Thủy văn học và phân tích vùng ngập lụt ( ĐH Quốc Gia Hà Nội ) - Chương 5 potx

Các mô hình thông số tập trung biến đổi từ lượng mưa thực tế đầu vào thành dòng chảy cửa ra dựa trên quan điểm rằng mọi quá trình trên lưu vực đều xuất hiện tại một điểm trong không gian

Chương 5 Các mô hình thuỷ văn mô phỏng

ảnh: Người điều hành với máy tính trạm kỹ thuật

5.1

Giới thiệu về các mô hình mô phỏng

Quá trình mưa rào – dòng chảy đã được trình bày chi tiết trong chương 2, chúng ta

đã chỉ ra lượng mưa đóng góp thế nào vào các thành phần khác nhau của bốc hơi, thấm, khu chứa, dòng chảy tràn và cuối cùng là dòng chảy Hình dạng thực tế và thời gian chảy truyền của các đường quá trình thuỷ văn cho một lưu vực cụ thể đã được chỉ ra là phụ thuộc vào rất nhiều vào yếu tố mặt đệm, khí hậu và địa lý thuỷ văn (bảng 5.1) Ngoài thời gian và cường độ mưa là những yếu tố quan trọng nhất quyết định đến quá trình mưa rào – dòng chảy, sau đó là các đặc trưng của lưu vực mà nó chuyển hoá từ lượng mưa đầu vào đến quá trình dòng chảy tại cửa ra của lưu vực Diện tích, độ dốc, hình dạng, đất, và lượng trữ là những thông số quan trọng của hình thái lưu vực Các thông số sử dụng đất và thổ nhưỡng có thể ảnh hưởng đáng kể đến các phản ứng thuỷ văn tự nhiên thông qua việc tăng lớp thấm, thay đổi độ dốc và cải thiện hệ thống kênh tiêu nước

Bảng 5.1 Những nhân tố ảnh hưởng đến đường quá trình thuỷ văn

có thể được đặt ra và kiểm tra bằng mô hình

Những chương trình nghiên cứu cơ bản của trường đại học Harvard, đại học Stanford và Cục công binh Hoa kỳ trong những năm 1960 là những nỗ lực tiên phong trong cố gắng sử dụng máy tính để mô phỏng các diễn biến trong lưu vực Mô hình lưu vực Stanford (Crawford và Linsley, 1966) mà sau đó có liên quan đến chương trình mô phỏng thuỷ văn - FORTRAN (Johanson và nnk, 1980), là mô hình quan trọng đầu tiên trong số nhưng mô hình mô phỏng lưu vực Từ những cố gắng từ rất sớm này, một loạt các mô hình đã được phát triển và ứng dụng trong những năm 1960 và 1970 cho mưa

đô thị, lũ, tưới tiêu, thiết kế hồ chứa, và quản lý lưu vực

Các mô hình mô phỏng thuỷ văn có thể được phân loại theo một loạt các tính chất như trong bảng 5.2 Trong quá trình phân tích lưu vực, những phạm trù quan tâm chủ yếu gồm thông số tập trung đối lập thông số phân bố, hiện tượng không liên tục, và thông số ngẫu nghiên đối lập với thông số tất định Các mô hình thông số tập trung biến đổi từ lượng mưa thực tế đầu vào thành dòng chảy cửa ra dựa trên quan điểm rằng mọi quá trình trên lưu vực đều xuất hiện tại một điểm trong không gian (giống như mô

hình hộp đen) Các thông số mô hình có thể hoặc không thể có một định nghĩa chính xác

về vật lý trong hệ thống Đường quá trình đơn vị tổng hợp là một ví dụ và được sử dụng rộng rãi Các mô hình thông số phân phối cố gắng mô tả các quá trình vật lý và các cơ chế trong không gian như một số các mô hình mô phỏng thuỷ văn Trong khi mô hình thông số phân phối thường thoả mãn về mặt lý thuyết tốt hơn thì số liệu thường bị thiếu hụt cho việc hiệu chỉnh và kiểm định kết quả mô hình

Các mô hình “hiện tượng” như là HEC-1 mô tả quá trình lũ (Trung tâm thuỷ văn công trình, 1981) hoặc mô hình điều khiển nước lũ EPA (SWMM) (Huber và nhiều tác giả khác, 1981) hay SCS TR2O (Cục bảo tồn đất, 1975a), mô phỏng từng phản ứng của trân mưa đơn lẻ cho mỗi một số liệu mưa đầu vào nhất định Đường quá trình đơn vị hay các phương pháp sóng động học được sử dụng để thành lập các quá trình mưa mà sau đó được diễn toán trong sông Các mô hình liên tục như Stanford Watershed Model, SWMM, và STORM dựa trên các phương trình cân bằng dài hạn và do vậy tính toán trực tiếp cho các ảnh hưởng của các điều kiện trước đó Những mô hình này có thể hữu dụng nhất cho các lưu vực với các vùng thấm lớn

Vài mô hình bao gồm cả các thành phần ngẫu nhiên hay thống kê để biểu diễn lượng mưa đầu vào mà sau đó được sử dụng để hình thành chuỗi thời gian của dòng chảy Chuỗi thời gian sau đó có thể được đánh giá thống kê sử dụng phân tích tần suất

lũ Tổng hợp thuỷ văn cho phép các nhà thuỷ văn kéo dài các chuỗi số liệu ngắn như số liệu dòng chảy dựa trên các phương pháp thống kê Các chuỗi tổng hợp vẫn giữ được các

đặc trưng thống kê của chuỗi số liệu lịch sử hoặc đảm bảo các yêu cầu phân bố xác suất như là Logarit chuẩn hay Logarit Pearson 3 (phần 3.5) Phân tích đường cong “Tổng thể” giả thiết rằng các chuỗi số liệu lịch sử sẽ được lặp lại một cách chính xác Tạo số ngẫu nhiên giả thiết rằng những dòng chảy kế tiếp là không độc lập và phân bố theo một hàm phân bố đã biết trước Cuối cùng, kỹ thuật Markov giả thiết rằng dòng chảy tiếp theo trong 1 chuỗi thì liên quan đến một phần của chuỗi dòng chảy trước đó và thường bị giới hạn bởi bước thời gian ngắn hơn khi phân tích Các chi tiết về các mô hình thống kê có thể tham khảo trong tài liệu của Bras và Rodriguez-Iturbe (1984)

Ngẫu nhiên Synthetic streamflows

Số trị Explicit kinematic wave

Một ưu việt của các mô hình mô phỏng là sự sáng tỏ đạt được bằng việc tập hợp và

tổ chức số liệu cần thiết như là đầu vào cho các thuật toán toán học mà bao gồm toàn bộ

hệ thống mô hình Chính nó thường chỉ ra các thu thập số liệu bổ sung hay chính cải tiến các cong thức toán học để biểu diễn tốt hơn các quá trình trên lưu vực Một thuận lợi khác nữa là rất nhiều các sơ đồ biến đổi cho sự phát triển hay điều khiển lũ có thể

được kiểm chứng một cách mau lẹ và so sánh với các mô hình tính toán

Hạn chế chủ yếu của các mô hình mô phỏng chính là không có khả năng hiệu chỉnh

và kiểm định mô hình hoàn hảo trong điều kiện thiếu số liệu Các thực hành hiện tại cho rằng mô hình đơn giản nhất mà có thể mô tả được hệ thống thoả mãn cho một số liệu đầu vào nhất định nên được sử dụng Sự chính xác của mô hình được xác định qua khả năng sẵn có của số liệu vào, số liệu quan trắc thực tế và chuỗi thời gian đầu ra tại nhiều vị trí khác nhau trên lưu vực

Mặc dầu có một số những hạn chế nhưng mô hình mô phỏng vẫn cung cấp cho chúng ta một cách tiếp cận logic nhất và mang tinh khoa học hiện đại để hiểu các động thái thuỷ văn của một lưu vực và hệ thống nguồn nước phức tạp Những sự phát triển của mô hình và các ứng dụng đã mở ra một trang mới trong khoa học thuỷ văn và dẫn dắt rất nhiều các thiết kế mới và các chính sách điều hành mà trước đây chưa từng

