MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH .iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU .vi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ . vii
MỞ ĐẦU . 1
1. Tính cấp thiết đề tài . 1
2. Mục tiêu nghiên cứu . 3
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu . 3
4. Phương pháp nghiên cứu . 3
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn . 4
6. Kết cấu của luận án . 4
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ LŨ QUÉT VÀ
CẢNH BÁO, DỰ BÁO LŨ QUÉT . 5
1.1 Một số khái niệm sử dụng trong Luận án . 5
1.1.1 Khái niệm về lũ quét . 5
1.1.2 Khái niệm về tràn bờ, lưu lượng tràn bờ . 7
1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu . 10
1.2.1 Tổng quan nghiên cứu dự báo, cảnh báo lũ quét . 10
1.2.2 Tổng quan nghiên cứu về lưu lượng tràn bờ . 24
1.3 Khoảng trống trong nghiên cứu dự báo, cảnh báo lũ quét theo thời gian thực
và định hướng nghiên cứu của Luận án. 29
1.3.1 Khoảng trống trong nghiên cứu . 29
1.3.2 Định hướng nghiên cứu của luận án . 31
1.4 Kết luận Chương 1 . 33
CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP CẢNH BÁO LŨ
QUÉT CHO LƯU VỰC NHỎ SÔNG MIỀN NÚI . 35
2.1 Cơ sở khoa học xây dựng phương trình thực nghiệm tính toán lưu lượng tràn
bờ 35
2.1.1 Xác định ngưỡng tràn bờ từ dấu hiệu nhận biết trên thực địa. 35
2.1.2 Xây dựng tương quan giữa mực nước và lưu lượng cho các vị trí điều tra
khảo sát . 36
2.1.3 Xây dựng phương trình thực nghiệm tính toán lưu lượng tràn bờ . 37
2.2 Xây dựng mô hình toán mưa - dòng chảy kết hợp với dữ liệu lượng mưa theo
thời gian thực để tính toán cập nhật liên tục hiện trạng của lưu vực. 38
2.2.1 Cấu trúc mô hình toán (CTM) . 41
2.2.2 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình . 53
2.3 Phương pháp tính toán ngưỡng mưa định hướng có khả năng sinh lũ quét
(FFG) và chỉ số mức độ nguy cơ xảy ra lũ quét (FFT) . 55
2.3.1 Xác định ngưỡng mưa FFG. 57
2.3.2 Xác định chỉ số FFT (Mức độ nguy cơ đe dọa lũ quét) . 59
2.4 Kết luận Chương 2 . 62
144 trang |
Chia sẻ: minhanh6 | Ngày: 13/05/2023 | Lượt xem: 464 | Lượt tải: 2
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận án Nghiên cứu phương pháp cảnh báo lũ quét cho lưu vực nhỏ miền núi và áp dụng thử nghiệm cho 2 lưu vực Nậm Ly và Nà Nhùng tỉnh Hà Giang, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
ượng mưa như cột gạch chéo được giả sử
(cột gạch chéo) thêm vào, lượng mưa này sẽ gây ra dòng chảy như đường nét đứt (dash
line) ở hình (b). Dòng chảy tích lũy ở cửa ra lưu vực sẽ là dòng chảy tổng hợp như đường
chấm (dot line). Như vậy giá trị FFG sẽ được xác định sao cho giá trị cực đại của đường
dòng chảy tổng hợp tiếp xúc với giá trị lưu lượng tràn bờ. Như vậy giá trị dòng chảy ở
thời điểm hiện tại sẽ là điều kiện ban đầu để làm cơ sở xác định giá trị FFG, việc xác
định giá trị dòng chảy tại hiện tại từ lượng mưa cập nhật liên tục có ý nghĩa quan trọng
trong việc xác định giá trị FFG.
Trong quá khứ các nhà thủy văn học đã tính toán dòng chảy mặt với dữ liệu hạn chế và
các kỹ thuật tính toán đơn giản. Phương pháp đầu tiên được sử dụng rộng rãi là phương
pháp hợp lý (rational method) do Thomas Mulvaney (1951) [78] công bố năm 1951,
sử dụng cường độ mưa, diện tích lưu vực và hệ số dòng chảy để xác định lưu lượng đỉnh
lũ của lưu vực hứng nước Beven and Binley (1992) [79]; Xu (2002) [80]. Gần đây hơn,
khái niệm đường lũ đơn vị đã được đưa ra để mô phỏng phản ứng của lưu vực đối với
một trận mưa dựa trên nguyên lý lũy tích Beven (2012) [81]; Todini (1998) [82]; Xu
Hình 2.3 Sơ đồ mô phỏng cách xác định giá trị FFG
40
(2002) [80]. Với khả năng tính toán ngày càng tăng và sự hiểu biết sâu sắc hơn về các
quá trình thủy văn, các mô hình dòng chảy đã trở nên sát thực hơn với điều kiện thực tế.
