Ứng dụng mô hình thủy văn Đô thị 2 chiều mô phỏng ngập lụt cho thành phố Đồng hới theo Điều kiện biến Đổi khí hậu

Ứng dụng mô hình thủy văn Đô thị 2 chiều mô phỏng ngập lụt cho thành phố Đồng hới theo Điều kiện biến Đổi khí hậu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Nguyễn Thu Lan

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY VĂN ĐÔ THỊ

2 CHIỀU MÔ PHỎNG NGẬP LỤT CHO THÀNH PHỐ ĐỒNG HỚI THEO ĐIỀU KIỆN

BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Nguyễn Thu Lan

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY VĂN ĐÔ THỊ

2 CHIỀU MÔ PHỎNG NGẬP LỤT CHO THÀNH PHỐ ĐỒNG HỚI THEO ĐIỀU KIỆN

BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

Chuyên ngành: Thủy văn học

Mã số: 8440224.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN QUANG HƯNG

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nguyễn Quang Hưng, người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình làm luận văn Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy cô giáo trong khoa Khí tượng Thủy văn

và Hải dương học, đặc biệt là các thầy cô giáo trong bộ môn Thủy văn và Tài nguyên nước đã dạy dỗ và truyền đạt cho em những kiến thức chuyên ngành hữu ích trong suốt quá trình học tập tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội

Em xin chân thành cảm ơn các anh/chị công tác tại Công Ty Trách Nhiệm Hữu Hạn Một Thành Viên Môi Trường Và Phát Triển Đô Thị Quảng Bình - URENCO đã nhiệt tình giúp đỡ, cung cấp số liệu để em hoàn thành luận văn này

Xin gửi lời cảm ơn tới tất cả đồng nghiệp đang công tác tại Phòng Dự báo Khí tượng Thủy văn, bạn bè và gia đình những người luôn ủng hộ, động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất để em hoàn thành luận văn này

Do kiến thức và thời gian còn hạn chế nên luận văn còn nhiều thiếu sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ thầy cô và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 7 năm 2022

Nguyễn Thu Lan

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 5

1.1 Vị trí địa lý 5

1.2 Đặc điểm địa hình 5

1.3 Đặc điểm khí hậu 6

1.4 Đặc điểm thủy văn 9

1.5 Đặc điểm kinh tế xã hội 10

1.5.1 Dân số và diện tích 10

1.5.2 Tình hình kinh tế - xã hội 11

1.6 Hiện trạng hệ thống thoát nước và ngập lụt thành phố Đồng Hới 12

1.7 Tổng quan các nghiên cứu 16

1.7.1 Trên thế giới 16

1.7.2 Trong nước 21

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28

2.1 Phương pháp tiếp cận 28

2.2 Lý thuyết mô hình 29

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY VĂN ĐÔ THỊ ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ NGẬP LỤT CHO THÀNH PHỐ ĐỒNG HỚI 37

3.1 Thu thập số liệu 37

3.1.1 Số liệu mạng lưới thoát nước 37

3.1.2 Số liệu địa hình: 38

3.1.3 Số liệu mưa, mực nước: 38

3.1.4 Số liệu về các trận ngập (điểm ngập, độ sâu ngập, diện ngập) thực tế 39

3.2 Thiết lập mô hình 46

3.2.1 Thiết lập các điểm tập trung nước 46

3.2.2 Các đường cống dẫn nước 47

3.2.3 Lưu vực tập trung nước 48

3.2.4 Thiết lập mô hình số độ cao và kết nối mô phỏng dòng chảy tràn mặt 2D 49

3.2.5 Thiết lập biên của mô hình 51

3.3 Xây dựng đường cong IDF của mưa trạm Đồng Hới 51

3.4 Lựa chọn tần suất thiết kế và trận mưa điển hình 53

3.5 Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình 55

3.5.1 Các thông số để hiệu chỉnh trong mô hình 55

3.5.2 Kết quả hiệu chỉnh 56

3.5.3 Kiểm định mô hình 61

3.6 Thiết lập mô phỏng các trận ngập của thành phố Đồng Hới theo các kịch bản 65

3.6.1 Kết quả mô phỏng kịch bản trận mưa chu kỳ lặp lại 2 năm 65

3.6.2 Kết quả mô phỏng kịch bản trận mưa chu kỳ lặp lại 5 năm 66

3.6.3 Kết quả mô phỏng kịch bản trận mưa chu kỳ lặp lại 10 năm 68

3.6.4 Kết quả mô phỏng kịch bản trận mưa chu kỳ lặp lại 100 năm 68

3.6.5 Kết quả mô phỏng theo các kịch bản biến đổi khí hậu 69

3.7 Phân tích các nguyên nhân gây ngập và đưa ra các đề xuất, giải pháp ứng phó ngập lụt cho thành phố Đồng Hới 71

3.7.1 Phân tích các nguyên nhân gây ngập 71

3.7.2 Giải pháp khắc phục 73

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 Ngập lụt thành phố Đồng Hới ngày 15-10-2016 (Nguồn: Báo Online) 2

Hình 2 Bản đồ hành chính thành phố Đồng Hới 5

Hình 3 Đường quá trình mưa, nhiệt độ trung bình các tháng trạm Đồng Hới 8

Hình 4 Hệ thống sông hồ của thành phố Đồng Hới 9

Hình 5 Lưu vực thoát nước của Thành phố Đồng Hới 12

Hình 6 Cửa xả ra sông Nhật Lệ 15

Hình 7 Cửa phai Thành Cổ 15

Hình 8 Bản đồ ngập khu vực Sukhumvit ở Bangkok 18

Hình 9 Quy hoạch thoát nước khu vực nội thành Hà Nội (JICA, 1995) 22

Hình 10 Bản đồ độ sâu ngập lụt cực đại khu vực nội thành Hà Nội trong trận ngập lụt từ 31/10- 2/11/2008 trước và sau khi có giải pháp cải tạo cống 24

Hình 11 Kết quả xử lý ảnh Sentinel trên GEE qua các bước 25

Hình 12 Hình minh họa mô phỏng mức ngập lớn nhất trận mưa ngày 23-24 tháng 4 năm 2015 26

Hình 13 Sơ đồ tính toán 28

Hình 14 Sơ đồ tính toán mưa – dòng chảy 30

Hình 15 Sơ đồ tính toán dòng chảy trong hệ thống thoát nước 1 chiều 34

Hình 16 Sơ đồ kết hợp mô hình 1 chiều và 2 chiều 36

Hình 17 Bản vẽ hiện trạng thoát nước thành phố Đồng Hới 37

Hình 18 Ảnh DEM khu vực nghiên cứu 38

Hình 19 Hướng đi qua và tần suất quan trắc của vệ tinh Sentinel-1 40

Hình 20 Ảnh diện ngập với hệ số threshole 1.00 41

Hình 21 Ảnh diện ngập với hệ số threshole 1.05 41

Hình 22 Ảnh diện ngập với hệ số threshole là 1.10 42

Hình 24 Ảnh diện ngập với hệ số threshole là 1.20 43

Hình 25 Ảnh diện ngập với hệ số threshole là 1.25 43

Hình 26 Ảnh diện ngập với hệ số threshole là 1.30 44

Hình 27 Ảnh diện ngập với hệ số threshole là 1.40 44

Hình 28 Ảnh diện ngập thành phố Đồng Hới năm 2021 45

Hình 29 Thông số các hố ga và thiết lập hệ thống hố ga cho TP Đồng Hới 47

Hình 30 Thông số đường ống và thiết lập hệ thống cống cho TP Đồng Hới 47

Hình 31 Hình ảnh trắc dọc tuyến đường Hữu Nghị - Trần Quang Khải sau khi thiết lập 48

Hình 32 Kết quả phân chia lưu vực (catchment) trong hệ thống thoát nước 49

Hình 33 Xử lý số liệu địa hình bằng GIS 50

Hình 34 Thiết lập tính toán dòng chảy tràn 2D 51

Hình 35 Đường cong IDF trạm Đồng Hới 52

Hình 36 Hình ảnh ngập tính toán và các vị trí hiệu chỉnh trận mưa từ 16-18/10/2021 57

Hình 37 Hình ảnh trắc dọc tuyến đường Lê Sỹ - Phạm Văn Đồng – Duy Tân với trận mưa 16-18/10/2021 57

Hình 38 Biểu đồ tương quan giữa độ sâu ngập thực đo và độ sâu ngập tính toán trận hiệu chỉnh 60

