ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HECHMS DỰ BÁO DÒNG CHẢY LŨ TRÊN LƯU VỰC SÔNG BỨA

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH MỞ ĐẦU 1 1. Tính cấp thiết của đề tài 1 2. Mục tiêu nghiên cứu 2 3. Phạm vi nghiên cứu đề tài 2 4. Phương pháp nghiên cứu 2 5. Bố cục của đề tài 2 Chương I: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KIỆN ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN, MẠNG LƯỚI SÔNG SUỐI VÀ CÁC MÔ HÌNH MƯA RÀO DÒNG CHẢY 3 1.1. Điều kiện địa lý tự nhiên lưu vực sông Bứa 3 1.1.1. Vị trí địa lý 3 1.1.2. Địa hình địa mạo 4 1.1.3. Địa chất thổ nhưỡng 4 1.1.4. Thảm phủ thực vật 5 1.1.5. Đặc điểm khí hậu, thủy văn 6 1.2. Mạng lưới trạm khí tượng, thủy văn 11 1.3. Tổng quan về các mô hình mưa – dòng chảy 12 1.3.1. Sự ra đời và phát triển của mô hình mưa – dòng chảy 12 1.3.2. Một số mô hình mưa – dòng chảy thông dụng 13 Chương II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH HEC – HMS 16 2.1. Giới thiệu mô hình HEC HMS 16 2.1.1. Giới thiệu. 16 2.1.2. Mô phỏng các thành phần lưu vực. 16 2.2. Cơ sở lý thuyết mô hình HEC HMS 17 2.2.1. Mưa. 18 2.2.2. Tổn thất. 19 2.2.3. Chuyển đổi dòng chảy. 24 2.2.4. Tính toán dòng chảy ngầm. 28 2.2.5. Diễn toán dòng chảy. 29 Chương III: ÁP DỤNG MÔ HÌNH HEC HMS DỰ BÁO DÒNG CHẢY LŨ TRÊN LƯU VỰC SÔNG BỨA 39 3.1. Sơ đồ hóa hệ thống 39 3.1.1. Phân chia lưu vực 39 3.1.2. Xây dựng lưu vực tính toán 40 3.2. Thiết lập mô hình 40 3.3. Thu thập và chỉnh lý số liệu 43 3.3.1. Số liệu thủy văn 44 3.3.2. Số liệu khí tượng 44 3.4. Hiệu chỉnh mô hình 44 3.4.1. Lựa chọn mô hình 44 3.4.2. Hiệu chỉnh thông số mô hình 45 3.4.3. Kiểm định thông số mô hình HECHMS 51 3.5. Dự báo lũ cho sông Bứa 52 3.5.1. Ứng dụng dự báo cho sông Bứa 52 3.5.2. Đánh giá kết quả dự báo 54 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 56 1. Kết luận 56 2. Kiến nghị 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 PHỤ LỤC 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

KHOA KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN

Hà Nội 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

KHOA KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN

Hà Nội 2017

LỜI CẢM ƠN

Đồ án tốt nghiệp “Ứng dụng mô hình HEC - HMS dự báo dòng chảy lũ trênlưu vực sông Bứa” được thực hiện tại khoa Khí tượng Thủy văn thuộc trường Đạihọc Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, dưới sự hướng dẫn trực tiếp của ThS VũMạnh Cường

Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa Khí tượng Thủy văn,Trường đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã truyền thụ kiến thức cho emsuốt quá trình học tập vừa qua, đặc biệt là ThS Vũ Mạnh Cường, người đã hướngdẫn và chỉ dạy em tận tình trong suốt thời gian hoàn thành đồ án này Em cũng xincảm ơn cán bộ, viên chức Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Việt Bắc đã giúp đỡ emtrong quá trình thu thập và xử lý số liệu Xin gửi lời cảm ơn tới những người thâncùng toàn thể các bạn trong lớp đã chia sẻ, giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện để

em hoàn thành nhiệm vụ học tập, thu thập số liệu cần thiết trong suốt quá trình làm

đồ án Do đồ án được thực hiện trong thời gian có hạn, tài liệu tham khảo và số liệucòn hạn chế, kinh nghiệm làm việc còn chưa cao nên nội dung của đồ án còn nhiềuthiếu sót Vì vậy em rất mong nhận được sự đóng góp của các thầy cô và các bạnsinh viên để đồ án được hoàn thiện và sẽ phát triển hơn nữa

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 24 tháng 05 năm 2017

Sinh viên

Phạm Thị Hiên

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là bài đồ án của riêng tôi và được sự hướng dẫn củaThS Vũ Mạnh Cường Các số liệu và kết quả nghiên cứu trong đồ án này là trungthực và chưa hề được sử dụng để bảo vệ một học vị nào Mọi sự giúp đỡ cho việcthực hiện đồ án này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong đồ án đã đượcchỉ rõ nguồn gốc và được phép công bố

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm vềnội dung đồ án của mình

Hà Nội ngày 24 tháng 5 năm 2017

Sinh viên thực hiện

Phạm Thị Hiên

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Phạm vi nghiên cứu đề tài 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Bố cục của đề tài 2

Chương I: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KIỆN ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN, MẠNG LƯỚI SÔNG SUỐI VÀ CÁC MÔ HÌNH MƯA RÀO- DÒNG CHẢY 3

1.1 Điều kiện địa lý tự nhiên lưu vực sông Bứa 3

1.1.1 Vị trí địa lý 3

1.1.2 Địa hình địa mạo 4

1.1.3 Địa chất thổ nhưỡng 4

1.1.4 Thảm phủ thực vật 5

1.1.5 Đặc điểm khí hậu, thủy văn 6

1.2 Mạng lưới trạm khí tượng, thủy văn 11

1.3 Tổng quan về các mô hình mưa – dòng chảy 12

1.3.1 Sự ra đời và phát triển của mô hình mưa – dòng chảy 12

1.3.2 Một số mô hình mưa – dòng chảy thông dụng 13

Chương II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH HEC – HMS 16

2.1 Giới thiệu mô hình HEC - HMS 16

2.1.1 Giới thiệu 16

2.1.2 Mô phỏng các thành phần lưu vực 16

2.2 Cơ sở lý thuyết mô hình HEC- HMS 17

2.2.1 Mưa 18

2.2.2 Tổn thất 19

2.2.3 Chuyển đổi dòng chảy 24

2.2.4 Tính toán dòng chảy ngầm 28

2.2.5 Diễn toán dòng chảy 29

Chương III: ÁP DỤNG MÔ HÌNH HEC - HMS DỰ BÁO DÒNG CHẢY LŨ

TRÊN LƯU VỰC SÔNG BỨA 39

3.1 Sơ đồ hóa hệ thống 39

3.1.1 Phân chia lưu vực 39

3.1.2 Xây dựng lưu vực tính toán 40

3.2 Thiết lập mô hình 40

3.3 Thu thập và chỉnh lý số liệu 43

3.3.1 Số liệu thủy văn 44

3.3.2 Số liệu khí tượng 44

3.4 Hiệu chỉnh mô hình 44

3.4.1 Lựa chọn mô hình 44

3.4.2 Hiệu chỉnh thông số mô hình 45

3.4.3 Kiểm định thông số mô hình HEC-HMS 51

3.5 Dự báo lũ cho sông Bứa 52

3.5.1 Ứng dụng dự báo cho sông Bứa 52

3.5.2 Đánh giá kết quả dự báo 54

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 56

1 Kết luận 56

2 Kiến nghị 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

PHỤ LỤC 1

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

ATNĐ : Áp thấp nhiệt đới

KTTV : Khí tượng Thủy văn

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Nhiệt độ trung bình tháng và năm (oC) [7] 6

