Xây dựng mô hình bán phân bố mô phỏng dòng chảy cho một số lưu vực sông lớn và vừa khu vực Nam Trung Bộ

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 39 - 2017 1
XÂY DỰNG MÔ HÌNH BÁN PHÂN BỐ MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY CHO 
MỘT SỐ LƯU VỰC SÔNG LỚN VÀ VỪA KHU VỰC NAM TRUNG BỘ 
Lê Thị Hải Yến, Ngô Lê An 
Trường Đại học Thủy lợi 
Tóm tắt: Các mô hình mưa dòng chảy được ứng dụng rộng rãi nhằm mô phỏng dòng chảy từ 
mưa. Các mô hình thông số tập trung có ưu điểm tính toán nhanh, số liệu đầu vào ít nhưng 
không mô tả được phân bố các đặc trưng khí tượng thuỷ văn theo không gian nên chỉ phù hợp 
với các lưu vực nhỏ. Các mô hình thông số phân bố có ưu điểm mô tả tốt biến động theo không 
gian cả mặt đệm lưu vực lẫn các yếu tố khí tượng thuỷ văn nhưng các mô hình đòi hỏi lượng số 
liệu lớn, thời gian tính toán lâu hơn. Nghiên cứu này xây dựng mô hình bán phân bố kết hợp các 
ưu điểm của hai nhóm mô hình thông số tập trung và phân bố dựa trên mô hình NAM và diễn 
toán Muskingum. Mô hình được mô phỏng thử nghiệm cho các lưu vực vừa (Nông Sơn, Thành 
Mỹ) và lưu vực lớn (Củng Sơn) cho kết quả hệ số Nash ở các bước hiệu chỉnh và kiểm định đều 
trên 0,80 thể hiện tính hiệu quả và khả năng ứng dụng tốt của mô hình. 
Từ khoá: Mô hình bán phân bố, mô hình mưa dòng chảy NAM, sông Vu Gia – Thu Bồn, 
sông Ba, diễn toán Muskingum 
Summary: Rainfall-runoff models are widely applied to simulate flow from rainfall. Lumped 
parameter models have the advantage of fast calculation with a small amount of input data 
requirement, but it cannot illustrate the variation of hydro-meteorology features by space, so it is 
only suitable for small basins. The distributed parameter models provide good description of 
spatial variation both in the basin responses and hydrological meteorological factors, but they 
require large amounts of data and longer computational time. This research builds a semi-
distributed model combining the advantages of two groups of lumped and distributed parameter 
models based on the NAM model and the Muskingum routing. The model is applied in order to 
simulate daily runoff for the medium scale basins (Nong Son, Thanh My) and large scale basin 
(Cung Son). The Nash coefficient of calibration and verification processes are higher than 0.80, 
showing the effectiveness and the good applicability of the model. 
Keywords: Semi-distributed model, Nam rainfall runoff model, Vu Gia – Thu Bon, Ba, 
Muskingum routing. 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ* 
Các mô hình thuỷ văn mưa dòng chảy được 
ứng dụng rộng rãi trong bài toán mô phỏng 
dòng chảy từ mưa do chúng được xây dựng 
dựa trên bản chất vật lý của quá trình hình 
thành dòng chảy trên lưu vực. Dựa trên việc 
mô tả phân bố các đặc trưng vật lý này mà các 
Ngày nhận bài: 29/5/2017 
Ngày thông qua phản biện: 12/7/2017 
Ngày duyệt đăng: 26/7/2017 
mô hình thuỷ văn được phân chia thành các 
nhóm: mô hình thông số tập trung, mô hình 
bán phân bố và mô hình thông số phân bố. 
