Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019. ISBN: 978-604-82-2981-8

NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CÔNG CỤ DỰ BÁO LŨ
CHO LƯU VỰC SÔNG
Đỗ Xuân Khánh
Trường Đại học Thủy lợi, email:

1. GIỚI THIỆU CHUNG

Lũ lụt là hiện tượng xảy ra khi dịng nước
dâng cao trên sơng, suối tràn qua đê đập vào
các vùng trũng, làm ngập nhà cửa cây cối
ruộng đồng. Theo thơng kê về thiệt hại do
các loại hình thiên tai gây ra từ 1970 đến
2012 của WMO (2014) [1], lũ lụt đứng đầu
về số lần xuất hiện khi chiếm tới 45%, lũ lụt
cũng nằm ở vị trí đầu tiên khi xét về thiệt hại
kinh tế với 60% và chỉ đứng thứ 2 sau bão
khi xét đến thiệt hại về con người với 20%.
Thiệt hại do lũ lụt có thể được giảm thiểu
đáng kể nếu chúng ta có thể hiểu được
ngun nhân hình thành và có những biện
pháp cảnh báo sớm cho người dân. Một trong
những biện pháp vô cùng hiệu quả là việcsử
dụng các mơ hình thủy văn, thủy lực để dự
báo lũ. Các mơ hình này dựa vào các nguồn

dữ liệu khí tượng thủy văn trong lịch sử để
xác định trạng thái hiện tại của lưu vực và từ
đó tính tốn dịng chảy lũ trong tương lai
(Divac et al. 2009) [2]. Bảng 1 dưới đây liệt

kê một số mơ hình dự báo dịng chảy lũ phổ
biến cũng như ưu nhược điểm của chúng.
Theo Nguyễn et al. 2014 [3] việc sử chỉ sử
dụng riêng mơ hình thủy văn mưa dịng chảy
hay sử dụng riêng mơ hình thủy lực hay sử
dụng kết hợp cả mơ hình thủy văn và thủy
lực dự báo dòng chảy lũ phụ thuộc vào mối
quan hệ giữa thời gian dự báo Tf, thời gian
tập trung dòng chảy trên lưu vực Tc và thời
gian chảy truyền trong sông Tr. Đối với
những lưu vực vừa và lớn khi Tf < Tc + Tr để
tăng cường độ chính xác của dự báocác nhà
nghiên cứu thường sử dụng kết hợp cả hai
loại mơ hình này Sơn et al. 2005 [4].

Bảng 1. Tổng hợp ưu nhược điểm một số mơ hình dự báo dịng chảy lũ
Các mơ hình dự báo
dịng chảy lũ
Mơ
hình
thủy
văn

Thơng số
Mơ tập trung
hình
tất
định Thơng số
phân bố


1 chiều
Thủy
lực

2 chiều
Kết nối
1/2 chiều

Mơ hình
tiêu biểu

Ưu nhược điểm

Ưu điểm: Ít tham số, dễ sử dụng. Nhược điểm: Các tham
số được trung bình hóa, khơng xét địa hình, loại đất, loại
hình sử dụng đất. Diễn tốn dịng chảy trên sơng kênh rất
hạn chế. MIKE Nam là mơ hình thương mại
Ưu điểm: thơng số phân bố, mô tả sự biến đổi không gian
của hiện tượng thủy văn, xét đến địa hình, thổ nhưỡng, sử
SWAT
dụng đất. Nhược điểm: Nhiều tham số đầu vào. Diễn tốn
dịng chảy trên sông kênh hạn chế
Mike 11,
Ưu điểm: Đơn giản, dễ sử dụng. Nhược điểm: Không mô
HEC-RAS
phỏng được ngập lụt, Mike 11 là mơ hình thương mại
Mike 21,
Ưu điểm: Độ chính xác cao khi mơ phỏng ngập lụt. Nhược
HEC-RAS
điểm: Địi hịi tài liệu địa hình tốt, thời gian tính tốn lâu

Mike Flood, Ưu điểm: Là phần mềm kết nối, có thể mô tả ngập lụt với GIS
Mike GIS,
Nhược điểm: Mike GIS đã khơng cịn được hỗ trợ bởi
HEC-GEORAS DHI, Mike Flood mất phí
NAM, HECHMS, TANK

317


Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019. ISBN: 978-604-82-2981-8