Hình 39 Hình diện ngập sau khi hiệu chỉnh – diện ngập xác định bằng GEE 61

Hình 40 Hình ảnh ngập tính toán và các vị trí kiểm định trận mưa từ 17-20/10/2020 62

Hình 41 Hình ảnh ngập trắc dọc tuyến đường Lê Sỹ - Phạm Văn Đồng – Duy Tân với trận mưa 17-20/10/2020 62

Hình 42 Biểu đồ tương quan giữa độ sâu ngập thực đo và độ sâu ngập tính toán trận kiểm định 64

Hình 43 Ảnh ngập thực tế trên đoạn đường Dương Văn An trận mưa 17-20/10/2020 64

Hình 44 Bản đồ ngập trận mưa chu kỳ lặp lại 2 năm 66

Hình 45 Bản đồ ngập trận mưa chu kỳ lặp lại 5 năm 67

Hình 46 Bản đồ ngập trận mưa chu kỳ lặp lại 10 năm 68

Hình 47 Bản đồ ngập trận mưa chu kỳ lặp lại 100 năm 69

Hình 48 Bản đồ ngập trận mưa kịch bản RCP4.5 70

Hình 49 Bản đồ ngập trận mưa kịch bản RCP8.5 71

Hình 50 Một số vị trí ngập lụt kịch bản trận mưa chu kỳ lặp lại 2 năm 72

Hình 51.Vị trí thiết lập lại kích thước cống và phần trăm không thấm thuộc phường Bắc Lý 74

Hình 52 Kết quả mô phỏng trước và sau khi thay đổi kích thước cống và phần trăm không thấm cho kịch bản trận mưa chu kỳ lặp lại 2 năm 75

Hình 53 Kết quả mô phỏng trước và sau khi thay đổi kích thước cống và phần trăm không thấm cho kịch bản trận mưa chu kỳ lặp lại 5 năm 75

Hình 54 Kết quả mô phỏng trước và sau khi thay đổi kích thước cống và phần trăm không thấm cho kịch bản BĐKH RCP4.5 76

Hình 55 Kết quả mô phỏng trước và sau khi thay đổi kích thước cống và phần trăm không thấm cho kịch bản BĐKH RCP8.5 76

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Số liệu khí tượng thuỷ văn Đồng Hới 8

Bảng 2 Dân số và diện tích các phường xã TP Đồng Hới 11

Bảng 3 Kết quả so sánh với số liệu ngập thực tế 45

Bảng 4 Dữ liệu hệ thống thoát nước hiện trạng 46

Bảng 5 Cường độ mưa trạm Đồng Hới trong các thời đoạn và giai đoạn lặp lại theo số liệu thực đo giai đoạn (2000 – 2020) 52

Bảng 6 Lượng mưa trạm Đồng Hới trong các thời đoạn và giai đoạn lặp lại theo số liệu thực đo giai đoạn (2000 – 2020) 52

Bảng 7 Chu kỳ lặp lại P (năm) phụ thuộc vào quy mô công trình (TCVN 7595-2008) 53

Bảng 8 Bảng thống kê số trận mưa lớn trạm Đồng Hới thời đoạn 2000-2020 54

Bảng 9 Đặc điểm trận mưa hiệu chỉnh mô hình 56

Bảng 10 Bảng độ sâu ngập thực đo và tính toán tại một số vị trí hiệu chỉnh 58

Bảng 11 Đặc điểm trận mưa kiểm định mô hình 61

Bảng 12 Bảng độ sâu ngập thực đo và tính toán tại một số vị trí kiểm định 63

Bảng 13 Đặc điểm các trận mưa tương ứng với các chu kỳ lặp lại 65

Bảng 14 So sánh diện ngập giữa kịch bản trận mưa chu kỳ lặp lại 2 năm và kịch bản trận mưa chu kỳ lặp lại 5 năm 67

Bảng 15 So sánh diện ngập giữa kịch bản RCP4.5 và kịch bản RCP8.5 70

Bảng 16 Kích thước các đoạn cống trước và sau khi thay đổi 74

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

DEM Digital Elevation Model: Mô hình số địa hình

GIS

(Geographic Information System) Hệ thống thông tin địa lý

RCP4.5 Kịch bản nồng độ khí nhà kính trung bình thấp RCP8.5 Kịch bản nồng độ khí nhà kính cao

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, cùng với sự phát triển nhanh chóng của kinh tế xã hội, quá trình đô thị hóa tại các thành phố đang được diễn ra với tốc độ nhanh chóng Tuy nhiên, sự quy hoạch và phát triển đôi lúc không đồng nhất và thiếu chuẩn xác dẫn đến tình trạng quá tải của cơ sở hạ tầng gây ra nhiều nguy cơ mà chúng ta đã và đang phải đối mặt Trong đó, tình trạng ngập lụt đô thị với nguyên nhân do biến đổi khí hậu, nước biển dâng, không có hệ thống thoát nước hoặc thiết kế không đáp ứng được nhu cầu thực tế, quá tải hoặc do chế độ thủy văn sông ngòi chảy qua đang là bài toán khó trong quản lý đô thị tại một số thành phố

Có nhiều phương pháp để đối phó với ngập lụt như phương pháp dài hạn là xây dựng mới hệ thống cơ sở hạ tầng để ngăn lũ, tăng cường thoát nước, phương pháp ngắn hạn là sử dụng triệt để các cơ sở hạ tầng có sẵn kết hợp với dự báo chuẩn xác kèm theo các biện pháp ứng phó, cơ cấu phòng chống lũ lụt Ngày nay, các mô hình toán, phương pháp giải và máy tính ngày càng hiện đại hỗ trợ rất nhiều cho việc tìm lời giải cho các mô bài toán mô hình hóa, giúp chúng trở nên dễ dàng và thuận tiện hơn rất nhiều

Việt Nam cũng là một trong số các quốc gia đã và đang phải đối mặt với các nguy cơ từ ngập lụt đô thị Điển hình trong các năm gần đây xuất hiện một số trận ngập lụt nghiêm trọng ở một số thành phố như: trận ngập lụt lịch sử tại thành phố

Hà Nội năm 2008, các trận ngập lụt do triều cường tại thành phố Hồ Chí Minh, ngập úng ở thành phố Hải Phòng, ngập lụt ở thành phố Đồng Hới năm 2012, 2013,

2016, 2020…

Thành phố Đồng Hới là đô thị loại II nằm ở vùng đồng bằng duyên hải miền Trung có đặc điểm là vùng đồng bằng tương đối hẹp Khu vực thành phố nằm ở khu vực tiếp giáp giữa hai vùng khí hậu biển Bắc Bộ và Trung Bộ Như vậy, nếu có bão,

áp thấp ở một trong hai vùng trên đều có ảnh hưởng đến khu vực thành phố Khu vực thoát nước của thành phố có hai mặt: mặt đông giáp biển, mặt phía Tây và Nam

giáp với sông Nhật Lệ Sông Nhật Lệ là một trong những sông lớn của khu vực duyên hải miền Trung với độ dốc lớn, uốn khúc mạnh, có dòng chảy mùa lũ lớn với thời gian mùa lũ từ tháng 6 đến tháng 11 Chế độ lũ cũng khá khắc nghiệt mang đặc thù của các sông ngòi miền Trung: lũ tập trung nhanh, xuống nhanh với cường suất lớn Sự tương phản về lưu lượng dòng chảy giữa mùa lũ và mùa cạn là rất rõ rệt Về mùa khô từ tháng 12 đến tháng 5, khu vực cửa sông Nhật Lệ chịu hoàn toàn ảnh hưởng của chế độ triều Vịnh Bắc Bộ Đặc điểm này đã gây cản trở cho hệ thống thoát nước trong cả mùa lũ và mùa cạn Đặc biệt, khi có lũ lớn trên sông Nhật Lê gặp vào thời kỳ triều cường, khả năng tiêu tự chảy của hệ thống sẽ rất khó khăn, thậm chí không thể tiêu (nếu gặp bão gây nước dâng) sẽ gây ngập cho khu vực đô thị

Hình 1 Ngập lụt thành phố Đồng Hới ngày 15-10-2016 (Nguồn: Báo Online)

