Bài viết Ứng dụng dữ liệu mây vệ tinh trong dự báo sớm ngập lụt cho hạ du lưu vực sông Gianh tỉnh Quảng Bình áp dụng bộ công cụ tích hợp gồm: (i) mô hình thủy văn IFAS và (ii) mô hình thủy lực Nays2DFlood, kết hợp với mây vệ tinh để mô phỏng ngập lụt hạ du lưu vực sông Gianh, tỉnh Quảng Bình.
Nguyễn Chí Công, Nguyễn Vĩnh Long 16 ỨNG DỤNG DỮ LIỆU MÂY VỆ TINH TRONG DỰ BÁO SỚM NGẬP LỤT CHO HẠ DU LƯU VỰC SƠNG GIANH TỈNH QUẢNG BÌNH APPLYING SATELLITE CLOUDS TO EARLY FLOOD FORECASTING AT DOWNSTREAM OF THE GIANH RIVER BASIN IN QUANG BINH PROVINCE Nguyễn Chí Công1, Nguyễn Vĩnh Long2 Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; chicongbkdn@gmail.com Chi cục Phòng chống thiên tai khu vực Miền Trung Tây Nguyên Tóm tắt - Để phịng tránh giảm nhẹ thiên tai lũ lụt gây ra, việc nghiên cứu công cụ dự báo sớm cảnh báo sớm cần thiết, đặc biệt khu vực Miền Trung nói chung tỉnh Quảng Bình nói riêng Nghiên cứu áp dụng cơng cụ tích hợp gồm: (i) mơ hình thủy văn IFAS (ii) mơ hình thủy lực Nays2DFlood, kết hợp với mây vệ tinh để mô ngập lụt hạ du lưu vực sông Gianh, tỉnh Quảng Bình Các mơ hình hiệu chỉnh kiểm định hai trận lũ năm 2015 2016 Kết cho thấy sử dụng liệu mây vệ tinh để dự báo ngập lụt thời gian dự báo sớm so với sử dụng mưa trạm đo Kết nghiên cứu sở cho việc dự báo sớm ngập lụt cho hạ du lưu vực sông Gianh năm Abstract - To prevent and mitigate natural disasters caused by floods, it is necessary to study early forecasting and early warning tools, especially in Central Vietnam and Quang Binh in particular The aim of present work uses an integrated set of tools including: (i) IFAS hydrological model, and (ii) Nays2DFlood hydraulic model, combined with satellite clouds to simulate flooding for the downstream of the Gianh river basin, Quang Binh Province These models are calibrated and tested by two floods in 2016 and 2015 The results indicate that if using satellite cloud data to predict flooding, the forecasting time is earlier than the rainfall utilization of the stations These results are the basis for early flood forecasting for the downstream of the Gianh river basin in the coming years Từ khóa - IFAS; Nays2Dflood; mây vệ tinh; viễn thám; sơng Gianh Key words - IFAS; Nays2Dflood; satellite clouds; remote sensing; Gianh river Đặt vấn đề Lưu vực sông Gianh sông Nhật Lệ hai lưu vực sông lớn tỉnh Quảng Bình Hàng năm lũ lụt hai sông gây thiệt hại nghiêm trọng cho vùng hạ lưu Đặc biệt năm 2016, theo báo cáo UBND tỉnh Quảng Bình, trận lũ từ ngày 11 đến ngày 17 tháng 10 với tổng lượng mưa phổ biến từ 600-1000 mm, có nơi 1000 mm Mực nước sơng Gianh Mai