Nghiên cứu mô phỏng quá trình mưa dòng chảy trên một số lưu vực sông ngòi miền trung phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên nước và đất

ĐẠI H O C Q l ỏ < : ( Ỉ I A H \ N Ò I
I KI C>N<; ĐA I IK K K H O A H Ọ C T ự N H I Ê N

NGHIÊN ( I V M ổ PHỊNG Q l A TRÌNH MƯA -D Ò N G ( ’HÃY
TRÊN M Ộ T SỐ LƯU v ự c SỔNG NGÒI MIỂN TRUNG
PHỤC VỤ SỨ DỤNG HỌP LÝ TÀI NGUYÊN N ư ớ c VÀ ĐẤT

MẢ s ổ :

QG-07-I5

C H Ú T R Ì »>Ể TÀ I:
CÁ N HÒ T H A M (ỉỈA:

TS. NGU YÊ N T H A N H SƠN
( N. H V C H . N G Ỏ C H Í TU ẤN
( N. H V C H .C Ỏ N < ; T H A N H
TH S. N< s. HO ÀNỈỈ T H A N H VẤN

ĐAI HOC QUỖC GIA HẢ NỘi
ĨPUNG 1AM THON'fa ÚN ÍHU viện
"

0006 0 0 0 0 0 ịẬ _

HÀ NÒI - 2008


MỤC LỤC
GIẢI T H ÍC H C Á C C H Ù V IẾ T T Á T ............................................... ........................................ 5
d a n h S á c h n h ũ n g n g u ờ i t h a m g i a t h ụ c h i ệ n đ ề t à i ........................... 6

................................................................................... 7
DANH M Ụ C C Á C H ÌN H .............. ................................................... .........................................8
danh m ụ c c á c b ả n g số l iệ u

TÓVI TẮT C Á C KẾT ỌUẢ NGHIÊN c ú u CHÍNH CỦA ĐỀ T À I .......................... 10
MỞ Đ Ầ U ......... ..............................................................................................................................13
CHJO NG I. TỐNG Q U A N C Á C NGHIÊN c ứ u V Ề MƯA LŨ Ờ M lỂ N t r u n g .
LÝ THUYẾT MÓ HÌNH MUA - DỊNG CHẢY VÀ PHUƠNG PHÁP s c s ........15
1 1. T ống quan các nghiên cứu và mị hình tốn phục vụ sử dụ ng hợp lý tài
nguyên đất và nước lưu vực s ô n g .........................................................................................15
/ . / . / . N ghiên cứu, áp dụng m õ liình tốn d ê tinh tốn và (Ịự b áo mưa lũ trên
tliế g iớ i \’à à nước tu ........................................................................................................... 15
1.1.2. N ghiên cứu mưu lũ và lài nguyên nước trẽn tĩịư bùn nghiên c ứ u ............18
1.2. c ơ sờ lý thuyết lớp m ỏ hình tốn mưa - dịng c h ả y ................................................20
1.2.1. M õ hình thúy ÍỈỘHỊÌ lực h ọ c ..................................................................................26
í .2.2. Phương p h á p phân tử hữu hạn áp dụng trong m ỏ hình sóng độtìỊị học m ột
c h iểu .................................................................... ................................................................... 28
J.3. Phương pháp SC’S ............................................................................................................ 39
1.3.1. G iới thiệu phương p h á p s c s ............................................................................... 39
1.3.2. Phát triển s c s ................... ...................................................................................... 41
CHUỌNG2. ĐIỀU KIỆN ĐỊA LÝ T ự N H i Ê N VÀ KÍNH TỂ XẢ HỘI MỘT s ố
1.UJ v ụ t SƠNG NGỊI MỈỂN TRUNG TRONG M ố i LIÊN QUAN VỚI QUÁ
TRINH MUA - D Ò N G C H Ả Y ............................................................................................... 45
1. Điều kiện địa lý tự n h iê n .............................................................................................. 45
2.1.1 17 trí (lịa l ý .................................................................................................................45
2.1.2 Đ ịa hình ...................................................................................................................... 45
2.1.3. Đ ịa chái, tho nhưỡng..............................................................................................50
2.1.4. T hảm thực vậ t........................................................................................................... 54
2 1.5. K hí hậu '..................................................................................................................... 57

2.1.6. Mạiiỉi lưới rlmỷ vùn các lim vực SÔHỊỊ nghiên c ứ u ..........................................58
1.2. Điều kiện kinh tế xã h ộ i................................................................................................. 61
2.2.1. T hừa T hiên - H u ế .................................................................................................... 61
2.2.2. QiuiniỊ N a m .............................................................................................................. 62
2.2.3. Q uàng N g ã i...............................................................................................................63
ĩ.3. Đặc điểm mưa, dòng cháy và các hiện pháp phòng l ũ .......................................... 65
2 .3 . 1 . D ặ c (liêm m ư a , d ỏ n g c h á y trên cú c Ill'll vực niỊhiẽn c ứ u ............................. 6 5

2.3.2 C ú c b iệ n p lu ìp p h ị n q 111 trẽn c á c lưu vực nghiên CỨII................................ 66

Ị


' 1 | U ) \ ( Ì 3 . X Ả Y DỤNG M Ỏ HÌNH MỎ PH O N G Q U Á TRÌNH MUA - DỊNG
: i l / \ Y B A NG MỊ HÌNH S Ồ N G Đ Ộ N G IIỌC M Ộ T C ÍIIlU l. PHUƠNG PH Á P
JHẮN TỬ H Ũ IJ HẠN VÀ PHUƠNG PHÁP s c s ............................................................ 68
3.1. Nàng cao tinh on định và độ chính xác cíia phương pháp phần tứ him hạn mõ
phỏng khơng gian thời gian trong m ơ hình sóng động học một c h i ề u ................. 68
3.1.1. C ác vấn (lẽ vê tilth Ổn (tịnh và (lộ cliinh xức khi lỊÍdi phương trình sóng
ilộu iỊ h ọ c htÌiiỊ’ p hư ơ ng p h á p p h ầ n tử lìữ u h ạ n .................................................... 6#
3.1.2. C úc s ơ đ ó sỏ di’ 1ỊÌùr plníơniỊ trinh sóng (lộm; h ọ c ......................................... 7/
3 .1.3. M ộ t sơ'thu ật tốn Ị ịià i hệ phương trìn h vi p h â n p h i tuyến tinh tra n g mỏ

hình phán tứ hữu hạn sóng tíộni> học m ột c h iê u ........................................................ 75
3.1.4. Thực nạ/liệm sô, (lánh giá độ ổn định, d ọ chính xác cùa cúc sơ d ó sơ và
tlutật tốn phưưtiỊi pliáp p him từ hữu hạn úp d ụ n g cho m ị hình SĨHỊỊ (ỈỘHỊỊ học
m ột ch it’ll............................................................................................................................... 77
3.2. Hiệu chinh phương pháp s c s , nâng cao khả nàng m õ phóng lũ trên các lưu
vực sóng ngịi miền tru n g ...................................................................................................... 80
3.2.1. S ử dụng s c s nâniị c a o khả năng m ơ p h ị n g lưu vự c......................................80

3.2.2. N á MỊ cao klui nâng m ỏ phòng (lia phương p h á p s c s ................................. 82
3.2.3. T hự c nghiệm s ố c ò t ìii tliứ c tinh (lộ sán tốn th á i han d ầ u trên m ột sò lưu

vực M iền T ru n g ....................................................................................................................83
3.3 Xây dựng m ổ hình m ơ phỏng q trình mưa - dịng cháy đối với một sô’ lưu
vực sõng thượng nguổn Miền T r u n g ..................................................................................87
3.3.1. Phán lích và x ử lý s ố liệ u ..................................................................................... 87
3.3.2. Xáv dựng bộ thông s ô '............................................................................................ 88
3 J .3 . Xây dựng m ó hình và chương trình lính to á n .................................................. 94
3.3.4. K ết i/iui m ô p h ô tìỊị...................................................................................................95
3 .3 .5 . N h ậ n x é t . ........... ...................................................................................................w

CHUƠNG4. ÚNG DỤNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG Q TRÌNH MƯA - DỊNG
CHẢY TRÊN CÁC l . u u v ụ t SÔNG MiỀN TRUNG PHỤC v ụ D ự BÁO LŨ VÀ
S Ử DỤNG H Ợ P LÝ TÀI N G U Y Ê N NUỔC VÀ D A T ......... ..........................................102
4.1 Úng dụng m ô hình mơ phỏng q trình mưa - dịng chày phục vụ dự báo lũ
sônạ Trà Khúc - trạm Sơn G ia n g ...................................................................................... 102
4.1.1. D ự báo thử nqhìệm m ưa 111 lại Ill’ll vực SÕIHỊ T rù K húc - Sơn G ia n g ....../0 4
4.1.2. D ư báo lũ
.................... ’............ ............................................................. ...106
4.2. Úng dụim m ó hình IT1Ơ phóng q trình mưa dịng cháy phục vụ sứ dụng hợp
lý tài nguyên đất trên lưu vực............................................................................................. 108
4.2.1. Đ ánh giá (ình hiũhìg cùa lớp p hủ (lất dỏ thị đến s ự hình tliànli lũ ..........109
4.2.2. Đ ánh ỳ á linh hướnẹ của lớp p hù rừng đ ến sự hìnli thành lũ ................... I I 3
4.2.3. Kliáo sá t tính liiỉàníỊ cùa lớp p hủ lĩât d ô thị đồng tliời thay đ ổ i thảm phũ
thực VỘI n ên lim vực SÕI1 ạ T ã Trạcli - trạm Thượng N h ậ t.................................. ỉ là
4.2.4 Xáx ilưniỉ bo SIIHỊỈ lio ( hứa trên các lưu vực nghiên cứu. tăng cường Uui
năn li CỜI lù lùm ịỊÌảm mực nước hạ th i ................................................................ //7

