Báo cáo nghiên cứu khoa học " Ứng dụng mô hình MIKE-FLOOD tính toán ngập lụt hạ lưu sông Ba " docx

Bài báo giới thiệu một số kết quả tính toán ngập lụt hạ lưu sông Ba thuộc tỉnh Phú Yên bằng mô hình MIKE FLOOD.. Kết quả mô phỏng tương đối phù hợp với thực đo chứng tỏ khả năng ứng dụn

273

Ứng dụng mô hình MIKE-FLOOD tính toán ngập lụt

hạ lưu sông Ba

Cấn Thu Văn1, Nguyễn Hữu Khải2, Nguyễn Thanh Sơn2,*

1Trường CĐ Tài nguyên và Môi trường TPHCM, 236B Lê Văn Sĩ, P1, Quận Tân Bình, TPHCM, Việt Nam

2Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN,

334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam

Nhận ngày 29 tháng 4 năm 2011

Tóm tắt Bài báo giới thiệu một số kết quả tính toán ngập lụt hạ lưu sông Ba thuộc tỉnh Phú Yên

bằng mô hình MIKE FLOOD Đầu vào mô hình là lưu lượng thực đo tại trạm Củng Sơn Lượng gia nhập khu giữa được tính từ lượng mưa sinh dòng chảy bằng mô hình MIKE NAM Bộ thông

số mô hình kết nối 1-2 chiều được hiệu chỉnh và kiểm định bằng tài liệu thực đo mực nước ba trận

lũ 10/1993, 11/1988 và 12/1986 tại trạm Phú Lâm Ngoài ra bộ thông số mô hình còn được hiệu chỉnh từ các vết lũ điều tra sau trận lũ 10/1993 Kết quả mô phỏng 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 lũ lụt cho hạ lưu sông Ba, đặc biệt là sau khi có sự tham gia điều tiết của hệ thống hồ chứa phía thượng lưu Bài báo này được sự hỗ trợ từ đề tài nhóm A ĐHQGHN QGTĐ.10-06 và KC.08.30/06-10

Từ khóa: mô hình MIKE FLOOD; sông Ba; bản đồ ngập lụt; mô hình MIKE NAM

1 Mở đầu

Từ xưa tới nay, lũ lụt luôn là mối đe dọa,

gây ra nhiều thiệt hại về người và của Cùng với

sự tăng trưởng của các ngành kinh tế và sự phát

triển của xã hội, đòi hỏi công tác quản lý,

phòng chống thiên tai lũ lụt nhằm đảm bảo mức

độ an toàn ngày càng cao và hạn chế đến mức

thấp nhất về thiệt hại

Hàng năm, về mùa lũ, nước sông Ba dồn từ

thượng lưu về gây ngập lụt nghiêm trọng cho hạ

lưu Lũ đã gây ngập lụt, thiệt hại khá lớn về

người và tài sản trên lưu vực như: nhà cửa bị

ngập, bị sập, các công trình hạ tầng cơ sở như

_

 Tác giả liên hệ ĐT: 84-4-38584943

E-mail: sonnt@vnu.edu.vn

trường học…Thống kê một số năm gần đây cho thấy tình hình lũ lụt trên lưu vực ngày càng nghiêm trọng với mức độ thiệt hại có xu thế ngày càng tăng Để ứng phó với lũ lụt, ngoài các biện pháp công trình (đê, kè, hồ chứa phòng lũ…) thì các biện pháp phi công trình (quy hoạch sử dụng nguồn nước, bố trí khu dân cư…) cũng đóng vai trò rất quan trọng Mặt khác, ứng phó nhanh với lũ lụt bằng các biện pháp tức thời như cảnh báo, dự báo vùng ngập, chủ động di dời và sơ tán dân cư đến nơi an toàn…đã mang lại hiệu quả cao trong việc giảm nhẹ thiên tai gây ra

Một trong những biện pháp hạn chế hậu quả

lũ lụt là xây dựng bộ bản đồ ngập lụt ứng với các tần suất lũ khác nhau nhằm quy hoạch, cảnh

báo và dự báo lũ Hơn nữa, công cụ này có thể

đánh giá thiệt hại mỗi khi có thiên tai

Mô hình MIKE-FLOOD là mô hình thủy

động lực học dòng chảy kết nối 1-2 chiều có

khả năng mô phỏng mực nước và dòng chảy

trên sông, cửa sông… cũng như mô phỏng dòng

không ổn định hai chiều ngang trên đồng bằng

ngập lụt Mô hình này kết hợp diễn toán thủy

lực mạng sông (1 chiều) và mô phỏng diện

ngập, trường vận tốc trên đồng bằng ngập lụt (2

chiều) đồng thời được xây dựng trên nền GIS

nên được ứng dụng rộng rãi và mang lại hiệu

quả cao ở nước ta cũng như trên thế giới [1-3]

