Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán mô phỏng lũ tràn đồng trên hệ thống sông Hương tỉnh Thừa Thiên Huế
Trang 1Lời cảm ơn
Luận văn thạc sĩ khoa học "Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán mô phỏng lũ tràn đồng trên hệ thống sông Hương tỉnh Thừa Thiên Huế" đã được hoàn thành tại Khoa Khí tượng - Thủy văn - Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội tháng 6 năm 2008 Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn, tác giả đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ của thầy cô và đồng nghiệp
Trước hết, tác giả luận văn xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Nguyễn Tiền Giang là người trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn
Tác giả cũng chân thành cảm ơn TS Lê Văn Nghị và các đồng nghiệp tại Viện Khoa học Thủy lợi, Viện Quy hoạch Thủy lợi đã hỗ trợ chuyên môn, thu thập các tài liệu liên quan để luận văn được hoàn thành Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS TS Nguyễn Văn Tuần và GS TS Hoàng Tư An đã quan tâm chỉ bảo trong suốt quá trình làm luận văn
Trong khuôn khổ của luận văn, do thời gian và điều kiện hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy, tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của độc giả và những người quan tâm
Tác giả
Trang 2mục lục
Trang
Lời cảm ơn 2
Danh mục bảng 5
Danh mục hình 7
Mở đầu 9
Chương 1. Tổng quan về các mô hình và những nghiên cứu trước đây 11
1.1 Một số mô hình mưa rào - dòng chảy thông dụng 11
1.1.1 Mô hình đường đơn vị 11
1.1.2 Mô hình TANK 13
1.1.3 Mô hình SSARR 14
1.1.4 Mô hình NAM 15
1.2 Một số mô hình thủy lực thông dụng 16
1.2.1 Mô hình VRSAP 17
1.2.2 Mô hình HEC-RAS 19
1.2.3 Mô hình MIKE 11 20
1.2.4 Mô hình MIKE 21 23
1.2.5 Mô hình MIKE FLOOD 25
1.2.6 Một số mô hình khác 28
1.3 Những nghiên cứu trước đây về lưu vực 30
1.4 Nhận xét 32
Chương 2 Tổng quan về lưu vực sông Hương 34
2.1 Đặc điểm địa lý tự nhiên lưu vực 34
2.1.1 Vị trí địa lý 34
2.1.2 Đặc điểm địa hình 35
2.1.3 Đặc điểm địa chất 39
2.1.4 Thảm phủ thực vật 40
2.1.5 Đặc điểm khí tượng 42
2.1.6 Đặc điểm thủy văn 47
2.2 Tình hình mưa - lũ trên hệ thống sông Hương 52
2.2.1 Mưa lũ và các hình thế thời tiết gây mưa lũ lớn 52
2.2.2 Tổ hợp mưa lũ trên 3 nhánh sông 53
2.2.3 Đặc điểm dòng chảy lũ 55
Trang 32.3 Các công trình tác động đến dòng lũ 59
2.4 Tình hình dân sinh kinh tế 62
2.5 Nhận xét 64
Chương 3 Tính toán thủy lực hệ thống sông Hương bằng mô hình kết hợp 1 và 2 chiều 65
3.1 Tình hình tài liệu 65
3.1.1 Tài liệu chuỗi thời gian 65
3.1.2 Dữ liệu địa hình và không gian 67
3.2 Thiết lập mô hình một chiều MIKE 11 69
3.2.1 Phạm vi mô phỏng MIKE 11 69
3.2.2 Thiết lập mô hình thủy lực mạng sông 71
3.2.3 Mô phỏng, hiệu chỉnh sơ bộ 75
3.3 Thiết lập biên trên cho mô hình MIKE 11 78
3.3.1 Phân chia lưu vực 78
3.3.2 Xác định trọng số các trạm quan trắc 79
3.3.3 Hiệu chỉnh mô hình 80
3.3.4 Xác định thông số 81
3.3.5 Kết quả mô phỏng mưa - dòng chảy 83
3.3.6 Kết nối mô hình NAM với mô hình MIKE 11 84
3.4 Thiết lập mô hình hai chiều MIKE 21 86
3.4.1 Thiết lập bản đồ cao độ số Bathymetry 86
3.4.2 Các thông số cơ bản của mô hình 88
3.4.3 Điều kiện biên của mô hình 89
3.4.4 Mô phỏng sơ bộ 91
3.5 Hiệu chỉnh mô hình MIKE FLOOD với trận lũ 11/2004 91
3.5.1 Thiết lập các kết nối 91
3.5.2 Mô phỏng và hiệu chỉnh mô hình 94
3.5.3 Kết quả mô phỏng 98
3.6 Kiểm định mô hình MIKE FLOOD với trận lũ 11/1999 102
3.6.1 Kiểm định mô hình 102
3.6.2 Kết quả mô phỏng 105
3.6.3 So sánh kết quả tính toán 109
3.6.4 Nhận xét, đánh giá trận lũ tháng 11/1999 112
Kết luận 113
Tài liệu tham khảo 116
Phụ lục
Trang 4Danh mục bảng
Trang
Bảng 2.1.1 Lượng mưa trung bình nhiều năm tại các trạm đo 44
Bảng 2.1.2 Lượng mưa lớn nhất năm 1999 46
Bảng 2.1.3 Thống kê số trận bão đổ bộ vào Việt Nam từ năm 1891 đến 1999 46
Bảng 2.1.4 Các đặc trưng thủy văn tại một số tuyến quan trắc 48
Bảng 2.1.5 Diện tích úng ngập tại Thừa Thiên Huế một số năm 49
Bảng 2.2.1 Chênh lệch thời gian xuất hiện các trận mưa lũ lớn nhất hàng năm của 3 trạm mưa đại biểu 54
Bảng 2.2.2 Thống kê mực nước lũ các năm tại Thừa Thiên Huế 57
Bảng 2.2.3 Lưu lượng lũ lớn nhất chính vụ trên sông Hương 57
Bảng 2.2.4 Lũ tiểu mãn thực đo trên sông Hương 58
Bảng 2.2.5 Mực nước lớn nhất trên sông Hương qua các trận lũ lớn 58
Bảng 2.2.6 Mực nước lũ lớn nhất dọc sông Hương 58
Bảng 2.3.1 Thông số của một số công trình trên hệ thống 62
Bảng 3.1.1 Các trạm quan trắc khí tượng 65
Bảng 3.1.2 Các trạm quan trắc thủy văn 66
Bảng 3.2.1 Thông số mạng lưới sông tính toán 71
Bảng 3.2.2 Thống kê mặt cắt trên hệ thống 73
Bảng 3.2.3 Biên trong mô hình thủy lực MIKE 11 74
Bảng 3.3.1 Diện tích các tiểu lưu vực 79
Bảng 3.3.2 Các thông số của mô hình NAM 82
Bảng 3.3.3 Kết quả mô phỏng dòng chảy từ mô hình NAM năm 2004 83
Bảng 3.3.4 Danh sách nối mô hình NAM vào mô hình MIKE 11 84
Bảng 3.5.1 Các kết nối trong mô hình MIKE FLOOD 91
Bảng 3.5.2 Giá trị mực nước và lưu lượng lũ lớn nhất tại một số vị trí 98
Bảng 3.5.3 Chỉ tiêu đánh giá sai số giữa thực đo và tính toán tại trạm Phong Bình trên sông Ô Lâu 99
Trang 5Bảng 3.5.4 Chỉ tiêu đánh giá sai số giữa thực đo và tính toán
tại trạm Phú ốc trên sông Bồ 99 Bảng 3.5.5 Chỉ tiêu đánh giá sai số giữa thực đo và tính toán
tại trạm Kim Long trên sông Hương 99 Bảng 3.5.6 Chỉ tiêu đánh giá sai số giữa thực đo và tính toán
tại trạm Bình Điền trên sông Hữu Trạch 100 Bảng 3.6.1 Lượng mưa ngày gây lũ 1999 tại Thừa Thiên Huế 102 Bảng 3.6.2 Giá trị mực nước và lưu lượng lũ lớn nhất tại một số vị trí 105 Bảng 3.6.3 Chỉ tiêu đánh giá sai số giữa thực đo và tính toán
tại trạm Phú ốc trên sông Bồ 106 Bảng 3.6.4 Chỉ tiêu đánh giá sai số giữa thực đo và tính toán
tại trạm Kim Long trên sông Hương 106 Bảng 3.6.5 Kết quả tính toán mực nước lũ lớn nhất tại một số vị trí 111
