Mô hình HEC là sản phẩm của Trung tâm Kỹ thuật Thuỷ văn (CEIWR-HEC);
Viện Tài nguyên nước; Quân đội Hoa Kỳ. HEC-1 đã góp phần quan trọng trong việc tính toán dòng chảy lũ tại những con sông 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 những năm 1968- chạy trong môi trường DOS, số liệu nhập không thuận tiện, kết quả in ra khó theo dõi. Hơn nữa, đối với những người không hiểu sâu về chương trình kiểu Format thường rất lúng túng trong việc truy xuất kết quả mô hình nếu không muốn làm thủ công. Do vậy, HEC-HMS là một giải pháp, nó được viết để “chạy” trong môi trường Windows- hệ điều hành rất quen thuộc với mọi người.
Phiên bản đầu tiên của HEC- HMS là version 2.0, hiện nay phiên bản mới nhất của HEC- HMS là version 4.2 tháng 8 năm 2016.
Phần mềm bao gồm : giao diện đồ họa, các thành phần phân tích thủy văn, lưu trữ số liệu, các công cụ quản lý và các bản ghi. Chương trình đã kết hợp các ngôn ngữ lập trình C, C++ và Fortran. Phương tiện tính toán và giao diện đồ họa được lập trình theo hướng đối tượng C++. Các thuật toán thủy văn được viết bằng Fortran và được tổ chức trong một thư viện Lib Hydro. Quản lý số liệu được trình bày dùng thư viện HEC- Lib. Mặc dù đã được kết hợp trong một chương trình nhưng vẫn có sự tách biệt rõ ràng giữa giao diện, công cụ tính toán và lưu trữ số liệu.
Mô hình HEC-HMS được sử dụng để mô phỏng hoàn chỉnh quá trình mưa- dòng chảy khi nó xảy ra ở một khu vực cụ thể.
Chương trình có tính năng tích hợp với các tiện ích nhập dữ liệu, công cụ tính toán, và các công cụ báo cáo kết quả. Giao diện cho phép thao tác liền mạch giữa các phần khác nhau của chương trình. Kết quả mô phỏng được lưu giữ trong Hệ thống Lưu trữ Dữ liệu HEC-DSS. chương trình có thể được sử dụng trực tiếp hoặc kết hợp với các phần mềm khác để nghiên cứu các vấn đề về dự báo lưu lượng thoát nước đô thị, tác động đô thị hoá trong tương lai, thiết kế đập tràn, giảm thiệt hại do lũ lụt, quy hoạch vùng lũ, vận hành…
1.2. Mô tả về giao diện người dùng và các thành phần của chương trình:
Giao diện người dùng:
Màn hình chương trình chứa một thanh tiêu đề, hệ thống menu, thanh công cụ và bốn “khung”. Các khung này sẽ được gọi là Watershed Explorer, Desktop,
Component Editor và Message Log như thể hiện trong hình 2.1. Thanh tiêu đề sẽ hiển thị phiên bản của chương trình được sử dụng và vị trí của dự án hiện đang mở.
Hình 2.1. Màn hình chính của chương trình với Watershed Explorer ở phía trên bên trái, Component Editor ở phía dưới bên trái, Message Log ở phía dưới và phần còn lại là Desktop.
Khung Watershed Explorer. Tại khung Watershed Explorer ta có thể truy cập nhanh đến tất cả các thành phần trong một dự án HEC-HMS. Ví dụ: người dùng có thể dễ dàng điều hướng từ một mô hình lưu vực đến một thiết bị đo lượng mưa và sau đó đến một mô hình khí tượng học mà không sử dụng tùy chọn menu hoặc mở thêm các cửa sổ. Watershed Explorer được chia thành ba phần:Thành phần, tính toán và kết quả.
Khung Component Editor.Khi một thành phần hoặc tiểu lưu vực trong Watershed Explorer được chọn (chỉ cần sử dụng chuột và nhấp vào tên thành phần trong Watershed Explorer ), một Trình soạn thảo thành phần (Component Editor ) cụ thể sẽ mở ra. Tất cả dữ liệu có thể được xác định trong thành phần mô hình được
nhập vào trong Khung Component Editor này. Vị trí được đánh dấu bằng dấu hoa thị màu đỏ là dữ liệu cần thiết và bắt buộc phải nhập vào.
Khung Message Log. Ghi chú, cảnh báo và lỗi được hiển thị trong Message Log. Các thông báo này hữu ích cho việc xác định lý do tại sao một mô phỏng chạy không thành công hoặc tại sao một hành động được yêu cầu, như việc mở một dự án, đã không được hoàn thành.
Khung Desktop. Desktop là nơi hiển thị các cửa sổ bao gồm các bảng tóm tắt, bảng chuỗi, biểu đồ và bản đồ mô hình lưu vực. Các kết quả không giới hạn trong Desktop. Tùy chọn cài đặt chương trình sẽ cho phép kết quả sẽ được hiển thị bên ngoài Desktop. Bản đồ mô hình lưu vực là giới hạn trên Desktop .
Các yếu tố (tiểu lưu vực, nhánh sông, hồ chứa, phân lưu, nhập lưu...) được thêm vào từ thanh công cụ và kết nối để thể hiện qua trình dòng chảy trong khu vực nghiên cứu. Bạn có thể nhập bản đồ nền để giúp hình dung ra mô hình lưu vực.
