Nghiên cứu nâng cao chất lượng dự báo mưa, lũ phục vụ vận hành các hồ chứa trên lưu vực sông ba

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN VĂN HIẾU

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG
DỰ BÁO MƯA, LŨ PHỤC VỤ VẬN HÀNH CÁC HỒ CHỨA
TRÊN LƯU VỰC SÔNG BA

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, 2020


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN VĂN HIẾU

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG
DỰ BÁO MƯA, LŨ PHỤC VỤ VẬN HÀNH CÁC HỒ CHỨA
TRÊN LƯU VỰC SÔNG BA

Ngành: Thủy văn học
Mã số: 9 44 02 24

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1. GS. TS. Vũ Minh Cát
2. TS. Đặng Thanh Mai

HÀ NỘI, 2020


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên
cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào
và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích
dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Tác giả luận án

Nguyễn Văn Hiếu

i


LỜI CÁM ƠN
Luận án được thực hiện và hoàn thành tại khoa Thủy văn và Tài nguyên nước trường
Đại học Thủy lợi. Trong suốt thời gian thực hiện Luận án, nghiên cứu sinh (NCS) đã
nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ nhiệt thành của các cơ quan, đoàn thể và cá
nhân để hoàn thiện Luận án này.
NCS xin trân trọng cám ơn GS.TS. Vũ Minh Cát và TS. Đặng Thanh Mai, những người trực
tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận án.
Tác giả xin chân thành cám ơn Lãnh đạo và các Thầy, Cô ở Khoa Thủy văn và Tài
nguyên nước, các nhà khoa học, chuyên gia Trường Đại học Thủy lợi đã giúp đỡ NCS

rất nhiều về chuyên môn cũng như trao đổi học thuật trong thời gian qua.
Trong thời gian làm Luận án, NCS đã được Lãnh đạo Vụ Khoa học và Công nghệ, Bộ
Tài nguyên và Môi trường tạo mọi điều kiện về thời gian cũng như động viên tinh thần
để NCS yên tâm thực hiện Luận án của mình. NCS bày tỏ lòng biết ơn đến Lãnh đạo và
toàn thể công chức của Vụ!
Luận án được hoàn thành, NCS đã nhận được sự hỗ trợ về tài liệu, số liệu nghiên cứu từ
Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn quốc gia, Tổng cục Khí tượng Thủy văn và sự giúp
đỡ, góp ý đối với một số nội dung nghiên cứu của Luận án từ các đồng nghiệp tại đây.
Gia đình, vợ, con luôn là chỗ dựa vững chắc và là nguồn động viên lớn cho NCS trong
suốt thời gian quan. NCS trân trọng và luôn ghi nhớ, nỗ lực để thực hiện tốt nhiệm vụ
của mình.
Ngoài ra, bạn bè, đồng nghiệp, tập thể các nhà khoa học luôn cùng đồng hành và giúp
đỡ NCS trong thời gian qua. Những gợi ý, trao đổi và hỗ trợ này đã giúp cho NCS hoàn
thành Luận án tốt hơn. NCS chân thành cảm ơn.

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i
LỜI CÁM ƠN ................................................................................................................. ii
MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH......................................................................................v
DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................x
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................. xii
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU DỰ BÁO MƯA VÀ DỰ BÁO LŨ HẠN
VỪA ...............................................................................................................6
1.1. Tổng quan nghiên cứu về dự báo mưa, dự báo lũ hạn vừa trên thế giới ..................6
1.1.1. Nghiên cứu về dự báo mưa trên thế giới........................................................6

1.1.2. Nghiên cứu về dự báo lũ hạn vừa trên thế giới ..............................................8
1.2. Tổng quan nghiên cứu về dự báo mưa, lũ hạn vừa ở Việt Nam ................................ 10
1.2.1. Nghiên cứu về dự báo mưa ở Việt Nam ......................................................10
1.2.2. Nghiên cứu về dự báo lũ hạn vừa ở Việt Nam ............................................16
1.3. Những tồn tại và định hướng nghiên cứu ...............................................................21
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ..............................................................................................24
CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG CƠ SỞ KHOA HỌC DỰ BÁO MƯA VÀ DỰ BÁO LŨ
HẠN VỪA CHO LƯU VỰC SÔNG BA ....................................................26
2.1. Giới thiệu tổng quan về lưu vực sông Ba ...............................................................26
2.1.1. Vị trí địa lý ...................................................................................................26
2.1.2. Đặc điểm địa hình ........................................................................................26
2.1.3. Đặc điểm địa chất, thổ nhưỡng và thảm phủ thực vật .................................28
2.1.4. Mạng lưới sông suối ....................................................................................28
2.1.5. Đặc điểm khí hậu .........................................................................................30
2.1.6. Hệ thống hồ chứa lớn trên lưu vực sông Ba ................................................31
2.2. Các hình thế thời tiết gây mưa, lũ lớn trên lưu vực sông Ba ..................................32
2.2.1. Đặc điểm quá trình synop gây mưa lớn trên lưu vực sông Ba ....................32
2.2.2. Đặc điểm mưa và mưa sinh lũ trên lưu vực sông Ba ...................................36
2.3. Cơ sở lý luận ….....................................................................................................41
2.3.1. Công tác dự báo dòng chảy từ mưa phục vụ điều hành các hồ chứa ...........41
2.3.2. Xây dựng phương pháp dự báo mưa trên lưu vực sông Ba ........................42
iii


2.3.3. Xây dựng phương pháp dự báo lũ hạn vừa lưu vực sông Ba ......................61
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ..............................................................................................69
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU MƯA, LŨ CHO LƯU VỰC SÔNG BA VÀ
THẢO LUẬN ..............................................................................................72
3.1. Đặc điểm thủy văn, chế độ dòng chảy trên lưu vực sông Ba .................................72
3.1.1. Lưu vực sông Hinh ......................................................................................75

3.1.2. Lưu vực sông Krong H’Năng ......................................................................76
3.1.3. Lưu vực sông Ayun Hạ ................................................................................77
3.1.4. Lưu vực An Khê ..........................................................................................78
3.2. Kết quả dự báo mưa trên lưu vực sông Ba .............................................................80
3.2.1. Kết quả dự báo từ mô hình...........................................................................80
3.2.2. Đánh giá kỹ năng dự báo của mô hình ........................................................81
3.2.3. Hiệu chỉnh và tính toán giá trị mưa dự báo .................................................85
3.3. Kết quả dự dòng chảy trên lưu vực sông Ba ..........................................................92
3.3.1. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình ................................................................ 92
3.3.2. Kết quả dự báo dòng chảy đến hồ trên lưu vực sông Ba ...........................105
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ............................................................................................130
KẾT LUẬN .................................................................................................................132
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................135
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................136
PHỤ LỤC ....................................................................................................................141

iv


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Sơ đồ tiếp cận nghiên cứu trong luận án ......................................................23
Bản đồ mạng lưới sông suối, trạm kttv trên lưu vực sông Ba .....................27
Sơ đồ hệ thống sông và hồ chứa trên lưu vực sông Ba ................................ 30
Hiện trạng hồ chứa lớn trên lưu vực sông Ba ..............................................32
Bão số 12 - Damrey đổ bộ vào vào Khánh Hòa - Phú Yên .........................33
Hình thế không khí lạnh kết hợp với nhiễu động trong đới gió Đông .........34
Các hình thế thới tiết chủ yếu sinh mưa cho khu vực Miền Trung .............35
Cấu trúc mô hình WRF ................................................................................50
Miền dự báo của mô hình WRF với độ phân giải 5km ................................ 52
Sơ đồ biểu diễn các chỉ số phục vụ đánh giá chất lượng dự báo mưa .........56