Bảng 1.2 Nhiệt độ tối cao trung bình tháng và năm (oC) [7] 7

Bảng 1.3 Nhiệt độ tối thấp trung bình tháng và năm (oC) [7] 7

Bảng 1.4 Biên độ dao động nhiệt độ năm (oC) [7] 7

Bảng 1.5 Các đặc trưng độ ẩm tương đối trung bình (Ftb), trung bình thấp nhất (Fntb) và thấp nhất tuyệt đối (Fn) của Minh Đài thời kỳ 1975-2004 [7] 8

Bảng 1.6 Các đặc trưng tốc độ gió trung bình (Vtb) và mạnh nhất (Vx) của trạm Minh Đài thời kỳ 1975-2004 [7] 9

Bảng 1.7 Bảng tần suất dòng chảy năm 10

Bảng 1.8 Bảng đặc trưng của 1 số trận lũ 11

Bảng 3.1 Diện tích các tiểu lưu vực trên lưu vực sông Bứa 39

Bảng 3.2 Bảng hệ số cho phương pháp đường đơn vị Snyder 43

Bảng 3.3 Bảng thống kê số liệu các trận lũ từ năm 2006 đến năm 2015 44

Bảng 3.4 Bảng bộ thông số thứ nhất 46

Bảng 3.5 Bảng bộ thông số thứ hai 46

Bảng 3.6 Bảng hệ số Nash của trận lũ các năm hiệu chỉnh 50

Bảng 3.7 Ảnh hưởng của các thông số tới đường quá trình tính toán [3] 50

Bảng 3.8 Bảng các chỉ tiêu đánh giá kết quả dự báo thử nghiệm hạn ngắn năm 2014 và năm 2015 tính đến trạm Thanh Sơn cho sông Bứa 54

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Bản đồ lưu vực sông Bứa [1] 3

Hình 1.2 Bản đồ địa hình lưu vực sông Bứa [1] 4

Hình 1.3 Bản đồ mạng lưới trạm khí tượng, thủy văn trên lưu vực sông Bứa [7] 12

Hình 2.1 Biểu đồ mưa [2] 18

Hình 2.2 Các biến số trong phương pháp thấm Green- Ampt [2] 22

Hình 2.3 Sơ đồ tính thấm theo độ ẩm đất [2] 23

Hình 2.4 Các phương pháp cắt nước ngầm [2] 29

Hình 3.1 Bản đồ phân chia các tiểu lưu vực trên lưu vực sông Bứa 40

Hình 3.2 Sơ đồ kết nối hệ thống của lưu vực sông Bứa 41

Hình 3.3 Sơ đồ quá trình hiệu chỉnh mô hình 45

Hình 3.4 Kết quả tính toán và thực đo trận lũ năm 2006 47

Hình 3.5 Kết quả tính toán và thực đo trận lũ năm 2007 47

Hình 3.6 Kết quả tính toán và thực đo trận lũ năm 2008 48

Hình 3.7 Kết quả tính toán và thực đo trận lũ năm 2010 48

Hình 3.8 Kết quả tính toán và thực đo trận lũ tháng 8- 2011 49

Hình 3.9 Kết quả tính toán và thực đo trận lũ tháng 9- 2011 49

Hình 3.10 Kết quả tính toán và thực đo trận lũ tháng 6- 2013 51

Hình 3.11 Kết quả tính toán và thực đo trận lũ tháng 8- 2013 52

Hình 3.12 Kết quả dự báo lưu lượng đến trạm Thanh Sơn năm 2014 53

Hình 3.13 Kết quả dự báo lưu lượng đến trạm Thanh Sơn năm 2015 54

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Sông Bứa bắt nguồn từ núi To, Phú Yên tỉnh Sơn La,ở độ cao 1000m, chảytheo hướng Tây Bắc - Đông Nam qua huyện Thanh Sơn tỉnh Phú Thọ, rồi chuyểnhướng Nam - Bắc qua huyện Tam Thanh và đổ vào bờ phải Sông Hồng ở Mỹ Hạ

trung bình 22.2% Phía Bắc giáp huyện Yên Lập, phía Nam giáp tỉnh Hòa Bình,phía Tây giáp huyện Phù Yên tỉnh Sơn La, phía Đông giáp huyện Thanh Thủy

Do ảnh hưởng của địa hình và khí hậu, lưu vực sông Bứa xảy ra khá nhiều lũ.Mùa lũ từ tháng 6 đến tháng 10 Tuy nhiên mùa lũ ở đây cũng không ổn định Nhiềunăm lũ xảy ra từ tháng 5 và cũng nhiều năm sang tháng 11, thậm chí có năm sangtháng 12 Điều này chứng tỏ lũ lụt ở lưu vực sông Bứa có sự biến động khá mạnh

mẽ Những năm gần đây lũ lụt xảy ra thường xuyên và bất bình thường hơn, nhưtrận lụt lớn trong những năm 2007 và 2013 đã gây xói lở nghiêm trọng bờ sông, đedọa đến người, tài sản và sự tồn tại của các công trình thủy văn Vấn đề thiên tai lũlụt trên lưu vực sông Bứa đã và đang hạn chế phần nào sự phát triển nền kinh tế củatỉnh Phú Thọ, đồng thời tàn phá môi trường, môi sinh, tác động mạnh đến đời sốngkinh tế xã hội, nhất là người nghèo Bởi vậy, hơn lúc nào hết, vấn đề dự báo vềdòng chảy lũ trên lưu vực sông Bứa, và đề xuất các giải pháp quản lý, phòng tránh

đặt ra yêu cầu cần phải có những biện pháp nghiên cứu phân tích trước tình hình lũxảy ra trên lưu vực để tìm giải pháp giảm một cách tối đa các thiệt hại do lũ gây ra.Hiện nay trên thế giới nói chung cũng như ở Việt Nam xuất hiện rất nhiều loại

mô hình mưa - dòng chảy khác nhau So sánh khả năng áp dụng của các mô hìnhnày thường không được tiến hành nhằm lựa chọn một mô hình để áp dụng vào mộtbài toán cụ thể Nhằm mục tiêu giảm thiểu các thiệt hại do lũ lụt gây ra Việc xâydựng mô hình dự báo dòng chảy lũ của lưu vực sông Bứa là vấn đề cần thiết

