Mô phỏng và xây dựng bản Đồ ngập lụt cho hạ lưu hệ thống sông Đồng nai

Mô phỏng và xây dựng bản Đồ ngập lụt cho hạ lưu hệ thống sông Đồng nai Mô phỏng và xây dựng bản Đồ ngập lụt cho hạ lưu hệ thống sông Đồng nai

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

LÊ THANH QUẢNG

MÔ PHỎNG VÀ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT HẠ LƯU

HỆ THỐNG SÔNG ĐỒNG NAI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2022

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

LÊ THANH QUẢNG

MÔ PHỎNG VÀ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT HẠ LƯU

Tôi xin chân thành cảm ơn tới tất cả thầy cô đang công tác trong khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học - Trường đại học Khoa học tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập Trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo và các đồng nghiệp Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Nam Bộ đã tạo điều kiện về thời gian, công việc và hỗ trợ để tôi có thể tham gia khóa học này

Quá trình làm luận văn đã giúp tôi hệ thống lại những kiến thức được học, bổ sung thêm những kiến thức mới và kinh nghiệm thực tế, đồng thời rèn luyện được các kỹ năng nghiên cứu một cách khoa học và chuẩn chỉ hơn Tuy nhiên, do thời gian có hạn và khối lượng công việc tương đối nhiều nên trong quá trình làm luận văn không tránh được những thiếu sót Tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô để tôi hoàn thiện hơn báo cáo luận văn thạc sĩ của mình và có thêm kiến thức, kinh nghiệm phục vụ công việc trong tương lai

Tôi xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, tháng 11 năm 2022

Lê Thanh Quảng

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

1.1 Điều kiện tự nhiên 4

1.1.1 Vị trí địa lý 4

1.1.2 Địa hình địa mạo 6

1.1.3 Địa chất thổ nhưỡng 6

1.1.4 Thảm phủ 6

1.1.5 Khí hậu 7

1.1.6 Mạng lưới sông ngòi và đặc điểm thủy văn 8

1.1.7 Hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Đồng Nai 10

1.2 Đặc điểm kinh tế xã hội 13

1.2.1 Dân số 13

1.2.2 Cơ cấu và hiện trạng phát triển kinh tế 14

1.2.3 Hiện trạng sử dụng đất 14

1.3 Tình hình ngập lụt hạ lưu hệ thống sông Đồng Nai 15

1.4 Tổng quan về ứng dụng mô hình toán trong tính toán ngập lụt 17

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH MIKE FLOOD VÀ PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT 22

2.1 Cơ sở lý thuyết của mô hình MIKE FLOOD 22

2.1.1 Giới thiệu chung về bộ mô hình MIKE 22

2.1.2 Cơ sở lý thuyết của mô hình MIKE NAM 22

2.1.3 Cơ sở lý thuyết của mô hình MIKE 11 27

2.1.4 Cơ sở lý thuyết của mô hình MIKE 21 31

2.1.5 Giới thiệu các kết nối trong mô hình MIKE FLOOD 34

2.2 Phương pháp xây dựng bản đồ ngập lụt 35

2.2.1 Ý nghĩa của bản đồ ngập lụt 35

2.2.2 Các phương pháp xây dựng bản đồ ngập lụt 35

CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE FLOOD MÔ PHỎNG VÀ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT KHU VỰC HẠ LƯU HỆ THỐNG SÔNG 36

ĐỒNG NAI 36

3.1 Xây dựng bộ mô hình MIKE FLOOD 36

3.1.1 Thu thập xử lý dữ liệu địa hình, số liệu khí tượng thủy văn 36

3.1.2 Thiết lập mô hình thủy văn MIKE NAM 43

3.1.3 Thiết lập mô hình thủy lực MIKE11 45

3.1.4 Thiết lập mô hình thủy lực MIKE 21 47

3.1.5 Thiết lập mô hình MIKE FLOOD 51

3.2 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình 52

3.2.1 Hiệu chỉnh mô hình 52

3.2.2 Kiểm định mô hình 57

3.4 Xây dựng các kịch bản tính toán 61

3.4.1 Cơ sở xây dựng các kịch bản 61

3.4.2 Các kịch bản tính toán 61

3.5 Xây dựng bản đồ ngập lụt hạ lưu hệ thống sông Đồng Nai 68

3.6 Kết quả và thảo luận 83

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 Bản đồ khu vực hạ lưu hệ thống sông Đồng Nai 5

Hình 2 Sơ đồ bậc thang một số hồ chứa trên lưu vực sông Đồng Nai [1] 13

Hình 3 Mô hình nhận thức của mô hình Nam 23

Hình 4 Lưới tính toán trong MIKE21 32

Hình 5 Sơ đồ xây dựng bộ mô hình MIKE FLOOD 36

Hình 6 Vị trí các trạm đo mực nước, lưu lượng 38

Hình 7 Vị trí các trạm đo mưa, đo bốc hơi trên lưu vực 40

Hình 8 Sơ đồ mạng thủy lực và mặt cắt ngang sông 41

Hình 9 Bản đồ địa hình lưu vực sông Đồng Nai 42

Hình 10 Ảnh vệ tinh thể hiện tình trạng ngập lụt năm 2000 và năm 1999 43

Hình 11 Các lưu vực tính toán trong mô hình MIKE NAM 45

Hình 12 Mạng lưới thủy lực hệ thống sông Đồng Nai 47

Hình 13 Bản đồ vùng khống chế ngập trên lưu vực 48

Hình 14 Lưới tính toán trong mô hình MIKE 21 FM HD 49

Hình 15 Địa hình khu vực sau khi nội suy theo lưới tính toán 50

Hình 16 Thiết lập mô hình MIKE 21 51

Hình 17 Thiết lập mô hình MIKE FLOOD 52

Hình 18 Kết quả mực nước mô phỏng và thực đo tại trạm thủy văn Tân An, hệ số Nash = 0.803 53

Hình 19 Kết quả mực nước mô phỏng và thực đo tại trạm thủy văn Bến Lức, hệ số Nash = 0.875 54

Hình 20 Kết quả mực nước mô phỏng và thực đo tại trạm thủy văn Biên Hòa, 54

Hình 21 Kết quả mực nước mô phỏng và thực đo tại trạm thủy văn Thủ Dầu Một, hệ số Nash = 0.723 55

Hình 22 Kết quả mực nước mô phỏng và thực đo tại trạm thủy văn Phú An, hệ số

Nash = 0.919 55

Hình 23 Kết quả mực nước mô phỏng và thực đo tại trạm thủy văn Nhà Bè, hệ số Nash = 0.958 56

Hình 24 So sánh kết quả mô phỏng diện ngập mô phỏng với diện ngập thực tế trên ảnh vệ tinh 56

Hình 25 Kết quả mực nước mô phỏng và thực đo tại trạm thủy văn Tân An, hệ số Nash = 0.810 57

Hình 26 Kết quả mực nước mô phỏng và thực đo tại trạm thủy văn Bến Lức, hệ số Nash = 0.82 57

Hình 27 Kết quả mực nước mô phỏng và thực đo tại trạm thủy văn Biên Hòa, hệ số Nash = 0.798 58

Hình 28 Kết quả mực nước mô phỏng và thực đo tại trạm thủy văn Thủ Dầu Một, hệ số Nash = 0.752 58

Hình 29 Kết quả mực nước mô phỏng và thực đo tại trạm thủy văn Phú An, hệ số Nash = 0.968 59

Hình 30 Kết quả mực nước mô phỏng và thực đo tại trạm thủy văn Nhà Bè, hệ số Nash = 0.971 59

Hình 31 So sánh kết quả mô phỏng diện ngập với diện ngập thực tế trên ảnh vệ tinh năm 1999 60