được kiểm nghiệm hay hiện thực hoá Trong vài năm gần đây, vài tổng kết chính xác về các mô hình thuỷ văn đã được công bố bao gồm Fleming (1975), Delleur and Dendrou (1980), McPherson (1975), Feldman (1981), Kibler (1982), và Whipple cùng nhiều tác giả khác (1983) Độc giả có thể tham khảo những tài liệu này để có kiến thức sâu hơn

5.2

Tổ chức phân tích thuỷ văn lưu vực

Với rất nhiều các mô hình thuỷ văn sẵn có dành cho các nhà thuỷ văn hay các kỹ sư, rất ít các phát triển mô hình mới đợc hỗ trợ Hơn nữa kỹ sư phải lựa chọn một trong những mô hình mô phỏng sẵn có dựa trên các đặc trưng của hệ thống cần nghiên cứu, mục đích nghiên cứu và khả năng tài chính cho việc thu thập số liệu và máy tính Một khi mô hình đã được lựa chọn, nói chung các bước tiến hành liên quan đến phân tích mô phỏng lưu vực được liệt kê trong bảng 5.3

Bước 1 và 5 là những bước quan trọng nhất trong toàn bộ các bước Sự lựa chọn mô hình là rất khó khăn và là một quyết định quan trọng vì sự thành công của việc nghiên cứu xoay quanh sự chính xác của các kết quả đạt được Bảng 5.2 nên được xem xét với các đặc trưng của lưu vực, mục đích nghiên cứu, để xây dựng một kế hoạch mô hình hoá Nhìn chung, ngoại trừ số liệu trên lưu vực là đầy đủ cả về không gian và thời gian,

sự tiếp cận thông thường về phân tích lưu vực là sử dụng một mô hình sự kiện xác định với các khái niệm thông số tập trung để phát triển các đường quá trình và truyền lũ HEC 1 (Trung tâm thuỷ văn công trình, 1981) và TR-20 (Cục bảo vệ đất, 1975a) là hai mô hình được sử dụng rộng rãi nhất cho các phân tích lưu vực điển hình

Nếu một lưu vực có số liệu đầy đủ về mưa, thấm, dòng chảy cơ bản, dòng chảy

trong sông, đất và sử dụng đất, thì cả mô hình Stanford hoặc chương trình mô phỏng Thuỷ văn - FORTRAN (HSPF) đều có thể được áp dụng để tính toán cân bằng nước liên tục dài hạn và đường quá trình dòng chảy cửa ra Trong trường hợp hệ thống tiêu nước

đô thị xác định rõ thì mô hình SWMM hoặc ILLUDAS (Terstriep và Stall, 1974) cũng có thể được áp dụng để xác định các phản ứng thuỷ văn cho các thành phần trong hệ thống Mô hình mưa rào đô thị được bàn luận chi tiết trong phần 5.3 và chương 6 Bước 5 trong bảng 5.3, hiệu chỉnh và kiểm chứng mô hình, là cực kỳ quan trọng trong việc làm chuẩn hoá các thông số mô hình và sẽ quyết dịnh sự chính xác và hợp lý của số liệu đầu ra trong bước 6 và 7 Hiệu chỉnh mô hình liên quan đến việc lựa chọn một số các số liệu đo đạc được của số liệu đầu vào (lượng mưa, hệ thống sông, tình hình

sử dụng đất) và các đường quá trình đầu ra cho các ứng dụng mô hình Các tham số

điều khiển trong mô hình được vi chỉnh cho đến khi đạt được sự phù hợp nhất cho chuỗi

số liệu này Mô hình sau đó được kiểm định bằng việc mô phỏng một sự kiện thứ hai hay thứ ba (với trận mưa khác) và giữ nguyên toàn bộ các thông số khác để so sánh kết quả dự báo được với tài liệu thực đo

Một ví dụ chi tiết của mô hình đã được hiệu chỉnh và kiểm định mô hình mô tả trong phần 5.6, nơi mà mọt trường hợp ứng dụng thực tế được nhấn mạnh để chỉ ra những khó khăn và phức tạp mà ta thường gặp trong phân tích lưu vực

Bảng 5.3 Các bước trong phân tích mô phỏng lưu vực

Lựa chọn mô hình dựa trên các mục đích nghiên cứu và đặc trưng lưu vực, khả năng số liệu và tài

chính của đề án

Thu thập toàn bộ số liệu đầu vào cần thiết: lượng mưa, thấm, địa lý thuỷ văn, sử dụng đất, đặc

trưng hệ thống sông, dòng chảy, lũ thiết kế và số liệu hồ chứa

Đánh giá và lọc các mục đích nghiên cứu trong quá trình mô phỏng để biểu diễn dưới các điều kiện

thay đổi của lưu vực

Lựa chọn các phương pháp cho việc xác định các đường quá trình của lưu vực con và hệ thống sông Hiệu chỉnh mô hình sử dụng lượng mưa trong quá khứ, dòng chảy, và các điều kiện lưu vực hiện thời Kiểm định mô hình bằng các sự kiện khác nhưng vẫn giữ nguyên các thông số đã hiệu chỉnh Trình diễn các mô phỏng mô hình sử dụng các lượng mưa lịch sử hay mưa thiết kế, các điều kiện khác nhau của tình hình sử dụng đất, các sơ đồ điều khiển khác nhau cho hồ chứa và kênh Trình diền phân tích độ nhạy của số liệu đầu vào, các thông số “routing” và các thông số đường quá

thị cho mô phỏng thuỷ văn được liệt kê trong bảng 5.4 Các trường đại học hay các cơ quan liên bang đã hỗ trợ cho sự phát triển của hầu hết các mô hình này Vài mô hình

được mô tả rất kỹ lưỡng, và đã cho thấy một ứng dụng rộng rãi cho các lưu vực, đặc biệt

là ở Mỹ Những cái khác được áp dụng chỉ cho những vùng đặc biệt của đất nước Khi ứng dụng một mô hình nào đó thì phải xem xét và cân nhắc đến khả năng sử dụng số liệu đang có để xác định các thông số cần thiết

Bảng 5.4 Lựa chọn các mô hình mô phỏng thuỷ văn

1 Stanford Crawford và Linsley 1966 Mô hình lưu vực Stanford

4 HEC-3 HEC 1973 Bảo tồn phân tích hệ thống hồ chứa

6 HEC-5 HEC 1979 Mô phỏng hệ thống điều tiết lũ

7 SCS-TR20 USDA SCS 1975 Mô hình mô phỏng thuỷ văn

8 USDAH2-74 USDA ARS Holtan 1975 Mô hình lưu vực thuỷ văn

9 HSPF Johnson và nnk 1980 Chương trình mô phỏng thuỷ văn –Fortran.

10 MITCAT Horley 1975 Mô hình hiện tượng mưa -dòng chảy đô thị.

11 SWMM Mitcat và Eddey, Cam 1971-1988 Mô hình quản lý nước lũ

12 ILLUDAS Terstriep và Stall 1974 Mô phỏng hệ thống thoát nước ILLLINOS.

13 STORM HEC 1975 Mô hình lượng trữ, điều, dòng chảy mặt

14 USGSDR3M USGS, Alley và Smith 1982 Quá trình lũ trong khu vực đô thị

15 PennSt Aron, Laktos 1976 Mô hình thuỷ văn đô thị

Một vài phiên bản của mô hình trong FORTRAN được phát triển qua nhiều năm,

ví dụ như tại trường đại học Kentucky, đại học Ohio, đại học Texas Chương trình Hydrocomp Simulation Program (HSP) là phiên bản thương mại kế thừa của SWM-IV

và đã được biến đổi để đưa vào môđun chất lượng nước, truyền sóng động lực và các bước thời gian biến đổi Phiên bản hiện tại là HSPF được thiết kế lại, trình diễn sự mô

phỏng rất nhiều các quá trình thuỷ văn và chất lượng nước trên hay dưới mặt đất, trong kênh và trong hồ chứa (Johanson và nhiều tác giả khác, 1980)

