NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Phân chia lưu vực bộ phận và mạng lưới sông ngòi bằng phần mềm GIS Tính chuỗi dữ liệu mưa trong bối cảnh BĐKH theo các cấp phát thải khí hậu RCP2.6, RCP4.5 và RCP8
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Đặc vấn đề
Biến đổi khí hậu dẫn đến hạn hán, mực nước biển dâng, bão và lũ lụt được xem là mối đe dọa lớn nhất trong thế kỷ 21, theo đánh giá sơ bộ gần đây của các tổ chức quốc tế WB, ADB, IPCC và cùng với các nghiên cứu trong nước Việt Nam là một trong những quốc gia chịu ảnh hưởng nặng do biến đổi khí hậu Đặc biệt là các tỉnh miền trung với diễn biến bão lũ ngày càng phức tạp và gia tăng
Trong năm 1999 chỉ trong vòng gần 1 tháng ( từ 1/11 đến 6/12), ở hầu hết các tỉnh Trung Bộ và Tây Nguyên đã có 2 đợt mưa rất to gây ra hai đợt lũ diện rộng hiếm thấy trong lịch sử, làm ngập lụt nghiêm trọng dài ngày, thiệt hại lớn về kinh tế và dân sinh với hơn 595 người chết, gần 275 người bị thương, 41.846 hộ gia đình bị mất nhà
Cửa, tài sản thiệt hại ước tính lên đến 4000 tỷ đồng Trận lũ năm 1999 ở miền trung được xem là hiếm thấy trong 100 năm qua
Tháng 11/2003 xảy ra lũ lớn cục bộ, gây ngập lụt lớn đối với các tỉnh ven biển từ Quảng Nam đến Ninh Thuận Đỉnh lũ trên các sông điều vượt mức báo động III, làm chết 65 người 33 người bị thương, thiệt hại 432 tỷ đồng
Tháng 10 năm 2006, Bão số 6 đã đổ bộ vào tỉnh Quảng Nam với sức gió gần tâm bão giật cấp 13, cấp 14 làm 72 người chết và 532 mất người bị thương, gần 350.000 căn nhà bị đổ và hư hại, thiệt hại lớn về kinh tế gần 10.000 tỷ đồng
Năm 2013 được đánh giá là một năm nước ta bị thiệt hại nặng nề do thiên tai
Theo thống kê của Ban chỉ đạo Phòng chống lụt bão Trung ương Trong năm 2013, bão lũ đã làm 264 người chết và mất tích, hơn 800 người bị thương, gần 12.000 ngôi nhà bị sập đổ, cuốn trôi, hơn 300.000 ha lúa bị hư hỏng…Ước tính tổng thiệt hại về vật chất lên tới khoảng 25.000 tỷ đồng
Chính vì vậy, việc nghiên cứu dự báo khả năng gập lụt trong tương lai do mưa bão gây ra và trước tình hình biến đổi khí hậu phức tạp như hiện nay đang là vấn đề
Trang - 2 cấp thiết cần được nghiên cứu nhầm đưa ra những kết quả thật cụ thể và cần thiết Từ đó, nó giúp các nhà quản lý vạch định chiến lượt phát triển xã hội cũng như đưa ra các biện pháp ứng phó thích hợp, giúp giảm thiểu thiệt hại về con người và kinh tế
Hình 1.1 Lũ lụt ở Quảng Nam sau trận bão Ketsana năm 2009
Các nghiên c ứu trong nước
[1] Nguyễn Thị Hồng, Nguyễn Ngọc Minh, Lê Song Giang, Huỳnh Công Hoài, Nguyễn Quang Trưởng (Trường Đại Học Bách Khoa, Đại Học Quốc Gia Thành Phố
Hồ Chí Minh) “Nghiên cứu bằng mô hình toán số dòng chảy lũ ở Hòa Châu ( Hòa Vang, Đà Nẵng)” Tuyển tập Công Trình Hội nghị khoa học- Cơ học Thủy khí toàn quốc, năm 2014
Bài báo này thực hiện dựa trên phần mềm F28 với mô hình tích hợp 1D2D cho tính toán dòng chảy lũ khu vực xã Hoà Châu nằm trên sông Vu Gia - Thu Bồn Trong đó, mô hình hóa dòng chảy trong sông xem là dòng chảy một chiều được giải bằng phương trình Saint-Venant 1D và dòng chảy tràn trên vùng ngập lụt cũng như vùng nước biển từ Cửa sông tràn vào được xem là dòng chảy hai chiều và được giải bằng
Trang - 3 phương trình nước nông 2D Đường giao thông, đường sắt được đưa vào mô hình và xem như đập tràn đỉnh rộng Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định theo số liệu lũ các năm 1999, 2007, 2009, 2010 và 2013 Trong mô hình tính có đưa yếu tố công trình ( Đường sắt, san lấp khu đô thị phía đông QL1 và đường vành đai phía Nam) đã cho thấy được kết quả ảnh hưởng của những công trình này đến phân lũ trong lưu vực nghiên cứu Trong đề tài chưa trình bày kết quả các thông số mô hình ứng dụng và các chỉ tiêu đánh giá giữ kết quả tính toán với thực đo
[2] Ngô Lê An ( Trường Đại Học Thủy Lợi), Nguyễn Ngọc Hoa (Trung Tâm Dự Báo Khí Tượng Thủy Văn Trung Ương) “Nghiên cứu dự báo dòng chảy lũ lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn,” Tạp chí Khoa học kỹ thuật Thủy lợi và Môi trường, 12.2013
Bài báo đã nghiên cứu xây dựng bộ mô hình tính toán bao gồm các mô hình thuỷ văn và thuỷ lực như MIKE NAM, MIKE 11 và HEC-RESSIM kết hợp với mô hình khí tượng dự báo mưa, để phục vụ công tác dự báo lũ trên lưu vực Bên cạnh đó, bài báo còn tập trung nghiên cứu xây dựng thành công 2 phương án dự báo với thời gian dự kiến lần lượt là 18h và 24h nhằm dự báo dòng chảy tại các trạm phía hạ lưu như Ái Nghĩa, Giao Thuỷ Kết quả dự báo thử nghiệm cho trận lũ năm 2010 đã cho kết quả tốt, cùng với đó là mức đảm bảo số NASH đạt từ 0.6 đến hơn 0.82
[3] Trần Văn Tình ( Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, Đại Học Quốc Gia Hà
Nội) “Xây dựng bản đồ ngập lụt vùng hạ lưu lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn,” Luận văn Thạc sỹ, Đại học Quốc gia Hà Nội- Đại Học Khoa học Tự Nhiên, Hà Nội, 2013 Đề tài xây dựng được bản đồ ngập lụt với việc kết hợp phần mềm GIS và kết quả mô phỏng thủy văn, thủy lực bằng bộ mô hình HEC Đồng thời sử dụng thành công mô hình HEC-GeoRAS để mô phỏng diện ngập, độ sâu ngập tại lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn ứng với trận lũ lịch sử năm 2009 ứng với tần suất thiết kế 1%, 5% và 10%
Các nghiên c ứu ngoài nước
Một số nghiên cứu nước ngoài về vấn đề ngập lụt do biến đổi khí hậu gây ra như:
[4] Doan Thanh Tan, “Application of HEC-HMS, HEC-RAS and ArcGIS to simulate flow discharge in the Linbian River during Typoon Morakot,” Master’s Thesis, National Cheng Kung University, Taiwan, Jnue 6 2015 Đề tài này nghiên cứu tính toán thủy văn và thủy lực bằng sử dụng các mô hình HEC-HMS, HEC-RAS, mô hình hóa dòng chảy trên sông Linbian ứng với cơn bão
Morakot Cơn bão này xảy ra trong ba ngày 7, 8, 9 của tháng 8 năm 2009 với tổng lượng mưa lên đến 2500mm Nó tương đương với tổng lượng trung bình năm và cùng thời điểm đó mực nước triều lên cao đã làm giảm khả năng thoát nước gây ngập lụt và làm phá hỏng một số đoạn bờ bao dọc sông Linbian Đề tài tính toán thủy văn dùng mô hình HEC-HMS và mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định dựa trên kết quả quan trắc của cơn bão Herb ( 6/2006) Kết quả đạt được với sai số đỉnh lũ giữa mô hình và số liệu quan trắc (Typhoon Herb 6/2006) là 2.01%
Tác giả tính toán tiếp bài toán thủy lực cho hai cơn bão Morakot và Herb dựa trên mô hình HEC-RAS, để đưa ra kết luận so sánh tác động của hai cơn bão đến bờ bao dọc sông Linbian
[5] John Ballinger, Bethanna Jackson, Andy Reisinger và Kristin Stokes “The potential effects of climate change on flood frequency in the Hutt River,” New Zealand Climate Change Research Institute, 2011
Lưu vực nghiên cứu là khu dân cư thuộc thung lũng Hutt ở New Zealand Trận lũ trong năm 2000, đã gây ngập lụt khoảng 75.000 ngôi nhà, thiệt hại lên đến 6 tỉ đôUZD
Trong nghiên cứu này số liệu dự báo thủy văn khi xét đến biến đổi khí hậu được tính toán dựa vào báo cáo nhiệt độ toàn cầu tăng lên trong năm 2040 và 2090 trong báo cáo của tổ chức IPCC (the International Panel on Climate Change) Từ đó thiết lập 3 kịch bản ( B1, A1B, A2), dựa trên các mô hình biến đổi khí hậu Đường cơ sở của
Trang - 5 nghiên cứu này được xây dựng dựa trên số liệu báo cáo của sông Hutt trong vòng 40 năm ( 1/1/1970 đến 1/1/2010)
Kết quả nghiên cứu cho thấy việc gia tăng nhiệt độ trong không khí đã làm tăng lượng mưa đáng kể trên diện rộng và cho thấy khả năng gia tăng đáng kể về tần suất lũ lụt trong thế kỷ 21 tại thung lũng Hutt ở New Zealand.
M ục đích nghiên cứu
Đề tài “ Nghiên c ứu tính toán ngập lụt hạ lưu sông Vu Gia – Thu Bồn trong b ối cảnh biến đổi khí hậu ” được thực hiện với việc sử dụng những phần mềm thích hợp ( ArcGIS, HEC-HMS 4.0, HEC RAS 5.0.1 và SDSM4.2) để đưa ra bản đồ ngập tại lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn dưới tác động của biến đổi khí hậu trong tương lai theo các kịch bản biến đổi khí hậu RCP2.6, RCP4.5 và RCP8.5 Từ đó đưa ra cái nhìn tổng quan về tác động của biến đổi khí hậu trong tương lai.
