Đại học quốc gia Hà Nội
Trường đại học khoa học tự nhiên
Nguyễn Thanh Sơn
Nghiên cứu mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy
Phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên nước và đất
một số lưu vực sông thượng nguồn miền trung
Luận án tiến sỹ địa lý
Luận án tiến sỹ địa lý
Người hướng dẫn khoa học:
1. GS. TS. Trương quang hải
2. TS. Lương tuấn anh
Hà Nội 2008
2 Mục lục
Lời cam đoan....................................................................................................5
Danh mục chữ viết tắt................................................................................6
Danh mục bảng biểu .....................................................................................7
Danh mục hình vẽ ..........................................................................................8
Mở đầu ..............................................................................................................10
Chương 1. Tổng quan các nghiên cứu về mưa lũ ở miền trung.
2.1.1 Vị trí địa lý............................................................................................45
2.1.2 Địa hình ................................................................................................45
2.1.3. Địa chất, thổ nhưỡng ............................................................................50
2.1.4. Thảm thực vật ......................................................................................54
2.1.5. Khí hậu ................................................................................................57
2.1.6. Mạng lưới thuỷ văn các lưu vực sông nghiên cứu .................................58
2.2. Điều kiện kinh tế xã hội ..............................................................................61
2.2.1. Thừa Thiên - Huế .................................................................................61
2.2.2. Quảng Nam..........................................................................................62
2.2.3. Quảng Ngãi..........................................................................................63
2.3. Đặc điểm mưa, dòng chảy và các biện pháp phòng lũ.................................65
2.3.1. Đặc điểm mưa, dòng chảy trên các lưu vực nghiên cứu.........................65
2.3.2 Các biện pháp phòng lũ trên các lưu vực nghiên cứu..............................66
3
Chương 3. Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình mưa - dòng
chảy bằng mô hình sóng động học một chiều, phương pháp
phần tử hữu hạn và phương pháp SCS .................................................68
3.3.2. Xây dựng bộ thông số ..........................................................................88
3.3.3. Xây dựng mô hình và chương trình tính toán ........................................94
3.3.4. Kết quả mô phỏng................................................................................95
3.3.5. Nhận xét...............................................................................................99
Chương 4. ứng dụng mô hình mô phỏng quá trình mưa dòng
chảy phục vụ dự báo lũ và sử dụng hợp lý tài nguyên nước,
đất trên các lưu vực sông thượng nguồn miền trung..........103
4.1 ứng dụng mô hình mô phỏng quá trình mưa dòng chảy phục vụ dự báo lũ
sông Trà Khúc trạm Sơn Giang ....................................................................103
4.1.1. Dự báo thử nghiệm mưa gây lũ tại lưu vực sông Trà KhúcSơn Giang105
4.1.2. Dự báo lũ ...........................................................................................107
4.2. ứng dụng mô hình mô phỏng quá trình mưa dòng chảy phục vụ sử dụng hợp
lý tài nguyên đất trên lưu vực...........................................................................109
4.2.1. Đánh giá ảnh hưởng của quá trình sử dụng lớp phủ đất đô thị đến sự hình