Hình 32 Đường tần suất mưa 7 ngày max 65

Hình 33 Phân phối mưa 7 ngày max trạm Trị An 66

Hình 34 Phân phối lưu lượng và mưa theo các kịch bản 67

Hình 35 Biểu đồ diện tích ngập lụt theo kịch bản 1 71

Hình 36 Bản đồ ngập lụt hạ lưu hệ thống sông Đồng Nai theo kịch bản 1 71

Hình 37 Biểu đồ diện tích ngập lụt theo kịch bản 2 73

Hình 38 Bản đồ ngập lụt hạ lưu hệ thống sông Đồng Nai theo kịch bản 2 74

Hình 39 Biểu đồ diện tích ngập lụt theo kịch bản 3 75

Hình 40 Bản đồ ngập lụt hạ lưu hệ thống sông Đồng Nai theo kịch bản 3 76

Hình 41 Biểu đồ diện tích ngập lụt theo kịch bản 4 78

Hình 42 Bản đồ ngập lụt hạ lưu hệ thống sông Đồng Nai theo kịch bản 4 78

Hình 43 Biểu đồ diện tích ngập lụt theo kịch bản 5 80

Hình 44 Bản đồ ngập lụt hạ lưu hệ thống sông Đồng Nai theo kịch bản 5 80

Hình 45 Biểu đồ diện tích ngập lụt theo kịch bản 6 82

Hình 46 Bản đồ ngập lụt hạ lưu hệ thống sông Đồng Nai theo kịch bản 6 82

Hình 47 Bản đồ ngập lụt hạ lưu hệ thống sông Đồng Nai theo kịch bản 6 phục vụ nghiên cứu đề xuất biện pháp phòng lũ 84

DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Bảng thống kê thông số các hồ chứa trên lưu vực sông Đồng Nai [6] 11

Bảng 2 Bảng thống kê tổ chức hành chính dân số năm 2020 14

Bảng 3 Bảng thống kê hiện trạng sử dụng đất năm 2020 15

Bảng 4 Danh sách các trạm đo mưa, đo bốc hơi 38

Bảng 5 Bộ thông số thủy lực của mô hình 60

Bảng 6 Các kịch bản mô phỏng ngập lụt 63

Bảng 7 Thống kê lượng mưa thời đoạn 1, 3, 5, 7 ngày max 64

Bảng 8 Kết quả thu phóng lượng mưa 7 ngày max theo các tần suất tính toán 66

Bảng 9 Bảng tổng hợp diện tích ngập lụt theo các kịch bản 68

Bảng 10 Bảng thống kê diện tích ngập theo kịch bản 1 70

Bảng 11 Bảng thống kê diện tích ngập theo kịch bản 2 73

Bảng 12 Bảng thống kê diện tích ngập lụt theo kịch bản 3 75

Bảng 13 Bảng thống kê diện tích ngập theo kịch bản 4 77

Bảng 14 Bảng thống kê diện tích ngập theo kịch bản 5 79

Bảng 15 Bảng thống kê diện tích ngập theo kịch bản 6 81

- Vũng Tàu Hệ thống sông Đồng Nai có vai trò đặc biệt quan trọng trong việc phát triển kinh tế xã hội của khu vực như: cung cấp nước cho sinh hoạt và sản xuất, phát điện, điều tiết giảm lũ cho khu vực hạ du, đẩy mặn trong mùa khô, đồng thời đây cũng là tuyến giao thông thủy quan trọng

Khu vực hạ lưu hệ thống sông Đồng Nai là phần lưu vực được giới hạn từ sau

hồ Trị An, Dầu Tiếng, Phước Hòa ra tới cửa biển thuộc vịnh Gành Rái; đây là trung tâm kinh tế - văn hóa - xã hội trọng điểm phía Nam của nước ta với nhiều đô thị lớn như: TPHCM, Biên Hòa, Thủ Dầu Một… Với vị trí địa lý chiến lược, mạng lưới giao thông phát triển, nhiều cảng sông, cảng biển, cảng hàng không quốc tế; nơi đây được xem là cửa ngõ giao thương huyết mạch nối liền khu vực Nam Bộ với các khu vực khác cả trong và ngoài nước Hàng năm khu vực này luôn phải đối mặt và chịu ảnh hưởng của nhiều loại hình thiên tai khác nhau nhưng tiêu biểu nhất là lũ và ngập lụt, trung bình mỗi năm xảy ra từ 1 đến 2 trận lũ, diễn biến thiên tai có xu hướng ngày càng phức tạp và cực đoan hơn Trận lũ năm 1952 và năm 2000 là hai trận lũ lớn từng xảy ra trong lịch sử, bão lũ đã tàn phá và gây ngập lụt nghiêm trọng cho khu vực Nam Bộ, cuốn trôi nhiều nhà cửa và tài sản của người dân, phần lớn ruộng nương hoa màu bị mất trắng, nghiêm trọng nhất là có nhiều người chết và mất tích do lũ lụt Hiện nay đã có nhiều biện pháp phòng chống ngập lụt lụt được đề

ra, nhiều công trình chống ngập được đầu tư xây dựng; tuy nhiên vẫn chưa đáp ứng được yêu cầu chống ngập thực tế nên ngập lụt vẫn xảy ra thường xuyên Vì vậy, đề

tài luận văn “Mô phỏng và xây dựng bản đồ ngập lụt cho hạ lưu hệ thống sông Đồng Nai” là vô cùng quan trọng, đây là cơ sở để xây dựng quy trình vận hành hồ

chứa, đề ra các biện pháp phòng chống ngập lụt và hạn chế rủi ro do ngập lụt gây

2

ra; đồng thời cũng là cơ sở để quy hoạch phát triển kinh tế xã hội một cách bền vững

❖ Mục tiêu của luận văn

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết, tính ứng dụng của mô hình MIKE FLOOD, xây dựng bộ thông số mô hình mô phỏng ngập lụt cho khu vực hạ lưu hệ thống sông Đồng Nai

- Mô phỏng và xây dựng bản đồ ngập lụt theo hiện trạng và các kịch bản xả lũ

hồ chứa, lũ biên giới, mưa, triều cho khu vực nghiên cứu

❖ Nội dung nghiên cứu

Luận văn bao gồm những nội dung chủ yếu sau đây:

Nội dung 1: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của mô hình MIKE FLOOD và phương pháp xây dựng bản đồ ngập lụt

- Tìm hiểu tổng quan về việc ứng dụng mô hình toán trong mô phỏng và xây dựng bản đồ ngập lụt

- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết và tính ứng dụng của mô hình MIKE FLOOD

- Tìm hiểu các phương pháp xây dựng bản đồ ngập lụt

Nội dung 2: Ứng dụng mô hình MIKE FLOOD mô phỏng và xây dựng bản

đồ ngập lụt cho hạ lưu hệ thống sông Đồng Nai

- Xây dựng cơ sở dữ liệu cho mô hình MIKE FLOOD

- Thiết lập các mô hình toán, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình ứng với các trận lũ lớn xảy ra trước đó

- Mô phỏng và xây dựng bản đồ ngập lụt tương ứng với các kịch bản xả lũ hồ chứa, lũ biên giới, mưa và mực nước thủy triều

- Đánh giá mức độ ngập tương ứng với các kịch bản từ đó đề xuất một số biện pháp phòng chống ngập lụt

Nội dung 3: Kết luận và kiến nghị

- Tổng hợp những kết quả chính thu được trong luận văn

3

- Đề xuất và kiến nghị những giải pháp nhằm cải thiện kết quả nghiên cứu

❖ Phương pháp nghiên cứu

Trong luận văn sử dụng những phương pháp nghiên cứu sau đây:

- Phương pháp kế thừa: kế thừa dữ liệu từ những đề tài nghiên cứu, các dự án trước đó phục vụ cho nghiên cứu trong luận văn

- Phương pháp phân tích thống kê: ứng dụng tính toán tần suất mưa thiết kế để phục vụ xây dựng các kịch bản mô phỏng ngập lụt

- Phương pháp mô hình toán: ứng dụng các mô hình toán thủy văn, thủy lực để

mô phỏng các quá trình thủy văn, thủy lực để đánh giá diễn biến và mức độ ngập lụt Mô hình MIKE NAM để mô phỏng quá trình thủy văn, mô hình MIKE11 để mô phỏng thủy lực cho dòng chảy một chiều, mô hình MIKE21

để mô phỏng cho dòng chảy 2 chiều, mô hình MIKE FLOOD để mô phỏng ngập lụt cho khu vực nghiên cứu

- Phương pháp GIS – Viễn thám: để xây dựng các bản đồ liên quan, phân tích kết quả ngập lụt từ mô hình MIKE FLOOD, xử lý ảnh viễn thám về ngập lụt

để so sánh với kết quả ngập lụt thu được từ chạy mô hình MIKE FLOOD

❖ Nội dung của luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị thì luận văn bao gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 2: Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE FLOOD và phương pháp xây dựng bản đồ ngập lụt

Chương 3: Ứng dụng mô hình MIKE FLOOD mô phỏng và xây dựng

bản đồ ngập lụt khu vực hạ lưu hệ thống sông Đồng Nai

4

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Điều kiện tự nhiên

1.1.1 Vị trí địa lý

Lưu vực sông Đồng Nai là hệ thống sông lớn thứ hai ở phía Nam và đứng thứ

ba toàn quốc, nằm trên vùng đất thuộc 11 tỉnh/thành bao gồm: Đắc Nông, Lâm Đồng, Bình Phước, Bình Dương, Đồng Nai, Tây Ninh, TP Hồ Chí Minh, Long An, Ninh Thuận, Bình Thuận và Bà Rịa - Vũng Tàu Khu vực hạ lưu hệ thống sông Đồng Nai là phần lưu vực được giới hạn từ phía sau các hồ chứa Trị An, Dầu Tiếng, Phước Hòa ra tới cửa biển thuộc vịnh Gành Rái, thuộc địa phận thuộc các tỉnh: Đồng Nai, Bình Dương, TPHCM, Tây Ninh, Long An; tổng diện tích khu vực gần

14000 km2 Khu vực hạ lưu hệ thống sông Đồng Nai được xác định cụ thể như sau:

- Phía Bắc giáp tỉnh Bình Phước và các huyện Tân Biên, Tân Châu thuộc tỉnh Tây Ninh

- Phía Đông giáp tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu và các huyện Long Khánh, Vĩnh Cửu thuộc tỉnh Đồng Nai Phía Đông Nam giáp Biển Đông

- Phía Nam và Tây Nam giáp đồng bằng sông Cửu Long

- Phía Tây giáp Cam Pu Chia và các huyện Vĩnh Hưng, Tân Hưng thuộc tỉnh Long An

5 Hình 1 Bản đồ khu vực hạ lưu hệ thống sông Đồng Nai

6

1.1.2 Địa hình địa mạo

Lưu vực sông Đồng Nai có địa hình thấp dần theo hai hướng chính là Bắc –Nam (thượng lưu xuống hạ lưu) và Tây Bắc – Đông Nam (vùng đồng bằng và ven biển) Một cách tổng quát, địa hình lưu vực rất đa dạng với 4 loại hình chính là vùng núi, trung du, đồng bằng và ven biển [13]

Địa hình vùng núi phân bố chủ yếu ở thượng và trung lưu các dòng chính, chiếm gần 50% diện tích toàn lưu vực Địa hình vùng trung du phân bố chủ yếu ở

hạ lưu và trung lưu dòng chính Đồng Nai, trung và hạ lưu sông Bé, hạ lưu sông La Ngà, thượng lưu sông Sài Gòn Địa hình vùng đồng bằng nằm ở hạ lưu tiếp giáp với đồng bằng sông Cửu Long và Biển Đông Vùng phụ cận ven biển là một dãy đất hẹp chạy dọc theo bờ biển phía Đông dãy Trường Sơn, với các dãy núi nhô ra tận biển Đông tạo nên sự cắt xẻ riêng biệt tạo nên những đồng bằng nhỏ hẹp hạ lưu các con sông ngắn và dốc [13]

1.1.3 Địa chất thổ nhưỡng

Cấu tạo địa chất lưu vực sông Đồng Nai là trầm tích Mezozoi và đá xâm nhập trong thời kỳ Đệ Tam đến Đệ Tứ Trầm tích Mezozoi uốn khúc mạnh do các hoạt động tạo sơn với trục uốn có hướng Đông Bắc - Tây Nam và Tây Bắc - Đông Nam, phần lớn các đứt gãy và vết nứt qua phân tích ảnh vệ tinh cho thấy có xu thế tương

tự

Tỉnh Đồng Nai chủ yếu có đất hình thành trên đá bazan; gồm đất đá bọt, đất đen, đất đỏ có độ phì cao chiếm 39.1% diện tích tự nhiên (229.416 ha), phân bố ở phía Bắc và Đông Bắc của tỉnh, các loại đất có vấn đề (đất cát, đất mặn, đất phèn, đất trơ sỏi đá) chiếm gần 10% diện tích tự nhiên [13]

1.1.4 Thảm phủ

Lưu vực có loại hình sử dụng đất đa dạng, trong đó được chia làm 5 lớp bao gồm đất nông nghiệp, đất lâm nghiệp, đất ở, chuyên dụng và nhóm đất khác Đất lâm nghiệp được phân bố tập trung ở một số khu vực rừng già hoặc tái sinh rậm rạp

7

như thượng nguồn sông Bé, trung lưu sông Đồng Nai đến trung lưu sông La Ngà, cuối trung lưu sông Đồng Nai (Vườn Quốc gia Cát Tiên có quy mô 73.878 ha, phần lớn thuộc tỉnh Đồng Nai 38.10 ha, Lâm Đồng 30.635 ha và Bình Phước 5.143 ha)

và cuối sông Đồng Nai (rừng ngập mặn Cần Giờ có diện tích 77.740 ha) Đây là những khu vực có thảm thực vật tốt với hệ sinh thái động thực vật còn phong phú [13]

1.1.5 Khí hậu [13]

Chế độ gió

Tốc độ gió bình quân biến đổi trong khoảng 1.5 - 3.0 m/s, có xu thế tăng dần khi ra biển và giảm dần khi vào sâu trong đất liền Tốc độ gió lớn nhất có thể đạt đến 20-25 m/s, xuất hiện trong bão và lốc xoáy Hàng năm, nhìn chung gió mạnh thường xuất hiện vào mùa khô từ tháng XI - IV và gió yếu hơn vào mùa mưa từ tháng VI - X Tuy nhiên, do địa hình chi phối cũng có các trường hợp ngoại lệ như ảnh hưởng của bão và áp thấp nhiệt đới

Chế độ mưa

Lưu vực sông Đồng Nai có chế độ mưa phân bố phức tạp cả theo không gian lẫn thời gian

Về mặt thời gian: do tác động của hai mùa gió, mưa được phân thành hai mùa

có lượng mưa tách biệt Mùa mưa bắt đầu từ tháng V tới hết tháng X, có năm mưa sớm hơn vào nửa cuối tháng IV, với lượng mưa chiếm 80 - 90% lượng mưa cả năm, mưa lớn tập trung vào tháng 9 và tháng 10 hàng năm Mùa khô kéo dài từ tháng XII đến tháng IV năm sau và hầu hết như không có mưa, nếu có cũng chỉ là các trận mưa nhỏ rải rác Lượng mưa mùa khô chiếm khoảng 10 - 20% lượng mưa cả năm Lượng mưa trung bình nhiều năm là 2200 mm

