Nghiên cứu mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy trên một số lưu vực sông ngòi miền trung phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên nước và đất

trung bình và tnVt cùa đál ANN Mò hình mạng thán kinh nhân tạo Artificial Neural Network ETA Mõ hình khí lượng bát iliuý tĩnh châu Âu ETA model FLOAT Mõ hình lan truyền chát ò nhiềm GDP

ĐẠI H O C Q l ỏ < : ( Ỉ I A H \ N Ò I

I KI C>N<; Đ A I IK K K H O A H Ọ C T ự N H I Ê N

NG H IÊ N ( I V M ổ PHÒNG Q l A TRÌNH MƯA - D Ò N G ( ’HÃY

T R Ê N M Ộ T SỐ LƯU v ự c SỔNG NGÒ I MIỂN TRUNG

MỤC LỤC

GIẢI T H ÍC H C Á C C H Ù V IẾ T T Á T 5

d a n h Sá c h n h ũ n g n g u ờ i t h a m g i a t h ụ c h i ệ n đ ề t à i 6

d a n h m ụ c c á c b ả n g s ố l i ệ u 7

DANH M Ụ C C Á C H ÌN H 8

TÓVI TẮT C Á C KẾT ỌUẢ NGHIÊN c ú u CHÍNH CỦA ĐỀ T À I 10

MỞ Đ Ầ U 13

CHJO NG I TỐNG Q U A N C Á C NGHIÊN c ứ u V Ề MƯA LŨ Ờ M lỂ N t r u n g. LÝ THUYẾT MÓ HÌNH MUA - DÒNG CHẢY VÀ PHUƠNG PHÁP s c s 15

1 1 T ố ng quan c á c nghiên cứu và mò hình toán phục vụ sử d ụ n g hợp lý tài nguyên đất và nước lưu vực s ô n g 15

/ / / N g h iên cứu, áp d ụ n g m õ liình toán d ê tin h toán và (Ị ự b á o m ưa lũ trên tliế g iớ i \’à à nước t u 15

1.1.2 N g h iên cứu m ưu lũ và lài nguyên nước trẽn tĩịư bùn nghiên c ứ u 18

1.2 c ơ sờ lý thuyết lớp m ỏ h ình toán mưa - dòn g c h ả y 20

1.2.1 M õ hìn h thúy ÍỈỘHỊÌ lực h ọ c 26

í 2.2 P hương p h á p p h â n tử hữu hạn áp dụng trong m ỏ hình sóng độtìỊị h ọc m ột c h iể u 28

J.3 Phương p h áp SC’S 39

1.3.1 G iới th iệ u phương p h á p s c s 39

1.3.2 P hát triển s c s 41

CHUỌNG2 ĐIỀU KIỆN ĐỊA LÝ T ự N H i Ê N VÀ KÍNH T Ể XẢ HỘI MỘT s ố 1.UJ v ụ t SÔNG NGÒI MỈỂN TRUNG TRONG M ố i LIÊN QUAN VỚI QUÁ TRINH MUA - D Ò N G C H Ả Y 45

1 Đ iều kiện địa lý tự n h iê n 45

2.1.1 17 trí (lịa l ý 45

2.1 2 Đ ịa hình 45

2.1.3 Đ ịa ch á i, tho như ỡ ng 5 0 2.1.4 T h ả m thực v ậ t 54

2 1.5 K hí hậu ' 57

2.1.6 Mạiiỉi lưới rlmỷ vùn các lim vực SÔHỊỊ nghiên c ứ u 58

1.2 Đ iều kiện kinh tế xã h ộ i 61

2.2.1 T h ừ a T h iên - H u ế 61

2.2.2 Q iuiniỊ N a m 62

2.2.3 Q uà n g N g ã i 63

ĩ.3 Đ ặc điểm mưa, dòng cháy và các hiện pháp phòng l ũ 65

2 3 1 D ặ c (liêm m ư a , d ỏ n g c h á y trên c ú c Ill'll vực niỊhiẽn c ứ u 6 5 2.3.2 C ú c b iệ n p lu ìp p h ò n q 111 trẽn c á c lư u vực nghiên CỨII 66

' 1 | U ) \ ( Ì 3 X Ả Y DỤNG M Ỏ HÌN H M Ỏ PH O N G Q U Á TR ÌN H MUA - D Ò N G : i l / \ Y B A N G M Ò HÌN H S Ồ N G Đ Ộ N G IIỌC M Ộ T C Í I I l U l PHUƠNG PH Á P

JHẮN T Ử H Ũ IJ H Ạ N VÀ PH U Ơ N G PHÁP s c s 68

3.1 N àng cao tinh on định và đ ộ chính xác cíia phương pháp phần tứ him hạn mõ phỏng không gian thời gian trong m ô hình sóng động học m ột c h i ề u 68

3.1.1 C á c vấn (lẽ vê tilth Ổn (tịnh và (lộ cliinh xức khi lỊÍdi phư ơ ng trình sóng ilộu iỊ h ọ c htÌiiỊ’ p hư ơ ng p h á p p h ầ n tử lìữ u h ạ n 6#

3.1.2 C ú c s ơ đ ó sỏ d i’ 1ỊÌùr plníơniỊ trinh sóng (lộm; h ọ c 7/

3 1.3 M ộ t sô'thu ật toán Ị ịià i hệ phương trìn h vi p h â n p h i tuyến tinh tra n g mỏ hình p h á n tứ hữu hạn sóng tíộni> học m ột c h i ê u 75

3.1.4 Thực nạ/liệm sô , (lánh giá độ ổn định, d ọ chính xá c cùa cú c s ơ d ó sô và tlutật toán phưưtiỊi p liá p p h im từ hữu hạn úp d ụ n g cho m ò hình SÓHỊỊ (ỈỘHỊỊ học m ột ch it’ll 77

3.2 Hiệu chinh phương pháp s c s , nâng cao k hả nàng m õ phóng lũ trên các lưu vực sóng ngòi m iền tr u n g 80

3.2.1 S ử dụng s c s nâniị c a o khả năng m ô p h ò n g lưu vự c 80

3.2.2 N á MỊ cao klui nân g m ỏ phò n g (lia phư ơ ng p h á p s c s 82

3.2.3 T hự c nghiệm s ố c ò t ìii tliứ c tinh (lộ sán tốn th á i han d ầ u trên m ột sò lưu vực M iền T ru n g 83

3.3 Xây dựng m ổ hình m ô phỏng quá trình mưa - dòn g c háy đối với m ột sô’ lưu vực sõng thượng nguổn M iền T r u n g 87

3.3.1 Phán lích và x ử lý s ố li ệ u 87

3.3.2 Xáv dựng bộ thông s ô ' 88

3 J 3 Xây dựng m ó hình và chương trình lính to á n 94

3.3.4 K ết i/iui m ô p h ô tìỊị 95

3 3 5 N h ậ n x é t w CHUƠNG4 ÚNG DỤNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH MƯA - DÒNG CHẢY TRÊN CÁC l u u v ụ t SÔNG MiỀN TRUNG PHỤC v ụ D ự BÁO LŨ VÀ S Ử D Ụ N G H Ợ P LÝ TÀI N G U Y Ê N N UỔC VÀ D A T 102

4.1 Úng dụng m ô hình mô phỏng q uá trình mưa - dòn g chày phục vụ d ự b áo lũ sônạ Trà Khúc - trạm Sơn G ia n g 102

4.1.1 D ự b á o th ử nqhìệm m ưa 111 lại Ill’ll vực SÕIHỊ T rù K húc - Sơn G ia n g /0 4 4.1.2 D ư báo lũ ’ 106

4.2 Úng dụim m ó hình IT1Ô phóng quá trình mưa dòng cháy phục vụ sứ dụng hợp lý tài nguyên đất trên lưu vực 108

4.2.1 Đ ánh giá (ình hiũhìg cùa lớp p h ủ (lất dỏ thị đến s ự hình tliànli l ũ 109

4.2.2 Đ ánh ỳ á linh hướnẹ của lớp p h ù rừng đ ế n sự hìnli thành lũ I I 3 4.2.3 K liáo s á t tính liiỉàníỊ cùa lớp p h ủ lĩât d ô thị đồn g tliời thay đ ổ i thảm phũ thực VỘI n ên lim vực SÕI 1 ạ T ã Trạcli - trạm Thượng N h ậ t ỉ là 4.2 4 Xáx ilưniỉ bo SIIHỊỈ lio ( hứa trên các lưu vực nghiên cứu tăng cường Uui năn li CỜI lù lùm ịỊÌảm mực nước hạ th i / / 7

4.3 k ẽ t qua và iháo lu ậ n 120

4.3.1 \ ’ế việc p h ụ c vụ sừ dụnỉỉ hợp lý tủ i nguyên I iư ớ c 120

4 J 2 - \ ê việc ph ụ c V I I sứ (lụiiỊỉ hợp lý lài Iiguyèn ilã t 121

DANH M Ụ C C Á C C Ò N G B ổ LIEN Q U A N Đ E N K ẸT Q U Ả Đ Ể T À I 123

C Á C BÀI B Á O THỤC HIỆN T R O N G K H U Ô N K H O C Ủ A Đ Ể T À I 124

KẾT Ọ U Ả Đ À O T Ạ O C Ủ A ĐH T À I 124

KẾT LUẬN VÀ KIẾN N G H Ị 125

TÀI LIỆU T H A M K H Ả O 127

PHU L Ự C 145

(ỈIÁI T H Í C H CÁ C C H Ữ V I Ế T T Ắ T

ACM ỉ II Ill Điếu kiện am khô trung bình và tnVt cùa đál

ANN Mò hình mạng thán kinh nhân tạo (Artificial Neural Network)

ETA Mõ hình khí lượng bát iliuý tĩnh châu Âu (ETA model)

FLOAT Mõ hình lan truyền chát ò nhiềm

GDP Tổng giá trị sản phẩm trong nước

GIBS1 Bộ mõ hình tổng hợp cùa Canada (Oiestion Intégróc des Bassins versants à

I'aide d'un Système Inỉormatisé)CIS Hệ Ihống Ihông tin địa lý (Geographic Information System)

HMC Trung lâm Ihuv vàn Xô viết (Hydro-Metorology Centre)

HRM Mỏ hình khí tượng khu vực phân giải cao (High Resolution Regional Model)HYDROGIS Mỏ hình thuỷ vãn thuý lực cúa Nguyền Hữu Nhân

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

KOD Mó hình Ihuý lực không ổn định ciia Nguyền Ân Niên

MIKE Bộ mò hình thuý lực VÌ1 thuỷ văn lưu vực cùa Viện Thuý lực Đan Mạch

MM5 Mỏ hình khí tượng quy mỏ vừa ( The NCAR/PSU 5lh Generation Mesoscale

Model)NAM Mỏ hình dòng cháy cùa Đan Mạch (Neđbứr-Aừstrứmnings-Model)

ODE Phương trình vi phàn thường

QUAL2C Mỏ hình chất lượng nước (Water Quality version 2E)

RAMS Mỏ hình khí lượng khu vực cùa Mỹ (Regional Atmospheric Modeling System)

s c s Cục háo vệ đất (Soil Conservation Service)

SSARR Mỏ hình hệ thống diẻn toán dòng chày của Mỹ (Streamflow Synthesis and

Reservoir Regulation)SWAT Mò hình mô phỏng dòng chày mặt qua độ ám đất (Soil and Water Assessment

Tool)SWMM Mõ hình iliẻn toán thuý lực (Storm Water Management Model)

TANK Mõ hình be chứa cùa Nhậl Bàn

USDAL Mõ hình dòng cháy phân bỏ Bộ Nóng nghiệp Hoa Kỳ

WMO Tổ chức khí tượng thè giới (World Meteorological Organization)