Mô hình hóa dòng chảy giúp hiểu rõ hơn về các hiện tượng thủy văn và những thay đổi
ảnh hưởng đến những hiện tượng này như thế nào Xu (2002) [80]. Mô hình dòng chảy
hình ảnh hóa những gì xảy ra trong các hệ thống do sự thay đổi của bề mặt thảm thực
vật và các sự kiện khí tượng. Devi và nnk (2015) [83] định nghĩa mô hình dòng chảy là
một tập hợp các phương trình hỗ trợ việc ước tính lượng mưa chuyển đổi thành dòng
chảy. Quá trình này bao gồm các thông số khác nhau được sử dụng để mô tả điều kiện
của lưu vực.
Hiện nay có rất nhiều mô hình đã được phát triển trên thế giới. Một số mô hình được
ứng dụng trong các bài toán thực tế ở Việt Nam như: NAM, HEC HMS, TANK Mô
hình TANK Sugawara (1995) [84] và NAM Nielsen (1975) [85] dựa trên cấu trúc các
bể thẳng đứng để tính toán dòng chảy. Các mô hình này có ưu điểm là cấu trúc đơn giản,
mô phỏng tốt các thành phần dòng chảy. HEC HMS cũng là một mô hình được sử dụng
rất phổ biến hiện này với nhiều sự lựa chọn tính toán đối với từng thành phần dòng chảy
để phù hợp với từng điều kiện của người sử dụng. Các mô hình hiện nay đều có ưu
nhược điểm khác nhau khi ứng dụng trong công tác cảnh báo, dự báo lũ quét. Các mô
hình thống kê có hạn chế không diễn giải được bản chất vật lý của hiện tương gây khó
khăn khi áp dụng cảnh báo lũ quét, các mô hình nhận thức thông số phân bố mô phỏng
chi tiết các tiểu lưu vực tuy nhiên số liệu đòi hỏi chi tiết, trong khi lưu vực nhỏ miền núi
thiếu số liệu, khó áp dụng. Mô hình nhận thức thông số tập trung chỉ xác định các đặc
trưng dòng chảy ở cửa ra lưu vực không mô phỏng chi tiết tại nhiều vị trí trên lưu vực
tuy nhiên số liệu không đòi hỏi nhiều, việc chia nhỏ thành các tiểu lưu vực có thể đảm
bảo được công tác cảnh báo cho khu vực nghiên cứu. Xuất phát từ mục đích muốn xây
dựng một mô hình toán phục vụ riêng cho nghiên cứu của tác giả thay vì sử dụng mô
hình toán có sẵn, đồng thời có thể chủ động kiểm soát khối lập trình trong mô hình phục
vụ cho xây dựng công cụ riêng để cảnh báo lũ quét cho khu vực nghiên cứu, tác giả sẽ
phát triển một mô hình toán thủy văn riêng cho khu vựu nghiên cứu (CTM). Ngôn ngữ
java được sử dụng để xây dựng mô hình.
41
2.2.1 Cấu trúc mô hình toán (CTM)
Cấu trúc mô hình gồm 3 thành phần chính bao gồm: thành phần lưc vực, thành phần
đoạn sông và thành phần kết nối. Trong đó thành phần lưu vực có chức năng chuyển
hóa từ mưa thành dòng chảy trên lưu vực sông; thành phần đoạn sông nhằm diễn toán
dòng chảy trong sông, việc diễn toán có thể thực hiện bởi một số phương pháp diễn toán
thủy văn thông dụng như hồ chứa tuyến tính, Muskingum,..; thành phần kết nối là thành
phần đơn giản nhất có tác dụng kết nối các thành phần khác với nhau. Cấu trúc mô hình
thể hiện trong sơ đồ Hình 2.4:
2.2.1.1 Thành phần lưu vực
Thành phần lưu vực có chức năng chuyển hóa từ mưa thành dòng chảy trên lưu
vực sông. Việc chuyển đổi mưa thành dòng chảy có thể được tính toán theo 2 phương
pháp khác nhau: phương pháp SCS-CN và phương pháp bể chứa tuyến tính
2.2.1.1.1. Phương pháp tính toán chuyển đổi mưa thành dòng chảy theo phương pháp
SCS-CN
So đồ tính toán dòng chảy theo phương pháp SCS-CN thể hiện như trên hình 2.5 dưới
đây.
Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc mô hình toán thủy văn xây dựng cho lưu vực nghiên cứu
Mô hình CTM
3. Kết nối
Kết nối các lưu
vực và đoạn sông
1. Lưu vực 2. Đoạn sông
Phương pháp SCS-CN
Mưa hiệu quả
Tính toán dòng
chảy mắt
Số liệu
mưa
Phương pháp bể chứa
tuyến tính
Tính toán dòng chảy cửa ra
lưu vực
Phương pháp diễn
toán thủy văn đoạn
sông:
+ Phương pháp hồ
chứa tuyến tính
+ Phương pháp
Muskingum
+ Phương pháp
Muskingum - cunge
Tính toán
dòng
chảy
ngầm
Khấu trừ tổn thất
P
h
ư
ơ
n
g
p
h
á
p
S
C
S
42
1. Tính toán tổn thất
Mô hình tác giả xây dựng lựa chọn một số phương pháp tính toán tổn thất gồm phương
pháp tốc độ thấm ban đầu và thấm ổn định (Intial and Constant Rate), tính thấm theo hệ
số đường cong thấm của cơ quan bảo vệ đất Hoa Kỳ (SCS Curve Number), phương pháp
tính thấm Green và Ampt, phương pháp độ hụt bão hoà và thấm hằng số (Deficit and
Constant), phương pháp tính toán độ ẩm đất (Soil Moisture Accounting). Dùng bất kỳ
phương pháp nào đều tính được lượng tổn thất trung bình trong một thời đoạn tính toán,
lượng mưa hiệu quả được dùng để tính toán đường quá trình dòng chảy ra cho lưu vực
được tính toán từ lượng mưa đầu vào sau khi đã khấu trừ đi lượng tổn thất.
a. phương pháp tính tốc độ thấm ban đầu và ổn định.
Khái niệm cơ bản của phương pháp này là: Tỷ lệ tiềm năng lớn nhất của tổn thất mưa fc
không đổi trong suốt cả trận mưa. Do vậy, nếu pt là lượng mưa trong khoảng thời gian
từ t đến t + ∆t
Những thông số của phương pháp này biểu thị các đặc trưng vật lý các lớp đất của lưu
vực, điều kiện ẩm kỳ trước. Nếu lưu vực ở điều kiện bão hòa ẩm, tổn thất ban đầu sẽ
Hình 2.5 Sơ đồ tính toàn dòng chảy cửa ra lưu vực
43
tiến dần tới 0. Nếu lưu vực khô hạn, tổn thất ban đầu sẽ lớn biểu thị lớp nước mưa lớn
nhất rơi trên lưu vực nhưng không sinh dòng chảy, điều này sẽ phụ thuộc vào địa hình
lưu vực, việc sử dụng đất, loại đất và việc xử lý đất. Một số công thức tính cường độ
thấm bao gồm: công thức do Horton, Phillip và Phê-đô-rôp đề nghị.
a. Công thức Horton: là một trong những công thức được sử dụng sớm nhất do Horton đề
xuất năm 1933. Công thức có dạng:
𝐾𝑡 = 𝐾𝑐 + (𝐾𝑜 − 𝐾𝑐)𝑒
− t (2-2)
b. Công thức của Phillip:
𝐾𝑡 = 𝐾𝑐 +
𝐴
𝑡1/2
(2-3)
c. Công thức của Phê-đô-rôp:
𝐾𝑡 = 𝐾𝑐 + (𝑎𝑡 − 𝐾𝑐)𝑒𝑥𝑝 (−
𝑎𝑡×𝑡
𝑑
) (2-4)
Trong đó: Kt: Cường độ thấm tại thời điểm tính toán t (mm/phút);
K0: Cường độ thấm ban đầu (mm/phút);
Kc: Cường độ thấm ổn định (mm/phút);
: Hệ số biểu thị sự triết giảm cường độ thấm theo thời gian;
A: Thông số đặc trưng cho loại đất và đặc điểm bề mặt lưu vực;
d: Độ thiếu hụt bão hoà của độ ẩm đất;
at: Cường độ mưa tại thời điểm t;
t - Thời gian tính toán kể từ khi bắt đầu mưa, tính bằng phút.
Sự thay đổi cường độ thấm Kt theo thời gian được mô tả trong Hình 2.6 dưới đây
44
b. Phương pháp tính tổn thất theo đường cong SCS (Soil Conservation Service)
Phương pháp do Cơ quan Bảo vệ thổ nhưỡng (Soil Conservation Service) Hoa Kỳ đề
xuất năm 1978. Cơ sở của phương pháp như sau: Trong một trận mưa, lượng mưa hiệu
quả Pe không bao giờ vượt quá lượng mưa P. Tương tự như vậy, sau khi quá trình dòng
chảy bắt đầu, độ sâu lượng nước bị cầm giữ có thực trên lưu vực Fa bao giờ cũng nhỏ hơn
hoặc bằng một lượng bị cầm giữ tiềm năng tối đa S nào đó. Lượng mưa bị tổn thất ban đầu
không sinh ra dòng chảy là Ia (Hình 2.7). Do đó lượng dòng chảy tiềm năng là (P-Ia). Sau
khi phân tích nhiều số liệu của các lưu vực ở Mỹ, SCS đưa ra giả thuyết rằng: tỷ số giữa 2
đại lượng Fa và Pe thì bằng tỉ số giữa hai đại lượng tiềm năng P-Ia và S theo phương trình
(2-5).