thành lũ........................................................................................................110
4.2.2. Đánh giá ảnh hưởng của lớp phủ rừng đến sự hình thành lũ................ 114
4.2.3. Khảo sát ảnh hưởng của quá trình sử dụng lớp phủ đất đô thị đồng thời
thay đổi thảm phủ thực vật trên lưu vực sông Tả Trạch - trạm Thượng Nhật.117
5 Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi
Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ công trình nào khác
Nguyễn Thanh Sơn
SSARR Mô hình hệ thống diễn toán dòng chảy của Mỹ (Streamflow Synthesis and
Reservoir Regulation)
SWAT Mô hình mô phỏng dòng chảy mặt qua độ ẩm đất (Soil and Water Assessment
Tool)
SWMM
Mô hình diễn toán thuỷ lực (Storm Water Management Model)
TANK Mô hình bể chứa của Nhật Bản
USDAL Mô hình dòng chảy phân bố Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ
WMO
Tổ chức khí tượng thế giới (World Meteorological Organization)
X > PET, X<
PET
Mưa vượt thấm và không vượt thấm
7
Danh mục bảng biểu
Bảng 1.1. Đặc điểm của các thông số trong mô hình thuỷ văn tất định...................21
Bảng 1.2. Mục đích và đối tượng ứng dụng các mô hình thuỷ văn tất định .............22
Bảng 2.1. Hiện trạng rừng năm 2000 lưu vực sông Tả Trạch [14]...........................54
Bảng 2.2. Hiện trạng rừng năm 2000 lưu vực sông Thu Bồn [14] ...........................55
Bảng 2.3. Hiện trạng rừng năm 2000 lưu vực sông Trà Khúc [14]..........................55
Bảng 2.4. Lớp phủ thực vật lưu vực sông Vệ theo mức độ che phủ [14]..................57
Bảng 3.1. Số trận lũ trên sông Vệ An Chỉ qua các năm dùng để mô phỏng lũ.....83
Bảng 4.6. Kết quả khảo sát đánh giá ảnh hưởng của rừng đến dòng chảy lũ trên các
lưu vực sông nghiên cứu ......................................................................................116
Bảng 4.7 ảnh hưởng của lớp phủ đất đô thị đến dòng chảy khi tăng diện tích rừng
qua 9 trận lũ trên lưu vực sông Tả Trạch - trạm Thượng Nhật .............................. 117
Bảng 4.8. Mực nước lũ 5% trên sông Hương khi có hồ Dương Hoà (Tả Trạch) ...118
Bảng 4.9. Các hồ chứa tham gia cắt lũ trên dòng chính sông Vu Gia Thu Bồn...120
Bảng 4.10. Giảm mực nước lũ trên sông Trà Khúc khi có các hồ chứa cắt lũ....... 120 8
Danh mục hình vẽ
Hình 1.1. Phân loại các mô hình thuỷ văn tất định .................................................21
Hình 1.2. Lưu vực và lưới phần tử hữu hạn tương ứng............................................32
Hình 1.3. Các biến số có tổn thất dòng chảy trong phương pháp SCS .....................40
Hình 2.1. Vị trí các lưu vực sông nghiên cứu .........................................................46
Hình 2.2. Địa hình lưu vực sông Trà Khúc.............................................................48
Hình 2.3. Độ dốc lưu vực sông Trà Khúc ...............................................................49
Hình 3.12. Mô phỏng trận lũ từ 13h/20 - 24/XII/2000 s. Trà Khúc Sơn Giang.....97
Hình 3.13. Mô phỏng lũ từ 1h/ 19/XI - 19h/ 25/XI/1998 s, Trà Khúc - Sơn Giang..98
Hình 3.14. Mô phỏng trận lũ từ ngày 21/XI - 24/XI/1998 s. Vệ An Chỉ ..............98
Hình 4.1. Lượng mưa tích luỹ 72 giờ dự báo được bằng RAMS từ 16 đến
19/XI/2005 trên 9 tiểu lưu vực thuộc sông Trà Khúc - trạm Sơn Giang ................ 107
Hình 4.2. Kết quả dự báo lũ từ 7 giờ ngày 10/X đến 7h ngày 13/X năm 2005 sông
Trà Khúc - Sơn Giang..........................................................................................108
Hình 4.3. Kết quả dự báo lũ từ 7 giờ ngày 16/XI đến 7h ngày 19/XI năm 2005 sông
Trà Khúc - Sơn Giang..........................................................................................108
Hình 4.4. ảnh hưởng của lớp phủ đất đô thị đến dòng chảy lũ trên sông Tả Trạch
trận lũ từ 16h/21 đến 7h/23/X/2001 .....................................................................111
