Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Ứng dụng mô hình thủy lực một và hai chiều kết hợp HDM xây dựng bản đồ ngập lụt hạ lưu sông cái Nha Trang

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:80

Thêm vào BST

Báo xấu

120
lượt xem 15
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn gồm 3 chương: Chương 1 - Tổng quan về xây dựng bản đồ ngập lụt, Chương 2 - Điều kiện địa lý tự nhiên và kinh tế xã hội lưu vực sông Cái Nha Trang, Chương 3 - Cơ sở lý thuyết mô hình HDM, Chương 4 - Ứng dụng mô hình HDM xây dựng bản đồ ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Ứng dụng mô hình thủy lực một và hai chiều kết hợp HDM xây dựng bản đồ ngập lụt hạ lưu sông cái Nha Trang

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------------------ Bùi Văn Chanh ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY LỰC MỘT VÀ HAI CHIỀU KẾT HỢP HDM XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT HẠ LƯU SÔNG CÁI NHA TRANG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2013
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------------------ Bùi Văn Chanh ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY LỰC MỘT VÀ HAI CHIỀU KẾT HỢP HDM XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT HẠ LƯU SÔNG CÁI NHA TRANG Chuyên ngành: Thủy văn học Mã số: 60 44 0224 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. LƯƠNG TUẤN ANH Hà Nội - 2013
MỤC LỤC MỞ ĐẦU Trang CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT ... 9 1.1 KHÁI NIỆM NGẬP LỤT ……………………………………….. 9 1.1.1 Khái niềm về ngập lụt ………………………………………... 9 1.1.2 Mục đích xây dựng bản đồ ngập lụt ………………………… 10 1.1.3 Nguyên nhân và đặc điểm ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang 10 1.2 GIỚI THIỆU MỘT SỐ CÔNG CỤ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ 12 NGẬP LỤT 1.2.1 Mô hình HDM ………………………………………………… 12 1.2.2 Phần mềm MIKE FLOOD WATCH ………………………... 13 1.2.3 Mô hình MIKE FLOOD ……………………………………... 14 1.2.4 Mô hình NK-GIAS ……………………………………………. 16 1.3 LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI 17 CHƯƠNG 2: ĐIỀU KIỆN ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN VÀ KINH TẾ XÃ 19 HỘI LƯU VỰC SÔNG CÁI NHA TRANG ……………………………. 2.1 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN ……………………………….. 19 2.1.1 Vị trí địa lý …………………………………………………….. 19 2.1.2 Địa hình ...................................................................................... 19 2.1.3 Đặc điểm địa chất, thổ nhưỡng, lớp phủ thực vật ………….. 21 2.1.4 Đặc điểm khí hậu, thủy văn ………………………………….. 22 2.2. ĐIỀU KIỆN KINH TẾ - XÃ HỘI ………………………………. 25 2.2.1. Tình hình kinh tế …………………………………………….. 25 2.2.2. Tình hình xã hội ……………………………………………… 26 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH HDM ………………… 27 3.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ……………………………………………. 27 3.1.1 Mô hình một chiều trong sông ……………………………….. 28 3.1.2 Mô hình hai chiều trong vùng ngập …………………………. 30 3.1.3 Ghép nối mô hình một chiều và hai chiều …………………... 31 1
3.2 YÊU CẦU CỦA MÔ HÌNH ……………………………………... 32 3.2.1 Yêu cầu về mô phỏng …………………………………………. 32 3.2.2 Yêu cầu về số liệu ……………………………………………... 33 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HDM XÂY DỰNG BẢN ĐỒ 35 NGẬP LỤT HẠ LƯU SÔNG CÁI NHA TRANG ……………………… 4.1 TÍNH TOÁN SỐ LIỆU ĐẦU VÀO ……………………………... 35 4.1.1 Tính toán số liệu địa hình …………………………………….. 35 4.1.2 Tính toán số liệu quan trắc đồng bộ ………………………… 42 4.1.3 Tính toán số liệu cho các kịch bản ngập …………………….. 44 4.2 HIỆU CHỈNH MÔ HÌNH ………………………………………... 48 4.2.1 Lựa chọn thông số ban đầu …………………………………... 49 4.2.2 Mục tiêu hiệu chỉnh …………………………………………... 49 4.2.3 Chạy mô hình toán …………………………………………… 50 4.2.4 Kết quả tối ưu hóa mô hình ...................................................... 51 4.3 KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH …………………………………………. 54 4.3.1 Số liệu kiểm định ……………………………………………… 54 4. 3.2 Kết quả kiểm định …………………………………………… 56 4.4 KẾT QUẢ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT ………………... 59 4.4.1 Đặc điểm ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang …………….. 59 4.4.2 Ứng dụng bản đồ ngập lụt …………………………………… 62 4.4.3 Chương trình cảnh báo ngập lụt …………………………….. 63 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...………………………………………….. 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO ……………………………………………….. 69 PHỤ LỤC …………………………………………………………………. 70 2