X > PUT

x< PET

Mưa vượt thấm và không vượt thấm

DANH SÁCH n h í m ; n g ư ờ i t h a m (ỉ i a t h ụ c h i ệ n d ề t à i

1 TS N guyền T hanh Sơn, Trường Đại học Khoa học T ự nhiên Đụi học Q uốc gia

Hà Nội C hú trì dề tài

2 CN Ngỏ C hí T uân I lọc viên c ao học, Trường ĐI I Khoa học T ự nhiên Đ H Q G H N

3 CN C ò n s T hanh Học viên c a o học Trườn" ĐH K hoa học Tự nhiên, Đ H Q G H N

4 ThS H oàng T han h Vân NCS Trường Đ H Khoa học T ự nhiên Đ H Q G H N

5 CN Đ oàn M ạnh H ùng Viện Khoa học Khí tượng T hủ y vãn và Môi trường

6 CN Phạm C ò n g M inh H V C H Trường Đi I Khoa học T ự nhiên Đ H Q G H N

DANH M Ụ C C Á C BẢNC s ỏ LIỆLI

iíinỉi I I Đ ạc điếm cùa các thõng số trong m ó hình thuv van lất đ ịn h 21

3únịỉ 1 2 Mục đích và đòi lượn Si ứng dụng các m ó hình thuý vãn tất đ ịn h 22

'ianx 2.1 Hiện trạng rừng nám 2000 lưu vực sõng Ta T rạch 1141 54

'iáiiỉi 2.2 Hiện trạng l ừng nũm 2000 lưu vực sòng T hu Bón 11 4 ] 55

3ánỉỉ 2.3 Hiện trạng rừng nam 2000 lưu vực sông Trà K húc 114] 55

3ÚH}’ 2.4 Lớp phú thực vật liru vực sóng Vệ theo m ức độ che phú Ị 1 4 ] 57

3ÚI11Ỉ 3.1 Sỏ trận lũ trôn sông V ệ - An Chi qua các năm dù ng đê m ô phỏng l ũ 83

Bàn ị’ 3 2 Kết quà đánh giá m ỏ phỏng lũ theo m ỏ hình sóng độn g học một chiều 84 jhirơng pháp phần tử hữu hạn và phương pháp s c s sông Vệ - A n Chí ( Ạ, = 0 2 S ).8 4 BàiiỊỉ 3 3 Kết q u á đánh giá m ỏ phỏng lũ theo m ô hình sóng động học một chiều 85

phương ph áp phán tử hữu hạn và phương pháp s c s với la = 0 13S 85

Búng 3.4 C ác đặc trưng hình thái lưu vực sóng lựa chọn ờ M iền T r u n g 87

Bá na 3.5 Sô liệu khí tượng Ihuý vãn để mô phỏng lũ trên c á c lưu vực nghiên cứu 88 lỉàiiỊi 3 6 Phân tích các lưu vực ra đoạn sông, dải và các phán t ứ 89

Bàng 3 7 Đ á n h giá kết quà m ô phỏng lũ trên các lưu vực sông nghiên c ứ u 99

Bàng 4.1 Kết q u á đánh giá sai sỏ d ự báo lũ với sô liệu mưa từ m ỏ hình R A M S 108

Bán 1» 4.2 Ảnh hướng cùa lớp phu đất đô thị đến dò ng c háy q u a 9 trận lũ trên sóng Tá T r ạ c h 110

BàniỊ 4.3 Anh hưởng cua lớp phú đất đỏ thị đốn dò ng c háy q u a 9 trận lũ trên sòng Thu B ổ n 7 ! 110

liáiiỊi 4.4 Ảnh hướng c ùa lớp phũ đất đô thị đến dòn g chảy qua 3 trận lũ trên sông Trà K h ú c 111

Bân 1» 4 5 A n h hường củ a lớp phú đất đ ò thị đến dò ng c h áy q ua 2 trận lũ trên sóng V ệ 7 111

Bá Ilf’ 4 6 Kết q u à kháo sát đán h giá ảnh hường của rừng đến dò ng chày lũ trẽn các lưu vực sóng nghiên c ứ u 115

Báng 4 7 A nh hướng á m lớp phu đấl đô thị đến dò ng c h áy khi tăng diện lích rừng qua 9 trận lũ trên lưu vực sông T á Trạch - trạm Thượng N h ậl 116

Búng 4.8 M ực nước lũ 5% trẽn sõng Hương khi c ó h ổ Dương Hoà (Tá T r ạ c h ) 117

Bảng 4.9 Các hổ chứa tham gia cắt lữ trên dòng chính sông Vu Gia - Thu Bổn 119

Báiix 4.10 G iám mực nước lũ trên sông Trà Khúc khi c ó các hổ chứa cắt l ũ 119

DANH MỤC CÁC HÌNH

'ỉình 1.1 Phân loại các m õ hình ihuý ván tất đ ị n h 21

'Hull 1.2 Lưu vực và lưới phán tử hữu hạn tương ứng 32

Hình / J C ác biên số c ó tổn ihấi dòng chay trong phương pháp s c s 40

Hình 2.1 Vị trí các lưu vực s o n s nghiên cứu 11551 46

Hình 2.2 Địa hình lưu vực sông T rà K h ú c 48

H ình 2.3 Đ ộ dốc lưu vực sõng Trà K h ú c 49

Hìnli 2.4 Sir dụn g đát lưu vực sóng Trà K h ú c 53

llìn li 2.5 Rừng lưu vực sông T rà K h ú c 56

H ình 2.6 M ạng lưới sõng lưu vực sông Trà K húc - trạm Sơn G ia n g 60

lỉìn li 3.1 Kết q u á m ô phòng ( a) V à đánh giá sai số (b) trận lũ từ ngày 25/11/1998 đến ngày 27 /11 /1 9 9 8 7 85

H ình 3.2 So s án h hai phương á n (a) hiệu chinh s c s và (b ) không hiệu c h in h từ ngày 19/10/2001 đ ến ngày 20/10/2001 I ! 7.86 H ìnli 3 J Lưới phần tử trên lưu vực sông Tá Trạch - trạm Thượng N h ặt 90

H ình 3.4 Lưới phán tử trên lưu vực sông Thu Bổn - trạm N ông Sơn 91

H ình 3.5 Lưới phán tử trẽn lưu vực sóng Trà Khúc - trạm Sơn G i a n g 92

H ình 3 6 Lưới phán lử trên lưu vực sông Vệ - trạm An C h í 93

H ình 3.7 Sơ đ ổ khói c ùa c hương trình tinh theo m ò hình K W - 1D 94

H ình 3.8 M õ phỏng trận lũ lừ lh /1 8 /-l3 h /2 3 /X I/2 0 0 2 s T á Trạch - Thượng Nhặt 95 H ình 3 9 Kết q u á m ỏ phỏng lũ từ 6h/20/X - 6h/24/X/2001 s Tá Trạch - Thượng N h ậ t 7 96

H ình 3.10 M ỏ phỏng trận iĩi từ 7h/28/X 19h/30/X /2 00 0 Thu Bồn - N ô n g Sơn .96

H ình 3.11 M õ phỏng trận lù tìr 7h/2()/X 19H /23/X /2001 Thu Bổn - N ông Sơn .97

H ình 3.12 M ô phỏng irận lũ từ 13H/20/ - 13h /24 /X 11/2000 T rà Khúc - Sơn G iang 97 H ình 3.13 M ô phỏng lũ từ lh / 19/XI - 19h/ 25/X I/1998 s, Trà Khúc - Sơn G ia n g ,9 8 H ình 3.14 M ô phỏng trận lũ từ ngày 21/XI - 24/X I/1998 s Vệ - A n C h i 98

H ình 4.1 Lượng mưa tích luỹ 72 giờ dự báo được háng R A M S từ 16 đến 19/X I/2005 trên 9 tiếu lưu vực thuộc sòng Trà K húc - trạm Sơn G i a n g 106

Hìnli 4.2 Kết q uà dự háo lũ từ 7 g iờ ngày 10/X đến 7h ngày 13/X năm 2005 sông Trà K húc - Sơn G i a n g 107

lỉìn li 4.3 Kết q u á dự háo lũ từ 7 giờ ngày 16/XI đến 7h ngày 19/XI năm 2005 sông Trà Khúc - Sưn G i a n g 107

H ình 4.4 A nh hướng cua lớp phú đất đỏ thị đến d ò n g cháy lũ trên sòng Tá Trạch trận lũ từ 16h/2l đến 7 H /23/X /2001 r 110

H ình 4.5 Anh hướng cùa lớp phú đất đô thị đ ến d òn g chày lù trẽn sông Thu Bổn, trận lũ từ 19h/2 - 13h/8/X /2003 7 111

lỉìn li 4 6 Ả n h hướng củ a lớp phú đất đỏ thị đến quá trình dòng cháy trên sóng Trà Khúc, trận lũ ngày 25 đen 30/XI năm 1998 112

lỉìn li 4.7: Anh hưởng cua lớp phú đất đò thị đến q uá trình dò ng chay lũ trên sông Vệ, trận lũ ngàv 21 lien 24/XI nãni l l)9 8 112

/lull 4 S A nh hướng cua rừng liên (lòng cháy tròn sóng Tú T rạch - Thư ợng Nhật

rận lũ từ 16h/21 đến 4h /2 3 /X /2 í)0 0 * 113

'linh 4.9 Ảnh hướng c u a lớp phu đái đõ thị khi tăng diện tích rừng đến dò ng c hảy lũ

rên lưu vực sõng T á Trạch - trạm Thượni’ Nhật, trận lũ 2 3h/4- 10h/6/X II/1999 116

Hìnli 4.10 Vị trí ho chứa cắt lù (dự kiến) trên các lưu vực sông nghiên cứu 118

\1() ĐẨl

M iền T ru n g là nưi hứng chịu nhiều thiên tai lũ lụt vào loại bậc nhất ở nước

a Đ ã c ó nhiều cõng trình nghiên cứu giái quyết ván đ ề này nhằm góp phần giám ìhẹ những hậu quá do thiên tai lũ lụt gây ra Hướng tích cực nhất là nâng cao hiệu

|uá của công lác cánh báo và d ự háo lũ lừ đó đề ra những biện pháp thích hợp đế ìhòng tránh, trong dó dồ cao vai trò cua công tác q u v hoạch sừ dụ ng đất Các ỉhirơng pháp d ự háo truvén th ố n c tnrớc đày như phương pháp lưu lượng m ực nước ương ứng h ay s ử dụng các m ỏ hình tương quan và m ô hình thòng s ố tập trung đã

n an g lại những hiệu q u á tích cực Việc diễn toán dòng cháy từ trạm thu V vãn đầu Iguón về hạ lưu ở T rung tâm D ự báo Khí tượng T h uỷ văn Trung ương khá chính

<ác đạt độ đảm háo tương đối tốt Tuy nhiên, thực tẽ thường gặp phải hai vấn để lớn

ùm cho c ôn g tác dự b á o lũ vẫn chưa đ á p ứng được bài toán thực tiền Đ ó là: (1) do 'ác sõng ở khu vực này thường ngán và dốc thời gian tập trung nước nhanh nên việc phát các hán tin d ự h áo dựa trên sò liệu quan trắc m ưa và liru lượng tuyến trẽn hường c ó thời gian dự kiến ngắn, không đú dê triển khui các biện ph áp phòng -hống thích hợp và (2) do chưa SƯ dụng các m ỏ hình thôn g s ố dái, c ó khá năng diễn oán dòng c h áy lot hơn Nhàm g ó p phẩn khấc phục các vấn đề nêu trẽn, tác giả thực

hiện "N g h iê n cứu m ô p h ò ng q u á trinh m ưa - (ỉònỊị ch á y trên m ột sỏ’ lưu vực sông

ngòi M iền T ru n g p h ụ c VII sử d ụ n g hợp lý lủi ngu vén nước và (lất" nhằm g ó p phần

nâng cao chất lượng cõng tác cánh háo, d ự báo dòng chảv lũ từ mưa đổng thời phục

vụ quán lv tài n gu yên nước và đất theo hướng điều tiết dòn g c h ảy lưu vực M ô hình sóng dộng học một chiều phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp s c s - là một mỏ hình thòn g sô dái sứ dụnii đầu vào là mưa d ự báo từ các m ô hình khí tượng được sứ dụng đê m ó phóng dòn g cháy lũ nhám tãng đ ộ chinh xác và thời gian dự kiến của các dự háo lũ lại các trạm thuV văn đầu nguồn, làm c ơ s ở c h o việc nâng cao tính hiệu qua c ủ a c ô n'2 tác dự h áo lũ trên toàn lưu vực

M ụ c liê u ( lia d í' tài là xác lập cư sở khoa học đế xây dựng m ò hình toán mỏ

phóng q uá trình mưa (lóng cháy, có khá nãnjỊ d ự báo lũ và phục vụ sử dụ ng hợp lý tài nguyên nước và đát tròn các lưu vực sóna neòi M iền Trung.

