Hoạt động của hệ thống nước mặt đối với kiểm soát lũ lụt

504 Ch­¬ng 13 ho¹t ®éng cña hÖ thèng n­íc mÆt ®èi víi kiÓm so¸t lò lôt Lò lôt ®· g©y ra c¸c tai häa thiªn nhiªn th­êng gÆp vµ hao tiÒn tèn cña nhÊt ë Hoa Kú vµ ë nhiÒu n­íc kh¸c. C¸c trËn lò g©y ra c¸c ¶nh h­ëng ®Õn x· héi, g©y qu¸ nhiÒu tæn thÊt vµ rñi ro; bao gåm c¸c ¶nh h­ëng nh­ ph¸ vì gia ®×nh vµ x· héi, chuyÓn chç, lµm bÞ th­¬ng vµ g©y thÊt nghiÖp. NhiÒu n¨m nay, tÝnh chÊt nghiªm träng cña lò lôt ®· ®­îc thõa nhËn vµ nh÷ng l­îng lín tiÒn cña vµ cè g¾ng ®· ®­îc sö dông nh»m lµm gi¶m nhÑ c¸c nguy c¬ lò lôt. Ch­¬ng nµy tr×nh bµy c¸c ph­¬ng ph¸p dù b¸o vµ ho¹t ®éng tèi ­u cña c¸c hÖ thèng kiÓm so¸t lò lôt. Mét trong phÇn lín nh÷ng mÆt quan träng cña viÖc cùc tiÓu hãa c¸c ¶nh h­ëng cña c¸c trËn lò lµ ho¹t ®éng cña c¸c hÖ thèng kiÓm so¸t lò. §Ó ho¹t ®éng c¸c hÖ thèng nµy, viÖc dù b¸o c¸c sù kiÖn lò rÊt quan träng. Dù b¸o thñy v¨n lµ ­íc l­îng tr­íc c¸c tr¹ng th¸i t­¬ng lai cña c¸c hiÖn t­îng thñy v¨n trong thêi gian thùc (Nemac, 1986). Dù b¸o cã liªn quan tíi qu¸ tr×nh tÝnh to¸n c¸c sè liÖu ®Ó dù b¸o c¸c gi¸ trÞ thñy v¨n ch¼ng h¹n nh­ l­u l­îng ®Ó thiÕt kÕ. Dù b¸o lò ®èi víi c¸c môc ®Ých ho¹t ®éng c¸c hÖ thèng kiÓm so¸t lò lµ ®iÒu ®­îc quan t©m trong ch­¬ng nµy. ThuËt ng÷ “dù b¸o” liªn quan ®Õn viÖc x¸c ®Þnh c¸c l­u l­îng vµ cao tr×nh mÆt n­íc t¹i c¸c ®iÓm kh¸c nhau trong mét hÖ thèng s«ng nh­ mét kÕt qu¶ cña c¸c biÓu ®å qu¸ tr×nh lò ch¶y vµo quan tr¾c vµ dù b¸o ®­îc. Cã mét cè g¾ng ®ang ph¸t triÓn liªn tôc trong dù b¸o thñy v¨n thêi gian thùc ®èi víi c¶ c¸c n­íc ph¸t triÓn vµ c¸c n­íc ®ang ph¸t triÓn trªn kh¾p thÕ giíi. C¸c n­íc ph¸t triÓn quan t©m tíi viÖc më réng vµ ph¸t triÓn c¸c hÖ thèng dù b¸o lò hiÖn cã ®Ó qu¶n lý ®ång b»ng ngËp lôt vµ c¸c n­íc ®ang ph¸t triÓn ®ang quan t©m ®Õn viÖc thiÕt lËp c¸c m¹ng l­íi sè liÖu c¬ b¶n vµ c¸c n¨ng lùc dù b¸o ®Ó ng¨n ngõa c¸c rñi ro vµ thiÖt h¹i do lò lôt. 505 1¶.1. 3 ù b¸Ô lò th7i gian thùc 13.1.1. C¸c kh¸i niÖm Ba ®Æc tr­ng ph©n lo¹i c¸c dù b¸o thñy v¨n lµ: (a) c¸c biÕn dù b¸o; (b) môc ®Ých dù b¸o vµ (c) thêi h¹n dù b¸o (Nemac, 1986). Trong dù b¸o lò, biÕn dù b¸o lµ mùc n­íc cña c¸c s«ng, c¸c hå vµ c¸c hå chøa. Môc ®Ých cña dù b¸o lò lµ ®Ó x¸c ®Þnh c¸c mùc n­íc g©y bëi c¸c trËn lò x¶y ra trong mét mïa riªng biÖt, c¸c trËn lò quÐt, c¸c sù cè vì ®Ëp vµ m­a b·o d©ng trµn lªn vïng cöa s«ng vµ c¸c diÖn tÝch ven biÓn g©y bëi sù kÕt hîp cña lò s«ng vµ lò biÓn. Thêi h¹n dù b¸o cã thÓ xÕp lo¹i tõ thêi h¹n ng¾n ®Õn thêi h¹n dµi. VÝ dô: thêi h¹n dù b¸o trong mét l­u vùc ®« thÞ nhá cã thÓ ®­îc chØ ®Þnh chØ lµ mét vµi giê trong khi thêi h¹n dù b¸o trªn Mississipi thÊp h¬n cã thÓ ®­îc chØ ®Þnh lµ mét vµi tuÇn. Mét trong phÇn lín c¸c tiªu chuÈn quan träng trong dù b¸o lò lµ thêi gian dù b¸o, nã lµ kho¶ng thêi gian gi÷a thêi ®iÓm ph¸t dù b¸o (hoÆc c¶nh b¸o) vµ thêi ®iÓm xuÊt hiÖn kh¶ n¨ng cña sù kiÖn dù b¸o. Trong dù b¸o lò, c¶ thêi gian vµ vÞ trÝ ®Òu rÊt quan träng. VÝ dô: mét thêi gian dù b¸o t­¬ng ®èi ng¾n ®èi víi mét ®o¹n s«ng ng¾n cã thÓ trë thµnh mét thêi gian dù b¸o dµi ®èi víi