Ứng dụng mô hình thủy văn mô phỏng dòng chảy lũ về hồ thủy lợi phú vinh, tỉnh quảng bình

Trong nghiên cứu này, tác giả dựa vào tài liệu thực đo áp dụng mô hình NAM tìm bộ thông số mô hình để có thể dự báo dòng chảy lũ đến lưu vực hồ chứa thủy lợi Phú Vinh.. Với mong muốn xây

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN HỒNG QUẢNG

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY VĂN

MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY LŨ VỀ HỒ THỦY LỢI

PHÚ VINH, TỈNH QUẢNG BÌNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY

Đà Nẵng - Năm 2018

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN HỒNG QUẢNG

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY VĂN

MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY LŨ VỀ HỒ THỦY LỢI

PHÚ VINH, TỈNH QUẢNG BÌNH

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy

Mã ngành: 60.58.02.02

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Tô Thúy Nga

Đà Nẵng - Năm 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Trần Hồng Quảng Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Trần Hồng Quảng

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu, đến nay luận văn thạc sĩ với đề tài " Ứng dụng

mô hình thủy văn mô phỏng dòng chảy lũ về hồ thủy lợi Phú Vinh - tỉnh Quảng

Bình” đã được hoàn thành tại Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng với sự

nỗ lực của bản thân và sự giúp đỡ, chỉ bảo, hướng dẫn nhiệt tình của các thầy giáo, cô giáo, sự động viên của gia đình, bạn bè và đồng nghiệp Để hoàn thành được luận văn, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và trân trọng tới Cô giáo: TS.Tô Thúy Nga công tác tại Khoa Xây dựng Thủy Lợi - Thủy điện, Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng đã chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ tác giả rất tận tình trong suốt thời gian thực hiện và

hoàn thành luận văn

Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Phòng Đào tạo đại học và sau đại học, Đại học Đà Nẵng và toàn thể các thầy cô đã giảng dạy, giúp đỡ tác giả trong thời gian học tập cũng như thực hiện luận văn

Do thời gian nghiên cứu không dài, trình độ và kinh nghiệm thực tiễn chưa nhiều nên luận văn chắc chắn không thể tránh được những hạn chế và thiếu sót Tác giả kính mong các thầy, cô giáo, đồng nghiệp đóng góp ý kiến để kết quả nghiên cứu được hoàn thiện hơn

Tác giả xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI: 2

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU: 3

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU: 3

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: 3

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI: 4

6 CẤU TRÚC LUẬN VĂN 4

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 5

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÔ HÌNH DỰ BÁO LŨ 5

1.2 TINH HINH NGHIEN CỨU DỰ BAO LU LỤT TREN THẾ GIỚI 9

1.2.1 Mô hình TANK: 9

1.2.2 Mô hình NAM (Nedbor-Afstromnings-Model hay Precipitation-Runoff-Model): 9

1.2.3 Mô hình SSARR (Stream flow synthesis and Reservoir Regulation): 10

1.2.4 Mô hình HEC-HMS (Hydrologic Engineering Center - Hydrologic Modeling System): 10

1.2.5 Mô hình RRLM (Road Research Laboratory Model): 11

1.2.6 Mô hình SHEM (Systeme Hydrologique Europeen Model): 11

1.2.7 Mô hình TR-20 (Technical Realease Model): 11

1.2.8 Mô hình HYDRO: 12

1.2.9 Mô hình MARINE: 12

1.2.10 Mô hình DIMOSOP 13

1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU DỰ BÁO LŨ LỤT Ở VIỆT NAM 14

1.4 SỰ CẦN THIẾT DỰ BÁO DÒNG CHẢY LŨ TRÊN LƯU VỰC HỒ CHỨA THỦY LỢI PHÚ VINH 15

1.4.1 Hiện trạng lũ lụt và công tác dự báo tại công trình thủy lợi Phú Vinh 15

1.4.2 Lựa chọn mô hình MIKE NAM để tính toán dòng chảy lũ 19

1.4.3.Vấn đề luận văn tập trung giải quyết 20

1.5 ĐẶC ĐIỂM VỀ ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÀ LŨ LỤT TRÊN LƯU VỰC HỒ CHỨA THỦY LỢI PHÚ VINH 20

1.5.1 Đặc điểm địa lý tự nhiên lưu vực sông Phú Vinh 20

1.5.2 Đặc điểm khí hậu lưu vực 25

1.5.2.1 Chế độ nhiệt 25

1.5.2.2 Chế độ ẩm 25

1.5.2.3 Chế độ gió 25

1.5.2.4 Chế độ bốc hơi 26

1.5.2.5 Chế độ mưa 27

1.5.3 Đặc điểm thủy văn 28

1.5.3.1 Dòng chảy năm tại các trạm thủy văn lân cận lưu vực 28

1.5.3.2 Dòng chảy năm tại tuyến công trình 28

1.5.4 Đặc điểm lũ lụt sông Phú Vinh 29

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH NAM 30

2.1 GIỚI THIỆU 30

2.2 YÊU CẦU VỀ DỮ LIỆU 30

2.2.1 Dữ liệu khí tượng 31

2.2.2 Dữ liệu thuỷ văn 32

2.3 CẤU TRÚC MÔ HÌNH 33

2.4 THÀNH PHẦN LẬP MÔ HÌNH CƠ BẢN 34

2.4.1 Lưu trữ bề mặt 34

2.4.2 Lưu trữ tầng đáy và tầng thấp hơn 34

2.4.3 Sự bốc hơi nước 34

2.4.4 Dòng chảy tràn 34

2.4.5 Dòng chảy hội lưu 35

2.4.6 Lộ trình dòng chảy tràn và dòng chảy hội lưu 35

2.4.7 Nạp (bổ cập) nước ngầm 36

2.4.8 Hàm lượng độ ẩm của đất 36

2.4.9 Dòng chảy cơ bản 36

2.5 THÀNH PHẦN NƯỚC NGẦM MỞ RỘNG 36

2.5.1 Thoát nước đến hoặc từ những lưu vực kề cận 36

2.5.2 Lưu trữ nước ngầm thấp hơn 36

2.5.3 Mô tả hồ chứa nhân tạo nước ngầm nông 36

2.5.4 Dòng chảy mao dẫn 37

2.6 MÔ HÌNH THÔNG SỐ 37

2.6.1 Các thông số bề mặt và tầng đáy 37

2.6.2 Các thông số nước ngầm 40

2.7 CÁC ĐIỀU KIỆN BAN ĐẦU 41

2.8 THẨM ĐỊNH MÔ HÌNH 42

2.8.1 Mục tiêu thẩm định và các biện pháp đánh giá 42

2.8.2 Thẩm định thủ công 43

2.8.3 Lộ trình thẩm định tự động 44

CHƯƠNG III: XÂY DỰNG BỘ THÔNG SỐ MÔ HÌNH NAM MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY LŨ VỀ HỒ CHỨA THỦY LỢI PHÚ VINH 49

3.1 DỮ LIỆU ĐẦU VÀO 49

3.2 HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH 53

3.3 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 57

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (BẢN SAO)

PHỤ LỤC

Phụ lục 1: Số liệu đo mưa và dòng chảy trận lũ tháng 10/2015 60

Phụ lục 1: Số liệu đo mưa và dòng chảy trận lũ tháng 10/2015 (tt) 61

Phụ lục 1: Số liệu đo mưa và dòng chảy trận lũ tháng 10/2015 (tt) 62

Phụ lục 2: Số liệu đo mưa và dòng chảy trận lũ tháng 10/2016 63

Phụ lục 2: Số liệu đo mưa và dòng chảy trận lũ tháng 10/2016 (tt) 64

Phụ lục 2: Số liệu đo mưa và dòng chảy trận lũ tháng 10/2016 (tt) 65

Phụ lục 3: Biểu đồ trận lũ tháng 10/2015 66

Phụ lục 4: Biểu đồ trận lũ tháng 10/2016……….66

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY VĂN MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY LŨ VỀ

HỒ THỦY LỢI PHÚ VINH, TỈNH QUẢNG BÌNH

Học viên: Trần Hồng Quảng; Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy

Mã số: 60.58.02.02; Khóa: 2016 - 2018; Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt: Những năm gần đây, lũ lụt xảy ra ngày một nghiêm trọng và khó kiểm soát

Nghiên cứu và mô phỏng chính xác quá trình lũ đến hồ chứa thủy lợi Phú Vinh sẽ góp phần đáng kể trong việc đưa ra các giải pháp thích hợp để điều tiết vận hành hồ chứa hợp lý nhằm giảm nhẹ thiệt hại do lũ gây ra là rất cần thiết Trong nghiên cứu này, tác giả dựa vào tài liệu thực đo áp dụng mô hình NAM tìm bộ thông số mô hình để có thể dự báo dòng chảy lũ đến lưu vực hồ chứa thủy lợi Phú Vinh Tác giả

sử dụng số liệu thực đo của trận lũ tháng 10/2015 để hiệu chỉnh tìm bộ thông số mô hình, sau đó dùng bộ thông số này kiểm định với số liệu thực đo trận lũ tháng 10/2016 Với kết quả hiệu chỉnh, kiểm định, đường quá trình lũ mô phỏng từ mô hình và thực

đo có chỉ số Nash trên 0,767, hình dạng lũ cũng tương đối phù hợp, từ đó ta có thể thấy bộ thông số của mô hình NAM là đủ tin cậy khi mô phỏng dự báo lũ trên lưu vực

hồ chứa thủy lợi Phú Vinh

Từ khóa: Thủy lợi Phú Vinh, mô hình NAM, dòng chảy lũ, bộ thông số mô hình, mô

hình thủy văn

Applying hydrological model to simulate flooding flow into

the Phu Vinh irrigation reservoir, Quang Binh Province

Student: Tran Hong Quang; Speciality: Civil Hydraulic Engineering Construction Code: 60.58.02.02; Course: 2016 - 2018 Polytechnic University - Da Nang University