Về mặt không gian: sự khác biệt giữa lượng mưa các khu vực trong lưu vực là khá lớn, do sự cắt xẻ của địa hình, của sự phân chia các khu ven biển, cao nguyên

và đồng bằng Trong khi lượng mưa năm trung bình toàn vùng xấp xỉ 2200 mm, thì

Độ ẩm

Trung bình lưu vực có độ ẩm khá cao, do nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa,

độ ẩm trung bình năm đạt 82.2% Trong năm, mùa mưa có độ ẩm cao hơn nhiều so với mùa khô (85 - 88% và 70 - 75%) Độ ẩm tháng cao nhất có nơi đạt đến 91% Độ

ẩm tháng thấp nhất có nơi chỉ còn 65%

Chế độ bốc hơi

Do có nền nhiệt độ cao, nắng nhiều và lượng bốc hơi trên toàn lưu vực nhìn chung là khá lớn đạt trên dưới 1000 mm/ năm, tùy nơi Bốc hơi có xu thế gia tăng ở vùng hạ lưu ven biển và vùng có cao độ thấp, đạt từ 1.200 - 1.300 mm/năm Lượng bốc hơi khi tổn thất thêm do có hồ: 578 mm/năm

1.1.6 Mạng lưới sông ngòi và đặc điểm thủy văn

Mạng lưới sông ngòi [13]:

Sông Đồng Nai bắt nguồn từ vùng núi cao của cao nguyên Langbiang (Lâm

9

Viên) thuộc dãy Trường Sơn Nam, với độ cao khoảng 2000 m, gồm hai nhánh ở thượng nguồn là Đa Dung và Đa Nhim Sông có hướng chảy theo hai hướng chính; hướng Đông Bắc - Tây Nam chủ yếu ở trung và hạ lưu, hướng Tây Bắc- Đông Nam chủ yếu ở phần thượng lưu Hệ thống sông Đồng Nai bao gồm dòng chính Đồng Nai và 4 sông nhánh là La Ngà, sông Bé, Sài Gòn và Vàm Cỏ Dòng chính Đồng Nai có tổng chiều dài 628 km, kể từ thượng lưu Đa Nhim đến cửa Soài Rạp Các chi lưu của nó nằm ở phần hạ lưu là sông Lòng Tàu, sông Đồng Tranh, sông Thị Vải và sông Soài Rạp

Phần thượng lưu sông Đồng Nai gồm 2 nhánh Đa Nhim và Đa Dung Phần trung lưu sông Đồng Nai được kể từ sau hợp lưu của Đa Nhim và Đa Dung đến thác Trị An, có chiều dài 190 km Hạ trung lưu dòng chính sông Đồng Nai từ bãi Cát Tiên đến Trị An với chiều dài 138 km Trên đoạn này sông còn có thêm các phụ lưu lớn bên trái là Đa Teh, Đạ Huoai và La Ngà

Từ sau nhà máy thuỷ điện Trị An cho đến cửa Soài Rạp là phần hạ lưu sông,

có chiều dài 150 km Các phụ lưu chính chảy vào sông Đồng Nai ở hạ lưu về bên phải có sông Bé, sông Sài Gòn và sông Vàm Cỏ, bên trái hầu hết là các suối nhỏ mà đáng kể hơn cả là sông Lá Buông Sông ngòi uốn khúc mạnh, theo thời gian địa hình bị cắt xẻ tạo thành các cù lao hay bán đảo, mặt cắt sông phần lớn có địa hình lòng chảo và có xu hướng mở rộng dần từ thượng lưu ra tới cửa biển

Đặc điểm thủy văn:

Chế độ thuỷ văn trên lưu vực chịu sự chi phối chủ yếu của chế độ mưa nên cùng biến đổi rất sâu sắc theo không gian và thời gian Theo không gian, bên cạnh

có những nơi lớp dòng chảy nhỏ, biến động cao, thì cũng có những nơi lớp dòng chảy ít biến động hơn Theo thời gian, dòng chảy được phân chia thành hai mùa rõ rệt, với mùa lũ thường chậm hơn mùa mưa 1- 2 tháng và mùa kiệt thường trùng với mùa khô

Thời gian lũ của lưu vực sông Đồng Nai bắt đầu khá muộn so với mùa mưa, mùa mưa bắt đầu từ tháng V, sông mùa lũ chính thức bắt đầu từ tháng VII Tháng

10

đỉnh lũ thường xảy ra ở tháng VIII - IX và đây cũng là tháng có lượng mưa tập trung lớn nhất Mùa kiệt bắt đầu vào khoảng tháng XII và kéo dài đến tháng V, VI năm sau, khoảng 6 tháng Hàng năm lưu lượng kiệt nhất thường rơi vào hai tháng II

và IV

Theo không gian, cũng như chế độ mưa chế độ dòng chảy trên lưu vực cũng

có sự phân hóa rất sâu sắc Khu vực hạ Đa Nhim cũng có mô đun từ 20 - 22 l/s.km2 Đây là những vùng cho hiệu suất dòng chảy kém nhất trong lưu vực Đồng Nai Trung lưu sông Đồng Nai, thượng lưu sông La Ngà và thượng lưu sông Bé là các khu vực cho mô đun dòng chảy cao, từ 38 - 43 l/s.km2

Đoạn sông Đồng Nai từ cửa sông đến phạm vi nội ô thành phố Biên Hoà và sông Sài Gòn, Vàm Cỏ có chế độ bán nhật triều Hàng ngày có hai lần triều lên và hai lần triều xuống với chênh lệch rõ rệt mực nước của hai kỳ nước ròng Độ dốc mặt nước tại Biên Hoà lớn hơn từ 2 - 4 lần so với độ dốc mặt nước khu vực Nhà Bè Biên độ lớn tại khu vực cửa sông dẫn đến phạm vi ảnh hưởng triều trên sông Đồng Nai rất lớn, đặc biệt là vào mùa khô

1.1.7 Hệ thống hồ chứa trên lưu vực sông Đồng Nai

Theo Quyết định 1895/QĐ-TTg ngày 25 tháng 12 năm 2019 về việc vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Đồng Nai, trên lưu vực bao gồm các hồ chứa chính sau: Thác Mơ, Cần Đơn, Srok Phu Miêng, Phước Hòa, Đơn Dương, Phước Hòa, Đơn Dương, Đại Ninh, Đồng Nai 2, Đồng Nai 3, Đồng Nai 4, Đăk R’Tih, Đồng Nai

5, Trị An, Hàm Thuận, Đa Mi, Dầu Tiếng, Đa Khai, Đa Dâng 3, Đăk Sin 1, Đa M’Bri, Đắk Kar và đập dâng Tà Pao Phần lớn các hồ chứa trên lưu vực có dung tích hữu ích nhỏ và chủ yếu thực hiện chức năng phát điện, khả năng điều tiết lũ thấp, việc vận hành xả lũ các hồ chứa nhỏ thường gây ngập lụt cho khu vực phía hạ

du Một số hồ chứa lớn như Trị An, Dầu Tiếng, Thác Mơ, Hàm Thuận có dung tích lớn, khả năng điều tiết lũ tốt nên được sử dụng phục vụ đa mục tiêu: phát điện, phòng lũ, cấp nước, đẩy mặn… Hiện nay, việc xây dựng quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Đồng Nai đã giảm thiểu đáng kể ngập lụt cho khu vực phía

