Nghiên cứu mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên đất và nước

Nghiên cứu mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên đất và nước

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

Hà Nội - 2008

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

Chuyên ngành: sử dụng và bảo vệ tài nguyên môi trường

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 cơ sở lý thuyết mô hình mưa – dòng chảy và phương pháp SCS 15

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 15

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 15

1.1.2 Nghiên cứu mưa lũ và tài nguyên nước trên địa bàn nghiên cứu 18

1.2 Cơ sở lý thuyết lớp mô hình toán mưa - dòng chảy 20

1.2.1 Mô hình thủy động lực học 26

1.2.2 Phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng trong mô hình sóng động học một chiều 28

1.3 Phương pháp SCS 39

1.3.1 Giới thiệu phương pháp SCS 39

1.3.2 Phát triển SCS 41

Chương 2 điều kiện địa lý tự nhiên và kinh tế xã hội một số lưu vực thượng nguồn Miền Trung trong mối liên quan với quá trình mưa – dòng chảy 45

2.1 Điều kiện địa lý tự nhiên 45

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

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

3.1 Nâng cao tính ổn định và độ chính xác của phương pháp phần tử hữu hạn mô phỏng không gian – thời gian trong mô hình sóng động học một chiều 68

3.1.1 Các vấn đề về tính ổn định và độ chính xác khi giải phương trình sóng động học bằng phương pháp phần tử hữu hạn 68

3.1.2 Các sơ đồ số để giải phương trình sóng động học 71

3.1.3 Một số thuật toán giải hệ phương trình vi phân phi tuyến tính trong mô hình phần tử hữu hạn sóng động học một chiều 75

3.1.4 Thực nghiệm số, đánh giá độ ổn định, độ chính xác của các sơ đồ số và thuật toán phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng cho mô hình sóng động học một chiều 77

3.2 Hiệu chỉnh phương pháp SCS, nâng cao khả năng mô phỏng lũ trên các lưu vực sông ngòi Miền Trung 80

3.2.1 Sử dụng SCS nâng cao khả năng mô phỏng lưu vực 80

3.2.2 Nâng cao khả năng mô phỏng của phương pháp SCS 82

3.2.3 Thực nghiệm số công thức tính độ sâu tổn thất ban đầu trên một số lưu vực Miền Trung 83

3.3 Xây dựng mô hình mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy đối với một số lưu vực sông thượng nguồn Miền Trung 87

3.3.1 Phân tích và xử lý số liệu 87

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 Khúc–Sơn Giang 105 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 4.2.4 Xây dựng bổ sung hồ chứa trên các lưu vực nghiên cứu, tăng cường khả năng cắt lũ làm giảm mực nước hạ du 118

4.3 Kết quả và thảo luận 121

4.3.1 Về việc phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên nước 121

4.3.2 Về việc phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên đất 122Kết luận và kiến nghị 124Danh MụC CáC CÔNG TRìNH CÔNG Bố LIÊN QUAN TớI LUậN áN 127tài liệu Tham khảo 129phụ lục 147Phụ lục 1 Các bản đồ sử dụng trong luận án 148Phụ lục 2 Các trận lũ dùng để hiệu chỉnh và kiểm định mô phỏng bằng mô hình

KW – 1D 156Phụ lục 3 Kết quả đánh giá các kịch bản sử dụng đất trên các lưu vực bằng mô hình KW – 1D 163Phụ lục 4 Giao diện và các thực đơn chính của phần mềm KW-1D MODEL 175

Lêi cam ®oan

T«i xin cam ®oan ®©y lµ c«ng tr×nh nghiªn cøu cña riªng t«i

C¸c sè liÖu, kÕt qu¶ nªu trong luËn ¸n lµ trung thùc vµ ch­a tõng ®­îc ai c«ng

bè trong bÊt kú c«ng tr×nh nµo kh¸c

NguyÔn Thanh S¬n

Danh mục chữ viết tắt

ACM I, II, III Điều kiện ẩm khô, trung bình và ướt của đất

ANN Mô hình mạng thần kinh nhân tạo (Artificial Neural Network)

ETA Mô hình khí tượng bất thuỷ tĩnh châu Âu (ETA model)

FLOAT Mô hình lan truyền chất ô nhiễm

GDP Tổng giá trị sản phẩm trong nước

GIBSI Bộ mô hình tổng hợp của Canađa (Gestion Intộgrộe des Bassins versants à

l'aide d'un Systốme Informatisộ) GIS Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System)

HMC Trung tâm thuỷ văn Xô viết (Hydro-Metorology Centre)

HRM Mô hình khí tượng khu vực phân giải cao (High Resolution Regional Model) HYDROGIS Mô hình thuỷ văn thuỷ lực của Nguyễn Hữu Nhân

IQQM Mô hình mô phỏng nguồn nước (Integrated Quality and Quantity Model) ISIS Mô hình thuỷ động lực học (Interactive Spectral Interpretation System)

KOD Mô hình thuỷ lực không ổn định của Nguyễn Ân Niên

KW-1D Mô hình sóng động học một chiều

MIKE Bộ mô hình thuỷ lực và thuỷ văn lưu vực của Viện Thuỷ lực Đan Mạch MM5 Mô hình khí tượng quy mô vừa ( The NCAR/PSU 5th Generation Mesoscale

Model) NAM Mô hình dòng chảy của Đan Mạch (Nedbứr-Afrstrứmnings-Model)

ODE Phương trình vi phân thường

QUAL2E Mô hình chất lượng nước (Water Quality version 2E)

RAMS Mô hình khí tượng khu vực của Mỹ (Regional Atmospheric Modeling System) SCS Cục bảo vệ đất (Soil Conservation Service)

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

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 3 2 Kết quả đánh giá mô phỏng lũ theo mô hình sóng động học một chiều 84 phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp SCS sông Vệ - An Chỉ [57] 84

Bảng 3.3 Kết quả đánh giá mô phỏng lũ theo mô hình sóng động học một chiều 85

phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp SCS với Ia = 0.13S 85

Bảng 3.4 Các đặc trưng hình thái lưu vực sông lựa chọn ở Miền Trung 87

Bảng 3.5 Số liệu khí tượng thuỷ văn để mô phỏng lũ trên các lưu vực nghiên cứu 88 Bảng 3.6 Phân tích các lưu vực ra đoạn sông, dải và các phần tử 89

Bảng 3.7 Đánh giá kết quả mô phỏng lũ trên các lưu vực sông nghiên cứu 99

Bảng 4.1 Kết quả đánh giá sai số dự báo lũ với số liệu mưa từ mô hình RAMS 109

Bảng 4.2 ảnh hưởng của lớp phủ đất đô thị đến dòng chảy qua 9 trận lũ trên sông Tả Trạch 111

Bảng 4.3 ảnh hưởng của lớp phủ đất đô thị đến dòng chảy qua 9 trận lũ trên sông Thu Bồn 111