Hóa đạt 9,20m báo động (BĐ) III 2,7 m, sông Kiến Giang Lệ Thủy đạt 3,53m BĐ III 0,83 m Trận lũ gây thiệt hại gần 2800 tỷ đồng làm chết 14 người Hiện nghiên cứu nước ngập lụt hạ lưu sông Nhật Lệ sông Gianh thường sử dụng hai mơ hình HEC MIKE để dự báo cảnh báo ngập lụt hạ lưu 6, 7 Tuy nhiên sở liệu mưa cách tiếp cận dựa số liệu đo trạm (số liệu xảy ra), nên kết tính tốn ngập lụt mang tính phục hồi kiểm chứng lại mức độ ngập lụt trận lũ xảy theo tần suất giả định Trên thực tế để giảm thiểu thiệt hại lũ lụt gây ra, người ta thường cần thông tin dự báo sớm xu hướng như: diện ngập, chiều sâu ngập thời gian ngập trận lũ trước diễn diễn Để giải vấn đề này, công nghệ viễn thám radar ứng dụng để tính tốn lượng mưa trận lũ trước xảy làm sở tính tốn cho mơ hình thủy văn, thủy lực Nghiên cứu bước đầu áp dụng công nghệ viễn thám (mây vệ tinh) vào mơ hình dự báo ngập lụt mơ hình thủy văn IFAS mơ hình thủy lực Nays2DFlood Trường Đại học Hokkaido, Nhật Bản 1, 2, 3, 4 Đây mơ hình có chức dự báo sớm cảnh báo sớm nguy lũ lụt cách sử dụng dự báo mưa mây vệ tinh radar Dữ liệu đưa vào mơ hình thủy văn IFAS mơ hình thủy lực Nays2DFlood để hiệu chỉnh kiểm định thông số mơ hình, làm sở cho dự báo nhanh xu hướng ngập lụt hạ du Phương pháp nghiên cứu 2.1 Mơ hình thủy văn IFAS IFAS sử dụng thơng số phân bố cho tồn lưu vực, theo lưu vực số hóa chia thành tiểu lưu vực với diện tích km2 Mỗi tiểu lưu vực đặc trưng thông số thủy văn - Hiệu chỉnh thông số mơ hình IFAS tiến hành qua bước sau: (i) Chọn trận lũ để hiệu chỉnh thu thập liệu đường trình lũ thực đo (ii) Hiệu chỉnh thơng số đặc trưng lớp dịng chảy lưu vực nghiên cứu (BTS1) cách so sánh đường lưu lượng thực đo đường lưu lượng mô từ liệu mưa trạm đo mưa lưu vực, thông qua số Nash1 (iii) Sử dụng thông số hiệu chỉnh, tiến hành mô đường lưu lượng từ liệu mây vệ tinh hiệu chỉnh thông số mây vệ tinh (BTS2) cách so sánh với đường lưu lượng thực đo thông qua số Nash2 Nghiên cứu sử dụng liệu mây vệ tinh Gsmap-NRT Nhật Bản, liệu đồng hóa sở liệu với mơ hình IFAS Nếu số Nash1 Nash2 < 0,7 cần tiến hành hiệu chỉnh lại thơng số BTS1 BTS2 nói - Kiểm định thơng số mơ hình thực sau: Chọn trận lũ độc lập với trận lũ hiệu chỉnh Giữ nguyên thông số BTS1 (Bảng 1) BTS2 (Bảng 2), tiến hành mô đường lưu lượng từ: (i) mưa trạm đo lưu vực (ii) mưa từ mây vệ tinh So sánh đường lưu lượng với đường lưu lượng thực đo trận lũ ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 chọn, thông qua số Nash1 Nash2 tương ứng Bảng Bộ thơng số BTS1 Kí hiệu Thơng số Đơn vị Giải thích 17 Mỹ 4420 km Lưu vực nghiên cứu nằm huyện Quảng Trạch, Bố Trạch, Tuyên Hóa