Bài đồ án tốt nghiệp này em đã sử dụng mô hình HEC - HMS để dự báo dòngchảy lũ trên lưu vực sông Bứa Kết quả tính toán được dùng cho dự báo lũ hoặclàm đầu vào cho các mô hình thủy lực và có thể được sử dụng trực tiếp hoặc được

kết hợp với các phần mềm khác để nghiên cứu tác động của quá trình đô thị hoá,thiết kế đường tràn, dự báo lũ nhằm hạn chế, giảm thiệt hại do lũ gây ra, điều tiết lũ

và vận hành hệ thống Độ chính xác của mô hình cũng đã được kiểm nghiệm vớimột số lưu vực từ 15–1500km2

Vì vậy đồ án đã chọn đề tài “Ứng dụng mô hình HEC - HMS dự báo dòngchảy lũ trên lưu vực sông Bứa” sẽ là cơ sở để xây dựng phương án dự báo lũ tạitrạm thủy văn Thanh Sơn Ngoài ra, còn là tài liệu tham khảo cho quy hoạch phòngchống lũ và hoạch định chính sách của các cơ quan quyết định ở địa phương

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu dự báo lũ tại trạm thủy văn Thanh Sơn trên sông Bứa bằng môhình HEC - HMS

3 Phạm vi nghiên cứu đề tài

Hệ thống lưu vực sông Bứa tính đến trạm thủy văn Thanh Sơn

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp phân tích tổng hợp

- Phương pháp phân tích hệ thống, phân tích thống kê

- Phương pháp kế thừa

- Phương pháp mô hình toán thuỷ văn và ứng dụng công nghệ GIS

- Phương pháp chuyên gia

5 Bố cục của đề tài

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo, phụ lục, bố cục

đề tài bao gồm 3 chương :

- Chương I: Tổng quan về điều kiện địa lý tự nhiên, mạng lưới sông suối và các

mô hình mưa rào- dòng chảy

- Chương II: Cơ sở lý thuyết mô hình HEC - HMS

- Chương III: Áp dụng mô hình HEC - HMS dự báo dòng chảy lũ trên lưu vựcsông Bứa

Chương I: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KIỆN ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN, MẠNG LƯỚI

SÔNG SUỐI VÀ CÁC MÔ HÌNH MƯA RÀO- DÒNG CHẢY

1.1 Điều kiện địa lý tự nhiên lưu vực sông Bứa

1.1.1 Vị trí địa lý

Lưu vực sông Bứa chủ yếu nằm gần trọn trong tỉnh Phú Thọ và trải khắp 3huyện Thanh Sơn, Tân Sơn và Tam Nông, chỉ có phần đầu nguồn từ núi To, PhúYên tỉnh Sơn La, cuối nguồn đổ ra sông Hồng

Lưu vực sông Bứa thuộc khu vực miền núi, trung du phía Bắc, có vị trí nằmtrong giới hạn từ 20055’ đến 21043’ vĩ độ bắc; 104048’ đến 105027’ kinh độ đông

Vị trí nguồn sông: 104045’00’’ E, 21011’30’’ N

Vị trí cửa sông: 105011’50’’ E, 21019’40’’ N

Phía Bắc giáp huyện Yên Lập

Phía Nam giáp tỉnh Hòa Bình

Phía Tây giáp huyện Phù Yên tỉnh Sơn La

Phía Đông giáp huyện Thanh Thủy

Hình 1.1 Bản đồ lưu vực sông Bứa [1]

1.1.2 Địa hình địa mạo

Lưu vực thuộc các tỉnh miền núi, trung du nên địa hình bị chia cắt mạnh vìnằm ở cuối dãy Hoàng Liên Sơn, nơi chuyển tiếp giữa miền núi cao và miền núithấp, gò đồi, độ cao giảm dần từ Tây Bắc xuống Đông Nam Lưu vực sông có địahình khá phức tạp, mang sắc thái của cả 3 vùng địa hình chính là miền núi, trung du

và đồng bằng ven sông Đặc điểm chung nhất là địa hình dốc, cao độ thấp dần từBắc xuống Nam và từ Tây sang Đông Ở phía Tây của tỉnh có những đỉnh khá caovới sườn dốc, đỉnh nhọn xen các khe sâu Vùng ven sông Hồng có địa hình thấp vàbằng phẳng hơn

Hình 1.2 Bản đồ địa hình lưu vực sông Bứa [1]

Huyện Thanh Sơn là đoạn cuối của dãy Hoàng Liên Sơn với nhiều dãy núinằm nhô trong hệ phức hợp vùng núi thấp có độ cao trung bình từ 500m đến 700m.đây là vùng thượng lưu của sông Bứa, địa hình nghiêng dần về vùng trũng phíaĐông (Địch Quả; Sơn Hùng) rồi đổ ra sông Hồng ở địa phận huyện Tam Nông

b) Thổ nhưỡng

Do Điều kiện địa hình và khí hậu nên đất đai lưu vực sông Bứa phát triển rất

đa dạng và phong phú Đất trong lưu vực sông Bứa được phát triển trên các loại đá

mẹ khác nhau Có những loại đất chính như sau:

Đất granit phát triển trên các loại đá như đá granit, xa thạch, cuội kết, đá kết,phiến thạch mica, phiến xa, đá vôi, phù sa cổ với các màu sắc khác nhau như vàngnhạt, vàng, đỏ vàng, nâu đỏ

- Đất mùn trên núi cao

- Đất đá vôi

- Đất bồi tụ

1.1.4 Thảm phủ thực vật

Thực vật trên lưu vực sông Bứa rất phong phú, đa dạng và phát triển với tốc

độ cao Do sự khác biệt về điều kiện khí hậu và thủy văn, rừng phân bố theo độ cao

và được chia ra làm 2 loại chính, từ 700m trở lên và dưới 700m Từ 700m trở lên,chủ yếu là rừng kín hỗn hợp lá cây rộng, lá kim ẩm á nhiệt nhiệt đới và rừng kínthường xanh mưa ẩm nhiệt đới Ở độ cao dưới 700m, rừng chủ yếu là rừng kínthường xanh mưa ẩm nhiệt đới Ngoài ra, còn có các loại rừng trồng, các loại câybụi trên các đồi trọc

Diện tích rừng với nhiều cây công nghiệp tương đối phong phú, đa dạng như:

gỗ trai, cây sơn, cây bạch đàn, cây keo có tác dụng bảo vệ môi trường sinh thái,chống xói mòn, sạt lở Diện tích rừng trồng (rừng kinh tế) phát triển tương đốimạnh, góp phần quan trọng trng việc cung cấp nguồn tài nguyên đầu vào cho côngnghiệp giấy và vật liệu xây dựng

Do khai thác, đốt phá rừng bừa bãi nên rừng đã bị tàn phá nặng nề, tỷ lệ rừngche phủ trong lưa vực còn tương đối thấp

Trong những năm gần đây, nhờ có phong trào trồng và bảo vệ rừng nên tỉ lệrừng che phủ ở các tỉnh trong lưu vực sông Bứa đã tăng lên đáng kể Tính đến năm