4.3. k ẽ t qua và iháo lu ậ n ..................................................................................................... 120

4.3.1. \ ’ế việc p h ụ c vụ .sừ dụnỉỉ hợp lý tủ i nguyên I iư ớ c .....................................120

3


4 J .2 - \ ê việc phục

V II

sứ (lụiiỊỉ hợp lý lài Iiguyèn ilã t..............................................121

DANH M Ụ C C Á C C Ò N G B ổ LIEN Q U A N Đ EN K ẸT Q U Ả Đ Ể T À I ..................123
CÁ C BÀI B Á O THỤC HIỆN T R O N G K H U Ô N K H O C Ủ A Đ Ể T À I ..................... 124
KẾT Ọ U Ả Đ À O T Ạ O CỦA ĐH T À I ................................................................................... 124
KẾT LUẬN VÀ KIẾN N G H Ị.................................................................................................. 125
TÀI LIỆU T H A M K H Ả O ........................................................................................................ 127
PHU L Ự C .......................................................................................................................................145

4


(ỈIÁI T H Í C H CÁ C C H Ữ V I Ế T TẮ T

ACM ỉ. II. Ill

Điếu kiện am khơ. trung bình và tnVt cùa đál

ANN

Mị hình mạng thán kinh nhân tạo (Artificial Neural Network)

ETA

Mõ hình khí lượng bát iliuý tĩnh châu Âu (ETA model)

FLOAT

Mõ hình lan truyền chát ò nhiềm

GDP

Tổng giá trị sản phẩm trong nước

GIBS1

Bộ mõ hình tổng hợp cùa Canada (Oiestion Intégróc des Bassins versants à
I'aide d'un Système Inỉormatisé)

CIS

Hệ Ihống Ihông tin địa lý (Geographic Information System)

HMC

Trung lâm Ihuv vàn Xô viết (Hydro-Metorology Centre)

HRM

Mỏ hình khí tượng khu vực phân giải cao (High Resolution Regional Model)

HYDROGIS

Mỏ hình thuỷ vãn thuý lực cúa Nguyền Hữu Nhân

IQQM

Mơ hình mỏ phóng nguồn nước (Integrated Quality and Quantity Model)

ISIS

Mỏ hình thuỷ động lực học (Interactive Spectral Interpretation System)

KOD

Mó hình Ih lực khơng ổn định ciia Nguyền Ân Niên

KW-ID

Mó hình sóng động học một chiều

MIKE

Bộ mị hình th lực VÌ1 thuỷ văn lưu vực cùa Viện Thuý lực Đan Mạch

MM5

Mỏ hình khí tượng quy mỏ vừa ( The NCAR/PSU 5lh Generation Mesoscale
Model)

NAM

Mỏ hình dịng cháy cùa Đan Mạch (Neđbứr-Aừstrứmnings-Model)

ODE

Phương trình vi phàn thường

QUAL2C

Mỏ hình chất lượng nước (Water Quality version 2E)

RAMS

Mỏ hình khí lượng khu vực cùa Mỹ (Regional Atmospheric Modeling System)

scs
SDV

Cục háo vệ đất (Soil Conservation Service)

SSARR

Mỏ hình hệ thống diẻn tốn dịng chày của Mỹ (Streamflow Synthesis and
Reservoir Regulation)

SWAT
SWMM

Mị hình mơ phỏng dịng chày mặt qua độ ám đất (Soil and Water Assessment
Tool)

Mõ hình iliẻn tốn th lực (Storm Water Management Model)

TANK

Mõ hình be chứa cùa Nhậl Bàn

USDAL

Mõ hình dịng cháy phân bỏ Bộ Nóng nghiệp Hoa Kỳ
Tổ chức khí tượng thè giới (World Meteorological Organization)

WMO
X > PUT.
x< PET

Phân rã đơn trị

Mưa vượt thấm và không vượt thấm


DANH SÁCH

n h ím

;

người tham

(ỉia

t h ụ c h iệ n d ề tà i

1. TS. Nguyền Thanh Sơn, Trường Đại học Khoa học T ự nhiên. Đụi học Q uốc gia
Hà Nội. C hú trì dề tài
2. CN Ngỏ C hí Tuân. I lọc viên cao học, Trường ĐI I Khoa học T ự nhiên. Đ H Q G H N
3. CN C ò n s Thanh. Học viên c ao học. Trườn" ĐH Khoa học Tự nhiên, Đ H Q G H N
4. ThS. H oàng T hanh Vân. NCS. Trường Đ H Khoa học T ự nhiên. Đ H Q G H N
5. CN Đ oàn M ạnh H ùng. Viện Khoa học Khí tượng T hủy vãn và Mơi trường
6. CN Phạm C ịng Minh. HV CH . Trường Đi I Khoa học T ự nhiên. Đ H Q G H N

6


DANH M Ụ C C Á C BẢNC. s ỏ LIỆLI
iíinỉi I I Đ ạc điếm cùa các thõng số trong m ó hình thuv van lất đ ịn h ........................ 21
3únịỉ 1 .2. Mục đích và địi lượn Si ứng dụng các m ó hình th vãn tất đ ịn h .................22
'ianx 2.1 Hiện trạng rừng nám 2000 lưu vực sõng Ta Trạch 1141................................. 54
'iáiiỉi 2.2. Hiện trạng l ừng nũm 2000 lưu vực sịng T hu Bón 11 4 ]................................. 55
3ánỉỉ 2.3. Hiện trạng rừng nam 2000 lưu vực .sông Trà Khúc 114]................................ 55
3ÚH}’ 2.4. Lớp phú thực vật liru vực sóng Vệ theo mức độ che phú Ị 1 4 ] .................... 57
3ÚI11Ỉ 3.1. Sỏ trận lũ trôn sông V ệ - An Chi qua các năm dùng đê m ô phỏng lũ ......83
Bànị’ 3. 2. Kết quà đánh giá m ỏ phỏng lũ theo m ỏ hình sóng động học một chiều .84
jhirơng pháp phần tử hữu hạn và phương pháp s c s sông Vệ - An Chí ( Ạ, = 0. 2S).84
BàiiỊỉ 3.3. Kết q u á đánh giá m ỏ phỏng lũ theo m ơ hình sóng động học một chiều ..85
phương pháp phán tử hữu hạn và phương pháp s c s với la = 0 . 13S..............................85
Búng 3.4. Các đặc trưng hình thái lưu vực sóng lựa chọn ờ M iền T ru n g .................... 87
Bá na 3.5. Sô liệu khí tượng Ih vãn để mơ phỏng lũ trên các lưu vực nghiên cứu .88
lỉàiiỊi 3.6. Phân tích các lưu vực ra đoạn sông, dải và các phán t ứ ................................ 89
Bàng 3.7. Đ ánh giá kết quà m ô phỏng lũ trên các lưu vực sông nghiên c ứ u .............99
Bàng 4.1 Kết q u á đánh giá sai sỏ d ự báo lũ với sô liệu mưa từ m ỏ hình R A M S.... 108

Bán 1»4.2. Ảnh hướng cùa lớp phu đất đơ thị đến dịng cháy q ua 9 trận lũ trên sóng
Tá T r ạ c h .............................................................................. ........................................................ 110
BàniỊ 4.3. Anh hưởng cua lớp phú đất đỏ thị đốn dòng cháy q ua 9 trận lũ trên sòng
Thu B ổ n .................... ........................................... ................ .7....... .................. !....................... 110
liáiiỊi 4.4. Ảnh hướng c ùa lớp phũ đất đơ thị đến dịng chảy qua 3 trận lũ trên sông
Trà K h ú c .................. ................................................................. ........ ...................................... 111
Bân 1» 4.5 A nh hường của lớp phú đất đ ò thị đến dòng ch áy qua 2 trận lũ trên sóng
V ệ ........... ................ .................... ......................................... .7............ ........................................111
Bá Ilf’ 4.6. Kết q u à kháo sát đánh giá ảnh hường của rừng đến dòng chày lũ trẽn các
lưu vực sóng nghiên c ứ u ............................................................................................................115
Báng 4 .7 A nh hướng á m lớp phu đấl đô thị đến dịng ch áy khi tăng diện lích rừng
qua 9 trận lũ trên lưu vực sông T á Trạch - trạm Thượng N hậl.....................................116
Búng 4.8. M ực nước lũ 5% trẽn sõng Hương khi có hổ Dương Hồ (Tá T r ạ c h ) .... 117
Bảng 4.9. Các hổ chứa tham gia cắt lữ trên dịng chính sơng Vu Gia - Thu Bổn... 119
Báiix 4.10. G iám mực nước lũ trên sơng Trà Khúc khi có các hổ chứa cắt l ũ ......... 119