thị xã Ba Đồn thuộc tỉnh Quảng Bình 5 (Hình 1) Bộ thơng số lớp bề mặt Thể khả thấm nước fo SKF cm/s Sf2 HFMXD m Chiều cao tối đa bể m Chiều cao dòng chảy mặt Chiều cao dòng chảy thấm Sf1 HFMND Sfo HFOD M SNF m-1/3s1 Hệ số nhám bề mặt HIFD M Giá trị ban đầu để tính Non Hệ số dịng chảy mặt N Αn FALFX Bộ thông số lớp nước ngầm AUD (1/mm/day)^1/2 Hệ số dịng chảy ngầm khơng giới hạn Ag AGD 1/day Hệ số dòng chảy ngầm giới hạn Sg HCGD M Chiều cao bể M Chiều cao ban đầu để tính Au RBW - Hệ số thiết lập chiều rộng sông RBS Non Hệ số từ 0,3 ~ 0,5 RNS m-1/3s-1 Hệ số RRID M Giá trị ban đầu để tính RGWD 1/day Hệ số thấm đáy sông Bảng Tọa độ trạm đo mưa RHW - Mực nước sông hc=RHW RHS HIGD Bộ thơng số lịng sơng RHS - Giá trị để tính mực nước sơng RBH Non Chiều rộng sơng RBET Non Độ dốc lịng sơng RLCOF Non Thơng số chiều dài sông Bảng Bộ thông số BTS2 Kí hiệu x y Hình Bản đồ vị trí lưu vực nghiên cứu 3.1.1 Các trạm đo mưa sử dụng nghiên cứu Nghiên cứu sử dụng trạm đo mưa (Bảng 3) Trong đó, có trạm đo mưa nằm địa bàn tỉnh Quảng Bình, cịn lại có trạm đo thuộc địa bàn tỉnh Hà Tĩnh, lý để tăng thêm mật độ trạm đo mưa lưu vực nhằm mục đích tính toán mưa theo phương pháp đa giác Thái Sơn xác Thơng số Sn mj Giải thích Chỉ số biến đổi GSMap Tỷ lệ điều chỉnh 2.2 Mô hình thủy lực Nays2Dflood IRIC IRIC (International River Interface Cooperative) gói phần mềm phân tích biến động lịng sơng dịng chảy sơng, phát triển quỹ tài trợ Trung tâm Nghiên cứu Phòng chống Thiên tai, Đại học Hokkaido Nays2DFlood modun giải phân tích dịng chảy lũ nhanh dựa vào mơ dịng chảy chiều ngang khơng ổn định không cần thông tin số liệu mặt cắt địa hình Mơ hình thủy lực Nays2DFlood hiệu chỉnh kiểm định thông qua đồ hệ số nhám lưu vực, dựa việc so sánh kết mơ độ ngập lớn mơ hình số liệu mực nước thu thập vị trí trạm thủy văn Quảng Minh hạ du lưu vực sông Gianh Áp dụng kết nghiên cứu 3.1 Áp dụng cho lưu vực nghiên cứu Sông Gianh sơng lớn thứ Quảng Bình, nằm phía Bắc tỉnh Tổng diện tích lưu vực tính đến trạm thủy văn Đồng Tâm 1150 km2 đến trạm thủy văn Tân Tên trạm Vĩ độ Kinh độ Tên trạm Vĩ độ Kinh độ Tuyên Hóa 17052’59” 106001’01” Mai Hóa 17048’00” 106010’58” Ba Đồn 17045’00” 106025’01” Tân Mỹ 17041’99” 106025’58” Minh Hóa Đồng Tâm 17048’00” 17055’00” 106 01’01” 106000’00” Kỳ Anh Hương Khê 18 04’49” 18010’49” 106 17’14” 105043’14” 3.1.2 Bản đồ DEM sử dụng đất lưu vực nghiên cứu Trong mơ hình thủy văn IFAS mơ hình thủy lực Nays2DFlood, hạn chế khả cập nhật sở liệu trạng nên nhóm tác giả sử dụng sở liệu DEM đồ sử dụng đất lấy từ sở liệu toàn cầu 3.1.3 Dữ liệu đồ hệ số nhám Hình Bản đồ hệ số nhám vùng