Tác động của biến đổi khí hậu sẽ càng làm khó khăn hơn đến khả năng thoát nước của thành phố Đồng Hới trong tương lai Các kịch bản biến đổi khí hậu cho Việt Nam do các chuyên gia Bộ Tài nguyên và Môi trường xây dựng cho thấy, cuối thế kỷ 21, nhiệt độ nước ta có thể tăng thêm 3.2-4.20C so với trung bình thời kỳ

hơn ở các vùng phía Nam Tổng lượng mưa năm và lượng mưa vào mùa mưa, ở các vùng nước ta đều tăng, lượng mưa mùa khô có xu thế tăng trên đa phần diện tích cả nước nhưng có xu thế giảm ở một phần diện tích khu vực Việt Bắc và Nam Tây Nguyên, Đông Nam Bộ, mưa cực trị có xu thế tăng Về kịch bản nước biển dâng, các chuyên gia nhận định, giữa thế kỷ 21, mực nước biển có thể dâng thêm 25-28

cm và đến cuối thế kỷ 21 có thể dâng thêm 46-77 cm tuỳ theo các kịch bản [1] Chính vì sự cấp bách trong việc nghiên cứu để tìm ra các biện pháp giảm thiểu và ngăn chặn tác hại từ nguy cơ ngập lụt đô thị cho thành phố Đồng Hới, luận văn đã chọn đề tài “Ứng dụng mô hình thủy văn đô thị 2 chiều mô phỏng ngập lụt cho thành phố Đồng Hới theo điều kiện biến đổi khí hậu” để nghiên cứu

2 Mục tiêu của luận văn:

Nghiên cứu ứng dụng mô hinh thuỷ văn đô thị 2 chiều mô phỏng ngập lụt cho thành phố Đồng Hới có xét đến biến đổi khí hậu Mục tiêu cụ thể:

- Thiết lập mô hình Mike Urban mô phỏng hiện trạng hệ thống thoát nước thành phố Đồng Hới

- Tính toán thoát nước cho thành phố Đồng Hới với các kịch bản biến đổi khí hậu

- Phân tích các nguyên nhân gây ngập và đề xuất các giải pháp ứng phó với ngập lụt cho thành phố Đồng Hới

4 Phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp phân tích và tổng hợp số liệu: Thu thập và tổng hợp các tài liệu hiện có liên quan như điều kiện khí hậu tự nhiên, kinh tế - xã hội, số liệu quan trắc thuỷ văn tại các trạm trên lưu vực nghiên cứu

- Phương pháp mô hình hóa: dựa trên các số liệu thu thập được, tiến hành mô hình hóa hệ thống lưu vực và hệ thống thoát nước của thành phố Đồng Hới, qua đó kiểm tra tính đúng đắn của thiết kế thoát nước thành phố, xây dựng các kịch bản đối phó với tình trạng ngập úng trong các điều kiện khác nhau, quản lý và vận hành toàn bộ

hệ thống thoát nước trực tuyến Áp dụng cách tiếp cận mô phỏng đồng thời kết nối hệ thống thủy lực kênh mương và tính toán chảy tràn 2 chiều của mô hình MIKE URBAN

mô phỏng và tính toán ngập lụt cho thành phố Đồng Hới – Quảng Bình

- Phương pháp viễn thám và GIS: Xử lý lớp thảm phủ và các thông số bề mặt của thành phố, ứng dụng trong việc thiết kế xanh đô thị, các thông tin tiếp nhận từ ảnh vệ tinh, radar sẽ được đưa vào trong nghiên cứu để nâng cao độ chính xác cũng như các tính năng khác của mô hình thủy văn đô thị

5 Nội dung của luận văn:

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo, nội dung luận văn gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan khu vực nghiên cứu

Chương 2: Phương pháp tiếp cận và lý thuyết mô hình

Chương 3: Ứng dụng mô hình thủy văn đô thị đánh giá mức độ ngập lụt cho thành phố Đồng Hới

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1 Vị trí địa lý

Thành phố Đồng Hới nằm ở toạ độ 17022’ vĩ độ Bắc, 106029’ kinh độ Đông, trên Quốc lộ 1A, cách Hà nội 490 km về phía Bắc, cách Huế 160 km về phía Nam Phía Bắc giáp huyện Bố Trạch, phía Nam giáp huyện Quảng Ninh, phía Đông giáp Biển Đông và phía Tây giáp huyện Quảng Ninh và Bố Trạch Sông Nhật Lệ chia thành phố thành 2 khu vực, có đặc tính nổi bật là con sông lớn của Việt Nam có dòng chảy từ Nam ra Bắc

Hình 2 Bản đồ hành chính thành phố Đồng Hới

1.2 Đặc điểm địa hình

Đồng Hới nằm về phía đông của dãy Trường Sơn có địa hình đa dạng bao gồm: vùng đồi, vùng đồng bằng và vùng cát ven biển và có đặc thù nghiêng dần từ Tây sang Đông, chia thành các khu vực sau:

- Vùng gò đồi phía Tây: chiếm 15% diện tích tự nhiên với các dãy đồi lượn sóng vắt ngang từ Bắc xuống Nam tại khu vực phía Tây thành phố trên địa bàn các

xã phường Đồng Sơn, Nghĩa Ninh, Thuận Đức với cao độ trung bình từ 12–15 m,

độ dốc trung bình 7–10% Thổ nhưỡng của vùng này có đặc điểm độ phì thấp, đất

đai nghèo chất dinh dưỡng, tầng đất màu không dày, thuận lợi để phát triển cây lâm nghiệp, cây công nghiệp dài ngày và cây ăn quả

- Vùng bán sơn địa xen kẽ đồng bằng: chiếm 37% diện tích tự nhiên với cao

độ trung bình từ 5–10 m (nơi cao nhất 18 m và thấp nhất là 2,5 m), độ dốc trung bình từ 5–10% Đây là một vòng cung có dạng gò đồi thấp xen kẽ đồng bằng hẹp bao bọc lấy khu vực đồng bằng, kéo dài từ Bắc - Đông Bắc đến Tây Bắc–Tây Nam

và Nam–Đông Nam, phân bố dọc theo các phường xã Quang Phú, Lộc Ninh, Bắc

Lý, Bắc Nghĩa, Thuận Đức, Đồng Sơn, Nghĩa Ninh, là vùng sản xuất lương thực hoa màu, đặc biệt là vành đai rau xanh phục vụ cho thành phố

- Vùng đồng bằng: chiếm khoảng 38% diện tích tự nhiên, thuộc khu vực trung tâm trên địa bàn các phường xã: Đồng Phú, Đồng Mỹ, Hải Đình, Phú Hải, Đức Ninh Đông, Đức Ninh, Nam Lý, Bắc Lý Địa hình tương đối bằng phẳng, đồng ruộng xen lẫn sông, hồ, kênh rạch, độ dốc nhỏ khoảng 0,2%, cao độ trung bình 2–

4 m, nơi thấp nhất là 0,5 m; đây là nơi tập trung mật độ dân cư cao cùng với các cơ

sở hạ tầng kinh tế chủ yếu của thành phố, thuận lợi cho việc phát triển các lĩnh vực công nghiệp và dịch vụ

- Vùng cát ven biển: nằm về phía Đông thành phố, chiếm khoảng 10% diện tích tự nhiên, địa hình gồm các dải đồi cát nối liền chạy song song bờ biển, có nhiều bãi ngang và cửa lạch, độ chia cắt nhỏ với cao độ trung bình 10 m, thấp nhất là 3 m, phân bố đều trên địa bàn: Quang Phú, Hải Thành, Bảo Ninh [20]

Hiện tại thành phố Đồng Hới lượng nước ngầm tương đối nhiều nhưng nước ngầm hầu như bị nhiễm mặn

1.3 Đặc điểm khí hậu

Đồng Hới nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa và chịu ảnh hưởng của khí hậu đại dương Tính chất khí hậu chuyển tiếp giữa miền Bắc và miền Nam, với đặc trưng khí hậu nhiệt đới điển hình ở phía Nam và có mùa đông lạnh ở miền Bắc với hai mùa rõ rệt trong năm: mùa khô và mùa mưa

Lượng mưa trung bình hằng năm từ 1.300–4.000 mm, phân bố không đều giữa các tháng trong năm Mùa mưa tập trung từ tháng 9 đến tháng 11, chiếm 75–80% tổng lượng mưa cả năm, liên quan nhiều đến áp thấp nhiệt đới, hoàn lưu bão và hoạt động của gió mùa Đông Bắc, nên thường gây ngập lụt trên diện rộng Mùa khô từ tháng 12 đến tháng 8 năm sau, lượng mưa ít, trùng với mùa khô hanh nắng gắt, gắn với gió Tây Nam khô nóng, lượng bốc hơi lớn gây nên hiện tượng thời tiết cực đoan khô hạn ảnh hưởng lớn đến sản xuất và đời sống Tháng có lượng mưa lớn nhất là tháng 9, tháng 10 (502–668 mm), tháng có lượng mưa thấp nhất là tháng 3, tháng 4 (44 - 45 mm)

