XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY TỪ MƯA THEO PHƯƠNG PHÁP SCS

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
KHOA THỦY VĂN VÀ TÀI NGUYÊN NƯỚC

HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC LẦN THỨ XXVII

XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH
TÍNH TỐN DỊNG CHẢY TỪ MƯA THEO
PHƯƠNG PHÁP SCS

Sinh viên thực hiện: Trần Thị Phương 54V2
Đinh Thị Linh 54V2
Kiều Trung Hiếu 52V
Giáo viên hướng dẫn: TS. Ngô Lê An

Hà Nội 12-2013
1


MỞ ĐẦU
1. Mở đầu
Thủy văn là một ngành khoa học nghiên cứu về mọi pha của nước trên trái
đất bao gồm sự xuất hiện, phân bố, vận động của nó. Việc nghiên cứu, tính tốn
đánh giá các đặc trưng nguồn nước của lưu vực sơng có vai trị rất quan trọng,
trong đó các mơ hình tốn trong việc tính tốn và dự báo nguồn nước. Để làm tốt
vấn đề này những người làm cơng tác thủy văn rất cần có cơng cụ để tính tốn,
đặc biệt là các chương trình tính trên máy tính từ đơn giản đến phức tạp.
Để nâng cao hiểu biết về quá trình thuỷ văn, đặc biệt là quan hệ giữa mưa và
dịng chảy, qua đó hỗ trợ cho việc học tập chuyên môn tốt hơn, các tác giả đã
đăng ký đề tài nghiên cứu khoa học với tên: “ Xây dựng chương trình tính tốn
mơ phỏng dòng chảy từ mưa theo phương pháp SCS”.
2. Mục đích và ý nghĩa của nghiên cứu

- Đề tài có hai mục đích sau đây:
• Củng cố và nâng cao kiến thức đã học, nâng cao hiểu biết về quá trình
thuỷ văn.
• Bước đầu tiếp cận với phương pháp lập trình, ứng dụng kiến thức tin học

-

đã học để xây dựng được một chương trình hỗ trợ cho nghiên cứu tính
tốn thủy văn của lưu vực.
Ý nghĩa nghiên cứu

Đề tài sẽ hỗ trợ cho sinh viên ngành thủy văn học tập tốt môn học thủy
văn cũng như sử dụng trong nghiên cứu, tính tốn thủy văn sau này.
Kết quả đạt được của đề tài này sẽ tạo cơ sở cho việc tìm hiểu sâu hơn về
lập trình và các mơ hình tốn thủy văn.
3. Nội dung nghiên cứu của đề tài
Đề tài bao gồm hai nội dung nghiên cứu sau:
a. Tìm hiểu phương pháp mơ phỏng dịng chảy từ mưa SCS.
b. Lập chương trình tính tốn dịng chảy từ mưa
c. Ứng dụng chương trình cho việc tính tổn thất mưa và đường q trình
dịng chảy mặt
4. Phương pháp nghiên cứu thực hiện đề tài
Để xây dựng chương tính và ứng dụng chương trình cho tính tốn các đặc
trưng mưa, dịng chảy một số khu vực, ta sử dụng một số phương pháp sau:
-

Phương pháp thống kê trong thủy văn
Phương pháp tính tốn trong thủy văn
2

-

Phương pháp lập trình: xây dựng chương trình ứng dụng (Microsoft
Visual Basic).
Phương pháp SCS để tính tổn thất từ mưa và đường q trình dịng chảy