Abstract: In recent years, flooding has appeared to be more and more serious and

difficult to control The exact study and simulation of the process of flooding flow into the Phu Vinh irrigation reservoir which will contribute significantly to give the appropriate solutions to regulate the operation of the reservoir and to mitigate damage caused by the flood is necessary In this study, the author based on the actual measuring data which applied the NAM model to find the model parameters and predict the flood flow into the Phu Vinh reservoir The author used the actual data of the flood in 10/2015 to calibrate the model parameters, then used these parameters to verify the data of flood in 10/2016 flood With calibration and comparing results, the flood curves simulated from the model and actual measuring have Nash value of above 0,767 The flood shape in the model was relatively consistent with the actual measuring’s The findings suggested that the parameters of the NAM model are reliable enough to simulate flood forecast in the Phu Vinh irrigation reservoir area

Key words: Phu Vinh irrigation, the NAM model, the flooding flow, the model data

set, hydrological model

MỞ ĐẦU

phía bắc giáp tỉnh Hà Tỉnh, phía nam giáp tỉnh Quảng Trị, phía tây giáp tỉnh Lào và phía đông giáp biển Đông, là một tỉnh duyên hải miền Trung với tổng diện tích tự nhiên là 8.065 km2

Quảng Bình có hệ thống sông suối khá lớn với mật độ 0,8 - 1,1 km/km², sông

trưng chủ yếu là hẹp và dốc, nghiêng từ tây sang đông, đồi núi chiếm 85% diện tích toàn tỉnh và bị chia cắt mạnh, nên các sông đều bắt nguồn từ phía đông dãy Trường Sơn và đổ ra biển Đông, sông chảy trên hai địa hình (đồi núi phức tạp và đồng bằng hẹp), sông ngắn và độ dốc lòng sông lớn

Tính từ Bắc vào Nam, Quảng Bình có 5 hệ thống sông chính đổ ra các cửa biển, bao gồm: sông Roòn, sông Gianh, sông Lý Hoà, sông Dinh và sông Nhật Lệ

- Sông Roòn

biển Đông ở cửa Bắc Hà, sông có 3 phụ lưu cấp 1 đều ngắn và nhỏ

- Sông Gianh

Quảng Bình Nó là hợp lưu của 3 con sông vào loại trung bình của tỉnh: sông Rào Nậy, sông Rào Nan và sông Son (còn gọi là sông Troóc)

Sông có chiều dài 158km, chiều rộng bình quân lưu vực 38,8km, chiều dài lưu

Hóa, Minh Hoá, Quảng Trạch và một phần của huyện Bố Trạch Thuỷ chế của dòng sông thất thường, nhất là thượng nguồn Mùa nước cạn vào khoảng tháng XII đến tháng VIII, mùa nước lớn vào các tháng IX, X, XI, đây cũng là mùa lũ lụt

- Sông Lý Hòa

400m, chảy theo hướng Tây Nam - Đông Bắc về đến xóm Rẫy, sau đó uốn khúc chạy

- Sông Dinh

Đây là con sông hẹp nhất trong 5 con sông chính của tỉnh, sông có chiều dài 37,5km, có 3 phụ lưu nhỏ

Sông phát nguyên từ vùng núi Ba Rền - Bố Trạch, có tọa độ 1731’30” vĩ độ

nên ít nước cả mùa đông và mùa hè (chỉ có một số ngày có lũ lụt mới có lượng nước đáng kể)

- Sông Nhật Lệ

Đây là hệ thống sông lớn thứ 2 của tỉnh Quảng Bình, sau hệ thống sông Gianh Sông Nhật Lệ nhận nước từ 2 con sông chính là sông Kiến Giang và sông Long Đại Đoạn sông mang tên Nhật Lệ được tính từ ngã 3 sông Long Đại (cách cầu Long Đại 1,5km) về đến cửa Nhật Lệ (Đồng Hới) dài 17km Nếu tính từ nguồn Kiến Giang về đến cửa Nhật Lệ có chiều dài 96km Hệ thống sông Nhật Lệ có lưu vực rộng

Ngoài ra, còn có một số con sông nhỏ, các chi lưu sông Đặc biệt, ở miền núi (chiếm 2/3 diện tích toàn tỉnh) có rất nhiều suối lớn nhỏ, là nguồn nước dồi dào cho các hoạt động kinh tế và sinh hoạt

Lưu vực sông ngắn, hẹp nên độ dốc lưu vực và độ dốc lòng sông rất lớn Hệ thống sông phần thượng lưu có độ cao lớn, trung lưu ngắn, phần đồng bằng thấp trũng, mạng lưới sông có hình nan quạt nên nước lũ tập trung rất nhanh Lưu vực sông thường xuyên chịu ảnh hưởng của nhiều cơn bão, áp thấp nhiệt đới đổ bộ và bị chi phối mạnh mẽ bởi các hình thế thời tiết gây mưa lớn như hội tụ nhiệt đới, không khí lạnh nên hàng năm thường xảy ra nhiều trận lũ lớn, mức độ thiệt hại về kinh tế xã hội vô cùng nghiêm trọng, gây thiệt hại cho tỉnh Quảng Bình khoảng 1.000 tỷ đồng mỗi năm

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Công trình thủy lợi Phú Vinh được xây dựng ở vị trí 106017’ kinh độ Đông và

Bắc - Đông Nam chảy vào sông Phú Vinh rồi nhập vào lưu vực sông Lệ Kỳ và đổ ra biển Đông Vị trí công trình nằm phía Tây đường Hồ Chí Minh nhánh Đông, cách trung tâm thành phố Đồng Hới khoảng 7,0km về phía tây, có địa hình tương đối dốc

về phía Đông, càng về phía Đông địa hình thấp dần, nhưng do hẹp chiều ngang nên độ dốc tương đối lớn Vùng hồ được bao bọc bở nhiều ngọn núi thuộc dãy Trường Sơn,

780ha lúa và hoa màu 2 vụ thuộc thành phố Đồng Hới, tạo nguồn cho 360ha khu vực

hạ du hồ chứa, cấp nước sinh hoạt cho thành phố Đồng Hới và các khu công nghiệp

trên 5 triệu m3/năm, cắt giảm lũ cho hạ du, kết hợp nuôi trồng thủy sản và tạo cảnh quan, môi trường sinh thái khu vực

Những năm gần đây do biến đổi khí hậu nên lượng mưa và tần suất các đợt mưa lớn xẩy ra liên tục gây thiệt hại rất lớn về tài sản của nhân dân trên địa bàn Điển hình năm 2016 xẩy ra hai đợt mưa lớn, liền kề làm mực nước sông Phú Vinh dâng cao, các

hồ chứa đồng thời vận hành tháo lũ để đảm bảo an toàn công trình đầu mối Nước sông dâng cao đã gây tràn và vỡ các tuyến đê gây ngập lụt toàn thành phố Đồng Hới, làm tê liệt các hoạt động giao thông, thiệt hại về tài sản của nhân dân là rất lớn Mặt khác do yêu cầu phát triển kinh tế xã hội, mật độ dân cư và các khu công nghiệp tăng nhanh, các tuyến đường giao thông được nâng cấp hoàn chỉnh nên ảnh hưởng đến việc tiêu thoát lũ, gây ngập lụt trên diện rộng Các hồ chứa thủy lợi trên địa bàn thường không

có dung tích phòng lũ để cắt lũ cho hạ du mỗi khi xẩy ra lũ lớn

Năm 2012, UBND tỉnh Quảng Bình ban hành tại Quyết định số 2340/QĐ-UBND ngày 05/10/2012 về việc phê duyệt Quy trình vận hành điều tiết hồ thủy lợi Phú Vinh, tỉnh Quảng Bình

Với mong muốn xây dựng được bộ thông số mô hình thủy văn dự báo dòng chảy

lũ đến hồ, áp dụng tại lưu vực nghiên cứu để có thể tính toán được quá trình lưu lượng

lũ đến phục vụ đắc lực cho công tác vận hành hồ chứa thủy lợi, giúp cơ quan quản lý, đơn vị điều hành, khai thác đạt được hiệu quả công việc cao nhất nhằm đảm bảo an toàn cho cụm công trình đầu mối; cắt giảm lũ cho hạ du và tích đủ nước phục vụ sản xuất nông nghiệp, cấp nước sinh hoạt, công nghiệp trên địa bàn tỉnh Do đó tác giả

chọn đề tài: " Ứng dụng mô hình thủy văn mô phỏng dòng chảy lũ về hồ thủy lợi

Phú Vinh - tỉnh Quảng Bình”

2 Mục tiêu nghiên cứu:

- Xây dựng bộ thông số mô hình NAM cho lưu vực hồ chứa thủy lợi Phú Vinh nhằm phục vụ tính toán dòng chảy lũ đến hồ, cung cấp số liệu cho bài toán vận hành điều tiết hợp lý hồ chứa

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

- Đối tượng: Nghiên cứu mô hình thủy văn để tính toán dòng chảy về hồ chứa

- Phạm vi nghiên cứu: Đề tài nghiên cứu mô phỏng dòng chảy lũ, lưu vực thượng nguồn hồ chứa thủy lợi Phú Vinh

4 Phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp phân tích thống kê: Tổng hợp, phân tích các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến lĩnh vực vận hành hồ chứa, từ đó xác định hướng tiếp cận khoa học cho bài toán đặt ra

- Phương pháp mô hình toán: Dựa trên khả năng ứng dụng và sự phổ cập của các

mô hình, trong luận văn, học viên sử dụng mô hình MIKE NAM

- Phương pháp kế thừa nghiên cứu: Trong quá trình thực hiện, luận văn có tham khảo và kế thừa một số tài liệu, kết quả có liên quan đã được nghiên cứu trước đây của các tác giả, cơ quan và tổ chức khác Những tài liệu và kết quả này là đặc biệt quan trọng trong việc định hướng, hiệu chỉnh và đánh giá trong quá trình nghiên cứu