Bảng 4.4 ảnh hưởng của lớp phủ đất đô thị đến dòng chảy qua 3 trận lũ trên sông Trà Khúc 112

Bảng 4.5 ảnh hưởng của lớp phủ đất đô thị đến dòng chảy qua 2 trận lũ trên sông Vệ 112

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

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 2.4 Sử dụng đất lưu vực sông Trà Khúc 53

Hình 2.5 Rừng lưu vực sông Trà Khúc 56

Hình 2.6 Mạng lưới sông lưu vực sông Trà Khúc – trạm Sơn Giang 60

Hình 3.1 Kết quả mô phỏng ( a) v à đánh giá sai số (b) trận lũ từ ngày 25/11/1998 đến ngày 27/11/1998 85

Hình 3.2 So sánh hai phương án (a) hiệu chỉnh SCS và (b) không hiệu chỉnh từ ngày 19/10/2001 đến ngày 20/10/2001 86

Hình 3.3 Lưới phần tử trên lưu vực sông Tả Trạch – trạm Thượng Nhật 90

Hình 3.4 Lưới phần tử trên lưu vực sông Thu Bồn – trạm Nông Sơn 91

Hình 3.5 Lưới phần tử trên lưu vực sông Trà Khúc – trạm Sơn Giang 92

Hình 3.6 Lưới phần tử trên lưu vực sông Vệ – trạm An Chỉ 93

Hình 3.7 Sơ đồ khối của chương trình tính theo mô hình KW-1D 94

Hình 3.8 Mô phỏng trận lũ từ 1h/18/-13h/23/XI/2002 s Tả Trạch – Thượng Nhật 95 Hình 3.9 Kết quả mô phỏng lũ từ 6h/20/X - 6h/24/X/2001 s Tả Trạch - Thượng Nhật 96

Hình 3.10 Mô phỏng trận lũ từ 7h/28/X – 19h/30/X/2000 s Thu Bồn – Nông Sơn 96 Hình 3.11 Mô phỏng trận lũ từ 7h/20/X – 19h/23/X/2001 s Thu Bồn – Nông Sơn 97 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

Hình 4 8 ảnh hưởng của rừng đến dòng chảy trên sông Tả Trạch - Thượng Nhật

trận lũ từ 16h/21đến 4h/23/X/2000 114

Hình 4.9 ảnh hưởng của lớp phủ đất đô thị khi tăng diện tích rừng đến dòng chảy lũ

trên lưu vực sông Tả Trạch - trạm Thượng Nhật, trận lũ 23h/4 đến 10h/6/XII/1999 117

Hình 4.10 Vị trí hồ chứa cắt lũ (dự kiến) trên các lưu vực sông nghiên cứu 119

Mở đầu

1 Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu

Miền Trung là nơi hứng chịu nhiều thiên tai lũ lụt vào loại bậc nhất ở nước

ta Đã có nhiều công trình nghiên cứu giải quyết vấn đề này nhằm góp phần giảm nhẹ những hậu quả do thiên tai lũ lụt gây ra Hướng tích cực nhất là nâng cao hiệu 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

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

lũ từ mưa trong các điều kiện địa lý tự nhiên ở Miền Trung Phạm vi lãnh thổ là một

số lưu vực sông thượng nguồn: Tả Trạch đến Thượng Nhật (đại diện cho các lưu vực phía Bắc Trung Bộ), Thu Bồn đến Nông Sơn, Trà Khúc đến Sơn Giang và Vệ đến An Chỉ (đại diện cho các lưu vực Nam Trung Bộ) đủ điều kiện áp dụng mô hình toán thủy văn đã lựa chọn và cũng là các sông diễn ra lũ ác liệt trong những năm gần đây

4 Những đóng góp mới

1) Phân tích các mô hình toán mưa – dòng chảy và luận giải việc xây dựng một mô hình toán trên cơ sở mô hình sóng động học một chiều (KW - 1D), sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp SCS là thích hợp với các lưu vực sông vùng thượng nguồn ở Miền Trung

2) Nâng cao tính ổn định và độ chính xác của mô hình KW - 1D qua sự nghiên cứu và lựa chọn sơ đồ tính nhằm mô tả chính xác không gian, thời gian bằng

lý luận và thực nghiệm số kết hợp vận dụng, hiệu chỉnh phương pháp SCS để tính thấm, nâng cao khả năng mô phỏng các điều kiện mặt đệm các lưu vực sông vùng thượng nguồn ở Miền Trung

3) Xây dựng được một mô hình toán đủ khả năng dự báo lũ đồng thời là công

cụ tư vấn về việc sử dụng hợp lý tài nguyên nước và đất trên các lưu vực sông Miền Trung, gồm:

a) Triển khai thành công lưới các phần tử cho các lưu vực sông tự nhiên và

bộ thông số của mô hình;

b) Xây dựng chương trình tính và phần mềm để dự báo dòng chảy lũ từ mưa

cũng như phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên nước và đất các lưu vực sông;

c) Định lượng hóa ảnh hưởng của lớp phủ đất đô thị và lớp phủ rừng đến sự hình thành đỉnh và tổng lượng lũ qua các kịch bản sử dụng đất

5 Luận điểm bảo vệ

Luận điểm 1 Kết quả mô phỏng lũ trên một số lưu vực sông thượng nguồn

Miền Trung với độ đảm bảo đạt từ khá đến tốt cho thấy việc lựa chọn và xây dựng mô hình toán trên cơ sở mô hình sóng động học một chiều, phương pháp phần tử

hữu hạn và phương pháp SCS là thích hợp để mô phỏng quá trình mưa – dòng chảy

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

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 03–21, 2004); 2) “ứng dụng mô hình toán diễn toán lũ lưu vực sông Vệ trạm An Chỉ” (QT 04–26, 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 dòng chảy lũ” (Viện KTTV, 2004); 2) “Xây dựng công nghệ dự báo lũ bằng mô hình số thời hạn 3 ngày cho khu vực Trung Bộ Việt Nam” (QGTĐ 04.04, 2006)

8.3 Các tài liệu: (i) khí tượng thủy văn là số liệu trích lũ và mưa từ năm 1998 – 2005 được cung cấp bởi Trung tâm Tư liệu và Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương; (ii) tài liệu mặt đệm là các bản đồ số về địa hình, mạng lưới sông,

đất, sử dụng đất và thảm thực vật năm 1999 các lưu vực sông lấy từ Atlas Việt Nam,

Bộ Khoa học Công nghệ và Môi trường [155] và (iii) các báo cáo chiến lược phát triển kinh tế xã hội các tỉnh

9 Cấu trúc luận án

Luận án có 4 chương cùng với mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, phụ lục:

Chương 1: Tổng quan các nghiên cứu về mưa lũ ở miền trung và cơ sở lý thuyết mô hình mưa – dòng chảy và phương pháp SCS

