Kỹ Thuật - Công Nghệ - Báo cáo khoa học, luận văn tiến sĩ, luận văn thạc sĩ, nghiên cứu - Ngữ văn KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 33 - 2016 1 ÁP DỤNG CÔNG CỤ TÍCH HỢP PHỤC VỤ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT LƯU VỰC SÔNG KỲ CÙNG, TỈNH LẠNG SƠN Đỗ Anh Đức Viện Thủy điện và năng lượng tái tạo Phạm Văn Chiến Trường Đại học Thủy Lợi Tóm tắt: Lũ lụt là hậu quả của mưa lớn, tác động của biến đổi khí hậu và các hoạt động kinh tế xã hội của con người. Việc nhận dạng lũ và cảnh báo lũ sẽ là công cụ hỗ trợ đắc lực để ra các quyết định kịp thời trong công tác phòng chống lũ hiện nay trên từng lưu vực. Trên lưu vự c sông Kỳ Cùng tỉnh lạng Sơn trong những năm gần đây đã xảy ra những trận lũ lớn gây thiệt hại về ngưới và của như các trận lũ các năm 1986, 2008, 2014. Do công tác dự báo lũ chưa đượ c quan tâm nên khi lũ lớn xảy ra việc phòng chống lũ thường bị động. Trong bài báo này sẽ đư a ra công cụ tích hợp sử dụng công nghệ GIS, mô hình mưa dòng chảy, và mô hình thủy động lực mộ t và hai chiều kết hợp cho phép mô phỏng quá trình ngập lụt do lũ đã được áp dụng cho lưu vự c sông Kỳ Cùng, tỉnh Lạng Sơn. Từ khoá: sông Kỳ Cùng, Lũ lụt, Bản đồ ngập lụt, mô hình toán, GIS. Summary: Floods are the result of heavy rains, the impact of climate change and severe damages to people and economy. The identification of flood and flood warning will be invaluable support tool for timely decisions in flood prevention currently on each basin. In recent years, Ky Cung river basin in Lang Son province has occurred the major floods causing damage of life and property as the floods of 1986, 2008, 2014. The flood forecast is not interested so floods occur often is passive flood prevention work. In this paper, an integrated tool using GIS, a rainfall-runoff model, and a coupled 1D2D hydrodynamic model that allows for simulating inundation processes, was applied to the Ky Cung river basin, Lang Son province. Keywords: Ky Cung River, Floods, Inundation maps, Numerical model, GIS. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa củ a khu vực Đông Nam Á, Việt Nam được đ ánh giá là một trong những khu vực có nguy cơ phải đố i mặt với nhiều loại hình thiên tai khốc liệt củ a khu vực cũng như châu Á. Theo ước tính, mỗ i năm nước ta phải chịu từ 6 đến 7 cơn bão, Ngày nhậ n bài: 1052016 Ngày thông qua phản biệ n: 1062016 Ngày duyệt đăng: 2062016 trong khi đó từ năm 1990 đến 2010 đ ã có 74 trận lũ. Với hầu hết dân số sống ở các lưu vự c sông, vùng trũng và các khu vực ven biển, ướ c tính hơn 70 dân số phải hứng chịu các rủ i ro từ thiên tai. Từ năm 1990 đế n 2011, trung bình hàng năm Việt Nam phải chịu tổn thấ t (i) 441 sinh mạng do thiên tai gây ra và (ii) khoả ng 1,9 tỷ đô la Mỹ tương đươ ng 1,3 GDP 1. M ục tiêu của nghiên cứu này là (i) áp dụ ng công cụ tích hợp cho phép mô phỏng ngập lụt KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 33 - 20162 hạ du lưu vực sông Kỳ Cùng và (ii) tính toán và xây dựng bản đồ ngập lụt tương ứng vớ i các kịch bản lũ khác nhau dự a trên công cụ tích hợp đã được phát triển, nhằm mục đ ích phục vụ công tác hỗ trợ ra quyết định. Các trậ n lũ điển hình hay lịch sử xảy ra trên lưu vực được xem xét phân tích một cách chi tiết để xây xây dựng các kịch bản lũ khác nhau. Các bản đồ thể hiện mức độ ngập, diện tích ngậ p, hạ tầng dân cư bị ảnh hưởng tương ứng vớ i các kịch bản cũng sẽ được trình bày và thể hiện chi tiết. 2. GIỚI THIỆU VỀ LƯ U VỰC S ÔNG KỲ CÙN G Sông Kỳ Cùng là con sông chính ở tỉnh Lạ ng Sơn, thuộc vùng Đông Bắc Việt