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

- Đối với tác giả và các cơ sở ứng dụng kết quả nghiên cứu: Nâng cao trình độ

chuyên môn cho bản thân kỹ sư tham gia thực hiện Xây dựng bộ thông số mô hình phù hợp với lưu vực nghiên cứu làm cơ sở giúp cho cán bộ làm công tác theo dõi, quản lý điều hành có thể mô phỏng được quá trình lưu lượng lũ đến phục vụ kịp thời công tác vận hành hồ chứa trong mùa lũ

- Đối với kinh tế, xã hội và môi trường: Số liệu mô phỏng của luận văn giúp cho

đơn vị quản lý, vận hành hồ chứa thủy lợi Phú Vinh hợp lý, vừa đảm bảo an toàn cho công trình, tạo tiền đề cho việc chủ động vận hành điều tiết lũ nhằm giảm ngập lụt ở

hạ du, góp phần đảm bảo an sinh xã hội trong khu vực Do vậy kết quả của đề tài sẽ là tài liệu tham khảo quan trọng trong công tác vận hành hồ chứa thủy lợi Phú Vinh

6 Cấu trúc luận văn

Luận văn bao gồm phần Mở đầu, 03 Chương và phần Kết luận & kiến nghị

Mở đầu

Chương I Tổng quan

Chương II Cơ sở lý thuyết mô hình NAM

Chương III Xây dựng bộ thông số mô hình NAM mô phỏng dòng chảy lũ về

hồ thủy lợi Phú Vinh

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu chung về mô hình dự báo lũ

Mô phỏng, dự báo thuỷ văn là công việc rất khó, để có giá trị dự báo đảm bảo tin cậy đòi hỏi phải vận dụng các kiến thức liên quan đến khí tượng, thuỷ văn, thuỷ lực, máy tính và phần mềm tính toán Kết quả dự báo chính xác sẽ mang lại hiệu quả về kinh tế, xã hội, an toàn công trình Bản tin dự báo thuỷ văn chỉ có giá trị sử dụng khi

nó được chuyển đến người sử dụng kịp thời

Để mô phỏng, dự báo các quá trình ngẫu nhiên nghiên cứu có khả năng xảy ra trong tương lai trên cơ sở phân tích khoa học các dữ liệu đã thu thập được Khi tiến hành mô phỏng, dự báo cần căn cứ vào việc thu thập, xử lý số liệu trong quá khứ và hiện tại để xác định xu hướng vận động các hiện tượng trong tương lai nhờ vào một số

mô hình toán học

Trước tình hình biến đổi khí hậu như hiện nay, các trận mưa lớn gây lũ có xu thế ngày càng gia tăng đã gây ra những thiệt hại nghiêm trọng cho nhiều hồ chứa và đe dọa sự an toàn cho các công trình, gây ngập lụt ở hạ du Do đó việc áp dụng bài toán

dự báo thủy văn trong công tác mô phỏng, dự báo, cảnh báo dòng chảy lũ là rất cần thiết, đáp ứng yêu cầu thực tiễn hiện nay Trong thực tế việc mô phỏng, dự báo lũ cho nhiều đối tượng theo những đặc thù khác nhau, cụ thể: Mô phỏng, dự báo lũ cho hệ thống sông chính; cho hồ chứa đảm bảo an toàn công trình và vận hành điều tiết hợp lý; cho việc nghiên cứu ảnh hưởng ngập lụt vùng hạ du và cho việc quản lý và quy hoạch lưu vực

Kết quả nghiên cứu, tính toán dự báo lũ giúp cho các Chủ đập cũng như nhân dân chủ động ứng phó, nhằm hạn chế đến mức thấp nhất thiệt hại về con người và tài sản, đồng thời nó cũng là một trong những nền tảng cho công tác quy hoạch lũ và định hướng phát triển kinh tế xã hội bền vững hơn

Trong giai đoạn hiện nay, khoa học dự báo đã phát triển mạnh mẽ trên thế giới cũng như tại Việt Nam Với sự phát triển của máy tính điện tử và phương pháp tính đã tạo ra điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của mô hình toán, cấu trúc mô hình ngày càng đa dạng, phức tạp, mô tả sát thực hiện tượng thủy văn nên việc giải quyết bài toán mô phỏng, dự báo ngày một chính xác hơn Xu thế hiện nay là sử dụng các phương pháp dự báo số trị thông qua các mô hình để giải bài toán thủy động lực một cách nhanh chóng với độ chính xác cao

1.1.1 Mô hình toán thủy văn [1]

a) Khái niệm:

Thủy văn là một quá trình tự nhiên phức tạp, chịu tác động của rất nhiều yếu tố thủy văn học là khoa học nghiên cứu về nước trên trái đất, cũng giống như nhiều

ngành khoa học tự nhiên khác, quá trình nghiên cứu, phát triển của nó thường trải qua các giai đoạn:

- Quan sát hiện tượng, mô tả, ghi chép thời điểm xuất hiện

- Thực nghiệm: lặp lại những điều đã xảy ra trong tự nhiên với quy mô thu nhỏ

- Giải thích hiện tượng, phân tích rút ra quy luật, Kiểm tra mức độ phù hợp của quy luật với điều kiện thực tế, ứng dụng phục vụ lợi ích của con người

Hiện nay mô hình toán thủy văn đang phát triển rất nhanh chóng vì có các ưu điểm sau:

- Phạm vi ứng dụng rộng rãi, đa dạng với rất nhiều loại mô hình Mô hình toán rất phù hợp với không gian nghiên cứu rộng lớn như quy hoạch thoát lũ cho lưu vực sông,

hệ thống sông, điều hành hệ thống công trình thủy lợi, quản lý khai thác nguồn nước lưu vực sông, …

- Ứng dụng toán trong mô hình thủy văn giá thành rẻ hơn và cho kết quả nhanh hơn mô hình vật lý

- Việc thay đổi phương án trong mô hình toán thực hiện rất nhanh

b) Phân loại mô hình toán:

Việc phân loại các mô hình toán thủy văn không thống nhất vì các mô hình luôn phát triển đa dạng, khi xây dựng mô hình người ta chú ý nhiều tới khả năng áp dụng thuận tiện để giải quyết bài toán thực tế đặt ra chứ không chú ý tới xếp loại Cụ thể có các loại mô hình toán thủy văn như sau:

+ Mô hình toán thủy văn ngẫu nhiên

+ Mô hình toán thủy văn tất định

+ Mô hình toán thủy văn ngẫu nhiên - tất định

Hình 1.1: Sơ đồ phân loại mô hình toán thủy văn

c) Quá trình ứng dụng mô hình toán:

Để ứng dụng một mô hình toán vào bài toán thực tế ta cần thực hiện theo các bước sau:

- Lựa chọn mô hình ứng dụng,

- Thu thập và phân tích chuẩn bị số liệu đầu vào của mô hình,

- Hiệu chỉnh xác định thông số mô hình,

- Kiểm định mô hình,

- Ứng dụng mô hình,

- Đánh giá và kiểm tra tính hợp lý kết quả ứng dụng mô hình

1.1.2 Mô hình Mưa - dòng chảy (mô hình tất định) [1]

1.1.2.1 Quá trình hình thành dòng chảy:

Sau một trận mưa rơi trên lưu vực, kết quả tại mặt cắt cửa ra ta thu được

quá trình lưu lượng, là kết quả tổng hợp của nhiều quá trình xảy ra đồng thời Như vậy từ khi có mưa rơi xuống đến khi có lượng dòng chảy ở mặt cắt cửa ra đã xảy ra các quá trình (xem hình 1.2):

Hình 1-2: Nguyên lý chung của mô hình mưa dòng chảy

Quá trình mưa: Mưa là một quá trình quan trọng đóng vai trò chính trong sự hình

thành dòng chảy trên lưu vực Lượng mưa và quá trình mưa quyết định lưu lượng và quá trình dòng chảy

Quá trình tổn thất:

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

Tổn thất tích đọng: gồm tổn thất tích đọng bề mặt và tổn thất tích đọng trong điền trũng

- Các mô hình phát triển công thức căn nguyên dòng chảy như mô hình quan hệ (Ratinal model), tỷ lệ thời gian và diện tích (Time-Area model)

- Các mô hình kiểu lũ đơn vị: mô hình HEC-HMS

- Các mô hình kiểu bể chứa : mô hình TANK, SSARR, NAM, …

Các mô hình tính dòng chảy từ số liệu mưa thường được dùng để khôi phục, bổ sung số liệu dòng chảy khi biết số liệu mưa, phục vụ thiết kế các công trình trên sông, tính toán nguồn nước phục vụ quy hoạch thủy lợi và tính toán dự báo dòng chảy lũ

1.2 Tình hình nghiên cứu dự báo lũ lụt trên thế giới

Hiện nay, trên thế giới, việc nghiên cứu áp dụng các mô hình toán thủy văn, thủy lực để mô phỏng và giải các bài toán thủy động lực nhằm phục vụ cho công tác dự báo

lũ là rất phổ biến và ngày càng đạt đến trình độ cao, cụ thể như số liệu đầu vào được

đo đạc liên tục, truyền đi, cập nhật vào mô hình dự báo hoàn toàn bằng tự động hóa đạt

độ chính xác cao, nhanh chóng, kịp thời

Các mô hình phổ biến hiện nay các nước trên thế giới đang áp dụng để dự báo lũ:

1.2.1 Mô hình TANK:

Là dạng mô hình bể chứa, tổng hợp dòng chảy trên lưu vực do M.Sugawara xây dựng năm 1956 và đã qua nhiều lần hoàn thiện tại Trung tâm Nghiên cứu Quốc gia phòng chống thiên tai tại Tokyo Mô hình này thuộc loại mô hình thông số tập trung,

đã được ứng dụng để tính toán dòng chảy từ mưa ở nhiều nước trên thế giới và nước

ta Trong mô hình TANK, lưu vực được mô phỏng như một chuỗi các bể chứa được xếp theo hai phương thẳng đứng và nằm ngang Giả thiết cơ bản là dòng chảy và quá trình truyền ẩm là các hàm số của lượng trữ nước trong các tầng đất Mô hình TANK

có 2 dạng cấu trúc đơn và kép Mô hình TANK đơn không xét đến sự biến đổi của độ

ẩm đất theo không gian Mô hình TANK kép có xét sự biến đổi của độ ẩm đất theo không gian, lưu vực được chia ra thành các vành đai có độ ẩm khác nhau, mỗi vành đai được mô phỏng bằng mô hình TANK đơn