Phương pháp nghiên cứu
Nhằm thu thập và xử lý số liệu khí tượng thủy văn, số liệu ghi nhận giá trị ngập lụt đã xảy ra, số liệu địa hình, mặt cắt mạng lưới sông, các số liệu về triều
Trong khi thực hiện đề tài này, có sự thừa kế số liệu từ nhiều nguồn và các kết quả đạt được của từ nghiên cứu trước đây của các tác giả, các cơ quan và các tổ chức khác
1.5.3 Phương pháp chi tiết hóa thống kê
Sử dụng công cụ Statistical DownScaling Model (SDSM), là một công cụ hỗ trợ, đánh giá sự thay đổi khí hậu ở quy mô địa phương bằng cách sử dụng kỹ thuật downscaling thống kê, được phát triển bởi Wilby, Dowson và Barrow năm 2001
Những cấu trúc hoạt động của SDSM gồm (1) Kiểm soát chất lượng và chuyển đổi dữ liệu thống kê; (2) Kiểm tra các nhân tố dự báo; (3) Hiệu chỉnh mô hình; (4) Tổ hợp các
Trang - 6 dữ liệu hiện tại bằng các nhân tố trong quan trắc; (5) Đầu ra của mô hình là số liệu của các yếu tố quan trắc trong tương lai ứng với các kịch bản biến đổi khí hậu
1.5.4 Phương pháp ứng dụng mô hình toán
Dùng các mô hình thủy văn, thủy lực để đánh giá mực ngập lụt và thời gian ngập trên hệ thống hạ lưu sông Vu Gia - Thu Bồn Trong luận văn này sẽ ứng dụng các phần mềm:
Bộ mô hình HEC Công Dụng Mô Hình HEC- HMS 4.0 Tính thủy văn
HEC-RAS 5.0.1 Tính thủy lực ArcGIS 10.2 Xây dựng mô hình SDSM 4.2 Tạo chuỗi số liệu biến đổi khí hậu
Hình 1.2 Sơ đồ thực hiện tính toán trong Luận văn
Biên lưu lượng ( Q ~ t ) S ố liêu mưa tại các tr ạm đo
Xây d ựng mạng lưới sông và phân chia lưu vực bộ ph ận - ArcGIS
Xây d ựng bản đồ ngập lụt
Mô hình tính toán th ủy văn
Mô hình tính toán th ủy văn
HEC – RAS _2D Điều kiện biên dưới M ực nước triều
KHÔNG XÉT BI ẾN ĐỔI KHÍ HẬU
Xây dựng bản đồ ngập lụt
Với kịch bản RCP4.5; RCP8.5 – 2050 V ới kịch bản RCP4.5; RCP8.5 – 2080
NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ
CÓ XÉT BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
S ố liệu lưu lượng lũ quan tr ắc tại Thành M ỹ và Nông Sơn
Trang - 8 ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN LƯU VỰC SÔNG VU GIA – THU BỒN
ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN LƯU VỰC SÔNG VU GIA – THU BỒN
V ị trí địa lý
Phạm vi lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn có ranh giới từ 14 0 55’ đến 16 0 04 vĩ độ Bắc và từ 107 0 15’ đến 108 0 20’ kinh độ Đông với các lưu vực:
Phía Bắc giáp lưu vực sông Cu Đê
Phía Nam giáp lưu vực sông SêSan, sông Trà Bồng thuộc Quảng Ngãi Phía Đông giáp biển Đông và lưu vực sông Tam Kỳ
Phía Tây giáp với Lào
Với tổng diện tích 10.350 km 2 , bao gồm thành phố Đàng Nẵng và tỉnh Quảng Nam
Ngu ồn: Dự án LUCCi “Land Use and Climate Change Interaction in Central Vietnam”
Hình 2.1 Bản đồ vị trí địa lý Tỉnh Quảng Nam
Trang - 9 Quảng Nam có hướng địa hình nghiên dần từ Tây sang Đông hình thành 3 kiểu cảnh quan sinh thái rõ rệt là kiểu núi cao phía Tây, kiểu trung du ở giữa và dải đồng bằng ven biển phía đông
Vùng đồi núi chiếm 72% diện tích tự nhiên với nhiều ngọn cao trên 2.000m như núi Lum Heo cao 2.045m, núi Tiên cao 2.032m, Bà Nà (1467m), núi Gole - Lang cao 1.855m (huyện Phước Sơn) và Núi Ngọc Linh cao 2.598m nằm trên dải trường Sơn Nam, ranh giới Quảng Nam, Kon Tum là đỉnh núi cao nhất miền Trung Việt Nam
Vùng trung du là vùng chuyển tiếp từ vùng núi đến đồng bằng có độ cao từ 100m đến dưới 800m Ở trung lưu sông Thu Bồn có các dãy núi chạy theo hướng Bắc Nam ở các huyện: Tiên Phước, Hiệp Đức, Quế Sơn với những đỉnh núi cao từ 500-800m
Các dải núi ở trung lưu chạy theo hướng Bắc - Nam cho nên độ dốc địa hình thấp dần theo hướng Bắc-Nam bắt đầu từ địa phận bắc huyện Trà My đến giáp phía Tây huyện Duy Xuyên
Ngoài ra, địa hình vùng đồng bằng lưu vực Vu Gia – Thu Bồn thấp dưới 30m, tương đối bằng phẳng, gồm địa phận các huyện: Đại Lộc, Duy Xuyên, Điện Bàn, Thăng Bình, thành phố Hội An, thành phố Tam Kỳ và huyện Hoà Vang (thành phố Đà
Nẵng) Trong vùng đồng bằng có các dải cát chạy dọc theo bờ biển với độ cao trên dưới 5m.
Đặc điểm hệ thống sông ngòi
Thượng lưu sông Thu Bồn được gọi là sông Tranh hay sông Tĩnh Gia Sông bắt nguồn từ khối núi Ngọc Linh(Nam Quảng Nam-Bắc Kon Tum); phần thượng lưu này được gọi là Đak Mi Sông chảy ngược lên phía Bắc qua các huyện trung du của tỉnh Quảng Nam như Nam Trà My, Bắc Trà My, Tiên Phước, Hiệp Đức Khi đi qua đây, sông nhận thêm nhiều chi lưu là các nhánh sông, suối nhỏ Đoạn chảy qua Tiên Phước và Hiệp Đức được gọi là sông Tranh Bắt đầu khi đi qua địa phận Nông Sơn, Duy Xuyên, Sông mới bắt đầu được gọi là Thu Bồn Ở Nông Sơn, sông đổi sang hướng Tây Nam-Đông Bắc, từ ngã ba với sông Quảng Quế tới trước khi đổ ra biển tại
Trang - 10 Cửa Đại, thành phố Hội An Trước khi đổ ra biển sông Thu Bồn tạo ra một số phân lưu như sông Bà Rén, sông Ba Chươm, sông Cổ Cò, sông Đình, sông Đò, sông Hội An và một nhánh chảy vào sông Vĩnh Điện để đổ nước vào sông Hàn, Đà Nẵng
Sông Vu Gia bắt nguồn từ vùng núi ở phía Tây Nam của tỉnh Quảng Nam và ở phía Bắc của tỉnh Kon Tum Phần thượng nguồn ở Phước Sơn được gọi là sông Đăk Mi, sông chảy theo hướng Nam lên Bắc Khi qua địa bàn phía Đông huyện Nam Giang, sông được gọi là sông Cái Tại đây, nó nhận một chi lưu lớn ở phía Tây (tả ngạn), đó là sông Giằng Bắt đầu khi chảy sang huyện Đại Lộc, sông được gọi là Vu Gia và có dòng chảy theo hướng Đông-Tây Sông Vu Gia chảy đến địa phận xã Đại Hòa ở phía Tây Đại Lộc thì tách ra làm hai dòng, một dòng là sông Yên chảy lên phía
Bắc hợp lưu với sông Cầu Đỏ, một dòng chảy về phía Nam hợp lưu với sông Thu Bồn
Sau đó, các nhánh sông hợp lưu lại tại Đà Nẵng trước khi đổ ra biển tại Cửa Hàn
Hệ thống sông Vu Gia- Thu Bồn: do dòng chảy chính sông Vu Gia và sông Thu Bồn tạo thành Tại ranh giới giữa Duy Xuyên và Đại Lộc, Sông Thu Bồn được nối thông với sông Vu Gia bằng đoạn Sông Quảng Quế Trong những năm gần đây, tại đoạn sông Quảng Quế đã hình thành thêm nhánh sông Quảng Quế mới tại Xã Đại Cường Đây là đoạn nối khá quan trọng nhầm phân lưu dòng chảy tại hai nhanh sông lớn là sông Vu Gia và sông Thu Bồn
Đặc điểm thổ nhưỡng
Hình 2.2 Bản đồ thổ nhưỡng lưu vực sông Vu Gia- Thu Bồn
Lưu vực có thành phần đất đá khá đa dạng Ở vùng thượng nguồn là các thành tạo macma: granit biotit, granit haimica, cát kết, andezit, đá phiến sét Phía Nam lưu vực còn bắt gặp phylit, quazit, cuội kết, đá hoa, đá phiến mica, porphyolit, đá phiến lục của hệ tầng A Vương Vùng gần biển chủ yếu là cát có nguồn gốc gió biển và một phần nhỏ thành tạo cuội cát Dọc theo sông là các thành phần: cuội, cát, bột, sét có nguồn gốc sông tuổi Đệ tứ Phần thượng nguồn là đất mùn vàng đỏ trên núi, dọc hai bờ sông là đất đỏ vàng trên phiến sét và đất xói mòn trơ sỏi đá Đất núi dốc phần lớn trên 20 o , tầng đất mỏng có nhiều đá lộ Các đồng bằng được cấu tạo bởi phù sa cổ, phù sa mới, ngoài ra còn có các cồn cát và bãi cát chạy dọc theo bờ biển ở các đồng bằng ven biển
Trang - 12 Trong lưu vực hệ thống sông Vu Gia - Thu Bồn có các nhóm đất chính với diện tích: Nhóm đất cồn cát và đất cát biển có diện tích khoảng 9.779 ha được hình thành ở ven biển của sông Thu Bồn từ Đà Nẵng đến Duy Nghĩa với những dải cát rộng hẹp khác nhau tùy theo tương tác giữa sông biển và dòng chảy sông; Nhóm đất mặn có diện tích khoảng 3.058 ha, phân bố ở vùng phía đông huyện Duy Xuyên, Hội An; Nhóm đất phèn phân bố ở vùng đông huyện Điện Bàn, chiếm diện tích khoảng 629ha; Nhóm đất phù sa phân bố ở hạ lưu sông Thu Bồn và một số vùng ở trung lưu; Nhóm đất xám bạc màu phân bố ở hầu hết các huyện vùng trung du sông Thu Bồn, diện tích 12.910ha;
Nhóm đất vàng phân bố chủ yếu ở các huyện trung du và miền núi như Trà My, Tiên Phước, Quế Sơn, Hiệp Đức , chiếm diện tích 275.041ha.