Một trong số những môđun hữu dụng nhất trong HSPF là mô hình nguồn không

điểm (NPS), cung cấp các mô phỏng liên tục chất ô nhiễm từ đô thị và các mặt đất chưa phát triển Nó cũng có thể như là một mô hình riêng biệt với EPA và đã được kiểm nghiệm kỹ càng với HSP của Hội đồng quy hoạch Bắc Virginia Donigian và Crawford (1976, 1979) phát triển mô hình và hướng dẫn sử dụng của EPA

Mô hình MITCAT được phát triển bởi Bravo và những người khác (1970) tại trường đại học tổng hợp Massachusett cho trận mưa đơn đỉnh Lần đầu tiên dòng chảy tràn được tính bằng phương pháp sóng động lực, và sử dụng trung bình của hệ phương trình tuyến tính hoá St.Venant cho dòng chảy trong kênh Vài phương trình thấm cũng

đước sử dụng cùng với nó với bước thời gian biến đổi Phiên bản môđun hoá của mô hình được mô tả bởi Harley và các cộng sự (1970)

EPA đã tài trợ cho việc phát triển mô hình SWMM thông qua tập đoàn Metcalf và Eddy, đại học tổng hợp Florida,… (Camp, Dresser, and McKee - 1971) SWMM là mô hình dòng chảy đô thị được sử dụng rộng rãi nhất, nó cho phép mô phỏng các hiện tượng đơn lẻ hoặc liên tục cho rất nhiều các lưu vực, vận chuyển, lưu trữ và hệ thống thuỷ lợi Cả lượng và chất lượng nước có thể được mô phỏng và dòng chảy có thể được trình diễn bằng phương pháp hồ chứa phi tuyến, phương pháp sóng động lực, hoặc hệ phương trình St Venant đầy đủ trong khối SWMM EXTRAN Mô hình đã được sửa chữa và phát triển nhiều lần, phiên bản 4 (Huber và nnk, 1988; Roesner cùng nnk., 1988) là phiên bản hiện đang sử dụng và mô hình SWMM sẽ được mô tả chi tiết hơn với các ví dụ trong chương 6

Mô hình STORM được phát triển bởi Trung tâm thuỷ văn công trình (Trung tâm thuỷ văn công trình - 1975; Roesner và nnk, 1974) để tính toán lượng và chất lượng nước cùa dòng chảy đô thị Chương trình biểu diễn các mô phỏng liên tục sử dụng chuối

số liệu mưa giờ với độ dài hàng năm, nhưng các trận mưa đơn lẻ cũng có thể được phân tích Quá trình thấm được ước tính sử dụng hệ số dòng chảy trọng số hay các phương pháp SCS Lượng trữ hạ lưu và các quá trình xử lý cũng có thể được mô phỏng nhưng ở

đó sẽ không có các dòng chảy Mô hình này đơn giản hơn SWMM khá nhiều

Mô hình ILLUDAS được xây dựng bởi Terstriep and Stall (1974) và nó là mô hình mô phỏng trận lũ đơn có thể giải quyết được hệ thống thoát nước chi tiết Mô hình có thể chạy ở chế độ thiết kế hoặc mô phỏng cho một lưu vực cụ thể ILLUDAS đòi hỏi số liệu mưa đầu vào, cấu hình của ống và diện tích các lưu vực con để tính toán dòng chảy tại các điểm khác nhau trong hệ thống Dòng chảy được tính từ đường cong thời gian-diện tích Gần đay mô hình đã được cập nhật để có thể mô phỏng điều kiện chảy có tăng cường áp và quá tải trong hệ thống ống (Chiang và Bedient, 1986) và được gọi là mô hình PIBS Phương pháp này được xem là cho kết quả khá tốt nếu so sánh với SWMM EXTRAN Block và chạy trên máy tính cá nhân

Mô hình dòng chảy bang Penn (Aron và Lakatos, 1976) được phát triển như là một mô hình đơn giản và ngắn gọn nhấn mạnh vào vai trò thời gian của dòng chảy ở các lưu vực con đến đỉnh lũ tại các điểm khác nhau trên lưu vực Mô hình cung cấp một cách

tiếp cận thực tế cho việc phân tích dòng chảy ở các vung cư dân nhỏ và vừa Lưu vực

được chia thành phần trước và phần sau, vận chuyển nước và hệ thống trữ Kibler và Aron (1978) đã nghiên cứu độ nhạy của các thông số của mô hình và của SWMM

Cơ quan bảo tồn đất (SCS) đã xây dựng và phát triển một loạt các phương pháp và mô hình và được mô tả chi tiết bởi MeCuen (1982) Các phương pháp đồ thị, lập bảng

được sử dụng trong SCS TR-55, với tên của mô hình là Thuỷ văn đô thị cho lưu vực nhỏ Những phương pháp này chủ yếu dựa trên phương pháp số đường cong dòng chảy đã

được mô tả trong chương 2 và sẽ không trình bày chi tiết ở đây

Mô hình SCS TR-20 là phươg pháp máy tính hoá để giải quyết các vấn đề sử dụng các thủ tục SCS Chương trình phát triển đường quá trình dòng chảy, gửi chúng qua hệ thống các đoạn kênh và hồ chứa, và tổ hợp hay phân tách đường quá trình tại các điểm hợp lưu Cho mỗi lưu vực con yêu cầu diện tích, số đường cong dòng chảy và thời gian chảy truyền Và sử dụng các thủ tục này dường như đơn giản hơn sử dụng trong HEC-

1 Nhìn chung các thủ tục tương tự như được sử dụng trong HEC-1 và đặc biệt thích hợp để kiểm tra các ảnh hưởng của khu chứa và lưu giữ nước trên lưu vực

Các thảo luận trên đây đã cung cấp một tổng quan về rất nhiều các mô hình mô phỏng thuỷ văn thông dụng được sử dụng trong phân tích thuỷ văn lưu vực Độc giả nên tham khảo thêm các tài liệu hướng dẫn sử dụng trực tiếp từ tác giả mô hình trước khi tự mình áp dụng mô hình vào một lưu vực thực tế Phần tiếp theo của chương này

sè được dành cho trình bày chi tiết của mô hình HEC-1 cùng với các ví dụ và áp dụng thực tế Nó được xem là một trong những mô hình hoàn thiện nhất và là mô hình hay

được sử dụng nhất trong các mô hình đã được nhắc đến trên đây

5.4

Mô hình HEC-1

HEC-1 được thiết kế để mô phỏng các quá trình dòng chảy bề mặt từ lượng mưa rơi trên bề mặt lưu vực Nó được phát triển qua nhiều năm bởi trung tâm Thuỷ văn thuộc Cục Công binh Hoa kỳ Quá trình chuyển từ lượng mưa rơi đến dòng chảy trực tiếp có thể được mô phỏng bởi HEC-1 cho một lưu vực nhỏ hay một lưu vực lớn và phức tạp như trong hình 5.1 Mô hình HEC-1 cho một lưu vực sông đơn giản hay phức tạp gồm những thành phần cho dòng chảy trên các lưu vực con, kênh, hồ chứa và tổ hợp dòng chảy Các biên của các phần diện tích lưu vực con được phác hoạ vì thế mất mát tổng lượng mưa và các thông số lưu vực có thể được sử dụng Lượng mưa lịch sử hay lượng mưa thiết kế được chuyển thành dòng chảy thông qua các phương pháp đường thuỷ văn

đơn vị đã được ô tả trong chương 2 Lưu lượng được tính toán tại cửa ra của mỗi phần diện tích con này (xem hình 5.1)

Hình 5.1 Sơ đồ mô hình HEC-1

Thành phần diễn toán trong HEC-1 yêu cầu các thông số đầu vào để xác định các

đặc trưng diễn toán đặc biệt của một đoạn sông hay hồ chứa Các số liệu ra bao gồm quá trình dòng chảy ra tại trạm hạ lưu Tổ hợp quá trình dòng chảy tại các khu vực cơ bản là rất thiết yếu cho logic toàn hệ thống trong HEC-1 và cho phép các sử dụng lưu trữ máy tinh tối ưu trong mô hình HEC-1 là một mô hình quá trình dòng chảy lũ với các khả năng sau:

1 Mô phỏng dòng cháy trên lưu vực và trong sông suối từ lượng mưa lịch sử hay thiết kế

2 Sử dụng đường quá trình đơn vị, tỷ lệ mất mát, thông số dòng chảy trong sông,

từ các số liệu quan trắc

3 Tính toán đường cong tần suất thiệt hại và các thiệt hại hàng năm cho nhiều vùng và nhiều dự án điều khiển lũ

4 Mô phỏng điều tiết hồ chứa và lũ trong sông

HEC-1 là một trong những cộng cụ được sử dụng rộng rãi nhất cho mô phỏng lưu vực và phân tích lũ Các thảo luận tiếp theo đây sẽ mô tả các đặc trưng chi tiết của mô hình thông qua các ví dụ Độc giả được khuyến cáo tham khảo hướng dẫn sử dụng và các tài liệu liên quan của trung tâm Thuỷ văn (1981) để biết thêm chi tiết

Phác thảo lưu vực

HEC-1 sử dụng các thông số trung bình hoá theo không gian và thời gian để mô phỏng các quá trình dòng chảy Kích thước của lưu vực con, các đoạn sông hay các bước tính toán được lựa chọn trên cơ sở điều kiện địa lý thuỷ văn của lưu vực, số liệu mưa sẵn có, số liệu dòng chảy sẵn có và yêu cầu độ chính xác Như trên hình 5.1, một lưu vực phức tạp được chia thành các lưu vực con nhỏ và tương đối đồng nhất dựa vào địa hình Các đoạn được xác định và thứ tự chung của tính toán dòng chảy cũng được xác

định để đưa vào mô hình HEC-1

Kích thước của các lưu vực con nói chung thường nằm trong khoảng từ 1 – 10 dặmbởi vì các giới hạn của lý thuyết đường quá trình đơn vị Các đoạn lòng dẫn nên đủ dài

và sóng lũ không truyền nhanh hơn bước thời gian tính toán trên đoạn sông đó Mặt khác các lối số học có thể sẽ xuất hiện trong quá trình tính toán lũ

(1) Số liệu độ dày và thời đoạn,

(2) Lượng mưa tối đa có thể, hoặc

(3) Lượng mưa chuẩn cho công trình

Số liệu lượng mưa được nhập vào ở các bước thời gian cố định, nhưng bước thời gian này có thể khác với bước thời gian tính toán trong mô hình HEC-1 cũng cho phép tính toán cả tuyết rơi và tuyết tan và sẽ được bàn luận ở phần tiếp theo

Tuyết rơi và tuyết tan

HEC-1 có khả năng mô phỏng quá trình tuyết rơi và tuyết tan rất tốt Có đến 10 cấp đới cân bằng động được đặc trưng cho mỗi lưu vực con Bình thường mỗi cấp lên đến

1000 feet nhưng bất kỳ một sự tăng độ cao nào cũng có thể được xác định theo tỷ lệ giảm nhiệt độ không khí tương ứng với sự thay đổi độ cao trong từng cấp Dữ liệu nhiệt

độ được nhập vào cuối của cấp cao trình thấp nhất Sau đó nhiệt độ giảm theo tỷ lệ giảm nhiệt độ (0C hay 0F trên mỗi sự thay đổi độ cao) Nhiệt độ băng tan được nhập vào trong dữ liệu mà dự liệu này sau đó được sử dụng để xác định lượng giáng thuỷ rơi dưới dạng tuyết hoặc mưa (nhiệt độ tan +2 0C hoặc 0F) Tuyết tan xảy ra khi nhiệt độ cân bằng hoặc lớn hơn nhiệt độ tan và được tính toán bằng nhiệt kế hoặc phương pháp cân bằng năng lượng (xem phần 2.8) Để biết chi tiết hơn việc tính toán lượng tuyết rơi và lượng tuyết tan trong mô hình HEC-1 xem sổ tay sử dụng mô hình HEC-1 (Trung tâm thuỷ văn công trình, 1981) và dòng chảy sinh ra từ tuyết tan (Cục công binh Hoa Kỳ, 1960)

Phân tích tỷ lệ tổn thất

HEC-1 chứa 4 phương pháp để tính toán sự tổn thất của lượng mưa vào khu chứa

và thấm như trong bảng 5.5 Đơn giản nhất là hàm tổn thất ban đầu và hằng số, trong

đó thể tích tổn thất ban đầu được thoả mãn trước khi tỷ lệ tổn thất hằng số bắt đầu Phương pháp này giống như hệ số k trong quá trình thấm (xem chương 5.1) nếu như tổn thất ban đầu bằng 0 và thường được sử dụng trong phân tích mưa thiết kế hoặc ở

những nơi mà số liệu không đủ để tính với các phương pháp phức tạp hơn

Bảng 5.5 Các phương pháp tính tổn thất trong HEC-1

3 Số đường cong SCS (LS) Tổn thất ban đầu được đáp ứng trước khi tính toán dòng chảy luỹ tích

như là một hàm số của lượng mưa luỹ tích

4 Phương pháp Holtan Tỷ lệ thấm được tính như là hàm mũ của lượng trữ ẩm trong đất từ

phương trình Holtan

* Xác định cho cấu trúc đầu vào của HEC-1

Tỷ lệ tổn thất hàm mũ HEC là một hàm số của tổn thất luỹ tích của lượng mưa và

liên quan đến trữ lượng ẩm lưu trữ trong đất Các phương trình tính toán tổn thất được

trình bày dưới đây và biểu diễn trên giấy bán logarit trong hình 5.2

PRCP DLTK AK

Trong đó ALOSS là tỷ lệ tổn thất tiềm năng (mm/h) trong bước thời gian, AK là hệ

số tỷ lệ tổn thất tại đầu thời đoạn tính toán, DLTK là lượng tăng lên của hệ số tổn thất

trong DLTKR đầu tiên của tổn thất luỹ tích, CUML DLTKR biễu diễn tổn thất ban

đầu Tổn thất luỹ tích, CUML, được xác định bằng tổng của các tổn thất thực tế cho mỗi

thời đoạn tính toán

STRKR là giá trị bắt đầu của hệ số tổn thất của đường cong giảm theo hàm mũ cho

tổn thất mưa và được xem là hàm của trữ lượng thấm

RTIOL là tỷ số giữa hệ số tổn thất mưa trên đường cong tổn thất và 10mm của tổn

thất luỹ tích Tham số này có thể xem là hàm số của khả năng hấp thụ giáng thuỷ của

bề mặt lưu vực và sẽ là hằng số cho các lưu vực lớn và đồng nhất

ERAIN là số mũ của lượng mưa cho hàm tổn thất phản ánh ảnh hưởng của tỷ lệ

mưa trên dặc trưng tổn thất trung bình lưu vực

Trong một số trường hợp nhất định có thể là dễ dàn hơn nếu làm việc với tỷ lệ tổn

thất hàm mũ như một mô hình thấm 2 tham số Để nhận được hàm tổn thất ban đầu và

hằng số, cho ERAIN = 0 và RTIOL = 1.0

Để nhận được hàm tỷ lệ tổn thất giảm theo hàm mũ với tổn thất ban đầu bằng

không, cho ERAIN = 0.0 và DLTKR = 0.0

Hàm tổn thất HEC này rất khó để áp dụng vào một lưu vực thực tế vì các thông số

không được xác định trực tiếp từ các đại lượng quan trắc

Hình 5.2 Hàm tổng tỷ lệ tổn thất HEC

Phương pháp SCS sử dụng số đường cong SCS, CN, liên hệ trực tiếp đến tình hình

sử dụng đất và các tính chất đất trên lưu vực Tiệm cận SCS (xem phần 2.4) tương đối phổ biến vì nó có thể áp dụng cho các khu vực không có đo đạc và hệ thống dữ liệu thực nghiệm lớn của nó Phương pháp yêu cầu nhập vào CN, giả thiết ban đầu, % diện tích không thấm

Phương pháp tổn thất Holtan (Holtan và nhiều tác giả khác, 1975) liên quan đến các đặc trưng lưu vực, nhưng các thông số vẫn có thể được hiệu chỉnh, điều không thể thực hiện được trong các vùng không có đo đạc Phương pháp này tương tự như phương pháp hàm số mũ HEC nhưng không xem xét đến cường độ mưa

