Ứng dụng mô hình thủy văn mô phỏng dòng chảy lũ về hồ chứa thủy điện sông hinh

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------

LÊ VĂN HÓA

LÊ VĂN HÓA

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG
TRÌNH THỦY

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY VĂN
MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY LŨ VỀ HỒ CHỨA
THỦY ĐIỆN SÔNG HINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH
THỦY

KHOÁ 33

Đà Nẵng - Năm 2018


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------

LÊ VĂN HÓA

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY VĂN

MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY LŨ VỀ HỒ CHỨA
THỦY ĐIỆN SÔNG HINH

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy
Mã số: 8580202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Lê Hùng

Đà Nẵng - Năm 2018


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tác giả luận văn

Lê Văn Hóa


ii

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian nghiên cứu, đến nay luận văn thạc sĩ với đề tài “Ứng
dụng mô hình thủy văn mô phỏng dòng chảy lũ về hồ chứa thủy điện Sông

Hinh” đã được hoàn thành tại Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng
với sự nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ, chỉ bảo, hướng dẫn nhiệt tình của các
thầy giáo, cô giáo, sự động viên của gia đình, bạn bè và đồng nghiệp. Để hoàn
thành được luận văn, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và trân trọng tới thầy
TS. Lê Hùng công tác tại Khoa Xây dựng Thủy Lợi - Thủy điện, trường Đại học
Bác Khoa Đà Nẵng đã chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ tác giả rất tận tình trong
suốt thời gian thực hiện và hoàn thành luận văn.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Phòng Đào tạo đại học và sau đại học, Đại
học Đà Nẵng và toàn thể các thầy cô đã giảng dạy, giúp đỡ tác giả trong thời
gian học tập cũng như thực hiện luận văn.
Tác giả cũng chân thành cảm ơn tới các bạn đồng nghiệp, bạn bè, đặc biệt
Công ty Cổ phần thủy điện Vĩnh Sơn - Sông Hinh nơi tác giả đang công tác
đã hỗ trợ chuyên môn, thu thập tài liệu liên quan để luận văn được hoàn
thành. Do thời gian nghiên cứu không dài, trình độ và kinh nghiệm thực tiễn
chưa nhiều nên luận văn chắc chắn không thể tránh được những hạn chế và thiếu
sót. Tác giả kính mong các thầy, cô giáo, đồng nghiệp đóng góp ý kiến để kết
quả nghiên cứu được hoàn thiện hơn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn!


iii

MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan ...................................................................................................... i
Lời cảm ơn......................................................................................................... ii
Mục lục ............................................................................................................ iii
Tóm tắt luận văn ............................................................................................... v
Danh mục các ký hiệu, các từ viết tắt (nếu có) ................................................ vi
Danh mục các bảng (nếu có) ........................................................................... vii

Danh mục các hình (nếu có) .......................................................................... viii
MỞ ĐẦU ......................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ..................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu........................................................................... 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................... 2
4. Phương pháp nghiên cứu..................................................................... 2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ........................................... 2
6. Cấu trúc của luận văn ......................................................................... 2
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ........................................................................... 3
1.1. Tổng quan về mô hình mô phỏng dòng chảy lũ .............................. 3
1.1.1. Mô hình toán thủy văn ........................................................... 4
1.1.2. Mô hình Mưa - dòng chảy ...................................................... 6
1.2. Tình hình nghiên cứu lũ lụt trên thế giới ......................................... 8
1.2.1. Các mô hình phổ biến hiện nay các nước trên thế giới đang áp
dụng để dự báo lũ ............................................................................................. 8
1.2.2. Một số công trình nghiên cứu về dự báo ngập lụt ở nước ngoài
......................................................................................................................... 10
1.3. Tình hình nghiên cứu lũ lụt ở Việt Nam ....................................... 10
1.3.1. Quá trình nghiên cứu mô phỏng, dự báo dòng chảy ........... 10
1.3.2. Một số công trình nghiên cứu về mô phỏng, dự báo lũ ở khu vực
......................................................................................................................... 13
1.4. Sự cần thiết mô phỏng dòng chảy lũ trên lưu vực hồ chứa thủy điện
Sông Hinh ....................................................................................................... 15
1.5. Đặc điểm về điều kiện tự nhiên và dòng chảy trên lưu vực hồ chứa
thủy điện Sông Hinh ....................................................................................... 16


iv

1.5.1. Đặc điểm về điều kiện tự nhiên ............................................ 16

1.5.2. Đặc điểm khí hậu lưu vực nghiên cứu ................................. 20
1.5.3. Đặc điểm khí tượng thủy văn trên lưu vực .......................... 23
CHƢƠNG 2. THIẾT LẬP MÔ HÌNH THỦY VĂN MÔ PHỎNG DÒNG
CHẢY ĐẾN HỒ CHỨA THỦY ĐIỆN SÔNG HINH .............................. 26
2.1. Phân tích lựa chọn mô hình để mô phỏng ..................................... 26
2.2. Giới thiệu về mô hình HEC-HMS ................................................ 26
2.2.1. Giới thiệu về phần mềm HEC-HMS .................................... 26
2.2.2. Ứng dụng của phần mềm ..................................................... 27
2.3. Cơ sở lý thuyết của phần mềm ...................................................... 27
2.3.1. Các phương pháp tính mưa trong mô hình .......................... 29
2.3.2. Các phương pháp tính tổn thất ............................................ 31
2.3.3. Đường quá trình lũ đơn vị ................................................... 37
2.3.4. Tính toán dòng chảy ngầm ................................................... 43
2.3.5. Diễn toán dòng chảy ............................................................ 45
2.4. Thiết lập mô hình thủy văn HEC-HMS cho lưu vực sông Hinh ... 55
2.4.1. Phân chia lưu vực ................................................................. 56
2.4.2. Sơ đồ tính ............................................................................. 57
2.4.3. Thiết lập mô hình HEC-HMS cho lưu vực sông Hinh .......... 57
CHƢƠNG 3. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HEC-HMS MÔ PHỎNG LŨ ĐẾN
HỒ CHỨA THỦY ĐIỆN SÔNG HINH ..................................................... 64
3.1. Xây dựng bộ thông số mô hình HEC-HMS để mô phỏng dòng chảy lũ
về hồ chứa thủy điện Sông Hinh ..................................................................... 64
3.1.1. Hiệu chỉnh mô hình HEC-HMS cho lưu vực Sông Hinh ..... 64
3.1.2. Kiểm định cho trận lũ từ ngày 23-26/11/2017...................... 68
3.1.3. Kiểm định cho trận lũ từ ngày 01-03/12/2017...................... 69
3.1.4. Nhận xét kết quả hiệu chỉnh, kiểm định ............................... 70
3.2. Dự báo dòng chảy đến hồ chứa Sông Hinh .................................. 71
3.2.1. Dự báo thử nghiệm với trận lũ từ ngày 03-05/11/2017 ........ 71
3.2.2. Đánh giá kết quả .................................................................. 75
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................... 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 78
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) ............................. 80
PHỤ LỤC ...................................................................................................... 81