Nam, có tọa độ địa lý từ 21019''''00" đến 22027''''30" vĩ độ Bắ c và từ 106006''''07" đến 107021''''45" kinh độ Đ ông (Hình 1). Sông bắt nguồn từ vùng núi Bắ c Xa (huyện Đình Lập, tỉnh Lạng Sơn) chả y qua thành phố Lạng Sơn, thị trấn Văn Lãng, thị trấn Thất Khê rồi tới Bi Nhi, từ đây sông vượ t biên giới để hợp lưu với sông Bằ ng Giang (Trung Quốc). Đoạn sông chảy trên đất Việ t Nam dài khoảng 243 km, diện tích lưu vự c là 6.660 km², mật độ lướ i sông trung bình là 0,88 kmkm2, với 78 phụ lưu (hay còn gọ i là sông nhánh) các cấp. Trong số các phụ lưu, ba phụ lưu chính của sông Kỳ Cùng là sông Ba Thín (hợp lưu ở thượng lưu thị trấn Lộ c Bình), sông Bắc Giang và sông Bắc Khê (cả hai sông này đều hợp lưu gần Thất Khê). Đ ây là con sông duy nhất ở miền Bắc chảy theo hướng Đ ông Nam-Tây Bắc sang Trung Quốc. Hình 1. Bản đồ lưu vực sông Kỳ Cùng, hệ thống mạng lưới trạm khí tượ ng thủy văn và vị trí các vết lũ điều tra dùng trong nghiên cứu KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 33 - 2016 3 Hình 2. Một số hình ảnh người dân cung cấ p vết lũ tháng 72014: a) tại trạm thủy văn Lạ ng Sơn, b) tại một số vị trí thuộc thành phố Lạ ng Sơn, c) tại một số vị trí thuộc thị trấn Na Sầ m và d) tại một số vị trí thuộc Thị trấn Thấ t Khê, e) nước sông Kỳ Cùng tại thành phố Lạng Sơn. Theo s ố liệu quan trắc các trận lũ lớn, thờ i kỳ 1958-2015 đã có 9 trận lũ lớn gây ngậ p lụt nghiêm trọng xảy ra trên lưu vực, vớ i tần suất trung bình 5 năm1 lần. Đặc biệ t những năm gần đây trên lưu vực s ông Kỳ Cùng thuộc phạm vi hành chính tỉnh Lạ ng Sơn đã phải hứng chịu liên tục các trận lũ lớn và ngập lụt vào các nă m 2008, 2013 và hai trận ngập lụ t kinh hoàng vào tháng 7 và tháng 9 năm 2014. 3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Để xây dựng bản đồ ngập lụt do lũ gây ra trên lưu vực sông Kỳ Cùng, chúng tôi đã kết hợ p công cụ GIS và bộ phần mề m M IKE. Mô hình mưa - dòng chảy (M IKE-NAM) được áp dụng để tính toán dòng chảy lũ từ tài liệu mưa tạ i các trạm mưa và khí tượng trên lưu vự c. M ô hình thủy động lực một chiều (M IKE 11) được sử dụng để diễn toán lũ trên sông chính Kỳ Cùng và các sông nhánh chính từ thượng lưu đến hạ lưu đồng thời cũng là biên đầ u vào cho mô hình thủy động lực hai chiề u (M IKE 21). Mô hình thủy động lực hai chiều (M IKE 21) được sử dụng để mô phỏng chế độ thủy động lực ở các bãi tràn, các khu trữxả nước tạm thời dọ c sông (Hình 3). Hình 3. Sơ đồ thể hiện sơ đồ tính toán dùng trong nghiên cứu mô hình thủy động lực học mộ t và hai chiều kết hợp, mô hình mưa – dòng chảy trên lưu vực nghiên cứu KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 33 - 20164 4. KẾT QUẢ HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰ C 4.1. Tiêu chí đánh giá sai số Để đánh giá định lượng kết quả tính toán mô phỏng từ mô hình thủy động lực so với tài liệ u thực đo, bốn tiêu chí đánh giá sai số: sai số quân phương (RM SE), sai số trung bình (MAE), hệ số Nash-Sutcliffe (NS) và hệ số tương quan (r) được sử dụng trong nghiên cứ u này. Sai số tương quan và sai số trung bình là những sai số có thứ nguyên và những sai số này có thể cung cấp những thông tin hữ u ích cho việc so sánh. 4.2. Hiệu chỉnh thông số mô hình Trận lũ tháng 7 năm 2014 đã được sử dụng để hiệu chỉnh thông số (hệ số nhám n) củ a mô hình thủy lực một và hai chiều kết hợ p. Các hằng số khác nhau trong khoảng 0,012 – 0,075 đã được thử sai để ước lượng giá trị thích hợp của hệ số nhám. Bốn tiêu chí đ ánh giá sai số trình bày ở mục 4.1 sử dụng để đánh giá định lượng sự phù hợp giữa giá trị tính toán và