3


NỘI DUNG
1. Cơ sở của phương pháp
Cơ quan Bảo vệ Thổ nhưỡng Hoa Kỳ (1972) đã phát triển phương pháp để
tính tổn thất dịng chảy từ mưa rào (gọi là phương pháp SCS).
Trong một trận mưa rào, độ sâu mưa hiệu dụng hay độ sâu dịng chảy trực
tiếp Pe khơng bao giờ vượt qua độ sâu mưa P. Sau khi trong q trình dịng chảy
bắt đầu, độ sâu nước bị cầm giữ có thực trong lưu vực, Fa bao giờ cũng nhỏ hơn
hoặc bằng độ một độ sâu nước cầm giữ tiềm năng tối đa nào đó, S. Cịn có một
lượng mưa Ia bị tổn thất hết nên không sinh ra dịng chảy, đó là lượng tổn thất
ban đầu trước thời điểm sinh nước đọng trên bề mặt lưu vực. Do đó lượng dịng
chảy tiềm năng là P – Ia.
Trong phương pháp SCS, giả thiết rằng tỉ số giữa hai đại lượng có thực Pe và
Fa thì bằng với tỉ số giữa hai đại lượng tiềm năng P – Ia và S.
(1)
Mà ta lại có: P= Pe + Ia + Fa

(2)

Từ (1) và (2) suy ra phương trình cơ bản của phương pháp SCS để tính độ sâu
mưa hiệu dụng hay dòng chảy trực tiếp từ một trận mưa rào.

(3)
Trong đó:
Ia - độ sâu tổn thất ban đầu
Pe - độ sâu mưa hiệu dụng
Fa - độ sâu thấm liên tục
P - tổng độ sâu mưa
Mặt khác:
Ia = 0,2S
Suy ra:
Pe

(4)

Phương trình (4) chính là phương trình dùng để mơ phỏng đường q
trình dịng chảy mặt từ mưa.
4


Trong phương pháp này ta sử dụng đến thông số CN, giá trị 0 Đối với mặt
không thấm hoặc mặt nước, CN=100, đối với các mặt tự nhiên thì CN< 100.
Mối liên hệ giữa S và CN là:
S(inche)
Hay S (mm)
Trong các điều kiện khác nhau thì CN cũng khác nhau
-

Đối với điều kiện khơ: CN(I)
Đối với điều kiện bình thường của độ ẩm thời kỳ trước : CN(II)
Đối với điều kiện ướt:CN(III)

2. Xây dựng chương trình tính tốn các đặc trưng mưa và dịng chảy
2.1 Ngơn ngữ lập trình
Chương trình được xây dựng từ ngơn ngữ lập trình Microsoft Visual Basic
2008. Visual Basic là một ngơn ngữ lập trình hướng đối tượng, trực quan trên
môi trường Windows. VB cung cấp một bộ cơng cụ hồn chỉnh để đơn giản hóa
việc triển khai lập trình ứng dụng, có thể nói đây là cách nhanh và tốt nhất để học
và lập trình ứng dụng trên Microsoft Windows.
Phần “Visual – Trực quan” đề cập đến phương pháp được sử dụng để tạo
giao diện đồ họa người dùng (GUI – Graphical User Interface). VB có sẵn rất
nhiều những bộ phận trực quan gọi là các điều khiển (Controls) mà người lập
trình có thể sắp đặt vị trí các quyết định các đặc tính của chúng trên một khung
giao diện màn hình gọi là form. Việc thiết kế các giao diện người dùng ứng dụng
5


trên VB có thể hình dung đơn giản như việc vẽ giao diện trên Word hoặc trên
Paint Prush của Windows.
Phần “Basic” đề đến ngôn ngữ BASIC ( Beginners All- Purpose Symbolic
Instruction Code), một ngơn ngữ lập trình đơn giản, dễ học, được viết ra cho các
khoa học gia – những người khơng có thì giờ để học điện tốn sử dụng. Tuy
nhiên ngôn ngữ BASIC trong VB đã được cải thiện rất nhiều để phù hợp với
phong cách lập trình hiện đại.
Chương trình được xây dựng trong đề tài này sử dụng các cấu trúc điều kiện,
cấu trúc lặp và các hàm thơng dụng để tính tốn, liên kết trực tiếp với phần mềm
Microsoft Excel trong việc nhập và xuất dữ liệu, có giao diện trực quan, dung
lượng gọn nhẹ, dễ sử dụng.
2.2 Cấu trúc vào giao diện của chương trình
2.2.1. Form nhập dữ liệu
Trình bày cách nhập Form nhập dữ liệu:
- Chọn Form nhập.vb