1999 tỷ lệ rừng che phủ ở vùng trung du và miền núi đã tăng lên 35%

1.1.5 Đặc điểm khí hậu, thủy văn

a) Mạng lưới sông suối

Sông Bứa bắt nguồn từ núi To, Phú Yên - Sơn La ở độ cao 1000m, chảy theohướng Tây Bắc - Đông Nam qua huyện Thanh Sơn tỉnh Phú Thọ, rồi chuyển hướngNam - Bắc qua huyện Tam Nông và đổ vào bờ phải Sông Hồng ở Mỹ Hạ

Sông Bứa có 13 phụ lưu lớn trong đó có 10 phụ lưu lớn thuộc tỉnh Phú Thọ, 3phụ lưu thuộc tỉnh Sơn La Sông Bứa có các phụ lưu như: phụ lưu số 1, phụ lưu số

2, phụ lưu số 3, ngòi Cúc, sông Cẩn, sông Làng, sông Miên, sông Giai, sông Sài,sông Bông, sông Giàn, phụ lưu số 12, phụ lưu số 13

b) Đặc điểm khí hậu

Cũng như các tỉnh khác ở Bắc Bộ, đặc điểm khí hậu lưu vực sông Bứa có tínhchất nhiệt đới ẩm, gió mùa Đặc điểm khí hậu của lưu vực sông Bứa chịu ảnh hưởngsâu sắc của địa hình và vị trí lưu vực nên có sự biến đổi mạnh mẽ cả về không gian

và thời gian Khí hậu trong lưu vực sông nói chung là ẩm ướt với mùa đông còn khálạnh, xong đã ấm hơn phía Đông Bắc và Bắc Bộ Điều đó chỉ rõ sự suy yếu phầnnào của gió mùa Đông Bắc khi tới lưu vực

Tùy thuộc vào vị trí đặc điểm cao hay thấp của địa hình cùng với mức độ ảnhhưởng của hoàn lưu gió mùa đối với từng nơi mà có sự thay đổi về khí hậu giữa cácvùng trong lưu vực

*Chế độ nhiệt

Phân bố nhiệt độ phù hợp với qui luật phân bố chung, đó là sự giảm nhiệt độtheo độ cao địa hình Tại lưu vực, nhiệt độ trung bình cũng giảm khoảng 0,5 đến

trung bình năm dao động từ 22,8oC tại Minh Đài (có độ cao tuyệt đối là 100m)

Bảng 1.1 Nhiệt độ trung bình tháng và năm (oC) [7]

ba tháng có nhiệt độ trung bình dưới 20oC (các tháng chính đông là tháng 12, 1 và2); hai tháng có nhiệt độ trung bình từ 20-21oC (tháng 3 và 11); hai tháng có nhiệt

độ trung bình từ 23-25oC (tháng 4 và 10); năm tháng có nhiệt độ trung bình từ

Kết quả tính toán nhiệt độ tối thấp trung bình được trình bày trong bảng 1.3

Từ bảng 1.3 ta thấy nhiệt độ tối thấp trung bình năm 19.9oC Hàng năm chỉ

có 3 tháng có nhiệt độ tối thấp trung bình trên 24oC và có tới 9 tháng có nhiệt độ tốithấp trung bình dưới 24oC

Bảng 1.3 Nhiệt độ tối thấp trung bình tháng và năm (oC) [7]

*Độ ẩm không khí

Lưu vực có độ ẩm vừa phải trong tương quan với các tiểu vùng khí hậu kháccủa Phú Thọ, quanh năm độ ẩm tương đối trung bình các tháng dao động từ 85-87% Tuy nhiên, kỷ lục về độ ẩm thấp nhất của Phú Thọ lại quan trắc thấy ở MinhĐài với giá trị 9% vào thời kỳ ẩm ướt nhất trong năm ở những vùng lân cận do hiệuứng của mưa phùn cuối đông

Bảng 1.5 Các đặc trưng độ ẩm tương đối trung bình (Ftb), trung bình thấp nhất

(Fntb) và thấp nhất tuyệt đối (Fn) của Minh Đài thời kỳ 1975-2004 [7]

- Mùa mưa bắt đầu từ tháng 4 đến tháng 10, chiếm 90% tổng lượng mưa cảnăm, tháng có lượng mưa cao nhất là tháng 8, tháng 9 hàng năm Lượng mưa bìnhquân năm là 1.826mm, lượng mưa cực đại có thể tới 2.453mm (năm 1971)

- Mùa khô kéo dài từ tháng 11 đến tháng 3 năm sau, thường chịu ảnh hưởngcủa gió mùa Đông Bắc, nhiệt độ xuống thấp, lượng mưa ít và có nhiều sương mù Lượng mưa năm khá lớn, phân bố ko đều theo không gian và thời gian Lượngmưa cũng là một yếu tố biến thiên theo độ cao địa hình khá mạnh mẽ Điểm khácbiệt so với nhiệt độ là lượng mưa còn phụ thuộc vào dạng của địa hình nên sự biếnđổi của nó khá phức tạp Mùa mưa ở lưu vực sông Bứa dài khoảng 6 tháng, bắt đầu

từ tháng 5 và kết thúc vào tháng 10 Các tháng mưa lớn nhất trong mùa là các tháng7,8,9 chiếm trên 50% tổng lượng mưa của cả năm

Hoàn lưu nóng ẩm hướng đông và đông nam vào mùa hạ kết hợp với điều kiệnđịa hình cao dần về phía Bắc đã tạo điều kiện đem đến lượng mưa lớn cho lưu vựcsông Bứa Lượng mưa năm trung bình khoảng dưới 1800mm

*Chế độ nắng

Lưu vực sông Bứa nằm trong vùng có chế độ bức xạ mặt trời kiểu II (theo hệthống phân vùng bức xạ mặt trời ở Việt Nam) Chỉ tiêu về chế độ nắng của kiểu nàylà: Nắng tập trung vào khoảng từ tháng IV, V đến tháng X, XI Mấy tháng đầu năm

và cuối năm đều rất ít nắng Kiểu này thấy ở rất nhiều nơi trên đồng bằng, trung duBắc Bộ Tổng số giờ nắng năm lớn hơn 1500 giờ

Số giờ nắng trung bình rất thấp trong các tháng II, III (khoảng 2 giờ/ngày),

tăng lên vào tháng V ( > 5 giờ/ngày), trong khoảng từ tháng VII đến tháng IX số giờnắng cao hơn một ít so với các tháng trong năm.