thực đ o. Hình 3 thể hiện kết quả so sánh giữa giá trị tính toán (tương ứng với các giá trị hệ số nhám trên) và thực đo cho lưu lượng và mực nướ c tại trạm thủy văn Lạng Sơn.Cho thấy rằng kế t quả tính toán từ mô hình thủy động lực mộ t và hai chiều kết hợp phù hợp với các giá trị thực đo như đã thể hiện trên Hình 3. Sự kết hợp củ a mô hình M IKE 11 và M IKE 21 cho phép mô phỏng không chỉ đường quá trình lũ (hay hình dạng lũ) mà còn cả về đỉnh lũ và mực nước lũ lớn nhất. Sai số quân phương và sai số trung bình của lưu lượng lần lượt là 380 và 320 m3 s (khoảng 14 giá trị lưu lượng đỉnh lũ thực đ o tại trạm) trong khi hệ số tương quan và hệ số NS của lưu lượng lần lượ t là 0,94 và 0,84. Sai số quân phương, sai số trung bình, hệ số tươ ng quan và hệ số NS của mực nước lần lượ t là 1,63 m, 1,35 m, 0,92 và 0,80. Hình 3. Kết quả tính toán và thực đo tại trạ m thủy văn Lạng Sơn, cho hiệu chỉnh thông số mô hình: a) lưu lượng và b) mực nước Hình 4 thể hiện kết quả vết lũ điề u tra và tính toán mô phỏng từ mô hình tại 87 điểm phân bố rải rác từ Bản Lải (thượng nguồn) tới Bắ c Khê (hạ du của sông Kỳ Cùng). Có thể nhận thấ y rằng kết quả tính toán mô phỏng cao trình vế t lũ từ mô hình thủy lực một và hai chiều kế t hợp có tương quan chặt chẽ với các giá trị điề u tra và mô hình cho kết quả tính toán tương đố i tốt so với tài liệu điều tra. Hệ số tươ ng quan giữa vết lũ điề u tra và tính toán là 0,96. Chênh lệch giữa mực nước tính toán và điều tra từ 87 vết lũ lớn nhất là 0,60 m trong khi chênh lệ ch nhỏ nhất chỉ khoảng 0,01 m (Hình 5). Đồ ng thời, chênh lệch giữa mực nước tính toán và điều tra từ vết lũ chủ yếu nằm trong khoảng từ -0,30 đến 0,30 m, thể hiện rằng kết quả hiệ u chỉnh mô hình thủy lực cho các vết lũ dọ c sông tương đối phù hợp. KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 33 - 2016 5 Hình 4. Kết quả tính toán và điều tra vết lũ dọ c theo sông (từ Km 0 đến Km 160), trong đó H obs và Hcal lần lượt là cao trình vết lũ điề u tra và tính toán (lấy theo tọa độ vết lũ VN2000) Hình 5. Chênh lệch mực nước lũ tính toán và điều tra tại 87 vị trí dọc sông cho hiệu chỉ nh thông số mô hình, trong đó L là khoả ng cách tính từ đầu sông, H obs và Hcal lần lượ t là cao trình vết lũ điều tra và tính toán M ô hình kết hợ p MIKE 11 và M IKE 21 cho phép mô phỏng lại quá trình lũ thực đo tương đối tốt, tuy nhiên sai số giữa lưu lượng lũ cũ ng như mực nước lũ tính toán và thực đo vẫ n còn tồn tại. Ví dụ kết quả tính toán thiên lớn cả về chân và đỉnh lũ. Điều này có thể giải thích bở i một số lý do sau. Thứ nhất, lưu lượng đầ u vào của mô hình thủy lực tại biên trên sử dụng kế t quả mô phỏng dòng chảy từ mô hình mư a – dòng chảy M IKE – NAM . Do đó kết quả tính toán dòng chảy từ mô hình mưa dòng chả y có thể vẫn còn một số tồn tại và chưa thể hiệ n chính xác tuyệt đối dòng chảy lũ xả y ra trên thực tế. Thứ hai, để đơn giản và thuận tiệ n cho việc sử dụng mô hình, chúng tôi đã sử dụ ng một hằng số nhám n để mô phỏng cho cả chân và đỉnh lũ. Việc sử dụng hệ số nhám như thế có thể chưa thật sự chính xác bởi vì khi lũ lên hoặc xuống thì diện tích ngập sẽ mở rộng hoặ c thu hẹp dần trên các diện tích bề mặt lân cậ n dọc sông mà các diện tích này có hệ số nhám và sức cản hoàn toàn khác nhau. Thứ ba, trậ n lũ lớn tháng 7 năm 2014 đã gây ngập lụ t nghiêm trọng và rộng trên lưu vực sông Kỳ Cùng, tuy nhiên quá trình ngập củ a (i) các khu giữa cũng như (ii) nhiều diện tích có đị a hình thay đổi phức tạp có thể trữ nước tạm thờ i trên hệ thống sông đã không đượ c xem xét trong tính toán mô ph...