Trong mô hình thông số tập trung, các đặc 
trưng về khí tượng và các đặc tính vật lý khác 
được lấy trung bình hoá trên toàn bộ lưu vực 
và dòng chảy chỉ được xác định tại vị trí cửa ra 
(NAM, TANK). Do vậy, các mô hình này 
chỉ có thể ứng dụng cho các lưu vực nhỏ 
(thường không quá 1000km2) khi các biến 
động về khí tượng, thuỷ văn cũng như các đặc 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 39 - 2017 2
tính vật lý khác theo không gian không quá 
nhiều. Ưu điểm của các mô hình này là yêu 
cầu về số liệu đầu vào ít, thời gian tính toán 
nhanh. Ngược lại, các mô hình thông số phân 
bố mô tả sự thay đổi về các đặc trưng này theo 
không gian một cách chi tiết có thể dưới dạng 
ô lưới hoặc theo các hàm phi tuyến 
(TOPMODEL, TOPKAPI, WESPA, 
DIMOSOP). Với dạng mô hình này, dòng 
chảy có thể được xác định tại bất cứ vị trí nào 
trên lưu vực. Mô hình có thể ứng dụng cho các 
lưu vực có diện tích lớn, các vùng có sự thay 
đổi mạnh mẽ theo không gian về khí tượng 
cũng như các điều kiện mặt đệm. Tuy nhiên, 
các mô hình dạng này yêu cầu số liệu chi tiết về 
biến động các đặc trưng này theo không gian, 
thời gian chạy mô phỏng của mô hình cũng 
thường lâu hơn nhiều so với mô hình tập trung. 
Mô hình bán phân bố là dạng mô hình kết hợp 
các ưu điểm của hai nhóm mô hình trên đó là số 
liệu yêu cầu ít, tính toán nhanh nhưng vẫn mô 
tả được biến động của các đặc trưng lưu vực 
theo không gian. Nhìn chung, các mô hình dạng 
này dựa trên việc mô tả lưu vực lớn thành các 
lưu vực con kết hợp với các phương pháp diễn 
toán dòng chảy. Một số mô hình tiêu biểu dạng 
này là SSARR, SWAT, HEC-HMS. 
Bài báo tập trung nghiên cứu xây dựng mô 
hình bán phân bố thông qua việc kết hợp mô 
hình NAM (mô hình mưa dòng chảy thông số 
tập trung) với mô đun diễn toán dòng chảy 
Muskingum. Mô hình sẽ được thử nghiệm và 
đánh giá hiệu quả cho các lưu vực sông vừa 
(Vu Gia – Thu Bồn tại Nông Sơn và Thành 
Mỹ với diện tích lưu vực lần lượt là 3.100km2 
và 2.100km2) và lưu vực lớn (sông Ba tại 
Củng Sơn với diện tích trên 13.000km2). 
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 
2.1 Mô hình mưa dòng chảy NAM 
Mô hình NAM được Nielsen và Hansen giới 
thiệu vào năm 1973 (Nielsen và Hansen, 1973) 
[2], đây là mô hình mưa dòng chảy thông số tập 
trung được ứng dụng rộng rãi ở Việt Nam thông 
qua bộ mô hình họ MIKE. Mô hình có ít thông 
số và yêu cầu số liệu đầu vào không nhiều bao 
gồm lượng mưa, bốc hơi tiềm năng và số liệu 
dòng chảy dùng để hiệu chỉnh, kiểm định mô 
hình. Trong điều kiện ở Việt Nam, mô hình có 
ba bể chứa mô tả trữ mặt (bể U), trữ sát mặt (bể 
L) và trữ nước ngầm (bể ngầm) như ở hình 1. 
