Nghiên cứu ứng dụng mô hình marine dự báo lũ sông kỳ lộ, tỉnh phú yên

- Phương pháp mô hình hóa: Áp dụng mô hình thủy văn thông số phân bốMARINE và diễn toán Muskingum, để mô phỏng và xây dựng phương án dự báo lũ cho lưu vực sông nghiên cứu.. Quá trình phá

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MARINE

DỰ BÁO LŨ SÔNG KỲ LỘ TỈNH PHÚ YÊN

CHUYÊN NGÀNH: THỦY VĂN HỌC

VÕ ANH KIỆT

HÀ NỘI, NĂM 2018

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MARINE

DỰ BÁO LŨ SÔNG KỲ LỘ TỈNH PHÚ YÊN

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

Cán bộ hướng dẫn chính: TS Đặng Thanh Mai

Cán bộ chấm phản biện 1: TS Nguyễn Viết Thi

Cán bộ chấm phản biện 2: TS Nguyễn Lan Châu

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Ngày 27

tháng 12 năm 2017

LỜI CẢM ƠN

Học viên xin chân thành cảm ơn Khoa Khí tượng Thủy văn, Phòng Đào tạo,Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tácgiả được học tập và nghiên cứu thực hiện luận văn

Học viên cũng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Đặng Thanh Mai, Trung tâm dựbáo Khí tượng Thủy văn Trung ương và TS Trương Vân Anh, Trường Đại học Tài nguyên

và Môi trường Hà Nội, đã tận tình hướng dẫn tác giả trong suốt quá trình tìm hiểu,nghiên cứu và hoàn thành luận văn

Học viên cũng chân thành cám ơn quý cơ quan: Trung tâm Dự báo Khí tượngThủy văn Trung ương, Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Nam Trung Bộ, Đài Khí tượngThủy văn tỉnh Phú Yên, Ban chỉ huy PCTT & TKCN tỉnh Phú Yên, đã giúp đỡ tác giả trongquá trình tìm hiểu thực tế, thu thập dữ liệu và thực hành tác nghiệp liên quan đến luậnvăn này

Cuối cùng Học viên xin gửi lời cám ơn đến các thầy cô, các đồng nghiệp, bạn bèhọc viên lớp cao học CH2AT đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả trong suốtquá trình thực hiện luận văn

Người viết

Võ Anh Kiệt

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Võ Anh Kiệt, tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu củariêng tôi Những nội dung trong luận văn này là trung thực và chưa được ai công bốtrong bất kỳ công trình khoa học nào

Người cam đoan

Võ Anh Kiệt

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

TANK : Mô hình thủy văn thông số tập trung của Nhật Bản MIKE

11 : Mô hình thủy lực 1 chiều của Viện Thủy lực Đan Mạch MIKE

21 : Mô hình thủy lực 2 chiều của Viện Thủy lực Đan Mạch DHI

: Danish Hydraulic Institute - Viện Thủy lực Đan Mạch

WMO : World Meteorological Organization - Tổ chức Khí tượng Thế giới

HR : Ký hiệu của trạm Thủy văn

RR : Ký hiệu của điểm đo mưa nhân dân

UCAR : University Corporation for Atmospheric Research

GFS : Global Forecast System - Hệ thống dự báo toàn cầu

IFS : Integnated Forecasting system – Hệ thống dự báo tích hợp

NCEP : National Centers for Environmental Prediction - Trung tâm dự báo môi

trường Quốc gia MỹMRF : Medium Range Forecast - Mô hình dự báo hạn vừa

Pbl : Planetary boundary layer - Lớp biên hành tinh

IR : Infra Red - Bức xạ hồng ngoại

UV : Ultraviolet - Bức xạ tử ngoại

K : Độ Kelvin

CAPE : Convective available potential energy - Chỉ số bất ổn định

SAS : Sơ đồ đối lưu Schubert - Arakawa-Schubert

UTC : Giờ quốc tế ATNĐ

: Áp thấp nhiệt đới KKL :

Không khí lạnh XTNĐ : Xoáy

thuận nhiệt đới

ITCZ : Intertropical Convergence Zone - Dải hội tụ nhiệt đới

KTTV : Khí tượng thủy văn

CSDL : Cơ sở dữ liệu

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU

1

CHƯƠNG 1 3

TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH DỰ BÁO LŨ VÀ LƯU VỰC NGHIÊN CỨU 3

1.1 KHÁI QUÁT MÔ HÌNH DỰ BÁO 3

1.1.1 Quá trình phát triển mô hình dự báo thủy văn .3

1.1.2 Phân loại mô hình thủy văn 4

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 7

1.2.1 Đánh giá tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước .7

1.2.2 Đánh giá tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước .10

1.2.3 Đánh giá tổng quan tình hình nghiên cứu trên lưu vực 12

1.3 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN 14

1.3.1 Đặc điểm hình thái lưu vực sông 14

1.3.2 Đặc điểm địa hình, địa chất, thổ nhưỡng, thảm phủ thực vật .15

1.3.3 Khái quát đặc điểm khí hậu thủy văn 20

1.4 ĐẶC ĐIỂM MƯA LŨ LƯU VỰC SÔNG KỲ LỘ 22

1.4.1 Đặc điểm chung 22

1.4.2 Các đợt mưa lũ điển hình .23

1.5 ĐIỀU KIỆN KINH TẾ XÃ HỘI 25

1.6 MẠNG LƯỚI TRẠM KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN .26

CHƯƠNG 2 28

CƠ SỞ MÔ HÌNH VÀ BỘ SỐ LIỆU NGHIÊN CỨU 28

2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH MARINE 28

2.1.1 Các giả thiết và nguyên lý mô phỏng 28

2.1.2 Lý thuyết sinh dòng chảy 29

2.1.3 Lý thuyết thấm

30

2.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH MUSKINGUM 32

2.2.1 Các phương trình cơ bản .32

2.2.2 Xây dựng mô hình Muskingum 34

2.3 TÍNH TOÁN VÀ XỬ LÝ DỮ LIỆU 34

2.3.1 Số liệu địa hình 34

2.3.2 Số liệu thảm phủ 37

2.3.3 Số liệu đất 38

2.3.4 Xử lý mưa phân bố theo không gian 39

2.3.5 Số liệu sông 41

2.4 DẪN SUẤT ĐẦU VÀO MÔ HÌNH MARINE 42

2.4.1 Xây dựng các bản đồ dẫn suất từ bản đồ DEM phục vụ đầu vào cho mô hình MARINE 42

2.4.2 Kết quả xây dựng bản đồ dẫn suất đầu vào mô hình MARINE 45

CHƯƠNG 3 49

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MARINE VÀ MUSKINGUM XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN CẢNH BÁO, DỰ BÁO LŨ VÀ ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP PHÒNG CHỐNG LŨ 49

3.1 HIỆU CHỈNH BỘ THÔNG SỐ MÔ HÌNH 49

3.2 KIỂM ĐỊNH BỘ THÔNG SỐ MÔ HÌNH 52

3.3 DỰ BÁO THỬ TRẬN LŨ NĂM 2017 54

3.4 XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN CẢNH BÁO, DỰ BÁO LŨ SÔNG KỲ LỘ 56

3.5 HƯỚNG DẪN QUY TRÌNH DỰ BÁO LŨ BẰNG MÔ HÌNH MARINE VÀ MUSKINGUM 56

3.6 CÁC GIẢI PHÁP PHÒNG CHỐNG LŨ TRÊN LƯU VỰC SÔNG KỲ LỘ 58

3.6.1 Các giải pháp công trình 58

3.6.2 Các giải pháp phi công trình 60

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

PHẦN PHỤ LỤC 67

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Cây phân loại mô hình toán thủy văn .6

Hình 1.2 Bản đồ địa hình lưu vực sông Kỳ Lộ 17

Hình 1.3 Mức nước lũ ngập sâu tại trạm thủy văn Hà Bằng tại trạm thủy văn Hà Bằng, trận lũ lịch sử tháng 11/2009 25

Hình 1.4 Lũ cuốn trôi công trình đo mực nước tự ghi tại trạm thủy văn Hà Bằng, trận lũ lịch sử tháng 11/2009 25