nghiên cứu Thực tế, để xác định hệ nhám n lưu vực hay sườn dốc khó, cịn phụ thuộc vào trạng sử dụng đất Xây dựng đồ hệ số nhám Manning dựa đồ Nguyễn Chí Công, Nguyễn Vĩnh Long 18 trạng sử dụng đất khu vực nghiên cứu (Bản đồ trạng sử dụng đất năm 2010 Đài khí tượng thủy văn Trung Trung Bộ cung cấp) Kết xây dựng đồ hệ số nhám n trình bày Hình 3.1.4 Điều kiện biên lưới tính tốn - Biên thượng lưu: Do lưu vực sông Gianh rộng lớn phức tạp, cộng thêm việc thu thập số liệu bị hạn chế nên tác giả định lựa chọn biên thượng lưu tương ứng với nhánh sông lưu vực sơng Gianh Đây đường trình lưu lượng lũ chảy trạm thủy văn Đồng Tâm, Tân Lâm Phong Nha Thời đoạn lựa chọn tương ứng với trận lũ năm 2016 (từ 11/10 17/10) năm 2015 (từ 10/9 -18/9) - Biên hạ lưu: Sử dụng đường trình mực nước trạm thủy văn Tân Mỹ gần cửa sông Gianh tương ứng với thời gian xuất trận lũ nói - Chia lưới tính tốn thủy lực đồ cao độ: Nghiên cứu sử dụng lưới cấu trúc ô vuông 100m x 100m để mơ tả đặc điểm địa hình phạm vi mơ hạ du lưu vực sông Gianh Vùng nghiên cứu sử dụng đồ với tỉ lệ 1/2000 Cao độ chuẩn hóa hệ tọa độ VN2000 cao độ quốc gia, lấy đồ VN2000 làm để hiệu chỉnh (Hình 3) Hình Bản đồ chia lưới khu vực tính tốn 3.2 Kết bàn luận 3.2.1 Kết mơ mơ hình thủy văn Các kết thực dựa trận lũ, đó: trận lũ tháng 10/2016 trận lũ lớn gần đo được, dùng để hiệu chỉnh mơ hình thủy văn mơ hình mây vệ tinh Trận lũ tháng 09/2015 dùng để kiểm định mơ hình thủy văn mơ hình mây vệ tinh Hình kết hiệu chỉnh thơng số mơ hình thủy văn mơ hình mây vệ tinh cho trận lũ tháng 10/2016 (tại trạm thủy văn Đồng Tâm) với số Nash1= 0,9 Nash2= 0,7 Các thơng số mơ hình thủy văn mơ hình mây vệ tinh thể Bảng Bảng Thực đo Mơ Hình Kết hiệu chỉnh đường trình lũ ngày 11 đến 17/10/2016 Bảng Bộ thông số BTS1 Lớp Các thông số SKF HFMXD HFMND HFOD 0,00008 0,10 0,00001 0,0005 0,00002 0,50 0,010 0,0005 Bề mặt 0,00001 0,10 0,010 0,0005 0,000001 0,001 0,0005 0,0001 0,00001 0,05 0,010 0,0050 AUD AGD HCGD HIGD 0,30 0,010 2,00 1,00 Nước ngầm 0,11 0,005 2,00 2,00 0,12 0,003 2,00 2,00 0,13 0,003 2,00 2,00 RBW RBS RNS RRID 7,00 0,50 0,04 0,20 7,00 0,50 0,04 0,20 7,00 0,50 0,04 0,20 Lịng sơng RBH RBET RLCOF 0,50 0,05 1,40 0,50 0,05 1,40 0,50 0,05 1,40 SNF 0,60 2,00 2,00 0,10 2,00 FALFX 1,65 0,60 0,50 0,90 0,50 HFID 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 RGWD RHW 0,00 9999,00 0,00 9999,00 0,00 9999,00 RHS 1,00 1,00 1,00 Bảng Bộ thơng số BTS2 Thơng số Kí hiệu Sn x mj Y Giá trị Khi x = 7,5 y = -0,30 y = 0,30 Sau xác định thông số mơ hình IFAS, tác giả kiểm định cho trận lũ độc lập vào tháng 09/2015 Hình Hình thể kết kiểm định