Các dữ liệu đầu vào của mô hình là lượng mưa 
P, bốc hơi tiềm năng Ep. Mô hình có 9 thông số 
chính bao gồm thông số U*, L* mô tả lượng trữ 
nước lớn nhất ở bể U và bể L, hệ số COF, CIF 
biểu thị hệ số dòng chảy mặt và sát mặt, K0, KI 
và KB là hằng số thời gian tương ứng đối với 
thành phần dòng chảy mặt, sát mặt và ngầm, 
CL1, CL2là các ngưỡng sinh dòng chảy bể mặt và 
sát mặt. Dòng chảy ra của lưu vực là dòng chảy 
tổng hợp của ba thành phần OF, IF và BF tương 
ứng với dòng chảy mặt, sát mặt và dòng chảy 
ngầm. Chi tiết các bước tính toán mô phỏng 
dòng chảy được Nielsen và Hansen trình bày 
trong nghiên cứu của mình. (Nielsen và Hansen, 
1973) [2] 
Hình 1. Sơ đồ mô hình NAM (theo Nielsen và 
Hansen)[2] 
2.2. Mô hình diễn toán dòng chảy 
Muskingum 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 39 - 2017 3
Phương pháp Muskingum thường được sử 
dụng để diễn toán dòng chảy trên sông dựa 
trên quan hệ biến đổi giữa lượng trữ và lưu 
lượng (hình 2). Mô hình có 2 tham số K và X 
lần lượt biểu thị thời gian chảy truyền và hệ số 
lượng trữ của đoạn sông (Cunge, 1969) [1]. 
Công thức tính toán dòng chảy ra của đoạn 
sông được trình bày ở phương trình 1: 
Oj+1 = C1Ij+1 + C2Ij + C3Oj (1) 
Với I và O lần lượt là dòng chảy vào và dòng 
chảy ra đoạn sông. 
C1, C2, C3 được t ính toán theo công thức 2, 
3, 4: 
 (2) 
 (3) 
 (4) 
Hình 2. Cân bằng lượng trữ đoạn sông 
2.3 Xây dựng mô hình bán phân bố 
Lưu vực sông lớn sẽ được chia thành nhiều lưu 
vực con sao cho các diện tích trên lưu vực này 
không quá 1000km2, đồng thời các đặc trưng 
trên các lưu vực này tương đối đồng nhất 
(phân bố mưa, bốc hơi, độ dốc, thảm phủ...). 
Dòng chảy sinh ra trên mỗi lưu vực con sẽ 
được mô phỏng bằng một mô hình NAM. 
Dòng chảy tại cửa ra các lưu vực này sẽ được 
diễn toán về dòng chảy cửa ra lưu vực sông 
chính trên các đoạn sông bằng phương pháp 
diễn toán Muskingum. Dòng chảy lưu vực 
sông chính sẽ là tập hợp tất cả dòng chảy của 
các lưu vực con sau khi đã diễn toán đến cửa 
ra lưu vực sông chính này. 
Các thông số mô hình NAM và Muskingum 
cho mỗi lưu vực con và các đoạn sông được 
tìm kiếm theo phương pháp thử sai Brute-
Force dựa trên việc so sánh dòng chảy tổng 
cộng tại cửa ra lưu vực chính và các lưu vực 
khác có đo dòng chảy theo chỉ số Nash (công 
thức 5): 
 (5) 
Phương pháp thử sai Brute-Force dựa trên 
nguyên lý tìm kiếm nghiệm tối ưu bằng cách 
xét mọi trường hợp có thể. Trong nghiên cứu 
này, các thông số mô hình đều được giới hạn 
tuỳ theo ý nghĩa vật lý của nó. Các khoảng 
giới hạn sẽ được chia nhỏ thành từng đoạn đều 
nhau và đây chỉnh là các giá trị thông số cần 
kiểm tra thử sai. Bộ thông số cho kết quả mô 
hình có giá trị Nash cao nhất có thể coi là bộ 
thông số phù hợp. 
3. THIẾT LẬP MÔ HÌNH MÔ PHỎNG 
DÒNG CHẢY KHU VỰC NGHIÊN CỨU 
3.1 Thiết lập mạng lưới tính toán 
3.1.1 Lưu vực Nông Sơn và Thành Mỹ 
Lưu vực Nông Sơn và Thành Mỹ được mô tả 
trong mô hình bán phân bố như hình 3 và hình 
4. Lưu vực Nông Sơn được chia thành 6 lưu 
vực con kết nối với nhau trên 4 đoạn sông 
chính trong khi lưu vực Thành Mỹ được chia 
thành 5 lưu vực con và 3 đoạn sông chính. Bốc 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 39 - 2017 4
hơi tiềm năng thời đoạn ngày của lưu vực 
Nông Sơn lấy từ trạm Trà My và Đà Nẵng, 
còn lưu vực Thành Mỹ là Đà Nẵng. 