2 Giới thiệu vùng nghiên cứu

Lưu vực sông Ba nằm ở Miền Trung Trung

Bộ Việt Nam có hình dạng chữ L Phạm vi lưu vực ở 12o35’ đến 14o38’ vĩ độ Bắc và 108o00’ đến 109o55 kinh độ Đông Phía Bắc giáp lưu vực sông Trà Khúc; phía Nam giáp lưu vực sông Cái và sông Sêrêpôk; phía Tây giáp lưu vực sông Sêsan và sông Sêrêpôk; phía Đông giáp lưu vực sông Kône, sông Kỳ Lộ và Biển Đông Diện tích tự nhiên toàn lưu vực là 14.132

km2 nằm trên địa phận hành chính của 15 huyện, thị thuộc 3 tỉnh Gia Lai, Đak Lăk và Phú Yên

Hình 1 Bản đồ hạ lưu sông Ba – tỉnh Phú Yên

12045’

13000’

13015’

Phú Yên là một tỉnh thuộc duyên hải Nam

Trung Bộ, phía bắc giáp tỉnh Bình Định, phía

nam giáp tỉnh Khánh Hòa, phía tây giáp tỉnh

Gia Lai và Đắc Lắc, phía đông giáp Biển Đông

Diện tích tự nhiên toàn tỉnh là 5.045km2 giới

hạn bởi tọa độ 12039' 10" đến 13045' 20" độ vĩ

bắc, 108039' 45" đến 109029' 20" độ kinh đông

(H.1) – là phần hạ lưu sông Ba [2, 3]

3 Giới thiệu mô hình MIKE-FLOOD

MIKE FLOOD là một công cụ ghép nối

các mô hình một chiều và hai chiều, nhằm mục

đích nghiên cứu kết hợp các loại dòng chảy tự

nhiên Mô hình một chiều có thể ghép nối trong

MIKE FLOOD gồm mô hình thủy lực mạng

sông MIKE 11 và mô hình tiêu thoát nước đô

thị MOUSE; mô hình hai chiều gồm mô hình

lưới chữ nhật MIKE 21 HD, mô hình lưới cong

MIKE 21 C và mô hình lưới tuỳ ý - lưới tam

giác MIKE 21 FM [4, 5]

Dòng chảy trong vùng ngập lụt là dòng

chảy 2 chiều theo phương ngang, vừa có dòng

chảy tập trung trong mạng lưới sông suối vừa

có dòng chảy tràn trên bề mặt Tuy nhiên dòng

chảy tràn chỉ xuất hiện khi mực nước trong

sông lớn hơn cao trình đê Vì vậy việc kết hợp

tính toán bằng mô hình 1 và 2 chiều sẽ cho kết

quả nhanh và hiệu quả Mô hình MIKE FLOOD

sử dụng 4 loại kết nối để kết hợp mô hình 1

chiều và 2 chiều là: kết nối chuẩn (nối sông 1

chiều đổ vào vùng 2 chiều); kết nối bên (khi

nước sông vượt qua đê và xâm nhập vùng

ngập); kết nối công trình (khi có công trình); kết

nối khô (không có dòng chảy) Tuy nhiên trong

khuôn khổ nghiên cứu này chỉ sử dụng modul

mưa rào-dòng chảy NAM để tính toán lượng

nhập khu giữa từ số liệu mưa lưu vực

4 Ứng dụng MIKE-FLOOD tính toán ngập lụt hạ lưu sông Ba

4.1 Xây dựng cơ sở dữ liệu

Dữ liệu địa hình là bản đồ cao độ số độ cao (DEM) khu vực nghiên cứu được xây dựng với

độ phân giải 40 x 40m từ các tờ bản đồ tỷ lệ 1:10.000; và 27 mặt cắt ngang sông từ Củng Sơn tới cầu Phú Lâm [2]

Bình đồ vùng hạ lưu đập Đồng Cam tỷ lệ 1/10.000 đo năm 1976 và đã được Sở Thuỷ lợi tỉnh Phú Yên chỉnh lý năm 1995 Bình đồ được xây dựng theo cao độ Quốc gia

Để kiểm tra hệ cao độ của DEM 40 x 40, xây dựng quan hệ cao độ diện tích của một ô ngập lũ ven sông Ba từ bình đồ tỷ lệ 1/10.000

và từ bản đồ cao độ số DEM 40 x 40 [3]