DANH MỤC HÌNH Hình 1. Bản đồ lưu vực sông Cái Nha Trang Hình 2. Bản đồ mạng lưới trạm lưu vực sông Cái Nha Trang Hình 3. Mô hình 1 chiều trong hệ thống sông Hình 4. Liên kết mô hình 1 chiều và 2 chiều Hình 5. Miền tính mô hình HDM Hình 6. Sơ đồ thủy lực mô hình HDM Hình 7. Tính toán các yếu tố mặt cắt ngang Hình 8. Phân bố các mặt cắt ngang trên hệ thống sông Cái Nha Trang Hình 9. Mô phỏng sông suối và công trình trên miền tính Hình 10. Chia lưới và đánh số trên bản đồ Hình 11. Đường quá trình lưu lượng đồng bộ sông Cái Nha Trang Hình 12. Đường quá trình mực nước triều đồng bộ cửa sông Cái Hình 13. Đường quá trình lưu lượng đầu vào tần suất 1% Hình 14. Đường quá trình lưu lượng đầu vào tần suất 3% Hình 15. Đường quá trình lưu lượng đầu vào tần suất 5% Hình 16. Đường quá trình lưu lượng đầu vào tần suất 10% Hình 17. Mực nước triều theo các tần suất thiết kế Hình 18: Các ô lưới kiểm tra giữa tính toán với thực đo sông Cái Nha Trang Hình 19. Đường tính toán và thực đo mặt cắt số 9 Hình 20. Đường tính toán và thực đo mặt cắt số 11 Hình 21. Đường tính toán và thực đo mặt cắt số 27 Hình 22. Đường tính toán và thực đo mặt cắt số 29 Hình 23. Đường tính toán và thực đo trạm thủy văn Đồng Trăng Hình 24. Bản đồ vị trí vết lũ hạ lưu sông Cái Nha Trang Hình 25. Vết lũ điều tra 3
Hình 26. Mức độ ngập lớn nhất ứng với tần suất 1% Hình 27. Mức độ ngập lớn nhất ứng với tần suất 3% Hình 28. Mức độ ngập lớn nhất ứng với tần suất 5% Hình 29. Mức độ ngập lớn nhất ứng với tần suất 10% Hình 30. Bàn đồ ngập chi tiết vùng hạ lưu sông Cái Nha Trang Hình 31. Cảnh báo hình thế thời tiết gây mưa lũ lớn Hình 32. Bản đồ ngập lụt độ phân giải thấp Hình 33. Kết nối với bản đồ ngập lụt độ phân giải cao Hình 34. Bản đồ di dời và cứu hộ hạ lưu sông Cái Nha Trang Hình 35. Phương án sơ tán và di dời Hình 36. Các điểm cao độ và đường bình đồ sau khi được gán cao độ Hình 37. Chuyển đường bình đồ thành điểm cao độ Hình 38. Cập nhật tọa độ tự động hệ tọa độ VN 2000 cho các điểm cao độ Hình 39. Hệ thống đường giao thông sông Cái Nha Trang Hình 40. Tần suất mưa 5 ngày lớn nhất trạm khí tượng Nha Trang Hình 41. Tần suất mưa 5 ngày lớn nhất trạm thủy văn Đồng Trăng Hình 42. Tần suất mưa 5 ngày lớn nhất điểm đo mưa Khánh Vĩnh Hình 43. Tần suất lưu lượng trạm Đồng Trăng Hình 44. Tần suất mực nước triều vịnh Nha Trang Hình 45. Bản đồ dự án chỉnh trị sông Tắc - sông Quán Trường Hình 46: Code chương trình hỗ trợ trên Fortran 4
DANH MỤC BẢNG Bảng 1. Cán cân nước các lưu vực Bảng 2. Các trạm đo KTTV trên lưu vực sông Bảng 3. Lượng mưa 5 ngày lớn nhất ứng với tần suất thiết kế Bảng 4. Tần suất các yếu tố các trạm thủy văn lưu vực sông Cái Nha Trang Bảng 5. Mực nước triều ứng với các tần suất thiết kế Bảng 6. Đánh giá chỉ tiêu R2 của WMO Bảng 7. Kết quả kiểm định theo chỉ tiêu R2 Bảng 8. Kết quả kiểm tra vết lũ năm 2009 với sản phẩm mô hình HDM Bảng 9. Hệ số nhám Maning của lòng dẫn nhân tạo Bảng 10. Hệ số nhám Maning của những lòng sông thiên nhiên 5
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT HDM : Hydro Dynamic Model BCH PCLB : Ban chỉ huy Phòng chống lụt bão UBND : Ủy ban Nhân dân GIS : Geographic Information System ESRI : Hãng sản xuất các phần mềm GIS MIKE 11 : Mô hình thủy lực 1 chiều trong bộ mô hình MIKE của Đan Mạch MIKE 21 : Mô hình thủy lực 2 chiều trong bộ mô hình MIKE của Đan Mạch HD : Mô đun thủy lực AD : Mô đun lan truyền chất ô nhiễm DEM : Digital Elevation Model WRF : Weather Research and Forecasting Model ATNĐ : Áp thấp nhiệt đới KTTV : Khí tượng Thủy văn TP : Thành phố X : Yếu tố đo mưa H : Yếu tố đo mực nước Q : Yếu tố đo lưu lượng WMO : World Meteorological Organization GPS : Global Positioning System MS-DOS : Microsoft Disk Operating System 6
MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây tình hình thủy văn diễn biến phức tạp, các trận lũ đặc biệt lớn, cường suất lũ lên nhanh xảy ra trên hầu hết các sông khu vực Miền Trung. Các trận lũ những năm gần đây có xu thế ngày càng gia tăng về số lượng và mức độ thiệt hại, đặc biệt trong các năm 1993,1999, 2003, 2009 trên nhiều sông khu vực Miền Trung đã xuất hiện lũ lịch sử gây hậu quả vô cùng nghiêm trọng về tính mạng, tài sản và môi trường sinh thái. Lũ lụt khu vực Miền Trung thường xuất hiện bất ngờ, dồn dập, cường suất lũ lên nhanh, rút nhanh gây khó khăn trong công tác phòng chống và hậu quả rất nghiêm trọng. Khánh Hòa là một tỉnh thuộc khu vực Nam Trung Bộ, hàng năm cũng chịu thiệt hại nặng nề do bão lũ gây ra. Trung bình Khánh Hòa chịu ảnh hưởng của 0,4 cơn bão và từ 4 - 5 trận lũ mỗi năm, các hiện tượng thời tiết thủy văn nguy hiểm này đã gây thiệt hại rất lớn về người và tài sản. Điển hình gần đây nhất là cơn bão số 11 (đầu tháng 11 năm 2009) đã gây thiệt hại khoảng 450 tỷ đồng và đợt mưa cuối tháng 10 đầu tháng 11 năm 2010 đã gây hại khoảng gần 300 tỷ đồng. Sông Cái Nha Trang là con sông lớn nhất của tỉnh Khánh Hòa, với diện tích lưu vực khoảng 2000 km2, hạ lưu có thành phố Nha Trang là trung tâm kinh tế của khu vực Nam Trung Bộ và Tây Nguyên. Những thiệt hại do mưa lũ lớn xảy ra trên địa bàn tỉnh Khánh Hòa phần lớn thuộc về lưu vực sông Cái Nha Trang. Để giảm nhẹ những thiệt hại do lũ lụt gây ra và đề xuất được những phương án thích hợp cho từng vùng, từng khu vực trong việc di dời, ứng cứu thì cần phải có thông tin về mức độ ngập lụt, phạm vi ngập lụt tại từng vùng, từng địa phương cụ thể. Vì vậy đề tài ”Ứng dụng mô hình thủy lực một và hai chiều kết hợp HDM xây dựng bản đồ ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang” sẽ góp phần lớn đáp ứng yêu cầu phòng chống lũ lụt cho người dân và chính quyền địa phương nhằm giảm thiểu đến mức thấp nhất thiệt hại do lũ lụt gây ra. Đề tài nghiên cứu trong luận văn là một phần nội dung trong dự án “Lập bản đồ ngập lụt lưu vực sông Dinh Ninh Hòa và sông Cái Nha Trang”, các số liệu, dữ liệu của luận văn được kế thừa từ dự án này. Học viên thực hiện đề tài của luận văn 7
là thư ký của dự án và trực tiếp chạy mô hình HDM để lập bản đồ ngập lụt. Sản phẩm của dự án đã được chuyển giao cho BCH PCLB các cấp ở địa phương từ năm 2011 và đến năm 2013 đã được UBND tỉnh Khánh Hòa đồng ý cho cập nhật bổ sung. Sản phẩm của đề tài đã được sử dụng có hiệu quả ở địa phương không chỉ trong công tác PCLB mà còn đối với công tác quy hoạch vùng sản xuất, thiết kế thi công các công trình giao thông, thủy lợi. Sau một thời gian nghiên cứu và ứng dụng mô hình thủy lực 1 và 2 chiều kết hợp HDM trong việc xây dựng bản đồ ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang tỉnh Khánh Hòa. Học viên báo cáo kết quả đạt được trong luận văn với bố cục gồm 4 chương cùng với phần mở đầu, kết luận, phụ lục và tài liệu tham khảo: Chương 1: Tổng quan về xây dựng bản đồ ngập lụt. Chương 2: Điều kiện địa lý tự nhiên và kinh tế xã hội lưu vực sông Cái Nha Trang. Chương 3: Cơ sở lý thuyết mô hình HDM. Chương 4: Ứng dụng mô hình HDM xây dựng bản đồ ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang. Luận văn được hoàn thành dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Lương Tuấn Anh - Viện Khí tượng Thủy văn và Môi trường Hà Nội. Học viên xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS. TS. Lương Tuấn Anh, người đã tận tình chỉ dẫn, tạo điều kiện giúp đỡ học viên hoàn thành luận văn này. Học viên chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo bộ môn Thủy văn đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho học viên trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại trường. 8