Hình 1.5 Bản đồ sông suối lưu vực sông Kỳ Lộ 27

Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát của mô hình MARINE .28

Hình 2.2 Mô tả vùng thấm trong lý thuyết Green Ampt .31

Hình 2.3 Code mô hình Muskingum 34

Hình 2.4 Chi tiết địa hình khu vực trung lưu 35

Hình 2.5 Kiểm tra bản đồ mô hình số độ cao (DEM) và đường bình đồ địa hình .35

Hình 2.6 Kiểm tra bản đồ mô hình số độ cao (DEM) và hệ thống sông suối 36

Hình 2.7 Bản đồ mô hình số độ cao (DEM) lưu vực sông Kỳ Lộ 36

Hình 2.8 Bản đồ lớp phủ thực vật lưu vực sông Kỳ Lộ 38

Hình 2.9 Bản đồ đất lưu vực sông Kỳ Lộ 39

Hình 2.10 Bản đồ phân bố mưa các ô lưới theo đa giác Theissen 41

Hình 2.11 Bản đồ mạng lưới sông và tính toán dữ liệu cho MARINE .42

Hình 2.12 Sơ đồ mô tả quá trình tạo các bản đồ dẫn suất từ DEM .43

Hình 2.13 Sơ đồ mô tả quá trình tạo hướng chảy từ bản đồ DEM 44

Hình 2.14 Sơ đồ mô phỏng số ô hội tụ nước và hình thành mạng sông 44

Hình 2.15 Tạo các bản đồ dẫn suất từ AML files 45

Hình 2.16 Bản đồ hướng dòng chảy lưu vực sông Kỳ Lộ 46

Hình 2.17 Bản đồ độ rỗng đất lưu vực sông Kỳ Lộ 46

Hình 2.18 Bản đồ độ dẫn thủy lực bão hòa lưu vực sông Kỳ Lộ .46

Hình 2.19 Bản đồ lượng trữ lưu vực sông Kỳ Lộ 46

Hình 2.20 Bản đồ độ dốc lưu vực sông Kỳ Lộ .47

Hình 2.21 Bản đồ lực mao dẫn lưu vực sông Kỳ Lộ .47

Hình 2.22 Hàm lượng nước ban đầu lưu vực sông Kỳ Lộ .47

Hình 2.23 Bản đồ hệ số nhám Manning lưu vực sông Kỳ Lộ .47

Hình 3.1 Sơ đồ khối ứng dụng mô hình Marine - Muskingum dự báo lũ sông Kỳ Lộ

49

Hình 3.2a Biểu đồ mưa các trạm để hiệu chỉnh bộ thông số .50

Hình 3.2b Biểu đồ mưa các trạm để hiệu chỉnh bộ thông số .50

Hình 3.3 Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo trận lũ hiệu chỉnh bộ thông số 52

Hình 3.4a Biểu đồ mưa các trạm để kiểm định bộ thông số .53

Hình 3.4b Biểu đồ mưa các trạm để kiểm định bộ thông số .53

Hình 3.5 Đường quá trình lưu lượng tính toán và TĐ trận lũ kiểm định bộ thông số 53

Hình 3.6a Biểu đồ mưa các trạm trận lũ năm 2017 .55

Hình 3.6b Biểu đồ mưa các trạm trận lũ năm 2017 55

Hình 3.7 Đường qt lưu lượng tính toán và thực đo trận lũ dự báo thử năm 2017 .55

Hình 3.8 Đường qt mực nước tính toán và thực đo trận lũ dự báo thử năm 2017 .56

Hình 3.9 Mô hình hồ điều hòa chống lũ .59

Hình 3.10 Mô hình trạm giám sát 60

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Đặc trưng hình thái sông .15Bảng 1.2 Tổng hợp diện tích các loại đất huyện Đồng Xuân 17Bảng 1.3 Thống kê các trận lũ điển hình trên sông Kỳ Lộ 24Bảng 1.4 Danh mục trạm Khí tượng Thủy văn thuộc lưu vực sông Kỳ Lộ và vùng phụ cận

26Bảng 2.1 Phân loại thảm phủ 37Bảng 2.2 Phân loại đất 39Bảng 3.1 Chỉ tiêu đánh giá chỉ tiêu Nash của WMO 51

Bảng 3.2 Bộ thông số mô hình Marine được tối ưu hóa

51

THÔNG TIN LUẬN VĂN

+ Họ và tên học viên: Võ Anh Kiệt

+ Lớp: CH2AT

+ Cán bộ hướng dẫn chính: TS Đặng Thanh Mai

+ Cán bộ hướng dẫn phụ: TS Trương Vân Anh

+ Tên luận văn: Nghiên cứu ứng dụng mô hình Marine dự báo lũ sông Kỳ Lộ tỉnh Phú Yên

+ Tóm tắt luận văn:

Kỳ Lộ là con sông lớn thứ hai của tỉnh Phú Yên, trải rộng trên hai huyện Đồng Xuân và Tuy An Diễn biến lũ và ngập lụt rất nghiêm trọng, hàng năm xuất hiện từ 2 đến 3 trận lũ lớn gây hậu quả rất to lớn về người và của, đặc biệt là trận

lũ lịch sử năm 2009 đã xóa sổ một số làng mạc ven sông của huyện Đồng Xuân Lưu vực sông Kỳ Lộ cũng như các lưu vực sông khác ở khu vực Miền Trung có địa hình rất dốc, chiều dài sông ngắn nên thời gian lũ lên nhanh, xuống nhanh, dòng chảy mạnh, độ ngập sâu lớn Ngoài ra đặc điểm thổ nhưỡng, thảm phủ, mưa phân hóa rất mạnh theo không gian Với đặc điểm như trên, luận văn đã nghiên cứu ứng dụng mô hình thủy văn thông số phân bố (Marine) để dự báo lũ sông Kỳ Lộ Mô hình này có khả năng mô phỏng, đánh giá tác động của các yếu tố địa hình, thổ nhưỡng, thảm phủ và mưa chi tiết theo không gian.

Dòng chảy sườn dốc được diễn toán bằng mô hình Marine, quá trình lưu lượng tiếp tục được diễn toán bằng mô hình Muskingum Luận văn đã tích hợp

mô hình Marine với mô hình Muskingum để mô phỏng liên tục quá trình dòng chảy trên lưu vực sông Kỳ Lộ và dự báo lũ tại trạm thủy văn Hà Bằng Kết quả dự báo thử trong trận lũ đầu tháng 12/2017 đã cho kết quả tốt, làm cơ sở nâng cao chất lượng dự báo thủy văn tại Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Nam Trung Bộ và Đài Khí tượng Thủy văn tỉnh Phú Yên.

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận văn

Biến đổi khí hậu đang ngày càng có những tác động mạnh mẽ tới đời sống dânsinh kinh tế trên khắp đất nước Việt Nam nói chung và tỉnh Phú Yên nói riêng Sự biếnđộng bất thường về quy luật hoạt động của các hiện tượng thời tiết, thủy văn, sự giatăng cường độ bão, lũ, hạn hán, trên địa bàn tỉnh Phú Yên trong những năm qua lànhững biểu hiện khá rõ nét về sự tác động của biến đổi khí hậu đối với tỉnh Phú Yên nóichung và sông Kỳ Lộ nói riêng