Sơ đồ minh họa phương pháp nội suy điểm gần nhất ..................................59
Sơ đồ khối cơ sở phương pháp tính mưa dự báo .........................................61
Sơ đồ khối quy trình dự báo lũ hạn vừa theo mô hình MIKE NAM và HECHMS từ dữ liệu mưa dự báo theo phương pháp số trị .................................65
Phân chia lưu vực để tính diện tích cho hồ chứa sông Krong Hnang ..........66
Phân chia ô lưới độ phân giải ô lưới (14×14) km cho lưu vực Sông Ba .....67
Phân chia ô lưới độ phân giải ô lưới (5×5) km cho lưu vực Sông Ba .........67
Hình 3.1 Lưu lượng lũ lớn nhất tại trạm Cùng Sơn qua các năm ...............................75
Hình 3.2 Bản đồ lưu vực Sông Hinh ...........................................................................76
Hình 3.3 Diễn biến mực nước, lưu lượng hồ Krong H’ Năng ....................................76
Hình 3.4 Bản đồ lưu vực sông Krong H’ Năng ..........................................................77
Hình 3.5 Bản đồ lưu vực AYun Hạ.............................................................................78
Hình 3.6 Mực nước trung bình ngày từng năm hồ Auyn Hạ ......................................78
Hình 3.7 Bản đồ lưu vực An Khê ...............................................................................79
Hình 3.8 Diễn biến mực nước, lưu lượng hồ Ka Nak .................................................79
Hình 3.9 Định dạng số liệu mưa dự báo từ mô hình IFS (39x39) ô lưới ....................80
Hình 3.10 Định dạng số liệu mưa dự báo từ mô hình WRFARW (90x90) ô lưới .......81
Hình 3.11 Lượng mưa tích lũy 48h (từ 7h ngày 1/11/2016 đến 7h ngày 3/11/2016) từ số
liệu quan trắc (a), dự báo từ 7h ngày 1/11/2016 của IFS (b) và WRF (c) ...85
Hình 3.12 Lượng mưa tích lũy 48h (từ 7h ngày 4/11/2016 đến 7h ngày 6/11/2016) từ số
liệu quan trắc (a), dự báo từ 7h ngày 4/11/2016 của IFS (b) và WRF (c) ...85
Hình 3.13 Biểu đồ lượng mưa giữa thực đo và dự báo bằng mô hình IFS và WRF tại
trạm An Khê .................................................................................................86

v


Hình 3.14 Biểu đồ lượng mưa giữa thực đo và dự báo bằng mô hình IFS và WRF tại
trạm Pleiku ...................................................................................................86
Hình 3.15 Biểu đồ lượng mưa giữa thực đo và dự báo bằng mô hình IFS và WRF tại
trạm Kon Tum ..............................................................................................87

Hình 3.16 Biểu đồ lượng mưa giữa thực đo và dự báo bằng mô hình IFS và WRF tại
trạm Buôn Hồ ...............................................................................................87
Hình 3.17 Chỉ số ME của lượng mưa dự báo tích lũy 6h với số liệu quan trắc (mm) ..87
Hình 3.18 Hệ số tương quan (HSTQ) giữa lượng mưa dự báo với số liệu quan trắc ...87
Hình 3.19 Chỉ số ME của lượng mưa dự báo tích lũy 6h đã được hiệu chỉnh với số liệu
quan trắc (mm) .............................................................................................92
Hình 3.20 Hệ số tương quan (HSTQ) giữa lượng mưa dự báo đã được hiệu chỉnh thống
kê với số liệu quan trắc ................................................................................92
Hình 3.21 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng lưu vực An
Khê-1986 ......................................................................................................93
Hình 3.22 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng lưu vực An
Khê-1988 ......................................................................................................93
Hình 3.23 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng lưu vực An
Khê-2003 ......................................................................................................94
Hình 3.24 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô
hình HEC - HMS năm 1986 tiểu lưu vực An Khê .......................................94
Hình 3.25 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô
hình HEC - HMS năm 1988 tiểu lưu vực An Khê .......................................95
Hình 3.26 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô
hình HEC - HMS năm 2003 tiểu lưu vực An Khê .......................................95
Hình 3.27 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô
hình MIKE NAM lưu vực Ayun Hạ năm 1990 ...........................................97
Hình 3.28 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô
hình MIKE NAM lưu vực Ayun Hạ năm 1991 ...........................................97
Hình 3.29 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô
hình MIKE NAM lưu vực Ayun Hạ năm 1992 ...........................................97
Hình 3.30 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô
hình HEC - HMS lưu vực Ayun Hạ năm 1990 ............................................98
Hình 3.31 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô
hình HEC - HMS lưu vực Ayun Hạ năm 1991 ............................................98

Hình 3.32 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô
hình HEC - HMS lưu vực Ayun Hạ năm 1992 ............................................98
vi


Hình 3.33 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô
hình MIKE NAM lưu vực Krong Hnang năm 2003 ..................................100
Hình 3.34 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô
hình MIKE NAM lưu vực Krong Hnang năm 2004 ..................................100
Hình 3.35 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô
hình MIKE NAM lưu vực Krong Hnang năm 2005 ..................................100
Hình 3.36 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô
hình HEC - HMS lưu vực Krong Hnang năm 2003 ..................................101
Hình 3.37 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô
hình HEC - HMS lưu vực Krong Hnang năm 2004 ..................................101
Hình 3.38 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô
hình HEC - HMS lưu vực Krong Hnang năm 2005 ..................................101
Hình 3.39 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô
hình MIKE NAM lưu vực Sông Hinh năm 1986.......................................103
Hình 3.40 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô
hình MIKE NAM lưu vực Sông Hinh năm 1988.......................................103
Hình 3.41 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô
hình MIKE NAM lưu vực Sông Hinh năm 1991.......................................103
Hình 3.42 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô
hình HEC - HMS lưu vực Sông Hinh năm 1986 .......................................104
Hình 3.43 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô
hình HEC - HMS lưu vực Sông Hinh năm 1988 .......................................104
Hình 3.44 Biểu đồ so sánh đường quá trình lưu lượng thực đo và mô phỏng bằng mô
hình HEC - HMS lưu vực Sông Hinh năm 1991 .......................................104
Hình 3.45 Vị trí các ô lưới có kích thước (5x5) km thuộc các tiểu lưu vực nghiên cứu. ..105

