Nghiên cứu ứng dụng mô hình kết nối MARINE và IMECH1D dự báo lưu lượng vào hồ hòa bình

1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

VIỆN CƠ HỌC

NGUYỄN TIẾN CƢỜNG

NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG MƠ HÌNH KẾT NỐI
MARINE VÀ IMECH1D DỰ BÁO LƢU LƢỢNG VÀO
HỒ HỊA BÌNH

LUẬN VĂN THẠC SỸ

Hà Nội - 2010


3

MỤC LỤC
MỤC LỤC ......................................................................................................... 1
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 7
Chƣơng 1. ĐẶC ĐIỂM CỦA LƢU VỰC VÀ CỦA CÁC MƠ HÌNH LỰA
CHỌN NGHIÊN CỨU ....................................................................................... 9
1.1. Đặc điểm địa lý tự nhiên, quy luật dịng chảy lũ trên lƣu vực sơng
Đà và vai trị của hồ Hịa Bình [4]-[6]: ..................................................... 9
1.1.1. Đặc điểm mƣa gây lũ [4]: ..................................................... 9
1.1.2 Đặc điểm dòng chảy lũ sơng Đà [4]: .................................... 10

1.1.3. Vai trị của hồ Hịa Bình [4]:............................................... 11
1.2.

Tổng quan về mơ hình thủy văn [3]-[5]: ....................................... 12

1.3.

Tổng quan về mơ hình thủy lực [3]; [6]: ....................................... 13

Chƣơng 2. PHẦN MỀM THỦY VĂN THAM SỐ PHÂN BỐ MARINE ......... 16
2.1. Cơ sở khoa học của phần mềm thủy văn tham số phân bố Marine: .. 16
2.1.1. Mơ hình dịng chảy trên bề mặt lƣu vực [3]; [5]; [6]; [8]: ... 16
2.1.2. Mơ hình thấm Green Ampt [12]; [16]: ................................ 17
2.2. Cấu trúc dữ liệu trong Marine [16]: ................................................. 19
Chƣơng 3. PHẦN MỀM THỦY LỰC MỘT CHIỀU IMECH1D ..................... 22
3.1. Các thành phần của hệ thống [5]; [6]; [9]: ....................................... 22
3.1.1. Mạng sông: ......................................................................... 22
3.1.1.1. Nút sơng: ............................................................... 22
3.1.1.2. Đoạn sơng: ............................................................ 23
3.1.2. Ơ ruộng (Ơ chứa): .............................................................. 23
3.2. Mơ hình tốn học [5]; [6]; [9]: ......................................................... 23
3.2.1. Mơ hình tốn học một đoạn sơng: ....................................... 23
3.2.2. Mơ hình tốn học của một ơ ruộng [5]; [6]; [9]:.................. 24
3.3. Lƣợc đồ sai phân [1]; [5]; [6]: ......................................................... 24


4
3.4. Tuyến tính hóa hệ phƣơng trình (3.5), (3.7), (3.8): ......................... 26
3.4.1. Tuyến tính hố các biểu thức đơn giản [10]: ....................... 27
3.4.2. Tuyến tính hố biểu thức có lực cản đáy: ............................ 27

3.4.3. Tuyến tính hố biểu thức trao đổi nƣớc qua đê: .................. 28
3.5. Thuật giải hệ phƣơng trình đại số tuyến tính [1]; [5]; [6]: ................ 28
3.6. Các thuật toán phụ trợ sử dụng trong xây dựng bộ chƣơng trình tính
tốn thủy lực một chiều IMech1D [5]; [6]: ............................................. 33
3.6.1. Khái toán mặt cắt:............................................................... 33
3.6.2. Tạo giá trị mực nƣớc và lƣu lƣợng làm điều kiện ban đầu: . 34
3.6.3. Vấn đề xác định hệ số nhám và chỉnh kết quả:.................... 35
Chƣơng 4. ỨNG DỤNG MƠ HÌNH KẾT NỐI MARINE-IMECH1D CHO LƢU
VỰC SÔNG ĐÀ PHẦN TRÊN LÃNH THỔ VIỆT NAM ............................... 36
4.1. Mơ hình kết nối Marine và Imech1D [5]: ........................................ 36
4.2. Xử lý số liệu cho mơ hình kết nối Marine-IMech1D: ...................... 37
4.2.1. Xử lý bản đồ địa hình: ........................................................ 37
4.2.1.1. Xác định hƣớng của dịng chảy và độ tích tụ của
dịng chảy trên DEM: ......................................................... 38
4.2.1.2. Tạo mạng sông suối từ DEM: ................................ 40
4.2.1.3. Phân chia lƣu vực trên nền DEM: .......................... 41
4.2.2. Xử lý bản đồ phân loại đất: ................................................. 41
4.2.3. Xử lý bản đồ hiện trạng sử dụng đất: .................................. 43
4.2.4. Xây dựng bản đồ phân bố mƣa trong lƣu vực: .................... 43
4.2.5. Tích hợp các mặt cắt sơng vào lớp sơng suối trên nền DEM:
..................................................................................................... 45
4.2.6. Xử lý các số liệu khác:........................................................ 46
Chƣơng 5. NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG TÍNH TỐN CỦA MƠ HÌNH BẰNG
KỸ THUẬT LỌC KALMAN .......................................................................... 47
5.1. Q trình cần đánh giá (ƣớc lƣợng) [13]: ......................................... 47
5.2. Các vấn đề tính tốn (bản chất tính tốn) của lọc Kalman [13]; [17]:
............................................................................................................... 49
5.2.1. Định nghĩa về các ƣớc lƣợng tiên nghiệm và hậu nghiệm: .. 49
5.2.2. Bƣớc dự báo – cập nhật (ƣớc lƣợng tiên nghiệm): .............. 49

5
5.2.3. Bƣớc hiệu chỉnh (ƣớc lƣợng hậu nghiệm): .......................... 51
5.2.4. Tìm Kalman gain (blending factor) K: ................................ 52
5.3. Thuật tốn lọc Kalman rời rạc: ........................................................ 55
5.3.1.Cập nhật theo thời gian – dự báo (ƣớc lƣợng tiên nghiệm)
(predict): ...................................................................................... 55
5.3.1.1. Phép tính s 1: ......................................................... 55
5.3.1.2. Phép tính số 2: ....................................................... 55
5.3.2. Cập nhật theo đo đạc – chỉnh sửa (ƣớc lƣợng hậu nghiệm)
(correct): ...................................................................................... 56
5.3.2.1. Phép tính số 3: ....................................................... 56
5.3.2.2. Phép tính số 4: ....................................................... 56
5.3.2.3. Phép tính số 5: ....................................................... 56
Chƣơng 6. CÁC KẾT QUẢ ỨNG DỤNG MÔ HÌNH KẾT NỐI MARINE VÀ
IMECH1D ĐỂ DỰ BÁO LƢU LƢỢNG VÀO HỒ HÕA BÌNH ...................... 57
6.1. Kết quả kiểm tra bài toán mẫu cho 10 lƣu vực bộ phận: .................. 57
6.2. Sử dụng mơ hình kết nối Marine-IMech1D để dự báo lại trận lũ năm
2006 và hiệu chỉnh các tham số của mơ hình: ......................................... 58
6.2.1. Nhận định chung tình hình lũ sơng Đà năm 2006: .............. 58
6.2.2. Kết quả tính tốn dự báo lại cho trận lũ năm 2006 bằng mơ
hình kết nối MARINE-IMECH1D: .............................................. 58
6.3. Kết quả sử dụng mơ hình kết nối Marine-IMech1D tác nghiệp cho
mùa lũ năm 2009: ................................................................................... 61
KẾT LUẬN ...................................................................................................... 64
DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ................................................. 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 67
Tiếng Việt .............................................................................................. 67
Tiếng Anh .............................................................................................. 67
Tiếng Pháp ............................................................................................. 68

