Tính toán khả năng xảy ra lũ quét sẽ giúp chính quyền địa phương và người dân nhận biết được mức độ nguy cơ và đưa ra biện pháp phòng tránh thích hợp. Bài viết này trình bày phương pháp và kết quả tính toán nguy cơ lũ quét trên lưu vực sông suối nhỏ dựa trên lượng mưa và điều kiện tự nhiên của lưu vực Trạm Tấu, tỉnh Yên Bái.
KHOA HỌC CƠNG NGHỆ NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN NGUY CƠ LŨ QUÉT TRÊN LƯU VỰC TRẠM TẤU - TỈNH YÊN BÁI Lê Văn Thìn, Đào Anh Tuấn, Nguyễn Đăng Giáp Phịng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia động lực học sơng biển Tóm tắt: Tính tốn khả xảy lũ quét giúp quyền địa phương người dân nhận biết mức độ nguy đưa biện pháp phịng tránh thích hợp Bài viết trình bày phương pháp kết tính tốn nguy lũ quét lưu vực sông suối nhỏ dựa lượng mưa điều kiện tự nhiên lưu vực Trạm Tấu, tỉnh Yên Bái Từ khóa: Giải pháp dự báo lũ, lũ quét, quan hệ mưa - mực nước, mưa tích luỹ Summary: The calculating of possibility of flash flood for rainfall even helps the local authority and people to be aware of flooding situation and propose preventive measures This paper presents the method and results of the calculation of flash flood hazard in small rivers and stream based on rainfall even in Tram Tau basin, Yen Bai province Key words: The solution for forecasting floods, flash flood, relation of precipitation - water level, cumulative rainfall GIỚI THIỆU* Lũ quét loại hình thiên tai phổ biến lưu vực sông suối nhỏ miền núi, địa hình có độ dốc lớn, dòng chảy tập trung nhanh Nghiên cứu tập trung vào lũ quét sông nhỏ thuộc lưu vực Trạm Tấu, tỉnh Yên Bái lòng hồ thủy điện Trạm Tấu người dân Trạm Tấu huyện vùng cao, thường xuyên xuất lũ quét có mưa lớn, làm ảnh hưởng không nhỏ đến sống người dân khu vực Trạm Tấu Năm 2019 có xe ô tô máy xúc bị sông, năm 2017 làm khoảng 13 người chết tích, người bị thương [1] Lưu vực lựa chọn nghiên cứu có diện tích nhỏ, độ dốc lớn, nguyên nhân chủ yếu hình thành lũ quét mưa lớn xảy Thời gian tập trung lũ từ có mưa đến trung tâm thị trấn Trạm Tấu khoảng Phía sau thị trấn Trạm Tấu, khu vực chịu thiệt hại nhiều lũ quét hoạt động đánh bắt cá Ngày nhận bài: 20/5/2021 Ngày thơng qua phản biện: 19/6/2021 Hình 1: Phạm vi nghiên cứu Khu vực nghiên cứu chưa có hệ thống cảnh báo Ngày duyệt đăng: 02/7/2021 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 67 - 2021 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ sớm lũ quét, đồng thời chưa có phương pháp tính tốn nguy lũ quét áp dụng dựa cường độ mưa quan trắc khu vực lân cận, nghiên cứu đưa nhằm thiết lập hệ thống cảnh báo Web-GIS, có tích hợp tính tốn trực tuyến nguy lũ quét cho khu vực Trạm Tấu dựa lượng mưa quan trắc yếu tố tự nhiên lưu vực PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nguy xảy lũ quét vị trí phụ thuộc vào đặc trưng lưu vực vị trí phía thượng lưu Vì vậy, cần xem xét vị trí tính tốn cửa lưu vực (gọi lưu vực ô lưới) Các yếu tố độ dốc, thảm phủ, lượng mưa tính tốn yếu tố bình qn lưu vực lưới Hình 2: Bản đồ độ dốc lưu vực ô lưới Để làm điều này, cần thiết sử dụng mơ hình phân bố khơng gian thời gian cho việc tính tốn Định dạng phân bố không gian yếu tố đặc trưng lưu vực xét đến raster 2D, với đặc trưng ô lưới tính tốn dựa độ phân giải liệu Định dạng phân bố không gian – thời gian đặc trưng yếu tố lượng mưa (raster 3D), lượng mưa phân bố theo không gian ô lưới theo chuỗi thời gian Sự phối hợp nhân tố ảnh hưởng hình thành nguy lũ quét Các yếu tố xét đến phạm vi nghiên cứu bao gồm: Độ dốc: đặc trưng cho tốc độ tập trung dòng chảy, độ dốc đặc trưng lớn tốc độ tập trung dịng chảy lớn, nguy sinh lũ quét cao ngược lại Loại đất: đặc trưng cho khả thấm nước, đất có khả thấm hút tốt làm giảm thời gian tập trung dòng chảy Trong khu vực nghiên cứu, đồ đất sử dụng có tỷ lệ lớn nên toàn vùng nghiên cứu nằm vùng “đất xám phù sa cổ” (Orthic Acrisols) – Nhóm C Hình 3: Bản đồ thảm phủ khu vực Thảm phủ: sử dụng đất có tác động lớn đến dịng chảy Các khu vực có yếu tố thảm phủ tốt làm suy giảm dòng chảy bề mặt nhanh chóng Lượng mưa: bao gồm lượng mưa tích luỹ lượng mưa dự báo Lượng mưa lớn nguy lũ quét cao Lượng mưa tích luỹ sử dụng để xác định khả trữ nước lại đất trạng thái đất, đó, lượng mưa dự báo (hoặc lượng mưa tính tốn) xác định yếu tố hình thành nên dịng chảy TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 67 - 2021 KHOA HỌC thời điểm tính tốn Cơng cụ sử dụng nghiên cứu cơng cụ GIS, sử dụng thư viện GIS có sẵn ngơn ngữ lập trình Python để CƠNG NGHỆ tự động hố giải khối lượng tính tốn lớn theo phương pháp mưa ô lưới Bảng 1: Tổng hợp liệu đầu vào TT Loại liệu Bản đồ địa hình Loại đất Thảm phủ Lượng mưa thực đo Lượng mưa dự báo Mục đích tính tốn Độ dốc, tập trung dịng chảy, hướng dòng chảy Khả thấm Khả suy giảm dịng chảy lũ Tính điều kiện ẩm đất Tính khả sinh dịng chảy lũ Định dạng liệu tif shp tif với band Chuỗi liệu ngày Giá trị mưa thực đo Hệ số K xác định công thức: 𝐾= (2) 𝑇 + 𝑇𝑟 𝑝 Với Tr thời gian tập trung dòng chảy Tỷ số Tr/Tp xác định 1,67 K = 0,75 Tp thời gian đạt đỉnh lũ kể từ bắt đầu mưa xác định theo cơng thức: Hình 4: Phương pháp nghiên cứu Nguy lũ quét xác định theo thời gian thực việc sử dụng lượng mưa quan trắc kết tính tốn mực nước, vận tốc vị trí tính tốn Phương pháp nghiên cứu thể hình a) Xác định lưu lượng đỉnh lũ sinh trận mưa ô lưới toàn lưu vực Lưu lượng đỉnh lũ sinh trận mưa ô lưới xác định theo công thức [2]: 𝐾𝑥𝐴𝑥𝑋ℎ𝑞 𝑞𝑝 = (1) 𝑇𝑝 Trong đó: qp lưu lượng đỉnh lũ (m³/s); K hệ số; A diện tích lưu vực lưới (m²); Xhq lượng mưa hiệu (m); Tp thời gian lũ đạt đỉnh kể từ bắt đầu mưa (giây) 𝑙 0,8 (𝑆 + 1)0,7 𝑇𝑝 = (3) 1.900𝑌 0,5 Với Tp đo giờ; l chiều dài dòng chảy xác định việc phân tích GIS đo ft (cần quy đổi đơn vị từ m sang ft); Y độ dốc trung bình lưu vực lưới (%); S khả trữ nước tối đa lưu vực ô lưới S xác định công thức: 1.000 𝑆= − 10 (4) 𝐶𝑁 Với CN hệ số suy giảm dòng chảy lũ phụ thuộc vào loại đất sử dụng đất Hệ số CN ii tra theo bảng Sau đó, trạng thái ẩm đất dựa lượng mưa kỳ trước đưa vào để tính tốn lại số CN phục vụ tính tốn dựa điều kiện nêu bảng Như vậy, thời gian tập trung dòng chảy Tp biến thiên phụ thuộc vào “trạng thái lưu vực” TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 67 - 2021 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Bảng 2: Chỉ số CN sử dụng nghiên cứu Loạ i sử Chỉ số CN theo nhóm đấ t hình dụ ng đấ t A B C D Lúa, hoa màu 72 81 88 91 Đ ấ t nông nghiệ p 62 71 78 81 25 55 70 77 45 66 77 83 25 55 70 77 45 66 77 83 Rừng hỗ n hợ p 35 61 74 80 Vùng bụ i 68 79 86 89 Khu vực xây dựng 61 75 83 87 Đ ấ t trố ng 81 89 93 95 Nướ c 100 100 100 100 Rừng rộ ng, thường xanh Rừng rộ ng, rụ ng Rừng kim, thường xanh Rừng kim, rụ ng Lưu ý: Khu vực nghiên cứu nằm khu vực có nhóm đất C Xhq lượng mưa hiệu xác định theo công thức [3]: (𝑃 − 0,2𝑆)2 (5) 𝑃 + 0,8𝑆 Trong đó: P lượng mưa thực đo (mm/h) Trong nghiên cứu này, lượng mưa thực đo lấy từ kết đo mưa trạm vrain theo nội suy thành raster để phục vụ tính tốn 𝑋ℎ𝑞 = b) Phân loại nguy lũ quét Nguy lũ quét xác định nguy lũ quét sơng Bằng việc sử dụng tích vận tốc bình quân lưu vực ô lưới lượng mưa hiệu lưu vực ô lưới, nghiên cứu đối chiếu, so sánh với trận lũ quét xảy khứ nhằm đề xuất cấp độ phân loại nguy lũ quét cho ô lưới nằm dịng lưu vực nghiên cứu Bảng 3: Hiệu chỉnh CN theo trạng thái ẩm đất Trạng thái Khơ Bình thường Ướt Lượng mưa tích luỹ ngày (mm) Mùa khô Mùa mưa < 13 < 36 13 ÷ 28 36 ÷ 53 > 28 > 53 Hình 5: Phương pháp tính đồ nguy lũ quét Các trận lũ quét khứ thu thập, phân tích nhằm đánh giá, phân loại cho đồ nguy cơ, nhiên, kiện lũ quét xảy khơng có đo đạc với lượng mưa trước năm 2020 khu vực Trạm Tấu Từ năm 2020 trở lại có trạm VRain lắp đặt với thời đoạn quan trắc mưa Trước năm 2020 có liệu đo ngày liệu có độ tin cậy việc tính tốn nguy lũ qt Vì vậy, trận mưa trước năm 2020 sử dụng kết thu phóng mưa từ trạm Nghĩa Lộ để làm tính tốn Cơ sở phân cấp nguy lũ qt sông dựa vào liệu lịch sử thời gian trở lại Cụ thể 05 trận lũ lớn khu vực nghiên cứu xảy từ năm 2014 đến 2020 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 67 - 2021 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Bảng 4: Các trận lũ quét xảy phục vụ phân loại Thời gian 14/10/2020 15/10/2020 29/10/2020 11/10/2017 20/07/2014 Mưa ngày (mm) 178.6 149 195.6 213.3 166 Mưa max (mm) 36.6 31.6 15.2 39.2 18.4 Bảng 5: Đề xuất phân loại nguy lũ quét sông, suối khu vực nghiên cứu TT XhqxV < 0,02 0,02 ÷ 0,04 0,04 ÷ 0,08 0,08 ÷ 0,12 > 0,12 Phân cấp Khơng có lũ Lũ bình thường Lũ nhanh sơng Lũ qt, nguy hiểm Lũ quét, nguy hiểm Trong đó: Xhq lượng mưa hiệu bình quân lưu vực lưới (mm); V vận tốc bình qn dịng chảy lưu vực lưới (m/s) tính chiều dài dòng chảy (m) chia cho thời gian tập trung dòng chảy (giây) c) Xác định mực nước, vận tốc vị trí tính tốn nguy lũ qt Sau xác định lưu lượng ô lưới lưu vực dựa vào lượng mưa tích luỹ, đặc trưng lưu vực lượng mưa tính tốn (hoặc dự báo) Tại vị trí tính tốn cần xác định mặt cắt lịng dẫn việc khảo sát địa hình thực tế lịng sơng áp dụng phương trình Manning vào tính tốn theo cơng thức: 𝑞 = 𝐴𝑅 2/3 𝑆 1/2 (6) 𝑛 Trong đó, q lưu lượng vị trí tính tốn xác định cơng thức (1); n hệ số nhám Manning lịng dẫn vị trí tính tốn; A diện tích mặt cắt ướt; R bán kính thuỷ lực S độ dốc lòng dẫn A R xác định thơng qua hình dáng mặt cắt tham số mực nước H (m) S xác định thơng qua phân tích GIS Đánh giá Lũ lớn, người (nguy hiểm) Lũ lớn (nguy hiểm) Lũ nhanh sơng (bình thường) Lũ lớn, chết 13 người (rất nguy hiểm) Cảnh báo (bình thường) Từ phương trình (6) xác định H (m) V (m/s) cho mặt cắt tính tốn Tích số mực nước vận tốc mặt cắt tham số nhằm phân loại tác động dịng chảy đến hình thành lũ qt vị trí tính tốn dựa phân loại tác động nêu hình Vị trí tính tốn vị trí tập trung dân cư thị trấn Trạm Tấu, cuối suối Bản Công giao với suối Xà Hồ Mặt cắt khảo sát nhằm tính tốn quan hệ chiều sâu ngập bán kính thuỷ lực mặt cắt tính tốn Chi tiết thể sau: H (m) 0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 1.60 1.70 1.80 Diện tích (m²) 0.00 0.047 0.187 0.422 0.750 1.171 1.687 2.296 2.998 3.795 4.685 6.956 9.415 12.063 14.901 17.927 21.143 24.547 28.141 Bán kính thuỷ Q (m³/s) lực (m) 0.00 0.00 0.064 0.03 0.128 0.19 0.192 0.57 0.256 1.23 0.320 2.24 0.384 3.64 0.448 5.49 0.512 7.83 0.576 10.73 0.640 14.20 0.550 19.06 0.567 26.33 0.613 35.54 0.672 46.67 0.736 59.66 0.804 74.63 0.873 91.54 0.944 110.56 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 67 - 2021 KHOA HỌC H (m) 1.90 2.00 Diện tích (m²) 31.924 35.895 CƠNG NGHỆ Bán kính thuỷ Q (m³/s) lực (m) 1.015 131.63 1.086 154.83 Hình 6: Phân loại tác động dịng chảy lũ đến đối tượng [4] KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN a Bản đồ nguy lũ quét TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 67 - 2021 KHOA HỌC Trậ n lũ 29/10/20 20/07/14 11/10/17 14/10/20 15/10/20 b Kết tính tốn mực nước, vận tốc vị trí mặt cắt qua thị trấn Trạm Tấu Khu vực tập trung dân cư nằm trung tâm thị trấn Trạm Tấu, nơi giao suối Bản Công suối Xà Hồ Kết tính tốn lưu lượng, mực nước, vận tốc sơng mặt cắt qua thị trấn thể sau: Trận lũ 29/10/20 20/07/14 11/10/2017 14/10/20 15/10/20 Q (m³/s) 8.83 16.46 96.66 84.67 62.85 H (m) 0.84 1.05 1.73 1.66 1.52 V (m/s) 2.69 2.80 3.79 3.65 3.37 Đánh giá tác động dịng chảy lũ đến cơng trình thể sau (dựa phân loại hình 5): HxV (m²/s) 2.25 2.95 6.54 6.06 5.13 CƠNG NGHỆ Đ ánh giá nguy tác độ ng đế n cơng trình ven sơng (bao gồ m xói lở bờ sơng) Nguy trung bình Nguy trung bình Nguy cao Nguy cao Nguy cao Như vậy, từ việc phân tích GIS yếu tố tự nhiên lưu vực kết hợp với lượng mưa tích luỹ kỳ trước (5 ngày) lượng mưa tính tốn, nghiên cứu nguy lũ quét cho lưu vực nghiên cứu (khu vực Trạm Tấu), đồng thời việc sử dụng công thức Manning, nghiên cứu tính tốn mực nước, lưu lượng vận tốc vị trí tính tốn, từ tác động lũ đến cơng trình Trong đó, trận lũ tháng 10 năm 2017 trận lũ ngày 14-15/10/2020 trận lũ lớn, có mức độ tác động lớn đến khu vực tập trung dân cư Trạm Tấu Cơng cụ tính tốn tích hợp Web-GIS tính tốn theo thời gian thực dựa lượng mưa thực đo KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ Kết luận Thời gian tập trung dòng chảy mưa hiệu phụ thuộc vào lượng mưa tích luỹ (5 ngày) theo phương pháp Curver Number (CN) Các kiện mưa khác mang đến khác biệt trạng thái lưu vực tính tốn dịng chảy lũ Nghiên cứu sử dụng lưu vực lưới để tính tốn lưu lượng lưới sau kiện mưa, từ đưa thông số cần thiết việc dự báo nguy lũ quét Phân loại nguy dịng chảy lũ giúp người dân quyền nhận thức nguy xảy lũ quét sau kiện mưa Q trình tính tốn cho thấy thời gian tập trung dòng chảy từ lượng mưa sinh đến khu vực tập trung dân cư Trạm Tấu bình quân khoảng (đối với trận lũ tính tốn phía trên) đến cửa lưu vực khoảng tuỳ vào lượng mưa kỳ trước, khoảng thời gian đủ để đưa thông tin cảnh báo cho người dân sinh sống khu vực Trạm Tấu Kiến nghị TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 67 - 2021 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Do hạn chế lượng mưa quan trắc (chỉ có liệu từ năm 2020 đến nay) kiện mưa lịch sử ghi nhận năm gần với số lượng nên phân loại nguy bảng cịn hạn chế Việc khắc phục việc tiếp tục nghiên cứu kiện lũ lụt tương lai nhằm cải thiện độ tin cậy dự báo nguy lũ quét lưu vực nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] Lê Văn Thìn Đào Anh Tuấn, "Báo cáo thu thập tài liệu - Đề tài Nghiên cứu thử nghiệm hệ thống cảnh báo lũ, lũ quét Web-GIS cho lưu vực sông Nghĩa Lộ, huyện Trạm Tấu, tỉnh Yên Bái," Ihrce, Hà Nội, 2020 Natural Resources Conservation Service, National Engineering Handbook Part 630 Hydrology, New York: Natural Resources Conservation Service, 1997 Robert Manning, Phương trình Manning, Ireland, 1889 Nguyễn Đăng Giáp nnk, Báo cáo Dự báo tác động xả lũ khẩn cấp, lũ cực lớn, lũ vỡ đập đến hạ du hệ thống sơng Hồng - Thái Bình Đề tài KC.08.13/16-20, Hà Nội: Viện Khoa học Thuỷ lợi Việt Nam, 2020 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 67 - 2021 ... tuyến nguy lũ quét cho khu vực Trạm Tấu dựa lượng mưa quan trắc yếu tố tự nhiên lưu vực PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nguy xảy lũ quét vị trí phụ thuộc vào đặc trưng lưu vực vị trí phía thượng lưu Vì... loại nguy lũ quét sông, suối khu vực nghiên cứu TT XhqxV < 0,02 0,02 ÷ 0,04 0,04 ÷ 0,08 0,08 ÷ 0,12 > 0,12 Phân cấp Khơng có lũ Lũ bình thường Lũ nhanh sông Lũ quét, nguy hiểm Lũ quét, nguy hiểm... thái lưu vực tính tốn dịng chảy lũ Nghiên cứu sử dụng lưu vực ô lưới để tính tốn lưu lượng lưới sau kiện mưa, từ đưa thông số cần thiết việc dự báo nguy lũ quét Phân loại nguy dòng chảy lũ giúp