Tại Sông Kỳ Lộ tỉnh Phú Yên hàng năm có từ 3 - 4 trận lũ lớn gây nhiều thiệt hại

về người và tài sản đối với khu vực hạ lưu Lưu vực sông Kỳ Lộ bao gồm các huyệnĐồng Xuân và Tuy An, trong đó có trung tâm phát triển kinh tế xã hội của lưu vực là thịtrấn Chí Thạnh Các trận lũ lớn đã gây ra nước chảy xiết, làm xói lở bờ sông, hư hại côngtrình, cuốn trôi nhà cửa ở các xã ven sông huyện Đồng Xuân, gây ngập lụt nghiêm trọnghuyện Tuy An Điển hình là trận lũ xảy ra vào ngày 01- 06/11/2009, lũ lên nhanh, đỉnh lũ13,47m, vượt mức báo động 3 là 3,97m và là đỉnh lũ lịch sử trong chuỗi số liệu quan trắcđược Mưa lớn ở thượng nguồn gây lũ đột ngột vào ban đêm trên sông Kỳ Lộ, sông Cầugây thiệt hại to lớn cho thị xã Sông Cầu, huyện Đồng Xuân và Tuy An Thiệt hại đợt mưa

lũ này có 73 người chết, thiệt hại ước tính 2.405 tỉ đồng

Mặc dù không thể tránh được thiên tai, nhưng với sự phát triển của khoa họccông nghệ hiện đại và sự hiểu biết của con người về tự nhiên, chúng ta có thể quan trắc,tổng hợp, đánh giá, dự báo… từ đó xây dựng các giải pháp ứng phó, phòng ngừa, giảmthiểu tác động có hại của thiên tai là một việc làm hết sức cần thiết và cấp bách Ýtưởng của luận văn này không chỉ xây dựng được công cụ dự báo sát với thực tế, đánhgiá tác động của nhiều yếu tố đến dòng chảy mà còn xây dựng được công cụ ổn định vàtiếp tục được phát triển thành công nghệ dự báo hoàn thiện

2 Mục tiêu của luận văn

- Xây dựng được phương án dự báo lũ trên lưu vực sông Kỳ Lộ bằng mô hình thủyvăn thông số phân bố MARINE và phương pháp Muskingum

- Đề xuất được các giải pháp phòng ngừa và giảm nhẹ thiệt hại do lũ lụt gây ratrên lưu vực sông Kỳ Lộ

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Luận văn tập trung nghiên cứu mô hình thủy văn thông số phân bố MARINE vàMuskingum để dự báo lũ sông Kỳ Lộ tỉnh Phú Yên, làm cơ sở phục vụ công tác chỉ đạoứng phó với thiên tai ở địa phương

Phạm vi nghiên cứu của luận văn là lưu vực sông Kỳ Lộ (bao gồm các huyệnĐồng Xuân, Tuy An tỉnh Phú Yên).

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thống kê: thu thập và biên tập số liệu khí tượng, thủy văn, địachất, địa hình, lớp phủ làm đầu vào cho mô hình toán và đánh giá được tác động của cácyếu tố trên đến quá trình hình thành lũ trên sông Kỳ Lộ

- Phương pháp kế thừa: Phân tích, đánh giá, kế thừa các kết quả số liệu nghiên cứu

đã có liên quan đến các phương án dự báo lũ

- Phương pháp chuyên gia: trao đổi, học tập, lấy ý kiến từ các chuyên gia vềphương pháp đánh giá, tính toán để xây dựng phương án dự báo lũ theo đúng quyphạm hiện hành

- Phương pháp mô hình hóa: Áp dụng mô hình thủy văn thông số phân bốMARINE và diễn toán Muskingum, để mô phỏng và xây dựng phương án dự báo lũ cho lưu vực sông nghiên cứu

5 Bố cục của luận văn

Báo cáo kết quả đạt được trong luận văn gồm 3 chương cùng với phần mởđầu, kết luận, phụ lục và tài liệu tham khảo:

Chương 1: Tổng quan về mô hình dự báo lũ và lưu vực nghiên cứu

Chương 2 Cơ sở mô hình và bộ số liệu nghiên cứu

Chương 3 Ứng dụng mô hình MARINE và MUSKINGUM xây dựng phương áncảnh báo, dự báo lũ và các giải pháp phòng chống lũ trên lưu vực sông Kỳ Lộ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH DỰ BÁO LŨ VÀ LƯU VỰC NGHIÊN CỨU

1.1 KHÁI QUÁT MÔ HÌNH DỰ BÁO

1.1.1 Quá trình phát triển mô hình dự báo thủy văn

Dự báo thủy văn có vai trò quyết định trong công tác phòng chống lũ lụt, giảmnhẹ thảm họa thiên tai do ngập lụt gây ra Dự báo trước một hiện tượng thiên nhiên làcông việc hết sức khó khăn, phức tạp nhưng rất quan trọng trong đời sống, kinh tế xãhội Từ thời xa xưa, con người không có máy móc, thiết bị quan trắc các hiện tượngthiên nhiên nhưng cũng đã cố gắng dự báo trước hiện tượng thông qua sự phản ứngcủa sinh vật với môi trường và truyền lại những đúc rút kinh nghiệm dự báo đó cho thế

hệ sau Dự báo thủy văn dựa trên dữ liệu quan trắc, có cơ sở khoa học bắt đầu pháttriển từ đầu thế kỷ 20 với phương pháp đơn giản là dự báo xu thế, sau đó là thành lậpcác tương quan thực nghiệm Đến giữa thế kỷ 20, dự báo bằng phương pháp đườngđẳng thời, tiến hành những tính toán về mưa lũ theo phương pháp đường đơn vị, đặtnền móng cho việc phân tích căn nguyên quá trình hình thành lũ Một số mô hìnhthủy văn thông số tập trung ra đời cho phép mô hình hóa quá trình dòng chảy lưu vựcsông Quá trình phát triển của dự báo thủy văn mạnh nhất vào cuối thế kỷ 20 và nhữngnăm gần đây với sự phát triển của các mô hình toán cho phép mô phỏng dòng chảyphân bố theo không gian trên bề mặt lưu vực, diễn toán dòng chảy trong sông, môphỏng ngập lụt, diễn biến nước ngầm, điều tiết hồ chứa, vận chuyển trầm tích, chấtlượng nước Công tác dự báo thủy văn ngày nay không chỉ đơn giản là mực nước tại vịtrí các trạm trên sông mà còn chi tiết cho nhiều vị trí khác dọc sông, ngập lụt, úng ngậptrên lưu vực sông Ngoài dự báo yếu tố mực nước cần dự báo lưu lượng, mặn, chấtlượng nước [4]

Các mô hình toán phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây cho phép môphỏng tốt hơn quá trình dòng chảy lưu vực sông, chất lượng dự báo tốt hơn Cùng với

sự phát triển đó thì yêu cầu của xã hội, công tác phòng chống thiên tai cũng đòi hỏi độchính xác dự báo thủy văn cao hơn, chi tiết hơn Công tác dự báo thủy văn ngoài chi tiếttheo không gian, nhiều yếu tố dự báo cần có thời gian dự kiến dài hơn, thời đoạn ngắnhơn, nhiều trị số dự báo hơn Sự tác động của biến đổi khí hậu làm cho dòng chảy cótính cực đoan hơn, quy luật dòng chảy đã thay đổi nên các phương pháp thống kê,tương quan có độ chính xác ngày càng kém đi Sự tác động của con người đến lưu vựcsông như xây dựng hồ chứa, đập dâng, công trình chỉnh trị sông ngòi, đường giao thông,

cầu, cống, sử dụng đất đã tác động đáng kể đến dòng chảy mà các mô hình thủy vănthông số tập trung không thể mô phỏng được Để khắc phục những nhược điểm trêncần phát triển các mô hình thủy văn thông số phân bố [5].