Hiện nay nhiều cơ quan ứng dụng mô hình LTANK (được cải tiến từ mô hình TANK do PGS Nguyễn Văn Lai và Thạc sĩ Nghiêm Tiến Lam viết bằng ngôn ngữ VISUALBASIC chạy trên môi trường EXCEL7.0 với giao diện rất tiện ích đối với người sử dụng)

Tuy nhiên do mô hình có khá nhiều thông số, việc xác định các thông số đòi hỏi nhiều kinh nghiệm và yêu cầu các tài liệu khí tượng thuỷ văn và lưu vực khá chi tiết

1.2.2 Mô hình NAM (Nedbor-Afstromnings-Model hay Model):

Precipitation-Runoff-Mô hình mưa rào - dòng chảy NAM thuộc loại mô hình nhận thức tất định, thông

số tập trung của Viện Thuỷ lực Đan Mạch đã được ứng dụng ở rất nhiều nước trong

khu vực châu Á như Thái Lan, Malaysia, Philippin, Ấn Độ, Srilanka…và Việt Nam

Mô hình này có thể được dùng trong bài toán phân tích thuỷ văn, dự báo dòng chảy lũ

và dòng chảy kiệt, khôi phục chuỗi số liệu dòng chảy Về cấu trúc mô hình NAM cũng

là mô hình dạng bể chứa giống mô hình TANK, tuy nhiên thông số hiệu chỉnh mô hình

ít hơn

1.2.3 Mô hình SSARR (Stream flow synthesis and Reservoir Regulation):

Là mô hình tổng hợp dòng chảy và điều hành hồ chứa do Hiệp hội kỹ sư Hoa Kỳ xây dựng từ năm 1958 và đã qua nhiều lần cải tiến, phát triển Đây là mô hình nhận thức thông số tập trung gồm ba thành phần:

Mô hình lưu vực: Mô phỏng quá trình biến đổi mưa hoặc tuyết rơi trên lưu vực thành quá trình dòng chảy tại cửa ra lưu vực

Mô hình hệ thống sông: Mô phỏng quá trình chuyển động của nước trong lòng dẫn trên từng đoạn sông

Mô hình điều tiết hồ chứa: Mô phỏng quá trình điều tiết hồ chứa trên hệ thống có các hồ chứa

Đây là một mô hình tương đối hoàn chỉnh nên được nhiều nước trên thế giới ứng dụng để dự báo ngắn hạn cho vùng sông không ảnh hưởng triều, không có nước vật

Về lý thuyết, phạm vi sử dụng mô hình này là không hạn chế về diện tích lưu vực nhưng thực tế thường được sử dụng cho các lưu vực vừa và nhỏ Mô hình cho phép xác định được nhiều đặc trưng lưu vực và ảnh hưởng của các hồ chứa trên lưu vực Dựa vào thuật toán thử sai, mô hình này cho phép xác định các thông số của mô hình theo kiểu phân tích hệ thống địa hình địa mạo và khí tượng thuỷ văn lưu vực Sau

đó tổng hợp dòng chảy bằng việc điều chỉnh thông số khác nhau cho mỗi lưu vực như lượng mưa, độ ẩm, bốc hơi, điền trũng, trữ mặt, sát mặt, trữ ngầm, thấm tới mỗi tầng…, biểu thị bằng quan hệ giữa lượng trữ và lưu lượng trong mỗi vùng và tác dụng trữ của lòng sông

Tuy nhiên mô hình chưa mô tả được hiện tượng phức tạp và có tác động tương

hỗ lẫn nhau như nước vật, chảy tràn bờ, điều tiết của các bãi sông, chuyển động của nước trên các khu ngập rộng lớn Đồng thời yêu cầu tài liệu rất chi tiết và việc kiểm định mô hình đòi hỏi người sử dụng phải có nhiều kinh nghiệm trong xử lý

Mô hình được ứng dụng dự báo cho Hệ thống sông Hồng và Thái Bình từ năm

1979

1.2.4 Mô hình HEC-HMS (Hydrologic Engineering Center - Hydrologic Modeling System):

Đây là mô hình thuỷ văn mưa - dòng chảy của Hiệp hội các kỹ sư quân sự Hoa

Kỳ, là một hệ thống mô hình tương đối hoàn chỉnh tổng hợp và rất phổ biến ở nước ta,

có thể ứng dụng cho nhiều vùng địa lý khác nhau nhằm giải quyết bài toán trên phạm

vi rộng Nó bao gồm cung cấp nước ở lưu vực sông lớn, dòng chảy lũ, dòng chảy ở đô thị nhỏ hoặc dòng chảy lưu vực tự nhiên Mô hình được xây dựng để mô phỏng quá trình mưa-lũ của hệ thống lưu vực (chia lưu vực thành các lưu vực con) dựa trên hệ thống thông tin địa lý (GIS) - Kỹ thuật GIS được sử dụng trong các số hoá cơ sở dữ liệu như bản đồ địa hình, địa mạo dạng đất đai của lưu vực, sông suối, toạ độ kích thước của các lưu vực con và chiều dài của nó đến mặt cắt cửa ra…

Mô hình chuyển hoá quá trình mưa thành quá trình dòng chảy trên từng lưu vực

bộ phận, sau đó là quá trình diễn toán lũ trong sông thiên nhiên và hồ chứa…

Mô hình sử dụng các tham số trung bình về thời gian và không gian để mô phỏng quá trình dòng chảy Tuỳ theo đặc điểm địa vật lý của từng lưu vực, số liệu mưa, lượng nước có sẵn trong đất, sông để ứng dụng các phương pháp (phương pháp tính tổn thất, phương pháp diễn toán) thích hợp Với phiên bản của mô hình đang nghiên cứu (Version 3.01 - năm 2006) có tính năng mạnh hơn so với các mô hình trước là có nhiều phương pháp tính lượng mưa hiệu quả từ lưu vực ít số liệu cho đến lưu vực đầy

đủ số liệu, đồng thời cũng có nhiều phương pháp diễn toán dòng chảy trong sông vì vậy, khả năng ứng dụng có nó rộng rãi hơn các mô hình ở phiên bản trước Ngoài ra

mô hình còn cho phép ứng dụng thử dần để người dự báo có thể chọn được bộ thông

số thích hợp đối với từng lưu vực

1.2.5 Mô hình RRLM (Road Research Laboratory Model):

Mô hình được Watkins xây dựng năm 1962, sau đó Stall và Tersriep cải tiến năm

1972 Mô hình này đơn giản do các thông số của bề mặt thấm được xem là đồng nhất

và việc tính toán dòng chảy mặt được thực hiện theo phương pháp đường đẳng thời Giai đoạn biến đổi sóng lũ trong sông được mô tả theo quan hệ tuyến tính Ưu điểm của mô hình là đơn giản có thể thực hiện trên các máy tính nhỏ

1.2.6 Mô hình SHEM (Systeme Hydrologique Europeen Model):

Đây là mô hình liên kết dựa trên các quy luật vật lý do Jonch-Clausen xây dựng năm 1979 Mô hình có khả năng mô tả đồng thời dòng chảy trong hệ thống, dòng chảy trong lớp đất sát mặt và phân bố thế hút nước của đất ở trạng thái chưa bão hoà Quá trình hình thành dòng chảy được mô tả theo nguyên tắc chồng chập quá trình tích và truyền tải Việc tính toán quá trình tích theo phương pháp Kalinin – Miljukov và tính quá trình truyền tải theo tốc độ dòng chảy mặt Mô hình có ưu điểm là giải quyết được căn nguyên dòng chảy, nhưng do cấu trúc phức tạp và yêu cầu số liệu đầu vào nhiều nên chi phí lớn

1.2.7 Mô hình TR-20 (Technical Realease Model):

Mô hình do Cục bảo vệ đất Hoa Kỳ xây dựng năm 1966 và cải tiến năm 1975 Đây là một trong những mô hình được áp dụng phổ biến ở Mỹ TR-20 gồm 4 mô hình

bộ phận để tính toán dòng chảy

- Xác định mưa hiệu quả

- Tính toán quá trình dòng chảy từ lưu vực bộ phận

- Xác định thời gian tập trung dòng chảy từ các thông số của lưu vực

- Diễn toán dòng chảy trong sông

- Tính toán tổng hợp

1.2.8 Mô hình HYDRO:

Mô hình thuộc loại mô hình thuỷ văn tất định, mô phỏng tổng hợp quá trình mưa – dòng chảy từ lúc bắt đầu mưa đến khi kết thúc quá trình dòng chảy tại mặt cắt khống chế Mô hình do W.K.Geiger và A.Roedder xây dựng từ năm 1986 theo đơn đặt hàng của Viện Môi trường nước đô thị - Đại học tổng hợp Essen (CHLB Đức) Qua thực tế

áp dụng ở Châu Âu, mô hình được cải tiến nhiều lần Phiên bản mới nhất được áp dụng là HYDRO Mô hình này cũng được áp dụng ở một số lưu vực của hệ thống sông Hồng

1.2.9 Mô hình MARINE:

Mô hình thuỷ văn MARINE (Modélisation de l'Anticipation du Ruissellement et des Inondations pour des évé Nements Extrêmes) do Viện Cơ học chất lỏng Toulouse (Pháp) xây dựng và được chuyển giao cho Viện Cơ học Sau đó, Viện Cơ học chuyển giao cho Trung tâm Dự báo Khí tượng Thuỷ văn Trung Ương trong khuôn khổ hợp tác khoa học công nghệ và đề tài cấp Bộ Mô hình thủy văn MARINE được viết bằng ngôn ngữ Fortran 7.0 đang được xây dựng và hoàn thiện MARINE là mô hình có thông số phân bố, toàn bộ lưu vực nghiên cứu được chia thành các ô lưới vuông có kích cỡ bằng nhau Mô hình tính toán dòng chảy dựa trên phương trình bảo toàn khối lượng và phương thức thấm Green Ampt Mỗi ô lưới có thông số riêng, nhận một giá trị mưa và dòng chảy được hình thành trên từng ô Cuối cùng, mô hình MARINE liên kết các ô lưới lại với nhau theo hướng chảy tạo mạng sông và tính toán dòng chảy tại cửa ra của các lưu vực Cấu trúc mô hình MARINE chia thành hai phần:

Phần thứ nhất: tính toán dòng chảy sườn dốc hay khu giữa từ mưa dựa trên phương trình cân bằng nước và lý thuyết thấm Green Ampt;

Phần thứ hai : diễn toán lũ trong sông bằng mô hình thủy lực theo phương trình Sain Vernant với lưới sai phân 4 điểm

Mặt mạnh của mô hình MARINE là có khả nằng kết nối dễ dàng với các mô hình

dự báo mưa số trị như HRM, ETA và BOLAM đang được vận hành tại Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương nhằm kéo dài thời gian dự kiến của mô hình

Mô hình này dự báo tốt các cơn lũ sinh ra do mưa trên lưu vực nhỏ, nhưng đòi hỏi phải có số liệu địa hình, thổ nhưỡng, lớp phủ, mạng lưới trạm khí tượng thủy văn

đủ dày, đặc biệt phải dự báo được mưa với độ phân giải cao

1.2.10 Mô hình DIMOSOP

DIMOSOP (DIstributed hydrological MOdel for the Special Observing Period) là

mô hình toán thủy văn phân bố được sử dụng nhiều ở một số nước Châu Âu như Italia, Pháp, Thụy Sĩ Đặc điểm nổi bật của mô hình này là có thể sử dụng dữ liệu dạng điểm của các trạm đo mưa trong lưu vực hoặc sử dụng kết quả dự báo dưới dạng ô lưới (grid) là đầu ra của các mô hình dự báo thời tiết như MM5 và BOLAM để dự báo lũ Ở Việt Nam, mô hình DIMOSOP được chuyển giao cho trường Đại học Thủy lợi trong khuôn khổ dự án hợp tác song phương giữa Chính phủ Việt Nam và Chính phủ Italia trong việc xây dựng mô hình hỗ trợ dự báo lũ trung hạn cho hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình Khi chuyển giao cho Việt Nam, Mô hình mang tên mới là DIMOSHONG

Cấu trúc chính của mô hình dựa trên quan điểm chia lưu vực tính toán ra thành một hệ thống các ô lưới Mỗi một ô lưới trên lưu vực đều được đặc trưng bởi một yếu tố thủy văn nào đó, có thể là một phần tử của lưu vực, có thể là một phần tử của sông, hay là một phần tử của hồ chứa vv Nếu ô lưới là một phần tử của lưu vực thì mô hình sẽ tính toán ra dòng chảy từ mưa thông qua mô phỏng các quá trình vật lý trên lưu vực như mưa, tổn thất, tập trung dòng chảy trên sườn dốc cho ô lưới đó, nếu ô lưới là một phần

tử của đoạn sông, mô hình sẽ mô phỏng quá trình diễn toán dòng chảy trên sông cho ô lưới, còn nếu ô lưới là một phần tử của hồ chứa, mô hình sẽ mô phỏng quá trình diễn

trong DIMOSOP dựa trên các lý thuyết: Phương pháp tính tổn thất: SCS-CN; đường

toán của mô hình chính là lưu lượng hay mực nước lũ tại bất kỳ một ô lưới nào (điểm) trên lưu vực đã được đăng ký trước

Cấu trúc chính của mô hình dựa trên quan điểm chia lưu vực tính toán ra thành một hệ thống các ô lưới Kích thước của mỗi ô lưới phụ thuộc vào mức độ chi tiết của số liệu thu thập cũng như yêu cầu tính toán Mỗi một ô lưới trên lưu vực đều được đặc trưng bởi một yếu tố thủy văn nào đó, có thể là một phần tử của lưu vực, có thể là một phần tử của sông, hay là một phần tử của hồ chứa

Đầu vào của mô hình này ngoài lượng mưa còn là bản đồ địa hình dưới dạng DEM, bản đồ hiện trạng sử dụng đất, loại đất dưới dạng ô lưới Grid (vì đây là mô hình thủy văn phân bố), và các loại công trình cũng như quy trình vận hành của các công trình

Đầu ra của mô hình chính là lưu lượng hay mực nước lũ tại bất kỳ một ô lưới nào (điểm nào) trên lưu vực chứ không phải hạn chế chỉ tại một vị trí như các mô hình thủy văn thông số gộp đưa ra

Ưu điểm: Khả năng sử dụng thông tin toàn cầu như bản đồ đất, hiện trạng sử dụng đất, ảnh vệ tinh để mô phỏng lưu vực đặc biệt hữu ích cho các lưu vực liên quốc gia, khi mà thông tin về lưu vực ở phần quốc gia kia không thu thập được hoặc thu thập được nhưng không chính xác vì đầu vào của mô hình như đã nêu trên toàn ở dạng ô lưới

Có khả năng kết nối với các mô hình khí tượng BOLAM và MM5 để kéo dài thời gian dự báo phục vụ vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa

Một lần chạy mô hình sẽ cho kết quả dự báo của nhiều trạm, nhiều vị trí khác nhau với thời gian dự báo lên đến 5 ngày

Hiện tại đang sử dụng dự báo lũ trung hạn cho hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình Đây là mô hình được đánh giá rất khả quan cần được nghiên cứu áp dụng cho các lưu vực khác

1.3 Tình hình nghiên cứu dự báo lũ lụt ở Việt Nam

Các mô hình toán thủy văn, thủy lực đã được nghiên cứu áp dụng có hiệu quả để diễn toán dòng chảy trong hệ thống sông và ngập lụt ở nước ta và đã thu được những kết quả đáng kể, cụ thể có các mô hình:

Mô hình VRSAP là mô hình thủy động lực học tiêu biểu của Việt Nam đã được ứng dụng rộng rãi và thành công trong nước, do phó giáo sư Nguyễn Như Khuê phát triển Đây là mô hình một chiều (1D) dùng để tính toán dòng chảy lũ và dòng chảy mùa cạn cho vùng đồng bằng các hệ thống sông Hồng, sông Cửu Long, sông Cả, sông Hương, sông Nhật Lệ Ngoài ra, mô hình còn được sử dụng để tính toán thuỷ lực tư-

ới, tiêu các hệ thống thuỷ nông, quy hoạch và quản lý lưu vực, tài nguyên nước

Mô hình TELEMAC và SMS tính toán ngập lụt vùng đồng bằng Đây là mô hình được thiết lập theo phương pháp phần tử hữu hạn

Mô hình TANK được ứng dụng ở Việt Nam vào cuối những năm 1980 Mô hình tương đối đơn giản, có ý nghĩa vật lý trực quan, thích hợp với các lưu vực sông suối vừa và nhỏ

Mô hình SSARR là mô hình tính dòng chảy sinh ra từ mưa, được cải biên để ứng dụng cho hệ thống sông Hồng, sông Trà Khúc, sông Vệ và cho kết quả khá tốt trong tính toán và dự báo nghiệp vụ

Bộ mô hình MIKE đã được áp dụng tương đối thành công trong tính toán dự báo nguy cơ ngập lụt vùng hạ lưu lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn, và nghiên cứu thủy lực

hạ lưu sông Hồng trong trường hợp giả sử đập Hoà Bình bị vỡ

Mô hình HEC-HMS đã được ứng dụng trong tính toán dự báo lũ lưu vực sông

Vu Gia - Thu Bồn, sông Túy Loan, sông Hương và sông Ba cho kết quả khả quan Đối với nước ta do đặc thù địa hình phức tạp nên hiện nay chưa có một phương pháp dự báo lũ nào chiếm được ưu thế tuyệt đối Nhìn chung đối với các sông miền Trung, các mô hình toán thủy văn như TANK, NAM, HEC-HMS thường được áp dụng

Một số đề tài điển hình về nghiên cứu ứng dụng mô hình toán thủy văn dự báo lũ trên các lưu vực hệ thống sông lớn ở nước ta như:

- “Ứng dụng mô hình MIKE-NAM diễn toán quá trình lũ đến các hồ chứa sông Ba” của tác giả Nguyễn Hữu Khải và Bùi Văn Chiến với mục tiêu dự báo là cơ sở để giảm mực nước trước lũ, nâng cao hiệu quả điều tiết lũ, giảm thiểu thiệt hại cho vùng ngập lụt hạ lưu.[5]

- “Ứng dụng mô hình toán trong nghiên cứu dự báo, cảnh báo lũ và ngập lụt cho đồng bằng các sông lớn ở miền Trung” của PGS.TS Lê Văn Nghinh.[7]

- “Nghiên cứu cơ sở khoa học cho các giải pháp tổng thể dự báo phòng tránh lũ lụt ở miền Trung” do TS Nguyễn Lập Dân thực hiện đã đánh giá thực trạng và làm sáng tỏ các tác nhân gây lũ lụt miền Trung trong đó có lưu vực trọng điểm Vu Gia – Thu Bồn.[3]

- “Áp dụng mô hình NAM tính toán dòng chảy lũ trên lưu vực trạm thủy văn Nông Sơn” của tác giả Tô Thúy Nga đăng trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ Đại học Đà Nẵng số 3 năm 2003 bước đầu đã dò tìm được bộ thông số lưu vực Nông sơn, dùng làm số liệu biên cho nghiên cứu tiếp theo là xác định khả năng ngập lụt ở hạ lưu sông Vu Gia – Thu Bồn.[6]

