Phương pháp dự báo lũ điển hình dựa trên truyền sóng động học trong sông là phương pháp Muskingum nhưng chỉ ứng dụng cho sông đơn. Với hệ thống sông phức tạp có nhiều nguồn tác động và các đường truyền đến điểm dự báo khác nhau thì cách tính thành phần tác động của từng nguồn lũ đã được xem là việc phát triển phương pháp dự báo lũ Muskingum cho trường hợp phức tạp này. Ví dụ về ứng dụng phương pháp mới này cho Tứ giác Long Xuyên thuộc Đồng bằng sông Cửu Long được trình bày trong bài viết này. Kết quả cho thấy việc khả thi ứng dụng nguyên lý tính toán này.
TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 2008 DỰ BÁO LŨ DỰA TRÊN TÍNH TỐN TRUYỀN SĨNG ĐỘNG HỌC CỦA CÁC THÀNH PHẦN NGUỒN LŨ FLOOD FORECASTING BASED ON COMPUTATION OF KINETIC WAVE PROPAGATION OF FLOOD SOURCE COMPONENTS ThS.NCS. Hå Träng TiÕn TĨM TẮT Ph¬ng ph¸p dù b¸o lò ®iĨn h×nh dùa trªn trun sãng ®éng häc trong s«ng lµ ph¬ng ph¸p Muskingum nhng chØ øng dơng cho s«ng ®¬n. Víi hƯ thèng s«ng phøc t¹p cã nhiỊu ngn t¸c ®éng vµ c¸c ®êng trun ®Õn ®iĨm dù b¸o kh¸c nhau th× c¸ch tÝnh thµnh phÇn t¸c ®éng cđa tõng ngn lò ®· ®ỵc xem lµ viƯc ph¸t triĨn ph¬ng ph¸p dù b¸o lò Muskingum cho trêng hỵp phøc t¹p nµy. VÝ dơ vỊ øng dơng ph¬ng ph¸p míi nµy cho Tø gi¸c Long Xuyªn thc Đång b»ng s«ng Cưu Long ®ỵc tr×nh bµy trong bµi viÕt nµy. KÕt qu¶ cho thÊy viƯc kh¶ thi øng dơng nguyªn lý tÝnh to¸n nµy. ABSTRACT Typical method for flood forecasting based on kinetic wave propagation in rivers is method named Muskingum. However this method is only appropriated for single river branch. For more complicated river systems with multi flood sources, that influence on place, where the flood forecasting is made, method of computing components of flood sources in development of flood forecast method Muskingum for this complicated situation. Example of applicating the new method for Longxuyen Quadrangle (Mekong delta) in presented in this paper. The relatively good results of flood forecasting show applicability of the new method. I. ĐẶT VẤN ĐỀ Ph¬ng ph¸p dù b¸o lò ®¬n gi¶n vµ hiƯu qu¶ nhÊt dùa trªn trun sãng ®éng häc lµ ph¬ng ph¸p Muskingum (øng dơng lÇn ®Çu tiªn cho s«ng Muskingum n¨m 1938)[5] ph¬ng ph¸p ®ỵc x¸c lËp trªn c¬ së thùc nghiƯm thđy v¨n cho nh¸nh s«ng ®¬n. Gi¶ sư ta biÕt lu lỵng Q 1 t¹i mỈt c¾t thỵng lu 1 t¹i thêi ®iĨm t th× ta cã thĨ dù b¸o lu lỵng Q 2 t¹i mỈt c¾t h¹ lu 2 t¹i thêi ®iĨm t + T, trong ®ã T lµ thêi gian ch¶y trun tõ mỈt c¾t trªn ®Õn mỈt c¾t díi (thêi gian trun sãng ®éng häc). VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 