P h ạm vi k lw a học c ù a đề tài là nghiên cứu các m ỏ hình toán mưa - dòng

cháy nhảm lựa chọn và xây dựng được một m ỏ hình thích hợp đê’ diễn toán quá trình

lũ từ mưa trong các cticu kiện địa lý tự nhiên ớ Miền Trung P h ạm vi lãnh th ổ ỉh một

sò lưu vực sông thượng nguồn: Tá Trạch đến Thương Nhật (đại diện cho các lưu vực phía Bắc T ru n g Bộ) Thu Bổn đến N ông Sơn, Trà K húc đến Sơn G iang và Vệ đến An Chi (đại diện c h o các lưu vực Nam Trung Bộ) díi điều kiện á p dụng m ô hình toán thúy vãn đ ã lựa chọn và cũng là các sông diễn ra lũ ác liệt trong những năm gần đây

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài là: 1) H oàn thiện một phương pháp

mõ phóng quá trình mưa - dòng cháy trên c á c lưu vực sông m iền núi.; 2) Kết quả cùa đè tài có the sử dụng làm công cụ giúi quvết các vấn đé thực tiền vé sử dụng hợp

lv tài n g uy ên nước và đât trên lưu vực sông theo hướng phát triển bền vững

C ác phương pháp n ghiên cứu chính đã sử dụ ng là: 1) Phương pháp phần tứ

hữu hạn; 2) Phương pháp SC’S; 3) Phương pháp m ò hình toán thuỷ vãn và 4 ) Phương

pháp hệ thố ng thòng tin địa lý (CỈIS)

Đ ề tài được trình hàv trong 4 chương c ùng với m ớ đáu, kết luận, tài liệu tham kháo, phụ lục

Đ ề tài được hoàn thành tại trường Đại học K hoa học T ự nhiên Đại học Q uóc gia Hù Nội, tác giã xin chân ihành cám ơn Phòng Khoa học C ông nghệ trường Đụi học Khoa học T ự nhiên Ran K hoa học Cóng nghệ Đại học Q uốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện vé thời gian, kinh phi hỏ trợ

Chương 1

TỐNG QllA N CÁ C NCỈHIÈN c ứ l ) VỂ MƯA LŨ ỏ MIỂN TRUNG LÝ

T H U Y Ế T MÔ HÌNH MƯA - DÒNÍÌ CH ẢY VÀ PHƯƠNG PHÁP s c s

I I TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN c ú u VÀ MÔ HÌNH TOÁN PHỤC v ụ s ử

D Ụ N G H Ợ P LÝ TÀI N G U Y Ê N ĐẤT v à N UỚC LUU v ụ c s ô n g

1.1.1 N ghiên cứ u , áp d ụ n g mõ hình toán đ ế tính toán và dự báo mưa lũ trén the giới và ờ nước ta

Ngày nay trong tinh toán và dự háo lũ đánh giá ánh hướng cua việc sử dụng, khai thác bé mặt lưu vực việc áp d ụng mò hình toán thuý vãn để khôi phục và xứ lý

số liệu ngày càng rộng rãi Đ ặ c hiệt, đối với những vùng ít được nghiên cứu thì sứ dụng m ỏ hình toán còn được coi là công cụ duy nhấi C ùng với việc phát triển kỳ thuật tính toán kèl hợp á p dụ ng cõng nghệ thõng tin, the m ạnh giái quyết hằng các hài toán số trị và ứng dụng trong hoạt động tác nghiệp c àn g c ó vị th ế nổi bật

Trong lĩnli vưc (lự b á o ngoài các phương pháp tru vồn ihống trước đâv như

phưưng pháp Kalinhin - M iuliacỏp [31] phương pháp lính dòn g c h áy đoạn sông có gia nhập khu giữa [32 48, 53], mỏ hình H M C ị 2, 21 ] phương pháp đường đơn vị đường đ ắng thời [31 58] cù n g với việc sứ dụng các m ô hình toán SSARR TA N K [94], N A M [49, 93], A N N [30] được triển khai nghiên cứu và c ó những kết quá tót, đạt độ chinh xác đáp ứng c h o các yêu cầu quy hoạch, thiết kè

Mõ hình toán SSARR của Cục C ông binh M ỹ được khai thác sử dụng sớm nhất ở nước ta từ năm 1980 đầu liên trong lĩnh vực thuý vãn c ông trình và sau đó là trong việc cánh báo, d ự háo lũ ở đổng hãng châu thổ sông Cứu Long [8()| M ỏ hình SSARR cũng được Irion khai á p dụnti đế dự háo lũ cho hệ thốna sông H ổng và Thái Bình ở đổng bằng Bác Bộ c h o kết q uá khá quan 126 28, 3 5 1-

M õ hình TA N K c ó xuãl xứ lừ Nhật Bán dược sứ dụ ng vào những nãm cuối của ihập ký 80 the ky XX ớ Viẹi Nam Sử đụng mó hình TA N K khá đa dạng, nhưng thành tựu cơ han nhất đạt đưực trong lình vực khôi phục và hổ sung s ố liệu, là tình trạng hạn chê phổ hiến nhất khi nghiên cứu thuý vãn ờ nước ta M ỏ hình đơn giàn,

có ý nghía vật lý trực quan, thích hợp vứi các sổng suối vừa và nhỏ [2 93] Gán đây

m õ h ì nh c ò n đ ư ợ c SƯ d ụ n g h i ệ u q u á khi l iế n h à n h d ự h á o h ạ n v ừ a c á c s ò n g c h í n h ở Băc Bõ [12 13 36 7 2 ị

M ó hình M IK E 1 1 ra đời cách đày 20 nám ư Đ an Mạch là một m ỏ hình tổng hợp ihông dụng nhấi trẽn ihẽ giới (có hơn 100 nước sử dụng) với các m ó dun vé thúy lực phàn tán chất lượng nước, chuyến tái hùn cát mô phỏng mưa dòng chảy (m ỏ hình N A M ), m ò hình sinh thái, d ự báo lũ vỡ đ ậ p đã bất đầu được nghiên

cứu và triển khai áp dụng C ác m ỏ hình phát triển ở m ức độ cao hơn như M IK E 21,

M IK E F L O O D dê mô p h o n e dòng cháy 2 chiều cũ n g đ ược nghiên cứu vận dụng

C ác m ô hình toán c ó xuất xứ trong nước hiện nay rất ít c ó thê kế ra một vài

m ò hình tiêu biếu như H Y D R O G IS của N guyễn Hĩai N hân [43], K O D của N guyễn

Ân Niên [46, 4 7 1 và V R S A P c iia N guyền N hư Khuê

Ngày nay, khi thè’giới đang đứng irước sự khủng hoàng về nước (cả lượng và chất) trước sức é p vé gia tàng dãn s ố và các hoại động kinh tế, hài toán quy hoạch tài

nguyên nước ngàv càng dược đ ề cao C ác m ô liinli toán trong lĩn h vực quàn lý lải

nguyên và m ỏ i trường nước, vì thế, cũ n g dược phát triến Có thê điếm q ua m ột số mô

hình đang được sir d ụng rộng rãi trên th ế giới như sau:

H ệ thống m ô hình GIBSI là một hệ thống m ô hình tổng hợp quản lý nước cả lượng và chát đê kiếm tra hoạt độ ng dùng nước trong các lĩnh vực kinh tê như nông nghiệp, công nghiệp Hệ th ố na này đang được sứ dụ ng rộng rãi ở C anada gồm các

mô đun vé thúy văn vé lích hợp (lữ liệu viễn thám và GIS, về lan truyền chất hóa học, về xói m òn đất và vận ch u y ên phù sa và chát lượng nước

Bộ mõ hình thuộc Chương trình sử d ụn a nước cua ú y hội sông Mẽ Công hổ trợ ra quyòi định phân bổ n a u ố n nước iheo các kịch hán sư dụ ng tài nguyên mỏi trường gồm 3 m ỏ đun chính < 11 mỏ hình SW A T để diễn toán q u á trình mưa - dòng

cháy: (2) m ó hình IỌ Q M đùn ạ đè mỏ phòng nguổn nước và quán lý các cô n g trình sir tiling nước (thúy diện, thúy lợi) và (3) m ò hình ISIS m ỏ phỏng các quá trình thúy động lực học c úa Biên Hồ và các vùng hạ lưu.

Bộ m ô hình đánh giá tổng hợp các nguổn thái tập trung và không tập trung BASINS cùa V ãn p hò n g háo vệ môi trường Hoa Kỳ phục vụ cõng tác quản lý và clánh giá chất lượng nước trẽn lưu vực M ô hình dang được ứng d ụ n g rộng rãi ở Mỹ, thuận tiện ro ng việc lưu trữ và phân tích các thõng tin mói trường và có thể sử dụng như là m ột c ó n g cụ hỗ trự ra quyết định trong còng tác quy hoạch và qu ản lý lưu vực Bộ m ô hình này h a o gổm (1) mô hình trong sông Q U A L 2 E về chất lượng nước;(2) S W A T d ù n g dự đ o án ánh hướng cúa sir đụng đất đên d ò n g cháy và (3) P L O A T -

vé lan truyền chất ô nhiễm

M ô hình M IK EB A SIN và M IK ESH E [951 của V iện Thủy lực Đ a n Mạch là một m ô hình m ổ phỏng nguổn nước lưu vực sông M ô hình thuộc loại thông sỏ dải

và được phát triển từ c á c phương trình đ ạ o hàm riêng m ô tá các quá Irình vật lý diễn

ra trên lưu vực: tích nước, bốc thoát hơi nước, dòn g cháy Iràn trên sườn dốc, trong lòng dẫn c h u y ê n đ ộ n g c ủ a nước trong các tầng đ ấ t bão hoà và không bão hoà, tuyết tan [ 105 118 139 144 116], M ô hình này c ó khá nàng đán h giá tác đ ộ n g của môi trường đến d ò n g ch áy , song d o mức độ phức tạp của nó nên ứng dụng chưa đượcrộng rãi T ro n g khu vực châu Á hước đầu đã được sứ dụ ng ứ T h ái Lan và Inđonexia

C ù n g với sự phát triên c ua hệ thông tin địa lý cõ n g nghệ GIS đang (fan chiếm lình các ứng d ụ n g irong việc nhận các thông tin từ bề mặt lưu vực (1 33 34 87, 88] góp phan thúc đẩy các c ỏ n s trình nghiên cứu khai thác các lớp m ỏ hình thuý động

lực 14, 24, 27 44 47, 57 62 65 70] Trong ứng dụn g thực tiễn ở Việt N am , nhiéu

m õ hình n h ư S M A R T USD A H L, H EC - RAS, SW M M T O P M O D E L , s c s (86, 88], đã được nghiên cứu khai thác, vận dụn g linh hoạt phù hợp với các điều kiện vé

số liệu Việc liên kết tổ hợp c á c phương pháp tính Ị6| có khá năng đem lại hiệu quả cao trên c ơ sớ lận d u n g đươc nhiéu ngu ổ II thõng tin m à khò nu một m ô hình đơn lé nào có thê khái quát được