mơ hình thủy văn mơ hình mây vệ tinh với số Nash1= Nash2= 0,83 Thực đo Mô Mô Thực đo Hình Kết hiệu chỉnh đường trình lũ ngày 11 đến 17/10/2016 Hình Kết kiểm định đường trình lũ ngày 10 đến 18/09/2015 ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 7(116).2017 19 Thực đo Mô Hình Kết kiểm định đường trình lũ ngày 10 đến 18/09/2015 3.2.2 Kết mô mơ hình thủy lực Các kết mơ tả thực dựa trận lũ tháng 10/2016 (dùng để hiệu chỉnh) trận lũ tháng 09/2015 (dùng kiểm định) Mỗi trận lũ mô theo hai kịch biên thượng lưu: -Kịch 1: Lưu lượng Đồng Tâm lưu lượng thực đo, Tân Lâm Phong Nha khơng có số liệu thực đo nên sử dụng lưu lượng mô mơ hình thủy văn IFAS từ mưa trạm đo lưu vực -Kịch 2: Lưu lượng Đồng Tâm, Tân Lâm Phong Nha lưu lượng mơ mơ hình thủy văn IFAS từ mưa vệ tinh Gsmap-NRT Nhật Bản Bảng ước tính mực nước lũ trạm thủy văn Quảng Minh trận lũ tháng 10 năm 2016 Hình Bản đồ ngập lụt lớn kịch ứng với trận lũ ngày 11 đến 17/10/2016 Hình 10 11 thể kết kiểm định mơ hình ứng với kịch tương tự Tại trạm thủy văn Quảng Minh, kết mô trận lũ tháng 09 năm 2015 theo mơ hình Nays2DFlood thể qua Bảng Mực nước lớn thực đo trạm thủy văn Quảng Minh vào thời điểm lúc 1.00 giờ, ngày 15/09/2015 1,63m Bảng Kết tính tốn thủy lực trạm thủy văn Quảng Minh, trận lũ tháng 10 năm 2016 Trạm Quảng Minh Kịch mô Kịch Mực nước lớn (m) 3,4 ~ 3,6 Kịch 3,3 ~ 3,6 Hình Hình thể kết mơ phạm vi độ sâu ngập lụt lớn trận lũ tháng 10/2016 tương ứng với kịch kịch Hiệu chỉnh mơ hình thủy lực cách so sánh mực nước lớn mô với mực nước lớn thực đo trạm thủy văn Quảng Minh vào thời điểm lúc 3h ngày 15/10/2016 3,49m Các kết cho thấy, kết mô phù hợp với mực nước lũ lớn đo trạm Quảng Minh Do lấy thơng số hệ số nhám xây dựng để kiểm định cho trận lũ độc lập vào tháng 09/2015 Hình 10 Bản đồ ngập lụt lớn kịch 1, kiểm định trận lũ từ ngày 10 đến 18/09/2015 Hình 11 Bản đồ ngập lụt lớn kịch 2, kiểm định cho trận lũ từ ngày 10 đến 18/09/2015 Bảng Kết tính tốn thủy lực trạm thủy văn Quảng Minh, trận lũ tháng 09 năm 2015 Trạm Quảng Minh Hình Bản đồ ngập lụt lớn kịch ứng với trận lũ ngày 11 đến 17/10/2016 Kịch mô Kịch Mực nước lớn (m) 1,6 ~ 2,0 Kịch 1,7 ~ 2,1 Kết kiểm định trận lũ tháng 9/2015 cho thấy kịch mô cho kết tính tốn mực nước lũ lớn trạm Quảng Minh phù hợp với mực nước lũ lớn thực đo Điều cho thấy thơng số mơ hình thủy lực Nays2DFlood tin cậy, dùng để dự báo Nguyễn Chí Cơng, Nguyễn Vĩnh Long 20 cho trận lũ thời gian đến Bên cạnh đó, mơ hình thủy lực Nays2DFlood mơ hình thủy lực chiều ngang với lưới tính tốn kích thước 100 m x 100 m, thời gian mô ngập lụt cho hạ lưu sông Gianh khoảng 1,5 Theo kịch