Giáo trình Nghiên cứu ứng dụng mô hình dự báo lũ cho sông Vu Gia-Thu bồn - Nguyễn Hoàng Sơn

Nội dung text: Giáo trình Nghiên cứu ứng dụng mô hình dự báo lũ cho sông Vu Gia-Thu bồn - Nguyễn Hoàng Sơn

1. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH DỰ BÁO LŨ CHO SÔNG VU GIA - THU BỒN ThS. Nguyễn Hoàng Sơn Tóm tắt: Lũ lụt xảy ra hàng năm ở miền Trung Việt Nam và thường xuyên gây tổn thất lớn về người và của. Các lưu vực sông ở Miền Trung thường có hình tròn và địa hình rất dốc nên lũ thường lên xuống nhanh, quá trình lũ phức tạp nên việc dự báo lũ gặp rất nhiều khó khăn. Trong nghiên cứu này tác giả đã sử dụng mô hình thủy văn HEC-HMS và mô hình thủy lực HEC- RAS để mô phỏng dự báo lũ cho sông Vu Gia – Thu Bồn thuộc tính Quảng Nam và Thành phố Đà Nẵng. Mô hình HEC-RAS được dùng để tính toán thủy lực hệ thông sông bao gồm hai nhánh sông chính là Thu Bồn từ trạm Nông Sơn ra đến cửa Đại tại Hội An và Vu Gia từ trạm Thành Mỹ ra đến cửa Hàn tai Đà Nẵng. Kết quả tính toán thủy lực sẽ được kết hợp với dữ liệu GIS bằng phần mềm HEC-GEORAS chạy trên nền Arcview GIS để tính toán xây dựng bản đồ ngập lụt. Vùng hạ lưu được chia làm 15 ô chứa còn vùng không có trạm đo lưu lượng phía hạ lưu được chia làm 12 lưu vực phụ. Dòng chảy từ 12 lưu vực con này được tính toán bằng mô hình HEC-HMS. 12 lưu vực này cũng là 12 biên nhập lưu vào mô hình thủy lực HEC-RAS. Kết quả đầu ra của mô hình HEC-HMS là đầu vào của mô hình HEC-RAS và nó được kết nối tự động bằng file *.DSS. Kết quả tính toán cho thấy, kết quả tối ưu mô hình HEC-HMS cho trận lũ năm 1998,1999 tại Nông Sơn và Thành Mỹ với EI đạt từ 0.85 đến 0.99. Kết quả tối ưu mô hình HEC-RAS tại Giao Thủy với EI từ 0.7 đến 0.95, và tại Ái Nghĩa với EI từ 0.72 đến 0.9. Kết quả này được áp dụng để tính toán cho trận lũ năm 2004 với kết quả EI đạt 0.88 tại Giao Thủy và tại Ái Nghĩa EI=0.92. Kết quả vùng ngập lụt dự đoán rất phù hợp với vùng ngập được xác định từ ảnh vệ tinh Landsat và kết quả điều tra tình hình ngập lụt năm 1999. 1. Giới thiệu chung Miền Trung Việt Nam với 1200 km bờ biển trải dài từ Thanh Hóa đến Bình Thuận. Sông Vu Gia – Thu Bồn thuộc miền Trung Việt Nam có diện tích 10,350 km2 từ 107o12’40’’, 14o57’07’’ to 108o44’18’’, 16o04’03’’ bao gồm thành phố Đà Nẵng, tỉnh Quảng Nam và một phần tỉnh Kom Tum. Hầu hết các sông suối thuộc hệ thống sông Vu Gia Thu Bồn đều ngắn và dốc nên lũ ở khu vực này lên xuống rất nhanh. Một trong những nguyên nhân chính gây nên lũ lụt ở miền Trung là do mưa lớn ở thượng nguồn và vùng đồng bằng. Nguyên nhân gây mưa thường là do gió mùa Đông bắc hoặc bão, hoặc do gió mùa Đông bắc kết hợp với bão. Ngoài ra, lũ lớn kết hợp với triều cường cũng là một trong những nguyên nhân làm tình trạng ngập lũ ở vùng đồng bằng nghiêm trọng hơn. Đường quốc lộ 1A từ bắc vào Nam đi theo dọc ven biển miền Trung như một con đê ngăn nước lũ thoát ra biển cũng làm tình hình ngập lụt ở vùng đồng bằng trở lên nghiêm trọng hơn. Công tác dự báo và cảnh báo lũ ở địa phương còn nhiều hạn chế, phương pháp dự báo theo xu thế vẫn là phổ biến nhất. Trong khi đó các sông suối miền Trung gần biển nên vùng hạ lưu ảnh hưởng của thủy triều. Ngoài ra sông Vu Gia – Thu Bồn được nối bởi nhánh sông Quảng Huế và nhiều nhánh sông suối nhỏ phía hạ lưu, nước thường xuyên trao đổi giữa hai sông này nên nên dự báo theo xu thế là rất khó chính xác.
