Xây dựng công nghệ dự báo lũ bằng mô hình số thời hạn 3 ngày cho khu vực trung bộ việt nam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN
* * * *

* * * * *

XÂY DỤNG CÔNG NGHỆ Dự BÁO Lũ BẰNG MÔ HÌNH s ố
THỜI HẠN 3 NGÀY CHO KHU v ự c TRUNG BỘ VIỆT NAM

MÃ SỐ: QGTĐ - 04-04

1

CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI: GS.TS. TRAN TÂN TIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC Gia ca nw
TRUNGTAWTHONGTINThU Vlti^

n T '

HÀ NỘI-2006

•

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN
•

«

■

* * * * * * * * *

XÂY DỤNG CÔNG NGHỆ Dự BÁO LŨ BẰNG MÔ HÌNH s ố
THỜI HẠN 3 NGÀY CHO KHU v ự c TRUNG BỘ VIỆT NAM

MÃ SỐ: QGTĐ - 04-04

:HỦ t r ì đ ể t à i (HOẶC Dự ÁN): GS.TS. TRAN t â n t iế n
:ÁC c á n b ộ t h a m GIA:
THS. NGUYEN THANH SƠN
THS. NGUYỄN MINH TRƯỜNG
CN. NGÔ CHÍ TUẤN
CN. CỔNG THANH
CN, TRẦN NGỌC MINH
THS. HOÀNG THANH VÂN
CN. TẠ HŨU CHỈNH
THS. MAI VĂN KHIÊM
TS. LƯƠNG TUẤN ANH.

HÀ NỘI-2006


1. Báo cáo tóm tất:
a. Tên đề tài: “Xây dựng công nghệ dự báo lũ bằng mô hình số thời hạn 3
ngày cho khu vực Trung Bộ Việt Nam”.
b. Chủ trì đề tài: GS.TS. Trần Tân Tiến.

c. Các cán bộ tham gia: ThS. Nguyễn Thanh Sơn, CN. Ngô Chí Tuấn, ThS.
Nguyên Minh Trường, CN. Công Thanh, CN. Trần Ngọc Minh, ThS. Hoàng
Thanh Vân, CN. Tạ Hữu Chỉnh, ThS. Mai Vãn Khiêm, TS. Lương Tuấn Anh.
d. Mục tiêu và nội đung nghiên cứu:
- Mục tiêu:
Xây dựng công nghệ dự báo lũ thời gian dự kiến 3 ngày cho lưu vực sông
Trà Khúc, phục vụ hiệu quả phòng chống thiên tai và giảm nhẹ thiệt hại do lũ
gây ra.
- Nội dung nghiên cứu:
1)

Áp dụng mô hình RAMS dự báo mưa lớn thời hạn 2,5 ngày với độ

chính xác cao
. Nghiên cứu và cái tiến lưới tính phù hợp: Nghiên cứu kích thước lưới, số
lưới lổng và độ phán giải lưới phù hợp trong mô hình RAMS để dự báo mưa lớn
thời hạn 2,5 ngày với độ chính xác cao phù hợp với qui mô lưu vực sông nghiên
cứu.
. Nghiên cứu ảnh hưởng mặt đệm và nhiệt độ nước biển trong mô hình:
Cập nhật số liệu quan trắc tại các trạm khí tượng bề mặt, các số liệu thám sát cao
không cũng như số liệu dự báo nhiệt độ nước biển toàn câu nhằm nâng cao độ
chính xác của dự báo mưa.
. Nghiên cứu và cải tiến sơ đồ tham số hoá đối lưu của mô hình: Thử
nghiệm các sơ đồ đối lưu đang sử dụng có hiệu quả để dự báo mưa trên thế giới,
từ đó chọn được sơ đồ lối ưu nhất, cải tiến sơ đồ đã chọn cho phù hợp với điều
kiện của miền Trung Việi Nam.
. Kiểm nghiệm và đánh giá kết quả dự báo mưa lớn trênkhu vực nghiên
cứu: Chọn các kỳ mưa lớn điển hình có thể gây lũ lớn trên lưu vựcnghiên cứu và
đánh giá chất lượng dự bi o và khả năng áp dụng của mô hình.
2) Lựa chọn mô hình dự báo lũ trên lãnh thổ nghiên cứu

Tổng quan và lựa chọn mô hình dự báo lũ phù hợp: Vận dụng kinh
nghiệm, kết quả được rút ra từ các công trình nghiên cứu trên thế giới, sử dụng
các sơ đổ khác nhau đoi với mô hình phần tử hữu hạn sóng động học để hoàn
thiện và nâng cấp mô hình tính toán lũ.
Nghiên cứu mặt đc:n và lựa chọn sơ đổ tính toán dòng cháy: Tập hợp, số


hoá các bản đồ địa hình, mạng lưới thuỷ văn, thảm thực vật, đất và hiện trạng sử
dụng đất từ đó thành lập các bản đồ độ đốc, bản đồ lưới phần tử để xác định các
bộ thông số của mỏ hình. Trong mô phỏng không gian sử dụng các hàm nội suy
khác nhau và ổn định sơ đồ tính như hàm nội suy tuyến tính, hàm nặng một phía
và hàm nội suy bậc cao. Giải các phương trình vi phân bằng các sơ đổ hiện tăng
cường, các sơ đồ ẩn lặp và sơ đồ ẩn sử dụng các bước lẻ.
Xác lập bộ thông số cho mô hình lựa chọn cho lưu vực sông Trà Khúc:
Bằng phương pháp GIS \à phương pháp tối ưu hoá.
Dự báo kiểm nghiệm và đánh giá: Đưa ra các dự báo kiểm nghiệm mô
phỏng cho một số trận ]ũ lớn gần đây sử dụng sô liệu lịch sử năm 2003, 2004 và
dự báo các trận lũ năm 2005, rút ra các kết luận về tính đúng đắn của mô hình dự
báo lũ được lựa chọn đổng thời đánh giá tác động của các hoạt động kinh tế xã
hội trên các lưu vực đến sự hình thành dòng chảy lũ từ đó đưa ra các kiến nghị về
biện pháp giảm thiểu tai biến lũ.
3)
Xây dựng công nghệ dự báo lũ trên cơ sở liên kết mô hình RAMS và
mô hình toán thuỷ văn.
Liên kết mô hình: Truy xuất các kết quả dự báo của mô hình RAMS phù
hợp với các mô hình thuy van.
Thử nghiệm dự háo: Dự báo các trận lũ đã xảy ra sử dụng kết quả dự báo
mưa. Xác lập các bộ thông số phù hợp với các mô hình tính toán mưa, lũ trên các
lưu vực đã lựa chọn.
Kiểm tra dụ báo vì .lình diễn kết quả: Đánh giá chất lượng dự báo lũ trên

các lưu vực đã lựa chọn theo các chỉ tiêu: Tống lượng lũ, đỉnh lũ và quá trình lũ,
Xây dựng qui trình công nghệ dự báo mưa lũ liên hoàn để có thể cảnh báo kịp
thời và có hiệu quả.
e. Các kết quả đạt được:
1) Hiện nay lũ ở Trung Bộ chỉ dự báo được trước 12 giờ. Công trình này
đã thử nghiệm đưa thời hạn dự báo lũ ở Trung bộ lên 3 ngày. Để giải quyết vấn
đề này chúng tỏi đã tiến ]>nh nghiên cứu dự báo mưa cho khu vực Trung Trung
Bộ bằng các mỏ hình so ' ■háo thời tiết nhu' RAMS. RTA. WRF. Từ các kết quả
nhân được chỉ có mô hirr RAMS mới có khả năng cho dự báo mưa lớn (lượng
mưa 100-200 mm/ngày)
2) Sử dụng mô hint' RAMS với 3 lưới lồng (bước lưới 36, 6 và 3 km), số
liệu AVN, cao khong V cl a phương để dự báo mưa. Kết quả nghiên cứu đã nâng
cao chất lượng dự báo IVr j ờ khu vực này, đông thời tạo ra những hộ s ố liệu đầu