Đặc điểm khí tượng thủy văn
Lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn nằm vùng Duyên hải Trung Trung Bộ (bao gồm khu vực đồng bằng ven biển Trung Trung Bộ thuộc phía Nam đèo Hải Vân) Gió mùa Đông Bắc khi thổi đến đây thường suy yếu đi do bị chặn lại bởi dãy Bạch Mã Vì vậy, về mùa hè khi xuất hiện gió mùa Tây Nam thổi mạnh từ vịnh Thái Lan và tràn qua dãy núi Trường Sơn sẽ gây ra thời tiết khô nóng cho toàn bộ khu vực Đặc điểm nổi bật khí hậu Trung Bộ là có mùa mưa và mùa khô không cùng xảy ra vào một thời kỳ trong năm như hai vùng khí hậu Bắc Bộ và Nam Bộ
2.4.1 Số giờ nắng trung bình
Số giờ nắng trung bình năm từ 1800 giờ ở vùng núi cao đến 2260 giờ tại Đà Nẵng Số giờ nắng trung bình của từng tháng bằng 200 – 255 giờ trong mùa hè và dưới 150 giờ trong mùa đông Tháng VII có giờ nắng trung bình cao nhất, tháng XII có giờ nắng trung bình thấp nhất
Nhiệt độ không khí trung bình năm khoảng 24 0 C – 26 0 C, có su thế cao ở đồng bằng ven biển và thấp ở miền núi, giảm theo sự tăng của độ cao địa hình Nhiệt độ không khí cũng biến đổi theo mùa Tháng VI và tháng VII là tháng có nhiệt độ không
Trang - 13 khí trung bình cao nhất (trên 29 0 C), tháng I là tháng có nhiệt nhiệt độ trung bình tháng thấp nhất
2.4.3 Lượng mưa Mùa mưa thường xuất hiện từ tháng IX đến tháng XII hàng năm với lượng mưa trung bình chiếm tới 65-85% tổng lượng mưa cả năm Mùa mưa chính tập trung chủ yếu vào tháng X và XI hàng năm, trong 2 tháng này lượng mưa đạt tới 40-50% tổng lượng mưa cả năm trong lưu vực Cho nên, lũ lụt cũng thường xảy ra trong thời gian này Mùa khô hạn hán nặng nhất tập trung vào cuối tháng II đến tháng IV hàng năm với lượng mưa thời gian này chỉ đạt từ 3-5% tổng lượng mưa hàng năm
Tại lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn lượng mưa trung bình hàng năm đo được từ 2000-4000mm và phân bố cường độ từ vùng núi cao thấp dần xuống vùng đồng bằng
Cụ thể, tại vùng núi cao như Trà My, Tiên Phước lượng mưa hàng năm đạt từ 3000-4000mm; vùng có độ cao trung bình như Khâm Đức, Nông Sơn, Quế Sơn lượng mưa phổ biến hàng năm từ 2500-3000mm; vùng đồi núi thấp và đồng bằng duyên hải lượng mưa trung bình đạt từ 2000-2500mm
Bảng 2.1 Lượng mưa trung bình tháng các trạm đo mưa từ năm 2007 đến 2010
Hình 2.3 Biểu đồ lượng mưa trung bình tháng tại các trạm đo mưa
Nông Sơn Thành Mỹ Khâm Đức
Hiệp Đức Hiên Ái Nghĩa
Đặc điểm thủy văn dòng chảy trong lưu vực
Toàn bộ dòng chảy trên hệ thống sông Vu Gia - Thu Bồn hàng năm đạt tới
24km 3 (24 tỷ m 3 ), tương ứng với lưu lượng trung bình năm là Q0 = 760 m 3 /s và module lưu lượng dòng chảy trung bình năm là M0 = 73,4 lít/s.km 2 Vào mùa lũ ( từ tháng X đến tháng XII), chỉ có 3 tháng mà tổng lượng dòng chảy chiếm tới 64.8% Wnăm ( tổng lượng dòng chảy năm) Đặc biệt, trong thời kỳ đỉnh lũ, trên hệ thống sông Vu Gia -
Thu Bồn, Module lưu lượng dòng chảy đạt trị số cực đại Mmax là 3.300 - 3.800 l/s.km 2 ; ở các sông nhánh số liệu đo được nhỏ hơn, khoảng 500-1000l/s.km 2
Về khả năng hình thành lũ lụt trong lực vực sông Vu Gia - Thu Bồn, do có địa hình đồi núi dốc từ Tây sang Đông, cộng với lượng mưa trung bình hàng năm cao và tập trung mưa nhiều chỉ trong hai tháng X và tháng XI Nên vào mùa mưa ở thượng lưu và trung lưu thì lũ về rất nhanh và xuống nhanh với biên độ và lưu tốc dòng chảy trong các sông khá lớn còn ở hạ lưu lũ lên tương đối nhanh nhưng rút chậm.
Đặc điểm ngập lụt hạ lưu lưu vực sông Vu Gia -Thu Bồn
2.6.1 Các nhóm nguyên nhân chính gây ngập lụt
- Về địa hình: Dãy Trường Sơn chạy dọc theo bờ biển, nên đồng bằng ở miền Trung rất nhỏ hẹp với nhiều sông, suối nhưng chiều dài các sông đa số ngắn và có độ dốc lớn Lưu vực các sông thường là đồi núi nên mưa tạo dòng từ triền núi chảy xuống dòng sông rất nhanh Thêm vào đó, các cửa sông lại hay bị bồi lấp làm cản trở việc thoát lũ cho vùng đồng bằng
- Về mặt Thủy văn mưa: Lưu vực có lượng mưa trung bình hàng năm tương đối lớn đo được từ 2000-4000mm Hơn nữa, lượng mưa lại tập trung chủ yếu trong khoảng thời gian ngắn từ tháng IX đến tháng XII hàng năm với lượng mưa trung bình chiếm tới 65-85% tổng lượng mưa cả năm Vì vậy, lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn thường xảy ra lũ trong khoảng thời gian này và đỉnh lũ thường rơi vào tháng X và tháng XI
- Về tác động của con người: Việc phá rừng làm giảm khả năng hấp thụ nước khi mưa và làm giảm hệ số nhám bề mặt của lưu vực Vì vậy, nạn phá rừng đã làm tăng
Trang - 16 nhanh mực nước ở các vùng hạ lưu khi vào mùa mưa Thêm nữa là việc vận hành xả nước tại các đập thủy điện thượng nguồn không hợp lý, gây ra hiện tượng lũ chồng lũ ở hạ lưu
2.6.2 Đánh giá một số trận lũ qua các năm - Trận lụt đặc biệt lớn tháng XI năm 1998
Nguyên nhân: Từ 18 đến 22/XI, một đợt mưa lớn trên diện rộng từ Thừa Thiên Huế đến Bình Thuận và cao nguyên Nam Trung Bộ đã làm cho hầu hết các sông trong khu vực xuất hiện lũ từ báo động 2 đến trên báo động 3 Trên hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn tình hình ngập lụt hết sức nghiêm trọng, với độ sâu ngập trung bình từ 1 – 4 m tùy từng khu vực, có nơi sâu nhất ngập tới 4.7m (Đàn Thượng - Tiên Lập) Khu vực ngập chủ yếu là vùng kẹp giữa hai sông Vu Gia - Thu Bồn, phần dưới Giao Thuỷ (sông Thu Bồn) và ngã ba sông Cà Răng - Vu Gia, độ rộng vùng ngập kéo dài và mở rộng về phía hạ lưu đến các cồn cát ven biển thuộc huyện Điện Bàn, Duy Xuyên, Hoà Vang
- Trận lụt đầu tháng XI năm 1999
Nguyên nhân: Do ảnh hưởng của không khí lạnh có cường độ mạnh và đới gió Đông đang phát triển từ tầng thấp đến trên 5000m kết hợp với hoạt động có cường độ rất cao của dải hội tụ nhiệt đới có trục đi qua Nam bộ Từ ngày 1 - 6/XI ở hầu hết các nơi thuộc các tỉnh Trung bộ và Tây nguyên đã có mưa to, mưa rất to nhiều nơi có lượng mưa lớn hiếm thấy trong vòng 50 năm trở lại đây, lượng mưa trong 24 giờ hầu hết các nơi trong lưu vực điều trên đạt 450 - 500mm, cường độ mưa nhiều nơi đạt từ 50
- 80mm/h Chỉ tính riêng lượng mưa trong 6 ngày đã chiếm tới 70 - 80% lượng mưa trung bình năm
Tình hình ngập lụt: Thành phố Đà Nẵng và Huyện Hoà Vang bị ngập sâu từ 1 - 3m, sân bay quốc tế Đà Nẵng một số nơi bị ngập tới 1.5m làm sân bay phải đóng cửa từ 7 giờ ngày 3 tháng XI đến 6 giờ ngày 4 tháng XI Ở Quảng Nam: Hầu hết các huyện đồng bằng như Đại Lộc, Điện Bàn, Duy Xuyên, thị xã Hội An và vùng phía đông các huyện Thăng Bình, Tam Kỳ, Núi Thành, Quế Sơn độ sâu ngập từ 2 - 4m Hầu hết các
Trang - 17 tuyến giao thông trong tỉnh bị ách tắc, quốc lộ 1A nhiều đoạn ngập sâu từ 1 - 2m Đợt lũ lớn nhất năm 1999 có những đặc điểm phức tạp và ác liệt hơn trận lũ 1998, mực nước lũ cao hơn và ảnh hưởng trên diện rộng hơn
- Trận lũ tháng XI năm 2007
Trong năm 2007, trên lưu vực đã xảy ra nhiều trận lũ lớn có đỉnh cao hơn mức báo động II Đặc biệt, chỉ trong vòng hơn 1 tháng (từ đầu tháng X đến giữa tháng XI), trên hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn đã liên tiếp xảy ra 5 đợt lũ lớn Tổng lượng mưa trong 4 ngày ở khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng phổ biến từ 500 - 700mm Một số nơi mưa lớn hơn 750mm, như tại Ái Nghĩa: 763mm, Hiệp Đức: 778mm, Tiên Sa: 772mm
Mưa lớn tập trung trong 2 ngày: 11 – 12/XI Tại tỉnh Quảng Nam và Đà Nẵng đã có 228.269 ngôi nhà bị ngập; số hộ phải sơ tán khoảng 70.000 hộ (trên 1 triệu người); nhà bị hỏng và trôi: 1458 cái Tổng diện tích, hoa mầu bị úng, ngập là 7610ha Tuyến quốc lộ 1A và nhiều tuyến giao thông trong tỉnh bị ngập sâu, giao thông bị chia cắt, nhiều khu vực dân cư bị cô lập hoàn toàn Ước tính thiệt hại trên 3,000 tỷ đồng
2.6.3 Tổng quan về các đập thủy điện
Do đặc điểm địa lý, thủy văn của hệ thống sông ở miền Trung - Tây Nguyên với lưu lượng mưa hằng năm rất lớn so với cả nước (từ 2.000 mm/năm trở lên) nên hệ thống sông suối ở khu vực này ẩn chứa một tiềm năng thủy điện rất lớn, đặc biệt là hệ thống sông Vu Gia - Thu Bồn thuộc các tỉnh Quảng Nam Trên thống sông Vu Gia -
Thu Bồn có tới 10 công trình thủy điện với tổng công suất lắp máy 1.279MW, sản lượng điện bình quân hằng năm là 4.751,3 tỷ kWh Trong đó có nhiều công trình thủy điện đã đưa vào sử dụng như A Vương 1, Sông Tranh 2, Đak Mi 4, Sông Bung 4, Sông Côn 2 và Đak Mi 1.v.v…
Trên hệ thống sông Vu Gia - Thu Bồn gồm 8 dự án thủy điện:
- Thủy điện A Vương, mực nước dâng bình thường (MNDBT) 380m, công suất lắp máy (NLM) 210 MW
- Thủy điện Sông Bung 2, MNDBT 570m, NLM = 100 MW
Trang - 18 - Thủy điện Sông Bung 4, MNDBT 5230m, nhà máy thuỷ điện trên nhánh sông Giằng NLM = 220 MW
- Thuỷ điện Sông Giằng, MNDBT 60m, NLM = 60 MW
- Thủy điện Đak Mi 1, MNDBT 820m, NLM = 255 MW
- Thủy điện Dak Mi 4, MNDBT 260, nhà máy thủy điện trên nhánh sông Thu Bồn, NLM = 210 MW
- Thủy điện Sông Côn 2, MNDBT 312,5m, NLM = 60 MW
- Thủy điện Sông Tranh 2, MNDBT 170m, NLM = 135MW
Các dự án thủy điện trên sông Vu Gia - Thu Bồn thực hiện đồng thời các nhiệm vụ phát điện lên hệ thống điện quốc gia; bổ sung nguồn nước về mùa kiệt cho hạ du và tham gia giảm lũ, chậm lũ cho hạ lưu nếu được điều tiết tốt
XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU TÍNH TOÁN
XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU TÍNH TOÁN
Tài li ệu địa hình
Trong đề tài được thực hiện với bản đồ đia hình DEM 30m x 30m được tải từ trang http://gdex.cr.usgs.gov/gdex/ với dữ liệu “ASTER Global DEM V2”
Trong đề tài này sử dụng số liệu mặt cắt ngang sông dùng để tính thủy lực với 98 mặt cắt sông Trong đó, nhánh sông Vu Gia tính từ Trạm Thành Mỹ đến Cửa Hàn gồm 55 mặt cắt; nhánh sông Thu Bồn tính từ trạm Nông Sơn ra tới Cửa Đại gồm 37 mặt cắt;
Nhánh sông Quảng Quế nối sông Vu Gia và sông Thu Bồn, có 06 mặt cắt.
