XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY TỪ MƯA THEO PHƯƠNG PHÁP SCS

XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH, TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY ,TỪ MƯA ,THEO PHƯƠNG PHÁP SCS

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA THỦY VĂN VÀ TÀI NGUYÊN NƯỚC

HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC LẦN THỨ XXVII

XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY TỪ MƯA THEO

PHƯƠNG PHÁP SCS

Sinh viên thực hiện: Trần Thị Phương 54V2 Đinh Thị Linh 54V2 Kiều Trung Hiếu 52V

Giáo viên hướng dẫn: TS Ngô Lê An

MỞ ĐẦU

1 Mở đầu

Thủy văn là một ngành khoa học nghiên cứu về mọi pha của nước trên trái đất bao gồm sự xuất hiện, phân bố, vận động của nó Việc nghiên cứu, tính toán đánh giá các đặc trưng nguồn nước của lưu vực sông có vai trò rất quan trọng, trong đó các mô hình toán trong việc tính toán và dự báo nguồn nước Để làm tốt vấn đề này những người làm công tác thủy văn rất cần có công cụ để tính toán, đặc biệt là các chương trình tính trên máy tính từ đơn giản đến phức tạp

Để nâng cao hiểu biết về quá trình thuỷ văn, đặc biệt là quan hệ giữa mưa và dòng chảy, qua đó hỗ trợ cho việc học tập chuyên môn tốt hơn, các tác giả đã đăng ký đề tài nghiên cứu khoa học với tên: “ Xây dựng chương trình tính toán

mô phỏng dòng chảy từ mưa theo phương pháp SCS”

2 Mục đích và ý nghĩa của nghiên cứu

- Đề tài có hai mục đích sau đây:

 Củng cố và nâng cao kiến thức đã học, nâng cao hiểu biết về quá trình thuỷ văn

 Bước đầu tiếp cận với phương pháp lập trình, ứng dụng kiến thức tin học

đã học để xây dựng được một chương trình hỗ trợ cho nghiên cứu tính toán thủy văn của lưu vực

- Ý nghĩa nghiên cứu

Đề tài sẽ hỗ trợ cho sinh viên ngành thủy văn học tập tốt môn học thủy văn cũng như sử dụng trong nghiên cứu, tính toán thủy văn sau này

Kết quả đạt được của đề tài này sẽ tạo cơ sở cho việc tìm hiểu sâu hơn về lập trình và các mô hình toán thủy văn

3 Nội dung nghiên cứu của đề tài

Đề tài bao gồm hai nội dung nghiên cứu sau:

a Tìm hiểu phương pháp mô phỏng dòng chảy từ mưa SCS

b Lập chương trình tính toán dòng chảy từ mưa

c Ứng dụng chương trình cho việc tính tổn thất mưa và đường quá trình dòng chảy mặt

Để xây dựng chương tính và ứng dụng chương trình cho tính toán các đặc trưng mưa, dòng chảy một số khu vực, ta sử dụng một số phương pháp sau:

- Phương pháp thống kê trong thủy văn

- Phương pháp tính toán trong thủy văn

- Phương pháp lập trình: xây dựng chương trình ứng dụng (Microsoft

Visual Basic)

- Phương pháp SCS để tính tổn thất từ mưa và đường quá trình dòng chảy

NỘI DUNG

1 Cơ sở của phương pháp

Cơ quan Bảo vệ Thổ nhưỡng Hoa Kỳ (1972) đã phát triển phương pháp để tính tổn thất dòng chảy từ mưa rào (gọi là phương pháp SCS)

Trong một trận mưa rào, độ sâu mưa hiệu dụng hay độ sâu dòng chảy trực tiếp Pe không bao giờ vượt qua độ sâu mưa P Sau khi trong quá trình dòng chảy bắt đầu, độ sâu nước bị cầm giữ có thực trong lưu vực, Fa bao giờ cũng nhỏ hơn hoặc bằng độ một độ sâu nước cầm giữ tiềm năng tối đa nào đó, S Còn có một lượng mưa Ia bị tổn thất hết nên không sinh ra dòng chảy, đó là lượng tổn thất ban đầu trước thời điểm sinh nước đọng trên bề mặt lưu vực Do đó lượng dòng chảy tiềm năng là P – Ia

Trong phương pháp SCS, giả thiết rằng tỉ số giữa hai đại lượng có thực Pe và

Fa thì bằng với tỉ số giữa hai đại lượng tiềm năng P – Ia và S

(1)

Từ (1) và (2) suy ra phương trình cơ bản của phương pháp SCS để tính độ sâu mưa hiệu dụng hay dòng chảy trực tiếp từ một trận mưa rào

(3) Trong đó:

Ia - độ sâu tổn thất ban đầu

Pe - độ sâu mưa hiệu dụng

Fa - độ sâu thấm liên tục

P - tổng độ sâu mưa

Mặt khác:

Ia = 0,2S Suy ra:

Phương trình (4) chính là phương trình dùng để mô phỏng đường quá trình dòng chảy mặt từ mưa

Trong phương pháp này ta sử dụng đến thông số CN, giá trị 0 Đối với mặt không thấm hoặc mặt nước, CN=100, đối với các mặt tự nhiên thì CN< 100 Mối liên hệ giữa S và CN là:

S(inche) Hay S (mm)

Trong các điều kiện khác nhau thì CN cũng khác nhau

- Đối với điều kiện khô: CN(I)

- Đối với điều kiện bình thường của độ ẩm thời kỳ trước : CN(II)

- Đối với điều kiện ướt:CN(III)