Trang 6Danh mục Hình
Trang
Hình 1.1.1 Cấu trúc mô hình NAM 16
Hình 1.2.1 Bảo toàn khối lượng 22
Hình 1.2.2 Sơ đồ kết nối chuẩn 26
Hình 1.2.3 Sơ đồ kết nối hai bên 27
Hình 1.2.4 Sơ đồ kết nối công trình 27
Hình 2.1.1 Vị trí địa lý vùng nghiên cứu 34
Hình 2.1.2 Bản đồ địa hình tỉnh Thừa Thiên Huế 36
Hình 2.1.3 Địa hình tỉnh Thừa Thiên Huế nhìn từ hạ lưu 36
Hình 2.1.4 Đường đẳng trị lượng mưa bình quân năm lưu vực sông Hương 45
Hình 3.1.1 Vị trí các trạm khí tượng - thủy văn 66
Hình 3.1.2 Mô hình cao độ số (DEM) độ phân giải 90 m 90 m 67
Hình 3.1.3 Số liệu mặt cắt năm 1999 trên sông Bồ tại vị trí 2.010 68
Hình 3.1.4 Địa hình vùng đồng bằng sông Hương 68
Hình 3.1.5 Bình đồ đầm phá và cửa biển 68
Hình 3.1.6 Địa hình đáy biển 68
Hình 3.1.7 Sơ đồ thủy lực hệ thống sông Hương trong mô hình VRSAP 69
Hình 3.2.1 Phạm vi mô phỏng của mô hình 70
Hình 3.2.2 Mạng lưới sông tính toán 70
Hình 3.2.3 Vị trí các mặt cắt trong hệ thống 72
Hình 3.2.4 Các công trình trên hệ thống 73
Hình 3.2.5 Vị trí các biên trong mô hình MIKE 11 74
Hình 3.2.6 Các điểm tính toán lưu lượng và mực nước 76
Hình 3.2.7 Mực nước thực đo và tính toán tại 2 trạm Phú ốc và Phong Bình 77
Hình 3.2.8 Mực nước thực đo và tính toán tại 2 trạm Kim Long và Bình Điền 77
Hình 3.3.1 Sơ đồ khối xây dựng mô hình NAM 78
Hình 3.3.2 Phân vùng các tiểu lưu vực 79
Hình 3.3.3 Đường lũy tích tổng lượng tại trạm Thượng Nhật 80
Trang 7Hình 3.3.4 Đường quá trình lưu lượng tại trạm Thượng Nhật 80
Hình 3.3.5 Đường lũy tích tổng lượng tại trạm Cổ Bi 81
Hình 3.3.6 Đường quá trình lưu lượng tại trạm Cổ Bi 81
Hình 3.3.7 Dòng chảy sinh ra trên 7 tiểu lưu vực từ ngày 20/11 04/12/2004 83
Hình 3.3.8 Vị trí nối mô hình NAM vào mô hình MIKE 11 86
Hình 3.4.1 Phạm vi mô phỏng mô hình MIKE 21 87
Hình 3.4.2 Dữ liệu địa hình đầu vào của bản đồ DEM 87
Hình 3.4.3 Bản đồ cao độ số Bathymetry với độ phân giải 120 m 120 m 88
Hình 3.4.4 Địa hình vùng nghiên cứu mô phỏng bằng MIKE 21 88
Hình 3.4.5 Mực nước thực đo ở phía ngoài cửa Thuận An 11/2004 90
Hình 3.4.6 Mực nước thực đo ở phía ngoài cửa Tư Hiền 11/2004 90
Hình 3.5.1 Mô hình MIKE FLOOD 93
Hình 3.5.2 Mực nước thực đo và tính toán tại trạm Phong Bình trên sông Ô Lâu 96
Hình 3.5.3 Mực nước thực đo và tính toán tại trạm Phú ốc trên sông Bồ 96
Hình 3.5.4 Mực nước thực đo và tính toán tại trạm Kim Long trên sông Hương 97
Hình 3.5.5 Mực nước thực đo và tính toán tại trạm Bình Điền trên sông Hữu Trạch 97
Hình 3.5.6 Phạm vi ngập lụt lớn nhất lúc 20h00 ngày 26/11/2004 98
Hình 3.5.7 Trường vận tốc chi tiết tại cửa Thuận An và ngã ba Sình lúc 20h00 ngày 26/11 101
Hình 3.6.1 Kết quả mô phỏng từ mô hình NAM với trận lũ tháng 11/1999 103
Hình 3.6.2 Mực nước thực đo và tính toán tại trạm Phú ốc trên sông Bồ 104
Hình 3.6.3 Mực nước thực đo và tính toán tại trạm Kim Long trên sông Hương 104
Hình 3.6.4 Trường vận tốc tại ngã ba Sình lúc 15h00 ngày 02/11/1999 107
Hình 3.6.5 Phạm vi ngập lụt lớn nhất lúc 10h00 ngày 03/11/1999 108
Hình 3.6.6 Diễn biến ngập lụt trên hệ thống sông Hương 109
Hình 3.6.7 Phạm vi ngập lụt lúc 03h00 ngày 06/11/1999 110
Hình 3.6.8 ảnh vệ tinh ngày 06/11/1999 110
Trang 8Mở đầu
1 Đặt vấn đề
Trong lịch sử tồn tại và phát triển của dân tộc ta, lũ lụt luôn là mối đe dọa hàng đầu và đã gây ra nhiều thiệt hại về người và của Cùng với sự tăng trưởng của các ngành kinh tế, đòi hỏi mức độ an toàn chống lũ lụt ngày càng cao và hạn chế tối đa thiệt hại
Hệ thống sông Hương - tỉnh Thừa Thiên Huế bắt nguồn từ phía Đông dãy Trường Sơn và núi Bạch Mã, dòng chính chảy theo hướng Nam - Bắc đổ ra biển thông qua cửa Thuận An và Tư Hiền Lưu vực tập trung tới 70% dân số và chiếm tới 90% tổng sản phẩm hàng năm của cả tỉnh Thành phố Huế nằm ở trung tâm của lưu vực, đây là trung tâm kinh tế, văn hóa, chính trị và là một trong những trung tâm du lịch lớn nhất cả nước
Trong quá trình phát triển kinh tế - xã hội, việc khai thác tổng hợp tài nguyên nước cho các mục đích khác nhau trên hệ thống sông Hương đã đem lại những giá trị to lớn đóng vai trò quan trọng cho các ngành kinh tế trong tỉnh như:
du lịch, công nghiệp, thủy lợi, thủy sản, nông nghiệp
Tỉnh Thừa Thiên Huế là tỉnh thường xuyên phải gánh chịu thiệt hại do lũ lụt gây ra như phá hủy cơ sở hạ tầng, gây ngập lụt trên diện rộng, làm đình trệ sản xuất, ngoài ra còn gây mất mát về người và tài sản của nhân dân và nhà nước
Đặc biệt, thành phố Huế do địa hình thấp nên bị ngập trong nước lũ làm hư hỏng
di tích lịch sử, gây tổn hại đến di sản văn hóa của đất nước và thế mạnh du lịch của tỉnh Điển hình như trận lũ tháng 11 năm 1999 đã gây ngập lụt trên diện rộng, làm chết 358 người, ước tính tổng thiệt hại về kinh tế lên tới 1.738 tỷ đồng, gây phá hủy nhiều công trình, cơ sở hạ tầng, làm sập nhiều nhà dân
Do vậy, "Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán mô phỏng lũ tràn đồng trên hệ thống sông Hương tỉnh Thừa Thiên Huế" là rất cần thiết, đang là mối quan tâm
của các nhà quản lý và những người làm khoa học
2 Mục đích của đề tài
+ Phân tích nguyên nhân gây ngập lụt trên hệ thống sông Hương
+ Nghiên cứu mô phỏng chi tiết tình trạng ngập lụt trên toàn hệ thống
Trang 93 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
+ Mô hình toán thủy văn thủy lực: Mô hình MIKE FLOOD (1D + 2D)
5 Bố cục của luận văn
Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm 3 chương chính:
+ Chương 1 Tổng quan về các mô hình và những nghiên cứu trước đây
+ Chương 2 Tổng quan về lưu vực sông Hương
+ Chương 3 Tính toán thủy lực hệ thống sông Hương bằng mô hình MIKE
FLOOD kết hợp 1 và 2 chiều
Trang 10Chương 1 Tổng quan về các mô hình
và những nghiên cứu trước đây
1.1 Một số mô hình mưa rào - dòng chảy thông dụng