C ác c ò n g h ố gán đày c ủ a các tác giá thuộc Viện K hoa học Khí tượng Thuý

17 ĐAI HỌC Q l ó c GIA HA NỘI

ĨRUNG IA M IHONG ỈIN ỈHƯ viện

van và Mõi trường [ 1 , 3 I I 16 18 23 68-73 w 93 94, 129 - 130], T rung tâm Dự háo K hí tượng T hu ý vãn Trung ương [12 22, 28 29 37-39 40 67 78], Trường Đại học Khoa học T ự nhiên Đại học Q uốc gia Hà Nội và Trường Đại học T h uý lợi (41,

50, 53 50-65 1 5 4 1 về việc khai thác, ứng dụng các m õ hình thúy vãn tổng hợp ngày càng chứng tỏ sự q u an tâm cùa các nhà nghiên cứu và các dự báo viên trong việc áp dụng và khai thác hữu hiệu các mõ hình toán vào c ò ng nghệ lính toán và d ự báo lũ cũng nhơ phục vụ s ử d ụ n g họp lý tài nguyên đất và nước trên các lưu vực sông

1.1.2 N gh iên cứu m ưa lũ và tài nguyên nước trẽn địa bàn nghiên cứu

M iền T ru n g là vùng có c h ế độ khí hậu khắc nghiệt, là vùng chuyến tiếp giữa hai miền kh í hậu Bác - Nam [42 79], là nơi hứng chịu nhiéti thiên tai: bão, á p thấp nhiệt đới nước dâng , lũ lụt và hạn hán với tần suất và cường độ lớn nhất nước ta Lũ lụt xảy ra d o á nh hưởng tổ hợp c ù a các yếu tố nội ngoại sinh cù n g với các hoạt động kinh tê xã hội cua con người trẽn bé mặt lưu vực g âv thiệt hại nghiêm trọng về người

và cùa 115] C hính vì vậy mà M iền Trung là địa hàn được đỏng đ á o giới nghiên cứu khoa học đ ặ c biệt q u a n tâm

V ấn đề nghiên cứu chè đ ộ mưa lũ M iền Trung, tìm kiêm giải pháp cành báo

d ự háo lũ luôn là vấn đ ề thời sự nhầm g ó p phán hạn c h ế những mất mát to lứn do thiên tai lũ lụi gây nên Xuất phát từ những nhiệm vụ cụ thè m à các hướng nghiên cứu trèn địa hàn rất đu d ạn g và phong phú

Đ à o Đ ình Bắc, Vũ Vãn Phái Đ ặng Vãn Bào N guyễn Hiệu |7 8 9 25) quanghiên cứu địa m ạ o đ ã tìm kiêm các giái pháp phục vụ việc cành b áo lũ lụt và giám thiêu thiên tai Irẽn lưu vực sông Thu Bổn N guyễn Thanh Sơn, T rần N gọc Anh [51,

54, 135] đã ng hiên cứu các diễn hiến bổi xói trẽn đoạn sóng Hương chảy qua thành phò Huê N guyễn Vãn C ư ị ] 4 1 dã đánh giá hiện trạng và bước dầu tìm kiếm các nguyên nhân lũ lụi vùng Nam Trung Bộ C ao Đ ãng Dư đã đé xuất các hiện pháp lãng thời g ian d ự kiến d ự háo lù trên các sông M iền T rung 116] và đưa c á c phương

án dự báo, cánh b á o lũ trẽn các sông Trà K húc và s ô n g Vệ [18, 19] Đ ặng Ngọc Tĩnh [ 7 8 1 đã tie nghị á p dụng tin học tronu dự báo cánh háo lũ M iền Trung

Đ ặ c biộl vào nàm l l)99 khi trẽn toàn hộ M iền T rung xáy ra trận lũ lịch sứ

lớn nhái nr trước đôn nay nhicu nhà nghiên cứu đ ã tổng kết và dưa ra nhận định vé các nguyên nhãn gây lũ như Bùi Đức Long và Đ ặng T hanh Mai [37] N guyền Vãn

Cư 115] N guyền Viết Thi Ị67j đ ã liến hành nghiên cứu và tống kết các hình the thời tiẽl chính gây mưa lũ lớn trên c á c sòng suối M iền Trung

V iệc áp ílniiỊi cá c m ô liình toán trên địa hàn nghiên cứu các còng trình của

Lẽ Xuân Cầu N guyền Vàn Chương 11 11 N guyền Hữu Khái [30] Trán T hục, Lê Đình Thành Đ ặng Thu Hiền [68] đã ứng dụntỉ mó hình m ạng thần kinh nhàn tạo (ANN) đ ể tinh toán dự báo lũ c h o các sòng Tà Trạch, T rà K húc.V ệ và lũ quét trên sõng Dinh Trán Thanh Xuân Hoàng Minh Tuyên [94 j đ ã sử dụ ng mỏ hình TA N K

để tính toán lũ Iron sóng Tá Trạch Bùi Đức Long á p dụ ng m ô hình SSARR dé dự háo lũ trên sông T rà K húc [ 3 8 ị và sông Cả [ 3 9 1- N guyễn Vàn Lý [40] ứng dụng hàm hồi quy nhiều biến dự háo đinh lù các sông lưu vực Nam T rung Bộ N guyễn Thanh Sơn tiên hành nghiên cứu đặc điểm lũ tiêu mãn sông ngòi Bắc T rung Bộ [50] và mô hình hoá lũ tiếu m ãn sông ngòi Nam Trung Bộ [53] Trấn Thục |6 9 73] Phạm Việt Tiến [7 6 1 tiến hành d ự báo và tính toán ngập lụt hệ thống sòng Thu Bổn - Vu G ia và

hạ du sòng Hương

Một nhóm các lác giá tiên hành l ác nghiên cứu vé (lánh Ịịiá lùi nguyên nước

và (lất \'à cản hủni> Iiước lưu vực, từ đó đề xuất các giải pháp khai thác, sử dụng một

cách có hiệu q uá nhất các nguồn tài nguyên này Tiêu hiểu lũ các công trình của

Ngô Đ ìn h Tuân [83 - 85] đã đ án h giá tài nguyên nước, nhu cầu tưới và c ân hằng nước hệ thong các lưu vực ven biển M iền Trung Trần Thanh X uân và cộ n g sự đã liến hành tính toán càn hằng nước cho tinh Q uáng Nam N guyen Thanh Sơn đã đề xuáì các giái pháp định hướng sir dụng nước lưu vực đám Trà () (Bình Đ ịnh) [52] và quy hoạch tổng thê tài nguvên nước tinh Q uáng Trị đèn năm 2010 [63 - 6 4 ị Trần Thục H u ỳnh Thị Lan Hương đ ã tiên hành các tính toán đán h giá ánh hưởng của sự thay đổi sứ dụn g đất đến c h ế đ ộ dòng cháy lưu vực Trà Khúc 17 1 ] Đ ê bổ kh uyết số liệu còn thiếu vã thưa trôn khu vực nghiên cứu đã sứ dụng m õ hình N L R R M đế kéo dài chuỗi dòng cháy từ tài liệu m ưa 112^1: N guyền Thị Nga N guyền Thanh Sơn [41]

áp dụng đẽ hổ khuyết số liệu dòng cháy cho các lưu vực sông tinh Q u ãn g Trị, Lương

Tuan A nh Evelina H arlsson, K arolina IVrsson 113 0 1 d ù n g m ô hình này đ ê phân tích

quan hệ m ưa - dòn g c h ả y Irên liru vực sõng T úy Loan.

T uy d ã c ó khá nhicu c ò n g trình n ghiên cứu trên địa bàn M ien T ru n g , nhưng

có thê nhộn thấy rãng phấn lớn các m õ hình d ự háo đan g được s ử liụniỉ là các m ô hình c ó (hông s ố tập trung, thườ ng chi diễn toán tốt từ trạm 1 hương nguổn về hạ lưu không xét đến sự hiên đ ộ n g th e o k hô n g gian ciia c á c yếu tỏ m ặt đ ệ m và phụ thuộc vào diều kiện sô liệu qu an trắc khí tượng thuý vãn nên c ó thời gian dự k iến ngắn làm hạn chẽ c ó n g tác phòng c h ố n g lũ M ặt khác, c á c m ô hình ngoại n h ập thường là các phần m ềm c ó m ã nguồn đ ó n g theo m ụ c đích thương m ại nõn rất khó c ậ p nhật các điều kiện Việt N a m khi quá trình khai thác mật đ ệ m d a n g diễn ra hết sức phức tạp theo thời gian và khô n g gian Vì lẽ đó tác giá luận án này m ạ n h dạn xây dựng một

mô hình toán thôn g sổ dải, e ó p phẩn khắc phục những hạn c h ế nêu trên trong cô n g tác dự báo lũ c ũ n g n h ư trong việc khai thác s ử d ụ n g nước và đ ấ t trẽn c á c lưu vực sổng thượng ng u ồ n ở M iền Trung

có các thành phẩn c h ín h theo s ơ đ ồ sau: (1) Đ ầ u v ào cù a hệ thống: (2) Hệ thống và(3) Đáu ra c ù a hệ th ố n g [ 2 1 , 3 1 , 168]

Đ á u vào (ỉ) — Hệ thô ng (S) — ► Đ ầ u ra (O)

N hư vậy m ô hình c ó th e là ngẫu nhiên, dưới ilạ n s đơn gián c ó th ể biêu diễn bằng các q u an hệ thực nghiệm , c á c kỹ thuật h ộ p đ e n , k hô n g chú trọng đ ế n cấu trúc bên trong m à chi liên kết đầu v ào (m ưa) và dâu ra (d ò n g c h á y ) c ủ a hệ thống Mặt khác m ô hình c ó thè là tất định , m ô tá c á c quá trình thủy văn dựa trên c á c phương trình vặt lý toán và các q u a n niệm logic vé sự h ình th àn h d ò n g chây từ mưa

Dựa trẽn càu trúc vật lý, c á c m ò hình tất định m ò phỏng quá trình m ưa - dòng ch;v dược phân loại thành các m õ hình thuý động lực học m ô hình nhận thức và mô hìrii h ộ p đ en (H ìn h 1.1) Phụ th u ộc vào sự x ấ p xi không gian, c á c m ô hình ihuv vãn tất định được c hia thành các m ò hình th ó n a sô phàn phoi dái và cúc m ỏ hình thông

s ố ập trung T h e o Lương T u ấ n A n h |2 j, khi kh áo sát các m ô hình thuỷ vãn tất định,

mc hình thuý đ ộ n g lực học c ó c ơ sớ lý thuyết chặt c hẽ n hất và c ó khá n ă n g đánh giá tác độn g c ùa lưu vực quy m ò n h ó đ ến d ò n g chày Tuy nhiên, việc c hia lưu vực thành các lưới n h ỏ hơn hoặc hung 1 k n r đã tạo ra cho m ó hình rất nhiéu thông số (Bảng 1.1) và s ố liệu đ ầu v ào chi tiết, rất k h ó đ á p ứng kể cả với các lưu vực thực nghiệm

B àng 1.1 Đặc diem cùa các thong số trong mò hình thuv vãn lát định

Loại mò hình Số liệu, kết quá linh và

các biến trung gian

Đặc diêm cùa các thòng

số của mô hình

1 Mò hình phàn phối dải theo

2 Mò hình phân phối dải theo

i: Ký hiệu tiểu vùng thúy văn

j: Ký hiệu các tầng (tang mặt láng Iigẩm )

N g u ồ n : Lương T u ấ n A n h / 2 /

H ìn h ỉ ỉ Phàn loại các mô hình tliu.v vãn tát dinh

Việc ứng dụng các m õ hình nhận thức thõng sò dái theo lie’ll vùng thuý vãn

sẽ giám dược nhiéu th õng s ổ và c ó khá náng đ án h giá được tác dộn g của lưu vực quy

mó tru ng hình đen dõ ng cháy T uy nhiên, các m õ hình loại này còn ít được phổ hiến rộng rãi và việc ứng d ụ n g chúng đòi hói sự kết hợp với các phương tiện kỹ thuật vù cóng nghệ tiên liến có các chức nãng xử lý bàn đồ vù các thòng tin viễn thám [45