7


DANH MỤC CÁC HÌNH
'ỉình 1.1. Phân loại các m õ hình ihuý ván tất đ ị n h ............................................................. 21
'Hull 1.2. Lưu vực và lưới phán tử hữu hạn tương ứng....................................................... 32
Hình / J . C ác biên số có tổn ihấi dòng chay trong phương pháp s c s ..........................40
Hình 2.1. Vị trí các lưu vực s o n s nghiên cứu 11551........................................................... 46
Hình 2.2. Địa hình lưu vực sơng Trà K h ú c ...........................................................................48
H ình 2.3. Độ dốc lưu vực sõng Trà K h ú c ............................................................................. 49
Hìnli 2.4. Sir dụng đát lưu vực sóng Trà K h ú c ..................................................................... 53
llìnli 2.5. Rừng lưu vực sơng T rà K h ú c .................................................................................56
Hình 2.6. M ạng lưới sõng lưu vực sông Trà Khúc - trạm Sơn G ia n g ........................... 60
lỉìnli 3.1. Kết q uá m ơ phịng ( a) V à đánh giá sai số (b) trận lũ từ ngày 25/11/1998

đến ngày 27/11/1998........................................................ ...........................7 ....85
H ình 3.2 So sánh hai phương án (a) hiệu chinh s c s và (b ) không hiệu c hinh từ ngày
19/10/2001 đến ngày 20/10/2001 ....... ...... ................................... I
!..... .................7.86
H ìnli 3 J . Lưới phần tử trên lưu vực sông Tá Trạch - trạm Thượng N hặt................... 90
H ình 3.4. Lưới phán tử trên lưu vực sông Thu Bổn - trạm Nơng Sơn.......................... 91
H ình 3.5. Lưới phán tử trẽn lưu vực sóng Trà Khúc - trạm Sơn G i a n g ...................... 92
H ình 3.6 Lưới phán lử trên lưu vực sông Vệ - trạm An C h í ...........................................93
H ình 3.7. Sơ đ ổ khói cùa chương trình tinh theo m ị hình K W - 1D ............................... 94
H ình 3.8. M õ phỏng trận lũ lừ lh/18 /-l3 h /2 3 /X I/2 0 0 2 s. T á Trạch - Thượng Nhặt 95
Hình 3.9 Kết q u á m ỏ phỏng lũ từ 6h/20/X - 6h/24/X/2001 s. Tá Trạch - Thượng
N h ật........................................7........................................................................ ....................
96
Hình 3.10. M ỏ phỏng trận iĩi từ 7h/28/X
19h/30/X /2000 Thu Bồn - N ơng Sơn ...96
H ình 3.11. M õ phỏng trận lù tìr 7h/2()/X 19H /23/X /2001 Thu Bổn - N ơng Sơn ...97
Hình 3.12. M ơ phỏng irận lũ từ 13H/20/ - 13h/24/X 11/2000 T rà Khúc - Sơn Giang 97
H ình 3.13. M ơ phỏng lũ từ lh / 19/XI - 19h/ 25/X I/1998 s, Trà Khúc - Sơn G ian g.,98
H ình 3.14. M ơ phỏng trận lũ từ ngày 21/XI - 24/XI/1998 s. Vệ - A n C h i.................98
H ình 4.1. Lượng mưa tích luỹ 72 giờ dự báo được háng R A M S từ 16 đến
19/X I/2005 trên 9 tiếu lưu vực thuộc sòng Trà Khúc - trạm Sơn G ia n g ................... 106
Hìnli 4.2. Kết quà dự háo lũ từ 7 giờ ngày 10/X đến 7h ngày 13/X năm 2005 sông
Trà Khúc - Sơn G i a n g ............................................................................................................. 107
lỉìnli 4.3. Kết q uá dự háo lũ từ 7 giờ ngày 16/XI đến 7h ngày 19/XI năm 2005 sông
Trà Khúc - Sưn G i a n g ............................................................................................................. 107
H ình 4.4. A nh hướng cua lớp phú đất đỏ thị đến d òn g cháy lũ trên sòng Tá Trạch
trận lũ từ 16h/2l đến 7H /23/X /2001............. ................ r . ................................. ...........
110
H ình 4.5. Anh hướng cùa lớp phú đất đơ thị đến dịng chày lù trẽn sơng Thu Bổn,
trận lũ từ 19h/2 - 13h/8/X/2003..................................... .7................................... ...............................................

lỉìn li 4. 6 Ả nh hướng của lớp phú đất đỏ thị đến q trình dịng cháy trên sóng Trà
Khúc, trận lũ ngày 25 đen 30/XI năm 1998......................................................................... 112
lỉìn li 4.7: Anh hưởng cua lớp phú đất đò thị đến quá trình dịng chay lũ trên sơng
Vệ, trận lũ ngàv 21 lien 24/XI nãni l l)98 .............................................................................. 112

8

1


/lull 4. S. A nh hướng cua rừng liên (lòng cháy trịn sóng Tú Trạch - Thượng Nhật
rận lũ từ 16h/21 đến 4h/23/X /2í)00....... .............................. ............ ...................*............ 113
'linh 4.9. Ảnh hướng cua lớp phu đái đõ thị khi tăng diện tích rừng đến dịng chảy lũ
rên lưu vực sõng T á Trạch - trạm Thượni’ Nhật, trận lũ 23h/4- 10h/6/XII/1999... 116
Hìnli 4.10. Vị trí ho chứa cắt lù (dự kiến) trên các lưu vực sông nghiên cứu ........ 118

9


TĨ M T Ắ T CÁC KẾT QUẢ NÍỈHIÊN

cứu

CHÍNH CỦA ĐK TÀI

I. Tên đe lài: Nghiên cứu mo phong qua trình mưa - dịng cháy trẽn một sỏ lưu vực sóng
lỊỊịi Miên Trung phục vụ sứ dụng hợp lý lài nguyên IIƯỚC và dài
vi à số: QG - 0 7 - 1 5
». C h ủ t r ì đ é là i:

TS. Nguyẻn Thanh Sơn. Khoa K TT V & H D H

Các cán bộ th am gia:
HVCH. N gõ Chí Tuấn. Khoa KTTV&HD1I
IỈVCH. C ân g Thanh. Khoa K TTV & H D H
ThS. NCS H oàng Thanh Vàn. Khoa K TTV & H D H
CN. Đ oàn M anh Hùng. K48
CN Phạm C ông Minh. K48
d. Các kết quá đạt được:
•

Kết quá vé khoa học

1. Dã lựa chọn m õ liình sóng (ỉộniỊ học m ột chiêu, phương p h á p p h á n lử hữu
hạn và phương p h á p s c s (K W -II)) làm cóng (II chính đi’ m ơ phỏng vù phát
Ilie'll CƠIỈỊÌ Ii^ln' (lự b á o /rì CŨHỊỈ n h ư cá c b à i to á n q u y h o ạ c h s ử (lụng hợ p lý
lài HỊịuvên nước và (lấỉ phù hợp với đặc diêm sõng Miền Trung
2. Phân tícli rõ cóc lỉiéii kiện kh í hậu và m ặt (ỉệm trong quá trìnli hình thành lũ
d ể vận (lụnỉỊ vào m õ h ìn h K W - II ) . x â y (lựniị p h ư tm g án d ự b á o lũ c ũ n g nliư
cức kịch hàn sứ (lụng (Uĩt trên lãnh thổ nghiên cứu
3. Đẽ nâng cao độ chính xác và độ ổn định cùa m ơ hình KW - ID trong việc giải
hài tốn vé quy m ơ khơng gian và thời gian, đã tham kháo về lý luận qua các
tài liệu trẽn thế giới và tiến hành các khao nghiệm so các sơ đổ giải hằng
phương pháp phan tử hữu hạncl ã minh ràng trong các sơ đổ được kháo
nghiệm sò: 1) phương pháp sai phán hiện; 2) phương pháp nứa án; 3) phương
pháp R ungc-K utla bậc ĩ sử dụng ma trận trung tâm cho thấy phương pháp
Runi>e-Kntta b ậc J sứ ih iH Ịỉ m a trận tn in iỉ là m c lio (lộ Ổn d in h tổt nhát.

4. Vận dụ ng phương pháp s c s tronẹ điéu kiện Việt Nam đê tính tổn thát ban
dầu trong m ỏ hình KVV -1D. đã tiên hành hiệu chinh cổng thức tính độ sâu

tổn thái han đáu / = Ơ.2.V. nhận được từ thực nghiệm ờ Mỹ. thu được kết quả
là I = 0.1 x s ilo i với Ill'll vực sõniỊ \ ệ. cò n c á c Ill'll vực k h á c cô ng thức thực
ihịIiìựỉĩì

ị' 11(1(1 K Ỹ Viìn ụ iữ n íỊityẽn iỊÍá t r ị flu ff I ll’ll.