2. Hình 1: Lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn Trong nghiên cứu này, tác giả tập trung nghiên cứu áp dụng một số mô hình thủy văn thủy lực có sẵn để dự báo lũ và cảnh báo ngập lụt cho vùng hạ lưu sông Vu Gia – Thu Bồn. Sơ đồ dưới đây sẽ trình bày tóm tắt về phương pháp nghiên cứu. Thu thập dữ liệu Phân tích dữ liệu mưa, dòng chảy Mô hình thủy văn Mô hình thủy lực Xây dựng bản đồ ngập lụt Hình 2: Phương pháp nghiên cứu Trong nghiên cứu này, đầu tiên tất cả các dữ liệu như mưa, dòng chảy, mực nước, tài liệu địa hình sẽ được thu thập. Sau đó các tài liệu này sẽ được phân tích xử lý, lựa chọn để đưa vào mô hình toán. Đầu ra của mô hình thủy văn sẽ được liên kết tự động với các biên đầu vào của mô hình thủy lực HEC-RAS. Đầu ra của mô hình HEC-RAS cũng được liên kết với các phần mềm GIS để xây dựng bản đồ ngập lụt. Tất cả các mô hình đều được liên kết chặt chẽ với nhau, thuận tiện khi sử dụng. 2. Thiết lập mô hình dự báo HEC-HMS sử dụng phương pháp chia nhỏ lưu vực đại biểu cho mỗi thành phần dòng chảy.Đối với mỗi thành phần dòng chảy, mô hình thấm ban đầu và thấm ổn định sẽ được sử dụng để tính tổn thất. Mô hình này gồm ba thông số, thấm ban đầu, thấm ổn định và phần trăm diện tích không thấm. Mô hình lũ đơn vị Snyder được sử dụng để tính toán thành phần dòng chảy mặt. Mô hình lũ đơn vị Snyder bao gồm hai thông số là Tp có ý nghĩa như là thời gian trễ của đỉnh mưa và đỉnh lũ,
3. Cp là hệ số đỉnh lũ. Phương pháp cắt nước ngầm được sử dụng là phương pháp đường cong triết giảm nước ngầm. Phương pháp này sử dụng ba thông số là lưu lượng ban đầu Q, hằng số triết giảm và lưu lượng bắt đầu triết giảm. Phương pháp Muskingum sẽ được sử dụng đối với bài toán truyền lũ trong sông. Mô hình HEC-RAS ứng dụng hệ phương trình Sant-venant để mô phỏng dòng chảy trong sông thiên nhiên. Lý thuyết mô hình HEC-HMS và HEC-RAS có thể download miễn phí tại địa chỉ Hai biên trên của bài toán thủy lực được xác định tại trạm Nông Sơn trên sông Thu Bồn và trạm Thành Mỹ trên sông Vu Gia. Hai trạm này có số liệu quan trắc lưu lượng, mực nước, mưa. Số liệu tại hai trạm này có số liệu ngày và trong thời gian lũ là số liệu mưa thời đoạn 6 giờ hoặc 1 giờ. Hai biên dưới của bài toán thủy lực là hai biên triều tại cửa Hàn thuộc nhánh sông Vu Gia và cửa Hội An thuộc nhánh sông Thu Bồn. Vùng từ hai trạm Nông Sơn Thành Mỹ trở xuống hạ lưu không có trạm đo lưu lượng chiếm diện tích 5,077 km2 bằng 49 % tổng diện tích của lưu vực sông Vu Gia Thu Bồn. Từ bản đồ địa hình và hệ thống mạng lưới sông, vùng không có trạm đo được chia ra 12 lưu vực phụ tương ứng với 12 nhánh nhập lưu vào bài toán thủy lực Hình 3: Đa giác Thiessen và các lưu vực con Dòng chảy từ 12 lưu vực phụ và hai biên trên là những biên nhập lưu của mô hình HEC- RAS. Sơ đồ hệ thống sông và mặt cắt phía dưới trạm Nông Sơn và Thành Mỹ được tạo bằng phần mềm HEC-GEORAS từ bản DEM địa hình và bản đồ hệ thống sông. HEC-GEORAS là một phần mềm hỗ trợ cho mô hình HEC-RAS. Hệ thống mặt cắt này sau khi tạo từ DEM bằng phần mềm HEC- GEORAS sẽ được chỉnh sửa bằng số liệu đo đạc thực tế. Hệ thống sông Vu Gia Thu Bồn từ trạm Nông Sơn – Thành Mỹ ra đến biển được chia làm 148 mặt cắt và vùng hạ lưu được chia làm 15 khu chứa. Các ô chứa được phân chia bởi địa hình, đường giao thông, đường sắt, đồng ruộng . dòng chảy từ ô chứa này sang ô chứa khác sẽ được mô phỏng bằng đập tràn hoặc cống. Sơ đồ thủy lực bao gồm hai biên trên là trạm Nông Sơn trên sông Thu Bồn và trạm Thành Mỹ trên sông Vu Gia, Hai biên dưới của bài toán thủy lực là hai biên triều tại cửa Hàn thuộc nhánh sông Vu Gia và cửa Hội An thuộc nhánh sông Thu Bồn. Nhánh sông Quảng Huế nối hai nhánh sông Vu Gia và Thu Bồn. Hai trạm thủy văn ngay dưới sông Quảng Huế là trạm Giao Thủy trên sông Thu Bồn và trạm Ái Nghĩa trên sông Vu Gia sẽ được dùng để kiểm tra kết quả tính toán.