c¸c vÞ trÝ xa h¬n nhiÒu vÒ phÝa h¹ l­u. §Ó minh häa ®iÒu nµy, h×nh 13.1.1 thÓ hiÖn ba diÖn tÝch ®« thÞ: A, B vµ C; víi mét trËn m­a lín ë phÇn th­îng l­u cña l­u vùc. SÏ cã mét thêi gian dù b¸o ng¾n ®èi víi diÖn tÝch ®« thÞ A cïng víi mét thêi gian dù b¸o dµi h¬n ®èi víi diÖn tÝch ®« thÞ B vµ mét thêi gian dù b¸o dµi nhÊt ®èi víi diÖn tÝch ®« thÞ C. Râ rµng lµ thêi gian dù b¸o dµi h¬n do thêi gian di chuyÓn cña lò (sãng lò) truyÒn xu«i theo dßng s«ng. C¸c biÓu ®å qu¸ tr×nh lò t­¬ng øng t¹i A, B vµ C ®­îc thÓ hiÖn trong h×nh 13.1.2, Tõ vÝ dô ®¬n gi¶n nµy, thêi gian dù b¸o ®èi víi l­u vùc ®« thÞ A rÊt ng¾n trong khi ®ã, ®èi víi l­u vùc ®« thÞ C l¹i kh¸ dµi. Trong thùc tÕ, ®iÓm b¾t ®Çu cña biÓu ®å qu¸ tr×nh lò t¹i C xÊp xØ trïng thêi gian víi ®iÓm kÕt thóc m­a. VÝ dô nµy lµm næi bËt thªm ®iÓm n÷a lµ ®Ó lËp c¸c dù b¸o ®èi víi diÖn tÝch ®« thÞ A, c¸c dù b¸o l­îng m­a còng ®­îc yªu cÇu trong khi ®ã, ®èi víi diÖn tÝch ®« thÞ C, l­îng m­a sÏ biÕt ®­îc trong toµn bé thêi gian cña sù kiÖn m­a khi nã cÇn thiÕt cho viÖc dù b¸o. Cã thÓ cã mét vµi lÇn dù b¸o sÏ ®­îc lµm trong thêi gian x¶y ra sù kiÖn lò. Nh­ ®· minh häa trong h×nh 13.1.2, cÇn ph¶i cã 4 dù b¸o t¹i A trong khi c¸c dù b¸o thªm vµo sÏ ®­îc yªu cÇu t¹i C, sau thêi gian cña 4 dù b¸o t¹i A. ViÖc dù b¸o lò bao gåm c¸c b­íc: (1) Thu nhËn c¸c sè liÖu l­îng m­a vµ dßng ch¶y s«ng thêi gian thùc qua m¹ng th«ng tin sãng cùc ng¾n, ra®io hoÆc vÖ tinh, (2) ®­a c¸c sè liÖu vµo c¸c ch­¬ng tr×nh diÔn to¸n m­a - dßng ch¶y vµ dßng ch¶y s«ng vµ (3) dù b¸o c¸c møc dßng ch¶y lò vµ c¸c mùc n­íc cho c¸c thêi kú tõ mét vµi giê ®Õn mét vµi ngµy tr­íc tïy thuéc vµo kÝch th­íc cña l­u vùc. C¸c dù b¸o lò ®­îc sö dông ®Ó cung cÊp c¸c c¶nh b¸o cho nh©n d©n s¬ t¸n ra khái c¸c diÖn tÝch ®­îc c¶nh b¸o sÏ bÞ lò vµ trî 506 gióp ho¹t ®éng c«ng chøc qu¶n lý n­íc cña c¸c c«ng tr×nh kiÓm so¸t lò lôt ch¼ng h¹n nh­ c¸c ®­êng trµn cã cöa van trªn c¸c hå chøa. Bµi to¸n ho¹t ®éng hå chøa thêi gian thùc bao gåm ho¹t ®éng cña mét hÖ thèng hå chøa nhê thùc hiÖn c¸c quyÕt ®Þnh vÒ x¶ n­íc tõ hå chøa khi th«ng tin trë thµnh cã s½n víi c¸c thêi ®o¹n t­¬ng ®èi ng¾n, cã thÓ thay ®æi trong kho¶ng tõ mét vµi phót ®Õn mét vµi giê. Ho¹t ®éng thêi gian thùc cña c¸c hÖ thèng ®a hå chøa bao gåm c¸c nghiªn cøu thñy v¨n, thñy lùc, ho¹t ®éng, kü thuËt vµ c¬ quan kh¸c nhau. §Ó lµm c¸c quyÕt ®Þnh ho¹t ®éng ®èi víi c¸c hÖ thèng kiÓm so¸t lò trong thêi gian thùc, c¸c ho¹t ®éng bao gåm c¸c quyÕt ®Þnh x¶ n­íc tõ c¸c hå chøa ®Ó kiÓm so¸t n­íc lò. §Ó ho¹t ®éng cã hiÖu qu¶, cÇn ph¶i cã mét hÖ thèng gi¸m s¸t quy ®Þnh ho¹t ®éng cña hå chøa theo c¸c dßng ch¶y vµ c¸c mùc n­íc t¹i c¸c ®iÓm kh¸c nhau trong hÖ thèng s«ng bao gåm c¸c ®Çu th­îng l­u, c¸c phô l­u vµ c¸c nh¸nh s«ng chÝnh còng nh­ c¸c sè liÖu møc hå chøa vµ l­îng m­a ®èi víi c¸c l­u vùc mµ c¸c ®Çu ra cña chóng (dßng ch¶y tõ m­a) kh«ng ®­îc ®o ®¹c. NhiÒu hÖ thèng hå chøa - s«ng ë Hoa Kú, ch¼ng h¹n nh­ s«ng Colorado d­íi ë trung t©m Texas (h×nh 13.1.3) hiÖn nay ®· cã c¸c hÖ thèng thu thËp vµ truyÒn d÷ liÖu thêi gian thùc. H×nh 13.1.1 HiÖu