PHỤ LỤC ........................................................................................................ 69
1.
Kết quả kiểm tra bài toán mẫu cho 10 lƣu vực bộ phận của lƣu vực
sông Đà bằng MARINE: ........................................................................ 69


6
2.
Kết quả kiểm định bộ chƣơng trình tính tốn thủy lực một chiều
IMech1D bằng các bài toán kiểm định mẫu (Test Cases). ...................... 75
2.1. Kết quả kiểm định bộ chƣơng trình IMech1D bằng bài tốn
mẫu số 1: SĨNG XẢ TRONG KÊNH CHỮ NHẬT .................... 75
2.2. Kết quả kiểm định bộ chƣơng trình IMech1D bằng bài tốn
mẫu số 2: DÕNG CHẢY ÊM, ĐỀU TRONG KÊNH HÌNH CHỮ
NHẬT .......................................................................................... 76
2.3. Kết quả kiểm định bộ chƣơng trình IMech1D bằng bài tốn
mẫu số 3: DÕNG CHẢY ĐỀU CÓ LƢU LƢỢNG PHỤ.............. 77
2.4. Kết quả kiểm định bộ chƣơng trình IMech1D bằng bài tốn
mẫu số 4: DÕNG CHẢY ĐỀU CĨ CƠNG TRÌNH ..................... 78
2.5. Kết quả kiểm định bộ chƣơng trình IMech1D bằng bài tốn
mẫu số 5: SĨNG ĐỘNG LỰC HỌC ............................................ 79
2.6. Kết quả kiểm định bộ chƣơng trình IMech1D bằng bài tốn
mẫu số 6: SÓNG KHUẾCH TÁN ................................................ 80
2.7. Kết quả kiểm định bộ chƣơng trình IMech1D bằng bài tốn
mẫu số 7: SÓNG ĐỘNG HỌC ..................................................... 81
2.8. Kết quả kiểm định bộ chƣơng trình IMech1D bằng bài tốn
mẫu số 8: SĨNG LŨ QUA HỒ CHỨA ........................................ 82
2.9. Kết quả kiểm định bộ chƣơng trình IMech1D bằng bài tốn
mẫu số 9: NHIỄU ĐỊA PHƢƠNG TRONG DÕNG CHẢY DỪNG
83

2.10. Kết quả kiểm định bộ chƣơng trình IMech1D bằng bài tốn
mẫu số 10: HÌNH HỌC KHÔNG ĐỀU TRONG DÕNG CHẢY
DỪNG ......................................................................................... 84
2.11. Kết quả kiểm định bộ chƣơng trình IMech1D bằng bài tốn
mẫu số 11: DÕNG CHẢY KHƠNG DỪNG TRONG KÊNH CĨ
LÕNG DẪN PHỨC HỢP ............................................................ 86
2.12. Kết quả kiểm định bộ chƣơng trình IMech1D bằng bài toán
mẫu 12: PHÂN LƢU .................................................................... 89


7

MỞ ĐẦU
Do ảnh hƣởng của tình trạng biến đổi khí hậu toàn cầu và hiện trạng khai
thác, sử dụng đất trên bề mặt lƣu vực bị thay đổi nhiều nên lũ lụt trên hệ thống
sơng Đà đang có chiều hƣớng ngày một diễn biến phức tạp hơn. Chính điều này
đã ngày một gây thêm nhiều khó khăn cho cơng tác dự báo lƣu lƣợng vào hồ
Hịa Bình cũng nhƣ cơng tác phòng chống lụt bão và điều hành hồ chứa thủy
điện Hịa Bình.
Sơng Đà là một hệ thống sơng lớn và là chi lƣu lớn nhất trong ba chi lƣu
của hệ thống sông Hồng. Lƣu lƣợng nƣớc đổ về sông Hồng phần lớn là từ sơng
Đà chảy về. Chính vì vậy sơng Đà có ảnh hƣởng rất lớn đến tình trạng lũ lụt trên
khu vực đồng bằng châu thổ sông Hồng. Để phòng chống lũ cho khu vực đồng
bằng châu thổ sông Hồng và đặc biệt là chống lũ cho thành phố Hà Nội địi hỏi
phải kiểm sốt đƣợc lũ sơng Đà và vận hành cơng trình chống lũ hồ thủy điện
Hịa Bình một cách hợp lý.
Dự báo trƣớc lƣu lƣợng vào hồ Hịa Bình là một nhiệm vụ quan trọng. Bởi
vì, để vận hành dƣợc hồ Hịa Bình phục vụ đa mục tiêu cần phải biết trƣớc đƣợc
lƣu lƣợng vào hồ.
Luận văn thạc sỹ này đƣợc đặt ra trong hồn cảnh thực tế là cần phải xây

dựng một cơng cụ cho phép dự báo trƣớc lƣu lƣợng vào hồ Hịa Bình từ các số
liệu đầu vào đã biết bao gồm:
- Các thông tin về lƣu vực sông Đà bị giới hạn nằm trên phần lãnh thổ Việt
Nam.
- Số liệu mƣa thực đo đã biết của các trạm đo trong lƣu vực.
- Số liệu mƣa dự báo tại các trạm đo trong lƣu vực bởi các mơ mình dự báo
mƣa.
- Lƣu lƣợng chảy vào từ phần lƣu vực thuộc lãnh thổ Trung Quốc.
- Số liệu về lƣu lƣợng và mực nƣớc tại một số trạm đo trên hệ thống sông
Đà và của hồ Hịa Bình.
- Các thơng số của hồ Hịa Bình, cơng trình thủy điện Hịa Bình
- Thơng tin về địa hình, hiện trạng sử dụng đất,… của lƣu vực sông Đà.
- Các thông tin phụ trợ khác.
Trên cơ sở đó nội dung của luận văn đƣợc đặt ra với mục tiêu là khai thác,
sử dụng các mơ hình toán tiên tiến mà thế giới hiện đang nghiên cứu phát triển


8
để xây dựng công cụ dự báo trƣớc lƣu lƣợng vào hồ Hịa Bình 48 giờ. Qua sự
nghiên cứu, phân tích nhiều mơ hình thủy văn và thủy lực khác nhau, cuối cùng
mơ hình thủy văn Marine và mơ hình thủy lực IMech1D đƣợc lựa chọn để phát
triển và kết nối thành mơ hình kết nối Marine và IMech1D phục vụ bài tốn dự
báo lƣu lƣợng vào hồ Hịa Bình. Trên cơ sở đó nội dung của luận văn bao gồm 6
chƣơng chính là:
Chƣơng 1: trình bày các thơng tin tổng quan về đề tài bao gồm, thông tin
về lƣu vực nghiên cứu, các thơng tin về mơ hình thủy văn, thủy lực đƣợc lựa
chọn nghiên cứu.
Chƣơng 2: Nghiên cứu cơ sở khoa học và phát triển mơ hình thủy văn
tham số phân bố Marine.
Chƣơng 3: Nghiên cứu cơ sở khoa học và khai thác mơ hình thủy lực một

chiều IMech1D.
Chƣơng 4: Kết nối mơ hình thủy văn Marine với mơ hình thủy lực một
chiều IMech1D thành một mơ hình thống nhất. Ứng dụng mơ hình này cho lƣu
vực sơng Đà để dự báo lƣu lƣợng vào hồ Hịa Bình
Chƣơng 5: Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật lọc Kalman để nâng cao độ
chính xác của mơ hình đã kết nối Marine và IMech1D.
Chƣơng 6: Trình bày các kết quả sử dụng mơ hình kết nối MarineIMech1D dự báo lƣu lƣợng vào hồ Hịa Bình trƣớc 48 giờ.
Cuối cùng là phần kết luận và một số phụ lục.


