Do địa hình phân bố nhƣ đã nói ở trên nên về mùa lũ lƣu lƣợng tập trung trên các sông suối dồn về đồng bằng rất nhanh. Mặt khác do sự chắn ngang củacác dải cát ven biển nên nƣớc lũ chỉ thoát hạn chế qua 2 cửa sông chính là Cửa Tùng và Cửa Việt, khi gặp triều cƣờng khả năng thoát bị hạn chế rất nhiều gây ra lũ lụt cho vùng đồng bằng. Lũ sông lớn cộng với bão, triều cƣờng làm ách tắc dòng chảy tràn
28
vào đồng ruộng, nhà cửa, làm thiệt hại lớn đến tài sản của nhân dân. Hàng năm cứ đến mùa lũ, bão hầu nhƣ không có năm nào không thiệt hại.
Trận lũ lịch sử từ đầu tháng 11 năm 1999 với lƣợng mƣa tính tới 7 giờ ngày 7-11-1999 đạt 1517mm tại Mỹ Chánh, 1368mm tại Thạch Hãn và 857mm tại Ðakrông gây lũ lớn với mực nƣớc 7,29m tại Thạch Hãn (cao hơn báo động 3 là 1,79m) và 32.72m tại Ðakrông (cao hơn báo động 3 là 1,72m) làm chết và mất tích 56 ngƣời. Thiệt hại trên toàn tỉnh ƣớc tính trên 300 tỷ đồng Lụt thƣờng xuyên xảy ra hàng năm gây tổn thất lớn tới ngƣời và của cho nhân dân. Theo thống kê 10 năm gần đây, thiệt hại do lũ trên lƣu vực Thạch Hãn nhƣ sau:
Thiệt hại về lũ gây ra ngày càng nặng nề đối với ngƣời và tiền của của nhân dân và gây mất ổn định xã hội.
Tình trạng lũ quét đã xảy ra trong vùng, nhất là các năm gần đây với nguyên nhân chính là:
Lƣợng mƣa có cƣờng độ lớn, thời gian tập trung dòng chảy nhanh. Tại Quảng Trị lƣợng mƣa đạt 100 mm/h, 162 mm/2h.
Lớp phủ thực vật bị tàn phá, độ che phủ kém. Những trận lũ quét đã xảy ra ở
thƣợng nguồn sông Thạch Hãn trên đoạn sông Đakrông nhƣ trận lũ X/1983, X/1985. Nhất là trận lũ quét X/1995 có cƣờng độ mƣa đạt 200 mm/h ở thƣợng nguồn sông Đakrông làm chết 10 ngƣời, phá huỷ cầu Đakrông, sạt lở đƣờng 14.
29
Chƣơng 2 MÔ HÌNH SWAT
2.1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH MƢA RÀO – DÕNG CHẢY LƢU VỰC
Mô hình mƣa-dòng chảy hiện nay là một công cụ phát triển của quản lý thủy văn tài nguyên nƣớc. Sự phát triển này là do quá trình phát triển nhanh chóng của máy tính và công nghệ thông tin, cung cấp cho loài ngƣời một khả năng mới trong sử dụng nƣớc một cách hợp lý và đƣa ra những biện pháp bảo vệ hiệu quả. Mục đích của phần này là đƣa ra một vài thông tin cơ bản về mô hình mƣa rào – dòng chảy, các cách tiếp cận khác nhau, phƣơng pháp và khả năng ứng dụng của loại mô hình này. Các thông tin này có thể hỗ trợ cho ngƣời sử dụng lựa chọn đƣợc mô hình mƣa – dòng chảy hợp lý.
Các mô hình mƣa – dòng chảy có nhiều ứng dụng khác nhau, ví dụ ứng dụng trong thủy văn vận hành, quản lý tài nguyên nƣớc hoặc trong nghiên cứu. Cấu trúc đặc trƣng của bất cứ mô hình mƣa – dòng chảy nào đều từ cấu trúc lƣu vực đơn giản nhƣ hệ thống bể chứa thẳng đứng – hình thành mô hình tầng tuyến tính. Các bể chứa chính gồm mƣa, bốc thoát hơi (bao gồm cả phần bị giữ lại bởi thảm phủ), dòng chảy trực tiếp, dòng chảy trong đới bão hòa (dòng nƣớc hợp lƣu), dòng chảy cơ sở và dòng chảy trong lòng dẫn. Để tính toán các quá trình diễn ra trong mỗi bể chứa, nhiều phƣơng trình đƣợc ứng dụng. Cấu trúc và các phƣơng trình này đƣợc sử dụng trong phần lớn các mô hình nhƣ HEC-HMS, MIKE-SHE, SAC-SMA, NASIM, HBV và nhiều mô hình khác.