Hình 3.46 Vị trí các ô lưới với kích thước 14x14km thuộc các tiểu lưu vực nghiên cứu .106
Hình 3.47 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ An Khê XI/2013 bằng mô hình MIKE
NAM theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ........111
Hình 3.48 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ An Khê XI/2014 bằng mô hình MIKE
NAM theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ........111
Hình 3.49 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ An Khê X/2015 bằng mô hình MIKE NAM
theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ...................111
Hình 3.50 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ An Khê X/2016 bằng mô hình MIKE NAM
theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ...................112
Hình 3.51 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ An Khê XI/2013 bằng mô hình HEC-HMS
theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ...................112
vii


Hình 3.52 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ An Khê XI/2014 bằng mô hình HEC-HMS
theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ...................112
Hình 3.53 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ An Khê X/2015 bằng mô hình HEC-HMS
theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ...................113
Hình 3.54 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ An Khê X/2016 bằng mô hình HEC-HMS
theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ...................113
Hình 3.55 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ Ayun Hạ XI/2013 bằng mô hình MIKE
NAM theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ........113
Hình 3.56 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ Ayun Hạ XI/2014 bằng mô hình MIKE
NAM theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ........114
Hình 3.57 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ Ayun Hạ X/2015 bằng mô hình MIKE
NAM theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ........114
Hình 3.58 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ Ayun Hạ X/2016 bằng mô hình MIKE
NAM theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ........114
Hình 3.59 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ Ayun Hạ XI/2013 bằng mô hình HECHMS theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km .........115
Hình 3.60 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ Ayun Hạ XI/2014 bằng mô hình HECHMS theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km .........115

Hình 3.61 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ Ayun Hạ X/2015 bằng mô hình HEC-HMS
theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ...................115
Hình 3.62 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ Ayun Hạ X/2016 bằng mô hình HEC-HMS
theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ...................116
Hình 3.63 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ Krong H’Năng XI/2013 bằng mô hình MIKE
NAM theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ..............116
Hình 3.64 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ Krong H’Năng XI/2014 bằng mô hình MIKE
NAM theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ..............116
Hình 3.65 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ Krong H’Năng X/2015 bằng mô hình MIKE
NAM theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ..............117
Hình 3.66 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ Krong H’Năng X/2016 bằng mô hình MIKE
NAM theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ..............117
Hình 3.67 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ Krong H’Năng XI/2013 bằng mô hình
HEC-HMS theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km 117
Hình 3.68 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ Krong H’Năng XI/2014 bằng mô hình
HEC-HMS theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km 118
Hình 3.69 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ Krong H’Năng X/2015 bằng mô hình
HEC-HMS theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km 118
viii


Hình 3.70 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ Krong H’Năng X/2016 bằng mô hình
HEC-HMS theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km 118
Hình 3.71 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ sông Hinh XI/2013 bằng mô hình MIKE
NAM theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ........119
Hình 3.72 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ sông Hinh XI/2014 bằng mô hình MIKE
NAM theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ........119
Hình 3.73 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ sông Hinh X/2015 bằng mô hình MIKE
NAM theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ........119
Hình 3.74 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ sông Hinh X/2016 bằng mô hình MIKE

NAM theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km ........120
Hình 3.75 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ sông Hinh XI/2013 bằng mô hình HECHMS theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km .........120
Hình 3.76 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ sông Hinh XI/2014 bằng mô hình HECHMS theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km .........120
Hình 3.77 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ sông Hinh X/2015 bằng mô hình HECHMS theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km .........121
Hình 3.78 Đường quá trình dự báo lũ đến hồ sông Hinh X/2016 bằng mô hình HECHMS theo số liệu mưa dự báo kích thước (5x5) km và (14x14) km .........121

ix


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Đặc trưng hình thái lưu vực sông Ba .............................................................29
Bảng 2.2 Dung tích phòng lũ các hồ chứa lớn thượng nguồn .......................................31
Bảng 2.3 Đặc trưng lượng mưa ngày lớn nhất trên lưu vực sông Ba ............................40
Bảng 2.4 Cấu hình của mô hình WRFARW với độ phân giải 5km với trường đầu vào
từ mô hình khu IFS 14km ............................................................................53
Bảng 2.5 Tiêu chuẩn được đánh giá ..............................................................................63
Bảng 2.6 Tiêu chuẩn được đánh giá sai số đỉnh lũ ........................................................64
Bảng 3.1 Đỉnh lũ lớn nhất đã qua quan trắc tại các trạm thủy văn .............................74
Bảng 3.2 Thời gian tính mưa dự báo bằng mô hình IFS và WRFARW .....................80
Bảng 3.3 Các quan trắc mưa sử dụng trong đánh giá sai số dự báo mưa từ mô hình .82
Bảng 3.4 Kết quả đánh giá và so sánh chất lượng dự báo định lượng mưa cho mô hình
IFS (14km) và mô hình WRF (5km) ............................................................83
Bảng 3.5 Kết quả đánh giá và so sánh chất lượng dự báo pha mưa cho mô hình IFS
(14km) và mô hình WRF (5km) với ngưỡng mưa to (>50mm/24h) ...........84
Bảng 3.6 Kết quả đánh giá và so sánh chất lượng dự báo pha mưa cho mô hình IFS
(14km) và mô hình WRF (5km) với ngưỡng mưa rất to (>100mm/24h) ....84
Bảng 3.7 Kết quả tính toán hệ số phụ thuộc (a) và tự do (b) trong phương trình hồi quy
đối với sản phẩm dự báo bằng mô hình IFS ................................................90
Bảng 3.8 Kết quả tính toán hệ số phụ thuộc (a) và tự do (b) trong phương trình hồi quy
đối với sản phẩm dự báo bằng mô hình WRF .............................................91

Bảng 3.9 Bảng kết quả bộ thông số mô hình NAM cho tiểu lưu vực An Khê ............93
Bảng 3.10 Kết quả đánh giá sai số mô hình MIKE NAM cho tiểu lưu vực An Khê ....94
Bảng 3.11 Bảng kết quả bộ thông số mô hình HEC-HMS cho tiểu lưu vực An Khê ...95
Bảng 3.12 Bảng kết quả đánh giá sai số mô hình HEC-HMS cho tiểu lưu vực An Khê ..96
Bảng 3.13 Bảng kết quả bộ thông số mô hình MIKE NAM và HEC-HMS cho tiểu lưu
vực Ayun Hạ ................................................................................................ 96
Bảng 3.14 Bảng kết quả đánh giá sai số mô hình HEC-HMS cho tiểu lưu vực Ayun Hạ 99
Bảng 3.15 Kết quả bộ thông số mô hình MIKE NAM và HEC-HMS cho tiểu lưu vực
Krong Hnang ................................................................................................ 99
Bảng 3.16 Kết quả đánh giá sai số mô hình MIKE NAM cho tiểu lưu vực Krong Hnang .102
Bảng 3.17 Kết quả bộ thông số mô hình MIKE NAM và HEC-HMS cho tiểu lưu vực
sông Hinh ...................................................................................................102
Bảng 3.18 Kết quả đánh giá sai số mô hình MIKE NAM cho tiểu lưu vực Krong Hnang .105
Bảng 3.19 Sơ đồ ô lưới độ phân giải (5x5) km tiểu lưu vực An Khê .........................106
x