Hình 4.5. ảnh hưởng của lớp phủ đất đô thị đến dòng chảy lũ trên sông Thu Bồn,
trận lũ từ 19h/2 13h/8/X/2003...........................................................................112
Hình 4. 6 ảnh hưởng của lớp phủ đất đô thị đến quá trình dòng chảy trên sông Trà
Khúc, trận lũ ngày 25 đến 30/XI năm 1998..........................................................113
Hình 4.7: ảnh hưởng của lớp phủ đất đô thị đến quá trình dòng chảy lũ trên sông
Vệ, trận lũ ngày 21 đến 24/XI năm 1998 .............................................................113
9
Hình 4. 8. ảnh hưởng của rừng đến dòng chảy trên sông Tả Trạch - Thượng Nhật
quả của công tác cảnh báo và dự báo lũ, từ đó đề ra những biện pháp thích hợp để
phòng, tránh, trong đó đề cao vai trò của công tác quy hoạch sử dụng đất. Các
phương pháp dự báo truyền thống trước đây như phương pháp lưu lượng mực nước
tương ứng hay sử dụng các mô hình tương quan và mô hình thông số tập trung đã
mang lại những hiệu quả tích cực. Việc diễn toán dòng chảy từ trạm thuỷ văn đầu
nguồn về hạ lưu ở Trung tâm Dự báo Khí tượng Thuỷ văn Trung ương khá chính
xác, đạt độ đảm bảo tương đối tốt. Tuy nhiên, thực tế thường gặp phải hai vấn đề lớn
làm cho công tác dự báo lũ vẫn chưa đáp ứng được bài toán thực tiễn. Đó là: (1) do
các sông ở khu vực này thường ngắn và dốc, thời gian tập trung nước nhanh nên việc
phát các bản tin dự báo dựa trên số liệu quan trắc mưa và lưu lượng tuyến trên
thường có thời gian dự kiến ngắn, không đủ để triển khai các biện pháp phòng
chống thích hợp và (2) do chưa sử dụng các mô hình thông số dải, có khả năng diễn
toán dòng chảy tốt hơn. Nhằm góp phần khắc phục các vấn đề nêu trên, tác giả thực
hiện Nghiên cứu mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy phục vụ sử dụng hợp lý tài
nguyên nước và đất một số lưu vực sông thượng nguồn Miền Trung nhằm góp phần
nâng cao chất lượng công tác cảnh báo, dự báo dòng chảy lũ từ mưa, đồng thời phục
vụ quản lý tài nguyên nước và đất theo hướng điều tiết dòng chảy lưu vực. Mô hình
sóng động học một chiều phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp SCS là
một mô hình thông số dải, sử dụng đầu vào là mưa dự báo từ các mô hình khí tượng
được sử dụng để mô phỏng dòng chảy lũ nhằm tăng độ chính xác và thời gian dự
kiến của các dự báo lũ tại các trạm thuỷ văn đầu nguồn, làm cơ sở cho việc nâng cao
tính hiệu quả của công tác dự báo lũ trên toàn lưu vực.
11
2. Mục tiêu
Mục tiêu của luận án là xác lập cơ sở khoa học để xây dựng mô hình toán mô
phỏng quá trình mưa dòng chảy, có khả năng dự báo lũ và phục vụ sử dụng hợp lý
tài nguyên nước và đất trên các lưuvực sông thượng nguồn ở Miền Trung.
3. Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi khoa học của luận án là nghiên cứu các mô hình toán mưa dòng
chảy nhằm lựa chọn và xây dựng được một mô hình thích hợp để diễn toán quá trình
Luận điểm 2. Mô hình sóng động học một chiều, phương pháp phần tử hữu
hạn và SCS được ứng dụng đem lại hiệu quả hữu ích phục vụ sử dụng hợp lý tài
nguyên nước và đất trên các lưu vực sông thể hiện trên hai khía cạnh chính:
(1) dự báo lũ, đặc biệt khi kết hợp với mô hình số dự báo mưa có độ phân giải
cao để tăng thời gian dự kiến và
(2) đánh giá định lượng ảnh hưởng của lớp phủ đất đô thị và lớp phủ rừng đối
với quá trình hình thành đỉnh và tổng lượng lũ.
6. ý nghĩa khoa học và thực tiễn:
1) Hoàn thiện một phương pháp mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy trên
các lưu vực sông thượng nguồn.
2) Kết quả của luận án có thể sử dụng làm công cụ giải quyết các vấn đề thực
tiễn về sử dụng hợp lý tài nguyên nước và đất trên lưu vực sông theo hướng phát
triển bền vững
7. Phương pháp nghiên cứu:
Các phương pháp nghiên cứu chính trong luận án:
1) Phương pháp phần tử hữu hạn;
2) Phương pháp SCS;
3) Phương pháp mô hình toán thuỷ văn và
13
4) Phương pháp hệ thống thông tin địa lý (GIS).
