-2-

Lời cảm ơn

Luận văn thạc sĩ khoa học "Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán mô phỏng lũ
tràn đồng trên hệ thống sông Hương tỉnh Thừa Thiên Huế" đã được hoàn thành
tại Khoa Khí tượng - Thủy văn - Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự
nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội tháng 6 năm 2008. Trong quá trình học tập,
nghiên cứu và hoàn thành luận văn, tác giả đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ
của thầy cô và đồng nghiệp.
Trước hết, tác giả luận văn xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Nguyễn
Tiền Giang là người trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ trong quá trình nghiên cứu và
hoàn thành luận văn.
Tác giả cũng chân thành cảm ơn TS. Lê Văn Nghị và các đồng nghiệp tại
Viện Khoa học Thủy lợi, Viện Quy hoạch Thủy lợi đã hỗ trợ chuyên môn, thu
thập các tài liệu liên quan để luận văn được hoàn thành. Xin gửi lời cảm ơn sâu
sắc đến PGS. TS. Nguyễn Văn Tuần và GS. TS. Hoàng Tư An đã quan tâm chỉ bảo
trong suốt quá trình làm luận văn.
Trong khuôn khổ của luận văn, do thời gian và điều kiện hạn chế nên không
tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy, tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng
góp quý báu của độc giả và những người quan tâm.

Tác giả
1.4. Nhận xét .................................................................................................32
Chương 2. Tổng quan về lưu vực sông Hương
................................................... 34
2.1. Đặc điểm địa lý tự nhiên lưu vực.............................................................34
2.1.1. Vị trí địa lý.......................................................................................34
2.1.2. Đặc điểm địa hình.............................................................................35
2.1.3. Đặc điểm địa chất.............................................................................39
2.1.4. Thảm phủ thực vật ............................................................................40
2.1.5. Đặc điểm khí tượng ..........................................................................42
2.1.6. Đặc điểm thủy văn............................................................................47
2.2. Tình hình mưa - lũ trên hệ thống sông Hương .........................................52
2.2.1. Mưa lũ và các hình thế thời tiết gây mưa lũ lớn.................................52
2.2.2. Tổ hợp mưa lũ trên 3 nhánh sông......................................................53
2.2.3. Đặc điểm dòng chảy lũ.....................................................................55
-4-
2.3. Các công trình tác động đến dòng lũ .......................................................59
2.4. Tình hình dân sinh kinh tế.......................................................................62
2.5. Nhận xét .................................................................................................64
Chương 3. Tính toán thủy lực hệ thống sông Hương
bằng mô hình kết hợp 1 và 2 chiều
.................................................. 65
3.1. Tình hình tài liệu.....................................................................................65
3.1.1. Tài liệu chuỗi thời gian.....................................................................65
3.1.2. Dữ liệu địa hình và không gian .........................................................67
3.2. Thiết lập mô hình một chiều MIKE 11 ....................................................69
3.2.1. Phạm vi mô phỏng MIKE 11 ............................................................69
3.2.2. Thiết lập mô hình thủy lực mạng sông ..............................................71
3.2.3. Mô phỏng, hiệu chỉnh sơ bộ..............................................................75
3.3. Thiết lập biên trên cho mô hình MIKE 11 ...............................................78
3.3.1. Phân chia lưu vực..............................................................................78

Bảng 2.1.2. Lượng mưa lớn nhất năm 1999
............................................................ 46
Bảng 2.1.3. Thống kê số trận bão đổ bộ vào Việt Nam từ năm 1891 đến 1999
... 46
Bảng 2.1.4. Các đặc trưng thủy văn tại một số tuyến quan trắc
............................. 48
Bảng 2.1.5. Diện tích úng ngập tại Thừa Thiên Huế một số năm
.......................... 49
Bảng 2.2.1. Chênh lệch thời gian xuất hiện các trận mưa lũ lớn nhất hàng năm
của 3 trạm mưa đại biểu
....................................................................... 54
Bảng 2.2.2. Thống kê mực nước lũ các năm tại Thừa Thiên Huế
.......................... 57
Bảng 2.2.3. Lưu lượng lũ lớn nhất chính vụ trên sông Hương
............................... 57
Bảng 2.2.4. Lũ tiểu mãn thực đo trên sông Hương
................................................. 58
Bảng 2.2.5. Mực nước lớn nhất trên sông Hương qua các trận lũ lớn
................... 58
Bảng 2.2.6. Mực nước lũ lớn nhất dọc sông Hương
............................................... 58
Bảng 2.3.1. Thông số của một số công trình trên hệ thống
.................................... 62
Bảng 3.1.1. Các trạm quan trắc khí tượng
............................................................... 65
Bảng 3.1.2. Các trạm quan trắc thủy văn
................................................................ 66
Bảng 3.2.1. Thông số mạng lưới sông tính toán
..................................................... 71
Bảng 3.2.2. Thống kê mặt cắt trên hệ thống

Bảng 3.6.2. Giá trị mực nước và lưu lượng lũ lớn nhất tại một số vị trí
.............. 105
Bảng 3.6.3. Chỉ tiêu đánh giá sai số giữa thực đo và tính toán
tại trạm Phú ốc trên sông Bồ
............................................................. 106
Bảng 3.6.4. Chỉ tiêu đánh giá sai số giữa thực đo và tính toán
tại trạm Kim Long trên sông Hương
................................................. 106
Bảng 3.6.5. Kết quả tính toán mực nước lũ lớn nhất tại một số vị trí
.................. 111

-7-

Danh mục Hình
Trang

Hình 1.1.1. Cấu trúc mô hình NAM ..................................................................16
Hình 1.2.1. Bảo toàn khối lượng ........................................................................22
Hình 1.2.2. Sơ đồ kết nối chuẩn.........................................................................26
Hình 1.2.3. Sơ đồ kết nối hai bên.......................................................................27
Hình 1.2.4. Sơ đồ kết nối công trình ..................................................................27
Hình 2.1.1. Vị trí địa lý vùng nghiên cứu...........................................................34
Hình 2.1.2. Bản đồ địa hình tỉnh Thừa Thiên Huế..............................................36
Hình 2.1.3. Địa hình tỉnh Thừa Thiên Huế nhìn từ hạ lưu ..................................36
Hình 2.1.4. Đường đẳng trị lượng mưa bình quân năm lưu vực sông Hương ......45
Hình 3.1.1. Vị trí các trạm khí tượng - thủy văn.................................................66
Hình 3.1.2. Mô hình cao độ số (DEM) độ phân giải 90 m 90 m......................67
Hình 3.1.3. Số liệu mặt cắt năm 1999 trên sông Bồ tại vị trí 2.010.....................68
Hình 3.1.4. Địa hình vùng đồng bằng sông Hương ............................................68
Hình 3.1.5. Bình đồ đầm phá và cửa biển...........................................................68

trên sông Hương .............................................................................97
Hình 3.5.5. Mực nước thực đo và tính toán tại trạm Bình Điền
trên sông Hữu Trạch .......................................................................97
Hình 3.5.6. Phạm vi ngập lụt lớn nhất lúc 20h00 ngày 26/11/2004 ....................98
Hình 3.5.7. Trường vận tốc chi tiết tại cửa Thuận An và ngã ba Sình
lúc 20h00 ngày 26/11....................................................................101
Hình 3.6.1. Kết quả mô phỏng từ mô hình NAM với trận lũ tháng 11/1999 .....103
Hình 3.6.2. Mực nước thực đo và tính toán tại trạm Phú ốc trên sông Bồ ........104
Hình 3.6.3. Mực nước thực đo và tính toán tại trạm Kim Long
trên sông Hương ...........................................................................104
Hình 3.6.4. Trường vận tốc tại ngã ba Sình lúc 15h00 ngày 02/11/1999...........107
Hình 3.6.5. Phạm vi ngập lụt lớn nhất lúc 10h00 ngày 03/11/1999 ..................108
Hình 3.6.6. Diễn biến ngập lụt trên hệ thống sông Hương................................109
Hình 3.6.7. Phạm vi ngập lụt lúc 03h00 ngày 06/11/1999................................110
Hình 3.6.8. ảnh vệ tinh ngày 06/11/1999 ........................................................110
-9-

