Xây dựng công cụ tính toán dòng chảy lũ phục vụ công tác dự báo, cảnh báo (tt)

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA


PHẠM LÝ TRIỀU

XÂY DỰNG CƠNG CỤ TÍNH TỐN DỊNG CHẢY LŨ
PHỤC VỤ CƠNG TÁC DỰ BÁO, CẢNH BÁO

C
C
R
UT.L

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình thủy

D

Mã số: 8580202

TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH THỦY

Đà Nẵng – Năm 2020


Cơng trình được hồn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Võ Ngọc Dương

Phản biện 1: ............................................................
Phản biện 2: ............................................................

C
C
R
UT.L

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt

D

nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình thủy họp tại Trường
Đại học Bách khoa vào ngày 20 tháng 12 năm 2020

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm Học liệu và Truyền thông, Trường ĐHBK - Đại học
Đà Nẵng
- Thư viện Khoa Xây dựng Cơng trình thủy, Trường Đại học
Bách khoa – Đại học Đà Nẵng


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Việt Nam nằm ở khu vực nhiệt đới gió mùa Đơng Nam châu
Á, hàng năm gánh chịu rất nhiều thiên tai tự nhiên, trong đó lũ lụt
được đánh giá là loại hình thiên tai nguy hiểm nhất và tác động sâu
rộng nhất đối với xã hội Việt Nam. Trong lịch sử, loại hình thiên tai
này đã có những ảnh hưởng lớn đến sự phát triển kinh tế xã hội của

quốc gia, như trận lụt lớn năm 1945 đã dẫn tới nạn đói trong một thời
gian dài và gây ra cái chết cho hơn hai triệu người. Trận lũ năm 1964
gây ngập lụt khu vực rộng lớn ở miền Trung Việt Nam từ Quảng
Bình đến Phú Yên. Trận lụt 1999 năm đã gây thiệt hại đáng kể về
người và tài sản cho nhiều tỉnh khu vực duyên hải miền Trung.
Ngoài ra, Việt Nam vẫn là một nước đang phát triển, cơ sở hạ tầng
còn yếu kém, nhận thức của người dân với thảm họa tự nhiên chưa
cao. Do đó, Việt Nam được đánh giá là một trong những nước dễ bị
tổn thương đối với thảm họa thiên nhiên.
Vấn đề nghiêm trọng hơn, khi mà dưới tác động của biến đổi
khí hậu, thiệt hại do thiên tai tự nhiên ở Việt Nam được dự báo sẽ
tăng nhanh trong các năm sắp tới. Bên cạnh đó, với đường bờ biển
dài khoảng 3440 km, dân số phần lớn tập trung tại các khu vực ven
biển và sống chủ yếu dựa vào nông nghiệp, Việt Nam là một trong
những nước sẽ bị ảnh hưởng nặng nề nhất bởi những hậu quả của
biến đổi khí hậu. Báo cáo mới nhất của ngân hàng phát triển châu Á
về kinh tế biến đổi khí hậu ở các nước Đơng Nam Á dự báo rằng
Việt Nam có khả năng sẽ chịu tác động nhiều hơn từ biến đổi khí hậu
so với mức trung bình chung tồn cầu. Dự báo cho rằng vào cuối thế
kỷ này, dưới tác động của hiện tượng ấm lên tồn cầu, nền kinh tế
Việt Nam có thể chịu một tổn thất tương đương với hơn 6% GDP
hàng năm (ADB, 2019). Và theo đánh giá mới nhất của chính phủ
Việt Nam, vào cuối thế kỷ 21, nhiệt độ trung bình hàng năm của Việt
Nam sẽ tăng từ 2°C đến 3°C so với hiện nay, tổng lượng mưa hàng