Mô hình hệ thống thủy văn có thể là mô hình vật lý, mô hình tương tự hay mô hình toán học Mô hình vật lý bao gồm các mô hình tỷ lệ tức là các mô hình biểu thị hệ thống thật dưới dạng thu nhỏ như mô hình thủy lực của đập tràn Mô hình tương tự là một mô hình vật lý khác có tính chất tương tự như mô hình nguyên thể, ví dụ như mô hình tương tự điện trong thủy lực
Mô hình toán học miêu tả hệ thống dưới dạng toán học Mô hình toán học là tập hợp các phương trình toán học, các mệnh đề logic thể hiện các quan hệ giữa các biến và các thông số của mô hình để mô phỏng hệ thống tự nhiên hay nói cách khác mô hình toán học là một hệ thống biến đổi đầu vào (hình dạng, điều kiện biên, lực v.v ) thành đầu ra (tốc độ dòng chảy, mực nước, lưu lượng v.v ) Các mô hình thủy văn có thể được dùng để xác định điều kiện biên cho mô hình thủy lực Trong thủy văn có nhiều dạng hàm tập trung nước và có nhiều phương pháp xây dựng nó Phương pháp chảy đẳng thời dựa vào tốc độ chảy biến
đổi để xác định diện tích chảy đằng thời, từ đó xác định được đường tập trung nước Phương pháp đường lưu lượng đơn vị lần đầu tiên do Sherman đề nghị, sau
đó được nhiều tác giả phát triển và hoàn thiện Đường tập trung nước của Kalinin
- Miliukov và đường đơn vị Nash đều xem sự điều tiết trong sông hay trong lưu vực tương đương với sự điều tiết của một hệ thống hồ chứa tuyến tính đồng nhất
Từ giả thiết đó, tuy bước đi và cách giải quyết cụ thể có khác nhau, nhưng cả hai
đều dẫn tới đường tập trung nước có dạng tương tự dạng hàm Gamma Một số dạng đường đơn vị tổng hợp như Snyder, SCS, Clark được nghiên cứu xây dựng
để tính toán cho lưu vực không có tài liệu quan trắc dòng chảy
1.1.1 Mô hình đường đơn vị
Mô hình được Sherman đề xuất năm 1932, là một dạng mô hình thủy văn tất
định hộp đen ra đời sớm nhất trên thế giới Bản chất của phương pháp là xử lý hàm tập trung nước bằng đường đơn vị Đường đơn vị được định nghĩa là đường quá trình dòng chảy trực tiếp được tạo ra bởi một đơn vị lượng mưa vượt quá thấm
Trang 11(hay mưa hiệu quả) phân bố đều trên lưu vực và có cường độ mưa không đổi trong khoảng thời gian mưa hiệu quả Mối quan hệ lượng mưa vào và lượng dòng chảy
ra của hệ thống được biểu đạt thông qua một hàm truyền, còn gọi là hàm tập trung nước hoặc hàm ảnh hưởng hoặc đường đơn vị tổng hợp Hàm truyền thường được tính ngược từ tài liệu thực đo của lượng vào và lượng ra của hệ thống Khi hàm truyền được xác định, lượng ra của hệ thống được tính theo tích phân Duhamel: [8, 27, 35]
Q(t) - lưu lượng tại thời điểm t bất kỳ;
h() - lượng mưa hiệu quả;
f(t – ) - hàm ảnh hưởng
Có 3 phương pháp thường dùng để xác định đường đơn vị:
+ Xây dựng đường đơn vị trực tiếp từ tài liệu thực đo
+ Tính toán đường đơn vị từ phương trình rời rạc của tích phân chập Duhamel + Phương pháp đường đơn vị dạng Nash
đường quá trình tại các tung độ bằng 50%; 75% của lưu lượng đỉnh Sử dụng các đặc trưng này có thể xác định được đường quá trình đơn vị theo yêu cầu
- Đường quá trình đơn vị Clark: Phương pháp này được đề xuất năm 1945,
đòi hỏi phải xác định 3 yếu tố làm cơ sở cho tính toán đường đơn vị, đó là thời gian tập trung dòng chảy Tc; hệ số lượng trữ R và đường quan hệ thời gian ~ diện tích lưu vực
Trang 12- Đường đơn vị không thứ nguyên SCS: Phương pháp do Cơ quan Bảo vệ thổ nhưỡng Hoa Kỳ đề xuất năm 1972, cho phép tính đường đơn vị thông qua các đặc trưng lưu vực và giới hạn giữ nước tối đa trên lưu vực được tính từ phương pháp đường cong SCS Phương pháp này đơn giản và đã được áp dụng cho nhiều lưu vực sông suối ở nước ta
1.1.2 Mô hình TANK
Mô hình TANK ra đời năm 1956 tại trung tâm quốc gia phòng chống lũ lụt Nhật, tác giả là M Sugawar Lưu vực được mô tả như một chuỗi các bể chứa sắp xếp theo hai phương thẳng đứng và nằm ngang Giả thiết cơ bản của mô hình: dòng chảy mặt cũng như dòng thấm là các hàm số của lượng nước trữ trong các tầng đất Mô hình có hai dạng cấu trúc đơn và kép [8, 27, 35]
+ Mô hình TANK đơn: không xét sự biến đổi của độ ẩm đất theo không gian, phù hợp với những lưu vực nhỏ trong vùng ẩm ướt quanh năm Lưu vực
được mô tả bởi bốn bể chứa xếp theo chiều thẳng đứng Mỗi bể chứa có một hoặc một vài cửa ra ở thành bên và một cửa ra ở đáy Lượng mưa rơi xuống mặt đất đi vào bể trên cùng Sau khi khấu trừ tổn thất bốc hơi một phần sẽ thấm xuống bể dưới theo cửa ra ở đáy, một phần cung cấp cho dòng chảy trong sông theo các cửa ra ở thành bên Quan hệ giữa lượng dòng chảy qua các cửa với lượng ẩm trong các bể là tuyến tính
Y, Y0 - dòng chảy tại cửa ra thành bên và đáy
Mô hình TANK mô phỏng cấu trúc ẩm trong các tầng đất của lưu vực Lượng dòng chảy hình thành từ các bể thể hiện đặc tính các thành phần dòng chảy mặt sát mặt và dòng chảy ngầm Dòng chảy hình thành từ tất cả các bể chứa mô tả sự biến dạng dòng chảy do tác dụng điều tiết của dòng sông là lớp nước có sẵn ban đầu trong sông
Trang 13+ Mô hình TANK kép: xét đến sự biến đổi độ ẩm của đất theo không gian Lưu vực được chia thành các vành đai có độ ẩm khác nhau Một vành đai
được diễn tả bằng một mô hình TANK đơn Về nguyên tắc số lượng vành
đai có thể bất kỳ Nhưng trong thực tế tính toán thường lấy 4 vành đai mỗi vành đai có 4 bể, tổng cộng toàn mô hình có 16 bể chứa
Với sự mô phỏng này, trên toàn lưu vực có những phần ẩm, phần khô biến
đổi theo quy luật nhất định Khi mưa bắt đầu, phần lưu vực ẩm ướt sẽ phát triển từ khu hẹp ven sông lan dần đến những vùng cao hơn theo thứ tự S4, S3, S2, S1 (trong
đó Si biểu thị vành đai thứ i so với toàn lưu vực) Ngược lại, khi mùa khô bắt đầu
do lượng ẩm ướt cung cấp ít dần hoặc không có, lưu vực sẽ khô dần từ những vành đai cao nhất đến vành đai thấp hơn theo thứ tự S1, S2, S3, S4 Trong cấu trúc kép, lớp nước tự do trong mỗi bể được chuyển động theo hai hướng: thẳng đứng
và nằm ngang Mỗi bể chứa nhận được nước từ phía bể trên cùng vành đai và từ