Mở đầu
1. Đặt vấn đề
Trong lịch sử tồn tại và phát triển của dân tộc ta, lũ lụt luôn là mối đe dọa
hàng đầu và đã gây ra nhiều thiệt hại về người và của. Cùng với sự tăng trưởng
của các ngành kinh tế, đòi hỏi mức độ an toàn chống lũ lụt ngày càng cao và hạn
chế tối đa thiệt hại.
Hệ thống sông Hương - tỉnh Thừa Thiên Huế bắt nguồn từ phía Đông dãy
Trường Sơn và núi Bạch Mã, dòng chính chảy theo hướng Nam - Bắc đổ ra biển
thông qua cửa Thuận An và Tư Hiền. Lưu vực tập trung tới 70% dân số và chiếm
tới 90% tổng sản phẩm hàng năm của cả tỉnh. Thành phố Huế nằm ở trung tâm
của lưu vực, đây là trung tâm kinh tế, văn hóa, chính trị và là một trong những
trung tâm du lịch lớn nhất cả nước.
Trong quá trình phát triển kinh tế - xã hội, việc khai thác tổng hợp tài

FLOOD kết hợp 1 và 2 chiều.
-11-

Chương 1
Tổng quan về các mô hình
và những nghiên cứu trước đây
1.1. Một số mô hình mưa rào - dòng chảy thông dụng
Mô hình hệ thống thủy văn có thể là mô hình vật lý, mô hình tương tự hay
mô hình toán học. Mô hình vật lý bao gồm các mô hình tỷ lệ tức là các mô hình
biểu thị hệ thống thật dưới dạng thu nhỏ như mô hình thủy lực của đập tràn. Mô
hình tương tự là một mô hình vật lý khác có tính chất tương tự như mô hình
nguyên thể, ví dụ như mô hình tương tự điện trong thủy lực.
Mô hình toán học miêu tả hệ thống dưới dạng toán học. Mô hình toán học là
tập hợp các phương trình toán học, các mệnh đề logic thể hiện các quan hệ giữa
các biến và các thông số của mô hình để mô phỏng hệ thống tự nhiên hay nói
cách khác mô hình toán học là một hệ thống biến đổi đầu vào (hình dạng, điều
kiện biên, lực v.v...) thành đầu ra (tốc độ dòng chảy, mực nước, lưu lượng v.v...).
Các mô hình thủy văn có thể được dùng để xác định điều kiện biên cho mô
hình thủy lực. Trong thủy văn có nhiều dạng hàm tập trung nước và có nhiều
phương pháp xây dựng nó. Phương pháp chảy đẳng thời dựa vào tốc độ chảy biến
đổi để xác định diện tích chảy đằng thời, từ đó xác định được đường tập trung
nước. Phương pháp đường lưu lượng đơn vị lần đầu tiên do Sherman đề nghị, sau
đó được nhiều tác giả phát triển và hoàn thiện. Đường tập trung nước của Kalinin
- Miliukov và đường đơn vị Nash đều xem sự điều tiết trong sông hay trong lưu
vực tương đương với sự điều tiết của một hệ thống hồ chứa tuyến tính đồng nhất.
Từ giả thiết đó, tuy bước đi và cách giải quyết cụ thể có khác nhau, nhưng cả hai
đều dẫn tới đường tập trung nước có dạng tương tự dạng hàm Gamma. Một số
dạng đường đơn vị tổng hợp như Snyder, SCS, Clark... được nghiên cứu xây dựng
để tính toán cho lưu vực không có tài liệu quan trắc dòng chảy.
1.1.1. Mô hình đường đơn vị