D

C
C
R

UT.L


2
năm và theo mùa sẽ tăng trong khi lượng mưa trong mùa khơ sẽ
giảm, mực nước biển có thể tăng 0.75m đến 1m so với giai đoạn
1980-1999. Khoảng 10% đến 12% dân số Việt Nam sẽ bị ảnh hưởng
trực tiếp và kinh tế Việt Nam có thể mất khoảng 10% GDP (chính
phủ Việt Nam, 2011). Những thách thức này thúc giục Việt Nam cần
phải có chính sách phù hợp và các biện pháp cụ thể để nâng cao nhận
thức cộng đồng, cũng như tăng cường năng lực ứng phó với biến đổi
khí hậu.
Hiện nay, quy trình dự báo dịng chảy đến hầu hết là công việc
thủ công. Từ giai đoạn thu thập số liệu, nhập dữ liệu vào mơ hình,
chạy mơ hình và xuất ra kết quả. Quy trình này tiêu tốn nhiều thời
gian và nguồn lực con người, bên cạnh đó cịn tiềm ẩn nhiều nguy cơ
về sai sót chủ quan.
Nằm ở duyên hải Miền Trung của Việt Nam, Thành phố Tam
Kỳ là trung tâm hành chính và kinh tế của tỉnh Quảng Nam với 13
đơn vị hành chính (Hình 0-1). Tổng diện tích tự nhiên khoảng 9.280
ha và tổng dân số vào khoảng 111.807 người (2013). Địa hình của
thành phố Tam Kỳ khá bằng phẳng, có xu hướng thấp dần từ Tây
sang Đông. Hệ thống sông chảy qua địa phận thành phố gồm: sông
Bàn Thạch; sông Tam Kỳ và sông Trường Giang. Sông Bàn Thạch
chảy qua trung tâm thành phố và chia thành phố thành 2 phần, phía
bờ Tây của sông Bàn Thạch giáp với khu trung tâm thành phố và
phía bờ Đơng sơng Bàn Thạch giáp với các xã Tam Thắng, Tam Phú
và phường An Phú. Phía Đơng thành phố có sơng Trường Giang
chảy qua xã Tam Thanh. Phía Tây Nam có sơng Tam Kỳ bắt nguồn
từ hạ lưu của hồ Phú Ninh đổ về và hợp lưu với sông Bàn Thạch tại

thôn Phú Tân tỉnh Quảng Nam.
Theo báo cáo của UBND thành phố Tam Kỳ ngày 21 tháng 12
năm 2018, trận mưa kéo dài từ ngày 9 đến ngày 13 tháng 12 năm
2018 kết hợp với mực nước sông Tam Kỳ trên mức báo động III đã
gây ra ngập lụt trên diện rộng cho thành phố Tam Kỳ. Với tổng thiệt

D

C
C
R
UT.L


3
hại ước tính khoảng 150 tỷ đồng, làm bị thương 6 người và chết 1
người. Trong đó, các tuyến đường huyết mạch trong nội thành như
Nguyễn Văn Trỗi; Phan Bội Châu; Phan Châu Trinh; Tôn Đức
Thắng; Duy Tân; Bạch Đằng và Nguyễn Thái Học hoàn toàn bị tê
liệt do nước ngập sâu từ 0,5 m đến 1,5 m. Vùng ngoại ô, Tuyến
đường DT615 từ thôn Vĩnh Bình đến thôn Thăng Tân có nơi ngập
sâu đến 2 m. Các khu dân cư trong nội thành cũng bị ngập nặng như:
khu dân cư số 6, 7 và 10; khối phố 6 phường Phước Hòa; khối phố
11 phường Hòa thuận. Khu vực ven đô như xã Tam Thăng, xã Tam
Phú, phường An Phú diện ngập trên 60%.
Từ những phân tích ở trên, có thể thấy rằng việc dự báo dòng
chảy được xem là một trong những chìa khóa góp phần giảm thiểu
tác động của thảm họa thiên nhiên đối với Việt Nam nói chung và
thành phố Tam Kỳ nói riêng. Do đó, để có thể chủ động trong cơng
tác phịng chống thiên tai, vận hành hồ chứa, một cơng cụ có thể tự

động hóa việc tính tốn, dự báo dịng chảy về hồ là hết sức cần thiết.
Ở đây, lưu vực Tam Kỳ được sử dụng để kiểm chứng tính chính xác
và ổn định của chương trình (Hình 0-2). Kịp thời cung cấp thông tin
cho chủ hồ, cũng như là cơ quan quản lý thiên tai để đưa ra quyết
định một cách nhanh chóng, góp phần giảm nhẹ thiên tai cũng như
chủ động thích ứng với biến đổi khí hậu. Từ những cơ sở trên, học
viên đề xuất đề tài “Xây dựng công cụ tính tốn dịng chảy lũ
phục vụ cơng tác dự báo, cảnh báo”.

D

C
C
R
UT.L


4

Hình 0-1. Bản đồ Hành chính thành phố Tam Kỳ.