vào hoàn chỉnh, phục \ .1 cho công tác dự báo lũ ở sông Trà Khúc. Kết qua dự
4


báo mưa được kiểm tra đánh giá bằng các chí số thống kê.
3) Để dự báo lũ đã sử dụng mô hình sóng động học 1 chiều, phương pháp
phần tử hữu hạn và phương pháp s c s với bộ thông số được thành lập cho lưu vực
sông Trà Khúc với các kếl quả dự báo mưa nói trên đã tiến hành thử nghiệm dự
báo lũ cho kết quá khả quan.
4) Trên cơ sở nghiên cứu này đề tài đã xây dựng được công nghệ dự báo lũ
trước 3 ngày cho lưu vực sông Trà Khúc đến trạm Sơn Giang có khả năng
chuyển giao được. Công nghệ này cũng mở ra triển vọng nghiên cứu áp dụng để
xây dựng cồng nghệ dự háo lũ trước 3 ngày với các lưu vực Miền Trung khác.
Kết quả nghiên cứu của đề tài trọng điểm quốc gia này đã đánh dấu một
giai đoạn mới của dự báo lũ ở Trung Bộ Việt Nam.
f.

Tình hình kinh phí của đề tài (hoặc dự án): Kinh phí của dự án 300 triệu
đổng đã chi để thực hiện đề tài.
KHOA QUAN LÝ

CHỦ TRÌ ĐỂ TÀI

TRƯỜNC, ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN
PHÕ Hitu itiuỢriú


2. Summary
a. Project name: “Developing a numerical technique for 3-day flood
forecast in Central Vietnam”.
b. The head o f project: Prof. Dr. Tran Tan Tien
c. Participants: Dr. Luong Tuan Anh, MSc. Nguyen Thanh Son, MSc.
Nguyen Minh Truong, MSc. Hoang Thanh Van, BSc. Cong Thanh, BSc. Ngo
Chi Tuan, BSc. Le Quoc Huy.
d. Objectives and contents
- Objectives
+ To develop a numerical technique for 3-day flood forecast in Tra Khuc
river basin, aiming at lessening natural disasters such as property and human
damages caused by floods.
+ To initially evaluate the ability to operationally apply to Tra Khuc river
basin.
- Contents
+ The application of RAMS to accurately forecast heavy rainfall for 2.5
day term
. To choose suitable grid configurations, including nested grids, such as
domain sizes, number of nested grids, horizontal and vertical grid spacings,
which are suitable to RAMS to forecast heavy rainfall with high accuracy for

2.5-day term in the basin of interest.
. To evaluate the impacts of the surface and SST (Sea Surface
Temperature) on forecast fields by using the weather surface data, soundings,
and forecast SST to increase the accuracy of meteorological forecasts.
. To study the impacts of CPSs (Convective Parameterization Scheme) on
rainfall forecasts by using differents schemes which are widely available.
Accordingly, to choose a suitable scheme for Central Vietnam.
. Finally, for the atmospheric study, to evaluate rainfall forecasts in the
domain of interest by using heavy rainfall observed data whose events caused
floods in the domain.
6


+ Other atmospheric models are also applied, such as WRF, ETA,
however, according to the given results the accuracy of rainfall forecasts is not
as good as one given by RAMS.
+ Establishing flood model
. Using different schemes in term of finite element method, such as linear
interpolation function, weighted function, and polynomial function, a ID
kinematic wave model is developed, where explicit and implicit schemes are
chosen.
. To study surface processes and choose a suitable scheme for flow
computations by using topography maps, river maps, coverage maps, and
landuse maps which are then used to create acclivity maps and maps for discrete
elements.
. A set of parameters for the model is calibrated, using the optimal and
GIS methods and flow observed data in the years of 2003, and 2004.
. To quantitatively evaluate flood forecasts using flow observed data in
2005 for criteria such as volume, peak and evolution.
+ As the last step, a numerical technique is operationally integrated for

Tra Khuc river basin. The integrated technique is easily updated if landuse and
coverage change and used for other basins.
e. Results
1) Up to present, flood forecast term in Central Vietnam is limited by 12h.
In this project a numerical technique with 3-day term has been developed and
tested for Central Vietnam. As the first step, we studied heavy rainfall forecast
problem in Central Vietnam using different models such as RAMS, ETA, WRF.
According to the results. RAMS gave the best forecasts (with rainfall amount
100-200 mm/day).
2) Using RAMS with 3-nesled grids respective to 36, 6 and 3 km
horizontal grid spacings, AVN data, soundings and local weather station data
were used to forecast heavy rainfall, resulting in the accuracy improvements for
the Central region of Vietnam. At the same time, the input data for flood model
were set up, which was then used to forecast flood in Tra Khuc river basin.
Rainfall forecasts were c\aluated using statistical indexes
7


3) To forecast flood ID kinematic wave model was applied, using finite
element and s c s methods with parameters calibrated for Tra Khuc river basin.
Using rainfall forecasts given by RAMS, flood forecasts were carried out and
gave promising results.
4) Basing on above studies, this project has successfully developed a
numerical technique to forecast flood in Tra Khuc river basin (to Son Giang
station) for 3-day term, which is available to exchange. The aforementioned
technique opens prospects of forecasting flood for 3-day term in other regions of
Central Vietnam.
The results obtained by this national key project marks a new step forward
of flood forecasting in the Central of Vietnam.
/ Project financial source:

This project was supported by Vietnam National University, Hanoi, under
Grant QGTD-04-04 with the total finance of 300.000.000 VND.

8


MỤC
LỤC
■
m
Mở đ ầ u .................................................................................................................. 11
Chương 1. Tổng quan về dự báo mửa lũ trên th ế giới và V iệt Nam 14
1.1. Nghiên cứu mưa trên Thẽ giới và Việt Nam............................................ 14
1.1.1. Các phương pháp dự báo mưa trên thế giới....................................... 14
1.1.2. Một số công trình dự báo mưa ỏ Việt N am ........................................ 16
1.2
Tình hình nghiên cứu lũ trên Thế giới và Việt N am ............................... 19
1.2.1. Phân loại các mô hình mô phỏng quá trình dòng chảy...................... 19
1.2.2. Mô hình thuỷ động lực học......................................................................25
1.2.3. Các mô hình nhận thức....................................................................... 32
1.2.4. Một sô" kết quả ứng dụng mô hình toán thuỷ vãn ở Việt Nam........39
1.3. Đặc điểm địa lý tự nhiên lưu vực nghiên cứu......................................... 40
1.3.1. Vị trí địa lý .......................................................................................... 40
1.3.2. Địa hình.................................................................................................. 41
1.3.3. Địa chất, thổ nhưỡng...........................................................................41
1.3.4. Thảm thực v ật......................................................................................42
1.3.5. Khí hậu................................................ .............................................. 44
1.3.6. Đặc điểm thủy văn và mạng lưới sông SUÔI....................................... 45
Chương 2. Dự báo mưa bằng các mô hình s ố ........................................... 49
2.1.