10


5. Bang việc phán tích các lưu Nực thành các đoạn sóng, dái và phẩn từ (Ịũ .uiy
tlựHỊi (lược hộ ilìõiiỊi so d iu m ó hình K \\ II ) cho 4 lưu vực: Tá Trạch
Thượng Nhại. Thu Roil Nóng Sơn. Trà Khúc - Sơn Giíing và Vệ -An Chi có
đ ộ ổn định cao. K ê) 1/iui m ô p hóng 53 trận lũ trẽn các lưu vực trẽn dạ t từ khá
(lén tốt (tà cliừnii m inh (liều (ló.
6. Đã cõng bó 02 bài háo trong khn khổ thực hiện đề tài:
1.1 N g u y e n T h a n h S o n. 2008. Đánh giá ánh hướng cùa rừng đến sự hình thành
lịng chày lũ trẽn một so lưu vực Miến Trung hãng m ỏ hình sóng động học một
hiểu, Tạp ch í K hi tượng Thúy vãn, số 566. tháng 2/2008. tr. 41-45, H à Nội
>.2. N guyễn T h a n h Sơn. 2008. Hiệu chính cơng thức tính độ sâu tổn that ban đẩu
rong phương pháp s c s bàng thực nghiệm số cho lưu vực sông Tả Trạch trạm
Phượng Nhật. T ạ p chí Các khoa học về Trái Đát (Bài gửi đãng 24/6/2008. phán biện
iong ngày 13/7/2008 đang chuẩn bị in)
•

Kết quá phục vụ Ihực le

7. D ã x ớ V dipt [ị pluín m èm K W ID M O D E L có giao diện thuận tiện c h o người
sứ dụng để xây dựng cồ n g nghệ dự háo lũ và khảo nghiệm sô' các kịch bàn sử
dụng đất
8. Đ ế ứng dụng m ò hình vào việc sử dụng hợp lv tài nguyên nước, kết hợp với

m ị hình khí tượng khu vực RAMS, đã tiến liành .xúy dựng câng nghệ d ự báo
lũ thời hạn 72h trên SÒIIỊ> T rà K inh■cho kết q u á kh á quan (độ đám bảo dự
háo khoảng 53-90%).
9. Vận d ụ ng phương pháp s c s . clã tiến hành một sò' kháo nghiệm vé mòi quan
hệ giữa sử dụ ng đất và sự hình thành lũ trẽn lưu vực c h o thấy:
a) Khi tiến hành sử dụng lớp phú đất đõ thị. diện tích sứ (lụng khơn# nên Ytùỉt
ìgưỡng giiri hạn - ngưỡng diện lích lớp phủ dá t (tó th ị gày (tột hiến lũ (dinh và lượng
ũ tăng đột ngột. Diện tích này đơi với từng lưu vực lù khác nhau (11-30%). Một
rong những hiện pháp tăng (liện tícli sứ dụng lớp phù đ ấ t clô th ị là p h á i tích cực m à
ỘIIIỊ diện tích rừiiỊi d ầ n nguồn
b) Đ ánh giá ánh hướng c ù a rừng trong vai trò điéu tiết lũ, tháy rằng với (iộ
'he p hù lưu vực trên 35% , (Ill'll b iển q u á trìn h lù Iro iiiỊ ir ạ iií! th á i lự lìlìiê n , răng (liệu

'ích rừng s è lăng vai trị diêu tiết, nếu khơng duy trì dược diện lích rừng â ngưỡng dó
:ó thê gây đột biên lũ.
c) Xây dựng hổ chứa đau nguồn là biện pháp khai thác tài ngun nước hiệu q.
Ngồi vai trị lích trữ nước cung cấp cho mùa cạn, hệ thống các hổ chứa này có vai
trị lởn trong việc phịng lũ. Q ua việc phân tích địa hình các lưu vực nghiên cứu có
the xây dựng một số hổ chứa với tổng dung tích khống 1600 triệu m \ đủ đơ
phịng lù tiếu m ãn và lũ sớm (P=5% ) đóng thời làm giám mực nước cũng như thời
gian ngập ứ hạ liu đối với lũ chính vụ (P=10%).


•

Kct qua dào lạo

- G óp phần hỗ trợ việc thực hiện Luận án Tiến sỹ của Chủ trì để tài, đã háo vệ
cấp Nhà nước ngày 15/3/2008
- G óp phần hỗ trợ dào lạo 2 học viên cao học và 1 nghiên cứu sinh (đang thực

hiện)
- Hướng d ẫn 2 sinh viên K4R làm Khỏa luận lốt nghiệp, đã háo vệ tháng 6/2007
Tình hình kinh phi cúa de tài:
Kinh phi dược c ấp :

60 triệu đổng

Đã được sứ d ụ n s:

60 triệu đổng

vinh phí dã được sứ dụng hết và quyết toán theo đúng các mục theo đé cương đã
lưực duyệt

XÁC NHẬN CỬA BAN CHÚ NHIỆM KHOA

CHỦ TRÌ ĐỂ TÀI

CỈS.TS. TRẦN TẢN TIẾN

TS. NGUYÊN THANH SON

XÁC NHẬN CUA TRƯỜNG

Hiệu TRUỎNa

12


\1() ĐẨl

M iền T rung là nưi hứng chịu nhiều thiên tai lũ lụt vào loại bậc nhất ở nước
a. Đ ã c ó nhiều cõng trình nghiên cứu giái quyết ván đề này nhằm góp phần giám
ìhẹ những hậu quá do thiên tai lũ lụt gây ra. Hướng tích cực nhất là nâng cao hiệu
|uá của công lác cánh báo và d ự háo lũ. lừ đó đề ra những biện pháp thích hợp đế
ìhịng. tránh, trong dó dồ cao vai trị cua cơng tác q uv hoạch sừ dụng đất. Các
ỉhirơng pháp d ự háo truvén th ốn c tnrớc đày như phương pháp lưu lượng mực nước
ương ứng hay sử dụng các m ỏ hình tương quan và m ơ hình thịng số tập trung đã
nang lại những hiệu q u á tích cực. Việc diễn tốn dịng cháy từ trạm thuV vãn đầu
Ign về hạ lưu ở Trung tâm D ự báo Khí tượng T huỷ văn Trung ương khá chính
<ác. đạt độ đảm háo tương đối tốt. Tuy nhiên, thực tẽ thường gặp phải hai vấn để lớn
ùm cho công tác dự b áo lũ vẫn chưa đ áp ứng được bài toán thực tiền. Đ ó là: (1) do
.'ác sõng ở khu vực này thường ngán và dốc. thời gian tập trung nước nhanh nên việc
phát các hán tin dự háo dựa trên sò liệu quan trắc m ưa và liru lượng tuyến trẽn
hường có thời gian dự kiến ngắn, khơng đú dê triển khui các biện pháp phịng
-hống thích hợp và (2) do chưa SƯ dụng các m ỏ hình thơng số dái, có khá năng diễn
ốn dịng ch áy lot hơn. Nhàm g ó p phẩn khấc phục các vấn đề nêu trẽn, tác giả thực
hiện "N ghiên cứu m ơ phịng q u á trinh m ưa - (ỉònỊị ch á y trên m ột sỏ’ lưu vực sơng
ngịi M iền T rung p h ụ c VII sử dụng hợp lý lủi ngu vén nước và (lất" nhằm g ó p phần
nâng cao chất lượng cõng tác cánh háo, dự báo dòng chảv lũ từ mưa. đổng thời phục
vụ quán lv tài nguyên nước và đất theo hướng điều tiết dịng ch ảy lưu vực. M ơ hình
sóng dộng học một chiều phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp s c s - là
một mỏ hình thịng sơ dái. sứ dụnii đầu vào là mưa d ự báo từ các m ơ hình khí tượng
được sứ dụng đê m ó phóng dịng cháy lũ nhám tãng đ ộ chinh xác và thời gian dự
kiến của các dự háo lũ lại các trạm thuV văn đầu nguồn, làm c ơ sở c ho việc nâng cao
tính hiệu qua của c ơ n '2 tác dự háo lũ trên tồn lưu vực.
M ụ c liê u ( lia d í' tài là xác lập cư sở khoa học đế xây dựng m ị hình tốn mỏ