Hình 3. Sơ đồ mô phỏng lưu vực Nông Sơn 
Hình bên t rái là bản đồ lưu vực chính bao 
gồm các lưu vực sông con và đoạn 
sông.Hình bên phải là sơ đồ kết nối của 
các thành phần này. Các trạm đo mưa 
được sử dụng để t ính lượng mưa trung 
bình ngày trên các lưu vực con được t rình 
bày ở bảng 1. 
3.1.2 Lưu vực sông Ba 
Lưu vực sông Ba là lưu vực lớn với diện 
t ích trên 13.000km2 nên được chia thành 
17 lưu vực con. Lượng mưa trung bình 
thời đoạn ngày trên các lưu vực này được 
lấy t heo p hương p háp t rung bình số học. 
Lưu vực con không có trạm đo mưa sẽ lấy 
theo lượng mưa của trạm đo mưa gần nhất 
(Hình 5). Các t rạm đo mưa sử dụng trong 
nghiên cứu và vị t rí của nó được trình bày 
ở hình 5. Dữ liệu bốc hơi t iềm năng thời 
đoạn ngày được lấy từ các trạm đo An 
Khê, AyunPa, M’Drak và Sơn Hoà. 
Lưu vực 6 
Lưu vực 5 
Lưu vực 4 Lưu vực 3 
Lưu vực 2 
Lưu vực 1 
Nông Sơn 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 39 - 2017 5
Hình 4. Sơ đồ mô phỏng lưu vực Thành Mỹ 
Hình 5. Sơ đồ mô phỏng lưu vực Củng Sơn. Hình bên phải là sơ đồ kết nối 
với các đoạn sông được thể hiện bằng các mũi tên có đánh số. 
1 
2 
3 
4 
5 
6 
7 
8 
10 
13 
9 
11 
12 
Lưu vực 1 
Lưu vực 9 
Lưu vực 3 
Lưu vực 4 
Lưu vực 5 
Lưu vực 6 
Lưu vực 7 
Lưu vực 8 
Lưu vực 2 
Lưu vực 10 
Lưu vực 11 
Lưu vực 13 
Lưu vực 14 
Lưu vực 15 
Lưu vực 12 
Lưu vực 17 Củng Sơn 
14 
Lưu vực 16 
Lưu vực 5 
Lưu vực 4 
Lưu vực 3 Lưu vực 2 
Lưu vực 1 
Thành Mỹ 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 39 - 2017 6
3.2. Mô phỏng dòng chảy 
3.2.1 Hiệu chỉnh 
Dòng chảy ngày tại cửa ra tại các trạm Nông 
Sơn (lưu vực Nông Sơn), Thành Mỹ (lưu vực 
Thành Mỹ), An Khê, Pơ Mơ Rê, Sông Hinh, 
Củng Sơn (lưu vực Củng Sơn) được sử dụng 
để đánh giá khả năng mô phỏng của mô hình. 
Đối với lưu vực Củng Sơn có dòng chảy thực 
đo tại một số trạm đo ở thượng lưu như Pơ Mơ 
Rê ở lưu vực 1, An Khê ở lưu vực 6 và Sông 
Hinh ở lưu vực 15. Các số liệu này cũng được 
sử dụng nhằm tìm kiếm bộ thông số cho các 
lưu vực con này. Các lưu vực con lân cận sẽ có 
bộ thông số tương tự lúc ban đầu nhằm nâng 
cao tốc độ dò tìm bộ thông số. 