9

Chương 1. ĐẶC ĐIỂM CỦA LƯU VỰC VÀ CỦA CÁC MƠ
HÌNH LỰA CHỌN NGHIÊN CỨU
1.1. Đặc điểm địa lý tự nhiên, quy luật dịng chảy lũ trên lưu vực sơng Đà
và vai trị của hồ Hịa Bình [4]-[6]:
Sơng Đà có diện tích 52.900 km2, lƣu vực hẹp, kéo dài theo hƣớng tây bắcđơng nam tới 380km, rộng trung bình 80km, phần thuộc địa phận Việt Nam có
diện tích là 26800km2, chiếm khoảng 50,7% diện tích tồn lƣu vực. Lịng chính
ở thƣợng lƣu hẹp, nhiều thác ghềnh; ở hạ lƣu, lòng sơng mở rộng, độ dốc sơng
trung bình là 3,58%. Độ cao bình quân lƣu vực là 965m, độ dốc bình qn là
36,8%. Đƣờng phân thủy phía đơng của lƣu vực là dãy núi Hồng Liên Sơn, Pu
Lng với đỉnh cao từ 2500-3000m. Phía tây có dãy núi cao Phu Huổi Long,
Phutama, Phu Tung và Phu Sang. Phía bắc có dãy núi cao Pusi-Lung và Ngũ
Đài Sơn, phía đơng nam là vùng núi thấp Ba Vì, Viên Nam và Đối Thơi. Địa
hình lƣu vực là dạng núi và cao nguyên đều cao, chia cắt mạnh theo chiều thẳng
đứng; các dãy núi, cao nguyên và thung lũng xếp song song theo hƣớng tây bắcđông nam.
1.1.1. Đặc điểm mƣa gây lũ [4]:
Sự sắp xếp song song của địa hình núi, cao nguyên và thung lũng sơng có
tác động rõ rệt tới khí hậu trên lƣu vực. Dãy núi cao Hoàng Liên Sơn - Puluông
nhƣ một bức tƣờng tự nhiên ngăn cản và làm suy yếu ảnh hƣởng của gió đơng

bắc. Các dãy núi cao ở biên giới Việt-Lào lại tạo ra hiệu ứng fơn đối với gió
mùa tây nam. Điều kiện địa hình và vị trí của lƣu vực đã qui định khí hậu với hai
mùa: mùa đông khô lạnh, mùa hè nhiều mƣa ở vùng cao và khơ nóng ở vùng
thấp.
Mƣa lớn trên lƣu vực thƣờng bắt đầu sớm, vào khoảng tháng VI, tháng
VII. Vùng bắc và tây bắc là vùng núi cao có khí hậu ẩm ƣớt đến rất ẩm, lƣợng
mƣa trung bình nhiều năm từ 1500 đến 2700mm, lƣợng mƣa mùa hè (tháng VIX) chiếm tới trên 70% tổng lƣợng mƣa năm. Vùng núi thấp Sơn La-Mộc Châu,
mùa hè chịu ảnh hƣởng của gió mùa tây nam, lƣợng mƣa trung bình năm thấp,
chỉ 1100 đến 1500mm, trong đó lƣợng mƣa mùa hè dƣới 1000mm.
Trên lƣu vực sông Đà tồn tại những trung tâm mƣa lớn nhƣ trung tâm
mƣa ở sƣờn tây dãy Hồng Liên Sơn thuộc các lƣu vực sơng nhánh Nậm Na,
Nậm Mu, lƣợng mƣa trung bình năm khoảng 2500mm (trên lƣu vực Nậm Na-


10
mƣa trung bình năm tới trên 2000mm : tại Phong Thổ lƣợng mƣa trung bình
năm là 2202mm, PaTần 2997mm, Sình Hồ 2682mm; trên lƣu vực Nậm Mu
lƣợng mƣa trung bình năm tới 2454mm, ở thƣợng lƣu lên tới 2700-2800mm).
Tại vùng phía tây dãy Hồng Liên Sơn thấy rõ qui luật lƣợng mƣa tăng theo độ
cao lƣu vực, mƣa tập trung vào các tháng V-X, đặc biệt là các tháng VI-VIII;
lƣợng mƣa mùa hè chiếm trên 90%, lƣợng mƣa các tháng VI-VIII chiếm 5060% lƣợng mƣa năm.
Trung tâm mƣa lớn tại phần lƣu vực thuộc địa phận Việt Nam gần biên
giới Việt-Trung là tâm mƣa lớn nhất, lƣợng mƣa năm thay đổi tùy từng vị trí từ
2400 đến 3000mm, mƣa tập trung nhiều nhất vào các tháng VI-VIII.
1.1.2 Đặc điểm dòng chảy lũ sơng Đà [4]:
Địa hình núi cao, chia cắt mạnh, độ dốc lớn, thung lũng sâu, hẹp với
lƣợng mƣa lớn lại tập trung vào một vài tháng trong năm nên tạo điều kiện hình
thành mạng lƣới sơng dày đặc, ít sơng lớn, hƣớng của các dịng sơng suối trùng
với hƣớng của lƣu vực. Mật độ sông suối lớn nhất ở vùng núi phía tây Hồng
Liên Sơn lên tới 1,5-1,7km/km2. Phía hữu ngạn sơng Đà, do có lƣợng mƣa ít

hơn đáng kể so với các vùng khác nên sông suối thƣa hơn, chỉ từ 0,5 đến
1,5km/km2, thƣờng dƣới 1,0km/km2.
Trên sông Đà và các dịng sơng nhánh nhƣ Nậm Na, Nậm Mu, các sơng
suối nhỏ đổ vào dịng chính thƣờng phân bố đều dọc sơng. Vùng cao ngun đá
vơi mƣa ít, sơng suối thƣa, dịng chảy nhỏ hơn.
Nguồn sinh dịng chảy quan trọng nhất trên sông Đà nằm ở phần lƣu vực
thuộc vùng biên giới Việt - Trung và vùng sƣờn phía tây dãy Hồng Liên Sơn,
nơi có mơdun dịng chảy năm từ 30-40 l/s/km2 và hơn nữa. Ở các nơi khác trên
lƣu vực, lƣợng dịng chảy thƣờng khơng vƣợt q 20 l/s/km2 (biểu 1.3). Dịng
chảy sơng tập trung vào các tháng mùa lũ, chiếm tới 69-78% tổng lƣợng dòng
chảy năm.
Mùa lũ trên sông Đà thƣờng bắt đầu vào tháng V, kết thúc vào cuối tháng
IX đầu tháng X. Lũ lớn nhất thƣờng xảy ra vào cuối tháng VII, nửa đầu tháng
VIII. Dịng chảy lũ trên sơng Đà lớn, tập trung nhanh và không đồng bộ ở các
phần khác nhau của lƣu vực là một đặc điểm nổi bật nhất của dịng chảy sơng
Đà.
Trong điều kiện địa lý tự nhiên thuận lợi cho dịng chảy lũ hình thành trên
các phụ lƣu sông Đà, nhất là lƣu vực Nậm Na, Nậm Mu hai phụ lƣu lớn nhất
bên tả ngạn, thƣờng xuất hiện những trận lũ đặc biệt lớn gây tác hại nghiêm