8. Cơ sở tài liệu
8.1. Tài liệu từ các đề tài do tác giả chủ trì: 1) ứng dụng mô hình toán phục
vụ quy hoạch lưu vực sông Trà Khúc (QT 0321, 2004); 2) ứng dụng mô hình
toán diễn toán lũ lưu vực sông Vệ trạm An Chỉ (QT 0426, 2005); 3) Nghiên cứu
mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên nước và đất
trên một số lưu vực sông ngòi Miền Trung (QG 07-15, 2007); 4) Nghiên cứu áp
dụng phương pháp SCS phục vụ công tác phòng chống lũ và quy hoạch lưu vực sông
ngòi Trung Trung Bộ( CB 705606, 2006)
8.2. Tài liệu từ các đề tài do tác giả là thành viên tham gia chính: 1) Nghiên
cứu vận dụng mô hình thuỷ động lực, mưa - dòng chảy phục vụ tính toán và dự báo
15
Chương 1
Tổng quan các nghiên cứu về mưa lũ ở miền trung. cơ sở lý
thuyết mô hình mưa dòng chảy và phương pháp SCS
1.1. Tổng quan các nghiên cứu và mô hình toán phục vụ sử
dụng hợp lý tài nguyên đất và nước lưu vực sông
1.1.1. Nghiên cứu, áp dụng mô hình toán để tính toán và dự báo mưa lũ trên
thế giới và ở nước ta
Ngày nay, trong tính toán và dự báo lũ, đánh giá ảnh hưởng của việc sử dụng,
khai thác bề mặt lưu vực, việc áp dụng mô hình toán thuỷ văn để khôi phục và xử lý
số liệu ngày càng rộng rãi. Đặc biệt, đối với những vùng ít được nghiên cứu thì sử
dụng mô hình toán còn được coi là công cụ ưu việt nhất. Cùng với việc phát triển kỹ
thuật tính toán kết hợp áp dụng công nghệ thông tin, thế mạnh giải quyết bằng các
bài toán số trị và ứng dụng trong hoạt động tác nghiệp càng có vị thế nổi bật.
Trong lĩnh vực dự báo, ngoài các phương pháp truyền thống trước đây như
phương pháp Kalinhin - Miuliacốp [31] phương pháp tính dòng chảy đoạn sông có
gia nhập khu giữa [32, 48, 53], mô hình HMC [2, 21], phương pháp đường đơn vị,
đường đẳng thời [31, 58] cùng với việc sử dụng các mô hình toán SSARR, TANK
[94], NAM [49, 93], ANN [30] được triển khai nghiên cứu và có những kết quả tốt,
đạt độ chính xác đáp ứng cho các yêu cầu quy hoạch, thiết kế.
Mô hình toán SSARR của Cục Công binh Mỹ được khai thác sử dụng sớm
nhất ở nước ta, từ năm 1968, đầu tiên trong lĩnh vực thuỷ văn công trình và sau đó là
trong việc cảnh báo, dự báo lũ ở đồng bằng châu thổ sông Cửu Long [80]. Mô hình
SSARR cũng được triển khai áp dụng để dự báo lũ cho hệ thống sông Hồng và Thái
Bình ở đồng bằng Bắc Bộ cho kết quả khả quan [26, 28, 35].
16
dòng chảy; (2) mô hình IQQM dùng để mô phỏng nguồn nước và quản lý các công
trình sử dụng nước (thủy điện, thủy lợi) và (3) mô hình ISIS mô phỏng các quá
trình thủy động lực học của Biển Hồ và các vùng hạ lưu.