209 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 2008 2 1 x x T v − = β (1) Trong ®ã: v: Lu tèc trung b×nh ®o¹n 1 – 2. βy 1,6 - 1,8 (hƯ sè) BÊy giê c«ng thøc dù b¸o sÏ lµ [5] Q 2 (t + T) = aQ 1 (t) + bQ 1 (t + T) + cQ 2 (t) (2) Trong ®ã a, b, c lµ c¸c hƯ sè ≥0 rót ra tõ thèng kª chi tµi liƯu thđy v¨n trong qu¸ khø Q 1 (t + T) lµ lu lỵng dù b¸o ë mỈt c¾t trªn (b»ng ngo¹i suy xu thÕ ®- êng qu¸ tr×nh lu lỵng, b»ng kÕt qu¶ tÝnh to¸n tõ ®o¹n trªn x 1 ). Ta lu«n cã: a + b + c = 1 (3) Trong ®ã thêng b << a VÊn ®Ị phøc t¹p khi ®iĨm dù b¸o n»m trong mét hƯ thèng s«ng víi nhiỊu ngn t¸c ®éng, vÝ dơ: cho ®iĨm M trong m¹ng (xem h×nh vÏ 1) M¹ng líi tíi ®iĨm dù b¸o M cã thĨ cã d¹ng cµnh c©y víi c¸c ngn t¸c ®éng (trªn h×nh 1a cã 3 ngn) víi thêi gian ch¶y trun T i (i = 1, 2, 3 trong vÝ dơ). NÕu tíi ®iĨm dù b¸o m¹ng líi s«ng cã nhiỊu vßng kÝn (h×nh 1b) vµ c¸c ngn lò kh«ng trun trän vĐn tíi ®iĨm M mµ cßn bÞ ph©n t¸n trong m¹ng, thËm chÝ cßn nhiỊu tun (cã thĨ bÞ ph©n t¸n ®i trªn tun nh¸nh). B©y giê trong c¶ 2 trêng hỵp tÝnh to¸n thµnh phÇn ngn lò víi thêi gian ch¶y trun T i cđa l- ỵng chÝnh thc ngn i (cho m¹ng líi vßng) tõ trªn ngn ®Õn ®iĨm dù b¸o lµ h- íng ph¸t triĨn míi. a) Líi cµnh c©y b) Líi vßng kÝn H×nh 1: M¹ng líi s«ng trong s¬ ®å dù b¸o lò Trong [4] chóng t«i ®· tr×nh bµy bµy c¸ch tÝnh thµnh phÇn ngn lò I lµ p i 210 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 2008 i 1 Q (M) p Q(M) = (4) Trong ®ã: Q i(M) : Lu lỵng cđa ngn lò i t¹i M ë thêi ®iĨm ®ang xÐt. Q (M) : Tỉng lu lỵng t¹i mỈt c¾t M ë ngoµi thêi ®iĨm. Cho trêng hỵp ®¬n gi¶n lµ m¹ng líi s«ng cµnh c©y (h×nh 1a) tõ tÝnh to¸n thµnh phÇn ngn lò ta cã víi mçi thµnh phÇn i biĨu thøc dù b¸o. Q iM (t) = a i Q ib (t-T i ) + b i Q ib (t) + c i Q iM (t - T i ) (5) Trong ®ã chØ sè b (Q ib ) ®ỵc hiĨu lµ cđa biªn trªn II. BIỂU THỨC XÁC ĐỊNH GẦN ĐÚNG CÁC HỆ SỐ A I , B I , C I TRONG CƠNG THỨC DỰ BÁO Nh trong [2,3] ®· tr×nh bµy ph¬ng tr×nh trun thµnh phÇn ngn lò trong khu vùc t¸c ®éng cđa sãng ®éng häc cã d¹ng cđa ph¬ng tr×nh trun chÊt (trun khèi níc lò). 2 Q Q Q 2 Q Q Q v D v q 0 t x x ∂ ∂ ∂ = − − = ∂ ∂ ∂ (7) Trong ®ã: V Q = (1,6 - 1,8) v - tèc ®é trun lò. QB2 K D 2 Q = - hƯ sè ph©n t¸n biÕn d¹ng sãng lò. K: M« ®uyn lu lỵng. B: ChiỊu réng mỈt c¾t. q: Lu lỵng bỉ sung ngang. HƯ sè D Q cã thĨ ®ỵc ®¸nh gi¸ gÇn ®óng (xem JKQ ≈ víi J: ®é dèc thđy lùc cã bËc 10 -4 ). BJ2 |Q| D Q ≈ (8) 0(D Q ) = 10 4 Nh ®· tr×nh bµy trong [1,4] ta gi¶i ph¬ng tr×nh (7) víi sè q = 0 b»ng hµm spline bËc bËc 2 ®Ĩ triƯt tiªu