Trên thế giới hiện nay, rất nhiều hệ thống dự báo nghiệp vụ đã và đang được phát triển dựa trên sự kết hợp các mơ hình thủy văn, thủy lực. Các mơ hình thường được sử dụng trong các hệ thống dự báo nghiệp vụ là:
- Mơ hình mơ phỏng dịng chảy từ mưa: Các mơ hình thơng số tập trung HEC-
HMS (Mỹ), SSARR (Mỹ), TANK (Nhật), NAM (Đan Mạch), STANFORD (Mỹ), SACRAMENTO (Mỹ); các mơ hình thơng số phân phối như VIC (Mỹ), TOPMODEL, BTOPMODEL, ISIS (Anh), MARINE (Pháp), Flood Watch (Đan Mạch), MIKE-NAM (Bỉ) [1].
- Các mơ hình mơ phỏng tính tốn dịng chảy trong hệ thống sơng: các mơ
hình thủy lực 1, 2 chiều như họ mơ hình HEC (HEC-3, HEC-RAS), các mơ hình họ Mike (Mơ hình MIKE-BASIN, MIKE-11, MIKE-FLOODWATCH),… [1].
- Các mơ hình được sử dụng trong điều hành hồ chứa: phổ biến là HEC-5,
HEC-RESSIM,…
- Các mơ hình sử dụng trong diễn tốn ngập lụt: Mơ hình FLDWAV do Cơ
quan Thời tiết Hoa Kỳ phát triển để tính tốn thủy lực trong các trường hợp khẩn cấp như phân lũ, tràn và vỡ đê; Mơ hình DHM (Diffusion Hydrodynamic Model) đã được xây dựng ở Hoa Kỳ để diễn toán ngập lụt vùng hạ lưu các sơng; Mơ hình Mike 11- GIS, Mike 21 của Viện thủy lực Đan Mạch (Danish Hydraulics Institute, DHI) tính tốn thủy lực, dự báo dịng chảy trong sông và cảnh báo ngập lụt; TELEMAC-2D do viện Điện lực (EDF) (Pháp) xây dựng [1].
Sau nhiều năm phát triển và ứng dụng các mơ hình thủy văn, trong những năm gần đây các mơ hình tính tốn thủy văn có sử dụng hệ thống thơng tin địa lý đã tỏ ra có nhiều ưu điểm vượt trội. Các nước tiên tiến trên thế giới như Anh, Mỹ, Pháp, Thụy Điển, Nhật đều đã xây dựng hệ thống cảnh báo thiên tai dựa vào việc ứng dụng mơ
hình thủy văn kết hợp với hệ thống GIS và các thông tin cảnh báo, dự báo mưa từ radar, vệ tinh và mơ hình số dự báo thời tiết [1].
Nói chung, mơ hình có thể được tích hợp trong hệ thống dự báo nghiệp vụ theo hai cách tiếp cận:
- Tích hợp truyền thống: Trong cách tiếp cận này, hệ thống dự báo được xây
dựng xung quanh các mơ hình được sử dụng trong đó hệ thống dự báo là mơ hình đã được tối ưu và được chuyển sang hệ thống dự báo nghiệp vụ với các yêu cầu tối thiểu. Hệ thống dự báo kiểu này có nhiều hạn chế trong đó quan trọng nhất là sự cứng nhắc đối với sự thích nghi hoặc thay đổi khái niệm của mơ hình [1].
- Tích hợp kiểu mở: Trong cách tiếp cận này, việc thực hiện mơ hình khơng bị
ràng buộc bởi sự kết hợp kỹ thuật thực tế của mơ hình. Hệ thống dự báo cung cấp hệ thống xử lý các dữ liệu và cho phép các mơ hình được tích hợp khi cần. Với sự phát triển của các kỹ thuật tính tốn hiện đại cũng như phần mềm rất nhiều hệ thống dự báo mở đã được xây dựng như hệ thống dự báo DELFT-FEWS, hệ thống dự báo MIKE FLOODWATCH hoặc FloodWorks. Hệ thống cảnh báo lũ sớm Delft-FEWS được sử dụng tại lưu vực sông Rhine và Po. Delft-FEWS cho phép liên kế nhiều dạng số liệu dự báo thời tiết và nhiều mơ hình thủy văn thủy lực. Hệ thống MIKE FLOODWATCH (DHI, 2005) là khung dự báo tích hợp quản lý dữ liệu, các mơ hình dự báo. FloodWorks là một phần mềm dung trong mô phỏng và dự báo các hiện tượng thủy văn nguy hiểm. Phần mềm được thiết kế như một khung tích hợp các mơ hình dự báo thời gian thực [1].