mơ xây dựng kịch có lợi dự báo sớm khả ngập lụt cho hạ lưu sông Gianh nhờ mơ hình tính mưa từ mây vệ tinh Theo mây vệ tinh cho phép dự báo trận mưa gây lũ sau kể từ thời gian bắt đầu trận mưa thực tế gây lũ, độ trễ truyền tín hiệu hình ảnh mây vệ tinh sau nhận hình ảnh Do đường q trình lũ kịch mô cập nhật theo Trong đó, đường q trình lũ mơ kịch tính kết thúc trận mưa gây lũ lúc liệu đo mưa trạm truyền Kết luận Nghiên cứu bước đầu khai thác liệu vệ tinh GsmapNRT Nhật Bản vào mơ hình thủy văn IFAS mơ hình thủy lực Nays2DFlood để dự báo sớm ngập lụt cho hạ lưu lưu vực sông Gianh, tỉnh Quảng Bình, nơi vừa hứng chịu tổn thất nặng nề người sau trận lũ lịch sử năm 2016 Các kết cho thấy khả ứng dụng cách tiếp cận khả thi Các thơng số mơ hình thủy văn, mây vệ tinh thủy lực xác định cho lưu vực sông Gianh tin cậy Đây sở liệu để xây dựng công cụ dự báo sớm ngập lụt cho hạ lưu sông Gianh thời gian đến Kết dự báo sở hỗ trợ định cho quyền địa phương ứng phó kịp thời TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] River Center of Hokkaido (2014) IRIC Software User’s Manual, Japan [2] Yasuyuki Shimizu (2015) Nays2DFlood Solver Manual, Hokkaido University, Japan [3] ICHARM Public Works Research Institute – Japan (2014), IFAS ver.2.0 technical manual International Centre for Water Hazard and Risk Management [4] ICHARM, PWRI (2015) IFAS Quick Reference for ver 2.0, Japan [5] Nguyễn Đức Lý, Ngô Hải Dương, Nguyễn Đại (2013), Khí hậu Thủy văn tỉnh Quảng Bình, Nhà Xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [6] Ngô Hải Dương (2016), Bản đồ ngập lụt tỉnh Quảng Bình vùng hạ du sơng Gianh sơng Nhật Lệ (Mơ theo trận lũ tháng 10/2016), Đài Khí tượng Thủy văn tỉnh Quảng Bình [7] Hồng Thái Bình, Trần Ngọc Anh, Đặng Đình Khá (2010), Ứng dụng mơ hình MIKE FLOOD tính ngập lụt hệ thơng sơng Nhật Lệ tỉnh Quảng Bình Tạp chí Khoa học ĐHQGNH, Khoa học tự nhiên Công nghệ 26, số 3S(2010), p285-294 (BBT nhận bài: 18/05/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 23/05/2017) ... mô ngập lụt cho hạ lưu sông Gianh khoảng 1,5 Theo kịch mô xây dựng kịch có lợi dự báo sớm khả ngập lụt cho hạ lưu sơng Gianh nhờ mơ hình tính mưa từ mây vệ tinh Theo mây vệ tinh cho phép dự báo. .. trạm thủy văn Quảng Minh hạ du lưu vực sông Gianh Áp dụng kết nghiên cứu 3.1 Áp dụng cho lưu vực nghiên cứu Sông Gianh sông lớn thứ Quảng Bình, nằm phía Bắc tỉnh Tổng diện tích lưu vực tính đến... kết cho thấy khả ứng dụng cách tiếp cận khả thi Các thông số mô hình thủy văn, mây vệ tinh thủy lực xác định cho lưu vực sông Gianh tin cậy Đây sở liệu để xây dựng công cụ dự báo sớm ngập lụt cho