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT 1.1 KHÁI NIỆM NGẬP LỤT 1.1.1 Khái niềm về ngập lụt Mỗi lưu vực có đặc điểm về ngập lụt khác nhau, tùy thuộc vào đặc điểm của địa hình, sông suối, thổ nhưỡng, thảm phủ thực vật và chế độ mưa. Mưa rơi xuống bề mặt lưu vực, ban đầu bị tổn thất trên các tán lá cây, khi rơi xuống bề mặt lưu vực bị tổn thất do thấm và điền trũng. Khi lượng mưa lớn hơn lượng thấm hoặc cường độ mưa lớn hơn cường độ thấm thì bắt đầu sự hình thành dòng chảy sườn dốc. Lượng nước chảy trên sườn dốc tập trung đổ vào các rãnh, khe suối rồi đổ vào sông. Nước trong sông liên tục chảy từ thượng nguồn đổ ra biển, khi lượng nước đổ vào sông lớn hơn lượng nước chảy ra biển thì mực nước trong sông dần dần dâng cao. Cường suất tăng mực nước đến một giới hạn nhất định được gọi là lũ. Mực nước sông tiếp tục dâng cao và tràn bờ sông sang các bãi ven sông sau đó tràn qua các công trình giao thông, đê vào đồng ruộng, chảy qua các công trình cầu cống gây ngập các khu dân cư, cánh đồng được gọi là ngập lụt. Ngoài nước sông dâng cao gây ngập lụt còn có nguyên nhân khác là lượng nước chảy trực tiếp từ sườn dốc xuống khu dân cư, đồng ruộng. Ở các khu đô thị, do tổn thất kém bởi các công trình, các công trình thoát nước kém nên khi mưa lớn lượng nước chảy qua các cống rãnh, hố ga, hàm ếch thoát nước ít hơn lượng nước mưa đã gây ngập gọi là ngập úng. Một nguyên nhân khác gây ngập úng là mưa lớn tại các vùng trũng thấp, lượng nước mưa chảy từ chỗ cao xung quanh xuống gây ngập cục bộ. Khi nước lũ trong sông rút, nước ngập lụt ở các khu dân cư và đồng ruộng chảy tràn qua các công trình và chảy qua cầu, cống vào sông. Các vùng trũng không được nối với kênh, rãnh thoát nước thì nước lũ không thể rút ra được gây ngập úng cục bộ. Đối với các vùng cửa sông, nước trong sông chịu tác động mạnh bởi thủy triều, khi triều lên làm chậm dòng chảy từ sông ra biển, khi triều rút làm tăng dòng chảy. Lũ về gặp triều cường sẽ làm tăng mức độ ngập lụt vùng cửa sông ven biển. 9
Ngoài ra, dưới tác động của nước dâng do bão, gió mạnh cũng làm giảm lượng nước chảy từ sông ra biển, tăng mức độ ngập lụt vùng cửa sông, ven biển. 1.1.2 Mục đích xây dựng bản đồ ngập lụt Vùng hạ lưu các sông là nơi tập trung đông dân cư, kinh tế xã hội phát triển. Ngập lụt sẽ gây tác hại rất lớn cho vùng hạ lưu các sông về tài sản và tính mạng người dân. Vì vậy lập bản đồ ngập lụt phục vụ công tác phòng chống, ứng cứu là hết sức cần thiết. Công tác dự báo thủy văn trước đây chỉ dự báo mực nước tại các trạm, người dân và các cấp chính quyền địa phương triển khai phòng chống, cứu hộ dựa vào mực nước các trạm kết hợp với kinh nghiệm gây khó khăn trong công tác phòng chống lũ lụt. Do thay đổi của địa hình, công trình, địa vật trên vùng ngập đã thay đổi mức độ ngập lụt vì vậy cách so sánh khả năng ngập với mực nước các trạm dự báo không chính xác. Với sự phát triển của kinh tế xã hội thì yêu cầu của dự báo thủy văn không chỉ dừng lại ở việc dự báo mực nước các trạm mà cần phải dự báo, cảnh báo diện ngập, độ sâu ngập vùng hạ lưu. Việc xây dựng bản đồ ngập lụt giúp nhân dân và chính quyền địa phương trong vùng ngập triển khai phòng chống lũ lụt hiệu quả và tiết kiệm. Bản đồ ngập xác định được diễn biến ngập theo thời gian của diện tích và độ sâu ngập. Các cấp chính quyền địa phương chủ động trong công tác phòng tránh, xây dựng phương án cứu hộ kịp thời và hiệu quả. Các bản đồ ngập được xây dựng theo các tần suất mưa lũ giúp công tác quy hoạch, xây dựng, phát triển kinh tế xã hội đạt hiệu quả cao. Bản đồ ngập là cơ sở để lựa chọn vị trí xây dựng các công trình dân sinh, kinh tế, xã hội; là căn cứ để xác định quy mô, cao độ, độ dài của các công trình giao thông, thủy lợi. 1.1.3 Nguyên nhân và đặc điểm ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang * Nguyên nhân gây lũ lụt Nguyên nhân gây ngập lụt vùng hạ lưu sông Cái Nha Trang là do mưa lớn, lượng mưa vùng thượng nguồn sông Chò và sông Thác Ngựa có ảnh hưởng quyết định đến diễn biến ngập lụt vùng hạ lưu. Qua thống kê và phân tích số liệu, dữ liệu 10