11

hạ du, đảm bảo an toàn cho công trình Tuy nhiên, khi xuất hiện hình thế thời tiết cực đoan như mưa lớn kéo dài gây khó khăn cho công tác vận hành hồ chứa nên vẫn xảy ra hiện tượng xả lũ gây ngập lụt phía hạ du

Bảng 1: Bảng thống kê thông số các hồ chứa trên lưu vực sông Đồng Nai [6] STT Tên hồ

chứa lượng Lưu

trung bình nhiều năm

(m 3 /s)

Lưu lượng

lũ thiết

kế

(m 3 /s)

Mực nước dâng bình thường

(m)

Mực nước lũ thiết kế

(m))

Dung tích hữu ích

(10 6 m 3 )

Dung tích điều tiết lũ

12

STT Tên hồ

chứa lượng Lưu

trung bình nhiều năm

(m 3 /s)

Lưu lượng

lũ thiết

kế

(m 3 /s)

Mực nước dâng bình thường

(m)

Mực nước lũ thiết kế

(m))

Dung tích hữu ích

(10 6 m 3 )

Dung tích điều tiết lũ

13

Hình 2 Sơ đồ bậc thang một số hồ chứa trên lưu vực sông Đồng Nai [1]

1.2 Đặc điểm kinh tế xã hội

Theo Niên giám thống kê 2020

1.2.2 Cơ cấu và hiện trạng phát triển kinh tế

Cơ cấu kinh tế khu vực nghiên cứu có xu thế giảm tỷ trọng trong ngành nông nghiệp, giữ ổn định tỷ trọng trong ngành công nghiệp - xây dựng và tăng tỷ trọng trong ngành dịch vụ Trong đó các tỉnh TPHCM, Bình Dương, Đồng Nai có tỷ trọng ngành dịch vụ và công nghiệp xây dựng rất cao, nông nghiệp chiếm tỉ trọng rất nhỏ trong cơ cấu GDP Các tỉnh Long An, Tây Ninh thì tỉ trong ngành nông nghiệp vẫn giữ vai trò quan trọng nhưng có xu thế giảm dần và tăng dần tỷ trọng ngành dịch vụ, công nghiệp [4]

1.2.3 Hiện trạng sử dụng đất

Theo số liệu Niên giám thống kê 2020, tỉ lệ đất nông nghiệp vẫn chiếm tỉ lệ lớn nhất và có xu hướng giảm dần, diện tích đất ở chiếm tỉ lệ thấp nhất nhưng có xu thế tăng dần Kết quả thông kê hiện trạng sử dụng đất được trình bày cụ thể trong bảng dưới đây.[4]

15

Bảng 3 Bảng thống kê hiện trạng sử dụng đất năm 2020

Theo Niên giám thống kê 2020

1.3 Tình hình ngập lụt hạ lưu hệ thống sông Đồng Nai

Ngập lụt phía hạ lưu sông Đồng Nai chủ yếu chịu sự chi phối của bốn yếu tố chính bao gồm: mưa lớn, triều cường, việc xả lũ hồ chứa phía thượng lưu và lũ từ bên phía Cam Pu Chia tràn về

Việc ngập lụt do mưa lớn hoặc mưa lớn kết hợp triều cường chủ yếu xảy ra phía hạ lưu sông có địa hình đồng bằng thấp, mức độ đô thị hóa cao, hệ thống thoát nước không đáp ứng được yêu cầu cùng với sự sụt lún nền đất do khai thác nước ngầm Tần suất các trận mưa lớn tăng dần trong các thập kỷ qua, trong khi hệ thống thoát đô thị đã cũ kỹ và không đủ công suất thoát nước, thậm chí nhiều khu vực của thành phố chưa có hệ thống thoát nước Riêng tại Thành Phố Hồ Chí Minh, trận mưa lịch sử chiều tối 26/9/2016, trận mưa lớn nhất trong vòng 40 năm qua, lượng mưa lớn nhất đo được vào chiều ngày 26/9 tại trạm Mạc Đĩnh Chi (204,3 mm), Thanh Đa (172,2mm), Cầu Bông (133,3 mm), Phước Long (115,4 mm), gần như đã làm tê liệt hệ thống giao thông ở thành phố Hồ Chí Minh Hầu hết các tuyến đường của thành phố đều bị ngập nặng Đặc biệt, đây là lần đầu tiên kể từ khi đưa vào khai

Tỉnh Diện tích

(nghìn ha)

Đất nông nghiệp

(nghìn ha)

Đất lâm nghiệp

(nghìn ha)

Đất chuyên dùng

(nghìn ha)

Đất ở

(nghìn ha)

16

thác từ năm 2011, đường hầm Thủ Thiên bị ngập Trung tâm thành phố ngập, ngoại thành cũng ngập, sân bay cũng ngập khiến 12 chuyến bay không thể hạ cánh

Xả lũ hồ chứa chủ yếu xuất hiện ở phía thượng lưu sông Sài Gòn, Đồng Nai;

do việc xả lũ của các hồ Trị An, Dầu Tiếng và Phước Hòa Không giống lũ ở khu vực Tây Nam Bộ thường kéo dài 2 đến 4 tháng, lũ do việc xả hồ chứa thường lên nhanh và xuống nhanh, gây khó khăn cho công tác phòng chống thiên tai Lũ lụt nhấn chìm hàng nghìn hecta cây trồng và nhà cửa của hàng trăm hộ dân sống hai bên bờ sông, làm đảo lộn hoạt động sản xuất, sinh hoạt của người dân, đồng thời gây ô nhiễm môi trường

Bên phía hệ thống sông Vàm Cỏ, hàng năm vào giai đoạn giữa tháng 8 đến tháng 11, lũ bên Cam Pu Chia tràn về gây ngập lụt trên diện rộng Vào năm 2000, mưa lớn kết hợp lũ tràn về từ Cam Phu Chia về khiến mực nước dâng cao trong thời gian dài Theo số liệu thống kê, mực nước trạm thủy văn Mộc Hóa đạt mức lịch sử 3.27m (25/9/2000) trong khi cao trình địa hình của khu vực chỉ dao động từ 1-2 m;

lũ lụt đã nhấn chìm hàng trăm nghìn hecta lúa và cây trồng, cô lập hàng nghìn hộ dân, gây hư hỏng nhiều cơ sở hạ tầng, làm đảo lộn đời sống sản xuất sinh hoạt của người dân

Trong những năm gần đây, đã có những quy định cụ thể về vận hành liên hồ chứa nhằm giảm thiểu ngập lụt cho khu vực hạ du, nhiều tuyến đê và các công trình chống ngập được xây dựng Tuy nhiên, việc đầu tư xây dựng và quản lý vận hành các công trình chống ngập còn thiếu đồng bộ và chưa chặt chẽ, một số công trình còn vận hành chưa theo quy định nên chưa phát huy được hiệu quả chống ngập, hệ thống tiêu thoát nước đô thị chưa đáp ứng được yêu cầu tiêu thoát nước mưa khi xảy ra mưa lớn Việc trồng và bảo vệ rừng đầu nguồn chưa được quan tâm đúng mức khiến cho diện tích ngày một suy giảm, làm tăng tốc độ dòng chảy mặt dẫn tới nguy cơ lũ quét và ngập lụt tăng cao

- Bộ mô hình MIKE do Viện thủy lực Đan Mạch xây dựng phục vụ mô phỏng dòng chảy lũ như: mô hình NAM tính toán và dự báo dòng chảy từ mưa; mô hình MIKE 11 tính toán thủy lực, dự báo dòng chảy trong sông và cảnh báo ngập lụt Phần mềm này đã được áp dụng rất rộng rãi và rất thành công ở nhiều nước trên thế giới [5]