khch t¸n sè - s¬ ®å c¶i tiÕn cho ®o¹n s«ng ®¬n nh trªn h×nh vÏ 2. VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 211 t + ∆t t 1 x ' δ M ∆x’ 2 x ' δ N ∆x 1 2 + TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 2008 H×nh 2: S¬ ®å tÝnh Ta ký hiƯu ®Ỉc trng víi dÊu phÈy ë líp thêi gian tÝnh to¸n. Tríc khi tÝnh ta ®· cã Q 1 , Q 2 , v Q1 , v Q2 vµ Q’ 1 (do tÝnh trun tõ trªn xng hc theo dù b¸o b»ng m« h×nh kh¸c nh theo xu thÕ ch¼ng h¹n). Ta cã: Q’ 2 = Q M S 1 + Q N S 2 (9) Trong ®ã hµm spline S lµ: ( ) 1 xd S m k m 1 m 2 x ∆ = + − − ∆ 2 1 S 1 S= − Víi ( ) _ 2 2 Q2 Q2 x' v t 1 t m v v' x' x' 2 x' δ ∆ ∆ = = = + ∆ ∆ ∆ _ _ Q2 Q1 x' x v v t ∆ = ∆ + − ∆ ÷ ( ) _ Q Q Q 1 v v v' 2 = + HƯ sè k ®ỵc x¸c ®Þnh nh sau: §Ỉt X = Q 2 - Q 1 ' N M 1 M 1 1 1 (Q Q ) x (Q Q ') x' x ' Y x' x ' x' − δ − − ∆ δ = ∆ + δ ∆ NÕu 212 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 2008 ≥ = < = × X X Y thì k Y X Y k sign(X Y) (10) Trong biĨu thøc trªn ta xem nghiƯm trªn c¸c ®êng ®Ỉc trng Q dx v dt = lµ b¶o tån (Q ≈ 0) tøc Q M = Q 1 Q N = Q 2 Cßn chiỊu dµi khch t¸n trong thêi gian ∆t lÊy b»ng d Q t x D x ∆ ∆ = ∆ (11) §Ĩ tÝnh to¸n gÇn ®óng hƯ sè a, b, c trong c«ng thøc (2) ta xem xÐt trêng hỵp ≥X Y tøc k=X/Y vµ xem V Q1 y V Q2 δ = δ 1 2 x ' x ' vµ do ®ã ∆x’ = ∆x §Ỉt trÞ sè k theo (10) vµ t¹m thêi bá qua thµnh phÇn biÕn d¹ng lò (sÏ ®ỵc tÝnh ®Õn khi tÝnh chØnh hƯ sè a, b, c) ta cã 1 1 2 1 Q Q ' 1 k (1 m ) 1 m Q Q − = − + − Vµ tõ ®ã tÝnh ®ỵc 2 (1 m) a m m 1 m 1 m b m 1 m 1 m c 1 m m 1 m − = + + − = + − = − − + (12) Vµ lu«n cã a + b + c = 1 Tøc lµ trong c«ng thøc dù b¸o Q 2 ’ = aQ 1 + bQ 1 ’ + cQ 2 (13) Ta íc lỵng ®ỵc a, b, c theo (12) VÝ dơ víi trêng hỵp m =1/2 th× a = 0,5833; b = 0,0833 << a; c = 0,3334 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 213 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 2008 Khi m ≅ 0,9 a = 0,9082; b = 0,0736 << a ; c = 0,0182 NÕu tÝnh thªm thµnh phÇn biÕn d¹ng lò vÝ dơ víi D Q = 2.104m 2 /s; v Q ≈ 3 m/s, ∆x = 100km th× thêi gian trun lò lµ: h 10s300.33 3 000.100 T ≈≈=∆ Khi m = 1/2 ∆t = ∆T/2 vµ Q d Q Q Q d D t x D 3333m v T 2v x 0.0333 x ∆ ∆ = = = ∆ ∆ = ∆ Cho nªn víi vÝ dơ trªn a = 0,5833 - 2 x 0,0333 = 0,5167 b = 0,0833 c = 0,3334 + 2 x 0,333 = 0,4000 Víi m = 0,9 3 d Q Q d t D x D 0.9 6x10 m v T 3 x 0.06 x ∆ ∆ = = = ∆ ∆ = ∆ a = 0,9082 - 0,06 x 2 = 0,7882 b = 0,0736 c = 0,0182 + 0,06 x 2 = 0,1382 C¸c hƯ sè a, b, c ®ỵc ®iỊu chØnh (tõ íc lỵng ban ®Çu ë trªn) trong qu¸ tr×nh hiƯu chØnh m« h×nh. Ghi chó: ∆t trong s¬ ®å tÝnh trªn chÝnh lµ h¹n dù b¸o T