Chương 2: Điều kiện địa lý tự nhiên và kinh tế xã hội một số lưu vực thượng nguồn Miền Trung trong mối liên quan với quá trình mưa – dòng chảy

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

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

Luận án được hoàn thành tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quóc gia Hà Nội, tác giả xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng Đào tạo Sau

đại học, Phòng Khoa học Công nghệ trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Ban Khoa học Công nghệ Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện về thời gian, kinh phí hỗ trợ qua các đề tài Trong quá trình thực hiện, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy, các cô trong hai khoa: khoa Địa lý và khoa Khí tượng – Thuỷ văn & Hải dương học về sự hỗ trợ chuyên môn và kỹ thuật Đặc biệt, xin bày tỏ sự cảm ơn chân thành

nhất đến tập thể hướng dẫn khoa học: PGS TS Trương Quang Hải và TS Lương Tuấn Anh đã tận tình chỉ đạo và góp ý để tác giả hoàn thành luận án này

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]

Mô hình TANK có xuất xứ từ Nhật Bản, được sử dụng vào những năm cuối của thập kỷ 80 thế kỷ XX ở Việt Nam Sử dụng mô hình TANK khá đa dạng, nhưng thành tựu cơ bản nhất đạt được trong lĩnh vực khôi phục và bổ sung số liệu, là tình trạng hạn chế phổ biến nhất khi nghiên cứu thuỷ văn ở nước ta Mô hình đơn giản,

có ý nghĩa vật lý trực quan, thích hợp với các sông suối vừa và nhỏ [2, 93] Gần đây mô hình còn được sử dụng hiệu quả khi tiến hành dự báo hạn vừa các sông chính ở Bắc Bộ [12, 13, 36, 72]

Mô hình MIKE 11 ra đời cách đây 20 năm ở Đan Mạch là một mô hình tổng hợp thông dụng nhất trên thế giới (có hơn 100 nước sử dụng) với các mô đun về thủy lực, phân tán chất lượng nước, chuyển tải bùn cát, mô phỏng mưa dòng chảy (mô hình NAM), mô hình sinh thái, dự báo lũ, vỡ đập … đã bắt đầu được nghiên cứu và triển khai áp dụng Các mô hình phát triển ở mức độ cao hơn như MIKE 21, MIKE FLOOD để mô phỏng dòng chảy 2 chiều cũng được nghiên cứu, vận dụng

Các mô hình toán có xuất xứ trong nước hiện nay rất ít, có thể kể ra một vài mô hình tiêu biểu như HYDROGIS của Nguyễn Hữu Nhân [43], KOD của Nguyễn

Ân Niên [46, 47] và VRSAP của Nguyễn Như Khuê

Ngày nay, khi thế giới đang đứng trước sự khủng hoảng về nước (cả lượng và chất) trước sức ép về gia tăng dân số và các hoạt động kinh tế, bài toán quy hoạch tài

nguyên nước ngày càng được đề cao Các mô hình toán trong lĩnh vực quản lý tài

nguyên và môi trường nước, vì thế, cũng được phát triển Có thể điểm qua một số mô

hình đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới như sau:

Hệ thống mô hình GIBSI là một hệ thống mô hình tổng hợp quản lý nước cả lượng và chất để kiểm tra hoạt động dùng nước trong các lĩnh vực kinh tế như nông nghiệp, công nghiệp Hệ thống này đang được sử dụng rộng rãi ở Canada gồm các mô đun về thủy văn, về tích hợp dữ liệu viễn thám và GIS, về lan truyền chất hóa học, về xói mòn đất và vận chuyển phù sa và chất lượng nước

Bộ mô hình thuộc Chương trình sử dụng nước WUP của ủy hội sông Mê Công hỗ trợ ra quyết định phân bổ nguồn nước theo các kịch bản sử dụng tài nguyên môi trường gồm 3 mô đun chính (1) – mô hình SWAT để diễn toán quá trình mưa –

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

văn và Môi trường [1, 3, 11, 16, 18, 23, 68-73, 90, 93, 94, 129 - 130], Trung tâm Dự báo Khí tượng Thuỷ văn Trung ương [12, 22, 28, 29, 37-39, 40, 67, 78], Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội và Trường Đại học Thuỷ lợi [41,

50, 53, 50-65, 154] về việc khai thác, ứng dụng các mô hình thủy văn tổng hợp ngày càng chứng tỏ sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và các dự báo viên trong việc áp dụng và khai thác hữu hiệu các mô hình toán vào công nghệ tính toán và dự báo lũ cũng như phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên đất và nước trên các lưu vực sông

1.1.2 Nghiên cứu mưa lũ và tài nguyên nước trên địa bàn nghiên cứu

Miền Trung là vùng có chế độ khí hậu khắc nghiệt, là vùng chuyển tiếp giữa hai miền khí hậu Bắc - Nam [42, 79], là nơi hứng chịu nhiều thiên tai: bão, áp thấp nhiệt đới, nước dâng, lũ lụt và hạn hán với tần suất và cường độ lớn nhất nước ta Lũ lụt xảy ra do ảnh hưởng tổ hợp của các yếu tố nội ngoại sinh cùng với các hoạt động kinh tế xã hội của con người trên bề mặt lưu vực gây thiệt hại nghiêm trọng về người

và của [15] Chính vì vậy mà Miền Trung là địa bàn được đông đảo giới nghiên cứu khoa học đặc biệt quan tâm

Vấn đề nghiên cứu chế độ mưa lũ Miền Trung, tìm kiếm giải pháp cảnh báo

dự báo lũ luôn là vấn đề thời sự, nhằm góp phần hạn chế những mất mát to lớn do thiên tai lũ lụt gây nên Xuất phát từ những nhiệm vụ cụ thể mà các hướng nghiên cứu trên địa bàn rất đa dạng và phong phú

Đào Đình Bắc, Vũ Văn Phái, Đặng Văn Bào, Nguyễn Hiệu [7, 8, 9, 25] qua nghiên cứu địa mạo đã tìm kiếm các giải pháp phục vụ việc cảnh báo lũ lụt và giảm thiểu thiên tai trên lưu vực sông Thu Bồn Nguyễn Thanh Sơn, Trần Ngọc Anh [51,

54, 135] đã nghiên cứu các diễn biến bồi xói trên đoạn sông Hương chảy qua thành phố Huế Nguyễn Văn Cư [14] đã đánh giá hiện trạng và bước đầu tìm kiếm các nguyên nhân lũ lụt vùng Nam Trung Bộ Cao Đăng Dư đã đề xuất các biện pháp tăng thời gian dự kiến dự báo lũ trên các sông Miền Trung [16] và đưa các phương

án dự báo, cảnh báo lũ trên các sông Trà Khúc và sông Vệ [18, 19] Đặng Ngọc Tĩnh [78] đã đề nghị áp dụng tin học trong dự báo, cảnh báo lũ Miền Trung