Giai đoạn hiệu chỉnh được lấy từ năm 1980 
đến năm 1995 cho Nông Sơn và Thành Mỹ , từ 
năm 1979 đến 1995 cho Củng Sơn. Kết quả 
mô phỏng dòng chảy ngày tại Nông Sơn, 
Thành Mỹ và Củng Sơn tại giai đoạn hiệu 
chỉnh cho hệ số Nash lần lượt là 0,88;0,80 và 
0,81 được trình bày ở hình 6 với bộ thông số 
trình bày ở bảng 1 và bảng 2. Dòng chảy mô 
phỏng tại các lưu vực con ở Pơ Mơ Rê, An 
Khê, Sông Hinh có hệ số Nash lần lượt là 
0,73; 0,72 và 0,68. 
Hình 6. Dòng chảy thực đo và mô phỏng (trung bình tháng) tại Nông Sơn (trên, trái), 
Thành Mỹ (trên, phải) và Củng Sơn (dưới) giai đoạn hiệu chỉnh 1980 – 1995 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 39 - 2017 7
Bảng 1. Thông số mô hình các lưu vực con và các đoạn sông lưu vực Nông Sơn – Thành Mỹ 
NAM Nông Sơn Thành Mỹ 
Lưu vực 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 
Diện tích 
(km2) 
558,2 544,4 582 594,6 304,9 504,9 160,8 488,7 325,6 466 588,7 
Trạm mưa NS HĐ TP TM TM+HĐ TM TM TM+KĐ TM+KĐ KĐ KĐ 
U* 20 10 10 10 10 10 20 10 10 10 10 
L* 250 208 150 210 250 250 300 150 210 150 250 
COF 0,80 0,20 0,40 0,80 0,70 0,70 0,80 0,40 0,80 0,20 0,70 
CIF 0,25 0,04 0,07 0,06 0,04 0,04 0,25 0,1 0,05 0,05 0,03 
K0 0,13 0,38 0,10 0,10 0,78 0,78 0,13 0,10 0,10 0,39 0,78 
KI 0,10 0,10 0,10 0,10 0,11 0,11 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10 
CL1-2 28 60 10 31 60 60 28 10 31 60 60 
TG 0,10 0,1 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10 
KB 3000 500 896 1637 1011 1011 3000 896 1637 500 1011 
Muskingum Nông Sơn Thành Mỹ 
Đoạn sông 1 2 3 4 1 2 3 
X 0,1 0,2 0,1 0,1 0,3 0,1 0,1 
K 3 3 3 3 3 3 1 
Ký hiệu các trạm mưa: Nông Sơn (NS), Hiệp Đức (HĐ), Tiên Phước (TP), Trà My (TM), Thành 
Mỹ (TM), Khâm Đức (KĐ) 
Bảng 2. Thông số mô hình các lưu vực con và các đoạn sông cho lưu vực Củng Sơn 
Lưu vực 1-2 3-5 6-9 10-12 13-14 15,17 16 
U* 20 10 5 10 10 18 20 
L* 250 210 170 210 250 182 250 
COF 0,80 0,80 0,80 0,80 0,70 0,90 0,70 
CIF 0,25 0,06 0,002 0,06 0,04 0,002 0,038 
K0 0,13 0,10 0,45 0,10 0,78 0,10 0,78 
KI 0,10 0,10 0,10 0,10 0,11 0,10 0,10 
CL1-2 28 31 44 31 60 29 60 
TG 0,10 0,1 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10 
KB 3000 1640 3500 1637 1011 515 1011 
Đoạn 
sông 
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 
X 0,1 0,2 0,1 0,1 0,2 0,1 0,2 0,2 0,1 0,2 0,2 0,1 0,1 0,2 0,1 
K 3 2 3 5 1 3 3 2 3 2 3 3 3 3 3 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 39 - 2017 8
3.2.2 Kiểm định 
Hình 7. Dòng chảy thực đo và mô phỏng (trung bình tháng) tại trạm Nông Sơn (trên, trái), 
Thành Mỹ (trên, phải) và Củng Sơn (dưới) giai đoạn kiểm định 1996 – 2005 
Giai đoạn 1996 đến 2005 được sử dụng để kiểm 
định cho mô hình. Giai đoạn 2006 trở về sau thì 
dòng chảy trên các lưu vực sông này nhìn chung 
bắt đầu bị ảnh hưởng bởi việc điều tiết của các 
hồ chứa. Kết quả kiểm định về mô phỏng dòng 
chảy ngày cho hệ số Nash tại Nông Sơn, Thành 
Mỹ và Củng Sơn lần lượt là 0,87; 0,82 và 0,81 
(hình 7). Điều này chứng tỏ, mô hình đã mô 
phỏng tốt quá trình dòng chảy và các bộ thông 
số tìm kiếm được là phù hợp với mô hình. 