Các thành phần của chương trình
Mô hình gồm các thành phần chính: Mô hình lưu vực; Các mô hình khí tượng;
Các thông số điều khiển; Các thành phần dữ liệu đầu vào.
Sau khi nhập chuỗi dữ liệu và các Thông số kiểm soát xác định khoảng thời gian và thời gian của mô phỏng. Chương trình tính toán được tạo bằng cách kết hợp mô hình lưu vực, mô hình khí tượng - thủy văn và mô hình điều khiển chương trình.
Các kết quả tính toán được xem từ lược đồ mô hình lưu vực. Bảng tổng kết chung và bảng tổng kết từng phần chứa các thông tin về lưu lượng đỉnh lũ và tổng lượng. Mỗi một yếu tố đều có các bảng tổng kết và đồ thị.
Mô hình lưu vực
Các đặc trưng vật lý của khu vực và của các sông được miêu tả trong mô hình lưu vực. Các yếu tố thủy văn như: lưu vực con, đoạn sông, hợp lưu, phân lưu, hồ chứa, nguồn, hồ, đầm được gắn kết trong một hệ thống mạng lưới để tính toán quá trình dòng chảy. Các quá trình tính toán được bắt đầu từ thượng lưu đến hạ lưu.
+ Tác nhân tán cây rừng (Canopy method): Có thể lựa chọn một phương pháp tính toán trong 04 phương pháp khác nhau có sẵn trong mô hình:
- None - Dynamic
- Gridded Simple - Simple
+ Bề mặt (Surface Method): Có thể lựa chọn một phương pháp tính toán trong 03 phương pháp khác nhau có sẵn trong mô hình:
None
- Gridded Simple - Simple
+ Tổn thất (Loss Method): Một tập hợp 12 phương pháp khác nhau có sẵn trong mô hình để tính toán tổn thất. Có thể lựa chọn một phương pháp tính toán tổn thất phù hợp trong số các phương pháp đó
- None
- Deficit and constant - Exponential
- Green and Ampt
- Gridded Deficit Constant - Gridded Green and Ampt - Gridded SCS Curve Number - Gridded Soil Moisture Accounting
- Initial and Constant (Thấm ban đầu và thấm hằng số)
- SCS Curve Number (đường cong thấm của cơ quan bảo vệ đất Hoa Kỳ) - Smith Parlange
- Soil Moisture Accounting(Phương pháp tính độ ẩm đất bao gồm 3 lớp được áp dụng cho các mô hình mô phỏng quá trình thấm phức tạp và bao gồm bốc hơi.)
+ Chuyển đổi dòng chảy (Transfrom Method): Có 08 phương pháp để chuyển lượng mưa hiệu quả thành dòng chảy trên bề mặt của khu vực, bao gồm:
- None
- A- Clark Unit Hydrograph (Đường đơn vị tổng hợp Clack) - E- Kinematic Wave (Phương pháp sóng động học)
- F- ModClark (Phương pháp Clark sửa đổi - phương pháp đường đơn vị không phân bố tuyến tính được dùng với lưới mưa)
- C- SCS Unit Hydrograph(Đường đơn vị không thứ nguyên của cơ quan bảo vệ đất Hoa Kỳ)
- B- Snyder Unit Hydrograph (Đường đơn vị tổng hợp Clack, Snyder) - User-Specified S-Graph (Phương pháp sử dụng biểu đồ tự chọn)
- D- User-Specified Unit Hydrograph (tung độ đường đơn vị xác định bởi người sử dụng)
+ Tính toán dòng chảy ngầm (Baseflow Method)
Mô hình cung cấp 6 phương pháp để tính toán dòng chảy ngầm. Đó là phương pháp Bounded Recession, Constant Monthly, Linear Reservoir, Nonlinear Boussinesq, Recession
+ Diễn toán dòng chảy (Reach routing method)
Có 7 phương pháp diễn toán thủy văn được bao gồm để tính toán dòng chảy trong các kênh hở. Diễn toán mà không tính đến sự suy giảm có thể được mô phỏng trong phương pháp trễ. Mô hình bao gồm cả phương pháp diễn toán truyền thống Muskingum. Phương pháp Puls sửa đổi cũng có thể được dùng để mô phỏng một đoạn sông như là một chuỗi các thác nước, các bể chứa với quan hệ lượng trữ - dòng chảy ra được xác định bởi người sử dụng. Các kênh có mặt cắt ngang hình thang, hình chữ nhật, hình tam giác hay hình cong có thể được mô phỏng với phương pháp sóng động học hay Muskingum- Cunge. Các kênh có diện tích bãi được mô phỏng với phương pháp Muskingum- Cunge và phương pháp mặt cắt ngang 8 điểm.
+ Hiệu chỉnh thông số
Hầu hết thông số của các phương pháp có trong mô hình lưu vực và trong yếu tố đoạn sông đều có thể ước tính bằng phương pháp dò tìm tối ưu. Mô hình gồm có các hàm mục tiêu để dò tìm thông số. Việc dò tìm thông số tối ưu nhằm mục đích tìm ra bộ thông số thích hợp nhất để cho kết quả tính toán phù hợp với kết quả thực đo.
Tuy nhiên, thực tế cho thấy việc hiệu chỉnh thông số đạt kết quả tốt còn phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm của người sử dụng mô hình.
Số liệu đầu vào và kết quả tính ra có thể biểu thị dưới hệ đơn vị mét hay đơn vị của Anh và được tự động chuyển khi cần thiết.