Bài giảng Dự báo thủy văn

Trang 8 Nedbứr Afstrứmnings Model = Mụ hỡnh mưa – dũng chảyMụ hỡnh NAM là mụ hỡnh thuỷ văn mụ phỏng quỏ trỡnh mưa –dũng chảy diễn ra trờn lưu vực.Là một mụ hỡnh toỏn thủy văn, mụ hỡnh

Sau một trận mưa rơi trên lưu vực, kết quả tại mặt cắt cửa ra ta thu được quá trình lưu lượng, là kết quả tổng hợp của nhiều quá trình xảy ra đồng thời Như vậy từ khi

có mưa rơi xuống đến khi có lượng dòng chảy ở mặt cắt cửa ra đã xảy ra các quá trình

1 Quá trình mưa

2 Quá trình tổn thất

3 Quá trình hình thành dòng chảy trên sườn dốc

4 Quá trình tập trung nước trên sườn dốc và trong sông

1 Quá trình mưa

Mưa là một quá trình quan trọng đóng vai trò chính trong sự hình thành dòng chảy trên lưu vực Lượng mưa và quá trình mưa quyết định lưu lượng và quá trình dòng chảy

2 Quá trình tổn thất

Tổn thất cũng là một quá trình phức tạp, nhiều thành phần và chịu ảnh hưởng của nhiều nhân tố khác nhau Tổn thất bao gồm các thành phần sau:

1) Tổn thất tích đọng: gồm tổn thất tích đọng bề mặt và

tổn thất tích đọng trong điền trũng

2) Tổn thất do thấm: là tổn thất lớn nhất, nó chiếm phần

lớn tổn thất lưu vực khi mưa xảy ra.

3) Tổn thất bốc hơi: bao gồm bốc hơi mặt đất, mặt nước

và bốc thoát hơi nước thực vật.

3 Quá trình tập trung nước trên sườn dốc và trong sông

Tốc độ chảy trên sườn dốc phụ thuộc vào các yếu tố như:

1) Lớp dòng chảy sườn dốc (lớp nước mưa hiệu quả) 2) Độ dốc sườn dốc

3) Độ nhám sườn dốc

RAINFALL POTENTIAL EVAPORATION

MODEL PARAMETERS

RUNOFF COMPONENTS EVAPORATION

RECHARGE

 Nedbør Afstrømnings Model = Mô hình mưa – dòng chảy

dòng chảy diễn ra trên lưu vực.

hợp các biểu thức toán học đơn gian để mô phỏng các quá trình trong chu trình thuỷ văn.

trung.

thương mại MIKE 11 do Viện Thủy lực Đan Mạch xây dựng và

thông qua việc tính toán cân bằng nước ở bốn bể chứa thẳng đứng, có tác dụng qua lại lẫn nhau để diễn tả các tính chất vật lý của lưu vực Các bể chứa đó gồm:

(chi áp dụng cho vùng có tuyết Kết quả đầu ra của mô hình là dòng chảy trên lưu vực, mực nước ngầm, và các thông tin khác trong chu trình thuỷ văn, như sự thay đổi tạm thời của độ ẩm của đất và khả năng

bổ xung nước ngầm Dòng chảy lưu vực được phân một cách gần đúng

Time area method

Fast response component

Non-linear reservoir method Overland flow

Slow response component

Interflow

Actual evapotrans- piration

0 độ C, còn nếu nhiệt độ lớn hơn 0 độ C thì nó sẽ chuyển xuống bể chứa mặt:

0

TEMP khi

TEMP khi

TEMP CSNOW

Q melt

 Lượng ẩm trữ trên bể mặt của thực vật, cũng như lượng nước điền trũng trên bề mặt lưu vực được đặc trưng bởi lượng trữ bề mặt Umax đặc trưng cho giới hạn trữ nước tối đa của bể này.

thoát theo phương nằm ngang (dòng chảy sát mặt) Khi lượng nước này vượt quá ngưỡng Umax, thì một phần của lượng nước vượt ngưỡng, PN này sẽ chảy vào suối dưới dạng dòng chảy tràn bề mặt,

 c Bể sát mặt hoặc bể tầng rễ cây

này có thể chứa.