Bộ mô hình đánh giá tổng hợp các nguồn thải tập trung và không tập trung
BASINS của Văn phòng bảo vệ môi trường Hoa Kỳ phục vụ công tác quản lý và
đánh giá chất lượng nước trên lưu vực. Mô hình đang được ứng dụng rộng rãi ở Mỹ,
thuận tiện rong việc lưu trữ và phân tích các thông tin môi trường và có thể sử dụng
như là một công cụ hỗ trợ ra quyết định trong công tác quy hoạch và quản lý lưu
vực. Bộ mô hình này bao gồm (1) mô hình trong sông QUAL2E về chất lượng nước;
(2) SWAT dùng dự doán ảnh hưởng của sử dụng đất đến dòng chảy và (3) PLOAT
về lan truyền chất ô nhiễm
Mô hình MIKEBASIN và MIKESHE [95] của Viện Thủy lực Đan Mạch là
một mô hình mô phỏng nguồn nước lưu vực sông. Mô hình thuộc loại thông số dải
và được phát triển từ các phương trình đạo hàm riêng mô tả các quá trình vật lý diễn
ra trên lưu vực: tích nước, bốc thoát hơi nước, dòng chảy tràn trên sườn dốc, trong
lòng dẫn, chuyển động của nước trong các tầng đất bão hoà và không bão hoà, tuyết
tan [105, 118, 139, 144, 116]. Mô hình này có khả năng đánh giá tác động của môi
trường đến dòng chảy, song do mức độ phức tạp của nó nên ứng dụng chưa được
rộng rãi. Trong khu vực châu á bước đầu đã được sử dụng ở Thái Lan và Inđonexia.
Cùng với sự phát triển của hệ thông tin địa lý, công nghệ GIS đang dần chiếm
lĩnh các ứng dụng trong việc nhận các thông tin từ bề mặt lưu vực [1, 33, 34, 87, 88]
góp phần thúc đẩy các công trình nghiên cứu khai thác các lớp mô hình thuỷ động
lực [4, 24, 27, 44, 47, 57, 62, 65, 70]. Trong ứng dụng thực tiễn ở Việt Nam, nhiều
mô hình như SMART, USDAHL, HEC RAS, SWMM, TOPMODEL, SCS [86,
88], đã được nghiên cứu, khai thác, vận dụng linh hoạt phù hợp với các điều kiện về
số liệu. Việc liên kết, tổ hợp các phương pháp tính [6] có khả năng đem lại hiệu quả
cao trên cơ sở tận dụng được nhiều nguồn thông tin mà không một mô hình đơn lẻ
nào có thể khái quát được.
Các công bố gần đây của các tác giả thuộc Viện Khoa học Khí tượng Thuỷ
18
lớn nhất từ trước đến nay, nhiều nhà nghiên cứu đã tổng kết và đưa ra nhận định về
các nguyên nhân gây lũ như Bùi Đức Long và Đặng Thanh Mai [37], Nguyễn Văn
Cư [15]. Nguyễn Viết Thi [67] đã tiến hành nghiên cứu và tổng kết các hình thế thời
tiết chính gây mưa lũ lớn trên các sông suối Miền Trung.
Việc áp dụng các mô hình toán trên địa bàn nghiên cứu, các công trình của
Lê Xuân Cầu, Nguyễn Văn Chương [11], Nguyễn Hữu Khải [30], Trần Thục, Lê
Đình Thành, Đặng Thu Hiền [68] đã ứng dụng mô hình mạng thần kinh nhân tạo
(ANN) để tính toán dự báo lũ cho các sông Tả Trạch, Trà Khúc,Vệ và lũ quét trên
sông Dinh. Trần Thanh Xuân, Hoàng Minh Tuyển [94] đã sử dụng mô hình TANK
để tính toán lũ trên sông Tả Trạch. Bùi Đức Long áp dụng mô hình SSARR để dự
báo lũ trên sông Trà Khúc [38] và sông Cả [39]. Nguyễn Văn Lý [40] ứng dụng hàm
hồi quy nhiều biến dự báo đỉnh lũ các sông lưu vực Nam Trung Bộ. Nguyễn Thanh
Sơn tiến hành nghiên cứu đặc điểm lũ tiểu mãn sông ngòi Bắc Trung Bộ [50] và mô
hình hoá lũ tiểu mãn sông ngòi Nam Trung Bộ [53]. Trần Thục [69, 73], Phạm Việt
Tiến [76] tiến hành dự báo và tính toán ngập lụt hệ thống sông Thu Bồn Vu Gia và
hạ du sông Hương.