Cơ sở lý thuyết của mô hình RAMS.......................................................... 49
2.1.1 Lịch sử phát triển của Mô hình RAMS............................................... 49
2.1.2 Các đặc trưng toán-lý cơ bản của mô hình RAMS.............................. 51
2.2. Các sơ đồ đốĩ lưu, lựa chọn và cải tiến .......................................................... 64
2.2.1 Tham sô hoá đối lưu.................................................................................64
2.2.2 Sơ đồ tham sô" hoá đối lưu của Kuo đãđược đơn giản hoá...................... 66
2.3. Cơ sở lý thuyết của mô hình WRF................................................................68
2.3.1 Giới thiệu vế mô hình WRF.....................................................................68
2.3.2 Sơ đồ hệ thông chạy của mô hình WRF................................................... 68
2.3.3 Các phương trình Euler dạng thông thường........................................... 69
2.3.4 Các quá trình vật lý của mô hình............................................................ 71
2.4. Xây dựng lưới tính phục vụ dự báo mưa lớn................................................. 73
2.5. Điều kiện biên và điều kiện ban đầu cho mô hình dự báo mưa................... 74
Chương 3. Mô phỏng và dự báo lũ bằng mô hình sóng động học m ột
chiều phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp s c s .............. 76
3.1. Lý thuyết mô hình sóng động học một chiều và phương pháp phần tử
hữu h ạ n ................................................................................................................. 76
3.1.1. Mô hình sóng động học một chiều.......................................................76
3.1.2. Phương pháp phần tử hữu hạn........................................................... 76
3.2.
Phương pháp s c s ................................................................................................ 87
3.2.1.
Cơ sở phương pháp s c s ..............................................................................87

3.2.2. Phát triển s c s trên thê giới và Việt Nam......................................... 90
3.3. Xây dựng bộ thông sô' của mô hình mô phỏng và dự báo lũ ......................... 92
3.3.1.
Cơ sở dữ liệu....................................................................................... 92
3.3.2.
Chương trình tín h .............................................................................. 95

3.3.3.
Xác định bộ thông sô" của môhình mô phỏngvà dự báo lũ cho lưu vực
sông Trà Khúc trạm Sơn Giang........................................................................ 98

9


Chương 4. Xây dựng công nghệ dự báo lũ 3 ngày cho khu vực Trung

Bộ.... .7....................7.................................. .................... ........ 100

4.1 Đánh giá kết quả mô phỏng và dự báo mưa khu vực Trung Bộ................100
4.1.1. Dự báo mưa tại các trạm Synốp bằng RAMS....................................... 100
4.1.2. Dự báo mưa tại các trạm đo mưa trên lưu vực sông Trà Khúc và sông
Vệ..................... ................. ................................... ..........7............. .......... .104
4.1.3. Các chỉ số đánh giá dự báo mưa..........................................................115
4.2. Đánh giá kết quả mô phỏng và dự báo l ũ ................................................... 120
4.2.1. Đánh giá kết quả mô phỏng.................................................................. 120
4.2.2. Kiểm nghiệm bộ thông sô"....................................................................122
4.2.3. Hiệu chỉnh bộ thông số khi dùng mưa dự báo thời hạn 3 ngày của mô
hình RAMS......................................................................... !.........................123
4.2.4. Dự báo lũ từ tài liệu mưa của mô hình RAMS..................................... 126
4.3. Xây dựng quy trình dự báo lũ...................................................................... 127
4.3.1 Cài đặt và chạy mô hình dự báo Khí tượng............................................127
4.3.2 Quy trình dự báo lũ:............................................................................... 128
Kết luận và kiến n g h ị..................................................................................132
Tài liệu tham k h ảo .......................................................................................... 133
Phụ lụ c................................................................................................................. 140

10

MỞ ĐẨU
Lũ lụt, lũ quét là hiện tượng thủy văn đặc biệt nguy hiểm, trong một
số trường hợp nó có sức tàn phá khủng khiếp và trở thành thảm hoạ tự
nhiên đối vối nhân loại, ở Việt Nam lũ được hình thành do mưa lớn gây
nên, đặc biệt là với những trận mưa xảy ra vào thời kỳ bể m ặt lưu vực có độ
ẩm bão hòa, độ dốc lốn vói cưòng độ mưa mạnh thì hầu như toàn bộ thê tích
nước mưa tập trung vào lòng sông gây ra lũ lớn đột ngột. Mùa lũ thường đi
kèm vối mùa mưa, chậm hớn khoảng nửa tháng ở đồng bằng Bắc Bộ đến
hai tháng ở Tây Nguyên.
Mùa lũ ở Bắc Bộ thường bắt đầu từ tháng 5-6 và kết thúc khoảng
tháng 9-10, Bắc Trung Bộ từ tháng 8 đến tháng 10-11, Trung và Nam
Trung Bộ: tháng 10-12, Tây Nguyên: tháng 6-12, Nam Bộ: tháng 7-12. Tuy
vậy đầu mùa mưa cũng có thể có lũ sớm, như lũ "tiểu mãn", thường xảy ra
vào "tiết tiểu mãn" (tháng 5) hàng năm.
Trong những năm gần đây, dải đất Miền Trung là nơi chịu nhiều
thiên tai lũ lụt nhiều nhất nước ta. Với dải địa hình hẹp, chạy dài dọc biển
và dãy Trường Sơn vói nhiều dãy núi cắt ngang ra biển như Đèo Ngang,
Đèo Hải Vân, Đèo cả, khu vực này là nơi có điều kiện thuận lợi để hứng ẩm
từ Biển Đông khi có bão và các đợt gió mùa Đông Bắc và tín phong Đông
Nam, gây mưa lớn trên các vùng núi cao và kèm theo lũ lớn trên các triền
sông.
Các lưu vực sông suôi Miền Trung, với dải đồng bằng hẹp, hơn 2/3
diện tích lưu vực là vùng đồi núi nên các sông ngắn và dốc do đó thường khi
có mưa là gây lũ lớn. Lũ lụt đã gây nên những thiệt hại to lón vê người và
của, tàn phá cơ sở hạ tầng, gây khó khăn cho sản xuất và sự phát triển
kinh tê xã hội.
Các sông lón tiêu biểu ở Miền Trung như hệ thống sông Mã (Thanh
Hóa), sông Cả (Nghệ An, Hà Tĩnh), sông Gianh, sông Kiến Giang (Quảng

Bình), sông Thạch Hãn (Quảng Trị) sông Hương (Thừa Thiên - Huê), sông
Thu Bồn (Quảng Nam), sông Trà Khúc, sông Vệ (Quảng Ngãi), sông Côn
(Bình Định) sông Ba (Phú Yên) sông Cái (Khánh Hòa)... Đặc điềm của các
sông này là ngắn và dốc, khi có mưa, lũ lên nhanh và việc thoát lũ ở miền
đồng bằng kém (đồng bằng hẹp và cửa sông hay bị bồi lấp) nên gây ngập
úng ảnh hưởng nghiêm trọng đến sản xuất nông nghiệp và các hoạt động
kinh tế, an ninh quốc phòng.
11


Trong những năm cuối của thẽ kỷ XX và đầu thê kỷ XXI, nơi đây đã
chịu nhiều trận mưa lớn lịch sử. Đặc biệt vào năm 1999, những trận mưa
liên tục từ ngày 18 tháng 10 đến ngày 6 tháng 11 đã dâng mực nước các
sông lốn ở Miền Trung đến độ cao chưa từng thấy. Gần 1.4 m (1384 mm)
nước mưa đã đổ xuống thành phô" Huế trong vòng 24 giò (từ 7 giò sáng ngày
2 đến 7 giò sáng ngày 3 tháng 11), làm mực nưóc Sông Hương lên cao gần
6m, cao hơn mực nước trận lụt lịch sử năm 1953 đến 0.46 m. Lượng nước
mưa vào ngày 2 tháng 11 tại Huê là lượng nước mưa lón thứ nhì trên thê
giới, sau kỷ lục 1870 mm đo được tại Cilaos, đảo Reunion vào ngày 16
tháng 3 năm 1952. Tiếp đến là các trận mưa lớn đã xảy ra từ ngày 1 - 7
tháng 12 ở hai tỉnh Quảng Nam và Quảng Ngãi, lượng nước mưa lên đến
2192 mm ở thượng lưu Sông Tam Kỳ và 2011 mm ở gần Ba Tơ. Đặc điểm
của trận lụt năm 1999 là nước lũ dâng cao rấ t nhanh nhưng xuống chậm,
làm nhiều nơi bị ngập lụt đến 3-4 ngày.
Vấn đề dự báo, cảnh báo lũ lụt, lũ quét là một vấn để luôn được các cơ
quan chức năng quan tâm. Do phải sử dụng lượng mưa quan trắc được ở
các trạm KTTV để dự báo lũ nên lũ Trung Bộ thường chỉ dự báo được trước
không quá 12 giò, không đủ để triển khai đầy đủ công tác phòng tránh lũ.
Nhiệm vụ của các nhà khoa học trưóc lũ Miền Trung là cần nâng được thời
gian dự kiến các dự báo lũ và nâng cao độ chính xác của dự báo cho trạm