C
C
R
UT.L

D

Hình 0-2. Lưu vực tính tốn.
2. Phương pháp tiếp cận

Việc mơ phỏng chế độ thủy văn của lưu vực có thể thực hiện
bằng nhiều cách khác nhau, tuy nhiên với các cách tiếp cận truyền
thống chưa thể miêu tả hết được các đặt tính của chế độ thủy văn của
lưu vực. Do đó sẽ dẫn đến một sự khơng chắc chắn lớn trong miêu tả


5
tính chất dịng chảy của lưu vực và đưa ra những dự đốn khơng
chính xác về dịng chảy. Bằng việc ứng dụng cơng nghệ thơng tin và
mơ hình tốn học, nghiên cứu này xây dựng một cơng cụ tính dựa
trên phần mềm HEC-HMS, theo đó tự động hóa q trình mơ phỏng
và cập nhật dữ liệu dịng chảy dựa trên các số liệu được thu thập theo
thời gian thực (real-time) hoặc gần với thời gian thực (near realtime).
3. Mục tiêu nghiên cứu
- Xây dựng một bộ công cụ tự động hóa việc mơ phỏng dịng
chảy lũ.
- Sử dụng các nguồn dữ liệu mưa dự báo, tính tốn, dự báo
dịng chảy về hồ trong 24h - 48h.

C
C
R
UT.L

4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

D

- Đối tượng nghiên cứu: Dòng chảy và các đặc trưng thủy văn
ở lưu vực sông Tam Kỳ.

- Phạm vi nghiên cứu: Lưu vực sông Tam Kỳ.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Mô phỏng chế độ thủy văn lưu vực sông Tam Kỳ bằng phần
mềm HEC-HMS;
- Xây dựng công cụ tự động hóa q trình mơ phỏng dịng
chảy trên phần mềm HEC-HMS.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Cung cấp thông tin, đưa ra các khuyến nghị cần thiết cho các
cơ quan quản lý nhà nước và phịng chống thiên tai giúp ứng phó kịp
thời và giảm nhẹ thiệt hại trong các tình huống nêu trên. Giảm thiểu
nhân lực, tăng hiệu quả công việc.


6
7. Cấu trúc luận văn
Phần Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu
1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
1.3. Tình hình nghiên cứu lưu vực Tam Kỳ
Chương 2: Xây dựng mô hình thủy văn.
2.1. Phân tích lựa chọn mơ hình thủy văn
2.2. Xây dựng mơ hình cho lưu vực nghiên cứu
Chương 3: Phát triển công cụ hỗ trợ tự động mô phỏng
dịng chảy lũ
3.1. Sơ lược các ngơn ngữ lập trình thơng dụng
3.2. Giới thiệu ngơn ngữ lập trình Visual Basic
3.3. Cơ sở dữ liệu và thuật toán
3.4. Xây dựng các mô đun của công cụ

3.5. Phát triển giao diện của công cụ
3.6. Kiểm thử công cụ
Kết luận và kiến nghị.
Phụ lục
Tài liệu tham khảo

D

C
C
R
UT.L


7
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Ngập lụt là hiện tượng nước trong sông, hồ tràn ngập một
vùng đất hoặc do thủy triều, nước biển dâng do bão, mưa lớn làm
mực nước dâng cao trong một thời gian nhất định. Khi ngập lụt xảy
ra, nước tràn qua cơng trình bảo vệ như đê, kè gây vỡ, tràn vào các
vùng đất được bảo vệ phá hủy cơng trình, nhà cửa và nguy hại đến
con người, mùa màng,… Nhiều nước trên thế giới cũng đang đau đầu
khi phải đối mặt với tình trạng lũ lụt. Theo IPCC (2019), dự báo rằng
nhiệt độ trung bình toàn cầu sẽ tăng khoảng 1,1 đến 2,6°C vào cuối
thế kỷ 21 so với giai đoạn cơ sở 1986-2005. lượng mưa cực lớn được
dự đoán sẽ tăng khoảng 5,3% lượng mưa một ngày max vào năm

C
C

R
UT.L

2100, tần suất xuất hiện của các trận mưa đặc biệc lớn cũng được dữ

D

báo gia tăng trong những thập kỷ tới. Điều này đặt ra thách thức cho
tất cả các quốc gia đặc biệt là các quốc gia ở khu vực nhiệt đới gió
mùa. Các quốc gia cũng triển khai nhiều biện pháp ứng phó với lũ
lụt.
Với những biện pháp cơng trình và phi cơng trình để giải
quyết vấn đề ngập lụt, các quốc gia đã đầu tư rất nhiều tiền cho vấn
đề này. Tuy nhiên như đã nói ở trên, việc dự báo sẽ nâng thêm mức
độ chủ động khi có ngập lụt xảy ra, tránh tình trạng bị động trong
cơng tác ứng phó và phải xử lý những hậu quả để lại của lũ lụt.


