9/11/2014

MƠ HÌNH TỐN
THỦY VĂN TẤT ĐỊNH
TS. Vũ Thanh Tú

1.
2.
3.

BM Mơ hình tốn & DBKTTV, Giáo trình Mơ hình tốn thủy văn.
Keith J. Beven (2002), Rainfall – Runoff modelling, John Wiley &
Sons, LTD.
Daniel P. Loucks et al (2005), Water Resources Systems
Planning and Management, UN Educational, The Netherlands.

MỞ ĐẦU

Mơ hình lưu vực rất đa dạng và
có ý nghĩa khác nhau trong các
yêu cầu tính tốn nghiên cứu:
- Quy hoạch phát triển
- Thiết kế
- Vận hành và quản lý

Mơ hình: Mơ phỏng những q
trình tự nhiên của dịng chảy,
bùn cát, các chất trong lưu
vực.

Các nghiên cứu:

- Lũ lụt, hạn hán
- Xói mịn, vận chuyển bùn cát
- Ơ nhiễm nước
- Xâm nhập mặn,

Mơ hình vật lý
Mơ hình vật lý: là một hệ vật lý được mô phỏng lại sao cho các lực
chủ yếu tác dụng lên hệ được mơ phỏng ở mơ hình bằng một tỷ lệ
chính xác với hệ vật lý thực tế.
Thường sử dụng trong việc mô phỏng,
nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhám
bề mặt, dòng chảy trên bề mặt, sườn
dốc tới vùng tiếp nhận

Overview of Crane Beach Physical Model

1


9/11/2014

Mơ hình tốn

Mơ hình thuỷ văn

Mơ hình tốn: sử dụng các phương trình tốn học để mơ tả hiện
tượng, diễn biến trên hệ thống.
Mơ hình tốn khơng chỉ sử dụng trong các ngành kỹ thuật
và khoa học tự nhiên mà cịn trong ngành khoa học xã hội, kinh tế.


Mơ hình thuỷ lực

Mathematically, this process is described in the figure

Mơ hình khơng gian
Mơ hình khơng gian: phân tích đánh giá
những q trình có xét tới các yếu tố liên
quan tới địa lý (khơng gian).

Chương I: Khái niệm mơ hình tốn thuỷ văn
1.1 Mục đích, ý nghĩa mơ hình tốn thuỷ văn
Lý do mà chúng ta cần mơ hình hố ?
- kỹ thuật đo đạc trong thuỷ văn còn nhiều hạn chế
- dữ liệu thu được bị hạn chế về thời gian và khơng gian
Mục đích của việc sử dụng mơ hình ?
- đưa ra những dự báo có ích
- nâng cao khả năng ra quyết định trong quy hoạch tài nguyên
nước, phịng lũ, giảm thiểu ơ nhiễm, hoặc cấp phép sử dụng nước

Hỗ trợ cho việc phân tích, đánh giá sự phân bổ tài
nguyên để có những kế hoạch khai thác hợp lý.

Trong những điều kiện thay đổi của thời tiết qua các năm địi hỏi
phải cải tiến các mơ hình => Nâng cao khả năng ra quyết định

2


9/11/2014


1.2 Q trình phát triển mơ hình tốn TV
- Thành tựu phát triển của lĩnh vực vật lý, toán học cùng với máy
tính điện tử. Cho phép mơ phỏng các quá trình, hiện tượng thuỷ
văn, sự vận động phức tạp của nước trong tự nhiên dưới dạng các
phương tình tốn, logic.
- Năm 60s, Uỷ ban sông Mekong ứng dụng mô hình SSARR (Mỹ),
DELTA (Pháp)
- Năm 70s, Mơ hình TANK (Nhật), ARMA..
Càng phức tạp có nghĩa càng có nhiều thơng số, càng có nhiều
thơng số càng có nhiều vấn đề trong hiệu chỉnh, càng có nhiều vấn
đề trong hiệu chỉnh thì càng có nhiều tính bất định trong tính tốn,

1.3 Phân loại mơ hình tốn thuỷ văn
1.3.1 Tiêu chí phân loại
- Theo phương pháp tiếp cận
- Theo loại bài toán
- Theo tên gọi

1.3.2 Phân loại theo phương pháp tiếp cận
- Mô hình tập trung, mơ hình phân bố
Mơ hình phân bố thực hiện những phép
tính tốn đuợc phân bố theo khơng gian,
bằng cách phân chia lưu vực ra thành
nhiều bộ phận hay ơ lưới và giải các
phương trình cho các biến tồn cục liên
quan đến tất cả các ơ lưới.

Mơ hình tập trung coi cả lưu vực như
một đơn vị với các biến tồn cục được
trung bình hố trên tồn lưu vực.


3


9/11/2014

- Mơ hình số lượng, mơ hình chất lượng nước
M« hình thống kê
Mô hình nớc mặt
Mô hình số lợng nớc

Mô hình nớc ngầm
Mô hình bùn cát

Mô hình tất định
MH dòng chảy sờn dốc
MH dòng chảy trong sông
MH quy hoach quản lý

Mô hình chất lợng nớc

Mô hình truyền chất

- Mụ hỡnh tất định, mơ hình ngẫu nhiên

Mơ hình ngẫu nhiên coi q trình
thuỷ văn mang tính ngẫu nhiên và
chuỗi số tập hợp các giá trị tuân
theo các quy luật thống kê.


M« hình tất định

Mô hình hộp đen

MH tham số tập trung

Mô hình nhận thức

MH tham số phân bố

Mụ hỡnh tt nh coi quá trình thuỷ văn là kết quả tất nhiên của
các yếu tố vât lý.

4


9/11/2014

+ Hệ số/chỉ số hiệu quả Nash (EI)

1.4 Các chỉ tiêu đánh giá sai số

n

EI =

∑(X
i =1

n


i

− X ) 2 − ∑ ( X i − Yi ) 2
i =1

n

∑ ( X i − X )2
i =1

+ Độ lệch chuẩn (s)
n

sx =

∑ (X
i =1

i

n

− X )2

∑ (Y

sy =

n −1


i =1

i

− Y )2

n −1

+ Hệ số tương quan (R)

∑ ((X
n

A mathematical model fitted to Kettlewell's data. The points are the experimental
data; the solid curve is the model, and the error bars are 95% confidence. The
dashed curve is the model corrected

+ Sai số đỉnh (PPE)

PPE =

Yp − X p
Xp

× 100

VY − V X
× 100
VX


+ Sai số tổng lượng (PVE)

PVE =

+ Root Mean Square Error (RMSE)

RMSE =

1 n
∑ ( X i − Yi ) 2
n i =1

cov XY
R=
sx s y

cov XY =

i =1

i

)(

− X × Yi − Y

))

n −1


+ Sai số trung bình trị tuyệt đối (MAE)

MAE =

1 n
∑ X i − Yi
n i =1

+ Sai số phần trăm trung bình (MPE)

MPE =

1 n  X i − Yi
∑
n i=1  X i


 ×100


Trong đó:
Xi : giá trị đo đạc tại thời điểm i
Yi: giá trị tính tốn tại thời điểm i
n : tổng số số liệu
X : trung bình giá trị đo đạc

Y : trung bình giá trị tính tốn
Xp : giá trị lớn nhất thực đo
Yp : giá trị lớn nhất tính tốn


VX : tổng lượng dịng chảy đo đạc
VY : tổng lượng dịng chảy tính tốn

5


9/11/2014

1.5 Các bước ứng dụng mơ hình tốn
1.5.1 Lựa chọn mơ hình tốn
- Trong số mơ hình hiện có, mơ
hình nào thoả mãn được công việc
đặt ra và những hạn chế của nó
khi áp dụng ?

Nên kế hoạch chọn mơ hình
- Danh sách các mơ hình sẽ xem xét.
- Các giả thiết mà mơ hình đưa ra,
- Danh sách các số liệu đầu vào
- Danh sách các giá trị được tính tốn

- Sử dụng mơ hình tập trung hay mơ hình phân bố ?
- Sử dụng mơ hình tất định hay mơ hình ngẫu nhiên ?

Liệu đã có mơ hình phù hợp với u cầu cơng việc chưa?

- Mơ hình có thể tính tốn được các giá trị
mà dự án u cầu khơng?
- Các giả thiết của mơ hình có phù hợp với

lưu vực tính tốn khơng ?
- Với ngân sách và thời gian hạn chế, tất cả
các dữ liệu đầu vào của mơ hình có thể đáp
ứng được khơng?
- Có thể xây dựng mơ hình này được khơng?

1.5.2 Hiệu chỉnh thơng số mơ hình
Các thơng số được dùng để biểu thị các nhân tố hoặc các quan hệ
giữa các nhân tố ảnh hưởng đến q trình dịng chảy mơ phỏng
trong mơ hình, bao gồm: thơng số vật lý, thơng số q trình.
Các thơng số vật lý biểu thị các
đặc tính của lưu vực hứng nước,
mặt đệm được xác định trong
khoảng thời gian tính tốn và
thường đại biểu cho cả lưu vực.

Các thơng số q trình là các
thơng số dùng trong mơ phỏng
các q trình thành phần trong
mơ hình.

Ước tính các thông số bằng việc đo đạc hoặc sử dụng các kết quả
tính tốn đã có gặp nhiều khó khăn. Nên các thông số được xác
định thông qua bước hiệu chỉnh thông số.

6


9/11/2014


Hiệu chỉnh thơng số mơ hình là xác định gía trị của bộ thơng số mơ
phỏng tốt nhất qúa trình dịng chảy tại mặt cắt cửa ra của lưu vực.
Mơ hình mơ phỏng tốt là khi q trình dịng chảy tính tốn và thực
đo có sự thích hợp về q trình lũ lên, xuống, thời điểm và giá trị
xuất hiện đỉnh.

Các phương pháp xác định thơng số mơ hình
+ Thử sai
Dựa trên việc tính thử và kiểm tra sai số nhiều lần.
Các bước thực hiện:
- Giả thiết giá trị ban đầu của thơng
số cần hiệu chỉnh.
- Tính tốn, so sánh kết quả đầu ra
của mơ hình với số liệu thực đo.
- Phân tích sự phù hợp dựa trên các

Nguyên nhân làm cho việc hiệu chỉnh thơng số trở nên khó khăn:
- kỹ thuật đo đạc: phạm vi yêu cầu, sai số đo đạc
- cấu trúc mơ hình

tiêu chuẩn đánh giá độ chính xác.

+ Phân tích độ nhạy các thơng số mơ hình

Lưu ý:
- Giá trị các thơng số cũng có một biên nhất định.
- Hiểu rõ về mơ hình ứng dụng: cách mô phỏng, mức độ ảnh
hưởng của từng thông số.
- Hiểu rõ về lưu vực nghiên cứu, sự cân bằng dịng chảy.
- Hiệu chỉnh các thơng số q trình trước.

- Thử dần phản ứng với từng thông số trong q trình thử sai.

Trong các thơng số cũng có thể phân ra những thơng số chính và
phụ hay nhạy và không nhạy.
Những thông số mà chỉ một sự thay đổi nhỏ về giá trị của chúng có
thể nhận thấy sự phản ứng rõ rệt qua biến đổi về độ lớn hoặc hình
dạng đường q trình dịng chảy thì có thể coi chúng là những
thơng số chính.
M
B
C
D
E
F

7


9/11/2014

Đánh giá độ nhạy của thông số

Độ nhạy phụ thuộc vào thời kỳ sử dụng
dữ liệu và đặc biệt khi thành phần cụ thể
của mơ hình được thử nghiệm thực tế
với một thời kỳ nhất định.

- Sử dụng phương pháp thử sai đơn giản:
Tăng, giảm giá trị thông số 10%, 20%,.. biểu diễn kết quả lên biểu
đồ và xét vai trị của từng thơng số.

- Đánh giá tổ hợp các thơng số:
Cách giải quyết khác là chạy mơ hình vừa đủ để đánh giá mơ hình
trong tồn bộ các thơng số.

Nếu khơng (nếu thành phần sinh dịng
chảy vượt thấm chỉ được xét với mưa
cực lớn) thì các thơng số liên quan tới
các thành phần này sẽ xuất hiện một
cách mờ nhạt và khơng nhạy.

Ví dụ mơ hình đơn giản với 2 thông số:
- xác lập một khoảng giá trị cho mỗi thông số và sử dụng 10 vi phân
riêng lẻ trong mỗi khoảng giá trị thơng số đó.
- tính tốn với tất cả tổ hợp các thông số.
- chấm các giá trị tính phù hợp lên biểu đồ sẽ xác định được mặt
đặc trưng thông số dưới dạng các đường đồng mức.

Độ nhạy thường được đánh giá dựa trên các
vùng của bộ thông số được xác định là tốt
nhất hoặc bộ thông số được xác định là tối
ưu sau khi đã hiệu chỉnh mơ hình.
Một trong số các bài tốn thông dụng vướng mắc là
độ không nhạy của thông số:
- xảy ra nếu một thơng số ảnh hưởng ít tới kết quả
mơ hình trong một khoảng giới hạn giá trị.
- do thành phần mơ hình khơng liên quan chủ động
tới thơng số trong q trình chạy mơ hình.

Mặt đặc trưng xét theo chiều của 2 thông số với các
kết quả phù hợp được biểu diễn trên các đương đồng

mức

8


9/11/2014

+ Tối ưu hố các thơng số
Tối ưu hố là quá trình thường cho rằng khi lặp liên tục sao cho số
liệu thực đo với và tính tốn từ mơ hình là phù hợp, khi đó mơ hình
đã mơ phỏng tốt và trung thực chuỗi số liệu đó.

Nhiều kết quả tính tốn có thể là một lợi thế
nếu nó cho phép đánh giá tính khơng ổn định
của kết quả tính tốn; và sau đó sử dụng tính
khơng ổn định này cho quá trình ra quyết định
trong một dự án sử dụng mơ hình.
Nếu khơng phải một bộ thơng số tối ưu mà
nhiều bộ thông số đều cho kết quả mô
phỏng chấp nhận được thì việc kiểm định

Một bộ thơng số tối ưu sẽ cho ta một kết quả tính tốn duy nhất.
Nhiều bộ thông số chấp nhận được sẽ cho ta hàng loạt các kết quả
tính tốn.

lại mơ hình cũng sẽ khó khăn.

1.5.3 Kiểm định thơng số mơ hình

1.5.4 Ứng dụng mơ hình


Kiểm định mơ hình được thực hiện bằng
cách chọn các năm có đủ số liệu thực đo
mưa, dịng chảy, dựa trên giá trị các thơng
số mơ hình đã được xác định, thực hiện
tính tốn xác định q trình dịng chảy và
so sánh với giá trị thực đo.

+ Mơ phỏng

Nếu q trình dịng chảy thực đo và tính
tốn ở bước kiểm định phù hợp và đảm bảo
độ chính xác thì có thể coi bộ thơng số mơ
hình đã xác định là đảm bảo yêu cầu.

9


9/11/2014

+ Dự báo

10


9/11/2014

Chơng II. Mô hì
hình tất định


2.1. Tng quan v mụ hình tất định
2.1.1. Sự hình thành và q trình dịng chy

Mô hình tất định

Mô hình hộp đen

Mô hình nhận thức

transpiration

PRECIPITATION
RAINFALL

EVAPOTRANSPIRATION
interception

Cu trúc bên trong của mơ hình
là hồn tồn khơng biết và cũng
không được mô tả.
Mối quan hệ lượng vào – ra của
hệ thống được biểu đạt thông
qua một hàm truyền (hàm ảnh
hưởng).

Xuất phát từ sự tìm hiểu và nhận thức
từng thành phần của hệ thống thuỷ
văn để tiếp cận hệ thống bằng
phương pháp mô phỏng.
Sự khác nhau giữa các mô hình thể

hiện qua cách thức mơ phỏng quy
luật vật lý, mối quan hệ giữa các nhân
tố, đặc tính thơng số trong mơ hình.

throughfall

surface runoff
• saturation excess runoff (Dunne)
• infiltration excess runoff (Horton)

evaporation

infiltration
capillary rise

groundwater
recharge

water-table

surface runoff

RUNOFF

interflow

deep seepage

baseflow


2.1.2. Nguyên tắc mô phỏng
- Cách tiếp cận vật lý – tốn
- Cách tiếp cận thơng số hoá
RAINFALL
POTENTIAL EVAPORATION

a. Cách tiếp cận vật lý - toán

MODEL

Áp dụng 3 quy luật chung nhất của vật chất:
* Bảo toàn vật chất
* Bảo toàn năng lượng
* Bảo toàn động lượng

PARAMETERS

RUNOFF COMPONENTS
EVAPORATION
RECHARGE

+ Phân tích tài liệu quan trắc mưa và dòng chảy,
+ Xây dựng những quy luật tương ứng, biểu diễn dưới dạng các
phương trình, các cơng thức tốn học mô tả các hiện tượng vật lý
xảy ra trên lưu vực.
+ Từ dữ liệu đầu vào => kết quả đầu ra.

1



9/11/2014

b. Cách tiếp cận thơng số hóa

Trường hợp tổng qt:
- Đặc trưng địa hình, địa mạo lưu vực: là các thông số của PT.

- Sử dụng tài liệu quan trắc đồng bộ giữa mưa và dòng chảy.

- Dòng vào, dòng ra trong quá khứ: là điều kiện biên.

- Xuất phát từ ý nghĩa vật lý, xây dựng mơ hình chứa hàng loạt các

- Trạng thái lưu vực tại thời điểm ban đầu: là điều kiện ban đầu.

thông số và các giá trị ban đầu của chúng.
- Dựa trên tài liệu quan trắc về mưa - dòng chảy tiến hành xác định

Phương trình mơ tả hệ thống:

thơng số.

Q= L1(Q,q,x,y,z) {q(x,y,z)}
u cầu dữ liệu: Tài liệu nghiên cứu chi tiết về địa hình, các đặc

Phương trình mơ tả hệ thống:
Q= L2(Q,q,t){q(t)}

trưng thủy địa mạo khu vực, các đặc trưng diễn biến của dịng vào
theo thời gian.


• Bể chứa tuyến tính: Là bể chứa tượng trưng có lưu lượng chảy ra
tỷ lệ thuận với thể tích nước trong đó, có tác dụng làm biến dạng
sóng lũ.

2.1.3 Các nhóm mơ hình thuỷ văn tất nh
Mô hình tất định

Q i = Ci .Wi
Mô hình hộp đen

Mô hình nhận thức

ã Kờnh tuyn tớnh: L kờnh tng trưng có chiều dài x với thời gian
chảy truyền với mọi cấp lưu lượng Q, có tác dụng làm dịch chuyển
sóng lũ

q = f (t ) → Q = f (t − τ )

Mơ hình quan hệ đơn giản
(Rational Method)
Mơ hỡnh l n v, HEC-HMS

Các mô hình kiểu bể chứa:
TANK, SSARR, NAM, SIMHYD, vv

2


9/11/2014


2.2 Mơ hình lũ đơn vị
2.2.1 Tổng quan về lũ n v
Đờng đơn vị do Sherman nêu ra từ năm 1932 cho phép tính đờng quá
trình dòng chảy mặt từ biểu đồ ma thực đo.
Phơng pháp chuyển hoá quá trình ma hiệu quả sang quá trình dòng chảy
mặt mà tác động của lu vực đợc thể hiện qua hình dạng đờng quá trình
lũ đơn vị
Đờng quá trình lũ sinh ra trên một lu vực do một trận ma kéo dài
trong một thời đoạn t bằng một đơn vị thời gian và có độ sâu lớp nớc
ma hiệu quả bằng một đơn vị lợng ma (1inch hoặc 10mm) rơi đều
trên lu vực gọi là đờng quá trình lũ đơn vị

Giả thiết:
- Mưa vượt thấm phân bố đều trên toàn lưu vực, cng khụng i
- Chiều rộng đáy đờng quá trình lũ đơn vị do các trận ma cùng thời đoạn
gây ra b»ng nhau
- NÕu thêi gian m−a b»ng nhau nh−ng lợng ma khác nhau thì tung độ
đờng quá trình lũ đơn vị tỷ lệ thuận với lợng ma
so sỏnh tổng hợp đường lũ đơn vị trong không gian người ta đưa ra
khái niệm đường lũ đơn vị không thứ ngun:
ut m3/s.

u/ ut

300

1
0.9
0.8

0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

u®

250
200
150
100
50
0
1

a/ Tính đường q trình lũ từ đường q trình lũ đơn vị
Nếu có lượng mưa hiệu quả X rơi trong thời đoạn ∆t thì ở cửa ra của lưu
vực sẽ xuất hiện đường quá trình lũ là:
Qi = ui . X
Nếu lượng mưa hiệu quả kéo dài trong m.∆t thời đoạn và ở các thời đoạn
đó có lượng mưa X1, X2,… , Xm khác nhau. Khi đó ta cú:

3

5


7

9

11

13

(1,1)

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Các bớc tính quá trình dòng chảy cụ thể từ tài liệu ma thực đo và đờng
quá trình lũ đơn vị nh sau:
- Xác định lợng ma hiệu quả Xhqj = .Xj ứng với từng thời đoạn
- Tính kj = Xhqj/ 25.4 (lu ý với đơn vị inche hay cm)
- Nhân hệ số kj với từng thời đoạn ui
- Tính tổng hợp từ các đờng lũ thành phần

Q1 = X1 . u1

Q2 = X2 . u1 + X1 . u2.
……
n

Qn = ∑ Xmu k
m =1

m: thời đoạn mưa
n: thời đoạn dòng chảy
k: thời đoạn lũ đơn vị k = n – m + 1

1


9/11/2014

Ví dụ:
Tính quá trình dòng chảy trên lu vực cho ba thời đoạn ngày 15/5/1972 cho lu
vực A với lợng ma nh sau: 29.7mm, 72.0mm, 50.9mm với đờng lũ đơn vị cho
trong bảng, và hệ số dòng chảy = 0.6. Lu ý (đơn vị u: cfs/cm, Q: cfs)

b/ Xây dựng đờng quá trình lũ đơn vị
- Khi bit quỏ trình mưa vượt thấm và dịng chảy trực tiếp, đường
q trình lũ đơn vị được xác định:
u1 =

Q1
X1

u2 =


Q2 − X 2U 1
X1

u3 =

Q3 − X 3U1 − X 2U 2
X1

u4 =

Q4 − X 3U 2 − X 2U 3
X1

…..

2.2.2 Đường quá trình đơn vị tổng hợp Synder (1938)

- Lưu lượng đỉnh trên 1 đơn vị diện tích lưu vực (m3/s.km2)

qp =

C 2Cp
tp

C2 = 2.75
Cp: hệ số được xác định từ các lưu vực có đo đạc trong cùng vùng ngh/cứu
Để xác định Ct và Cp, các giá trị L và Lc được đo từ bản đồ lưu vực. Từ
đường quá trình đơn vị của lưu vực đo đạc, ta xác định được thời gian mưa
hiệu dụng tR (giờ), thời gian trễ của lưu vực tpR (giờ) và lưu lượng đỉnh trên

đơn vị diện tích qpR.
- Thời gian trễ tp được xác định:
tp = C1Ct (L.Lc)0.3 (giờ)

+ Nếu tpR = 5.5tR => tR = tr, tpR = tp, qpR = qp và các hệ số Ct, Cp được

L: chiều dài dịng chính (km)

xác định từ các cơng thức trên.

Lc: chiều dài từ cửa ra đến một điểm trên dịng sơng gần với tâm của lưu vực

+ Nếu tpR ≠ 5.5tR thì:

C1 = 0.75
Ct: hệ số được xác định từ lưu vực có số liệu đo đạc trong cùng vùng ngh/cứu

t p = t pR +

tr − tR
4

2


9/11/2014

- Mối liên hệ giữa đường lũ đơn vị chuẩn qp và tính tốn qpR

q pR =


q p .t p
t pR

- Thời gian của đường quá trình đơn vị (giờ):
C3 = 5.56

C
tb = 3
q pR

- Chiều rộng của biểu đồ đường quá trình đơn vị tại một lưu lượng

W = C w .q −pR1.08

Bài tập:
1/ Một lưu vực A được xác định L = 150km, LC= 75km, F = 3500km2. Từ
đường quá trình đơn vị, xác định được tR = 12h, tpR = 34h và lưu lượng đỉnh
lũ là 157.5 m3/s.cm. Hãy xác định các hệ số Ct và Cp của đường quá trình
đơn vị tổng hợp của lưu vực.
2/ Xác định đường q trình đơn vị tổng hợp có thời gian mưa hiệu dụng 6h
của lưu vực B có diện tích F = 2500km2, L = 100km, Lc = 50km. Lưu vực này
là lưu vực bộ phận của lưu vực A.

Cw = 1.22 đối với chiều rộng 75%
Cw = 2.14 đối với chiều rộng 50%

2.2.3 Đường quá trình đơn vị tổng hợp không thứ nguyên SCS
- Tung độ lưu lượng được biểu thị bằng tỉ số của lưu lượng q và lưu lượng
đỉnh qp

- Thời gian được biểu thị bằng tỉ số của thời gian t so với thời gian xuất hiện
đỉnh Tp
- Khi cho biết lưu lượng đỉnh và thời gian trễ
đối với khoảng thời gian mưa hiệu dụng, ta có
thể ước tính được đường q trình đơn vị từ
đường q trình đơn vị tổng hợp khơng thứ
ngun của lưu vực cho trước.

- Theo đề nghị của SCS: thời gian nước rút xấp xỉ 1.67Tp. Độ sâu dòng chảy:

qp =

2.08 F
Tp

(m3/s.cm)

Q = qp.X

Với X xác định theo cm

(m3/s)

- Thời gian trễ của lưu vực: tp = 0.6Tc.
Tc là thời gian tập trung nước trên lưu vực
- Thời gian xuất hiện đỉnh Tp được biểu thị theo thời
gian trễ tp và thời gian mưa hiệu dụng tr:

Tp =


tr
+ tp
2

Bài tập: Xây dựng đường quá trình đơn vị tổng hợp 10phút của SCS cho một
lưu vực có diện tích F = 3km2 và thời gian tập trung nước là 1.25h

3


9/11/2014

GIỚI THIỆU MƠ HÌNH HEC-HMS

Giới thiệu chung về HEC-HMS
I. Lịch sử phát triển của mơ hình HEC-HMS
II. Cấu trúc của chương trình:
1. Cửa sổ dự án
2. Các Phương pháp tính tốn mưa
2. Các phương pháp tính lũ đơn vị
3. Các phương pháp diễn tốn dịng chảy
Hiển thị kết quả tính toán
Hướng dẫn sử dụng HEC-HMS 3.01

Giới thiệu chung về HEC-HMS
I. Lịch sử phát triển của mơ hình HEC-HMS
II. Cấu trúc của chương trình:
Cửa sổ dự án:

3 Phần hợp phần chính


1. Basin model (mơ hình lưu vực)
2. Meteorologic Model (mơ hình khí tượng):
3. Control Specifications

Chạy mơ hình
III. Hiển thị kết quả tính tốn

1. Lịch sử về mơ hình HEC-1 Và HEC-HMS
Các modun đơn lẻ của HEC-1 được xây dựng 1967
by Leo R. Beard
Kết hợp các modun: 1973
Cải tiến và nâng cao: 1981 (Dam Breach, Kinematic
Wave)
Hồn thiện thành chương trình máy tính: 1984
(partial), 1988 (full)
HEC-HMS – là phiên bản nâng cao của HEC1 với
giao diện sử dụng thân thiện
Version 1.0 ra đời tháng 4 năm 1998

IV. Hướng dẫn sử dụng HEC-HMS 4.0

1


9/11/2014

1. Lịch sử về mơ hình HEC-1 Và HEC-HMS

1. Lịch sử về mơ hình HEC-1 Và HEC-HMS


Mục đích cải tiến HEC 1 thành HEC-HMS

Những cải tiến của HEC-HMS cho đến phiên bản 4.0

Cải thiện giao diện, đồ hoạ, và in ấn báo cáo

Dễ sử dụng

Cải thiện các phương pháp tính tốn thuỷ văn

Dự án bao gồm 3 modun.

Tích hợp những phương pháp tính tốn thuỷ
văn tương tự vào 1 phần mềm

Người dùng có thể chạy các dự án với các thông số khác
nhau mà không phải tạo các dự án mới
dữ liệu thủy văn được lưu trữ trong các file trong cơ sở dữ
liệu DSS
Có khả năng xử lý và sử dụng các dữ liệu mưa dạng lưới
(gridded precipitation)
Có khả năng chuyển đổi dữ liệu của HEC1 sang HMS files
HEC-HMS 4.0 bổ sung thêm các chức năng của hồ chứa, cải
tiến một số phương pháp diễn tốn dịng chảy, cải tiến giao
diện (giao diện mang tính chuyên nghiệp hơn)

1. Lịch sử về mơ hình HEC-1 Và HEC-HMS

2. Cấu trúc của chương trình HEC-HMS


Lấy phần mềm HEC-HMS ở đâu?
/>
“Public Domain” Program
No Copyright on Software
Main project screen
(cửa sổ chính của dự
án)
Tất cả các thông
tin, dữ liệu đều
được đưa vào và
kết nối với nhau
thông qua menu.

No Copyright on HEC Documentation

►

2


9/11/2014

2. Cấu trúc của chương trình HEC-HMS

3 modun chính
Basin model (mơ hình lưu
vực): chứa các yếu tố của lưu
vực, liên kết và các thơng số
của dịng chảy.

Meteorologic Model (mơ
hình khí tượng):chứa các dữ
liệu về mưa và bốc hơi.
Control Specifications (Các
chỉ tiêu điều khiển): bao gồm
thời khoảng tính tốn, thời
gian bắt đầu và kết thúc tính
tốn.

2. Cấu trúc của chương trình HEC-HMS
Basin Model
Có giao diện rất thân
thiện
Click vào các yếu tố ở bên
trên để đưa chúng vào
trong khu vực nghiên cứu
Có thể nhập bản đồ từ
GIS để sử dụng dưới dạng
nền
Vị trí thực tế của các yếu
tố khơng có ý nghĩa, mà
các thơng số dịng chảy và
các liên kết giữa chúng
mới có ý nghĩa trong tính
tốn

2. Cấu trúc của chương trình HEC-HMS
Định nghĩa một dự án
(Project)
Có thể bao gồm nhiều

mơ hình lưu vực, mơ
hình khí tượng, và các
chỉ số điều khiển khác
nhau
Người sử dụng có thể lựa
chọn những sự kết hợp
khác nhau của 3 mơ hình
trên để thấy được những
ảnh hưởng của các thông
số đến từng lưu vực

►

2. Cấu trúc của chương trình HEC-HMS
Basin Model Elements
(các yếu tố của mơ hình lưu vực)
subbasins- Chứa dữ liệu về lưu vực con (tổn thất, Phương
pháp chuyển đổi lũ đơn vị, dòng chảy ngầm).
reaches- kết nối những yếu tố cùng với dữ liệu diễn tốn
dịng chảy.
junctions- điểm kết nối giữa các yếu tố.
reservoirs- tích và xả nước ở một mức ấn định trước
(quan hệ dung tích và lưu lượng xả)
sinks- có dịng chảy vào nhưng khơng có dịng chảy ra
sources- có dịng chảy ra nhưng khơng có dịng chảy vào
diversions- phân bổ nguồn nước - sử dụng trong trường
hợp chậm lũ
►

3



9/11/2014

2. Cấu trúc của chương trình HEC-HMS

2. Cấu trúc của chương trình HEC-HMS

subbasins- Chứa dữ liệu về lưu vực con
(tổn thất, Phương pháp chuyển đổi lũ đơn
vị, dòng chảy ngầm).

1.Tổn thất
Green & Ampt
Initial & constant

Hec – HMS cho phép lựa chọn các phương
pháp khác nhau để tính:

SCS curve no.

1.tổn thất

Gridded SCS curve no.

2.chuyển mưa hiệu quả thành dòng chảy,

Deficit/Constant

3.Dòng chảy ngầm


No loss rate
►

►

2. Cấu trúc của chương trình HEC-HMS

2. Cấu trúc của chương trình HEC-HMS

2. Chuyển mưa hiệu quả thành dòng chảy

Các đường lũ đơn vị tổng hợp của HEC- HMS được tính
tốn từ đặc tính của lưu vực

Unit Hydrograph (đường đơn vị)
Distributed Runoff (dòng chảy phân bố)

SCS Dimensionless Unit graph

Grid-Based Transformation (chuyển đổi dựa trên
lưới dữ liệu)

Clark Unit Hydrograph (TC & R)

Các phương pháp:

User-Defined Input Unit Hydrograph

Clark


Snyder Unit Hydrograph
ModClark Unit Hydrograph

Snyder
SCS
Input Ordinates
ModClark
Kinematic Wave

►

4


9/11/2014

2. Cấu trúc của chương trình HEC-HMS

2. Cấu trúc của chương trình HEC-HMS

3. Tính nước ngầm

Diễn tốn dịng chảy trong sông

Recession
(đường cong nước rút)

Flood routing methods (Các phương pháp diễn toán lũ)
trong HEC-HMS:


constant monthly

Simple Lag

linear reservoir

Modified Puls

no baseflow

Muskingum
Muskingum Cunge
Kinematic Wave

►

2. Cấu trúc của chương trình HEC-HMS
Diễn tốn qua hồ chứa (reservoir
routing):

2. Cấu trúc của chương trình HEC-HMS
I - Q = dS
dt

Pond storage with
outflow pipe

Level Pool Reservoir


Q (weir flow)

I
H
S

Q (orifice flow)
S = f(Q)

Q = f(H)

I
Orifice flow:

Orifice flow

Q=C*

2gH

Q
I
Weir Flow:
Q = CLH3/2

Weir flows
Inflow and Outflow

Q


Inflow
Q (cfs)

Được xây dựng bên ngoài HEC-HMS
Các quan hệ:
Storage versus Discharge W – Q)
Storage versus Elevation (W – Z)
Surface Area versus Elevation (A – Z)
Các đặc tính của lưu lượng ứng với các
trường hợp:
Spillways, Low-Level Outlets, Pumps
Dam Safety: Embankment Overflow,
Dam Breach

►

I=Q
Outflow

time

5


9/11/2014

2. Cấu trúc của chương trình HEC-HMS

2. Cấu trúc của chương trình HEC-HMS


Nhập dữ liệu cho diễn tốn
qua hồ chứa

Cần xem xét những điều kiện
ban đầu
Inflow = Outflow
Initial Storage Values (các
giá trị ban đầu của dung
tích)
Initial Outflow (dịng chảy
ra ban đầu)
Initial Elevation (mực
nước ban đầu)
Elevation Data Relates to Both
Storage/Area and Discharge
(các quan hệ S-Z, A-Z, S-Q)

Meteorologic Model (Mơ hình khí tượng)
Meteorologic Model
Precipitation
user hyetograph

Evapotranspiration-ET
monthly average,
no evapotranspiration

user gage weighting
inverse-distance gage
weighting
gridded precipitation

frequency storm

►

Precipitation (mưa)
Historical Rainfall Data (dữ liệu mưa lịch sử)
Recording Gages (số liệu đo đạc của các trạm)
Non-Recording Rainfall Gages (các trạm khơng có dữ
liệu)

Design Storms (Các trận mưa thiết kế)
Hypothetical Frequency Storms (các trận mưa thiết kế
theo một tần suất nào đó)
Corps Standard Project Storm (các trận mưa mà các
dự án phải dùng theo quy định của USA (chỉ dùng ở
USA)

standard project storm Eastern U.S.

Precipitation: Gridded Weather Radar Data
(dữ liệu mưa lưới từ rada thời tiết)
Data from National Weather Service
NexRAD program, Doppler Radar
Data must be manipulated and stored in DSS file format
(dữ liệu phải được phân tích tính tốn và lưu trữ dưới
định dạng file DSS)

Grids are HRAP (NWS) or SHG (HEC)
HRAP uses spherical projections and generalized
earth radius values

SHG uses Albers Equal Area projections
Grids cover about 1 square kilometer

Historical raw data may not be archived

6


9/11/2014

The HEC-HMS “Options”
(Những lựa chọn của HEC-HMS)

Sources of Rainfall Intensity-Duration-Frequency (IDF
(nguồn dữ liệu mưa - lấy từ họ đường cong IDF)

Dùng cho USA

Tính tốn mưa (6 lựa chọn)

East of 105th Meridian (Denver)

Tính tốn tổn thất (5 lựa chọn)
Các phương pháp chuyển đổi mưa dòng chảy (6
lựa chọn)

NWS HYDRO-5 (5 minutes to 60 minutes)
NWS TP-40 (2 hours to 24 hours) - 1961
NWS TP-49 (2 days to 10 days)


Các phương pháp diễn tốn dịng chảy (7 lựa
chọn)

West of 105th Meridian
NOAA Atlas 2 (Separate Volumes for Each State)

Over 6 x 5 x 6 x 7 = 1,260 (sự kết hợp
Subbasin

Control Specifications các chỉ tiêu điều khiển
Control Specifications - Start/Stop/Time Interval

routing reach
►

Running a project (chạy mơ hình)
Người dùng lựa chọn
1. Mơ hình lưu vực
2. Mơ hình khí tượng
3. Các chỉ tiêu điều
khiển

►

►

7


9/11/2014


Viewing Results (Xem kết quả tính)

Hiển thị kết quả

Để xem kết quả tính: nháy nút phải của chuột tại
bất cứ yếu tố nào của lưu vực, kết quả sẽ hiện ra tại đo
Hiển thị kết quả:
Đường quá trình gồm cả tính tốn và thực đo

Bảng tóm tắt kết quả tính – cho biết giá trị đỉnh lũ, thời gian xuất
hiện

hydrograph

Bảng ghi giá trị tính lưu lượng theo chuỗi thời gian tính tốn
So sánh kết quả tính tốn và thực đo: plot observed
data on the same hydrograph to by selecting a discharge
gage for an element

HEC-HMS Output
Tables (Bảng biểu)

1.
l
l

2.
3.
4.

5.
6.

Viewing Results

Summary (tóm tắt)
Detailed (Time Series) (chi tiết)

Hyetograph Plots
Sub-Basin Hydrograph Plots
Routed Hydrograph Plots
Combined Hydrograph Plots
Recorded Hydrographs - comparison

Bảng tóm tắt
Bảng chi tiết

8


9/11/2014

HEC-HMS Output
Sub-Basin Plots
Đường quá trình
d/c
Biểu đồ mưa
Khấu hao tổn thất
Nước ngầm


HEC-HMS Output
Junction Plots
Tributary Hydrographs
Combined Hydrograph
Recorded Hydrograph

9


10/17/2014

1. Giới thiệu mơ hình

MƠ HÌNH NAM

Nedbør Afstrømnings Model = Mơ hình mưa – dịng chảy
Neilsen & Hansen - 1973

1. Giới thiệu mơ hình
2. Cấu trúc mơ hình
3. Thơng số mơ hình
4. Điều kiện ban đầu
5. Dữ liệu đầu vào
6. Khả năng ứng dụng của mơ hình

Mơ hình NAM mơ phỏng q trình mưa – dịng chảy một cách liên tục
thơng qua việc tính tốn cân bằng nước ở các bể chứa thẳng đứng, có
tác dụng qua lại lẫn nhau để diễn tả các tính chất vật lý của lưu vực.
Mơ hình NAM bao gồm một tập hợp các biểu thức tốn học đơn giản để
mơ phỏng các q trình trong chu trình thuỷ văn.

Mơ hình NAM là mơ hình nhận thức, tất định, thông số tập trung.
Viện Thủy lực Đan Mạch xây dựng mơ hình NAM như là một modun tính
mưa - dịng chảy trong bộ phần mềm thương mại MIKE 11.

Dữ liệu đầu vào của mơ hình:
Mưa,
Bốc hơi tiềm năng,
Nhiệt độ khơng khí (chi áp dụng cho vùng có tuyết)
Kết quả đầu ra của mơ hình:
Dịng chảy trên lưu vực,
Mực nước ngầm,
Các thơng tin khác trong chu trình thuỷ văn, như sự thay đổi tạm thời
của độ ẩm của đất và khả năng bổ sung nước ngầm.
Dòng chảy lưu vực được phân một cách gần đúng thành dòng chảy mặt,
dòng chảy sát mặt, dòng chảy ngầm.

1