bể phía trước ở cùng tầng Đối với mô hình TANK kép thì còn có thêm các thông
số Si (i = 1, 2, 3, 4)
1.1.3 Mô hình SSARR
Mô hình SSARR do Rockwood đề xuất từ năm 1956 Khi xây dựng mô hình này, tác giả quan niệm rằng hệ thống sông ngòi dù phức tạp cũng chỉ gồm các thành phần cơ bản sau: các lưu vực sông nhỏ; các hồ chứa tự nhiên và nhân tạo; các đoạn sông Do đó, tác giả xây dựng mô hình toán cho từng loại Sau cùng tập hợp lại để có được một mô hình toán của cả hệ thống sông Các mô hình toán thành phần đều sử dụng hai phương trình cơ bản là phương trình liên tục và phương trình lượng trữ [8]
Trang 14xử lý một lưu vực lớn có nhiều lưu vực nhỏ và một mạng sông ngòi phức tạp [15,
19, 22, 44]
NAM là từ viết tắt của tiếng Đan Mạch “Nedbor - Afstromnings - Model”,
có nghĩa là Mô hình Giáng thủy - Dòng chảy mặt Mô hình này do Khoa Tài nguyên nước và Thủy lợi của trường Đại học Đan Mạch xây dựng (Nielsen và Hansen, 1973)
Mô hình thủy văn toán học như NAM là một bộ biểu thức toán học kết nối mô tả bằng hình thức toán học đơn giản có xét đến cả quá trình tổn thất thấm qua
đất trong chu trình thủy văn NAM tính đến các yếu tố khác nhau trong quá trình mưa - dòng chảy thông qua việc xem xét liên tục các thành phần của nước trong bốn dạng trữ khác nhau và tương tác nhau Mỗi dạng trữ thể hiện một thành phần vật lý khác nhau của lưu vực sông nhỏ NAM có thể sử dụng cho việc thiết lập một loạt mô hình thủy văn liên tục hoặc mô phỏng những sự kiện riêng lẻ
Mô hình NAM là một công cụ kỹ thuật tốt, đã được áp dụng cho một số lưu vực sông nhỏ trên thế giới, với các hiện tượng thủy văn và điều kiện khí hậu khác nhau NAM là một mô hình khái niệm dựa trên phương trình và cấu trúc vật lý cùng với cấu trúc bán kinh nghiệm Mô hình NAM xử lý mỗi một lưu vực như là một đơn vị riêng lẻ Do đó, tham số và biến số thể hiện giá trị trung bình cho toàn lưu vực Một vài tham số mô hình được xác định từ dữ liệu lưu vực vật lý nhưng giá trị tham số cuối cùng phải được tiến hành bằng cách thẩm định với chuỗi quan trắc thực đo
Trang 15NAM hình thành nên một phần mô đun mưa - dòng chảy (RR) của hệ thống mô hình MIKE 11 Cấu trúc NAM được trình bày theo sơ đồ (Hình 1.1.1)
Ghi chú: các ký hiệu như trong phụ lục PL.1.1
1.2 Một số mô hình thủy lực thông dụng
Hiện nay, ở nước ta và trên thế giới đang sử dụng nhiều mô hình thủy lực để tính toán các đặc trưng khác nhau của dòng chảy Các mô hình được sử dụng
Trang 16nhiều nhất và phổ biến nhất là các mô hình toán thủy lực dòng chảy hở một chiều
để xác định lưu lượng Q và mực nước Z trong nhiều bài toán như truyền triều, truyền lũ trên hệ thống sông và kênh dẫn Ngoài ra còn có các mô hình truyền chất (mặn, phù sa ) trên hệ thống sông, mô hình tính toán thủy lực dòng chảy xiết trên kênh có độ dốc lớn, mô hình tính thủy lực công trình
1.2.1 Mô hình VRSAP
Mô hình VRSAP (Vietnam River System And Plains) do cố PGS TS Nguyễn Như Khuê xây dựng từ 1965 đến 1993 Tiền thân của nó là mô hình KRSAL, được sử dụng rộng rãi ở nước ta trong khoảng 30 năm trở lại đây Hiện nay VRSAP cũng như KRSAL đã có nhiều cải tiến, chủ yếu là ở các thủ tục ra - vào của chương trình tính, còn phần cốt lõi của của chương trình vẫn giữ nguyên
Đây là mô hình toán thủy văn - thủy lực của dòng chảy một chiều trên hệ thống sông ngòi có nối với đồng ruộng và các khu chứa khác Dòng chảy trong các
đoạn sông được mô tả bằng hệ phương trình Saint-Venant đầy đủ, không bỏ bớt một vài số hạng như trong một số mô hình khác [7] Dòng chảy qua các công trình được mô tả bằng các công thức thủy lực đã biết và được đưa về cùng một số hạng như phương trình của các đoạn sông Dòng chảy tràn vào các ô ruộng hay khu chứa được mô phỏng theo tư tưởng chung của mô hình SOGREAH Các khu chứa nước và các ô đồng ruộng trao đổi nước với sông và trao đổi nước với nhau qua các tràn hay cống điều tiết Do đó, mô hình đã chia các khu chứa và các ô
đồng ruộng thành hai loại chính Loại kín trao đổi nước với sông qua cống điều tiết, loại hở trao đổi nước với sông qua tràn mặt hay trực tiếp gắn với sông như các khu chứa thông thường
Mô hình VRSAP cũng xét đến sự gia nhập của mưa trong tính toán thủy lực dòng chảy trong các hệ thống sông khi diễn toán lũ hay tính tiêu nước cho hệ thống thủy nông Mô hình cũng xét đến khả năng truyền mặn trên hệ thống sông
và đồng ruộng Sơ đồ tính trong VRSAP là sơ đồ sai phân ẩn lưới chữ nhật có xét
đến trọng số đối với các bước sai phân theo thời gian t và không gian x
Mô hình VRSAP phù hợp với điều kiện Việt Nam, có thể sử dụng để:
+ Tính toán và tìm ra quy luật thay đổi của lưu lượng Q và mực nước Z tại từng mặt cắt trên hệ thống sông và ô chứa kể cả vùng bị ảnh hưởng của thủy triều + Giải bài toán tiêu úng, thoát lũ và cấp nước trên các hệ thống công trình thủy lợi vùng đồng bằng và ven biển
Trang 17+ Lập các phương án quy hoạch quản lý và khai thác thủy lợi trên lưu vực sông lớn nhỏ và các hệ thống công trình thủy lợi
+ Tính truyền triều và truyền mặn trên các hệ thống sông v.v
Mô hình VRSAP là mô hình mã nguồn mở, nên từ đó nhiều tác giả đã cải tiến để mô hình có thể tính được truyền tải phù sa, tính tiêu thoát nước đô thị Các loại mô hình toán này hiện cũng đang được ứng dụng ở nước ta và cho kết quả tốt Một số ứng dụng của mô hình cho hệ thống sông Hồng, sông Thái Bình, sông Cả, sông Nhật Lệ, sông Hương, sông Thu Bồn, sông Cửu Long đều đạt các kết quả tin cậy Mô hình VRSAP ứng dụng rất có hiệu quả đối với việc tính toán thủy lực tưới, tiêu các hệ thống thủy nông, quy hoạch và lập các dự án quản lý, khai thác hệ thống thủy nông, tính toán quy mô các công trình trên hệ thống, quản lý lưu vực và tài nguyên ở nước ta