13

phóng q trình mưa

(lóng cháy, có khá nãnjỊ dự báo lũ và phục vụ sử dụng hợp lý

tài nguyên nước và đát trịn các lưu vực sóna ni Miền Trung.
Phạm vi klw a học cùa đề tài là nghiên cứu các m ỏ hình tốn mưa - dịng
cháy nhảm lựa chọn và xây dựng được một m ỏ hình thích hợp đê’ diễn tốn q trình
lũ từ mưa trong các cticu kiện địa lý tự nhiên ớ Miền Trung. P hạm vi lãnh th ổ ỉh một
sị lưu vực sơng thượng nguồn: Tá Trạch đến Thương Nhật (đại diện cho các lưu vực
phía Bắc T rung Bộ). Thu Bổn đến N ông Sơn, Trà Khúc đến Sơn G iang và Vệ đến An
Chi (đại diện c ho các lưu vực Nam Trung Bộ) díi điều kiện áp dụng m ơ hình tốn
thúy vãn đã lựa chọn và cũng là các sông diễn ra lũ ác liệt trong những năm gần đây.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài là: 1) Hồn thiện một phương pháp
mõ phóng q trình mưa - dịng cháy trên các lưu vực sơng miền núi.; 2) Kết quả
cùa đè tài có the sử dụng làm công cụ giúi quvết các vấn đé thực tiền vé sử dụng hợp
lv tài nguyên nước và đât trên lưu vực sông theo hướng phát triển bền vững
C ác phương pháp nghiên cứu chính đã sử dụng là: 1) Phương pháp phần tứ
hữu hạn; 2) Phương pháp SC’S; 3) Phương pháp m ị hình tốn thuỷ vãn và 4) Phương
pháp hệ thống thòng tin địa lý (CỈIS).
Đ ề tài được trình hàv trong 4 chương cùng với m ớ đáu, kết luận, tài liệu tham
kháo, phụ lục
Đ ề tài được hoàn thành tại trường Đại học Khoa học T ự nhiên. Đại học Q uóc
gia Hù Nội, tác giã xin chân ihành cám ơn Phịng Khoa học C ơng nghệ trường Đụi
học Khoa học T ự nhiên. Ran Khoa học Cóng nghệ Đại học Q uốc gia Hà Nội đã tạo
điều kiện vé thời gian, kinh phi hỏ trợ .

14


Chương 1

TỐNG QllAN CÁ C NCỈHIÈN c ứ l ) VỂ MƯA LŨ ỏ MIỂN TRUNG. LÝ
T H U Y Ế T MƠ HÌNH MƯA - DỊNÍÌ CHẢY VÀ PHƯƠNG PHÁP s c s

I I. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN c ú u VÀ MƠ HÌNH TỐN PHỤC v ụ s ử
DỤNG H Ợ P LÝ TÀI N G U Y Ê N ĐẤT v à NUỚC LUU v ụ c s ơ n g
1.1.1. Nghiên cứu, áp dụng mõ hình tốn đế tính tốn và dự báo mưa lũ trén
the giới và ờ nước ta
Ngày nay. trong tinh toán và dự háo lũ. đánh giá ánh hướng cua việc sử dụng,
khai thác bé mặt lưu vực. việc áp dụng mò hình tốn th vãn để khơi phục và xứ lý
số liệu ngày càng rộng rãi. Đ ặc hiệt, đối với những vùng ít được nghiên cứu thì sứ
dụng m ỏ hình tốn cịn được coi là cơng cụ duy nhấi. C ùng với việc phát triển kỳ
thuật tính tốn kèl hợp áp dụng cõng nghệ thõng tin, the m ạnh giái quyết hằng các
hài toán số trị và ứng dụng trong hoạt động tác nghiệp càng c ó vị thế nổi bật.
Trong lĩnli vưc (lự báo. ngoài các phương pháp tru vồn ihống trước đâv như
phưưng pháp Kalinhin - M iuliacỏp [31] phương pháp lính dịng ch áy đoạn sơng có
gia nhập khu giữa [32. 48, 53], mỏ hình H M C ị 2, 21 ]. phương pháp đường đơn vị.
đường đắng thời [31. 58] cùng với việc sứ dụng các m ơ hình tốn SSARR. TANK
[94], NAM [49, 93], ANN [30] được triển khai nghiên cứu và có những kết quá tót,
đạt độ chinh xác đáp ứng c h o các u cầu quy hoạch, thiết kè.
Mõ hình tốn SSARR của Cục Công binh M ỹ được khai thác sử dụng sớm
nhất ở nước ta. từ năm 1980. đầu liên trong lĩnh vực th vãn cơng trình và sau đó là
trong việc cánh báo, dự háo lũ ở đổng hãng châu thổ sơng Cứu Long [8()|. M ỏ hình
SSARR cũng được Irion khai áp dụnti đế dự háo lũ cho hệ thốna sơng Hổng và Thái
Bình ở đổng bằng Bác Bộ c ho kết quá khá quan 126. 28, 3 5 1-

15


M õ hình TA N K có xl xứ lừ Nhật Bán. dược sứ dụng vào những nãm cuối

của ihập ký 80 the ky XX ớ Viẹi Nam. Sử đụng mó hình TA N K khá đa dạng, nhưng
thành tựu cơ han nhất đạt đưực trong lình vực khơi phục và hổ sung số liệu, là tình
trạng hạn chê phổ hiến nhất khi nghiên cứu thuý vãn ờ nước ta. M ỏ hình đơn giàn,
có ý nghía vật lý trực quan, thích hợp vứi các sổng suối vừa và nhỏ [2. 93]. Gán đây
m õ hình c ị n đ ư ợ c SƯ d ụ n g h iệ u q u á khi liến h à n h d ự h á o h ạ n vừa c á c s ị n g c h í n h ở

Băc Bõ [12. 13. 36. 7 2 ị.
Mó hình M IK E 1 1 ra đời cách đày 20 nám ư Đan Mạch là một m ỏ hình tổng
hợp ihơng dụng nhấi trẽn ihẽ giới (có hơn 100 nước sử dụng) với các m ó dun vé
thúy lực. phàn tán chất lượng nước, chuyến tái hùn cát. mô phỏng mưa dịng chảy
(m ỏ hình N AM ), m ị hình sinh thái, d ự báo lũ. vỡ đ ập ... đã bất đầu được nghiên
cứu và triển khai áp dụng. C ác m ỏ hình phát triển ở m ức độ cao hơn như M IK E 21,
M IK E FL O O D dê mơ p hone dịng cháy 2 chiều cũng được nghiên cứu. vận dụng.
C ác m ơ hình tốn có xuất xứ trong nước hiện nay rất ít. có thê kế ra một vài
m ị hình tiêu biếu như H Y D R O G IS của Nguyễn Hĩai Nhân [43], K O D của Nguyễn
Ân Niên [46, 4 7 1 và V R S A P c iia Nguyền Như Khuê.
Ngày nay, khi thè’giới đang đứng irước sự khủng hoàng về nước (cả lượng và
chất) trước sức ép vé gia tàng dãn số và các hoại động kinh tế, hài toán quy hoạch tài
nguyên nước ngàv càng dược đề cao. C ác m ô liinli toán trong lĩnh vực quàn lý lải
nguyên và m ỏi trường nước, vì thế, cũng dược phát triến. Có thê điếm qua một số mơ
hình đang được sir dụng rộng rãi trên thế giới như sau:
H ệ thống m ô hình GIBSI là một hệ thống m ô hình tổng hợp quản lý nước cả
lượng và chát đê kiếm tra hoạt động dùng nước trong các lĩnh vực kinh tê như nông
nghiệp, công nghiệp. Hệ thốna này đang được sứ dụng rộng rãi ở Canada gồm các
mô đun vé thúy văn. vé lích hợp (lữ liệu viễn thám và GIS, về lan truyền chất hóa
học, về xói mịn đất và vận chuyên phù sa và chát lượng nước.
Bộ mõ hình thuộc Chương trình sử dụna nước cua ú y hội sơng Mẽ Cơng hổ
trợ ra qui định phân bổ nauốn nước iheo các kịch hán sư dụng tài nguyên mỏi
trường gồm 3 m ỏ đun chính < 1 1

mỏ hình SW A T để diễn tốn q u á trình mưa - dịng
16


cháy: (2) m ó hình IỌ Q M đùn ạ đè mỏ phịng nguổn nước và qn lý các cơng trình
sir tiling nước (thúy diện, thúy lợi) và (3) m ò hình ISIS

m ỏ phỏng các quá trình

thúy động lực học cúa Biên Hồ và các vùng hạ lưu.
Bộ m ô hình đánh giá tổng hợp các nguổn thái tập trung và khơng tập trung
BASINS cùa Vãn phịng háo vệ môi trường Hoa Kỳ phục vụ cõng tác quản lý và
clánh giá chất lượng nước trẽn lưu vực. M ô hình dang được ứng dụ ng rộng rãi ở Mỹ,
thuận tiện rong việc lưu trữ và phân tích các thõng tin mói trường và có thể sử dụng
như là một có n g cụ hỗ trự ra quyết định trong còng tác quy hoạch và quản lý lưu
vực. Bộ m ô hình này h ao gổm (1) mô hình trong sông Q U A L 2 E về chất lượng nước;
(2) S W A T d ùn g dự đoán ánh hướng cúa sir đụng đất đên d òn g cháy và (3) PL O A T vé lan truyền chất ơ nhiễm
M ơ hình M IK EBA SIN và M IKESHE [951 của Viện Thủy lực Đ an Mạch là
một m ơ hình m ổ phỏng nguổn nước lưu vực sơng. M ơ hình thuộc loại thơng sỏ dải
và được phát triển từ c ác phương trình đ ạo hàm riêng m ơ tá các q Irình vật lý diễn
ra trên lưu vực: tích nước, bốc thốt hơi nước, dòng cháy Iràn trên sườn dốc, trong
lòng dẫn. ch u y ên độ ng của nước trong các tầng đ ất bão hồ và khơng bão hồ, tuyết
tan [ 105. 118. 139. 144. 116], M ơ hình này có khá nàng đánh giá tác đ ộn g của môi
trường đến d ò n g cháy, song d o mức độ phức tạp của nó nên ứng dụng chưa được
rộng rãi. T rong khu vực châu Á hước đầu đã được sứ dụng ứ Thái Lan và Inđonexia.
C ù ng với sự phát triên cua hệ thông tin địa lý. cõng nghệ GIS đang (fan chiếm
lình các ứng dụ ng irong việc nhận các thông tin từ bề mặt lưu vực (1. 33. 34. 87, 88]
góp phan thúc đẩy các c ỏ n s trình nghiên cứu khai thác các lớp m ỏ hình thuý động
lực 14, 24, 27. 44. 47, 57. 62. 65. 70]. Trong ứng dụng thực tiễn ở Việt Nam, nhiéu
mõ hình như SM A R T . USDAHL, HEC - RAS, SW M M . T O P M O D E L , s c s (86,