Tài li ệu khí tượng thủy văn chưa xét đến bối cảnh biến đội khí hậu
3.2.1 Tài liệu khí tượng thủy văn
Hình 3.1 Vị Trí các trạm đo thủy văn của lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn
Sông Su ối Ranh gi ới Lưu vực Điểm đo thủy văn
Hình 3.2 Trạm đo mưa Khâm Đức
Lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn, vào mùa mưa lượng mưa trung bình chiếm tới
65-85% tổng lượng mưa cả năm, trong khi mùa khô lượng mưa chỉ đạt từ 15-35%
Mùa mưa chính tập trung chủ yếu vào tháng X và tháng XI hàng năm, trong 2 tháng này lượng mưa đạt tới 40-50% tổng lượng mưa cả năm trong lưu vực Cho nên lũ lụt cũng thường xảy ra trong thời gian này Mùa khô hạn hán nặng nhất tập trung vào cuối tháng II đến tháng IV hàng năm, lượng mưa thời gian này chỉ đạt từ 3-5% tổng lượng mưa hàng năm
Trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn mạng lưới khí tượng thủy văn có mật độ tương đối dày so với các lưu vực khác tại Việt Nam và hầu hết được đo từ năm 1977 đến nay với tổng số 16 trạm trên toàn lưu
Bảng 3.1 Thống kê dữ liệu thủy văn trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn
Trạm Vị trí ở nhánh sông
Hiên(Trao) Vu Gia 1977-> Nay Mưa
Khâm Đức Vu Gia 1977-> Nay Mưa
Thành Mỹ Vu Gia 1977-> Nay Mưa - Cao độ mực nước - Lưu Lượng Hội Khách Vu Gia 1977-> Nay Mưa - Cao độ mực nước Ái Nghĩa Vu Gia 1977-> Nay Mưa - Cao độ mực nước Cẩm Lệ Vu Gia 1977-> Nay Mưa - Cao độ mực nước
1931->1944 1958->1974 1976->Nay Tiên Sa Vu Gia 1977-> Nay Mưa - Cao độ mực nước
Trà My Thu Bồn 1977-> Nay Mưa - Nhiệt độ Tiên Phước Thu Bồn 1977-> Nay Mưa
Hiệp Đức Thu Bồn 1977-> Nay Mưa - Cao độ mực nước Nông Sơn Thu Bồn 1977-> Nay Mưa - Cao độ mực nước - Lưu Lượng Giao Thủy Thu Bồn 1977-> Nay Mưa - Cao độ mực nước
Câu Lâu Thu Bồn 1977-> Nay Mưa - Cao độ mực nước Hội An Thu Bồn 1977-> Nay Mưa - Cao độ mực nước Tam Kỳ Thu Bồn 1977-> Nay Mưa - Nhiệt độ Đà Nẵng Vu Gia Mưa - Nhiệt độ
Trang - 22 Do mặt hạn chế số liệu không có đầy đủ số liệu từ năm 1977 đến nay Trong đề tài này thực hiện với số liệu được thông kế theo bảng sau:
Bảng 3.2 Thống kê dữ liệu thủy văn dùng để thực hiện đề tài
3.2.2 Tài liệu điều tra vết lũ quan trắc
- Số liệu dùng để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy văn ( HEC-HMS)
Lưu lượng quan trắc tại hai trạm Nông Sơn và Thành Mỹ, trong khoảng thời gian xảy ra lũ từ tháng IX đến tháng XII tại các năm 2007, Năm 2008, Năm 2009 và năm 2010 Trong 4 năm khảo sát lưu lượng lũ tại hai trạm Nông Sơn và Thành Mỹ Xét thấy, vào năm 2009 có lưu lượng lũ cao hơn các năm khác, tại Thành Mỹ có Qmax 7160 (m 3 /s) và Nông Sơn Qmax = 9020 (m 3 /s)
Trạm Vĩ Độ Kinh Độ Vị trí ở nhánh sông
(Năm) Yếu tố đo Mục đích dùng tính
Hiên(Trao) 15.82 107.62 Vu Gia 2007 -> 2010 Mưa Thủy Văn
Khâm Đức 15.45 107.79 Vu Gia 2007 -> 2010 Mưa Thủy Văn
Thành Mỹ 15.77 107.83 Vu Gia 2007 -> 2010 Mưa - Lưu Lượng Thủy Văn Hội Khách 15.82 107.91 Vu Gia 2007 -> 2010 Mưa Thủy Văn Ái Nghĩa 15.88 108.11 Vu Gia 2007 -> 2010 Mưa - Cao độ mực nước Thủy Văn; Thủy lực Cẩm Lệ 16.01 108.21 Vu Gia 2007 -> 2010 Mưa - Cao độ mực nước Thủy Văn; Thủy lực
Trà My 15.34 108.22 Thu Bồn 2007 -> 2010 Mưa Thủy Văn
Tiên Phước 15.49 108.31 Thu Bồn 2007 -> 2010 Mưa Thủy Văn
Hiệp Đức 15.58 108.1 Thu Bồn 2007 -> 2010 Mưa Thủy Văn
Nông Sơn 15.7 108.03 Thu Bồn 2007 -> 2010 Mưa - Lưu Lượng Thủy Văn Giao Thủy 15.84 108.13 Thu Bồn 2007 -> 2010 Cao độ mực nước Thủy Lực
Câu Lâu 15.86 108.27 Thu Bồn 2007 -> 2010 Cao độ mực nước Thủy Lực
Của Hàn Vu Gia 2007 -> 2010 Cao độ mực nước Triều Thủy Lực
Cửa Đại Thu Bồn 2007 -> 2010 Cao độ mực nước Triều Thủy Lực
Hình 3.3 Biểu đồ lưu lượng trung bình quan trắc vào mùa lũ tại Thành Mỹ và
Trang - 24 - Số liệu dùng để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực ( HEC-RAS)
Trong thời gian xảy ra lũ ở hạ lưu có các trạm đo cao độ mực nước lũ như tại trạm Ái Nghĩa, trạm Giao Thủy, trạm Câu Lâu và trạm Cẩm Lệ Thời gian đo chủ yếu từ tháng IX đến tháng XII hàng năm Trong luận văn này sẽ dùng số liệu từ các trạm này từ tháng IX đến tháng XII các năm 2007, năm 2008, năm 2009 và năm 2010 làm số liệu hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực
3.2.3 Tài liệu cao độ mực nước thủy triều
Tại các khu vực duyên hải tỉnh Quảng Nam và thành phố Đà Nẵng xuất hiện chế độ bán nhật triều chiếm ưu thế và xảy ra trong tất cả các ngày trong tháng
Biên độ thủy triều trong khu vực nghiên cứu thực tế không lớn lắm Số liệu tại trạm quan trắc thủy văn cho thấy tại khu vực Cửa sông, biên độ thủy triều trung bình đạt từ 0,8-1,2m, biên độ cực đại cũng chỉ trên 1,5m Những tháng thủy triều xuất hiện với biên độ cao đã kéo theo tình trạng xâm nhập mặn qua các Cửa sông ảnh hưởng đến khả năng canh tác.
