Bài viết Nghiên cứu đề xuất công cụ dự báo lũ cho lưu vực sông đề xuất công cụ dự báo lũ cho lưu vực sông bằng cách kết hợp hai mô hình SWAT và HEC RAS. Việc kết hợp hai mô hình là phù hợp bởi kết quả đầu ra của SWAT là tương thích khi dùng làm dữ liệu đầu vào cho HEC RAS.
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019 ISBN: 978-604-82-2981-8 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CÔNG CỤ DỰ BÁO LŨ CHO LƯU VỰC SÔNG Đỗ Xuân Khánh Trường Đại học Thủy lợi, email:khanh.thuyluc@tlu.edu.vn GIỚI THIỆU CHUNG Lũ lụt tượng xảy dòng nước dâng cao sông, suối tràn qua đê đập vào vùng trũng, làm ngập nhà cửa cối ruộng đồng Theo thơng kê thiệt hại loại hình thiên tai gây từ 1970 đến 2012 WMO (2014) [1], lũ lụt đứng đầu số lần xuất chiếm tới 45%, lũ lụt nằm vị trí xét thiệt hại kinh tế với 60% đứng thứ sau bão xét đến thiệt hại người với 20% Thiệt hại lũ lụt giảm thiểu đáng kể hiểu nguyên nhân hình thành có biện pháp cảnh báo sớm cho người dân Một biện pháp vô hiệu việcsử dụng mơ hình thủy văn, thủy lực để dự báo lũ Các mơ hình dựa vào nguồn liệu khí tượng thủy văn lịch sử để xác định trạng thái lưu vực từ tính tốn dịng chảy lũ tương lai (Divac et al 2009) [2] Bảng liệt kê số mơ hình dự báo dòng chảy lũ phổ biến ưu nhược điểm chúng Theo Nguyễn et al 2014 [3] việc sử sử dụng riêng mơ hình thủy văn mưa dịng chảy hay sử dụng riêng mơ hình thủy lực hay sử dụng kết hợp mơ hình thủy văn thủy lực dự báo dòng chảy lũ phụ thuộc vào mối quan hệ thời gian dự báo Tf, thời gian tập trung dòng chảy lưu vực Tc thời gian chảy truyền sông Tr Đối với lưu vực vừa lớn Tf < Tc + Tr để tăng cường độ xác dự báocác nhà nghiên cứu thường sử dụng kết hợp hai loại mơ hình Sơn et al 2005 [4] Bảng Tổng hợp ưu nhược điểm số mô hình dự báo dịng chảy lũ Các mơ hình dự báo dịng chảy lũ Mơ hình thủy văn Thơng số Mơ tập trung hình tất định Thơng số phân bố chiều Thủy lực chiều Kết nối 1/2 chiều Mơ hình tiêu biểu Ưu nhược điểm Ưu điểm: Ít tham số, dễ sử dụng Nhược điểm: Các tham số trung bình hóa, khơng xét địa hình, loại đất, loại hình sử dụng đất Diễn tốn dịng chảy sơng kênh hạn chế MIKE Nam mơ hình thương mại Ưu điểm: thông số phân bố, mô tả biến đổi không gian tượng thủy văn, xét đến địa hình, thổ nhưỡng, sử SWAT dụng đất Nhược điểm: Nhiều tham số đầu vào Diễn tốn dịng chảy sông kênh hạn chế Mike 11, Ưu điểm: Đơn giản, dễ sử dụng Nhược điểm: Không mô HEC-RAS ngập lụt, Mike 11 mơ hình thương mại Mike 21, Ưu điểm: Độ xác cao mơ ngập lụt Nhược HEC-RAS điểm: Địi hịi tài liệu địa hình tốt, thời gian tính tốn lâu Mike Flood, Ưu điểm: Là phần mềm kết nối, mô tả ngập lụt với GIS Mike GIS, Nhược điểm: Mike GIS khơng cịn hỗ trợ HEC-GEORAS DHI, Mike Flood phí NAM, HECHMS, TANK 317 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019 ISBN: 978-604-82-2981-8 Việc kết hợp thực thành cơng mơ hình họ MIKE Tuy nhiên mơ hình NAM với nhược điểm nêu bảng 1đã làm cho q trình tính tốn từ mưa dịng chảy cịn chưa xác Bên cạnh đó, mơ hình họ HEC sử dụng rộng rãi cho kết qủa tốt Các mơ hình loại dễ sử dụng cung cấp miễn phí Tuy nhiên NAM, HEC-HMS mơ hình tất định thơng số tập trung, yếu tố địa hình, loại đất, loại hình sử dụng đất chưa đánh giá với tầm quan trọng Để khắc phục điều này, mơ hình SWATlà lựa chọn phù hợp kết hợp với mơ hình thủy lực HEC-RAS Sự kết hợp giúp cho q trình tính tốn mưa dịng chảy lưu vực xác Do đó, mục tiêu nghiên cứu đề xuất cho thấy phù hợp công cụ dự báo lũ lưu vực sơng mơ hình SWAT HEC RAS Cơng cụ này áp dụng cho lưu vực Vu Gia Thu Bồn (VGTB) Q (vQ) z gA( S f ) t x x Trong x: khoảng cách dọc kênh, Q: lưu lượng, A: diện tích mặt cắt, S: lượng trữ, ql: lưu lượng bên, Sf: độ dốc thủy lực, v: vận tốc 2.3 Sơ đồ dự báo dòng chảy lũ kết hợp SWAT HEC RAS Thông qua modul mưa dòng chảy, trước tiên SWAT xét ảnh hưởng mưa, địa hình, sử dụng đất thổ nhưỡng để xác định lưu lượng đến cửa lưu vực Trong nghiên cứu trước mơ hình SWAT sử dụng với bước thời gian ngày, tháng năm Tuy nhiên bước thời gian khơng thích hợp mơ dịng chảy lũ Trong nghiên cứu này, modul sub-daily sử dụng để đưa output kết lưu lượng dòng chảy theo giờ.Đây số liệu đầu vào quan trọng,được mơ hình HECRAS sử dụng để diễn tốn dịng chảy sơng đưa q trình biến đổi độ sâu mực nước theo thời gian (Hình 1) PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU DEM Bản đồ sử dụng đất 2.1 Mơ hình SWAT Khí tượng thủy văn SWAT SWAT mơ hình thủy văn bán phân bố Việc mơ tả trình thủy văn chia làm hai phần bao gồm phần xảy lưu vực phần diễn tốn dịng chảytrên hệ thống sơng Phương trình mơ hình thủy văn SWAT thể sau đây: Lưu lượng Q (theo giờ) Mặt cắt sơng Hình Sơ đồ liên kết SWAT HEC RAS mơ dịng chảy lũ t i 1 Trong SWt tổng lượng nước thời điểm t (mm), SWo tổng lượng nước thời điểm ban đầu (mm), Rday lượng mưa ngày i (mm), Qsurf lưu lượng dòng chảy mặt ngày i (mm), Ea bốc ngày i (mm), Qseep lượng thấm tầng sâu ngàyi (mm) Qqw lưu lượng dòng chảy hồi quy ngàyi (mm) 2.2 Mơ hình HEC-RAS HEC-RAS Độ sâu mực nước sông SWt SWo ( Rday Qsurf Ea Wseep Qqw )i 2.4 Khu vực nghiên cứu Nằm vùng duyên hải miền Trung Việt Nam, lưu vực VGTB khu vực có địa hình ngắn dốc, lũ lên xuống nhanh, diễn biến phức tạp nên việc dự báo lũ gặp nhiều khó khăn KẾT QUẢ Mơ hình HEC-RAS có khả tính tốn thủy lực chi tiết cho mạng lưới sơng kênh Mơ hình sử dụng hai phương trình phương trình liên tục phương trình động lượng A S Q ql t t x Thổ nhưỡng Mơ hình SWAT thiết lập cho lưu vực dựa đồ DEM, sử dụng đất thổ nhưỡng Sơ đồ kết nối mô hình SWAT HEC RAS lưu vực VGTB thể Hình SWAT chia lưu vực VGTB thành 18 tiểu lưu vực Mơ hình hiệu 318 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019 ISBN: 978-604-82-2981-8 chỉnh (trận lũ 11/1998) kiểm định với (trận lũ 12/1999) hai trạm thủy văn Thành Mỹ (Hình 3) sơng Vu Gia Nơng Sơn sơng Thu Bồn qua tìm tham số cho tiểu lưu vực 11, 13-18 Tham số tiểu lưu vực lại tìm theo ngun tắc lưu vực tương tự Mơ hình thủy lực HEC RAS với hai nhánh sơng Vu Gia từ Thành Mỹ đến cửa Hàn Thu Bồn từ Nơng Sơn đến Hội trình bày Hình Hai sơng Này nối với sông Quảng Huế 800000.000000 840000.000000 880000.000000 1790000.000000 Lưu vực Vu Gia - Thu Bồn # * Ái Nghĩa # * cửa Hội 10 1730000 000000 * Biên triều # Biên triều cửa Hàn * # 20 720000 000000 30 760000.000000 10.0 800000.000000 840000.000000 880000.000000 920000.000000 Hình Sơ đồ liên kết SWAT+HECRAS cho lưu vực VGTB 8000.0 Lưu lượng (Q m3/s) 7000.0 Sơng Thu Bồn Hình Sơ đồ thủy lực hệ thống sông VGTB 40 Kilometers Mực nước (H, m) 10 1700000.000000 18 1670000.000000 14 Nông Sơn 1670000.000000 1700000.000000 Trạm đo mực nước Trạm đo lưu lượng Thành Mỹ 15 16 17 14 Biên triều cửa Hội 12 13 Giao Thủy 11 13 11 Giao Thủy Nông Sơn 12 Sông Vu Gia 1730000 000000 1760000 000000 Thành7Mỹ 10 Ái Nghĩa 920000.000000 1790000.000000 760000.000000 Biên triều cửa Hàn 1760000 000000 720000 000000 tiểu lưu vực 1-9, 12, biên nhập vào 14 ô chứa bao quanh hệ thống sông VGTB Các ô chứa chia hình Mơ hình thủy lực hiệu chỉnh kiểm định thông qua hệ số nhám hai trạm thủy văn Ái Nghĩa sông Vu Gia Giao Thủy sông Thu Bồn Kết kiểm định với nhám lịng sơng n=0.03 nhám bãi n=0.033 Ái Nghĩa với trận lũ 12/1999 thể qua Hình a) Q mơ Q thực đo R2=0.96 Nash=0.95 6000.0 5000.0 8.0 6.0 R2=0.97 Nash=0.91 4.0 H mô 2.0 0.0 1 25 49 73 H thực đo 97 Thời gian 4000.0 3000.0 121 145 Tháng 12/1999 Hình Kết kiểm định tạitrạm Ái Nghĩa 2000.0 1000.0 0.0 18 1925 2049 2173 2297 121 23 Thời gian (ngày) Lưu lượng (Q m3/s) 3000.0 145 24 Q mô b) KẾT LUẬN 169 25 Nghiên cứu đề xuất công cụ dự báo lũ cho lưu vực sông cách kết hợp hai mơ hình SWAT HEC RAS Việc kết hợp hai mơ hình phù hợp kết đầu SWAT tương thích dùng làm liệu đầu vào cho HEC RAS Kết áp dụng cho lưu vực VGTB cho thấy lưu lượng mực nước mô quan trắc có tương quan cao với R2 NASH lớn 0.85 Do mơ hình sử dụng nghiên cứu dự báo Tháng 11/1998 Q thực đo 2500.0 R2=0.89 Nash=0.88 2000.0 1500.0 1000.0 500.0 0.0 1 25 49 73 97 121 145 Thời gian (ngày) 169 193 Tháng 12/1999 Hình Kết a) hiệu b) kiểm định mơ hình SWAT trạm Thành Mỹ TÀI LIỆU THAM KHẢO Các biên mơ hình thủy lực bao gồm a) biên biên lưu lượng Thành Mỹ Nông Sơn, b) biên biên mực nước triều cửa Hàn cửa Hội, c) biên nhập lưu từ [1] Nguyễn Hoàng Sơn 2006 “Nghiên cứu ứng dụng mơ hình dự báo lũ cho sơng Vu Gia Thu Bồn” Tạp chí Khoa học Thủy lợi Mơi trường, Vol 45, pp 1-12 319 ... hợp giúp cho q trình tính tốn mưa dịng chảy lưu vực xác Do đó, mục tiêu nghiên cứu đề xuất cho thấy phù hợp công cụ dự báo lũ lưu vực sơng mơ hình SWAT HEC RAS Công cụ này áp dụng cho lưu vực Vu... 1925 2049 2173 2297 121 23 Thời gian (ngày) Lưu lượng (Q m3/s) 3000.0 145 24 Q mô b) KẾT LUẬN 169 25 Nghiên cứu đề xuất công cụ dự báo lũ cho lưu vực sơng cách kết hợp hai mơ hình SWAT HEC RAS... Wseep Qqw )i 2.4 Khu vực nghiên cứu Nằm vùng duyên hải miền Trung Việt Nam, lưu vực VGTB khu vực có địa hình ngắn dốc, lũ lên xuống nhanh, diễn biến phức tạp nên việc dự báo lũ gặp nhiều khó khăn