- Sau đó kích vào Start Debugging, xuất hiện ra bảng 1

Hình 1: Giao diện ban đầu tính tốn

6


Hình 2: Giao diện chương trình xuất hiện tên tệp dự án
-

Kích vào nút “ Mở” xuất hiện ra bảng “ Open”
Kích vào Ví Dụ, mở phần Open sẽ hiện ra tên tệp dự án
Cho chạy chương trình sẽ được kết quả tại Form ketqua.vb

Hình 2: Giao diện phần mở tệp
Trình bày cấu trúc của file dữ liệu:
Cấu trúc của file dữ liệu gồm có:
-

Hệ số CN ban đầu
Số thời đoạn tính tốn
Diện tích lưu vực
Chuỗi giá trị mưa

7


Hình 3:Cấu trúc file dữ liệu
2.2.2. Form kết quả
Sau khi mở tệp dữ liệu, ta có thể điều chỉnh hệ số CN, sau đó bấm nút

Tính thì chương trình sẽ tính tốn tổn thất và dịng chảy mặt sinh ra từ mưa theo
phương pháp SCS. Kết quả sẽ được hiển thị như ở form bên dưới.

Hình 3: Kết quả tính tốn dịng chảy của lưu vực
2.3. Áp dụng tính tốn cho trận lũ cụ thể
8


Đề tài đã áp dựng thử nghiệm chương trình tính tổn thất thấm và dòng
chảy mặt từ mưa theo phương pháp SCS cho lưu vực hồ Thượng Nhật thuộc lưu
vực sơng Hương có diện tích 208km 2. Lựa chọn 2 trận lũ để mô phỏng với thời
đoạn 1 giờ. Kết quả tính tốn thử nghiệm được trình bày ở các hình dưới.
Trận lũ 21/ XI/ 1996

Nhận xét về đường quá trình lũ tính tốn:
-

-

Ban đầu lượng mưa bị thấm khá nhiều (hệ số CN bằng 38), lượng dòng
chảy hầu như khơng có (từ thời đoạn ban đầu đến thời đoạn thực đo
được dịng chảy).
Khi đất khơng cịn khả năng thấm thì tạo được dịng chảy mặt
Đỉnh lũ cao nhất vào thời đoạn 45 và đạt tới trên 300 m3/s.
Sau thời điểm lũ đạt đỉnh cao nhất thì bị giảm dần.

Trận lũ 12/ X/ 1984

9

Nhận xét về đỉnh lũ tính tốn:
- Lượng mưa ban đầu thấm khá ít (do hệ số CN bằng 43) nên tạo dòng
chảy mặt khá sớm.
- Đỉnh lũ cao nhất cao nhất đạt gần 1400 m3/s vào thời đoạn thứ 22
- Sau khi đỉnh lũ đạt cao nhất thì giảm dần.

10


KẾT LUẬN
1. Đề tài đã xây dựng được chương trình tính tốn tổn thất thấm và đường q trình
dịng chảy mặt bằng phương pháp SCS với giao diện nhập xuất số liệu và sử
dụng thuận lợi để tính tốn, thống kê cũng như đặc trưng mưa, dòng chảy lưu
vực. Chương trình này có thể trợ giúp cho học tập của mơn học Thủy văn đại
cương và dùng cho tính tốn thủy văn của các môn học sau này. Qua lập trình,
tác giả cũng đã nắm vững hơn về ngơn ngữ và bước đầu cũng đã thực hiện được
các thao tác chủ yếu và kỹ năng cần thiết xây dựng chương trình tính thuộc lĩnh
vực chun ngành của mình.
2. Đề tài cũng đã ứng dụng chương trình để tính tốn và nghiên cứu về sự tổn thất
dòng chảy, cũng rút ra được những nhận xét nhất định. Kết quả nghiên cứu cũng
giúp cho tác giả hiểu rõ hơn về chế độ và quy luật biến đổi thủy văn trên các lưu
vực.

11


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Ven Te Chow và nnk. Thuỷ văn ứng dụng. NXB Giáo dục. 1994.
2. Visual Studio 2008 – MSDN.

12