108, 136 151], như hệ thống thò ng tin địa lý (G1S) T ro n g các m ỏ hình tất định, các

mó hình thông sổ tậ p irun g có ít thông số dề sứ dụng và được ứng dụng rộng rãi

Các m ò hình đơn gián như các q u a n hệ thực nghiệm , m ô hình đường đơn vị đ ã và

sẽ còn chứng tỏ được tính hiệu quá trong tính toán, dự báo dòng chảy và có khá nhiều m ỏ hình thuý vãn để lựa chọn và á p dụng trong thực tế T uy nhiên, theo A Becker Ị 103], việc lựa chọn từng m ỏ hình phụ thuộc vào mục đích, đối tượng, tinh hình sỏ liệu và các đ iều kiện lự n h iên cùa lãnh thổ nghiên cứu (Bảng 1.2)

B à ng 1.2 Mục đích và đui tưựng ứng dụng các mỏ hình Ihuv vãn tắt định

STT Mục đích đối tượng ứng dụng mỏ

hình (các bài toán thực tiến)

Bước thời gian

Xấp xi không gian

I Kẽ hoạch hoá vé sứ dụng và quán lý

nguồn nước, hao gồm việc lâp kẽ

hoạch, chiến lược phát triến

1 tháng,

1 mần

Mô hình (hông số tập trung hoặc mồ hình phân phối Iheo tie’ll vùng Ihuỷ vãn

1 Đánh giá tác dộng sự biên dổi sứ

dụng dát quy mỏ vừa đến dòng cháy,

tài nguyên nước

! tháng,

1 tuán

Mô hình phân phối theo liều vùng thuý văn

3 Đánh giá lác động của sự biến đổi

trong sử dụng đát quy mô nhỏ den

dòng chày, xói mòn lưu vực

6 Xây dựng chiến lược phòng lũ thiết

8 Phân lích lác nghiệp, dự báo ngan

hạn

ỉ -6 giờ

1 ngày

Mỏ hình thông số tập Irung hoặc thông sổ dái

N g u ồ n (A B e c k e r 1103]

v é câu trúc, các m ô hình thuý vãn lất định đơn gián hay phức tạp g ổ m các bài toán thành phán sau:

- D iên toán (lòng ch à y thường dựa trẽn cơ sở hệ phương trình bảo toàn và

chuyên động c u a chát lỏng [2 31 46 111 118 164 166 -169J

- T ín h lượng m ưa sinh dòn g cluiy (h a y còn ỊỊỌĨ là lưựHỊ’ m ưa hiệu q u á hoặc

ilòiiỊỊ c h á y trùn) c ó thế được ước tính th ô n s qua phương trình khuyếch tá n ẩm,

phưưng trình B oussinerq [10 48 167Ị phương pháp lý luận - thực nghiệm của

A lech sseep [161], các phương trình thấm của G reen-A m pt Horton Phillip [1 I 1 | phương pháp s c s [111 107 138 141 149] phương trình cân hàng nước [81, 82] hoặc phương p háp hộ sò d òng cháy [20 58 165 ị

- C ấ u trú c táiìỊi n ia m ò h ìn h (hay là các bể tuyến tính - phản ánh c ơ c h ế hình

thành dòng c h ày trên lưu vực, dò ng cháy mật, dòn g c h ày ngầm ) đã được trình bày khá đáy đú trong nhiều cô n g trình trong [31] và ngoài nước f i l l 163, 169]

- Xúc (lịnh b ộ th ô n g sô ctia m ỏ liìnli được lựa ch ọ n q ua kinh nghiệm thực tiền

từ nguồn số liệu sẵn c ó hoặc dựa trên c ơ sở các phương pháp giải các hài toán ngược, thứ sai và tói tru hoá [31,118, 152 171]

T ừ nãm 1935 H orton [dẫn trong 111] đã chí ra rằng, trong c ơ ché hình thành dòng chảy, cư ờng độ m ưa vượt thấm là điểu kiện c ơ hán c ùa sự hình thành dòng chày mặt H àm lượng nước trong tầng đất thoáng khí vượt lượng nước đổng ruộng là điều kiện đế sinh d ò n g chày ngầm Lý luận vé sự hình ihành dòn g chảy này đã nói

rõ điều kiện hình th ành dòn g c h ảy ờ táng đất thoáng khí c ó cấu tạ o đổ ng nhất nhưng

không giải thích được c ơ chè hình thành dòng cháy ờ táng đất thoáng khí khỏng đồng nhất và tiins m ặt c ó cường độ thiím lớn

Năm 1949 trong c h u y ên kháo " ( V s à /ý th u yết ilòng chciv m ưa rào" A N

Bephanhi Ị 163 ị đ ã đưa ra lý thuyết vé sự hình thành dòn g cháy sườn dốc Trong đó, dòng cháy sườn dốc được chia ra 4 dạng: dòng vượt thấm, với cường độ mưa lớn hơn cường độ thâm : d ò n g c h áy bão hoà khi lương mưa rơi vượt quá khá năng chứa thấm; trong một sò đicu kiện th ổ nhưỡng và cấu trúc đất đ á nhất định còn hình thành dòng

c h á y s á t m ạ t v à c h à y t r o n Sỉ l ã m : clãt chi ( lie n r a t h e o h a i c ơ c h ẽ là d ị n g c h à y b ã o h o à

và dị ng chay khơng bão hoa Dịng chày bão hó thường xáy ra ờ vùng đù ấm

(X > P E T ) xuấl hiện theo táng đát như sau:

- D ị n g c h ay mặt xuất hiện ớ láng mặt cua sườn dỏc

- D ịng cháy sát mật (xuất hiện sau d ị n a chày mật và trước dịng chày ngám) hình thành trong tầng đất từ hề mạt lưu vực đến táng ít thấm tương đối (đất tầng này chú yếu là đất m ùn tơi xốp), táng đất này cịn gọi là táng rẻ cày hoạt động

- D ịng chày ngầm hình thành từ mặt ít thấm tương đối đèn tầng khơng thấm

D ịng c h áy vượt thấm (dịng cháy khơng b ão hồ) thường xuất hiện ờ vùng thiếu ẩm hoặc hụt ấm từng thời kỳ (X<PET) Khi cĩ cường độ m ưa lớn, khả năng thấm kém d ị n g cháy chí cịn hai ihành phần chính là dịng cháy mật và d ị n g chảy ngầm D ị n g c h á y vượt thấm cịn xuất hiện ờ các nơi đù ấm nhưng c ĩ két cấu thố

nhưỡng tầng m ật là tầng ít thấm tương đối N hư vậy theo A N Bephanhi, dịng

ch áy sườn d ĩ c c ĩ c â n trúc ba hìII ạ (lịi với c ơ c h ế h ã o h o à và h a i tầng (lõi với c ơ c h ế vượt thấm Lý thuyết Bephanhi khá hồn chinh về phương diện lý luận C ác nghiên

cứu và thực nghiệm của ơng và cộng sự [163] trên các hãi thực nghiệm c hu ẩn đã chứng tị điều đĩ tuV nhiên vào thời diêm cị n g hố việc thu thập c á c dừ liệu quan trắc trên các m ạ n g lưới khí tượng thủy vãn chưa thơ đ á p ứng de triển khai ứng dụng

Các lý luận hiện nay vé c ơ c h ế hình thành dịn g chảy thường bỏ q u a ảnh hướng cùa đ ịa hình và kết cấu đất [2| và đĩ chính là nhược điếm c ủa chúng

V iệc ứng d ụ n g các lý (huyết về cơ c h ế hình thành dịn g cháy dê m ơ hình hố các q uá trình th u V vãn cũng rất da dạng Nhiều tác giá chi m ỏ phỏng dịng c háy mặt

và dịng c h áy ngấm Một sơ khác lại m ơ phỏng đú cá d ị n g chày m ặt sát m ật, dịng cháy n gầm , d ị n g cháy táng sâu, Tuy nhiên, dù xuất phát từ nhiều mục đích và lập luận khác nhau dơ xây dựng c á c m ơ hình tốn mĩ phĩng quá trình mưa - dịng cháy,

nhưng tất cá đ éu th ốn g nhát à chỏ là cần tập trung mõ tá hai quá trình chính: quá

n in h th ấ m vù Í/mí trìn h vận clm yếii Iiưỡc Irèti Ill'll vực T ùy vào m ục đích khai thác,

sir dụ nil mà mĩ hình c ĩ thê phái tr i a l hoặc theo hướng (1) nnhiên cứu chi tiết hĩa

Ihòm các quá trình thánh phẩn (làm phức tạp mó hình) hoặc (2) khái quát hóa theo không gian và nh óm tổ hợp các quá trình (đơn gián hóa m ò hình).

Các I11Õ hình c ó tính khái quát hóa cao là các m ô hình thõng s ố tập trung, mà

hộ thông sò được nhặn cho toàn hộ lưu vực hay một vùng lãnh thổ lớn khi đ ó mặc nhiên thừa nhận lính đổng nhát khõnii gian cua các điểu kiện mat đệm Các m ỏ hình này thường được sử dụng đế vạch các kẽ hoạch chiến lược khai thác tối ưu tài nguyên nước, d ự b áo hạn dùi hay khai thúc lãnh thổ

Với sự phát trién mạnh mẽ cua công nghệ thông tin việc thu thập x ử lv số liệu ngày c à n g trở nón da dạng và chi tiết Ngoài nguổn sô liệu ihu thập trên mạng lưới quan trác khí tượng thúy vàn các s ố liệu nhận được từ ánh viễn thám, hàng không, các hán đ ổ sổ với các phan m ém xứ lý tiên tiên cho phép c ập nhật thòng tin chi tiết hơn về các điều kiện mặt đệm, thuận lợi cho việc triển khai xây dựng và khai thác các m ô hình thông số phân bố C ác mỏ hình thông sỏ phân bố theo dải hoặc theo lưới tính được phát triến trên c ư sứ các phương trình đ ạ o hàm riêng có khá năng

mỏ lả các quá trinh vật lý tliẽn ra trẽn lưu vực: lích nước, bốc thoát hơi nước, dòng chây tràn trẽn bé m ặt lưu vực và trong lòng dần, ch u y ên độn g của nước trong các tầng đất bão hòa hoặc không bão h ò a Á nh hướng của các lớp phù thổ nhưỡng, thực vật vù c á c hoạt động nhân sinh đ ến quá trình hình thành d ò n g chảy cũ n g được xót đến dề dàng Sự tích lũy kiến thức khá phong phú về các quá trình vật lý trong chu trình thúy vãn s ự 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 k há năng xử lý các nguồn s ò liệu đ a dạng một cách nhanh chóng đ ã m ờ ra một giai đoạn mới trong việc ứng d ụ n g c á c m õ hình thúy động lực học

Đối với các sóng suối vừa và nhỏ ở M iền Trung, nằm ớ vùng đủ ẩm d o địa

hình dốc, táng đất xốp mùn m ỏng, rừng bị suy giám, khi có m ưa với cường đ ộ lớn đất bị xói m òn nen dò ng cháy tậ p trung nhanh chú yếu do tác d ụng c ủa trọng lực (độ dốc) nên việc m ỏ phúng dòng cháy mật hãng cách g h ép dò ng cháy mặt và dòng chày sát mặt trong nhicu trường hợp là c ó thế c h ấ p nhận

Sir d ụ n g cách tiếp cận m ỏ hình hoá để diễn toán dòn g cháy tại mặt cát c ử a ra

của lưti vực phụ thu ộc vào đ ộ c h ín h xác c ủ a việc x ác định m ưa hiệu quà và xác định

các thông số điều khiên cùa hệ Ihòng (lưu vực), lại phụ thuộc rất nhiều vào nhận

thức vé c á c điều kiện đ ịa lý tự nhiên và cách m ó ph ỏ n g cua người sir d ụ n g m ô hình

Tiêp cận m ỏ hình hoá đối với c á c hài toán thuý vãn thường n h à m tới hai m ục đích:

I K háo sát hiện trạng h ãn g c á c bộ sô liệu mưa d ò n g chày và m ật đệm để

xác định bộ thô ng s ò tối ưu m ô phỏng c h ính x ác nhất quá trình d ò n g ch ảy , phục vụ

các tính toán thiết k ế và d ự háo

2 T rên c ư sớ m ô hình được chọ n, tác động đến lưu vực tạo ra b ộ thông sỏ hiệu q u á nhất c h o m ụ c đích khai thác, sứ dụng hợp lv tài n gu yên nước và đất

T ừ các phân tích trên, lựa chon m ô h ìn h th ủ y (ỈỘIIIỊ lực h ọ c thông sô p h ả n bò

là có tinh kliii th i d ẻ iỊÌái q u y ết c á c b à i toán đ ã tiặí ra.