L L phụ thuộc vào lượng tổn thất thoát hơi của thực vật Lượng ẩm này cũng ảnh hưởng đến lượng nước sẽ đi xuống

d Bốc thoát hơi

Nhu cầu bốc thoát hơi nước trước tiên là để thoả mãn tốc độ bốc thoát hơi tiềm năng của bể chứa mặt Nếu lượng ẩm U trong bể chứa mặt nhỏ hơn nhu cầu này, thì nó sẽ lấy ẩm từ tầng rễ cây theo tốc độ Ea Ea là tỷ lệ với lượng bốc thoát hơi tiềm năng Ep:

max

/ L L

E

Khi bể chứa mặt tràn nước, U  Umax, thì lượng nước vượt ngưỡng PN sẽ hình thành dòng chảy mặt và thấm xuống dưới QOF

là một phần của PN, tham gia hình thành dòng chảy mặt, nó tỉ lệ thuận với PN và thay đổi tuyến tính với lượng ẩm tương đối, L/Lmax, của tầng rễ cây:

TOF là ngưỡng của dòng chảy mặt (0  TOF  1) Phần còn lại của PN sẽ thấm xuống tầng dưới Một phần DL của phần nước thấm xuống này, (PN-QOF), sẽ làm tăng lượng ẩm L

L khi

TOF L

L khi P TOF

TOF L

L CQOF

max

maxmax

/ 0

/ 1

/

f Dòng chảy sát mặt

Dòng chảy sát mặt, QIF, được giả thiết tỉ lệ thuận với U và biến đổi tuyến tính với độ ẩm tương đối của bể chứa tầng rễ cây

Trong đó: CKIF là hằng số thời gian của dòng chảy sát mặt

TIF là giá trị ngưỡng của dòng chảy sát mặt (0  TIF  1)

Bể chứa tấng sát mặt biểu thị lượng nước có trong tầng rễ cây Lượng mưa hiệu quả sau khi trừ đi lượng nước tạo dòng chảy mặt, lượng nước

bổ xung cho tầng ngầm, sẽ bổ sung và làm tăng độ ẩm của đất ở tầng rễ cây L bằng một lượng DL

i Diễn toán dòng chảy mặt và dòng chảy sát mặt

Dòng chảy mặt và dòng chảy sát mặt sẽ được diễn toán thông qua 2 bể chứa tuyến tính theo chuỗi thời gian với hằng số thời gian CK1 và CK2.

G QOF

P

k Diễn toán dòng chảy ngầm

Dòng chảy ngầm được diễn toán thông qua một bể chứa tuyến tính với hằng số thời gian CKBF.

e BF

e G

24 1

24

) 1



Mô hình NAM đơn bao gồm 9 thông số cần được hiệu chỉnh (xem Bảng 2.3)

Bảng 2.3: Các thông số hiệu chỉnh của mô hình NAM

L max lượng nước tối đa trong bể chứa tầng rễ cây L max có thể

gọi là lượng ẩm tối đa của tầng rễ cây để thực vật có thể hút để thoat hơi nước

U max Lượng nước tối đa trong bể chứa mặt Lượng trữ này có

thể gọi là lượng nước để điền trũng, rơi trên mặt thực vật,

và chứa trong vài Cm của bề mặt của đất

CQOF Hệ số dòng chảy mặt (0  CQOF  1) CQOF quyết định

sự phân phối của mưa hiệu quả cho dòng chảy ngầm và thấm

TOF Giá trị ngưỡng của dòng chảy mặt (0  TOF  1) Dòng

chảy mặt chỉ hình thành khi lượng ẩm tương đối của đất ở tầng rễ cây lớn hơn TOF

TIF Giá trị ngưỡng của dòng chảy sát mặt (0  TOF  1)

Dòng chảy sát mặt chỉ được hình thành khi chỉ số ẩm tương đối của tầng rễ cây lớn hơn TIF

TG Giá trị ngưỡng của lượng nước bổ sung cho dòng chảy

ngầm (0  TOF  1) Lượng nước bổ sung cho bể chứa ngầm chỉ được hình thành khi chỉ số ẩm tương đối của tầng rễ cây lớn hơn TG

CKIF Hằng số thời gian của dòng chảy sát mặt CKIF cùng với

Umax quyết định dòng chảy sát mặt Nó chi phối thông

số diễn toán dòng chảy sát mặt CKIF >> CK12

CK12 Hằng số thời gian cho diễn toán dòng chảy mặt và sát

mặt Dòng chảy mặt và dòng chảy sát mặt được diễn toán theo các bể chứa tuyến tính theo chuỗi với cùng một hằng

số thời gian CK12

Những điều kiện ban đầu theo yêu cầu của mô hình NAM bao gồm lượng nước trong bể tuyết, bể mặt, bể chứa tầng rễ cây, cùng với những giá trị ban đầu của dòng chảy từ 2 bể chứa tuyến tính cho dòng chảy mặt và sát mặt và dòng chảy ngầm