11
trọng. Mơ đun dịng chảy lũ lớn nhất đạt tới 2000-3000 l/s/km2 - thuộc loại lớn
nhất ở Việt Nam. Trên dịng chính, lƣợng dịng chảy lũ chiếm bình qn từ 77,6
đến 78,5% dòng chảy năm, dòng chảy tháng VIII- tháng có dịng chảy lớn nhất
năm - chiếm tới 23,7% dịng chảy năm. Dịng chảy lũ sơng Đà thuộc loại lớn
nhất trên hệ thống sông Hồng. Mô đun đỉnh lũ tại Lai Châu là 324 l/s/km2 xảy
ra vào các tháng VII năm 1966 và 428 l/s/km2 vào tháng VIII năm 1945. Mơ
đun đỉnh lũ tại Hịa Bình lên tới 454 l/s/km2 vào tháng VII năm 1964. Nhìn
chung, trên đoạn sơng từ Lai Châu về Hịa Bình thấy rõ quy luật tăng dần mơdun

dịng chảy cực đại khi diện tích lƣu vực tăng. Điều này chứng tỏ rằng lƣợng gia
nhập đáng kể ở phần lƣu vực thuộc địa phận Việt Nam. Tại Lai Châu, biên độ lũ
lớn nhất đạt tới 25 mét, cao nhất ở Việt Nam, với cƣờng suất lũ lên lớn nhất tới
77,4 cm/h. Dòng chảy lũ tập trung nhanh nhƣ vậy nên cơng tác dự báo thủy văn
gặp khó khăn lớn, mà để giải quyết vấn đề này đòi hỏi phải có một mơ hình
tƣơng đối nhạy với qúa trình thay đổi dịng chảy trong sơng.
Trên cơ sở xác định thời gian truyền lũ trung bình ở các đoạn sơng chính
từ Mƣờng Tè về tới Hịa bình và trên các phụ lƣu chính Nậm Na, Nậm Mu,...
thấy rằng, trong mùa lũ, thời gian truyền lƣu lƣợng có ít nhiều khác nhau khi lũ
lên và lũ xuống, tuy nhiên trong tính tốn và dự báo có thể lấy thời gian trung
bình truyền lũ từ Lai Châu về tới Tạ Bú là 12-18 giờ, từ Tạ Bú về tới Hịa Bình
là 12-24 giờ trong tự nhiên, hiện nay khi có hồ chứa Hịa Bình thời gian truyền
lũ rút ngắn cịn 6 - 12h tuỳ theo mực nƣớc hồ. Lƣu ý rằng, thời gian truyền lũ
trên các đoạn sơng chính và trên các phụ lƣu cịn phụ thuộc vào vị trí tâm mƣa
trên lƣu vực.
Nhƣ vậy, với điều kiện kỹ thuật thủy văn và điều kiện thơng tin khí tƣợng
thủy văn hiện có thì thời gian dự kiến thực tế của dự báo lƣu lƣợng và mực nƣớc
tại trạm Tạ Bú trên sơng Đà khơng thể vƣợt q 18 giờ, tại Hịa Bình - khơng
vƣợt q 36 giờ. Để kéo dài thời gian dự kiến của dự báo có thể sử dụng các
thông tin về lƣợng mƣa dự báo trong thời gian dự kiến ở các phần lƣu vực khác
nhau. Dự báo lƣợng mƣa trong 24 giờ và 48 giờ tới, trong điều kiện hiện nay,
thƣờng kém chính xác cả về định tính và định lƣợng. Do vậy, những trị số dự
báo lƣu lƣợng và mực nƣớc trên sông Đà với thời gian dự kiến trên 36 giờ chỉ
nên dùng để tham khảo hoặc chỉ nên xem nhƣ những nhận định khả năng.
1.1.3. Vai trị của hồ Hịa Bình [4]:
Hồ Hịa Bình là hồ thủy điện lớn đƣợc xây dựng với nhiều mục đích sử
dụng khác nhau bao gồm:
- Mục đích chống lũ

12
- Mục đích phát điện
- Mục đích tƣới tiêu
- Phục vụ phát triển giao thơng đƣờng thủy
-…
Chính vì hồ có nhiều vai trò trong các lĩnh vực khác nhau nên việc vận
hành hồ sao cho đảm bảo đƣợc lợi ích tối đa của các mục tiêu là công việc hết
sức khó khăn. Để hỗ trợ cơng việc điều hành hồ cần phải nhiều thông tin hỗ trợ.
Một trong các thông tin hỗ trợ vơ cùng quan trọng đó là dự báo trƣớc lƣu lƣợng
vào hồ. Đây là một trong những lý do mà tác giả chọn đề tài cho luận văn thạc
sỹ của mình.
1.2. Tổng quan về mơ hình thủy văn [3]-[5]:
Hiện nay trên thế giới có rất nhiều mơ hình thủy văn khác nhau. Các mơ
hình này có thể đƣợc phân thành hai loại chính đó là:
- Mơ hình thủy văn dạng hộp đen: Đây là các mơ hình đƣợc xây dựng và
phát triển từ rất lâu rồi. Các mơ hình này chủ yếu đƣợc xây dựng trên cơ
sở các cơng thức kinh nghiệm. Chính vì vậy các mơ hình này địi hỏi rất
ít dữ liệu (thơng tin đầu vào), nhƣng ngƣợc lại, việc sử dụng các mơ
hình này địi hỏi phải có nhiều kinh nghiệm mới đạt đƣợc kết quả tốt.
Loại các mơ hình này rất thích hợp với điều kiện thiếu các thông tin đầu
vào của lƣu vực. Ngày nay trên thế giới các mơ hình loại này đã và
đang đƣợc sử dụng rất hạn chế. Thế giới đang có su hƣớng chuyển sang
sử dụng các mơ hình hiện đại hơn đó là các mơ hình thủy văn tham số
phân bố (trình bày ở phần dƣới đây).
- Mơ hình thủy văn tham số phân bố: Đây là loại mơ hình thủy văn đƣợc
xây dựng trên cơ sở giải hệ phƣơng trình Saint Venant hai chiều. Loại
mơ hình này hiện đang đƣợc nghiên cứu phát triển và ứng dụng ở các
nƣớc tiên tiến. Đây chính là su hƣớng phát triển của mơ hình thủy văn.
Mơ hình thủy văn loại này địi hỏi nhiều thơng tin đầu vào, các thơng tin
phải chi tiết, chính xác. Kết quả tính của các mơ hình này cũng ít bị phụ

thuộc vào kinh nghiệm của ngƣời sử dụng.
Trong thời kỳ phát triển của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là sự phát triển
vƣợt bậc của cơng nghệ GIS thì mơ hình thủy văn tham số phân bố là loại mơ
hình có ƣu thế sử dụng nhiều hơn. Các mơ hình loại này đã và đang đƣợc phát
triển có thể kể đến các mơ hình sau:
- GBHM (của Nhật)
- Casd2D-SET (của Mỹ)