1.1.2 Phân loại mô hình thủy văn

Mục tiêu của phân tích hệ thống thủy văn là nghiên cứu sự vận hành của hệthống và dự đoán các kết quả đầu ra Mô hình hệ thống thủy văn là sự phản ánh gầnđúng của một hệ thống thủy văn có thật Các yếu tố đầu vào và các sản phẩm đầu ra của

mô hình là các biến lượng thủy văn đo được và cấu trúc của mô hình là tập hợp cácphương trình liên kết các yếu tố đầu vào và đầu ra Vấn đề trung tâm trong cấu trúc của

mô hình là khái niệm về phép biến đổi hệ thống [3]

Trên thế giới có nhiều mô hình toán thủy văn với các nguyên lý mô phỏng khácnhau Các nguyên lý mô phỏng ngày càng phù hợp, sát với thực tế theo sự phát triểncủa mô hình toán thủy văn Phân loại các mô hình toán giúp xác định được ưu nhượcđiểm chính của một nhóm các mô hình, sự phát triển về khả năng mô phỏng, mức độ hỗtrợ của các công nghệ khác cho mô hình Trong nghiên cứu này có sử dụng một số môhình để tích hợp thành một bộ mô hình, do đó cần phân loại các mô hình thủy văn đểbiết được mức độ phát triển, ưu nhược điểm chính, mức độ phù hợp của các mô hìnhtoán được sử

dụng

Các mô hình thủy văn có thể được phân chia thành 3 loại chính là mô hình vật lý,

mô hình tương tự và mô hình toán học Trong đó mô hình toán học được nghiên cứu vàứng dụng khá nhiều ở trên thế giới, trong mô hình toán được chia thành mô hình ngẫunhiên và mô hình tất định Mô hình ngẫu nhiên được sử dụng nhiều trong thiết kế, dựbáo hạn dài và cực dài trên cơ sở phân bố xác suất và các đặc trưng thống kê Môhình tất định có xu hướng phát triển mạnh trong những năm gần đây và ngày càng môphỏng quá trình thủy văn sát với thực tế, loại mô hình này được ứng dụng rộng rãi trong

dự báo hạn ngắn và hạn vừa, khôi phục số liệu dòng chảy và tính toán tài nguyên nước.Trong mô hình tất định được chia thành hai loại là mô hình hộp đen và mô hình nhậnthức (mô hình hộp xám), trong đó mô hình hộp xám được phát triển mạnh mẽnhất.Phân loại mô hình hệ thống thủy văn được thể hiện trong hình 1, cụ thể một số

mô hình trong cây phân loại

như sau [5]:

* Mô hình hệ thống thủy văn: là mô phỏng của một hệ thống thủy văn có thật [1].

* Hệ thống thủy văn: là các quá trình thủy văn hoặc chu trình thủy văn trên một

vùng không gian nhất định [1]

* Mô phỏng: là sự bắt chước, phỏng theo một sự vật, hiện tượng hay quá

trình nào đó bằng cách xây dựng những mô hình động, xử lý chúng trong tác độngqua lại nhằm nghiên cứu các hiện tượng, sự vật, quá trình đó trên những mô hình này

* Mô hình vật lý: là mô hình thu nhỏ nguyên mẫu ngoài thực địa theo một tỷ lệ

nhất định Mô hình vật lý còn được gọi là mô hình tỷ lệ, thường sử dụng để thí nghiệm

và tuân thủ theo một số nguyên tắc, tiêu chuẩn nhất định

* Mô hình tương tự: là một mô hình vật lý khác có tính chất tương tự mô hình

nguyên thể [1] Ví dụ như mô hình tương tự điện

* Mô hình toán học: là mô hình miêu tả hệ thống dưới dạng toán học Sự vận

hành của hệ thống được mô tả bằng một hệ phương trình liên kết giữa các biến vào,

ra của hệ thống [1]

* Mô hình ngẫu nhiên: là một quá trình mô phỏng quá trình thủy văn theo một

quy luật phân bố xác suất [1]

* Mô hình ngẫu nhiên độc lập không và thời gian: Các đại lượng xuất hiện tại các

thời điểm khác nhau không làm ảnh hưởng lẫn nhau và giá trị tại vị trí này không liênquan đến vị trí khác Hàm phân bố xác suất là duy nhất và chỉ là hàm một chiều [1]

* Mô hình ngẫu nhiên độc lập không gian nhưng tương quan thời gian: Xác suất

xuất hiện của các biến trong không gian không làm ảnhhưởng lẫn nhau Nhưng giá trịcủa biến tại một thời điểm chịu ảnh hưởng của các giá trị tại một số thời điểm trước[1] Các loại mô hình thuộc loại này gồm: Mô hình Markov, Fragment, ARIMA, ARX,ARMAX

* Mô hình ngẫu nhiên tương quan không gian nhưng độc lập thời gian: Trong

mô hình xem xét tác động tương hỗ giữa xác suất xuất hiện các biến tại các vị trí khácnhau, nhưng theo thời gian không bị ảnh hưởng [1]

* Mô hình ngẫu nhiên tương quan không và thời gian: Trong mô hình xem xét

xác suất xuất hiện của các biến phụ thuộc lẫn nhau cả theo không gian, cả theo thời gian[1] Các loại mô hình thuộc loại này gồm: Monte-Carlo, Thormat-Frering

* Mô hình tất định: là một quá trình mô phỏng hệ thống bằng các phương trình

toán học, thể hiện mối quan hệ nhân quả của hệ thống thủy văn, có khả năng tiếp cận

hệ thống và dần dần thể hiện, biểu đạt gần đúng quy luật của hệ thống [1]

* Mô hình hộp đen: là mô hình mô phỏng những hệ thống mà cấu tạo và các

thông số của nó hoàn toàn không rõ ràng, chỉ có thể được xác định trên cơ sởnhững thông tin vào - ra [1] Mô hình hộp đen gồm: ANN, DBM

* Mô hình nhận thức: là loại mô hình được mô tả bởi một tập hợp các quan hệ

toán học, từng quan hệ biểu diễn từng mặt riêng của quá trình, nhưng kết hợp lại chúng

mô hình hóa cả quá trình trọn vẹn [1]

* Mô hình thông số tập trung: là mô hình mà hệ thống được trung bình hoá

trong không gian và có thể coi hệ thống như một điểm đơn độc trong không gian Cácthông số coi như không thay đổi theo không gian mà chỉ nhận một giá trị đặc trưngcho cả hệ thống [1]

* Mô hình tuyến tính: là mô hình trong đó hàm lượng trữ là một phương trình

tuyến tính có các hệ số là hằng số [1] Mô hình tuyến tính thông số tập trunggồm: TANK, NAM, SSARR, Kalinhin - Miliukốp - Nash, HBV, CLS, NWS, Sacromento,RRMOD

* Mô hình phi tuyến: là mô hình mà hàm lượng trữ là một hàm phi tuyến [1] Các

mô hình phi tuyến thông số tập trung gồm: LTANK, STANFORD 4, HEC-HMS, HMC,SMART, ARNO

* Mô hình thông số phân bố: là mô hình mà hệ thống mô phỏng sự diễn biến của

quá trình thủy văn tại các điểm khác nhau trong không gian và định nghĩa các biến trong

mô hình như là hàm tọa độ Các thông số được xem xét theo sự biến đổi không giancủa hệ thống [1]

* Mô hình thủy văn thông số phân bố: là mô hình thông số phân bố tổng hợp

dòng chảy từ mưa hoặc diễn toán dòng chảy trên lưu vực sông [2]

* Mô hình tham số:là mô hình thủy văn thông số phân bố dựa trên giả định

phương trình vật lý thực nghiệm kết hợp với quan hệ bán kinh nghiệm của lượng mưa

và dòng chảy đầu ra Mô hình còn được gọi là mô hình thủy văn thông số phân bố kháiniệm [2] Mô hình thông số phân bố khái niệm gồm có: mô hình IFAS, TOPMODEL,FRASC, VIC, DIMOSOP, GEOTOP, Girard

* Mô hình vật lý cơ bản: là mô hình thủy văn thông số phân bố xem dòng chảy

như là một hiện tượng di chuyển của mưa trên lưu vực sông và thể hiện quá trình dichuyển bằng phương trình thấm và phương trình dòng chảy không đều Mô hìnhcòn được gọi là mô hình thủy văn thông số phân bố đầy đủ, hiện nay không có một môhình nào có thể trình bày quá trình di chuyển bởi các hàm vật lý hoàn thiện [2] Các môhình thông số phân bố đầy đủ gồm có: mô hình MIKE SHE, MARINE, WETSPA, TOPKAPI,SHETRAN, HDSVM

* Mô hình thủy lực: là mô hình diễn toán dòng chảy dưới tác động của lực Cơ

chế sinh lực tác động là chênh lệch áp suất, độ dốc hoặc độ cao mực nước

* Mô hình sóng động học: là mô hình mô phỏng dòng chảy đã bỏ qua gia tốc địa

phương, gia tốc đối lưu và các thành phần áp suất trong phương trình động lượng[3] Các loại mô hình sóng động học như 1DKWM-FEM&SCS

Hình 1.1 Cây phân loại mô hình toán thủy văn [5]