nhiều năm đã tổng kết được 8 loại hình thế thời tiết chính gây mưa lũ lớn trên lưu vực sông sông Cái Nha Trang như sau: Loại 1: Bão hoặc áp thấp nhiệt đới đổ bộ vào Phú Yên. Tổng lượng mưa các nơi phổ biến từ 100 - 150 mm, thường thì phía bắc mưa to hơn phía nam. Mực nước lũ trên sông Cái Nha Trang đạt báo động I - II. Loại 2: Bão hoặc áp thấp nhiệt đới đổ bộ trực tiếp vào tỉnh Khánh Hoà mà không kết hợp với các hình thế thời tiết khác. Tổng lượng mưa toàn đợt phổ biến từ 150 - 300 mm. Lũ trên sông Cái Nha Trang đạt mức báo động II - III. Loại 3: Bão, áp thấp nhiệt đới đổ bộ vào khu vực phía bắc hoặc phía nam tỉnh Khánh Hoà, đồng thời kết hợp với không khí lạnh tăng cường mạnh. Tổng lượng mưa toàn đợt phổ biến từ 300 - 400 mm. Lũ trên sông Cái Nha Trang đạt trên mức báo động III. Loại 4: Bão hoặc áp thấp nhiệt đới đổ bộ vào các tỉnh phía nam (Ninh Thuận, Bình Thuận...), đồng thời kết hợp với không khí lạnh tăng cường mạnh. Tổng lượng mưa toàn đợt phổ biến từ 300 - 450 mm. Lũ trên sông Cái Nha Trang đạt trên mức trên báo động III. Loại 5: Không khí lạnh tăng cường mạnh, kết hợp với rìa phía bắc dải hội tụ nhiệt đới hoặc rãnh thấp có trục đi qua 7- 10oN hoạt động mạnh. Tổng lượng mưa phổ biến từ 200 - 300 mm. Lũ trên sông Cái Nha Trang đạt mức báo động II - III. Loại 6: Dải hội tụ nhiệt đới có trục đi qua Nam Trung Bộ kèm xoáy thuận nhiệt đới ở vùng biển Nam Trung Bộ, lượng mưa phổ biến 250 - 350 mm. Lũ trên sông Cái Nha Trang đạt mức báo động II - III. Loại 7: Dải hội tụ nhiệt đới có trục qua 7- 10oN, kèm xoáy thuận đi vào đất liền có tác động đồng thời của không khí lạnh đến rìa bắc xoáy thuận và dải ITCZ. Lượng mưa trong toàn đợt phổ biến từ 300 - 400 mm. Lũ trên sông Cái Nha Trang đạt trên mức báo động III. Đặc biệt khi bão, ATNĐ hình thành trên dải ITCZ sau đó đổ bộ vào tỉnh Ninh Thuận - Bình Thuận, kết hợp với không khí lạnh tăng cường mạnh. Tổng lượng mưa cả đợt các nơi phổ biến từ 400 - 500 mm. 11
Loại 8: Áp cao lạnh lục địa tăng cường kết hợp với nhiễu động trong đới gió đông trên cao hoạt động mạnh. Lượng mưa toàn đợt phổ biến từ 150 - 250 mm. Lũ trên sông Cái Nha Trang đạt báo động II - III. Đặc biệt trường hợp khi kết hợp với rìa bắc của vùng thấp trên vùng biển Nam Bộ sẽ là tăng quá trình mưa và kéo dài thời gian gây mưa. Tổng lượng mưa cả đợt có thể lên đến 400 - 600 mm, lũ trên sông Cái Nha Trang đạt trên báo động III. * Đặc điểm ngập lụt Đặc điểm địa hình lưu vực và sông suối của sông Cái Nha Trang là ngắn và dốc, phía tây và tây nam là vùng núi cao độ dốc rất lớn. Đặc điểm này đã là điều kiện hội tụ làm tăng lượng mưa vùng thượng nguồn, tốc độ sinh dòng chảy nhanh, thời gian tập trung lũ ngắn. Do đó tính chất lũ ở lưu vực sông Cái Nha Trang cũng rất khốc liệt, lũ lên nhanh, xuống nhanh, tốc độ dòng chảy và biên độ lũ lớn. Cường suất mực nước lũ trên sông Cái Nha Trang tại trạm Đồng Trăng trung bình là 40 - 50 cm/h, lớn nhất 201cm/h xảy ra ngày 3/11/1978. Biên độ mực nước lũ trung bình tại trạm Đồng Trăng là 7,0 - 8,0 m, biên độ lớn nhất khoảng gần 10,0 m. Thời gian xuất hiện lũ trên lưu vực sông Cái Nha Trang phổ biến từ 3 đến 4 ngày, cá biệt có một số trận lũ xảy ra từ 6 đến 7 ngày. Đối với các trận lũ lớn thường xuất hiện một đỉnh, các trận lũ vừa thường xuất hiện đỉnh phụ. Do lũ lên nhanh nên dòng chảy trong sông không đủ thoát nước ra biển nên tình trạng ngập lụt vùng hạ lưu sông Cái Nha Trang rất nghiêm trọng. Sông có độ uốn khúc lớn, bờ sông có nhiều cây cối đã làm chậm đáng kể lượng nước thoát trong sông. Biên độ triều vùng biển Nha Trang khá lớn đã tác động đáng kể đến diễn biến ngập lụt vùng hạ lưu. Vùng ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang có độ sâu ngập lớn, thời gian duy trì ngập lụt không dài. Các công trình đường Quốc lộ 1, đường sắt cắt ngang hướng thoát lũ đã làm tăng đáng kể độ sâu ngập lụt vùng thượng lưu các công trình. 1.2 GIỚI THIỆU MỘT SỐ CÔNG CỤ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT 1.2.1 Mô hình HDM 12