30
2.1.1 Cấu trúc của mô hình mƣa - dòng chảy lƣu vực
Đặc điểm chung nhất của mô hình là phân chia lƣu vực thành các đới theo trật tự thằng đứng. Các đới này đƣợc tính với sự hỗ trợ của mô hình tầng tuyến tính.
Nhiều phƣơng trình đƣợc sử dụng để tính toán các quá trình thủy văn trong mỗi bể chứa.
Giáng thủy (bao gồm cả mƣa và tuyết): chúng đƣợc đƣa vào mô hình dƣới dạng số liệu theo chuỗi thời gian lấy từ các trạm đo khí tƣợng hoặc radar khí tƣợng. Để tính toán ảnh hƣởng của tuyết các phƣơng pháp chỉ số nhiệt độ, hoặc cân bằng năng lƣợng đƣợc sử dụng.
Bốc thoát hơi (bao gồm cả phần bị giữ lại): lƣợng bốc thoát hơi và lƣợng bị giữ lại thực tế đƣợc tính từ chuỗi số liệu từ các trạm đo khí tƣợng nếu có. Nó cũng có thể lấy từ lƣợng bốc thoát hơi thực tế từ bốc thoát hơi tiềm năng (có nhiều phƣơng trình dựa vào số liệu khí tƣợng).
Dòng chảy mặt từ các lƣu vực: phƣơng pháp đƣợc sử dụng phổ biến nhất là thủy văn đơn vị UH và các biến đổi khác (Clark’s, Snyder’s, SCS). Ngƣời sử dụng cũng có thể sử dụng các phƣơng pháp khác dựa vào mô hình sóng động học hoặc phƣơng pháp sai phân hữu hạn.
Dòng chảy sát mặt trong đới không bão hòa: có vài phƣơng pháp đƣợc sử dụng, nhƣ phƣơng pháp CN SCS, mà đƣợc sử dụng để tính toán lƣu lƣợng dòng chảy phụ thuộc vào các thông số thủy văn của thổ nhƣỡng, điều kiện ban đầu (bão hòa) hoặc sử dụng đất. Một vài phƣơng pháp khác là phƣơng pháp Green-Ampt hoặc SMA (tính toán độ ẩm đất). Các phƣơng pháp khác dựa vào các cách tiếp cận phức tạp hoặc đơn giản từ mô hình 2 lớp đơn, mô hình trọng lực đến mô hình dựa vào lời giải của phƣơng trình Richard.
Dòng chảy cơ sở: phụ thuộc vào mô hình cụ thể, phần lớn sử dụng phƣơng pháp dựa vào mô hình tầng tuyến tính, giảm theo hàm mũ hoặc dòng chảy cố định. Mô hình dòng chảy cơ sở 2 chiều, 3 chiều dựa vào phƣơng pháp sai phân hữu hạn cũng đƣợc sử dụng phổ biến.
Dòng chảy trong lòng dẫn hở: mô hình mƣa – dòng chảy áp dụng các phƣơng pháp đƣợc gọi là diễn toán thủy văn nhƣ phƣơng pháp Muskingum – Cunge, mô hình Lag, mô hình sóng động học hoặc phƣơng trình khuếch tán. Các
31
phƣơng pháp này dựa vào giải phƣơng trình cơ bản của lòng dẫn hở là hệ phƣơng trình động lƣợng và phƣơng trình liên tục - nhƣ hệ phƣơng trình St.Venant.
Trong mô hình mƣa – dòng chảy một vài công trình đƣợc mô hình hóa nhƣ bể chứa, đầm lầy có đê chắn thủy triều hoặc công trình phân nƣớc.