Nhìn chung phân bố giờ nắng năm, từ tháng I đến tháng IV có tính biến độngkhông lớn theo không gian, số giờ nắng dao động từ khoảng 50-80 giờ Còn số giờnắng từ tháng V đến tháng XII dao động mạnh hơn theo không gian dao động từkhoảng 110-180 giờ Trung bình từ tháng V đến tháng X, mỗi tháng có khoảng 160-

180 giờ nắng và là thời kỳ nhiều nắng nhất trong năm Thời kỳ ít nắng trong năm là

từ tháng I đến tháng III, khoảng 45-85 giờ/tháng

* Chế độ gió

Do địa hình tương đối khuất dạng thung lũng nên gió ở khu vực này yếu vàyếu nhất so với các tiểu vùng khí hậu ở Phú Thọ Tốc độ gió trung bình năm chỉkhoảng 0.7m/s và thời kỳ giữa mùa đông có gió yếu nhất, khoảng 0.5m/s Tốc độcực đại chỉ xuất hiện trong các cơn dông vào mùa hè và mới chỉ quan trắc thấy tốc

độ kỷ lục 26m/s vào tháng 8

Bảng 1.6 Các đặc trưng tốc độ gió trung bình (Vtb) và mạnh nhất (Vx) của

trạm Minh Đài thời kỳ 1975-2004 [7]

Bảng 1.7 Bảng tần suất dòng chảy năm

Phân phối dòng chảy năm

Để phân mùa dòng chảy, đề tài đã sử dụng các chỉ tiêu vượt trung bình năm.Kết quả phân mùa dòng chảy trên lưu vực sông Bứa có 2 mùa rõ rệt, mùa lũ kéo dài

5 tháng từ tháng VI đến tháng X, còn mùa cạn từ tháng XI đến tháng IV năm sau

* Dòng chảy lũ

- Chế độ lũ

Trên lưu vực sông Bứa có mùa lũ hằng năm kéo dài 5 tháng từ tháng VI đếntháng X (lượng nước mùa lũ chiếm 70.7% lượng nước cả năm)

Tuy nhiên, mùa lũ ở đây cũng không ổn định, có năm lũ xảy ra sớm từ tháng

IV, tháng V và cũng nhiều năm lũ xảy ra muộn sang tháng XI, thậm chí có năm cònsang tháng XII Điều này chứng tỏ lũ lụt ở lưu vực sông Bứa có sự biến động khámạnh mẽ

Trong những thập kỉ gần đây lũ lụt xảy ra ngày một thường xuyên hơn, bấtbình thường hơn với những trận lũ rất lớn và gây hậu quả rất nặng nề như trận lũlớn trong những năm 2007 và 2013 đã gây xói lở nghiêm trọng bờ sông, đe dọa đếnngười, tài sản

Lưu lượng lớn nhất Qmax= 7140m3/s vào năm 2005 (số liệu đo được tại trạm

tháng có các trận mưa lớn nhất

Lũ sớm: Lũ xảy ra vào cuối tháng III đến đầu tháng V gọi là lũ sớm Lũ sớmthường có biên độ không lớn, lượng nước trong các sông suối còn ở mức thấp, lũsớm thường có đỉnh lũ đơn Đây là thời kỳ lũ gây thiệt hại cho sản xuất nông nghiệp

vì trùng vào thời kỳ thu hoạch

Lũ muộn: Lũ xảy ra vào tháng XII, tháng XII được coi là lũ muộn Lũ thời

kỳ này ảnh hưởng đến thời vụ gieo trồng của sản xuất nông nghiệp

- Mực nước lũ

Đặc điểm lũ là biên độ lũ cao, cường suất nước lũ lớn, thời gian lũ lên ngắn, dạng

lũ nhọn: Đặc điểm này là do cường độ mưa lớn, tập trung nhiều đợt, tâm mưa nằm ởtrung du và thượng du các lưu vực sông, độ dốc sông lớn, nước tập trung nhanh

Cường suất lũ (cm/h)

*Dòng chảy mùa kiệt

Về mùa kiệt, dòng chảy trong sông nhỏ, nguồn cung cấp nước cho sông chủyếu là nước ngầm Mùa kiệt trên sông Bứa kéo dài từ tháng XI tới tháng IV nămsau Theo số liệu quan trắc từ 1989-2015 thì năm kiệt nhất là năm 1998

1.2 Mạng lưới trạm khí tượng, thủy văn

Hiện lưu vực chỉ có 1 trạm khí tượng Minh Đài thuộc huyện Tân Sơn và 1trạm thủy văn Thanh Sơn thuộc huyện Thanh Sơn

Lưu vực có 2 trạm đo mưa nhân dân Cường Thịnh và Đông Cửu, nhưng khônglấy số liệu mưa điện báo (không có số liệu mưa tức thời)

Hình 1.3 Bản đồ mạng lưới trạm khí tượng, thủy văn trên lưu vực sông Bứa [7]

1.3 Tổng quan về các mô hình mưa – dòng chảy

1.3.1 Sự ra đời và phát triển của mô hình mưa – dòng chảy

Mô hình mưa - dòng chảy là một bộ phận của mô hình thủy văn Todini(1988) nói rằng “mô hình mưa - dòng chảy bắt đầu vào nửa cuối thế kỷ IX xuấtphát từ ba vấn đề chính: Thiết kế hệ thống thoát nước đô thị, thiết kế hệ thốngthoát nước cải tạo đất và thiết kế đập tràn hồ chứa” Và thành tựu chính của những

nỗ lực ban đầu đạt được trong việc mô hình hóa là tính toán lưu lượng thiết kế.Dooge 1977 đã ý kiến rằng rất nhiều trong số các mô hình đầu tiên xây dựng dựatrên các phương trình thực nghiệm được khai triển trong điều kiện duy nhất và sau

đó được dùng cho các ứng dụng có các điều kiện tương tự Một số mô hình thì sửdụng “phương pháp tỷ số” để dự báo đỉnh của dòng chảy đã được công bố bởiMulvaney 1851 Vào đầu thế kỷ XX, các nhà nghiên cứu thủy văn đã cố gắng đểcải tiến các ứng dụng của phương pháp tỷ số để tính toán cho các lưu vực lớn vớitính không đồng nhất về lượng mưa và đặc điểm lưu vực (Tonidi, 1988)

Sherman 1932 đã giới thiệu “đường đơn vị” hay còn gọi là đường quá trìnhthủy văn đơn vị Và khái niệm này đã chiếm ưu thế trong ngành thủy văn hơn 25năm và vẫn còn sử dụng rộng rãi cho đến ngày nay (Anderson and Burt, 1985)

Đường thủy văn đơn vị là mô hình đầu tiên dùng để tính toán toàn bộ hìnhdạng của ẩm chứ không đơn giản là chỉ là các giá trị lớn nhất của thủy văn Trongnhững năm 1950, các nhà nghiên cứu thủy văn bắt đầu tiến hành đi xây dựng “môhình khái niệm” Đến năm 1962 , đánh dấu sự ra đời của mô hình máy tính chophép các quá trình phức tạp diễn ra trong môi trường nước được mô phỏng như các

hệ thống hoàn chỉnh (Bedient và Huber, 1992) Mô hình máy tính thủy văn đầu tiên

là mô hình lưu vực Straford, được xây dựng tại đại học Straford (Crawford vàLinsley, 1966) Trong cuối những năm 1960, HEC-1 được xây dựng bởi trung tâm

kỹ thuật thủy văn thuộc quân đoàn kỹ thuật của quân đội Mỹ Đến những năm 1970

và 1980 thì mô hình dự báo mưa - dòng chảy mới thực sự phát triển để đáp ứng nhucầu dự báo cho các khu vực dễ bị lụt và phục vụ cho công tác quản lý hồ chứa, cáccông trình thủy lợi (Tonidi, 1988)

Gần đây cùng với sự phát triển của máy tính Khi kết quả không hoàn toànchắc chắn do đó các mô hình phân bố mưa - dòng chảy sẽ được phát triển chi tiếthơn, phức tạp hơn, và sẽ tiếp cận hệ thống thông tin địa lý cho đầu vào của số liệu