chảy. Có 3 dạng đường thường dùng là Snyder; Clark và SCS.
- Đường đơn vị tổng hợp Snyder: Phương pháp do Snyder đề xuất năm 1938
dựa theo mối quan hệ giữa các đặc trưng hình dạng của một đường quá trình
đơn vị chuẩn. Các đặc trưng của đường đơn vị cần xác định đối với thời gian
mưa hiệu quả cho trước là: thời gian trễ T
p
; lưu lượng đỉnh trên một đơn vị
diện tích của lưu vực q
p
; độ dài thời gian đáy t
b
và các chiều rộng W của
đường quá trình tại các tung độ bằng 50%; 75%... của lưu lượng đỉnh. Sử dụng
các đặc trưng này có thể xác định được đường quá trình đơn vị theo yêu cầu.
- Đường quá trình đơn vị Clark: Phương pháp này được đề xuất năm 1945,
đòi hỏi phải xác định 3 yếu tố làm cơ sở cho tính toán đường đơn vị, đó là
thời gian tập trung dòng chảy T
c
; hệ số lượng trữ R và đường quan hệ thời
gian ~ diện tích lưu vực.
-13-
- Đường đơn vị không thứ nguyên SCS: Phương pháp do Cơ quan Bảo vệ thổ
nhưỡng Hoa Kỳ đề xuất năm 1972, cho phép tính đường đơn vị thông qua
các đặc trưng lưu vực và giới hạn giữ nước tối đa trên lưu vực được tính từ
phương pháp đường cong SCS. Phương pháp này đơn giản và đã được áp
dụng cho nhiều lưu vực sông suối ở nước ta.
1.1.2. Mô hình TANK
Mô hình TANK ra đời năm 1956 tại trung tâm quốc gia phòng chống lũ lụt
Nhật, tác giả là M. Sugawar. Lưu vực được mô tả như một chuỗi các bể chứa sắp
xếp theo hai phương thẳng đứng và nằm ngang. Giả thiết cơ bản của mô hình:

-14-
+ Mô hình TANK kép: xét đến sự biến đổi độ ẩm của đất theo không gian.
Lưu vực được chia thành các vành đai có độ ẩm khác nhau. Một vành đai
được diễn tả bằng một mô hình TANK đơn. Về nguyên tắc số lượng vành
đai có thể bất kỳ. Nhưng trong thực tế tính toán thường lấy 4 vành đai mỗi
vành đai có 4 bể, tổng cộng toàn mô hình có 16 bể chứa.
Với sự mô phỏng này, trên toàn lưu vực có những phần ẩm, phần khô biến
đổi theo quy luật nhất định. Khi mưa bắt đầu, phần lưu vực ẩm ướt sẽ phát triển từ
khu hẹp ven sông lan dần đến những vùng cao hơn theo thứ tự S
4
, S
3
, S
2
, S
1
(trong
đó S
i
biểu thị vành đai thứ i so với toàn lưu vực). Ngược lại, khi mùa khô bắt đầu
do lượng ẩm ướt cung cấp ít dần hoặc không có, lưu vực sẽ khô dần từ những
vành đai cao nhất đến vành đai thấp hơn theo thứ tự S
1
, S
2
, S
3
, S
4
. Trong cấu trúc

Trong đó: T
s
- thời gian trữ nước; Chỉ số trên - vị trí mặt cắt; Chỉ số dưới - thời đoạn.
Như vậy nếu biết được lưu lượng chảy vào trung bình, lưu lượng chảy ra ở
đầu thời đoạn tính toán Q
t
và thời gian trữ nước của hồ T
s
thì có thể tính được lưu
lượng chảy ra ở cuối thời đoạn tính toán Q
2
.
-15-
Các mô hình thành phần trong SSARR gồm có:
+ Mô hình lưu vực.
+ Mô hình dòng chảy trong sông.
+ Mô hình hồ chứa.
+ Mô hình hệ thống sông.
1.1.4. Mô hình NAM
Mô hình thủy văn NAM mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy xảy ra tại
phạm vi lưu vực sông. NAM là một mô đun mưa - dòng chảy (RR) của hệ thống
mô hình sông MIKE 11. Mô đun này có thể áp dụng độc lập hoặc sử dụng để tính
toán cho một hoặc nhiều lưu vực tham gia tạo dòng chảy gia nhập khu giữa vào
một mạng sông. Do đó có thể thực hiện việc tính toán riêng một lưu vực nhỏ hoặc
xử lý một lưu vực lớn có nhiều lưu vực nhỏ và một mạng sông ngòi phức tạp. [15,
19, 22, 44]
NAM là từ viết tắt của tiếng Đan Mạch Nedbor - Afstromnings - Model,
có nghĩa là Mô hình Giáng thủy - Dòng chảy mặt. Mô hình này do Khoa Tài
nguyên nước và Thủy lợi của trường Đại học Đan Mạch xây dựng (Nielsen và
Hansen, 1973).