thượng lưu đầu nguồn. Thòi gian gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của
công nghệ thông tin, nhiều mô hình sô" trị dự báo thời tiết đã được áp dụng
vào Việt Nam đã góp phần đáng kể trong việc nghiên cứu và dự báo mưa ở
nước ta. Nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng các mô hình sô' đã được đưa
vào dự báo nghiệp vụ, tuy nhiên cho đến nay việc dự báo chính xác mưa lớn
vẫn là một vấn đề phức tạp, thách thức không chỉ các nhà khí tượng Việt
Nam mà cả vói ngành khí tượng th ế giói.
Để giải quyết vấn đề này chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu và áp
dụng mô hình RAMS dự báo mưa cho khu vực Trung Trung Bộ. Kết quả
nghiên cứu đã góp phần nâng cao chất lượng dự báo mưa ở khu vực này,
đồng thời tạo ra những bộ sô' liệu đầu vào hoàn chỉnh, phục vụ cho công tác
dự báo lũ thời hạn trước 3 ngày.
Do tính chất mưa ở Miền Trung và tính chất m ặt đệm các lưu vực
sông ở đây có nhiều điểm tương đồng nên đề tài lựa chọn một lưu vực điển
hình (sông Trà Khúc đến trạm Sơn Giang) làm đôi tượng nghiên rứu với
mục đích dự báo tốt lũ ở trạm thượng nguổn. Vấn đê diễn toán lũ ở trạm
12


thượng nguồn về hạ lưu hiện nay có thể kế thừa các phương pháp dự báo
đang được triển khai áp dụng tại các Trung tâm dự báo các tỉnh.
Sử dụng mô hình sóng động học 1 chiều, phương pháp phần tử hữu
hạn và phương pháp s c s với bộ thông sô được thành lập cho lưu vực sông
Trà Khúc vối các kết quả dự báo mưa thòi hạn 3 ngày từ các mô hình khí
tượng đã tiến hành thử nghiệm cho kết quả dự báo lũ khả quan.
Trên cơ sở kết quả nghiên cứu này đề tài đã xây dựng được công nghệ
dự báo lũ trước 3 ngày cho lưu vực sông Trà Khúc đến trạm Sơn Giang có
khả năng chuyển giao.
Công nghệ này cũng mở ra triển vọng nghiên cứu áp dụng để xây
dựng công nghệ dự báo lũ trước 3 ngày vổi các lưu vực khác ở Miền Trung.

Nhân dịp này, tập thể tác giả đề tài xin chân thành cảm ơn Ban
Giám đốc Đại học Quôc gia, Ban Khoa học Công nghệ, ĐHQG Hà Nội, Ban
Giám hiệu Trường Đại học Khoa học Tự nhiên và các Phòng, Ban chức
năng đã tạo điểu kiện thuận lợi cho Đê' tài trong công việc nghiên cứu.

13


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỂ D ự BÁO MƯA LỦ TRÊN THÊ
GIỚI VÀ VIỆT NAM
1.1.

NGHIÊN CỨU MƯA TRÊN THÊ GIỚI VÀ VIỆT NAM

1.1.1. Các phương pháp dự báo mưa trên th ế giới
a)

Phương p h á p thống kê thực nghiệm dự báo mưa ở m ột s ố

nước Châu Á
+ Hàn Quốc:
Mô hình hồi quy tuyến tính nhiểu chiều của Viện nghiên cứu khí
tượng (METRI - Meteorological Research Institute) được dùng để thỏ
nghiệm dự báo hạn dài cho giáng thủy và nhiệt độ tại Hàn Quốc. Kết quả
mô hình thực nghiệm cho sản phẩm dự báo nhiệt độ tháng giêng (mùa
đông) và lượng mưa tháng 8 (mùa hè). Những nhân tố dự báo chọn từ độ
cao địa th ế vị mực 500 hPa ở Bắc Bán c ầ u và trưòng nhiệt độ m ặt biển
(SST - Sea surface temperature) trên Thái Bình Dương.
+ Ấn Độ:
Ấn Độ là một nước có lịch sử lâu dài trong nghiên cứu hạn dài về mưa

do gió mùa. Từ đầu thê kỷ 20, ở Ấn Độ đã phát triển nhiều loại mô hình
thống kê, trong đó có mô hình hồi quy để dự báo gió mùa Ấn Độ. Các yếu tô
dự báo khác nhau được chọn bằng phương pháp tương quan. Ví dụ một sô"
nhân tô" dự báo được sử dụng là: sự tích tụ tuyết trên núi Himalaya cuối
tháng 5, khí áp tại hai trạm Tahiti và Darwin (vào mùa xuân) và nhiệt độ
bò biển Pêru (trưóc tháng 8)...Ngoài ra còn có những mô hình dự báo thống
kê khác, đó là các mô hình nhiều tham sô", những tham sô" được sử dụng
trong mô hình là: nhiệt độ, áp suất, gió, bao phủ tuyết... Điển hình như:
Phương pháp dự báo biến động giáng thuỷ ở phía đông bắc Ân Độ:
Sử dụng phương pháp phân tích hàm trực giao tự nhiên (EOF Empirical Orthogonal Function) dự báo lượng mưa do gió mùa tây nam ở
Ấn Độ. Toàn bộ lượng mưa hàng năm sinh ra do ảnh hưởng của gió mùa tây
nam chiếm 70% (trong những tháng từ tháng 6 đến tháng 9), còn lại 22%
lượng mưa sinh ra do bão (từ tháng 3 - 5), và 8% do gió mùa đông bắc (từ
tháng 1 1 - 1 ) . Kết quả phân tích cho thấy lượng giáng thuỷ ở vùng đông
bắc Ấn Độ chịu ảnh hưởng chủ yếu bởi gió mùa tây nam. Các tham số hoàn
lưu toàn cầu và sự biến động SST vùng ENSO, hệ thống nhiệt độ Bắc Bán


c ầ u và nhiệt độ khu vực này, gió mùa tây nam và dao động 2 năm của đới
gió dưói tầng bình lưu được sử dụng để dự báo mưa do gió mùa tây nam.
Những chỉ tiêu này đã được nghiên cứu và dự báo gió mùa tây nam và gió
mùa đông bắc ỏ vùng đông bắc Ấn Độ. Những tham số hoàn lưu đã cho thấy
hệ số tương quan không đủ lớn để phát triển mô hình dự báo.
+ Trung Quốc:

Sử dụng phương pháp phân tích thành phần chính quay (RPC Rotated principle component analysis) để nghiên cứu đặc điểm không gian
và thòi gian của giáng thuỷ Trung Quốc (Jingfang Wang, Julia Zhus Zuotoo
Li: 1996)
Cấu trúc không gian dự báo trên toàn lãnh thổ Trung Quốc bao gồm
339 trạm, chia thành 7 khu vực dự báo. Nguồn số liệu là lượng mưa mùa hè

trong 3 tháng: tháng 6, tháng 7 và tháng 8 từ năm 1951 — 1994. Sô" liệu
khuyết bổ sung bằng phương pháp “hàn” (Splus).
Từ kết quả phân tích, tác giả đã rú t ra một sô" nhận xét như sau:
lượng mưa ở Trung Quốc có chu kỳ năm rõ rệt, nhưng phân bõ" lượng mưa
theo từng năm không giông nhau do lượng mưa mùa hè ở Trung Quốc
không chỉ tác động bỏi gió mùa mà còn chịu ảnh hưởng của một sô hiện
tượng thời tiết khác như: ENSO, dao động tựa 2 năm ... Trong sô 7 khu vực
lượng mưa ở vùng đông nam Trung Quốc lớn hơn nhiều so vói vùng Tây
Bắc.
b) Phương p h á p sô trị dư báo m ưa ở m ột sô nước Châu Âu và
Ngày nay cùng với sự phát triển như vũ bão của công nghệ thông tin,
hàng loạt mô hình dự báo thời tiết cho khu vực đã ra đòi như RAMS, MM5,
ETA, HRM... Các mô hình này được phát triển dựa trên nguyên tắc lồng
vào các mô hình toàn cầu hay nói cách khác là sử dụng sản phẩm của mô
hình toàn cầu làm điều kiện ban đầu và điều kiện biên phụ thuộc thòi gian
để mô phỏng dự báo thòi tiết cho những khu vực cụ thể. Vói ưu điểm là độ
phân giải lón, bưóc lưói nhỏ nên có thể tiến hành dự báo một cách chi tiết
cho từng khu vực với độ chính xác tương đôi cao. ứng dụng các mô hình
này, dự báo thòi tiết điểm mà đặc biệt là dự báo mưa lớn đã được triển khai
trên phạm vi rộng rãi tại Mỹ và một số nưóc Châu Âu và đã thu được
những thành tựu đáng ghi nhận.


1.1.2. Một sô' công trình dự báo mưa ở V iệt Nam
Từ trước tới nay, các công trình nghiên cứu dự báo mưa ở Việt Nam
thường sử dụng hai phương pháp thông kê synôp và thông kê thực nghiệm,
nhất là trong dự báo hạn vừa, hạn dài. Nhìn chung kết quả dự báo còn hạn
chế do: thòi tiết Việt Nam chịu ảnh hưởng của nhiều hệ thống thời tiết tác
động phức tạp và do bộ sô' liệu ở nước ta chưa đủ dài và có nơi không liên
tục, cho dù những năm gần đây đã tốt hơn nhưng chưa đáp ứng được với

bài toán thống kê...
Sau đây là nội dung của một sô" công trình dự báo mưa được công bố
trong nước:
+ Các công trình dự báo mưa bằng phương pháp thống kê Synôp
Năm 1990, tại Hội nghị tổng kết công tác nghiên cứu Khí tượng-Thuỷ
văn lần 3, nhóm tác giả Nguyễn Ngọc Thục và Lương Tuấn Minh đã công
bô' công trình nghiên cứu vể “các hình th ế synôp gây mưa lớn ở Miền Bắc
Việt Nam”. Chuỗi sô' liệu lượng mưa sử dụng trong nghiên cứu được lấy từ
một trạm điển hình ở các tỉnh Miền Bắc thòi đoạn 1970 - 1989. Các tác giả
đã tổng kết một sô' hình th ế synôp cơ bản gây mưa lớn diện rộng ở các tỉnh
miền Bắc nước ta và kèm theo những nhận xét bước đầu về dấu hiệu có liên
quan đến mưa lớn:
- Rãnh áp thấp từ mặt đất tói mực 850mb có kết hợp tác động của
không khí lạnh
- Hội tụ kinh hưóng ồ mực 850mb - 700mb
- Dải hội tụ nhiệt đói (ITCZ)
- Mưa lớn do xoáy thuận nhiệt đói
Trong báo cáo này, các tác giả mới đưa ra kết quả tống kết hình th ế
synôp trong 20 năm, chưa đưa ra được những chỉ tiêu cụ thể để có thể áp
dụng
dự báo lượng mưa, đợt mưa lón, hay cưòng độ mưa. Vì vậy. trong
bài viết này tác giả cho biết “những kết quả tổng kết này chỉ được dùng
tham khảo” trong dự báo nghiệp vụ.
Năm 2000, tại Hội nghị khoa học, công nghệ dự báo và phục vụ dự
báo Khí Tượng-Thuỷ Văn lần thứ V, TS. Vũ Đình Hải đã báo cáo công trình
nghiên cứu về “Các dạng hình th ế thòi tiết gây mưa lón ở miền Trung”.
Trong đó tác giả đã sỏ dụng phương pháp thống kê synôp để dự báo.
Chuỗi số liệu được lấy từ năm 1997 đến năm 1999. Trên cơ sở tổng hợp và
phân tích toàn bộ các dạng mưa, tác giả đưa ra kết quả tổng quát về lượng
16

mưa trung bình và thời gian, cũng như lượng mưa lớn nhất có thể có ứng
với từng loại hình thòi tiết. Tác giả đã chia ra 6 dạng hình th ế synôp gây ra
mưa lớn như sau:
- Mưa do bão hoặc áp thấp nhiệt đới đơn thuần ảnh hưởng đến khu
vực.
- Mưa do bão, áp thấp nhiệt đới ảnh hưỏng đến khu vực, tiếp sau là
sự xâm nhập vể phía tây của áp cao Thái Bình Dương.
- Mưa do hai cơn bão liên tiếp, hay bão sau đó là áp thấp nhiệt đối
khác.
- Mưa do bão hoặc áp thấp nhiệt đới hoạt động ở Nam Biển Đông hay
đổ bộ trực tiếp vào phía nam khu vực, trong khi đó phía bắc có sự xâm
nhập về phía nam của không khí lạnh hoặc ỏ phía bắc của bão.
- Gió mùa đông bắc xâm nhập xuống phía nam theo hưống đông đông
nam.
Trong bài này, ngoài việc phân tích đầy đủ các dạng hình thẽ synôp
gây mưa lớn ở Trung Trung Bộ, tác giả đã đưa ra được chỉ tiêu để đánh giá
và dự báo mưa.
+ Các công trinh dự báo theo phương pháp thống kê thực nghiệm:
Ngoài dự báo theo phương pháp thống kê synôp ra, phương pháp
thống kê thực nghiệm cũng được áp dụng trong dự báo ỏ nước ta. Đây là
phương pháp được áp dụng rộng rãi không chỉ ỏ trong nưóc mà nhiều nước
trên thê giới cũng dự báo theo phương pháp này. Sau đây là một sô" công
trình dự báo mưa trong nưóc theo phương pháp này:
Công trình nghiên cứu dự báo trước 3 —4 ngày mưa lớn trên lưu vực
sông Hồng - Thái Bình của ThS. Nguyễn Đức Hậu: Trên cơ sỏ xác định các
dấu hiệu và những đặc trưng synôp cơ bản gây mưa lón ở mực 850mb và
500mb, tác giả đã xây dựng được các mô hình mô phỏng hình thẽ synôp ở
hai mực này trưốc 3 —4 ngày mưa lớn trên lưu vực sông Hồng —Thái Bình.