88], đã được nghiên cứu. khai thác, vận dụng linh hoạt phù hợp với các điều kiện vé
số liệu. Việc liên kết. tổ hợp các phương pháp tính Ị6| có khá năng đem lại hiệu quả
cao trên c ơ sớ lận d un g đươc nhiéu ngu ổ II thõng tin m à khị nu một m ơ hình đơn lé
nào có thê khái qt được.
C ác c ị n g h ố gán đày c ủ a các tác giá thuộc Viện K hoa học Khí tượng Thuý

17

ĐAI HỌC Q l ó c GIA HA NỘI
ĨRUNG IAM IHONG ỈIN ỈHƯ viện

I

CCCcCCCCC ụ


van và Mõi trường [ 1 , 3 . I I . 16. 18. 23. 68-73. w . 93. 94, 129 - 130], Trung tâm Dự
háo Khí tượng T huý vãn Trung ương [12. 22, 28. 29. 37-39. 40. 67. 78], Trường Đại
học Khoa học T ự nhiên. Đại học Quốc gia Hà Nội và Trường Đại học T huý lợi (41,
50, 53. 50-65. 1541 về việc khai thác, ứng dụng các m õ hình thúy vãn tổng hợp ngày
càng chứng tỏ sự quan tâm cùa các nhà nghiên cứu và các dự báo viên trong việc áp
dụng và khai thác hữu hiệu các mõ hình tốn vào cịng nghệ lính tốn và d ự báo lũ
cũng nhơ phục vụ sử dụ ng họp lý tài nguyên đất và nước trên các lưu vực sông.
1.1.2. N ghiên cứu mưa lũ và tài nguyên nước trẽn địa bàn nghiên cứu
M iền T rung là vùng có c h ế độ khí hậu khắc nghiệt, là vùng chuyến tiếp giữa
hai miền khí hậu Bác - Nam [42. 79], là nơi hứng chịu nhiéti thiên tai: bão, áp thấp
nhiệt đới. nước dâng, lũ lụt và hạn hán với tần suất và cường độ lớn nhất nước ta. Lũ
lụt xảy ra d o ánh hưởng tổ hợp c ù a các yếu tố nội ngoại sinh cùng với các hoạt động
kinh tê xã hội cua con người trẽn bé mặt lưu vực gâv thiệt hại nghiêm trọng về người
và cùa 115]. C hính vì vậy mà M iền Trung là địa hàn được đỏng đ áo giới nghiên cứu

khoa học đ ặ c biệt q u a n tâm.
Vấn đề nghiên cứu chè đ ộ mưa lũ Miền Trung, tìm kiêm giải pháp cành báo
dự háo lũ luôn là vấn đề thời sự. nhầm góp phán hạn c h ế những mất mát to lứn do
thiên tai lũ lụi gây nên. Xuất phát từ những nhiệm vụ cụ thè m à các hướng nghiên
cứu trèn địa hàn rất đu dạng và phong phú.
Đ à o Đ ình Bắc, Vũ Vãn Phái. Đ ặng Vãn Bào. Nguyễn Hiệu |7. 8. 9. 25) qua
nghiên cứu địa m ạo đ ã tìm kiêm các giái pháp phục vụ việc cành báo lũ lụt và giám
thiêu thiên tai Irẽn lưu vực sông Thu Bổn. Nguyễn Thanh Sơn, Trần Ngọc Anh [51,
54, 135] đã nghiên cứu các diễn hiến bổi xói trẽn đoạn sóng Hương chảy qua thành
phị H. N guyễn Vãn C ư ị ] 4 1 dã đánh giá hiện trạng và bước dầu tìm kiếm các
nguyên nhân lũ lụi vùng Nam Trung Bộ. C ao Đ ãng Dư đã đé xuất các hiện pháp
lãng thời gian d ự kiến d ự háo lù trên các sông M iền Trung 116] và đưa các phương
án dự báo, cánh b áo lũ trẽn các sông Trà Khúc và sông Vệ [18, 19]. Đ ặng Ngọc
Tĩnh [ 7 8 1 đã tie nghị áp dụng tin học tronu dự báo. cánh háo lũ M iền Trung.
Đ ặc biộl vào nàm l l)99. khi trẽn toàn
IS

hộ M iền Trung xáy ra trận lũ lịch sứ


lớn nhái nr trước đôn nay. nhicu nhà nghiên cứu đã tổng kết và dưa ra nhận định vé
các nguyên nhãn gây lũ như Bùi Đức Long và Đặng Thanh Mai [37]. Nguyền Vãn
Cư 115]. Nguyền Viết Thi Ị67j đã liến hành nghiên cứu và tống kết các hình the thời
tiẽl chính gây mưa lũ lớn trên các sịng suối M iền Trung.
V iệc áp ílniiỊi các m ơ liình tốn trên địa hàn nghiên cứu. các cịng trình của
Lẽ Xuân Cầu. Nguyền Vàn Chương 11 11. Nguyền Hữu Khái [30]. Trán Thục, Lê
Đình Thành. Đ ặng Thu Hiền [68] đã ứng dụntỉ mó hình m ạng thần kinh nhàn tạo
(ANN) để tinh toán dự báo lũ c ho các sòng Tà Trạch, T rà K húc.Vệ và lũ quét trên
sõng Dinh. Trán Thanh Xuân. Hoàng Minh Tuyên [94 j đ ã sử dụng mỏ hình TANK
để tính tốn lũ Iron sóng Tá Trạch. Bùi Đức Long á p dụng m ơ hình SSARR dé dự

háo lũ trên sơng T rà Khúc [3 8 ị và sông Cả [ 3 9 1- Nguyễn Vàn Lý [40] ứng dụng hàm
hồi quy nhiều biến dự háo đinh lù các sông lưu vực Nam Trung Bộ. Nguyễn Thanh
Sơn tiên hành nghiên cứu đặc điểm lũ tiêu mãn sơng ngịi Bắc Trung Bộ [50] và mơ
hình hố lũ tiếu m ãn sơng ngịi Nam Trung Bộ [53]. Trấn Thục |69 . 73]. Phạm Việt
Tiến [7 6 1 tiến hành dự báo và tính tốn ngập lụt hệ thống sòng Thu Bổn - Vu G ia và
hạ du sịng Hương.
Một nhóm các lác giá tiên hành l ác nghiên cứu vé (lánh Ịịiá lùi nguyên nước
và (lất \'à cản hủni> Iiước lưu vực, từ đó đề xuất các giải pháp khai thác, sử dụng một
cách có hiệu quá nhất các nguồn tài nguyên này. Tiêu hiểu lũ các cơng trình của
Ngơ Đ ình Tn [83 - 85]. đã đánh giá tài nguyên nước, nhu cầu tưới và cân hằng
nước hệ thong các lưu vực ven biển Miền Trung. Trần Thanh X uân và cộng sự đã
liến hành tính tốn càn hằng nước cho tinh Q uáng Nam. Nguyen Thanh Sơn đã đề
xuáì các giái pháp định hướng sir dụng nước lưu vực đám Trà () (Bình Đ ịnh) [52] và
quy hoạch tổng thê tài nguvên nước tinh Q uáng Trị đèn năm 2010 [63 - 6 4 ị. Trần
Thục. H uỳnh Thị Lan Hương đã tiên hành các tính tốn đánh giá ánh hưởng của sự
thay đổi sứ dụng đất đến c h ế độ dòng cháy lưu vực Trà Khúc 17 1]. Đ ê bổ khuyết số
liệu cịn thiếu vã thưa trơn khu vực nghiên cứu đã sứ dụng m õ hình N L R R M đế kéo
dài chuỗi dòng cháy từ tài liệu mưa 112^1: Nguyền Thị Nga. Nguyền Thanh Sơn [41]
áp dụng đẽ hổ khuyết số liệu dòng cháy cho các lưu vực sông tinh Q uãng Trị, Lương