Thông thường tất cả các giá trị ban đầu có thể lấy bằng 0 trừ lượng nước ở tầng rễ cây và tầng ngầm ước tính những điều kiện ban đầu này có thể lấy từ lần mô phỏng trước đó, ở những năm trước đây, nhưng cần đúng với thời gian bắt đầu mô phỏng mới Trong việc hiệu chỉnh mô hình, thông thường nên bỏ

 Phân phối dòng chảy

1 Giới thiệu mụ hỡnh.

 Lu vực sông là một dãy bể chứa (A, B, C, D) xếp theo chiều

thẳng đứng Mỗi bể chứa có một cửa ra ở đáy và một hoặc một

2 Cấu trỳc mụ hỡnh

A Bể thứ nhất

- Bể chứa thứ nhất có 2 lớp, lớp A 1 biểu thị độ ẩm ở mặt đất và lớp A 2 biểu thị độ ẩm

của lớp đất dưới mặt đất nhưng vẫn có liên hệ với lớp đất phía trên mặt

Giả sử có lượng mưa X m mm/ngày rơi xuống bể A sẽ tạo ra lượng nước ngấm xuống

lớp đất dưới sâu hơn: A 2 tính theo công thức:

C o

A A

Từ bể chứa thứ hai đến bể chứa thứ n của mô hình TANK đều cấu tạo giống nhau

Các bể loại này chỉ có một cửa đáy và một cửa bên, không có cấu tạo truyền ẩm

Từ bể chứa thứ hai trở đi, nước chỉ chảy từ bể trên xuống bể dưới, không chảy ngược

từ bể dưới lên bể trên, cũng không xảy ra hiện tượng bay hơi

2 Cấu trỳc mụ hỡnh

A Bể điều tiết.

- Bể chứa điều tiết có cấu tạo gần giống bể chứa thứ hai nhưng không có cửa đáy, chỉ

có một cửa bên Dòng chảy đi ra khỏi bể chứa điều tiết chính là dòng chảy ở cửa ra của lưu

vực Thuỷ văn: Y dt = dt (X dt - H dt )

- Nếu độ sâu lớp nước tự do trong bể điều tiết cao hơn ngưỡng tràn: X dt > H dt thì từ

bể chứa này có một lớp dòng chảy đi vào sông:

Y dt = dt (X dt - H dt )

- Khi độ sâu lớp nước tự do trong bể điều tiết thấp hơn ngưỡng tràn: X B < H B thì lớp

dòng chảy đi vào sông bằng không: Y dt = 0;

- Phương trình cân bằng nước viết cho bể chứa điều tiết ở cuối thời đoạn tính toán là:

 

X d t i X Y Y

d t i

T C i

d t i

A     

 1, 2, 3, , ,

cd bd

Ad  

E



- Số thông số của mô h ỡ nh TANK đơn gồm 15

thông số cho bể thứ nhất (bể A), 2 thông số cho bể

điều tiết và mỗi bể chứa đặt theo phơng thẳng đứng

(bể B, bể C ) có thêm 3 thông số cho mỗi bể chứa

- Nếu mô h ỡ nh gồm 4 bể chứa xếp theo phơng

Mô hình TANK kép quan niệm theo phương nằm ngang, lưu vực cũng có nhiều bể

chứa xếp liên tiếp như phương thẳng đứng Chẳng hạn có m bể chứa theo phương nằm

ngang, n bể chứa theo phương thẳng đứng, toàn lưu vực sẽ được mô tả bởi (n m) bể chứa

Vành đai 1

Vành đai 2 Vành đai 3

- Chú ý rằng theo phương nằm ngang, mỗi bể chứa chỉ có 1 cửa đáy và 1 hoặc nhiều

cửa bên, nhưng các cửa bên chỉ hướng về phía sông

- Trong mo hinh TANK kep lượng ẩm chỉ truyền từ vành đai cao xuống vành đai

thấp gần sông chứ không có trường hợp ngược lại

- phương trình cân bằng lớp nước tự do viết cho bể chứa thứ nhất thuộc vành đai thứ

nhất là

XA1[i] = XA1[i-1] + XM1[i] - E1[i] - T11[i] - YA1[i] - Yad1[i]

4 Mụ hỡnh TANK kộp.

- Phơng trình cân bằng nớc viết cho bể chứa thứ nhất thuộc vành đai

thứ hai ngoài lợng nhập do ma: XM2[i] còn có thêm lợng nhập từ

dòng chảy tràn trên mặt đất do bể chứa thứ nhất (bể A) thuộc vành

đai thứ nhất cung cấp:

XA2[i] = XA2[i-1] + XM2[i] + YA1[i]* - E2[i] - T12[i] - YA2[i] - Yad2[i]

Trong đó YA1[i]* - chiều sâu lớp nớc trên vành đai thứ hai do lợng

nớc chảy tràn trên mặt đất từ bể A thuộc vành đai thứ nhất chảy

vào vành đai thứ hai.