1.2.1 M ỏ hình th ủ y đ ộ n g lực học

M õ hình th u ý đ ộ n g lực học dựa trên c ơ sớ x ấ p xí chi tiết không g ian và tích

phân số trị c á c phương trình đ ạ o h àm riêng, m ò ta c á c q u á trình vật lý d iễ n ra trên

lưu vực như phương n in h háo toàn và c h u y ể n đ ộ n g củ a chất lỏng Đ ối với các m ô

hình thuỷ đ ộ n g lực học, m ó p hỏ n g quá trình hình th ành d ò n g chảy sông được chia

làm hai giai đoạn: c h áy trên sườn d ố c và trong lòng dẫn 1163, 164]

Khi xây dựn g các m ó hình động lực học hai c h iéu m ô phóng d ò n g c h ả y sườn

dốc, một giú thuyết thường được c h ấp nhận là c h u y ể n đ ộ n g c ủa nước trên b ề m ặt lưu

vực xảy ra dưới d ạn g lứp m ỏ n g liên tục [164, 166, 167] C ác kết q u ả k h ả o sát thực

địa [ 168] c h o thấy, d ò n g cháy m ặt liên tục chí q uan sát được trong k ho án g thời gian

ngán, ít khi hao quát được m ội d iện tích rộng và lớp nước hình thành n hanh ch óng

chuyển vào các rãnh suối N h ư vây, nếu bỏ q u a thời gian c h áy tập tru ng đ ế n các

rãnh suối, c ó thê m ô ph ỏ n g d ò n g chày c ù a các rãnh suối và lớp m ó n g trên sườn dốc

với cùng m ộ t hệ phương trình Bán chất liên tục này c ùa d ò n g c h áy đ ã được đ ề cập

trong cõng trình c ủa A.N Bephanhi và c ộ ng sự [ 1 6 3 Ị M õ liình (lộng lực h ọc hai

chiếu xây dựng dựa trên c ơ s ờ phương trình N avie - Stoc á p d ụ n g c h o d ò n g chảy

sườn d ốc với các th àn h phán được lấy tru ng hình theo trục ih án g đứn g ()z \ 152 169]:

-L pgh

phần khác, c ó thê bỏ q u a và phương trình độ ng lực 2 chiều c ó dạng:

'/i

Hệ phương trình (1.3), (1.4) được giái hằng các phương pháp số [3, 46 48 105Ị Hiện nay một trong những phương pháp s ố c ó nhiều ưu điểm để giải hệ phương trình thuý độniỉ lực học đói với các sườn ilỏc c ó hình d ạn g và dịa hình phức

tạp là phương p h á p p h ầ n tứ hữu hạn |5 27 35 106 153 160 1611

till điểm cua mo hình đ ọ n g lực học hai chiêu m ô phỏng dòng cháy sườn dốc

là c ó c ơ sớ vật lý và toán học chật chẽ Tuy nhiên, hiện nay khá năng á p dụng vào ihực tẽ c ủa m ỏ hình nìtv bị hạn c h ẽ vì thuật toán phức tạp cũ n g như khó đ áp ứng yêu cáu thông tin chi tiết và dỏng hộ Đ à xuất hiện một số c õ ng trình á p dụng m ang tính chất nghiên cứu thõng háo ở irony 165 7 0 1 và ngoài nước [126, 140, 148],

Trong các phương trình <11) (1.2) nếu ho qua các thành phần quán tính, đạo hàm lớp nước theo chiều dài sườn dốc và các thành phần tinh đ ến hiệu ứng độ ng lực

c ủ a m ưa n h ậ n đ ư ợ c phư ơng trìn h XÓHỊỊ d ộn g h ọ c h a i ('/liều [3] m ô tả c h u y ể n độ n g

của nước theo sườn dốc trona điéu kiện cân bảng của lực cản và trọng lực [1, 2j

T hông thường, phương trình SÓI 11 Ị dộHỊỉ học m ộ t chiêu được ứng dụn g đê tính diẻn

toán d òng cháy trong lòng sông:

mặt cát ướt d ò n g chủv sườn d ố c hay lòng dẫn; s - đ ộ dốc sườn dốc hoặc lòng sóng.

Phương trình sóng động học ( 1.6) được giai hang phương pháp sai phân đã có thế á p dụ ng vào tính toán thực tế Tuy nhiên, thực chất các kết quả tính toán mới chí

ờ mức độ thực ngh iệm số chưa c ó khá nâng ứng dụng phổ biến T ừ các lặp luận đã

nêu trẽn, xét về phương diện toán học và vật lý, c ó thê áp d ụ n g m ô hình sóng động

h ọc m ột ch iêu , phươHiỉ p h á p p h â n lử hữu hạn d ế m ô p hỏ n g quá trình tập trung nước

trẽn sườn d ố c và trong sông

1.2.2 Phương p h áp phán lử hữu hạn áp d ụ n g tron g IĨ1Ô hình sóng đ ộ n g học một chiều.

Khi phân tích các m õ hình, với các điều kiện tự nhiên được mò phỏng có độ dài không tương xứng thì phương pháp mô hình số được sir dụn g [112 128] Các phương trình đ ạ o hàm riêng c ủ a các m ỏ hình toán được xấp xi nhờ sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn hoặc phần tử hữu hạn Nhờ sứ dụn g các xấp xỉ này, các hiên

liên lục được thay hằng các hiến rời rạc được xác định tại các điểm nút Khi đó phương trinh đạo hàm liên lục xác định áp suất Ihúv độn g tại mọi nơi trong rnién tính toán được thay thó bới một số phương trình đại số xác định á p suất thủy tĩnh tại một số điểm cụ thế Hộ các phương trình đại số này được giài bằng phương pháp lặp nhừ sư d ụ n g phương ph áp ma trận.

C ó sự khác nhau quan trọng giữa phương pháp sai phân hữu hạn và phương pháp phán tử hữu hạn là sự xấp xỉ đạo hàm không điểu kiện và có điều kiện Lợi ích lớn của phương pháp phán tư hữu hạn là sự linh đ ộ n g c ủ a nó trong q uá trình giái bài toán Các ứng dụn g c ủ a phương pháp này tâng lên nhờ các ưu điểm của nó đố i với các bài toán trong môi tnrừng không đổng nhất hoặc không đ ản g hướng T ính ưu việt của phương pháp phần tử hữu hạn là giái được các bài toán trong m iền lưới không đểu thích hợp với đièu kiện cúa các lưu vực sòng vừa và nhỏ [ 140]

T ro n g bài toán vè dò nu cháy sườn dốc một lưu vực được phán chia thành các phán tứ nhỏ với mỏi đặc tính vật lý riêng, bằng c á c h đó đối với mỗi một phán tứ dòng cháy được m ò tá trong đ ặc tính cùa các điếm giao Sứ dụn g hệ Saint - Venant vào mỏi phán từ với hệ các phương trình đại sỏ nhận được lừ ràng buộc là d òng chảy phải liên tục tại mỏi nút Việc kháo sát phương trình (1.6) đã được tiên hành trong nhiều cô n g trình nghiên cứu [2 12 21, 117 146 163, 170] và rút ra kết luận là thích hợp nhất đối với dòng cháy sườn dốc và lòng dẫn c ó độ dốc tương đối lớn Một trong những cách tiệm cận mỏ phỏng dòn g chảy sườn dốc bằng m ỏ hình sóng động hoc một chiểu có nhiều triển vọng nhất là phương pháp phấn tứ hữu hạn

C ách m ô tà phương pháp phán tử hữu hạn, trong nhiều trường hợp, d ù n g như

là một lập luận mang tính vật lý Thay vì sử dụng đối số toán học thì sứ dụng hàm trong sỗ n à o dó trong đó hệ th ốn g các phương Iiình nhận được do yêu cầu phương

tr.nh sai phùn Ihoũ mãn "ở sál trung hình" Trong mội sò Irường hựp đặc biệt, hệ

phương trình nhận được trong phương pháp phẩn tử hữu hạn c ó cấu trúc giố ng như trong phương pháp sai phán hữu hạn T uy nhiên, cách thức xuất phát và phát triển Ihường biểu thị một sự khác nhau, như d ạ n e tự nhiên và đơn gian nhất của phần tứ hữu hạn là hình tam giác, sự m iêu lá trường linh hoạt him trong khi các mat lưới

đơn gián nhát trong phương pháp sai phân hữu hạn là m ạng ó vuông hoặc hình chữ nhật, kém linh đ ộ n g hơn Thuận iợi khác của phương pháp phấn tử hữu hạn là cóng thức ch u y ên c ủa nó c ó tính chất trung gian mà m ối một phán tứ có thè c ó các giá trị vặt lý riêng như là các iham sò về dẫn truyền và tích trữ.

Đ ể x ấ p xí lưu vực sòng hãng các phẩn tư hữu hạn đoạn sông được chia thành các phán tử lòng dẫn và sườn d ó c được chia thành các đai tương ứng với mỏi phán từ

lòng dẫn sao c h o trong mỏi dải ílònịi cluíy xtiy ru (lộc lậ p với d ú i khác và có hướng

vuông góc với d ò n g cháy trong phán tứ lòng dẫn T rong mỗi dùi ch ia Ihành các phấn

tứ sao c h o đ ộ d ố c sườn trong m ồ i phàn rử iươniỉ d ổ i d ồ m ị nhát Việc mô phỏng lưu

vực bằn g c á c phán tử hữu hạn như vậy cho phép ch uyên bài toán hai chiều (2D) thành bài toán m ột chiều ( 1D) cá trên sườn dốc và trong sóng và theo Bephanhi A

N [163] ch o p h é p á p chilli; m ô hìn h sóng dộng học m ộ t chiều ch o từng d à i sườn dốc.