v

TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Học viên: Lê Văn Hóa
Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
Mã số: 11970 Khóa: K33 Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng
ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY VĂN MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY LŨ VỀ HỒ
CHỨA THỦY ĐIỆN SÔNG HINH
APPLY HYDROLOGICAL MODEL TO SIMULATE FLOOD FLOW INTO SONG
HINH HYDROPOWER RESERVOIR
Tóm tắt: Những năm gần đây, lũ lụt xảy ra ngày một nghiêm trọng và khó kiểm soát.
Nghiên cứu và mô phỏng chính xác quá trình lũ đến hồ chứa thủy điện Sông Hinh sẽ
góp phần đáng kể trong việc đưa ra các giải pháp thích hợp để điều tiết vận hành hồ
chứa hợp lý nhằm giảm nhẹ thiệt hại do lũ gây ra là rất cần thiết. Trong nghiên cứu
này, tác giả dựa vào tài liệu thực đo áp dụng mô hình HEC-HMS tìm bộ thông số mô
hình để có thể dự báo dòng chảy lũ đến lưu vực hồ chứa thủy điện Sông Hinh. Tác giả
sử dụng số liệu thực đo của trận lũ năm 2017 để hiệu chỉnh tìm bộ thông số mô hình,
sau đó dùng bộ thông số này kiểm định với số liệu thực đo các trận lũ năm 2017. Với
kết quả hiệu chỉnh, kiểm định, đường quá trình lũ mô phỏng từ mô hình và thực đo có
chỉ số Nash trên 0,826, hình dạng lũ cũng tương đối phù hợp, từ đó ta có thể thấy bộ
thông số của mô hình HEC-HMS là đủ tin cậy khi mô phỏng dự báo lũ trên lưu vực hồ
chứa thủy điện Sông Hinh.
Từ khóa: Thủy điện Sông Hinh, mô hình HEC-HMS, dòng chảy lũ, bộ thông số mô
hình, mô hình thủy văn
Abstract: In recent years, flooding has appeared to be more and more serious and

difficult to control. The exact study and simulation of the process of flood flowing into
the reservoir of Song Hinh which is neccesary will contribute significantly to the
development of appropriate solutions to regulate the operation of the reservoir and to
mitigate damage caused by the flood. In this study, the author bases on the actual
measuring datum which applied the HEC-HMS model to find the model parameters
and predict the flood flow into Song Hinh hydropower reservoir. The author uses the
actual measuring datum of the 2017 floods to calibrate the model parameters and then
uses this data set to compare with the actual measuring datum of 2017 floods. With
calibration and comparing results, the flood curves simulated from the model and
actual measuring have Nash value of above 0.826. The flood shape is also relatively
consistent, so that we can see that the data set of HEC-HMS model is reliable enough
to simulate flood forecast in reservoir area of Song Hinh hydropower.
Key word: Song Hinh hydropower, HEC-HMS model, flood flow, model data set,
hydrological model


vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CÁC KÝ HIỆU
Flv
Diện tích lưu vực
L
Chiều dài sông chính
Hbqlv Độ cao bình quân lưu vực
Js
Độ dốc lòng sông chính
D
Mật độ lưới sông
B

Chiều rộng lưu vực
X
Lượng mưa
Q0
Dòng chảy năm
W0 Tổng lượng dòng chảy
Ia
Lượng tổn thất ban đầu
fc
Hằng số tốc độ tổn thất
Tc
Thời gian tập trung nước
R
Hệ số lượng trữ
K
Thời gian truyền sóng lũ

Độ rỗng của đất
Sf
Sự di chuyển của màng thấm
Q
Lưu lượng nước
A
Diện tích mặt cắt ướt
qL
Lượng nhập khu giữa trên đơn vị chiều dài kênh
Sf
Độ dốc ma sát
So
Độ dốc đáy kênh

c
Gia tốc sóng theo phương x

Hệ số khuếch tán thủy lực
n
Hệ số nhám Manning
CÁC CHỮ VIẾT TẮT
KTTV
Khí tượng thủy văn
LV
Lưu vực
MNDBT
Mực nước dâng bình thường
MNC
Mực nước chết


vii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
Tên bảng
Trang
bảng
1.1
Đặc trưng hình thái lưu vực tính đến tuyến đập sông Hinh
16
1.2
Danh sách trạm khí tượng và trạm đo mưa lân cận lưu vực
19