- Tơng tự nh vậy lối ra ở vành đai thứ hai trở thành lối vào của vành

đai thứ ba, cứ nh vậy cho tới vành đai cuối cùng chính là dòng

chảy đi vào sông

- Khi tính toán ta không cần biết vị trí chính xác của từng vành đai

trên lu vực mà chỉ ớc lợng diện tích từng vành đai so với diện tích

b Tổn thất bốc thoát hơi nớc (EVT):

Tính theo cách hiệu chỉnh từ bốc hơi mặt nớc thực đo (E):

n

1 i i i

W

W P P

+ Khi phần trên bão hoà ẩm, có lớp nớc tự do trên mặt đất

(XA>0) mà phần dới bể A cha bão hoà có sự truyền ẩm từ trên

xuống dới với tốc độ T1:

+ Khi phần trên cha bão hoà ẩm (XA1<CA1) và phần dới bão

hoà ẩm (XA2= CA2) thỡ có sự truyền ẩm lên theo tốc độ T2tính

theo công thức:

Trong đó: C0, C, b0, b là các hệ số truyền ẩm có thể lấy theo

kinh nghiệm hoặc xác định theo thử sai.

) 1

(

2

2

0 1

A

AC

X C

C

) 1

(

1

1 0

b

c Tính toán truyền ẩm.

• Cõn bằng ẩm trong lớp đất phớa trờn A 1 :

X A1 [i] = X A1 [i-1] - E[i] + T 2 [i] - T 1 [i]

• Cõn bằng ẩm trong lớp đất phớa dưới A 2:

X A2 [i] = X A2 [i-1] + T 1 [i] - T 2 [i]

c Tính toán truyền ẩm.

5 Ứng dụng mô hình TANK

a Trong phân tích tính toán thủy văn

– Phân phối dòng chảy

c Kéo dài số liệu dòng chảy

- Phục hồi số liệu bị thiếu

- Cơ sở xác định các giá trị cực đoan

d Dự báo dòng chảy kiệt

- Phục vụ tưới

- Quản lý chất lượng nước

Ứng dụng mô hình TANK trong tính

toán dòng chảy năm thiết kế

• Tính toán xác định số liệu đầu vào

– Tài liệu mưa bình quân lưu vực

– Tài liệu bốc hơi lưu vực

– Chọn tài liệu dòng chảy của các năm có số liệu đo

đạc để xác định và kiểm định thông số mô hình

• Xác định bộ thông số mô hình và kiểm định mô

hình

• Tính toán bổ sung quá trình lưu lượng tại mặt

cắt cửa ra của lưu vực theo mô hình

Bài tập 4

Tại trạm thủy văn A số liệu quan trắc dòng

chảy trong những năm cuối bị gián đoạn

Hãy ứng dụng mô hình TANK để giải

quyết bài toán sau:

– Từ tài liệu thực đo, hãy xác định bộ thông số

của mô hình

– Bổ sung số liệu dòng chảy cho những năm

không có số liệu thực đo.