- “Nghiên cứu thiết lập cơ sở khoa học kỹ thuật phòng tránh và giảm nhẹ thiên tai

lũ lụt các tỉnh Nam Trung bộ”, và “Nghiên cứu hiện trạng, xác định nguyên nhân lũ lụt các tỉnh Nam Trung Bộ, bước đầu đề xuất các giải pháp khắc phục” của PGS.TSKH Nguyễn Văn Cư đã bước đầu đi vào đánh giá các yếu tố mặt đệm (địa hình, địa mạo, lớp thổ nhưỡng, lớp phủ thực vật ) nhằm đưa ra nguyên nhân gây lũ lụt các tỉnh Nam Trung Bộ trong đó có Quảng Nam.[2]

1.4 Sự cần thiết dự báo dòng chảy lũ trên lưu vực hồ thủy lợi Phú Vinh

1.4.1 Hiện trạng lũ lụt và công tác dự báo tại công trình thủy lợi Phú Vinh

Sông Phú Vinh là một con sông thuộc hệ thống sông Nhật Lệ có đặc điểm nổi bật của chế độ mưa và dòng chảy là đường phân phối dòng chảy trong năm có hai đỉnh rõ rệt Đỉnh chính xuất hiện vào tháng IX, X; đỉnh phụ tiểu mãn xuất hiện vào tháng V, VI; mùa lũ tập trung vào các tháng X, XI, XII và chiếm 60 - 80% tổng lượng dòng chảy cả năm Lượng mưa năm tại Đồng Hới từ 2.000-3.000mm, bình quân nhiều năm

là 2.175mm Lượng mưa một ngày lớn nhất ứng với tần suất 5% biến đổi từ 250 - 350mm.Vào mùa này, sông thường có lũ đột ngột gây úng lụt trầm trọng vùng cửa sông Dòng chảy lũ trên sông phần lớn lượng dòng chảy trong năm, vì vậy dòng chảy

lũ là đặc trưng quan trọng trong chế độ thuỷ văn công trình

Công tác dự báo tại công trình thủy lợi Phú Vinh chủ yếu dựa vào các số liệu quam trắc và cảnh báo của Trạm khí tượng thủy văn Đồng Hới, từ đó đơn vị quản lý khai thác đưa ra những quyết định phù hợp trong quá trình vận hành hồ chứa

Hồ chứa thủy lợi Phú Vinh hoàn thành đưa vào sử dụng, cung cấp nước cho sản xuất nông nghiệp và các ngành dân sinh kinh tế trên địa bàn vào tháng 6/1996

Bảng 1.1: Thống kê các trận lũ từ năm 2014 đến năm 2016:

Năm 2016 xảy ra một trận lũ lịch sử vào ngày 14/10/2016

+ Đánh giá các trận lũ và tình hình vận hành điều tiết:

công trình theo quy trình được duyệt là giữ mực nước hồ ở MNDBT 22,0m và xả bằng lượng lũ đến không gặp khó khăn và tác động nào

Hình 1.3 : Biểu đồ trận lũ từ ngày 12/10/2016 đến 15/10/2016

Thời điểm 11 giờ đến 18 giờ ngày 14/10, lượng mưa đo được là 577,3 mm Lũ lên nhanh với lưu lượng lớn nhất thời điểm 22 giờ ngày 14/10 là 257,7 m3/s Lưu

Mực nước cao nhất tại hồ là 21,9m

- Đặc điểm hồ Thuỷ lợi Phú Vinh là hồ nhỏ, dung tích ứng với MNDBT là

mực nước dâng bình thường thì lưu lượng xả gần bằng với lưu lượng về hồ

- Theo tính toán thiết kế, hồ chỉ được phép tích nước cao hơn mực nước dâng bình thường khi lưu lượng về quá lớn vượt quá khả năng xả tràn của 3 cửa van cung (khi đó cả 3 cửa đã mở hoàn toàn) Thực tế ngày 14/10 độ mở tối đa của 3 cửa van cung là 2,2/5,0m

+ Phía thượng lưu lòng hồ: chủ yếu là rừng cây tự nhiên nên không ảnh hưởng đến dân sinh kinh tế

+ Phía hạ lưu đập: Mực nước cục bộ tại hạ lưu dâng cao, đổ dồn vào sông và nước từ các lưu vực khác đổ về nên mực nước trong sông dâng cao trên báo động III gây ra ngập nhiều chỗ trên địa bàn thành phố Đồng Hới, có nơi ngập lên tới 1,5m Trận lũ ngày 01/11/2016:

Hình 1.4: Biểu đồ trận lũ từ ngày 30/10/2016 đến 02/11/2016

Đối với trận lũ này, đơn vị quản lý đã chủ động xả sớm khi bắt đầu dự báo mưa

biểu đồ vận hành cho thấy đường lũ đến và xả lũ chênh lệch khá lớn, việc này tiềm ẩn nhiều rủi ro cho đơn vị quản lý khai thác hồ chứa Nguyên nhân là công tác dự báo chưa được thực hiện chính xác, việc vận hành dựa vào số liệu dự báo của Trạm khí tượng thủy văn Đồng Hới, tuy nhiên kết quả dự báo có nhiều sai lệch

Trên lưu vực của hồ thủy lợi Phú Vinh chưa lắp đặt các thiết bị đo đạc thủy văn

chuyên dùng, nên việc thực hiện đề tài: “Ứng dụng mô hình thủy văn mô phỏng

dòng chảy lũ về hồ thủy lợi Phú Vinh - tỉnh Quảng Bình” là rất cần thiết

Hình 1.4: Bản đồ hệ thống sông suối và trạm khí tượng tỉnh Quảng Bình

1.4.2 Lựa chọn mô hình MIKE NAM để tính toán dòng chảy lũ

Khi chọn mô hình để áp dụng cho lưu vực nghiên cứu cần xem xét điều kiện bài toán, cấu trúc mô hình, phạm vi ứng dụng, đồng thời phải xét đến khả năng tài liệu quan trắc tương ứng Do mỗi mô hình đều có những giả thiết và phạm vi, điều kiện ứng dụng riêng Các mô hình mô phỏng tốt các quá trình thủy văn trên lưu vực nhỏ, nhưng lại không đem lại kết quả khi áp dụng cho lưu vực vừa và lớn Mô hình phức tạp, nhiều thông số phản ánh được nhiều quá trình, nhưng lại có thể tích luỹ sai số, và nhất là khi số liệu đo đạc không đủ, không tương ứng Do vậy không phải cứ mô hình phức tạp là cho kết quả có độ chính xác cao hơn Khi tài liệu không đầy đủ thì mô hình đơn giản ít thông số có khi lại cho kết quả tốt hơn Mô hình tất định, tập trung thích hợp để mô phỏng cho lưu vực nhỏ, còn mô hình với thông số phân bố lại tỏ ra có ưu thế đối với các lưu vực vừa và lớn

Mô hình NAM là mô hình toán thuỷ văn mô phỏng quá trình mưa – dòng chảy diễn ra trên lưu vực Mô hình Nam bao gồm một tập hợp các biểu thức toán học đơn giản để mô phỏng các quá trình trong chu trình thuỷ văn Là mô hình nhận thức, tất định, thông số tập trung Đây là một mô đun tính dòng chảy từ mưa trong bộ phần mềm thương mại MIKE 11 do Viện Thủy lực Đan Mạch xây dựng và phát triển

Nhận xét về lưu vực nghiên cứu của đề tài, ta thấy lưu vực hồ chứa thủy lợi Phú Vinh là lưu vực nhỏ, tình hình tài liệu khí tượng thủy văn thu thập được đến hiện tại phục vụ nghiên cứu dự báo chưa thật đầy đủ, nên việc chọn mô hình NAM để dự báo

sẽ thuận lợi hơn so với các mô hình khác vì:

- Mô hình sử dụng các hệ thức toán học đơn giản để chuyển đổi mưa thành dòng chảy, ít thông số và dễ sử dụng

- Là mô hình với thông số tập trung nên không yêu cầu nhiều và chi tiết về số liệu đầu vào

- Đã được áp dụng để dự báo lũ cho nhiều lưu vực sông ở Miền Trung và Tây Nguyên và cho kết quả dự báo với độ tin cậy khá cao

Với những nhận xét được trình bày ở trên thì mô hình thủy văn NAM là lựa chọn phù hợp để tính toán dòng chảy lũ cho hồ thủy lợi Phú Vinh, tỉnh Quảng Bình

1.4.3.Vấn đề luận văn tập trung giải quyết

Mục tiêu cuối cùng của đề tài là phải tìm ra được bộ thông số đáng tin cậy của mô hình áp dụng mô phỏng cho lưu vực nghiên cứu Lựa chọn công cụ là mô hình thủy văn NAM, bằng cách tiếp cận thông số hóa, sử dụng các phép toán tối ưu cho phép ta dò tìm được bộ thông số trung bình đặc trưng cho cả lưu vực nghiên cứu Với bộ thông số vừa tìm được sau khi đem kiểm định cho các trận lũ độc lập khác để khẳng định tính đúng đắn trong giới hạn cho phép (căn cứ vào chỉ số NASH), ta có thể dùng nó để dự báo các đặc trưng lũ cho các trận lũ về hồ chứa trong tương lai khi có số liệu đo đạc mưa, bốc hơi đầu vào của lưu vực Đây chính là vấn đề cốt lõi xuyên suốt cả luận văn

1.5 Đặc điểm về điều kiện tự nhiên và lũ lụt trên lưu vực hồ thủy lợi Phú Vinh

1.5.1 Đặc điểm địa lý tự nhiên lưu vực hồ thủy lợi Phú Vinh

Lưu vực công trình thủy lợi Phú Vinh nằm về phía Tây thành phố Đồng Hới - tỉnh Quảng Bình, trên sườn Tây dãy Trường Sơn, phía Bắc tiếp giáp với lưu vực sông Dinh, phía Tây là dãy Trường sơn, phía Nam tiếp giáp với lưu vực sông Lệ Kỳ, phía Đông tiếp giáp với khu dân cư của xã Thuận Đức Toàn bộ lưu vực nằm trong địa phận của các xã Thuận Đức và phường Đồng Sơn thuộc thành phố Đồng Hới; thị trấn nông trường Việt Trung, huyện Bố Trạch, tỉnh Quảng Bình