Trang 1Trường Đại học Thủy Lợi
Tóm tắt: Lũ lụt là hậu quả của mưa lớn, tác động của biến đổi khí hậu và các hoạt động kinh tế
xã hội của con người Việc nhận dạng lũ và cảnh báo lũ sẽ là công cụ hỗ trợ đắc lực để ra các quyết định kịp thời trong công tác phòng chống lũ hiện nay trên từng lưu vực Trên lưu vực sông Kỳ Cùng tỉnh lạng Sơn trong những năm gần đây đã xảy ra những trận lũ lớn gây thiệt hại về ngưới và của như các trận lũ các năm 1986, 2008, 2014 Do công tác dự báo lũ chưa được quan tâm nên khi lũ lớn xảy ra việc phòng chống lũ thường bị động Trong bài báo này sẽ đưa ra công cụ tích hợp sử dụng công nghệ GIS, mô hình mưa dòng chảy, và mô hình thủy động lực một và hai chiều kết hợp cho phép mô phỏng quá trình ngập lụt do lũ đã được áp dụng cho lưu vực sông Kỳ Cùng, tỉnh Lạng Sơn
Từ khoá: sông Kỳ Cùng, Lũ lụt, Bản đồ ngập lụt, mô hình toán, GIS
Summary: Floods are the result of heavy rains, the impact of climate change and severe
damages to people and economy The identification of flood and flood warning will be invaluable support tool for timely decisions in flood prevention currently on each basin In recent years, Ky Cung river basin in Lang Son province has occurred the major floods causing damage of life and property as the floods of 1986, 2008, 2014 The flood forecast is not interested so floods occur often is passive flood prevention work
In this paper, an integrated tool using GIS, a rainfall-runoff model, and a coupled 1D/2D hydrodynamic model that allows for simulating inundation processes, was applied to the Ky Cung river basin, Lang Son province
Keywords: Ky Cung River, Floods, Inundation maps, Numerical model, GIS
1 ĐẶT VẤN ĐỀ *
Nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa của khu vực Đông Nam Á, Việt Nam được đánh giá là một trong những khu vực có nguy cơ phải đối mặt với nhiều loại hình thiên tai khốc liệt của khu vực cũng như châu Á Theo ước tính, mỗi năm nước ta phải chịu từ 6 đến 7 cơn bão,
Ngày nhận bài: 10/5/2016
Ngày thông qua phản biện: 10/6/2016 Ngày duyệt đăng: 20/6/2016
trong khi đó từ năm 1990 đến 2010 đã có 74 trận lũ Với hầu hết dân số sống ở các lưu vực sông, vùng trũng và các khu vực ven biển, ước tính hơn 70% dân số phải hứng chịu các rủi ro từ thiên tai Từ năm 1990 đến 2011, trung bình hàng năm Việt Nam phải chịu tổn thất (i) 441 sinh mạng do thiên tai gây ra và (ii) khoảng 1,9 tỷ đô la Mỹ tương đương 1,3% GDP [1] M ục tiêu của nghiên cứu này là (i) áp dụng công cụ tích hợp cho phép mô phỏng ngập lụt
Trang 2hạ du lưu vực sông Kỳ Cùng và (ii) tính toán và xây dựng bản đồ ngập lụt tương ứng với các kịch bản lũ khác nhau dự a trên công cụ tích hợp đã được phát triển, nhằm mục đích phục vụ công tác hỗ trợ ra quyết định Các trận lũ điển hình hay lịch sử xảy ra trên lưu vực được xem xét phân tích một cách chi tiết để xây xây dựng các kịch bản lũ khác nhau Các bản đồ thể hiện mức độ ngập, diện tích ngập, hạ tầng dân cư bị ảnh hưởng tương ứng với các kịch bản cũng sẽ được trình bày và thể hiện chi tiết
2 GIỚI THIỆU VỀ LƯ U VỰC SÔNG KỲ CÙN G
Sông Kỳ Cùng là con sông chính ở tỉnh Lạng Sơn, thuộc vùng Đông Bắc Việt Nam, có tọa độ địa lý từ 21019'00" đến 22027'30" vĩ độ Bắc
và từ 106006'07" đến 107021'45" kinh độ Đông (Hình 1) Sông bắt nguồn từ vùng núi Bắc Xa (huyện Đình Lập, tỉnh Lạng Sơn) chảy qua thành phố Lạng Sơn, thị trấn Văn Lãng, thị trấn Thất Khê rồi tới Bi Nhi, từ đây sông vượt biên giới để hợp lưu với sông Bằng Giang (Trung Quốc) Đoạn sông chảy trên đất Việt Nam dài khoảng 243 km, diện tích lưu vực là 6.660 km², mật độ lưới sông trung bình là 0,88 km/km2, với 78 phụ lưu (hay còn gọi là sông nhánh) các cấp Trong số các phụ lưu, ba phụ lưu chính của sông Kỳ Cùng là sông Ba Thín (hợp lưu ở thượng lưu thị trấn Lộc Bình), sông Bắc Giang và sông Bắc Khê (cả hai sông này đều hợp lưu gần Thất Khê) Đây là con sông duy nhất ở miền Bắc chảy theo hướng Đông Nam-Tây Bắc sang Trung Quốc