Đặc biệt vào năm 1999, khi trên toàn bộ Miền Trung xảy ra trận lũ lịch sử

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

Tuấn Anh, Evelina Harlsson, Karolina Persson [130] dùng mô hình này để phân tích quan hệ mưa - dòng chảy trên lưu vực sông Túy Loan

Tuy đã có khá nhiều công trình nghiên cứu trên địa bàn Miền Trung, nhưng

có thể nhận thấy rằng phần lớn các mô hình dự báo đang được sử dụng là các mô hình có thông số tập trung, thường chỉ diễn toán tốt từ trạm thượng nguồn về hạ lưu, không xét đến sự biến động theo không gian của các yếu tố mặt đệm và phụ thuộc vào điều kiện số liệu quan trắc khí tượng thuỷ văn nên có thời gian dự kiến ngắn làm hạn chế công tác phòng chống lũ Mặt khác, các mô hình ngoại nhập thường là các phần mềm có mã nguồn đóng theo mục đích thương mại nên rất khó cập nhật các

điều kiện Việt Nam khi quá trình khai thác mặt đệm đang diễn ra hết sức phức tạp theo thời gian và không gian Vì lẽ đó, tác giả luận án này mạnh dạn xây dựng một mô hình toán thông số dải, góp phần khắc phục những hạn chế nêu trên trong công tác dự báo lũ cũng như trong việc khai thác sử dụng nước và đất trên các lưu vực sông thượng nguồn ở Miền Trung

1.2 cơ sở lý thuyết lớp mô hình toán mưa - dòng chảy

Việc ứng dụng các công cụ toán học và logic học để xác định các mối liên hệ

định lượng giữa các đặc trưng dòng chảy và các yếu tố hình thành nó là quá trình mô hình hóa các hệ thống thủy văn Các mô hình toán trong hệ thống thủy văn, sử dụng đầu vào là mưa, đầu ra là các đặc trưng của dòng chảy đều thuộc lớp mô hình toán mưa – dòng chảy Xét trên quan điểm hệ thống, các mô hình thuỷ văn thường

có các thành phần chính theo sơ đồ sau: (1) Đầu vào của hệ thống; (2) Hệ thống và (3) Đầu ra của hệ thống [21, 31, 168]

Như vậy, mô hình có thể là ngẫu nhiên, dưới dạng đơn giản có thể biểu diễn bằng các quan hệ thực nghiệm, các kỹ thuật hộp đen, không chú trọng đến cấu trúc bên trong mà chỉ liên kết đầu vào (mưa) và đầu ra (dòng chảy) của hệ thống Mặt khác mô hình có thể là tất định, mô tả các quá trình thủy văn dựa trên các phương trình vật lý – toán và các quan niệm logic về sự hình thành dòng chảy từ mưa

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 km2 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

Mô hình thuỷ động lực học

(Hydro-dynamical models)

Mô hình nhận thức (Conceptual models)

Mô hình hộp đen (Black-box models)

Mô hình thông số dải (Distruibuted models)

Mô hình thông số tập trung (Concentrated models)

Phân phối theo đơn vị diện tích nhỏ (lưới tính km 2 )

Phân phối theo đơn vị diện tích lớn (tiểu vùng thuỷ văn)

Hình 1.1 Phân loại các mô hình thuỷ văn tất định

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,

3 Đánh giá tác động của sự biến đổi

trong sử dụng đất quy mô nhỏ đến

dòng chảy, xói mòn lưu vực,

1 ngày, 1-6 giờ

Mô hình phân phối dải theo lưới tính (thuỷ động lực học)

4 Dự báo hạn vừa, nhất là thời kỳ hạn

hán

1 tháng,

1 tuần

Mô hình thông số tập trung hoặc thông số dải

5 Ngoại suy chuỗi dòng chảy 1 ngày

1 tuần

Mô hình thông số tập trung hoặc thông số dải

6 Xây dựng chiến lược phòng lũ, thiết

kế hồ chứa, hệ thống hồ chứa

1 ngày, 1-6 giờ

Mô hình thông số dải theo tiểu vùng thuỷ văn

7 Tính toán dòng chảy lũ thiết kế 1 ngày,

1-6 giờ

Mô hình thông số tập trung hoặc thông số dải

Nguồn (A Becker [103]

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

điều kiện để sinh dòng chảy ngầm Lý luận về sự hình thành dòng chảy này đã nói

rõ điều kiện hình thành dòng chảy ở tầng đất thoáng khí có cấu tạo đồng nhất nhưng không giải thích được cơ chế hình thành dòng chảy ở tầng đất thoáng khí không

đồng nhất và tầng mặt có cường độ thấm lớn

Năm 1949, trong chuyên khảo "Cơ sở lý thuyết dòng chảy mưa rào" A N

Bephanhi [163] đã đưa ra lý thuyết về sự hình thành dòng chảy sườn dốc Trong đó, dòng chảy sườn dốc được chia ra 4 dạng: dòng vượt thấm, với cường độ mưa lớn hơn cường độ thấm; dòng chảy bão hoà khi lượng mưa rơi vượt quá khả năng chứa thấm; trong một số điều kiện thổ nhưỡng và cấu trúc đất đá nhất định còn hình thành dòng

chảy sát mặt và chảy trong tầng đất đá, diễn ra theo hai cơ chế là dòng chảy bão hoà

và dòng chảy không bão hoà Dòng chảy bão hoà thường xảy ra ở vùng đủ ẩm (X>PET) xuất hiện theo tầng đất như sau:

- Dòng chảy mặt xuất hiện ở tầng mặt của sườn dốc

- Dòng chảy sát mặt (xuất hiện sau dòng chảy mặt và trước dòng chảy ngầm) hình thành trong tầng đất từ bề mặt lưu vực đến tầng ít thấm tương đối (đất tầng này chủ yếu là đất mùn, tơi xốp), tầng đất này còn gọi là tầng rễ cây hoạt động

- Dòng chảy ngầm hình thành từ mặt ít thấm tương đối đến tầng không thấm

Dòng chảy vượt thấm (dòng chảy không bão hoà) thường xuất hiện ở vùng thiếu ẩm hoặc hụt ẩm từng thời kỳ (X<PET) Khi có cường độ mưa lớn, khả năng thấm kém dòng chảy chỉ còn hai thành phần chính là dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm Dòng chảy vượt thấm còn xuất hiện ở các nơi đủ ẩm, nhưng có kết cấu thổ

nhưỡng tầng mặt là tầng ít thấm tương đối Như vậy, theo A N Bephanhi, dòng

chảy sườn dốc có cấu trúc ba tầng đối với cơ chế bão hoà và hai tầng đối với cơ chế vượt thấm Lý thuyết Bephanhi khá hoàn chỉnh về phương diện lý luận Các nghiên

cứu và thực nghiệm của ông và cộng sự [163] trên các bãi thực nghiệm chuẩn đã chứng tỏ điều đó, tuy nhiên vào thời điểm công bố, việc thu thập các dữ liệu quan trắc trên các mạng lưới khí tượng thủy văn chưa thể đáp ứng để triển khai ứng dụng