Chế độ gió: Có 2 mùa gió chính:

- Gió mùa đông Bắc xuất hiện từ tháng 11 năm trước đến tháng 3 năm sau thường kèm theo mưa phùn, giá lạnh

- Gió Lào (gió phơn Tây Nam) xuất hiện từ tháng 4 đến tháng 8 gây khô nóng và hạn hán [20]

Ngoài ra, một số đặc trưng về khí hậu của Đồng Hới như dưới đây:

 Nhiệt độ:

- Nhiệt độ trung bình năm: 24,7 0C

- Nhiệt độ cao nhất tuyệt đối: 40,70C

- Nhiệt độ thấp nhất tuyệt đối: 7,80C

- Số giờ nắng trung bình: 1821 giờ/năm

- Thời gian nắng bắt đầu từ tháng 5 đến tháng 8

Bảng 1 Số liệu khí tượng thuỷ văn Đồng Hới (Nguồn số liệu: Tổng cục Khí tượng

1.4 Đặc điểm thủy văn

TP Đồng Hới có 4 con sông chính, đó là: Sông Mỹ Cương, Sông Lệ Kỳ, Sông Cầu Rào, sông Nhật Lệ:

Hình 4 Hệ thống sông hồ của thành phố Đồng Hới

- Sông Nhật Lệ là hệ thống sông lớn thứ 2 của tỉnh Quảng Bình, sau hệ thống sông Gianh Sông Nhật Lệ nhận nước từ 3 con sông chính là sông Kiến Giang, sông Long Đại và sông Rào Lũy Đoạn sông mang tên Nhật Lệ được tính từ ngã 3 sông Long Đại (cách cầu Long Đại 1,5km) về đến cửa Nhật Lệ (Đồng Hới) dài 17km Nếu tính từ nguồn Kiến Giang về đến cửa Nhật Lệ có chiều dài 96km Hệ thống sông Nhật Lệ có lưu vực rộng 2.622km2 Hệ thống sông bao gồm 24 phụ lưu lớn nhỏ, độ rộng bình quân của lưu vực 45km2, bình quân sông, suối trong lưu vực có chiều dài 0,84 km/km2

- Sông Mỹ Cương: Bắt nguồn từ xã Phước Mỹ huyện Quảng Ninh với chiều dài 16km, chiều rộng 80m Lưu lượng lớn nhất Qlũ=350m3/s, Qkiệt=0,25m3/s, sông hẹp, quanh co, đục bẩn, mặn, hàng năm lên quá cầu Mỹ Cương

- Sông Lệ Kỳ: chảy ven thành phố bắt nguồn từ núi cao huyện Quảng Ninh chảy theo hướng từ Tây sang Đông và đổ vào sông Nhật Lệ Chiều dài sông 20km, chiều rộng 200m Diện tích lưu vực 90km2, Qlũ=630m3/s, Qkiệt=3,1m3/s

- Sông Cầu Rào (còn gọi là sông Luỹ): sông chảy giữa thành phố, sông bắt nguồn từ hồ Lộc Ninh chảy theo hướng Bắc Nam đổ vào sông Nhật Lệ Về hải văn,

số liệu thu thập được cho thấy sông Nhật Lệ chịu ảnh hưởng của bán nhật triều từ biển Đông với 2 chân 2 đỉnh triều xen giữa các đợt triều Biên độ thuỷ triều quan trắc được nằm trong khoảng 0,75m đến 1,5m, nước dâng trong bão có thể xảy ra với biên độ 2 – 3m Chế độ hải lưu bị chi phối theo quy luật biển vịnh Bắc bộ Thềm biển Quảng Bình chịu ảnh hưởng của quá trình xói lở - bồi tụ xen kẽ Bên cạnh đó còn xuất hiện dòng chảy từ biển vào sông khi triều lên và ngược lại khi triều xuống

và vào mùa mưa [2]

1.5 Đặc điểm kinh tế xã hội

1.5.1 Dân số và diện tích

Dân số thành phố Đồng Hới: 103.988 người trong đó:

- Đất nội thị: 55,58km2,

- Dân số nội thị: 68.165 người,

- Mật độ dân số nội thị: 1.226 người/ km2,

- Đất ngoại thị: 99,69 km2,

- Dân số ngoại thị: 35.823 người,

- Mật độ dân số ngoại thị: 359 người/ km2 [21]

Bảng 2 Dân số và diện tích các phường xã TP Đồng Hới

TT Đơn vị hành chính Dân số (người) Diện tích (km 2 )

Công nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng (gạch sứ tráng men gốm, xi măng, nhôm), đánh bắt và nuôi trồng thủy-hải sản, thương mại Trong giai đoạn 2015-2020, tăng trưởng GDP bình quân của Đồng Hới tăng trưởng đều 20%, sản xuất tiểu thủ công nghiệp theo hướng tăng dần tỷ trọng dịch vụ và công nghiệp trong cơ cấu kinh tế Đồng Hới có 1698 doanh nghiệp tiểu thủ công nghiệp GDP đầu người năm 2019 của Đồng Hới là 6850 USD ~ 150 triệu đồng, cao gấp 2,4 lần thu nhập bình quân đầu người của cả nước, tỷ lệ hộ nghèo chỉ còn 0.5% Thu ngân sách năm 2018 đạt 4540,461 tỷ đồng Thành phố này có 3 Khu công nghiệp tây bắc Đồng Hới, Bắc Đồng Hới và Phú Hải [20]

1.6 Hiện trạng hệ thống thoát nước và ngập lụt thành phố Đồng Hới

Hình 5 Lưu vực thoát nước của Thành phố Đồng Hới

- Lưu vực thoát nước của thành phố Đồng Hới gồm 5 lưu vực lớn là lưu vực

bờ tả sông Cầu Rào, lưu vực bờ hữu sông Cầu Rào, lưu vực mương Phóng Thủy, lưu vực suối Khe Duyên, lưu vực sông Nhật Lệ với tổng diện tích khoảng 12.47km2

(Hình 5)

- Hệ thống thoát nước thành phố Đồng Hới được chia làm 2 phần:

+ Khu vực Thành phố cũ bao gồm các phường Đồng Phú, Đồng Mỹ, Hải Đình là hệ thống thoát chung, xây dựng hệ thống cống bao và giếng tách để thu nước thải đưa về khu xử lý

+ Khu vực các phường Nam Lý, Bắc Lý, Đức Ninh Đông và các xã ngoại thành xây dựng hệ thống thoát nước riêng

- Về tổng thể, các trục thoát nước chính cho khu vực thành phố Đồng Hới, đó

+ Sông Cầu Rào: xuất phát từ ngã ba giữa mương Phóng thuỷ và mương

thoát nước thuộc cánh đồng xã Lộc Ninh, với chiều dài tổng cộng khoảng 4,5 km, chảy băng ngang thành phố theo hướng từ Bắc xuống Nam trước khi chảy ra sông

Lệ Kỳ Dọc theo tuyến sông, nhiều điểm đang bị lấn chiếm, và cây cỏ mọc làm giảm đáng kể khả năng thoát nước Một số tuyến đường mới đã được xây dựng cắt ngang sông (đường Quốc lộ 1A, đường mới, đường hữu nghị, đường vành đai) nhưng việc thiết kế cống qua đường tại một số điểm không đảm bảo về tiết diện, gây ra như một điểm chướng ngại làm cản trở dòng chảy khi có lũ Có một số dự án quy hoạch xây dựng các công trình dọc theo sông nhưng đến nay các dự án đó chưa được thực thi