8
1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Ngập lụt là vấn đề đang có sự quan tâm rất lớn bởi các cơ
quan chức năng. Bởi nó gây ra nhiều vấn đề như vấn đề môi trường,
thiệt hại về người và của, ảnh hưởng đến an sinh xã hội của một
vùng hay thậm chí của cả đất nước. Các tỉnh thành ở Việt Nam đã
đầu tư rất nhiều về tiền bạc cho các giải pháp cơng trình và phi cơng
trình để giảm thiểu những ảnh hưởng như: Xây dựng thêm các đập,
hồ chứa, cơng trình chống ngập, xây dựng đê, kè, xây dựng các kịch
bản,… Tuy nhiên trước diễn biến ngày càng phức tạp của sự biến đổi
khí hậu, ngập lụt vẫn xảy ra thường xuyên và gây thiệt hại lớn cho
nền kinh tế (Hình 1-1). Vấn đề đặt ra là khi ngập lụt đã xảy ra rồi thì

các phương án đối phó chỉ là mang tính giải quyết tình thế. Chính vì

C
C
R
UT.L

vậy, việc dự báo, cảnh báo sớm sẽ giúp các cơ quan chức năng chủ
động hơn trong các công tác ứng phó như chủ động di dời dân cư, tài

D

sản đến nơi an tồn.

Việt Nam có địa hình dốc dần từ Đơng sang Tây, độ chênh cao
lớn. Các sơng ngịi thường ngắn và dốc. Bên cạnh đó các khu đơng
dân cư, đô thị hầu hết tập trung ở hạ lưu các lưu vực sông, gần sông
hoặc sát biển. Điều này tiềm ẩn nhiều nguy cơ ảnh hưởng nặng nề
của lũ lụt từ các con sông, suối. Do vậy, cảnh báo sớm ngập lụt là
một trong những mối quan tâm của rất nhiều chính quyền tại các
thành phố và ngày càng trở nên cấp bách trong bối cảnh biến đổi khí
hậu như hiện nay.


9

a) Ngập lụt ở Quảng Ngãi năm 2008

c) Ngập lụt ở Quảng Trị năm 2019

b) Ngập lụt ở Huế năm 2016

d) Ngập lụt ở Đà Nẵng năm 2018

C
C
R
UT.L

Hình 1-1. Hình ảnh ngập lụt tại Việt Nam

D

Có rất nhiều cơng trình, bài báo khoa học nghiên cứu trong
nước đã ứng dụng các mơ hình thủy văn thủy lực để mơ phỏng dòng
chảy và đem lại kết quả cao. Tuy nhiên hầu hết các đề tài chỉ dừng
lại ở việc đưa ra bộ tham số tối ưu cho mơ hình của lưu vực đó hoặc
đưa ra các kịch bản có sẵn dựa trên các tần số lũ thiết kế. Điều này
có thể mang lại sự chủ động trong cơng tác ứng phó tuy nhiên nó có
thể khơng thật sự sát với thực tế tình hình đang diễn ra. Với xu thế
ứng dụng công nghệ thông tin đang diễn ra mạnh mẽ, việc có thể đưa
ra các kịch bản tương ứng theo thời gian thực hồn tồn có thể thực
hiện được nếu chủ động được nguồn dữ liệu đầu vào trong công tác
dự báo.
1.3. Tình hình nghiên cứu lưu vực Tam Kỳ
Thành phố Tam Kỳ là trung tâm hành chính và kinh tế của tỉnh
Quảng Nam với 13 đơn vị hành chính, 09 phường và 04 xã. Với


10

những điều kiện địa lý bất lợi, thành phố Tam Kỳ đã phải hứng chịu
nhiều trận lũ trong lịch sử. Gần đây nhất, một trận mưa lớn kéo dài
từ đêm ngày 8 tháng 12 năm 2018 đã khiến cho nước dâng cao nhấn
chìm nhiều khu vực cùng hàng ngàn nhà cửa của người dân trong
thành phố (Error! Reference source not found.). Những tuyến
đường nước ngập sâu ở Tam kỳ như Trần Cao Vân, Phan Bộ Châu,
Nguyễn Hoàng, Nguyễn Văn Trỗi, Huỳnh Thúc Kháng, Phan Châu
Trinh (Error! Reference source not found.). Trong đó, tại đường
Trần Cao Vân và Nguyễn Văn Trỗi, nhiều chỗ nước ngập đến cổ
người lớn, giao thơng hồn toàn tê liệt. Người dân sống dọc những
tuyến đường này phải sử dụng thuyền để đi lại và chuyển đồ đạc.
Chính vì vậy, việc xây dựng một bộ cơng cụ có thể dự báo

C
C
R
UT.L

sớm về dịng chảy, phục vụ cơng tác cảnh báo lũ lụt là hết sức cần
thiết và cấp bách, nhất là cho khu vực thành phố Tam Kỳ, đáp ứng

D

được định hướng phát triển bền vững của thành phố trong thời gian
tới.