Việc kết hợp này đã được thực hiện rất
thành cơng đối với nhưng mơ hình họ MIKE.
Tuy nhiên mơ hình NAM với các nhược
điểm nêu trên tại bảng 1đã làm cho q trình
tính tốn từ mưa ra dịng chảy cịn chưa
chính xác. Bên cạnh đó, các mơ hình họ HEC
cũng được sử dụng rộng rãi và cho kết qủa
tốt. Các mơ hình loại này rất dễ sử dụng và
được cung cấp miễn phí. Tuy nhiên cũng như
NAM, HEC-HMS cũng là mơ hình tất định
thơng số tập trung, các yếu tố như địa hình,
loại đất, loại hình sử dụng đất chưa được
đánh giá đúng với tầm quan trọng của nó.
Để khắc phục điều này, mơ hình SWATlà
một lựa chọn rất phù hợp khi kết hợp với các
mơ hình thủy lực như HEC-RAS. Sự kết hợp
này giúp cho q trình tính tốn mưa dịng
chảy trên lưu vực chính xác hơn. Do đó, mục
tiêu của nghiên cứu này là đề xuất và cho

thấy sự phù hợp của công cụ dự báo lũ lưu
vực sơng bằng mơ hình SWAT và HEC RAS.
Cơng cụ này này sẽ được áp dụng cho lưu
vực Vu Gia Thu Bồn (VGTB).

Q  (vQ)
z

 gA(  S f )  0
t
x
x

Trong đó x: khoảng cách dọc kênh, Q: lưu
lượng, A: diện tích mặt cắt, S: lượng trữ, ql: lưu
lượng bên, Sf: độ dốc thủy lực, v: là vận tốc.
2.3. Sơ đồ dự báo dòng chảy lũ khi kết
hợp SWAT và HEC RAS
Thơng qua modul mưa dịng chảy, trước
tiên SWAT sẽ xét ảnh hưởng của mưa, địa
hình, sử dụng đất và thổ nhưỡng để xác định
lưu lượng đến cửa ra của lưu vực. Trong các
nghiên cứu trước đây mơ hình SWAT được
sử dụng với các bước thời gian ngày, tháng
hoặc năm. Tuy nhiên các bước thời gian này
là khơng thích hợp khi mơ phỏng dịng chảy
lũ. Trong nghiên cứu này, modul sub-daily sẽ
được sử dụng để đưa ra output là kết quả lưu
lượng dòng chảy theo giờ.Đây là những số
liệu đầu vào quan trọng,được mơ hình HECRAS sử dụng để diễn tốn dịng chảy trên

sơng và đưa ra q trình biến đổi độ sâu mực
nước theo thời gian (Hình 1).

2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

DEM

Bản đồ sử dụng đất

2.1. Mơ hình SWAT

Khí tượng thủy văn

SWAT

SWAT là mơ hình thủy văn bán phân bố.
Việc mơ tả các q trình thủy văn được chia
làm hai phần chính bao gồm phần xảy ra trên
lưu vực và phần diễn tốn dịng chảytrên hệ
thống sơng. Phương trình cơ bản của mơ hình
thủy văn trong SWAT được thể hiện sau đây:

Lưu lượng Q (theo giờ)
Mặt cắt sơng

Hình 1. Sơ đồ liên kết SWAT
và HEC RAS mô phỏng dịng chảy lũ

t


i 1

Trong đó SWt tổng lượng nước tại thời
điểm t (mm), SWo tổng lượng nước tại thời
điểm ban đầu (mm), Rday lượng mưa tại ngày
i (mm), Qsurf lưu lượng dòng chảy mặt tại
ngày i (mm), Ea bốc hơi ngày i (mm), Qseep
lượng thấm tầng sâu ngàyi (mm) và Qqw lưu
lượng dịng chảy hồi quy ngàyi (mm).
2.2. Mơ hình HEC-RAS

HEC-RAS
Độ sâu mực
nước trên sông

SWt  SWo   ( Rday  Qsurf  Ea  Wseep  Qqw )i

2.4. Khu vực nghiên cứu
Nằm ở vùng duyên hải miền Trung Việt
Nam, lưu vực VGTB là khu vực có địa hình
ngắn và dốc, lũ lên xuống nhanh, diễn biến
phức tạp nên việc dự báo lũ gặp nhiều khó
khăn.
3. KẾT QUẢ

Mơ hình HEC-RAS có khả năng tính tốn
thủy lực chi tiết cho mạng lưới sơng kênh. Mơ
hình sử dụng hai phương trình cơ bản là phương
trình liên tục và phương trình động lượng.
A S Q



 ql  0
t t x

Thổ nhưỡng

Mơ hình SWAT được thiết lập cho lưu vực
dựa trên 3 bản đồ DEM, sử dụng đất và thổ
nhưỡng. Sơ đồ kết nối mơ hình SWAT và
HEC RAS của lưu vực VGTB được thể hiện
trên Hình 2. SWAT sẽ chia lưu vực VGTB
thành 18 tiểu lưu vực. Mơ hình sẽ được hiệu