IaP
P
S
Fa e
(2-5)
Trong đó: P: Lượng mưa (mm) của một trận mưa hoặc một thời đoạn mưa.
Pe: Lượng mưa sinh dòng chảy (mm)
Ia: Tổn thất ban đầu (mm)
Hình 2.6 Đường quá trình cường độ thấm Kt
45
S: Giới hạn độ sâu nước bị cầm giữ tiềm năng (mm)
Fa: Độ sâu nước bị cầm giữ trên lưu vực (mm), Fa = P-Ia chính là lượng dòng chảy bị
giữ lại trên lưu vực.
Công thức tính toán tạo dòng chảy của phương pháp SCS theo phương trình (2-6)
do đó: Pe =
IaSP
IaP
2)(
khi P Ia (2-6)
Pe = 0 khi P < Ia
Vì Ia không rất khó xác định nên để đơn giản tính toán, SCS đưa ra một công thức kinh
nghiệm:
Ia = 0,2 S (2-7)
Thay vào (2-12) nhận được:
Pe =
SP
SP
8,0
)2,0( 2
P 0,2S
Pe = 0 P < 0,2 S (2-8)
Hình 2.7 Quá trinh mưa, tổn thất dòng chảy của một trận mưa
46
Trị số của S biến đổi khá lớn, SCS đưa ra một thông số không thứ nguyên CN (Curve
number) được xác định theo các đường cong lập sẵn tùy thuộc vào loại đất và tình hình
sử dụng đất trên lưu vực, quan hệ kinh nghiệm giữa CN và S như công thức 2-9:
S = 10
1000
CN
(2-9)
CN lấy giá trị trong khoảng (0,100). Đối với bề mặt không thấm nước hoặc mặt nước,
CN = 100; đối với bề mặt tự nhiên, CN < 100.
Các số hiệu của đường cong CN đã được Cơ quan Bảo vệ Thổ nhưỡng Hoa Kỳ lập thành
bảng tính sẵn dựa trên phân loại đất và tình hình sử dụng
2. Chuyển đổi từ mưa hiệu quả sang dòng chảy
Có nhiều phương pháp để chuyển lượng mưa hiệu quả thành dòng chảy trên bề mặt của
khu vực. Đường quá trình đơn vị là một mô hình đơn giản mà ta có thể sử dụng để xây
dựng các đường quá trình dòng chảy trong sông tạo ra bởi một lượng mưa vượt thấm
bất kỳ.
Phương pháp cơ bản: khi đường quá trình đơn vị đã được xác định, ta có thể áp dụng nó
để tính các biểu đồ quá trình dòng chảy trực tiếp và quá trình dòng chảy trong sông.
Chọn một biểu đồ quá trình mưa và ước lượng các tổn thất dòng chảy để xác định ra
biểu đồ quá trình mưa vượt thấm.
Đường quá trình đơn vị tổng hợp: phương pháp xây dựng đường quá trình đơn vị từ các
số liệu của mưa và dòng chảy chỉ có thể áp dụng được cho các lưu vực hoặc cho một vị
trí trên dòng sông tại đó đã có các số liệu đo đạc về dòng chảy. Dựa trên cơ sở sử dụng
các trình tự tính toán về đường quá trình đơn vị tổng hợp để xây dựng đường quá trình
đơn vị cho các địa điểm khác trên sông hoặc cho một lưu vực kế cận không có đủ số liệu
đo đạc nhưng có đặc điểm tương tự. Các kiểu đường quá trình đơn vị tổng hợp bao gồm:
đường quá trình đơn vị tổng hợp Clark, đường quá trình đơn vị tổng hợp Snyder, đường
đơn vị tổng hợp không thứ nguyên SCS.
Trong nghiên cứu sử dụng đường đơn vị tổng hợp Snyder. Trong công trình nghiên cứu
về nhiều lưu vực nằm chủ yếu ở các miền cao nguyên Hoa Kỳ có diện tích trong khoảng
47
từ 30- 30000 km2, Snyder (1938) [86] đã tìm ra các quan hệ tổng hợp về một số đặc
trưng của một đường quá trình đơn vị chuẩn. Từ các quan hệ đó ta, có thể xác định được
5 đặc trưng cần thiết của một đường quá trình đơn vị đối với một thời gian mưa hiệu
dụng cho trước: lưu lượng đỉnh trên một đơn vị diện tích qpR, thời gian trễ của lưu vực
tpR, (tức là khoảng chênh lệch thời gian giữa tâm của biểu đồ quá trình mưa hiệu dụng
với thời gian xuất hiện đỉnh đường quá trình đơn vị), thời gian đáy tb và các chiều rộng
W (theo đơn vị thời gian) của đường quá trình đơn vị tại các tung độ bằng 50% và 75%
của lưu lượng đỉnh. Sử dụng các đặc trưng này, ta có thể vẽ ra được đường quá trình
đơn vị yêu cầu.