19


Tuan Anh. Evelina H arlsson, K arolina IVrsson 113 0 1 dù ng m ơ hình này đê phân tích
quan hệ m ưa - dòng ch ảy Irên liru vực sõng Túy Loan.
Tuy dã có khá nhicu c ị n g trình nghiên cứu trên địa bàn M ien T run g, nhưng
có thê nhộn thấy rãng phấn lớn các m õ hình d ự háo đang được sử liụniỉ là các m ơ
hình có (hơng số tập trung, thường chi diễn toán tốt từ trạm 1hương nguổn về hạ lưu.
không xét đến sự hiên đ ộn g th eo không gian ciia các yếu tỏ mặt đ ệm và phụ thuộc
vào diều kiện sơ liệu quan trắc khí tượng thuý vãn nên có thời gian dự kiến ngắn làm

hạn chẽ có n g tác phịng chống lũ. Mặt khác, các m ơ hình ngoại nhập thường là các
phần m ềm có mã nguồn đó ng theo m ục đích thương mại nõn rất khó c ậ p nhật các
điều kiện Việt N am khi quá trình khai thác mật đ ệm da n g diễn ra hết sức phức tạp
theo thời gian và khơng gian. Vì lẽ đó. tác giá luận án này m ạnh dạn xây dựng một
mô hình tốn thơng sổ dải, e ó p phẩn khắc phục những hạn c h ế nêu trên trong công
tác dự báo lũ cũ n g như trong việc khai thác sử d ụ n g nước và đất trẽn các lưu vực
sổng thượng nguồn ở M iền Trung.
1.2. C ơ SỚ LÝ T H U Y Ế T L Ớ P M Ơ HÌNH T O Á N M UA - D Ò N G C H Á Y
Việc ứng dụ ng các c ơ n g cụ tốn học và logic học đ ẽ xác định các mói liên hệ
định lượng giữa các đ ặ c trưng d ịn g chày và các yếu tó hình thành nó là q tà n h
mỏ hình hóa các hệ thịng thúy vãn. Các m ỏ hình tốn trong hệ thống thúy vãn, sử
dụng đầu vào là mưa. đầu ra là các đặc trưng của d ò n g chay d éu thuộc lứp mị hình
tốn mưa - dị ng cháy. Xét trịn quan điếm hộ thống, các m ị hình th vãn thường
có các thành phẩn chính theo s ơ đ ồ sau: (1) Đ ầu vào cùa hệ thống: (2) Hệ thống và
(3) Đáu ra c ù a hệ th ốn g [ 2 1 ,3 1 , 168].

Đ áu vào (ỉ)

—

Hệ thông (S)

—►

Đ ầu ra (O)

Như vậy. m ơ hình có the là ngẫu nhiên, dưới ilạns đơn gián có thể biêu diễn
bằng các quan hệ thực nghiệm , các kỹ thuật hộp đen, không chú trọng đ ến cấu trúc
bên trong mà chi liên kết đầu vào (mưa) và dâu ra (dòng ch áy ) c ủ a hệ thống. Mặt
khác m ơ hình có thè là tất định, m ơ tá các q trình thủy văn dựa trên các phương

trình vặt lý

tốn và các qu a n niệm logic vé sự hình thành d ịn g chây từ mưa.
20


Dựa trẽn càu trúc vật lý, các m ị hình tất định m ị phỏng q trình m ưa - dịng
ch;v dược phân loại thành các m õ hình th động lực học. m ơ hình nhận thức và mơ
hìrii h ộp đen (H ình 1.1). Phụ thuộc vào sự x ấp xi khơng gian, các m ơ hình ihuv vãn
tất định được chia thành các m ị hình th ó na sô phàn phoi dái và cúc m ỏ hình thơng
s ố ập trung. T h e o Lương T uấn A n h |2 j, khi kháo sát các m ơ hình thuỷ vãn tất định,
mc hình th độ ng lực học có c ơ sớ lý thuyết chặt chẽ nhất và có khá n ă n g đánh giá
tác động cùa lưu vực quy m ò n h ó đến dị n g chày. Tuy nhiên, việc chia lưu vực thành
các lưới n hỏ hơn hoặc hung 1 k n r đã tạo ra cho m ó hình rất nhiéu thơng số (Bảng
1.1) và số liệu đầu vào chi tiết, rất khó đ áp ứng kể cả với các lưu vực thực nghiệm.
B àng 1.1. Đặc diem cùa các thong số trong mị hình thuv vãn lát định
Loại mị hình

Số liệu, kết q linh và
các biến trung gian

Đặc diêm cùa các thịng
số của mơ hình

U(x, y. I, 0

K(x, y ,z )

Ư„(t)

K.I

Ư,(t)

K,

1 Mị hình phàn phối dải theo
C ÌC đ ơ n v ị d i ệ n t í c h n h ỏ

2 Mị hình phân phối dải theo
t iỉU v ù n g t h u ý v ă n

3 Mỏ hình thõng số lập trung
i:
j:

Ký hiệu tiểu vùng thúy văn
Ký hiệu các tầng (tang mặt. láng Iigẩm....)

N g u ồ n : Lương T u ấ n A n h / 2 /

H ình ỉ . ỉ . Phàn loại các mơ hình tliu.v vãn tát dinh

21


Việc ứng dụng các m õ hình nhận thức thõng sò dái theo lie’ll vùng thuý vãn
sẽ giám dược nhiéu thõng s ổ và có khá náng đánh giá được tác dộng của lưu vực quy
mó trung hình đen dõng cháy. Tuy nhiên, các m õ hình loại này cịn ít được phổ hiến
rộng rãi và việc ứng d ụ n g chúng địi hói sự kết hợp với các phương tiện kỹ thuật vù

cóng nghệ tiên liến có các chức nãng xử lý bàn đồ vù các thòng tin viễn thám [45.
108, 136. 151], như hệ thống thòng tin địa lý (G1S). T rong các m ỏ hình tất định, các
mó hình thơng sổ tập irung có ít thơng số. dề sứ dụng và được ứng dụng rộng rãi.
Các m ị hình đơn gián như các q u a n hệ thực nghiệm, m ơ hình đường đơn vị... đã và
sẽ cịn chứng tỏ được tính hiệu q trong tính tốn, dự báo dịng chảy và có khá
nhiều m ỏ hình thuý vãn để lựa chọn và áp dụng trong thực tế. Tuy nhiên, theo A.
Becker Ị 103], việc lựa chọn từng m ỏ hình phụ thuộc vào mục đích, đối tượng, tinh
hình sỏ liệu và các điều kiện lự nhiên cùa lãnh thổ nghiên cứu (Bảng 1.2)
Bàng 1.2. Mục đích và đui tưựng ứng dụng các mỏ hình Ihuv vãn tắt định
STT

Mục đích đối tượng ứng dụng mỏ
hình (các bài tốn thực tiến)

Bước
thời gian

Xấp xi khơng gian

I

Kẽ hoạch hoá vé sứ dụng và quán lý
nguồn nước, hao gồm việc lâp kẽ
hoạch, chiến lược phát triến

1 tháng,
1 mần

Mơ hình (hơng số tập trung
hoặc mồ hình phân phối Iheo

tie’ll vùng Ihuỷ vãn

1

Đánh giá tác dộng sự biên dổi sứ
dụng dát quy mỏ vừa đến dịng cháy,
tài ngun nước

! tháng,
1 tn

Mơ hình phân phối theo liều
vùng thuý văn

3

Đánh giá lác động của sự biến đổi
trong sử dụng đát quy mô nhỏ den
dịng chày, xói mịn lưu vực....

1 ngày.
1-6 giờ

Mơ hình phân phối dải theo lưới
tính (thuỷ động lực học)

4

Dự báo hạn vừa, nhất là thời kỳ hạn
hán

1 tháng,
1 tu ấ n

Mô hình Ihỏng số lập trung
hoặc thơng sị dái

5

Ngoại suy chuỗi dịng chảy

1 ngày
I luẩn

Mõ hình thơng sị tập trung
hoặc thịng sò dài

6

Xây dựng chiến lược phòng lũ. thiết
kế hổ chứa, hộ thống hổ chứíi

1 ngày,
1-6 giờ

Mơ hình thịng số dải theo tiểu
vùng th ván

7

Tinh tốn dịng cháy lũ thiết kế

1 ngày,

Mó hình thơng số tập irung
hoặc thịng số dài

1-6 giờ
8

ỉ -6 giờ.