Các lý luận hiện nay về cơ chế hình thành dòng chảy thường bỏ qua ảnh hưởng của địa hình và kết cấu đất [2], và đó chính là nhược điểm của chúng

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

thêm các quá trình thành phần (làm phức tạp mô hình) hoặc (2) khái quát hóa theo không gian và nhóm tổ hợp các quá trình (đơn giản hóa mô hình)

Các mô hình có tính khái quát hóa cao là các mô hình thông số tập trung, mà

bộ thông số được nhận cho toàn bộ lưu vực hay một vùng lãnh thổ lớn, khi đó mặc nhiên thừa nhận tính đồng nhất không gian của các điều kiện mặt đệm Các mô hình này thường được sử dụng để vạch các kế hoạch chiến lược khai thác tối ưu tài nguyên nước, dự báo hạn dài hay khai thác lãnh thổ

Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, việc thu thập xử lý số liệu ngày càng trở nên đa dạng và chi tiết Ngoài nguồn số liệu thu thập trên mạng lưới quan trắc khí tượng thủy văn, các số liệu nhận được từ ảnh viễn thám, hàng không, các bản đồ số với các phần mềm xử lý tiên tiến cho phép cập nhật thông tin chi tiết hơn về các điều kiện mặt đệm, thuận lợi cho việc triển khai xây dựng và khai thác các mô hình thông số phân bố Các mô hình thông số phân bố theo dải hoặc theo lưới tính được phát triển trên cơ sở các phương trình đạo hàm riêng có khả năng mô tả các quá trình vật lý diễn ra trên lưu vực: tích nước, bốc thoát hơi nước, dòng chảy tràn trên bề mặt lưu vực và trong lòng dẫn, chuyển động của nước trong các

tầng đất bão hòa hoặc không bão hòa… ảnh hưởng của các lớp phủ thổ nhưỡng, thực vật và các hoạt động nhân sinh đến quá trình hình thành dòng chảy cũng được xét đến dễ dàng Sự tích lũy kiến thức khá phong phú về các quá trình vật lý trong chu trình thủy văn, sự phát triển cao về công nghệ trong việc thu thập thông tin liên tục theo không gian và thời gian kết hợp với máy tính hiện đại cho khả năng xử lý các nguồn số liệu đa dạng một cách nhanh chóng đã mở ra một giai đoạn mới trong việc ứng dụng các mô hình thủy động lực học

Đối với các sông suối vừa và nhỏ ở Miền Trung, nằm ở vùng đủ ẩm, do địa hình dốc, tầng đất xốp, mùn mỏng, rừng bị suy giảm, khi có mưa với cường độ lớn,

đất bị xói mòn nên dòng chảy tập trung nhanh chủ yếu do tác dụng của trọng lực (độ dốc) nên việc mô phỏng dòng chảy mặt bằng cách ghép dòng chảy mặt và dòng chảy sát mặt trong nhiều trường hợp là có thể chấp nhận

Sử dụng cách tiếp cận mô hình hoá để diễn toán dòng chảy tại mặt cắt cửa ra

của lưu vực phụ thuộc vào độ chính xác của việc xác định mưa hiệu quả và xác định các thông số điều khiển của hệ thống (lưu vực), lại phụ thuộc rất nhiều vào nhận thức về các điều kiện địa lý tự nhiên và cách mô phỏng của người sử dụng mô hình Tiếp cận mô hình hoá đối với các bài toán thuỷ văn thường nhằm tới hai mục đích:

1 Khảo sát hiện trạng bằng các bộ số liệu mưa, dòng chảy và mặt đệm để xác định bộ thông số tối ưu, mô phỏng chính xác nhất quá trình dòng chảy, phục vụ các tính toán thiết kế và dự báo

2 Trên cơ sở mô hình được chọn, tác động đến lưu vực tạo ra bộ thông số hiệu quả nhất cho mục đích khai thác, sử dụng hợp lý tài nguyên nước và đất

Khi xây dựng các mô hình động lực học hai chiều mô phỏng dòng chảy sườn dốc, một giả thuyết thường được chấp nhận là chuyển động của nước trên bề mặt lưu vực xảy ra dưới dạng lớp mỏng liên tục [164, 166, 167] Các kết quả khảo sát thực

địa [168] cho thấy, dòng chảy mặt liên tục chỉ quan sát được trong khoảng thời gian ngắn, ít khi bao quát được một diện tích rộng và lớp nước hình thành nhanh chóng chuyển vào các rãnh suối Như vậy, nếu bỏ qua thời gian chảy tập trung đến các rãnh suối, có thể mô phỏng dòng chảy của các rãnh suối và lớp mỏng trên sườn dốc với cùng một hệ phương trình Bản chất liên tục này của dòng chảy đã được đề cập

trong công trình của A.N Bephanhi và cộng sự [163] Mô hình động lực học hai

chiều xây dựng dựa trên cơ sở phương trình Navie - Stoc, áp dụng cho dòng chảy

sườn dốc với các thành phần được lấy trung bình theo trục thẳng đứng 0z [152, 169]:

- Phương trình liên tục:

I R t

h y

h V x

h U

U I R gh

T S g x

h g y

U V

V I R gh

T S g y

h g y

V V





y

U V





x

h g





) (R I h

h V x

U h x

h U t

h y

Vh x

h g y

U V x

h g y

V V x

tạp là phương pháp phần tử hữu hạn [5, 27, 35, 106, 153, 160, 161]

ưu điểm của mô hình động lực học hai chiều mô phỏng dòng chảy sườn dốc

là có cơ sở vật lý và toán học chặt chẽ Tuy nhiên, hiện nay khả năng áp dụng vào thực tế của mô hình này bị hạn chế vì thuật toán phức tạp cũng như khó đáp ứng yêu cầu thông tin chi tiết và đồng bộ Đã xuất hiện một số công trình áp dụng mang tính chất nghiên cứu, thông báo ở trong [65, 70] và ngoài nước [126, 140, 148]

Trong các phương trình (1.1), (1.2) nếu bỏ qua các thành phần quán tính, đạo hàm lớp nước theo chiều dài sườn dốc và các thành phần tính đến hiệu ứng động lực

của mưa, nhận được phương trình sóng động học hai chiều [3] mô tả chuyển động

của nước theo sườn dốc trong điều kiện cân bằng của lực cản và trọng lực [1, 2]

Thông thường, phương trình sóng động học một chiều được ứng dụng để tính diễn

toán dòng chảy trong lòng sông:

q t

A x

Q  1 2/3 1/2

,

Khi đó: Q - lưu lượng dòng chảy sườn dốc hoặc trong sông; q - lượng mưa sinh dòng chảy đối với dòng chảy sườn dốc và lượng nhập lưu khu giữa đối với lòng dẫn; A - mặt cắt ướt dòng chảy sườn dốc hay lòng dẫn; S - độ dốc sườn dốc hoặc lòng sông