Hình 1 Bản đồ lưu vực sông Kỳ Cùng, hệ thống mạng lưới trạm khí tượng thủy văn và vị trí các vết lũ điều tra dùng trong nghiên cứu
Trang 3Hình 2 Một số hình ảnh người dân cung cấp vết lũ tháng 7/2014: a) tại trạm thủy văn Lạng
Sơn, b) tại một số vị trí thuộc thành phố Lạng Sơn, c) tại một số vị trí thuộc thị trấn Na Sầm và d) tại một số vị trí thuộc Thị trấn Thất Khê, e) nước sông Kỳ Cùng tại thành phố Lạng Sơn
Theo s ố liệu quan trắc các trận lũ lớn, thời kỳ 1958-2015 đã có 9 trận lũ lớn gây ngập lụt nghiêm trọng xảy ra trên lưu vực, với tần suất trung bình 5 năm/1 lần Đặc biệt những năm gần đây trên lưu vực s ông Kỳ
3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Để xây dựng bản đồ ngập lụt do lũ gây ra trên lưu vực sông Kỳ Cùng, chúng tôi đã kết hợp công cụ GIS và bộ phần mềm M IKE Mô hình mưa - dòng chảy (M IKE-NAM) được áp dụng để tính toán dòng chảy lũ từ tài liệu mưa tại các trạm mưa và khí tượng trên lưu vực M ô hình thủy động lực một chiều (M IKE 11) được sử dụng để diễn toán lũ trên sông chính Kỳ Cùng và các sông nhánh chính từ thượng lưu đến hạ lưu đồng thời cũng là biên đầu vào cho mô hình thủy động lực hai chiều (M IKE 21) Mô hình thủy động lực hai chiều (M IKE 21) được sử dụng để mô phỏng chế độ thủy động lực ở các bãi tràn, các khu trữ/xả nước tạm thời dọc sông
(Hình 3)
Hình 3 Sơ đồ thể hiện sơ đồ tính toán dùng trong nghiên cứu mô hình thủy động lực học một và hai chiều kết hợp, mô hình mưa – dòng chảy trên lưu vực nghiên cứu
Trang 44 KẾT QUẢ HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰC 4.1 Tiêu chí đánh giá sai số
Để đánh giá định lượng kết quả tính toán mô phỏng từ mô hình thủy động lực so với tài liệu thực đo, bốn tiêu chí đánh giá sai số: sai số quân phương (RM SE), sai số trung bình
(MAE), hệ số Nash-Sutcliffe (NS) và hệ số tương quan (r) được sử dụng trong nghiên cứu
này Sai số tương quan và sai số trung bình là những sai số có thứ nguyên và những sai số này có thể cung cấp những thông tin hữu ích cho việc so sánh
4.2 Hiệu chỉnh thông số mô hình
Trận lũ tháng 7 năm 2014 đã được sử dụng để
hiệu chỉnh thông số (hệ số nhám n) của mô
hình thủy lực một và hai chiều kết hợp Các hằng số khác nhau trong khoảng 0,012 – 0,075 đã được thử sai để ước lượng giá trị thích hợp của hệ số nhám Bốn tiêu chí đánh giá sai số trình bày ở mục 4.1 sử dụng để đánh giá định lượng sự phù hợp giữa giá trị tính toán và thực đo
Hình 3 thể hiện kết quả so sánh giữa giá trị tính toán (tương ứng với các giá trị hệ số nhám trên) và thực đo cho lưu lượng và mực nước tại trạm thủy văn Lạng Sơn.Cho thấy rằng kết quả tính toán từ mô hình thủy động lực một và hai chiều kết hợp phù hợp với các giá trị thực đo như đã thể hiện trên Hình 3 Sự kết hợp của mô hình M IKE 11 và M IKE 21 cho phép mô phỏng không chỉ đường quá trình lũ (hay hình dạng lũ) mà còn cả về đỉnh lũ và mực nước lũ lớn nhất Sai số quân phương và sai số trung bình của lưu lượng lần lượt là 380 và 320 m3/s (khoảng 14% giá trị lưu lượng đỉnh lũ thực đo tại trạm) trong khi hệ số tương quan và hệ số
NS của lưu lượng lần lượt là 0,94 và 0,84 Sai
số quân phương, sai số trung bình, hệ số tương
quan và hệ số NS của mực nước lần lượt là
1,63 m, 1,35 m, 0,92 và 0,80
Hình 3 Kết quả tính toán và thực đo tại trạm thủy văn Lạng Sơn, cho hiệu chỉnh thông số
mô hình: a) lưu lượng và b) mực nước
Hình 4 thể hiện kết quả vết lũ điều tra và tính toán mô phỏng từ mô hình tại 87 điểm phân bố rải rác từ Bản Lải (thượng nguồn) tới Bắc Khê (hạ du của sông Kỳ Cùng) Có thể nhận thấy rằng kết quả tính toán mô phỏng cao trình vết lũ từ mô hình thủy lực một và hai chiều kết hợp có tương quan chặt chẽ với các giá trị điều tra và mô hình cho kết quả tính toán tương đối tốt so với tài liệu điều tra Hệ số tương quan giữa vết lũ điều tra và tính toán là 0,96 Chênh lệch giữa mực nước tính toán và điều tra từ 87 vết lũ lớn nhất là 0,60 m trong khi chênh lệch nhỏ nhất chỉ khoảng 0,01 m (Hình 5) Đồng thời, chênh lệch giữa mực nước tính toán và điều tra từ vết lũ chủ yếu nằm trong khoảng từ -0,30 đến 0,30 m, thể hiện rằng kết quả hiệu chỉnh mô hình thủy lực cho các vết lũ dọc sông tương đối phù hợp