13
- Marine (của Pháp)
- TopModel (của Mỹ)
- SWAT (của Mỹ)
- HydroTel (của Canada)
- Và nhiều mơ hình khác
Trong các mơ hình đó, mỗi mơ hình có một số dặc điểm riêng khác nhau
tùy từng mục tiêu của bài toán mà mơ hình đó đặt ra. Marine là mơ hình đƣợc
xây dựng để giải quyết bài toán lũ lớn trên các lƣu vực có độ dốc cao. Đặc điểm
nầy rất phù hợp với lƣu vực sơng Đà, vì lƣu vực sơng Đà có độ dốc lớn, lũ sơng
đà cũng lớn (trong mùa lũ) do lƣợng mƣa lớn. Hơn thế Viện Cơ học có tồn bộ
mã nguồn của Marine nên có thể tiếp tục phát triển, tùy biến sao cho phù hợp
với điều kiện của Việt Nam. Đây chính là lý do Marine đƣợc chọn để kết nối với
IMech1D trong luận văn này.
1.3. Tổng quan về mơ hình thủy lực [3]; [6]:
Với mục tiêu là xây dựng đƣợc một bộ chƣơng trình tính tốn thuỷ lực một
chiều có khả năng mơ phỏng đƣợc dịng chảy trong hệ thống sơng phức tạp với
các đặc điểm riêng biệt nhƣ hệ thống sông ở miền Bắc Việt Nam, cụ thể là hệ
thống sông Hồng và sơng Thái Bình.
Trong các năm 70, 80, 90 các nhà khoa học Việt Nam đã có nhiều nỗ lực
để thực hiện việc này. Bộ chƣơng trình VRSAP (Vietnam River System And

Plains) của Giáo sƣ, Anh hùng Lao động Nguyễn Nhƣ Khuê và cộng sự đƣợc
đánh giá nhƣ là một thành tựu lớn trong việc xây dựng mơ hình tính tốn thuỷ
lực một chiều cho hệ thống sông Hồng - Thái Bình.
Tuy vậy, bộ chƣơng trình này đã đƣợc xây dựng trên nền của trình độ tốn
học, tin học của nƣớc ta ở những năm 80, còn phải chấp nhận nhiều giả thiết nên
khả năng mô phỏng các đặc thù của dịng chảy trên hệ thống sơng Hồng - Thái
Bình của VRSAP cịn hạn chế.
Những năm qua, trong khn khổ của các dự án quốc tế, chúng ta có đƣợc
một số chƣơng trình tính tốn thuỷ lực một chiều đã đƣợc thƣơng mại hố nhƣ
WENDY (Hà Lan), MIKE (Đan Mạch). Vì các bộ chƣơng trình này đƣợc
chuyển giao cho chúng ta khơng có mã nguồn và đi kèm một số lƣợng khóa
cứng hạn chế nên việc sử dụng nhất là việc kết nối với các bộ chƣơng trình khác
sẽ gặp nhiều vấn đề khó vƣợt qua.
Gần đây nhiều chuyên gia thuỷ lực của ta đã khai thác bộ chƣơng trình tính
tốn thuỷ lực của Hoa Kỳ FLDWAV. Có thể nói bộ chƣơng trình FLDWAY đã


14
sử dụng 1 số thành tựu mới trong lĩnh vực tốn học, thuỷ lực, tin học, nhƣng bộ
chƣơng trình này chỉ mơ phỏng cho hệ thống sơng hình cây, trong khi đó hệ
thống sơng Hồng - Thái Bình lại có nhiều đoạn vịng. Các bộ chƣơng trình khác
lấy tự do từ internet cũng đã đƣợc sử dụng nhƣ HEC, HEC-RAS.
Trong khuôn khổ của đề tài "Nghiên cứu cơ sở khoa học cho các giải pháp
tổng thể dự báo phòng tránh lũ lụt ở đồng bằng sơng Hồng" nhóm nghiên cứu về
lũ lụt của Viện Cơ học đặt ra nhiệm vụ là kế thừa các thành tựu của các tác giả
khác và của nhóm trong thời gian trƣớc để xây dựng đƣợc một bộ chƣơng trình
tính tốn thuỷ lực một chiều IMech1D có khả năng mơ phỏng đƣợc các đặc thù
của dịng chảy trên hệ thống sơng Hồng - Thái Bình:
a) Quá trình lƣu lƣợng ở thƣợng lƣu đƣợc điều tiết bằng các hồ chứa lớn
nhƣ Thác Bà, Hồ Bình, Sơn La, Tuyên Quang.

b) Khi cần thiết phải vận hành công trình phân lũ đập Đáy, vận hành các
khu chậm lũ Tam Thanh, Lập Thạch, Lƣơng Phú.
c) Hệ thống sông Hồng - Thái Bình có nhiều đoạn vịng và nhiều khu bối.
d) Ở các vùng gần cửa sơng dịng chảy bị ảnh hƣởng bởi chế độ triều Biển
Đơng.
Bộ chƣơng trình do nhóm đề tài xây dựng đã vƣợt qua đƣợc các bài tốn
kiểm định mẫu của các Phịng Thí nghiệm thuỷ lực lớn ở Châu Âu đề xuất và
đƣợc hiệu chỉnh, kiểm định bằng số liệu của các trận lũ đã xảy ra cho các năm:
1996, 1999 và 2000.
Trong mùa lũ từ năm 2002 đến nay, nhóm đề tài đã sử dụng bộ chƣơng
trình để dự báo quá trình lũ trên hệ thống sơng Hồng - Thái Bình. Kết quả dự
báo lũ của nhóm đề tài đã đƣợc Uỷ ban Phịng chống lụt bão Trung ƣơng sử
dụng để tham khảo khi ra các quyết định nhằm kiểm soát lũ trên hệ thống sơng
Hồng, Thái Bình.
IMech1D đã đƣợc chính thức chuyển giao cho một số cơ quan để phục vụ
cơng tac phịng chống lụt bão cho hệ thống sông Hồng sông Thái Bình và hệ
thống sơng Hƣơng ở Thừa Thiên Huế. Cụ thể là đã chuyển giao cho:
- Cục phòng chống lụt bão và Quản lý Đê điều của Bộ Nông nghiệp và
Phát triển Nơng thơn.
- Trung tâm Dự báo Khí tƣợng Thủy văn trung ƣơng của Bộ Tài nguyên và
Môi trƣờng.
- Trung tâm dự báo Khí tƣợng Thủy văn tỉnh Thừa Thiên Huế


15
- Chi cục Phòng chống lụt bão và Quản lý Đê điều tỉnh Thừa Thiên Huế
Từ năm 2004 đến nay (2009) IMech1D đã đƣợc chính thức sử dụng trong
cơng tác dự báo mực nƣớc các sông trong hệ thống sông Hồng và sơng Thái
Bình trong mùa lũ (tác nghiệp) tại Viện Cơ học và Trung tâm Dự báo Khí tƣợng
Thủy văn Trung ƣơng để hỗ trợ công tác điều hành các hồ chứa và phòng chống

lụt bão.