1.3
Danh sách trạm thủy văn trong và lân cận lưu vực sông Hinh
19
Giá trị trung bình và cực trị của nhiệt độ không khí trạm Sơn
21
1.4
Hòa
1.5
Độ ẩm tương đối không khí trạm Sơn Hòa (%)
21
1.6
Tần suất xuất hiện các hướng gió trạm Sơn Hòa
21
1.7
Tốc độ gió lớn nhất thiết kế trạm Sơn Hòa (m/s)
21
Phân phối bốc hơi và tổn thất bốc hơi mặt nước hồ chứa sông
22
1.8
Hinh
1.9
Lượng mưa 1 ngày lớn nhất thiết kế (mm)
22
Số ngày mưa và phân phối lượng mưa các tháng trong năm
23
1.10
(trạm Sông Hinh)
1.11 Đặc trưng dòng chảy năm tại tuyến đập Sông Hinh
23
Phân phối dòng chảy 3 năm điển hình tại tuyến đập Sông

24
1.12
Hinh
1.13 Đặc trưng dòng chảy lũ thiết kế tuyến đập Sông Hinh
24
1.14 Qmax và tổng lượng lũ thiết kế tại tuyến đập sông Hinh
24
2.1
Diện tích các tiểu lưu vực
56
3.1
Các trận lũ dùng để hiệu chỉnh và kiểm định
64
3.2
Tổng hợp kết quả chỉ số Nash
70


viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Số hiệu
Tên hình
Trang
hình
1.1
Sơ đồ phân loại mô hình toán thủy văn
5
1.2
Quá trình hình thành dòng chảy

6
Sơ đồ sử dụng mô hình HEC-HMS/RAS, mưa ra đa và GIS
1.3
10
để tính toán ngập lụt
1.4
Sơ đồ cấu trúc mô hình NAM
12
1.5
Mô hình tham số phân bố MARIN kết hợp với DEM và GIS
13
1.6
Cấu trúc mô hình WETSPA
13
1.7
Phương pháp nghiên cứu dự báo, cảnh báo và ngập lụt
14
1.8
Biểu đồ Qđến và Qxả trận lũ từ ngày 02-04/11/2009
15
Bản đồ mạng lưới trạm đo mưa và khí tượng lưu vực sông
1.9
18
Hinh và phụ cận
1.10
Đường quá trình lũ thiết kế tại tuyến đập Sông Hinh
25
2.1
Biểu đồ mưa tính toán
29

Phương pháp tính mưa theo đa giác Theissen và đường đẳng
2.2
30
trị mưa
2.3
Tổn thất dòng chảy theo phương pháp SCS
33
2.4
Các biến số trong phương pháp thấm Green - Ampt
35
2.5
Sơ đồ tính thấm theo độ ẩm của đất
36
2.6
Các phương pháp cắt nước ngầm
44
2.7
Bản đồ phân chia lưu vực Sông Hinh
56
2.8
Sơ đồ tính
57
2.9
Sơ đồ tính của mô hình HEC-HMS lưu vực sông Hinh
63
3.1
Biểu đồ Q~t tính toán và thực đo tại các tiểu lưu vực
65
3.2
Kết quả hiệu chỉnh trận lũ số 1 từ ngày 03-05/11/2017

67
3.3
Bộ thông số mô hình thiết lập dò tìm tối ưu
67
3.4
Hệ số Nash trận lũ số 1 từ ngày 03-05/11/2017
68
3.5
Kết quả kiểm định trận lũ số 2 từ ngày 23-26/11/2017
68
3.6
Hệ số Nash trận lũ số 2 từ ngày 23-26/11/2017
69
3.7
Kết quả kiểm định trận lũ số 3 từ ngày 01-03/12/2017
69
3.8
Hệ số Nash trận lũ số 3 từ ngày 01-03/12/2017
70


ix

Số hiệu
hình
3.9
3.10
3.11
3.12

Tên hình
Sơ đồ tính dự báo 4h
Đường quá trình lưu lượng dự báo 4h
Sơ đồ tính dự báo 24h
Đường quá trình lưu lượng dự báo 24h

Trang
72
73
74
75


1

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Công trình thủy điện Sông Hinh do Công ty cổ phần thủy điện Vĩnh Sơn Sông Hinh làm chủ đầu tư. Hồ chứa được xây dựng trên sông Hinh ở xã Ea Trol,
huyện Sông Hinh, tỉnh Phú Yên. Thủy điện Sông Hinh nằm cách thành phố Tuy
Hòa 45km về hướng Tây Nam.
Sông Hinh là một trong ba nhánh sông lớn của Sông Ba, phần lớn lưu vực
thuộc tỉnh Đăk Lắk (chiếm 60%). Vị trí lưu vực nằm trong khoảng tọa độ:
12035’ đến 12055’
vĩ độ Bắc
0
0
108 45’ đến 109 07’
kinh độ Đông
Trong những năm gần đây do biến đổi khí hậu nên lượng mưa và tần suất
các đợt mưa lớn xảy ra liên tục gây thiệt hại rất lớn về người và tài sản. Mặt

khác do yêu cầu phát triển kinh tế xã hội, mật độ dân cư tăng nhanh và các khu
công nghiệp liên tục phát triển, các tuyến đường giao thông được nâng cấp hoàn
chỉnh nên phần nào ảnh hưởng đến việc tiêu thoát lũ, gây ngập lụt trên diện
rộng. Các hồ chứa thủy lợi, thủy điện trên thượng nguồn thường không có dung
tích phòng lũ để cắt lũ cho hạ du mỗi khi xảy ra lũ lớn.
Năm 2014, Chính phủ đã ban hành Quy trình vận hành liên hồ chứa trong
mùa lũ hàng năm trên lưu vực sông Ba, bao gồm các hồ: Sông Ba Hạ, Sông
Hinh, Krông H’Năng, Ayun Hạ và An Khê - Ka Nak theo Quyết định số
1077/QĐ-TTg ngày 07/7/2014.
Để có thể góp phần hỗ trợ ra quyết định vận hành điều tiết hồ chứa thủy
điện Sông Hinh đảm bảo theo đúng quy trình vận hành liên hồ chứa, giảm thiểu
đến mức thấp nhất những thiệt hại về người và tài sản cho vùng hạ du do việc xả
lũ gây ra, vừa đảm bảo hiệu quả phát điện. Qua các phân tích nói trên có thể
thấy rằng cần phải có một mô hình dự báo lũ để chủ động trong việc điều tiết,
vận hành hồ chứa hợp lý. Do đó tác giả chọn đề tài: “Ứng dụng mô hình thủy
văn mô phỏng dòng chảy lũ về hồ chứa thủy điện Sông Hinh”.