D ự báo số liệu khí tượng thủy văn trong bối cảnh biến đội khí hậu
3.3.1 Giới thiệu biến đổi khí hậu
Biến đổi khí hậu Trái Đất là sự thay đổi của hệ thống khí hậu gồm khí quyển, thuỷ quyển, sinh quyển, thạch quyển hiện tại và trong tương lai bởi các nguyên nhân tự nhiên và nhân tạo trong một giai đoạn nhất định tính bằng thập kỷ hay hàng triệu năm
Sự biến đổi có thế là thay đổi thời tiết bình quân hay thay đổi sự phân bố các sự kiện thời tiết quanh một mức trung bình Sự biến đổi khí hậu có thể giới hạn trong một vùng nhất định hay có thể xuất hiện trên toàn Địa Cầu Nguyên nhân chính làm biến đổi khí hậu Trái Đất là do sự gia tăng các hoạt động tạo ra các chất thải khí nhà kính, các hoạt động khai thác quá mức các bể hấp thụ và bể chứa khí nhà kính như sinh khối, rừng, các hệ sinh thái biển, ven bờ và đất liền khác
Tại Hội nghị về Biến đổi khí hậu của Liên Hiệp Quốc 2015, COP 21 hoặc CMP 11 được tổ chức ở Paris, Pháp, từ ngày 30 tháng 11 đến 12 tháng 12 năm 2015 Đây là
Trang - 25 phiên họp hàng năm lần thứ 21 của Hội nghị các Bên tham gia Công ước khung của Liên Hiệp Quốc về biến đổi khí hậu năm 1992 (UNFCCC) và kỳ họp thứ 11 của Hội nghị các Bên tham gia Nghị định thư Kyoto năm 1997
Hội nghị lần đầu tiên đạt được một thỏa thuận toàn cầu về giảm biến đổi khí hậu trong các thỏa thuận chung Paris, đã được thông qua với sự tán thành bởi gần như tất cả các quốc gia Kết quả đạt được thỏa thuận nhầm khống chế sự nóng lên toàn cầu đến năm 2100 so với thời tiền công nghiệp xuống dưới 2 0 C
3.3.2 Tác động của biến đổi khí hậu đối với Việt Nam Các tác động của biến đổi khí hậu qua 3 biểu hiện chính là:
Nhiệt độ trung bình, tính biến động và dị thường của thời tiết khí hậu tăng lên
Mực nước biển dâng lên do sự giãn nở nhiệt của đại dương, sự tan băng ở các địa cực
Các thiên tai và hiện tượng thời tiết cực đoan (nắng nóng, giá rét, bão lụt, hạn hán…) xảy ra với tần xuất, cường độ bất thường và có thể tăng lên
Theo dự báo Việt Nam là một trong những quốc gia chịu tác động nặng nề nhất do biến đổi khí hậu, nước biển dâng Mực nước biển dâng, sẽ làm mất đi một vùng đất thấp rộng lớn - ảnh hưởng đến hệ sinh thái ngập nước của các đồng bằng lớn nhất cả nước Nơi ở của các cộng đồng dân cư lâu đời của một nền văn minh lúa nước Vùng tiềm năng sản xuất nông nghiệp và các sinh cảnh tự nhiên bao gồm các vườn quốc gia, khu bảo tồn thiên nhiên, khu dự trữ sinh quyển
Giả thiết, nhiệt độ tăng 2 0 C, mực nước biển dâng lên 1m có thể làm mất 12,2% diện tích đất, nơi cư trú của 23% dân số (khoảng 17 triệu người) Riêng đồng bằng sông Cửu Long, nếu mực nước biển dâng theo dự báo vào năm 2030 sẽ khiến khoảng 45% diện tích đất của khu vực này có nguy cơ bị nhiễm mặn nặng, mùa màng sẽ bị thiệt hại nghiêm trọng bởi lũ lụt và ngập úng Nếu mực nước biển dâng 1m mà không có các hoạt động ứng phó, phần lớn diện tích đồng bằng sông Cửu Long sẽ hoàn toàn bị ngập nhiều thời gian dài trong năm và dẫn đến thiệt hại tài sản ước tính lên đến 17 tỷ
Trang - 26 USD Biến đổi khí hậu còn ảnh hưởng đến các thủy vực nội địa (sông, hồ, đầm lầy…) do sự thay đổi nhiệt độ nước, mực nước và thay đổi thời tiết (mưa bão, hạn hán…) Đặc biệt là tần xuất và cường độ của những trận lũ và hạn hán làm giảm lượng sinh học bao gồm các cây trồng nông, công và lâm nghiệp Sự diệt vong của nhiều loài động thực vật bản địa, gây hiệu quả nghiêm trọng đến hệ sinh thái và nền kinh tế của đất nước
Gần đây ICEM, đánh giá nhanh quy mô và ảnh hưởng của hiện tượng nước biển dâng tại Việt Nam đã chỉ ra rằng: Theo kịch bản, nếu mực nước biển dâng cao 1m vào năm 2100 thì: 14,520km2 (44%) diện tích của Việt Nam sẽ bị ngập vĩnh viễn Trên 60% (34/64 tỉnh và 6/8 vùng kinh tế) sẽ bị ảnh hưởng Khoảng 20% xã (2.057/10.511 xã) trên cả nước sẽ bị ngập một phần hay toàn bộ Theo kịch bản này biến đổi khí hậu sẽ ảnh hưởng đến 4.3% (9.200km) đường bộ của cả nước sẽ bị nhập vĩnh viễn, 574 khu đê, 90% đường bộ của đồng bằng sông Cửu Long, 20 tỉnh sẽ có các cơ sở sản xuất bị ngập nước Trong đó, Thành phố Hồ Chí Minh khoảng 16 khu công nghiệp bị ảnh hưởng ; đồng bằng sông Cửu Long có 19 khu bị ảnh hưởng
3.3.3 Giới thiệu phương pháp chi tiết hóa thống kê (SDSM) Phương pháp chi tiết hóa thống kê dự vào mối liên hệ định lượng giữa các biến khí quyển ở qui mô lớn (thường gọi là predictor/ biến dự báo) và các biến địa phương (thường gọi là predictant/ biến được dự báo) Từ quan điểm này, đầu tiên các mô hình thống kê được dùng để xác định mối quan hệ giữa các biến toàn cầu và các biến địa phương (predictant là một hàm của các predictor) Sau đó, các kết quả mô phỏng của mô hình toàn cầu được đưa vào để ước lượng các đặc điểm khí hậu địa phương
Những cấu trúc hoạt động của SDSM gồm (1) Kiểm soát chất lượng và chuyển đổi dữ liệu thống kê; (2) Kiểm tra các nhân tố dự báo; (3) Hiệu chỉnh mô hình; (4) Tổ hợp các dữ liệu hiện tại bằng các nhân tố trong quan trắc; (5) Đầu ra của mô hình là số liệu của các yếu tố quan trắc trong tương lai ứng với các kịch bản biến đổi khí hậu
Trang - 27 Các chức năng chính của SDSM sẽ được dùng để xử lý số liệu quan trắc thủy văn tại các trạm đo của lưu vực sông Vu Gia- Thu Bồn với biến tương quan toàn cầu NCEP-NCAR_1961_2005, để đưa ra mô hình biến tương quan tối ưu phù hợp với số liệu thủy văn quan trắc của lưu vực sông Vu Gia- Thu Bồn Sau đó, Dự trên mô hình tối ưu đạt được ở trên, sẽ kết hợp với các biến dự báo có nguồn gốc từ Can ESM2 (Canadian Earth System Model) để hình thành dữ liệu thời tiết trong tương Như vậy, kết quả đầu ra cuối cùng của SDSM là các số liệu thủy văn ứng với các kịch bản biến đổi khí hậu: phát thải khí hậu thấp RCP2.6, phát thải khí hậu trung bình RCP4.5 và phát thải khí hậu cao RCP8.5
3.3.4 Ứng dụng mô hình SDSM a) Chuẩn bị dữ liệu cần thiết
Các biến dự báo dùng cho số liệu đầu vào của SDSM được tải từ website của Viện Nghiên Cứu Khí Hậu Canada (http://ccds-dscc.ec.gc.ca/?page=pred-canesm2) với tọa độ ô lưới BOX_040X_39Y ứng với vị trí lưu vực sông Vu Gia- Thu Bồn Dữ liệu thu được là
- File “NCEP-NCAR_1961_2005” chứa dự các biến tương quan tương ứng với lưu vực sông Vu Gia- Thu Bồn
- File “CanESM2_rcp2.6_2006_2100”: Chứa biến tương quan ứng với kịch bản phát thải khí hậu thấp từ 01/01/2006 đến 31/12/2100
- File “CanESM2_rcp4.5_2006_2100”: Chứa biến tương quan ứng với kịch bản phát thải khí hậu trung bình từ 01/01/2006 đến 31/12/2100
- File “CanESM2_rcp8.5_2006_2100”: Chứa biến tương quan ứng với kịch bản phát thải khí hậu cao từ 01/01/2006 đến 31/12/2100
Hình 3.4 Sơ đồ thực hiện của phần mềm SDSM b) Các bước thực hiện
Bước - 1: Lựa chọn các biến dùng để dự báo (Screen variables)
Bước này, nhầm đưa số liệu đối tượng cần dự báo (ví dự như lượng mưa tại trạm đo mưa ở khu vực nghiên cứu) vào mô hình SDSM, để tìm ra các biến dự báo của khu vực nghiên cứu có mối quan hệ tương quan với các biến dự báo của trong kịch bản NCEP (National Centers for Environmental Prediction) (ví dụ như áp suất mực nước biển trung bình…)
L ựa chọn các bi ến dự báo L ựa chọn các bi ến S ố liệu NCEP
Bi ểu đồ tán xạ
Bi ến đổi các bi ến Thi ết lập cấu trúc mô hình X ử lý có (không) điều kiện
Hi ệu chỉnh mô hình
S ố liệu đo đạc và NCEP L ựa chọn biến được dự báo Ki ểm soát chất lượng S ố liệu đo đạc
K ết quả theo các kịch bản phát th ải khí hậu
Các bi ến dự báo c ủa Can ESM2
Phân tích t ần su ất
So sánh các k ết qu ả với quan trắc Phân tích chu ỗi th ời gian
Bi ểu đồ các kết qu ả so sánh Mô hình đã t ối ưu
Bảng 3.3 Định nghĩa các biến dự báo trong kịch bản của NCEP