Phương trình sóng động học (1.6) được giải bằng phương pháp sai phân đã có thể áp dụng vào tính toán thực tế Tuy nhiên, thực chất các kết quả tính toán mới chỉ

ở mức độ thực nghiệm số chưa có khả năng ứng dụng phổ biến Từ các lập luận đã

nêu trên, xét về phương diện toán học và vật lý, có thể áp dụng mô hình sóng động

học một chiều, phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng quá trình tập trung nước

liên tục được thay bằng các biến rời rạc được xác định tại các điểm nút Khi đó phương trình đạo hàm liên tục xác định áp suất thủy động tại mọi nơi trong miền tính toán được thay thế bởi một số phương trình đại số xác định áp suất thủy tĩnh tại một số điểm cụ thể Hệ các phương trình đại số này được giải bằng phương pháp lặp nhờ sử dụng phương pháp ma trận

Có sự khác nhau quan trọng giữa phương pháp sai phân hữu hạn và phương pháp phần tử hữu hạn là sự xấp xỉ đạo hàm không điều kiện và có điều kiện Lợi ích lớn của phương pháp phần tử hữu hạn là sự linh động của nó trong quá trình giải bài toán Các ứng dụng của phương pháp này tăng lên nhờ các ưu điểm của nó đối với các bài toán trong môi trường không đồng nhất hoặc không đẳng hướng Tính ưu việt của phương pháp phần tử hữu hạn là giải được các bài toán trong miền lưới không đều, thích hợp với điều kiện của các lưu vực sông vừa và nhỏ [140]

Trong bài toán về dòng chảy sườn dốc, một lưu vực được phân chia thành các phần tử nhỏ với mỗi đặc tính vật lý riêng, bằng cách đó đối với mỗi một phần tử dòng chảy được mô tả trong đặc tính của các điểm giao Sử dụng hệ Saint - Venant vào mỗi phần tử với hệ các phương trình đại số nhận được từ ràng buộc là dòng chảy phải liên tục tại mỗi nút Việc khảo sát phương trình (1.6) đã được tiến hành trong nhiều công trình nghiên cứu [2, 12, 21, 117, 146, 163, 170] và rút ra kết luận là thích hợp nhất đối với dòng chảy sườn dốc và lòng dẫn có độ dốc tương đối lớn Một trong những cách tiệm cận mô phỏng dòng chảy sườn dốc bằng mô hình sóng động học một chiều có nhiều triển vọng nhất là phương pháp phần tử hữu hạn

Cách mô tả phương pháp phần tử hữu hạn, trong nhiều trường hợp, dùng như

là một lập luận mang tính vật lý Thay vì sử dụng đối số toán học thì sử dụng hàm trọng số nào đó, trong đó hệ thống các phương trình nhận được do yêu cầu phương trình sai phân thoả mãn "ở sát trung bình" Trong một số trường hợp đặc biệt, hệ phương trình nhận được trong phương pháp phần tử hữu hạn có cấu trúc giống như trong phương pháp sai phân hữu hạn Tuy nhiên, cách thức xuất phát và phát triển thường biểu thị một sự khác nhau, như dạng tự nhiên và đơn giản nhất của phần tử hữu hạn là hình tam giác, sự miêu tả trường linh hoạt hơn, trong khi các mắt lưới

đơn giản nhất trong phương pháp sai phân hữu hạn là mạng ô vuông hoặc hình chữ nhật, kém linh động hơn Thuận lợi khác của phương pháp phần tử hữu hạn là công thức chuyển của nó có tính chất trung gian mà mỗi một phần tử có thể có các giá trị vật lý riêng như là các tham số về dẫn truyền và tích trữ

Để xấp xỉ lưu vực sông bằng các phần tử hữu hạn, đoạn sông được chia thành các phần tử lòng dẫn và sườn dốc được chia thành các dải tương ứng với mỗi phần tử

lòng dẫn sao cho trong mỗi dải dòng chảy xảy ra độc lập với dải khác và có hướng

vuông góc với dòng chảy trong phần tử lòng dẫn Trong mỗi dải chia thành các phần

tử sao cho độ dốc sườn trong mỗi phần tử tương đối đồng nhất Việc mô phỏng lưu

vực bằng các phần tử hữu hạn như vậy cho phép chuyển bài toán hai chiều (2D) thành bài toán một chiều (1D) cả trên sườn dốc và trong sông và theo Bephanhi A

N [163] cho phép áp dụng mô hình sóng động học một chiều cho từng dải sườn dốc

Mô hình sóng động học 1 chiều được sử dụng để mô phỏng và đánh giá tác

động của việc sử dụng đất trên lưu vực đến dòng chảy được xây dựng dựa trên hai

phương pháp: phương pháp phần tử hữu hạn để mô tả quá trình lan truyền vật chất trên sườn dốc và trong lòng dẫn và phương pháp SCS để mô tả quá trình tổn thất trên

bề mặt lưu vực, được công bố trong các công trình trong [3 -5, 24, 47, 55-57, 59,

61-62, 65, 70] và ngoài nước [98-105, 104-112, 150]

Điển hình của lớp mô hình thuỷ động lực học giải theo phương pháp phần tử hữu hạn là mô hình của Ross B.B và nnk., [140], Đại học Quốc gia Blacksburg, Mỹ, năm 1979 Mô hình dùng để dự báo ảnh hưởng của việc sử dụng đất đến quá trình

lũ Mưa vượt thấm là đầu vào của mô hình Phương pháp phần tử hữu hạn số kết hợp với phương pháp số dư của Galerkin được sử dụng để giải hệ phương trình sóng

động học của dòng chảy một chiều

Việc áp dụng lý thuyết phần tử hữu hạn để tính toán dòng chảy được Zienkiewicz [160] khởi xướng từ năm 1971 Tác giả đã sử dụng phương pháp này để nghiên cứu dòng chảy thấm Nhiều nhà nghiên cứu khác cũng đã áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải quyết các vấn đề khác của dòng chảy [97, 106, 118, 127-128, 148, 153-154, 161]

Vào năm 1973, Judah đã tiến hành việc phân tích dòng chảy mặt bằng phương pháp phần tử hữu hạn Tác giả sử dụng phương pháp số dư của Galerkin để xây dựng mô hình diễn toán lũ và đã thu được kết quả thoả mãn khi áp dụng mô hình cho lưu vực sông tự nhiên và cho rằng mô hình phần tử hữu hạn ít gặp khó khăn khi lưu vực có dạng phức tạp, sử dụng đất đa dạng và phân bố mưa thay đổi

Phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp với phương pháp Galerkin, vào năm

