát triển tại Trường Đại học Thủy lợi, Viện khoa học

KTTV và BĐKH, Trường Đại học Xây dựng áp dụng các mô hình SOGREAN, VRSAP,
KOD1, TLUC96, mô hình sóng khuếch tán (MUSKINGUM–CUNGE) với các phần mềm
có từ những năm 1980 – 1990 trong tnh toán lũ [7].
Trần Duy Kiều, năm 2015: Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ “Nghiên cứu
nhận dạng lũ lớn, phân vùng nguy cơ lũ lớn và xây dựng bản đồ ngập lụt phục vụ cảnh
báo lũ lớn lưu vực sông Lam” đã ứng dụng mô hình MIKE kết hợp với HEC - RAS và HEC
- GeoRAS để mô phỏng lũ và xây dựng bản đồ ngập lụt, đánh giá khả năng phòng
lũ của các công trình phòng lũ trên lưu vực sông Lam.