Chuyển động của chất lỏng trong lòng dẫn hở có thể mô tả bằng hệ phương trình Saint-Venant Trong mô hình VRSAP, hệ phương trình Saint-Venant của dòng chảy một chiều là hệ phương trình thủy động lực viết cho dòng chảy một chiều trong lòng dẫn hở: [1, 5, 7, 14, 19, 21]
Trang 18ý nghĩa của các đại lượng trong hệ phương trình Saint-Venant:
Bc - chiều rộng toàn mặt cắt ngang sông, Bc = B + Bb;
B - chiều rộng lòng sông;
Bb - chiều rộng bãi sông;
q - lưu lượng dòng chảy gia nhập trên một đơn vị dài theo đoạn sông;
J - độ dốc thủy lực, được tính theo công thức tổn thất của dòng chảy ổn định,
đến lượng mưa rơi xuống các khu chứa sau đó gia nhập dòng chảy Trong những
Trang 19năm gần đây HEC-RAS đã được sử dụng ở nước ta trong các nghiên cứu về lũ,
đặc biệt là trong công tác đào tạo tại các trường đại học [21]
Dòng chảy trong sông thiên nhiên được coi là dòng không ổn định biến đổi chậm chảy một chiều, thay đổi theo không gian và thời gian Các yếu tố được mô tả bằng hệ phương trình Saint-Venant, gồm phương trình liên tục và phương trình
động lực Hệ phương trình Saint-Venant trong mô hình này có dạng:
Để giải hệ gồm hai phương trình liên tục (1.2.3) và động lực (1.2.4) dùng phương pháp sai phân hữu hạn - thay các đạo hàm riêng bằng tỷ số các sai phân Giống như mô hình VRSAP, trong mô hình HEC-RAS cũng sử dụng sơ đồ ẩn (lưới sai phân chữ nhật) để giải hệ phương trình Saint-Venant
1.2.3 Mô hình MIKE 11
MIKE là một họ phần mềm gồm nhiều mô đun khác nhau, từ việc tính toán cân bằng nước (MIKE BASIN), mưa - dòng chảy (MIKE NAM), dòng một chiều (MIKE 11), hai chiều lưới thẳng (MIKE 21), hai chiều lưới cong (MIKE 21 C), lưới bất kỳ (MIKE 21 FM) và ba chiều (MIKE 3); mô hình kết hợp một và hai chiều MIKE FLOOD Hiện nay, MIKE là bộ phần mềm được sử dụng khá rộng, với khả năng bao trùm tất cả các vấn đề về quản lý khai thác tài nguyên nước [15, 22, 41]
Trong luận văn sử dụng mô hình MIKE FLOOD là mô hình kết hợp một chiều MIKE 11 và hai chiều MIKE 21 để mô phỏng lũ tràn đồng trên hệ thống sông Hương tỉnh Thừa Thiên Huế nên ở đây chỉ nêu tổng quan về ba mô hình
Trang 20này Các mô hình khác trong bộ mô hình MIKE đã được trình bày khá chi tiết tại website http://www.dhigroup.com
MIKE 11 do DHI Water & Environment phát triển, là một gói phần mềm dùng để mô phỏng dòng chảy, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát ở các cửa sông, sông, kênh tưới MIKE 11 là mô hình động lực một chiều và thân thiện với người sử dụng nhằm phân tích chi tiết, thiết kế, quản lý, vận hành cho sông cũng như hệ thống kênh dẫn đơn giản và phức tạp Với môi trường đặc biệt thân thiện với người sử dụng, linh hoạt và tốc độ, MIKE 11 cung cấp một môi trường thiết
kế hữu hiệu về kỹ thuật công trình, tài nguyên nước, quản lý chất lượng nước và các ứng dụng quy hoạch
Mô hình thủy động lực MIKE 11 (HD) là một phần trọng tâm của mô hình MIKE 11, mô hình cho phép tính thủy lực trên mạng lưới sông, kênh có thể áp dụng với chế độ sóng động lực hoàn toàn ở cấp độ cao Trong chế độ này, MIKE
- Thay đổi mặt cắt dòng chảy
Các công trình được mô phỏng trong MIKE 11 bao gồm:
Trang 21Z - mực nước ở thời đoạn tính toán (m);
t - thời gian tính toán (s);
Q - lưu lượng dòng chảy qua mặt cắt (m3/s);
x - không gian (dọc theo chiều dòng chảy) (m);
Trang 22Thuật toán và phương pháp giải chung của mô hình MIKE 11 được trình bày chi tiết trong phần phụ lục (PL.1.2)
1.2.4 Mô hình MIKE 21
Mô hình MIKE 21 là mô hình hai chiều, gồm các mô đun chính:
- Mô đun thủy động lực học (Hydrodynamic): mô phỏng chuyển động của dòng chảy theo cả không gian và thời gian
- Mô đun thủy động lực học và truyền tải khuếch tán (Hydrodynamic and Advection - Dispersion) có mô phỏng thêm sự khuếch tán của các chất
- Mô đun thủy động lực học và vận chuyển bùn cát (Hydrodynamic and Mud Transport)
- Mô đun thủy động lực học và ECO Lab
Với mục đích của đề tài là mô phỏng lũ nên trong luận văn chỉ sử dụng mô
đun thủy động lực học HD để tính toán
MIKE 21 HD là một mô đun thủy động lực học dùng để mô hình hóa dòng chảy tràn Nó được dùng để mô phỏng sự biến động của mực nước và lưu lượng ứng với các thay đổi về chế độ thủy lực trong sông, hồ và các vùng chảy tràn Mực nước và lưu lượng được tính trong lưới hình chữ nhật chứa khu vực nghiên cứu khi có dữ liệu địa hình, độ nhám đáy, điều kiện biên, trường gió [6, 22, 41] MIKE 21 HD có thể mô hình hóa dòng chảy tràn với nhiều điều kiện được tính đến, bao gồm:
+ ứng suất cắt đáy (ma sát đáy);
Trang 23+ ứng suất cắt của gió tại bề mặt (ma sát gió);
h - độ sâu mực nước tại điểm (x, y) tính từ đáy, h = h(x, y, t) (m);
Z - cao trình mực nước (m), Z = Z(x, y, t) (m);
p - lưu lượng đơn vị theo chiều x, p = p(x, y, t) (m3/s/m),
p = uh
Trang 24u - vận tốc bình quân thủy trực theo chiều x;
q - lưu lượng đơn vị theo chiều y, q = q(x, y, t) (m3/s/m),
Vx, Vy - thành phần vận tốc gió theo hai chiều x và y;
- thông số Coriolis, = (x, y), phụ thuộc vào vĩ độ, (s-1);
Trong luận văn, MIKE FLOOD được sử dụng để ghép nối mô hình mạng sông MIKE 11 HD và mô hình hai chiều lưới chữ nhật MIKE 21 HD Mô hình một chiều được sử dụng để mô phỏng hệ thống sông; mô hình hai chiều được sử dụng để mô phỏng dòng chảy trên khu chứa và vùng đầm phá
Việc liên kết mô hình một chiều và hai chiều được thực hiện bởi các kết nối hiện Sử dụng MIKE FLOOD sẽ mô phỏng được chi tiết điều kiện vật lý của hệ
Trang 25thống Mô hình hai chiều sẽ mô phỏng dòng chảy tại các vùng nước nông như: khu chứa, vùng đất ngập nước, hệ đầm phá Mô hình một chiều được sử dụng để mô phỏng hệ thống sông bao gồm các công trình phức tạp mà mô hình hai chiều không thực hiện được MIKE FLOOD được sử dụng khi cần có sự mô tả hai chiều ở một số khu vực (MIKE 21) và tại những nơi cần kết hợp mô hình một chiều (MIKE 11) Trường hợp cần kết nối một chiều và hai chiều là khi cần có một mô hình vận tốc chi tiết cục bộ (MIKE 21) trong khi sự thay đổi dòng chảy của sông được điều tiết bởi các công trình phức tạp (cửa van, cống điều tiết, các công trình thủy lợi đặc biệt ) mô phỏng theo mô hình MIKE 11 Khi đó mô hình một chiều MIKE 11 có thể cung cấp điều kiện biên cho mô hình hai chiều MIKE