Từ kết quả hiệu chỉnh và kiểm định của mô 
hình ở trên cho ba lưu vực khác nhau có diện 
tích từ vừa đến lớn, có thể thấy rằng mô hình 
bán phân bố đã mô tả tốt các đặc trưng khí 
tượng cũng như mặt đệm lưu vực theo không 
gian. Đối với lưu vực có diện tích lớn như lưu 
vực Củng Sơn có nhiều vùng mưa khác nhau, 
mô hình đã mô phỏng tốt dòng chảy tại cửa ra 
lưu vực chính. Các số liệu đo dòng chảy tại 
các trạm đo khác nằm trong lưu vực cũng 
được tận dụng để dò tìm bộ thông số cho các 
lưu vực con, giúp nâng cao độ chính xác mô 
phỏng biến động dòng chảy theo không gian, 
cũng như tiết kiệm thời gian tìm kiếm bộ 
thông số trên toàn bộ lưu vực. Đây cũng là ưu 
điểm của mô hình bán phân bố này so với mô 
hình NAM truyền thống. 
4. KẾT LUẬN 
Nghiên cứu đã xây dựng mô hình mô phỏng 
dòng chảy thử nghiệm cho hai nhóm lưu vực 
Trạm Nông Sơn (0,87) 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 39 - 2017 9
vừa (Nông Sơn và Thành Mỹ) và lưu vực lớn 
(Củng Sơn) sử dụng mô hình NAM và diễn toán 
dòng chảy Muskingum. Mô hình có ưu điểm sử 
dụng được các số liệu đầu vào biến động theo 
không gian như mưa, bốc hơi, mặt đệm khi lưu 
vực lớn được chia thành các lưu vực con có các 
đặc điểm khí tượng, thuỷ văn, mặt đệm tương 
đồng. Dòng chảy các lưu vực này được kết nối 
với nhau đến cửa ra lưu vực chính bằng các đoạn 
sông diễn toán theo phương pháp Muskingum. 
Do không có quá nhiều thông số, phương pháp 
Brute-Force thích hợp để sử dụng để dò tìm 
các bộ thông số cho mô hình mà không mất 
quá nhiều thời gian. Kết quả mô phỏng dòng 
chảy cho ba lưu vực Nông Sơn, Thành Mỹ và 
Củng Sơn cho kết quả phù hợp cao khi hệ số 
Nash đều đạt trên 0,80 trong cả hai bước hiệu 
chỉnh và kiểm định mô hình. Điều này chứng 
tỏ, mô hình bán phân bố được xây dựng có thể 
mô phỏng tốt dòng chảy cho các lưu vực vừa 
và lớn. Các thông số của mô hình có ý nghĩa 
vật lý phù hợp với thực tế. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Cunge J. A. (1969). On The Subject Of A Flood Propagation ComputationMethod 
(Muskingum Method). Journal of Hydraulic Research, 7:2, 205-230, 
DOI:10.1080/00221686909500264 
[2]. Nielsen S. A. và Hansen E. (1973). Numerical simulation of the rainfall-runoff process on 
a daily basis. Nordic Hydrology 4, 1973, 171-190.