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

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