Dữ liệu khí tượng thủy văn gồm: lưu lượng giờ tại Củng Sơn 10/1993, 11/1988 và 12/1986;

số liệu mưa tại hai trạm Tuy Hòa và Sơn Hòa;

số liệu mực nước triều (theo trạm thực nghiệm triều ở Quy Nhơn đã hiệu chỉnh về Đà Rằng);

số liệu mực nước tại Phú Lâm (để hiệu chỉnh và kiểm định)

Tài liệu điều tra vết lũ 10/1993 thuộc vùng ngập ven sông để hiệu chỉnh mô hình 2 chiều cho trận lũ 10/1993

Tài liệu về các thông số kỹ thuật của đập dâng Đồng Cam do Ban Quản lý đập cung cấp Các thông số kỹ thuật cơ bản của đập dâng Đồng Cam đã được thu thập và đưa vào dữ liệu

mô hình

4.2 Thiết lập mô hình MIKE-FLOOD cho mạng sông thuộc hạ lưu sông Ba

Xây dựng mạng lưới thủy lực 1 chiều: Mạng

lưới thủy văn khu vực nghiên cứu được mô tả bằng sơ đồ thủy lực sông chính (sông Ba), một

số nhánh nhập lưu là các con suối nhỏ lượng

nhập không đáng kể và không có số liệu thực

đo Do đó, coi lượng nhập lưu là từ lượng mưa

thông qua mô hình NAM và trải đều từ Củng

Sơn tới cửa Đà Rằng Với tổng chiều dài là 50.7

km bao gồm 27 mặt cắt Biên trên là biên lưu

lượng thực đo tại Củng Sơn và biên dưới là

mực nước triều tại Đà Rằng (Hình 2)

Hình 2 Sơ đồ thủy lực 1 chiều khu vực nghiên cứu

Xây dựng mạng thủy lực 2 chiều: Giới hạn

vùng ngập được xác định trên bản đồ địa hình

kết hợp tài liệu khảo sát, các vết lũ điều tra

Bản đồ DEM được sử dụng làm nền địa hình

cho mô hình MIKE 21 Nền địa hình này đã kết

hợp với các tài liệu như đường giao thông, cao

trình hai kênh Bắc-Nam dọc hai bên bờ sông

chính (đây cũng chính là đê kiểm soát lũ)

Phạm vi mô hình 2 chiều MIKE 21 là miền hai chiều có kích thước 14,4 x 10,0 km Chiều dọc

từ thượng lưu (mặt cắt cách nguồn – Củng Sơn

là 39.500 m) đến hạ lưu là cửa Đà Rằng

,

Tiến hành kết nối (Couping): Sau khi

1

Bảng 1 Vị trí và các loại kết nối được sử dụng trong nghiên cứu

Tên sông Modul Couping

11

trong Mike 21 Sông Ba HD only Bên (Lateral) 39.500 49.400 311

Sông Ba HD only (Standard) 49.400 49.400

Củng Sơn

Phú Lâm

Đập Đồng

Cam

Nhập lưu

Cửa Đà Rằng

4.3 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE FLOOD

-(H3, H4) [2]

Bảng 2.

Trận lũ (%) Chỉ số Nash (%) R 2

10/1992 0.77 97.3 0.98

11/1988 0.88 91.0 0.93

4.4 Hiệu chỉnh và kiểm định MIKE-FLOOD

Mô hình kết nối 1-2 chiều MIKE FLOOD

được hiệu chỉnh với trận lũ 10/1993 và kiểm

định với hai trận lũ 11/1988 và 12/1986 [2, 3]

11: n

– = 0.033 – 0.040 Với kết quả như bảng 3:

Bảng 3 Đánh giá kết quả hiệu chỉnh và kiểm định

MIKE FLOOD

Trận lũ H max

(m)

t max

(h)

Nash (%) Ghi chú

10/1993 0.12 02 94,5 chỉnh Hiệu 11/1988 0.11 03 92,5 Kiểm định 12/1986 0.16 03 91,1 Kiểm định

Hình 5 Biểu đồ mực nước thực đo và tính toán trận lũ 10/1993

Thực đo Tính toán

(H5, 6, 7, 8, 9)

Hình 6 Biểu đồ mực nước thực đo và tính toán trận lũ 11/1988

Hình 7 Biểu đồ mực nước thực đo và tính toán trận lũ 12/1986

Thực đo Tính toán

Thực đo Tính toán

Hình 8 Hiện trạng ngập lụt trận lũ 10/1993 vùng hạ lưu sông Ba

Từ kết quả tính toán cho thấy, trận lũ lịch sử

tháng 10/1993 đã gây ngập lụt nghiêm trọng

cho cả hạ lưu sông Ba và hạ lưu sông Bàn

Thạch Với thời gian tính từ 02/10 tới

07/10/1993 thì tổng diện tích bị ảnh hưởng ngập ứng với mực nước lũ lớn nhất là 22.600 ha chiếm tới 52% diện tích tự nhiên

