Đề tài Xây dựng bản đồ ngập lụt hạ lưu hệ thống sông Nhật Lệ

-02 của GS.TSKH Nguyễn Ân Niên phát triển dựa trên kết quả giải hệ phương trình Saint-Venant dạng rút gọn, phục vụ tính toán thủy lực, dự báo lũ... - Mô hình WENDY: do Viện thủy lực Hà Lan (DELFT) xây dựng cho phép tính thủy lực dòng chảy hở, xói lan truyền, chuyển tải phù sa và xâm nhập mặn. - Mô hình HEC-RAS: do Trung tâm Thủy văn kỹ thuật quân ñội Hoa Kỳ xây dựng ñược áp dụng ñể tính toán thủy lực cho hệ thống sông. Phiên bản mới hiện nay ñã ñược bổ sung thêm modul tính vận chuyển bùn cát và tải khuếch tán. Mô hình HEC-RAS ñược xây dựng ñể tính toán dòng chảy trong hệ thống sông có sự tương tác 2 chiều giữa dòng chảy trong sông và dòng chảy vùng ñồng bằng lũ. Khi mực nước trong sông dâng cao, nước sẽ tràn qua bãi gây ngập vùng ñồng bằng, khi mực nước trong sông hạ thấp nước sẽ chảy lại vào trong sông. - Họ mô hình MIKE: do Viện thủy lực ðan mạch (DHI) xây dựng ñược tích hợp rất nhiều các công cụ mạnh, có thể giải quyết các bài toán cơ bản trong lĩnh vực tài nguyên nước. Tuy nhiên ñây là mô hình thương mại, phí bản quyền rất cao nên không phải cơ quan nào cũng có ñiều kiện sử dụng. + MIKE 11: là mô hình một chiều trên kênh hở, bãi ven sông, vùng ngập lũ, trên sông kênh có kết hợp mô phỏng các ô ruộng mà kết quả thuỷ lực - 28 - trong các ô ruộng là “giả 2 chiều”. MIKE 11 có một số ưu ñiểm nổi trội so với các mô hình khác như: (i) liên kết với GIS, (ii) kết nối với các mô hình thành phần khác của bộ MIKE ví dụ như mô hình mưa rào-dòng chảy NAM, mô hình thuỷ ñộng lực học 2 chiều MIKE 21, mô hình dòng chảy nước dưới ñất, dòng chảy tràn bề mặt và dòng bốc thoát hơi thảm phủ (MIKE SHE), (iii) tính toán chuyển tải chất khuyếch tán, (iv) vận hành công trình, (v) tính toán quá trình phú dưỡng….. Hệ phương trình sử dụng trong mô hình là hệ phương trình Saint- Venant một chiều không gian, với mục ñích tìm quy luật diễn biến của mực nước và lưu lượng dọc theo chiều dài sông hoặc kênh dẫn và theo thời gian. Mô hình MIKE 11 ñã ñược ứng dụng tính toán rộng rãi tại Việt Nam và trên phạm vi toàn thế giới. Tuy nhiên MIKE 11 không có khả năng mô phỏng tràn bãi nên trong các bài toán ngập lụt MIKE 11 chưa mô phỏng một cách ñầy ñủ quá trình nước dâng từ sông tràn bãi vào ruộng và ngược lại. ðể cải thiện vấn ñề này bộ mô hình MIKE có thêm mô hình thủy lực hai chiều MIKE 21 và bộ kết nối MIKE FLOOD. + MIKE 21 & MIKE FLOOD: Là mô hình thuỷ ñộng lực học dòng chảy 2 chiều trên vùng ngập lũ ñã ñược ứng dụng tính toán rộng rãi tại Việt Nam và trên phạm vi toàn thế giới. Mô hình MIKE21 HD là mô hình thuỷ ñộng lực học mô phỏng mực nước và dòng chảy trên sông, vùng cửa sông, vịnh và ven biển. Mô hình mô phỏng dòng chảy không ổn ñịnh hai chiều ngang ñối với một lớp dòng chảy. MIKE21 HD có thể mô hình hóa dòng chảy tràn với nhiều ñiều kiện ñược tính ñến, bao gồm: o Ngập và tiêu nước cho vùng tràn o Tràn bờ o Dòng qua công trình thuỷ lợi - 29 - o Thuỷ triều o Nước dâng do mưa bão. Phương trình mô phỏng bao gồm phương trình liên tục kết hợp với phương trình ñộng lượng mô tả sự biến ñổi của mực nước và lưu lượng. Lưới tính toán sử dụng trong mô hình là lưới hình chữ nhật. Tuy nhiên MIKE 21 nếu ñộc lập cũng khó có thể mô phỏng tốt quá trình ngập lụt tại một lưu vực sông với các ñiều kiện ngập thấp. ðể có thể tận dụng tốt các ưu ñiểm và hạn chế những khuyết ñiểm của cả hai mô hình một chiều và hai chiều trên, DHI ñã cho ra ñời một công cụ nhằm tích hợp (coupling) cả hai mô hình trên; ñó là công cụ MIKE FLOOD MIKE FLOOD là một công cụ tổng hợp cho việc nghiên cứu các ứng dụng về vùng bãi tràn và các nghiên cứu về dâng nước do mưa bão. Ngoài ra, MIKE FLOOD còn có thể nghiên cứu về tiêu thoát nước ñô thị, các hiện tượng vỡ ñập, thiết kế công trình thuỷ lợi và ứng dụng tính toán cho các vùng cửa sông lớn. MIKE FLOOD ñược sử dụng khi cần có sự mô tả hai chiều ở một số khu vực (MIKE 21) và tại những nơi cần kết hợp mô hình một chiều (MIKE 11). Trường hợp cần kết nối một chiều và hai chiều là khi cần có một mô hình vận tốc chi tiết cục bộ (MIKE21) trong khi sự thay ñổi dòng chảy của sông ñược ñiều tiết bởi các công trình phức tạp (cửa van, cống ñiều tiết, các công trình thuỷ lợi ñặc biệt...) mô phỏng theo mô hình MIKE11. Khi ñó mô hình một chiều MIKE11 có thể cung cấp ñều kiện biên cho mô hình MIKE21 (và ngược lại). - Bộ mô hình MIKE11 và MIKE11- GIS của viện thuỷ lực ðan Mạch (DHI) sử dụng ñể xây dựng bản ñồ ngập lụt cho vùng hạ lưu sông. MIKE11- GIS là bộ công cụ mạnh trong trình bày và biểu diễn về mặt không gian và thích hợp công nghệ mô hình bãi ngập và sông của MIKE11 cùng với khả - 30 - năng phân tích không gian của hệ thống thông tin ñịa lý trên môi trường ArcGIS 9.1 Mike11-GIS có thể mô phỏng diện ngập lớn nhất, nhỏ nhất hay diễn biến từ lúc nước lên cho tới lúc nước xuống trong một trận lũ. ðộ chính xác của kết quả tính từ mô hình và thời gian tính toán phụ thuộc rất nhiều vào ñộ chính xác của DEM. Nó cho biết diện ngập và ñộ sâu tương ứng từng vùng nhưng không xác ñịnh ñược hướng dòng chảy trên ñó. - Mô hình MIKE SHE: Mô hình toán vật lý thông số phân bổ mô phỏng hệ thống tổng hợp dòng chảy mặt- dòng chảy ngầm lưu vực sông. Mô phỏng biến ñổi về lượng và chất hệ thống tài nguyên nước. Bao gồm dòng chảy trong lòng dẫn, dòng chảy tràn bề mặt, dòng chảy ngầm tầng không áp, dòng chảy ngầm tầng có áp, dòng chảy tầng ngầm chuyển tiếp giữa tầng có áp và tầng không áp, bốc thoát hơi từ tầng thảm phủ, truyền chất, vận chuyển bùn cát. Ứng dụng thực tiễn: ðã ñược ứng dụng tính toán rộng rãi trên phạm vi toàn thế giới. Ở Việt Nam MIKE SHE ñược ứng dụng mô phỏng dòng hệ thống dòng chảy ngầm mặt lưu vực. Qua thực tế của việc sử dụng các mô hình thủy văn và thủy lực hiện nay trên thế giới và tại Việt nam; với mong muốn mô phỏng một cách chính xác nhất quá trình ngập lụt trong khu vực nghiên cứu, tác giả nhận thấy bộ mô hình MIKE - FLOOD của Viện thủy lực Hà Lan có thể ñáp ứng ñược yêu cầu xây dựng bản ñồ ngập lụt cho khu vực nghiên cứu do các lý do sau ñây:
Bộ mô hình MIKE bao gồm: mô hình thủy văn MIKE NAM, dùng ñể tính toán các biên ñầu vào cho mô hình thủy lực một chiều MIKE 11, cũng như biên gia nhập khu giữa cho mô hình thủy lực hai chiều MIKE 21. Mô hình thủy lực một chiều MIKE 11 mô phỏng dòng chảy một chiều trong sông và mô hình hai chiều MIKE 21 mô phỏng dòng chảy hai chiều ngang tràn bãi. Bộ mô hình này rất phù hợp ñể mô - 31 - phỏng ngập lụt tại lưu vực sông Nhật Lệ nơi thường xuyên xảy ra các trận lũ từ nhỏ ñến lớn.
ðiều kiện số liệu ño ñạc trong khu vực rất hạn chế do nhiều nguyên nhân khác nhau nên việc sử dụng mô hình MIKE - NAM ñể tính toán dòng chảy từ mưa làm biên ñầu vào cho mô hình thủy lực là cần thiết.
Mô hình MIKE FLOOD là một công cụ tổng hợp cho việc nghiên cứu các ứng dụng về vùng bãi tràn phù hợp cho vùng trũng nghiên cứu, có thể thể hiện ñược cả mức ñộ ngập lụt lẫn tốc ñộ và hướng dòng chảy lũ trong vùng ngập lụt. Do vậy, trong luận văn này tác giả quyết ñịnh sử dụng mô hình Mike – FLOOD trong bộ mô hình MIKE của Viện thủy lực ðan Mạch ñể liên kết mô hình 1D và 2D diễn toán mô phỏng quá trình lũ trên lưu vực sông Nhật Lệ ñoạn khu vực nghiên cứu. 2.3 Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE FLOOD 2.3.1. Mô hình mưa – dòng chảy MIKE – NAM - Giới thiệu mô hình NAM ðể tính toán quá trình hình thành dòng chảy từ mưa trên các lưu vực sông thì mô hình NAM là một công cụ khá mạnh. Mô hình quan niệm lưu vực là các bể chứa xếp chồng nhau, trong ñó mỗi bể chứa ñặc trưng cho một môi trường có chứa các yếu tố gây ảnh hưởng ñến quá trình hình thành dòng chảy trên lưu vực, và các bể chứa ñược liên kết với nhau bằng các biểu thức toán học. Trong mô hình NAM, mỗi một lưu vực ñược xem như một ñơn vị xử lý với các thông số là ñại diện cho các giá trị ñược trung bình hóa trên toàn lưu vực. Mô hình NAM tính toán quá trình mưa dòng chảy theo cách tính liên tục hàm lượng ẩm trong các bể chứa riêng biệt tương tác lẫn nhau (hình 2.1). Mô hình NAM có tổng cộng 19 thông số gồm các thông số về dòng chảy mặt, thông số bốc hơi, thông số tưới... Và theo thực tế tính toán cho thấy - 32 - chỉ có 5 thông số chính ảnh hưởng mạnh ñến quá trình hình thành dòng chảy, ñó là Umax; Lmax; CK1,2; CQOF; CQIF [21] Hình 2.1: Cấu trúc mô hình NAM Bể chứa tuyết Bể chứa mặt Umax CQIF Mực nước ngầm Dòngchảy ngầm Khai thác nước ngầm QBF L Ea Lmax Bể chứa sát mặt D/c sát mặt (CQIF) Mưa CK12 Dòng chảy mặt (CQIF) - 33 - - ðầu vào của mô hình NAM Mô hình NAM là một mô hình mưa rào – dòng chảy nên dữ liệu ñầu vào của mô hình sẽ là số liệu mưa giờ hoặc mưa ngày thực ño của trạm khí tượng và số liệu bốc hơi trung bình cùng với diện tích của lưu vực mà mưa rơi xuống. - ðầu ra của mô hình Kết quả của mô hình ñược biểu diễn qua ñường quá trình lưu lượng theo thời gian (thời gian có thể tính bằng giờ hoặc bằng ngày tùy thuộc vào thời gian của mưa thực ño). 2.3.2 Mô hình MIKE 11 Mô hình MIKE 11 là mô hình tính toán mạng sông dựa trên việc giải hệ phương trình một chiều Saint -Venant: Phương trình liên tục: q t A x Q = ∂ ∂ + ∂ ∂ (2.1) hoặc q t hb x Q = ∂ ∂ + ∂ ∂ (2.2) Phương trình chuyển ñộng: 02 2 =+ ∂ ∂ + ∂      ∂ + ∂ ∂ ARC QgQ x hgA x A Q t Q α . (2. 3) trong ñó: A là diện tích mặt cắt ngang (m2); t là thời gian (s); Q là lưu lượng nước (m3/s); x là biến không gian; g là gia tốc trọng trường (m/s2); ρ là mật ñộ của nước (kg/m3); b là ñộ rộng của lòng dẫn (m) và R là bán kính thủy lực (m) [20, 21] Phương pháp giải Hệ phương trình Saint – Venant về nguyên lý là không giải ñược bằng các phương pháp giải tích, vì thế trong thực tế tính toán người ta phải giải gần - 34 - ñúng bằng cách rời rạc hóa hệ phương trình. Có nhiều phương pháp rời rạc hóa hệ phương trình, và trong mô hình MIKE 11, tác giả ñã sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn 6 ñiểm ẩn Abbott. Dưới ñây mô tả các cách bố trí sơ ñồ Abbott 6 ñiểm với các phương trình (hình 2.2), và các biến trong mặt phẳng x~t (hình 2.3). Trong phương pháp này, mực nước và lưu lượng dọc theo các nhánh sông ñược tính trong hệ thống các ñiểm lưới xen kẽ như dưới ñây (hình 2.4). ðối với mạng lưới sông phức tạp, mô hình cho phép giải hệ phương trình cho nhiều nhánh sông và các ñiểm tại các phân lưu/nhập lưu. Cấu trúc của các nút lưới ở nhập lưu, tại ñó ba nhánh gặp nhau, thể hiện trong hình sau (hình 2.5) Hình 2.2: Sơ ñồ sai phân hữu hạn 6 ñiểm ẩn Abbott Hình 2.3: Sơ ñồ sai phân 6 ñiểm ẩn Abbott trong mặt phẳng x~t - 35 - Cấu trúc các ñiểm lưới trong mạng vòng (hình 2.6). Tại một ñiểm lưới, mối quan hệ giữa biến số Zj (cả mực nước hj và lưu lượng Qj) tại chính ñiểm ñó và tại các ñiểm lân cận ñược thể hiện bằng phương trình tuyến tính sau: j n jj n jj n jj ZZZ δγβα =++ −+++− 11111 (2.4) Hình 2.4 : Nhánh sông với các ñiểm lưới xen kẽ Hình 2.5 : Cấu trúc các ñiểm lưới xung quanh ñiểm nhập lưu Hình 2.6 : Cấu trúc các ñiểm lưới trong mạng vòng - 36 - Ta quy ước các chỉ số dưới của các thành phần trong phương trình biểu thị vị trí dọc theo nhánh, và chỉ số trên chỉ khoảng thời gian. Các hệ số α, β, γ và δ trong phương trình (2.4) tại các ñiểm h và tại các ñiểm Q ñược tính bằng sai phân hiện ñối với phương trình liên tục và với phương trình ñộng lượng. Tất cả các ñiểm lưới theo phương trình (2.4) ñược thiết lập. Giả sử một nhánh có n ñiểm lưới; nếu n là số lẻ, ñiểm ñầu và cuối trong một nhánh luôn luôn là ñiểm h. ðiều này làm cho n phương trình tuyến tính có n+2 ẩn số. Hai ẩn số chưa biết là do các phương trình ñược ñặt tại ñiểm ñầu và ñiểm cuối h, tại ñó Zj-1và Zj+1 là mực nước, theo ñó phần ñầu/cuối của nhánh phân/nhập lưu ñược liên kết với nhau [20, 21] ðiều kiện biên và ñiều kiện ban ñầu Hệ phương trình (2.1-2.3) khi ñược rời rạc theo không gian và thời gian sẽ gồm có số lượng phương trình luôn ít hơn số biến số, vì thế ñể khép kín hệ phương trình này cần phải có các ñiều kiện biên và ñiều kiện ban ñầu. Trong mô hình MIKE 11, ñiều kiện biên của mô hình khá linh hoạt, có thể là ñiều kiện biên hở hoặc ñiều kiện biên kín. ðiều kiện biên kín là ñiều kiện tại biên ñó không có trao ñổi nước với bên ngoài. ðiều kiện biên hở có thể là ñường quá trình