* Mô hình sóng khuếch tán: là mô hình mô phỏng dòng chảy đã bỏ qua gia tốc

địa phương và gia tốc đối lưu trong bằng phương trình động lượng [3] Mô hình thủylực hai chiều như HDM

* Mô hình sóng động lực: là mô hình mô phỏng dòng chảy bằng phương trình

động lượng đầy đủ [3] Các loại mô hình thủy lực một chiều (1D) gồm: MIKE 11, VRSAP,IMECH1D, KOD1, HEC-RAS, ISIS-1D, HydroGIS, MK4, QUAL2-E, HEC 6, IMECH1D, SOBECK-1D; mô hình thủy lực hai chiều (2D) gồm: MIKE 21, NAKATA, SOBEK-2D, NK-GIAS, ISIS-2D, TULFOW-2D, DUFLOW, TELEMAC-2D, TREM, CCHE2D; mô hình thủy lực 3 chiều (3D)gồm: TELEMAC-3D, MIKE-3, Delft-3D, Flo-3D

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

1.2.1 Đánh giá tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước [6]

Dự báo thủy văn có vai trò quyết định trong công tác phòng chống lũ và ngập lụt

ở các nước trên Thế giới Việc dự báo thủy văn cũng như các hiện tượng thiên tai khácxuất hiện từ thời xa xưa, bằng những phương pháp, kinh nghiệm đơn giản như dựa vào

sự di trú, tập quán của các loài sinh vật, một số hiện tượng trên bầu trời Sự phát triểncủa dự báo thủy văn phát triển cùng với thời đại công nghiệp đến thời đại công nghệthông tin như hiện nay Từ các thiết bị đơn giản, đã đo được các yếu tố cơ bản củathủy văn và hình thành các phương pháp dự báo mực nước tương ứng, phương trìnhhồi quy, đường đơn vị, mô hình ngẫu nhiên, mô hình hộp đen Với sự phát triển củamáy tính phương pháp dự báo thủy văn đã có sự phát triển mạnh thông qua mô hìnhhóa các quá trình thủy văn Các ngôn ngữ lập trình, máy tính ra đời, cùng với đó là các

số liệu khí tượng thủy văn đủ tin cậy để mô phỏng quá trình dòng chảy trên lưu vựcsông Các mô hình thủy văn thông số tập trung ra đời như TANK, NAM, HEC-HMS,HMC, SMART, ARNO, STANFORD 4, HBV, SSARR với các loại phương trình phát triển từtuyến tính đến phi tuyến Tuy nhiên mô hình thủy văn thông số tập trung đã trung bìnhhóa lưu vực, đối tượng mô phỏng nên có nhiều hạn chế đã dẫn đến ra đời nhiều môhình thủy văn thông số phân bố Các loại mô hình thủy văn thông số phân bố gồm cácloại mô hình thủy lực, mưa dòng chảy đang phát triển mạnh mẽ và ứng dụng trongnhiều lĩnh vực trong đó có dự báo thủy văn Các loại mô hình mưa dòng chảy thông sốphân bố có nhiều ưu việt so với các mô hình thông số tập trung như mô phỏng được tácđộng của nhiều yếu tố, điều kiện tự nhiên đến dòng chảy nên mô phỏng sát thực tếhơn, mô phỏng được quá trình lan truyền sóng lũ, đánh giá tác động của biến đổi cácyếu tố khí tượng thủy văn và điều kiện tự nhiên khác theo không gian đến diễn biếndòng chảy lưu vực sông

Với sự phát triển mạnh mẽ của các ngôn ngữ lập trình, máy tính, công nghệ viễnthám và GIS đã có nhiều mô hình mưa - dòng chảy thông số phân bố được ứng dụng

rộng rãi, có hiệu quả trong công tác dự báo thủy văn, khôi phục số liệu Các mô hìnhmưa - dòng chảy thông số phân bố điển hình trên Thế giới gồm:

1) Mô hình TOP: Mô hình TOP (Topography Model) do giáo sư Mike Kirkby

thuộc trường Đại học Địa lý Leeds phát triển vào năm 1974 dưới sự bảo trợ của Hội đồng

nghiên cứu môi trường thiên nhiên Vương quốc Anh Năm 1975, Keith Beven bắt đầuxây dựng chương trình TOPMODEL bằng ngôn ngữ Fortran IV Mô hình thông số phân

bố TOP là mô hình nhận thức mưa - dòng chảy Mô hình hoạt động dựa trên các mô

tả gần đúng về thủy văn, thủy lực

2) Mô hình TOPKAPI: TOPKAPI là mô hình thủy văn thông số phân bố đầy đủ với

việc tham số hóa đơn giản và chi tiết Cấu trúc mô hình gồm 5 mô đun: thoát hơi thựcvật, tuyết tan, dòng chảy trong đất, dòng chảy mặt và dòng chảy trong kênh

3) Mô hình GEOTOP: Mô hình GEOTOP do Riccardo Rigon thuộc trường đại học

Trento - Italia xây dựng Mô hình chạy trên ô lưới của bản đồ mô hình số độ cao (DEM),tại mỗi ô lưới mô hình giải phương trình năng lượng và phương trình cân bằng nước

Mô hình mô phỏng ảnh hưởng của mưa phân bố, cản mưa từ tán cây, nhiệt độ, áp suấtkhông khí, bức xạ mặt trời, bốc hơi mặt đất, thoát hơi thực vật, độ ẩm đất đến quá trìnhhình thành dòng chảy mặt, sát mặt và dòng ngầm

4) Mô hình WETSPA: WETSPA (Water and Energy Transfer between Soil, Plant

and Atmosphere) là mô hình thủy văn vật lý phân phối dùng để mô phỏng sự trao đổinăng lượng giữa lớp đất, thực vật và khí quyển trên phạm vi lưu vực hoặc khu vực Môhình được phát triển tại phòng nghiên cứu Thuỷ văn Thủy lực, Khoa khoa học ứng dụngđại học tự do Brusels, Vương quốc Bỉ Mô hình quan niệm một hệ thống thủy văn lưuvực là tổ hợp của các quá trình khí quyển, hấp thu thực vật, vùng rễ cây, vùng chuyểnnước và vùng bão hoà Mỗi một ô lại được chia thành các phần có lớp phủ và phầnkhông thấm

5) Mô hình DIMOSOP: DIMOSOP (Distributed hydrological MOdel for the Special

Observing Period) là mô hình thủy văn thông số phân bố tham số (khái niệm) được sửdụng nhiều ở các nước châu Âu như Ý, Pháp, Thụy Sỹ Đầu vào của mô hình ngoài mưaphân bố theo không gian còn có bản đồ mô hình số độ cao, bản đồ hiện trạng sử dụngđất, bản đồ đất dưới dạng ô lưới Các phần tử ô lưới có thể là thành phần của sườndốc lưu vực, sông hoặc công trình hồ chứa

6) Mô hình FRASC: Mô hình FRASC (Flow Routed Accumulation Simulation in a

Catchment - mô phỏng lũy tích diễn toán dòng chảy trên lưu vực) được cải tiến từ môhình Xinanjiang được xây dựng từ năm 1973 và công bố năm 1980 Điểm mấu chốt của

mô hình Xinanjiang là khái niệm tạo dòng chảy ở trạng thái no của tầng chứa nước,nghĩa là dòng chảy sẽ không được sản sinh cho đến khi lượng ẩm của tầng thoáng khíđạt tới khả năng đồng ruộng, sau đó dòng chảy bằng lượng mưa vượt quá và khôngtính thêm một loại tổn thất nào nữa

7) Mô hình IFAS: IFAS (Integrate Flood Analysis System) là một phần mềm tích

hợp hệ thống phân tích lũ của Nhật Bản Cốt lõi của phần mềm là mô hình thủy vănthông số phân bố tham số mô phỏng dòng chảy sườn dốc thông qua các lưới DEM dướitác động của lớp phủ thực vật, lớp đất của bề mặt lưu vực Mỗi lưới gồm một hệ

thống các bể chứa phi tuyến sắp xếp theo chiều thẳng đứng, mỗi bề chứa có 1 hoặc 2cửa bên, 1 cửa đáy (trừ bể chứa dưới cùng) cho phép mô phỏng các thành phần dòngchảy mặt, sát mặt và dòng ngầm