M ỏ lùnli só n g (Ịộni’ học I chiên được sử dụng đẽ m ỏ phỏng và đánh giá tác

động c ủa việc sir d ụ n g đất trẽn lưu vực đến dòng chày được xây dựng dựa trẽn hai

phương pháp: p h ư ơ n g phá p phà n lử hữu hạn đê’ m ô tả quá trình lan truyền vật chất trẽn sườn d óc và trong lòng (lần và phirơHỊỊ p h á p s c s để m ỏ tá quá trình tổn thất trẽn

bé mặt lưu vực, được công bò trong các cô n g trình trong [3 -5, 24, 47 55-57 59 61-

62 65 70] vù ngoài nước |9 8 -1 0 5 , [04-112 150]

Đ iển hình c ủa lớp mổ hình thuý độn g lực học giải theo phương pháp phần từ hữu hạn lù m õ hình cúa Ross B.B và nnk., [ 14-01 Dại học Q uốc gia Blacksburg Mỹ năm 1979 M ỏ hình dùng de d ự háo ánh hưởng của việc sử dụn g đất đến q u á trình

lũ Mưa vượt thấm là đáu vào c ủ a mỏ hình Phương pháp phán tử hữu hạn sỏ kết hợp với phương pháp s ố d ư cùa G alerkin được sử dụ ng đ ể giái hệ phương trinh sóng dộng học c ủ a d ò n g cháy một chiều

V iệc á p dụng lý thuvết phẩn tử hữu hạn đê tính toán dòng chày được Zienkiew icz 1160] khới xướng từ năm 1971 Tác giá đã sử dụn g phương pháp n ày đê’ nghiên cứu d ò n g chit> thâm N hiều nhà nghiên cứu khác cũ n g đà á p dụng phương pháp phán từ hữu hạn đc giài quyết các vân đé khác cùa dòng cháv [^7 106, 1 IX, 127-128, 148 153-154 161 ị

Vào năm 1973 Judah lift tiên hành việc phân tích dòng cháy m ặt bằng phương pháp phán lử hữu hạn Tác giá sử lỉụng phương pháp sò d ư của Galerkin đê xây dựng m ò hình clicn toán lù và t!ã thu được kêt qua ihoá mãn khi á p dụng mô hình cho lưu vực sõng tự nhiên và cho rãng m õ hình phan tư hữu hạn ít gặp khó khãn khi lưu vực c ó d ạn g phức tạp sir dụng đất đa d ạn g và phân b ố mưa thay đổi.

Phương ph áp phun lứ hữu hạn kết hợp với phirơng pháp Galerkin, vào năm

1974, còn được A l-M ashidani và Taylor [ 152] áp dụ ng đế giải hệ phương trình dòng

cháy mặt ờ dạn g vô hướna 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 hói ít thời gian tính hơn Cooley và M oin vào năm 1976 cũng á p dụn g phương pháp G aierkin khi giải bang phương pháp phần tử hữu hạn c h o dòng chảy trong kênh h ư vù thu được kết quá tốt với kỹ thuật tổ n g h ợ p thời gian khác nhau được phân tích và đánh giá

ơ trong nước, phương pháp phan tứ hữu hạn được ứng dụ ng vào việc đán h giá ánh hướng cú a những thay đổi trong sử dụ ng đất đen dòn g cháv lũ vì lưu vực có thế được chia thành m ột sô hữu hạn các lưu vực con hay c á c phần tử [24, 55-57, 59, 65, 70] N hững đ ặc tính Ihuỷ vãn c ủa một hoặc tất cả các phần tử c ó thể được thay đổi

để tính toán các tác đ ộ n g đến phàn ứng thúy văn của toàn bộ hệ thống lưu vực [61 - 62] qua c á c kịch bán s ử dụng (hít khác nhau

Từ n ăm 1972 Desai và Abel d ã kể ra những bước c ơ bán trong khi triển khai phương ph áp phấn tử hữu hạn sẽ đưực tuân thú trong việc phát triển mỏ hình dòng

cháy mặt ờ sườn dốc và trong sông như sau:

/ R ờ i rạc h o á kh ố i liên tục: Khối liên tục tức là hệ thống vật lý dang nghiên

cứu (lưu vực), được ch ia thành một hệ thống tương đưưng gồm những phấn tử hữu hạn Việc rời rạc hoá là một quá trình cân nhắc vì số lượng, kích thước và cách sắp xếp c ủ a các phấn tử đều liên qu an đôn ihuậi giai và phương tiện kỹ thuật C ầ n xác dinh phần tử sao cho báo toàn được tính chất đổng IIhai thúy văn trong mỗi phần từ Tính chất đ ổ n g nhát thuý lực là một mục tiêu cán xem xét tièp khi tạo lưới C ó thể

sứ dụn g một s ò lượng lớn các phần tử vé lý thuyết, nhưng thực tế số lượng c á c phần

lừ thường hạn chõ d o những đicu kiện làng buộc khác

(A) (B)

H ìn h 1.2 Lưu vực và lưới phán từ hữu han lưưiig ứng.

Một lưu vực giá thiết đư ợ c s ử dụng để m inh họa c h o q u á trình này (H ình 1.2) Lưu vực bao g ồ m một d ò n g c h ín h và một nhánh lớn Cá hai nhánh này đều được đưa vào sơ đổ d ò n g chảy Ba lưu vực con hay bãi d ò n g c h áy trẽn mặt vù tương ứng ba kênh có thế được xác định T rên hình I.2B, những đườ ng đậm là ranh giới gần đúng cúa lưu vực và c á c bãi dòng c h à y mặt

Bước tiếp theo là xác đ ịn h c á c ihành phán c ù a kênh C ách thức đơn giản nhất

là chia m ỏi m ộ t trong 3 kênh th àn h một sỏ lượng hữu hạn các đoạn sông thích hợp dựa irẽn sự đ ổ n g nhất tương đôi về đ ộ d ố c lòng dẫn T ừ những nút c ủa c á c phần tử kênh này xác định các đường ph ân định dái d ò n g c h áy lương ứng phần tử lòng dần Bán đổ địa hình c úa khu vực sẽ là c ơ sỡ c h o việc vạch ra các ranh giới này Các đường này xác đ ịn h c á c dái, tro ng đó dòn g c h áy m ặt trong m ỏi dải diễn ra một cách độc lập với c á c dái k h á c và th e o hướng vuông g óc với dòn g chay trong c á c phần tử kênh Khái niệm này là c ơ sớ c h o phép sử dụn g hệ phương trình vi phàn m ộ t chiều

m ô phỏng dòng c h á y sườn dốc T rong m ỏi dài c á c phẩn tứ sườn dốc được xác định sao cho Iron SI mỏi phán tử đ ộ d ố c sườn dốc tương doi đ ổ n g nhát

Xét hãi d ò n g chiiv m ật th ứ nhất, q u á trình giái là quá trình phân tích phần tử hìru hạn cho từng dái với m ưa vượt thấm là đầu vào đ ể tìm dòng chảy m ặt chày vào

kênh dan Sau đ ó phan tích phán tứ hữu hạn cho kênh dẫn được thực hiện tương lự

như với một dái dòng chày mặt riêng lẽ đ ể tìm ra lưu lượng trong kênh dẫn tại vị trí

các nút phán tứ kênh Ọ u á trình này được lập lại cho các bãi dòn g chày c ò n lại đế

tìm được quá trình lưu lượng tại nút cuối cùng ờ hạ lưu cùa toàn hộ lưu vực Việc ký

hiệu đ ú n g sẽ chi ra dược chính xác từng phán lử dái và hãi dòn g cháy T h e o hình

1.2B c á c sò La Mã biếu thị các hài dò ng cháy, các chữ in hoa biêu thị các dái và các

chữ sò thường hiếu thị các phần tứ trong dài

trường và g án c á c nút c h o lừng phán tứ C ác hàm sỏ m ỏ phóng xấp xí sự phân hố các

biến cua trường trong lĩrns phán tử là c á c phương trình liên tục và động lượng đã

được c hứng tỏ c ó thê áp dụn g được c h o cà d òng cháy trên mặt và trong kênh 1162]:

Phương trình liên tục:

trong đó: Q - lưu lượng trẽn hãi d ò n g chảy trên mặt hoặc trong kênh; q - d ò n g chày

hổ sung n gang trên một đơn vị chiều dài của bãi dòn g cháy (mưa vượt thấm đôi với

bãi d ò n g cháy trẽn mặt và và đáu ra c ùa dòng cháy trên m ặt đối với kênh dẫn); A -

diện tích d ò n g chảy trong hãi d ò n g chảv trên mật hoặc trong kênh dẫn; X - khoảng

cách theo hướng dòng chảy; / - thời gian; g - gia tốc trọng trường; s - độ d ố c đáy của

bãi dòn g cháv: s , - đ ộ dốc m a s á u V - đ ộ sâu đòng cháy.

Việc x ấ p xí sóng độn g học được á p dụ ng đòi với phương trình độn g lượng

cho dòn g c h áy sườn dóc là sự lựa chọn tốt nhất vì các điểu kiện hiên và điều kiện

ban đau chi cán áp dụn g dối với phương trình liên lục Tính đ ú n g đắn của q u á trình

n à y đ ã dược nói đến trong nhiều tài liệu [2 146 I69Ị

Việc xấp xí động học đò i hói sự cán bàng giữa c á c lực trọng trường và quán

tính trong phương trình động lượng và dòn g cháy 11 hàm số chi phụ thuộc vào độ

â x à

và phương trình dộng lượng:

sâu Do đó phương trình đ ộ n g lượng c ó ihẽ rút gọn VC dạng:

(1.7)Phương trình c ó thò hiếu điền dưới dụng phương trình dòn g c h á y đéu nhưphương trình Chc/.v - M an n in g ớ c õ ng thức (1.6)

Sau khi xấp xi sóng đ ộ n g học sẽ còn lại hai hiên c ủ a trường cán xúc định là A

và Q Cả hai đều là những đại lượng có hướng, khi được biểu diễn dạn g ấn tại cácđiếm nút A và ọ c ó thê được coi là phân hố trong lừng phân tư theo A như sau:

trong đó: 4,(1) - diện tích, là h à m số chỉ phụ thuộc vào thời gian; 4>,(t) - lưu lượng,

hàm số chi phụ th uộ c vào thời gian: N ,ị \ ) - hàm sò nội suy: n - sổ lượng nút trong

một phần tứ

Đ ối với m ột phấn tứ tu y ế n tính một chiều /1 = 2 và:

trong đó: A'((*) = — - — và A',,|(.v) = — — với * € ( * , * , ,)

Các hàm nội suy thường được coi là các hàm loạ đ ộ vì c h ú n g xác định mõi

qu an hệ giữa c á c toạ độ tổng th e và địa phưưng hay tự nhiên C ác hàm nội suy đòi với các phán tứ tuyến tính đ ã được hàn luận tương đối kỹ trong nhiéu c ô n g trình về phương p h áp phần tứ hữu hạn [106 126 146 -148 152 160, 161]

3 T ìm hệ ph ư ơ ng trìn h p h á n từ hữu h ạ n : h ao g ồ m việc x ây dựng hệ phương

trình đại số từ tậ p hợp c á c phương trình vi phàn c ư han C ó bôn q u y trình thường được sứ d ụ n g nhất là phương p h á p trực tiếp, phương ph áp c àn b ằn g n àn g lượng,

phương p háp hiến thiên và phương pháp số d ư có trọng số P hương p h á p s ố (lư có

trọng sỏ cùn (ìiilcrkin được d ù n g đc thiết lập c á c phương trình vì nó clà c h ứ n g tỏ là

một phương pháp loi dõi với c á c bài loan V C dò ng cháy mặt 1152] Phương pháp Galerkin cho rang tích phân:

với D: khối chứa các phan tử; K: sỏ d ư được gán trọng sò trong hàm nội suv N t.

Do phương trình (1.12) được viết cho toàn h ộ không gian nghiệm nên nó có thế được á p dụng c h o từng dài dòn g cháy, ở đó hàm thử nghiệm sẽ được thay th ế vào phương trình (1.12) và lấy tích phân theo các phán tử c úa dái:

Ị.v, \ ' V + Ã

trong đó: NE: sổ phán tư trong phạm vi tính toán À : đạo hàm theo thời gian cùa A

D / phạm vi cua m ột phần tử (dái dòng chày, đoạn sõng).