Kết nối chuẩn
Nối kết M11 vào lưới chi tiết của M21
Nối kết công trình trong M11 với M21
Trang 26sông Lưu lượng đi qua kết nối hai bên được tính bằng một phương trình công trình hoặc một quan hệ lưu lượng với mực nước (Q ~ H) Loại kết nối này đặc biệt thích hợp để mô phỏng dòng tràn từ sông vào vũng bãi tràn mà tại đó dòng chảy qua đê được tính bằng một phương trình đập tràn (Hình 1.2.3)
Xác định dòng chảy tràn qua trái hoặc qua bờ phải
Kết nối 2 bên: Dòng chảy ngang qua đập
từ sông M11 vào bãi tràn M21 Nối từng
điểm h của nhánh sông với mỗi ô kết nối M21,
Hình 1.2.4 Sơ đồ kết nối công trình
Trang 27Kết nối công trình được dùng để mô phỏng các công trình trong mô hình MIKE 21 Công trình kết nối gồm một nhánh MIKE 11 có 3 điểm (mặt cắt thượng lưu, công trình và mặt cắt hạ lưu) mà các thành phần dòng chảy tác động vào một ô lưới hoặc một nhóm ô trong MIKE 21 (Hình 1.2.4)
Trong ví dụ thể hiện trên hình 1.2.4 thì dòng chảy tràn qua đường giao thông được mô hình hóa bằng nhánh Z - Q - Z trong MIKE 11 biểu thị một hoặc nhiều công trình ẩn được đưa vào các phương trình dòng chảy trong MIKE 21
Điều kiện về dòng chảy của MIKE 11 cũng có thể được thay bằng điều kiện dòng chảy trong MIKE 21 hoặc được bổ sung vào một dòng chảy MIKE 21 hiện có
4 Kết nối không có dòng chảy (x và y)
Sẽ không có dòng chảy đi qua cạnh bên phải của một ô MIKE 21 khi ô đó
được xác định là một kết nối không có dòng chảy theo hướng x Tương tự, một kết nối không có dòng chảy theo hướng y sẽ không có dòng chảy đi qua cạnh bên trên của ô
Kết nối không có dòng chảy được phát triển để bổ sung cho kết nối dòng chảy hai bên Để đảm bảo dòng chảy tràn trong MIKE 21 không chảy trực tiếp ngang qua sông vào vùng bãi tràn phía đối diện mà không đi qua MIKE 11, cần phải đưa các kết nối không có dòng chảy vào để khóa dòng chảy MIKE 21 Một cách dùng kết nối không có dòng chảy là dùng ô đất nhưng có thể không phù hợp vì còn phụ thuộc vào độ phân giải của lưới
Một trường hợp khác áp dụng nối kết không có dòng chảy là đưa vật chặn dòng hẹp vào vùng bãi tràn như đường giao thông hoặc đê thay vì dùng một chuỗi các ô đất hoặc cũng có thể dùng một chuỗi các ô không có dòng chảy
1.2.6 Một số mô hình khác
Hiện nay ở nước ta đang sử dụng nhiều mô hình thủy lực để tính toán các
đặc trưng khác nhau của dòng chảy Nhiều nhất và phổ biến nhất là các mô hình toán thủy lực dòng hở một chiều để xác định lưu lượng Q và mực nước Z trong các bài toán truyền triều, truyền lũ trên hệ thống kênh và sông thiên nhiên Ngoài mô hình VRSAP của PGS TS Nguyễn Như Khuê được nêu ở mục trên còn có mô hình KOD - 01 của GS TSKH Nguyễn −n Niên, mô hình FWQ86M của PGS TS Nguyễn Tất Đắc, mô hình WENDY của Hà Lan, mô hình SOGREAH tính toán lũ đồng bằng sông Cửu Long Các loại mô hình thủy lực khác như mô hình HGKOD của GS TS Nguyễn Thế Hùng dùng để tính bài toán thủy lực hai chiều đứng, mô hình KOD - 02 của GS TS Nguyễn − n Niên dùng để tính truyền
Trang 28lũ trên đồng bằng Ngoài ra, còn có các mô hình truyền chất trên hệ thống sông, mô hình tính thủy lực dòng chảy xiết trên kênh có độ dốc lớn, mô hình tính thủy lực công trình [14, 21, 24]
WENDY là mô hình toán thủy lực do Viện Thủy lực Hà Lan xây dựng Đây
là loại mô hình thủy động lực học theo sơ đồ sai phân ẩn cho phép tính thủy lực dòng chảy hở, xói lan truyền, chuyển tải phù sa lơ lửng và xâm nhập mặn Mô hình sử dụng thuận tiện, thiết lập và truy cập số liệu dễ dàng cho phép thay đổi mạng lưới sông và công trình trong hệ thống Mô hình có tính chất quản lý lưu vực, cho phép tính toán các phương án quy hoạch như thay đổi hình thái lòng dẫn, công trình trên hệ thống, giả định các tình huống khai thác nguồn nước Tuy vậy, mô hình WENDY có mặt hạn chế như không xét đến lượng mưa gia nhập khu giữa, không xét đến sự điều tiết của các khu chứa và đồng ruộng, không có sự liên kết giữa các ô chứa và sông Mô hình WENDY không được phổ biến rộng rãi nên ở nước ta mới chỉ được sử dụng để tính toán mạng sông Hồng trong khuôn khổ dự án quy hoạch tổng thể đồng bằng sông Hồng [19]
FWQ86M là mô hình toán truyền triều xâm nhập mặn trên sông của PGS
TS Nguyễn Tất Đắc Cơ sở chính của mô hình là giải phương trình khuếch tán bằng phương pháp phân rã và tính ma trận hệ số theo cách khử đuổi cho từng
đoạn sông đơn Mô hình FWQ86M được sử dụng đầu tiên để tính truyền mặn trên
hệ thống sông Hương tỉnh Thừa Thiên Huế năm 1986 Sau đó tác giả mô hình đã cải tiến để tính truyền triều và mặn trên một số sông ở Nam Bộ như sông Sài Gòn, sông Đồng Nai Do khả năng thích ứng của mô hình chưa cao nên kết quả tính toán còn chưa thật phù hợp với các giá trị quan trắc [14]
Mô hình KOD - 01 và KOD - 02 của GS TSKH Nguyễn − n Niên dùng để tính thủy lực dòng chảy hở một và hai chiều trên hệ thống sông có công trình điều tiết và đồng ruộng Hệ phương trình Saint-Venant được sử dụng ở dạng rút gọn Sơ đồ tính là sơ đồ hiện tam giác hỗn hợp Sơ đồ tính cho phép giải các bài toán dòng không ổn định một chiều như tính toán truyền triều, truyền lũ, phân phối nước, tiêu nước cho mạng lưới sông, ô chứa, công trình điều tiết với độ phức tạp bất kỳ Sơ đồ tính có thể phục vụ tính toán quy hoạch dự báo lũ và phân phối nước, phục vụ thiết kế và quản lý hệ thống kênh tưới tiêu và các mục đích khác trong công tác thủy lợi ở nước ta [24]
Mô hình TELEMAC được thiết lập từ những năm 90 của thế kỷ XX, là sản phẩm thương mại của Viện Thủy điện Pháp (EFD) Mô hình nghiên cứu bài toán thủy lực hai chiều ngang và các quá trình truyền chất Mô hình được Viện Cơ học