Đây là mô hình có nguồn gốc từ Hoa Kỳ, được Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn & Môi trường Hà Nội cải tiến để dễ sử dụng, phù hợp với điều kiện của Việt Nam và tích hợp thêm các công cụ tính toán. Mô hình đã được ứng dụng có hiệu quả cho nhiều sông ở Việt Nam và đã đem lại kết quả tốt. Điển hình là đã ứng dụng thành công cho nhiều đề tài như đề tài cấp nhà nước về diễn toán ngập lụt hạ lưu hồ Hòa Bình khi hệ thống hồ Sơn La - Hòa Bình bị vỡ đập, đề tài cấp tỉnh về xây dựng bản đồ nguy cơ ngập lụt sông Cái - Cà Ty và sông La Ngà tỉnh Bình Thuận, xây dựng bản đồ nguy cơ ngập lụt tỉnh Bình Định, xây dựng bản đồ ngập lụt các sông tỉnh Phú Yên, dự án lập bản đồ ngập lụt lưu vực sông Dinh Ninh Hòa và sông Cái Nha Trang, bản đồ ngập lụt hạ lưu hồ thủy đện Eakrôngru tỉnh Khánh Hòa. Mô hình HDM là mô hình thủy lực 1 và 2 chiều kết hợp, khi nước chảy trong sông thì mô hình là một chiều, khi nước tràn bờ sang bãi tràn thì mô hình tự động chuyển 1 chiều thành 2 chiều. Mô hình được chạy trên lưới ô vuông, với kích thước các ô lưới đều nhau và cố định. Cao độ ô lưới được tính trung bình theo các điểm cao độ địa hình của các điểm trong ô lưới đó. Hệ thống sông suối được mô phỏng theo đường gấp khúc qua trung tâm các ô, các công trình được mô phỏng qua các biên của ô lưới. Mô hình mô phỏng được các loại công trình như đường giao thông, đê, đập tràn, cầu, cống, xi phông. Mô hình chạy trên ngôn ngữ lập trình Fortran 77, là ngôn ngữ tính toán nhanh và có độ chính xác cao. Số liệu đầu vào được biên tập trong 1 file số liệu trong bộ soạn thảo văn bản Notepad của hệ điều hành, các thông số khai báo trong mô hình được xác định ở phần đầu, các phần số liệu tiếp theo là dữ liệu về địa hình nền, mặt cắt sông, công trình, số liệu khí tượng thủy văn và hải văn. 1.2.2 Phần mềm MIKE FLOOD WATCH Phần mềm MIKE FLOOD WATCH là mô hình dự báo thời gian thực, được hợp nhất công cụ quản lý dữ liệu, giám sát và dự báo. Môi trường sử dụng được tích hợp bởi phần mềm ArcMap GIS của ESRI nên dễ dàng tính toán số liệu địa hình đầu vào. Phần mềm MIKE FLOOD WATCH được vận hành tự động, thủ công hay 13
kết hợp cả hai, tuy nhiên người sử dụng có thể tự lập trình để dễ dàng sử dụng bằng ngôn ngữ lập trình Visual Basic. Dữ liệu thời gian thực được cập nhật vào trong mô hình gồm các trạm đo, lưới dữ liệu cơ bản của mô hình số trị, radar và ảnh mây vệ tinh. Người sử dụng có thể điều khiển tốt với các thủ tục cho từng dữ liệu con suối và kết nối với các dữ liệu cơ bản. Phần mềm MIKE FLOOD WATCH tích hợp công cụ dự báo thủy văn và thủy lực 1 và 2 chiều với các modul về động lực và môi trường. Phần mềm tích hợp công cụ quản lý trợ giúp việc so sánh, đánh giá để hỗ trợ việc ra quyết định và cung cấp thông tin dự báo. Phần mềm MIKE FLOOD WATCH cung cấp dự báo thời gian thực ở các vùng dễ xảy ra ngập lụt và đưa ra thông tin dự báo sớm, sự đảm bảo tiềm tàng trong đời sống, cảnh báo của người quản lý dự báo và dân số dễ bị tổn thương. Các ứng dụng điển hình gồm có: - Cung cấp việc giám sát và quyết định thời gian thực. - Dự báo và cảnh báo lũ thời gian thức. - Điều khiển đập, hồ chứa và các công trình thủy lợi. - Phổ biến số liệu lũ, bản đồ ngập thời gian thực và hành động phản ứng với lũ. - Giám sát tài nguyên và môi trường nước. - Dự báo hạn dài. Modul dự báo chuẩn trong MIKE FLOOD WATCH là modul thủy lực MIKE 11, đó là modul rất cần thiết và nâng cao công cụ đồng hóa dữ liệu để nâng cao độ chính xác dự báo [6] . 1.2.3 Mô hình MIKE FLOOD Mô hình MIKE FLOOD là mô hình thủy lực trong bộ mô hình MIKE của Viện Thủy lực Đan Mạch. Mô hình chạy trên môi trường Windows, được ứng dụng rộng rãi. Mô hình MIKE FLOOD liên kết động lực giữa mô hình một chiều và mô hình hai chiều được phát triển trong dạng cặp điểm nơi mà điểm kết của nhánh sông có thể được gán với một điểm hoặc vùng trong mô hình hai chiều, ví dụ như con sông chảy vào hoặc ra khỏi hồ. 14
Tất cả các mô hình được phân tích từng bước độc lâp với nhau, do đó phương pháp giải số được dùng khách quan cho mỗi loại phương trình và có tính liên tục. Liên kết với mô hình một chiều gồm có mức lên xuống tại điểm nối trong mô hình hai chiều hoặc số trung bình trong vùng liên kết, nơi mà phương trình là điều kiện biên. Mô hình hai chiều nhận toạ độ từ điểm nối trong mô hình một chiều thông qua nguồn Fs. Để có thời gian trung tâm chính xác của hai mô hình, toạ độ được ngoại suy từ bước thời gian n tới bước thời gian n+1/2 sử dụng phương trình dự báo đơn giản hoá, bao hàm cả trọng lực và lực ma sát. Liên kết động lực đã được bổ sung trong hệ thống mô hình MIKE 11và MIKE 21. Điều thuận lợi là hệ thống các phần mềm này có khả năng xuất hiện ngay lập tức để liên kết mô hình. Các loại kết nối trong MIKE FLOOD bao gồm có: kết nối tiêu chuẩn (Standard link); kết nối bên (Lateral link); kết nối công trình (Structure link) và kết nối khô (Zero flow link). Trong kết nối tiêu chuẩn, một hay một vài ô lưới của MIKE 21 được liên kết với một đầu của dòng chảy trong MIKE 11. Ta sử dụng kết nối tiêu chuẩn khi chỉ có các đầu của dòng chảy có nước đổ ra, ví dụ như ống nước. Trong kết nối bên, một chuỗi các ô lưới trong MIKE 21 sẽ được liên kết vào hai bên của một đoạn dòng chảy (một mặt cắt, một phần dòng chảy, hay toàn bộ dòng chảy). Ta sử dụng liên kết bên khi dòng chảy có khả năng tràn lên bề mặt, ví dụ như sông hay kênh. Trong kết nối công trình, một thành phần dòng chảy từ công trình trong MIKE 11 được đưa trực tiếp vào phương trình động lượng của MIKE 21. Quá trình này là ẩn hoàn toàn nên không ảnh hưởng đến các bước thời gian trong MIKE 21. Ví dụ như dòng chảy qua một con đường . Trong kết nối khô, một ô lưới MIKE 21 được gán kết nối theo chiều x thì không có dòng chảy chảy qua phía bên phải của ô lưới đó. Tương tự như thế, một kết nối khô theo chiều y thì không có dòng chảy chảy qua phía bên trên ô đó. Các kết nối khô này được phát triển để bổ sung cho các kết nối bên, để ngăn cách dòng 15
chảy tràn trong MIKE 21. Kết nối này được dùng để mô tả dải phân cách hẹp. Khi đó thay vì gán giá trị độ cao đất cho dải phân cách, ví dụ như đê bối phân cách trong đồng ruộng, thì ta dùng một chuỗi kết nối khô. MIKE FLOOD có các kiểu cặp đôi mô hình như sau: cặp đôi kiểu động lực (HD coupling), cặp đôi kiểu lan truyền chất (AD coupling) và cặp đôi kiểu cả động lực và lan truyền chất. Việc lựa chọn kiểu cặp đôi thì phụ thuộc vào kiểu mô hình MIKE 11 và MIKE 21 [7]. 1.2.4 Mô hình NK-GIAS Mô hình NK-GIAS là mô hình thủy lực 2 chiều của công ty Nippon Koei - Nhật Bản. Các công cụ tính toán số liệu đầu vào và kiết xuất sản phẩm đầu ra được xây dựng trên ngôn ngữ lập trình Visual Basic, các công cụ tính toán của mô hình được xây dựng trên ngôn ngữ lập trình Fortran. Dữ liệu địa hình đưa vào mô hình là bản đồ mô hình số độ cao (DEM), bản đồ sử dụng trong mô hình là bản đồ địa hình của cả lưu vực sông. Sau khi đọc số liệu địa hình, mô hình sẽ tự động khoanh lưu vực. Mô hình chạy trên lưới ô vuông và được chia tự động trên nền bản đồ DEM, mạng lưới sông suối được số hóa bằng cách đánh dấu vào ô vuông có sông chảy qua. Mặt cắt được nhập vào mô hình tại vị trí các ô lưới có đo mặt cắt, các ô lưới còn lại mô hình sẽ tự nội suy. Mô hình NK-GIAS có modul tính lưu lượng giống như mô hình toán thủy văn. Số liệu đầu vào cho modul lưu lượng dùng để tính số liệu dòng gồm: - Số liệu mưa thực đo tại các trạm trên lưu vực. Lượng mưa tại các ô lưới được tính lấy từ các trạm đo mưa trên cơ sở phân vùng ảnh hưởng các trạm theo phương pháp đa giác Thiessen. - Số liệu mưa được lấy từ mô hình số trị WRF được chi tiết cho lưu vực cần tính thông qua phương pháp downscaling cho các trạm trên lưu vực nhằm tăng thời gian dự kiến và dự báo cả đường quá trình lũ trong mô hình. - Bản đồ về sử dụng đất trên lưu vực. - Bản đồ độ dốc lưu vực được tính từ bản đồ DEM. 16