Các dấu hiệu và các đặc trưng của các mô hình trên là cơ sở tiến hành xây
dựng trên máy tính chương trình dự báo khách quan về mưa lớn trước từ 3
đến 4 ngày. Chương trình phần mềm khách quan có kết hợp vói sản phẩm
sô" trị và tự động cập nhật kết quả đo lượng mưa đã qua trên toàn quốc.
Đây là phương pháp dự báo mưa rất có hiệu quả và đã được sử dụng dự báo
thử nghiệm cho hai mùa mưa (1999 - 2000) và kết quá cho thấy là cố thê
sử dụng được trong nghiệp vụ dự báo.
Năm 2000, trên tạp chí Khí tượng Thòỷ-<ỉâìi áấ; đăỉig :-bèá{5>ĩá o của kỷ
TRUNG
: •- TINTHOV
~ Â

V

T H

ĩ

•

C

’ ||\I

Ị Ị - : j

*

17

' ị

r (


sư Dương Vãn Khảm vối để tài “Áp dụng mô hình động thái ARIMA
(Automatic Regussion Interyrated Mutiple Analysis) và phần mềm thống
kê SAS (Statiscal Analysis System) trong việc xây dựng mô hình dự báo
lượng mưa ỏ khu vực Hà Nội”. Trong đề tài này tác giả đã áp dụng phần
mềm hệ thông phân tích thống kê của Mỹ vào Việt Nam. Đây là phần mềm
được rất nhiều nước trên thế giới sử dụng, sử dụng chuỗi sô liệu lượng mưa
tháng ở trạm Láng (Hà Nội), và số liệu vêt đen m ặt tròi trung bình tháng
từ năm 1986 đến 1998 ở đài thiên văn tỉnh Vân Nam (Trung Quốc). Trong
chuỗi số liệu 13 năm, tác giả sử dụng sõ liệu 11 năm để phân tích và hai
năm cuối dùng làm số liệu độc lập để kiểm nghiệm mô hình.
Từ kết quả mô phỏng và dự báo theo mô hình, tác giả đã cho nhận
xét: Khi đưa nhân tô' vết đen mặt tròi tham gia vào mô hình dự báo lượng
mưa tháng 9, đường lượng mưa được mô phỏng gần trùng với đường lượng
mưa thực tế, đặc biệt là những năm có lượng mưa lớn như năm 1941 lượng
mưa 544,3 mm với mô phỏng là 504,1 mm, năm 1994 lượng mưa thực tẽ là
744,1 mm với mô phỏng là 827,7 mm. Chứng tỏ với số lượng mưa lỏn hơn
300 mm thì sai sô' là nhỏ. Tuy mô hình còn sai sô' nhưng những hạn chế này
ta hoàn toàn có thể khắc phục được nếu tìm được nhiều yếu tô" ảnh hưởng
để đưa vào mô hình.
Ngoài ra, Dương Văn Khảm còn có công trình nghiên cứu mang tên
“áp dụng phương pháp hàm trực giao kinh nghiệm phân tích một số đặc
trưng phân bô của sự biến đổi lượng mưa ở miền Bắc Việt Nam”. Trong để
tài này, tác giả sử dụng phương pháp khai triển hàm trực giao tự nhiên để
phân tích lượng mưa ở miền Bắc Việt Nam từ nãm 1950 đến 1998 theo hai
mùa là: mùa hè (từ tháng 5 đến tháng 10) và mùa đông (từ tháng 11 đến

tháng 4). Với các thành phần chính đầu tiên của trường biểu diễn của sự
biến đổi cùng pha hay khác pha của lượng mưa toàn miền Bắc. Sau đó tìm
hệ sô" thòi gian và xác định xu thê biến đổi của lượng mưa trong hai mùa và
tính chu kỳ biến đổi lượng mưa từng mùa bằng phương pháp phổ.
+ Các công trình nghiên cứu dự báo bằng phương pháp sô trị:
Trước nhu cầu thiết yếu về việc nâng cao chất lượng dự báo cùng với
sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ dự báo thòi tiết bằng phương pháp số
trị trên thê giới thì ở Việt Nam, tại một số trung tâm và viện nghiên cứu,
đặc biệt là tại Khoa Khí Tượng - Thủy Văn - Hải Dương Học trực thuộc
trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên

Đại Học Quốc Gia Hà Nội đã tiến

hành tiếp thu công nghệ của một số mô hình như RAMS. ETA, WRF MM5,


HRM... nhằm mục đích nghiên cứu, cải tiến và áp dụng thành công các mô
hình này phục vụ cho công tác dự báo thòi tiết nói chung và dự báo mưa nói
riêng tại Việt Nam. Trong đó tiêu biểu là các công trình nghiên cứu:
- Áp dụng th ử nghiệm dự báo thời tiết khu vực Đ ông Nam Á
và V iệt N am cho một sô" ngày có mưa lũ lớn trong tháng 11/1999 và tháng
9/2000 của các tác giả TSKH. Kiều Thị Xin, PGS.TS Phan Văn Tân và ThS.
Đỗ Lệ Thuỷ. Tính toán thử nghiệm được thực hiện trên máy tính tại trạm
SUN ULTRA 80 vối CPU OWR trường ĐH Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà
Nội. Theo các tác giả, kết quả thử nghiệm bước đầu cho thấy việc áp dụng
các mô hình công nghệ cao của thê giới như HRM cho dự báo nghiệp vụ ở
nước ta hiện nay là có khả thi về điều kiện kĩ th u ật cũng như khả năng
nhân lực và góp phần là công cụ nghiên cứu khoa học tốt trong lĩnh vực dự
báo sô.
- Đề tài: Xây dựng mô hình dự b áo các trư ờ n g khí tượng thuỷ

v ăn k h u vực b iể n Đ ông do GS.TS Trần Tân Tiến làm chủ trì. Đê tài
nghiên cứu này đã xây dựng thành công hệ thông tổ hợp dự báo giữa hai
mô hình RAMS và ETA, đồng thời đã tạo ra một quy trình dự báo khí
tượng, thuỷ văn biển liên hoàn, tự động, chi tiết tới từng giò, lần đầu tiên
được xây dựng ỏ Việt Nam. Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ thống dự báo tổ
hợp này đã phát huy được tính ưu việt của nó trong việc nâng cao chất
lượng dự báo thời tiết nói chung và dự báo mưa nói riêng, đồng thời đã mở
ra một hướng đi mới trong việc phát triển các mô hình sô" trị trong tương lai
tại Việt Nam.
1.2

TÌNH HÌNH NGHIÊN c ử u LỦ TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM

1.2.1.

Phân loại các mô hình mô phỏng quá trìn h dòng chảy

Có nhiều cách phân loại mô hình toán thuỷ văn tùy theo quan điểm
và ý tưỏng của người phân loại. Một trong các cách phân loại là dựa trên cơ
sở xem xét sự phân bô" của các biến vào và ra hệ thông trong các trường
không gian, thòi gian. Một cách khác, các mô hình toán thuỷ văn được phân
loại thành: mô hình tấ t định và mô hình ngẫu nhiên.
Mô hình ngẫu nhiên mô phỏng quá trình dao động của bản thân quá
trình thủy văn mà không chú ý đến các nhân tô" đầu vao tác động của hệ
thống.
Mô hình tấ t định là mô hình mô phỏng quá trình biến đổi của cảc
19


hiện tượng thuỷ văn trên lưu vực mà ta đã biết trước. Xét trên quan điểm

hệ thống, các mô hình thuỷ văn tấ t định có các thành phần chính sau
[9,13]:
■Đầu vào của hệ thống
- Hệ thống
- Đầu ra của hệ thông
Đầu vào (I)

—►

Hệ thống

Đầu ra (Q)