Phân lích lác nghiệp, dự báo ngan
hạn

1 ngày

N g u ồ n (A. B e ck e r 1 103]

->2

Mỏ hình thơng số tập Irung
hoặc thơng sổ dái


v é câu trúc, các m ơ hình th vãn lất định đơn gián hay phức tạp g ổm các
bài tốn thành phán sau:
- D iên tốn (lịng chày thường dựa trẽn cơ sở hệ phương trình bảo tồn và
chun động cua chát lỏng [2. 31. 46. 111. 118. 164. 166 -169J.
- T ính lượng m ưa sinh dịng cluiy (hay còn ỊỊỌĨ là lưựHỊ’ m ưa hiệu q u á hoặc

ilịiiỊỊ cháy trùn) có thế được ước tính th ô n s qua phương trình khuyếch tán ẩm,
phưưng trình Boussinerq [10. 48. 167Ị. phương pháp lý luận - thực nghiệm của
A lechsseep [161], các phương trình thấm của G reen-A m pt. Horton. Phillip [1 I1 |.
phương pháp s c s [111. 107. 138. 141. 149]. phương trình cân hàng nước [81, 82]
hoặc phương pháp hộ sò dòng cháy [20. 58. 165 ị.
- C ấu trúc táiìỊi n ia m ị hìn h (hay là các bể tuyến tính - phản ánh c ơ c h ế hình
thành dịng ch ày trên lưu vực, dòng cháy mật, dòng c h ày ngầm....) đã được trình bày
khá đáy đú trong nhiều cơng trình trong [31] và ngồi nước. f i l l . 163, 169]
- Xúc (lịnh b ộ thông sơ ctia m ỏ liìnli được lựa chọn qua kinh nghiệm thực tiền
từ nguồn số liệu sẵn có hoặc dựa trên c ơ sở các phương pháp giải các hài tốn
ngược, thứ sai và tói tru hố [31,118, 152. 171].
T ừ nãm 1935. H orton [dẫn trong 111] đã chí ra rằng, trong c ơ ché hình thành
dịng chảy, cường độ m ưa vượt thấm là điểu kiện c ơ hán cùa sự hình thành dịng
chày mặt. H àm lượng nước trong tầng đất thống khí vượt lượng nước đổng ruộng là
điều kiện đế sinh dò ng chày ngầm. Lý luận vé sự hình ihành dịng chảy này đã nói
rõ điều kiện hình thành dịng chảy ờ táng đất thống khí có cấu tạo đổng nhất nhưng
khơng giải thích được c ơ chè hình thành dịng cháy ờ táng đất thống khí khỏng
đồng nhất và tiins mặt có cường độ thiím lớn.
Năm 1949. trong chuyên kháo " ( V s à /ý thuyết ilòng chciv m ưa rào" A. N.
Bephanhi Ị 163 ị đã đưa ra lý thuyết vé sự hình thành dịng cháy sườn dốc. Trong đó,
dịng cháy sườn dốc được chia ra 4 dạng: dòng vượt thấm, với cường độ mưa lớn hơn
cường độ thâm: dò n g cháy bão hoà khi lương mưa rơi vượt quá khá năng chứa thấm;
trong một sò đicu kiện thổ nhưỡng và cấu trúc đất đá nhất định cịn hình thành dịng

23


c h á y s á t m ạ t v à c h à y t r o n Sỉ l ã m : clãt chi. (lie n r a t h e o h a i c ơ c h ẽ là d ò n g c h à y b ã o h o à

và dòng chay khơng bão hoa. Dịng chày bão hó thường xáy ra ờ vùng đù ấm

(X >PET) xuấl hiện theo táng đát như sau:
- D òng c h ay mặt xuất hiện ớ láng mặt cua sườn dỏc.
- D òng cháy sát mật (xuất hiện sau d ò n a chày mật và trước dịng chày ngám)
hình thành trong tầng đất từ hề mạt lưu vực đến táng ít thấm tương đối (đất tầng này
chú yếu là đất m ùn. tơi xốp), táng đất này còn gọi là táng rẻ cày hoạt động.
- D ịng chày ngầm hình thành từ mặt ít thấm tương đối đèn tầng khơng thấm.
Dịng ch áy vượt thấm (dịng cháy khơng bão hồ) thường xuất hiện ờ vùng
thiếu ẩm hoặc hụt ấm từng thời kỳ (Xthấm kém dị ng cháy chí cịn hai ihành phần chính là dịng cháy mật và dò ng chảy
ngầm. D òng cháy vượt thấm cịn xuất hiện ờ các nơi đù ấm. nhưng có két cấu thố
nhưỡng tầng mật là tầng ít thấm tương đối. N hư vậy. theo A. N. Bephanhi, dòng
cháy sườn d ó c có câ n trúc ba hìII ạ (lịi với cơ c h ế hão h ồ và h a i tầng (lõi với c ơ c h ế
vượt thấm . Lý thuyết Bephanhi khá hoàn chinh về phương diện lý luận. Các nghiên
cứu và thực nghiệm của ông và cộng sự [163] trên các hãi thực nghiệm chuẩn đã
chứng tị điều đó. tuV nhiên vào thời diêm còng hố. việc thu thập các dừ liệu quan
trắc trên các m ạng lưới khí tượng thủy vãn chưa thơ đ áp ứng de triển khai ứng dụng.
Các lý luận hiện nay vé c ơ c h ế hình thành dòng chảy thường bỏ q u a ảnh
hướng cùa địa hình và kết cấu đất [2|. và đó chính là nhược điếm của chúng.
V iệc ứng dụ ng các lý (huyết về cơ c h ế hình thành dịng cháy dê m ơ hình hố
các q trình th u V vãn cũng rất da dạng. Nhiều tác giá chi m ỏ phỏng dòng cháy mặt
và dòng ch áy ngấm. Một sơ khác lại m ơ phỏng đú cá dị n g chày mặt. sát mật, dòng
cháy ngầm , d ò n g cháy táng sâu,... Tuy nhiên, dù xuất phát từ nhiều mục đích và lập
luận khác nhau dơ xây dựng các m ơ hình tốn mó phóng q trình mưa - dòng cháy,
nhưng tất cá đéu thống nhát à chỏ là cần tập trung mõ tá hai quá trình chính: q
n in h thấm vù Í/mí trình vận clm yếii Iiưỡc Irèti Ill'll vực. Tùy vào m ục đích khai thác,
sir dụ nil mà mó hình có thê phái tria l hoặc theo hướng (1) nnhiên cứu chi tiết hóa

24

Ihịm các q trình thánh phẩn (làm phức tạp mó hình) hoặc (2) khái qt hóa theo
khơng gian và nhóm tổ hợp các q trình (đơn gián hóa m ị hình).
Các I11Õ hình có tính khái qt hóa cao là các m ơ hình thõng số tập trung, mà
hộ thơng sị được nhặn cho tồn hộ lưu vực hay một vùng lãnh thổ lớn. khi đ ó mặc
nhiên thừa nhận lính đổng nhát khõnii gian cua các điểu kiện mat đệm . Các m ỏ hình
này thường được sử dụng đế vạch các kẽ hoạch chiến lược khai thác tối ưu tài
nguyên nước, d ự báo hạn dùi hay khai thúc lãnh thổ.
Với sự phát trién mạnh mẽ cua công nghệ thông tin. việc thu thập x ử lv số
liệu ngày càn g trở nón da dạng và chi tiết. Ngồi nguổn sơ liệu ihu thập trên mạng
lưới quan trác khí tượng thúy vàn. các số liệu nhận được từ ánh viễn thám, hàng
không, các hán đ ổ sổ với các phan mém xứ lý tiên tiên cho phép cập nhật thòng tin
chi tiết hơn về các điều kiện mặt đệm, thuận lợi cho việc triển khai xây dựng và khai
thác các m ơ hình thơng số phân bố. Các mỏ hình thơng sỏ phân bố theo dải hoặc
theo lưới tính được phát triến trên cư sứ các phương trình đ ạo hàm riêng có khá năng
mỏ lả các quá trinh vật lý tliẽn ra trẽn lưu vực: lích nước, bốc thốt hơi nước, dịng
chây tràn trẽn bé mặt lưu vực và trong lòng dần, chuyên động của nước trong các
tầng đất bão hịa hoặc khơng bão hị a... Á nh hướng của các lớp phù thổ nhưỡng,
thực vật vù các hoạt động nhân sinh đến quá trình hình thành d ịn g chảy cũng được
xót đến dề dàng. Sự tích lũy kiến thức khá phong phú về các quá trình vật lý trong
chu trình thúy vãn. sự phát triển cao về công nghệ trong việc thu thập thông tin liên
tục theo không gian và thời gian kết hợp với máy tính hiện đại cho khá năng xử lý
các nguồn sị liệu đa dạng một cách nhanh chóng đã m ờ ra một giai đoạn mới trong
việc ứng d ụn g các m õ hình thúy động lực học.
Đối với các sóng suối vừa và nhỏ ở Miền Trung, nằm ớ vùng đủ ẩm. d o địa
hình dốc, táng đất xốp. mùn m ỏng, rừng bị suy giám, khi có mưa với cường đ ộ lớn.
đất bị xói mịn nen dòng cháy tập trung nhanh chú yếu do tác dụng của trọng lực (độ
dốc) nên việc m ỏ phúng dòng cháy mật hãng cách ghép dòng cháy mặt và dòng
chày sát mặt trong nhicu trường hợp là có thế ch ấp nhận.
Sir d ụ n g cách tiếp cận m ỏ hình hố để diễn tốn dịng cháy tại mặt cát cửa ra

25