16

Chương 2. PHẦN MỀM THỦY VĂN THAM SỐ PHÂN BỐ
MARINE
Marine là phần mềm thủy văn tham số phân bố, đƣợc nghiên cứu và phát
triển bởi Viện Cơ học Chất lỏng Toulouse, Cộng hịa Pháp. Trong khn khổ dự
án quốc tế FLOCODS, Marine đƣợc chuyển giao cho Viện Cơ học năm 2004.
Từ đó tới nay Marine ln đƣợc nghiên cứu cải tiến và phát triển cho phù hợp
với điều kiện ứng dụng ở Việt Nam. Marine đã đƣợc sử dụng để nghiên cứu tính
tốn cho nhiều lƣu vực sơng ở Việt Nam. Trên thế giới Marine đƣợc đánh giá
cao và đƣợc khai thác sử dụng ở nhiều nƣớc nhƣ Pháp, Hà Lan, Brasin,…
2.1. Cơ sở khoa học của phần mềm thủy văn tham số phân bố Marine:
2.1.1. Mơ hình dịng chảy trên bề mặt lƣu vực [3]; [5]; [6]; [8]:
MARINE mô phỏng q trình hình thành dịng chảy sinh ra bởi mƣa trên
lƣu vực dựa trên phƣơng trình bảo tồn khối lƣợng:
V
 u.grad (V)  P0
t

(2.1)

Trong đó: V: là thể tích khối chất lỏng xét.
U: là vận tốc của dòng chảy giữa các ơ lƣới.
P0: là lƣợng mƣa.
Vì: u.grad(V)  div(V.u)  V.div(u)
Với chất lỏng khơng nén đƣợc ta có div (u)  0 , sử dụng công thức GreenOstrogradski

 div(m.u).dS   m.u.n.d


S

Từ (2.1) suy ra :


S

V
.dS   V.u.n.d   P0
t

S

(2.2)

Vận tốc của dòng chảy trao đổi giữa các ơ đƣợc tính theo cơng thức:
u 

pente .

H 2/3
Km

(2.3)

Vì lƣới sử dụng để tính tốn là lƣới vng (DEM) nên thay biểu thức vận
tốc vào phƣơng trình tích phân ta thu đƣợc:

17
4

H  
j1

H 5j / 3
Km

. pente.

Trong đó: Pente: độ dốc;

t
 P0 .t
x

(2.4)

Km: hệ số nhám Manning

x: chiề u rô ̣ng ô lƣới

t : Bƣớc thời gian tính

j: Hƣớng chảy của ô lƣới (j =1  4)
H: Độ sâu mực nƣớc của ơ lƣới tính.
H: Sự thay đở i mực nƣ ớc của ơ lƣới tính từ thời điể m t 1 đến t2

Đây chính là phƣơng trình tính sự biến thiên mực nƣớc theo thời gian của
mỗi ô lƣới.
Từ sự biến thiên mực nƣớc H của mỗi ô lƣới ta tính đƣợc tổng lƣu lƣợng
trao đổi của mỗi ơ (bao gồm lƣu lƣợng nhận từ mƣa, lƣu lƣợng chảy vào và lƣu
lƣợng chảy ra) tại mỗi bƣớc tính chính bằng sự biến thiên thể tích nƣớc chứa
trong ơ.
Q=H*dx*dx
Trong đó: dx là kích thƣớc của lƣới tính.
Đối với lƣu vực kín, lƣu vực chỉ có một điểm thốt nƣớc, tại điểm thốt
nƣớc của lƣu vực ta ln có lƣu lƣợng ra khỏi lƣu vực là:
q=Q
Đối với lƣu vực hở, lƣu vực nằm dọc hai bên bờ sơng nên có nhiều điểm
thoát nƣớc. Với trƣờng hợp này lƣu lƣợng ra khỏi lƣu vực là tổng lƣu lƣợng trao
đổi của các điểm thốt nƣớc:
q=∑Q=∑H*dx*dx
Nhƣ vậy kết quả q trình tính tốn của MARINE cho ta lƣu lƣợng ra của
các lƣu vực. Đây chính là thành phần ra nhập dịng bên q cần trong mơ hình
thủy lực IMECH-1D.
2.1.2. Mơ hình thấm Green Ampt [12]; [16]:
Mô hin
̀ h MARINE tin
́ h toán thấ m dƣ̣a trên lý thuyế t thấ m Green Ampt từ
phƣơng trình liên tục và định luật Darcy.
Độ sâu thấm tích lũy tiềm năng đƣợc tính bằng phƣơng trình Green - Ampt:

 F (t ) 
  kt
F (t )  1 






Trong đó: F(t) là độ sâu luỹ tích của nƣớc thấm vào trong đất

(2.5)


18
: Cột nƣớc mao dẫn của mặt ƣớt
 = -i với  là độ rỗng của đất ,
i là độ ẩm của đất
k: Độ dẫn thuỷ lực
Phƣơng trình (2.5) là phƣơng trình phi tuyến, ta có thể giải bằng phƣơng
pháp thay thế liên tiếp, hoặc phƣơng pháp lặp Newton. Trong trƣờng hợp độ sâu
lớp nƣớc đọng ho không thể bỏ qua ta phải thay thế  bằng giá trị  - ho trƣớc
khi giải. Sau khi tìm đƣợc độ sâu thấm tích lũy tiềm năng F(t) ta xác định đƣợc
tốc độ thấm tiềm năng



f  k(

F

 1)

(2.6)

Theo định luật Darcy ta xác định đƣợc lƣu lƣợng thấm của mỗi ô lƣới sẽ là:

qthấm = f*dx*dx
Trƣớc khi sinh nƣớc đọng (t < tp) cƣờng độ mƣa nhỏ hơn tốc độ thấm tiềm
năng và mặt đất chƣa bão hịa. Q trình nƣớc đọng trên mặt đất bắt đầu xảy ra
khi cƣờng độ mƣa vƣợt quá cƣờng độ thấm tiềm năng (t = tp) lúc đó đất ở trạng
thái bão hịa. Khi q trình mƣa tiếp tục (t > tp), vùng bão hịa trên mặt đất lan
dần xuống tầng đất sâu hơn và dòng chảy trên mặt đất bắt đầu xuất hiện từ lƣợng
nƣớc đọng.
Thấm đƣợc chia 3 thời kỳ:
Trƣớc khi xuất hiện nƣớc đọng, toàn bộ lƣợng mƣa đều thấm xuống đất (t <
tp).Tốc độ thấm tiềm năng là một hàm của lƣợng thấm tích lũy F (t = tp).
Nƣớc đọng xuất hiện khi tốc độ thấm tiềm năng nhỏ hơn hoặc bằng cƣờng
độ mƣa i (t > tp).
Khi t = tp, lƣợng thấm tích lũy tại thời điểm sinh nƣớc đọng tp đƣợc tính
bởi cơng thức:
Fp = i*tp nên f = i

Thay vào (2.6) có: i  k (
 1)
it p
dẫn tới

tp  k



i(i  K )
Sau khi có nƣớc đọng, lƣợng thấm tích lũy đƣợc tính theo cơng thức:

  F
)  k (t  t p )

  Fp

F  Fp  ln(

(2.7)

(2.8)