+ Mương Phóng Thuỷ: có chiều dài 2 km, chiều rộng đáy mương bình quân

10 m, chảy từ Tây sang Đông, nối khu ruộng có cốt thấp, hay bị ngập úng thuộc xã Lộc Ninh đi qua phường Đồng Phú và xã Hải Thành, đổ ra cửa sông Nhật Lệ Giai đoạn 1 Mương Phóng Thủy đã được kiên cố hóa bằng kè đá Đây là con mương nhân tạo với mục đích chính là tiêu thoát lũ cho khu vực phía Bắc Đồng Hới cũng như giữ nước để phục vụ tưới tiêu nông nghiệp trong mùa khô Do cửa xả của mương ra cửa sông Nhật Lệ bị nhiễm mặn vào mùa khô khi triều lên, nên trên dọc tuyến mương có một số các cửa cống để kiểm soát nước mặn, ngăn không cho ảnh hưởng đến cánh đồng canh tác của nhân dân Đoạn cuối mương Phóng Thuỷ đi qua khu dân cư của phường Đồng Phú, bị thu hẹp và bị lấn chiếm ảnh hưởng trực tiếp

đến thoát lũ của khu vực

- Suối Khe Duyên: thoát nước cho 1 phần phường Bắc Lý, Nam Lý, đưa nước

ra sông Nhật Lệ

Về hải văn, số liệu thu thập được cho thấy sông Nhật Lệ chịu ảnh hưởng của bán nhật triều từ biển Đông với 2 chân 2 đỉnh triều xen giữa các đợt triều Biên độ thuỷ triều quan trắc được nằm trong khoảng 0,75 m đến 1,5 m, nước dâng trong bão

có thể xảy ra với biên độ 2 – 3m

Một số khu vực trong thành phố thường xuyên bị ngập úng cục bộ với mức

độ khác nhau:

- Khu vực hạ lưu sông cầu Rào thuộc xã Đức Ninh

- Khu đường Trần Hưng Đạo, phía Tây sông cầu Rào

- Khu vực đường Hữu Nghị

- Khu vực phía Bắc bệnh viện Việt Nam – Cu Ba thuộc phường Bắc Lý

- Cánh đồng xã Lộc Ninh

- Khu vực nội thị phường Đồng Mỹ

- Khu vực nội thị phường Đồng Phú

- Khu vực nội thị phường Hải Đình

Trong tương lai, hệ thống thoát nước của Đồng Hới sẽ được phát triển bao phủ gần hết thành phố, tuy nhiên, để vận hành và quản lý hệ thống một cách hiệu quả, nhiều biện pháp khác nhau cần được áp dụng Một trong những biện pháp để tính toán, nghiên cứu và hỗ trợ các quyết định phòng chống ngập úng là việc lập các bản đồ ngập lụt của khu vực Sau đây là một số hình ảnh thực tế hệ thống thoát nước thành phố Đồng Hới [2]

Hình 6 Cửa xả ra sông Nhật Lệ

Hình 7 Cửa phai Thành Cổ

1.7 Tổng quan các nghiên cứu

1.7.1 Trên thế giới

Có thể nói rằng việc giải quyết vấn đề tiêu thoát nước cho đô thị có từ ngàn năm trước Đến những năm 1850 ở các thành phố của Anh đã có những công trình cống tiêu thoát nước rất lớn như Bazalgette ở Luân Đôn Khoảng những năm 1950-

1960 có bước tiến về kỹ thuật công trình là hệ thống phân tách nước mưa và nước thải sinh hoạt và công nghiệp Từ những năm 1970 đã hình thành các cơ quan quản

lý nhà nước về tiêu thoát nước đô thị và thành lập những tổ chức nghiên cứu kỹ thuật công trình tiêu thoát nước đô thị như UDFCD của thành phố Denver bang Colorado thành lập năm 1969, cơ quan quản lý của Anh và Wale thành lập năm

1974

Đến những năm 1980 nhờ phát triển công nghệ phần cứng, phần mềm vi tính

mô phỏng hệ thống tiêu thoát nước đã làm tăng hiệu quả kinh tế của các công trình tiêu thoát nước và sáng tỏ nhiều vấn đề kỹ thuật Đến những năm 1990 thì vấn đề quản lý chất lượng nước thải được quan tâm giải quyết và cơ cấu tổ chức ngành nước và môi trường nước ở nhiều nơi được cải tổ [6]

Dưới đây là một số nghiên cứu mô phỏng ngập lụt trên thế giới:

1 Năm 2001 Chusit Apirumanekul và Ole Mark (Kỹ sư về nước và Quản lý thuộc Viện công nghệ châu Á) đã công bố đề tài Mô hình hóa lũ lụt tại thành phố Dhaka, Banglades nghiên cứu tính khả thi của việc áp dụng kiểm soát thời gian thực vào hệ thống thoát nước đô thị để giảm vấn đề lũ lụt Hiện trạng hệ thống thoát nước năm 1996 của thành phố Dhaka là thu thập nước mưa từ dọc cống hộp đến ao, nước chảy dọc theo kênh hở đến lưu vực ở phía trước của cửa cống, bơm hoạt động với công suất 2,55 m3/s bắt đầu hoạt động khi mực nước trong lưu vực đạt 3,8 m và dừng lại khi mực nước đạt 1,4 m; cửa cống đã được đóng cửa bất cứ khi nào mực nước trong sông cao hơn mực nước ở phía thành phố Khi mô hình MOUSE tính toán mực nước trong hố ga cao hơn mặt đất sẽ xảy ra hiện tượng úng ngập bề mặt

Mô phỏng ngập úng năm 1996: Hệ thống tiêu nước thời kỳ năm 1996 khi

hoàn thành tuyến cống hộp quan trọng nên các hệ thống tiêu nước còn khó khăn để thu gom nước vào kênh tiêu

Mô phỏng hiện trạng hệ thống tiêu nước: Với hệ thống công trình tiêu thoát

nước năm 1996 và hiện trạng đều cho thấy ngập úng cục bộ trên đường phố Shantinagar với độ sâu ngập 55 cm trong vòng 16 giờ Nguyên nhân ngập được khẳng đinh là do hệ thống cống ngầm và hố ga thoát nước chưa đủ khả năng tiêu thoát nước mưa

Giải pháp chống ngập: Kết quả mô hình cho thấy hệ thống cống ngầm thoát nước chưa hợp lý, xảy ra hiện tượng thắt cổ chai ở khu vực thoát nước làm ngập úng bề mặt đô thị Biện pháp cải tạo đường ống thoát nước hợp lý giảm được úng ngập ở khu vực nghiên cứu [10]

2 Năm 2005, Ole Mark, Surajate Boonya-Aroonnet, Nguyễn Quang Hưng, Varaporn Buranautama, Uruya Weesakul, Chavalit Chaliraktrakul, Lars Chr Larsen

đã công bố nghiên cứu của dự án về hệ thống thông tin thủy văn thời gian thực cho khu vực Sukhumvit, BangKok Nhóm tác giả đã nghiên cứu việc kết hợp mô hình

mô phỏng ngập lụt đô thị (MOUSE) với thông tin lượng mưa theo thời gian thực để cung cấp các hệ thống hỗ trợ và cảnh báo nhằm đối phó với lũ lụt đô thị Bangkok

là khu vực có nhiều hoạt động kinh tế và các văn phòng quốc gia quan trọng nhất đều được đặt tại đây, do đó khi lượng mưa lớn xảy ra ở Bangkok thì sẽ gây ra một

số hậu quả như là: tắc đường, ngập úng, mất điện và thiệt hại lớn về kinh tế do thiệt hại tài sản Do đó dự báo, cảnh báo khí tượng thủy văn có vai trò quan trọng, là công cụ hữu hiệu để phòng chống thiệt hại về tài sản do mưa và lũ lụt Mục tiêu của

dự án là thiết lập dịch vụ thời tiết công cộng và khám phá các khả năng cung cấp dự báo, cảnh báo về lượng mưa và ngập lụt đô thị ở Bangkok Mô hình ngập lụt đô thị

đã được thiết lập trong giai đoạn 2001-2002 là một phần của nghiên cứu AIT về ngập lụt đô thị, đầu vào của mô hình là chuỗi thời gian thực của lượng mưa, và các

mô hình sẽ được chạy tự động khi lượng mưa tại các địa điểm được chỉ định vượt

quá các giá trị ngưỡng đặt trước Kết quả của mô hình MOUSE cho Bangkok là bản đồ ngập lụt, hiển thị các khu vực và độ sâu ngập cho khu vực kinh doanh Sukhumvit ở Bangkok (Hình 8) Mô hình đã được thiết lập và áp dụng thành công cho các nghiên cứu ngoại tuyến đối với ngập lụt ở Bangkok [18]