11
CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỦY VĂN.
2.1. Phân tích lựa chọn mơ hình thủy văn

2.2. Xây dựng mơ hình cho lưu vực nghiên cứu
Mơ hình HEC-HMS u cầu một số dữ liệu sau:
- Lượng mưa thiết kế (lượng mưa 1 ngày max, mưa giờ, thu
phóng mơ hình mưa ngày thành mưa giờ thiết kế). Trong luận văn
này, tác giả sử dụng lượng mưa giờ của hai trạm Tam Kỳ và Trà My.
Các trạm đo mưa này có số liệu tương đối đủ dài, sử dụng số liệu đo
mưa tại các trạm này từ năm 2002 đến năm 2012 đưa vào mơ hình
HEC-HMS để tính tốn dịng chảy đến. Tọa độ của các trạm thủy
văn tương ứng như ở Bảng 2-1.

C
C
R
UT.L

Bảng 2-1. Tọa độ các trạm thủy văn được sử dụng

D

STT

Tên trạm

1

Tam Kỳ

2

Trà My

Tọa độ X

Tọa độ Y

108.466667

15.566667

108.250000

15.333333

- Tài liệu thơng tin về lưu vực: Diện tích lưu vực, phân chia
diện tích lưu vực theo các lưu vực con, thảm phủ, sử dụng đất, bản
đồ lưu vực,…
- Tài liệu liên quan về lưu vực sơng: Các sơng nhánh, sơng
chính, chiều dài đoạn sơng, thơng tin về các cơng trình trên lưu vực,
thơng tin về kết quả tính tốn tương tự.
- Tài liệu thực đo lưu lượng lũ trên lưu vực, tài liệu dịng chảy,
mực nước, khí tượng thủy văn trong khu vực,…
Trong HEC-HMS, mơ hình mạng được định nghĩa bởi các
điểm nguồn (Source), các nút hợp lưu (Junction), các hồ chứa


12
(Reservoir), các điểm phân lưu (Diversion) và được liên kết với nhau
bởi các đoạn sơng (Reach). Hình 2-1 là ví dụ về mơ hình hóa của
một lưu vực trong HEC-HMS. Trong luận văn này, tác giả tập trung
xây dựng một chương trình nền thực hiện tự động hóa việc mơ phỏng

dòng chảy cho một lưu vực bất kỳ. Do vậy, luận văn sử dụng và kế
thừa mơ hình HEC-HMS đã được xây dựng sẵn cho lưu vực Tam Kỳ
chứ không tập trung vào việc xây dựng mơ hình thủy văn.

C
C
R
UT.L

D

Hình 2-1. Mơ hình hóa lưu vực trong HEC-HMS


13
CHƯƠNG 3. PHÁT TRIỂN CÔNG CỤ HỖ TRỢ TỰ ĐỘNG
MÔ PHỎNG DỊNG CHẢY LŨ
3.1. Sơ lược các ngơn ngữ lập trình thơng dụng
3.2. Giới thiệu ngơn ngữ lập trình Visual Basic
3.3. Cơ sở dữ liệu và thuật tốn
3.3.1. Phân tích dữ liệu đầu vào
Đối với mơ hình HEC-HMS, dữ liệu đầu vào là dữ liệu mưa từ
các trạm quan trắc thủy văn. Người dùng (kỹ thuật viên, người quản
lý,...) sau khi nhận được các dữ liệu này (từ việc ghi số liệu thủ công,
nhận dữ liệu thông qua website, tập tin chứa dữ liệu,...) thì tiến hành
hiệu chỉnh dữ liệu và nhập dữ liệu vào file DSS nguồn của mô hình.