Trang 5Hình 4 Kết quả tính toán và điều tra vết lũ dọc theo sông (từ Km 0 đến Km 160), trong đó Hobs
và Hcal lần lượt là cao trình vết lũ điều tra và tính toán (lấy theo tọa độ vết lũ VN2000)
Hình 5 Chênh lệch mực nước lũ tính toán và điều tra tại 87 vị trí dọc sông cho hiệu chỉnh thông số mô hình, trong đó L là khoảng cách tính từ đầu sông, Hobs và Hcal lần lượt là cao
trình vết lũ điều tra và tính toán
M ô hình kết hợp MIKE 11 và M IKE 21 cho phép mô phỏng lại quá trình lũ thực đo tương đối tốt, tuy nhiên sai số giữa lưu lượng lũ cũng như mực nước lũ tính toán và thực đo vẫn còn tồn tại Ví dụ kết quả tính toán thiên lớn cả về chân và đỉnh lũ Điều này có thể giải thích bởi một số lý do sau Thứ nhất, lưu lượng đầu vào của mô hình thủy lực tại biên trên sử dụng kết quả mô phỏng dòng chảy từ mô hình mưa – dòng chảy M IKE – NAM Do đó kết quả tính toán dòng chảy từ mô hình mưa dòng chảy có thể vẫn còn một số tồn tại và chưa thể hiện chính xác tuyệt đối dòng chảy lũ xảy ra trên thực tế Thứ hai, để đơn giản và thuận tiện cho việc sử dụng mô hình, chúng tôi đã sử dụng
một hằng số nhám n để mô phỏng cho cả chân
và đỉnh lũ Việc sử dụng hệ số nhám như thế có thể chưa thật sự chính xác bởi vì khi lũ lên hoặc xuống thì diện tích ngập sẽ mở rộng hoặc thu hẹp dần trên các diện tích bề mặt lân cận dọc sông mà các diện tích này có hệ số nhám và sức cản hoàn toàn khác nhau Thứ ba, trận lũ lớn tháng 7 năm 2014 đã gây ngập lụt
nghiêm trọng và rộng trên lưu vực sông Kỳ Cùng, tuy nhiên quá trình ngập của (i) các khu giữa cũng như (ii) nhiều diện tích có địa hình thay đổi phức tạp có thể trữ nước tạm thời trên hệ thống sông đã không được xem xét trong tính toán mô phỏng Do đó đây cũng có thể là một trong các lý do cho kết quả tính toán thiên lớn và chênh lệch giữa tính toán và thực đo
4.3 Kiểm định mô hình
Hình 6 thể hiện kết quả tính toán và thực đo tại trạm thủy văn Lạng Sơn (Hình 1) cho trận lũ lịch sử tháng 7 năm 1986, dùng cho kiểm định mô hình thủy lực một và hai chiều kết hợp M IKE FLOOD Giá trị độ nhám xác định được trong quá trình hiệu chỉnh thông số mô hình có độ tin cậy cao Kết quả mô hình tái hiện tương đối tốt đường quá trình lũ lịch sử, bao gồm cả chân và đỉnh lũ Sai số quân phương và sai số trung bình của lưu lượng lần lượt là 370 và 280 m3/s (< 8,5% lưu lượng đỉnh lũ đo đạc được tại trạm), trong khi hệ số tương quan và
hệ số NS của lưu lượng lần lượt là 0,94 và
Trang 60,97 Giá trị của sai số quân phương và sai số trung bình của mực nước lần lượt là 1,60 và
1,02 m, còn hệ số tương quan và hệ số NS lần
lượt là 0,82 và 0,94 Chênh lệch lớn nhất giữa mực nước lũ lớn nhất tính toán và thực đo là 0,30 m trong khi giá trị này cho lưu lượng đỉnh lũ là 200 m3/s (bằng khoảng 4% lưu lượng đỉnh lũ đo đạc tại trạm)
Hình 6 Kết quả tính toán và thực đo tại trạm thủy văn Lạng Sơn, cho kiểm định mô hình: a)
lưu lượng và b) mực nước
Sự lệch pha về đỉnh lũ và mực nước lũ lớn nhất tính toán (Hình 6) so với thực đo có thể do một số nguyên nhân sau Thứ nhất, trận lũ tháng 7 năm 1986 là trận lũ lớn lịch sử gây ngập rất lớn cho thành phố Lạng Sơn cũng như các diện tích khác của lưu vực sông Kỳ Cùng,
lưu lượng tại thời điểm lũ xảy ra thì không được đo đạc mà chỉ được khôi phục lại sau này Đường quá trình lũ phục hồi chính là đường quá trình lũ thực đo trong nghiên cứu này Do đó, đường quá trình lũ thực đo có thể vẫn còn tiềm ẩn một số sai khác nhất định do các nguyên nhân khác nhau trong quá trình khôi phục như bỏ qua lượng nhập lưu của các bãi hay diện tích chảy tràn nhỏ Thứ hai, có thể là do sự khác biệt về tình trạng sử dụng đất, địa hình khi xảy ra trận lũ lịch sử tháng 7 năm 1986 và địa hình dùng trong mô hình thủy động lực Trong nghiên cứu này, số liệu địa hình dạng XYZ từ bình đồ với tỷ lệ 1/10.000 và 1/5.000 thu thập tháng 1 năm 2015 đã được sử dụng Thứ ba, dòng chảy vòng hay dòng chảy thứ cấp trong sông đã không được xem xét trong quá trình tính toán do không có thông tin cũng như để cho việc hiệu chỉnh các thông số mô hình đơn giản Việc bỏ qua dòng chảy vòng cũng có thể là một trong các nguyên nhân dẫn đến sự khác biệt khi so sánh giữa giá trị tính toán và thực đo