Trang 29Việt Nam ứng dụng nhiều để giải các bài toán thủy lực trên hệ thống sông và truyền chất Hệ phương trình cơ bản là hệ phương trình Saint-Venant hai chiều ngang được giải theo không gian bằng phương pháp phần tử hữu hạn dạng yếu Galerkin và giải theo không gian bằng sơ đồ sai phân có trọng số Mô hình này ít
được các nhà nghiên cứu thủy văn thủy lực tiếp cận vì nó phức tạp
Mô hình HGKOD do GS TS Nguyễn Thế Hùng lập là mô hình thủy động lực học hai chiều đứng Mô hình này được ứng dụng để tính lòng dẫn bị biến dạng cục bộ ở hạ lưu công trình tháo, mô phỏng các hiện tượng thủy lực của dòng chảy bao như dòng chảy quanh các mặt tấm chắn cong, trụ cầu Cốt lõi của mô hình này là tìm nghiệm xấp xỉ của hệ phương trình Reynolds viết cho hai chiều
đứng với giả thiết gần đúng về ma sát rối Hệ phương trình Reynolds được giải bằng phương pháp xấp xỉ Galerkin và được rời rạc hóa theo phương pháp phần tử hữu hạn để thiết lập hệ phương trình đại số tuyến tính ứng dụng mô hình HGKOD vào những bài toán cụ thể cho ra được những hình ảnh khá trung thực của các hiện tượng thủy lực hạ lưu sau một bậc thụt, hố xói sau cống đồng bằng và sau tràn, hiện tượng chảy bao quanh cửa van cung Thêm vào đó, mô hình này cũng ứng dụng được để tính thủy lực truyền triều ở đoạn cửa sông, đầm phá như đã được ứng dụng có hiệu quả ở vùng cửa sông Hương, phá Hạc Hải (Quảng Bình) [6]
1.3 Những nghiên cứu trước đây về lưu vực
Các nghiên cứu về dòng chảy và đặc biệt là dòng chảy lũ ở Thừa Thiên Huế
đã được nghiên cứu nhiều và có thể nói rất nhiều Nó được nhiều cơ quan khoa học cùng nghiên cứu như: Viện Quy hoạch Thủy lợi, Viện Khoa học Thủy lợi, Viện Khí tượng Thủy văn, Trường Đại học Thủy lợi, Đại học Khoa học Tự nhiên,
Đại học Huế, Đại học Đà Nẵng và một số tổ chức cá nhân ngoài nước Tuy nhiên, vấn đề luôn luôn có những điểm mới cần được nghiên cứu tiếp tục
Trong các nghiên cứu đó phần lớn đề cập và xuất phát từ các yêu cầu về quy hoạch thủy lợi, xây dựng các hồ chứa, các nhà máy thủy điện trong vùng ít chú ý
đến ảnh hưởng cản lũ của các công trình chắn ngang dòng tràn lũ và độ sâu ngập
Trang 30- Năm 2000 2001, tính toán mô phỏng lũ 1999, phục vụ đề tài nghiên cứu
độc lập cấp nhà nước “Nghiên cứu phục hồi thích nghi cho vùng cửa sông ven biển và đầm phá Tam Giang - Cầu Hai”;
- Năm 2004, tính toán xác định quy mô nhà máy thủy điện Hương Điền trên sông Hữu Trạch;
- Năm 2005, tính toán xác định quy mô nhà máy thủy điện Cổ Bi trên sông
Bồ và tính toán lũ trong dự án Quy hoạch thủy lợi sông Hương;
- Năm 2005, tính toán dòng chảy lũ sông Hương, trong nghiên cứu điển hình thuộc dự án “Tăng cường năng lực cho các Viện ngành nước”
Các nghiên cứu trên chủ yếu mô phỏng dòng chảy của sông và tràn lũ trên
đồng bằng ra đến đầm phá, mà ít chú ý đến vùng đầm phá và cửa biển Biên dưới của các mô hình thường được kết thúc tại đê bao đầm phá Trong các nghiên cứu này thì công cụ mô hình được sử dụng là mô hình VRSAP của PGS TS Nguyễn Như Khuê Nghiên cứu trong khuôn khổ dự án “Tăng cường năng lực cho các Viện ngành nước”, lần đầu tiên Viện Quy hoạch Thủy lợi sử dụng Mô hình MIKE 11 Viện Khoa học Thủy lợi cũng là đơn vị có các nghiên cứu liên quan đến lũ sông Hương: [16, 22, 39]
- Năm 1990 1991, kết hợp với Trường Đại học Thủy lợi, Viện Khoa học Thủy lợi lần đầu nghiên cứu lũ sông Hương phục vụ mục tiêu tìm các giải pháp phòng chống và thoát lũ cho sông Ngự Hà và khu vực nội thành Huế
- Năm 2000 2001, nghiên cứu về lũ lụt có quy mô lớn nhất được đề cập trong đề tài khoa học độc lập cấp nhà nước với tên gọi “Nghiên cứu phục hồi thích nghi cho vùng cửa sông ven biển và đầm phá Tam Giang - Cầu Hai”,
do GS TS Trần Đình Hợi là chủ nhiệm đề tài cùng 18 thành viên chính khác thuộc cơ quan khoa học của 06 bộ ngành khác nhau và tỉnh Thừa Thiên Huế tham gia thực hiện Đây là nghiên cứu đầu tiên có ý tưởng đề cập đến ảnh hưởng của biển đến vấn đề thoát lũ Trong nghiên cứu này, vùng tính toán bao gồm đồng bằng sông Hương, đầm phá và cửa biển, sử dụng mô hình một chiều kết hợp với mô hình hai chiều Bài toán lũ ở đây được chia làm hai khu vực, dòng chảy phía trên đầm phá được mô phỏng bằng mô hình một chiều với các ô trũng (do Viện Quy hoạch Thủy lợi thực hiện), dòng chảy trên
đầm phá và cửa biển mô phỏng bằng mô hình hai chiều (Viện Khí Tượng
Trang 31Thủy văn thực hiện), hai mô hình này chạy độc lập với nhau, không tự động kết nối Tuy nhiên, do hạn chế về công cụ tính và thời gian thực hiện mà các vấn đề về lũ lụt liên quan đến cửa biển chưa được giải quyết một cách hoàn chỉnh, các phương án kịch bản về cửa biển chưa được mô phỏng
- Năm 2003 2005, Viện Khoa học Thủy lợi tính toán dòng chảy lũ trên đầm phá Tam Giang - Cầu Hai, phục vụ quy hoạch thủy lợi ven biển Thừa Thiên Huế Trong nghiên cứu này tập trung vào nghiên cứu dòng chảy trên đầm phá và cửa biển, nhằm xác định hành lang thoát lũ tại các cửa biển Thuận
được giải quyết một cách hoàn chỉnh Đặc biệt là việc xem xét ảnh hưởng của cửa biển đến thoát lũ còn chưa được đề cập
Ngoài ra, còn rất nhiều những nghiên cứu khoa học, các luận văn thạc sĩ, luận án tiến sĩ trong và ngoài nước cũng đề cập nghiên cứu về các ảnh hưởng của các công trình hiện có trên lưu vực, những tác động về môi trường đầm phá ven
và khả năng thoát lũ của lưu vực với các giải pháp đề xuất [3, 12, 15, 17, 26, 33]
1.4 Nhận xét
Từ các phần tổng quan đã nêu trên, có thể đưa ra một số nhận xét như sau: + Về mô hình một chiều:
- Mô phỏng được các công trình phức tạp
- Có thể mô hình hóa các hệ thống phức tạp mà không cần tính toán nhiều
- Có thể mô hình hóa chính xác dòng chảy một chiều trong kênh dẫn
- Có thể kết hợp được với các mô hình thủy văn
- Có thể mô phỏng các điều kiện vận tốc lớn