8) Mô hình VIC: VIC (Variable Infiltration Capacity): mô hình biến đổi thể tích

thấm là mô hình thủy văn quy mô lớn thể hiện đầy đủ quá trình cân bằng nước và nănglượng được phát triển bởi Xu Liang thuộc trường Đại học Washington - Hoa Kỳ Môhình VIC được sử dụng để mô phỏng quá trình thay đổi đặc tính vật lý của nước và nănglượng trong đất, thảm phủ và không khí trên bề mặt thảm phủ trong quá trình dichuyển của không khí Mô hình VIC là mô hình mã nguồn mở được xây dựng bởi Liang

và cộng sự, sau đó được nâng cấp bởi Lohmann, cuối cùng là Liang & Xie

9) Mô hình MARINE: Mô hình MARINE (Modelisation de l’Anticipation du

Ruissellement at des INondations pour des événements Extremes) hay (Model ofAnticipation Runoff and INundations for Extreme events) là mô hình thủy văn thông sốphân bố do Viện Cơ học chất lỏng Toulouse (Pháp) phát triển (Institute de Mecanique deFluides de Toulouse -IMFT) Mô hình MARINE được ứng dụng tính toán lũ quét thời gianthực từ dự án PACTES (cảnh báo nguy cơ lũ quét theo không gian) tại Pháp với sự hỗtrợ ban đầu của Bộ nghiên cứu Pháp và Cơ quan vũ trụ Pháp để tính toán trận lũ quétxảy ra năm 1999 tại vùng phía Nam nước Pháp Trên thế giới, MARINE được đánh giácao và được khai thác sử dụng tính toán lũ quét ở nhiều nước như Pháp, Hà Lan, Brasil

10) Mô hình MIKE SHE: Năm 1969, Freeze và Harlan đã đề xuất một thiết kế cho

mô hình hóa chu trình thủy văn, trong đó đề cập đến quá trình vật lý của chu trình Năm

1977, các nhà thủy văn học của châu Âu đã phát triển và mở rộng thiết kế trên và nângcấp thành mô hình hóa hệ thống thủy văn gọi là hệ thống thủy văn châu Âu (SHE) Từgiữa những năm 80 của thế kỷ trước, Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) đã phát triển và mởrộng hơn thành mô hình MIKE SHE Mô hình này đã mô phỏng nhiều nhất các thànhphần tham gia vào quá trình hình thành dòng chảy trên lưu vực Các phép tính của môhình được chạy trên lưới ô vuông với các dữ liệu đầu vào gồm bản đồ DEM, lớp phủ, địachất, chỉ số thực vật, mưa phân bố

11) Mô hình IHM: IHM (Integrated Hydrologic Model) là mô hình thủy văn tích

hợp, được sử dụng để nghiên cứu nước mặt và nước dưới đất Thành phần nước mặtđược mô phỏng gồm dòng chảy trong sông suối, hồ chứa và đầm lầy, thành phần nướcdưới đất gồm nước ngầm tầng nông, nước ngầm tầng sâu, nước khe nứt IHM đặc biệthữu ích trong việc nghiên cứu nước ngầm tầng nông, lớp nước sát mặt Mô hình chophép mô phỏng dòng chảy trên lưu vực dưới tác động của mưa, bốc hơi từ mặt đất vàmặt nước, thoát hơi thực vật, dòng chảy sông suối và khe nứt, tình trạng nước mặt vànước ngầm, thấm từ nước mặt xuống hệ thống nước dưới đất, lượng trữ nước ngầm,đặc tính và phát triển kiểu loại đất, bơm nước từ giếng, giữ nước trong sông

12) Mô hình IHDM: IHDM (The Institute of Hydrology Distributed) có xuất xứ từ

Vương Quốc Anh, được Morris đề xuất năm 1980 Mô hình tiếp cận hệ thống bằng cáchchia lưu vực thành các dải phần tử có độ dốc lớn nhất và mô phỏng dòng chảy một

15chiều của dòng chảy sườn dốc trên các dải đó Dòng chảy trên sườn dốc được đổ vàocác kênh và tiếp tục được diễn toán một chiều đến cửa ra lưu vực.

13) Mô hình WEP: Mô hình WEP (Water and Energy transfer Processes) dựa

trên cơ sở nghiên cứu của Jai và Tamai, được phát triển tại Viện nghiên cứu việc làmcông cộng Nhật Bản Là mô hình thủy văn thông số phân bố vật lý cơ bản tương tự như

mô hình MIKE SHE của Đan Mạch Mô hình tính thấm bằng phương trình Green-Amptxuống nhiều tầng nước ngầm, chuyển động của nước trong tầng đất chưa bão hòa đượctính theo phương trình Richards

14) Mô hình WATFLOOD: WATFLOOD được phát triển bởi Kouwen thuộc trường

Đại học Waterloo - Canada, là mô hình thủy văn thông số phân bố vật lý cơ bản môphỏng quá trình tự nhiên của dòng chảy trên lưu vực sông Mô hình được ứng dụng môphỏng thủy văn thời đoạn ngắn để dự báo lũ hoặc mô phỏng thời đoạn dài để tínhtoán nguồn nước lưu vực sông Mô hình có khả năng kết nối với lượng mưa phân

bố quan trắc từ trạm radar thời tiết hoặc sản phẩm của mô hình số trị Quá trình môphỏng gồm: tác động của tán cây, thấm, bốc hơi, tuyết tan, bào mòn bề mặt, dòng chảysát mặt, nạp lại dòng chảy, dòng chảy cơ bản, dòng chảy tràn và dòng chảy trong sông

15) Mô hình SWAT: SWAT được xây dựng bởi Trung tâm phục vụ nghiên cứu

nông nghiệp (Agricultural Research Service) thuộc Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (UnitedStates Department of Agriculture) và Trung tâm nghiên cứu nông nghiệp (Texas A&MAgriLife Research) thuộc Đại học Texas A&M, Hoa Kỳ vào đầu những năm 1990 với mụcđích dự báo những ảnh hưởng của thực hành quản lý sử dụng đất đến nước, sự bồi lắng

và lượng hóa chất sinh ra từ hoạt động nông nghiệp trên những lưu vực rộng lớn vàphức tạp trong khoảng thời gian dài Một trong những module chính của mô hình này là

mô phỏng dòng chảy từ mưa và các đặc trưng vật lý trên lưu vực

1.2.2 Đánh giá tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước [6]

nhanh, lũ rất bất ngờ và khốc liệt, đặc biệt là khu vực Miền Trung Các sông Miền Trungngắn, độ dốc lớn, địa hình các lưu vực sông rất dốc nên lũ lên rất nhanh và xuốngnhanh, thời gian duy trì một trận lũ ngắn Công tác nghiệp vụ dự báo thủy văn, trên mộtlưu vực sông cần dự báo cho nhiều điểm tại vị trí các trạm thủy văn, lưu lượng về các

hồ chứa, mô hình thủy lực cần nhiều biên đầu vào Với bộ mô hình tích hợp hệ thốngđơn giản hơn do cần sử dụng ít mô hình hơn, cần ít người vận hành hơn Ngoài ra bộ môhình tích hợp chi tiết hóa theo không gian, mô phỏng sát với thực tế hơn là cơ sở đápứng ngày càng cao của công tác dự báo thủy văn đối với sự phát triển của xã hội, yêucầu của công tác phòng tránh giảm nhẹ thiên tai