3. Tính toán dòng chảy ngầm
Dòng chảy trong sông bao gồm hai thành phần: dòng chảy mặt do nước mưa cung cấp,
dòng chảy ngầm do nguồn nước ngầm cung cấp. Vì lượng dòng chảy ngầm cấp cho sông
tương đối ổn định, không phụ thuộc rõ rệt vào lượng mưa như dòng chảy mặt cho nên,
khi tính toán dòng chảy từ mưa người ta chỉ tính lớp dòng chảy mặt, sau đó cộng thêm
thành phần dòng chảy ngầm để xác định dòng chảy thực đo. Dòng chảy ngầm cũng
không đo đạc trực tiếp mà chỉ tính theo một số phương pháp như sau:
Phương pháp SCS-CN lựa chọn các phương pháp tính dòng chảy ngầm gồm các phương
pháp cắt nước ngầm, phương pháp dòng chảy ngầm ổn định theo tháng (Constant
Monthly), hồ chứa tuyến tính (Linear Reservoir).
Các phương pháp cắt nước ngầm: có nhiều phương pháp khác nhau để tách dòng chảy
trực tiếp và dòng chảy ngầm, cắt nước ngầm theo đường thẳng nằm ngang, phương pháp
đáy cố định, phương pháp độ dốc biến đổi. Trong tính toán dòng chảy ngầm nghiên cứu
sử dụng phương pháp độ dốc biến đổi.
Dùng đường cong nước rút để cắt nước ngầm theo phương pháp độ dốc biến (Hình 2.8).
Phương pháp này yêu cầu ba thông số là :
Lưu lượng dòng ngầm ban đầu (Q0), phụ thuộc vào lưu lượng dòng chảy thường xuyên
trong sông.
Hằng số nước rút (RC)
48
Ngưỡng của dòng ngầm (TQ)
Như vậy dựa vào tài liệu thực đo có thể ước tính các thông số để tính toán dòng chảy
ngầm. Giá trị tối ưu của chúng sẽ xác định được trong quá trình hiệu chỉnh mô hình.
2.2.1.1.2 Tính toán dòng chảy từ mưa theo mô hình bể chứa tuyến tính
Cấu trúc của mô hình gồm 3 bể chứa như mô tả Hình 2.9 dưới đây
Hình 2.8 Các thông số phương pháp cắt nước ngầm
49
a. Bể chứa mặt
Lượng ẩm trữ trên bể mặt của thực vật, cũng như lượng nước điền trũng trên bề
mặt lưu vực được đặc trưng bởi lượng trữ bề mặt. Umax đặc trưng cho giới hạn trữ
nước tối đa của bể này.
Lượng nước, U, trong bể chứa mặt sẽ giảm dần do bốc hơi, do thất thoát theo
phương năm ngang (dòng chảy sát mặt). Khi lượng nước này vượt quá ngưỡng Umax,
thì một phần của lượng nước vượt ngưỡng, PN này sẽ chảy vào suối dưới dạng dòng chảy
tràn bề mặt, phần còn lại sẽ thấm xuống bể sát mặt và bể ngầm.
b. Bể sát mặt hoặc bể tầng rễ cây
Hình 2.9 Sơ đồ tính toán dòng chảy theo phương pháp bể chứa tuyến tính
L
m
a
x
U
m
a
x
Bể mặt
P Ep
Dòng chảy mặt
Dòng chảy sát mặt
Dòng chảy ngầm
Bể sát mặt L
U
Bể ngầm
BFu
50
Bể này thuộc tầng rễ cây, là lớp đất mà thực vật có thể hút nước để thoát ẩm.
Lmax đặc trưng cho lượng ẩm tối đa mà bể này có thể chứa.