1.2. Một số mô hình thủy lực thông dụng
Hiện nay, ở nước ta và trên thế giới đang sử dụng nhiều mô hình thủy lực để
tính toán các đặc trưng khác nhau của dòng chảy. Các mô hình được sử dụng
-17-
nhiều nhất và phổ biến nhất là các mô hình toán thủy lực dòng chảy hở một chiều
để xác định lưu lượng Q và mực nước Z trong nhiều bài toán như truyền triều,
truyền lũ... trên hệ thống sông và kênh dẫn. Ngoài ra còn có các mô hình truyền
chất (mặn, phù sa...) trên hệ thống sông, mô hình tính toán thủy lực dòng chảy
xiết trên kênh có độ dốc lớn, mô hình tính thủy lực công trình...
1.2.1. Mô hình VRSAP
Mô hình VRSAP (Vietnam River System And Plains) do cố PGS. TS.
Nguyễn Như Khuê xây dựng từ 1965 đến 1993.

Tiền thân của nó là mô hình
KRSAL, được sử dụng rộng rãi ở nước ta trong khoảng 30 năm trở lại đây. Hiện
nay VRSAP cũng như KRSAL đã có nhiều cải tiến, chủ yếu là ở các thủ tục ra -
vào của chương trình tính, còn phần cốt lõi của của chương trình vẫn giữ nguyên.
Đây là mô hình toán thủy văn - thủy lực của dòng chảy một chiều trên hệ thống
sông ngòi có nối với đồng ruộng và các khu chứa khác. Dòng chảy trong các
đoạn sông được mô tả bằng hệ phương trình Saint-Venant đầy đủ, không bỏ bớt
một vài số hạng như trong một số mô hình khác [7]. Dòng chảy qua các công
trình được mô tả bằng các công thức thủy lực đã biết và được đưa về cùng một số
hạng như phương trình của các đoạn sông. Dòng chảy tràn vào các ô ruộng hay
khu chứa được mô phỏng theo tư tưởng chung của mô hình SOGREAH. Các khu
chứa nước và các ô đồng ruộng trao đổi nước với sông và trao đổi nước với nhau
qua các tràn hay cống điều tiết. Do đó, mô hình đã chia các khu chứa và các ô
đồng ruộng thành hai loại chính. Loại kín trao đổi nước với sông qua cống điều
tiết, loại hở trao đổi nước với sông qua tràn mặt hay trực tiếp gắn với sông như
các khu chứa thông thường.
Mô hình VRSAP cũng xét đến sự gia nhập của mưa trong tính toán thủy lực

B q
x t
(1.2.1)
+ Phương trình động lực: *
c
2
2
*
0
2 3
B ' B
Z 1 Q Z
1 Fr Q
x gA t t
gA
Q
Q A
q J
x
gA gA





B - chiều rộng lòng sông;
B
b
- chiều rộng bãi sông;
q - lưu lượng dòng chảy gia nhập trên một đơn vị dài theo đoạn sông;
J - độ dốc thủy lực, được tính theo công thức tổn thất của dòng chảy ổn định,
2 2
Q Q
J
A C R

;
R - bán kính thủy lực,
A
R
P

;
A - diện tích mặt cắt ướt;
P - chu vi ướt;
C - hệ số Chezy. Nếu tính theo công thức Manning,
1
6
1
C R
n

.
n - hệ số nhám Manning;


+ Phương trình liên tục:

c
A
A Q
q
t t x




(1.2.3)
+ Phương trình động lực: VQ
Q Z
gA J 0
t x x




(1.2.4)
ý nghĩa các đại lượng toán học trong hai phương trình (1.2.3) và (1.2.4)
giống như trong mô hình VRSAP được nêu ở mục 1.2.1. Lưu lượng Q có giá trị
dương nếu dòng chảy xuôi từ mặt cắt trên xuống mặt cắt dưới (theo chiều dương