19
P0 (mƣa)
Cấ u trúc lƣu vƣ̣c (đô ̣ cao điạ hình,
đấ t, thảm phủ)

Liên kế t các ơ lƣới, tính
Q trao đở̉̉ i giƣ̃a các ơ

Thấ m - Green Ampt

Dịng chảy mặt

Lớp nƣớc đọng

tại ơ lƣới

Q trình Q~t ta ̣i cƣ̉a ra của lƣu
vƣ̣c hoặc nút đăng ký

Dòng chảy sát mặt
tại ơ lƣới

Hình 2.1: Sơ đồ mơ tả mơ hình MARINE
Nhƣ vậy, tại mỗi bƣớc thời gian mô đun thấm cho ta lƣu lƣơng thấm q thấm
của mỗi ô chứa. Với trƣờng hợp tính tốn MARINE có sử dụng mơ đun thấm tại
mỗi bƣớc thời gian tổng lƣu lƣợng trao đổi của mỗi ô bao gồm lƣu lƣợng nhận
từ mƣa, lƣu lƣơng chảy vào, lƣu lƣợng chảy ra và lƣu lƣợng thấm:
Q=H*dx*dx - qthấm
2.2. Cấu trúc dữ liệu trong Marine [16]:
Trong Marine dữ liệu đƣợc đƣa vào dƣới dạng các lớp dữ liệu chồng lên
nhau. Mỗi lớp dữ liệu chứa một loại thông tin khác nhau. Các lớp dữ liệu đƣợc
để ở dạng raster, sử dụng mã ASCII để lƣu trữ.
Các lớp thơng tin vào của mơ hình gồm có:
- Lớp Thơng tin về địa hình: Đây là lớp thơng tin qua trọng nhất vì nó trực
tiếp ảnh hƣởng đến vận tốc dịng chảy, hƣớng của dịng chảy.
- Lớp thơng tin về hiện trạng sử dụng bề mặt lƣu vực: Lớp thông tin này
phản ánh độ nhám của bề mặt lƣu vực, nó trực tiếp quyết định đến hệ số
cản của dịng chảy trên bề mặt lƣu vực.
- Lớp thơng tin về phân loại đất trên bề mặt lƣu vực: Lớp thông tin này
trực tiếp ảnh hƣởng đến cƣờng độ thấm của dòng chảy trên bề mặt lƣu
vực. Với mỗi loại đất sẽ có 3 lớp thơng tin cần đƣa vào mơ hình (theo
u cầu của phƣơng pháp tính tổn thất Green Ampt). Nhƣ vậy có nghĩa
là các thơng tin về đất đƣợc chứa trong ba lớp dữ liệu.
- Lớp thông tin về hệ thống sông suối và mặt cắt của sông suối.


20
- Lớp thông tin về mƣa: Đây là lớp thông tin động, vì giá trị của lớp thơng
tin này ln thay đổi theo thời gian. Chính vì vậy sẽ có nhiều lớp thông
tin về mƣa đƣợc đƣa vào, thời gian thay đổi lớp thơng tin mƣa chính là
ốp thời gian đo mƣa trên lƣu vực.

- Lớp thông tin quan trắc về lƣu lƣợng tại các vị trí kiểm tra và xuất số liệu
trong mơ hình.

1. Độ cao và độ dốc
2. Mạng lƣới sông
3. Phân chia tiểu lƣu
vực

1

Bản đồ DEM 50m

2

Bản đồ Đất dạng số

3

Bản đồ Thảm phủ
dạng số

1. Lớp phủ thực vật
2. Lƣợng trữ nƣớc mặt

4

Mƣa quan trắc

Phân bố mƣa theo
khơng gian

5

Đo đạc lịng sơng

Mặt cắt ngang

6

Quan trắc lƣu lƣợng vào

Dịng chảy trong sơng

1. Phân loại đất
2. Độ ẩm đất

Hình 2.2: Các lớp thông tin yêu cầu của Marine


21

Hình 2.3: Cấu trúc các lớp dữ liệu trong Marine


22

Chương 3. PHẦN MỀM THỦY LỰC MỘT CHIỀU IMECH1D
IMech1D là phần mềm thủy lực một chiều, đƣợc nghiên cứu, xây dựng và
phát triển bởi tập thể nghiên cứu về lũ lụt của Viện Cơ học, Viện Khoa học và
Công nghệ Việt Nam. IMech1D đƣợc xây dựng năm 2000, từ đó đến nay

Imech1D luôn đƣợc nghiên cứu phát triển ngày một hồn thiện hơn. IMech1D
đã vƣợt qua đƣợc 12 bài tốn kiểm định mẫu (Test cases) khắt khe đối với mơ
hình thủy lực một chiều. Từ năm 2002 đến nay IMech1D đã đƣợc chuyển giao
cho một số cơ quan để triển khai nghiên cứu và ứng dụng, trong đó có “Cục
phịng chống Lụt bão và Quản lý đê điều” của Bộ Nông nghiệp và Phát triển
Nông thông, “Trung tâm Dự báo Khí tƣợng Thủy văn Trung ƣơng” của Bộ Tài
nguyên và Môi trƣờng, … Đặc biệt từ năm 2004 đến nay IMech1D đƣợc sử
dụng để dự báo mực nƣớc trên hệ thống sơng Hồng và sơng Thái Bình trong
mùa lũ. IMech1D đã đƣợc đánh giá tốt qua nhiều hội đồng khoa học các cấp.
3.1. Các thành phần của hệ thống [5]; [6]; [9]:
Để mơ phỏng q trình lan truyền lũ trong hệ thống sơng trong IMech1D
các thành phần chính đƣợc xem xét và mơ phỏng lũ gồm có:
- Mạng sơng.
- Ơ ruộng.
3.1.1. Mạng sông:
Mạng sông đƣợc xây dựng từ các đoạn sơng và các nút.
3.1.1.1. Nút sơng:
Trong IMech1D có 2 loại nút sơng.
+ Nút biên: Là vị trí tiếp xúc của hệ thống (ở đây là mạng sông) với các
yếu tố bên ngồi của hệ thống. Giả thiết rằng dịng chảy trên mạng sơng là dịng
chảy êm, do vậy, tại mỗi nút biên sẽ cho 1 điều kiện biên. IMech1D sử dụng 3
loại điều kiện biên.
-

Cho mực nƣớc (nút biên Z).

-

Cho lƣu lƣợng (nút biên Q).

-

Cho quan hệ giữa mực nƣớc và lƣu lƣợng.

+ Nút trong của mạng (đơn giản gọi là nút): là vị trí tiếp xúc của từ 2 đoạn
sông trở lên.


23
Nút sơng chỉ có một đặc trƣng duy nhất là cao trình mực nƣớc tại nút đó.
3.1.1.2. Đoạn sơng:
Đoạn sơng là mơ hình của đoạn sơng thực nằm giữa 2 nút sơng. Vì vậy,
đoạn sơng có các đặc trƣng sau:
- Nút đầu đoạn.
- Nút cuối đoạn.
- Mặt cắt đầu đoạn.
- Mặt cắt cuối đoạn.
- Độ dài của đoạn
- Các yếu tố thủy lực của đoạn nhƣ: độ dốc, hệ số nhám, lƣu lƣợng bổ
xung,...
Trong mặt cắt của đoạn có các đặc trƣng nhƣ lịng sơng, bãi sơng, bối. Một
đoạn có thể liên quan 1 hoặc 2 bối.
3.1.2. Ô ruộng (Ô chứa):
Trong IMech1D ơ ruộng đƣợc mơ phỏng có vai trị chứa nƣớc, chƣa tính
đến ảnh hƣởng của vận tốc trên các ơ ruộng đến các đoạn sơng. Vì vậy, một ô
ruộng đƣợc đặc trƣng bởi các thông số:
- Thể tích ô theo cao trình mực nƣớc.
- Các mối quan hệ giữa ô đang xét với các thành phần khác của hệ thống
(thí dụ: trao đổi nƣớc qua đập tràn, chiều cao, chiều rộng, hệ số của đập
v.v...)