318


Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019. ISBN: 978-604-82-2981-8

chỉnh bởi (trận lũ 11/1998) và kiểm định với
(trận lũ 12/1999) tại hai trạm thủy văn Thành
Mỹ (Hình 3) trên sông Vu Gia và Nông Sơn
trên sông Thu Bồn qua đó tìm ra các tham số
cho các tiểu lưu vực 11, 13-18. Tham số của
các tiểu lưu vực còn lại sẽ được tìm theo
ngun tắc lưu vực tương tự.
Mơ hình thủy lực HEC RAS với hai nhánh
sơng chính là Vu Gia từ Thành Mỹ đến cửa
Hàn và Thu Bồn từ Nơng Sơn đến của Hội
được trình bày trên Hình 4. Hai sông Này

được nối với nhau bởi sông Quảng Huế.
800000.000000

840000.000000

880000.000000

1790000.000000

Lưu vực Vu Gia - Thu Bồn
#
*

Ái Nghĩa
1

#
*

cửa Hội

2

5

9

10
1730000 .000000


* Biên triều
#

4
6

.

Biên triều
cửa Hàn

*
#

2

20

720000 .000000

30

760000.000000

10.0
800000.000000

840000.000000

880000.000000


920000.000000

Hình 2. Sơ đồ liên kết SWAT+HECRAS
cho lưu vực VGTB
8000.0

Lưu lượng (Q m3/s)

7000.0

7

4

Sơng Thu Bồn

Hình 4. Sơ đồ thủy lực hệ thống sông VGTB

40
Kilometers

Mực nước (H, m)

5 10

1700000.000000

18


1670000.000000

0

14
3

Nông Sơn

1670000.000000

1700000.000000

Trạm đo mực nước
Trạm đo lưu lượng

1

Thành Mỹ

15
16

17

14

Biên triều
cửa Hội


6

8

9

12

13

Giao Thủy

11

13

11

Giao Thủy

Nông Sơn

12

5

Sông Vu Gia

1730000 .000000


1760000 .000000

3
8

Thành7Mỹ

10

Ái Nghĩa

920000.000000
1790000.000000

760000.000000

Biên triều
cửa Hàn

1760000 .000000

720000 .000000

tiểu lưu vực 1-9, 12, các biên này sẽ nhập vào
14 ô chứa bao quanh hệ thống sơng VGTB.
Các ơ chứa này được chia như hình 4. Mơ hình
thủy lực được hiệu chỉnh và kiểm định thơng
qua hệ số nhám tại hai trạm thủy văn Ái Nghĩa
trên sông Vu Gia và Giao Thủy trên sông Thu
Bồn. Kết quả kiểm định với nhám lịng sơng

n=0.03 và nhám bãi n=0.033 tại Ái Nghĩa với
trận lũ 12/1999 được thể hiện qua Hình 5.

a)

Q mơ phỏng

Q thực đo
R2=0.96
Nash=0.95

6000.0
5000.0

8.0
6.0

R2=0.97
Nash=0.91

4.0

H mơ phỏng

2.0
0.0
1

1


2

25

3

49

4

73

5

H thực đo

97

Thời gian

4000.0
3000.0

6

121

7

145


8

Tháng 12/1999

Hình 5. Kết quả kiểm định tạitrạm Ái Nghĩa

2000.0
1000.0
0.0

18 1

1925

2049

2173

2297

121
23

Thời gian (ngày)

Lưu lượng (Q m3/s)

3000.0


145
24

Q mô phỏng

b)

4. KẾT LUẬN

169
25

Nghiên cứu đã đề xuất công cụ dự báo lũ
cho lưu vực sơng bằng cách kết hợp hai mơ
hình SWAT và HEC RAS. Việc kết hợp hai
mơ hình là phù hợp bởi kết quả đầu ra của
SWAT là tương thích khi dùng làm dữ liệu
đầu vào cho HEC RAS. Kết quả áp dụng cho
lưu vực VGTB cho thấy lưu lượng và mực
nước mơ phỏng và quan trắc đều có tương
quan cao với R2 và NASH đều lớn hơn 0.85.
Do đó mơ hình có thể sử dụng để cho những
nghiên cứu dự báo tiếp theo.

Tháng 11/1998

Q thực đo

2500.0
R2=0.89

Nash=0.88

2000.0
1500.0
1000.0
500.0
0.0
1

1

2

25

3

49

4

73

5

97

121

6


145

7

Thời gian (ngày)

169

8

193

9

Tháng 12/1999

Hình 3. Kết quả a) hiệu chính
và b) kiểm định mơ hình SWAT
tại trạm Thành Mỹ

5. TÀI LIỆU THAM KHẢO

Các biên của mơ hình thủy lực bao gồm a)
biên trên là biên lưu lượng tại Thành Mỹ và
Nông Sơn, b) biên dưới là biên mực nước triều
tại cửa Hàn và cửa Hội, c) biên nhập lưu từ các

[1] Nguyễn Hoàng Sơn 2006 “Nghiên cứu ứng
dụng mơ hình dự báo lũ cho sơng Vu Gia

Thu Bồn” Tạp chí Khoa học Thủy lợi và
Môi trường, Vol. 45, pp. 1-12.

319