Kết hợp b a s ò hạn g c h o phươnu trình đ ối với m ột phán tử hữu hạn tuyến tính:

Hệ phtrưng trình thiết lập c h o lưới phần tử hữu hạn gồm II phần tử sa o c ho có

thê bao hàm dược toàn bộ sỏ phẩn tử Ở đây, d o các dải được diẻn toán m ột cách

đ ộc lập nèn phương trình lổng h ợ p cần phải viết cho từng dái và từng kênh dẫn

phương trình phần tử hữu h ạn (1.17) với các ẩn s ố là c ác biến tại c á c nút có thế được

giải bằng phương p h á p k h ử Ciauss Hệ phương trình phi tuyến c ần phái giải thòng

qua các bước lặp C ác đ iều kiện ban đầu là điều kiện hát buộc đê giải phương trình

(1.17) V í dụ đối với một dài c h ứ a n phần tứ tuyến tính và 11 + ỉ nút, trẽn các bãi

dòng chùv sườn d ố c củ a kênh tại thời điểm / = 0, c ó m ộ t vài sô hạng sẽ hằng 0

Sau khi giúi do nu thời hệ phương trình n ày tìm các an í A Ị, phương trình

M anning được sử d ụ n g đê tìin c á c án ịỌỊ

Đ iều kiện biên trên là cần thiết đ ể giái hệ phương trình s ó n g độ ng học VI chí

có m ột sóng xuôi theo chiểu d ò n g cháy T ro n g inrờng hợp biên tại ranh giới lưu vực

và nguồn s ô n e , điều kiện hiên là Q = 0 , còn tại nơi n h ậ p lưu của sườn d ố c và trong

sông điều kiện biên vào bàng tổng nhập lưu tại nút hợp lưu C ác giá trị ỊA ị,.v ,

{Q \, víQ Ỉ tại m()l bước thời g ia n tính toán sẽ trứ th ành các giá trị \ A ị, và \ Q trong

bước thời gian tính toán tiếp theo Q u á n in h này được thực hiện c h o đ ế n khi tìm

được kết q u á c ần thiết

sao cho c ó thê hao h àm được toàn bộ số phần tứ Q u á trình lổng hợp hệ phương trình

cho n phần tử tu y ến tính với (> /+ /) nút dược thực hiện như sau:

L At

L At

+

- - Q , + - Q ,

: 2 4

- 9 1 Q + - Q ,o'** /.</ = 0

Hệ phương trình trên đưực viết ilirới dang ma trận n h ư sau:

Q Q

Một cách tiệm cận k h á c để giai quyết bài toán khi số liệu địa hình lòng dẫn

thiết Khi đ ó cẩn thiết tiến hành một s ố thú thuật để thay biến A bàng Q T ừ (1.6)

phưcng trình M an n in g c ó th ể viết lại là:

1.3.1 (ỉiới thiệu phương p h á p s c s

C ơ q u an b áo vệ thổ nhưỡng Hoa Kỳ (1972) đ ã phái triên một phương pháp đế

tính tổn thất dò ng c h áy từ m ưa rào (gọi là phương p h á p SCS) ( I I I 138] Theo đó, trong một trận m ưa rào đ ộ sail mưa hiệu dụng hav đ ộ sâu dòn g chày trực tiếp Pc không bao g iờ vượt quá đ ộ sáu mưa p Tương tự, sau khi q u á trình dòng chảy bát đầu đ ộ sâu nước bị cầm giữ c ó thực trong lưu vực F a h a o g iờ cũng nhỏ hơn hoặc

bằng m ộ t đ ộ sâu trữ nước liềm năng tối đ a nào đó s (H ình 1.3) Đ ồ n g thời c ó một lượng /, bị tốn thát han đáu k h ô n g sinh đ ò n2 chay trước thời diem sinh nước đọng trên bé m ật hru vực Do đó c ó lượng dòng chay tiềm nũng là / ' - /, T rong phương pháp s c s giá thiết rằng ti sô giữa hai đại lượns có thực l\ và /•, bang với ti số giữa hai đại lượng tiềm năng lJ - / , và s. c ó nghĩa là:

dòng cháy trong phương pháp s c s

Ia - độ sâu tổn thất ban đầu, PL - độ sâu mưa hiệu dụng, F, - độ sâu thấm liên tục, I’ - tổng đô sâu mưa

N ìịhốh : Chow l ’ 7 / / / / /

L ập đ ó thị q u a n hộ giữa /* và Pt b ẳ n a các sò liệu cua nhiéu lưu vực đã tìm ra được h ọ c á c đường c o n e tiêu chuẩn hoá sư dụn g s ố hiệu C N làm thõng số Đ ó là

một s ố k hô n g thứ ngu yên, lấy giá trị trong khoảng 0 < C.Y < 100 Đ ối với các mặt

không th ấm hoặc mat nước C N = 100 ; đối vợi các mật tự nhiên C N < 100 s ỏ hiệu cùa dường c o n g C N và s liên hệ với nhau q ua phưttng trình:

s l()OÍ) 10 {inch) hay s - 25 4; 1000 10 I (nun) (1.30)

C ác sô hiệu cua dường cong C N dà được cơ q uan báo vệ thổ nhưỡng H oa Kỳlập thành háng lính san 11 I 1 ] dựa trẽn các báng phân loại đát theo 4 nhóm và các loại hình sử d ụ n g đất

T ro n g phương pháp s c s độ ám c ù a đấi trước trận mưa đan g xét (gọi là độ

ẩm kì trước) cũ n g được lính đến Đ ộ ám này được phân chia ra làm ba nhóm: đ ộ ẩm

kì trước trong điếu kiện bình thường (A M C II), trong điếu kiện khó (A M C 1) vàtrong điều kiện ẩm ướt (A M C III) Việc phàn loại các nhóm (lộ ẩm này theo c á c chitiêu dựa vào lượng mưa 5 ngày trước đó 11 111- Các sò hiệu đường cong á p dụng chocác điều kiện A M C II A M C [ và A M C IIỈ cùa độ ẩm kì trước có liên hệ với nhauqua các cô n g thức sau:

10 - 0,0568.CW( //)

( , 3 2 ,

!() + (U3.(.W(//)Còng thức (1.31) và (1.32) được rút ra qua các quan hệ thực nghiệm trên nhiều lưu vực ờ M ỹ [111] N ếu lưu vực được tạo thành bới nhiều loại đất và c ó nhiéu loại hình s ứ d ụ n g đất khác nhau, có thể tính một g iá trị hỗn hợp c ủa CN theo công thức hình q u â n trọ ng số diện tích [ 138]

1.3.2 Phái triển s c s

C h o dù sự phái triến khới đáu với ý định chừ yếu là hão vệ thổ nhưỡng, nhưng phương pháp s c s đ ã tiên triển xa hơn so với m ụ c liêu ban đầu của nó Cơ quan báo vệ thổ nhườniỉ Hoa Kỳ đã phát triến thành phương pháp diễn toán lượng dòng c h ảy từ lượng mưa trong những trận mưa rào Phương pháp s c s được sứ dụng rộng rãi đ ế đ án h giá tống lượng dò ng cháy vù lưu lượng lớn nhất ở những khu vực không được đo đ ạc như các vùng dó thị hoặc nông thôn nầm trên lưu vực, và trứ ihành một phán q u a n trọng t r o n si các m õ hình tổng hợp m õ phong quá trình m ưa - dòng cháy [97 105, 1 12 136 150 154] M ặc dù hiện nay việc á p dụng phương pháp s c s Irong việc đánh giá dò ng cháy đã khác so với năm I960, nhưng tính phổ

hiên của nó vẩn dược duy trì q u a nhiều nãm hởi dề á p dụng và cũ n g bới những số liệu mặt đ ệ m ngày càng dễ cập nhật đế c ó thê lựa chọn ạiá trị thô ng s ố theo những dạc trưng tự nhiên cùa lưu vực Phương pháp s c s được sứ dụng rộng rãi trong việc đánh giá dòng chá) trôn các lưu vực từ loại nhỏ và vừa I'han lớn giá thiết tới hạn của phương ph áp s c s c h o ráng tý lệ giữa lượng cam giữ thực và tiềm năng bằng tý

lệ giữa lượng dòn g cháy thực và tiềm nãng nhưng không nói rõ là từ lý luận hay từ kinh nghiệm

N hàm chứng m inh vé m ối qu an hệ này Boi'u Yu (1998) [107] trong nghiên cứu cua m ình, đ ã c h o rằng lính lý luận cíia phương pháp s c s về đánh giá dòng cháy

có thể bắl ng u ồ n từ giá thiết bới:

(1) K há nãn g thâm hiên đổi trong không gian phân bố theo hàm sò mũ;

(2) T ố c đ ộ mưa hiên dổi theo thời gian c ũ n g phân bô theo hàm số mũ

C ơ s ở lý luận của phương p h áp s c s cho phép xác nhận tính hợp lý c ủa nó với

việc nghiên cứu cường độ m ưa và khá năng thấm thực biến đổi theo thời gian và

khổng g ian m ộ t cách riêng hiệt và c ó thể m ô tả bằng phương pháp giải tích

Q u a kh áo sát các nghiên cứu về phương p h áp s c s Bofu Yu cũng đánh giá

hạn chè c ủ a nó ỉà phụ thuộc vào tý lệ không gian và thời gian, nơi phương pháp

được áp d ụ n g , hay nói cách khác sự thành cóng c ủ a phương pháp s c s bị giới hạn

bởi c ỡ lưu vực

Do tính dẻ á p (lụng, phương pháp s c s từ lâu đã được á p dụn g rộng rãi ngoài

Hoa Kỷ và m ung lại những thành cóng nhất định ỏ Ân Đ ộ [98, 128], ú c [108], Ba

Lan [100], N iu Di lân 1101] V.V Tuy nhiên, khi á p dụn g phương pháp s c s ngoài

lãnh thổ nước M ỹ đòi hỏi có những cái tiến cho phù hợp Có thể nhận thấy rằng các

cái tiên này tậ p trung vào các hướng:

(1) X em xét lại cõng thức quan hệ giữa lượng tổn that ban đầu la và lượng cám giữ tiém năng s cho phù hợp với điéu kiện địa phương và khái quát công thức

tính m ưa hiệu q u á (1.29) thành:

Với m ụ c tiêu là "N ghiên cứu m ò p h ó n g q u á trình m ưa - tlỏHỊỉ chảy trên m ột

s ô Ill'll vực sò n g ng ò i M il’ll T ru n g ph ụ c V I I s ứ dụng hợp lý lùi nquvên nước v à đất ",

tác giá lựa ch ọ n phương pháp s c s và phương p h áp phần tử hữu hạn á p dụn g trong

m ỏ hình sóng đ ộ n g h ọc 1 chiểu đê giái quyết bài toán m ỏ phỏng lũ và đánh g iá tác độn g c ủa c á c đ iều kiện sứ d ụ n g đát tham thực vật trẽn lưu vực đến dòng cháy, phục

vụ c h o việc tói ưu hoá khai thác sử dụng nước và đất trên lãnh thổ Tác giả c ù n g tập thẻ hướng dẫn khoa học đ ã tiến hành các nghiên cứu nhằm nâng cao đ ộ ổn định của

m ò hình sóng độn g học phương pháp phan tử hữu hạn [3 5 70J Đã sử dụng mỏ hình sóng đ ộ n g học một chiều KYV-ID m ó phỏng lũ cho các lưu vực sõng T ả Trạch đến trạm Thư ợng Nhật 165] sông T hu Bổn đến trạm N ông Sơn [6 2 ị, sông Trà Khúc đến trạm Sơn G ia n g |2 4 , 55, 56] và sông Vệ đến trạm An Chi [57, 59) cho kết quà khá quan N h ằ m nâng cao hiệu quà cùa phương pháp s c s đã tiến hành hiệu chinh các cô n g thức tính thâm [61] và sử dụ ng phương pháp này đ ể đánh giá các k ịch bản

sử d ụng đất trên 4 lưu vực nói trên Ị6 2 Ị N àng c ao hiệu quá của m ó hình để phục vụ công tác dự h á o và cánh báo lũ tiên hành liên kết sứ dụ ng mưa dự háo từ m ô hình khí tượng R A M S dô d ự háo lũ 3 ngàv trên sông Trà K húc đến trạm trạm Sơn Giang

c h o kết q u ả đầy triển vọng [77 154ị

K ết lu ận chương I Q u a việc tổng quan về các tài liệu và phương pháp luận

ve phái triển m o hình toán mưa dòng chàv trên thê giới và thực tiễn á p dụng ờ Việt

Nam cho thày: