XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY TỪ MƯA THEO PHƯƠNG PHÁP SCS

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
KHOA THỦY VĂN VÀ TÀI NGUYÊN NƯỚC

HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC LẦN THỨ XXVII

XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH
TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY TỪ MƯA THEO
PHƯƠNG PHÁP SCS

Sinh viên thực hiện: Trần Thị Phương 54V2
Đinh Thị Linh 54V2
Kiều Trung Hiếu 52V
Giáo viên hướng dẫn: TS. Ngô Lê An

Hà Nội 12-2013
1


MỞ ĐẦU
1. Mở đầu
Thủy văn là một ngành khoa học nghiên cứu về mọi pha của nước trên trái
đất bao gồm sự xuất hiện, phân bố, vận động của nó. Việc nghiên cứu, tính toán
đánh giá các đặc trưng nguồn nước của lưu vực sông có vai trò rất quan trọng,
trong đó các mô hình toán trong việc tính toán và dự báo nguồn nước. Để làm tốt
vấn đề này những người làm công tác thủy văn rất cần có công cụ để tính toán,
đặc biệt là các chương trình tính trên máy tính từ đơn giản đến phức tạp.
Để nâng cao hiểu biết về quá trình thuỷ văn, đặc biệt là quan hệ giữa mưa và
dòng chảy, qua đó hỗ trợ cho việc học tập chuyên môn tốt hơn, các tác giả đã
đăng ký đề tài nghiên cứu khoa học với tên: “ Xây dựng chương trình tính toán
mô phỏng dòng chảy từ mưa theo phương pháp SCS”.
2. Mục đích và ý nghĩa của nghiên cứu

-

Đề tài có hai mục đích sau đây:

 Củng cố và nâng cao kiến thức đã học, nâng cao hiểu biết về quá trình
thuỷ văn.
 Bước đầu tiếp cận với phương pháp lập trình, ứng dụng kiến thức tin học
đã học để xây dựng được một chương trình hỗ trợ cho nghiên cứu tính
toán thủy văn của lưu vực.
-

Ý nghĩa nghiên cứu

Đề tài sẽ hỗ trợ cho sinh viên ngành thủy văn học tập tốt môn học thủy
văn cũng như sử dụng trong nghiên cứu, tính toán thủy văn sau này.
Kết quả đạt được của đề tài này sẽ tạo cơ sở cho việc tìm hiểu sâu hơn về
lập trình và các mô hình toán thủy văn.
3. Nội dung nghiên cứu của đề tài
Đề tài bao gồm hai nội dung nghiên cứu sau:
a. Tìm hiểu phương pháp mô phỏng dòng chảy từ mưa SCS.
b. Lập chương trình tính toán dòng chảy từ mưa
c. Ứng dụng chương trình cho việc tính tổn thất mưa và đường quá trình
dòng chảy mặt
4. Phương pháp nghiên cứu thực hiện đề tài
2


Để xây dựng chương tính và ứng dụng chương trình cho tính toán các đặc
trưng mưa, dòng chảy một số khu vực, ta sử dụng một số phương pháp sau:
-

Phương pháp thống kê trong thủy văn

-

Phương pháp tính toán trong thủy văn

-

Phương pháp lập trình: xây dựng chương trình ứng dụng (Microsoft
Visual Basic).

-

Phương pháp SCS để tính tổn thất từ mưa và đường quá trình dòng chảy

3


NỘI DUNG
1.