2. Mục đích nghiên cứu
- Xây dựng bộ thông số mô hình thủy văn bằng mô hình HEC-HMS để
mô phỏng dòng chảy mùa lũ trên lưu vực hồ chứa thủy điện Sông Hinh.
- Dự báo dòng chảy lũ đến hồ chứa thủy điện Sông Hinh bằng mô hình
HEC-HMS để chủ động điều tiết, vận hành hợp lý nhằm giảm thiểu đến mức
thấp nhất về ngập lụt cho hạ du, vừa đảm bảo hiệu quả phát điện.


2

3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng: Nghiên cứu mô hình thủy văn để tính toán dòng chảy về hồ
chứa thủy điện sông Hinh.

- Phạm vi nghiên cứu: Đề tài nghiên cứu mô phỏng dòng chảy lũ, lưu vực
thượng nguồn hồ chứa thủy điện Sông Hinh.

4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phương pháp phân tích, thống kê và xử lý số liệu: phương pháp này
được sử dụng trong việc phân tích, xử lý các số liệu về địa hình, khí tượng thủy
văn, thủy lực phục vụ cho tính toán và dự báo.
- Phương pháp kế thừa nghiên cứu: kế thừa một số các tài liệu, kết quả
nghiên cứu có liên quan.
- Phương pháp mô hình: dùng mô hình thủy văn HEC-HMS tính toán, mô
phỏng dòng chảy lũ trên lưu vực sông Hinh.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Ý nghĩa khoa học: Nâng cao trình độ chuyên môn cho bản thân kỹ sư
tham gia thực hiện. Xây dựng bộ thông số mô hình phù hợp với lưu vực nghiên
cứu, dự báo dòng chảy lũ làm cơ sở giúp cho cán bộ làm công tác theo dõi, quản
lý điều hành có thể dự báo được quá trình lưu lượng lũ đến phục vụ công tác vận
hành, điều tiết hợp lý hồ chứa trong mùa lũ.
- Thực tiễn đề tài: Số liệu mô phỏng của luận văn giúp cho đơn vị quản lý,
vận hành hồ chứa thủy điện Sông Hinh hợp lý, góp phần đáng kể trong việc
giảm nhẹ ngập lụt ở hạ du, đảm bảo an sinh xã hội khu vực dự án. Do vậy kết
quả của đề tài sẽ là tài liệu tham khảo quan trọng trong công tác quản lý, vận
hành hồ chứa thủy điện Sông Hinh.

6. Cấu trúc của luận văn
Để thể hiện nội dung và kết quả nghiên cứu của luận, cấu trúc của luận
văn bao gồm:
Phần mở đầu
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Thiết lập mô hình thủy văn mô phỏng dòng chảy đến hồ chứa

thủy điện Sông Hinh.
Chương 3: Ứng dụng mô hình HEC-HMS mô phỏng lũ đến hồ chứa thủy
điện Sông Hinh.
Kết luận, kiến nghị và phụ lục kèm theo.


3

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về mô hình mô phỏng dòng chảy lũ
Mô phỏng, dự báo thuỷ văn là công việc rất khó, để có giá trị dự báo đảm
bảo tin cậy đòi hỏi phải vận dụng các kiến thức liên quan đến khí tượng, thuỷ
văn, thuỷ lực, máy tính và phần mềm, công cụ tính toán. Kết quả dự báo chính
xác sẽ mang lại hiệu quả về kinh tế, xã hội, an toàn công trình. Bản tin dự báo
thuỷ văn chỉ có giá trị sử dụng khi nó được chuyển đến người sử dụng kịp thời.
Để mô phỏng, dự báo các quá trình ngẫu nhiên nghiên cứu có khả năng
xảy ra trong tương lai trên cơ sở phân tích khoa học các dữ liệu đã thu thập
được. Khi tiến hành mô phỏng, dự báo cần căn cứ vào việc thu thập, xử lý số
liệu trong quá khứ và hiện tại để xác định xu hướng vận động các hiện tượng
trong tương lai nhờ vào một số mô hình toán học.
Trước tình hình biến đổi khí hậu như hiện nay, các trận mưa lớn gây lũ có
xu thế ngày càng gia tăng đã gây ra những thiệt hại nghiêm trọng cho nhiều hồ
chứa và đe dọa sự an toàn cho các công trình, gây ngập lụt ở hạ du. Do đó việc
áp dụng bài toán dự báo thủy văn trong công tác mô phỏng, dự báo, cảnh báo
dòng chảy lũ là rất cần thiết, đáp ứng yêu cầu thực tiễn hiện nay. Trong thực tế
việc mô phỏng, dự báo lũ cho nhiều đối tượng theo những đặc thù khác nhau, cụ
thể: Mô phỏng, dự báo lũ cho hệ thống sông chính; cho hồ chứa đảm bảo an
toàn công trình và vận hành điều tiết hợp lý; cho việc nghiên cứu ảnh hưởng
ngập lụt vùng hạ du, cho việc quản lý và quy hoạch lưu vực.
Kết quả nghiên cứu, tính toán dự báo lũ giúp cho các Chủ đập cũng như