Tính toán dòng chảy trên các lưu vực con

Trong HEC-1 có một vài các phương pháp tính toán dòng chảy bề mặt và người sử dụng có thể lựa chọn phương pháp thích hợp Chúng được trình bày trong bảng 5.6 và bao gồm các phương pháp đường quá trình đơn vị cua Clark (1945), Snyder (1938) và Cục bảo tồn đất (1975b) Những đường quá trình đơn vị đã biết cũng có thể được nhập vào trực tiếp trong mô hình Tính toán dòng chảy tràn theo phương pháp sóng động lực

đã được đưa thêm vào mô hình vào năm 1979 và cho phép biểu diễn chính xác các khu vực đô thị hoá cho các tính toán UH (Trung tâm thuỷ văn công trình, 1979)

Bảng 5.6 Các phương pháp dòng chảy trên mặt trong HEC-1

1 Nhập đường quá trình đơn vị trực tiếp (UI)*

2 Phương pháp đường đơn vị Clark (UC)

3 Phương pháp đường đơn vị Snyder (xem phần 2.4) (UD)

4 Phương pháp SCS (phương pháp số đường cong + đường đơn vị SCS) (US)

5 Phương pháp sóng động lực cho đường quá trình dòng chảy tràn (xem phần 4.6) (UK)

* Nhận dạng cấu trúc đầu vào của HEC-1

Phương pháp Clark dựa trên phương pháp đường cong thời gian – diện tích được mô tả trong phần 2.2 Biểu đồ thời gian – diện tích, xác định từ các đường đẳng thời lưu

vực, kết hợp với biểu đồ quá trình mưa thiết kế để nhận được đường quá trình dòng chảy và sau đó chảy truyền qua các lưu trữ trong hồ chứa tuyến tính cho phép phân tán

đỉnh lũ

Các thông số phương pháp Clark là hệ số lưu trữ và thời gian tập trung, R, được

định nghĩa là độ nghiêng của hàm S–Q cho hồ chứa tuyến tính Giá trị TC và R có thể

được ước tính cho các lưu vực không có đo đạc thông qua các phương trình hồi quy liên quan đến các đặc trưng và mức độ phát triển đô thị (xem ví dụ trong bảng 5.13)

Chương trình HEC-1 sử dụng đường cong tổng hợp thời gian – diện tích nhận được

từ hình dạng lưu vực tổng quát hoá và các phương trình có thể áp dụng cho hầu hết các lưu vực:

5 , 1

414,

AI =

(1 T)1 , 5

414,1AI

trong đó: AI là diện tích luỹ tích như là nhân tố của lưu vực con và T là nhân tố thời gian tập trung Các đường cong thời gian – diện tích đặc biệt cũng có thể được nhập vào HEC-1

Quá trình dòng chảy nhận được sau đó sẽ được truyền qua hồ chứa tuyến tính để nhận được quá trình dòng chảy đơn vị cuối cùng Họ các đường đơn vị 2h hình thành từ HEC-1 được biểu diễn trong hình 5.3 cho lưu vực có diện tích 50-dặm2 với TC = 13,3h Lưu ý rằng có thể nhận được một loạt các đường cong có hình dạng khá biến đổi SCS

UH cũng được biểu diễn để so sánh (Hoggan, 1989) Với các giá trị R/(TC + R) càng lớn thì đường quá trình đơn vị càng dẹt hơn

Phương pháp của Snyder mô tả trong phần 2.4 cung cấp thời gian xuất hiện đỉnh tp

và hệ số đỉnh lũ Cp, nhưng không đủ để vẽ đường quá trình dòng chảy Phương pháp Clark vì thế được sử dụng để làm trơn và định dạng đường quá trình tương ứng với các

hệ số của Snyder

Các tung độ của dòng chảy trực tiếp được tính toán bằng các kết hợp đường quá trình đơn vị với lượng mưa rơi tiếp theo trên lưu vực con

Quá trình sóng động lực được biến đổi từ mô hình lưu vực MIT (Harley, 1975) và

được mô tả chi tiết hơn trong phần 4.6 Nó biểu diễn dòng chảy phi tuyến tương ứng so sánh với các phương pháp đường quá trình đơn vị tuyến tính Phương pháp sóng động lực dựa trên các tham số mà thông thường có thể đo đạc được từ lưu vực như độ dốc, chiều dài, hình dạng lòng dẫn, độ nhám, tình hình sử dụng đất và diện tích Các yếu tố dòng chảy tràn, “thu nhận nước”, lòng dẫn chính được sử dụng để biểu thị các đặc trưng của lưu vực tiêu nước (hình 4.10)

Trong phương pháp sóng động lực thì phương trình cơ bản là phương trình dòng chảy của Manning và phương trình liên tục (4.47 và 4.48) Chúng được giải bằng phương pháp số để nhận được dòng chảy tràn như là một hàm của thời gian và không gian Các phương trình này cũng được giải cho dòng chảy trong lòng dẫn (hình 4.10) Phương pháp sóng động học (KW) có thể dễ dàng áp dụng cho phân tích các lưu vực

đô thị hơn vì lý thuyêt KW không tính được cho sự phân tán của sóng lũ Khi diện tích lưu vực tăng lên thì các giả thiết yêu cầu cho KW trở nên đơn giản hơn

Hình 5.3 Họ các đường quá trình đơn vị 2-h tính từ HEC-1

Nguồn trích dẫn: D.H Hoggan, 1989, Computer-Assisted Flood plain Hydrology and Hydraulics, McGraw-Hill, New York

Các thông số như là chiều dài và diện tích lưu vực, độ nhám và hình dạng hình học của lòng dẫn được sử dụng để xác định dòng chảy tràn trên bề mặt lưu vực, chảy vào cống hay lòng dẫn, và chảy qua hệ thống kênh bằng nhận thức Những thay đổi trong các lưu vực đô thị có thể được dễ dàng thêm vào trong phương pháp KW

Các số liệu đầu vào theo yêu cầu cho mỗi thành phần dòng chảy tràn là: L0 = chiều dài dòng chảy chuẩn, S0 = độ nghiên đại biểu, N = hệ số nhám, tỷ lệ phần trăm của các lưu vực con mà phần này biểu diễn, và hệ số tổn thất thấm Thông thường hai thành phần được sử dụng, một để mô tả các vùng không thấm được (mái nhà, đường phố) và phần còn lại mô tả các vùng thấm (đồng, bãi cỏ và gỗ) Bảng 4.2 biểu diễn, các tham số

độ nhám cho dòng chảy tràn

Các công trình thu nước và lòng dẫn chính đóng góp để vận chuyển dòng chảy tràn

đến cửa ra lưu vực Các số liệu sau đây cần cho các kênh thu nước hoặc ống:

AC = diện tích tiêu bằng một kênh thu nước đại biểu

LC = chiều dài kênh thu

SC = độ nghiêng “chuỗi”

n = độ nhám và hình dạng và kích thước

Các tham số kênh chính và kênh thu nước có thể tìm thấy từ phân tích bản đồ hệ

thống tiêu thoát của lưu vực

Kênh chính nhận dòng nhập lưu từ các kênh thu nước phân bố không đồng nhất

dọc theo chiều dài của nó Diện tích lưu vực con cùng với L, S, n, hình dạng, kích thước

và bất cứ đường quá trình thượng lưu là điều kiện cần thiết để diễn toán trên đoạn

sông Vận chuyển KW cũng có thể sử dụng trên kênh chính Trường hợp nghiên cứu cụ

thể trong phần 5.6 sẽ minh hoạ cụ thể cách sử dụng các phương pháp KW so sánh với

phương pháp Clark (TC & R) cho lưu vực đô thị có diện tích 17.9dặm2

Tính toán dòng cơ bản

HEC-1 mô phỏng dòng cơ bản của đường quá trình lũ với ba thông số:

(1) Q0, dòng chảy trong kênh trước khi lũ bắt đầu lên

(2) RTIOR, tỷ lệ giảm theo số mũ; và

(3) QR, điểm bắt đầu lũ xuống (Hình 5.4)