2.1.2. Giới thiệu một số mô hình mƣa – dòng chảy lƣu vực
2.1.2.1. MIKE – SHE
Mô hình mƣa – dòng chảy MIKE – SHE của Viện Thủy lực Đan Mạch thuộc nhóm mô hình bán phân bố hoặc phân bố. Nó bao gồm vài thành phần tính lƣu lƣợng và phân phối nƣớc theo các pha riêng của quá trình dòng chảy:
Mƣa – số liệu đầu vào. Cả dạng lỏng và rắn (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bốc thoát hơi, bao gồm cả phần bị giữ lại bởi thực vật– số liệu đầu vào
Dòng chảy mặt - dựa vào phƣơng pháp sai phân hữu hạn 2 chiều
Dòng chảy trong lòng dẫn – diễn toán 1 chiều của Mike 11 đƣợc sử dụng.
Mô hình này cung cấp vài phƣơng pháp nhƣ Muskingum, phƣơng trình khuếch tán hoặc phƣơng pháp dựa vào giải phƣơng trình St.Venant.
Dòng chảy sát mặt trong đới không bão hòa – mô hình 2 lớp đơn, mô hình
dòng chảy trọng lực hoặc mô hình giải phƣơng trình Richard.
Dòng chảy cơ sở - MIKE SHE bao gồm mô hình dòng chảy cơ sở 2 chiều và
3 chiều dựa vào phƣơng pháp sai phân hữu hạn.
Đối với modun thổ nhƣỡng, bộ dữ liệu bao gồm đặc tính thủy văn của đất (độ lỗ hổng, độ dẫn thấm thủy lực...) đƣợc tạo ra. Cũng kết hợp với 2 phần mềm ESRI Arcview 3.x hoặc ArcGIS 9.1. Phần kết hợp này làm việc với số liệu đầu vào: đầu tiên, Geomodel phiên dịch các đặc điểm địa lý; thứ 2, DaisyGIS mô tả tất cả các quá trình quan trọng gắn với hệ sinh thái nông nghiệp.
Mô hình có thể hiệu chỉnh tự động hoặc theo thông thƣờng. Đối với hiệu chỉnh tự động công cụ AUTOCAL đƣợc phát triển. Công cụ này đƣa ra phƣơng án tốt nhất theo các điều kiện biên và ban đầu.
2.1.2.2. HEC-HMS
Mô hình HEC-HMS là phiên bản tiếp của HEC-1, phát triển từ thập kỷ 60 của quân đội Mỹ. Thuận lợi lớn của nó là nó là mô hình miễn phí, thành phần cơ bản của mô hình bao gồm:
32
Mô đun lƣu lƣợng dòng chảy – bao gồm các phƣơng pháp nhƣ SCS CN, Green-Ampt hoặc SMA
Mô đun dòng chảy trực tiếp – đối với tính toán dòng chảy trực tiếp phƣơng
pháp đơn vị thủy văn hoặc các dạng biến đổi khác đƣợc sử dụng (Clark’s, Snyder’s, SCS). Cũng có thể sử dụng phƣơng pháp sóng động học.
Mô đun dòng chảy cơ sở - ngƣời sử dụng có thể lựa chọn, ví dụ mô hình bể
chứa tuyến tính, giảm theo hàm mũ, hoặc mô đun dòng chảy cố định.
Mô đun diễn toán – phƣơng pháp Muskingum, mô hình Lag, mô hình sóng
động học hoặc các biến đổi của chúng.
Các mô hình khác – trong trƣờng hợp đặc biệt cũng có thể tính bể chứa, đập.
Đối với mô hình HEC-HMS mở rộng giao diện Arcview gọi là HEC- GeoHMS cũng đƣợc tạo ra. Mở rộng này có thể lấy từ một vài đặc tính thủy văn cơ bản của lƣu vực cơ sở, hƣớng dòng chảy, dòng chảy tích lũy, độ dốc...
Mô hình có thể hiệu chỉnh thông thƣờng hoặc tự động. Với loại mô hình này (hợp với lƣu vực trên 500 km2 ) hiệu chỉnh thực hiện với các trận lũ ngắn.