Mô hình hoá các hệ thông thuỷ văn là ứng dụng các công cụ toán học
và logic học để thiết lập các mối liên hệ định lượng giữa các đặc trưng dòng
chảy và các yếu tố hình thành nó. Dưói dạng đơn giản, đó là các quan hệ
thực nghiệm, các kỹ thuật vê' hộp đen.... Loại mô hình này không chú trọng
mô phỏng cấu trúc bên trong của hệ thống mà chỉ liên kết các đầu vào và
đầu ra của bài toán. Một dạng khác, các mô hình dựa trên cơ sở các phương
trình vật lý - toán và các quan niệm lý luận vể sự hình thành dòng chảy và
được gọi là các mô hình thuỷ động lực học. Giữa hai dạng trên là các lớp mô
hình nhận thức, liên kết logic các thành phần nhận thức được đơn giản hoá
của quá trình thuỷ văn. [1, 9]
Như vậy, dựa trên cơ sở cấu trúc vật lý, các mô hình mô phỏng quá
trình mưa - dòng chảy được phân loại thành các mô hình thuỷ động lực học,
mô hình nhận thức và mô hình hộp đen. Dựa vào sự xấp xỉ không gian, các
mô hình thuỷ văn tấ t định còn được chia thành các mô hình thông sô' phân
phối dải và các mô hình thông sô' tập trung. Sơ đồ phân loại các mô hình
thuỷ văn tất định được trình bày ở trong hình 1.1.
Theo Lương Tuấn Anh [1], khảo sát các mô hình thuỷ văn tấ t định,

mô hình thuỷ động lực học có cơ sở lý thuyết chặt chẽ nh ất và có khả năng
đánh giá tác động của lưu vực quy mô nhỏ đến dòng chảy. Tuy nhiên, việc
chia lưu vực thành các lưới nhỏ hơn hoặc bằng 1 km 2 đã tạo ra cho mô hình
rất nhiều thông số (bảng 1.1) và sô liệu đầu vào đòi hỏi rấ t chi tiết, khó đáp
ứng dù là đôi với cả các lưu vực thực nghiêm.
Việc ứng dụng các mô hình nhận thức thông sô" dải theo tiểu vùng
thuỷ văn sẽ giảm được nhiều thông sô và có khả năng đánh giá được tác
động của lưu vực quy mô trung bình đến dòng chảy. Tuv nhiên, các mô
hình loại này còn ít được phổ biến rộng rãi và việc ứng dụng chúng đòi hói
sự kết hợp với các phương tiện kỹ th u ật nhất đinh như việc ứng dụng hệ
20


thống thông tin địa lý (GIS) có các chức năng xử lý bản đồ và thông tin viền
thám [21].
Bảng 1.1 Đặc điểm của các thông sô' trong mô hình thuỷ văn tất định

Loại mô hình

Sô"liệu vào, kết quả tính
và các biến trung gian

Đặc điểm của các
thông số của mô hình

Mô hình phân phôi dải
K(x, y, z)
U(x, y, z, t)
theo các đơn vị diện tích
nhỏ

Mô hình phân phối dải
u a(t)
theo tiểu vùng thuỷ văn
Mô hình thông sô' tập
Uj(t)
K,
trung
i:
Ký hiệu tiểu vùng thủy văn
j:
Ký hiệu các tầng (tầng mặt, tầng ngầm,...)

Hình 1.1 Phân loại các mô hình thuỷ văn tất định

Trong sô" các mô hình tất định, các mô hình thông sô tập trung là mô
hình có ít thông sô" nhất, dễ sử dụng và được ứng dụng rộng rãi. Các mô
hình đơn giản n h ất như các quan hệ thực nghiệm, mô hình đường đơn vị...
đã và sẽ còn chứng tỏ được tính hiệu quả trong tính toán thuỷ văn và dự
báo dòng chảy ở những hoàn cảnh thực tế nhất định.
Như vậy, có khá nhiêu mô hình thuỷ văn để lựa chọn và áp dụng
trong thực tế. Tuy nhiên, theo A. Becker [27] việc lựa chọn từng mô hình
21


phụ thuộc vào từng mục đích, đối tượng nghiên cứu, tình hình số liệu sẵn
có, đồng thời phụ thuộc vào điều kiện địa lý tự nhiên của vùng nghiên cứu
(bảng 1.2)
Bảng 1.2. Mục đích, đối tượng ứng dụng các mô hình thuỷ văn tất định

STT

1

2

3

4

5

6

7

8

Mục đích đối tượng
ứng dụng mô hình
Kế hoạch hoá dài hạn về sử dụng
và quản lý nguồn nước, trong đó
bao gồm việc lập kê hoạch, phát
triển các cấu trúc mới, chiến lược
phát triển
Đánh giá tác động của sự biến đổi
trong sử dụng đất quy mô vừa,
biến đổi khí hậu và các tác động
khác của con người đến dòng
chảy, tài nguyên nưốc
Đánh giá tác động của sự biến đổi
trong sử dụng đất quy mô nhỏ đến

dòng chảy, xói mòn lưu vực,...
Dự báo hạn vừa, nhất là thời kỳ
hạn hán

Xấp xỉ không gian
Bưốc
thòi gian
1 tháng, Mô hình thông sô" tập trung
hoặc mô hình phân phối
1 tuần
theo tiểu vùng thuỷ văn

1 tháng,
1 tuần

Mô hình phân phối theo
tiểu vùng thuỷ văn

1 ngày, Mô hình phân phôi dải theo
6 giờ
lưới tính (mô hình thuỷ
hoặc 1 giò
động lực học)
1 tháng, Mô hình thông sô" tập trung
1 tuần
hoặc mô hình thông sô' dải
theo tiểu vùng thuỷ văn
1 ngày Mô hình thông sõ tập trung
Ngoại suy chuỗi dòng chảy
1 tuần

hoặc mô hình thông scí dải
1 tháng
theo tiểu vùng thuỷ văn
Xây dựng chiến lược phòng lũ,
1 ngày, Mô hình thông sổ dải theo
thiết kẽ hồ chứa, hệ thống hồ
6 giò
tiểu vùng thuỷ văn
chứa
hoặc 1 giò
Tính toán dòng chảy lũ thiết kẽ
1 ngày, Mô hình thông sô" tập trung
6 giờ
hoặc mô hình thông sô" dải
hoặc 1 giò theo tiểu vùng thuỷ vãn !
Phân tích tác nghiệp, dự báo ngắn 1 giờ, Mô hình thông sô" tập trung!
hạn
6 giờ hoặc hoặc mò hình thông số dai
1 ngày
theo tiểu vùng thuỷ văn
Về cấu trúc, các mô hình thuỷ văn tấ t định đơn giản hav phức tạp

gồm các bài toán thành phần sau:
22


- Diễn toán dòng chảy
- Tính lượng mưa sinh dòng chảy (hay còn gọi là lượng mưa hiệu quả
hoặc dòng chảy tràn)
- Cấu trúc tầng của mô hình (hay là các bể tuyến tính phản ánh cơ