nhân dân chủ động ứng phó, nhằm hạn chế đến mức thấp nhất thiệt hại về con
người và tài sản, đồng thời nó cũng là một trong những nền tảng cho công tác
quy hoạch lũ và định hướng phát triển kinh tế xã hội bền vững hơn.
Trong giai đoạn hiện nay, khoa học dự báo đã phát triển mạnh mẽ trên thế
giới cũng như tại Việt Nam. Với sự phát triển của máy tính điện tử và phương
pháp tính đã tạo ra điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của mô hình toán, cấu
trúc mô hình ngày càng đa dạng, phức tạp, mô tả sát thực hiện tượng thủy văn
nên việc giải quyết bài toán mô phỏng, dự báo ngày một chính xác hơn. Xu thế
hiện nay là sử dụng các phương pháp dự báo số trị thông qua các mô hình để
giải bài toán thủy động lực một cách nhanh chóng với độ chính xác cao.


4

1.1.1. Mô hình toán thủy văn [1]
a) Khái niệm:
Thủy văn là một quá trình tự nhiên phức tạp, chịu tác động của rất nhiều
yếu tố. Thủy văn học là khoa học nghiên cứu về nước trên trái đất, cũng giống
như nhiều ngành khoa học tự nhiên khác, quá trình nghiên cứu, phát triển của nó
thường trải qua các giai đoạn:
- Quan sát hiện tượng, mô tả, ghi chép thời điểm xuất hiện.
- Thực nghiệm: lặp lại những điều đã xảy ra trong tự nhiên với quy mô
thu nhỏ.
- Giải thích hiện tượng, phân tích rút ra quy luật, Kiểm tra mức độ phù
hợp của quy luật với điều kiện thực tế, ứng dụng phục vụ lợi ích của con người.
Hiện nay mô hình toán thủy văn đang phát triển rất nhanh chóng vì có các
ưu điểm sau:
- Phạm vi ứng dụng rộng rãi, đa dạng với rất nhiều loại mô hình. Mô hình
toán rất phù hợp với không gian nghiên cứu rộng lớn như quy hoạch thoát lũ cho
lưu vực sông, hệ thống sông, điều hành hệ thống công trình thủy lợi, quản lý

khai thác nguồn nước lưu vực sông, …
- Ứng dụng toán trong mô hình thủy văn giá thành rẻ hơn và cho kết quả
nhanh hơn mô hình vật lý.
- Việc thay đổi phương án trong mô hình toán thực hiện rất nhanh.
b) Phân loại mô hình toán:
Việc phân loại các mô hình toán thủy văn không thống nhất vì các mô
hình luôn phát triển đa dạng, khi xây dựng mô hình người ta chú ý nhiều tới khả
năng áp dụng thuận tiện để giải quyết bài toán thực tế đặt ra chứ không chú ý tới
xếp loại. Cụ thể có các loại mô hình toán thủy văn như sau:
+ Mô hình toán thủy văn ngẫu nhiên.
+ Mô hình toán thủy văn tất định.
+ Mô hình toán thủy văn ngẫu nhiên - tất định.


5

Hình 1.1: Sơ đồ phân loại mô hình toán thủy văn
c) Quá trình ứng dụng mô hình toán:
Để ứng dụng một mô hình toán vào bài toán thực tế ta cần thực hiện theo
các bước sau:
- Lựa chọn mô hình ứng dụng,
- Thu thập và phân tích chuẩn bị số liệu đầu vào của mô hình,
- Hiệu chỉnh xác định thông số mô hình,
- Kiểm định mô hình,


6

- Ứng dụng mô hình,
- Đánh giá và kiểm tra tính hợp lý kết quả ứng dụng mô hình.

1.1.2. Mô hình Mưa - dòng chảy (mô hình tất định) [1]
1.1.2.1. Quá trình hình thành dòng chảy:
Sau một trận mưa rơi trên lưu vực, kết quả tại mặt cắt cửa ra ta thu được
quá trình lưu lượng, là kết quả tổng hợp của nhiều quá trình xảy ra đồng thời.
Như vậy từ khi có mưa rơi xuống đến khi có lượng dòng chảy ở mặt cắt cửa ra
đã xảy ra các quá trình (hình 1.2):

Hình 1.2: Quá trình hình thành dòng chảy
Quá trình mưa: Mưa là một quá trình quan trọng đóng vai trò chính trong
sự hình thành dòng chảy trên lưu vực. Lượng mưa và quá trình mưa quyết định
lưu lượng và quá trình dòng chảy.
Quá trình tổn thất: Tổn thất cũng là một quá trình phức tạp, nhiều thành
phần và chịu ảnh hưởng của nhiều nhân tố khác nhau. Tổn thất bao gồm các
thành phần sau:
- Tổn thất tích đọng: gồm tổn thất tích đọng bề mặt và tổn thất tích đọng
trong điền trũng.
- Tổn thất do thấm: là tổn thất lớn nhất, nó chiếm phần lớn tổn thất lưu
vực khi mưa xảy ra.
- Tổn thất bốc hơi: bao gồm bốc hơi mặt đất, mặt nước và bốc thoát hơi
nước thực vật.


7

Quá trình hình thành dòng chảy trên sườn dốc:
Khi mưa rơi trên bề mặt sườn dốc, có hai trường hợp xảy ra:
- Cường độ mưa nhỏ hơn cường độ thấm, lúc đó tất cả lượng mưa bị tổn
thất do thấm vào đất. Trường hợp này xảy ra khi cường độ mưa quá bé hoặc ở
giai đoạn đầu của trận mưa trước thời điểm to nào đó. Thời điểm này phụ thuộc
vào cường độ mưa và độ ẩm ban đầu trong đất.

- Cường độ mưa lớn hơn cường độ thấm, lượng nước dư thừa tập trung
vào các điền trũng, nước bắt đầu chảy qua các ngưỡng tràn theo độ dốc tập trung
thành các dòng nhỏ và dần dần thành các dòng chảy lớn dần cho tới khi đổ vào
khe suối nhỏ để chảy vào hệ thống sông.
Quá trình hình thành dòng chảy sườn dốc là một quá trình phức tạp phụ
thuộc vào nhiều yếu tố như mưa, độ dốc, độ dài sườn dốc, đặc điểm bề mặt của
nó. Phạm vi xuất hiện dòng chảy mặt sườn dốc cũng khá phức tạp và phụ thuộc
vào thời gian, quá trình và lớp nước mưa, vào lớp đất thổ nhưỡng, thảm phủ
thực vật trên sườn dốc.
Quá trình tập trung nước trên sườn dốc và trong sông:
Tốc độ chảy trên sườn dốc phụ thuộc vào các yếu tố như:
- Lớp dòng chảy sườn dốc (lớp nước mưa hiệu quả)
- Độ dốc sườn dốc
- Độ nhám sườn dốc
Sau khi dòng chảy các sông suối đổ vào sông chính, chúng chuyển động
về hạ lưu, quá trình dòng chảy sẽ bị biến dạng và là một quá trình phức tạp phụ
thuộc vào đặc điểm hình thái và độ nhám lòng sông, vào hệ thống sông nhánh
đổ vào sông chính.
1.1.2.2. Các loại mô hình tất định
Trong các loại mô hình toán thủy văn, mô hình tất định mà cụ thể là các
mô hình tính dòng chảy từ mưa (mô hình mưa - dòng chảy) ra đời sớm nhất.
Khái niệm hệ số dòng chảy chính là dạng mô hình toán thủy văn đơn giản nhất.
Năm 1932 phương pháp đường đơn vị do Shecman đưa ra đã được nhiều nước
chấp nhận như là phương pháp hiệu quả nhất để tính dòng chảy lũ theo số liệu
mưa, trong thời gian này công thức căn nguyên dòng chảy cũng được dùng phổ
biến ở Liên xô cũ, Trung Quốc và các nước khác. Đặc biệt sự ra đời của máy
tính điện tử đã tạo ra bước nhảy vọt về mô hình toán.
Hiện nay các mô hình tính dòng chảy từ số liệu mưa có rất nhiều loại:
- Các mô hình phát triển công thức căn nguyên dòng chảy như mô hình
quan hệ (Ratinal model), tỷ lệ thời gian và diện tích (Time-Area model).

8

- Các mô hình kiểu lũ đơn vị: mô hình HEC-HMS
- Các mô hình kiểu bể chứa: mô hình TANK, SSARR, NAM, …
Các mô hình tính dòng chảy từ số liệu mưa thường được dùng để khôi
phục, bổ sung số liệu dòng chảy khi biết số liệu mưa, phục vụ thiết kế các công
trình trên sông, tính toán nguồn nước phục vụ quy hoạch thủy lợi và tính toán dự
báo dòng chảy lũ.

1.2. Tình hình nghiên cứu lũ lụt trên Thế giới
Trên thế giới hiện nay, việc nghiên cứu áp dụng các mô hình toán thủy
văn, thủy lực để mô phỏng và giải các bài toán thủy động lực nhằm phục vụ cho
công tác dự báo lũ là rất phổ biến và ngày càng đạt đến trình độ cao, cụ thể như
số liệu đầu vào được đo đạc liên tục, truyền đi, cập nhật vào mô hình dự báo
hoàn toàn bằng tự động hóa đạt độ chính xác cao, nhanh chóng, kịp thời.
1.2.1. Các mô hình phổ biến hiện nay các nước trên thế giới đang áp
dụng để dự báo lũ [6]
Mô hình HEC-HMS (Hydrologic Engineering Center - Hydrologic
Modeling System): Đây là mô hình thuỷ văn mưa - dòng chảy của Hiệp hội các
kỹ sư quân sự Hoa Kỳ, là một hệ thống mô hình tương đối hoàn chỉnh tổng hợp
và rất phổ biến ở nước ta, có thể ứng dụng cho nhiều vùng địa lý khác nhau
nhằm giải quyết bài toán trên phạm vi rộng. Nó bao gồm cung cấp nước ở lưu
vực sông lớn, dòng chảy lũ, dòng chảy ở đô thị nhỏ hoặc dòng chảy lưu vực tự
nhiên. Mô hình được xây dựng để mô phỏng quá trình mưa - lũ của hệ thống lưu
vực (chia lưu vực thành các lưu vực con) dựa trên hệ thống thông tin địa lý
(GIS) - Kỹ thuật GIS được sử dụng trong các số hoá cơ sở dữ liệu như bản đồ
địa hình, địa mạo dạng đất đai của lưu vực, sông suối, tọa độ kích thước của các
lưu vực con và chiều dài của nó đến mặt cắt cửa ra …

Mô hình chuyển hoá quá trình mưa thành quá trình dòng chảy trên từng
lưu vực bộ phận, sau đó là quá trình diễn toán lũ trong sông thiên nhiên và hồ
chứa …
Mô hình sử dụng các tham số trung bình về thời gian và không gian để
mô phỏng quá trình dòng chảy. Tùy theo đặc điểm địa vật lý của từng lưu vực,
số liệu mưa, lượng nước có sẵn trong đất, sông để ứng dụng các phương pháp
(phương pháp tính tổn thất, phương pháp diễn toán) thích hợp. Với phiên bản
của mô hình đang nghiên cứu Version 4.2.1 - March 2017 [2] có tính năng mạnh
hơn so với các mô hình trước là có nhiều phương pháp tính lượng mưa hiệu quả
từ lưu vực ít số liệu cho đến lưu vực đầy đủ số liệu, đồng thời cũng có nhiều
phương pháp diễn toán dòng chảy trong sông. Vì vậy, khả năng ứng dụng của nó


9

rộng rãi hơn các mô hình ở phiên bản trước. Ngoài ra mô hình còn cho phép ứng
dụng thử dần để người dự báo có thể chọn được bộ thông số thích hợp đối với
từng lưu vực.
- Mô hình TANK: Là dạng mô hình bể chứa, tổng hợp dòng chảy trên
lưu vực do M.Sugawara xây dựng năm 1956 và đã qua nhiều lần hoàn thiện tại
Trung tâm Nghiên cứu Quốc gia phòng chống thiên tai tại Tokyo. Mô hình này
thuộc loại mô hình thông số tập trung, đã được ứng dụng để tính toán dòng chảy
từ mưa ở nhiều nước trên thế giới và nước ta. Trong mô hình TANK, lưu vực
được mô phỏng như một chuỗi các bể chứa được xếp theo hai phương thẳng
đứng và nằm ngang. Giả thiết cơ bản là dòng chảy và quá trình truyền ẩm là các
hàm số của lượng trữ nước trong các tầng đất. Mô hình TANK có 2 dạng cấu
trúc đơn và kép. Mô hình TANK đơn không xét đến sự biến đổi của độ ẩm đất
theo không gian. Mô hình TANK kép có xét sự biến đổi của độ ẩm đất theo
không gian, lưu vực được chia ra thành các vành đai có độ ẩm khác nhau, mỗi
vành đai được mô phỏng bằng mô hình TANK đơn.

Hiện nay nhiều cơ quan ứng dụng mô hình LTANK (được cải tiến từ mô
hình TANK do PGS Nguyễn Văn Lai và Thạc sĩ Nghiêm Tiến Lam viết bằng
ngôn ngữ VISUALBASIC chạy trên môi trường EXCEL7.0 với giao diện rất
tiện ích đối với người sử dụng).
Tuy nhiên do mô hình có khá nhiều thông số, việc xác định các thông số
đòi hỏi nhiều kinh nghiệm và yêu cầu các tài liệu khí tượng thuỷ văn, lưu vực
khá chi tiết.
- Mô hình NAM (Nedbor-Afstromnings-Model hay PrecipitationRunoff-Model): Mô hình mưa rào - dòng chảy NAM thuộc loại mô hình nhận
thức tất định, thông số tập trung của Viện Thuỷ lực Đan Mạch đã được ứng
dụng ở rất nhiều nước trong khu vực châu Á như Thái Lan, Malaysia, Philippin,
Ấn Độ, Srilanka…và Việt Nam. Mô hình này có thể được dùng trong bài toán
phân tích thuỷ văn, dự báo dòng chảy lũ và dòng chảy kiệt, khôi phục chuỗi số
liệu dòng chảy. Về cấu trúc mô hình NAM cũng là mô hình dạng bể chứa giống
mô hình TANK, tuy nhiên thông số hiệu chỉnh mô hình ít hơn.
- Ngoài ra còn có một số mô hình như: Mô hình thuỷ văn MARINE
(Modélisation de l'Anticipation du Ruissellement et des Inondations pour des
évé Nements Extrêmes) do Viện Cơ học chất lỏng Toulouse (Pháp) xây dựng và
được chuyển giao cho Viện Cơ học ; Mô hình DIMOSOP (DIstributed
hydrological MOdel for the Special Observing Period)


10

1.2.2. Một số công trình nghiên cứu dự báo ngập lụt ở nước ngoài [14]
- M.R. Knebla và các tác giả khác (2005) đã nghiên cứu mô hình HECHMS/RAS mô phỏng ngập lụt quy mô lớn có sử dụng dữ liệu ra đa và GIS (hình
1.3). Kết quả của nghiên cứu được ứng dụng cho việc dự báo ngập lụt ở khu vực
lớn.

Hình 1.3: Sơ đồ sử dụng mô hình HEC-HMS/RAS, mưa ra đa và GIS để tính
toán ngập lụt [14].

- Chris Nielsen (2006) đã ứng dụng mô hình MIKE SHE để tính toán
ngập lụt vùng đồng bằng và tiêu thoát nước đô thị, đã áp dụng cho khu vực
Đông Nam Á đông đúc dân cư sinh sống với đặc trưng các dòng sông lớn chảy
qua các vùng đồng bằng trũng và các khu đô thị.

1.3. Tình hình nghiên cứu lũ lụt ở Việt Nam
1.3.1. Quá trình nghiên cứu mô phỏng, dự báo dòng chảy [15]
Trong thời kỳ đầu (khoảng năm 1960-1975), các phương pháp dự báo
mưa - dòng chảy chủ yếu dựa trên các phân tích diễn biến lịch sử, đường cong
lũy tích chu kỳ nguồn nước, phân tích xu thế.