III. SƠ ĐỒ DỰ BÁO CHO MẠNG LƯỚI SƠNG 1. M¹ng líi d¹ng h×nh c©y kh«ng cã sù chia sỴ ngn lò khi ch¶y trun tõ biªn ®Õn mỈt c¾t dù b¸o M. 214 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 2008 Mçi thµnh phÇn ngn lò cÇn dù b¸o Q iM (t) ®ỵc tÝnh tõ biªn ngn Q ib theo (5); víi c¸c c«ng thøc (12) tÝnh c¸c hƯ sè a i , b i , c i theo c«ng thøc gÇn ®óng (12) (cã tinh chØnh víi hƯ sè khch t¸n - biÕn d¹ng lò) vµ ci cïng ta ®ỵc: [ ] = − + + − ∑ M i ib i i ib i iM i i Q (t) a Q (t T ) b Q (t) c Q (t T ) (14) NÕu T i kh«ng phơ thc vµo ngn tøc T i = T (cho mäi i) Th× thµnh phÇn ci cã thĨ lÊy gÇn ®óng − = − ∑ i i M i c Q (t T) cQ (t T) (15) 2. Trêng hỵp m¹ng líi phøc t¹p d¹ng nhiỊu vßng kÝn hc d¹ng cµnh c©y nhng khi chun tõ ngn tíi ®iĨm dù b¸o M cã sù chia sỴ ngn níc sang nh¸nh kh¸c - ta cã thĨ thùc hiƯn qua c¸c bíc sau: - LËp tØ lƯ q i cđa ngn níc i ®i qua mỈt c¾t dù b¸o M. Tõ tÝnh to¸n thµnh phÇn ngn lò ta cã chi thµnh phÇn ngn lò Q iM (t - ∆t i ) øng víi lu lỵng t¹i biªn Q ib (t - T - k∆t i ) Trong ®ã: ∆t i : Bíc thêi gian trong s¬ ®å tÝnh thµnh phÇn ngn lò (thêng ∆t i kh«ng phơ thc vµo ngn i vµ b»ng ∆t). k = 1, 2, n víi n ≥ 3 T i : Thêi gian ch¶y trun cđa ngn i tõ biÕn tíi ®iĨm M (Trêng hỵp lò trun tõ biªn ngn i ®Õn M b»ng nh÷ng ®êng kh¸c nhau chän thêi gian ch¶y chun ng¾n nhÊt. Ta cã: − ∆ = − − ∆ ∑ ∑ iM i k i ib i i k Q (t k t ) q Q (t T k t ) (16) - TÝnh gÇn ®óng c¸c trÞ sè a i , b i , c i theo (12). Trong c¸c c«ng thøc nµy kh«ng cã mỈt c¸c Q ib ; Q iM nªn dƠ dµng thùc hiƯn. §iỊu chØnh bíc mét qua viƯc tÝnh ®Õn thµnh phÇn ph©n t¸n biÕn d¹ng lò. - TÝnh trÞ sè dù b¸o Q M (t) VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 215 TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 2008 [ ] = = − + + − ∑ ∑ M iM i i ib i i i ib i iM i i i Q (t) Q (t) a q Q (t T ) b q Q (t) c Q (t T ) (17) BiĨu thøc (17) lµ biĨu thøc tỉng qu¸t cđa s¬ ®å dù b¸o lò qua tÝnh to¸n thµnh phÇn ngn lò. IV. THẢO LUẬN 1. Bµi b¸o ph¸t triĨn c¸ch dù b¸o b»ng tÝnh trun lò trun thèng cho m¹ng líi s«ng kªnh phøc t¹p bÊt kú th«ng qua sù trỵ gióp cđa tÝnh to¸n thµnh phÇn ngn lò; mét sè c«ng cơ kh«ng chØ phơc vơ mơc tiªu nµy mµ cßn cã thĨ so s¸nh ®é ¶nh hëng cđa c¸c ngn lò ®Õn ®iĨm dù b¸o th«ng qua hƯ sè ®é m¹nh i i ib i Q (t) N (t) Q (t T ) = − (18) 2. B»ng so s¸nh ®é m¹nh cđa ngn lò cã thĨ ®a ra s¬ ®å dù b¸o ®¬n gi¶n h¬n dùa vµo c¸c ngn lò chÝnh vµ tû lƯ p iM cđa c¸c ngn lò. 3. Cã ®ỵc chØ dÉn vỊ tÝnh to¸n hƯ sè a, b, c trong s¬ ®å dù b¸o dùa trªn chøng minh chỈt chÏ qua lêi gi¶i sè cđa ph¬ng tr×nh