– Tính phân phối dòng chảy trong năm

Các quá trình vật lý xảy ra trên lưu vực

1 Dòng chảy từ tầng trên Yad

2 Dòng chảy qua cửa bên và cửa đáy

Bể C: tương tự

Giới thiệu chung về HEC-HMS

 Lịch sử phát triển của mô hình HEC-HMS

 Cấu trúc của chương trình

 Các Phương pháp tính toán mưa

 Các phương pháp tính lũ đơn vị

 Các phương pháp diễn toán dòng chảy

 Hiển thị kết quả tính toán

 Hướng dẫn sử dụng HEC-HMS 3.01

1 Lịch sử về mô hình HEC-1 Và HEC-HMS

 Các modun đơn lẻ của HEC-1 được xây dựng 1967

 HEC-HMS – là phiên bản nâng cao của HEC1 với

giao diện sử dụng thân thiện

1 Lịch sử về mô hình HEC-1 Và HEC-HMS

 Mục đích cải tiến HEC 1 thành HEC-HMS

 Cải thiện giao diện, đồ hoạ, và in ấn báo cáo

 Cải thiện các phương pháp tính toán thuỷ văn

 Tích hợp những phương pháp tính toán thuỷ

văn tương tự vào 1 phần mềm

 Tầm quan trọng của HEC-HMS

 Là phần mềm tính toán thuỷ văn cơ bản

 Thay thế chương trình HEC-1

1 Lịch sử về mô hình HEC-1 Và HEC-HMS

Những cải tiến của HEC-HMS cho đến phiên bản 3.01

 Dễ sử dụng

 Các dự án đều được chia thành 3 modun

 Người dùng có thể chạy các dự án với các thông số khác

nhau mà không phải tạo các dự án mới

 dữ liệu thủy văn được lưu trữ trong các file trong cơ sở

dữ liệu DSS

 Có khả năng xử lý và sử dụng các dữ liệu mưa dạng lưới

(gridded precipitation)

 Có khả năng chuyển đổi dữ liệu của HEC1 sang HMS files

 HEC-HMS 3.01 bổ sung thêm các chức năng của hồ chứa, cải

1 Lịch sử về mô hình HEC-1 Và HEC-HMS

Lấy phần mềm HEC-HMS ở đâu?

http://www.wrc-hec.usace.army.mil

“Public Domain” Program

No Copyright on Software

No Copyright on HEC Documentation

2 Cấu trúc của chương trình HEC-HMS

Main project screen

(cửa sổ chính của dự án)

Tất cả các thông tin, dữ liệu đều được đưa vào và

2 Cấu trúc của chương trình HEC-HMS

3 Phần hợp phần chính

Basin model (mô hình lưu

vực): chứa các yếu tố của lưu vực, liên kết và các thông số của dòng chảy

Meteorologic Model (mô hình

2 Cấu trúc của chương trình HEC-HMS

khác nhau của 3 mô hình

trên để thấy được những

ảnh hưởng của các thông số

đến từng lưu vực

2 Cấu trúc của chương trình HEC-HMS

Basin Model

 Có giao diện rất thân

thiện

 Click vào các yếu tố ở bên

trên để đưa chúng vào

trong khu vực nghiên cứu

2 Cấu trúc của chương trình HEC-HMS

Basin Model Elements

(các yếu tố của mô hình lưu vực)

 subbasins- Chứa dữ liệu về lưu vực con (tổn thất, Phương

pháp chuyển đổi lũ đơn vị, dòng chảy ngầm)

 reaches- kết nối những yếu tố cùng với dữ liệu diễn toán

dòng chảy

 junctions- điểm kết nối giữa các yếu tố

 reservoirs- tích và xả nước ở một mức ấn định trước

(quan hệ dung tích và lưu lượng xả)

 sinks- có dòng chảy vào nhưng không có dòng chảy ra

2 Cấu trúc của chương trình HEC-HMS

Các thông số của mô hình lưu vực

Tuỳ thuộc vào việc lựa chọn các phương pháp khác nhau

để tính

1 tổn thất

2 chuyển mưa hiệu quả thành dòng chảy,

3 phương pháp diễn toán dòng chảy,

4 nước ngầm

2 Cấu trúc của chương trình HEC-HMS

Các thông số của mô hình lưu vực (tiếp)

Tuỳ thuộc vào việc lựa chọn các phương pháp khác nhau

để tính

1 tổn thất

 Green & Ampt

 Initial & constant

 SCS curve no

 Gridded SCS curve no

 Deficit/Constant

 No loss rate

2 Cấu trúc của chương trình HEC-HMS

Các thông số của mô hình lưu vực (tiếp)

Tuỳ thuộc vào việc lựa chọn các phương pháp khác nhau để tính

2 Chuyển mưa hiệu quả thành dòng chảy

 Unit Hydrograph (đường đơn vị)

 Distributed Runoff (dòng chảy phân bố)

 Grid-Based Transformation (chuyển đổi dựa trên lưới dữ

2 Cấu trúc của chương trình HEC-HMS

Các thông số của mô hình lưu vực (tiếp)

Các đường lũ đơn vị tổng hợp của HEC- HMS được tính

toán từ đặc tính của lưu vực

 SCS Dimensionless Unit graph

 Clark Unit Hydrograph (TC & R)

 Snyder Unit Hydrograph

 User-Defined Input Unit Hydrograph

 ModClark Unit Hydrograph