Hình 9 Mức độ ngập lụt lớn nhất 10/1993 phạm vi thành phố Tuy Hòa-Phú Yên

Tổng diện tích bị ảnh hưởng ngập trong thời

gian lớn hơn 1 ngày 14.800 ha (=34% Ftn),

trong thời gian lớn hơn 3 ngày 2.700 ha (=

6,20% Ftn), trong thời gian lớn hơn 5 ngày là

1.200 ha (= 2,8% Ftn) và tổng diện tích bị ảnh

hưởng ngập trong thời gian lớn hơn 7 ngày là 1.000 ha Qua kết quả tính toán diện tích tương ứng với thời gian bị ngập cho thấy mặc dù lũ sông Ba lên nhanh và rút nhanh nhưng đã gây thiệt hại nặng nề cho hạ lưu [2, 3]

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

Diện tích ảnh hưởng (ha)

0

1

2

3

4

5

6

7

Diện tích ảnh hưởng (ha)

Khi mực nước lũ đạt giá trị lớn nhất, có tới

16.500 ha bị ngập sâu hơn 1 mét, 11.000 ha bị

ngập sâu hơn 2 mét, 7.000 ha bị ngập sâu hơn

3 mét, 4.200 ha bị ngập sâu hơn 4 mét và diện

tích bị ngập sâu hơn 5 mét là 2.200 ha (H.10,

11)

5 Kết luận

Mô hình MIKE FLOOD tính toán ngập lụt

cho hạ lưu sông Ba với bộ thông số đã được

hiệu chỉnh và kiểm định với kết quả đánh giá

theo chỉ tiêu Nash đều đạt loại tốt, chứng tỏ mô

hình đã mô phỏng được quá trình ngập lụt trên

lưu vực hệ thống sông Ba và hoàn toàn có thể

phục vụ công tác cảnh báo, dự báo trong thực tế

và là cơ sở để xây dựng bản đồ ngập lụt với tần

suất và dạng lũ khác nhau trên lưu vực góp

phần phòng chống và giảm thiểu các tác hại của

thiên tai lũ lụt

Lời cảm ơn

Đề tài được hoàn thành và công bố nhờ sự

hỗ trợ của các đề tài khoa học công nghệ KC.08.30/06-10 và đề tài nhóm A ĐHQGHN QGTĐ.10.06 Các tác giả xin trân trọng cảm ơn

Tài liệu tham khảo

[1] Hoàng Thái Bình, Trần Ngọc Anh, Đặng Đình Khá, Ứng dụng mô hình MIKE FLOOD tính toán ngập lụt hệ thống sông Nhật Lệ tỉnh Quảng Bình,

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học tự nhiên

và Công nghệ 26 (2010)

[2] Nguyễn Hữu Khải và nnk (2010), Báo cáo tổng

kết đề tài MS KC-08.30/06-10 "Nghiên cứu xây

dựng công nghệ điều hành hệ thống liên hồ chứa đảm bảo ngăn lũ, chậm lũ, an toàn vận hành hồ chứa và sử dụng hợp lý tài nguyên nước về mùa kệt lưu vực sông Ba”

[3] Cấn Thu Văn (2010), Ứng dụng mô hình MIKE

FLOOD đánh giá mức độ ngập lụt hạ lưu sông

Ba, Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật, Trường Đại Học

Thủy lợi

[4] Denmark Hydraulic Institute (DHI), (2007) "Mike

flood Refrence Manual", DHI

[5] Denmark Hydraulic Institute (DHI), (2007) "Mike

flood User Guide", DHI

Simulation of flood inundation using MIKE FLOOD model

in Ba river downstream Can Thu Van1, Nguyen Huu Khai2, Nguyen Thanh Son2

1 Ho Chi Minh City college for Natural resources and Environment 236B, Le Van Si Street, Ward 1, Tan Binh Distric, HCMC., Vietnam

2Faculty of Hydro-Meteorology & Oceanography, Hanoi University of Science, VNU,

334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam

This paper presents some calculation results of flood and inundation Ba river downstream, Phu Yen province using MIKE Flood model The upstream input data of model is the inflow measured at Cung Son station; the long way volume input data was calculated from rainfall - runoff by hydrological MIKE NAM model Set of parameters couped 1-2 dimensional model is calibrated and verified with observed the three events floods 10/1993 (large floods), 11/1988 and 12/1986 (medium flood) at Phu Lam station in combination investigated data of inundation in 10/1993 flood event The simulation results are relatively consistent with the measurements demonstrate the applicability of the model in the work of flood mapping and flood warning for natural disasters in Ba river downstream Especially, with the participation of the regulatory system of reservoirs upstream