4. ờ ng ng ưa ày, ày, ợ ư ậy đểậy ờ nhất ưa gi ời đoạn đoạn ời à có đo ì v ì ột ng ợng ợng m ại ại trạm có ư ại ại trạm đó ài ài gi à My trong ả chọn thời ưa th ến ến đổi nhiều ợng ợng m 206.679 òn t ư ảy ảy ra v ột v 1617.416 ần nhau, l ư sau: ư Trà My 3052.521 ì l 4245.312 ưa bi ã ã x 5360.355 ại Area0 6530.936 ưa g ưa ngày ưa t ào m 8068.984 ên tác gi 10047.93 10000 ớn th 14266.08 ưa ưa đ Area5 ờ. Area10 15774.37 ồn ụ thể nh ụ thể ư trong cùng m ợng ợng m 17095.4709-08-2 08-05 sau ư 19051.41 05-061 05-06 20294.71 gi a ờ thực đo tại Tr ưa ngày t ngày ưa ờ nhất định, c 22000 08-061 v Chínhờ khi có lũ. a 2360i0.00 09-08-3 ậy khi thu phóng l G B Thu à My à Reach 2 gi 24V9u42.39 Area8 Area6 Area9 – ưa ngày l 26360.69 à có lư Area11 ì v 28465.44 ài ài 09-08 ưa gi 30225.86 08-062 179.335 31174.09 36758.43 13095.929896.034 1174.960 ững trận m 36000 28819.25 23375.19 6485.589 2701.232 Area12 38783.01 33534.91 30500 20260.15 1731968.04874.28 Tr ại 2 3400.811 2782244n.78655.63 6gi ưa 47993.56 o 16800 Area13 41820.84 Reach 1 31755.33T 22658 B86147.9.538 ờ m với h tính toán c htính toán 1688.718 hu 14-04 ột v 50278.80 33325.99 26000 đạcđo m có số liệu ẵng Reach 2 04-071 ực m 45229.96 442.660 52589.53 36039.96 ưa. V 4 54216.76 Area2 37623.03 ợng m 04-173 56322.19 Area1 39218.58 Area14 ư 41034.51 nhỏ,ực các trạm m 60397.78 Area7 42336.71 43137.41 Area4 gi ưa Area3 ưu v 04-072 ào m 44151.48 45284.75 ã tìm nh Reach 1 46658.22 ờ rất lớn lại tập trung v ưa ngày sangmư ngày ưa ưa ngày t ngày ưa ờ 48216.74 ờ m hoặc 50147.33 ả đ 51R8e0a1c.5h3 1 CácMy. à ời ời gian lũ tập trung ngắn n ờ cho các trạm khác nh khác cácờ cho trạm ưa gi th ưa gi ưa à My vàN ĐàMy à 1 0 3 2 1 1 1 1 ì m b b b b u u u u ờ, tác giả sử dụng m S S ưa gi ưa S ỉ tập trung ỉ v tập trung S ờ tại Tr ờtại ày, ày, tác gi ợc tính toán bằng cách lấy hệ số m r ư 3 2 1 0 e ự báo thực tế, ta có thể lấy ra kết quả 6 giờ hoặc 12 giờ 1 1 1 1 0 ùng cho các lưu v v i a a a a a r e e e e e r r r r r a ại trạm cần tính m trạm cầnại tính ưa ch ực tế v ưa gi A A A A A i G ỏ sang một trạm có l ần chuyển đổi m đổi ần chuyển u ống nhanh, g V y n ể tính m ể tính a ình d M ẽ không hợp lý khi áp dụng. Ví dụ nh N à My à ờng ờng d h a à My n a D ồ thủy lực hệ thống sông Vu Gia sông Vu thống hệ ồ lực thủy ồn có trạm Tr trạm ồn có h 5 2 T 8 a ờng m ờng a b e e r ưa ngày và 12 mưa gi ngày ưa u r S A ư 2 A b ại Tr ại tính trạm cầnm ại 8 ày, ta c ta ày, u a 9 ưa ngày t ngày ưa ợp ợp với th e S a r Sơ đ Sơ e 1 r A a 6 A e ì ì th ày ày lên xu a : r 1 1 e Thu B Thu ' ờ tại trạm cần tính toán cần tính trạm ờtại Tr ờtại r A b ưa ngày nh ại trạm cần tính toán cho m cho cần toán trạm ạitính ù h 4 A u 6 b ờ cho các trạm n S R – u ồi nhânm ồi với S n ỏ th n ưa ngày sang mưa gi * o ẽ phân bố đều theo các giờ đều có m A S i g o k n 2 1 r H o e N v ưa gi i ợng ợng m ờ. Trong quá tr R r R Mưa gi Mưa gi 3 ừ ừ m 4 ưa s a n Mưa ngày t ngày Mưa t ngày Mưa Figure Figure 1 4 7 e ư o r a a a ưa nh à My r à My ỷ số giữa m sốỷ giữa e e e B A r r r ờ tại các trạm khác sẽ đ 2 t u ' A A A h à My chúng ta có th ta chúng à My T : ì m ương ương pháp này thư ưa t s s w e R k n i ờ tại các trạm n cáctrạm ờ tại o R’2: R’2: R’1: R1: R1: R2: k i r s w l à 1 gi s a f e 3 o ợng ợng m a l d g b ại Tr ại y b f n a - r u a r u e b ư 4 7 ưa gi S ến đổi nhiều theo không gian. Đối với các l 4 o t D w o u t b b ũ tại các sông n 1 ợng m n N I B S S 1 u u b E u S S ớn th ạm khác có m liệusố khác ạm ư S G E L tr n ực sông Vu GiaVu sông ực ờng ờng ph ờ tại Tr ờtại o ta chia mưa ngày t ngày mưa chia ta 1 S ừng thời đoạn dựbáo. đoạn thời ừng 2 a g b , e ưa l n r u Tính toán mưa Tính toán ác o S A N ên C ưa ngày t ngày ưa ưa gi . n v lưu ều năm. M ạn tính toán l ắn ợng ợng m ờ từ một trạm có l ể tính toán l ầu ti ể chuyển đổi m ừ m ừ ịnh. ới m ới ẽ rất lớn, đôi khi không ph ại ại trạm có l lư gi s đ Đ Thông thư mưa không bi theo không gian, phương pháp này s t T Đ Trê ng gi mưa tính toán Đ nhi v Vì Vì quá trình l đo theo t tùy 3.
5. đạc được tại Trà My mà có lượng mưa ngày, xu thế mưa ngày phù hợp nhất với trận mưa mà cần thu phóng mưa giờ. Từ đó chúng ta có thể thu phóng mưa giờ tại những trạm không có mưa giờ một cách hợp lý hơn. Kết quả thu phóng được minh họa dưới hình dưới đây. Lượng mưa ngày thực đo tại Trà My từ Lượng mưa giờ tính toán và thực đo tại trạm 14/12/1994 tới ngày 21/12/1994 và từ Trà My từ 01/11/1998 tới ngày 08/11/1998 01/11/1998 tới ngày 08/11/1998 250 45 40 200 35 ) r ) u y 30 a 150 o d h / / m m m 1994 25 ( Computed l l 1998 m ( a f l n Observed l i 20 a 100 a f R n i a 15 R 50 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 1 14 27 40 53 66 79 92 105 118 131 144 157 170 183 Days Hours Hình 5: Mưa giờ tính toán và thực đo 4. Tối ưu thông số mô hình 4.1 Dò tìm thong số mô hình HEC-HMS Kết quả tối ưu thông số mô hình HEC-HMS tại Nông Sơn cho thấy sai số EI = 0.99. Đỉnh lũ thực đo là 10,600 m3/s vào lúc 17 giờ ngày 20/11/1998 còn đỉnh lũ tính toán là 10,566 m3/s vào lúc 18 giờ ngày 20/11/1998, sai số giữa đỉnh lũ thực đo và đỉnh lũ tính toán là 0.32 %. Tại trạm Thành Mỹ, sai số EI = 0.96. Đỉnh lũ thực đo là 7,000 m3/s vào lúc 15 giờ ngày 20/11/1998 còn đỉnh lũ tính toán là 5,468 m3/s vào lúc 12 giờ ngày 20/11/1998. Dòng chảy tính toán và thực đo Dòng chảy tính toán và thực đo tại tại trạm Nông Sơn từ 1/12/1999 trạm Thành Mỹ từ 1/12/1999 tới tới ngày 10/12/1999 gnày 10/12/1999 12000 3000 ) ) s Calculated discharge s Calculated discharge / / 3 3 m Observed discharge m Observed discharge ( ( Q Q 10000 2500 8000 2000 6000 1500 4000 1000 2000 500 0 0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 01 02 03 04 05 06 07 08 09 Dec 1999 Nov 1998 Dòng chảy tính toán và thực đo tại trạm Phú Ninh from 1/12/1999 tới ngày 10/12/1999
6. 3000 ) s Calculated discharge / 3 m Observed discharge ( Q 2500 2000 1500 1000 500 0 27 28 29 30 01 02 03 04 05 06 07 Nov 1999 Hình 6: Kết quả tối ưu thông số mô hình HEC-HMS tại trạm Nông Sơn Trận lũ vào thang 11 năm 1999 xảy ra từ 07 giờ ngày 31/10/1999 đến 19 giờ ngày 10/11/1999. Đây là trận lũ kép có hai đỉnh, đỉnh lũ thứ nhất đạt 9890 m3/s vào lúc 2 giờ ngày 3/11/1999 và đỉnh thứ hai là 7,490 m3/s vào lúc 3 giờ ngày 6/11/1999. Kết quả tối ưu thông số mô hình cho thấy đỉnh lũ thực đo tại Nông Sơn là 9890 m3/s vào lúc 2 giờ ngày 3/11/1999 còn đỉnh lũ tính toán là 9948 m3/s vào lúc 2 giờ ngày 3/11/1999, sai số giữa đỉnh lũ thực đo và đỉnh lũ tính toán là 0.58 %, sai số EI =0.99. Tại trạm Thành Mỹ, đỉnh lũ thực đo là 4930 m3/s vào lúc 9 giờ ngày 2/11/1999 còn đỉnh lũ tính toán là 4740 m3/s vào lúc 9 giờ ngày 2/11/1999, sai số EI=0.88. Tại hồ Phú Ninh, đỉnh lũ thực đo là 1439 m3/s vào lúc 16 giờ ngày 3/11/1999 còn đỉnh lũ tính toán là 1283 m3/s vào lúc 24 giờ ngày 5/11/1999. Hình trên cho thấy kết quả kiểm định mô hình cho trận lũ tháng 12/1999. Trận lũ tháng 12/1999 xảy ra từ ngày 01/12/1999 đến 9/12/1999. Tại Nông Sơn, , đỉnh lũ thực đo là 10600 m3/s vào lúc 5 giờ ngày 4/12/1999 còn đỉnh lũ tính toán là 10270 m3/s vào lúc 6 giờ ngày 4/12/1999, sai số EI=0.99. Tại trạm Thành Mỹ, đỉnh lũ thực đo là 2690 m3/s vào lúc 2 giờ ngày 3/12/1999 còn đỉnh lũ tính toán là 2244 m3/s vào lúc 5 giờ ngày 4/11/1999, sai số EI = 0.85. Tại Phú Ninh, , đỉnh lũ thực đo là 2682 m3/s vào lúc 8 giờ ngày 4/12/1999 còn đỉnh lũ tính toán là 2512 m3/s vào lúc 3 giờ ngày 5/12/1999. Kết quả kiểm định mô hình được thống kê ở bảng dưới đây. Bảng 1: So sánh kết quả kiểm định thông số mô hình Kiểm định thông số Kết quả đo đạc Trạm EI Đỉnh Thời gian xuất hiện Đỉnh Thời gian xuất hiện lũ đỉnh lũ đỉnh m3/s m3/s Nông 0.94 11,797 07 giờ ngày 10,600 05 giờ ngày 04/12/1999 Sơn 04/12/1999 Thành 0.85 2,244 05 giờ ngày 2,690 02 giờ ngày 3/12/1999 Mỹ 4/12/1999 Phú 0.62 2,512 03 giờ ngày 2,682 08 giờ ngày 04/12/1999 Ninh 5/12/1999 Kết quả kiểm định mô hình HEC-HMS cho kết quả tính toán phù hợp với lũ thực đo. 4.2 Diễn toán lũ bằng mô hình thủy lực Mô hình thủy lực HEC-RAS được thiết lập cho hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn với hai nhánh sông chính là Vu Gia từ Thành Mỹ cho đến cửa Hàn tại Đà Nẵng và Thu Bồn từ Nông Sơn cho đến cửa Đại tại Hội An. Hai sông này được nối với nhau bằng nhánh sông Quảng Huế. Dưới nhánh sông Quảng Huế có hai trạm thủy văn là Ái Nghĩa trên sông Vu Gia và Giao Thủy trên sông Thu Bồn. Hai trạm này được dùng để kiểm tra thông số của mô hình thủy lực. Hệ số nhám trong mô hình HEC-RAS được xác định là n=0.03 lòng sông và 0.033 cho bãi sông. Kết quả kiểm định hệ số nhám cho thấy đối với trận lũ năm 1998 xảy ra từ ngày 18/11/1998 đến ngày 25/11/1998 có đỉnh lũ thực đo tại Giao Thủy là 9.41 m lúc 24 giờ ngày 20/11/1998, sai số EI=0.97, RMSE=0.33. Tại trạm ÁI nghĩa trên sông Vu Gia, đỉnh lũ thực đo là 10.43 m lúc 23 giờ ngày 20/11/1998 còn
7. đỉnh lũ tính toán là 10.37 m lúc 23 giờ ngày 20/11/1998, sai số EI = 0.90, RMSE = 0.56. Kết quả tối ưu mực nước tại Giao Kết quả tối ưu mực nước tại Ái Thủy (MSL) Nghĩa (MSL) Plan: November 199 River: Thu Bon Reach: Reach 2 RS: 34177.78 Plan: November 199 River: Vu Gia Reach: Reach 2 RS: 31174.09 12 Legend 10 Legend Computed stage Computed stage Observ ed stage 9 Observ ed stage 10 8 8 ) ) m m ( ( e e g g 7 a t a t S S 6 6 4 5 4 2 19 20 21 22 23 24 25 19 20 21 22 23 24 25 Nov 98 Nov98 Time Time Kết quả tối ưu mực nước tại Giao Kết quả tối ưu mực nước tại Giao Thủy(MSL) Thủy Plan: plan 1 River: Thu Bon Reach: Reach 2 RS: 34177.78 Plan: 111 River: Thu Bon Reach: Reach 2 RS: 34177.78 10 10 Legend Legend Computed stage Computed stage 9 Observed stage 9 Observ ed stage 8 8 ) ) 7 m m ( ( e e g 7 g a a t t S S 6 6 5 5 4 3 4 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 02 03 04 05 06 07 Oct99 Nov99 Dec99 Time Time Figure 7: Kết quả kiểm định mô hình thủy lực 4.3 Bản đồ ngập lụt Bản đồ ngập lụt được xây dựng từ DEM địa hình với độ phân giải là 90 m. Kết quả tính toán thủy lực bằng mô hình HEC-RAS sẽ được nhập vào Arcview GIS bằng HEC-GEORAS. Phần mềm HEC-GEORAS sẽ tạo bề mặt nước từ kết quả tính toán thủy lực từ cao độ mực nước trong sông và trong các ô chứa. Độ sâu ngập lụt bằng cao độ mặt nước trừ đi cao độ của DEM địa hình. Những điểm ngập là những điểm có cao độ mặt nước lớn hơn cao độ của địa hình. Kết quả của bản đồ ngập lụt sẽ cho ta diện tích ngập và độ sâu ngập lụt tương ứng với mực nước tại một thời điểm nhất định.