Công trình đầu mối hồ thủy lợi Phú Vinh được xây dựng trên nhánh sông Phú Vinh, thuộc hệ thống sông Nhật Lệ, tỉnh Quảng Bình

Công trình có tọa độ địa lý như sau:

Công trình nằm trong địa phận xã Thuận Đức và phường Đồng Sơn thành phố Đồng Hới, cách trung tâm thành phố Đồng Hới 6km về phía Tây

Lưu vực hồ Phú Vinh bắt nguồn từ đông dãy Trường Sơn, chảy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam rồi nhập vào lưu vực sông Lệ kỳ và đổ ra biển Đông Với diện tích lưu vực 38 km2, dung tích toàn bộ 22,36 x106m3, dung tích hữu ích 19,16 x106m3 Thượng nguồn sông Phú Vinh gồm có một nhánh sông chính và một nhánh sông nhỏ đổ về hồ, nhánh sông chính dài 12km Mạng lưới sông suối trong vùng khá dày và chủ yếu là các nhánh nhỏ, địa hình dốc, sông nhánh ngắn Các suối dốc, nhiều thác ghềnh, lưu lượng nước trên các suối rất nhỏ phụ thuộc vào các mùa trong năm Các nhánh sông suối phân bố theo dạng hình lông chim theo hai hướng chính là: Đông - Bắc và Tây - Nam Dòng sông chính chảy quanh co khúc khuỷu, độ dốc trung bình lòng sông chính khoảng 11,47 ‰ Trên thượng nguồn, lòng sông dốc có nhiều thác ghềnh, ở hai bên bờ có nhiều vách đá dựng đứng, lòng sông lộ nhiều đá Giữa đoạn, lòng sông tương đối rộng có nhiều chỗ quanh co uốn khúc, độ dốc lòng sông nhỏ Về

vách núi rất dốc Lòng suối chủ yếu lộ đá gốc, rải rác có ít cát cuội sỏi với chiều dày mỏng

Trên lưu vực sông Phú Vinh, thổ nhưỡng chủ yếu là đất trầm tích aluvi Trên các sườn đồi là đất nâu-đỏ, xám-vàng chiều dày 1-2m, là sản phẩm phong hóa từ các đá phiến, trầm tích và xâm nhập sâu Tại bề mặt các sườn đồi quá trình bóc mòn xảy ra mạnh mẽ, phần cao nhất bị rửa trôi sau đó là các rãnh xâm thực cắt sâu vào các sườn, hiện nay bề mặt sườn bị phân cắt mạnh, do lớp phủ thực vật bị tàn phá và những trận mưa kéo dài, do đó làm tăng hàm lượng bùn cát trên sông

Tầng phủ thực vật, dạng rừng rậm nhiệt đới cây lá rộng có các loại gỗ quí hầu như chỉ còn rất ít, thưa thớt trên các vùng núi cao ở khu vực thượng nguồn phía Đông Bắc và Tây Nam, còn phía Nam và Đông chỉ thưa thớt do ảnh hưởng chất độc màu da cam của chiến tranh Dọc theo các thung lũng, rừng bị tàn phá nhiều, thay vào đó là rừng tái sinh gồm các loại gỗ tạp, tre nứa, dây leo, dần về phía hạ lưu của lưu vực là các vùng đồi tương đối bằng phẳng, hầu như đã được khai thác để trồng sắn, lúa rẫy, khoai, ngô, cây công nghiệp như cao su, bạch đàn, cà phê nhưng sản lượng không nhiều và còn nhiều vùng đất chưa được canh tác

Bảng 1.2: Các đặc trưng địa lý thuỷ văn lưu vực hồ Phú Vinh [4]

Các thông số chính Đơn vị Số lượng

1 Thuỷ văn

Lưu lượng đỉnh lũ thiết kế

3 Tràn xả lũ chính

Dạng tràn

Đỉnh rộng, tiêu năng mũi phun

dê/tời điện/

Tời vận hành điện kết hợp thủ công

- Cao trình đỉnh tường chắn sóng m Không

Bảng 1.3: Đặc trưng hình thái lưu vực sông

(km2)

Lsc (km)

Js (%o)

Hbqlv (m)

Bbqlv (km)

1.5.2 Đặc điểm khí hậu lưu vực

Khu vực công trình có đặc điểm khí hậu nhiệt đới gió mùa, nắng nóng và mưa nhiều với hai mùa phân biệt trong năm: Mùa khô từ tháng I÷VII, mùa mưa lũ từ tháng VIII÷XII Trong mùa mưa thường có ảnh hưởng của các cơn bão từ biển Đông tràn vào, với số lần xuất hiện trong mỗi năm từ 2÷4 trận/năm

Do điều kiện hoàn lưu gió mùa kết hợp với hoàn cảnh địa lý, địa hình mà đặc biệt dãy Trường Sơn là yếu tố quyết định đến chế độ khí hậu của tỉnh Quảng Bình, có thể hiện sự sai lệch giữa mùa mưa lũ so với mùa khô

Trên gần lưu vực hiện có Trạm khí tượng thủy văn Đồng Hới với thời gian quan trắc tương đối dài và liên tục Vì vậy, trạm này được chọn làm trạm đại biểu để tính toán các đặc trưng khí tượng cho lưu vực

Sau đây là các yếu tố khí hậu chính tại Trạm khí tượng thủy văn Đồng Hới

1.5.2.1 Chế độ nhiệt

(1986) Nhiệt độ đo được tính trung bình tháng ở bảng sau:

Bảng 1.4: Nhiệt độ không khí (oC) - trạm khí tượng Đồng Hới (76-09)

1.5.2.2 Chế độ ẩm

Độ ẩm tương đối trung bình hàng năm khoảng 83,06% Độ ẩm trung bình tháng cao nhất đạt tới 90% Độ ẩm trung bình tháng thấp là các tháng chịu ảnh hưởng gió mùa Phơn Tây Nam 70% Độ ẩm đo được tính trung bình tháng ở bảng sau:

Bảng 1.5: Độ ẩm không khí (%) - trạm khí tượng Đồng Hới

1.5.2.3 Chế độ gió

Tỉnh Quảng Bình chịu ảnh hưởng của 2 luồng gió chính là: Mùa hè gió thịnh hành là gió Đông Nam; Mùa đông hướng gió chủ yếu là Bắc và Đông Bắc Hàng tháng

trung bình có 3-:-4 đợt gió mùa Đông Bắc, mỗi đợt kéo dài 3-:-5 ngày, tốc độ trung bình khoảng 3-:-4 m/s

Bão thường tập trung chủ yếu vào 3 tháng là tháng IX, X, XI, khả năng bão tập trung vào tháng IX và X là lớn nhất, chiếm tới 40% tổng số cơn bão đổ bộ vào từ tháng VII đến tháng XII Với tốc độ gió lớn nhất đo được đạt trên 40m/s (1983)

1.5.2.4 Chế độ bốc hơi

Lượng bốc hơi trung bình hàng năm lên đến 1.159 mm Trong năm, tháng có lượng bốc hơi nhiều nhất là tháng VII chiếm khoảng 16,05% lượng bốc hơi cả năm Tháng có lượng bốc hơi ít nhất là tháng II chiếm khoảng 3,75% lượng bốc hơi cả năm Quá trình bốc hơi tháng bình quân nhiều năm (đo bằng ống Piche) như bảng sau:

Bảng 1.6: Lượng bốc hơi của trạm Đồng Hới

Tháng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Năm

Kc : Hệ số chệnh lệch giữa lượng bốc hơi đo bằng thùng G3000 đặt ở trên hồ với lượng bốc hơi đo bằng ống Piche đặt trên 2m ở trên bờ Kc = 1,16

Thay vào các giá trị tương ứng ta có:

Z = 1342 – 759 = 583mm

Phân phối tổn thất bốc hơi xác định theo dạng phân phối thực đo của trạm Đồng Hới Kết quả lượng tổn thất bốc hơi mặt hồ được trình bày theo bảng sau :

Bảng 1.7: Phân bố tổn thất bốc hơi theo các tháng trong năm

Hàng năm mưa phân bố thành 2 mùa rỏ rệt Mùa mưa kéo dài trong 3 tháng (IX,

X, XI) lượng mưa mùa này chiếm 60%-:-70% tổng lượng mưa cả năm Mùa khô kéo dài 9 tháng còn lại trong năm ( là các tháng XII, I, II, III, IV, V, VI, VII, VIII) lượng mưa mùa này chỉ chiếm 30%-:-40% tổng lượng mưa cả năm Tháng mưa lớn nhất là tháng X, tháng mưa nhỏ nhất là tháng II

Bảng 1.8: Phân bổ lượng mưa tháng bình quân

X

Để xác định lượng mưa bình quân lưu vực, về phía hạ lưu công trình có trạm khí

đẳng trị mưa của Viện Khoa học Khí tượng thủy văn và BĐKH, mưa có xu thế tăng theo độ cao địa hình đồi với khu vực nghiên cứu Nên trong tính toán, sử dụng phương

2.300mm làm trị số tính toán

+ Mưa ngày lớn nhất thiết kế: Lượng mưa ngày lớn nhất có thể lên đến 500mm Đặc biệt trong trận lũ lịch sử X/2016 mưa ngày lớn nhất ở Đồng Hới lên đến 651mm Lượng mưa ngày lớn nhất theo tần suất thiết kế thời kỳ 1997 - 2016 của lưu vực Phú Vinh như sau:

Bảng 1.9: Các tham số và lượng mưa ngày lớn nhất

1.5.3 Đặc điểm thủy văn

1.5.3.1 Dòng chảy năm tại các trạm thủy văn lân cận lưu vực

Trên lưu vực công trình không có trạm đo thủy văn, về phía Bắc có trạm thủy văn Tân Mỹ đo lưu lượng, mực nước và mưa khống chế diện tích lưu vực Flv = 23

nam có Trạm khí tượng thủy văn Kiến Giang là trạm thủy văn cấp I, khống chế diện

công trình có Trạm khí tượng thủy văn Đồng Hới quan trắc đủ các yếu tố khí tượng, thời gian quan trắc tương đối dài, các điểm đo mưa cũng hoạt động tốt