- Phần mềm ISIS do Wallingford kết hợp với Hacrow xây dựng phục vụ tính toán dự báo lũ và ngập lụt Có nhiều module được xây dựng như: mô hình tính toán thủy lực ISIS, mô hình mưa - dòng chảy theo tính toán theo đường đơn vị mưa Phần mềm được ứng dụng rộng rãi trên thế giới, trong đó được ứng dụng quản lý nguồn nước của Ủy hội sông Mê Kông [14]

- Phần mềm TELEMAC do Viện điện lực Pháp xây dựng để tính toán thủy lực

1 chiều và 2 chiều Mô hình được áp dụng nhiều ở Pháp và trên thế giới, một trong số đó là được áp dụng để tính toán dòng chảy và và vận chuyển bùn cát trên sông Mê Kông [15]

- Trung tâm khu vực START Đông Nam Á (Southeast Asia START Regional Center) đang xây dựng “Hệ thống dự báo lũ thời gian thực cho lưu vực sông

Mê Kông” Hệ thống này được xây dựng dựa trên mô hình thủy văn khu vực

có thông số phân bố, tính toán dòng chảy từ mưa Hệ thống dự báo được phân thành 3 phần: thu nhận số liệu từ vệ tinh và các trạm tự động, dự báo thủy văn

và dự báo ngập lụt Thời gian dự kiến dự báo là 1 hoặc 2 ngày

18

- Trung tâm kỹ thuật thủy văn (Mỹ) đã xây dựng bộ mô hình HEC-1 để tính toán thủy văn, trong đó có HEC-1F là chương trình dự báo lũ từ mưa và diễn toán lũ trong sông Mô hình đã được áp dụng rất rộng rãi trên thế giới Ở Châu

Á, mô hình đã được áp dụng ở Indonesia, Thái Lan

b Ở Việt Nam

Ở Việt Nam, nhiều mô hình thủy văn, thủy lực cũng đã được sử dụng từ lâu, một số mô hình được xây dựng và phát triển bởi các chuyên gia trong nước phục vụ tính toán thủy lực cho một cho một lưu vực sông hoặc có thể ứng dụng rộng rãi Một số mô hình toán thủy văn, thủy lực có thể kể đến như:

- Mô hình VRSAP: tiền thân là mô hình KRSAL do cố PGS.TS Nguyễn Như Khuê xây dựng và được sử dụng rộng rãi ở nước ta trong vòng 30 năm trở lại đây Đây là mô hình toán thủy văn – thủy lực của dòng chảy một chiều trên hệ thống sông ngòi có kết nối với đồng ruộng và khu chứa khác Mô hình được ứng dụng để tính toán thủy lực và mô phỏng ngập cho khu vực đồng bằng sông Cửu Long và đồng bằng sông Hồng [16]

- Mô hình KOD-01 và KOD-02 của GS.TS Nguyễn Ân Niên phát triển dựa trên kết quả giải hệ phương trình Saint – Venant dạng rút gọn, phục vụ tính toán thủy lực và dự báo lũ Mô hình được ứng dụng để dự báo lũ cho khu vực đồng bằng sông Cửu Long [17]

- Mô hình SAL do PGS.TS Nguyễn Tất Đắc xây dựng, mô hình mô phỏng toàn cảnh truyền triều, truyền lũ, xâm nhập mặn, lan truyền ô nhiễm Hiện nay nhiều cơ quan đang sử dụng tính toán phục vụ cho thiết kế vào công trình thủy lợi Nhiều công trình thuộc cấp nhà nước đã ứng dụng mô hình cho việc nghiên cứu truyền triều, truyền lũ cho đồng bằng sông Cửu Long được đánh giá cao

Bên cạnh những mô hình toán được xây dựng và phát triển bởi các chuyên gia trong nước, các mô hình của nước ngoài cũng được ứng dụng rộng rãi ở nước ta như: bộ mô hình MIKE, họ mô hình HEC, mô hình TELEMAC Do giao diện dễ sử

ổn định hai chiều ngang trên đồng bằng ngập lũ Mô hình này kết hợp các ưu điểm của mô hình 1 chiều cho mạng lưới sông (thời gian mô phỏng ngắn) với các lợi thế của mô hình 2 chiều (mô phỏng chính xác diện ngập lụt và trường vận tốc trên bề mặt đồng bằng ngập lũ) đồng thời tương thích với các cấu trúc GIS Các tài liệu lưu lượng đầu vào được mô phỏng từ mưa bằng mô hình NAM Bộ thông số mô hình kết nối 1-2 chiều được hiệu chỉnh và kiểm định bằng tài liệu thực đo mực nước hai trận lũ lớn năm 1999 và 2000 tại trạm Lệ Thủy nằm giữa khu vực nghiên cứu kết hợp với các tài liệu đo đạc diện ngập lụt của trận lũ lịch sử 1999 Kết quả tính toán bằng mô hình tương đối phù hợp với thực đo chứng tỏ khả năng ứng dụng của mô hình trong công tác xây dựng bản đồ ngập lụt và cảnh báo thiên tai lũ lụt cho khu vực hạ lưu Nghiên cứu đã ứng dụng thành công để mô phỏng các trận lũ xảy ra trên lưu vực, từ đó ứng dụng cho công tác cảnh báo dự báo phòng chống giảm nhẹ thiên tai [10]

- Nghiên cứu ứng dụng MIKE FLOOD tính toán ngập lụt hệ thống sông Nhuệ - Đáy trên địa bàn thành phố Hà Nội Trong nghiên cứu này, mô hình NAM được sử dụng để xây dựng chuỗi số liệu dòng chảy từ mưa làm điều kiện biên cho mô hình MIKE FLOOD Bộ thông số mô hình kết nối 1-2 chiều được hiệu chỉnh và kiểm định cho hai trận lũ lớn năm 1984 và 2008 tại trạm Phủ Lý, kết hợp với các tài liệu đo đạc diện ngập lụt của trận lũ lịch sử 2008 Kết quả cho thấy mô hình mô phỏng với độ chính xác tương đối cao thể hiện khả năng ứng dụng của mô hình trong công tác xây dựng bản đồ ngập lụt, bản đồ tổn thương cũng như cảnh báo nguy cơ úng lụt cho khu vực Thành phố Hà Nội [11]

20

c Trong khu vực nghiên cứu

Trên lưu vực sông Đồng Nai, việc ứng dụng mô hình toán trong tính toán ngập lụt được ứng dụng khá nhiều nhằm mục đích tính toán được mức độ ngập lụt để xây dựng các phương án giảm ngập cho khu vực hạ lưu – nơi tập trung đông dân cư và các khu vực kinh tế trọng điểm; một số nghiên cứu điển hình như:

- Ứng dụng mô hình MIKE FLOOD trong nghiên cứu ảnh hưởng của việc xả lũ

hồ Dầu Tiếng lên hạ du sông Sài Gòn Nghiên cứu đã tính toán mô phỏng và xây dựng bản đồ ngập lụt cho phía hạ du hồ Dầu Tiếng tương ứng với các kịch bản xả lũ hồ Dầu Tiếng, mưa, thủy triều trên sông Sài Gòn Từ đó xác định các vùng ảnh hường và làm cơ sở cho xây dựng quy trình vận hành hồ đảm bảo an toàn cho khu vực hạ du [3]

- Ứng dụng mô hình MIKE FLOOD đánh giá biến động mực nước và ngập lụt khu vực hạ du sông Sài Gòn dưới tác động của đô thị hóa, xây dựng công trình chống ngập và xả lũ các hồ chứa nước phía thượng lưu Bằng công cụ mô hình toán MIKE FLOOD để tính toán thủy lực, qua đó đánh giá biến động mực nước và ngập lụt vùng hạ du sông Sài Gòn dưới tác động của đô thị hóa, xây dựng công trình chống ngập và xả lũ các hồ chứa nước thượng lưu trong từng nhóm kịch bản cụ thể Từ kết quả nghiên cứu sẽ cho thấy căn nguyên của ngập úng, qua đó đưa ra các giải pháp chống ngập, hạn chế rủi ro do ngập úng một cách phù hợp [2]