Lượng ẩm của bể chứa này được đặc trưng băng đại lượng L. L phụ thuộc vào
lượng tổn thất thoát hơi của thực vật. Lượng ẩm này cũng ảnh hưởng đến lượng nước
sẽ đi xuống bể chứa ngầm để bổ xung nước ngầm.
c. Bốc thoát hơi
Nhu cầu bốc thoát hơi nước trước tiên là để thoả mãn tốc độ bốc thoát hơi tiềm năng của
bể chứa mặt. Nếu lượng ẩm U trong bể chứa mặt nhỏ hơn nhu cầu này, thì nó sẽ lấy ẩm
từ tầng rễ cây theo tốc độ Ea. Ea là tỷ lệ với lượng bốc thoát hơi tiềm năng Ep:
max
/ LLEE pa (2-10)
d. Dòng chảy mặt
Khi bể chứa mặt tràn nước, U Umax, thì lượng nước vượt ngưỡng PN (PN = U- Umax) sẽ
hình thành dòng chảy mặt và thấm xuống dưới. QOF là một phần của PN, tham gia hình
thành dòng chảy mặt, nó tỉ lệ thuận với PN và thay đổi tuyến tính với lượng ẩm tương
đối, L/Lmax, của tầng rễ cây:
TOFLLfor
TOFLLforP
TOF
TOFLL
CQOF
QOF N
max
max
max
/0
/
1
/
(2-11)
Trong đó CQOF là hệ số dòng chảy mặt (0 CQOF 1).
TOF là ngưỡng của dòng chảy mặt (0 TOF 1).
Phần còn lại của PN sẽ thấm xuống tầng dưới. Một phần DL của phần nước thấm
xuống này, (PN-QOF), sẽ làm tăng lượng ẩm L của bể chứa tầng rễ cây này. Phần còn
lại sẽ thẩm thấu xuống tầng sâu hơn để bổ xung cho bể chứa tầng ngầm.
e. Dòng chảy sát mặt
Dòng chảy sát mặt, QIF, được giả thiết tỉ lệ thuận với U và biến đổi tuyến tính
với độ ẩm tương đối của bể chứa tần rễ cây
TIFLLfor
TIFLLforU
TIF
TIFLL
CKIF
QIF
max
max
max1
/0
/
1
/
)(
(2-12)
Trong đó CKIF là hằng số thời gian của dòng chảy sát mặt
TIF là giá trị ngưỡng của dòng chảy sát mặt (0 TIF 1)
51
f. Bổ sung dòng chảy ngầm
Lượng nước thấm xuống G, bổ sung cho bể chứa ngầm phụ thuộc vào độ ẩm của
đất ở tầng rễ cây:
TGLLfor
TGLLfor
TG
TGLL
QOFP
G N
max
max
max
/0
/
1
/
(2-13)
Trong đó TG là giá trị ngưỡng của lượng nước bổ sung cho tầng ngầm (0 TG 1).
g. Lượng ẩm của đất
Bể chứa tấng sát mặt biểu thị lượng nước có trong tầng rễ cây. Lượng mưa hiệu
quả sau khi trừ đi lượng nước tạo dòng chảy mặt, lượng nước bổ xung cho tầng ngầm,
sẽ bổ sung và làm tăng độ ẩm của đất ở tầng rễ cây L bằng một lượng DL
GQOFPDL N (2-14)
h. Diễn toán dòng chảy mặt và dòng chảy sát mặt
Dòng chảy mặt và dòng chảy sát mặt sẽ được diễn toán thông qua 2 bể chứa tuyến
tính theo chuỗi thời gian với cùng một hằng số thời gian CK12.
i. Diễn toán dòng chảy ngầm
Dòng chảy ngầm được diễn toán thông qua một bể chứa tuyến tính với hằng số
thời gian CKBF.
2.2.1.2 Thành phần đoạn sông
Thành phần đoạn sông nhằm diễn toán dòng chảy trong sông. Tương tự như thành phần
lưu vực, việc diễn toán cũng có thể thực hiện bởi một số phương pháp diễn toán thủy
văn thông dụng như hồ chứa tuyến tính, muskingum,..
Phương pháp Muskingum
Phương pháp này do Macarthy [87] đề nghị và lần đầu tiên được áp dụng ở sông
Muskingum vào năm 1938 và sau đó được dùng rộng rãi trên thế giới.
Cơ sở lý luận.
Khác với các phương pháp thuỷ lực, phương pháp Muskingum tìm cách giản hoá hệ
phương trình Saint - vernant
52
i
h
s g
v
t g
v
v
s
v
c R
d
1 2
2
. . .
.
(2-15)
.
.
.
.t
q
s
q (2-16)
Phương trình liên tục (2-15) được thay bằng phương trình cân bằng nước:
dw
dt
Q Qvao ra (2-17)
Phương trình động lực (2.16) thay bằng phương trình lượng trữ:
W = k .Q' (2-18)
Phương pháp Muskingum cho rằng lưu lượng đại biểu của đoạn sông Q' tỷ lệ với lưu
lượng chảy vào và lưu lượng chảy ra khỏi đoạn sông:
Q' = [x .Qv + (1-x) Qra ]
W' = k. [x .Qv + (1-x) Qra ] (2-19)
trong đó: x và k là các hằng số.
k có ý nghĩa như là thời gian chảy truyền của đoạn sông,
x là hằng số biểu thị chiều dài đoạn sông tính toán.