Hiện nay, trên thế giới có hai xu hướng trong xây dựng các hệ thống cảnh báo lũ và ngập lụt: dự báo tất định thông thường và dự báo theo xác suất. Dự báo tất định đưa ra giá trị dự báo duy nhất. Xu hướng này đã được sử dụng từ lâu và phổ biến trong các hệ thống dự báo nghiệp vụ ở các quốc gia trên thế giới. Dự báo theo xác suất đưa ra kết quả dự báo theo phân phối xác suất của trị số dự báo. Xác suất dự báo trong dự báo theo xác suất là sự đo lường bằng số độ chính xác của trị số dự báo dựa trên tất cả các thông tin KTTV được sử dụng trong quá trình dự báo [1].
Dự báo thủy văn dựa trên tổ hợp dự báo mưa đã được thực hiện trong nhiều hệ thống dự báo nghiệp vụ như FLOODRELIEF của châu Âu. Trong cách tiếp cận này dự báo tổ hợp dòng chảy đã được thực hiện dựa trên các dự báo tổ hợp mưa. Từ các kết quả này dự báo xác suất được đưa ra nhằm xác định khả năng không chắc chắn của các trị số dự báo và làm giảm tính khơng chính xác của kết quả dự báo sử dụng việc đồng hóa số liệu [1].
❖ Các phần mềm, công cụ về dự báo lũ, ngập lụt, điều tiết hồ chứa đã được nghiên cứu ứng dụng tại Việt Nam:
- Trung tâm Dự báo KTTV quốc gia: Từ năm 2005 đến nay, ngồi các mơ hình thủy văn thơng số tập trung như TANK (Nhật Bản), NAM (Đan Mạch), FIRR (Viện Cơ), Trung tâm đã triển khai nghiên cứu và bước đầu ứng dụng mơ hình thủy văn thông số phân bố MARINE (Pháp), MIKE-NAM (Bỉ) và các mơ hình thủy lực tiên tiến như MIKE11-HD, bộ mơ hình Mike [1]; phần mềm trao đổi số liệu Hydmet và bộ công cụ dự báo FEWS dự báo mực nước hạ lưu sông Mekong; phần mềm SPSS ứng dụng mơ hình hồi quy bội dự báo mực nước lớn nhất trước 7 ngày các trạm Tân Châu, Châu Đốc, Mỹ Thuận, Cần Thơ; mơ hình định tuyến mưa rào-dòng chảy liên tục URBS (Unified River Basin Simulator) để tính tốn lưu lượng thượng nguồn sơng Mekong từ mơ hình URBS được sử dụng làm đầu vào cho mơ hình thủy lực một chiều.
- Đài KTTV khu vực Nam Bộ cũng đã nghiên cứu, ứng dụng các mơ hình thủy văn dự báo lũ, ngập lụt cho các tỉnh Nam Bộ như bộ mơ hình Mike, HEC,…[1].
- Viện Khoa học KTTV và Mơi trường đã nghiên cứu ứng dụng trong tính tốn dịng chảy các mơ hình SSARR, TANK, SACRAMENTO, ANN, HEC1, HMS, NLRRM và đang nghiên cứu ứng dụng mơ hình MIKE + NAM [1].
- Viện Quy hoạch Thủy lợi sử dụng mơ hình NAM; Viện Khoa học Thủy lợi và Trường Đại học Thủy lợi sử dụng các mối quan hệ mưa - dòng chảy và lưu lượng tương ứng.
- Viện Cơ học nghiên cứu ứng dụng mơ hình MARINE + TL. Viện Cơ học đã có mã nguồn phần mềm, làm chủ được mơ hình này và đã có kết quả nghiên cứu ban đầu (trên bộ số liệu chưa đầy đủ) tính tốn dịng chảy cho lưu vực sơng Đà tới hồ Hịa Bình [1].
- Đài KTTV khu vực Nam Trung Bộ đã ứng dụng một số mơ hình trên, trong đó có mơ hình Tank để dự báo q trình dịng chảy lũ phục vụ thi công thủy điện Sông Hinh, Hàm Thuận - Đa Mil và dự báo lưu lượng đỉnh lũ trên các sơng [1].
+ Mơ hình điều tiết hồ:
Vấn đề điều hành tối ưu một hồ chứa đã được nhiều cơ quan quan tâm nghiên cứu và xây dựng thành các mơ hình Điều tiết lũ như Viện Cơ học, Trung tâm Dự báo KTTV quốc gia, Viện Quy họach Thủy lợi,... dựa vào bài toán cân bằng nước và các thuật toán tối ưu với một số chỉ tiêu ràng buộc trong mùa lũ. Từng hồ chứa đều có quy trình vận hành [1].
Các mơ hình điều tiết hồ được dùng trong nước và đạt chất lượng tốt như mơ hình HEC-5, HEC-RESIM, MIKE11, điều tiết hồ,... Các mơ hình này đã được Trung tâm Dự báo KTTV quốc gia, Viện Khoa học KTTV và Môi trường, Trường ĐH Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN,… sử dụng để điều tiết cho nhiều hồ chứa ở nước ta [1].