3.2. Mơ hình tốn học [5]; [6]; [9]:
3.2.1. Mơ hình tốn học một đoạn sơng:
Dịng chảy trong một đoạn sơng đƣợc mơ phỏng bằng hệ phƣơng trình
Saint Venant 1 chiều. Trong IMech1D hệ phƣơng trình S.Venant đƣợc sử dụng
dƣới dạng sau:

Ac Q

q
t
x

(3.1)

Q   Q2 
 Z

     gA 
 Sf   0
t x  A 
 x


(3.2)

Ở đây sử dụng các ký hiệu:
Q=Q(x,t) – lƣu lƣợng của dòng chảy trong đoạn sông;


24

Z=Z(x,t) – mực nƣớc trong đoạn sông;
q - lƣu lƣợng phụ;
Ac - Diện tích mặt cắt (kể cả vùng chứa);
 - hệ số điều chỉnh
A - Diện tích chảy
Sf - Sức cản đáy
Sức cản đáy trong IMech1D đƣợc tính theo cơng thức sau:

Sf 

n 2Q Q
(3.3)

A2R 4 / 3

Trong đó R là bán kính thủy lực.
3.2.2. Mơ hình tốn học của một ô ruộng [5]; [6]; [9]:
IMech1D mô phỏng quá trình ngập một ơ ruộng (khu chứa) bằng định luật
bảo tồn khối lƣợng nƣớc tại ơ đó.
dV
 P   Qk
k
dt

(3.4)

Ở đây: V = V(Z) = V(Z(t)) thể tích của ô theo mực nƣớc Z.
P - Lƣợng mƣa hoặc bốc hơi tại ô.
Qk - Lƣợng nƣớc trao đổi giữa ô đang xét với các ơ liên quan (ơ liên quan
có thể là một đoạn sông, một nút sông, hoặc một ô ruộng khác).

3.3. Lược đồ sai phân [1]; [5]; [6]:
Lƣợc đồ sai phân Preissmann (xem [1]) đƣợc sử dụng để sai phân hóa hệ
phƣơng trình (3.1), (3.2), (3.4). Cụ thể là:

f f in11  f in1 f in 1  f in


t
2t
2t
f in11  f i n1
f in1  f i n
f

 1   
,
x
t
x

f 

 n 1
fi 1  fin 1   1   fin1  fin 
2
2

Từ phƣơng trình (3.1) ta có:

0  1

25













1
1

Ac , i 1  Ac ,i   AcT,i 1  AciT 
 Qi 1  Qi   1    QiT1  QiT 
2t
x
1
  Qi 1  qi   1    qiT1  qiT
2



(3.5)





Để sai phân hố phƣơng trình (3.2), ta viết phƣơng trình này thành 4 số
hạng a1, a2, a3, a4 nhƣ sau:
a1 + a2 + a3 + a4 = 0

(3.6)

trong đó
Q
a1 
,
t
Z
a 3  gA
,
x

  Q2 
a2 
 
x  A 
a 4  gASf

Sai phân từng số hạng trong (3.6) ta đƣợc
a1  ~
a1 

1
Qi 1  Q1   QiT1  QiT 
2t

   Qi21 Qi2
a 2  a~2 

 
x   Ai 1 Ai
a3  ~
a3 

 QT

Q T 
  1    iT1  i T 
 Ai 1 Ai 



2



2

 





g
1
Ai 1  Ai   1   AiT1  AiT
Zi 1  Zi   1   ZiT1  ZiT
2
x

a4  a~4  g

AS 
2



f i 1

 AS f

  g 1    AS 
i

2

T
f i 1

 AS f




T
i

Do vậy phƣơng trình sai phân của (3.2) có dạng sau:
~
a1  ~
a2  ~
a3  ~
a4  0

(3.7)

Sai phân hóa phƣơng trình (3.4) ta có





1




Vi  ViT   Pi   Qi, k   1   PiT   QiT, k 
t
k

k





(3.8)

Trong (3.5) - (3.8), f tính ở thời điểm hiện tại cịn fT tính ở thời điểm trƣớc
đó.
Ta giả thiết rằng nút đầu của đoạn sơng có số thứ tự là i cịn nút cuối đoạn
có số thứ tự là i+1. Khi đó các đẳng thức (3.5) và (3.7) cho ta quan hệ lƣu lƣợng
và mực nƣớc tại hai đầu của một đoạn sơng. Nhƣ vậy, mỗi một đoạn sơng có 4
ẩn số cần tìm là:
Zd, Zc - mực nƣớc ở đầu và ở cuối đoạn
Qd, Qc - Lƣu lƣợng ở đầu và ở cuối đoạn


26
Mỗi một ơ ruộng có một phƣơng trình (3.8). Phƣơng trình này cho phép
xác định một ẩn cần tìm của một ơ ruộng là cao trình mực nƣớc Z r tại tâm điểm
của ơ.
Cịn các hàm Vi, Qi, k trong (3.8) là hàm phi tuyến phụ thuộc vào cao trình
mực nƣớc Zr của ô ruộng đang xét và của các ơ ruộng liên quan.
Bây giờ ta xét tính đóng kín của hệ phƣơng trình (3.5), (3.7) và (3.8) với
các ẩn Zd, Zc, Qd, Qc và Zr.
Mỗi một ẩn Zd hoặc Zc đều tƣơng ứng với một giá trị cao trình mực nƣớc
tại một nút nào đó của mạng sơng. Ta đặt:
n - số nút của mạng sông (kể cả nút biên) ;
nd - số đoạn sông của mạng sông ;

nr - số ô ruộng.
Tại các nút của mạng sông (nút đơn hoặc nút hợp lƣu) giả thiết là chỉ có
một cao trình mực nƣớc. Nhƣ vậy tại n nút của mạng sơng cần phải xác định n
cao trình mực nƣớc Zi : ta có n ẩn số.
Vì mỗi đoạn sơng có lƣu lƣợng vào và lƣu lƣợng ra khỏi đoạn, nên nếu ta
có nd đoạn sơng trong mạng sơng thì ta cần xác định 2n d giá trị lƣu lƣợng : ta có
2nd ẩn số.
Nếu ta có nr ơ ruộng ta cần xác định nr giá trị cao trình mực nƣớc tại tâm
các ô ruộng này :
Nhƣ vậy để xác định dịng chảy trong mạng sơng và ơ ruộng ta cần xác
định n+2nd+nr ẩn số.
Các đẳng thức (3.5), (3.7). (3.8) cho ta 2nd+nr phƣơng trình.
Nếu nút là nút biên thì ta có một điều kiện biên.
Nếu nút là nút trong thì ta có một phƣơng trình cân bằng lƣu lƣợng tại nút
đó:
Qvào - Qra = 0

(3.9)

Do vậy tại n nút ta có n phƣơng trình (hoặc dạng (3.9) hoặc là điều kiện
biên). Cùng với 2nd + nr phƣơng trình đã có, n phƣơng trình này sẽ tạo thành hệ
kín để xác định 2nd+nr+n ẩn số.
3.4. Tuyến tính hóa hệ phương trình (3.5), (3.7), (3.8):