2.1.2.3. NASIM
Mô hình mƣa – dòng chảy NASIM (Niederschlag – Abfluss Simulation Model ) của viện thủy văn Đức, phát triển kể từ thập niên 80 và thuộc nhóm mô hình bán phân bố, tất định, nhận thức. Các thành phần cơ bản sau:
Trạm mƣa – để phân biệt mƣa dạng lỏng hay rắn, mô hình sử dụng phƣơng
pháp kết hợp “chỉ số nhiệt độ/Snow compaction”.
Phân phối mƣa theo không gian – chuyển đổi giá trị điểm sang mƣa khu vực.
Phân chia thành phần dòng chảy – dòng chảy trong đới chƣa bão hòa (dòng
hợp lƣu) và đới bão hòa (dòng chảy cơ sở) của khu vực bằng mô hình tầng tuyến tính và phi tuyến. Đối với dòng chảy mặt, phƣơng pháp dựa vào thủy văn đơn vị đƣợc sử dụng. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Dòng chảy trong lòng dẫn – bằng cách mô tả lòng dẫn, sử dụng phƣơng pháp
Kalinin – Miljukov.
Một vài Extension cho Arcview 3.x đƣợc tạo ra để phân tích dữ liệu. Các Extension quan trọng nhất là “Zfl” và “Verchneidung”. Cái đầu tiên tạo ra hàm thời gian - diện tích của lƣu vực. Thứ 2 xây dựng các đặc tính cơ bản của lƣu vực. Các Extension khác đƣợc sử dụng để thể hiện kết quả. Cùng với mô hình, phần mềm Time – View cho chuỗi thời gian đƣợc tạo ra.
33
Hiệu chỉnh mô hình, chỉ có hiệu chỉnh thông thƣờng đƣợc phát triển. Mô hình nhạy với các thông số thể hiện đặc tính của đất – độ dẫn thấm thủy lực theo phƣơng ngang và phƣơng thẳng đứng, độ lỗ hổng, tốc độ thấm... Trong tƣơng lai, hiệu chỉnh tự động sẽ đƣợc kết hợp vào mô hình.
2.1.2.4. SAC – SMA (Sacramento)
Tính toán độ ẩm đất – Sacramento, một phần của thƣ viện công nghệ mô hình của hệ thống NWSRFS, phát triển từ thập kỷ 70 bởi viện khí hậu quốc gia Mỹ. Mỗi lƣu vực đƣợc phân chia thành các đới, đƣợc gắn vào hệ thống bể chứa. Cơ bản gồm có đới cao hơn và thấp hơn. Đới cao hơn gồm nƣớc chịu ứng suất căng và nƣớc tự do, đới thấp hơn gồm dòng chảy cơ sở và nƣớc ứng suất (tension water ) và nƣớc tự do bổ sung. Dòng chảy vƣợt quá hình thành một vài dạng dòng chảy:
Dòng chảy trực tiếp
Dòng chảy mặt
Dòng chảy sát mặt (dòng chảy nhập lƣu)
Dòng chảy cơ sở ban đầu
Dòng chảy cơ sở bổ sung
Trong khi Sacramento là mô hình độ ẩm đất, dữ liệu quan trọng nhất là dữ liệu thổ nhƣỡng – độ dẫn thấm thủy lực, độ lỗ hổng...
Sacramento hỗ trợ cả hiệu chỉnh tự động và hiệu chỉnh thông thƣờng. Cùng với 24 thông số có thể đƣợc hiệu chỉnh, mà có thể đƣợc phân loại theo đới riêng.
2.1.2.5. HBV
Mô hình thủy văn HBV, phát triển từ thập niên 70 ở viện khí tƣợng và thủy văn Thụy điển. Nó là một phần của hệ thống mô hình IHMS (hệ thống mô hình thủy văn kết hợp). Các thành phần đặc trƣng là:
Modun tuyết – tính toán dựa và phƣơng pháp độ - ngày đơn giản.