1974, còn được Al-Mashidani và Taylor [152] áp dụng để giải hệ phương trình dòng chảy mặt ở dạng vô hướng So với các phương pháp số khác, phương pháp phần tử hữu hạn được coi là ổn định hơn, hội tụ nhanh hơn và đòi hỏi ít thời gian tính hơn Cooley và Moin vào năm 1976 cũng áp dụng phương pháp Galerkin khi giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn cho dòng chảy trong kênh hở và thu được kết quả tốt với kỹ thuật tổng hợp thời gian khác nhau được phân tích và đánh giá

ở trong nước, phương pháp phần tử hữu hạn được ứng dụng vào việc đánh giá ảnh hưởng của những thay đổi trong sử dụng đất đến dòng chảy lũ vì lưu vực có thể được chia thành một số hữu hạn các lưu vực con hay các phần tử [24, 55-57, 59,

65, 70] Những đặc tính thuỷ văn của một hoặc tất cả các phần tử có thể được thay

đổi để tính toán các tác động đến phản ứng thủy văn của toàn bộ hệ thống lưu vực [61-62] qua các kịch bản sử dụng đất khác nhau

Từ năm 1972, Desai và Abel đã kể ra những bước cơ bản trong khi triển khai phương pháp phần tử hữu hạn sẽ được tuân thủ trong việc phát triển mô hình dòng chảy mặt ở sườn dốc và trong sông như sau:

cứu (lưu vực), được chia thành một hệ thống tương đương gồm những phần tử hữu hạn Việc rời rạc hoá là một quá trình cân nhắc vì số lượng, kích thước và cách sắp xếp của các phần tử đều liên quan đến thuật giải và phương tiện kỹ thuật Cần xác

định phần tử sao cho bảo toàn được tính chất đồng nhất thủy văn trong mỗi phần tử Tính chất đồng nhất thuỷ lực là một mục tiêu cần xem xét tiếp khi tạo lưới Có thể

sử dụng một số lượng lớn các phần tử về lý thuyết, nhưng thực tế số lượng các phần

tử thường hạn chế do những điều kiện ràng buộc khác

(A) (B)

Hình 1.2. Lưu vực và lưới phần tử hữu hạn tương ứng

Một lưu vực giả thiết được sử dụng để minh họa cho quá trình này (Hình 1.2) Lưu vực bao gồm một dòng chính và một nhánh lớn Cả hai nhánh này đều được đưa vào sơ đồ dòng chảy Ba lưu vực con hay bãi dòng chảy trên mặt và tương ứng ba kênh có thể được xác định Trên hình 1.2B, những đường đậm là ranh giới gần đúng của lưu vực và các bãi dòng chảy mặt

Bước tiếp theo là xác định các thành phần của kênh Cách thức đơn giản nhất

là chia mỗi một trong 3 kênh thành một số lượng hữu hạn các đoạn sông thích hợp dựa trên sự đồng nhất tương đối về độ dốc lòng dẫn Từ những nút của các phần tử kênh này xác định các đường phân định dải dòng chảy tương ứng phần tử lòng dẫn Bản đồ địa hình của khu vực sẽ là cơ sở cho việc vạch ra các ranh giới này Các

đường này xác định các dải, trong đó dòng chảy mặt trong mỗi dải diễn ra một cách

độc lập với các dải khác và theo hướng vuông góc với dòng chảy trong các phần tử kênh Khái niệm này là cơ sở cho phép sử dụng hệ phương trình vi phân một chiều mô phỏng dòng chảy sườn dốc Trong mỗi dải các phần tử sườn dốc được xác định sao cho trong mỗi phần tử, độ dốc sườn dốc tương đối đồng nhất

Xét bãi dòng chảy mặt thứ nhất, quá trình giải là quá trình phân tích phần tử hữu hạn cho từng dải với mưa vượt thấm là đầu vào để tìm dòng chảy mặt chảy vào kênh dẫn Sau đó phân tích phần tử hữu hạn cho kênh dẫn được thực hiện tương tự

IIIC1 IIID1 IIIB1 IIID1

IB1

IC2 IIC1

IID1

như với một dải dòng chảy mặt riêng lẻ để tìm ra lưu lượng trong kênh dẫn tại vị trí các nút phần tử kênh Quá trình này được lặp lại cho các bãi dòng chảy còn lại để tìm được quá trình lưu lượng tại nút cuối cùng ở hạ lưu của toàn bộ lưu vực Việc ký hiệu đúng sẽ chỉ ra được chính xác từng phần tử, dải và bãi dòng chảy Theo hình 1.2B, các số La Mã biểu thị các bãi dòng chảy, các chữ in hoa biểu thị các dải và các chữ số thường biểu thị các phần tử trong dải

2 Lựa chọn mô hình biến số của trường: bao gồm việc lựa chọn các biến của

trường và gán các nút cho từng phần tử Các hàm số mô phỏng xấp xỉ sự phân bố các biến của trường trong từng phần tử là các phương trình liên tục và động lượng đã

được chứng tỏ có thể áp dụng được cho cả dòng chảy trên mặt và trong kênh [162]:

S gA A

Q x t

trong đó: Q - lưu lượng trên bãi dòng chảy trên mặt hoặc trong kênh; q - dòng chảy

bổ sung ngang trên một đơn vị chiều dài của bãi dòng chảy (mưa vượt thấm đối với

bãi dòng chảy trên mặt và và đầu ra của dòng chảy trên mặt đối với kênh dẫn); A - diện tích dòng chảy trong bãi dòng chảy trên mặt hoặc trong kênh dẫn; x- khoảng cách theo hướng dòng chảy; t - thời gian; g - gia tốc trọng trường; S - độ dốc đáy của bãi dòng chảy; Sf - độ dốc ma sát; y - độ sâu dòng chảy

Việc xấp xỉ sóng động học được áp dụng đối với phương trình động lượng cho dòng chảy sườn dốc là sự lựa chọn tốt nhất vì các điều kiện biên và điều kiện ban đầu chỉ cần áp dụng đối với phương trình liên tục Tính đúng đắn của quá trình này đã được nói đến trong nhiều tài liệu [2, 146, 169]

Việc xấp xỉ động học đòi hỏi sự cân bằng giữa các lực trọng trường và quán tính trong phương trình động lượng và dòng chảy là hàm số chỉ phụ thuộc vào độ sâu Do đó phương trình động lượng có thể rút gọn về dạng:

Sau khi xấp xỉ sóng động học sẽ còn lại hai biến của trường cần xác định là A

và Q Cả hai đều là những đại lượng có hướng, khi được biểu diễn dạng ẩn tại các

điểm nút, A và Q có thể được coi là phân bố trong từng phần tử theo x như sau:

 N A t

A x N t

x A t

, (

* )

Q x N t

x Q t

,(

*)

,

(

(1.9)

trong đó: Ai(t) - diện tích, là hàm số chỉ phụ thuộc vào thời gian; Qi(t) - lưu lượng,

hàm số chỉ phụ thuộc vào thời gian; Ni(x) - hàm số nội suy; n - số lượng nút trong

một phần tử

Đối với một phần tử tuyến tính một chiều, n = 2 và:

)()()

()(),(

* x t N x A t N 1 x A 1 t

) ( ) ( )

( ) ( ) , (

x

x x x

N

Δ ) (  1 và

i

i i

x

x x x N

Δ ) (

3.Tìm hệ phương trình phần tử hữu hạn: bao gồm việc xây dựng hệ phương

trình đại số từ tập hợp các phương trình vi phân cơ bản Có bốn quy trình thường

được sử dụng nhất là phương pháp trực tiếp, phương pháp cân bằng năng lượng,

phương pháp biến thiên và phương pháp số dư có trọng số Phương pháp số dư có

trọng số của Galerkin được dùng để thiết lập các phương trình vì nó đã chứng tỏ là

một phương pháp tốt đối với các bài toán về dòng chảy mặt [152] Phương pháp Galerkin cho rằng tích phân:

 

D

i RdD

với D: khối chứa các phần tử; R: số dư được gán trọng số trong hàm nội suy Ni

Do phương trình (1.12) được viết cho toàn bộ không gian nghiệm nên nó có thể được áp dụng cho từng dải dòng chảy, ở đó hàm thử nghiệm sẽ được thay thế vào phương trình (1.12) và lấy tích phân theo các phần tử của dải:

e

dD q A x

trong đó: NE: số phần tử trong phạm vi tính toán A : đạo hàm theo thời gian của A

D e: phạm vi của một phần tử (dải dòng chảy, đoạn sông)

x

x

i i j i

N N

x

N N x

N N Q

dx x

N

N

x

x x

1

2 2 1 2

2 1 1 1

( 2 1 2

1 1

2

2 1

2 2 1

x x dx

x x

x x x x x

x x dx

1 2

1

2



         *

3

1 6

1 3

1

2

1

A F A x

A dx N

F

Hệ phương trình thiết lập cho lưới phần tử hữu hạn gồm n phần tử sao cho có

thể bao hàm được toàn bộ số phần tử ở đây, do các dải được diễn toán một cách

độc lập nên phương trình tổng hợp cần phải viết cho từng dải và từng kênh dẫn

4 Giải hệ phương trình cho véc tơ các biến của trường tại các nút Hệ

phương trình phần tử hữu hạn (1.17) với các ẩn số là các biến tại các nút có thể được giải bằng phương pháp khử Gauss Hệ phương trình phi tuyến cần phải giải thông qua các bước lặp Các điều kiện ban đầu là điều kiện bắt buộc để giải phương trình

(1.17) Ví dụ đối với một dải chứa n phần tử tuyến tính và n+1 nút, trên các bãi dòng chảy sườn dốc của kênh tại thời điểm t = 0, có một vài số hạng sẽ bằng 0

có một sóng xuôi theo chiều dòng chảy Trong trường hợp biên tại ranh giới lưu vực

và nguồn sông, điều kiện biên là Q0, còn tại nơi nhập lưu của sườn dốc và trong

sông điều kiện biên vào bằng tổng nhập lưu tại nút hợp lưu Các giá trị  A t t ,

 Q t t {Q} tại một bước thời gian tính toán sẽ trở thành các giá trị  A t và  Q t trong bước thời gian tính toán tiếp theo Quá trình này được thực hiện cho đến khi tìm

được kết quả cần thiết

5 Tổng hợp hệ phương trình đại số cho toàn bộ miền tính toán gồm n phần

tử sao cho có thể bao hàm được toàn bộ số phần tử Quá trình tổng hợp hệ phương

trình cho n phần tử tuyến tính với (n+1) nút được thực hiện như sau:

Viết phương trình (1.17) cho 1 phần tử:

0

2 1 2 1

2

1 2 1 2

1 2 1

3

1 6 1 6

1 3 1

1 1

Q A

A t

l A

A

t

l

t t

Triển khai phương trình cho 3 phần tử, 4 nút:

0 2 2

1 2

1 6

1 3

1 6

1

3

2 1 2

1 1 2

A t

l A

A

t

l

t t

t

022

12

13

16

13

1

6

2 1 2

1 1 2

A t

l A

A

t

l

t t

t

0 2 2

1 2

1 6

1 3

1 6

1

3

3 2 3

2 1 3

A t

l A

A

t

l

t t

t

0 2 2

1 2

1 3

1 6

1 3

1

6

3 2 3

2 1 3

A A

t

l A

A

t

l

t t

t

0 2 2

1 2

1 6

1 3

1 6

1

3

4 3 4

3 1 4

A t

l A

A

t

l

t t

t

0 2 2

1 2

1 3

1 6

1 3

1

6

4 3 4

3 1 4

A t

l A

A

t

l

t t

  1       0

1

4 3 2 1

4 3 2 1

A

t t

Q Q Q

Q F A A A

A F t A

6 3 6 0

0 6 3 3

6

0 0 6 3

3 3

3 2 2

2 2 1

1

1 1

l l

l l l

l l l

l

l l

1 0 0

2

1 0 2

1 0

0 2

1 0 2 1

0 0 2

1 2 1

3 3

3 3 2 2

2 2 1 1

1 1

q l

q l q l

q l q l

q l

F

Một cách tiệm cận khác để giải quyết bài toán khi số liệu địa hình lòng dẫn

thiếu Khi đó cần thiết tiến hành một số thủ thuật để thay biến A bằng Q Từ (1.6),

phương trình Manning có thể viết lại là:

2 / 1 3 / 5 3 / 2 2 / 1 3 / 2

1

1

S A nP S

A P

A n

3 / 2 2

3 / 2

, đặt

β β

Q A S

3 2 / /

Trong phương trình Manning  = 0.6 Khi đó (1.6) có thể viết lại là:

q t

Q Q x

q t

Q x

Q    , phương trình (1.23) trở thành:

t t q t

t Q

Cơ quan bảo vệ thổ nhưỡng Hoa Kỳ (1972) đã phát triển một phương pháp để

tính tổn thất dòng chảy từ mưa rào (gọi là phương pháp SCS) [111, 138] Theo đó, trong một trận mưa rào, độ sâu mưa hiệu dụng hay độ sâu dòng chảy trực tiếp Pekhông bao giờ vượt quá độ sâu mưa P Tương tự, sau khi quá trình dòng chảy bắt

đầu, độ sâu nước bị cầm giữ có thực trong lưu vực, Fa bao giờ cũng nhỏ hơn hoặc

bằng một độ sâu trữ nước tiềm năng tối đa nào đó S (Hình 1.3) Đồng thời có một lượng Ia bị tổn thất ban đầu không sinh dòng chảy trước thời điểm sinh nước đọng

trên bề mặt lưu vực Do đó, có lượng dòng chảy tiềm năng là P - I a Trong phương

pháp SCS, giả thiết rằng tỉ số giữa hai đại lượng có thực Pe và Fa bằng với tỉ số giữa

hai đại lượng tiềm năng P - I a và S, có nghĩa là: