ICOLD Bullentin 170 - HƯỚNG DẪN VỀ ĐÁNH GIÁ LŨ VÀ AN TOÀN ĐẬP [Bài 5: Diễn toán lũ]
11/11/2025 16:49
Diễn toán lũ
Diễn toán lũ là kỹ thuật xác định thủy đồ lũ tại một đoạn sông bằng cách sử dụng dữ liệu dòng chảy lũ ở một hoặc nhiều đoạn thượng lưu. Phân tích thủy văn của các vấn đề như dự báo lũ, phòng chống lũ, thiết kế hồ chứa và thiết kế tràn xả lũ đều đòi hỏi phải thực hiện diễn toán lũ. Trong các ứng dụng này, có thể phân loại diễn toán lũ thành hai nhóm chính:
1. Diễn toán hồ chứa
2. Diễn toán dòng chảy
Có nhiều phương pháp diễn toán lũ khác nhau và chúng có thể được phân loại thành hai nhóm chính là:
1. Diễn toán thủy văn và
2. Diễn toán thuỷ lực
Các phương pháp diễn toán thủy văn chủ yếu dựa vào phương trình liên tục để mô tả sự biến đổi dòng chảy. Ngược lại, các phương pháp diễn toán thủy lực sử dụng đồng thời phương trình liên tục và phương trình chuyển động của dòng chảy không ổn định nhằm phản ánh chi tiết hơn đặc trưng thủy động lực của quá trình lũ.
1.1.1 Phương trình cơ bản
Phương trình liên tục, được sử dụng như phương trình cơ bản trong tất cả các phương pháp diễn toán thủy văn, phát biểu rằng: sự chênh lệch giữa dòng chảy vào và dòng chảy ra bằng với tốc độ thay đổi của lượng nước trữ trong hệ thống, tức là:
1.1.2 Diễn toán thuỷ văn sông
Khi một sóng lũ đi qua một đoạn sông, đỉnh của thủy đồ dòng chảy ra thường bị suy giảm và trễ lại do sức cản của kênh và khả năng trữ nước. Xét một phương pháp trữ nước tập trung cho đoạn sông, sự khác biệt giữa thủy đồ dòng chảy vào và dòng chảy ra, được biểu thị bằng vùng tô đậm trong Hình 1.21, bằng với tốc độ thay đổi lượng nước trữ trong đoạn sông. Giá trị ΔS/Δt là dương khi lượng nước trữ tăng và âm khi lượng nước trữ giảm, và S có thể được biểu diễn dưới dạng hàm của thời gian. Chúng ta có thể viết phương trình dưới dạng sai phân hữu hạn là:
Khi lượng nước trữ được vẽ theo lưu lượng chảy ra đối với một đoạn sông, đường cong thu được thường có dạng vòng lặp. Hiệu ứng vòng lặp này cho thấy, với cùng một lưu lượng ra, lượng nước trữ trong đoạn sông thường lớn hơn trong giai đoạn nước rút so với giai đoạn nước dâng. Nếu xem xét mặt cắt bề mặt nước tại các thời điểm khác nhau trong quá trình sóng lũ đi qua, khái niệm về trữ nước dạng lăng trụ và trữ nước dạng nêm sẽ trở nên hữu ích.
1.1.3 Phương pháp Muskingum
Lượng nước trữ trong một đoạn sông ổn định có thể được xem là phụ thuộc chủ yếu vào lưu lượng chảy vào và chảy ra khỏi đoạn sông, cũng như các đặc điểm thủy lực của mặt cắt kênh. Lượng nước trữ trong đoạn sông tại một thời điểm nhất định có thể được biểu thị là:
Để xác định các giá trị Muskingum K và X, lượng nước trữ S được vẽ đồ thị so với lưu lượng có trọng số, XI+(1−X)Q. Đối với một số giá trị X được chọn trước, đồ thị sẽ được đánh giá để tìm đường cong tuyến tính nhất và đơn giá trị, từ đó xác định giá trị X tối ưu. Phương pháp Muskingum giả định rằng đường cong này là một đường thẳng có độ dốc nghịch đảo tương ứng với K. Hình 1.23 minh họa khái niệm lựa chọn X và K.
1.1.4 Diễn toán thuỷ văn hồ chứa
Diễn toán hồ chứa hoặc lưu vực giữ nước dễ thực hiện hơn diễn toán sông sông vì mối quan hệ giữa lượng nước trữ và lưu lượng xả đối với các đường ống, đập tràn và tràn xả lũ là các hàm đơn giá trị, không phụ thuộc vào dòng chảy vào. Do đó, một phương pháp chỉ báo lượng nước trữ đơn giản hoặc phương pháp Puls cải tiến sử dụng dạng sai phân hữu hạn của phương trình liên tục kết hợp với đường cong chỉ báo lượng nước trữ (2S/Δt+Q so với Q). Phương trình (1.27) có thể được tổng quát hóa thành phương trình sai phân hữu hạn sau cho hai thời điểm:
1.1.1 Phương pháp thuỷ lực
Phương pháp diễn toán thủy lực tổng quát nhất sử dụng các phương trình sóng động lực học đầy đủ (St. Venant). Đây là những phương trình liên tục (1.31) và phương trình động lượng (1.32), phương trình động lượng thay thế cho mối quan hệ giữa lượng nước trữ và lưu lượng xả được sử dụng trong điều tiết thủy văn.