Một nhóm các tác giả tiến hành các nghiên cứu về đánh giá tài nguyên nước
và đất và cân bằng nước lưu vực, từ đó đề xuất các giải pháp khai thác, sử dụng một
cách có hiệu quả nhất các nguồn tài nguyên này. Tiêu biểu là các công trình của
Ngô Đình Tuấn [83 - 85], đã đánh giá tài nguyên nước, nhu cầu tưới và cân bằng
nước hệ thống các lưu vực ven biển Miền Trung. Trần Thanh Xuân và cộng sự đã
tiến hành tính toán cân bằng nước cho tỉnh Quảng Nam. Nguyễn Thanh Sơn đã đề
xuất các giải pháp định hướng sử dụng nước lưu vực đầm Trà ổ (Bình Định) [52] và
quy hoạch tổng thể tài nguyên nước tỉnh Quảng Trị đến năm 2010 [63 -64]. Trần
Thục, Huỳnh Thị Lan Hương đã tiến hành các tính toán đánh giá ảnh hưởng của sự
thay đổi sử dụng đất đến chế độ dòng chảy lưu vực Trà Khúc [71]. Để bổ khuyết số
liệu còn thiếu và thưa trên khu vực nghiên cứu đã sử dụng mô hình NLRRM để kéo
dài chuỗi dòng chảy từ tài liệu mưa [129]: Nguyễn Thị Nga, Nguyễn Thanh Sơn [41]
áp dụng để bổ khuyết số liệu dòng chảy cho các lưu vực sông tỉnh Quảng Trị, Lương
20
Đầu vào (I) Đầu ra (O) Hệ thống (S)
21
Dựa trên cấu trúc vật lý, các mô hình tất định mô phỏng quá trình mưa - dòng
chảy được phân loại thành các mô hình thuỷ động lực học, mô hình nhận thức và mô
hình hộp đen (Hình 1.1). Phụ thuộc vào sự xấp xỉ không gian, các mô hình thuỷ văn
tất định được chia thành các mô hình thông số phân phối dải và các mô hình thông
số tập trung. Theo Lương Tuấn Anh [2], khi khảo sát các mô hình thuỷ văn tất định,
mô hình thuỷ động lực học có cơ sở lý thuyết chặt chẽ nhất và có khả năng đánh giá
tác động của lưu vực quy mô nhỏ đến dòng chảy. Tuy nhiên, việc chia lưu vực thành
các lưới nhỏ hơn hoặc bằng 1 km
2
đã tạo ra cho mô hình rất nhiều thông số (Bảng
1.1) và số liệu đầu vào chi tiết, rất khó đáp ứng kể cả với các lưu vực thực nghiệm.
Bảng 1.1. Đặc điểm của các thông số trong mô hình thuỷ văn tất định
Loại mô hình
Số liệu, kết quả tính và
các biến trung gian
Đặc điểm của các thông
số của mô hình
1. Mô hình phân phối dải theo
các đơn vị diện tích nhỏ
U(x, y, z, t) K(x, y, z)
2. Mô hình phân phối dải theo
tiểu vùng thuỷ văn
U
ij
(t) K
ij
3. Mô hình thông số tập trung U
Hình 1.1. Phân loại các mô hình thuỷ văn tất định
22
Việc ứng dụng các mô hình nhận thức thông số dải theo tiểu vùng thuỷ văn
sẽ giảm được nhiều thông số và có khả năng đánh giá được tác động của lưu vực quy
mô trung bình đến dòng chảy. Tuy nhiên, các mô hình loại này còn ít được phổ biến
rộng rãi và việc ứng dụng chúng đòi hỏi sự kết hợp với các phương tiện kỹ thuật và
công nghệ tiên tiến có các chức năng xử lý bản đồ và các thông tin viễn thám [45,
108, 136, 151], như hệ thống thông tin địa lý (GIS). Trong các mô hình tất định, các
mô hình thông số tập trung có ít thông số, dễ sử dụng và được ứng dụng rộng rãi.