Các tham số trên có thể nhận được từ đường quá trình Q~t thực đo vẽ trên giáy

bán logarit (hình 2.4) Tỷ lệ

peak

R Q

Q thường khoảng từ 0,05 ữ 0,15

Phương trình (5.6) xác định các tham số sử dụng trong mô hình, trong đó ngưỡng

dòng chảy rút QR và hằng số RTIOR do người sử dụng xác định Hình 5.4 xác dịnh mối

liên quan giữa đường quá trình dòng chảy các tham số sử dụng Phương trình (5.6) tính

toán dòng chảy rút Q như sau:

Hình 5.4 Các thành phần của đường quá trình thuỷ văn

trong đó:

Q0 = dòng chảy trước khi bắt đầu lũ lên,

Q = tỷ lệ dòng chảy thiếu hụt tại cuối của n∆t,

QR = tỷ lệ dòng chảy tại lúc bắt đầu lũ xuống

RTIOR = tỷ lệ lũ xuống n∆t ứng với mỗi thời đoạn

Rất nhiều ứng dụng của HEC-1 là cho các trận lũ đô thị, nơi mà dòng chảy cơ bản thường là tương đối nhỏ so với tổng lượng dòng chảy trên đường quá trình thuỷ văn

Diễn toán lũ

Diễn toán lũ liên quan đến phân tích các chuyển động của sóng lũ trong sông Bảng 5.7 liệt kê các phương pháp chính của tính toán truyền lũ có trong mô hình HEC-1 Các phương pháp này được trình bày chi tiết trong chương 4 Cả phương pháp hồ chứa thông số lưu trữ và phương pháp vận chuyển trong sông được trình bày trong chương 4 Phương pháp Muskingum đòi hỏi cả K và x, trong đó K nhận được từ phân tích như trong mục 4.2 hoặc sử dụng chiều dài đoạn chia cho vận tốc sóng xác định từ phương trình 4.38,

dy

dQ

có thể nhận được từ góc nghiêng của đường cong tỷ lệ tại một giá trị lưu

lượng tiêu biểu được vận chuyển Chú ý rằng 2Kx < ∆t ≤ K và số đoạn con bằng

t

K

∆ Phương pháp Puls được mô tả sơ bộ trong phần 4.3 cho một hồ chứa nhưng cũng có thể áp dụng cho các sông bằng việc phát triển quan hệ lưu lương – lượng trữ (S-Q) Một vài phương pháp có thể được sử dụng:

(1) Tính toán phân bố dòng chảy ổn định

(2) Phân bố đo đạc

(3) Phân bố độ sâu bình thường

(4) Lượng trữ từ quá trình dòng chảy ra và dòng chảy vào

(5) Các kỹ thuật tối ưu hoá

Bảng 5.7 Diễn toán lũ trong HEC-1

1 Muskingum (RM)* Hệ số lượng trữ (x) cộng với thơi gian truyền (K) qua mỗi đoạn

2 Puls có sửa chữa (RS) Bảng của lượng trữ so với dòng chảy ra cho mỗi đoạn dựa trên HEC-2

3 Sóng động lực (RK) Hình dạng lòng dẫn, chiều dài đoạn, độ dốc đáy và n; dòng chảy ra từ

mỗi đoạn dựa trên độ sâu cùa dòng chảy trong phương trình liên tục và

phương trình Manning (phương trình 5.1)

* Nhận dạng cho cấu trúc đầu vào HEC-1

Những vấn đề này được mô tả chi tiết hơn trong tài liệu của Hoggan (1989) và sẽ không được trình bày ở đây Cho phương pháp thứ nhất, vài đường mặt nước được hình thành, WS1 đến WS5, tương ứng với lưu lượng, Q1 đến Q5, sử dụng mô hình HEC-2 (từ phần 7.9 đến 7.15) Thể tích lượng trữ được tính từ diện tích mặ cắt ngang của kênh dẫn và chiều dài của nó cho mỗi WS Một đường cong quan hệ S-Q (đường cong tỷ lệ)

được xác định (hình 5.5) Số bước vận chuyển được sử dụng cho một đoạn sông là

NSTEP, bằng với

t

K

∆ , trong đó K = thời gian truyền và ∆t = bước thời gian

Phương pháp truyền sóng động lực trong kênh dẫn không cho phép sự tắt dần của

đỉnh lũ là một vấn đề ở những nơi mà có nhiều vùng bãi ngập lũ Nó có ưu điểm khi cho

phép tính đến sự phân bố của dòng nhập lưu dọc theo kênh dẫn chính (Trung tâm kỹ sư

thuỷ văn, 1979) Các dạng cơ bản của phương trình Manning cho phương pháp sóng

động lực được mô tả trong phần 4.6

Các khả năng khác của mô hình HEC-1

HEC-1 có thể hiệu chỉnh với trận lũ đo đạc được bằng cách sử dụng thuật toán tối

ưu hoá thông số Một số các sự kiện quan trắc phải được sử dụng cho việc so sánh với

các kết quả dự báo của mô hình Việc lựa chọn thông số thường dựa trên phương pháp

thử sai hệ thống: lựa chọn các giá trị của thông số, mô hình chạy với số liệu lịch sử và

đường quá trình thuỷ văn tính được sẽ so sánh với số liệu quan trắc Quá trình được lặp

lại cho đến khi nhận được sự phù hợp nhất giữa só liệu tính toán và số liệu thực đo

Một thủ tục tối ưu hoá tự động trong mô hình HEC-1 là một thể hiện rất tiện lợi

của quá trình lựa chọn thông số thử-sai Tối ưu hoá liên quan đến một hàm mục tiêu

mà ta phải đi tìm giá trị nhỏ nhất của nó ứng với một chuỗi các giá trị của các thông số

N

i

i i

1

2

, (5.7)

trong đó STDER là chỉ số sai số, QOBS là tung độ đường quá trình thuỷ văn quan trắc

tại thời gian i, QCOMP1 là tung độ tính toán tại thời gian i từ mô hình HEC-1 N là

tổng số của các tung độ đường quá trình và WT là một hàm trọng số nhấn mạnh đến

tính chính xác cần phải tái tạo lại đỉnh lũ

Một ứng dụng chủ yếu thứ 2 trong mô hình HEC-1 là nó có thể mô tả các hiện

tượng thuỷ văn thuỷ lực cho nhưng vùng mà số liệu thu thập không đầy đủ HEC

(1980) mô tả công việc tính toán hoàn thiện cho những vùng không có đầy đủ số liệu để

tìm ra các thông số thuỷ văn đặc trưng cho vùng đó Kinh nghiệm và các thông số đầu

vào của mô hình là vô cùng quan trọng trong việc tính toán cho những vùng thiếu số

liệu quan trắc Hiện nay có ba xu hướng nghiên cứu ứng dụng HEC, các xu hướng này

được trình bày trong bản báo cáo của HEC

Cuối cùng mô hình HEC-1 có thể được sử dụng trong việc đánh giá các đại lượng

liên quan đến lũ Mối quan hệ giữa độ sâu - diện tích và bước thời gian có thể được mô

phỏng cho từng hệ thống sông, nhiều trận lũ có thể được tính toán đồng thời cùng một

lúc để có thể so sánh một cách chi tiết Một vài phương án tính lũ có thể được phân tích

xem xét trong mỗi quá trình chạy riêng lẻ Theo thống kê thiệt hại về kinh tế do lũ gây

ra thì công việc mô phỏng lũ phải được thực hiện ở bất kỳ vị trí quan trọng nào trong

một lưu vực Do đó, khả năng của mô hình HEC-1 là một vấn đề mở

Hình 5.5 (a) Các mặt cắt dòng mặt ổn định (b) Đường cong quan hệ lượng trữ - dòng chảy ra

Nguồn trích dẫn: D.H Hoggon, 1989, Computer - Assisted Floodplain Hydrology and Hydraulics, McGraw-Hill, York