Biến dự báo của NCEP Tiếng anh Tiếng Việt ncepmslpgl.dat Mean sea level pressure Áp suất mực nước biển trung bình ncepp1_fgl.dat Surface airflow strength Cường độ dòng khí tại bề mặt ncepp1_ugl.dat Surface zonal velocity Vận tốc theo phương vĩ tuyến tại bề mặt ncepp1_vgl.dat Surface meridional velocity Vận tốc theo phương kinh tuyến tại bề mặt ncepp1_zgl.dat Surface vorticity Xoáy tại bề mặt ncepp1thgl.dat Surface wind direction Hướng gió bề mặt ncepp1zhgl.dat Surface divergence Phân kỳ tại bề mặt ncepp5_fgl.dat 500 hPa airflow strength Cường độ dòng khí tại khí áp 500 hPa ncepp5_ugl.dat 500 hPa zonal velocity Vận tốc theo phương vĩ tuyến tại khí áp 500 hPa ncepp5_vgl.dat 500 hPa meridional velocity Vận tốc theo phương kinh tuyến tại khí áp 500 hPa ncepp5_zgl.dat 500 hPa vorticity Xoáy tại khí áp 500 hPa ncepp500gl.dat 500 hPa geopotential height Độ cao thế năng tại khí áp 500 hPa ncepp5thgl.dat 500 hPa wind direction Hướng gió tại khí áp 500 hPa ncepp5zhgl.dat 500 hPa divergence Phân kỳ tại khí áp 500 hPa ncepp8_fgl.dat 850 hPa airflow strength Cường độ dòng khí tại khí áp 850 hPa ncepp8_ugl.dat 850 hPa zonal velocity Vận tốc theo phương vĩ tuyến tại khí áp 850 hPa ncepp8_vgl.dat 850 hPa meridional velocity Vận tốc theo phương kinh tuyến tại khí áp 850 hPa ncepp8_zgl.dat 850 hPa vorticity Xoáy tại khí áp 850 hPa ncepp850gl.dat 850 hPa geopotential height Độ cao thế năng tại khí áp 850 hPa ncepp8thgl.dat 850 hPa wind direction Hướng gió tại khí áp 850 hPa ncepp8zhgl.dat 850 hPa divergence Phân kỳ tại khí áp 850 hPa ncepprcpgl.dat Relative humidity at 500 hPa Độ ẩm tương đối tại khí áp 500 hPa nceps500gl.dat Relative humidity at 850 hPa Độ ẩm tương đối tại khí áp 850 hPa nceps850gl.dat Near surface relative humidity Độ ẩm tương đối tại bề mặt ncepshumgl.dat Surface specific humidity Độ ẩm bề mặt nceptempgl.dat Mean temperature at 2m Nhiệt độ trung bình tại độ cao 2m
Bảng 3.4 Các biến dự báo được chọn tương ứng với các trạm đo mưa
Bước - 2: Hiệu chỉnh mô hình (Calibrate model)
ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TÍNH VÀ BẢN ĐỒ NGẬP LỤT
Tính toán th ủy văn bằng mô hình HEC-HMS
4.1.1 Giới thiệu mô hình HEC- HMS Mô hình HEC-HMS (Hydrologic Engineering Center - Hydrologic Modeling
System) do tập thể các kỹ sư Thuỷ văn thuộc quân đội Hoa Kỳ nghiên cứu Phần mềm này được viết bằng ngôn ngữ lập trình Java Phương pháp tính toán được áp dụng trong HEC –HMS là tính toán đường quá trình liên tục trong thời đoạn dài và tính toán dòng chảy phân bố trên từng ô lưới của lưu vực
Mô hình HEC- HMS được sử dụng để mô phỏng quá trính Mưa – dòng chảy
Trong một thời đoạn mưa, việc hình thành dòng chảy thể hiện trong phần mềm mô hình HEC-HMS được hiểu như sau: Mưa sau khi gián thủy một phần lượng nước bị giữ lại, việc giữ nước lại được hiểu như lượng nước rơi vào 5 bể chứa bố trí theo chiều dọc từ trên xuống dưới : (1)Bể chứa tuyết tan; (2) Bể chứa mặt; (3) Bể chứa tầng dưới
(bể tầng rể cây mà thực vật có thể hút nước); (4) Bể chứa nước ngầm trên; (5) Bể chứa nước ngầm dưới Từng bể này sẽ lưu trữ một phần lượng nước mưa đó (gọi là thất thoát) Phần còn lại sẽ hình thành dòng chảy trong sông và đổ ra biển
Hình 4.1 Mô hình hình thành dòng chảy của chương trình HEC - HMS
Mưa Bốc hơi nước trên lá cây
Bốc hơi mặt nước Bốc hơi mặt đất
Mưa trên mặt đất Dòng chảy trong sông
Lưu lượng Cửa ra Dòng chảy mặt
Trang - 34 4.1.2 Cơ sở lý thuyết mô hình HEC- HMS a) Hệ phương trình Saint – Venant
Chương trình HEC-HMS giải quyết bài toán thủy văn dựa trên giải phương trình cơ bản của sóng lũ trong thiên nhiên, sóng lũ do mưa gây ra tuân theo quy luật chuyển động không ổn định biến đổi chậm Chuyển động này được biểu diễn bằng hệ phương trình Saint – Venant, được xây dựng từ hệ phương trình vi phân cơ bản cho dòng chảy không ổn định thay đổi chậm trong kênh hở, bao gồm phương trình liên tục và phương trình động lượng
Trong đó: x – độ dài theo phương dòng chảy (m); t - thời gian tính toán (s); Q – lưu lượng dòng chảy trong kênh (m 3 /s); A - diện tích mặt cắt ngang lòng kênh, nơi có dòng chảy (m 2 ); S f –thế năng ( hay độ dốc ma sát) ; So – độ dốc đáy sông; y - độ sâu thủy lực; g - gia tốc trọng trường
(1): Độ dốc mặt nước (2): Độ dốc do sự thay đổi lưu tốc theo không gian (3): Độ dốc do sự thay đổi lưu tốc theo thời gian
Hình 4.2 Độ lớn các số hạng đo thực tế ở con sông Henderson, 1966
Trang - 35 Thế năng Sf có thể đánh giá dựa vào phương trình Manning
R – bán kính thủy lực (m); N là hệ số phụ thuộc lớp phủ bề mặt (nó không phải là số Manning) Trong dòng chảy nước nông có độ dốc đáy và độ dốc mặt nước xắp xỉ, tác động của gia tốc không đáng kể, khí đó Sf = S o Công thức (4.2) sẽ đơn giãn thành:
Từ công thức (4.3) và phương trình liên tục ta được
Công thức (4.4) viết dưới dạng đại số
∆ ∆ Để tính lưu lượng tại một điểm theo hệ phương trình dạng đại số sau:
Trong đo : m và a là hai hệ số phụ thuộc vào hình dạng lòng dẫn
Hình 4.3 Lưới không gian và thời gian của phương pháp sai phân hữu hạn
Trang - 36 b) Tính mưa trung bình trên lưu vực
- Phương pháp trung bình cộng (Arithmetic-mean method): Lượng mưa trung bình trên lưu vực bằng trung bình cộng các độ sâu mưa đo được tại các trạm đo mưa trên lưu vực theo công thức
P i : lượng mưa đo được ở trạm i n : Số trạm đo mưa
- Phương pháp đa giác Thiessen: Giả thuyết rằng lượng mưa tại một điểm bất kỳ trên lưu vực cũng giống như lượng mưa đo được tại một trạm đo mưa gần nhất với điểm đang xét
P i : lượng mưa đo được ở trạm i A i : Diện tích phụ trách của trạm đo i i : Số trạm đo mưa
- Phương pháp đường đẳng trị: Đây là phương pháp tính mưa có độ chính xác cao và khắc phục được những phức tạp về phân bố mưa theo không gian do ảnh hưởng của địa hình Nhưng cái khó là cần phải có rất nhiều trạm đo mưa trên lưu vực để có thể đưa ra đường đẳng trị mưa chính xác
= ∑ −A i : Diện tích kẹp giữa hai đường đẳng trị Pi và P i+1
Trang - 37 c) Đường quá trình lũ
- Phương pháp Đường đơn vị Snyder
Snyder đã đưa ra định nghĩa về đường quá trình đơn vị chuẩn Đó là một đường đơn vị có thời gian mưa( tr )liên hệ với thời gian trễ của lưu vực qua phương trình:
Thời gian trễ nước lưu vực tp cũng được tính theo công thức
Trong đó: t p được tính bằng giờ; L là chiều dài của dòng chảy chính (tính bằng km) từ cửa ra đến đường phân nước; L c là khoảng cách (tính bằng km) từ cửa ra đến một điểm trên dòng sông gần nhất với trọng tâm diện tích lưu vực; C= 0,75 và Ct là một hệ số được suy ra từ những lưu vực có số liệu đo đạc trong cùng vùng nghiên cứu ( độ dóc phân nước và khu trữ nước) Theo báo cao năm 1992 của Bendient và Huber Ct
- Phương pháp đường đơn vị SCS Ước lượng thời gian trễ nước của lưu vực ( tp) trong HEC-HMS:
Trong đó: tc ; t sheet ; t shallow ; t channel : lần lược là thời gian tập trung nước của lưu vực; thời gian chảy tràn trên bề mặt; thời gian chảy trong vùng nước nông; thời gian chảy trong kênh
- Phương pháp đường quá trình đơn vị tổng hợp Clark
Nước được trữ một thời đoạn ngắn trong khu vực: trong đất, trên bề mặt và trong kênh, đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển lượng mưa hiệu quả thành dòng chảy
Mô hình bể chứa tuyến tính là sự biểu thị chung của các tác động tới sự trữ nước Mô hình bắt đầu với phương trình liên tục
: Lượng trữ nước trong hệ thống trong thời gian t
I(t) : Lưu lượng chảy trung bình vào hồ chứa tại thời điểm t
Q(t) : là lưu lượng chảy ra khỏi hồ chứa tại thời điểm t
Với mô hình bể chứa tuyến tính lượng trữ tại thời điểm t có quan hệ với dòng chảy ra như sau:
Với R : là hệ số trữ của bể chứa tuyến tính (là hằng số); Kết hợp và giải hai phương trình dùng lược đồ sai phân đơn giản
Trong đó: CA ; C B là các hệ số diễn toán tính theo công thức
Dòng chảy trung bình trong thời đoạn t:
Q = − + Ước lượng tham số trong mô hình đường đơn vị Clark, sử dụng biểu đồ mối liên hệ giữ diện tích lưu vực và thời gian chảy truyền đến cửa ra ( A ; t)
Trong đó: A là tổng diện tích của lưu vực, A t là luỹ tích diện tích thành phần lưu vực trong thời gian t, t c là thời gian tập trung nước của lưu vực
- Phương pháp tính thấm ban đầu và thấm hằng số (Initial and Constant)
Tính toán th ủy văn khi xét đến biến đổi khí hậu trong tương lai
4.2.1 Một số nhận định ban đâu
- Trong nghiên cứu tính thủy văn khi xét đến biến đổi khí hậu trong tương lại Mô hình thủy văn đã được hiệu chỉnh và kiểm định trên sẽ được dùng lại và nhập số liệu mưa ứng với các kịch bản biến đổi khí hậu
- Tính thủy văn khi xét đến yếu tố biến đổi khí hậu, sẽ dùng số liệu các năm 2020; năm 2050 và năm 2080, ứng với các kịch bản phát thải khí hậu RCP 2.6 (Phát thải thấp), RCP 4.5 ( Phát thải trung bình) và RCP 8.5 (Phát thải cao)
- Kết quả tính thủy văn khi xét đến biến đổi khí hậu sẽ không phải hiệu chỉnh và kiểm định lại mô hình HEC-HMS
4.2.2 Dữ liệu dùng tính thủy văn
Từ kết quả chạy mô hình SDSM cho từng trạm đo mưa, đã cho ra được chuỗi số liệu thủy văn từ 01/01/2006 đến 31/12/2100 ứng với các kịch bản phát thải khí hậu
RCP2.6, RCP4.5 và RCP8.5 Chuỗi số liệu này sẽ được trích ra số liệu các năm 2020, năm 2050 và năm 2080 làm dữ liệu đầu vào tính thủy văn khi xét đến biến đổi khí hậu
Biểu đồ lượng mưa trung bình tại các trạm đo trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn ứng với các kịch bản biến đổi khí hậu.