øng thêi gian dù b¸o 507 H×nh 13.1.2 BiÓu ®å qu¸ tr×nh lò t¹i vÞ trÝ phÝa h¹ l­u trong mét l­u vùc Dù b¸o lò nãi chung vµ dù b¸o lò thêi gian thùc nãi riªng lu«n lu«n cã mét bµi to¸n quan träng trong thñy v¨n ho¹t ®éng, ®Æc biÖt lµ khi bao gåm ho¹t ®éng cña c¸c hå chøa kiÓm so¸t lò. Gièng nh­ trong phÇn lín c¸c bµi to¸n thñy v¨n, bµi to¸n dù b¸o cã thÓ ®­îc nh×n nhËn nh­ mét hÖ thèng víi c¸c ®Çu vµo vµ ®Çu ra. Trong bµi to¸n qu¶n lý hå chøa, hÖ thèng lµ hÖ thèng s«ng bao gåm mét s«ng chÝnh vµ c¸c s«ng nh¸nh cña nã, c¸c l­u vùc, c¸c cÊu tróc tù nhiªn vµ c¸c c«ng tr×nh x©y dùng trªn ®­êng dÉn cña n­íc lò. C¸c ®Çu vµo cña hÖ thèng lµ c¸c biÓu ®å qu¸ tr×nh dßng ch¶y vµo t¹i c¸c ®Çu phÝa th­îng cña hÖ thèng s«ng vµ dßng ch¶y do m­a (vµ do tuyÕt tan, n¬i cã thÓ ¸p dông ®­îc) ë c¸c diÖn tÝch gia nhËp khu gi÷a. C¸c ®Çu ra cña hÖ thèng lµ c¸c tèc ®é dßng ch¶y vµ/hoÆc c¸c mùc n­íc t¹i c¸c ®iÓm kiÓm so¸t cña hÖ thèng s«ng. 508 H×nh 11.1.3 L­u vùc s«ng Colorado d­íi (Nguån: Unver, Mays vµ Lansey, 1987) 13.1.2. C¸c hÖ thèng thu thËp d÷ liÖu ®èi víi c¸c hÖ thèng hå - s«ng. ViÖc thu thËp vµ truyÒn d÷ liÖu thêi gian thùc cã thÓ ®­îc sö dông ®Ó dù b¸o lò trªn c¸c hÖ thèng hå - s«ng réng lín bao phñ tõ hµng tr¨m ®Õn hµng ngh×n dÆm vu«ng nh­ thÓ hiÖn trong h×nh 13.1.4 ®èi víi s«ng Colorado thÊp ë trung t©m Texas. HÖ thèng thu thËp d÷ liÖu ®­îc gäi lµ hÖ thèng thu nhËn d÷ liÖu khÝ t­îng thñy v¨n (Trung t©m phôc vô ph©n tÝch Washington EG&G, Inc., 1981) vµ ®­îc sö dông ®Ó cung cÊp th«ng tin cho mét m« h×nh dù b¸o lò. Th«ng tin nµy cã hai lo¹i: (a) c¸c cao tr×nh mÆt n­íc t¹i c¸c vÞ trÝ kh¸c nhau tõ ®Çu ®Õn cuèi hÖ thèng hå s«ng vµ (b) l­îng m­a tõ mét m¹ng l­íi ®o m­a ®èi víi c¸c diÖn tÝch tho¸t n­íc kh«ng cã ®o ®¹c xung quanh hå. HÖ thèng thñy ®¹c bao gåm: (a) c¸c tr¹m thu nhËn c¸c sè liÖu khÝ t­îng thñy v¨n ®¬n vÞ thiÕt bÞ ®Çu cuèi tõ xa (RTU) t¹i c¸c vÞ trÝ ®o ®¹c trªn s«ng cña Côc ®o ®¹c ®Þa h×nh ®Þa chÊt Hoa Kú; (b) ®¬n vÞ thiÕt bÞ ®Çu cuèi sãng cùc ng¾n (MTU) ®èi víi c¸c ®¬n vÞ giao diÖn radio UHF ®Æt t¹i c¸c vÞ trÝ cña thiÕt bÞ lÆp tÝn hiÖu sãng cùc ng¾n, biÕn ®æi c¸c tÝn hiÖu radio thµnh c¸c tÝn hiÖu sãng cùc ng¾n vµ (c) mét tr¹m kiÓm so¸t trung t©m ®Æt t¹i c¸c trung t©m kiÓm so¸t c¸c ho¹t ®éng t¹i Austin - Texas, thu nhËn c¸c th«ng tin cña nã tõ c¸c vÞ trÝ lÆp tÝn hiÖu sãng cùc ng¾n. HÖ thèng ®­îc thiÕt kÕ ®Ó thu tù 509 ®éng c¸c mùc n­íc s«ng vµ c¸c sè liÖu khÝ t­îng tõ mçi RTU; sau ®ã thiÕt bÞ ®o xa c¸c sè liÖu nµy c¨n cø vµo yªu cÇu ®èi víi tr¹m trung t©m qua hÖ thèng UHF/radio sãng cùc ng¾n x¸c ®Þnh tèc ®é dßng ch¶y t¹i mçi vÞ trÝ b»ng c¸ch sö dông c¸c b¶ng l­u gi÷ trong bé nhí cña hÖ thèng trung t©m; t¹o vµ cung cÊp c¸c sè liÖu ®èi víi mçi vÞ trÝ vµ b¶o qu¶n mét file sè liÖu cho mçi vÞ trÝ cã thÓ ®­îc truy cËp bëi ng­êi ®iÒu hµnh ®Þa ph­¬ng, mét m¸y tÝnh hoÆc mét thiÕt bÞ ®Çu cuèi cña ®­êng ®iÖn tho¹i tù ®éng biÖt lËp. HÖ thèng còng cã chøc n¨ng nh­ mét m¹ng l­íi b¸o ®éng lò tù b¸o c¸o. H×nh 13.1.4 M¹ng l­íi truyÒn sè liÖu thêi gian thùc trªn s«ng Colorado d­íi, Texas. C¸c sè liÖu mùc n­íc vµ l­îng m­a ®­îc truyÒn tù ®éng tíi trung t©m kiÓm so¸t ë Austin 3 giê mét lÇn ®Ó h­íng dÉn x¶ n­íc tõ c¸c ®Ëp. Trong thêi gian lò, c¸c sè liÖu ®­îc cËp nhËt 15 phót mét lÇn. (Chow vµ céng sù, 1988). 