Khi cho rằng lượng nhập khu giữa bằng 0 thì lưu lượng chảy vào bằng lưu lượng trạm
trên, lưu lượng chảy ra bằng lưu lượng trạm dưới thay Qv= Qtr, Qr=Qd lúc đó (2-19)
trở thành:
W = k [Qd + x (Qtr - Qd)]
Thay lượng trữ của đoạn sông: W vừa tính vào phương trình cân bằng nước dạng sai
phân: (chỉ số 1 là thời điểm đầu thời đoạn t, chỉ số 2 là thời điểm cuối thời đoạn t).
W W
Q Q
t
Q Q
ttr tr d d2 1
1 2 1 2
2 2
. .
53
Ta có:
2k (Qd2 + x.Qtr2 - x.Qd2) - 2k (Qd1 + x.Qtr1 - x.Qd1)
= (Qtr1 + Qtr2). t - (Qd1 + Qd2). t
Chuyển các thành phần có chứa lưu lượng Qd2 về một bên ta có:
Qd2 (2k - 2kx +t ) = Qtr2 (-2kx +t ) + Qtr1 (t +2kx ) + Qd1 (2k - 2kx -t )
Vậy : Qd2 = Co. Qtr2 + C1. Qtr1 + C2. Qd1 (2-20)
Trong đó:
Co=
t k x
k k x t
2
2 2
. .
. . .
C1 =
t k x
k k x t
2
2 2
. .
. . .
C2 =
2 2
2 2
k k x t
k k x t
. .
. . .
Vậy Co + C1 + C2 = 1
2.2.1.3 Thành phần kết nối
Thành phần kết nối là thành phần đơn giản nhất có tác dụng kết nối các thành phần khác
với nhau, kết nối các lưu vực, kết nối lưu vực với đoạn sông. Cách thức kết nối sử dụng
phương pháp cộng trức tiếp.
2.2.2 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình
2.2.2.1 Giới thiệu chung về ngôn ngữ Java
Java là một trong những ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng. Nó được sử dụng trong
phát triển phần mềm, trang web, game hay ứng dụng trên các thiết bị di động.
Java được khởi đầu bởi James Gosling và bạn đồng nghiệp ở Sun MicroSystem năm
1991. Ban đầu Java được tạo ra nhằm mục đích viết phần mềm cho các sản phẩm gia
dụng, và có tên là Oak.
54
Java được phát hành năm 1994, đến năm 2010 được Oracle mua lại từ Sun MicroSystem.
Java được tạo ra với tiêu chí “Viết (code) một lần, thực thi khắp nơi” (Write Once, Run
Anywhere – WORA). Chương trình phần mềm viết bằng Java có thể chạy trên mọi nền
tảng (platform) khác nhau thông qua một môi trường thực thi với điều kiện có môi
trường thực thi thích hợp hỗ trợ nền tảng đó.
2.2.2.2 Đặc điểm của ngôn ngữ lập trình Java
Tương tự C++, hướng đối tượng hoàn toàn. Trong quá trình tạo ra một ngôn ngữ mới
phục vụ cho mục đích chạy được trên nhiều nền tảng, các kỹ sư của Sun MicroSystem
muốn tạo ra một ngôn ngữ dễ học và quen thuộc với đa số người lập trình. Vì vậy họ đã
sử dụng lại các cú pháp của C và C++.
Tuy nhiên, trong Java thao tác với con trỏ bị lược bỏ nhằm đảo bảo tính an toàn và dễ
sử dụng hơn. Các thao tác overload, goto hay các cấu trúc như struct và union cũng được
loại bỏ khỏi Java.
2.2.2.3 Phần cứng và hệ điều hành
Một chương trình viết bằng ngôn ngữ Java có thể chạy tốt ở nhiều môi trường khác
nhau. Gọi là khả năng “cross-platform”. Khả năng độc lập phần cứng và hệ điều hành
được thể hiện ở 2 cấp độ là cấp độ mã nguồn và cấp độ nhị phân.
Ở cấp độ mã nguồn: Kiểu dữ liệu trong Java nhất quán cho tất cả các hệ điều hành và
phần cứng khác nhau. Java có riêng một bộ thư viện để hỗ trợ vấn đề này. Chương trình
viết bằng ngôn ngữ Java có thể biên dịch trên nhiều loại máy khác nhau mà không gặp
lỗi.
Ở cấp độ nhị phân: Một mã biên dịch có thể chạy trên nhiều nền tảng khác nhau mà
không cần dịch lại mã nguồn. Tuy nhiên cần có Java Virtual Machine để thông dịch
đoạn mã này.
2.2.2.4 Ngôn ngữ thông dịch
Ngôn ngữ lập trình thường được chia ra làm 2 loại (tùy theo các hiện thực hóa ngôn ngữ
đó) là ngôn ngữ thông dịch và ngôn ngữ biên dịch.
55
Thông dịch (Interpreter): Nó dịch từng lệnh rồi chạy từng lệnh, lần sau muốn chạy lại
thì phải dịch lại.
Biên dịch (Compiler): Code sau khi được biên dịch sẽ tạo ra 1 file thường là .exe, và file
.exe này có thể đem sử dụng lại không cần biên dịch nữa.
Ngôn ngữ lập trình Java thuộc loại ngôn ngữ thông dịch. Chính xác hơn, Java là loại
ngôn ngữ vừa biên dịch vừa thông dịch. Cụ thể như sau
Khi viết mã, hệ thống tạo ra một tệp .java. Khi biên dịch mã nguồn của chương trình sẽ
được biên dịch ra mã byte code. Máy ảo Java (Java Virtual Machine) sẽ thông dịch mã
byte code này thành machine code (hay native code) khi nhận được yêu cầu chạy
chương trình. Sơ đồ mô tả thể hiện trong Hình 2.10 dưới đây
Ưu điểm: Phương pháp này giúp các đoạn mã viết bằng Java có thể chạy được trên nhiều
nền tảng khác nhau. Với điều kiện là JVM có hỗ trợ chạy trên nền tảng này.
Nhược điểm: Cũng như các ngôn ngữ thông dịch khác, quá trình chạy các đoạn mã Java
là chậm hơn các ngôn ngữ biên dịch khác (tuy nhiên vẫn ở trong một mức chấp nhận
được).
2.3 Phương pháp tính toán ngưỡng mưa định hướng có khả năng sinh lũ quét
(FFG) và chỉ số mức độ nguy cơ xảy ra lũ quét (FFT)
Chỉ số FFG (Ngưỡng mưa định hướng có khả năng sinh lũ quét) là lượng mưa trong một
giai đoạn nhất định trên một lưu vực sông nhỏ cần thiết để tạo ra một con lũ nhỏ (lưu
lượng ứng với tần suất 50% hoặc lưu lượng tràn bờ) tại cửa ra của lưu vực sông.
Hình 2.10 Sơ đồ biên dịch ngôn ngữ Java
Tập tin
mã nguồn
Trình biên dịch
Java
Các lớp
thực thi
bytecode
Hệ thống thời
gian chạy java
Máy ảo java Trình biên dịch
tức thời
Hệ điều hành gốc
56
Chỉ số FFT (Mức độ nguy cơ xảy ra lũ quét) là lượng mưa tương ứng một thời đoạn nào
đó vượt quá so với giá trị FFG tương ứng. Chỉ số mức độ nguy cơ xảy ra lũ quét (FFT)
dựa vào hiệu số (hoặc dạng %) giữa lượng mưa tích lũy trong thời đoạn dự báo với FFG
tương ứng.
Cách tiếp cận xác định FFG và FFT có thể được mô tả thông qua 2 biểu đồ Hình 2.11
và Hình 2.12 dưới đây:
Hình 2.11 mô tả lượng mưa thực đo đến thời điểm hiện tại (cột đen) và đường quá trình
dòng chảy gây ra bởi mưa thực đo (đường đen). Lưu lượng đỉnh lũ của đường quá trình
dòng chảy chưa đạt đến ngưỡng Q tràn bờ (Qbf) như hình vẽ.
Hình 2.11 Mưa tại thời điểm hiện tại và đường quá trình dòng chảy gây ra bởi mưa
thực đo
57
Sử dụng phương pháp thử dần, xác định lượng mưa cần thiết X (cột xanh) tạo nên đường
quá trình dòng chảy như đường nét đứt màu xanh trong Hình 2.12. Lũy tích của 2 đường
màu xanh và đen tạo nên đường quá trình dòng chảy tại cửa ra của lưu vực (đường nét
liền màu đỏ). Đường quá trình lũ này phải thỏa mãn điều kiện đỉnh lũ phải bằng lưu
lượng tràn bờ. Giá trị lượng mưa X này chính là giá trị FFG. Trong nghiên cứu này, giá
trị FFG được tính toán cho khoảng thời gian 1h do các tiểu lưu vực tính toán đều là lưu
vực nhỏ.
Để xác định giá trị FFT, sử dụng giá trị mưa dự báo này từng thời điểm được so sánh
với giá trị FFG tại từng thời điểm. Giá trị FFT được tính là hiệu số của mưa dự báo và
FFG. Nếu giá trị FFT của bất kỳ tiểu lưu vực nào, tại bất kỳ thời điểm nào lớn hơn 0,
điều đó chứng tỏ tại đó có nguy cơ