Mô hình HEC - HMS là một mô hình có ít tham số và dễ sử dụng, không yêucầu cao về tài liệu địa hình lưu vực, độ chính xác của mô hình cũng đã được kiểm

b) Mô hình TANK

Mô hình TANK ra đời vào năm 1956 tại trung tâm quốc gia phòng chống lũlụt Nhật, tác giả M Sugawar Từ đó đến nay mô hình được hoàn thiện dần và đượcứng dụng rộng rãi nhiều nơi trên thế giới

Cấu trúc của mô hình: Lưu vực được diễn tả như một chuỗi các bể chứa sắpxếp theo hai phương thẳng đứng và nằm ngang Giả thiết của mô hình là dòng chảycũng như dòng thấm Chúng là các hàm số của lượng nước trữ trong các tầng đất

Mô hình TANK có hai dạng cấu trúc: TANK đơn và TANK kép

- Mô hình TANK đơn không xét đến sự biến đổi của độ ẩm đất theo khônggian, phù hợp với những khu vực nhỏ trong vùng ẩm ướt quanh năm

- Mô hình TANK kép thể hiện chi tiết sự biến đổi độ ẩm các tầng đất trên lưuvực theo không gian, trong đó lưu vực được chia thành nhiều vành đai ẩm dọc theosông, mỗi vành đai có lượng ẩm khác nhau và được mô tả bằng một TANK có cấutrúc đơn

c) Mô hình MIKE- SHE

MIKE–SHE: Là mô hình mưa dòng chảy của Viện thủy lực Đan Mạch thuộcnhóm mô hình bán phân bố hoặc phân bố Nó bao gồm vài thành phần tính lưulượng và phân phối nước theo các pha riêng của quá trình dòng chảy:

- Số liệu đầu vào là mưa bao gồm cả dạng lỏng và rắn

- Bốc thoát hơi bao gồm cả phần bị giữ lại bởi thực vật

- Dòng chảy mặt dựa vào phương pháp sai phân hữu hạn hai chiều

- Dòng chảy trong lòng dẫn: diễn toán một chiều được sử dụng trongMIKE11 Mô hình này cung cấp vài phương pháp như Muskingum, phương phápkhuếch tán hoặc phương pháp dựa vào phương trình Saint - Venant

- Dòng chảy sát mặt trong đới không bão hòa: mô hình hai lớp đơn, mô hìnhdòng chảy trọng lực hoặc mô hình giải phương trình Richard

- Dòng chảy cơ sở: bao gồm mô hình dòng chảy cơ sở 2D và 3D dựa vàophương pháp sai phân hữu hạn

d) Mô hình NAM

Mô hình NAM là mô hình mưa rào - dòng chảy được xây dựng vào khoảngnăm 1982 tại khoa Thủy văn, Viện Kỹ thuật thủy động lực thuộc trường đại học kỹthuật Đan Mạch Nó được xem như là mô hình dòng chảy tất định, tập trung và liêntục cho ước lượng mưa - dòng chảy theo cấu trúc kinh nghiệm

Cấu trúc của mô hình NAM được xây dựng trên nguyên tắc xếp 5 bể chứatheo chiều thẳng đứng và hai bể chứa tuyến tính nằm ngang.Với cấu trúc như trênthì mô hình sẽ tiến hành xác định lần lượt từng dòng chảy thành phần:

- Dòng chảy mặt

- Dòng chảy sát mặt

- Lượng nước ngầm cung cấp cho bể chứa ngầm

- Lượng ẩm của đất

- Diễn toán dòng chảy

Tuy nhiên các mô hình mưa - dòng chảy từ trước đến nay hầu hết là mô hìnhthương mại nên khó kết hợp chúng thành một mô hình tổng thể, khả năng đánh giá

độ nhạy của mô hình và phân tích tính bất định của tham số trong mô hình đó làchưa được chú trọng và không thực hiện được nếu không có các sửa đổi phù hợp

mã nguồn

Tổn thất(P) Y=X-P

Đường lũ đơn vị qp

Chương II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH HEC – HMS

2.1 Giới thiệu mô hình HEC - HMS.

Mô hình HEC là sản phẩm của tập thể các kỹ sư thuỷ văn thuộc quân đội Hoa

Kỳ HEC-1 đã góp phần quan trọng trong việc tính toán dòng chảy lũ tại những consông nhỏ không có trạm đo lưu lượng Tính cho đến thời điểm này, đã có không ít

đề tài nghiên cứu khả năng ứng dụng thực tế Tuy nhiên, HEC-1 được viết từ nhữngnăm 1968, chạy trong môi trường DOS, số liệu nhập không thuận tiện, kết quả in rakhó theo dõi Hơn nữa, đối với những người không hiểu sâu về chương trình kiểuFormat thường rất lúng túng trong việc truy xuất kết quả mô hình nếu không muốnlàm thủ công Do vậy, HEC - HMS là một giải pháp, nó được viết để “chạy” trongmôi trường Windows, hệ điều hành rất quen thuộc với mọi người

2.2 Cơ sở lý thuyết mô hình HEC- HMS

Mô hình HEC - HMS được sử dụng để mô phỏng quá trình mưa- dòng chảykhi nó xảy ra trên một lưu vực cụ thể Ta có thể biểu thị mô hình bằng sơ đồ sau:

Mưa (X) -> Dòng chảy (Y) -> Đường quá trình lũ (Q~t).

Ta có thể hình dung bản chất của sự hình thành dòng chảy của một trận lũ nhưsau: Khi mưa bắt đầu rơi cho đến một thời điểm ti nào đó, dòng chảy mặt chưa đượchình thành, lượng mưa ban đầu đó tập trung cho việc làm ướt bề mặt và thấm Khicường độ mưa vượt quá cường độ thấm (mưa hiệu quả) thì trên bề mặt bắt đầu hìnhthành dòng chảy, chảy tràn trên bề mặt lưu vực, sau đó tập trung vào mạng lướisông suối Sau khi đổ vào sông, dòng chảy chuyển động về hạ lưu, trong quá trìnhchuyển động này dòng chảy bị biến dạng do ảnh hưởng của đặc điểm hình thái và

độ nhám lòng sông

2.2.1 Mưa.

Mưa được sử dụng là đầu vào cho quá trình tính toán dòng chảy ra của lưuvực Mô hình HEC - HMS là mô hình thông số tập trung, mỗi lưu vực con có mộttrạm đo mưa đại diện Lượng mưa ở đây được xem là mưa bình quân lưu vực (phân

bố đồng đều trên toàn lưu vực) Dù mưa được tính theo cách nào đều tạo nên một

Thời gian ( giờ )

Hình 2.1 Biểu đồ mưa [2]

a) Mưa tính theo phương pháp trung bình số học:

Lớp nước mưa trung bình trên lưu vực là giá trị trung bình số học của lượngmưa tại các trạm đo mưa nằm trên lưu vực

Xi : lượng mưa tại trạm thứ i

n : số trạm đo mưa trên lưu vực

b) Mưa tính theo phương pháp trung bình có trọng số:

- Phương pháp đa giác Thiessen: Trọng số là hệ số tỷ lệ giữa phần diện tíchcủa lưu vực do một trạm mưa nằm trong lưu vực hoặc bên cạnh lưu vực đại biểu vớitoàn bộ diện tích lưu vực

Lượng mưa trung bình trên lưu vực được tính theo công thức sau:

Xi : lượng mưa đo được tại trạm thứ i

fi : diện tích lưu vực bộ phận thứ i

n : số trạm đo mưa (cũng là số diện tích lưu vực bộ phận)

- Phương pháp đường đẳng trị mưa: Trọng số là diện tích kẹp giữa hai đườngđẳng trị mưa và tính lượng mưa trung bình theo công thức (2.2)

Trong đó: Xi là lượng mưa trung bình của hai đường đẳng trị mưa kề nhau, fi

là diện tích bộ phận nằm giữa hai đường ấy

Mô hình HEC - HMS có 4 phương pháp được dùng để tính toán tổn thất Dùngbất kỳ phương pháp nào ta đều tính được lượng tổn thất trung bình trong một thời đoạntính toán Một hệ số không thấm tính theo phần trăm được sử dụng với các phươngpháp để bảo đảm tại phần diện tích không thấm đó 100% mưa sẽ sinh dòng chảy

a) Phương pháp Tốc độ thấm ban đầu và thấm ổn định (Intial and Constant Rate)

Khái niệm cơ bản của phương pháp này là: Tỷ lệ tiềm năng lớn nhất của tổnthất mưa fc, nó không đổi trong suốt cả trận mưa Do vậy, nếu pt là lượng mưa trongkhoảng thời gian từ t đến t + t, lượng mưa hiệu quả pet trong thời đoạn đó đượccho bởi:

pet = pt – fc nếu pt  fc

(2.3)

đến khi đạt tới một giá trị không đổi fc Tổn thất ban đầu được thêm vào mô hình đểbiểu thị hệ số trữ nước của lưu vực Hệ số trữ là kết quả của sự giữ nước của thảmphủ thực vật trên lưu vực, nước được trữ trong những chỗ lõm bị thấm hay bốc hơigọi là tổn thất điền trũng Tổn thất này xảy ra trước khi hình thành dòng chảy trênlưu vực Khi lượng mưa rơi trên lưu vực chưa vượt quá lượng tổn thất ban đầu thìchưa sinh dòng chảy.

Lượng mưa hiệu quả được tính theo công thức:

sử dụng đất, loại đất và việc xử lý đất

b) Phương pháp SCS Curve Number ( Chỉ số CN)

Cơ quan bảo vệ thổ nhưỡng Hoa Kỳ (1972) đã phát triển một phương pháp đểtính tổn thất dòng chảy từ mưa gọi là phương pháp SCS Phương pháp này phụthuộc vào lượng mưa tích lũy, độ che phủ đất, sử dụng đất và độ ẩm kỳ trước, được

Qua nghiên cứu các kết quả thực nghiệm trên nhiều lưu vực nhỏ, Cơ quan bảo

vệ thổ nhưỡng Hoa Kỳ đã xây dựng được quan hệ kinh nghiệm:

( P−0 2 S )2

P+0 8 S (2.7)

Lập đồ thị quan hệ giữa P và Pe bằng các số liệu của nhiều lưu vực, người ta

đã tìm ra được họ các đường cong Để tiêu chuẩn hoá các đường cong này, người ta

sử dụng số liệu của đường cong CN làm thông số Đó là một số không thứ nguyên,lấy giá trị trong khoảng (0 - 100) Đối với bề mặt không thấm nước hoặc mặt nước,

CN = 100; đối với bề mặt tự nhiên, CN < 100

Khả năng giữa nước lớn nhất của lưu vực (S) và đặc tính của lưu vực có quan

hệ với nhau thông qua một tham số là số hiệu đường cong CN:

Nhóm A: cát tầng sâu, hoàng thổ sâu và phù sa kết tập

Nhóm B: hoàng thổ nông, đất mùn pha cát

Nhóm C: mùn pha sét, mùn pha cát tầng nông, đất có hàm lượng chất hữu cơthấp và đất pha sét cao

Nhóm D: đất nở ra rõ rệt khi ướt, đất sét dẻo nặng và đất nhiễm mặn

Nếu lưu vực tạo thành bởi nhiều loại đất và có nhiều tình hình sử dụng đấtkhác nhau, ta có thể tính một giá trị hỗn hợp của CN

c) Phương pháp tính thấm Green and Ampt

Green và Ampt (1911) đã đề nghị bức tranh giản hoá về thấm như minh hoạtrong hình 2.2

20





Hình 2.2 Các biến số trong phương pháp thấm Green- Ampt [2]

Xét một cột đất thẳng đứng có diện tích mặt cắt ngang bằng đơn vị và xác địnhthể tích kiểm tra là thể tích bao quanh đất ướt giữa mặt đất và độ sâu L Nếu lúc

tăng lên từ θ i tới η (độ rỗng) khi front ướt đi qua Hàm lượng ẩm θ i là tỷ số

của thể tích nước trong đất so với tổng thể tích bên trong thể tích kiểm tra, do đólượng gia tăng của nước trữ bên trong thể tích kiểm tra do thấm sẽ là L( η - θ i ) đối

với một đơn vị diện tích mặt cắt ngang Độ sâu luỹ tích của nước mưa thấm vào trong đấtđược tính:

với Δθ=η−θ i

Khi đã tìm được F, ta có thể xác định được tốc độ thấm f bằng phương trình sau:

f (t )=K[F (t ) ψΔθ +1] (2.11)

ψ là cột nước mao dẫn của front ướt

Δθ là khả năng thấm của tầng đất

F là độ sâu luỹ tích của nước thấm vào đất

F(t )=Kt +ψΔθ ln(1+F (t )

d) Phương pháp tính toán độ ẩm đất ( Soil Moisture Accounting)

Phương pháp tính toán độ ẩm đất (SMA) dùng hệ thống bể chứa 5 lớp bao

gồm sự trữ nước tầng trên cùng, sự trữ nước trên bề mặt, tầng sát mặt đất và tronghai tầng ngầm với bốc hơi để mô phỏng thấm Dung tích trữ và tỉ lệ thấm lớn nhấtđược xác định riêng biệt từ các lưu vực con trong các đơn vị SMA, nhiều lưu vựccon có thể dùng cùng một đơn vị SMA Sơ đồ biểu diễn tổn thất trong tính toánmưa- dòng chảy:

Hình 2.3 Sơ đồ tính thấm theo độ ẩm đất [2]

2.2.3 Chuyển đổi dòng chảy.

a) Phương pháp đường quá trình đơn vị tổng hợp Clark

Nước được trữ một thời đoạn ngắn trong khu vực: trong đất, trên bề mặt vàtrong kênh đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển lượng mưa hiệu quả thànhdòng chảy Mô hình bể chứa tuyến tính là sự biểu thị chung của các tác động tới sựtrữ Mô hình bắt đầu với phương trình liên tục:

(Lớp nước ngầm 2)

Canopy Interception (Bị giữ bởi tán cây)

Groundwater 1 (Lớp nước ngầm 1)

Deep Percolation(Thấm tầng sâu)

Dòng chảy từ tán cây

(Canopy Overflow) Bốc hơi (vapotranspiration)

Thấm qua mặt đất (Infiltration)

Thấm (Percolation)

Trong đó:

dS

dt là lượng trữ nước trong hệ thống trong thời gian t

I(t) là lưu lượng chảy vào hồ chứa tại thời điểm t

Q(t) là lưu lượng chảy ra khỏi hồ chứa tại thời điểm t

Với mô hình bể chứa tuyến tính lượng trữ tại thời điểm t có quan hệ với dòngchảy ra như sau:

C B=1−CADòng chảy ra trung bình trong thời đoạn t:

Trong trường hợp không có số liệu dùng đường cong kinh nghiệm sau:

A t

A = ¿ { 1.414 ( t t c ) 1.5 cho (t≤ t c

2 ) ¿¿¿¿

(2.18)Trong đó: A là tổng diện tích của lưu vực, At là luỹ tích diện tích thành phầnlưu vực trong thời gian t, tc là thời gian tập trung nước của lưu vực

Tung độ của đường cong thời gian - diện tích được nội suy theo thời đoạn tínhtoán Đường quá trình chuyển đổi thu được, được diễn toán qua một hồ chứa tuyến

tính để tính toán mưa hiệu quả được chuyển thành lưu lượng của dòng chảy theothời gian

Diễn toán qua hồ chứa tuyến tính được thiết lập dùng phương trình sau:

vị tại cuối của thời đoạn tính toán

b) Phương pháp đường quá trình đơn vị tổng hợp Snyder.

Snyder (1938) đã tìm ra các quan hệ tổng hợp về một số đặc trưng của mộtđường quá trình đơn vị chuẩn Từ các quan hệ đó ta, có thể xác định được 5 đặctrưng cần thiết của một đường quá trình đơn vị đối với một thời gian mưa hiệu dụngcho trước: lưu lượng đỉnh trên một đơn vị diện tích qpR, thời gian trễ của lưu vực tpR,thời gian đáy tb và các chiều rộng W (theo đơn vị thời gian) của đường quá trìnhđơn vị tại các tung độ bằng 50% và 75% của lưu lượng đỉnh Sử dụng các đặc trưngnày, ta có thể vẽ ra được đường quá trình đơn vị yêu cầu

Snyder đã đưa ra định nghĩa về đường quá trình đơn vị chuẩn Đó là một đườngđơn vị có thời gian mưa tr liên hệ với thời gian trễ của lưu vực qua phương trình:

t p = 5.5*t r (2.21)Đối với đường quá trình đơn vị chuẩn, ông đã tìm thấy rằng:

* Thời gian trễ tp được tính:

Trong đó: tp được tính bằng giờ, L là chiều dài của dòng chính (tính bằng km)

từ cửa ra đến đường phân nước, Lc là khoảng cách (tính bằng km) từ cửa ra đến mộtđiểm trên dòng sông gần nhất với tâm của diện tích lưu vực, C1 = 0.75 và Ct là một

hệ số được suy ra từ những lưu vực có số liệu đo đạc trong cùng vùng nghiên cứu

* Lưu lượng đỉnh trên đơn vị diện tích lưu vực tính theo m3/s.km2 (haycfs/mi2) của đường quá trình đơn vị chuẩn là:

q p=C2∗C p

Trong đó: C2 = 2.75 và Cp là một hệ số được suy ra từ các lưu vực có số liệu

đo đạc trong cùng vùng nghiên cứu

Nếu tpR = 5.5 tR thì : tR = tr, tpR = tp, qpR = qp và các hệ số Ct, Cp được tính bởicác phương trình (2.22), (2.23) Nếu tpR khác đáng kể 5.5 tR, thì thời gian trễ chuẩnđược tính bởi:

t p=t pR+t r−t R

* Mối liên hệ giữa lưu lượng đỉnh trên đơn vị diện tích lưu vực của đường quátrình đơn vị chuẩn qp và đường quá trình đơn vị tính toán qpR được biểu thị quaphương trình:

q pR=q p t p

* Thời gian đáy tb (tính bằng giờ) của đường quá trình đơn vị có thể được xácđịnh dựa theo điều kiện: diện tích nằm bên dưới đường quá trình đơn vị phải tươngđương với độ sâu 1 cm của lượng dòng chảy trực tiếp Giả thiết, biểu đồ đường quátrình đơn vị có dạng hình tam giác, ta ước tính được thời gian đáy:

Với: CW = 1.22 đối với chiều rộng 75%

CW = 2.14 đối với chiều rộng 50%

Người ta thường phân bố 1/3 chiều rộng đó trước thời gian xuất hiện đỉnh và2/3 chiều rộng còn lại cho sau thời gian này

c) Phương pháp đường đơn vị tổng hợp không thứ nguyên SCS

Từ kết quả phân tích một số lượng lớn đường quá trình đơn vị, cơ quan bảo vệthổ nhưỡng Hoa Kỳ đã đề nghị thời gian nước rút có thể được lấy xấp xỉ bằng 1.67

Tp Bởi vì diện tích nằm bên dưới đường quá trình đơn vị phải bằng với độ sâu dòngchảy trực tiếp là 1cm nên ta có:

c là thời gian tập trung nước của lưu vực

Thời gian nước lên Tp có thể được biểu thị theo thời gian trễ tp và thời gianmưa hiệu dụng tr như sau:

T p=t r

2+t p

(2.29)

d) Phương pháp đường đơn vị xác định bởi người sử dụng

Cho phép điều khiển chính xác mối quan hệ kinh nghiệm giữa 1 đơn vị lượngmưa và dòng chảy trực tiếp nhận được Tung độ của đường quá trình phải đượcnhập vào cùng thời đoạn như bước thời gian mô hình Các thông số yêu cầu là tung

độ đường quá trình và thời đoạn tung độ

e) Phương pháp sóng động học ( Kinematic Wave)

Phương pháp sóng động học dùng phương trình liên tục và phương trình độnglượng để chuyển lượng mưa hiệu quả thành dòng chảy

f) Phương pháp Mod Clack

Phương pháp Mod Clack là phương pháp chuyển đổi tuyến tính áp dụng trênlưu vực có dạng ô lưới Lượng mưa vượt thấm cho mỗi ô sẽ có một thời gian trễ vàđược diễn toán như một hồ chứa tuyến tính Mỗi ô chứa các thông tin về toạ độ,diện tích và chỉ số thời gian chảy truyền trong lưu vực Thời gian trễ cho mỗi ô theochỉ số thời gian tập trung nước, các ô trong lưu vực có cùng hệ số trữ Các thông sốyêu cầu là thời gian tập trung nước của toàn bộ lưu vực, thời gian chảy truyền và hệ

số trữ của mỗi ô lưới

2.2.4 Tính toán dòng chảy ngầm.

Dòng chảy trong sông bao gồm hai thành phần: dòng chảy mặt do nước mưa