13.1.3. HÖ thèng c¶nh b¸o sím lò cho c¸c khu vùc ®« thÞ Do kh¶ n¨ng tiÒm Èn cña lò quÐt rÊt lín vµ hËu qu¶ tæn thÊt vÒ sinh mÖnh rÊt khèc liÖt nªn ë nhiÒu diÖn tÝch ®« thÞ trªn kh¾p thÕ giíi, c¸c hÖ thèng c¶nh b¸o sím lò ®· ®­îc x©y dùng vµ thi hµnh. C¸c hÖ thèng c¶nh b¸o sím lò (h×nh 13.1.5) lµ c¸c hÖ thèng b¸o c¸o sù kiÖn thêi gian thùc bao gåm c¸c vÞ trÝ ®o tõ xa cïng víi c¸c vÞ trÝ trung gian chuyÓn tÝn hiÖu radio 510 ®Ó truyÒn th«ng tin ®Õn mét tr¹m c¬ b¶n. Toµn bé hÖ thèng ®­îc sö dông ®Ó thu thËp, vËn chuyÓn, ph©n tÝch sè liÖu vµ lËp dù b¸o ®Ó cùc ®¹i hãa thêi gian c¶nh b¸o tíi nh÷ng ng­êi ngô c­ trong ®ång b»ng ngËp lôt. H×nh 13.1.5 VÝ dô vÒ mét hÖ thèng c¶nh b¸o lò sím cho c¸c diÖn tÝch ®« thÞ (Chow vµ céng sù, 1988) C¸c hÖ thèng nh­ vËy ®· ®­îc ®Æt ë Austin Houston, Texas vµ nh÷ng n¬i kh¸c (Sierra/Misco, Inc., 1986). Mçi mét tr¹m tõ xa (h×nh 13.1.6) cã mét m¸y ®o m­a b»ng thïng bÞt ®Çu, nã t¹o ra ®Çu vµo b»ng con sè tíi mét m¸y ph¸t mçi khi 1 mm n­íc m­a tho¸t qua bé phËn l¾p r¸p phÔu. Mét bé truyÒn ®Õn tr¹m c¬ b¶n ®­îc chÕ t¹o cho mçi ®Çu bÞt cña thïng. M¸y ®o m­a ®éc lËp hoµn toµn, gåm mét vá bäc èng dÉn ®øng h×nh trô ®Ó ®o m­a, gi¸ antena, pin vµ c¸c thiÕt bÞ ®iÖn tö. Mét sè tr¹m tõ xa cã c¶ m¸y ®o m­a vµ m¸y ®o dßng ch¶y s«ng. C¸c tr¹m tõ xa bao gåm mét giÕng ch­ng cÊt hoÆc mét c¸i c¶m biÕn mùc n­íc chuyÓn ®æi ¸p suÊt. C¸ch xö trÝ chuyÓn ®æi ¸p suÊt lµm thay ®æi mùc n­íc bªn trªn miÖng cña c¸i c¶m biÕn ¸p suÊt. Bé chuyÓn ®æi ¸p suÊt vi ph©n 511 ®iÖn tö tù ®éng bï cho c¸c thay ®æi nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt khÝ ¸p víi ®é chÝnh x¸c 1% trªn kh¾p ph¹m vi ®o ®¹c. C¸c tr¹m nh¹i tÝn hiÖu tù ®éng ®Æt ë gi÷a c¸c tr¹m tõ xa vµ tr¹m c¬ b¶n thu nhËn c¸c sè liÖu tõ tr¹m c¬ b¶n.C¸c tÝn hiÖu radio ®Õn ®­îc biÕn ®æi tõ d¹ng t­¬ng tù radio thµnh d¹ng con sè vµ ®­îc göi ®Õn m¸y tÝnh cña tr¹m c¬ b¶n qua mét c¶ng th«ng tin. Sau ®ã, c¸c kiÓm tra chÊt l­îng sè liÖu ®­îc thùc hiÖn, c¸c sè liÖu ®­îc h×nh thµnh vµ lËp thµnh tÖp tin (file) trªn c¸c ph­¬ng tiÖn ®Üa cøng hoÆc mÒm. Mét khi viÖc lËp thµnh tÖp tin sè liÖu ®· hoµn thµnh, th«ng tin cã thÓ ®­îc hiÓn thÞ hoÆc b¶o l­u l¹i ®Ó ph©n tÝch. Tr¹m c¬ b¶n cã phÇn mÒm qu¶n lý d÷ liÖu cã thÓ ®iÒu khiÓn ®Õn 700 c¸i c¶m biÕn víi ®ñ kho chøa trùc tuyÕn ®Ó tr÷ 3 n¨m sè liÖu l­îng m­a. Nã cã thÓ phñ tíi 12 hÖ thèng s«ng kh¸c nhau víi 25 ®iÓm dù b¸o trong mçi hÖ thèng s«ng; mçi ®iÓm dù b¸o cã thÓ nhËn ®­îc dßng ch¶y vµo tõ 10 nguån kh¸c nhau. C¸c kÞch b¶n m­a trong t­¬ng lai cã thÓ ®­îc ®­a vµo cho mçi ®iÓm dù b¸o riªng lÎ vµ c¸c ®Æc tr­ng lùa chän cã thÓ ®­îc thªm vµo ®Ó kiÓm so¸t c¸c b¬m, c¸c cöa van, c¸c chu«ng b¸o ®éng tõ xa vµ c¸c c¶nh b¸o giäng nãi nh©n t¹o (Sierra/Misco, Inc., 1986). 