5 MÔ PHỎNG NGẬP LỤT CHO CÁC KỊCH BẢN LŨ LỊCH SỬ VÀ THẢO LUẬN
5.1 Trận lũ lịch sử năm 1986
Kết quả mô phỏng ngập cho trận lũ lịch sử tháng 7 năm 1986 được thể hiện trên Hình 7 và Hình 8 Có thể nhận thấy rằng sự kết hợp giữa mô hình thủy động lực M IKE 11 và M IKE 21 đã mô phỏng tốt quá trình ngập tại các bãi và các diện tích khác nhau dọc theo sông Kỳ Cùng (Hình 7a và Hình 8a), với độ sâu ngập trung bình từ 1,0 – 3,0 m Diện tích ngập trên toàn lưu vực ước tính là 2918,66 ha Đặc biệt là khu vực thành phố Lạng Sơn (Hình 7b-f) và khu vực hạ du vùng Thất Khê (Hình 8b-f), đây là các điểm ngập nghiêm trọng nhất trên lưu vực và tại các khu vực này độ sâu ngập có thể lên đến 10 m
Trang 7
Hình 7 Kết quả mô phỏng ngập lụt cho trận lũ lịch sử 24/7/1986: a) toàn lưu vực và khu vực thành phố Lạng Sơn tại thời điểm: b) đỉnh lũ, c) sau đỉnh lũ 6h, d) sau đỉnh lũ 12h, e) sau đỉnh lũ 18h và f) sau đỉnh lũ 24h
Tại khu vực thành phố Lạng Sơn, diện tích ngập ước t ính cho lũ lịch sử 1986 là 1106,5 ha Đồng thời kết quả mô phỏng từ mô hình thể hiện rõ sự thay đổi độ sâu ngập theo thời gian (Hình 7b-f) Tại thời điểm đỉnh lũ (tại trạm thủy văn Lạng Sơn) tương ứng với 18:30:00 ngày 23-07-1986 và s au đỉnh lũ 6 giờ gần như toàn bộ bãi bồi dọc theo sông và khu vự c thành phố đều ngập trong nư ớc, với độ s âu ngập phổ biến từ 0,5 đến 4,0 m thay đổi tùy từng vị trí và địa điểm cụ thể Thậm chí có những vị trí độ s âu ngập lên đến 7,5 m K ết quả t ính toán cũng thể hiện
diện tích ngập tại thời điểm s au đỉnh lũ 6 giờ thì lớn so với thời điểm xảy ra đỉnh lũ Điều này được lý giải bởi quá trình và thời gian tập trung dòng chảy từ thượng nguồn và các khu giữa vào sông chính Tuy nhiên, diện tích ngập đã giảm đáng kể sau đỉnh lũ 24 giờ, với độ sâu ngập trung bình nhỏ hơn 1,5 m Tại khu vự c Thất Khê (Hình 1), diện tích ngập và độ sâu ngập tại các thời điểm khác nhau thì không có sự khác biệt nhiều (Hình 8b-f) N guyên nhân là do Thất Khê thuộc khu vực đồng bằng thấp nằm ở hạ du của sông Kỳ Cùng
Trang 8
Hình 8 Kết quả mô phỏng ngập lụt cho trận lũ lịch sử 24/7/1986: a) toàn lưu vực và khu vực Thất Khê tại thời điểm: b) đỉnh lũ, c) sau đỉnh lũ 6h,
d) sau đỉnh lũ 12h, e) sau đỉnh lũ 18h và f) sau đỉnh lũ 24h
5.2 Trận lũ lịch sử năm 2014
Hình 9 và Hình 10 thể hiện kết quả mô phỏng ngập lụt trên lưu vực sông Kỳ Cùng cũng như khu vực thành phố Lạng Sơn và Thất Khê tại các thời điểm khác nhau của trận lũ lịch sử tháng 7 năm 2014 Tương tự như trận lũ lịch sử tháng 7 năm 1986, mô hình cũng mô phỏng tốt quá trình ngập tại các thời điểm khác nhau Diện tích ngập toàn lưu vực ước tính là 1040,47 ha Độ sâu ngập trung bình thay đổi từ 0 đến 2 m cho khu vực thành phố Lạng Sơn (Hình 9b-f) và từ 0 đến 3,5 m cho khu vực Thất Khê, huyện Tràng Định (Hình 10b-f) So với lũ lịch sử tháng 7 năm 1986 thì trận lũ tháng 7 năm 2014 có diện tích ngập và độ sâu ngập nhỏ hơn bởi vì trận lũ tháng 7 năm 2014 (Hđỉnhlũ =257,39 m tương ứng với lưu lượng đỉnh lũ là Qđỉnhlũ = 2640 m3/s) nhỏ hơn nhiều so với trận lũ tháng 7 năm 1986 (Hđỉnhlũ = 259,73 m tương ứng với lưu lượng đỉnh lũ là Qđỉnhlũ = 4520 m3/s) Diện tích ngập khu vực thành phố Lạng Sơn ước tính là 265,2 ha
Mô hình thủy động lực một và hai chiều kết hợp