trun lò trong khu vùc t¸c ®éng cđa sãng ®éng häc (7) 4. VÝ dơ dù b¸o cho 1 ®iĨm trªn Tø gi¸c Long Xuyªn cho thÊy kh¶ n¨ng øng dơng cđa s¬ ®å tÝnh tuy vỊ mỈt h¹n dù b¸o cßn qu¸ ng¾n. CÇn cã sù ®Çu t nghiªn cøu trªn m¹ng lín víi h¹n dù b¸o dµi h¬n vµ kÐo dµi dù b¸o ë c¸c träng ®iĨm cđa h¹ lu qua dù b¸o c¸c biªn ngn. V. KẾT LUẬN Bµi viÕt ®· lËp ln cã c¬ së khoa häc vỊ viƯc ph¸t triĨn m« h×nh dù b¸o b»ng m« h×nh trun sãng lò (®¬n gi¶n nhÊt lµ s¬ ®å cỉ ®iĨn Muskinghum cho nh¸nh s«ng ®¬n) trong hƯ thèng lßng dÉn phøc t¹p bÊt k×. Kh©u quan träng lµ s¬ ®å gi¶i hƯ ph¬ng tr×nh trun ngn lò vµ tÝnh to¸n thµnh phÇn ngn lò t¸c ®éng ®Õn c¸c ®iĨm trong hƯ thèng. §Ĩ triĨn khai øng dơng ph¬ng ph¸p ®Ị ra, chóng t«i sÏ ¸p dơng dù b¸o lò cho vïng Tø gi¸c Long Xuyªn trªn mét bµi viÕt kh¸c. 216 VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM TUYỂN TẬP KẾT QUẢ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 2008 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Ngun ¢n Niªn, Bïi ViƯt Hng (2004). Gi¶i trän vĐn bµi to¸n trun chÊt mét chiỊu th«ng qua viƯc c¶i tiÕn gi¶i bµi to¸n t¶i. Tun tËp Héi nghÞ KH kû niƯm 25 ngµy thµnh lËp ViƯn c¬ häc tËp 2 - C¬ häc chÊt láng chÊt khÝ. 2. Hå Träng TiÕn, Ngun ¢n Niªn (2005). §¸nh gi¸ ¶nh hëng cđa c¸c ngn lò trong vïng t¸c ®éng cđa sãng ®éng häc. Tun tËp kÕt qu¶ khoa häc vµ c«ng nghƯ. ViƯn KH Thđy lỵi miỊn Nam. NXB N«ng nghiƯp 3. Ngun ¢n Niªn, Hå Träng TiÕn(2005). §é ¶nh hëng cđa ngn níc ®Õn ®Ỉc trng thđy v¨n - thđy lùc vµ bíc ®Çu nhËn d¹ng lò phơc vơ dù b¸o lò. Tun tËp kÕt qu¶ KM&CN ViƯn Khoa häc Thđy lỵi miỊn Nam. NXB N«ng nghiƯp 4. Hå Träng TiÕn, Ngun ¢n Niªn (2007). Ph¬ng ph¸p tÝnh to¸n ®¸nh gi¸ ¶nh hëng ngn lò b»ng sãng ®éng häc. Tun tËp kÕt qu¶ KH&CN - ViƯn KH Thđy lỵi miỊn Nam. NXB N«ng nghiƯp. 5. Bedient P. B, Huber W.C (1988). Hydrology and Flood plain Analis - Addion - Wely Pub . Co., USA - Canada Ngêi ph¶n biƯn: PGS.TS. Lª Song Giang VIỆN KHOA HỌC THỦY LI MIỀN NAM 217 . trªn x 1 ). Ta lu n cã: a + b + c = 1 (3) Trong ®ã thêng b << a VÊn ®Ị phøc t¹p khi ®iĨm dù b¸o n»m trong mét hƯ thèng s«ng víi nhiỊu ngn t¸c ®éng, vÝ dơ: cho ®iĨm M trong m¹ng (xem h×nh. lý tÝnh to¸n nµy. ABSTRACT Typical method for flood forecasting based on kinetic wave propagation in rivers is method named Muskingum. However this method is only appropriated for single river. dơng lÇn ®Çu tiªn cho s«ng Muskingum n¨m 1938)[5] ph¬ng ph¸p ®ỵc x¸c lËp trªn c¬ së thùc nghiƯm thđy v¨n cho nh¸nh s«ng ®¬n. Gi¶ sư ta biÕt lu lỵng Q 1 t¹i mỈt c¾t thỵng lu 1 t¹i thêi ®iĨm