Hình 8 Bản đồ ngập khu vực Sukhumvit ở Bangkok

3 Năm 2012, V Vidyapriya và Dr M Ramalingam thuộc Viện Viễn thám, Đại học Anna, Ấn Độ đã công bố kết quả ứng dụng mô hình Mike Urban cho lưu vực Jafferkhanpet trên tạp chí quốc tế về công nghệ giảm thiểu ô nhiễm Tác giả đã xây dựng mô hình ứng dụng tại Chennai theo các điều kiện 5 năm, 10 năm, 20 năm

và thiết kế 50 năm Xác nhận của mô hình được thực hiện bằng cách sử dụng mực nước lũ quan sát thông qua cuộc khảo sát, hỏi thăm Trong nghiên cứu này, mô hình dòng chảy MOUSE được xây dựng theo mô Model A Nó được giả định: dòng chảy chỉ được tạo ra từ các khu vực không thấm nước, được mô tả bằng các tỷ lệ phần trăm của tổng số lưu vực trong mô hình Dòng chảy thoát nước và dòng chảy kênh được mô hình hóa dựa trên mặt cắt ngang trung bình, phương trình Saint Venant mô

tả sự phát triển về chiều sâu nước và lưu lượng

Khu vực nghiên cứu nằm ở phần phía Nam của thành phố Chennai và có diện tích khoảng 2,94 sq.km Thời tiết ở khu vực này chủ yếu là khí hậu lục địa gió mùa, lượng mưa tập trung vào mùa mưa từ tháng X - XII Các dữ liệu khí tượng được cung cấp bởi máy đo mưa tự ghi trong vùng lân cận của khu vực nghiên cứu Zheng năm 2006 Trong tất cả, bốn cơn bão khác nhau 5 năm, 10 năm, 20 năm và thời gian quay trở lại 50 năm được xác định Để mô phỏng càng chính xác, độ phân giải cao 3m của mô hình số độ cao (DEM) được thành lập cho khu vực DEM bao gồm các mức độ khác biệt của đường phố cắt ngang, vị trí và chiều cao của các hố

ga, vỉa hè đường phố Khu vực nghiên cứu được chia thành 150 đơn vị lưu vực, trong đó có 146 kết nối với hố ga tương ứng và 4 kết nối với kênh Yếu tố thủy văn được sử dụng làm điều kiện biên đầu vào Đối với các biên dưới, mực nước quan sát được thực hiện tại đầu ra của kênh đã được xác định Tất cả các cấu trúc thủy lực được giả định tại các điều kiện ban đầu Thời gian mô phỏng là 7 giờ với bước thời gian 1 phút

Hai kịch bản được xem xét để phân tích lũ lụt Một là cống được xây dựng từ năm 1980 và cống mới được dự kiến trong năm 2009 Theo các cơn bão 5 năm, không có lũ lụt tại các nút của các vùng đầu nguồn Jafferkhanpet, Chennai Tuy nhiên, theo các cơn bão 10 năm: lũ lụt tối thiểu là 0,6 m và lũ lụt tối đa là 1,34 m Một lần nữa theo các cơn bão 25 năm: lũ lụt tối thiểu là 0,55 m và lũ lụt tối đa là 2,51 m Và theo những cơn bão 50 năm: lũ lụt tối thiểu là 0,57 m và lũ lụt tối đa là 2,63 m Trong thời gian mô phỏng là 13 giờ, lũ lụt tại các nút tự động tăng lên và sau đó dần dần rút đi sau 24 giờ Kết quả mô phỏng được so sánh với các câu hỏi từ cuộc khảo sát Nói chung, mực nước lũ mô phỏng lớn hơn so với mực nước lũ quan sát Vì vậy, các kết quả mô phỏng cho thấy những cải tiến của thiết kế hệ thống thoát nước là cần thiết [19]

4 Năm 2013, Justine Hénonin, Beniamino Russo, David, Ole Mark và

Philippe Gourbesville đã công bố nghiên cứu về phân tích hệ thống cảnh báo ngập lụt đô thị thời gian thực cho một số thành phố như: Thành phố Hvidovre (Đan

Mạch), Nîmes (Pháp), Bangkok (Thái Lan) và Barcelona (Tây Ban Nha) trên tạp chí Tin học thủy văn

- Tại Hvidovre (Đan Mạch): Cảnh báo ngập lụt thời gian thực sử dụng radar

có độ phân giải cao

Một hệ thống cảnh báo trực tuyến thời gian thực đã được thiết lập để cung cấp thông tin về nguy cơ ngập lụt của tầng hầm Hệ thống được dựa trên radar thời tiết của khu vực dự báo (LAWR) modul ghi chép lượng mưa và mực nước cho 22 lưu vực đô thị Những hình ảnh radar có độ phân giải cao được lấy ra 5 phút một lần

để xây dựng và cập nhật số liệu dự báo cho các giờ tiếp theo Số liệu dự báo này được sử dụng bởi các hệ thống (DSS) cùng với các dữ liệu lịch sử để tính toán lượng mưa tích lũy cho từng tiểu lưu vực và phát hành một cảnh báo nếu bất kỳ mức quan trọng được xác định trước vượt mức cảnh báo Người dân Hvidovre có thể nhận được tin cảnh báo tự động bởi DSS, bằng tin nhắn SMS và e-mail, hoặc truy cập vào các trang web

- Tại Nîmes (Pháp): Cảnh báo ngập lụt đô thị sử dụng lượng mưa dự báo và

mô hình dự báo thủy văn thời gian thực

Hệ thống Espada dựa trên lượng mưa dự báo tại khu vực từ radar (độ phân giải 1 km2) và một mạng lưới đo 10 điểm đo mưa và 11 điểm đo mực nước Dữ liệu được gửi cách 15 phút đến hệ thống trung tâm, làm đầu vào cho các mô hình lượng mưa-dòng chảy để dự báo lưu lượng dự kiến trong khu vực đô thị với một bản cập nhật cách 30 phút Mỗi kịch bản được liên kết với một mức độ cảnh báo với tổng

số 4 cấp, từ cảnh giác (cấp 1) đến ngập lụt cục bộ gây rủi ro cho người dân (cấp 4) Tùy thuộc vào dự báo và các kịch bản được lựa chọn, mức cảnh báo được ban hành

để khởi động tập hợp các hành động (kế hoạch phòng ngừa, các cuộc gọi điện thoại

tự động )

- Tại Bangkok (Thái Lan): Hệ thống dự báo ngập lụt sử dụng mô hình hệ thống thoát nước đô thị thời gian thực

Các hệ thống thoát nước đô thị của Bangkok được mô phỏng với mô hình 1D-1D mô tả các đường phố và các hệ thống đường ống và tương tác của chúng

Mô hình này được xây dựng với MOUSE và kết nối với lượng mưa dự báo theo thời gian thực, được sử dụng làm đầu vào, thông qua một cơ sở dữ liệu thời gian thực DIMS

Một cảnh báo nguy cơ ngập lụt có thể được phát hành qua internet và điện thoại di động WAP Một điểm thú vị của hệ thống Bangkok này là lời cảnh báo là không chỉ dựa trên các kết quả từ các mô hình mà còn về kinh nghiệm địa phương

- Tại Barcelona (Tây Ban Nha): Hệ thống dự báo ngập lụt dựa vào radar và

mô hình mạng lưới thời gian thực

Lượng mưa được lấy từ một radar với độ phân giải 1 km2 và 7 điểm đo mưa Lượng mưa dự báo trong 2 giờ tới Các dữ liệu radar được hiệu chuẩn với các số liệu đo mưa Hệ thống này cũng bao gồm dữ liệu từ 10 cảm biến mực nước Các bước thời gian để thu thập dữ liệu radar là 6 phút trong khi nó là 5 phút cho đồng hồ

đo và cảm biến dữ liệu

Tự động cảnh báo trên màn hình và trên cuộc gọi khi cấp độ của hệ thống vượt ngưỡng trong các cảm biến dự báo lượng mưa hoặc mực nước cảm biến tràn

mô phỏng trong mô hình thoát nước, hoặc sư cố của hệ thống dự báo Các cuộc gọi cảnh báo ATTELNET đã được phát triển bởi CLABSA như một công cụ độc lập để thích ứng với các loại hệ thống cảnh báo khác nhau [17]