Tất nhiên, cách tốt nhất cho mỗi sinh viên hay nhà thủy văn thực hành có được những hiểu biết thực thụ về mô hình này là phải ứng dụng để tính toán cho nhiều lưu vực thực tế ở đây không có một sự chỉ dẫn cụ thể nào cho việc thiết lập mô hình cũng như thu thập số liệu hay hiệu chỉnh mô hình, do đó đã trở thành một nhiệm vụ hết sức khó khăn và phức tạp Để giúp đỡ khắc phục những khó khăn trêm mà không làm mất

đi tính linh hoạt và sự hữu dụng của mô hình HEC-1, một vài bài toán ứng dụng đơn giản sẽ đựơc giới thiệu trong những phần tiếp theo

5.5

Số liệu đầu vào và đầu ra của HEC-1

Khái quát số liệu đầu vào

Sự hữu dụng chủ yếu của việc sử dụng HEC-1 so với các mô hình khác là tổ chức số liệu đầu vào là khá đơn giản HEC-1 sử dụng “thẻ hình ảnh” để biểu diễn số liệu đầu vào của hình dạng lưu vực sông và xác định cấu trúc số liệu đầu ra Mỗi thẻ hình ảnh bao gồm một dãy số liệu đầu vào 80 cột được thể hiện dưới dạng format cố định hoặc tự

do Format cố định bao gồm 8 cột và format tự do cho phép các giá trị số liệu được phân cách nhau bằng các dấu phảy Tiếp theo, từ "line" được sử dụng để thể hiện đường đơn

của số liệu đầu vào cuối cùng

Số liệu mô phỏng lưu vực được xác định mỗi đường bằng cách đồng nhất hai ký tự mã trong cột 1 và 2 Những mã số liệu này được đọc hoặc chúng kích hoạt các giá trị lựa chọn có trong chương trình Ký tự đầu tiên của mã xác định với các loại chung (tức là P biểu thị số liệu giáng thuỷ) và ký tự thứ hai xác định rõ kiểu dữ liệu nào đó (tức là PB tổng lượng mưa bình quân lưu vực) Bảng tóm tắt các loại dữ liệu cơ bản được trình bày trong bảng 5.8

Đối với việc mô phỏng lưu vực thì tính liên tục của đường quá trình lưu lượng đầu vào thực tế phải được xét đến Ví dụ về cấu trúc dữ liệu cho một lưu vực được miêu tả trong bảng 5.9, mà dữ liệu đó có thể được nhận thấy rằng mỗi đường KK được sử dụng như sự bắt đầu cho một khối tính toán Ví dụ, dòng chảy trong lưu vực nhỏ, sự tổ hợp thuỷ đồ và tất cả các bước diễn toán bắt đầu bằng một đường KK, đưa ra một khối cấu trúc đầu vào

Bảng 5.8 Các loại dữ liệu cơ sở

Điều khiển tính toán I_ Khởi tạo tính toán V_ Tóm tắt giá trị đầu ra O_ Tối ưu (optimization) J_ Kiểu tính toán Thuỷ văn và thuỷ lực K_ Điều khiển bước tính toán H_ Sự biến đổi của thuỷ đồ Q_ Số liệu thuỷ đồ B_ Số liệu lưu vực P_ Số liệu lượng mưa L_ Số liệu tổng tổn thất (chủ yếu là thấm )

U_ Dữ liệu đơn vị biểu đồ M_ Số liệu tuyết tan R_ Số liệu đường quá trình S_ Số liệu lượng trữ

D_ Số liệu nhập lưu W_ Số liệu tiêu thoát bằng máy bơm

Các loại khác E_ Số liệu về kinh tế

ZZ Kết thúc tính toán

Bảng 5.9 Ví dụ về cấu trúc dữ liệu đầu vào

Phân đoạn Ký hiệu Mô tả dữ liệu

Điều khiển tính toán ID

IT/IN

IO

Tiêu đề và hình dạng mô hình

Khoảng thời đoạn và thời điểm bắt đầu

Kiểm tra dữ liệu đầu ra cho toàn bộ công việc

thủy đồ từ tiểu lưu vực

tới điểm tiếp theo

KK

KM R_

được liệt kê vào nhóm này

Có một số phương pháp xác định biểu đồ mưa hoặc tổng lượng mưa trên tiểu lưu vực (hình 5.6) Các đường PI hoặc PC là lượng mưa thêm vào hoặc tích luỹ được đưa vào như một chuỗi thời gian Đường PG được sử dụng để xác định tổng lượng mưa đối với các dụng cụ quan trắc hoặc biểu thị số liệu tự ghi trên các đường PI hoặc PC như trong hình 5.6 Nếu lượng mưa không thay đổi từ tiểu lưu vực này sang lưu vực khác thì số liệu chỉ cần nhập vào một lần với nhóm KK đầu tiên Các đường (PR, PW) và (PT, PW) xác định dụng cụ đo và ứng với trọng số thì lượng mưa tính toán là giá trị bình quân lưu vực Đường PH được sử dụng để nhập quan hệ giữa chiều dày lớp nước và khoảng thời gian mưa rơi cho mỗi trận mưa dự kiến

Tỷ lệ tổn thất có thể được tính toán bằng việc sử dụng 1 trong 4 phương pháp có sẵn của mô hình HEC-l (Bảng 5.5) Các đường LE, LU,LS và LH cung cấp các mã cần thiết để tính toán tổn thất Trong ví dụ tiếp theo phương pháp LS hoặc SCS được sử

dụng để tính toán lượng tổn thất (do bốc hơi) vì cơ sở dữ liệu đầy đủ có thể đáp ứng được công việc tính toán Nếu tổn thất không thay đổi trên lưu vực thì chúng chỉ cần xác

định một lần trong nhóm KK đầu tiên

Tỷ lệ tổn thất có thể được tính toán bằng việc sử dụng 1 trong 4 phương pháp có sẵn của mô hình HEC-l (Bảng 5.5) Các đường LE, LU,LS và LH cung cấp các mã cần thiết để tính toán tổn thất Trong ví dụ tiếp theo phương pháp LS hoặc SCS được sử dụng để tính toán lượng tổn thất (do bốc hơi) vì cơ sở dữ liệu đầy đủ có thể đáp ứng được công việc tính toán Nếu tổn thất không thay đổi trên lưu vực thì chúng chỉ cần xác

(số liệu từ dụng cụ đo tự ghi)

Ví dụ khối dòng chảy lưu vực

1.5

A B C 0.40 0.45 0.15

và UK được sử dụng để xác định đặc trưng phương pháp cho từng tiểu lưu vực Các dữ liệu đặc trưng (như hệ số TC và R) được xuất phất từ mỗi tiểu lưu vực khác nhau hay mỗi cách giải quyết chính xác hơn Phương pháp dòng chảy tràn động lực học (UK) được giới thiệu trong mô hình HEC-1 năm 1981 và được miêu tả chi tiết trong phần 4.6 Mỗi một đường quá trình lũ được tính toán hoặc tổ hợp từ các diện tích lưu vực ở thượng lưu, quá trình diễn toán hồ chứa hay lòng dẫn được thực hiện bằng việc sử dụng các phương pháp thể hiện trên các đường R_ (xem ví dụ 5.1) Các phương pháp phổ biến nhất bao gồm Muskingum (RM), quan hệ lưu lượng - lượng trữ hoặc Puls cải tiến (RS)

và phương pháp sóng động học (RK) (xem trong chương 4) Các đường SV/SQ được sử dụng để nhập quan hệ lưu lượng - lượng trữ, và các đường SQ/SE được sử dụng để nhập

sự đánh giá đường cong lưu lượng với cao trình Đối với quá trình diễn toán hồ chứa, số nhóm thẻ đặc biệt có thể được sử dụng để mô tả các đặc trưng đầy đủ của cấu trúc lượng dòng chảy ra Các đường SA, SV và SE biểu thị bảng diện tích hồ chứa, thể tích, mực nước và các đường SS, SL thể hiện dữ liệu đường tràn tại cửa ra Những sự lựa chọn này được miêu tả một cách chi tiết trong ví dụ ở phần 5.6