Cơ sở của phương pháp

Cơ quan Bảo vệ Thổ nhưỡng Hoa Kỳ (1972) đã phát triển phương pháp để
tính tổn thất dòng chảy từ mưa rào (gọi là phương pháp SCS).
Trong một trận mưa rào, độ sâu mưa hiệu dụng hay độ sâu dòng chảy trực
tiếp Pe không bao giờ vượt qua độ sâu mưa P. Sau khi trong quá trình dòng chảy
bắt đầu, độ sâu nước bị cầm giữ có thực trong lưu vực, Fa bao giờ cũng nhỏ hơn
hoặc bằng độ một độ sâu nước cầm giữ tiềm năng tối đa nào đó, S. Còn có một

lượng mưa Ia bị tổn thất hết nên không sinh ra dòng chảy, đó là lượng tổn thất
ban đầu trước thời điểm sinh nước đọng trên bề mặt lưu vực. Do đó lượng dòng
chảy tiềm năng là P – Ia.
Trong phương pháp SCS, giả thiết rằng tỉ số giữa hai đại lượng có thực Pe và
Fa thì bằng với tỉ số giữa hai đại lượng tiềm năng P – Ia và S.
(1)
Mà ta lại có: P= Pe + Ia + Fa

(2)

Từ (1) và (2) suy ra phương trình cơ bản của phương pháp SCS để tính độ sâu
mưa hiệu dụng hay dòng chảy trực tiếp từ một trận mưa rào.
(3)
Trong đó:
Ia - độ sâu tổn thất ban đầu
Pe - độ sâu mưa hiệu dụng
Fa - độ sâu thấm liên tục
P - tổng độ sâu mưa
Mặt khác:
Ia = 0,2S
Suy ra:
Pe

(4)

Phương trình (4) chính là phương trình dùng để mô phỏng đường quá
trình dòng chảy mặt từ mưa.
4

Trong phương pháp này ta sử dụng đến thông số CN, giá trị 0 Đối với mặt
không thấm hoặc mặt nước, CN=100, đối với các mặt tự nhiên thì CN< 100.
Mối liên hệ giữa S và CN là:
S(inche)
Hay S (mm)
Trong các điều kiện khác nhau thì CN cũng khác nhau
-

Đối với điều kiện khô: CN(I)
Đối với điều kiện bình thường của độ ẩm thời kỳ trước : CN(II)
Đối với điều kiện ướt:CN(III)

2.
2.1

Xây dựng chương trình tính toán các đặc trưng mưa và dòng chảy
Ngôn ngữ lập trình

Chương trình được xây dựng từ ngôn ngữ lập trình Microsoft Visual Basic
2008. Visual Basic là một ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng, trực quan trên
môi trường Windows. VB cung cấp một bộ công cụ hoàn chỉnh để đơn giản hóa
việc triển khai lập trình ứng dụng, có thể nói đây là cách nhanh và tốt nhất để học
và lập trình ứng dụng trên Microsoft Windows.
Phần “Visual – Trực quan” đề cập đến phương pháp được sử dụng để tạo
giao diện đồ họa người dùng (GUI – Graphical User Interface). VB có sẵn rất
nhiều những bộ phận trực quan gọi là các điều khiển (Controls) mà người lập
trình có thể sắp đặt vị trí các quyết định các đặc tính của chúng trên một khung
giao diện màn hình gọi là form. Việc thiết kế các giao diện người dùng ứng dụng
5

trên VB có thể hình dung đơn giản như việc vẽ giao diện trên Word hoặc trên
Paint Prush của Windows.
Phần “Basic” đề đến ngôn ngữ BASIC ( Beginners All- Purpose Symbolic
Instruction Code), một ngôn ngữ lập trình đơn giản, dễ học, được viết ra cho các
khoa học gia – những người không có thì giờ để học điện toán sử dụng. Tuy
nhiên ngôn ngữ BASIC trong VB đã được cải thiện rất nhiều để phù hợp với
phong cách lập trình hiện đại.
Chương trình được xây dựng trong đề tài này sử dụng các cấu trúc điều kiện,
cấu trúc lặp và các hàm thông dụng để tính toán, liên kết trực tiếp với phần mềm
Microsoft Excel trong việc nhập và xuất dữ liệu, có giao diện trực quan, dung
lượng gọn nhẹ, dễ sử dụng.
2.2

Cấu trúc vào giao diện của chương trình
2.2.1. Form nhập dữ liệu
Trình bày cách nhập Form nhập dữ liệu:
- Chọn Form nhập.vb
- Sau đó kích vào Start Debugging, xuất hiện ra bảng 1

Hình 1: Giao diện ban đầu tính toán

6


Hình 2: Giao diện chương trình xuất hiện tên tệp dự án
-

Kích vào nút “ Mở” xuất hiện ra bảng “ Open”
Kích vào Ví Dụ, mở phần Open sẽ hiện ra tên tệp dự án

Cho chạy chương trình sẽ được kết quả tại Form ketqua.vb

Hình 2: Giao diện phần mở tệp
Trình bày cấu trúc của file dữ liệu:
Cấu trúc của file dữ liệu gồm có:
-

Hệ số CN ban đầu
Số thời đoạn tính toán
Diện tích lưu vực
Chuỗi giá trị mưa

7


Hình 3:Cấu trúc file dữ liệu
2.2.2. Form kết quả
Sau khi mở tệp dữ liệu, ta có thể điều chỉnh hệ số CN, sau đó bấm nút
Tính thì chương trình sẽ tính toán tổn thất và dòng chảy mặt sinh ra từ mưa theo
phương pháp SCS. Kết quả sẽ được hiển thị như ở form bên dưới.

Hình 3: Kết quả tính toán dòng chảy của lưu vực
2.3. Áp dụng tính toán cho trận lũ cụ thể
8


Đề tài đã áp dựng thử nghiệm chương trình tính tổn thất thấm và dòng
chảy mặt từ mưa theo phương pháp SCS cho lưu vực hồ Thượng Nhật thuộc lưu
vực sông Hương có diện tích 208km 2. Lựa chọn 2 trận lũ để mô phỏng với thời
đoạn 1 giờ. Kết quả tính toán thử nghiệm được trình bày ở các hình dưới.

Trận lũ 21/ XI/ 1996

Nhận xét về đường quá trình lũ tính toán:
-

-

Ban đầu lượng mưa bị thấm khá nhiều (hệ số CN bằng 38), lượng dòng
chảy hầu như không có (từ thời đoạn ban đầu đến thời đoạn thực đo
được dòng chảy).
Khi đất không còn khả năng thấm thì tạo được dòng chảy mặt
Đỉnh lũ cao nhất vào thời đoạn 45 và đạt tới trên 300 m3/s.
Sau thời điểm lũ đạt đỉnh cao nhất thì bị giảm dần.

Trận lũ 12/ X/ 1984

9


Nhận xét về đỉnh lũ tính toán:
- Lượng mưa ban đầu thấm khá ít (do hệ số CN bằng 43) nên tạo dòng
chảy mặt khá sớm.
- Đỉnh lũ cao nhất cao nhất đạt gần 1400 m3/s vào thời đoạn thứ 22
- Sau khi đỉnh lũ đạt cao nhất thì giảm dần.

10


KẾT LUẬN
1.

Đề tài đã xây dựng được chương trình tính toán tổn thất thấm và đường
quá trình dòng chảy mặt bằng phương pháp SCS với giao diện nhập xuất số liệu
và sử dụng thuận lợi để tính toán, thống kê cũng như đặc trưng mưa, dòng chảy
lưu vực. Chương trình này có thể trợ giúp cho học tập của môn học Thủy văn đại
cương và dùng cho tính toán thủy văn của các môn học sau này. Qua lập trình,
tác giả cũng đã nắm vững hơn về ngôn ngữ và bước đầu cũng đã thực hiện được
các thao tác chủ yếu và kỹ năng cần thiết xây dựng chương trình tính thuộc lĩnh
vực chuyên ngành của mình.
2.
Đề tài cũng đã ứng dụng chương trình để tính toán và nghiên cứu về sự
tổn thất dòng chảy, cũng rút ra được những nhận xét nhất định. Kết quả nghiên
cứu cũng giúp cho tác giả hiểu rõ hơn về chế độ và quy luật biến đổi thủy văn
trên các lưu vực.

11


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Ven Te Chow và nnk. Thuỷ văn ứng dụng. NXB Giáo dục. 1994.
2. Visual Studio 2008 – MSDN.

12