512 H×nh 13.1.6 Tr¹m tõ xakÕt hîp m¸y ®o m­a vµ ®o dßng ch¶y 13.1.4. C¸c m« h×nh dù b¸o lò C¸c m« h×nh dù b¸o lò bao gåm nhiÒu lo¹i quy tr×nh diÔn to¸n lò s¾p xÕp theo thø tù tõ c¸c m« h×nh dùa trªn c¬ së c¸c m« h×nh m­a - dßng ch¶y b»ng c¸ch sö dông diÔn to¸n thñy v¨n ch¼ng h¹n nh­ ch­¬ng tr×nh tÝnh HEC-1 cña Côc C«ng binh Hoa Kú tíi ch­¬ng tr×nh tÝnh DWOPER cña Côc Thêi tiÕt Quèc gia Hoa Kú lµ mét m« h×nh diÔn to¸n ph©n phèi hoÆc thñy lùc (ch­¬ng 10). Mét sè ch­¬ng tr×nh nh­ HEC-5 (Côc C«ng binh Hoa Kú, 1973, 1979) ch¼ng h¹n ®­îc dùa trªn c¬ së diÔn to¸n thñy v¨n vµ bao gåm kh¶ n¨ng ho¹t ®éng c¸c hå chøa. M« h×nh kh¸c n÷a xem xÐt viÖc m« 513 pháng thñy v¨n liªn tôc song song víi c¸c m« h×nh diÔn to¸n thñy v¨n vµ ch­¬ng tr×nh DWOPER lµ hÖ thèng dù b¸o s«ng cña Côc Thêi tiÕt Quèc gia Hoa Kú (U.S. National Weather Service River Forecast System - NWSRFS) ®­îc m« t¶ chi tiÕt h¬n ë d­íi ®©y. §· cã mét vµi ph¸t triÓn vÒ mÆt lý thuyÕt c¸c m« h×nh dù b¸o lò ®· b¸o c¸o trong tµi liÖu khoa häc. Nh÷ng tµi liÖu nµy bao gåm Kitanidis vµ Bras (1980a, b), Georgakakos vµ Bras (1982), Krzysztofowicz vµ Davis (1983a, b, c), Georgakakos, Melching vµ céng sù (1987). HÖ thèng dù b¸o ho¹t ®éng thuéc HÖ thèng dù b¸o S«ng cña Côc Thêi tiÕt Quèc gia Hoa Kú (NWSRFS) t¹o ra c¸c dù b¸o dßng ch¶y s«ng nhê sö dông c¸c sè liÖu l­îng m­a vµ nhiÖt ®é ®· ®­îc quan tr¾c vµ dù b¸o trong c¸c m« h×nh thñy v¨n vµ thñy lùc, m« pháng sù tÝch luü vµ tan ch¶y cña tuyÕt. PhÇn mÒm NWSRFS bao gåm ba hÖ thèng riªng rÏ (h×nh 13.1.7): hÖ thèng kiÓm ®Þnh, hÖ thèng dù b¸o ho¹t ®éng vµ hÖ thèng dù b¸o dßng ch¶y s«ng më réng (ESP). HÖ thèng kiÓm ®Þnh ®­îc sö dông ®Ó kiÓm ®Þnh c¸c m« h×nh thñy v¨n/thñy lùc kh¸c nhau cho mét l­u vùc. HÖ thèng dù b¸o ho¹t ®éng thùc hiÖn tÊt c¶ c¸c nhiÖm vô ®Ó dù b¸o s«ng ho¹t ®éng. C¸c ho¹t ®éng kh¸c nhau ®­îc liÖt kª trong b¶ng 13.1.1. HÖ thèng ESP ®­îc sö dông ®Ó lµm c¸c dù b¸o cho c¸c thêi gian c¸c tuÇn hoÆc c¸c th¸ng trong t­¬ng lai (Day, 1985). C¸c m« h×nh thñy v¨n vµ thñy lùc quan niÖm ®­îc sö dông víi c¸c ®iÒu kiÖn l­u vùc hiÖn hµnh, c¸c sè liÖu khÝ t­îng lÞch sö vµ c¸c sè liÖu khÝ t­îng dù b¸o ®Ó lµm c¸c dù b¸o x¸c suÊt më réng cho mét sè biÕn dßng ch¶y s«ng H×nh 13.1.7 M« t¶ chung phÇn mÒm cña hÖ thèng dù b¸o s«ng cña Côc Thêi tiÕt Quèc gia (Day, 1985) 514 1¶.2. vËn hµnh hú thTng hå choa ­ øsng ®Ó HiÓm øÔ¸ t lò 13.2.1. C¸c m« h×nh vËn hµnh hå chøa Sù vËn hµnh ®a hå chøa cã thÓ ®­îc ®Æc tr­ng bëi ho¹t ®éng tÝch hîp cña nhiÒu ph­¬ng tiÖn trªn c¸c hÖ thèng s«ng cho nhiÒu môc ®Ých. KiÓm so¸t lò lµ mét trong c¸c môc ®Ých cña nhiÒu hå chøa ë Hoa Kú. Mét vµi n¨m tr­íc ®©y, nhiÒu hå chøa ®· ®­îc x©y dùng vµ c¸c chÝnh s¸ch ho¹t ®éng ®· ®­îc thiÕt lËp. Tuy nhiªn, nhiÒu hå chøa trong sè c¸c hå chøa nµy kh«ng thÓ ho¹t ®éng theo kiÓu mµ chóng ®· ®­îc mong ®îi ban ®Çu. Mét trong c¸c nguyªn nh©n chñ yÕu lµ sù ®« thÞ ho¸ kh«ng kiÓm so¸t ®­îc trong ®ång b»ng ngËp lôt cña c¸c s«ng vµ c¸c hå chøa. C¸c nguyªn nh©n kh¸c lµ do c¸c ®­êng trµn ®Ó lò ®i qua kh«ng t­¬ng xøng, c¸c rµng buéc ph¸p luËt vµ c¸c n¨ng lùc vËn chuyÓn phÝa h¹ l­u bÞ gi¶m thÊp. NhiÒu hÖ thèng hå chøa ®­îc ®Æc tr­ng bëi c¸c ®iÒu kiÖn dÉn ®Õn c¸c ®iÒu