Các ô lưới liên kết với sông để xác định lượng nước đổ vào sông, suối và lượng nước tràn từ sông suối vào các bãi để gây ngập lụt. Các ô lưới cũng được liên kết với nhau để xác định lượng nước chảy giữa các ô và lượng nước gia nhập từ sườn dốc xuông vùng ngập lụt. 1.3 LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI Với sự phát triển mạnh mẽ về kinh tế, xã hội và yêu cầu ngày càng cao về công tác phòng chống lũ lụt trên lưu vực sông Cái Nha Trang thì công tác cảnh báo, dự báo không chỉ dừng lại ở mức cảnh báo, dự báo tại các trạm thủy văn mà cần thể hiện được mức độ ngập, phạm vị ngập lụt biến đổi theo thời gian. Để phục vụ tốt công tác phòng chống lũ lụt của nhân dân và chính quyền địa phương thì cần phải cảnh báo, dự báo phạm vi, mức độ ngập cho từng khu vực dân cư, thôn, xóm. Với sự phát triển mạnh của máy tính, công nghệ thông tin đã xuất hiện nhiều mô hình thủy lực đặc biệt là mô hình thủy lực hai chiều cho phép diễn toán ngập lụt vùng hạ lưu các sông. Công nghệ viễn thám và GIS giúp xây dựng được bản đồ địa hình với độ chính xác và phân giải cao, đồng thời trợ giúp công tác điều tra khảo sát thực địa, nâng cao độ chính xác của các vết lũ điều tra và đo đạc mặt cắt ngang sông từ đó nâng cao độ chính xác của mô hình thủy lực hai chiều đáp ứng yêu cầu lập bản đồ ngập lụt. Bản đồ ngập lụt lưu vực sông Cái Nha Trang giúp Ban chỉ huy Phòng chống lụt bão (BCH PCLB) tỉnh Khánh Hòa và các địa phương chủ động hơn trong công tác chỉ đạo phòng tránh lũ, ứng cứu nhanh chóng kịp thời, có kế hoạch triển khai hợp lý tiết kiệm về kinh phí và công sức triển khai. Giúp các đơn vị vận hành các công trình thủy lợi hợp lý, cắt lũ thượng lưu và tăng khả năng thoát lũ hạ lưu. Làm cơ sở để đề xuất các giải pháp công trình cắt giảm lũ hạ lưu sông Cái Nha Trang. Giúp quy hoạch các công trình, cơ sở hạ tầng, vùng sản xuất hợp lý thúc đẩy phát triển kinh tế xã hội ở địa phương. Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Nam Trung Bộ sử dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao năng lực cảnh báo và dự báo ngập lụt giúp BCH PCLB các cấp chủ động trong công tác phòng tránh. 17
Hiện nay có nhiều mô hình khác nhau có thể sử dụng để xây dựng bản đồ ngập lụt như Mike Flood của Đan Mạch, NK-GIAS của Nhật Bản, các mô hình này đã được áp dụng ở nhiều nơi trên Thế giới và đã mang lại hiệu quả nhất định trong công tác giảm nhẹ thiên tai. Ở Việt Nam hiện nay đang phổ biến sử dụng mô hình Mike Flood để xây dựng bản đồ ngập lụt, tuy nhiên không có mô hình nào dự báo đúng được cho mọi trường hợp và tốt cho tất cả các lưu vực sông vì vậy nghiên cứu và phổ biến thêm nhiều mô hình trong đó có mô hình thủy lực hai chiều để ứng dụng trong công tác nghiệp vụ dự báo và phòng chống lũ lụt là cần thiết. Đề tài “Ứng dụng mô hình thủy lực một và hai chiều kết hợp HDM xây dựng bản đồ ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang” sẽ bổ sung thêm một công cụ cảnh báo, dự báo ngập lụt ứng dụng trong tác nghiệp dự báo. Mô hình thủy lực một và hai chiều kết hợp HDM (Hydraulic Dynamic Model) có nguồn gốc từ mô hình khuyếch tán thủy lực hai chiều DHM (Diffusion Hydraulic Model) của Hoa Kỳ đã được Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường Hà Nội cải tiến thành mô hình thủy động lực một và hai chiều kết hợp HDM. Mô hình HDM có nhiều tính năng nổi trội trong việc xử lý và mô phỏng các công trình, trong khi đó tác động các công trình vùng hạ lưu sông Cái Nha Trang rất phức tạp. Đây là mô hình một và hai chiều kết hợp, miền tính được mô phỏng trên lưới ô vuông, có nhiều khác biệt với các mô hình phổ biến hiện nay về mô phỏng. Mô hình HDM ít được sử dụng, vì vậy việc nghiên cứu và áp dụng mô hình mở ra hướng nghiên cứu mới, nghiên cứu ưu nhược điểm để phát triển mô hình bổ sung công cụ lập bản đồ ngập lụt cho hạ lưu các lưu vực sông. 18