8. Hình 8: Bản đồ ngập lụt Bản đồ ngập lụt cần được kiểm tra bằng ảnh vệ tinh hoặc số liệu đo đạc thực tế ngoài thực địa. Tuy nhiên tại thời điểm tính toán lũ không có ảnh vệ tinh chụp tại khu vực nghiên cứu và số liệu điều tra thực địa cũng chỉ sau khi trận lũ năm 1999 đã xảy ra. Vì vậy trong nghiên cứu này tác giả chọn phương pháp kiểm tra kết quả tính toán với các trạm mực nước trong sông và kết quả tính toán ngập lụt dựa trên ảnh Landsat chụp năm 2001. Ảnh vệ tinh này thể hiện rõ vùng đồng bằng thường xuyên bị ngập nước hàng năm. Kết quả tính toán cho thấy những điểm ngập đều năm trong vùng bị ngập nước và hoàn toàn phù hợp với thực tế. 5. Ứng dụng mô hình 5.1 Lựa chọn thông số mô hình cho các lưu vực phụ Vì các lưu vực không có trạm đo ở vùng hạ lưu sông Vu Gia – Thu Bồn biến đổi từ thượng lưu về đến hạ lưu (hình 3), chính vì vậy chúng ta không nên chọn chung một bộ thông số cho tất cả các lưu vực. Ví dụ như lưu vực số 13 có diện tích là 2,450 km2, độ cao bình quân lưu vực là 650 m trong khi đó lưu vực số 14 ở phía hạ lưu có diện tích là 160 km2 và độ cao bình quân lưu vực là 50 m. Trong nghiên cứu này phương pháp lưu vực tương tự sẽ được sử dụng để xác định thong số cho các lưu vực không có trạm đo dòng chảy. Thông số đã tối ưu tại các lưu vực Nông Sơn, Thành Mỹ, Phú Ninh sẽ được áp dụng cho các lưu vực không có trạm đo. Các lưu vực như lưu vực 13, 12, 11, 2 gần trạm Thành Mỹ và nằm ở vùng đồi núi. Chiều dài sông và diện tích lưu vực cũng tương tự như các lưu vực thuộc lưu vực Thành Mỹ. Chính vì vậy thông số mô hình HEC-HMS của lưu vực Thành Mỹ sẽ được sử dụng cho các lưu vực này Các lưu vực 1, 3 nằm ngay phía dưới trạm Nông Sơn có hình dạng lưu vực và diện tích lưu vực tương tự các lưu vực tại lưu vực Nông Sơn. Thông số của các lưu vực này được lấy từ lưu vực Nông Sơn. Các lưu vực khác thuộc vùng đồng bằng sẽ được lấy từ lưu vực hồ Phú Ninh 5.2 Ứng dụng mô hình 5.2.1 Tính toán dòng nhập lưu từ các biên Mô hình HEC-HMS được dùng để tính toán dòng chảy tại các biên trên Nông Sơn và Thành Mỹ và 15 biên nhập lưu phía hạ lưu sông Vu Gia – Thu Bồn. Lượng mưa sẽ được lấy từ 16 trạm mưa có số liệu đo đạc mưa trên lưu vực. Lượng mưa giờ sẽ được mô phỏng từ mưa ngày như đã trình bày ở phần trên.
9. Kết quả tính toán lưu lượng tại trạm Nông Kết quả tính toán lưu lượng tại trạm Thành Sơn năm 2004 Mỹ năm 2004 12000 5000 ) ) s Calculated discharge s / Calculated discharge / 3 3 m Observed discharge m Observed discharge ( ( 4500 Q Q 10000 4000 3500 8000 3000 6000 2500 2000 4000 1500 1000 2000 500 0 0 22-Nov-04 23-Nov-04 24-Nov-04 25-Nov-04 26-Nov-04 27-Nov-04 28-Nov-04 29-Nov-04 22-Nov-04 23-Nov-04 24-Nov-04 25-Nov-04 26-Nov-04 27-Nov-04 28-Nov-04 29-Nov-04 Nov 1998 Nov 1998 Hình 9: kết quả tính toán tại trạm Nông Sơn và Thành Mỹ năm 2004 Hình 9 cho thấy kết quả tính toán thủy văn tại trạm Nông Sơn và Thành Mỹ. Đỉnh lũ tính toán là 4,727.2 m3/s lút 08 giờ ngày 27/11/2004, trong khi đó đỉnh lũ thực đo là 3,910 m3/s lúc 07 giờ ngày 27/11/2004. Chênh lệch đỉnh lũ tính toán so với thực đo là 21%, sai số EI là 0.8 Tại trạm Nông Sơn, Đỉnh lũ tính toán là 10,825 m3/s lút 19 giờ ngày 26/11/2004, trong khi đó đỉnh lũ thực đo là 9,350 m3/s lúc 13 giờ ngày 27/11/2004. Chênh lệch đỉnh lũ tính toán so với thực đo là 15.8%, sai số EI là 0.0.72 5.2.2 Tính toán dòng chảy tại hạ lưu bằng mô hình thủy lực Mô hình thủy lực HEC-RAS được dùng để tính toán mực nước tại vùng hạ lưu sông Vu Gia – Thu Bồn. Hai trạm mực nước Ái Nghĩa trên sông Vu Gia và Giao Thủy trên sông Thu Bồn sẽ được dùng để kiểm tra kết quả tính toán. Đối với trận lũ năm 2004, đỉnh lũ thực đo tại trạm Giao Thủy là 8.87 m lúc 14 giờ ngày 27/11/2004 còn tại Ái Nghĩa là 9.61 m lúc 14 giờ ngày 27/11/2004. Kết quả tính toán cho thấy mực nước tại Giao Thủy là 9.0 m lúc 16 giờ ngày 27/11/ 2004 còn tại Ái Nghĩa mực nước cũng đạt đỉnh 9.58 m cùng thời gian đó. Sai số EI = 0.92 tại Ái Nghĩa còn tại Giao Thủy EI=0.88. Kết quả tính toán mực nước tại trạm Giao Kết quả tính toán mực nước tại trạm Ái Thủy năm 2004 Nghĩa năm 2004 Plan: Plan 1 River: Thu Bon Reach: Reach 2 RS: 34177.78 Plan: Plan 1 River: Vu Gia Reach: Reach 2 RS: 31174.09 9 10 Legend Legend Computed stage Computed stage 8 Observed stage 8 Observ ed stage 7 6 ) ) 6 m ( m ( e e g 4 g a t a t S S 5 2 4 0 3 -2 2 23 24 25 26 27 28 29 30 23 24 25 26 27 28 29 30 Nov 2004 Nov 2004 Time Time Hình 10: Kết quả tính toán thủy lực Vì thiếu số liệu mưa giờ nên đa số các trạm mưa đều được mô phỏng theo mưa giờ tại trạm Trà My. Chính vì vậy nó sẽ làm ảnh hưởng đến kết quả tính toán.
10. 5.2.3 Dự báo bằng bản đồ ngập lụt Hình 11: Bản đồ ngập lụt tại sông Vu Gia- Thu Bồn năm 2004 Kết luận Trong nghiên cứu này, mô hình dự báo lũ cho hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn đã được thiết lập, tối ưu các thông số và cho kết quả tốt. Phương pháp tính toán sử dụng các mô hình dự báo phù hợp với điều kiện hiện có ở Việt Nam. Các mô hình dự báo và tính toán bản đồ ngập lụt có giao diện dễ sử dụng, chạy ổn định và đã được nhiều người biết đến. Trung tâm dự báo khí tượng Thủy Văn tỉnh Quảng Nam cũng đã biết đến một số mô hình này và đang có ý định áp dụng vào dự báo cho sông Thu Bồn. Các mô hình này cũng phù hợp với điều kiện hiện có của lưu vực như các loại dữ liệu, nhân viên ít kinh nghiệm về tin học và sử dụng các phần mềm. Lũ trên hệ thống sông Vu Gia –Thu Bồn lên xuống rất nhanh. Có thể rút ra những kết luận sau 1) Phân phối mưa giờ có ảnh hưởng lớn đến quá trình 2) Điều kiện biên có ảnh hưởng lớn đến kết quả tính toán thủy lực. Nếu chúng ta có thể tính toán được chính xác biên vào thì kết quả thủy lực sẽ chính xac 3) Mô hình HEC-HMS và HEC-RAS phù hợp để dự báo lũ 4) Chương trình HEC-GEORAS phù hợp để mô phỏng ngập lụt 5) Các mô hình này thích hợp để dự báo lũ cho hệ thống sông Thu 6) Độ tin cậy của dữ liệu có ảnh hưởng lớn đến kết quả tính toán Trong các nghiên cứu tiếp theo, hệ thống cảnh báo lũ nên được xây dựng. Các thông tin về lũ được cung cấp trên mạng internet mọi người có thể truy cập và tìm hiểu thông tin về lũ lụt trên mạng. Ngoài ra, hệ thống nhắn tin di động SMS có thể cung cấp thông tin cảnh báo lũ lụt đến mọi người một cách nhanh nhất. Người dùng di động có thể đăng ký số với tổng đài và khi lũ lụt xảy ra tổng đài gửi tin nhắn cảnh báo lũ tới máy di động, hoặc người dùng di động có thể nhắn tin tới tổng đài để biết thông tin về tình hình lũ lụt tại vùng mình quan tâm. Các lớp đào tạo, tập huấn để nâng cao nhận thức của người dân về hiểm họa lũ lụt và các phương pháp phòng chống lũ cũng nên được tổ chức hàng năm vào trước mùa mưa lũ. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. HEC (Hydrologic Engineering Center). (1997). HEC-RAS River Analysis System, Hydraulic Reference Manual. Hydrologic Engineering Center 2. HEC (Hydrologic Engineering Center). (2000). Hydrologic Modeling System HEC- HMS, Technical Reference Manual
11. 3. HEC (Hydrologic Engineering Center). (2001). Hydrologic Modeling System, HEC- HMS, version 2.1, user’s manual 4. HEC (Hydrologic Engineering Center). (2003).Geospatial Hydrologic modeling extension, HEC-GeoHMS, version 1.1, user’s manual 5. Eric Tate, David Maidment. (1999). Floodplain Mapping Using HEC-RAS and ArcView GIS, CRWR Online Report 99-1 6. G.J. Arcement, Jr. and V.R. Schneider, USGS, Guide for Selecting Manning's Roughness Coefficients for Natural Channels and Flood Plains, United States Geological Survey Water-supply Paper 2339, Metric Version, 7. Trần Thục. (2003). Cơ sở khoa học trong xác định cấp mực nước báo động lũ, hệ thống sông Thu Bồn, Internet site, www.imh.ac.vn/c_tt_chuyen_nganh/cn_cacbaibao_dadang_n /Baibai_Nam2003/ 8. Dr. Nguyen Thi Tan Thanh.(2005). Flood monitoring and forecasting in Vietnam. Asian water cycle symposium, Tokyo, 2-4 Nov. 2005 9. Philip B. Dedient, Way C. Huber. (2002). Hydrology and Floodplain Analysis, Third Edition 10. David Maidment, Dean Djokic. (2000). Hydrologic and Hydraulic modeling support with Geographic Information Systems 11. Ven Te Chow, David R. Maidment, Larry W. Mays. (1988). Applied Hydrology A. M. Gurnell, D. R. Montgomery. (1999). Hydrological applications of GIS 12. US Army Corps of Engineers. (1994). Flood-Runoff Analysis. EM 1110-2-1417 13. Juraj M. Cunderlik, Slobodan P. Simonovic. (2004). Selection of calibration and verification data for the HEC-HMS hydrologic model. CFCAS project: Assessment of water resources risk and vulnerability to changing climatic conditions. Project report II. 14. Juraj M. Cunderlik, Slobodan P. Simonovic. (2004). Calibration, verification, and sensitivity analysis of the HEC-HMS hydrologic model. CFCAS project: Assessment of water resources risk and vulnerability to changing climatic conditions. Project report IV. 15. David T. Soong and Yanqing Lian. (2001). Management Strategies for Flood Protection in the Lower Illinois River, Phase I: Development of the Lower Illinois River - Pool 26 UNET Model, Contract Report 2001-10 16. Daniel Baldwin Snead. (2000). Development and Application of Unsteady Flood Models Using Geographic Information Systems, CRWR Online Report 17. David James Anderson. (2000). GIS-based hydrologic and hydraulic modeling for floodplain delineation at highway river crossings, Thesis Master, The University of Texas at Austin 18. Peter B. Andrysiak Jr, David Maidment. (2000). Visual Floodplain Modeling with Geographic Information Systems (GIS), CRWR Online Report 00-4 Abstract: Floods in Central Vietnam occur annually and cause property damages and losses of life. Shape of basins in central Vietnam is quite concentrated and terrain is quite steep, so the flood water level goes up and down very fast. Moreover, floods always fluctuate making flood forecasting becomes difficult in this area. In this study, hydrologic models HEC-HMS and hydrodynamic model HEC-RAS are used to simulate flood in Vu Gia- Thu Bon river, Quang Nam – Da Nang province, Central Vietnam. The HEC-RAS model is applied to route flood from two stations which are Nong Son at upstream of Thu Bon river and Thanh My at upstream of Vu Gia river, to two downstream boundaries which are Han mouth in Da Nang city and Dai mouth at Hoi An district in Quang Nam province. The results of HEC-RAS model are used to prepare inundation map to determine flooded area at floodplain by HEC-GEORAS which are an extension of Arcview-GIS. The floodplain in downstream area is divided into 15 storages, in which each storage is separated
12. by roads, railways, etc. The connections between two storages are simulated by a spillway or gate. Runoff from floodplain or ungaged area is divided into 12 sub-basins with basin areas ranging from 200 to 600 km2 and hydrologic software models HEC-HMS are applied to calculate runoff from rainfall. The model parameters are selected from calibration result. The outflows from 12 sub-basins are inflows into 12 storages which are the boundaries of the hydrodynamic model. The output of HEC-HMS is input of HEC-RAS model and it is auto-connected by DSS files. Rainfall input for HEC-HMS is hourly rainfall which is simulated from hourly rainfall observed stations. Calibration results of HEC-HMS for flood in 1998, 1999 at Nong Son and Thanh My station with EI range from 0.85 to 0.99 and a set of validation parameter is selected. The results of HEC-RAS model are obtained at Giao Thuy station on Thu Bon river with EI range from 0.7 to 0.95 and Ai Nghia station on Vu Gia river with EI range from 0.72 to 0.9. These results are applied for flood in 2004 with EI = 0.88 at Giao Thuy station and EI = 0.92 at Ai Nghia. The predicted flooded area is compared reasonably well with floodplain archived by Landsat images.