Hình 5.7 Sơ đồ của công việc tính toán bằng mô hình HEC-1

Sự tổ hợp đường HC cho phép tính toán hai hoặc nhiều hơn đường quá trình tại trạm đặc trưng trong lưu vực Bước HC sẽ sử dụng đường quá trình tính toán gần nhất trong hệ thống Vì vậy, chuỗi tính toán thuỷ văn được cung cấp bởi các nhóm đường KK Trong hình 5.7, dòng chảy từ tiểu lưu vực số một được truyền từ A đến B và được kết hợp với tiểu lưu vực thứ hai tại điểm B Sauu đó truyền tới điểm C, dòng chảy từ tiểu

lưu vực thứ ba được gia nhập để tạo ra một đường quá trình thuỷ văn đơn nhất tại điểm

C Quá trình tiếp cho đến cửa ra của lưu vực Nếu một dụng cụ đo được đặt tại bất kỳ

điểm nào đó, đường QO có thể được sử dụng để so sánh giữa dòng chảy tính toán và thực đo, và một bản thống kê sẽ được cung cấp

Sự lựa chọn hồ chứa, kênh dẫn được xem xét bởi HEC-1 đối với từng lưu vực đặc trưng bằng việc điều chỉnh xấp xỉ dòng chảy tiểu lưu vực hoặc các bước diễn toán thích hợp để phán ánh sự biến đổi ảnh hưởng của việc sử dụng đất theo thời gian có thể được trình bày bằng việc hiệu chỉnh những thông số trong tiểu lưu vực và các thông số diễn biến lòng dẫn Cường suất mưa khác nhau, các loại mưa khác nhau và cường độ tổn thất khác nhau có thể dễ dàng tích hợp trong quá trình phân tích lưu vực Mô hình HEC-1 cung cấp một số công cụ thuận lợi để đánh giá các yếu tố thuỷ văn Sự lựa chọn các thông số và toàn bộ dữ liệu tổ chức ở HEC-1 được trình bày trong ví dụ 5.1, và các chi tiết ví dụ được giới thiệu trong phần 5.6

Ví dụ 5.1

Cho một lưu vực sông nhỏ có các thông số được liệt kê trong bảng dưới đây

Đường quá trình đơn vị và các hệ số diễn toán Muskingum cho tiểu lưu vực thứ 3, trình bày trong hình E.5.1(a) Biểu đồ mưa ứng với trận lũ xảy ra vào ngày 19-6-1983 Cho rằng mưa rơi đều trên toàn bộ lưu vực Với các thông tin đã trên, hãy nhập dữ liệu đầu vào cho mô hình HEC-1 để mô phỏng trận lũ đó Chạy chương trình để xác định dòng chảy ra dự báo tại điểm B

dụng để nhập dữ liệu Đường IT dùng để ước lượng thời gian tính toán khoảng 60 phút, ngày bắt đầu và thời gian đến 12 giờ trưa ngày 19/6/1983, và số tung độ lớn nhất của

đường quá trình là 100 Đường IO dùng để thiết lập thông tin in ấn số liệu đầu vào và

ra Đường quá trình sẽ được xây dựng có thể cho mọi trạm

Đường KK báo hiệu sự bắt đầu của khối tính toán Đường KM được dử dụng để phác thảo các phương thức tính toán sẽ được thực hiện trong các nhóm đặc trưng đó và bao gồm cả các thông tin đơn giản

Đường PT được sử dụng để nhập các giá trị lượng mưa gia tăng Thời gian gia tăng giữa các giá trị lượng mưa là 60 phút (xem đường IT) Khi lượng mưa rơi đồng nhất trên toàn lưu vực thì chỉ cần dùng đường PI hoặc đường PT có thể được lặp đi lặp lại cho mỗi khối tính toán ở các tiểu lưu vực Trong trường tương tự, nếu hình thái mưa không đổi thì có thể tính toán dòng chảy từ mỗi tiểu lưu vực

Đối với mỗi khối dòng chảy tiểu lưu vực, các đường BA được sử dụng để nhập diện tích tiểu lưu vực (đơn vị dăm2) Đường LS chỉ ra rằng phương pháp tổn thất SCS sẽ

được sử dụng và số đường cong SCS, phần trăm đất không thấm được nhập vào đây Trong các tiểu lưu vực 1 và 2, đường UC được sử dụng để xác định rằng phương pháp

đường đơn vị Clark được dùng Các giá trị của TC và R được nhập vào đường UC (xem chi tiết bảng 5.13) Đường quá trình đơn vị của tiểu lưu vực 3 đã có trong số liệu và

được nhập vào đường UI

Đường HC chỉ ra rằng bước tổ hợp đường quá trình đang được thực hiện và số các

đường quá trình đã tổ hợp được nhập vào Đường RM được sử dụng để nhập các hệ số Muskingum để diễn toán quá trình từ điểm A đến điểm B Đường RS có thể được sử dụng để diễn toán bằng phương pháp Puls cải tiến với mối quan hệ giữa lưu lượng và lượng trữ được nhập trên các đường SV/SQ Đường ZZ (không có dữ liệu) chỉ ra rằng việc nhập dữ liệu vào đã hoàn tất

Chương trình HEC-1 được thực hiện với tập dữ liệu đã có Thông tin trong bảng tiếp theo được lấy từ số liệu đầu ra của chương trình Hình E.5.1(c) sơ dồ đầu ra bằng

đường quá trình thuỷ văn

Đường quátrình tại Lưu vực 1 36.5 6.00 25.0

Đường quátrình tại Lưu vực 2 215 7.00 2.70

Tổ hợp 2 đường quá trình tại A 574 6.00 5.20

Đường quátrình tại Lưu vực 3 632 7.00 5.30

Tổ hợp 2 đường quá trình tại B 97.2 7.00 8.50

Hình E.5.1(c)

Khái quát dữ liệu đầu ra

Phần lớn lượng đầu ra của mô hình theo HEC-1 có thể được điều chỉnh bởi người thực hiện và kết quả có thể được in ra một cách dễ dàng dưới nhiều dạng khác nhau Dữ liệu sử dụng trong mỗi đường quá trình thuỷ văn tính toán (nhóm KK) có thể được

in cùng với các đường quá trình, lượng mưa, lượng trữ, và những dữ liệu cần thiết khác

Đầu ra nói chung được điều khiển bằng đường IO, mà có thể được ghi đè bởi đường KO

đối với một nhóm KK đặc trưng Số liệu đầu ra được cung cấp một cách máy móc theo dữ liệu đầu vào mà sẽ sử dụng để kiểm tra số liệu đầu vào thực tế

Đường quá trình thuỷ văn có thể được in như những bảng biểu hoặc được minh hoạ bằng đồ thị Lượng mưa, lượng tổn thất, và mạng lưới mưa có thể được thể hiện bằng bảng biểu hoặc biểu đồ Đường quá trình dòng chảy vào và ra được in và vẽ cùng với lượng trữ đối với mỗi trước diễn toán Các thông tin báo lỗi có thể được xuất ra, chương trình đang chạy có thể hoặc không thể dừng Số liệu đầu ra luôn luôn được kiểm tra những lỗi hoặc lời cảnh báo có thể có

Chương trình tạo ra bản tóm tắt quá trình tính toán cho lưu vực Các bảng tóm tắt

đặc biệt cũng có thể được tạo ra bằng việc sử dụng các đường VS hay VV Tóm tắt chuẩn của chương trình chỉ ra đỉnh dòng chảy và diện tích chứa nước tích luỹ đối với mỗi đường quá trình tính toán Thời gian xuất hiện giá trị đỉnh dòng chảy và dòng chảy bình quân được trình bày cùng với đoạn thông tin về quá trình diễn toán hồ chứa Một bảng tóm tắt ví dụ được trình bày trong ví dụ 5.1 ứng với lưu vực có 3 tiểu lưu vực Người sử dụng có thể chọn một loạt giá trị thời đoạn tính toán tại các trạm lựa chọn để trình bày trong các bảng, mỗi bảng có thể có tới 10 cột Lượng mưa, tổn thất, địa chất lưu vực, trữ lượng, và đường quá trình thuỷ văn có thể được in ra theo thiết kế của người sự dụng trong các đường VS và VV Nói chung, dạng số liệu đầu ra của HEC-1 rất dễ để hiểu và có thể biến tấu theo mong muốn của người sử dụng