kiÖn n­íc vËt ®¸ng kÓ do ho¹t ®éng cña cöa van, c¸c dßng ch¶y nh¸nh, c¸c dßng ch¶y d©ng trµn do b·o, c¸c ®iÒu kiÖn thñy triÒu vµ c¸c chç co th¾t dßng ch¶y trong c¸c s«ng. C¸c ®iÒu kiÖn nµy kh«ng thÓ ®­îc m« t¶ nhê sö dông c¸c ph­¬ng ph¸p diÔn to¸n thñy v¨n mµ ph¶i ®­îc m« t¶ bëi c¸c m« h×nh diÔn to¸n thñy lùc chÝnh x¸c h¬n nh­ DWOPER ch¼ng h¹n. M« h×nh nµy dùa trªn lêi gi¶i sai ph©n h÷u h¹n cña c¸c ph­¬ng tr×nh Saint Venant (xem c¸c môc 10.6 vµ 10.7). C¸c dßng ch¶y qua c¸c hå chøa cã chiÒu dµi ®¸ng kÓ còng kh«ng ®­îc dù b¸o mét c¸ch ®óng ®¾n bëi c¸c ph­¬ng ph¸p thñy v¨n ®¬n gi¶n, ®Æc biÖt lµ khi biÓu ®å qu¸ tr×nh dßng ch¶y vµo lµ mét trËn lò quÐt, nghÜa lµ cã mét c¬ së thêi gian ng¾n. §· cã nhiÒu m« h×nh ho¹t ®éng hå chøa b¸o c¸o trong c¸c tµi liÖu khoa häc nh­ng chØ mét vµi m« h×nh ®· ®­îc ®iÒu khiÓn t¹i hå chøa ho¹t ®éng d­íi c¸c ®iÒu kiÖn lò. Jamieson vµ Wilkinson (1972) ®· ph¸t triÓn mét m« h×nh DP ®Ó kiÓm so¸t lò cïng víi c¸c dßng ch¶y vµo dù b¸o lµ c¸c ®Çu vµo cho m« h×nh. Windsor (1973) ®· dïng mét quy tr×nh cña ch­¬ng tr×nh tuyÕn tÝnh tuÇn hoµn ®èi víi ho¹t ®éng cña c¸c hÖ thèng kiÓm so¸t lò lôt b»ng c¸ch sö dông ph­¬ng ph¸p Muskingum ®Ó diÔn to¸n lßng dÉn vµ ph­¬ng tr×nh c©n b»ng khèi l­îng ®èi víi c¸c tÝnh to¸n hå chøa. Côc C«ng binh Hoa Kú (1973, 1979) ®· ph¸t triÓn HEC-5 vµ HEC-5C ®èi víi ho¹t ®éng hå chøa ®Ó kiÓm so¸t lò, trong ®ã viÖc x¶ n­íc ®­îc lùa chän nhê øng dông mét bé cè ®Þnh c¸c quy t¾c kinh nghiÖm vµ c¸c ­u tiªn ®­îc lÊy mÉu theo c¸c nghiªn cøu ho¹t ®éng ®iÓn h×nh (xem môc 7,4). C¸c m« h×nh nµy ®­îc dùa trªn c¬ së c¸c kü thuËt diÔn to¸n thñy v¨n vµ cung cÊp chiÕn l­îc kh«ng tèi ­u ®Ó ho¹t ®éng. Mét øng dông cña c¸c m« h×nh nµy lµ cho l­u vùc s«ng Kanawha (HiÖp héi Kü s­ Qu©n ®éi Hoa Kú, 1983), nã ®ãng gãp dßng ch¶y vµo s«ng Ohio t¹i Pt. Pleasant, West Virginia. h×nh 13.2.1 minh häa c¸c biÓu ®å thñy v¨n quan tr¾c vµ dù b¸o t¹i 515 Kanawha Falls ®èi víi sù kiÖn th¸ng ba n¨m 1967, §­êng g¹ch ngang th¼ng ®øng thÓ hiÖn thêi gian dù b¸o. Nhµ chøc tr¸ch thung lòng Tennessee (1974) ®· ph¸t triÓn mét ch­¬ng tr×nh ®éng lùc gia t¨ng vµ kü thuËt xÊp xØ liªn tôc cho c¸c ho¹t ®éng thêi gian thùc víi c¸c môc ®Ých kiÓm so¸t lò vµ ph¸t ®iÖn. Can vµ Houck (1984) ®· ph¸t triÓn mét m« h×nh ch­¬ng tr×nh môc tiªu cho c¸c ho¹t ®éng h»ng giê cña mét hÖ thèng ®a hå chøa vµ ¸p dông nã cho l­u vùc s«ng Green ë Indiana. Môc tiªu cña m« h×nh ®­îc x¸c ®Þnh râ b»ng mét hÖ thèng cÊp bËc cña c¸c môc tiªu víi chÝnh s¸ch tèt nhÊt lµ mét ®­êng cong quy t¾c ®Þnh tr­íc. Wasimi vµ Kitanidis (1983) ®· ph¸t triÓn mét m« h×nh tèi ­u ho¸ cho c¸c ho¹t ®éng hµng ngµy cña mét hÖ thèng ®a hå chøa trong thêi gian x¶y ra c¸c trËn lò, kÕt hîp phÐp tèi ­u ho¸ gauss toµn ph­¬ng tuyÕn tÝnh vµ mét m« h×nh to¸n kh«ng gian - tr¹ng th¸i ®Ó dù b¸o dßng ch¶y. Yaicigil (1980) ®· ph¸t triÓn mét m« h×nh tèi ­u LP cho c¸c ho¹t ®éng thêi gian thùc hµng ngµy cña l­u vùc s«ng Green ë Indiana, mét hÖ thèng 4 hå chøa ®a môc ®Ých. C¸c ®Çu vµo cña m« h×nh ®· ®­îc ®Þnh râ. Môc tiªu cña ho¹t ®éng lµ tu©n theo mét tËp hîp c¸c tr¹ng th¸i ®Ých mµ c¸c ®é lÖch khái c¸c tr¹ng th¸i nµy ®Òu bÞ nghiªm cÊm. ViÖc diÔn to¸n lßng dÉn ®­îc thùc hiÖn nhê sö dông mét quy tr×nh diÔn to¸n tuyÕn tÝnh, t­¬ng nh­ ph­¬ng ph¸p Muskingum, gäi lµ diÔn to¸n tuyÕn tÝnh ®a ®Çu vµo. C¸c tÝnh to¸n hå chøa dùa trªn c¬ së c¸c ph­¬ng tr×nh c©n b»ng khèi l­îng ®­îc ®­a vµo tÝnh ®Çu vµo l­îng m­a. 13.2.2. HÖ thèng dù b¸o lò s«ng Lower Colorado M« h×nh dù b¸o lò cho hÖ thèng c¸c hå cao nguyªn - s«ng Lower Colorado ë Texas ph¸t triÓn bëi Unver vµ céng sù (1987) ®· ®­îc ph¸t triÓn cho mét khu«n khæ thêi gian thùc ®Ó lµm c¸c quyÕt ®Þnh vÒ c¸c ho¹t ®éng cña hå chøa trong thêi gian lò. M« h×nh nµy lµ mét ch­¬ng tr×nh tÝnh tÝch hîp víi c¸c thµnh phÇn ®Ó diÔn to¸n lò, m« h×nh ho¸ m­a - dßng ch¶y, giao diÖn ®å häa vµ ®­îc kiÓm so¸t bëi phÇn mÒm t­¬ng t¸c. §Çu vµo ®èi víi m« h×nh bao gåm c¸c sè liÖu l­îng m­a thêi gian thùc tù ®éng vµ dßng ch¶y s«ng tõ c¸c vÞ trÝ kh¸c nhau trong l­u vùc. CÊu tróc cña toµn bé m« h×nh ®­îc thÓ hiÖn trong h×nh 13.2.2, C¸c sè liÖu thêi gian thùc lµ ®Çu vµo ®èi víi m« h×nh tõ m¹ng l­íi thu thËp sè liÖu. M«®un kiÓm so¸t lò thêi gian thùc bao gåm c¸c tiÓu m«®un sau ®©y: (1) mét tiÓu m«®un DWOPER (Dynammic Wave Operational), nghÜa lµ m« h×nh ho¹t ®éng sãng ®éng häc cña Côc Thêi tiÕt Quèc gia Hoa Kú ®Ó diÔn to¸n dßng ch¶y kh«ng æn ®Þnh; (2) mét tiÓu m«®un GATES x¸c ®Þnh th«ng tin ho¹t ®éng cña cöa van (c¸c ®iÒu kiÖn biªn néi) cho DWOPER, ch¼ng h¹n nh­ l­u l­îng cña cöa ®Ëp b»ng mét hµm cña cét n­íc ¸p suÊt lªn cöa 516 ®Ëp; (3) mét tiÓu m«®un lµ m« h×nh m­a - dßng ch¶y dùa trªn ph­¬ng ph¸p ®­êng qu¸ tr×nh l­u l­îng ®¬n vÞ ®èi víi diÖn tÝch tho¸t n­íc kh«ng cã m¸y ®o bao quanh c¸c hå mµ ®èi víi nã, c¸c sè liÖu dßng ch¶y s«ng kh«ng s½n cã ®Ó sö dông; (4) mét tiÓu m«®un DISPLAY bao gåm phÇn mÒm giao diÖn ®å häa vµ (5) mét tiÓu m«®un OPERATIONS lµ phÇn mÒm kiÓm so¸t cña ng­êi sö dông ®iÒu khiÓn t­¬ng t¸c c¸c tiÓu m«®un kh¸c vµ c¸c file sè liÖu. §Çu vµo ®èi víi m« h×nh dù b¸o lò nµy bao gåm c¶ c¸c sè liÖu thêi gian thùc vµ m« t¶ vËt lý c¸c thµnh phÇn cña hÖ thèng g÷ nguyªn kh«ng thay ®æi trong thêi gian cña mét trËn lò. C¸c sè liÖu vËt lý bao gåm: (1) c¸c sè liÖu DWOPER m« t¶ th«ng tin mÆt c¾t ngang, c¸c quan hÖ ®é nh¸m... ; (2) c¸c ®Æc tr­ng cña cÊu tróc ®­êng trµn cña hå chøa ®èi víi GATES vµ (3) m« t¶ diÖn tÝch tho¸t n­íc vµ c¸c ®¸nh gi¸ tham sè thñy v¨n ®èi víi RAINFALL- RUNOFF. C¸c sè liÖu thêi gian thùc bao gåm: (1) c¸c sè liÖu dßng ch¶y s«ng tõ c¸c tr¹m tù ®éng vµ cét n­íc ¸p suÊt cïng c¸c cao tr×nh n­íc ë ®o¹n cuèi t¹i mçi ®Ëp; (2) c¸c sè liÖu m­a tõ c¸c m¸y ®o tù ghi; (3) th«ng tin mµ tiÓu hÖ thèng cña c¸c hå vµ hå chøa sÏ xem xÐt ®Õn nã trong diÔn to¸n vµ (4) c¸c ho¹t ®éng cña hå chøa. 517 B¶ng 13.1.1 C¸c ho¹t ®éng dù b¸o ®èi víi thµnh phÇn dù b¸o NWSRFS phiªn b¶n 5 (Day, 1985) C¸c m« h×nh thñy v¨n/thñy lùc C¸c tÝnh to¸n sè häc CËp nhËt vµ hiÖu chØnh c¸c quy tr×nh Giao diÖn (1) (2) (3) (4) API/MKC- M« h×nh m­a-dßng ch¶y chØ sè m­a ®øng tr­íc ®èi víi l­u vùc Missouri vµ b¾c trung t©m RFC SAC-SMA- M« h×nh tÝnh ®é Èm ®Êt Sacramento UNIT-HG-Thao t¸c biÓu ®å thñy v¨n ®¬n vÞ SNOW-17-HYDRO-17- M« h×nh tÝch lòy vµ tiªu mßn tuyÕt LAG/K- DiÔn to¸n Lag vµ K LAY-COEF- DiÔn to¸n hÖ sè s¾p tõng líp MUSKROUT- DiÔn to¸n Muskingum TATUM- DiÔn ro¸n Tatum DWOPER-M« h×nh sãng ®éng lùc CHANLOSS- thñ tôc mÊt /®­îc lßng dÉn kinh nghiÖm CHANLEAK- DiÔn to¸n mÊt/®­îc lßng dÉn kh¸i niÖm STAGE-Q- C¸c biÕn ®æi mùc n­íc s«ng A§/SUB- Thªm hoÆc bít c¸c chuçi thêi gian CLEAR-TR- Lµm s¹ch chuçi thêi gian WEIGH-TS- C©n nh¾c chuçi thêi gian CHANGE-T- Thay ®æi kho¶ng thêi gian mét chuâi thêi gian MEAN-Q- TÝnh l­u l­îng gi÷a cho kho¶ng thêi gian x¸c ®Þnh ADJUST-Q- §iÒu chØnh m« pháng ®èi víi l­u l­îng quan tr¾c vµ hçn hîp pha trén CHAT- Kü thuËt ®iÒu chØnh biÓu ®å thñy v¨n tÝnh to¸n SACFILI- C«ng thøc lý thuyÕt ®¸nh gi ¸(läc Kalman) cña SAC-SMA vµ UNIT-HG ®èi víi toµn bé c¸c l­u vùc th­îng l­u kh«ng cã tuyÕt STAT-OP- Gãi thèng kª ®Ó ®o hiÖu qu¶ NWSRFS INSQPLOT- C¸c ®å thÞ chuçi thêi gian l­u l­îng tøc thêi WY-PLOT- VÔ ®å thÞ dßng ch¶y trung b×nh hµng ngµy n¨m n­íc SAC-PLOT- VÔ ®å thÞ dßng ch¶y trung b×nh hµng ngµy lo¹i Sacramento PLOT-TS- TiÖn Ých vÏ ®å thÞ chuçi thêi gian th«ng dông PLOT-TUL- Thñ tôc vÔ ®ß thÞ chuâi thêi gian thiÕt kÕ ®Æc biÖt cho dù b¸o ho¹t ®éng thêi gian thùc STAT-QME- C¸c tÝnh to¸n gi¶n l­îc thèng kÕ l­u l­îng trung b×nh hµng ngµy 518 thµnh l­u l­îng hoÆc ng­îc l¹i RES-SNGL- Thao t¸c kiÓm so t¸ hå chøa ®¬n 519 H×nh 13.2.1 C¸c biÓu ®å thñy v¨n quan tr¾c vµ dù b¸o t¹i Kanawha Falls dÉn ®Õn dù b¸o sù kiÖn lò th¸ng II n¨m 1967 (HiÖp héi Kü s­ Qu©n ®éi Hoa Kú, 1983) 1¶.¶. 5 ¸c ms h×nh tTi ­u hÔ¸ ®Ó ph¸t triÓn c¸c chÝnh ø¸ch vËn hµnh C¸c m« h×nh tèi ­u hãa cã thÓ ®­îc sö dông ®Ó x¸c ®Þnh c¸c ho¹t ®éng kiÓm so¸t lò cña c¸c hÖ thèng hå chøa nh­ thÓ hiÖn trong h×nh 13.3.1, Môc tiªu cña mét m« h×nh nh­ thÕ lµ ®Ó x¸c ®Þnh mét c¬ chÕ vËn hµnh (x¶ n­íc) ®Ó cùc tiÓu hãa thiÖt h¹i do lò ®èi víi c¸c ®o¹n A vµ B. C¸c ®Çu vµo ®èi víi m« h×nh bao gåm c¸c hµm thiÖt h¹i vµ c¸c dßng ch¶y lò lÞch sö trung b×nh kÐo dµi hµng tuÇn nhê m« t¶ c¸c trËn lò lín nhÊt ®· ghi ®­îc t¹i tr¹m ®o (xem h×nh 13.3.1). L­îng tr÷ cùc tiÓu trong hå chøa 1 lµ l­îng tr÷ hå b¶o tån vµ l­îng tr÷ cùc ®¹i lµ l­îng tr÷ hå lò ®Çy. Mét m« h×nh DP ®­îc ph¸t triÓn trong ®ã biÕn quyÕt ®Þnh lµ l­îng x¶ QA tõ hå chøa 1 vµ biÕn tr¹ng th¸i lµ l­îng tr÷ ST trong hå chøa 1, Môc tiªu cña tèi ­u hãa lµ ®Ó cùc tiÓu hãa tæng thiÖt h¹i do lò Z:  n N n n QArMinZ    1 (13.3.1) trong ®ã: Nn ,...,1 lµ c¸c giai ®o¹n lµ c¸c kho¶ng thêi gian kÐo dµi hµng tuÇn theo thø tù thêi gian vµ  nn QAr lµ sù xuÊt hiÖn l¹i ®èi víi giai ®o¹n thø n do quyÕt ®Þnh (l­îng x¶) QA tõ hå chøa 1, C¸c thiÖt h¹i ®èi víi c¶ hai ®o¹n A vµ 520 B lµ c¸c hµm cña QA. C¸c rµng buéc vÒ ho¹t déng bao gåm ph­¬ng tr×nh liªn tôc, nã lµ hµm biÕn ®æi: nnnn QAISTST 1 Nn ,...,1 (13.3.2) trong ®ã: nST vµ 1nST lµ l­îng tr÷ t¹i ®Çu vµ cuèi cña tuÇn thø n trong hå chøa 1 vµ nI lµ dßng ch¶y vµo hå chøa 1 trong tuÇn thø n. C¸c giíi h¹n vÒ l­îng tr÷ lµ: maxmin STSTST n  , Nn ,...,1 (13.3.3) trong ®ã