C
C
R

UT.L

Kế tiếp, người dùng phải mở file HMS lên để cập nhật lại khung thời
gian mô phỏng và tiến hành chạy lại các simulation đã thiết lập từ

D

trước. Quá trình này tuy đơn giản nhưng lại tiềm ẩn rất nhiều rủi ro
như: Việc đọc giá trị lượng mưa khơng chính xác; việc nhập dữ liệu
mưa vào các trạm không đầy đủ và chính xác; hiệu chỉnh khung thời
gian mơ phỏng khơng chính xác hay trích xuất số liệu để vẽ biểu đồ
tốn nhiều thời gian. Những cơng việc này địi hỏi các thao tác đơn
giản lặp đi lặp lại, gây tâm lý chủ quan trong các bước thiết lập và
chạy mơ hình.
Trong đề tài này, tác giả sử dụng mơ hình HEC-HMS để mơ
phỏng dịng chảy với lượng mưa dự báo được lấy từ website
windy.com. Đây là một trang web cung cấp rất nhiều dữ liệu khí
tượng miễn phí như mưa, tuyết, độ ẩm, nhiệt độ, gió,... Tuy nhiên,
người dùng chỉ có thể lấy dữ liệu một cách rất thủ cơng đó là đọc và
ghi chép lại chứ khơng thể nào sao chép dữ liệu trực tiếp từ website.


14
Đây cũng là một hạn chế lớn khi lấy dữ liệu nguồn cho mơ hình. Do
vậy cần phải có một module có chức năng lấy dữ liệu từ các điểm tọa
độ trạm mưa một cách tự động để khắc phục hạn chế trên.
3.3.2. Phân tích lựa chọn các mơ-đun
Thơng thường, đối với một mơ hình thủy văn đã được hiệu
chỉnh, kiểm định để có được một bộ thơng số tối ưu, việc mơ phỏng
dịng chảy để dự báo thơng qua 4 bước như ở Hình 3-1.

Lấy dữ liệu

- Mưa

- Gió
- Nhiệt độ
-…

Thêm dữ liệu

Mô phỏng

Kết quả

- Định dạng

- Lựa chọn

- Lượng mưa

- Cập nhật

simulation

- Lưu lượng

vào DSS, cập

- Thực hiện

- Biểu đồ

nhật file

chạy mơ

control

phỏng

D

C
C
R
UT.L

-…

Hình 3-1. Các bước trong mơ phỏng dòng chảy với HEC-HMS
Từ sơ đồ trên, tác giả phát triển 4 module chính để thực hiện
các chức năng tương ứng ở mỗi bước và một module tổng để liên kết
các module lại với nhau để tự động hóa việc thực thi các module này:
- Module 1: Thực hiện việc truy cập vào internet (website
thông qua tọa độ (X,Y) của một điểm hoặc truy
cập tập tin chứa dữ liệu đã được quy ước. Tự động trích xuất dữ liệu
mưa tại điểm đó và lưu vào bảng dữ liệu.
- Module 2: Định dạng các dữ liệu vừa nhận được cho đúng
với định dạng yêu cầu của HEC-HMS. Sau đó thêm dữ liệu này vào
DSS File.

15
- Module 3: Khởi động HEC-HMS và chạy Simulation tương
ứng đã thiết lập từ trước.
- Module 4: Xuất các kết quả nhận được ra các bảng dữ liệu,
biểu đồ, biểu đồ quan hệ nếu có.
- Module 5: Liên kết các module lại với nhau và thực hiện tự
động theo bước thời gian định trước.
Tác giả cũng đề xuất đặt tên cho cơng cụ này là HEC-WREF.
Trong đó HEC để biểu thị cho việc công cụ này làm việc với bộ phần
mềm của HEC, WREF là tên tiếng Anh viết tắt của Khoa Xây dựng
Cơng trình thủy, nơi bộ cơng cụ được nghiên cứu và phát triển.
3.4. Xây dựng các mô đun của công cụ

C
C
R
UT.L

3.4.1. Xây dựng module 1 – Thu thập dữ liệu mưa tự động
3.4.1.1. Thu thập dữ liệu từ website Windy

D

Bằng kỹ thuật phân tích mã nguồn website thơng qua các thẻ
element, module này có thể trích xuất dữ liệu mưa của một điểm bất
kỳ đã biết trước tọa độ. Cụ thể dữ liệu mưa được truy xuất từ website
Windy như ở Hình 3-2.