Hình 4.11 Biểu đồ kết quả lượng mưa trung bình ứng với các phát thải khí hậu
LƯỢNG MƯA TRUNG BÌNH TRÊN TOÀN LƯU VỰC THEO CÁC PHÂN ĐOẠN THỜI GIAN 25 NĂM ỨNG VỚI KỊCH BẢN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
Hình 4.12 Biểu đồ kết quả lượng mưa trung bình tháng theo các kịch bản và giai đoạn
Bảng 4.9 Lượng mưa trung bình tháng (mm/tháng) ở lưu vực sông Vu Gia-Thu Bồn theo các kịch bản và giai đoạn
Hình 4.13 Biểu đồ tổng lượng mưa năm theo các cấp phát thải khí hậu của lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn
Giai đoạn 2015 - 2040 Giai đoạn 2045 - 2070 Giai đoạn 2075 - 2100Tháng
Nhận xét về lượng mưa trong tương lai của lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn:
- Không có sự dịch chuyển nhiều về thời gian xảy lũ trong tương lai, nghĩa là lũ lụt vẫn thường xảy ra nhưng tháng IX, tháng X, tháng XII
- Theo số liệu dự đoán các phân đoạn thời gian 25 năm, xét thấy chuỗi dữ liệu có sự đồng điệu tương đối tốt và chênh lệch cường độ mưa lớn nhất thay đổi tăng theo thời gian trong tương lai và tăng theo mức độ phát thải khí hậu
- Các phát thải khí hậu từ thấp( RCP2.6), trung bình( RCP4.5) đến Cao( RCP8.5) được thể hiện đúng bản chất của nó qua đường quá trình Đánh giá phần trăm lượng mưa gia tăng tương đối theo các phát thải khí hậu:
Theo phát thải thấp - RCP2.6 : Mưa tăng trung bình 1 năm là 0.02%
Theo phát thải trung bình - RCP4.5 : Mưa tăng trung bình 1 năm là 0.04%
Theo phát thải cao - RCP8.5 : Mưa tăng trung bình 1 năm là 0.19%
Trang - 62 4.2.3 Kết quả chạy mô hình HEC – HMS trong điều kiện biến đổi khí hậu
Hình 4.14 Biểu đồ kết quả lưu lượng trong mùa lũ tại trạm Thành Mỹ và
Nông Sơn theo các kịch bản biến đổi khí hậu
Tính toán th ủy lực bằng mô hình HEC-RAS 2D
4.3.1 Giới thiệu mô hình HEC- RAS Mô hình HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center -Hydrologic Modeling
System) do tập thể các kỹ sư thuỷ văn thuộc quân đội Hoa Kỳ nghiên cứu
Hiện nay, HEC- RAS đã có phiên bản 5.0, hổ trợ trong tính toán dòng chảy 2D
Phiên bản HEC-RAS_5.0.1 với các mô dun : (1) mô đun dòng chảy 2D trong kênh; (2) mô đun dòng chảy 2D trong kênh và đồng bằng; (3) Mô đun kết hợp chảy 1D trong kênh và 2D trong vùng đồng bằng;(4) Mô đun dòng chảy 1D trong kênh và tràn bờ đê chảy 2D trong đồng bằng; (5) Mô đun kết nối trực tiếp chảy 1D trong sông và chảy 2D vùng đồng bằng
Trong đề tài này sẽ dùng Mô đun dòng chảy 2D trong kênh và đồng bằng
4.3.2 Cơ sở lý thuyết mô hình HEC- RAS_2D
Chuyển động của mọi lưu chất trong tự nhiên điều được mô tả bằng hệ phương trình Navier – Stockes Để đơn giản hóa phương trình Navier – Stockes cho dòng chảy như sông, suối và dòng chảy trong đại dương Nhà Khoa học Osborne
Reynolds (1842–1912), đã đưa ra mô hình dòng nước nông 3D với các giả thuyết đặc tính dòng chảy: Chất lưu là không nén được; khối lượng riêng không đổi; áp lực thay đổi theo quy luật thủy tĩnh; chiều sâu nước nhỏ hơn rất nhiều so với chiều dài dòng chảy
Diễn giải : i= 1,2,3 ; u1 =u; u 2 = v; u 3 = w; x 1 =x ; x 2 = y ; x 3 = z; g 1 = g x ; g 2 = g y ; g 3 = g z Để kể đến tác dụng quay của trái đất đối với dòng chảy, gia tốc Coriolos 2 V fvi fuj
− ΩΛ = − được thêm vào vế trái của phương trình động lượng
Trang - 64 Để đưa ra phương trình nước nông 2D, trong
HEC – RAS_2D đã giả định cao độ mặt đất thay đổi theo mặt bằng z(x,y); chiều sâu nước thay đổi theo không gian và thời gian h(x,y,t) Khi đó cao độ mặt nước sẽ là
Hệ phương trình dòng chảy nước nông 2D đươc thiết lập bằng cách lấy tích phân hệ phương trình dòng chảy nước nông 3D của Reynolds, trên toàn bộ chiều sâu nước, ta được hệ phương trình Saint – Venant 2D
- Hệ hương trình Saint – Venant 2D viết dưới dạng bảo toàn khối lượng
Phương trình động lượng theo phương ngang (x,y)
Trong đó: h(m); H(m) : chiều sâu nước; cao độ mặt nước u,v(m/s) : các thành phần vận tốc theo phương x,y q(m/s) : là lưu lượng đơn vị một nguồn chảy vào dòng chảy g(m 2 /s) : gia tốc trọng trường c f (1/s) : hệ số ma sát đáy dòng chảy v t (m 2 /s) : hệ số khuyết tán rối theo phương đứng ( phương chiều sâu nước) f (1/s) : Tham số lực Coriolis
Trang - 65 - Diễn giải thuật toán giải phương trình 2D trong HEC RAS
Phương trình liên tục viết dưới dạng vector:
∂ + ∇ + ∂ Trong đó: V=(u,v) là vector vận tốc theo phương(x,y);∇ = ∂ ∂ ∂ ∂( / x, / y)là vector đạo hàm riêng
Dùng định lý phân kỳ Gauss: Trong một diện tích ô lưới (Cell gird) là S không đổi, độ biến thiên cao độ mặt nước bằng với độ biến thiên thể tích khối nước (Ω) trong ô lưới đó
Trong đó: Ω Thể tích khối chất lỏng được tính trong một ô lưới, tính từ biên đáy đến mặt thoáng; S là diện tích mặt thoáng, có thể hiểu diện tích mặt nước trong ô lưới; n là pháp tuyến đơn vị ngoài của mặt biên ∂Ω; Q là lưu lượng thêm vào hoặc lấy đi
H n+1 ;H n : Cao độ mặt nước tại ô lưới thứ (n+1) và n
V k ; n k : Vector vận tốc trung bình( Ux; V y ) theo hai phương và vector pháp tuyến đơn vị theo 2 phương (x,y) ứng với mặt cắt thứ k
A k (H) : Diện tích tại mặt cắt k với cao độ mặt nước là H
Trang - 66 Phương trình động lượng viết dưới dạng vector:
∂ Vế bên trái của phương trình động lượng viết dưới dạng toán tử Eulerian rút gọn là : DV V (4.40)
∂ Trong định luật bảo toàn động lượng của sóng lan truyền thì
V : Vector vận tốc theo hai phương(x,y) R : Bán kính thủy lực
∇H : Độ dốc cao độ mặt nước n : Số Manning Như vậy, hệ hương trình Saint – Venant 2D dưới dạng vector
Trang - 67 4.3.3 Điều kiện biên tính toán thủy lực
Hình 4.15 Điều kiện biên trong tính thủy lực hạ lưu sông Vu Gia – Thu Bồn a) Điều kiện biên trên hay biên thượng lưu: Kết quả tính thủy văn tại hai trạm
Thành Mỹ và trạm Nông Sơn Nó được dùng làm đầu vào của điều kiện biên thượng lưu b) Điều kiện biên dưới hay biên hạ lưu: Trong mô hình HEC-RAS _2D, điều kiện biên hạ lưu là cao độ mực nước triều thay đổi theo thời gian ( H~t) Điểm cuối của nhánh sông Vu Gia đổ ra biển tại Cửa Hàn, còn nhánh sông Thu Bồn là Cửa Đại c) Điều kiện biên bên trong:
- Trên nhánh sông Vu Gia có thêm điều kiện biên bên
Biên A Vương + Bưng : Tại vị trí nhập lưu của lưu vực sông A Vương và Bưng với nhánh sông Vu Gia
Biên Sông Côn : Tại vị trí nhập lưu của lưu vực Sông Côn với nhánh sông Vu Gia
TL: Nông Sơn TL :Thành Mỹ
HL: Của Đại Sông Vu Gia
Trang - 68 Biên Túy Loan : Tại vị trí nhập lưu của lưu vực sông Túy Loan với nhánh sông Vu Gia ( tại đầu nguồn Sông Cẩm Lệ) Biên này được xem như lấy kết quả lưu lượng chảy đến thủy điện sông Côn ( VG7) Bởi vì, VG7 và VG9 có đặt tính địa lý và thủy văn tương tự nhau ( diện tích, lượng mưa)
- Trên nhánh sông Thu Bồn: Như trình bày ở trên, lượng mưa tập trung về trạm Nông Sơn thuộc nhánh sông Thu Bồn chiếm đến 34% tổng lượng mưa của toàn lưu vực và chiếm trên 65% tổng lượng mưa đổ vào nhánh sông Thu Bồn
Chính vì thế, trong khi tính thủy lực, xem như nhánh sông Thu Bồn không có điền kiện biên bên
4.3.4 Ứng dụng mô hình HEC-RAS_2D
Hình 4.16 Mô hình tính thủy lực HEC – RAS_2D của hạ lưu sông Vu Gia –
TL: Nông Sơn TL :Thành Mỹ
HL: Của Đại Trạm Ái Nghĩa
Trang - 69 Hình 4.17 Sơ đồ tính của mô hình thủy lực HEC - RAS a) Tiêu chí đánh giá kết quả của mô hình HEC- RAS_2D
Tiêu chí -1: Đánh giá sự phù hợp của đường quá trình cao độ mực nước lũ quan trắc với kết quả đường quá trình cao độ mực nước lũ của mô hình HEC – RAS_2D Việc đánh giá này dựa trên chỉ tiêu hệ số tương quan( R) theo công thức:
H H (m): Cao độ mực nước lũ quan trắc và tính toán của mô hình vào thời điểm i
Xây dựng mô hình tính thủy lực HEC – RAS_2D
Thương Lưu (Q~t) S ố liệu mặt cắt sông
Kết quả (H~t) S ố liệu quan tr ắc (H~t)
Hi ệu chỉnh Mô Hình
KẾT THÚC Đạt Không Đạt Chạy Mô
Cao độ mực nước tri ều ở hạ lưu
(Q~t) Chia lưới miền tính ngập lụt (100m x100m) Điều kiện biên
H H (m): Cao độ mực nước lũ trung bình quan trắc và tính toán
Hệ số tương quan càng tiến đến 1 thì mô hình càng chính xác
Tiêu chí – 2: Đánh giá độ chênh lệch chuẩn ( RMSE) là cân bậc 2 của sai số toàn phương trung bình RMSE có ý nghĩa để đo mức độ phân tán của một tập dữ liệu đã được lập thành và cho thấy sự chênh lệch về giá trị của từng thời điểm đánh giá so với giá trị trung bình
H H (m): Cao độ mực nước lũ quan trắc và tính toán của mô hình vào thời điểm i ; n : số lượng dữ liệu cần đánh giá
Tiêu Chí - 3: Chênh lệch cao độ mực nước giữa quan trắc và tính toán max cal max obs (4.45)
H H (m): Cao độ mực nước đỉnh lũ quan trắc và đỉnh tính toán của mô hình b) Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình Trong đề tài này việc hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực hạ lưu sông Vu Gia – Thu Bồn dựa vào 4 trạm đo mực nước trong mùa lũ là: Trên sông Vu Gia có trạm Ái Nghĩa và trạm Cẩm Lệ; trên sông Thu Bồn có trạm Giao Thủy và trạm Câu Lâu Bốn trạm này thông thường chỉ được theo dõi đo số liệu vào mùa lũ
Tính toán th ủy lực với số liệu biến đổi khí hậu
4.4.1 Dữ liệu biến đổi khí hậu đưa vào mô hình HEC-RAS_2D a) Dữ liệu nước biển dâng theo các kịch bản biến đổi khí hậu trong thế kỷ 21
Bảng 4.12 Dữ liệu nước biển dâng theo các kịch bản biến đổi khí hậu
Theo báo cáo:“ Biến đổi khí hậu và tác động ở Việt Nam” của Viện khoa học Khí tượng
Th ủy văn và Môi Trường