chế hình thành dòng chảy trên lưu vực, dòng chảy mặt, dòng chảy ngầm,...)
- Xác định bộ thông số của mô hình.
Các phương pháp diễn toán dòng chảy thường dựa trên cơ sở hệ
phương trình bảo toàn và chuyển động của chất lỏng. Lượng mưa hiệu quả
hoặc lượng tổn th ất dòng chảy có thể được ưốc tính thông qua phương trình
khuyếch tán ẩm, phương trình Boussinerq [18,32], phương pháp lý luận thực nghiệm của Alechsseep [25], các phương trình thấm thực nghiệm của
Green-Ampt, Horton, Phillip [28], Holtan[34], phương pháp s c s [28],
phương trình cân bằng nước hoặc phương pháp hệ sô' dòng chảy [2, 8, 10].
Lựa chọn và xác định các thông sô của mô hình được thực hiện dựa
trên cơ sở phương pháp giải các bài toán ngược, phương pháp thử sai và các
phương pháp tốì ưu hoá [13, 30, 35].
Từ 1935 Horton [1, 28] đã chỉ ra rằng trong cơ chẽ hình thành dòng
chảy, cường độ mưa vượt thấm là điều kiện cơ bản của sự hình thành dòng
chảy mặt. Hàm lượng nưốc thổ nhưỡng trong tầng đất thoáng khí vượt
lượng nưóc đồng ruộng là điều kiện cơ bản để sinh dòng chảy ngầm. Lý
luận về sự hình thành dòng chảy này đã nói rõ điều kiện hình thành dòng
chảy ở tầng đất thoáng khí có cấu tạo đất đồng nhất. Nhưng nó không giải
thích được cơ chế hình thành dòng chảy ở tầng đất thoáng khí không đồng
nhất và tầng mặt có cường độ thấm rấ t lớn.
Năm 1949, trong chuyên khảo "Lý thuyết dòng chảy sườn dốc"
Bephanhi A. N. [20, 26] đã đưa ra lý thuyết về sự hình thành dòng chảy
mưa rào. Trong đó, sự hình thành dòng chảy sườn dốc được chia ra 4 dạng:
dòng vượt thấm , với cưòng độ mưa lớn hơn cường độ thấm (còn gọi là dòng
chảy treo); dòng chảy bảo hoà khi lượng mưa rơi vượt quá khả năng chứa
thấm (còn gọi là dòng chảy tràn); trong một sô" điều kiện thổ nhưỡng và cấu
trúc đất đá nhất định còn hình thành dòng chảy sát m ặt (dòng chảy trong
hành lang cuội sỏi) và chảy trong tầng ngầm đất đá (dòng chảy trong đất)
diễn ra theo hai cơ chê là dòng chảy bão hoà và dòng chảy không bão hoà.
Dòng chảy bão hoà thường xảy ra ở vùng đú âm (mưa lốn hơn bốc hrỉi X>PET) xuất hiện theo tầng đất ở phẫu diện như sau:
- Dòng chảy m ặt xuất hiện ở tầng m ặt của sưòn dốc.

- Dòng chảy sát m ặt (xuất hiện trước nhất sau đến dòng chảy mặt và
dòng chảy ngầm) hình thành trong tầng đất từ m ặt lưu vực đến tầng ít
thấm tương đối (chủ yếu đất tầng này là đất mùn, tơi xốp), tầng đất này
còn gọi là tầng rễ cây hoạt động.
- Dòng chảy ngầm hình thành từ m ặt ít thấm tương đối đến tầng
không thấm.
Dòng chảy vượt thấm (dòng chảy không bão hoà) thường xuất hiện ở
vùng thiếu ẩm hoặc hụt ẩm từng thòi kỳ (X>PET). Khi có cường độ mựa
lốn, khả năng thấm kém dòng chảy chỉ còn hai thành phần chính là dòng
chảy mặt và dòng chảy ngầm. Dòng chảy vượt thấm còn xuất hiện ở các nơi
đủ ẩm nhưng có kết cấu thổ nhưỡng tầng mặt là tầng ít thấm tương đối.
Như vậy, theo lý thuyết của Bephanhi, dòng chảy sưòn dốc có cấu trúc ba
tầng đối vói cơ chế bão hoà và hai tầng đốì vối cơ chế vượt thấm.
Các lý luận hiện nay về cơ chế hình thành dòng chảy hầu như đã bỏ
qua ảnh hưởng của địa hình và kết cấu thổ nhưỡng, và đó chính là nhược
điểm của chúng.
Việc ứng dụng các lý thuyết về cơ chê hình thành dòng chầy trong
việc mô hình hoá các quá trình thuỷ văn cũng rấ t đa dạng. Nhiều tác giả
chỉ mô phỏng dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm. Một sô" khác lại mô phỏng
đủ cả dòng chảy mặt, sát mặt, dòng chảy ngầm, dòng chảy tầng sâu,....
Nưốc ta nằm ở vùng đủ ẩm. Đôi với các sông suối vừa và nhỏ ở miền
Trung, do địa hình dốc, tầng đất xốp, mùn mỏng, rừng bị suy giảm, khi có
mưa với cường độ lớn đất bị xói mòn nên dòng chảy tập trung nhanh do tác
dụng của trọng lực (độ dốc) nên việc mô phỏng dòng chảy m ặt bằng cách
ghép thành phần dòng chảy mặt và dòng chảy sát m ặt trong nhiều trường
hợp là có thể chấp nhận được.
Việc sử dụng cách tiếp cận mô hình hoá để diễn toán dòng chảy tại
mặt cắt cửa ra của lưu vực tựu trung phụ thuộc vào độ chính xác của việc

xác định mưa hiệu quả và việc xác định các thông số điều khiển của hệ
thống (lưu vực), điều này, về phần mình, lại phụ thuộc rấ t nhiều vào nhận
thức về các điều kiện địa lý tự nhiên và cách mô phỏng chúng của ngưòi sử
dụng mô hình.
Trong cách tiếp cận mô hình hoá đối với các bài toán thuỷ văn thường
nhằm tới hai mục đích:
1.
Khảo sát hiện trạng bằng các bộ số liệu mưa, bề m ặt lưu vực để
xác định bộ thông sô" tối ưu, mô phỏng chính xác n h ất quá trình dòng chảy,


phục vụ các tính toán thiết kẽ và dự báo.
2.
Trên cơ sở mô hình được lựa chọn, tác động đến lưu vực nhằm tạo
ra bộ thông số m ặt đệm có lợi nhất cho mục đích quy hoạch.
Trong các mục tiếp sau sẽ trình bày tóm tắ t một sô lốp mô hình, chủ
yếu đi sâu vào phân tích cơ sỏ của phương pháp, điểm m ạnh và hạn chẽ của
mỗi lóp mô hình đốì với việc mô phỏng dòng chảy từ bề m ặt lưu vực, đồng
thời giới thiệu một sô" phương pháp tính đang được các nhà khoa học quan
tâm như: phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp luân hưống,....
nhằm lựa chọn một giải pháp thích hợp nhất giải quyết bài toán quy hoạch
lưu vực từ góc độ thuỷ vãn học.
1.2.2. Mô hình thuỷ động lực học
Mô hình thuỷ động lực học dựa trên cơ sở xấp xỉ chi tiết không gian
lưu vực và tích phân sô trị các phương trình đạo hàm riêng mô tả các quá
trình vật lý diễn ra trên lưu vực như phương trình bảo toàn và chuyển động
của chất lỏng.
Đối với các mô hình thuỷ động lực học, mô phỏng quá trình hình
thành dòng chảy sông được chia làm hai giai đoạn: chảy trên sưòn dốc và
trong lòng dẫn.

Mô hình thủy động lực học h ai chiểu mô p h ỏ n g dòng chảy
sườn dốc
Khi xây dựng các mô hình động lực học hai chiều mô phỏng dòng
chảy sườn dốc, người ta thưòng giả thiết rằng chuyển động của nưóc trên bề
mặt lưu vực xảy ra dưới dạng lớp mỏng liên tục. Các kết quả khảo sát thực
địa cho thấy, dòng chảy m ặt liên tục chỉ quan sát được trong khoảng thời
gian không lớn và ít khi bao quát được một diện tích rộng. Lớp nước hình
thành nhanh chóng chuyển vào hệ thống rãnh suối. Tuy nhiên, nếu bỏ qua
thòi gian chảy tập trung đến các rãnh suối, khi đó, có thê mô phỏng dòng
chảy của các rãnh suôi trên sưòn dốc và dòng chảy lớp mỏng cũng bằng một
hệ phương trình. Bản chất liên tục của dòng chảy cũng được đề cập đến
trong công trình của A.N. Bephanhi và cộng sự [26].
Mô hình động lực học hai chiều được xây dựng dựa trên cơ sở phương
trình Navie Stoc, áp dụng cho dòng chảy sườn dốc với các thành phần được
lấy trung bình theo trục thẳng đứng 0z [ 9, 31]:
- Phương trình liên tục:

25