Modun độ ẩm đất – thành phần tính toán chính của tập trung dòng chảy mặt
Modun ban đầu dòng chảy – dựa vào phƣơng pháp đơn vị thủy văn
Modun bể chứa
2.1.2.6. Mô hình NAM
NAM là mô hình mƣa rào-dòng chảy thuộc nhóm phần mềm của Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI), là một phần của mô hình MIKE 11. Nó đƣợc xem nhƣ là mô
34
hình dòng chảy tất định, tập trung và liên tục cho ƣớc lƣợng mƣa-dòng chảy dựa theo cấu trúc bán kinh nghiệm.
MIKE NAM là mô hình liên tục và do đó có thể mô phỏng mƣa trong nhiều năm, tuy nhiên bƣớc thời gian cũng có thể đƣợc hiệu chỉnh để nó có thể mô phỏng trận mƣa và các cơn bão nhất định. NAM là mô hình bán kinh nghiệm có nghĩa là nó mô tả đơn giản hóa dạng định lƣợng, các biến đổi của đất trong chu kỳ thủy văn và sẽ đƣợc giải thích nhiều hơn.
Chƣơng trình MIKE 11-RR là mô đun thêm vào bộ MIKE 11, nó không chỉ gồm NAM mà còn có mô hình đƣờng đơn vị UHM, mô hình tính độ ẩm tháng SMAP, và URBAN.
Nó là mô hình tất định do đó dƣờng nhƣ lƣu vực trở thành một đơn vị đồng nhất. Để đánh giá sự thay đổi của các thuộc tính thủy văn của lƣu vực, lƣu vực chia ra thành nhiều lƣu vực con khép kín. Quá trình diễn toán thực hiện bởi mô dun diễn toán thủy động lực trong kênh của MIKE 11. Phƣơng pháp này cho phép các tham số khác nhau của NAM ứng dụng trong mỗi một lƣu vực con, do đó nó đƣợc xem là mô hình phân bố.
Mô hình có nhiều đặc trƣng mở rộng nên việc phân loại mô hình này khó. Mô hình có khuynh hƣớng mở rộng nhiều mặt để mô phỏng lũ, điều này làm mô hình có tính cạnh tranh với các mô hình khác. Do đó chỉ có một đặc trƣng mở rộng trong mô hình có thể ứng dụng khác với diễn toán mƣa rào-dòng chảy cơ bản là sự tích hợp ở mức độ cao với mô hình thủy lực MIKE 11.
2.1.2.7. Mô hình SCS
Cơ quan bảo vệ thổ nhƣỡng Hoa Kỳ (1972) đã phát triển một phƣơng pháp để tính tổn thất dòng chảy từ mƣa rào (gọi là phƣơng pháp SCS). Theo đó, trong một trận mƣa rào, độ sâu mƣa hiệu dụng hay độ sâu dòng chảy trực tiếp Pe không bao giờ vƣợt quá độ sâu mƣa P. Tƣơng tự, sau khi quá trình dòng chảy bắt đầu, độ sâu nƣớc bị cầm giữ có thực trong lƣu vực, Fa bao giờ cũng nhỏ hơn hoặc bằng một độ sâu trữ nƣớc tiềm năng tối đa nào đó S. Đồng thời có một lƣợng Ia bị tổn thất ban đầu không sinh dòng chảy trƣớc thời điểm sinh nƣớc đọng trên bề mặt lƣu vực. Do đó, có lƣợng dòng chảy tiềm năng là P - Ia. Trong phƣơng pháp SCS, giả thiết rằng tỉ số giữa hai đại lƣợng có thực Pe và Fa bằng với tỉ số giữa hai đại lƣợng tiềm năng P - Ia và S, có nghĩa là: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
35 a e a I P P S F Từ nguyên lí liên tục, có: a a e I F P P
Kết hợp hai phƣơng trình trên để giải Pe
S I P I P P a a e 2
Đó là phƣơng trình cơ bản của phƣơng pháp SCS để tính độ sâu mƣa hiệu dụng hay dòng chảy trực tiếp từ một trận mƣa rào. Qua nghiên cứu các kết quả thực nghiệm trên nhiều lƣu vực nhỏ đã xây dựng đƣợc quan hệ:
S Ia 0,2 Trên cơ sở này, ta có:
S P S P Pe 8 . 0 2 . 0 2
Lập đồ thị quan hệ giữa P và Pe bằng các số liệu của nhiều lƣu vực, đã tìm ra