Hình 3-2. Giao diện website Windy khi tra cứu dữ liệu mưa


16
Website Windy cung cấp số liệu dự báo lên tới 05 ngày, do đó
về lý thuyết có thể dùng dữ liệu này để mơ phỏng dịng chảy đến
trong 120h. Tuy nhiên để đáp ứng về độ chính xác của dữ liệu cũng
như mục tiêu của đề tài này, chương trình chỉ lấy dữ liệu trong phạm
vi 24h (1 ngày) hoặc 48h (2 ngày) để đưa vào mơ hình tính tốn.
3.4.1.2. Thu thập dữ liệu từ tập tin
Chương trình có khả năng đọc dữ liệu từ các tập tin truyền về
từ các cảm biến đo lưu lượng, mực nước. Hình 3-3 mô tả nội dung
của một tập tin truyền về từ một trạm đo mưa tự động. Dữ liệu được
quy ước ở 4 cột tương ứng là: Tên trạm đo | Lượng mưa | Đơn vị |
Ngày tháng năm giờ phút giây truyền dữ liệu về.

C
C
R
UT.L

D

Hình 3-3. Nội dung truyền về từ trạm đo mưa tự động
3.4.2. Xây dựng module 2 – Đưa dữ liệu vào DSS file
Dữ liệu nhận được ở module 1 cần phải được định dạng trước
khi nhập vào DSS file. Trong đó, quan trọng nhất là kiểu phân cách
phần thập phân (dấu “.”, “,”) và định dạng kiểu thời gian. Ở đây ta sử
dụng dấu “.” cho việc ngăn cách phần thập phân và thời gian được
định dạng kiểu Short Datetime.

Bằng việc sử dụng một tập lệnh python có chức năng thêm dữ
liệu để từ đó gọi HEC-DSSVue thực thi tập lệnh này, ta có thể sử
dụng các hàm bắt lỗi để kiểm soát việc nhập dữ liệu, do đó việc đưa
dữ liệu vào DSS File là hồn tồn chính xác. Nhược điểm của
phương pháp này là sử dụng một ngơn ngữ lập trình để tạo ra đoạn
code của một ngơn ngữ lập trình khác, chương trình sẽ rất phức tạp


17
nếu phải thực thi các đoạn code dài. Tuy nhiên các đoạn code Jython
thực thi yêu cầu đặt ra khá ngắn nên cách này hồn tồn có thể áp
dụng. Error! Reference source not found. mô tả một đoạn code
Jython được tự động sinh ra trong quá trình nhập dữ liệu.
Các dữ liệu của các trạm mưa sẽ được tham chiếu thơng qua
các PATH tương ứng của nó. Do vậy cần cung cấp các PATH này
một cách chính xác. Để làm việc này, tác giả cũng phát triển một
module nhỏ để tự động đọc và gán tất cả các PATH có trong file
DSS nên người dùng không cần phải nhập thủ cơng.
3.4.3. Xây dựng module 3 – Chạy mơ phỏng dịng chảy
Đối với một project trong HEC-HMS, có thể có nhiều
simulation được xây dựng tương ứng với các kịch bản khác nhau. Do

C
C
R
UT.L

đó cần phải xác định simulation nào sẽ được chạy. Các simulation
được xác định thơng qua tên của nó. Ở đây tác giả sử dụng tên mặc

D

định của simulation là “simulation” như ở Hình 3-4. Tên này có thể
được thay đổi tuy nhiên cần khai báo trong thiết lập để chương trình
có thể chạy đúng.

Hình 3-4. Cửa sổ xác định các simulation trong HEC-HMS


18
Sau khi đã xác định simulation tương ứng, chương trình lại
tiếp tục tạo một script nhỏ để để gọi HEC-HMS lên và thực hiện
simulation đó. Với một project có tên là Hechms, đường dẫn đến
project đó là “D:\HEC\TamKy\Ho_Phu_Ninh\”, simulation có tên là
“Simulation”, nội dung của script được mô tả ở Hình 3-5.
from hms.model.JythonHms import *
OpenProject("Ho_Phu_Ninh","D:\\HEC\\TamKy\\Ho_Phu_Ninh\\
")
Compute("Simulation")
Exit(1)

Hình 3-5. Nội dung tập tin script để thực hiện mô phỏng
Tiếp theo, để gọi HEC-HMS thực thi script trên, ta dùng lệnh
sau trong cmd: <Đường dẫn Hec-HMS.exe> -s <đường dẫn đến file

C
C
R
UT.L

script>.

Nếu kết quả mô phỏng thành cơng sẽ hiển thị như ở Hình 3-6.