2 Xây dựng chương trình tính toán các đặc trưng mưa và dòng chảy

2.1 Ngôn ngữ lập trình

Chương trình được xây dựng từ ngôn ngữ lập trình Microsoft Visual Basic

2008 Visual Basic là một ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng, trực quan trên môi trường Windows VB cung cấp một bộ công cụ hoàn chỉnh để đơn giản hóa việc triển khai lập trình ứng dụng, có thể nói đây là cách nhanh và tốt nhất để học

và lập trình ứng dụng trên Microsoft Windows

Phần “Visual – Trực quan” đề cập đến phương pháp được sử dụng để tạo giao diện đồ họa người dùng (GUI – Graphical User Interface) VB có sẵn rất nhiều những bộ phận trực quan gọi là các điều khiển (Controls) mà người lập trình có thể sắp đặt vị trí các quyết định các đặc tính của chúng trên một khung giao diện màn hình gọi là form Việc thiết kế các giao diện người dùng ứng dụng

trên VB có thể hình dung đơn giản như việc vẽ giao diện trên Word hoặc trên Paint Prush của Windows

Phần “Basic” đề đến ngôn ngữ BASIC ( Beginners All- Purpose Symbolic Instruction Code), một ngôn ngữ lập trình đơn giản, dễ học, được viết ra cho các khoa học gia – những người không có thì giờ để học điện toán sử dụng Tuy nhiên ngôn ngữ BASIC trong VB đã được cải thiện rất nhiều để phù hợp với phong cách lập trình hiện đại

Chương trình được xây dựng trong đề tài này sử dụng các cấu trúc điều kiện, cấu trúc lặp và các hàm thông dụng để tính toán, liên kết trực tiếp với phần mềm Microsoft Excel trong việc nhập và xuất dữ liệu, có giao diện trực quan, dung lượng gọn nhẹ, dễ sử dụng

2.2 Cấu trúc vào giao diện của chương trình

2.2.1 Form nhập dữ liệu

Trình bày cách nhập Form nhập dữ liệu:

- Chọn Form nhập.vb

- Sau đó kích vào Start Debugging, xuất hiện ra bảng 1

Hình 1: Giao diện ban đầu tính toán

Hình 2: Giao diện chương trình xuất hiện tên tệp dự án

- Kích vào nút “ Mở” xuất hiện ra bảng “ Open”

- Kích vào Ví Dụ, mở phần Open sẽ hiện ra tên tệp dự án

- Cho chạy chương trình sẽ được kết quả tại Form ketqua.vb

Hình 2: Giao diện phần mở tệp

Trình bày cấu trúc của file dữ liệu:

Cấu trúc của file dữ liệu gồm có:

- Hệ số CN ban đầu

- Số thời đoạn tính toán

- Diện tích lưu vực

- Chuỗi giá trị mưa

Hình 3:Cấu trúc file dữ liệu

2.2.2 Form kết quả

Sau khi mở tệp dữ liệu, ta có thể điều chỉnh hệ số CN, sau đó bấm nút Tính thì chương trình sẽ tính toán tổn thất và dòng chảy mặt sinh ra từ mưa theo phương pháp SCS Kết quả sẽ được hiển thị như ở form bên dưới

Hình 3: Kết quả tính toán dòng chảy của lưu vực

Đề tài đã áp dựng thử nghiệm chương trình tính tổn thất thấm và dòng chảy mặt từ mưa theo phương pháp SCS cho lưu vực hồ Thượng Nhật thuộc lưu vực sông Hương có diện tích 208km2 Lựa chọn 2 trận lũ để mô phỏng với thời đoạn 1 giờ Kết quả tính toán thử nghiệm được trình bày ở các hình dưới

Trận lũ 21/ XI/ 1996

Nhận xét về đường quá trình lũ tính toán:

- Ban đầu lượng mưa bị thấm khá nhiều (hệ số CN bằng 38), lượng dòng chảy hầu như không có (từ thời đoạn ban đầu đến thời đoạn thực đo được dòng chảy)

- Khi đất không còn khả năng thấm thì tạo được dòng chảy mặt

- Đỉnh lũ cao nhất vào thời đoạn 45 và đạt tới trên 300 m3/s

- Sau thời điểm lũ đạt đỉnh cao nhất thì bị giảm dần

Trận lũ 12/ X/ 1984

Nhận xét về đỉnh lũ tính toán:

- Lượng mưa ban đầu thấm khá ít (do hệ số CN bằng 43) nên tạo dòng chảy mặt khá sớm

- Đỉnh lũ cao nhất cao nhất đạt gần 1400 m3/s vào thời đoạn thứ 22

- Sau khi đỉnh lũ đạt cao nhất thì giảm dần

KẾT LUẬN

1 Đề tài đã xây dựng được chương trình tính toán tổn thất thấm và đường quá trình dòng chảy mặt bằng phương pháp SCS với giao diện nhập xuất số liệu

và sử dụng thuận lợi để tính toán, thống kê cũng như đặc trưng mưa, dòng chảy lưu vực Chương trình này có thể trợ giúp cho học tập của môn học Thủy văn đại cương và dùng cho tính toán thủy văn của các môn học sau này Qua lập trình, tác giả cũng đã nắm vững hơn về ngôn ngữ và bước đầu cũng đã thực hiện được các thao tác chủ yếu và kỹ năng cần thiết xây dựng chương trình tính thuộc lĩnh vực chuyên ngành của mình

2 Đề tài cũng đã ứng dụng chương trình để tính toán và nghiên cứu về sự tổn thất dòng chảy, cũng rút ra được những nhận xét nhất định Kết quả nghiên cứu cũng giúp cho tác giả hiểu rõ hơn về chế độ và quy luật biến đổi thủy văn trên các lưu vực

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Ven Te Chow và nnk Thuỷ văn ứng dụng NXB Giáo dục 1994

2 Visual Studio 2008 – MSDN