Bảng 3.20 Sơ đồ ô lưới độ phân giải (5x5) km lưu vực Ayun Hạ. .............................107
Bảng 3.21 Sơ đồ ô lưới độ phân giải (5x5) km lưu vực Sông Hinh. ...........................107
Bảng 3.22 Sơ đồ ô lưới (5x5) km lưu vực sông Krông H’Năng. ................................107
Bảng 3.23 Giá trị trọng số cho các ô lưới (5x5) km trên tiểu lưu vực An Khê ...........108
Bảng 3.24 Giá trị trọng số cho các ô lưới (14x14) km trên tiểu lưu vực An Khê .......108
Bảng 3.25 Giá trị trọng số cho các ô lưới (5x5) km trên tiểu lưu vực Ayun Hạ .........108
Bảng 3.26 Giá trị trọng số cho các ô lưới (14x14) km trên tiểu lưu vực Ayun Hạ .....109
Bảng 3.27 Giá trị trọng số cho các ô lưới (5x5) km trên tiểu lưu vực Sông Hinh ......109
Bảng 3.28 Giá trị trọng số cho các ô lưới (14x14) km trên tiểu lưu vực Sông Hinh ..109
Bảng 3.29 Giá trị trọng số cho các ô lưới (5x5) km trên tiểu lưu vực Krong H’Năng ........109
Bảng 3.30 Giá trị trọng số cho các ô lưới (14x14) km trên tiểu lưu vực Krong H’Năng ....110
Bảng 3.31 Các tiêu chí đánh giá chất lượng dự báo lũ theo mô hình MIKE NAM cho 4
tiểu lưu vực trên sông Ba ...........................................................................122

Bảng 3.32 Bảng 3.35: Các tiêu chí đánh giá chất lượng dự báo lũ theo mô hình HECHMS cho 4 tiểu lưu vực trên sông Ba ........................................................122

xi


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ATNĐ

Áp thấp nhiệt đới

BĐ

Báo động

BIAS

Sai số hệ thống

BoM

Bureau of Meteorology of Autralia

BS

Chỉ số đánh giá xác suất

BSS

Chỉ số đánh giá kỹ năng dự báo xác suất

CFS

Hệ thống dự báo khí hậu

DBTH

Dự báo tổ hợp

ECMWF

Trung tâm dự báo thời tiết hạn vừa Châu Âu

EPS

Hệ thống dự báo tổ hợp

F

Yếu tố dự báo

Fi

Thành phần dự báo thứ i

GEM

Mô hình toàn cầu của CMC

GFS

Mô hình toàn cầu của NCEP

GIS

Hệ thống thông tin địa lý

GME

Mô hình toàn cầu của DWD

GSM

Mô hình toàn cầu của JMA

HRM

Mô hình dự báo thời tiết khu vực phân giải cao

HSTQ

Hệ số tương quan

HTTH

Hệ thống dự báo tổ hợp

IFS

Trung tâm dự báo thời tiết hạn vừa Châu Âu

ITCZ

Dải hội tụ nhiệt đới

JMA

Cơ quan khí tượng Nhật Bản

KKL

Không khí lạnh

KTTV

Khí Tượng Thủy Văn

KTXH

Kinh tế - Xã hội

LATS

Luận án tiến sĩ

ME

Sai số trung bình

MM5

Mô hình khí tượng động lực quy mô vừa thế hệ thứ 5

xii


MOS

Thống kê sau mô hình

N

Dung lượng mẫu hoặc tổng số dự báo thành phần

NAEFS

Hệ thống dự báo tổ hợp Bắc Mỹ

NCEP

Trung tâm dự báo môi trường quốc gia của Mỹ

nnk

Những người khác

NOGAPS

Mô hình toàn cầu của Hải quân Mỹ (US Navy)

NWP

Dự báo thời tiết số trị

O

Giá trị quan trắc

Oi

Giá trị quan trắc thứ i

POD

Xác suất phát hiện

PTNT

Phát triển nông thôn

RMSE

Sai số quân phương

SREPS

Hệ thống dự báo tổ hợp thời tiết hạn ngắn.

TBTH

Trung bình tổ hợp

TT DBKTTVQG

Trung Tâm Dự Báo Khí tượng Thủy văn quốc gia

KH KTTV&BĐKH Khoa học khí tượng thủy văn và Biến đổi khí hậu
WRF

Mô hình nghiên cứu và dự báo thời tiết

WRFARW

Mô hình nghiên cứu và dự báo thời tiết phiên bản ARW

XTNĐ

Xoáy thuận nhiệt đới

xiii


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hệ thống sông Ba là một trong 9 hệ thống sông lớn ở Việt Nam, thuộc địa phận của 4
tỉnh: Gia Lai, Đăk Lăk, Phú Yên và một phần nhỏ thuộc Kon Tum, có vị trí địa lý và vai
trò quan trọng trong phát triển kinh tế - xã hội (KTXH) của quốc gia. Lưu vực có diện
tích 13417 km2, mật độ lưới sông 0,22 km/km2, chiều dài bình quân lưu vực 396 km,
chiều rộng bình quân 48,6 km. Địa hình lưu vực hẹp, dốc, chia cắt dẫn tới thời gian chảy
truyền của dòng chảy lũ về hạ lưu không dài. Mặt khác, lưu vực sông Ba nằm ở 2 vùng
khí hậu Tây Nguyên thuộc phía tây Trường Sơn và khí hậu nam trung bộ thuộc phía

đông Trường Sơn, cũng tạo ra một chế độ lũ khác biệt so với các lưu vực khác.
Theo số liệu thống kê, trong 20 năm gần đây, thiên tai lũ lụt xảy ra với số lượng và
cường độ ngày càng nghiêm trọng hơn trên lưu vực sông Ba. Điển hình là vào năm 2017,
mưa lớn tập trung trong thời gian ngắn đầu tháng 11 và 12 đã gây ra lũ đặc biệt lớn với
đỉnh lũ ở các trạm trên hệ thống sông đều vượt báo động 3 (BĐ3) từ 0,17 - 1,0 m, gây
ra thiệt hại nặng nề cho hạ lưu của các công trình thủy điện trên lưu vực.
Hiện nay, trên lưu vực sông Ba đã xây dựng một hệ thống công trình thủy điện bậc
thang, bao gồm 04 công trình thủy điện trên dòng chính là An Khê - Kanak, sông Ba
Thượng, sông Ba Hạ và các công trình thủy điện trên dòng nhánh gồm Sông Hinh,
EaKrong Hnăng, AYun thượng 1, AYun thượng 2, Đaksrong, H’Chan, H’Mun, Đăk
Sông ….Việc xây dựng các hồ chứa thủy điện nhằm phát triển kinh tế xã hội cho các
tỉnh Miền Trung, Tây Nguyên. Tuy nhiên, do tính bất định của mưa, lũ ngày càng lớn,
thêm vào đó việc dự báo mưa, lũ gặp khó khăn do mạng lưới trạm quan trắc khí tượng,
thủy văn không đủ dày, công cụ dự báo chưa đủ mạnh, trong khi thời gian xảy ra lũ ngắn
làm cho việc vận hành hệ thống liên hồ gặp nhiều khó khăn và trong thực tế đã gây ra
lũ, ngập lụt phía hạ du, ảnh hưởng trực tiếp tới dân sinh, kinh tế trên lưu vực.
Trong 04 năm từ năm 2014 đến năm 2018, Chính phủ đã ban hành 02 quyết định về việc
vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Ba. Cụ thể ngày 18 tháng 7 năm 2018, Thủ
tướng Chính phủ đã ban hanh Quyết định 878/QĐ-TTG thay thế Quyết định 1077/QĐ-

1


TTg ngày 07 tháng 7 năm 2014, điều này cho thấy quy trình liên hồ đã hoàn thiện, đáp
ứng được công tác chỉ đạo điều hành, vận hành các hồ trong chuỗi liên hồ chứa trên
sông Ba. Công tác dự báo lũ đến hồ với thời gian dự kiến dài hơn là một việc quan trọng,
phục vụ việc vận hành các hồ theo đúng quy trình vận hành liên hồ chứa và cho phép
điều chỉnh linh hoạt khi việc dự báo mưa, lũ có thời gian dự kiến dài hơn.
Hiện tại trên lưu vực sông Ba có 5 hồ chứa lớn Ayun Hạ, An Khê - Ka Nak, Krông
HNăng, Sông Hinh và Ba Hạ với tổng dung tích phòng lũ của các hồ là 260,5*106 m3.

Tổng dung tích phòng lũ của các hồ là rất nhỏ so với tổng lượng lũ 5 ngày lớn nhất đã xảy
ra tại Củng Sơn là 2.507,3*106 m3 [27], do đó nếu dự báo được chính xác lượng mưa và
dòng chảy lũ đến hồ với thời đoạn dài hơn sẽ tạo điều kiện cho các chủ hồ vận hành chủ
động, tránh được hiện tượng “Xả sốc” xuống hạ du (lưu lượng xả tăng đột ngột từ 0 m3
đến giá trị lưu lượng lớn nhất đến hồ), gây ngập lụt và thiệt hại về người và tài sản cho hạ
du. Việc dự báo mưa, lũ chính xác với thời gian dự kiến dài hơn, sẽ tạo điều kiện vận hành
hệ thống hồ chứa lớn trên lưu vực một cách chủ động và hiệu quả.
Vì vậy, việc “Nghiên cứu nâng cao chất lượng dự báo mưa, lũ phục vụ vận hành các hồ
chứa trên lưu vực sông Ba” là cần thiết và cấp bách nhằm đưa ra được luận cứ khoa học,
phương pháp nâng cao chất lượng dự báo mưa, lũ trung hạn để chủ động vận hành các
hồ chứa theo đúng quy trình liên hồ trên lưu vực sông Ba.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Nâng cao độ chính xác dự báo mưa, dòng chảy lũ trung hạn đến hồ chứa lớn trên lưu
vực sông Ba, chủ động vận hành tốt các hồ chứa trên lưu vực theo quy trình vận hành
liên hồ, đảm bảo nhiệm vụ chống lũ cho hạ du, phát điện và hạn chế đến mức thấp nhất
thiệt hại do lũ gây ra trên toàn hệ thống thì mục tiêu nghiên cứu của luận án như sau:
Nghiên cứu, lựa chọn và sử dụng mô hình số trị phù hợp để dự báo mưa với thời gian
dự kiến từ 72 đến 120 giờ.
Nghiên cứu, lựa chọn và sử dụng mô hình thủy văn phù hợp để dự báo lũ đến các hồ
chứa trên lưu vực sông Ba phục vụ điều hành hệ thống liên hồ theo Quyết định 878/QĐTTg ngày 18 tháng 7 năm 2018 của Thủ tướng Chính phủ.

2


3. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu
Về không gian: Nghiên cứu dự báo dòng chảy lũ đến 04 hồ chứa trên lưu vực sông Ba có
dung tích trên 100 triệu m3 bao gồm hồ Sông Hinh, Krông H’năng, Ayun Hạ và An Khê.
Về thời gian: Tăng thời gian dự kiến của dự báo từ 24 - 48 giờ hiện nay lên 72 đến
120 giờ.

Đối tượng nghiên cứu: Các yếu tố mưa sinh lũ và dòng chảy lũ đến 04 hồ chứa lớn thuộc
lưu vực sông Ba.
4. Phương pháp nghiên cứu
Cách tiếp cận
Ở khu vực nhiệt đới gió mùa như Việt Nam, dòng chảy sinh ra chủ yếu từ mưa. Nguyên
nhân gây mưa là tổ hợp của nhiều hình thế thời tiết hoặc chỉ một hình thế thời tiết độc lập
đơn lẻ, do vậy cách tiếp cận của nghiên cứu dựa vào nguyên lý “Nguyên nhân hình thành”,
nghĩa là dòng chảy hình thành là do mưa, sau khi đã trừ các tổn thất. Mặt khác, sự hình
thành dòng chảy trên lưu vực không chỉ phụ thuộc vào yếu tố mưa, mà còn chịu ảnh
hưởng của các yếu tố khác như điều kiện địa hình, địa chất, thổ nhưỡng, lớp phủ v.v…
Do vậy khi dự báo dòng chảy phải xem xét tới vai trò ảnh hưởng của các yếu tố trên.
Phương pháp nghiên cứu và công cụ tính toán
Phương pháp kế thừa: Luận án kế thừa một số kết quả nghiên cứu trước đây từ các đề
tài, dự án có liên quan đến nội dung nghiên cứu của luận án. Trong đó, chủ yếu là kết
quả thu thập số liệu khí tượng, thủy văn, hồ chứa trên lưu vực sông Ba.
Phương pháp thống kê xác suất: Sử dụng để phân tích tần suất mưa, dòng chảy và sai số
giữa giá trị dự báo mưa, lũ và giá trị quan trắc trên lưu vực sông Ba.
Phương pháp phân tích tổng hợp: Được sử dụng để đánh giá, so sánh từ các phương án
dự báo mưa, lũ trên lưu vực sông Ba.
Phương pháp mô hình toán: Luận án xây dựng mô hình khí tượng số trị, thủy văn cho
lưu vực sông Ba. Cụ thể:
3


Nghiên cứu dự báo mưa: Nghiên cứu sinh đã lựa chọn sử dụng kết hợp mô hình số trị dự
báo thời tiết IFS của Trung tâm Dự báo thời tiết hạn vừa Châu Âu và mô hình WRFARW
của Mỹ để dự báo định lượng mưa trên lưu vực. Với kết hợp này, người dự báo có thể
linh hoạt đưa ra giá trị dự báo định lượng mưa với độ phân giải chi tiết hơn trên toàn lưu
vực nghiên cứu và tùy vào tình hình thời tiết trên lưu vực để đưa ra được định dạng, độ
phân giải số liệu dự báo mưa định lượng cho các tiểu lưu vực trên sông Ba.

Nghiên cứu dự báo lũ: Nghiên cứu sinh sử dụng 2 mô hình MIKE - NAM và mô hình
HEC-HMS là các mô hình dễ sử dụng và đang được dùng phổ biến trong công tác tính
toán dòng chảy ở Việt Nam.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học
Đã xác định được cơ sở khoa học nghiên cứu, kiểm chứng, lựa chọn và ứng dụng mô hình
số trị IFS và WRFARW để dự báo định lượng mưa có độ phân giải từ (14x14) km đến độ
phân giải (5x5) km trên lưu vực sông Ba. Đây là bộ công cụ dự báo mưa hiện đại, có tính
ưu việt cao, phù hợp với lưu vực, giúp nâng cao độ chính xác của kết quả dự báo và mở
rộng được thời gian dự kiến từ 48 giờ hiện tại lên tới từ 72 giờ đến 120 giờ.
Đã ứng dụng bộ mô hình thủy văn MIKE-NAM và HEC-HMS, có kiểm định, kết hợp
với các phân tích, hiệu chỉnh các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành dòng chảy trên
lưu vực như các yếu tố địa hình, địa chất, thổ nhưỡng và lớp phủ để dự báo định lượng
dòng chảy đến hồ phục vụ điều hành các hồ chứa, phòng tránh ngập lụt cho hạ du lưu
vực sông Ba.
Ý nghĩa thực tiễn
Các kết quả nghiên cứu của luận án có thể sử dụng trong nghiệp vụ nhằm nâng cao độ
chính xác dự báo, kéo dài thời gian dự kiến từ 48 giờ hiện tại lên tới từ 72 giờ đến 120
giờ và tăng độ phân giải trong dự báo mưa là những mục tiêu cần đạt được trong hoạt
động dự báo nghiệp vụ trên lưu vực nghiên cứu hiện nay;
Xây dựng được bộ công cụ dự báo lũ với độ chính xác cao và thời gian mở rộng hơn từ
48 giờ trước đây lên tới 120 giờ, giúp cho việc điều hành các hồ chứa linh hoạt hơn, có

4


thêm nhiều lựa chọn đạt được hiệu quả cao nhất, đảm bảo an toàn hồ chứa và giảm thiểu
lũ, ngập lụt cho vùng hạ du.
Phương pháp dự báo mưa, lũ trung hạn cho lưu vực sông Ba có thể dùng là tài liệu học
tập cho sinh viên và tài liệu tham khảo cho các NCS và học viên cao học.

6. Những đóng góp mới của luận án
Nghiên cứu xây dựng được cơ sở khoa học lựa chọn mô hình số trị IFS và WRFARW
để dự báo định lượng mưa kéo dài thời gian dự kiến từ 48 giờ hiện tại lên tới từ 72 giờ
đến 120 giờ có độ phân giải từ (14x14) km đến độ phân giải (5x5) km trên lưu vực sông
Ba và bộ mô hình thủy văn MIKE-NAM và HEC-HMS để dự báo trước dòng chảy tới
hồ trước từ 03 đến 05 ngày.
Ứng dụng thành công bộ mô hình mưa số trị và bộ mô hình thủy văn để thử nghiệm dự
báo dòng chảy lũ tới 04 hồ trên lưu vực, phục vụ công tác điều hành các hồ chứa lưu
vực sông Ba.
7. Kết cấu của luận án
Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục tài liệu tham khảo, các phụ lục, luận án được
kết cấu thành 03 chương:
Chương 1: Tổng quan nghiên cứu dự báo mưa và dự báo lũ hạn vừa.
Chương 2: Xây dựng cơ sở khoa học dự báo mưa và dự báo lũ hạn vừa cho lưu vực sông
Ba.
Chương 3: Kết quả nghiên cứu mưa, lũ cho lưu vực sông Ba và thảo luận.

5


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU DỰ BÁO MƯA VÀ DỰ BÁO
LŨ HẠN VỪA
1.1. Tổng quan nghiên cứu về dự báo mưa, dự báo lũ hạn vừa trên thế giới
1.1.1. Nghiên cứu về dự báo mưa trên thế giới
Hiện nay, dự báo hạn vừa là một phần không thể thiếu đối với tất cả các trung tâm dự
báo lớn trên thế giới. Hầu hết cách tiếp cận đối với dự báo hạn vừa đều dựa trên phương
pháp dự báo tổ hợp nhằm nắm bắt được các nguồn bất định do trường ban đầu gây ra.
Từ những năm đầu của thập kỷ 90, một số trung tâm dự báo khí tượng lớn trên thế giới,
các hệ thống dự báo tổ hợp (EPS - Ensemble Prediction System) nghiệp vụ đã được đưa
vào hoạt động phục vụ công tác dự báo hạn vừa hạn dài và được chạy trên các hệ thống

siêu máy tính. Các EPS này được phát triển dựa trên các mô hình toàn cầu với mục đích
chính là nâng cao chất lượng dự báo và tăng cường khả năng dự báo dài hạn. EPS nghiệp
vụ đầu tiên tại Trung tâm quốc gia dự báo môi trường của Mỹ (NCEP-National Center
for Enviromental Prediction) được sử dụng từ năm 1992 dựa trên phương pháp BGM
(Breeding of Growing Mode) để tạo tập hợp các trường ban đầu khác nhau cho mô hình
toàn cầu T126 với 28 mực thẳng đứng và tích phân tới 180 giờ (Toth và Kalnay, 1997)
[42]. Hiện tại, EPS cho dự báo hạn vừa của NCEP (GEFS) bao gồm 21 thành phần dựa
theo phương pháp mới ET (Ensemble Transform) độ phân giải T190L28 (khoảng 0.70,
28 mực), hạn dự báo 15 ngày (Zhu và cộng sự, 2016) [53].
Năm 1992, Trung tâm dự báo hạn vừa Châu Âu (ECMWF - European Center for
Medium-range Weather Forecasts), EPS cũng sử dụng phương pháp SV (Singular
Vector) để tạo nhiễu động ban đầu (Palmer và cộng sự, 1992) [47]. EPS này hiện nay
có 51 dự báo thành phần, thực hiện dự báo hàng ngày và cung cấp kết quả cho các nước
trong Cộng đồng Châu Âu là thành viên của ECMWF. Hệ thống EPS này có tên gọi
VAREPS (Variable Resolution EPS) hạn dự báo 15 ngày, trong đó 9 ngày đầu hệ thống
chạy với độ phân giải TL399L62 (khoảng 50 km, 62 mực) và 6 ngày sau với độ phân
giải TL255L62 (khoảng 80 km, 62 mực). Đây là EPS hạn vừa có độ phân giải cao nhất
hiện nay trên thế giới.

6


Độc lập với NCEP và ECMWF nhưng muộn hơn vài năm, Trung tâm Khí tượng Canada
(JMA-Canadian Meteorological Center) cũng bắt đầu đưa vào chạy nghiệp vụ EPS theo
phương pháp EnKF (Ensemble Kalman Filter) theo Houtekamer và cộng sự (1996). EPS
của CMC cho thấy một sự kết hợp chặt chẽ giữa EF và đồng hóa số liệu. Hiện tại, EPS
của CMC (CEFS) bao gồm 21 thành phần tương tự như EPS của NCEP với độ phân giải
0.90, 28 mực và hạn dự báo 16 ngày.
Tiếp sau các trung tâm trên, các trung tâm khí tượng khác như MeteoFrance, BoM, JMA,
KMA, CMA cũng bắt đầu phát triển và sử dụng EPS cho các mô hình toàn cầu trong dự

báo hạn vừa và hạn dài. Với rất nhiều EPS từ các trung tâm dự báo khác nhau như trên,
cộng đồng khí tượng đang hướng đến một dự báo siêu tổ hợp, kết hợp tất cả thông tin
dự báo từ các EPS thông qua chương trình TIGGE (THORPEX Interactive Grand Global
Ensemble) (Philippe Bougeault và cộng sự, 2009) [48]. Thành công bước đầu của
TIGGE được thể hiện qua hệ thống dự báo tổ hợp Bắc Mỹ NAEFS kết hợp hai hệ thống
GEFS của NCEP và CEFS của CMC (Zhu và cộng sự, 2009) [52].
Tiếp sau thành công của EPS từ mô hình toàn cầu, Molteni và cộng sự (2001) [45],
Marsigli và cộng sự (2001) [44] bắt đầu những nghiên cứu lý thuyết cho phép thực hiện
EF trên các mô hình khu vực với độ phân giải cao hơn so với mô hình toàn cầu với tên
gọi LEPS (Limited-area Ensemble Prediction System). Tuy nhiên, LEPS lại hướng đến
dự báo từ 2 cho đến 5 ngày (trước hạn vừa). Với mục tiêu như vậy, nhiễu động điều kiện
biên sẽ trở nên quan trọng hơn so với nhiễu động điều kiện ban đầu. Hệ thống được thực
hiện đơn giản bằng cách tích phân mô hình LM lồng trong các thành phần của EPS toàn
cầu tại ECMWF. Sau những thử nghiệm đầu tiên tại ARPA-SIM, hệ thống với tên gọi
COSMO-LEPS đã được thực hiện tại ECMWF vào năm 2003 (Montani và cộng sự
2003b) [46]. Đánh giá của Marsigli và cộng sự (2005) [35] cho thấy kỹ năng dự báo từ
hệ thống này cao hơn so với kỹ năng tương ứng từ hệ thống dự báo tổ hợp toàn cầu mà
LM chạy lồng trong đó.
Như vậy, từ các phân tích trên có thể thấy EPS hạn vừa đã được triển khai vào dự báo
nghiệp vụ tại rất nhiều trung tâm dự báo lớn trên thế giới và dựa trên các mô hình toàn
cầu. Tuy nhiên, để tăng khả năng nắm bắt các quy mô vừa chuyển tiếp giữa hạn ngắn và
hạn vừa, cách tiếp cận sử dụng mô hình một mô hình khu vực để tăng độ phân giải và
7


chạy với các đầu vào từ các thành phần dự báo của EPS toàn cầu được thực hiện cho
hạn dự báo 3-15 ngày.
Bên cạnh sự phát triển của các hệ thống EPS kể trên, bản thân các trung tâm lớn trên thế
giới cũng đã tiến hành dự báo tất định với hạn 1-15 ngày dựa trên các mô hình toàn cầu
tự phát triển. Tại Trung tâm Dự báo hạn vừa Châu Âu, mô hình IFS (Intergrated Forecast

System) được chạy một ngày 2 lần, dự báo đến 10 ngày với độ phân giải 0.1x0.1 độ kinh
vĩ. Trường mưa dự báo với thời đoạn 3 tiếng với 5 ngày đầu trong khi 5 ngày sau thời
đoạn dự báo là 6 tiếng.
Tại NCEP, mô hình GFS được chạy 4 phiên trong ngày, cách nhau 06 tiếng với các tùy
chọn độ phân giải là 0.25x0.25 độ, 0.5x0.5 độ và 1.0x1.0 độ kinh vĩ. Thời hạn dự báo
của mô hình lên đến 384h (15 ngày) hoàn toàn có thể đáp ứng được nhu cầu dự báo mưa
hạn vừa, làm đầu vào cho các mô hình thủy văn hiện nay.
Tại Cơ quan khí tượng Nhật Bản (JMA), mô hình GSM đang chạy với độ phân giải
0.5x0.5 độ và 0.25x0.25 độ với hạn dự báo lên đến 10 ngày. Trong đó, mô hình chạy
mỗi ngày 04 phiên dự báo 84h đầu tiên, riêng dự báo từ 84h đến 240h (10 ngày) được
chạy duy nhất 1 lần vào phiên 12Z.
Năm 2015, dữ liệu mưa cực trị hạn vừa đến hạn dài (bao gồm cực trị ngày, cực trị tuần
và cực trị mùa) cũng được nhóm các tác giả C. J. White và cộng sự [34] tại Đại học
Tasmania sử dụng để nghiên cứu dự báo lũ tại Úc.
1.1.2. Nghiên cứu về dự báo lũ hạn vừa trên thế giới
B.T Gouweleeuw và cộng sự [32] đã sử dụng mô hình LISFLOOD dự báo lũ hạn vừa với
đầu vào dự báo mưa tổ hợp 51 thành phần của Trung tâm dự báo hạn vừa Châu Âu
(ECMWF), nghiên cứu cho 2 trường hợp lũ trên sông Meuse (tháng 01/1995) và Odra
(tháng 07/1997). Các kết quả cho thấy mô hình LISFLOOD đã cảnh báo được lũ sớm
trước từ 2-3 ngày, đặc biệt là thời điểm xảy ra đỉnh lũ. Mặc dù vậy đối với trường hợp lũ
trên sông Odra, mô phỏng đỉnh lũ từ mô hình thiên thấp hơn so với thực tế. Kết quả đỉnh
lũ thấp hơn so với thực tế cũng đã phản ánh phần nào việc dự báo mưa đầu vào của mô
hình ECMWF chưa cho kết quả dự báo mưa như mong muốn, độ phân giải của dự báo
mưa còn quá thưa chưa phản ánh hết thực tế, tính chất của mưa trên lưu vực được dự báo.
8


Trong một nghiên cứu khác của F. Pappenberger và cộng sự [39] vào năm 2008, mô hình
LISFLOOD cũng đã được sử dụng để nghiên cứu trận lũ năm 2007 tại Romania, sử dụng
đầu vào là lượng mưa dự báo từ các dự báo tổ hợp của nhiều trung tâm lớn trên thế giới

như ECMWF, UKMO, JMA, NCEP, CMA, CMC, BOM. Các kết quả đưa ra có thể cảnh
báo được trận lũ trước 8 ngày. Kết quả cũng cho thấy dự báo tổ hợp theo cách tiếp cận đa
mô hình có đặc tính trung bình tốt nhất là của ECMWF và UKMO, các kết quả mô phỏng
rất tốt phần đuôi của hàm phân bố tức là các giá trị cực trị có thể xảy ra.
Walter, C. và nnk (2007) [33] đã sử dụng mô hình thủy văn thông số phân bố MGB-IPH
để sự báo dòng chảy trung hạn cho sông Paranafba ở Brazil. Mô hình này được cải tiến
từ mô hình LARSIM với một số thay đổi trong các modul tính bốc thoát hơi, tính thấm.
Ô lưới tính toán của mô hình thường là 10km x 10km và chúng được kết nối với mạng
sông suối với mỗi ô được coi như ‘một đơn vị phản ứng thủy văn’ với giá trị phụ thuộc
vào loại đất và hiện trạng sử dụng đất trên từng ô lưới. Mô hình này sử dụng mưa dự
báo từ mô hình ETA của Trung tâm dự báo mưa của Brazil (BCWP). Mô hình dự báo
mưa ETA là mô hình số trị với domain bao phủ toàn bộ khu vực Nam Mỹ và một phần
của vùng phụ cận; mô hình dự báo thời tiết này được đưa vào dự báo tác nghiệp từ năm
1996, chủ yếu cho dự báo hạn ngắn. Kết quả dự báo của mô hình thủy văn phân bố
MGB-IPH cho kết quả khả quan hơn nhiều trong cả mùa mưa và mùa khô với thời gian
dự kiến từ 3, 5 đến 12 ngày, đặc biệt là khi dự báo mưa tốt.
Walter Collischonn và nnk (2007) [36] đã sử dụng dự báo mưa định lượng làm đầu vào
cho mô hình thủy văn thông số tập trung để dự báo dòng chảy đến hồ với thời đoạn đến
vài tháng trên lưu vực sông giữa hồ chứa Itumbiara và São Simão (75.000 km2). Nghiên
cứu sử dụng số liệu dự báo lượng mưa từ mô hình ETA khu vực do Trung tâm Dự báo
thời tiết Brazil (CPTEC điều hành). Kết quả được so sánh với kết quả từ mô hình ARMA
hiện đang được sử dụng và cho sai số dự báo có thể giảm đáng kể, trong cả mùa khô và
mùa mưa. Việc giảm thêm các sai số dự báo có thể được thu được từ việc cải thiện dự
báo lượng mưa và chất lượng dữ liệu đầu vào cho mô hình thủy văn.
V.Thiemig và nnk (2015) [51] đã sử dụng hệ thống dự báo lũ tổ hợp (AFFS) cho các sông
có quy mô vừa đến lớn ở Châu phi với thời đoạn dự báo 15 ngày. Thành phần chính của
hệ thống dự báo là mô hình thủy văn thông số phân bố LISFLOOD với số liệu GIS và
9

số liệu mưa dự báo từ trung tâm ECMWF. Hệ thống mô phỏng lũ đại biểu năm tháng 3
năm 2003 tại lưu vực sông Sabi (Zimbabwe). Kết quả được kiểm định với 36 điểm quan
trắc trên lưu vực. Quá trình kiểm định AFFS cho kết quả khá tốt (dự báo đạt trên 70%).
Đặc biệt, hệ thống cho kết quả dự báo lũ tốt với thời gian dự báo dài (lớn hoen 01 tuần)
và các lưu vực có diện tích lớn (trên 10000 km2). Có thể thấy việc áp dụng số liệu dự
báo mưa định lượng từ trung tâm ECMWF cho công tác dự báo lũ hạn vừa là khá khả
quan và cho kết quả tốt.
Knebla, M.R. và nnk (2005) [43] đã xây dựng một mô hình dự báo lũ cho lưu vực sông
San Antonio (diện tích khoảng 10.000 km2) ở Bang Texas, Hoa kỳ. Mô hình dự báo lũ
này thực chất là sự kết hợp giữa mô hình thủy văn, thủy lực HEC-HMS, HEC-RAS và
mô hình dự báo mưa bằng radar NEXRAD với sự trợ giúp của công cụ GIS có tên “Map
to Map” sử dụng phần mở rộng ArcHydro trong ArcGIS cho khu vực nghiên cứu. Mô
hình HEC-HMS trong nghiên cứu này là mô hình thông số phân bố (sử dụng lựa chọn
lũ đơn vị ModClark) với ô lưới 4km x 4km tương ứng với độ phân giải của mưa lưới từ
mô hình dự báo mưa bằng radar NEXRAD. Công cụ “Map to Map” được sử dụng để
xây dựng các bản đồ đất, thảm phủ dạng lưới làm đầu vào cho HEC-HMS. Mô hình kết
hợp này đã được hiệu chỉnh với lưu lượng thực đo tại 12 trạm thủy văn trong lưu vực và
được kiểm định với thông tin từ ảnh vệ tinh Landsat TM để đảm bảo độ tin cậy. Công
cụ GIS được sử dụng để xây dựng cơ sở dữ liệu bản đồ ngập lụt. Nghiên cứu đã thử
nghiệm dự báo cho trận lũ lớn mùa hè năm 2002 và kết quả đạt được là khá tốt. Mô hình
kết hợp này đã mở ra triển vọng cho việc dự báo lũ với phạm vi vùng và có thể áp dụng
cho nhiều vùng khác nhau ở Hoa Kỳ.
1.2. Tổng quan nghiên cứu về dự báo mưa, lũ hạn vừa ở Việt Nam
1.2.1. Nghiên cứu về dự báo mưa ở Việt Nam
Công tác dự báo khí tượng nói chung và dự báo mưa hạn vừa, hạn dài nói riêng tại
nước ta đang được tiến hành trên hai phương pháp chính là phương pháp thống kê
truyền thống và phương pháp mô hình số trị. Đối với phương pháp thống kê truyền
thống, tư liệu dùng để dự báo hạn vừa dựa vào các bản đồ trung bình, chuẩn sai và
biến cao của độ cao địa thế vị mực 500mb trong thời đoạn 3 ngày, 5 ngày và 10 ngày.
Các bản đồ này được thực hiện tương đối thủ công bằng cách tính toán, điền các giá

10