1.5.3.2 Dòng chảy năm tại tuyến công trình

Vì hạn chế số liệu đo đạc dòng chảy trên lưu vực, trong tính toán xác định dòng chảy năm thiết kế, sử dụng phương pháp tính toán từ mưa

Theo QPTL-C6-77, Độ sâu dòng chảy thiết kế được xác định theo công thức:

Dòng chảy đến thiết kế được xác định như sau:

3 0 0

xF Q

Các tham số dòng chảy đến ứng với các tần suất như sau:

Bảng 1.10: Các tham số và dòng chảy năm ứng với các tần suất

Đặc trưng

thống kê Lượng mưa ngày lớn nhất Hp (mm)

Q0 Cv Cs 10% 15% 20% 25% 50% 75% 80% 85% 90% 1,72 0,28 0,4 2,55 2,4 2,28 2,19 1,83 1,49 1,42 1,29 1,18

1.5.4 Đặc điểm lũ lụt sông Phú Vinh

Dựa vào chỉ tiêu vượt trung bình làm tiêu chuẩn phân mùa thủy văn, thì mùa lũ trên lưu vực sông Phú Vinh từ tháng X đến tháng XII, tuy nhiên năm có lũ sớm có thể xuất hiện vào tháng IX

Bảng 1.11: Lưu lượng lớn nhất thiết kế tại tuyến Phú Vinh

Tuyến Lưu lượng lớn nhất thiết kế Qmax (m

Lũ ở Quảng Bình thường do mưa lớn gây nên bởi các hình thế thời tiết sau: bão, áp thấp nhiệt đới, không khí lạnh kết hợp dải hội tụ nhiệt đới, không khí lạnh kết hợp nhiễu động trong đới gió Đông trên cao hoặc gió Đông Bắc mạnh Các hình thế thời tiết này tác động đơn độc cũng có thể gây nên mưa lũ, đặc biệt khi có sự tác động kết hợp giữa các hình thế trên thì khả năng mưa lũ sẽ lớn hơn rất nhiều Tính trung bình cho một trận lũ, lượng mưa thường đạt 130÷150mm, những trận lũ báo động cấp III trở lên thường đạt trung bình 150÷250 mm Đặc biệt trận lũ tháng 10/2016 lượng mưa ngày toàn tỉnh lớn nhất là 742 mm

Trên lưu vực sông Phú Vinh có địa hình phần lớn là đồi núi dốc, có lượng mưa trong mùa lũ lớn nên khả năng tập trung nước nhanh, sông suối lại ngắn, thượng nguồn dốc nên lũ lên nhanh, xuống cũng tương đối nhanh, mỗi trận lũ thường chỉ kéo dài trong vài ngày, thời gian duy trì lũ ở mức cao không dài Theo kết quả tính toán cho thấy thời gian lũ lên trên sông Phú Vinh trung bình trong mỗi trận lũ là 27 giờ, thời gian lũ xuống là 24 giờ và thời gian cả trận lũ trung bình là 51 giờ Tuy nhiên cũng có đợt lũ kéo dài hơn, những đợt lũ kéo dài thường do các hình thế thời tiết gây mưa lớn xuất hiện liên tiếp gây ra các trận lũ kế tiếp nhau, có lũ đơn, lũ kép

Nằm trong khu vực có sự phân hóa mạnh về địa hình nên chế độ mưa, lũ lụt trên sông Phú Vinh cũng diễn biến khá phức tạp Với đặc điểm lưu vực hẹp và dốc nên khi

có mưa lớn, lũ tập trung rất nhanh về hạ lưu và gây ra ngập lụt Với sự diễn biến ngày càng phức tạp của chế độ mưa-lũ, nguy cơ xuất hiện các trận mưa-lũ đặc biệt lớn có chiều hướng ngày càng gia tăng, nên cần phải có sự chủ động, luôn nắm bắt thông tin

về tình hình thời tiết thủy văn để có những giải pháp phòng tránh hợp lý, nhằm giảm tối đa thiệt hại do lũ lụt gây ra, đặc biệt là đảm bảo an toàn tính mạng của nhân dân

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH NAM

2.1 Giới thiệu

Mô hình thuỷ văn NAM mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy xảy ra trên phạm

vi lưu vực sông NAM hình thành nên một phần của mô đun lượng mưa – dòng chảy mặt của hệ thống mô hình sông MIKE 11 Mô đun lượng mưa - dòng chảy mặt có thể được áp dụng độc lập hoặc sử dụng để trình bày một hoặc nhiều lưu vực tham gia mà tạo ra dòng chảy kế bên vào một mạng sông Theo cách này thì việc thực hiện xử lý một lưu vực sông nhỏ riêng lẻ hoặc xử lý một lưu vực sông lớn có chứa nhiều lưu vực sông nhỏ và một mạng sông ngòi phức tạp trong một khung công việc lập mô hình đều

có thể thực hiện

NAM là từ viết tắt của tiếng Đan Mạch “Nedbor - afstromnings - Model”, có nghĩa là mô hình giáng thuỷ – dòng chảy mặt Mô hình này đầu tiên do Khoa Tài nguyên nước và Thuỷ lợi của Trường Đại học Đan Mạch xây dựng (Nielsen và Hansen, 1973)

Mô hình toán thuỷ văn NAM là một bộ biểu thức toán học kết nối mô tả, bằng hình thức chất lượng toán học đơn giản, hành vi của giai đoạn của đất trong chu kỳ thuỷ văn NAM trình bày các thành tố khác nhau trong quá trình lượng mưa – dòng chảy mặt bằng cách xem xét liên tục các thành phần của nước trong bốn trữ lượng khác nhau và tương tác nhau Mỗi trữ lượng trình bày một thành phần vật lý khác nhau của lưu vực sông nhỏ NAM có thể được sử dụng hoặc cho việc lập mô hình thuỷ văn liên tục cho một loạt các dòng chảy hoặc cho việc mô phỏng những sự kiện riêng lẻ

Mô hình NAM là một công cụ kỹ thuật được chứng minh tốt rằng nó được áp dụng cho một số các lưu vực sông nhỏ trên thế giới, trình bày cơ chế thuỷ văn và điều kiện khí hậu khác nhau

2.2 Yêu cầu về dữ liệu

Những yêu cầu cơ bản về dữ liệu cho mô hình NAM bao gồm:

Tham số mô hình

Điều kiện ban đầu

Dữ liệu khí tượng thuỷ văn

Dữ liệu dòng chảy cho việc thẩm định và công nhận mô hình

Yêu cầu về dữ liệu khí tượng thuỷ văn cơ bản là:

Lượng mưa

Việc bốc hơi tiềm năng

Trong trường hợp lập mô hình về tuyết, một số dữ liệu yêu cầu thêm về khí tượng thủy văn:

Nhiệt độ

Phóng xạ (tuỳ chọn)

Mô hình NAM cũng cho phép lập mô hình về sự can thiệp của con người trong chu kỳ thuỷ văn liên quan đến khía cạnh tưới và bơm nước ngầm Trong trường hợp này tỷ lệ chuỗi thời gian của việc tưới và khai thác nước ngầm được yêu cầu

2.2.1 Dữ liệu khí tượng

Lượng mưa (mm)

Độ phân giải thời gian đầu vào của lượng mưa phụ thuộc vào mục tiêu nghiên cứu và phụ thuộc vào tỷ lệ thời gian của phản hồi lưu vực Trong nhiều trường hợp giá trị lượng mưa hàng ngày là đủ nhưng trong những lưu vực phản hồi thì ở đó đòi hỏi phải có trình bày chính xác về dòng chảy đỉnh và dữ liệu lượng mưa đầu vào về độ phân giải tốt hơn cũng có thể được yêu cầu Dữ liệu lượng mưa với bất kỳ (biến đổi)

sự tăng về thời gian có thể được cụ thể hoá trong đầu vào lượng mưa Mô hình NAM sau đó sẽ làm những phép mô phỏng cần thiết theo như sự mô phỏng bước thời gian

Dữ liệu lượng mưa được xử lý như là tổng lượng mưa tích luỹ do đó lượng mưa có liên quan đến thời gian được biết là tổng lượng mưa từ khi giá trị đưa vào là cuối cùng

Lượng bốc hơi tiềm năng (mm)

Khi bước thời gian hàng ngày được sử dung, giá trị hàng tháng về lượng bốc hơi tiềm năng thường là đủ Trong trường hợp này chủ một sự tiến bộ nhỏ có thể đạt được bằng cách xác định giá trị hàng ngày thay vì giá trị hàng tháng Tuy nhiên, với những bước thời gian nhỏ thì sự biến đổi hàng ngày là rất quan trọng Dữ liệu bốc hơi được

xử lý là tổng lượng tích luỹ mà ở đó lượng bốc hơi liên quan đến thời gian cụ thể là lượng bốc hơi kể từ khi giá trị đưa vào là cuối cùng

Nhiệt độ (0C)

Dữ liệu nhiệt độ được yêu cầu nếu tích luỹ và tan của tuyết được bao gồm trong

sự mô phỏng Trong suốt mùa tuyết, sự tăng thời gian trong dữ liệu nhiệt độ nên phản ánh độ dài của bước thời gian trong mô phỏng, tức là nhiệt độ trung bình ngày Dữ liệu nhiệt độ tại một điểm thời gian cho trước trình bày nhiệt độ trung bình kể từ khi dữ liệu được nhập vào cuối cùng

Phóng xạ (W/m2)

Dữ liệu phóng xạ sóng ngắn phóng đến thực sự cso thể được tuỳ ý sử dụng như

là dữ liệu đầu vào trong mô đun tuyết mở rộng Dữ liệu phóng xạ tại một thời điểm cho trước trình bày phóng xạ trung bình kể từ khi dữ liệu được nhập vào cuối cùng