4.4.2 Dữ liệu điều kiện biên của mô hình ứng với biến đổi khí hậu
Dữ liệu điều kiện biên lưu lượng sẽ được lấy từ kết quả chạy mô hình HEC-HMS ứng với các kịch bản biến đổi khí hậu “ trong mục 4.2.3”
K ết quả cao độ mực nước với cách kịch bản biến đổi khí hậu
So sánh kết quả quan trắc năm 2009 với kết quả biến đổi khí hậu tại hai trạm đo mực nước khu vực hạ lưu hai nhanh sông; sông Vu Gia tại trạm Cẩm Lệ và sông Thu Bồn tại trạm Câu Lâu cho kết quả như sau:
So sánh năm 2009 với năm 2050
Hình 4.22 Biểu đồ so sánh cao độ mực nước tại Cẩm Lệ và Câu Lâu vào năm
Loại Kịch bản Năm 2050 Năm 2100
Kịch bản thấp +28 cm +65 cm
Kịch bản trung bình +30 cm +75 cm
Kịch bản cao +33 cm +100 cm
Mực nước biển dâng so với thời kỳ 1980 - 1999
So sánh năm 2009 với năm 2080
Hình 4.23 Biểu đồ so sánh cao độ mực nước tại Cẩm Lệ và Câu Lâu vào năm
Dựa vào biểu đồ so sánh cho thấy, cao độ mực nước vào mùa lũ có sự gia tăng vào năm 2050 và năm 2080 Đồng thời, cao độ này cùng thay đổi tăng dần theo sự tăng dần của các cấp độ phát thải khí hậu
Trong tương lai có thể sẽ xảy ra nhiều trận lũ có đỉnh lũ tương tự như trận lũ lịch sử năm 2009
Trong 2 năm dự báo ( 2050 và 2080) cho thấy đỉnh lũ vẫn thường xuyên xảy ra từ tháng X đến tháng XI và thời gian cao độ mực nước lũ kéo dài Nguyên nhân mực nước lũ xảy ra trong thời gian dài là do lượng mưa trong tương lai tăng kèm theo mực nước biển dâng lên làm giãm khả năng thoát nước lũ
K ết quả bản đồ ngập lụt trong bối cảnh biến đổi khí hậu
4.6.1 Diện tích ngập lụt toàn lưu vực trong bối cảnh biến đổi khí hậu
Hình 4.24 Sơ đồ tính diện tích ngập Bảng 4.13 Kết quả tổng diện tích ngập ứng với các cấp phát thải khí hậu
Hình 4.25 Biểu đồ so sánh tổng diện tích ngập
Thời Gian và Cấp Phát Thải khí hậu
Năm 2050 K ết Quả HEC RAS _2D L ớp cao độ mực nước ngập (Water Surface Elevation)
L ớp cao độ mực nước ng ập
D ạng biên đa giác ( Polygon boundary)
K ết Quả diện tích ngập ( Tính trên ArcMap)
Trang - 80 4.6.2 Bản đồ ngập lụt
Bảng 4.14 So sánh cao độ đỉnh lũ năm 2009 với năm 2050 ứng với các kịch bản biến đổi khí hậu
Hình 4.26 Bản đồ đỉnh lũ năm 2009 so với năm 2050 ứng với các kịch bản
RCP2.6 RCP4.5 RCP8.5 Ái Nghĩa 10.74 10.21 10.28 11.18
Bảng 4.15 So sánh cao độ đỉnh lũ năm 2009 với năm 2080 ứng với các kịch bản biến đổi khí hậu
Hình 4.27 Bản đồ đỉnh lũ năm 2009 so với năm 2080 ứng với các kịch bản
RCP2.6 RCP4.5 RCP8.5 Ái Nghĩa 10.74 9.69 10.16 10.57
Trang - 82 ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN
ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN
Đánh giá kết quả các mô hình sử dụng
Đối với bài toán thủy văn sử dụng mô hình HEC-HMS: Việc tính toán và hiệu chỉnh mô hình đạt kết quả với các chỉ tiêu như hệ số NASH dao động từ 0.7 đến 0.85 dẫn đến đường quá trình lũ tính toán và thực đo có sự đồng điệu tương đối tốt; các chỉ tiêu như sai số lưu lượng đỉnh ∆Q max % và sai số tổng lưu lượng lũ ∆W% đến hai trạm khảo xác là Nông Sơn và Thành Mỹ cũng đạt dưới 20% Tuy nhiên, do sự hạn chế về khảo sát số liệu đầu vào mô hình và số liệu đánh giá so sánh kết quả chạy mô hình, nên bài toán tính thủy văn cho toàn lưu vực Sông Vu Gia- Thu Bồn chưa đạt kết quả tốt nhất Đối với bài toán thủy lực sử dụng mô hình HEC-RAS 5.0.1: Đây là mô hình mới được phát triển từ đầu năm 2015, có thêm ứng dụng để mô phỏng dòng chảy 2D Việc ứng dụng mô hình trong tính toán cũng gặp nhiều trở ngại nhưng nhìn chung kết quả tính toán mô phỏng ngập lụt cho ra kết quả tốt so với kết quả khảo sát thực tế như: hệ số tương quan đa số đạt từ 0.7 đến 0.9; sai số cao độ đỉnh lũ từ 0.0m đến 0.5m Việc mô phỏng bản đồ ngập lụt cũng được thực hiện trong “ RAS Mapper” và không cần sự hổ trợ của HEC- GeoRAS như những phiên bản trước Ứng dụng phần mềm SDSM để tính số liệu biến đổi khí hậu trong tương lai:
Dưới tác động của biến đổi khí hậu với các kịch bản RCP2.6, RCP4.5 và RCP8.5, ngập lụt tại Vu Gia- Thu Bồn có sự gia tăng về cường độ và thời gian lũ kéo dài
Kết quả số liệu đạt được cho thấy độ tăng lượng mưa trung bình năm trong tương lai từ 0.02% đến 0.2% [ xem hình 4.13] Để có số liệu tính toán thủy văn và thủy lực trong tương lai, số liệu mưa từ mô hình SDSM khi xét đến biến đổi khí hậu cho ra kết quả khá tốt với hệ số NASH từ 0.9 đến 0.99 [ xem hình 3.5] và chuỗi số liệu của các cấp phát thải ứng với các giai đoạn thời gian trong tương lai đạt kết quả rất tốt [ xem hình 4.12] Chính vì vậy, đây là chuỗi số liệu mưa dùng để tính toán biến đổi khí hậu với độ tin cậy cao
K ết luận
Cùng với các lưu vực sông miền Trung Việt Nam, lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn trong nhưng năm gần đây phải gách chịu thiệt hại lớn về sinh mạng và tài sản của người dân nơi đây Trong bối cảnh biến đổi khí hậu hiện nay, việc nguyên cứu đánh giá mức độ tác động có ý nghĩa rất quan trọng
Trong đề tài này với việc ứng dụng các phần mềm ( HEC-HMS, SDSM, HEC- RAS, ARCGIS) thành công đã đưa ra kết quả cho thấy biến đổi khí hậu trong tương lai sẽ ảnh hưởng nhiều đến lưu vực hạ lưu sông Vu Gia – Thu Bồn: ngập lụt gia tăng và thời gian lũ xảy ra kéo dài so với hiện nay
Nhận định, đây là nghiên cứu mang tính đa dạng về lĩnh vực chuyên ngành, nhiều kiến thức chuyên sau và kinh nghiệm của nhiều người cùng thực hiện Chính vì vậy, để đạt kết quả nghiên cứu tính toán tốt hơn thì cần phải đòi hỏi thêm nhiều yếu tố tác động hơn nữa và sẽ ngày càng được cải thiện trong những nghiên cứu tiếp theo
Trang - 84 TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] PGS.TS Huỳnh Thanh Sơn (2015), Topic: “Bài giảng môn học Động Lực học sông & Biển.” Trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh
[2] PGS.TS Châu Nguyễn Xuân Quang (2013), Topic: “Bài giảng môn Thủy Văn Nâng Cao.” Trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh
[3] Nguyễn Thị Hồng, Nguyễn Ngọc Minh, Lê Song Giang, Huỳnh Công Hoài,
Nguyễn Quang Trưởng “Nghiên cứu bằng mô hình toán số dòng chảy lũ ở Hòa Châu ( Hòa Vang, Đà Nẵng),” Tuyển tập Công Trình Hội nghị khoa học- Cơ học Thủy khí toàn quốc, năm 2014.
[4] Nguyễn Văn Thắng, Nguyễn Trọng Hiệu, Trần Thục Biến đổi khí hậu và tác động ở Việt Nam Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2011
[5] Vũ Thị Thu Lan, Hoàng Thanh Sơn (2012) “Nghiên cứu biến động của thiên tai (Lũ lụt và hạn hán) ở tỉnh Quảng Nam trong bối cảnh biến đổi khí hậu,”
Tạp chí Các khoa học về trái đất, Vol 35(1),PP.66-74, 3-2013
[6] Ngô Lê An, Nguyễn Ngọc Hoa “Nghiên cứu dự báo dòng chảy lũ lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn,” Tập chí khoa học kỹ thuật thủy lợi và môi trường, số 43,pp.118-124, 12-2013
[7] Vũ Thanh Tâm, Okke Batelaan, Trần Thành.“Áp dụng phương pháp chi tiết hóa thống kê và “Máy” Tạo thời tiết LARS-WG để đánh giá các đại lượng mưa cực trị theo các kịch bản khí hậu cho vùng đồng bằng ven biển Huyện Gio Linh, Tỉnh Quảng,” Tạp chí các khoa học về trái đất, Vol 35(1),PP.88-96, 3-2013
[8] Trần Văn Tình “Xây dựng bản đồ ngập lụt vùng hạ lưu lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn,” Luận văn Thạc sỹ, Đại học Quốc gia Hà Nội- Đại Học Khoa học Tự Nhiên, Hà Nội, 2013
[9] Dang Thanh Mai “Development of Flood Prediction Models for the Huong and Vu GiaThu Bon River Basins in Central Vietnam,” Doctor Thesis, Free University of Brussels,2009
[10] Vo Ngoc Duong, Philippe Gourbesville “ Establishing the flood map for the downstream of Vu Gia - Thu Bon catchment–Viet Nam Scale variability of inundation area under the impact of climate change,”E-proceedings of the 36th IAHR World Congress, The Hague, The Netherlands, 28 june – 3 july, 2015
[11] Nam, D H., Udo, K., & Mano, A.“Climate change impacts on runoff regimes at a river basin scale in Central Vietnam,” Terrestrial, Atmospheric and Oceanic Sciences, Vol 23(5), pp.541–551, 2012
[12] Arc Hydro Geoprocessing Tools - TutorialVersion 2.0 – October 2011 http://www.esri.com/
[13] Arc Hydro Tools - Tutorial Version 2.0, 2011, http://www.esri.com/
[14] Robert L Wilby and Christian W Dawson Statistical Downscaling Model SDSM - A decision support tool for the assessment of regional climate change impacts, Version 4.2, 2007
[15] US Army Corps of Hydrologic Engineering Center (HEC), HEC GeoHMS Geospatial Hydrologic Modeling Extension, User’s Manual, Version 10.1, 2013
[16] US Army Corps of Hydrologic Engineering Center (HEC), Hydrologic Modeling System HEC-HMS, User’s Manual, Version 4.1.0, 2014
[17] US Army Corps of Hydrologic Engineering Center (HEC), Hydrologic Modeling System HEC-HMS, Technical Reference Manual, 2000
[18] US Army Corps of Engineers Institute for Water Resources Hydrologic Engineering Center (HEC), HEC-RAS River Analysis System - 2D Modeling User’s Manual, Version 5.0 Beta, 2015
Trang - 86 [19] US Army Corps of Engineers Institute for Water Resources Hydrologic
Engineering Center (HEC), HEC-RAS River Analysis System, Hydraulic Reference Manual Version 5.0, 2016
[20] http://www.hec.usace.army.mil/
[22] http://gdex.cr.usgs.gov/gdex/
[23] http://ccds-dscc.ec.gc.ca/?page=pred-canesm2 [24] http://co-public.lboro.ac.uk/cocwd/SDSM/
[25] http://leutra.geogr.uni-jena.de/vgtbRBIS/metadata/start.php [26] https://www.wikipedia.org/