của mực nước theo thời gian hoặc của lưu lượng theo thời gian, hoặc có thể là hằng số [21] Các ñiều kiện ban ñầu bao gồm mực nước và lưu lượng trên khu vực nghiên cứu. Thường lấy lưu lượng xấp xỉ bằng 0 còn mực nước lấy bằng mực nước trung bình. ðiều kiện ổn ñịnh ðể sơ ñồ sai phân hữu hạn ổn ñịnh và chính xác, cần tuân thủ các ñiều kiện sau: - ðịa hình phải ñủ tốt ñể mực nước và lưu lượng ñược giải một cách thoả ñáng. Giá trị tối ña cho phép ñối với ∆x phải ñược chọn trên cơ sở này. - 37 - - ðiều kiện Courant dưới ñây có thể dùng như một hướng dẫn ñể chọn bước thời gian sao cho ñồng thời thoả mãn ñược các ñiều kiện trên. ðiển hình, giá trị của Cr là 10 ñến 15, nhưng các giá trị lớn hơn (lên ñến 100) ñã ñược sử dụng: x gyVt Cr ∆ +∆ = )( với V là vận tốc. Cr thể hiện tốc ñộ nhiễu ñộng sóng tại nước nông (biên ñộ nhỏ). Số Courant biểu thị số các ñiểm lưới trong một bước sóng phát sinh từ một nhiễu ñộng di chuyển trong một bước thời gian. Sơ ñồ sai phân hữu hạn dùng trong MIKE 11 (sơ ñồ 6 ñiểm Abbott), cho phép số Courant từ 10 - 20 nếu dòng chảy dưới phân giới (số Froude nhỏ hơn 1) [21] 2.3.3 Cơ sở lý thuyết của mô hình MIKE 21 Hệ phương trình cơ bản sử dụng trong mô hình MIKE 21 bao gồm 1 phương trình liên tục và 2 phương trình chuyển ñộng: Phương trình liên tục : t d y q x p t ∂ ∂ = ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ζ (2.5) Phương trình chuyển ñộng : ( ) ( ) ( ) 0 1 22 222 = ∂ ∂ +− Ω−      ∂ ∂ + ∂ ∂ − + + ∂ ∂ +      ∂ ∂ +      ∂ ∂ + ∂ ∂ a w x qxyxx w p x hfVV h y h xhC qpgp x gh h pq yh p xt p ρ ττ ρ ζ (2.6) ( ) ( ) ( ) 0 1 22 222 = ∂ ∂ +− Ω−      ∂ ∂ + ∂ ∂ − + + ∂ ∂ +      ∂ ∂ +      ∂ ∂ + ∂ ∂ a w y qxyyy w p xy hfVV h x h yhC qpgp y gh h pq xh p yt p ρ ττ ρ ζ (2.7) trong ñó : - 38 - ),,( tyxζ : mực nước (m) ),,( tyxh : ñộ sâu dòng chảy (m) dh −= ζ ),,( tyxd : cao ñộ ñáy (m) ),,(),,,( tyxqtyxp : lưu lượng ñơn vị theo phương x và y C(x,y): hệ số Chezy (m0.5/s) g : gia tốc trọng trường (m/s2) f(V): hệ số sức cản của gió V,Vx,Vy(x,y,t): vận tốc của gió theo phương x và y ),( yxΩ : hệ số Coriolit ),,( tyxpa : áp suất khí quyển (kg/m/s2) Wρ : khối lượng riêng của nước. yyxyxx τττ ,, : thành phần ma sát bên ðể giải hệ phương trình trên, người ta sử dụng phương pháp ADI (Alternating Direction Implicit) ñể sai phân hoá theo lưới không gian - thời gian. Hệ phương trình theo từng phương và tại mỗi ñiểm trong lưới ñược giải theo phương pháp Double Sweep (DS). Biểu diễn các thành phần theo các phương ñược thể hiện trên hình 2.7 [22] Hình 2.7: Các thành phần theo phương x và y - 39 - 2.3.4 Mô hình MIKE FLOOD Mặc dầu mô hình MIKE 11 và MIKE 21 có những ưu ñiểm vượt trội trong việc mô phỏng dòng chảy 1 chiều trong mạng lưới sông phức tạp (MIKE 11) và có thể mô phỏng bức tranh 2 chiều của dòng chảy tràn trên bề mặt ñồng ruộng (MIKE 21). Tuy nhiên nếu xét riêng rẽ chúng vẫn còn một số hạn chế trong việc mô phỏng ngập lụt. ðối với MIKE 11, sẽ rất khó khăn ñể mô phỏng dòng chảy tràn nếu không biết trước một số khu chứa và hướng chảy, không mô tả ñược trường vận tốc trên mặt ruộng hoặc khu chứa, còn trong MIKE 21, nếu muốn vừa tính toán dòng tràn trên bề mặt ruộng, vừa muốn nghiên cứu dòng chảy chủ lưu trong các kênh dẫn thì cần phải thu nhỏ bước lưới ñến mức có thể thể hiện ñược sự thay ñổi của ñịa hình trong lòng dẫn mà hệ quả của nó là thời gian tính toán tăng lên theo cấp số nhân. ðể kết hợp các ưu ñiểm của cả mô hình 1 và 2 chiều ñồng thời khắc phục ñược các nhược ñiểm của chúng, MIKE FLOOD cho phép kết nối 2 mô hình MIKE 11 và MIKE 21 trong quá trình tính toán, tăng bước lưới của mô hình (nghĩa là giảm thời gian tính toán) nhưng vẫn mô phỏng ñược cả dòng chảy trong lòng dẫn và trên mặt ruộng hoặc ô chứa. Trong MIKE FLOOD có 4 loại kết nối sau ñây giữa mô hình 1 và 2 chiều: Kết nối tiêu chuẩn Trong kết nối này, thì một hoặc nhiều ô lưới của MIKE 21 sẽ ñược liên kết với một ñầu của phân ñoạn sông trong MIKE 11. Loại kết nối này rất thuận tiện cho việc nối một lưới chi tiết của MIKE21 với một hệ thống mạng lưới sông lớn hơn trong MIKE 11, hoặc nối các công trình trong mô hình MIKE 21. Các cách áp dụng có thể của nó ñược chỉ ra trong hình 2.8 dưới ñây. - 40 - Kết nối bên Kết nối bên cho phép một chuỗi các ô lưới trong MIKE 21 có thể liên kết vào hai bên của một ñoạn sông, một mặt cắt trong ñoạn sông hoặc toàn bộ một nhánh sông trong MIKE 11. Dòng chảy khi chảy qua kết nối bên ñược tính toán bằng cách sử dụng các phương trình của các công trình hoặc các bảng quan hệ Q-H. Loại kết nối này ñặc biệt hữu ích trong việc tính toán dòng chảy tràn từ trong kênh dẫn ra khu ruộng hoặc bãi, nơi mà dòng chảy tràn qua bờ ñê bối sẽ ñược tính bằng công thức ñập tràn ñỉnh rộng. Một ví dụ của loại kết nối này ñược minh họa trong hình 2.9 Hình 2.8: Các ứng dụng trong kết nối tiêu chuẩn Kết nối công trình (ẩn) Kết nối công trình là nét mới ñầu tiên trong một loạt các cải tiến dự ñịnh trong MIKE FLOOD. Kết nối công trình lấy thành phần dòng chảy từ một công trình trong MIKE 11 và ñưa chúng trực tiếp vào trong phương trình ñộng lượng của MIKE 21. Quá trình này là ẩn hoàn toàn và vì thế không ảnh hưởng ñến các bước thời gian trong MIKE 21. Ví dụ về loại kết nối này ñược minh họa trong hình 2.10 - 41 - Hình 2.9: Một ứng dụng trong kết nối bên Hình 2.10: Một ví dụ trong kết nối công trình Kết nối khô (zero flow link) Một ô lưới MIKE 21 ñược gán là kết nối khô theo chiều x sẽ không có dòng chảy chảy qua phía bên phải của ô lưới ñó. Tương tự, một kết nối khô theo chiều y sẽ không có dòng chảy chảy qua phía trên của nó. Các kết nối khô này ñược phát triển ñể bổ sung cho các kết nối bên. ðể chắc chắn rằng - 42 - dòng chảy tràn trong MIKE 21 không cắt ngang từ bờ này sang bờ kia của sông mà không liên kết với MIKE 11, các kết nối khô này ñược ñưa vào ñể ñóng các dòng trong MIKE 21. Một cách khác ñể sử dụng kết nối khô là gán cho các ô lưới là ñất cao, mà tùy thuộc vào ñộ phân giải của lưới tính có thể chưa mô tả ñược. Kết nối khô cũng ñược sử dụng ñể mô tả các dải phân cách hẹp trong ñồng ruộng ví dụ như ñê bối, ñường, ... và khi ñó thay vì sử dụng một chuỗi các ô lưới ñược ñịnh nghĩa là ñất cao thì nên sử dụng chuỗi các kết nối khô [24, 25] Sử dụng các kết nối trên ñây ta có thể dễ dàng liên kết hai mạng lưới tính trong mô hình 1 chiều và 2 chiều với nhau. Khi chạy mô hình, ñể coupling chúng, MIKE FLOOD cung cấp 3 kiểu coupling sau ñây tùy thuộc vào mục ñích sử dụng mô hình: o Coupling ñộng lực: các kết nối sẽ chỉ chuyển các thông tin và thủy ñộng lực (cần thiết cho các tính toán trong MIKE 11 và MIKE 21) o Coupling truyền tải chất: các kết nối chỉ truyền các thông tin liên quan ñến các quá trình vận tải và khuyếch tán (cần thiết cho các tính toán trong MIKE 11 và MIKE 21) o Coupling cả ñộng lực và truyền tải chất. Các lựa chọn này sẽ ñược người sử dụng dễ dàng lựa chọn thông qua các hộp thoại trong mô hình. 2.4. Giới thiệu quy trình xây dựng bản ñồ ngập lụt kết hợp công cụ GIS Các quá trình mô phỏng bằng mô hình thủy văn và thủy lực trên ñây mới chỉ cho chúng ta bức tranh về diện ngập, trường vận tốc, ñộ sâu ngập dưới dạng các hình ảnh, số liệu. Với số liệu thô này mới chỉ xây dựng ñược các bản ñồ giấy thể hiện lại các trận ngập lụt xảy ra mà chưa thể có các dạng thông tin hữu ích cần thiết. Ngày nay với sự phát triển không ngừng của công - 43 - nghệ thông tin và hệ thông tin ñịa lý thì những số liệu, dữ liệu trên lại là một phần không thể thiếu, là cơ sở dữ liệu ñể các công cụ GIS tiến hành tính toán, phân tích và triết xuất ra các dạng dữ liệu cần thiết ñể xây dựng bản ñồ ngập lụt 2.4.1 Khái niệm hệ thống thông tin ñịa lý (GIS) Hệ thống thông tin ñịa lý - Geographic Information System (GIS) là một nhánh của công nghệ thông tin, ñã hình thành từ những năm 60 của thế kỷ trước và phát triển rất mạnh trong những năm gần ñây. GIS ñược sử dụng nhằm xử lý ñồng bộ các lớp thông tin không gian (bản ñồ) gắn với các thông tin thuộc tính, phục vụ nghiên cứu, quy hoạch và quản lý các hoạt ñộng theo lãnh thổ. Có nhiều ñịnh nghĩa về GIS, nhưng nói chung ñã thống nhất quan niệm chung: GIS là một hệ thống kết hợp giữa con người và hệ thống máy tính cùng các thiết bị ngoại vi ñể lưu trữ, xử lý, phân tích, hiển thị các thông tin ñịa lý ñể phục vụ một mục ñích nghiên cứu, quản lý nhất ñịnh.[2, 11] Xét dưới góc ñộ là công cụ, GIS dùng ñể thu thập, lưu trữ, biến ñổi, hiển thị các thông tin không gian nhằm thực hiện các mục ñích cụ thể. Xét dưới góc ñộ là phần mềm, GIS làm việc với các thông tin không gian, phi không gian, thiết lập quan hệ không gian giữa các ñối tượng. Có thể nói các chức năng phân tích không gian ñã tạo ra diện mạo riêng cho GIS. Xét dưới góc ñộ ứng dụng trong quản lý nhà nước, GIS có thể ñược hiểu như là một công nghệ xử lý các dữ liệu có toạ ñộ ñể biến chúng thành các thông tin trợ giúp quyết ñịnh phục vụ các nhà quản lý. Xét dưới góc ñộ hệ thống, GIS là hệ thống gồm các hợp phần: Phần cứng, Phần mềm, Cơ sở dữ liệu và Cơ sở tri thức chuyên gia. 2.4.2. Các phương pháp GIS xây dựng bản ñồ ngập lụt - 44 - Rất nhiều các phần mềm GIS ñược ứng dụng trong ngành KTTV, ñặc biệt trong hữu ích trong lĩnh vực quản lý lưu vực cũng như xây dựng bản ñồ ngập lụt. Dưới ñây là quy trình chung khi tiến hành thành lập bản ñồ ngập lụt bằng phương pháp GIS (xem hình 2.11) [1, 18]. Xây dựng, quản lý cơ sở dữ liệu Các dữ liệu về lưu vực sông nghiên cứu ñược thu thập, số hoá từ các phần mềm khác nhau như MicroStation, Mapinfow, Arcinfor, ArcGIS, sau ñó ñược quản lý thống nhất và lưu lại dưới dạng ñịnh dạng shape file trong ArcViewGIS. Chuẩn bị, phân tích và ñánh giá các thông số cho mô hình, vấn ñề chuẩn bị dữ liệu và thông số ñầu vào cho các mô hình là một trong vấn ñề lớn nhất, ñòi hỏi tốn nhiều thời gian và khá phức tạp Trong trường hợp liên kết với mô hình thuỷ văn - thuỷ lực, GIS là một hợp phần quan trọng không thể thiếu ñược. Vai trò của công cụ GIS thể hiện ở: o Tổng hợp và chọn lọc tài liệu như là ñầu vào cần thiết cho mô hình thuỷ văn, thuỷ lực ñặc biệt trong ñó là việc phân tích các ñặc trưng thuỷ văn bề mặt của lưu vực. o Phân tích, hình dung và ñánh giá diện tích và mức ñộ ngập lụt sử dụng các kết quả tính toán từ mô hình nêu trên. o Bằng cách mô hình hoá tài liệu về các trận mưa dưới các tình huống (lượng mưa, phân bố mưa) khác nhau trong GIS, chúng ta có thể trả lời hàng loạt câu hỏi dạng "nếu - thì" về quan hệ mưa - lũ - ngập lụt trong một thời gian nhanh nhất. - 45 - Thu thËp t− liÖu viÔn th¸m TiÒn xö lý ¶nh Thùc ®Þa Ph©n lo¹i ¶nh VT & CËp nhËp d÷ liÖu GIS Thu thËp D÷ liÖu GIS KÕt qu¶ tõ m« h×nh thñy lùc D÷ liÖu GIS ®0 ®−îc cËp nhËp C¸c c«ng cô cña GIS KÕt qu¶: b¶n ®å c¶nh b¸o ngËp lôt C¸c b¶ng −íc tÝnh thiÖt hai Hình 2.11: Sơ ñồ xây dựng bản ñồ ngập lụt bằng phương pháp GIS Cũng cần nhận thấy rằng, do liên kết với mô hình thuỷ văn - thuỷ lực nên ñòi hỏi về tài liệu ñầu vào cho GIS cũng sẽ khác với yêu cầu tài liệu ñầu vào cho GIS trong các trường hợp thông thường khác. Quá trình xây dựng ñầu vào cho mô hình rất quan trọng vì nó sẽ quyết ñịnh mức ñộ chính xác của việc dự báo. Các thông tin ñầu vào cần thiết cho việc phân tích tổng hợp trong quy trình ñược xây dựng và chuẩn bị trong GIS bao gồm: o Dữ liệu ñộ cao ñịa hình o Dữ liệu hướng dòng chảy - 46 - o Dữ liệu về phân chia lưu vực o Dữ liệu về dòng chảy o Dữ liệu về thuỷ văn ñất o Dữ liệu phân bố không gian của trạm ño mưa o Dữ liệu cao trình ñường giao thông, ñê ñiều o Dữ liệu về hồ chứa, mặt nước o Dữ liệu về vùng không bị ảnh hưởng của ngập lụt Các thông tin ñầu vào như trên ñều ñược sử dụng cho toàn bộ quá trình tính toán và mô phỏng ngập lụt. Nếu dùng các phương pháp truyền thống ñể tích hợp các thông tin trên sẽ gặp rất nhiều khó khăn và tốn thời gian, nhưng với GIS và tiện ích mở rộng, các thông tin này ñược tích hợp hoàn toàn tự ñộng, nhanh chóng. Trong trường hợp một thông số ñầu vào nào thay ñổi thì việc tính toán lại các thông số ñầu vào cũng dễ dàng hơn. - 47 - Chương 3 – XÂY DỰNG BẢN ðỒ NGẬP LỤT KHU VỰC NGHIÊN CỨU 3.1 Xây dựng cơ sở dữ liệu: ðể xây dựng ñược các bản ñồ cảnh báo lũ lụt vấn ñề ñầu tiên là xây dựng bộ số liệu dùng ñể ñưa vào mô hình tính toán, các tài liệu ñịa hình, mạng lưới sông, mặt cắt ñịa hình phục vụ tính toán.... a. Xây dựng cơ sở dữ liệu ñịa hình Trong luận văn này tác giả ñã tiến hành xây dựng bản ñồ mô hình số ñộ cao khu vực nghiên cứu với ñộ phân giải 30 m từ 28 tờ bản ñồ ñịa hình tỷ lệ 1: 25.000. Sơ ñồ mảnh chắp ñược xem trong hình 3.1 dưới ñây. Các thông số của bản ñồ DEM như sau: UPPER LEFT X = 606306.141 UPPER LEFT Y = 1940700.830 LOWER RIGHT X= 741839.825 LOWER RIGHT Y = 1870172.330 WEST LONGITUDE = 105° 59' 53.55" E NORTH LATITUDE = 17° 33' 00.66" N EAST LONGITUDE = 107° 16' 41.28" E SOUTH LATITUDE = 16° 54' 09.31" N PIXEL SIZE X = 106.218 meters / pixel PIXEL SIZE Y = 106.218 meters / pixel SCALE = 1:401400 VIEW PIXEL SIZE = 1276 x 664 - 48 - E-48-58-C-c E-48-58-C-d E-48-69-B-a E-48-69-B-b E-48-70-A-a E-48-70-A-b E-48-69-B-c E-48-69-B-d E-48-70-A-c E-48-70-A-d E-48-70-B-c E-48-70-B-d E-48-69-D-a E-48-69-D-b E-48-70-C-a E-48-70-C-b E-48-70-D-a E-48-70-D-b E-48-69-D-c E-48-69-D-d E-48-70-C-c E-48-70-C-d E-48-70-D-c E-48-70-D-d E-48-81-B-b E-48-82-A-a E-48-82-A-b E-48-82-B-a Hình 3.1: Sơ ñồ các mảnh chắp lưu vực sông Nhật Lệ - Tiến hành thu thập, xây dựng các mặt cắt ñịa hình ngang sông cho khu vực nghiên cứu bao gồm: 09 mặt cắt trên sông Nhật Lệ, 28 mặt cắt trên sông Long ðại, 26 mặt cắt trên sông Kiến Giang, 02 mặt cắt trên nhánh Hói Dài, 06 mặt cắt trên nhánh Sao Vàng. b. Xây dựng cơ sở dữ liệu thủy văn Số liệu thủy văn: Luận văn ñã chuẩn bị số liệu mưa giờ tại ðồng Hới các năm 1999 và 2000; số liệu mực nước giờ tại các trạm Kiến Giang, Lệ Thủy, ðồng Hới các năm 1999 và 2000; số liệu trích lũ lưu lượng tại hai trạm - 49 - Kiến Giang và Tám Lu năm 1972 và quan hệ H~Q của hai trạm Kiến Giang và Tám Lu; số liệu mực nước max tại trạm Lệ Thủy từ năm 1964 ñến 2009 ñể tính toán tần suất thiết kế ứng với các xác suất 1%, 5% và 10%. Ngoài ra luận văn còn sử dụng bản ñồ ñẳng trị mưa toàn tỉnh Quảng Bình tỷ lệ 1: 100.000 phục vụ công tác tính toán trọng số mưa lưu vực theo tài liệu mưa của trạm ðồng Hới. c. Xây dựng cơ sở dữ liệu GIS - Các ảnh Google Earth tại khu vực nghiên cứu - Dùng MIKE 11 tiến hành xây dựng mạng lưới sông, vị trí các mặt cắt ñịa hình, 3.2 Ứng dụng mô hình MIKE FLOOD 3.2.1 Xây dựng mạng thủy lực ðể sử dụng ñược mô hình MIKE FLOOD cho tính toán, mô phỏng quá trình ngập lũ trên khu vực nghiên cứu là hạ lưu hệ thống sông Nhật Lệ cần phải xây dựng mạng tính toán thủy lực một và hai chiều trên lưu vực tính toán. a. Xây dựng mạng lưới thủy lực một chiều: Trong khu vực nghiên cứu, hệ thống sông Nhật Lệ gồm 2 con sông chính là Kiến Giang và Long ðại ñều bắt nguồn từ dãy Trường Sơn, gặp nhau tại ngã ba Quán Trung và ñổ ra biển tại cửa Nhật Lệ qua sông Nhật Lệ. Trên hệ thống sông Nhật Lệ có một công trình cống ñập Mỹ Trung (hình 3.2) có nhiệm vụ ngăn mặn vào mùa kiệt và lấy nưới phục vụ tưới tiêu. Công trình ñược xây dựng tại xã Gia Ninh huyện Quảng Ninh tỉnh Quảng Bình. Hạng mục cống Mỹ Trung ñược hoàn thành vào tháng 8 năm 1990; toàn bộ công trình ñược hoàn thiện và bàn giao ñưa vào sử dụng tháng 5 năm 1992. Quy mô cống ñược thiết kế như sau: - 50 - ♦ Tổng chiều rộng thoát nước của cống là 80 m, chia thành 20 khoang, mỗi khoang rộng 4m; hệ thống cửa van tự ñộng thuỷ lực kiểu cánh cửa làm việc một chiều, làm bằng bê tông cốt thép, kích thước cửa BxH = 4,3m x 5,85m; có 01 khoang thông thuyền, cửa van bằng bê tông cốt thép kích thước BxH= 7,2mx5,85m. ♦ Cao trình ñáy cống -4,05, cao trình ñỉnh cửa +1,8, ñỉnh trụ pin +2,2. ♦ Hiện nay cống Mỹ Trung ñược lắp ñặt 2 loại cửa van tự ñộng cánh cửa gồm: 8 cửa van tự ñộng 2 chiều bằng thép (mới lắp ñặt), 12 cửa van tự ñộng 1 chiều và 1 cửa âu thuyền là cửa BTCT. Ngoài cống Mỹ Trung còn có ñập Mỹ Trung ngăn sông Kiến giang dài 300m, cao trình ñỉnh là 1.6m, phần này cho phép nước tràn qua vào lũ chính vụ, nên tên gọi ñầy ñủ là công trình cống ñập Mỹ Trung. ðể ñáp ứng các nhiệm vụ ñã ñặt ra, cống Mỹ Trung từ khi xây dựng ñược vận hành theo quy trình như sau [9]: ♦ Từ 15/12 ñến kết thúc gieo cấy vụ chiêm xuân cửa cống ñể ở chế ñộ làm việc tự ñộng. Với chế ñộ này chỉ cho nước chảy từ thượng lưu về hạ lưu (ñồng ra sông). Giai ñoạn này chủ yếu là tiêu úng; ♦ Từ cuối tháng 2 ñến tháng 5, ñóng cống ñể dâng nước trên phá phục vụ tưới. Trong giai ñoạn này nếu có mưa gây ngập úng thì ñể cửa ở chế ñộ tự ñộng chủ ñộng tiêu nước; ♦ Thời kỳ thu hoạch mở cưỡng bức nhằm thau rửa chua phèn; ♦ Bước vào sản xuất vụ tám (tháng 6-9) ñóng cống hoàn toàn cho ñến khi thu hoạch nhằm giữ ngọt và chống xâm nhập mặn, chống lũ tập hậu. ♦ Từ 10 tháng 9, cống mở cưỡng bức trả lại dòng chảy theo chế ñộ hai chiều như trước khi chưa có cống ñể ñiều hoà lũ Long ðại và tiêu thoát khi lũ xuống. - 51 - Hình 3.2: Cống Mỹ Trung Hình 3.3: Mặt cắt ñiển hình cống ñập Mỹ Trung Mạng lưới thủy văn khu vực nghiên cứu ñược mô tả bằng sơ ñồ thủy lực bao gồm sông chính là sông Kiến Giang với chiều dài 96 km, gồm 200 - 52 - nút tính toán với 26 mặt cắt, biên trên là trạm thủy văn Kiến Giang, biên dưới là trạm thủy văn ðồng Hới nằm cách cửa sông 2km. Nhánh sông Long ðại dài 93 km, gồm 180 nút tính toán với 28 mặt cắt, biên trên lấy tại vị trí trạm thủy văn Tám Lu cũ, ñổ vào dòng chính Kiến Giang tại ngã ba Quán Trung. Ngoài ra, mạng thủy lực còn bao gồm một số sông nhánh như Hói Dài, kênh Sao Vàng… (hình 3.4) Hình 3.4: Sơ ñồ mạng thủy lực tính toán lưu vực sông Nhật Lệ Trong sơ ñồ thủy lực tính toán khu vực nghiên cứu có hai biên trên là biên lưu lượng tại các trạm thủy văn Kiến Giang và Tám Lu (Long ðại), một biên bên dưới là biên mực nước tại trạm thủy văn - 53 - ðồng Hới. Do trong khu vực nghiên cứu các trạm ño chỉ ño lưu lượng trong khoảng thời gian rất ngắn từ 1970 - 1974 mà lại không có số liệu mưa giờ tương ứng nên ñể có thể tính toán biên ñầu vào lưu lượng cho hai trạm Kiến Giang và Tám Lu, tác giả ñã sử dụng quan hệ Q~H tại hai trạm thủy văn trên ñể tính toán giá trị lưu lượng và sử dụng mô hình NAM tính toán dòng chảy từ mưa làm biên ñầu vào cho các lưu vực bộ phận ñóng vai trò gia nhập khu giữa trong khu vực