Trong thực tế các trạm quan trắc bề mặt thường có sự thay đổi như chuyểntrạm, thành lập mới, giải thể dẫn đến sự thay đổi trong phương án dự báo thủy vănđược thiết lập bằng mô hình thông số tập trung do phương pháp tính mưa bình quân

lưu vực có sự thay đổi Với bộ mô hình tích hợp thì phương án dự báo không thay đổi vìlượng mưa tại các trạm không nhập trực tiếp vào mô hình mà đã qua xử lý mưa phân

bố theo không

gian Trong điều kiện đô thị hóa ngày càng mạnh, sự vi phạm hành lang công trình quantrắc thì việc thay đổi trạm quan trắc bề mặt ngày càng nhiều Các điểm đo mưa nhândân, trạm thủy văn dùng riêng rất dễ có sự thay đổi do điều chỉnh kinh phí hoạt độngphòng chống thiên tai ở địa phương Những sự thay đổi trên gây khó khăn trong việc

sử dụng mô hình thủy văn thông số tập trung trong phương án dự báo Xác định lượngmưa phân bố theo không gian, dự báo định lượng mưa từ mô hình số trị đang có xuhướng phát triển trong những năm gần đây, việc ứng dụng mô hình thủy văn thông

số phân bố sẽ khai thác có hiệu quả hơn lượng mưa phân bố theo không gian

Các mô hình mưa dòng chảy thông số phân bố được sử dụng ở nước ta chủ yếu

có nguồn gốc từ nước ngoài Mô hình MARINE được sử dụng trên sông Đà để dự báodòng chảy về hồ Hòa Bình, ứng dụng mô hình WESTPA dự báo dòng chảy lưu vực sông

Vũ Gia Thu Bồn, ứng dụng mô hình DIMOSOP dự báo dòng chảy lưu vực sông Hồng Các

mô hình trên đang được sử dụng trong nghiệp vụ tại Trung tâm Dự Báo Khí tượng Thủyvăn Trung ương Mô hình mưa dòng chảy thông số phân bố xây dựng ở trong nước cóthể kể đến Mô hình 1DKWM-FEM&SCS Là mô hình sóng động học một chiềuphương pháp phần tử hữu hạn kết hợp và phương pháp SCS do PGS.TS Nguyễn ThanhSơn, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội xây dựng Mô hình sóng động học mộtchiều dựa trên cơ sở xấp xỉ chi tiết không gian lưu vực và tích phân số trị các phươngtrình đạo hàm riêng mô tả các quá trình vật lý diễn ra trên lưu vực nhằm diễn toán quátrình hình thành dòng chảy sông qua hai giai đoạn: dòng chảy trên sườn dốc và tronglòng dẫn Mô hình cho phép đánh giá được tác động của lưu vực quy mô nhỏ đến dòngchảy Phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp với phương pháp số dư của Galerkin được

sử dụng để giải hệ phương trình sóng động học của dòng chảy một chiều gồm phươngtrình liên tục và phương trình động lượng Thuật giải gồm: rời rạc hóa khối liên tục, lựachọn các mô hình biến số của trường, tìm các phương trình phần tử hữu hạn, tập hợpcác phương trình đại số cho toàn bộ khối liên tục được rời rạc hóa, giải cho các vectorcủa các biến của trường tại nút, tính toán các kết quả từng phần tử từ biên độ các biếncủa trường tại nút Hệ số nhám các phần tử được lấy từ bản đồ rừng, hệ số CN đượctính theo phương pháp trung bình trọng số từ bản đồ sử dụng đất Mô hình mô phỏng

cả quá trình dòng chảy sườn dốc và trong sông liên tục bằng hệ phương trình sóng độnghọc một chiều Ngoài các ưu điểm trên, mô hình 1DKWM-FEM&SCS còn một sốnhược điểm như: mô hình chưa mô phỏng chi tiết so với các mô hình giải trên ô lưới(DEM), chưa mô phỏng thành phần bốc hơi và thoát hơi thực vật, đầu vào ít được hỗ trợbởi công nghệ GIS

Nghiên cứu tích hợp mô hình toán ở nước ta được phát triển trong những nămgần đây, các công trình nghiên cứu có hiệu quả như: Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng môhình toán thuỷ văn - thuỷ lực giải bài toán cân bằng nước liên lưu vực sông Thạch Hãn vàBến

Hải, Quảng Trị” của Nguyễn Đình Thanh - Đại học Thủy lợi năm 2003 đã kết hợp môhình TANK và VRSAP thành bộ công cụ để tính toán cân bằng nước Đề tài “Nghiên cứu

dự báo mưa, lũ trung hạn cho vận hành hệ thống hồ chứa phòng lũ - ứng dụng cholưu vực sông Cả” của Hoàng Thanh Tùng - Đại học Thủy lợi năm 2011 đã sử dụng môhình HEC - HMS và ARIMA để dự báo dòng chảy đến hồ Đề tài “Nghiên cứu quản lý lũlớn lưu vực sông Lam” của Trần Duy Kiều - Đại học Thủy lợi năm 2012 đã ứng dụng bộ

mô hình MIKE của Đan Mạch để mô phỏng lũ do mưa lớn trên lưu vực sông gồm MIKENAM, MIKE 11, MIKE 21 và MIKE FLOOD

Việc sử dụng mô hình thủy văn thông số phân bố MARINE trong dự báo lũ đượcnghiên cứu rất sâu trong các đề tài nghiên cứu khoa học cấp Nhà nước, cấp Bộ như:

- Nguyễn Văn Điệp, đề tài nghiên cứu khoa học cấp Nhà nước “Nghiên cứu cơ sởkhoa học cho các giải pháp tổng thể dự báo phòng tránh lũ lụt ở đồng bằng sông Hồng”,Viện Cơ học, Trung tâm KHTN & CNQG (2001 – 2004)

- Nguyễn Hồng Khánh, đề tài nghiên cứu khoa học cấp Nhà nước “Nghiên cứu đềxuất các giải pháp quản lý sử dụng tổng hợp tài nguyên nước lưu vực sông Vu Gia – sôngHàn đáp ứng nhu cầu phát triển bền vững thành phố Đà Nẵng” (2007G/43)

- Nguyễn Lan Châu, đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ “Nghiên cứu xây dựngcông nghệ dự báo lũ phục vụ điều tiết hồ chứa Hòa Bình trong công tác phòng chống lũlụt” (2006)

- Hoàng Văn Lai, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ “Xây dựng công nghệ cảnhbáo, dự báo ngập lụt vùng hạ lưu hệ thống sông Hương” (2007)

- Bùi Đình Lập, đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ “Nghiên cứu xây dựng côngnghệ dự báo dòng chảy lũ đến các hồ chứa lớn trên hệ thống sông Hồng” (2014 – 2016)

1.2.3 Đánh giá tổng quan tình hình nghiên cứu trên lưu vực

Hiện nay công tác dự báo lũ trên lưu vực sông Kỳ Lộ được địa phương rất quantâm, tuy nhiên địa hình rất ngắn và dốc, thời gian tập trung dòng chảy nhanh, phân hóamưa theo không gian mạnh do tác động bởi địa hình Các mô hình thủy văn thông sốtập trung đang được áp dụng không mô phỏng được tác động của các yếu tố trên đếndòng chảy lưu vực sông Các phương pháp truyền thống như xây dựng phương trìnhtương quan nhiều biến, mực nước tương ứng không đáp ứng yêu cầu của công tác dựbáo hiện nay và độ chính xác không cao do tác động của biến đổi khí hậu, ảnh hưởngcủa hồ chứa, ngoài ra khi số lượng trạm mưa, vị trí trạm thủy văn thay đổi thì cácphương án trên cũng phải xây dựng lại

Phương án đang sử dụng hiện nay là dùng phương trình hồi quy bội tuyến tính,phương pháp này chỉ dự báo được trị số đỉnh lũ, không dự báo được thời gian xuấthiện, không dự báo được cả đường quá trình và không thể áp dụng cho mùa cạn.Ngoài ra do

tác động của hồ chứa và đập dâng nên phương pháp này có độ chính xác không cao.Phương pháp sử dụng mô hình thủy văn thông số tập trung không thể áp dụng chotrạm thủy văn Hà Bằng vì đây là trạm hạng II, không đo lưu lượng, vị trí trạm ở hạ lưu,dòng chảy bị phân nhánh và chia nước nhiều Việc áp dụng mô hình thủy văn thông

số tập trung cho các nhánh sông cần nhiều mô hình, rất phức tạp, không mô phỏngđược lượng nước gia nhập đáng kể ở khu giữa, không mô phỏng được tác động của cáccông trình thủy lợi Do đó phương án dự báo tốt nhất cho lưu vực sông Kỳ Lộ là sửdụng mô hình mưa - dòng chảy thông số phân bố