- Nghiên cứu ngập lụt vùng ven sông Sài Gòn – Đồng Nai Thành Phố Hồ Chí Minh do chế độ xả lũ các hồ Dầu Tiếng, Trị An, Thác Mơ kết hợp với mưa, triều cường và lũ trên sông Vàm Cỏ [18] Nghiên cứu đã ứng dụng mô mình SAL để mô phỏng truyền lũ, biên đầu vào là tổ hợp bất lợi của xả lũ hồ chứa, mưa, triều cường, lũ trên sông Vàm Cỏ, kết quả mô phỏng tính toán được sử dụng để dự báo mức độ ảnh hưởng của các tổ hợp bất lợi cho khu vực hạ du ven sông Sài Gòn – Đồng Nai để từ đó kiến nghị các biện pháp phòng chống ngập lụt

21

Như vậy có thể thấy việc ứng dụng mô hình toán trong việc mô phỏng thủy lực ở nước ta đang là xu thế chung để giảm nhẹ khối lượng tính toán thủy văn, thủy lực; cùng với sự phát triển nhanh của công nghệ máy tính khiến tốc độ tính toán của

mô hình được cải thiện rất tốt và ngày càng có tính ứng dụng cao Với đặc điểm giao diện dễ sử dụng, tính ứng dụng cao và linh hoạt trong việc giải quyết nhiều bài toán thủy văn thủy lực, đồng thời có thể liên kết với GIS trong mô phỏng và tính toán ngập, do đó luận văn đã ứng dụng mô hình MIKE FLOOD để mô phỏng và tính toán ngập lụt cho hạ lưu hệ thống sông Đồng Nai

22

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH MIKE FLOOD VÀ PHƯƠNG

PHÁP XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT

2.1 Cơ sở lý thuyết của mô hình MIKE FLOOD

2.1.1 Giới thiệu chung về bộ mô hình MIKE

Ngày nay, cùng với sự phát triển của khoa học máy tính thì việc phát triển và

sử dụng mô hình toán trong tính toán thủy văn, thủy lực ngày càng được ứng dụng phổ biến Bộ mô hình MIKE do DHI Water & Environment phát triển, là một gói phần mềm dùng để mô phỏng dòng chảy, lưu lượng, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát ở các cửa sông, sông, mô phỏng sóng… Bộ mô hình MIKE có rất nhiều module khác nhau: NAM, MIKE11, MIKE 21, MIKE 3, MIKE FLOOD, LITPACK, MIKE SHE Mỗi module phục vụ cho mỗi mục đích sử dụng khác nhau Với ưu điểm giao diện trực quan dễ sử dụng, lượng module tương đối đầy đủ đa dạng, do đó MIKE đang là một trong những mô hình đang được sử dụng phổ biến nhất hiện nay

2.1.2 Cơ sở lý thuyết của mô hình MIKE NAM

Nam là chữ viết tắt của chữ Đan Mạch “Nedbor – Afstromming – Model”, nghĩa là mô hình mưa – dòng chảy Mô hình NAM mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy một cách liên tục thông qua việc tính toán cân bằng nước ở bốn bể chứa thẳng đứng, có tác dụng qua lại lẫn nhau để diễn tả các tính chất vật lý của lưu vực:

Bể chứa tuyết tan: bể chứa tuyết tan được kiểm soát bằng các điều kiện nhiệt

độ Đối với điều kiện khí hậu nhiệt đới ở Việt Nam, không xét đến bể chứa này

Bể chứa mặt: lượng ẩm trữ trên bề mặt của thực vật, lượng nước điền trũng trên bề mặt lưu vực và lượng nước trong tầng sát mặt được đặc trưng bởi lượng trữ

ẩm bề mặt Giới hạn trữ nước tối đa trong bể chứa này được ký hiệu bằng Umax Khi lượng nước này vượt quá ngưỡng Umax thì một phần của lượng sẽ chảy vào suối dưới dạng chảy tràn trên bề mặt (Pn), phần còn lại sẽ thấm xuống bể ngầm

23

Bể chứa tầng dưới (bể tầng rễ cây): Bể này thuộc tầng rễ cây, là lớp đất mà thực vật có thể hút ẩm để thoát ẩm Giới hạn trên của lượng ẩm tối đa trong bể chứa này được kí hiệu là Lmax Lượng ẩm của bể chứa sát mặt được đặc trưng bằng đại lượng L, phụ thuộc vào lượng tổn thất thoát hơi của thực vật Lượng ẩm này cũng ảnh hưởng đến lượng nước sẽ đi xuống bể chứa ngầm để bổ sung nước ngầm Tỉ số L/Lmax biểu thị trạng thái ẩm của bể chứa

Bể chứa ngầm: Lượng nước bổ sung cho dòng chảy ngầm phụ thuộc vào độ

ẩm của đất trong tầng rễ cây Mưa hoặc tuyết tan trước tiên đi vào bể chứa mặt Lượng nước U trong bể chứa mặt liên tục tiêu hao do bốc thoát hơi và thấm ngang

để tạo thành dòng chảy sát mặt Khi lượng nước U vượt quá giới hạn Umax, phần lượng nước thừa sẽ tạo thành dòng chảy tràn để tiếp tục chảy ra sông, phần còn lại

sẽ thấm xuống các bể chứa tầng dưới và bể chứa tầng ngầm

Hình 3 Mô hình nhận thức của mô hình Nam

25

Trong đó:

- CKIF là hằng số thời gian dòng chảy sát mặt, nó chính là phần U tạo thành dòng chảy sát mặt trong một đơn vị thời gian và CKIF < 1

- TIF là ngưỡng dưới của dòng chảy sát mặt TIF<1)

- Lượng nước ngầm cung cấp cho bể chứa ngầm (G)

Phần lượng nước thừa (Pn – QOF) không tham gia vào thành phần dòng chảy tràn sẽ thấm xuống làm tăng lượng trữ ẩm tầng thấp và một phần được giả thiết sẽ thấm xuống sâu hơn và gia nhập vào lượng trữ tầng ngầm (G)

Trong đó:

- Phần lượng nước thừa (Pn - QOF) không tham gia vào thành phần dòng chảy tràn sẽ thấm xuống làm tăng lượng trữ ẩm tầng thấp và một phần được giả thiết sẽ thấm xuống sâu hơn và gia nhập vào lượng trữ tầng ngầm (G)

- TG là giá trị ngưỡng của lượng nước bổ sung cho dòng chảy ngầm (0 ≤ TOF ≤ 1) Lượng nước bổ sung cho bể chứa ngầm chỉ được hình thành khi chỉ số ẩm tương đối của tầng rễ cây lớn hơn TG

26

❖ Diễn toán dòng chảy

- Dòng chảy sát mặt được thông qua hai bể chứa tuyến tính với một hằng số thời gian CK12 Quá trình dòng chảy mặt cũng dựa trên khái niệm bể chứa tuyến

tính nhưng với giá trị thời gian biến đổi

(5)

Trong đó:

- OF: là dòng chảy mặt (mm/h)

- OFmin: là giới hạn trên của quá trình dòng chảy (OFmin = 0,4 mm/h)

- Hằng số  = 0,4 tương ứng với việc sử dụng công thức Manning để thiết lập

mô hình dòng chảy mặt

- Công thức diễn toán dòng chảy mặt và dòng chảy sát mặt:

- Dòng chảy ngầm được diễn toán thông qua một bể chứa tuyến tính với hằng số thời gian CKBF

Công thức diễn toán dòng chảy ngầm:

27

- Công thức dòng chảy tại mặt cắt cửa ra:

❖ Các thông số của mô hình

• Umax: Là lượng nước tối đa trong bể chứa mặt (mm)

• Lmax: Lượng ẩm lớn nhất trong bể chứa tầng rễ cây (mm)

• CQOF: Là hệ số dòng chảy mặt, không thứ nguyên, phản ánh điều kiện thấm

• TOF: Là ngưỡng dưới của dòng chảy tràn

• TIF: Là ngưỡng dưới của dòng chảy sát mặt

• TG: Là giá trị ngưỡng tầng rễ cây

• CKIF: Là hệ số thời gian dòng chảy sát mặt, nó chính là phần U tạo thành dòng chảy sát mặt trong một đơn vị thời gian

• CK12: Là hằng số thời gian chảy truyền của dòng chảy mặt

• CKBF: Là hằng số thời gian chảy truyền của dòng chảyngầm

Các thông số trên được xác định thông qua hiệu chỉnh mô hình

2.1.3 Cơ sở lý thuyết của mô hình MIKE 11

a Sơ lược về mô hình MIKE 11

Mô hình MIKE 11 là một phần mềm kỹ thuật chuyên dụng do Viện Thuỷ lực Đan Mạch (DHI) xây dựng, được ứng dụng để mô phỏng chế độ thuỷ lực, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát vùng cửa sông, trong sông, hệ thống tưới, kênh dẫn và các hệ thống dẫn nước khác

Một số ưu điểm của mô hình như: liên kết với GIS; liên kết với các mô hình

28

thành phần khác của bộ mô hình MIKE như MIKE FLOOD, mô hình mưa rào - dòng chảy; tính toán truyền tải khuếch tán; tính vận hành hồ chứa; tính toán mô phỏng các vùng đất ngập nước…

b Cấu trúc của mô hình

MIKE 11 bao gồm nhiều mô đun có các khả năng và nhiệm vụ khác nhau như:

mô đun mưa dòng chảy (RR), mô đun thuỷ động lực (HD), mô đun dự báo (FF), mô đun tải – khuếch tán (AD), mô đun sinh thái (Ecolab) và một số mô đun khác Trong đó, mô đun thuỷ lực (HD) được coi là phần trung tâm của mô hình, tuy nhiên tuỳ theo mục đích tính toán mà chúng ta kết hợp sử dụng với các mô đun khác một cách hợp lý và khoa học

Đặc trưng cơ bản của hệ thống mike 11 là cấu trúc mô - đun tổng hợp với nhiều loại mô - đun được thêm vào mỗi mô phỏng các hiện tượng liên quan đến hệ thống sông Ngoài các mô - đun HD đã mô tả ở trên, mike 11 bao gồm các mô-đun

bổ sung đối với:

- Thuỷ văn;

- Tải khuyếch tán;

- Các mô hình cho nhiều vấn đề về chất lượng nước;

- Vận chuyển bùn cát có cố kết (có tính dính)

c Lý thuyết mô hình tính toán trong mô hình MIKE 11

Để tính toán chế độ thủy lực bằng Mike 11 cần phối hợp sử dụng các dữ liệu như sau:

- Mạng sông (Network editor)

- Mặt cắt (Crosssection editor)

- Nhập biên (Boundary editor)

- Nhập thông số thủy lực (HD parameter file)

29

Phương trình cơ bản của mô hình để tính toán cho trường hợp dòng không ổn định là hệ phương trình Saint Venant bao gồm phương trình liên tục và phương trình động lượng:

+ Q là lưu lượng qua mặt cắt (m 3 /s)

+ q là lưu lượng nhập lưu trên một đơn vị chiều dài dọc sông (m2/s)

30

d Các thông số chính của mô hình MIKE 11

Để chạy một tính toán thủy động lực, bạn cần phải tạo một tập tin thông số thủy động lực Editor thông số thủy động lực cho phép người sử dụng xác định các giá trị cho một số biến sử dụng trong quá trình tính toán thủy động lực

Điều kiện ban đầu (Initial): trước khi bắt đầu tính toán, người sử dụng phải chọn

cách xác định các điều kiện ban đầu, người sử dụng tự xác định cho mực nước và

lưu lượng trong toàn bộ mạng sông tại thời gian bắt đầu tính toán

Gió (Wind): nếu người sử dụng muốn đưa ứng suất ngang của gió (Wind shear

stress) vào thì một điều kiện biên là biến thời gian cho trường gió phải được đưa vào mô phỏng Điều kiện biên trường gió bao gồm các mô tả về hướng gió và vận

tốc gió

Lực cản đáy (Bed Resist): Hệ số lực cản phải được xác định trong trang này Hệ số

lực cản có thể có một trong ba dạng khác nhau, trong đó hệ số Manning’s M là mặc

Wave Approx: Thông số này để xác định sóng nào là nên dùng trong tính toán: động

học (Kinematic), khuyếch tán (Diffusive) hay một trong hai xấp xỉ sóng động lực

hoàn toàn (fully dynamic wave approximations)

Giá trị mặc định (Default values): ta có thể thay đổi giá trị của một số thông số liên

quan tới tính toán thủy động lực, không nên thay đổi các thông số trừ khi đã biết rõ

nó ảnh hưởng thế nào đến kết quả

31

2.1.4 Cơ sở lý thuyết của mô hình MIKE 21

Mô hình MIKE21 là mô hình do viện thủy lực Đan Mạch nghiên cứu và trở thành phần mềm thương mại Hiện nay phần mềm này được rất nhiều công ty sử dụng để tính toán do mô hình này có rất nhiều ưu việt và mô phỏng tương đối sát với thực tế Cũng như mô hình một chiều MIKE 11 thì mô hình MIKE 21 cũng có rất nhiều mô đun phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau:

- HD/FM: Mô đun tính toán dòng chảy;

- AD: Mô đun tải khuếch tán;

- ST: Mô đun vận chuyển trầm tích;

- MT: Mô đun vận chuyển bùn;

- ECOLAB: Mô đun hệ sinh thái;

- SW: Mô đun lan truyền sóng;

- PA: Mô đun kiểm soát phần tử

a Thuật toán trong MIKE21:

Hệ phương trình sử dụng trong mô hình là hệ phương trình Saint - Venant, mô hình MIKE 21 mô phỏng chuyển động của các phần tử chất lỏng thông qua hệ phương trình 2 chiều và được giải bằng phương pháp sai phân:



+

 +





y

V h x

U h t

2

= +



− +

+ +

 +



 +



 +

h

V U U g U A x g fV y

UV x

U t

2

= +



− +

+ +

 +



 + +



 +

h

V U V g V A y g fU y

V x

UV t

h

32

Sử dụng sơ đồ sai phân hữu hạn (lưới hình chữ nhật) có nghĩa rằng MIKE 21 diễn toán lưu lượng và mực nước theo các phương trình cân bằng lực: giải hệ phương trình liên tục và bảo toàn động lượng theo sơ đồ sai phân hữu hạn ẩn, mô tả lưu lượng và mực nước trên toàn bộ miền tính toán

Miền tính được chia thành các ô lưới: sơ đồ hiện hạn chế bước thời gian thoải mãn điều kiện Courant – Friedrich – Lewy nhỏ hơn 1

Các mô đun này đều sử dụng lưới tính toán có thể là lưới đơn (lưới tứ giác), lưới phi cấu trúc (tam giác) hay lưới gộp Lưới phi cấu trúc có thể là lưới tứ giác, lưới tam giác hay lưới hỗn hợp

Hình 4 Lưới tính toán trong MIKE21