1 Năm 1995 quy hoạch tổng thể hệ thống thoát nước Hà Nội do Cơ quan hợp tác quốc tế Nhật Bản (JICA) lập chỉ gói gọn trong 4 quận là: Hoàn Kiếm; Đống Đa; Hai Bà Trưng, Ba Đình và một phần của quận Tây Hồ, Cầu Giấy, Thanh Xuân

và Hoàng Mai trên diện tích 135,4km2 thuộc lưu vực sông Tô Lịch Khả năng thoát nước hiện trạng của sông Tô Lịch chỉ vào khoảng 30-35m3/s trong khi công suất yêu cầu để thoát cho trận mưa có chu kỳ 10 năm là 170m3/s Đây có thể nói là một trong những nguyên nhân chính gây ra tình trạng ngập úng cho thành phố Hà Nội

Hiện nay, tiêu thoát nước ở các khu vực đồng bằng chủ yếu bằng bơm Các công trình này có thể bơm trực tiếp ra sông Đáy, sông Hồng, hoặc bơm trực tiếp vào các trục tiêu nội đồng như sông Nhuệ, sông Tích, sông Mỹ Hà Ngoài ra còn

có hàng loạt các cống dưới đê sông Đáy, sông Tích cũng tiêu thoát ra các sông trục bằng tự chảy khi có điều kiện

Công trình đầu mối tiêu của toàn thành phố hiện có 723 công trình (diện tích tiêu thiết kế là 237.245 ha, diện tích cần tiêu là 209.028 ha) nhưng khả năng thực tế các công trình tiêu này chỉ đạt 80% so với diện tích cần tiêu Tuy nhiên toàn bộ hệ thống tiêu ứng với năm có tần suất mưa và mực nước 10% chỉ đạt 60-70%

Thành phố Hà Nội đã đầu tư thực hiện dự án thoát nước giai đoạn I: xây dựng trạm bơm Yên Sở và kênh dẫn, cải tạo 04 con sông thoát nước chính trong Thành phố, cải tạo các hồ điều hòa, cải tạo 07 cửa xả lũ và cửa điều tiết Dự án đã nâng cao năng lực quản lý hệ thống thoát nước, trình độ chuyên môn của đội ngũ cán bộ quản lý và trang bị cho Công ty TNHHNN Một thành viên Thoát nước Hà Nội dàn thiết bị nạo vét cơ giới góp phần nâng cao hiệu quả công tác duy trì hệ thống, giải quyết cơ bản thoát nước trong khu vực nội thành Hà Nội cũ gồm các quận Hoàn Kiếm, Ba Đình, Đống Đa, Hai Bà Trưng đáp ứng trận mưa thiết kế 172mm/2ngày

Thành phố cũng đang thực hiện dự án thoát nước giai đoạn II (bao gồm các khu vực thuộc lưu vực sông Tô Lịch diện tích 77,7 km2 và một phần các khu vực lân cận): chống úng cho Thành phố trong phạm vi dự án và vùng lân cận khi có mưa với chu kì 10 năm ứng với lượng mưa 310mm/2ngày đối với sông và mương thoát nước, chu kỳ 5 năm đối với hệ thống cống với lượng mưa 70mm/h; cải thiện môi trường cho lưu vực sông Tô Lịch

2 Năm 2013, Nguyễn Mạnh Cổn và các cộng sự đã trình bày nghiên cứu ứng dụng MIKE FLOOD kết hợp từ các mô đun MIKE URBAN, MIKE 11 và MIKE 21 để thiết lập hệ thống thoát nước khu vực nội đô Hà Nội bao gồm toàn bộ lưu vực sông Tô Lịch theo quy hoạch thoát nước giai đoạn 1 của JICA Lưu vực sông Tô Lịch có 4 con sông có cùng chức năng thoát nước thải và nước mưa chính cho toàn bộ khu vực nội đô: + Lưu vực sông Tô Lịch, lấy sông Tô Lịch có chiều dài 7.036m làm chủ thể, diện tích khoảng 7759 ha được chia thành 7 tiểu lưu vực nhỏ là

Tô Lịch, Lừ, Sét, Kim Ngưu, Hoàng Liệt, Yên Sở và hồ Tây gồm toàn bộ các quận Hoàn Kiếm, Ba Đình, Hai Bà Trưng, Đống Đa, một phần các quận Thanh Xuân,

Hoàng Mai, Cầu Giấy Tác giả đã sử dụng 2 trận mưa từ ngày 31/10-1/11/2008 và

từ ngày 8-9/8/2013 để hiệu chỉnh và kiểm định hệ thống thoát nước trên Nghiên cứu đã chỉ ra được tình trạng mất cân bằng cục bộ trong hệ thống là nguyên nhân gây nên úng ngập cho khu vực nội đô Hà Nội Từ việc xác định được nguyên nhân của úng ngập, nghiên cứu đề xuất một số giải pháp kỹ thuật tác động lên các nút mất cân bằng chủ đạo của hệ thống cân bằng nước mặt, nhằm cải thiện tình trạng úng ngập cho khu vực nội đô Các kết quả mô phỏng đã chỉ ra tính khả thi của giải pháp này; từ đó dẫn đến kết luận rằng giải pháp đề xuất có thể được ứng dụng trong thực tiễn phòng chống úng ngập hiện tại, cũng như góp phần vào công tác quản lý môi trường nước và dự báo úng ngập đối với nội đô Hà Nội trong tương lai [5]

Hình 10 Bản đồ độ sâu ngập lụt cực đại khu vực nội thành Hà Nội trong trận ngập

lụt từ 31/10- 2/11/2008 trước và sau khi có giải pháp cải tạo cống

3 Năm 2018, Vũ Hữu Long, Nguyễn Vũ Giang, Phạm Việt Hòa, Nguyễn Thanh Hùng đã công bố nghiên cứu về ứng dụng công nghệ điện toán đám mây GOOGLE EARTH ENGINE trong nghiên cứu lũ lụt tại Đồng Tháp, hạ lưu sông

Mê Công Nghiên cứu này ứng dụng khai thác công nghệ điện toán đám mây Google Earth Engine (GEE) để xử lý chiết tách thông tin diện tích ngập lụt từ dữ liệu ảnh vệ tinh quang học Landsat (TM, ETM, OLI) giai đoạn 1996-2016 và vệ tinh radar Sentinel-1 giai đoạn 2015-2017 cho khu vực tỉnh Đồng Tháp, hạ lưu sông

Mê Công Kết quả chuỗi các bản đồ ngập lụt được thành lập chỉ ra lũ ở khu vực

tích toàn tỉnh và giảm rõ rệt những năm gần đây, ngập 27,76% năm 2015 Ngoài việc sử dụng để hiệu chỉnh mô hình dự báo ngập lụt, kết quả này cung cấp thêm luận cứ khoa học và thông tin tin cậy cho việc quản lý khai thác và sử dụng nguồn nước ở địa phương Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng cho thấy công cụ GEE có tốc độ truy cập và xử lý ảnh vệ tinh rất nhanh với độ tin cậy cao Đây là công cụ rất có tiềm năng trong việc khai thác, xử lý, phân tích ảnh vệ tinh và các dữ liệu không gian khác cho nhiều mục tiêu nghiên cứu [9]

Hình 11 Kết quả xử lý ảnh Sentinel trên GEE qua các bước

4 Năm 2021, TS Nguyễn Quang Hưng, Nguyễn Thị Liên đã trình bày nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE URBAN với cách tiếp cận tính toán mô phỏng