nghiên cứu (hình 3.5). Hình 3.5: Sơ ñồ phân chia lưu vực tính toán bằng mô hình NAM b. Xây dựng mạng thủy lực hai chiều cho MIKE 21 - 54 - Cơ sở dữ liệu sử dụng trong mạng thủy lực hai chiều là bản ñồ DEM khu vực nghiên cứu với ñộ phân giải 30 x 30m. Từ bản ñồ DEM trên ta trích ñược trong vùng ngập lũ với diện tích khoảng 475 km2, số lượng ñiểm cao ñộ là trên 500.000 ñiểm, các ñiểm cao ñộ này ñã ñược chuẩn hóa theo cao ñộ quốc gia VN 2000 với mốc chuẩn tại Hòn Dấu. Ngoài ñịa hình cơ sở dữ liệu ñể chạy MIKE 21 là các số liệu mưa giờ, mực nước giờ và tài liệu trích lũ tại các trạm khí tượng thủy văn trên lưu vực. Khoanh vùng ngập lũ hạ lưu sông Nhật lệ: Bằng các tài liệu trong quá khứ cũng như phân tích ñặc ñiểm ñịa lý tự nhiên của khu vực nghiên cứu có ảnh hưởng ñến quá trình gây ngập úng khu vực nghiên cứu, tác giả của luận văn ñã khoanh vùng ñược vùng ngập thường xuyên hạ lưu sông Nhật Lệ với diện tích 475 km2 (hình 3.4). Chọn lưới tính toán: ðể có thể tính toán, mô phỏng ñược quá trình ngập lụt khu vực hạ lưu sông Nhật Lệ trên cơ sở các tài liệu ñịa hình ñã có, tài liệu khí tượng thủy văn vùng nghiên cứu và mức ñộ chính xác tài liệu sau khi mô phỏng tác giả của luận văn lựa chọn lưới phần tử hữu hạn (FEM) với khoảng cách các ô lưới là từ 200 – 250 m. Với diện tích của phần tử lớn nhất là 62.500 m2, góc nhỏ nhất 30o thì vùng ngập lụt ñược rời rạc hóa thành 14.604 phần tử với 7.723 nút lưới. Với kích thước ô lưới ñã chọn ñáp ứng ñược các yêu cầu về thời gian tính toán trong mô hình hai chiều MIKE 21 (hình 3.6) - 55 - Hình 3.6: Lưới phần tử hữu hạn dùng trong mô hình MIKE FLOOD c. Tiến hành kết nối (Coupling) trong MIKE FLOOD Sau khi xây dựng mạng lưới thủy lực trong Mike 11 và Mike 21, chạy thông cả 2 mạng thủy lực, tiến hành Coupling cả hai mạng thủy lực 1 và 2 chiều trong Mike Flood và các lựa chọn trong Mike Flood ñược thể hiện trong bảng 3.1 Bảng 3.1 Các lựa chọn kết nối trong Mike Flood Tên sông Môñun Coupling Loại kết nối Số ô lưới kết nối trong Mike 21 Kiến Giang HD Bên 230 Long ðại HD Bên 27 Nhật Lệ HD Bên 80 ðập Mỹ Trung HD Công trình 6 3.2.2 Hiệu chỉnh và kiểm ñịnh mô hình ðể có thể tiến hành tính toán, mô phỏng quá trình dòng chảy lũ trên lưu vực bằng mô hình thủy văn, thủy lực cần tiến hành các bước hiệu chỉnh và kiểm ñịnh bộ thông số cho mô hình tính toán, bao gồm: mô hình mưa – dòng chảy NAM và mô hình kết nối MIKE FLOOD. a. Mô hình mưa rào – dòng chảy NAM Trong khu vực nghiên cứu, chỉ duy nhất có trạm thủy văn Kiến Giang có tài liệu lưu lượng các năm từ 1970-1974, sau ñó trạm chỉ còn quan trắc mực nước. Mặt khác, do hạn chế về số liệu mưa giờ (chỉ thu thập ñược mưa giờ tại trạm ðồng Hới từ năm 1980 ñến nay, trạm Kiến Giang số liệu mưa ngày và 6h ñều không ñầy ñủ) nên trong khuôn khổ luận văn này ñã sử dụng quan hệ Q-H tại trạm Kiến Giang ñể tính toán lưu lượng từ mực nước cho các - 56 - năm có tài liệu mưa giờ tại trạm ðồng Hới, làm cơ sở cho việc hiệu chỉnh và kiểm ñịnh mô hình. Dựa trên tình hình tài liệu ño ñạc thủy văn cũng như ñể phù hợp với tài liệu ño ñạc ñịa hình, hai trận lũ năm 1999 và 2000 ñã ñược lựa chọn ñể hiệu chỉnh và kiểm ñịnh mô hình. Cụ thể: - Trận lũ từ ngày 10 ñến ngày 16/11/2000 sử dụng cho hiệu chỉnh - Trận lũ từ ngày 1 ñến ngày 10/11/1999 sử dụng cho kiểm ñịnh Kết quả hiệu chỉnh và kiểm ñịnh mô hình NAM ñược biểu diễn trong các hình 3.7 và 3.8 và bảng 1, 2 trong phụ lục. Hình 3.7: Kết quả hiệu chỉnh mô hình NAM ðể kiểm tra tính chính xác của kết quả tính toán, trong nghiên cứu này sử dụng chỉ tiêu NASH ñể ñánh giá sai số của mô hình. Chỉ tiêu NASH ñược xác ñịnh theo công thức : (3.1) ( )22 ∑ −= iio yyF (3.2) ( )∑ −= 2'2 ii yyF (3.3) trong ñó : yi : là giá trịa thực ño yi’ : là giá trị dự báo 2 22 2 o o F FF R − = - 57 - y : là giá trị trung bình của số liệu thực ño ðánh giá theo chỉ tiêu NASH ñạt 75,2%. Do vậy bộ thông số này sau ñó ñược giữ nguyên và kiểm ñịnh với trận lũ lịch sử trong khu vực nghiên cứu (hình 3.8) với sai số 72,3% nằm trong phạm vi cho phép. Do vậy bộ thông số mô hình NAM (bảng 3.2) ñược chấp nhận ñể sử dụng tính toán trong các bước tiếp theo. Hình 3.8: Kết quả kiểm ñịnh mô hình NAM Bảng 3.2 Kết quả bộ thông số mô hình MIKE-NAM Thông số NAM Giá trị Umax 16,9 Lmax 102 CQOF 0,998 CKIF 434,9 CK1,2 19 TOF 0,904 TIF 0,75 TG 0,471 CKBF 276,5 R2 b. Mô hình thủy lực - 58 - ðể tăng cường ñộ chính xác cũng như tiết kiệm thời gian tính toán, mô hình kết nối 1-2 chiều MIKE FLOOD ñược hiệu chỉnh và kiểm ñịnh với hai trận lũ năm 2000 và 1999 như trên. Hiệu chỉnh với trận lũ tháng 11/2000 Tiến hành hiệu chỉnh mô hình với số liệu biên là mực nước tại các trạm Kiến Giang, ðồng Hới trong trận lũ từ ngày 10 – 16/11/2000, kết quả tính toán so sánh với số liệu mực nước trạm Lệ Thủy. Tài liệu mưa giờ tại trạm ðồng Hới kéo dài trong 8 ngày với tổng lượng là 296.9 mm. Số liệu mưa này là ñầu vào cho mô hình NAM ñể tính toán các biên ñầu vào và biên gia nhập khu giữa cho mô hình 1 và 2 chiều theo các lưu vực phân chia trong hình 3.5. Sau quá trình hiệu chỉnh mô hình bằng phương pháp thử sai, ñã thu ñược bộ thông số ñộ nhám ñáy sông và ñộ nhám trên bãi ngập lũ, các kết quả tính toán từ mô hình so sánh với kết quả thực ño ñược thể hiện trong hình 3.9 và bảng 3 trong phụ lục Hình 3.9 Kết quả hiệu chỉnh mô hình hai chiều - 59 - Kết quả ñánh giá sai số theo chỉ tiêu NASH ta thu ñược R2 = 87,4% kết quả ñánh giá sai số này thuộc loại tốt cho thấy kết quả mô phỏng bằng mô hình có ñộ chính xác ñạt yêu cầu, sơ ñồ thuỷ lực với các mặt cắt và công trình trên sông là hợp lý. Các số liệu về ñịa hình và ñộ nhám này sẽ ñược sử dụng ñể kiểm ñịnh trong giai ñoạn tiếp theo. Kiểm ñịnh mô hình với trận lũ 11/1999 Quá trình kiểm ñịnh mô hình MIKE - FLOOD ñược tiến hành với quá trình mưa lũ từ ngày 1/XI ñến ngày 6/XI/1999. Trận mưa có tổng lượng là 403,6 mm kéo dài trong 6 ngày liên tiếp ñã gây ngập trên một vùng rộng trong khu vực nghiên cứu. Số liệu mưa này là ñầu vào của mô hình NAM ñể tính toán ñiều kiện biên và gia nhập khu giữa cho mô hình MIKE 11và ñược tính trực tiếp trong mô hình MIKE 21 ñối với khu vực nghiên cứu chi tiết. Số liệu mực nước tại trạm Lệ Thủy ñược sử dụng ñể kiểm ñịnh mô hình với mạng thủy lực 1D, kết quả so sánh tính toán và thực ño ñược thể hiện chi tiết tại hình 3.10 và bảng 4 trong phụ lục. Kết quả ñánh giá sai số bằng chỉ tiêu NASH ñạt 88,9% Hình 3.10 Kết quả kiểm ñịnh mô hình 2 chiều - 60 - Về nguyên tắc cần phải hiệu chỉnh và kiểm ñịnh mô hình ngập lụt cho cả 2 trận lũ trên ñây, tuy nhiên do hạn chế về số liệu ño ñạc vết lũ cũng như số liệu thống kê tình hình ngập lụt với các trận lũ khác nhau, nên trong khuôn khổ luận văn này chỉ tiến hành ñánh giá và kiểm ñịnh bộ thông số mô hình với số liệu ngập lụt trận lũ lịch sử 1999. Kết quả tính toán bằng mô hình MIKE FLOOD xuất ra dưới dạng file ASCII, ñược xử lý bằng phần mềm ArcGis 9.1 nhằm xây dựng các vùng ngập lụt với ñộ sâu ngập khác nhau thành các lớp thông tin (layer) trên hệ GIS. Từ ñó kết hợp với lớp ranh giới hành chính có sẵn ñể tính toán diện tích ngập ứng với các xã, huyện và cho toàn vùng. Các số liệu tính toán ñược so sánh với số liệu thống kê ngập lụt theo nghiên cứu của Dự án hỗ trợ quản lý thiên tai tại Việt Nam do Bộ NN&PTNT và UNDP phối hợp thực hiện năm 2004 [8]. Kết quả trong bảng 3.3 và hình 3.11cho thấy tuy rằng mô hình tính toán diện tích ngập lụt có thiên lớn nhưng với sai số NASH=73,6% ñã chứng tỏ mô hình mô phỏng tương ñối tốt diện tích ngập lụt trong trận lũ năm 1999. Hình 3.11 Kết quả so sánh diện ngập theo từng xã trận lũ năm 1999 - 61 - Bảng 3.3 Thống kê diện tích ngập theo xã lưu vực sông Nhật Lệ trận lũ 1999 STT Tên xã Diện ngập TT (ha) Diện ngập thống kê (ha) [8] 1 §ång Mü 68 45 2 §ång Phó 382 27 3 §øc Ninh 723 413 4 An Ninh 1497 1458 5 An Thuû 2190 2142 6 Cam Thuû 403 416 7 D¬ng Thuû 714 409 8 Duy Ninh 787 745 9 Gia Ninh 861 747 10 Hµm Ninh 1454 942 11 H¶i §×nh 150 93 12 H¶i Thµnh 172 64 13 Hång Thuû 1424 1188 14 HiÒn Ninh 793 648 15 Hng Thuû 40 238 16 Hoa Thuû 1741 1585 17 L¬ng Ninh 681 681 18 Léc Thuû 446 440 19 Liªn Thuû 733 694 20 Mai Thuû 546 388 21 Mü Thuû 204 337 22 Phó H¶i 336 231 23 Phó Thuû 1281 924 24 Phong Thuû 996 932 25 S¬n Thuû 1171 921 26 T©n Ninh 1284 1191 27 T©n Thuû 627 833 28 Thanh Thuû 685 620 29 TT. KiÕn Giang 157 413 30 V¹n Ninh 1314 1307 31 Vâ Ninh 592 1251 32 VÜnh Ninh 1801 1104 33 Xu©n Thuû 483 444 Do vậy có thể kết luận rằng bộ thông số thu ñược ñảm bảo ñủ ñộ chính xác ñể sử dụng cho các tính toán diện tích ngập lụt trong các bước tiếp theo. - 62 - 3.3 Tính toán ngập lụt theo kịch bản ứng với tần suất 1%, 5% và 10% ðể tiến hành xây dựng các bản ñồ ngập lụt tại khu vực nghiên cứu theo các tần suất lũ thiết kế 1%, 5% và 10%, trước tiên sử dụng chuỗi số liệu mực nước lớn nhất năm từ năm 1964 ñến 2009 ñể xây dựng ñường tần suất bằng phân phối PIII. Kết quả tính toán thu ñược cho trong bảng 3.4 và hình 3.12 Bảng 3.4 Tần suất thiết kế tại trạm Lệ Thủy – sông Kiến Giang STT Tần suất P% Hệ số Kp HmaxP 1 0.1 1.60 431.05 2 1 1.47 393.54 3 3 1.38 370.98 4 5 1.34 359.13 5 10 1.27 339.95 6 20 1.18 316.55 7 25 1.14 307.24 8 30 1.11 299.06 9 40 1.06 284.11 10 50 1.01 270.01 Hình 3.12 ðường tần suất lũ thiết kế trạm Lệ Thủy Do ñiều kiện khó khăn về số liệu thu thập trên khu vực nghiên cứu, các ñường quá trình mưa lũ thiết kế ñược thu phóng theo ñường quá trình mưa – lũ trận lũ lịch sử từ ngày 1 ñến 10/11/1999. Nhằm ñảm bảo tính ñồng nhất về - 63 - tần suất, khi xây dựng các kịch bản lũ thiết kế, luận văn này chỉ sử dụng tài liệu biên mưa thiết kế, từ ñó tính toán ñường quá trình lũ thiết kế tại các biên trên cũng như gia nhập khu giữa bằng mô hình NAM với bộ thông số ñã ñược hiệu chỉnh và kiểm ñịnh ở trên. Phần diện tích ñược khống chế bởi layout tính toán trong MIKE21 sẽ thu gom nước mưa trên bề mặt (với giả thiết lượng mưa phân bố ñồng nhất theo không gian) và ñổ trực tiếp về hệ thống sông và vùng trũng theo các ñiều kiện ñịa hình. Mô hình mưa – lũ thiết kế ñược biểu diễn trên các hình từ 3.13 ñến 3.15 Hình 3.13 Mô hình mưa trận lũ tháng 11/1999 Hình 3.13a Mô hình mưa thiết kế ứng với tần suất 1% - 64 - Hình 3.14 Mô hình mưa thiết kế ứng với tần suất 5% Hình 3.15 Mô hình mưa thiết kế ứng với tần suất 10% Các kịch bản ngập lụt 1%, 5% và 10% ñược mô phỏng sử dụng mô hình thủy ñộng lực kết nối 1-2 chiều tương ứng với các biên là các sự kiện mưa lũ thiết kế ñã tính toán. 3.4 Xây dựng bản ñồ ngập lụt Bản ñồ ngập lụt khu vực nghiên cứu ñược xây dựng cho trận lũ lịch sử 1999 và các trận lũ thiết kế 1%, 5% và 10%. Từ cơ sở dữ liệu về GIS ñã thu thập, chỉnh lý và bổ sung (mục 3.1), bản ñồ nền khu vực nghiên cứu ñược xây dựng bao gồm các lớp: ♦ Ranh giới: bao gồm ranh giới quốc gia, ranh giới tỉnh, ranh giới huyện và xã. Dạng dữ liệu: dạng ñường, ký hiệu: Ranhgioi.Tab - 65 - ♦ Giao thông: bao gồm các ñường quốc lộ, ñường Hồ Chí Minh, ñường sắt. Dạng dữ liệu: dạng ñường, ký hiêu: giaothong.Tab ♦ Sông ngòi: gồm sông một và hai nét, hồ ao, ñầm lầy. Dạng dữ liệu: ñường, ký hiệu: thuyhe.Tab ♦ ðịa danh: bao gồm tên tỉnh, tên huyện, tên quốc gia ... Dạng dữ liệu: dạng text, ký hiệu: Diadanh.Tab ♦ Khung có dạng dữ liệu: ñường và text, ký hiệu Khung.Tab Sử dụng công cụ ArcGIS nhập số liệu trên cùng với bản ñồ DEM khu vực nghiên cứu, tiến hành tính toán bản ñồ mức ñộ ngập lụt (bằng hiệu giữa mực nước lũ với cao ñộ ñịa hình tại ñiểm ñang xét). Kết quả ñược chuyển về hệ quy chiếu VN2000 và biểu diễn trên các hình từ 3.16 ñến hình 3.19 và các bảng từ bảng 5 – bảng 8 trong phụ lục. Các kết quả tính toán từ mô hình MIKE FLOOD ñược trích xuất ra bao gồm các thông tin về: mực nước lũ tại các vị trí (file chứa các thông tin x, y, H), vận tốc ñỉnh lũ tại các vị trí (file chứa các thông tin x, y, u và v). Các thông tin này ñược cập nhật vào thành các layer trong ArcGIS theo hệ quy chiếu VN2000 và biểu diễn trong các hình 1 ñến hình 5 trong phụ lục. 3.5 Nhận xét Các kết quả mô phỏng quá trình lũ trong sông và quá trình ngập lụt khu vực nghiên cứu cho thấy, kết quả tính toán là phù hợp với thực ño. Mặc dầu số liệu kiểm chứng về diện tích ngập lụt còn hạn chế nhưng bước ñầu cho thấy triển vọng và ñộ tin cậy chấp nhận ñược của bộ thông số mô hình trong việc mô phỏng diện tích ngập lụt, vốn là yếu tố rất quan trọng trong xây dựng bản ñồ ngập lụt. Mặt khác, các tính toán cũng cho thấy bộ mô hình kết nối 1-2 chiều MIKE FLOOD ñã xây dựng trong luận văn này có thể áp dụng trong thực tế dự báo và cảnh báo lũ cho hạ lưu lưu vực sông Kiến Giang – Nhật Lệ. - 66 - - 67 - - 68 - - 69 - - 70 - Bộ bản ñồ ngập lụt xây dựng cho trận lũ lịch sử 1999 và các trận lũ thiết kế là cơ sở cho việc quy hoạch phòng chống lũ, quy hoạch sử dụng ñất cũng như quy hoạch phát triển kinh tế xã hội trên khu vực nghiên cứu nói riêng và tỉnh Quảng Bình nói chung. Bên cạnh ñó bộ bản ñồ ngập lụt còn biểu diễn trường vận tốc dòng chảy tại từng vị trí ứng với các thời ñiểm lũ lên và lũ xuống nên có khả năng dự báo các khu vực dân cư nguy hiểm hai bên bờ sông giúp cho công tác di dời dân ra khỏi vùng bị ảnh hưởng, cảnh báo dự báo, phòng tránh và giảm nhẹ thiên tai ñạt hiệu quả cao. - 71 - KẾT LUẬN Vùng nghiên cứu thuộc hạ lưu hệ thống sông Nhật Lệ, là vùng thường xuyên chịu ảnh hưởng của bão và lũ. Hàng năm trên lưu vực nghiên cứu xảy ra 3 - 4 trận bão có cường suất lớn và lưu vực thường xuyên xảy ra hiện tượng úng ngập, gây ảnh hưởng và thiệt hại tới ñời sống dân sinh kinh tế. ðể góp phần giảm thiểu nguy cơ ảnh hưởng của lũ lụt, hiện ñã có rất nhiều nghiên cứu trên lưu vực này, song hướng nghiên cứu của luận văn với việc xây dựng bản ñồ cảnh báo ngập lụt bằng mô hình thủy ñộng lực học kết hợp với công cụ GIS là một hướng tiệm cận hiện ñại và cho kết quả khả quan. Luận văn ñã tổng quan ñược các phương pháp thành lập bản ñồ nói chung và phương pháp GIS ñể xây dựng bản ñồ nói riêng. Xây dựng ñược quy trình thành lập bản ñồ ngập lụt kết hợp giữa các tài liệu GIS và kết quả mô phỏng từ mô hình thủy ñộng lực học. Luận văn cũng ñã áp dụng thành công mô hình MIKE FLOOD ñể tính toán, mô phỏng diện ngập, ñộ sâu ngập và trường vận tốc tại các vị trí thuộc lưu vực hạ lưu sông Nhật Lệ cho kết quả tốt. Bộ mô hình có thể ñược sử dụng trong thực tế phục vụ công tác cảnh báo, dự báo, phòng chống và giảm nhẹ thiên tai nói chung và lũ lụt nói riêng. Luận văn ñã xây dựng ñược các bản ñồ cảnh báo cho khu vực nghiên cứu ứng với trận lũ lịch sử 1999 và các trận lũ thiết kế 1%, 5% và 10% ñạt kết quả tốt, là cơ sở khoa học cho các nhà quản lý có các kế hoạch phòng chống lũ cũng như phát triển kinh tế xã hội cho khu vực nghiên cứu. - 72 - TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Bộ môn tính toán thủy văn – Trường ðại học Thủy lợi (2005), Ứng dụng kỹ thuật viễn thám và hệ thông tin ñịa lý vào phân tích ngập lụt và ñánh giá ảnh hưởng ngập lụt ở tỉnh Thừa Thiên Huế - Việt Nam, báo cáo chuyên ñề, Hà Nội. 2. Bộ môn tính toán thủy văn – Trường ðại học Thủy lợi (2004), Bài tập thực hành viễn thám và GIS. 3. Nguyễn Văn Cư (2000), Một số nhận ñịnh về trận lũ từ ngày 1- 6/11/1999 vùng Trung bộ và kiến nghị một số giải pháp cấp bách khắc phục sau lũ lụt, Tuyển tập báo cáo hội nghị: “Khoa học, công nghệ dự báo và phục vụ dự báo khí tượng thủy văn”, tập 2, Hà Nội. 4. Nguyễn Văn Cư (2001), Xây dựng seri bản ñồ phân vùng ngập lụt tỉnh Thừa Thiên Huế, báo cáo tổng kết ñề tài cấp TTKHTN&CNQG, Hà Nội. 5. Nguyễn Lập Dân (2004), Nghiên cứu cơ sở khoa học cho các giải pháp tổng thể dự báo phòng tránh lũ lụt ở miền Trung, báo cáo tổng kết ñề tài KC – 08 – 12, Lưu trữ tại Bộ Khoa học và Công nghệ Việt Nam. 6. Nguyễn Lập Dân (2007), Nghiên cứu hiện trạng, xác ñịnh nguyên nhân và ñề xuất các giải pháp phòng chống bồi lấp cửa sông nhằm khai thông luồng Nhật Lệ - Quảng Bình, Báo cáo tổng kết ñề tài, Hà Nội. 7. Cao ðăng Dư (2000), Thời gian dự kiến khi cảnh báo, dự báo lũ, lụt các sông miền Trung, Tuyển tập báo cáo hội nghị “Khoa học, công nghệ dự báo và phục vụ dự báo khí tượng thủy văn”, tập 2, Hà Nội. - 73 - 8. Dự án hỗ trợ hệ thống quản lý thiên tai tại Việt Nam – Bộ NN & PTNT và UNDP phối hợp thực hiện (2004), Bản ñồ ngập lũ lịch sử năm 1999. 9. Trần ðình Hợi (2007), Nghiên cứu quy trình vận hành cống mỹ trung ñảm bảo ngăn mặn, tiêu úng và bảo vệ môi trường, phát triển bền vững, báo cáo kết quả ñề tài, Hà Nội. 10. Lê Bắc Huỳnh (2000), Lũ lụt lịch sử ñầu tháng XI và ñầu tháng XII/1999 ở miền Trung, Báo cáo về thiên tai lũ – Dự án UNDP VIE/97/002, Hà Nội. 11. Lê Văn Nghinh (1998), Giáo trình kỹ thuật viễn thám và hệ thống thông tin ñịa lý, Nhà xuất bản xây dựng. 12. Nguyễn Khắc Thái (2007), ðặc ñiểm ñịa lý tự nhiên tỉnh Quảng Bình, Nhà xuất bản ðồng Hới. 13. Trần Thục (2001), Nghiên cứu dự báo và cảnh báo diện ngập lụt lưu vực các sông Thu Bồn – Vu Gia – Tam Kỳ tỉnh Quảng Nam, báo cáo tại hội thảo “Tăng cường năng lực ứng phó và xử lý hậu quả môi trường do lũ lụt gây ra tại các tỉnh miền Trung năm 1999, Hội an. 14. Trần Thục, Ứng dụng mô hình Mike 11 GIS tính toán cảnh báo ngập lụt hạ du sông Hương, Tuyển tập báo cáo Hội thảo khoa học lần thứ 10, Viện Khoa học KTTV và MT. 15. Phạm Ngọc Toàn, Phan Tất ðắc (1993), Khí hậu Việt Nam, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. 16. Tổng cục thống kê tỉnh Quảng Bình (2008), Niên giám thống kê tỉnh Quảng bình năm 2007. 17. Thái Văn Trừng (1978), Thảm thực vật rừng Việt Nam, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. - 74 - 18. Hoàng Thanh Tùng (2004), “Dự báo lũ và cảnh báo ngập lụt cho hệ thống sông Hương tỉnh Thừa Thiên Huế”, Tạp chí KHKT Thủy lợi và Môi trường – ðại học Thủy Lợi, (7). 19. Trần Thanh Xuân (2000), Lũ lụt và cách phòng chống, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. Tiếng Anh 20. Denmark Hydraulic Institute (DHI), 2007, “MIKE 11 User Guide. DHI”, 514 pp. 21. Denmark Hydraulic Institute (DHI), 2007, “MIKE 11 Reference Manual” DHI, 318 pp. 22. Denmark Hydraulic Institute (DHI), 2007, “MIKE 21 Reference Manual” DHI, 90 pp. 23. Denmark Hydraulic Institute (DHI), 2007“MIKE 21 User Guide” DHI, 90 pp. 24. Denmark Hydraulic Institute (DHI), 2007, “MIKE FLOOD Reference Manual” DHI, 514 pp. 25. Denmark Hydraulic Institute (DHI), 2004, “MIKE FLOOD User Guide” DHI, 514 pp.