11

Từ năm 1975, công tác dự báo đã có nhiều bước tiến mới, ứng dụng các
kỹ thuật máy tính phát triển các phương trình đơn lẻ phân tích thống kê các
phương trình hồi quy tương quan dòng chảy với mưa và với các đặc trưng dòng
chảy theo thời gian…. Trong giai đoạn này, sử dụng một số phương pháp dự báo
biến động dòng chảy như:
+ Mô hình thống kê đa biến,
+ Mô hình nhận dạng,
+ Sử dụng hàm điều hòa,
+ Phân tích chuỗi thời gian như mô hình ARIMA,
+ Mô hình mạng thần kinh nhân tạo ANN…lập tương quan dòng chảy với
dự báo dòng chảy tháng trong cả mùa lũ và mùa cạn đã được sử dụng trên các
lưu vực sông.
Từ năm 1990, các mô hình toán thủy văn mưa rào dòng chảy, mô hình
thủy lực được ứng dụng nhiều. Ban đầu, các mô hình này được sử dụng dự báo
dòng chảy hạn ngắn sau đó phát triển dần thành các mô hình dự báo hạn vừa 5 10 ngày và dự báo hạn tháng với đầu vào là các trường mưa dự báo hạn vừa và
hạn dài. Cụ thể, các mô hình thủy văn thông số tập trung như:

- Mô hình TANK (Nhật Bản): 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 bể 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.
- Mô hình NAM (Đan Mạch): Dựa trên nguyên tắc mô phỏng quá trình
hình thành dòng chảy bằng chuỗi các bể chứa xếp theo chiều thẳng đứng và các
bể chứa tuyến tính (tương tự như TANK). Trong mô hình NAM, mỗi lưu vực
được xem là một đơn vị xử lý, các thông số và các biến là các giá trị trung bình
hoá đại diện cho toàn lưu vực. Mô hình tính quá trình dòng chảy theo lượng ẩm
trong các bể chứa có tương tác lẫn nhau. Mô hình được sử dụng để tính toán
khôi phục dòng chảy từ mưa; tuy nhiên, chỉ thích hợp với lưu vực vừa và nhỏ
khi tác dụng điều tiết của sườn dốc có thể được xét thông qua các bể chứa xếp
theo chiều thẳng đứng. Mô hình NAM có số lượng tham số vừa phải (16 thông
số), dễ sử dụng hơn TANK.


12

Hình 1.4: Sơ đồ cấu trúc mô hình NAM [15]
- Mô hình thủy văn thông số phân bố MARINE (Pháp): Mô hình dựa trên
phương trình Saint-Vernant, tính toán dự báo quá trình lưu lượng tại các tuyến
hạ lưu. Mô hình MARINE đòi hỏi phải có số liệu địa hình, thổ nhưỡng, lớp phủ,
mạng lưới trạm KTTV đủ dày, đặc biệt phải dự báo được mưa với độ phân giải
cao. Lưu vực được chia theo lưới ô vuông. Phương trình liên tục được sử dụng
để tính giá trị mực nuớc trong mỗi ô. Tốc độ dòng chảy mặt trên lưu vực được
xác định bằng phương trình sóng khuyếch tán. Hệ số thấm là hàm số phụ thuộc

vào mực nước trong từng ô. Dòng chảy trong sông được xác định bằng hệ
phương trình Saint-Vernant đầy đủ với các hàm Q gia nhập khu giữa được xác
định từ các lưu vực liền kề.


13

Hình 1.5: Mô hình tham số phân bố MARIN kết hợp với DEM và GIS [15]
- Mô hình WETSPA (Bỉ): là một mô hình thủy văn phân bố dựa trên quy
luật tự nhiên dùng cho dự báo trao đổi nước và nhiệt giữa đất, thảm phủ thực
vật, khí quyển trong phạm vi một vùng, một lưu vực, theo bước thời gian ngày.

Hình 1.6: Cấu trúc mô hình WETSPA [15]
1.3.2. Một số công trình nghiên cứu về mô phỏng, dự báo lũ ở khu vực
- Lê Văn Nghinh, Hoàng Thanh Tùng (2007) [12] đã ứng dụng các mô
hình toán và hệ thống thông tin địa lý để xây dựng các phương án dự báo, cảnh
báo lũ và ngập lụt cho các sông lớn ở miền Trung. Phương pháp nghiên cứu của
tác giả được thể hiện trên hình 1.7.


14

Hình 1.7: Phương pháp nghiên cứu dự báo, cảnh báo và ngập lụt [12]
- Theo [14], việc áp dụng các mô hình toán đã có một số công trình sau:
(i) Năm 2000, Lê Xuân Cầu và Nguyễn Văn Chương, đã ứng dụng mạng
thần kinh nhân tạo (ANN) để dự báo lũ sông Cầu, Trà Khúc và sông Vệ,
Nguyễn Hữu Khải và Lê Xuân Cầu (2000), đã ứng dụng mạng thần kinh nhân
tạo (ANN) để dự báo lũ quét.
(ii) Năm 2000, Trần Thục, Lê Đình Thành, Đặng Thu Hiền đã ứng dụng
mô hình mạng thần kinh nhân tạo (ANN) để tính toán dự báo lũ cho các sông Tả

trạch, Trà Khúc, sông Vệ và lũ quét trên sông Dinh.
(iii) Năm 2000, Trần Thanh Xuân, Hoàng Minh Tuyền, đã sử dụng mô
hình TANK để tính toán lũ trên sông Tả Trach; Bùi Đức Long áp dụng mô hình
SSARR để dự báo lũ trên sông Trà Khúc (2001) và sông Cả (2003).
- Năm 2012, Ngô Lê An, Nguyễn Thị Bích Ngọc [5], “Nghiên cứu dự báo
dòng chảy lũ đến hồ chứa trên lưu vực sông Ba”. Tác giả dự báo dòng chảy lũ
đến các hồ chứa chính trên lưu vực bằng mô hình mưa dòng chảy (HEC-HMS),
mô hình mô phỏng vận hành hồ chứa (HEC-RESSIM) kết hợp với kết quả dự
báo từ mô hình khí tượng BOLAM. Kết quả dự báo thử nghiệm cho thấy, chỉ số
đảm bảo phương án đều đạt trên 80% tại Củng Sơn, An Khê, Ayun Hạ.
- Năm 2015, Lương Tuấn Anh, Nguyễn Thanh Sơn [7], “Áp dụng mô
hình thuỷ văn, thuỷ lực trong dự báo thuỷ văn”. Bài báo trình bày một số kinh