2 chiều cho thành phố Hà Tĩnh nhằm xác định những nguyên nhân cụ thể của ngập lụt Thành phố Hà Tĩnh nằm trong vùng đồng bằng ven biển miền Trung, địa hình tương đối bằng phẳng, cao độ nền biến thiên từ +0,5 m đến +3,0 m Địa hình thành phố thấp dần từ Tây sang Đông Phía Tây thành phố là hồ Kẻ Gỗ, phía Đông thành phố bao quanh bởi hệ thống đê sông Nghèn và sông Rào Cái, phía Tây của thành phố có đường quốc lộ số 1A, đường tránh thành phố và kênh dẫn nước tưới tiêu từ

hồ Kẻ Gỗ về tạo thành hệ thống đê bao thứ hai, do đó nên khi hồ Kẻ Gỗ xả lũ vào mùa mưa ở phía Tây kết hợp với triều cường lên ở phía Đông thành phố phải đóng

hệ thống ngăn chiều sẽ dẫn đến hiện tượng ngập úng nội đồng bên trong thành phố

Lũ từ thượng lưu đổ về nói chung không ảnh hưởng tới thành phố Hà Tĩnh mà ngập chủ yếu do nguyên nhân cục bộ của mưa và bão đổ bộ vào thành phố gây ra Toàn

bộ hệ thống thoát nước được đưa vào trong mô hình tạo thành 322 đoạn cống tròn,

618 đoạn cống hộp và 31 đoạn kênh hở; hệ thống các hố ga, hồ điều hòa, cửa xả được mô phỏng gồm 838 hố ga dọc trên các tuyến cống, 4 hồ điều hòa lớn, và 45 cửa xả Toàn bộ khu vực được phục vụ thoát nước trong thành phố Hà Tĩnh (có kết nối với hệ thống cống thu gom nước mưa và nước thải) được chia làm 840 lưu vực tính toán Nhóm tác giả đã sử dụng 3 kịch bản gồm: kịch bản cho trận mưa từ ngày 23-24/4/2015, 16/9/2015 và 13-15/10/2016 để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình; 4 kịch bản được sử dụng với hai kịch bản BĐKH RCP4.5 và RCP8.5 cho hai thời kì giữa và cuối và 2 kịch bản sử dụng trong điều kiện thành phố ứng dụng các thiết kế xanh để giảm thiểu lưu lượng dòng chảy, giãn cách thời gian tập trung nước, cải tạo tình hình ngập lụt cho thành phố Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình cho thấy

bộ thông số thủy văn, thủy lực 1 chiều, 2 chiều của mô hình và tài liệu địa hình đã được xử lý là phù hợp, có thể sử dụng

Hình 12 Hình minh họa mô phỏng mức ngập lớn nhất trận mưa ngày 23-24 tháng 4

năm 2015

Kết quả mô phỏng trong trường hợp biến đổi khí hậu diễn ra với mức nồng

độ khí nhà kính trung bình thấp hay mức nồng độ khí nhà kính trung bình cao đều gây ra hiện tượng quá tải cho hệ thống thoát nước hiện trạng, ngập lụt tăng mạnh Nghiên cứu đã khẳng định một trong những nguyên nhân chính của việc ngập lụt là

do hiện trạng thoát nước gồm hai hệ thống không đồng bộ cũ và mới, hệ thống cũ với kích thước đường ống quá nhỏ, độ sâu chôn cống thay đổi nhiều theo thời gian nên dẫn đến không còn đủ năng lực để thoát nước Từ các kết quả mô phỏng và diễn biến quá trình ngập lụt, nhóm tác giả đưa ra một số giải pháp đối với thành phố Hà Tĩnh như: xây mới một số tuyến cống, kết nối các công trình hạ tầng với hệ thống thoát nước chung, thay đổi bề mặt thảm phủ, lắp đặt hệ thống trạm bơm để hệ thống thoát nước hoạt động hiệu quả hơn, hướng đến phát triển bền vững [4]

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Phương pháp tiếp cận

Phương pháp tiếp cận của luận văn là ứng dụng mô hình để mô phỏng, đánh giá ngập úng trong thành phố với các kịch bản hiện trạng; trên cơ sở đó phân tích và đề xuất các biện pháp giảm thiểu ngập lụt cho vùng nghiên cứu Luận văn lựa chọn sử dụng mô hình 1 chiều kết nối với mô hình 2 chiều, bộ phần mềm MIKE URBAN được sử dụng để làm công cụ mô phỏng Thông tin cơ bản về bộ mô hình MIKE URBAN được trình bày trong các tài liệu của DHI [11], [12], [13], [14], [15], [16] Các bước tính toán được thể hiện trong hình 13:

Hình 13 Sơ đồ tính toán

Cụ thể:

Bước 1: Thu thập và xử lý số liệu:

+ Về hệ thống thoát nước: cống (kích thước, chiều dài cống, độ sâu chôn cống, vị trí đặt cống ); hố ga (kích thước, vị trí ); kênh, mương, hồ; đập, trạm bơm (thiết kế công trình, quy trình vận hành )

+ Về cơ sở hạ tầng để phục vụ phân chia lưu vực gồm có: hệ thống đường giao thông, hiện trạng khai thác sử dụng đất, bản đồ địa chính

+ Số liệu khí tượng thủy văn: mưa, mực nước, triều

+ Số liệu ngập: các điểm ngập, độ sâu ngập, diện ngập

+ Dữ liệu địa hình (bản đồ số độ cao (DEM))

+ Ảnh vệ tinh khu vực nghiên cứu để số hóa lớp đường, nhà, sông ngòi, ao

Bước 4: Kết nối mô hình mô phỏng hệ thống thoát nước 1 chiều - 1D với mô hình

mô phỏng dòng chảy bề mặt 2 chiều - 2D

Bước 5: Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình với các số liệu thực đo

Bước 6: Mô phỏng ngập lụt cho thành phố Đồng Hới với các kịch bản, từ đó phân tích nguyên nhân gây ngập và đưa ra các đề xuất giảm ngập cho khu vực nghiên cứu

2.2 Lý thuyết mô hình

MIKE URBAN kết hợp 20 năm truyền thống của DHI trong kỹ thuật mô phỏng với công cụ chủ đạo là kỹ thuật GIS của ESRI Kết quả là một phần mềm

tiêu chuẩn công nghiệp mới về công nghiệp và mô hình hóa phân bổ nguồn nước và mạng lưới thoát nước

Trong mô hình có sự kết hợp giữa mô hình thủy văn và mô hình mô phỏng

hệ thống thoát nước 1 chiều với mô hình mô phỏng dòng chảy bề mặt 2 chiều

a Mô hình thủy văn (Catchment Hydrology model)

Mô hình này mô phỏng dựa trên các phương trình thủy văn, dòng chảy được tính toán từ mưa dựa trên các đặc điểm của lưu vực Khái quát quá trình mô phỏng mưa – dòng chảy của mô hình này thể hiện như hình 14

Hình 14 Sơ đồ tính toán mưa – dòng chảy Tính toán các dòng chảy bề mặt khác nhau trong mô hình thủy văn được thể hiện ở bốn mô hình dòng chảy khác nhau:

 Model A – Mô hình thời gian – diện tích: mô hình này tính toán dòng

chảy bề mặt bằng phương pháp thời gian – diện tích Hình dạng của lưu vực và thời gian tập trung bị ảnh hưởng trên dòng chảy định tuyến của

được giả sử là không thay đổi cho mỗi tiểu lưu vực Quá trình liên tục được tính gần đúng bằng phép tính toán bước thời gian, do đó số lượng tiểu lưu vực bằng:

 Model B - Phương pháp hồ chứa phi tuyến tính: mô hình này sử dụng các

phương trình động học để giải quyết các dòng chảy bề mặt Lượng mưa hiệu quả là lượng mưa rơi xuống trừ đi lượng tổn thất và được tính theo công thức sau:

) t ( Q ) t ( Q ) t ( Q ) t ( Q ) t ( R )

Ieff(t): lượng mưa hiệu quả

R(t): lượng mưa thực tế tại thời điểm t

QE(t): bốc hơi tại thời điểm t

Qw(t): tổn thất do làm ướt bề mặt tại thời điểm t

QI(t): tổn thất do thấm tại thời điểm t

QS(t): tổn thất do điền trũng tại thời điểm t

Giá trị 0 được sử dụng khi lượng mưa hiệu quả âm Khi giá trị của Ieff lớn hơn 0 thì dòng chảy bắt đầu Mô hình này giả sử các điều kiện của dòng chảy là thống nhất trên toàn bộ bề mặt, các phương trình động học sẽ được áp dụng để tính toán thủy lực và dòng chảy bề mặt tại thời điểm t được tính như sau:

5 2

1

)t(yIBM)t(

y(t): độ sâu tính toán tại thời điểm t

Độ sâu y được tính toán bằng phương trình liên tục:

dt A

dy ) t ( Q A ) t (

dt: vi phân thời gian

dy: vi phân độ sâu

Phương pháp này được thực hiện bằng cách sắp xếp các phương trình mực nước và vận tốc dòng chảy được xác định ngầm trên các bước thời gian tiếp theo

 Model C - Phương pháp hồ chứa tuyến tính, trong hai tiểu biến thể:

+ Model C1 – Dutch runoff model: mô hình dòng chảy của Hà Lan

+ Model C2 – Frech runoff model: mô hình dòng chảy của Pháp

Trong mô hình này, lưu vực được coi là một hồ chứa và mối quan hệ giữa lưu trữ S và lưu lượng Q được thể hiện bởi:

) Q

(

S  (5)