Mô hình thủy động lực MIKE 11 (HD) là một phần trọng tâm của mô hình
MIKE 11, mô hình cho phép tính thủy lực trên mạng lưới sông, kênh có thể áp
dụng với chế độ sóng động lực hoàn toàn ở cấp độ cao. Trong chế độ này, MIKE
11 có khả năng tính toán với:
- Dòng thay đổi gấp.
- ảnh hưởng thủy triều.
- Sóng lũ.
- Lòng dẫn dốc.
- Thay đổi mặt cắt dòng chảy.
Các công trình được mô phỏng trong MIKE 11 bao gồm:
- Đập (đập tràn đỉnh rộng).
- Cống (Cống hình chữ nhật, hình tròn...).
- Trạm bơm.
- Hồ chứa.
- Công trình điều tiết.
- Cầu.
Hệ phương trình sử dụng trong mô hình là hệ phương trình Saint-Venant
một chiều không gian, với mục đích tìm quy luật diễn biến của mực nước và lưu
lượng dọc theo chiều dài sông hoặc kênh dẫn theo thời gian. Hệ gồm hai phương
trình: phương trình liên tục và phương trình động lượng:
-22-
+ Phương trình liên tục:

Q A
q
x t
(1.2.5)

2
/s);
C - hệ số Chezy,
y
1
C R
n

;
n - hệ số nhám;
R - bán kính thủy lực (m);
y - hệ số, theo Manning y = 1/6;
g - gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s
2
;
- hệ số động lượng.
-23-
Thuật toán và phương pháp giải chung của mô hình MIKE 11 được trình
bày chi tiết trong phần phụ lục (PL.1.2).
1.2.4. Mô hình MIKE 21
Mô hình MIKE 21 là mô hình hai chiều, gồm các mô đun chính:
- Mô đun thủy động lực học (Hydrodynamic): mô phỏng chuyển động của
dòng chảy theo cả không gian và thời gian.
- Mô đun thủy động lực học và truyền tải khuếch tán (Hydrodynamic and
Advection - Dispersion) có mô phỏng thêm sự khuếch tán của các chất.
- Mô đun thủy động lực học và vận chuyển bùn cát (Hydrodynamic and Mud
Transport).
- Mô đun thủy động lực học và ECO Lab.
Với mục đích của đề tài là mô phỏng lũ nên trong luận văn chỉ sử dụng mô
đun thủy động lực học HD để tính toán.


Z p q
0
t x y



(1.2.7)
+ Phương trình động lượng theo chiều x:

2 2
2
2 2
w
gp p q
p p pq Z 1
gh
t x h y h x
C h













a
yy xy y
w
p
h
h h p fVV 0
y x y






(1.2.9)
Trong đó:
h - độ sâu mực nước tại điểm (x, y) tính từ đáy, h = h(x, y, t) (m);
Z - cao trình mực nước (m), Z = Z(x, y, t) (m);

a
= p
a
(x, y, t) (kg/m/s
2
);

w
- mật độ nước (kg/m
3
);
x, y - tọa độ không gian (m);
t - thời gian (s);

xx
,
xy
,
yy
- các thành phần ứng suất tiếp.
Thuật toán chi tiết của mô hình MIKE 21 được trình bày trong phần phụ lục
(PL.1.3).
1.2.5. Mô hình MIKE FLOOD
MIKE FLOOD là một công cụ ghép nối các mô hình một chiều và hai
chiều, nhằm mục đích nghiên cứu kết hợp giữa dòng chảy một và hai chiều. Mô
hình một chiều có thể đưa vào để ghép nối trong MIKE FLOOD gồm mô hình
thủy lực mạng sông MIKE 11 và mô hình tiêu thoát nước đô thị MOUSE; mô
hình hai chiều gồm mô hình lưới chữ nhật (MIKE 21 HD), mô hình lưới cong
(MIKE 21 C) và mô hình lưới tuỳ ý - lưới tam giác (MIKE 21 FM).
Trong luận văn, MIKE FLOOD được sử dụng để ghép nối mô hình mạng

M
ạ
n
g

M
1
1
M
ạ
n
g

M
1
1
M
ạ
n
g

M
1
1
M
ạ
n
g

M