Các mô hình đơn giản như các quan hệ thực nghiệm, mô hình đường đơn vị... đã và
sẽ còn chứng tỏ được tính hiệu quả trong tính toán, dự báo dòng chảy và có khá
nhiều mô hình thuỷ văn để lựa chọn và áp dụng trong thực tế. Tuy nhiên, theo A.
Becker [103], việc lựa chọn từng mô hình phụ thuộc vào mục đích, đối tượng, tình
hình số liệu và các điều kiện tự nhiên của lãnh thổ nghiên cứu (Bảng 1.2)
Bảng 1.2. Mục đích và đối tượng ứng dụng các mô hình thuỷ văn tất định
STT Mục đích đối tượng ứng dụng mô
hình (các bài toán thực tiến)
Bước
thời gian
Xấp xỉ không gian
1 Kế hoạch hoá về sử dụng và quản lý
nguồn nước, bao gồm việc lập kế
hoạch, chiến lược phát triển
1 tháng,
1 tuần
Mô hình thông số tập trung
hoặc mô hình phân phối theo
tiểu vùng thuỷ văn
2 Đánh giá tác động sự biến đổi sử
dụng đất quy mô vừa đến dòng chảy,
Mô hình thông số tập trung
hoặc thông số dải
8 Phân tích tác nghiệp, dự báo ngắn
hạn
1-6 giờ,
1 ngày
Mô hình
thông số tập trung
hoặc thông số dải
Nguồn (A. Becker [103]
23
Về cấu trúc, các mô hình thuỷ văn tất định đơn giản hay phức tạp gồm các
bài toán thành phần sau:
- Diễn toán dòng chảy thường dựa trên cơ sở hệ phương trình bảo toàn và
chuyển động của chất lỏng [2, 31, 46, 111, 118, 164, 166 -169].
- Tính lượng mưa sinh dòng chảy (hay còn gọi là lượng mưa hiệu quả hoặc
dòng chảy tràn) có thể được ước tính thông qua phương trình khuyếch tán ẩm,
phương trình Boussinerq [10, 48, 167], phương pháp lý luận - thực nghiệm của
Alechsseep [161], các phương trình thấm của Green-Ampt, Horton, Phillip [111],
phương pháp SCS [111, 107, 138, 141, 149], phương trình cân bằng nước [81, 82]
hoặc phương pháp hệ số dòng chảy [20, 58, 165].
- Cấu trúc tầng của mô hình (hay là các bể tuyến tính - phản ánh cơ chế hình
thành dòng chảy trên lưu vực, dòng chảy mặt, dòng chảy ngầm,...) đã được trình bày
khá đầy đủ trong nhiều công trình trong [31] và ngoài nước, [111, 163, 169]
- Xác định bộ thông số của mô hình được lựa chọn qua kinh nghiệm thực tiễn
từ nguồn số liệu sẵn có hoặc dựa trên cơ sở các phương pháp giải các bài toán
ngược, thử sai và tối ưu hoá [31,118, 152, 171].
Từ năm 1935, Horton [dẫn trong 111] đã chỉ ra rằng, trong cơ chế hình thành
dòng chảy, cường độ mưa vượt thấm là điều kiện cơ bản của sự hình thành dòng
chảy mặt. Hàm lượng nước trong tầng đất thoáng khí vượt lượng nước đồng ruộng là
Việc ứng dụng các lý thuyết về cơ chế hình thành dòng chảy để mô hình hoá
các quá trình thuỷ văn cũng rất đa dạng. Nhiều tác giả chỉ mô phỏng dòng chảy mặt
và dòng chảy ngầm. Một số khác lại mô phỏng đủ cả dòng chảy mặt, sát mặt, dòng
chảy ngầm, dòng chảy tầng sâu,... Tuy nhiên, dù xuất phát từ nhiều mục đích và lập
luận khác nhau để xây dựng các mô hình toán mô phỏng quá trình mưa dòng chảy,
nhưng tất cả đều thống nhất ở chỗ là cần tập trung mô tả hai quá trình chính: quá
trình thấm và quá trình vận chuyển nước trên lưu vực. Tùy vào mục đích khai thác,
sử dụng mà mô hình có thể phát triển hoặc theo hướng (1) nghiên cứu chi tiết hóa
Copyright: Tài liệu đại học ©