D

Hình 3-6. Màn hình thơng báo chạy mơ phỏng thành cơng
3.4.4. Xây dựng module 4 – Xuất kết quả mô phỏng
Kết quả của module 3 là một file DSS có chứa tồn bộ các kết
quả tính tốn. Việc truy cập đến dữ liệu của từng kết quả tính tốn
thơng qua các PATH trong DSS. Bằng việc truyền các PATH này


19
vào bảng kết quả đầu ra, chương trình sẽ tự động lấy dữ liệu của các
PATH này và gán vào bảng đầu ra tương ứng. Chương trình cũng vẽ
nên một đồ thị Lượng mưa – Dòng chảy (X – Q) để người dùng trực
quan hơn trong việc kiểm soát dữ liệu.
3.4.5. Xây dựng module 5 – Liên kết và tự động hóa
Các tác vụ ở các module 1, 2, 3, 4 là độc lập. Do vậy để đảm
bảo tính liên tục và tự động hóa q trình mơ phỏng, ta cần một
module có chức năng tự động chạy các module theo thứ tự theo các
khoảng thời gian định sẵn. Hình 3-7 là sơ đồ thuật toán chi tiết của
tất cả các module chính trong cơng cụ HEC-WREF.

C
C
R
UT.L

D

Hình 3-7. Sơ đồ thuật toán của các module
3.5. Phát triển giao diện của công cụ
Công cụ được thiết kế giao diện theo các tab để dễ dàng thao
tác, trong đó có 3 tab chính là: Auto HEC-HMS, Thiết lập và Auto


20
Getting Rainfall Data. Giao diện của các tab được thể hiện ở Hình
3-8, Hình 3-9 và Hình 3-10.

Hình 3-8. Giao diện tab Auto HEC-HMS

C
C
R
UT.L

D

Hình 3-9. Giao diện tab Thiết lập


21

Hình 3-10. Giao diện tab Auto Getting Rainfall Data
3.6. Kiểm thử công cụ

C

C
R
UT.L

Các chức năng đã được kiểm thử và cho kết quả hoạt động
chính xác.

D

3.6.1. Chức năng lấy dữ liệu mưa

3.6.2. Chức năng đưa dữ liệu vào file DSS
3.6.3. Chức năng chạy mô phỏng
3.6.4. Chức năng đọc kết quả
3.6.5. Chức năng Tự động hóa


22
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Bằng việc ứng dụng công nghệ thông tin vào lĩnh vực mô
phỏng thủy văn, luận văn này đã phát triển thành cơng chương trình
HEC-WREF có tính năng tự động hồn tồn từ khâu trích xuất dữ
liệu đầu vào, nhập dữ liệu vào mơ hình, chạy mơ phỏng và hiển thị
kết quả.
Chương trình có khả năng chạy ổn định trên tất cả máy tính
cài đặt hệ điều hành windows, nó khơng u cầu nhiều tài ngun về
phần cứng cũng như dung lượng của ổ đĩa. Chương trình đã cải thiện
hiệu suất làm việc cũng như độ chính xác lên nhiều lần, góp phần
giảm thiểu cơng sức cho người vận hành, đưa ra các cảnh báo kịp
thời, góp phần đưa ra quyết định sớm cho các cơ quan chức năng,

đơn vị vận hành, chủ hồ chứa,…
Nghiên cứu này bước đầu chứng minh được khả năng ứng
dụng công nghệ thơng tin vào việc tự động hóa các mơ hình, khơng
chỉ đối với HEC-HMS mà cịn các phần mềm khác như HECRESIM, HEC-RAS, HEC-GEORAS. Từ đó mở rộng quy mơ từ bài
tốn mơ phỏng dịng chảy lên thành bài tốn điều tiết hồ chứa, truyền
lũ ngập lụt hạ lưu, thể hiện bản đồ ngập lụt trực tiếp trên phần mềm
mà không cần phải thông qua nhiều bước trung gian.
Bên cạnh những ưu điểm, chương trình cũng có nhược điểm
như đang sử dụng nguồn dữ liệu dự báo mưa có độ phân giải lớn nên
số liệu sẽ không thật phù hợp với dữ liệu mưa từ thực tế. Do vậy, cần
bổ sung thêm các nguồn dữ liệu có độ tin cậy cao hơn để đưa vào mơ
hình. Bên cạnh đó, cần phải có cơ chế cập nhật lại bộ thơng số mơ
hình một cách tự động thơng qua chuỗi số liệu mới để đảm bảo tính
chính xác của mơ hình mà khơng cần phải thiết lập lại mơ hình một
cách thủ công sau mỗi khoảng thời gian. Kết quả của chương trình
cũng có thể đưa trực tiếp lên internet thơng qua các bản đồ trực tuyến
để người sử dụng có thể truy cập ở mọi lúc mọi nơi.

D

C
C
R
UT.L