Mô hình mưa - dòng chảy thông số phân bố tính toán dòng chảy từ phương trìnhsóng động học trên địa hình sườn dốc kết hợp với tính toán dòng chảy trong sôngbằng mô hình thủy lực 1 chiều cho phép mô phỏng dòng chảy lưu vực sông chi tiết hơn,sát với thực tế hơn Mô hình tính toán đầy đủ các thành phần dòng chảy và liên tục từthượng nguồn đến cửa biển, qua đó chất lượng dự báo cho lưu vực sông Kỳ Lộ có độchính xác cao hơn, chi tiết hơn Các công trình hồ chứa và đập dâng được mô phỏngtrong mô hình thủy lực 1 chiều giúp đánh giá được ảnh hưởng của công trình thủy lợiđến dòng chảy lưu vực sông Kỳ Lộ Luận văn sử dụng mô hình MARINE của Pháp là môhình thủy văn thông số phân bố đầy đủ, mô phỏng bản chất vật lý của quá trình dòngchảy trong trên lưu vực sông Đây là mô hình mã nguồn mở được ứng dụng rộng rãitrên thế giới, đặc biệt là ở châu Âu, ở nước ta mô hình đã được sử dụng để dự báodòng chảy về hồ Hòa Bình, hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình, sử dụng giảng dạytrong nhiều trường đại học Mô hình tiếp tục được phát triển và nâng cấp, ở châu Âu đãphát triển mô hình để dự báo lũ quét và ứng dụng trong nghiệp vụ dự báo lũ quét ởPháp và Ý Tuy nhiên mô hình mới chỉ mô phỏng dòng chảy sườn dốc, phần dòng chảytrong sông mô hình cộng dồn dòng chảy các ô lưới để tính dòng chảy trong các đoạnsông Từ dòng chảy các đoạn sông có thể sử dụng nhiều mô hình khác nhau để diễntoán Phương pháp cộng dồn dòng chảy các ô lưới để tính dòng chảy cho một đoạnsông là không sát với thực tế, do đó trong đề tài nghiên cứu xây dựng mô hình sóngđộng học một chiều phi tuyến để diễn toán dòng chảy trong sông Mô hình sóng độnghọc một chiều phi tuyến được xây dựng sẽ kết nối mã nguồn với mô hình MARINE để

mô phỏng quá trình động lực, liên tục của dòng chảy trên lưu vực sông Ngoài ra môhình MARINE chưa mô phỏng dòng chảy của đoạn sông phân nhánh, nên với lưu vực cónhiều nhánh sông gia nhập, hệ thống sông suối phức tạp ảnh hưởng nhiều đến chấtlượng mô phỏng Để khắc phục nhược điểm này, luận văn tiếp tục cải tiến mô hìnhMARINE để tính toán dòng chảy cho các ô lưới của sông phân nhánh và phát triển

mô hình sóng động một chiều phi tuyến cho một đoạn sông để mô phỏng cho mộtmạng lưới sông Việc cải tiến và kết nối trên sẽ mô phỏng dòng chảy lưu vực sông liêntục, đầy đủ và sát với thực tế để nâng cao chất lượng dự báo

Với bộ mô hình trên cần cơ sở dữ liệu rất lớn, ngoài số liệu khí tượng thủy văncần thu thập bản đồ địa hình, lớp phủ và địa chất Bản đồ địa hình được số hóa, cấythuộc tính cao độ cho các đường bình đồ và điểm cao độ để tạo bản đồ mô hình số

độ cao DEM Bản đồ lớp phủ và địa chất được mã hóa thông tin theo yêu cầu của môhình MARINE và chuyển đổi từ dạng vector sang rastor để làm cơ sở dữ liệu đầu vào.Công việc tính các dữ liệu này, đặc biệt là tính địa hình từ DEM rất công phu, dữ liệu lớn

Để sử dụng mô hình thuận tiện cần xây dựng công cụ xử lý dữ liệu bằng cách kết hợpngôn ngữ lập trình Visual Basic Studio 2010 và Arc GIS Destop 10 Các công cụ và môhình được tích hợp trong một phần mềm giúp nâng cao hiệu quả sử dụng công nghệtrong nghiệp vụ dự báo thủy văn

Tóm lại, qua phân tích điều kiện áp dụng các mô hình, các phương pháp để dự báo lũ trên lưu vực sông Kỳ Lộ cho thấy:

- Phương pháp sử dụng phương trình hồi quy bội tuyến tính: chỉ dự báo được 1 trị

số đỉnh lũ, không dự báo được đường quá trình, không dự báo được thời gian xuất hiện.

- Phương pháp mực nước tương ứng: thời gian tập trung nước nhanh nên không

có ý nghĩa trong dự báo phục vụ và phòng chống lũ lụt.

- Mô hình thủy văn thông số tập trung: không mô phỏng được quá trình tập trung dòng chảy, không mô phỏng được ảnh hưởng của mưa ở các khu vực khác nhau trong khi đó lượng mưa phân hóa theo không gian rất lớn đặc biệt là ở vùng núi.

Vì vậy để khắc phục các hạn chế nêu trên, việc lựa chọn mô hình thủy văn thông

số phân bố Marine dự báo lũ sông Kỳ Lộ là khá phù hợp với điều kiện hiện nay Mô hình

có thể phát triển để mô phỏng tác động của hồ chứa, đập dâng đến quá trình dòng chảy lưu vực, tích hợp dự báo mưa của mô hình số trị, định lượng mưa viễn thám để xây dựng được bộ công cụ dự báo tương đối hoàn thiện hơn.

1.3 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN

1.3.1 Đặc điểm hình thái lưu vực sông [16]

và phía nam giáp lưu vực sông Ba, phía đông giáp Biển Đông Lưu vực trải rộng trên cáchuyện Đồng Xuân và Tuy An của tỉnh Phú Yên và một phần phía tây và tây bắc nằm ởhuyện Vân Canh tỉnh Bình Định, huyện KrongChro và Krongpa tỉnh Kon Tum Diện tích

Sông Kỳ Lộ là sông lớn thứ 2 ở tỉnh Phú Yên, phần thượng lưu có tên là sông LaHiêng, bắt nguồn từ núi To Net (1030m) ở xã Dăk Song huyện Krong Chro tỉnh Gia Lai,chảy theo hướng bắc tâybắc vào địa phận tỉnh Phú Yên ở xã Phú Mỡ huyện Đồng Xuân

rồi chuyển hướng tây bắc- đông nam qua thôn Phú Mỹ, xã An Dân chia làm hai nhánh(sông Cái và sông Nhân Mỹ), nhánh sông Cái sau khi chảy qua quốc lộ 1A tiếp tục chialàm hai nhánh (sông Cái và sông Hà Yến), sông Cái và sông Nhân Mỹ đổ ra cửa Bình Bá,còn sông Hà Yến đổ ra đầm Ô Loan.

Sông Kỳ Lộ có 11 nhánh sông cấp I chảy trực tiếp vào dòng chính như các sông:Tiouan, Khe Cách, Gâm, Cà Tơn, suối Đập, Trà Bương, Cổ, Cạy, Tà Hồ…Tiềm năngthủy lợi và thủy điện sông Kỳ Lộ được khai thác khá tốt, gồm: các hồ chứa như PhúXuân, hệ thống thuỷ lợi Tam Giang và thủy điện La Hiêng 2 đang được xây dựng

Bảng 1.1 Đặc trưng hình thái sông

Tên sông Đổ ra Chiều dài(km) Diện tích(km2) Ghi chú

Chình, Suối,Mà Dom

1.3.2 Đặc điểm địa hình, địa chất, thổ nhưỡng, thảm phủ thực vật

1.3.2.1 Đặc điểm địa hình [14]

Vùng thượng nguồn lưu vực sông Kỳ Lộ có độ cao phổ biến từ 500 - 800m, độdốc lưu vực và độ dốc sông rất lớn, các hẻm núi và thung lũng hẹp bị cắt xẻ rất sâu Độdốc bình quân vùng thượng lưu là 2,8%, độ dốc lưu vực lớn nhất ở nhánh sông Ea