+ Mơ hình diễn tốn ngập lụt:
Mơ hình thủy lực đã được Trường Đại học Thủy lợi, Viện Khoa học KTTV và Môi trường, Trường Đại học Xây dựng áp dụng có hiệu quả trong tính tốn lũ như SOGREEN, VRSAP, KOD1, TLUC96 [1].
Viện Cơ học đã có phần mềm tính tốn điều tiết hồ Hịa Bình và mơ hình thủy lực tính tốn lũ hạ du sơng Hồng - Thái Bình (kết quả nghiên cứu của đề tài nghiên cứu khoa học cấp Nhà nước KC-08-13, 2001-2003) [1].
Mơ hình HDM (Hydro Dynamic Model) của Viện Khoa học KTTV và Môi trường là mơ hình cải tiến từ mơ hình DHM của Hoa Kỳ đã được dùng để diễn tốn ngập lụt sóng vỡ đập của hệ thống hồ Sơn La - Hịa Bình [1].
Đài KTTV khu vực Nam Trung Bộ đã ứng dụng thành cơng mơ hình HDM vào các đề tài nghiên cứu diễn toán ngập lụt hạ lưu các sông như các đề tài: “Xây dựng bản đồ nguy cơ ngập lụt tỉnh Bình Định” do KS. Nguyễn văn Lý làm chủ nhiệm; “Xây dựng phương án dự báo đỉnh lũ và phân vùng ngập lụt hạ lưu sông Cái, sơng Cà Ty tỉnh Bình Thuận”; “Xây dựng phương án dự báo đỉnh lũ và phân vùng ngập lụt thung lũng sơng La Ngà tỉnh Bình Thuận” (do thạc sỹ Nguyễn Tấn Hương làm chủ nhiệm [1].
- Đài KTTV tỉnh An Giang đã sử dụng mơ hình TANK ứng dụng tính tốn dịng chảy 08 suối khu vực huyện Tri Tơn-Tịnh Biên; mơ hình mạng thần kinh ANN mơ phỏng dịng chảy lũ các suối vùng đồi núi Tri Tơn-Tịnh Biên; mơ hình thủy lực VRSAP mơ phỏng trận lũ lịch sử trong vùng TGLX; dự báo lũ hạn ngắn (trượt 05 ngày), hạn vừa (10 ngày), hạn dài (tháng, mùa) bằng các phương pháp truyền thống như: phương pháp tương quan, tương tự thống kê, pháp phân tích xu thế dựa vào lượng mưa trên lưu vực và mực nước trạm trên, trạm dưới, trạm lân cận có xét đến thời gian chảy truyền, vẽ biểu đồ để phân tích, dự báo; ứng dụng phương trình hồi quy tuyến tính đơn biến, đa biến,…
Ngồi ra, kế thừa bộ dữ liệu địa hình, mặt cắt, mạng sơng, kết quả hiệu chỉnh, kiểm định mơ hình từ Viện KHTL miền Nam và kết quả nghiên cứu của đề tài cấp Bộ TNMT, Mã số 2016.05.15 [6], kết quả mô phỏng mực nước lớn nhất ngày cho những năm lũ điển hình của 07 trạm thủy văn cơ bản thuộc tỉnh An Giang từ mơ hình MIKE11 đã cho thấy mực nước mơ phỏng có xu thế phù hợp với thực đo, tuy nhiên mực nước lớn nhất mô phỏng cao hơn mực nước lớn nhất thực đo với chênh lệch lớn nhất từ 0.26 - 0.70m, tại một số trạm có mức chênh lệch cao, đặc biệt là trạm Xuân Tô lên đến 1.45m, chính vì vậy mà khả năng ứng dụng mơ hình trong dự báo vẫn cịn mặt hạn chế.
Nhìn chung, các cơng cụ kỹ thuật và mơ hình dự báo đã được nghiên cứu, ứng dụng cho các lưu vực sông nêu trên, khi áp dụng đối với các trạm thủy văn cơ bản trên địa bàn tỉnh chưa phù hợp. Các phương án dự báo, cảnh báo lũ đã và đang được sử dụng cho các hệ thống sông, kênh thuộc tỉnh An Giang phần lớn là lạc hậu, đã
được xây dựng từ lâu và chưa được đầu tư nghiên cứu đúng mức, khơng cịn phù hợp yêu cầu và điều kiện thực tế hiện nay, dẫn đến kết quả dự báo còn thấp, ngay cả việc ứng dụng các mơ hình để mơ phỏng nhưng kết quả vẫn chưa phù hợp do điều kiện địa hình có nhiều thay đổi, ảnh hưởng việc vận hành các hồ đập thủy điện thượng nguồn và cơng trình thủy lợi tại các địa phương,…