cho phép mô phỏng quá trình ngập trên toàn lưu vực sông Kỳ Cùng nói chung và các khu vực hạ lưu ven sông nơi tập trung dân cư và hạ tầng phát triển nói riêng Tuy nhiên, bên cạnh các kết quả đã đạt được thì vẫn còn một số tồn tại Thứ nhất, việc sử dụng mô hình MIKE 11 cho sông Kỳ Cùng và các dòng nhánh (đã giúp giảm được thời gian tính toán từ mô hình) chỉ cho các kết quả trung bình của dòng chảy (vận tốc, độ sâu dòng chảy) mà không cho phép xem xét sự thay đổi của trường vận tốc cũng như phân bố dòng chảy trong các mặt cắt sông Đây chính là lý do vì sao độ sâu ngập trên dòng chính sông Kỳ Cùng và các sông nhánh không được xác định từ Hình 7 đến Hình 10 Thứ hai, quá trình so sánh giữa giá trị tính toán và thực đo được thực hiện tại trạm thủy văn Lạng Sơn cho hiệu chỉnh bộ thông số của mô hình cũng như kiểm định mô hình Do đó để tăng tính chính xác của kết quả mô phỏng, tài liệu đo đạc tại các vị trí khác trên lưu vực cũng nên được bổ sung và thu thập phục vụ cho nghiên cứu liên quan trong tương lai
Trang 9
Hình 9 Kết quả mô phỏng ngập lụt cho trận lũ lịch sử 20/7/2014:
a) toàn lưu vực, khu vực thành phố Lạng Sơn tại thời điểm: b) đỉnh lũ, c) sau đỉnh lũ 6h, d) sau đỉnh lũ 12h, e) sau đỉnh lũ 18h và f) sau đỉnh lũ 24h
Hình 10 Kết quả mô phỏng ngập lụt cho trận lũ lịch sử 20/7/2014: a) toàn lưu vực và khu vực Thất Khê tại thời điểm: b) đỉnh lũ, c) sau đỉnh lũ 6h,
d) sau đỉnh lũ 12h, e) sau đỉnh lũ 18h và f) sau đỉnh lũ 24h
Trang 106 KẾT LUẬN
Trong bài báo này, bộ phần mềm M IKE và công cụ GIS đã được sử dụng để xây dựng bản đồ ngập lụt do lũ gây ra trên lưu vực sông Kỳ Cùng, tỉnh Lạng Sơn Dựa trên các kết quả đã trình bày, một số kết luận chính của nghiên cứu có thể liệt kê như sau:
M ô hình mưa - dòng chảy đã được áp dụng thành công trên lưu vực nghiên cứu để khôi phục dòng chảy lũ trên lưu vực cũng như tạo các chuỗi số liệu đầu vào cho mô hình thủy động lực Giá trị lớn nhất của sai số quân phương và sai số trung bình của lưu lượng là 590 m3/s (tương đương 13% lưu lượng đỉnh lũ
đo đạc tại trạm ) trong khi hệ số tương quan r và hệ số NS thì lớn hơn 0,85
Các thông số của mô hình thủy động lực đã được hiệu chỉnh, sau đó mô hình được kiểm định cẩn thận bằng cách sử dụng các số liệu thực đo và tài liệu điều tra vết lũ tại 87 điểm dọc sông từ Bản Lải đến Thất Khê Sai số quân phương và sai số trung bình của lưu lượng nhỏ hơn 15% lưu lượng đỉnh lũ tại trạm trong khi
hệ số tương quan r và hệ số NS lớn hơn 0,80
Các bản đồ ngập lụt tương ứng với các kịch bản lũ lịch sử đã được xây dựng và thể hiện một cách chi tiết đặc biệt là khu vực hành chính thành phố Lạng Sơn và khu vực Thất
Khê -huyện Tràng Định Kết quả mô phỏng từ mô hình ước tính diện tích ngập của thành phố Lạng Sơn cho trận lũ lịch sử 1986 và 2014 lần lượt là 1106,5ha và 265,2 ha, với thời gian ngập từ 1 đến 24 giờ, trong khi đó tại Thất Khê là 1106,51ha (1986) và 620,0 ha (2014), với thời gian ngập trên diện rộng lớn hơn 24 giờ
Sự kết hợp giữa mô hình thủy động lực một và hai chiều đã cho phép mô phỏng và tái hiện lại quá trình phức tạp của dòng chảy lũ theo cả không gian và thời gian trên lưu vực nghiên cứu Công cụ tích hợp sử dụng mô hình mưa – dòng chảy, mô hình thủy động lực, và công nghệ GIS đã được xây dựng và áp dụng thành công cho lưu vực sông Kỳ Cùng và hoàn toàn có thể cung cấp các thông tin hữu ích (i) cho việc hỗ trợ ra quyết định trong công tác phòng chống lũ lụt trên lưu vực, (ii) xây dựng các tiêu chí cảnh báo lũ tại các điểm ngập nghiêm trọng cũng như (ii) trợ giúp cho việc ra quyết định khi có lũ lụt xảy ra
Do lưu lượng và tốc độ dòng chảy lớn, dòng chảy lũ thường gây sạt lở bờ và đáy sông cũng như mang theo nhiều bùn cát và làm thay đổi chất lượng nước Vấn đề bùn cát và chất lượng nước do lũ gây ra trên lưu vực nghiên cứu sẽ được xem xét trong các nghiên cứu tiếp theo.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Tài liệu kỹ thuật: quản lý rủi ro thiên tai và thích ứng với biến đổi khí hậu, Tổng Cục Thủy Lợi, 2012;
[2] Hồ sơ Kỹ thuật, Kế hoạch quản lý lũ tổng hợp lưu vực sông Kỳ Cùng, tỉnh Lạng Sơn, Viện Thủy điện và năng lượng tái tạo- Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, 2016;
[3] Hoàng Thị M inh Nguyệt () "Nghiên cứu cơ sở khoa học và đề xuất giải pháp tiêu úng thoát lũ sông Phan- Cà Lồ", Luận Án Tiến sĩ;
[4] User Guides M IKE by DHI 2014;
[5] Thông tin Cổng Thông tin điện tử Lạng Sơn