Trang 32- Không thể mô phỏng các đặc trưng dòng chảy theo phương ngang
- Gặp khó khăn khi mô phỏng dòng chảy tràn nếu không nắm được quy luật của dòng chảy và không có kinh nghiệm trong xử lý các bài toán thủy lực công trình, đặc biệt là nơi có sự tập trung dày đặc các cầu, cống
- Thực hiện tính toán nhiều Thường phải dùng bước lưới rất mịn để giải các
đặc điểm địa hình quan trọng Không phải lúc nào mô phỏng dòng chảy đi qua công trình cũng chính xác như các mô hình một chiều truyền thống Nếu ô lưới tính toán có kích thước là 10 10 với khoảng cách = 100 m thì bước thời gian tính toán t = 40 s, còn nếu ô lưới tính toán có kích thước là 40 40 với khoảng cách = 25 m thì bước thời gian tính toán
t = 10 s Như vậy sẽ phải tính toán nhiều hơn gấp 16 lần
- Đối với dòng chảy tràn hai chiều thì ma sát và trọng lực đóng vai trò quan trọng, trong đó kích thước hình học, cao trình đáy và độ nhám là quan trọng nhất Đối với dòng chảy đi qua công trình thì tổn thất năng lượng là chủ yếu
Mặt khác, với mục đích của đề tài luận văn là mô phỏng lũ tràn đồng nên yêu cầu đặt ra là phải tính toán mô phỏng được lượng và diện ngập lụt trên toàn
hệ thống Do đó cần phải sử dụng một mô hình có khả năng kết nối tính năng của cả hai loại mô hình một chiều và hai chiều Trong luận văn đã lựa chọn sử dụng mô hình MIKE FLOOD làm nhiệm vụ kết nối mô hình một chiều MIKE 11 HD
và mô hình hai chiều MIKE 21 HD Tính năng của mô hình MIKE FLOOD được tóm tắt mô tả theo sơ đồ trình bày trong phần phụ lục (Hình PL.1.9)
Như vậy việc kết hợp mô hình một chiều với mô hình hai chiều đã tận dụng
được các tính năng tốt nhất của cả hai mô hình và hạn chế được các tính năng không hiệu quả
Trang 33Chương 2 Tổng quan về lưu vực sông Hương
2.1 Đặc điểm Địa lý tự nhiên lưu vực
Hình 2.1.1 Vị trí địa lý vùng nghiên cứu
Lưu vực được giới hạn bởi:
+ Phía Bắc giáp lưu vực sông Thạch Hãn tỉnh Quảng Trị;
+ Phía Đông và Đông Bắc giáp biển Đông;
+ Phía Đông Nam giáp dãy núi Bạch Mã;
+ Phía Tây và Tây Nam giáp dãy núi Trường Sơn
Trang 342.1.2 Đặc điểm địa hình
Sông Hương bắt nguồn từ phía Đông dãy Trường Sơn và núi Bạch Mã Do
địa hình ở đoạn thượng lưu hơi nghiêng theo hướng Nam - Bắc nên dòng chảy chính của lưu vực có xu thế chảy theo hướng Nam - Bắc sau đổi hướng sang Tây -
Đông rồi đổ ra dãy đầm phá ven biển và thông ra biển qua hai cửa Thuận An và Tư Hiền Vùng đồi núi chiếm trên 80% diện tích lưu vực, vùng cồn cát ven biển chiếm khoảng 5%, phần còn lại là đất có khả năng canh tác rộng khoảng 37.000
ha [16, 21, 23, 34, 38, 42]
Đặc điểm nổi bật của địa hình Thừa Thiên Huế là không gian hẹp nhưng tồn tại hầu hết các kiểu địa hình chính của nước ta: núi cao - núi trung bình - núi thấp
- gò đồi - đồng bằng, các cồn cát và đầm phá ven biển Về tổng quan có thể chia
địa hình Thừa Thiên Huế ra làm hai vùng: núi đồi và đồng bằng, không có vùng trung du chuyển tiếp (Hình 2.1.2)
Vùng núi đồi: Chiếm hơn 70% diện tích của tỉnh, nằm chủ yếu ở phía Tây
và phía Nam Phía Tây là một đoạn của dãy Trường Sơn qua địa phận Thừa Thiên Huế với những đỉnh núi cao từ 500 1.000 m, trong đó có những đỉnh núi cao như Động Ngại (1.774 m), Đông Pho (1.436 m) Những đỉnh núi cao nhất không nằm trên biên giới Việt - Lào mà nằm sâu trong lãnh thổ nước ta Do vậy, một số con sông bắt nguồn từ dãy núi này chảy qua thung lũng A Lưới sang Lào như sông A Sáp Phía Nam tỉnh Thừa Thiên Huế là dãy núi Bạch Mã, xuất phát từ dãy Trường Sơn đâm ngang ra biển với những đỉnh núi cao trên 1.000 m ngăn cách giữa Thừa Thiên Huế với Đà Nẵng Phía sườn Đông của dãy Trường Sơn, địa hình chuyển khá nhanh từ vùng núi qua vùng gò đồi xuống vùng đồng bằng Từ vùng núi cao 500 1.000 m ở phía Tây, xuống tới vùng đồng bằng ven biển có độ cao
từ 20 m trở xuống, với khoảng cách không quá 50 km đã tạo cho địa hình Thừa Thiên Huế có độ dốc khá lớn Diện tích đất có độ dốc trên 250 chiếm tới 54% Do
độ dốc lớn như vậy, nên phần lớn đất ở vùng núi bị xói mòn, thoái hóa Chính vì
địa hình có độ dốc lớn nên khả năng tập trung nước phía hạ du rất nhanh, làm cho
lũ lụt ở đây rất ác liệt, điển hình là trận lũ tháng 11/1999
Vùng đồng bằng: Phần lớn vùng đồng bằng Thừa Thiên Huế là nhỏ hẹp, bề
ngang rộng không quá 20 km, chiếm khoảng 9,78% diện tích đất tự nhiên của tỉnh Đồng bằng sông Hương có địa hình không bằng phẳng gò đồi thấp xen kẽ các vùng trũng Từ Bắc đến Nam đều có nhiều vùng núi trung bình - cao áp sát
đồng bằng, như vùng đồi núi Động Ngang (268 m) áp sát vùng đồng bằng thấp
Trang 35Quảng Điền và thành phố Huế, vùng núi Động Mang Chan (856 m) vùng núi
Động Truồi (1.154 m) áp sát vùng Hương Thủy, Phú Lộc Các ô trũng đất trống
có diện tích 7.173 ha, thấp hơn mực nước biển ngay trên bề mặt đồng bằng lưu vực sông Hương Đây là vùng có nhiều bàu, trằm nhất trong cả nước với 78 cái trằm có tên và không tên, 11 đầm, 4 bàu và 1 phá; Phía Đông đồng bằng sông Hương là hệ đầm phá Tam Giang- Cầu Hai, vùng cửa sông bao gồm 1 phá và 4
đầm nối tiếp kéo dài 68 km với diện tích 216 km2 nơi rộng nhất 10 km, nơi hẹp nhất 0,5 km, sâu từ 1,5 2,0 m, tổng dung tích khoảng 300 triệu m3
Hình 2.1.2 Bản đồ địa hình tỉnh Thừa Thiên Huế
Hình 2.1.3 Địa hình tỉnh Thừa Thiên Huế nhìn từ hạ lưu
Trang 36Phía Đông giáp biển tồn tại một dải cồn cát cao khoảng 5 15 m kéo dài suốt từ Bắc (vùng Thâm Khê - Thanh Hương) tới Nam (vùng Mỹ Lợi - Mỹ á) làm giảm thiểu tốc độ thoát lũ ra biển Các vùng đồng bằng Quảng Điền, Phú Vang, Hương Thủy trở thành các vùng ngập nước sâu trong mưa lũ
Toàn vùng đồng bằng Thừa Thiên Huế có 2 cửa biển chính nhưng thường xuyên ứ nước, ở phá Tam Giang có cửa Thuận An và đầm Cầu Hai có cửa Tư Hiền Ngoài những đặc điểm địa hình tự nhiên, trên bề mặt địa hình của Thừa Thiên Huế còn có quốc lộ 1A, đường sắt Bắc Nam và hệ thống đê ngăn mặn phía bờ Tây đầm phá chạy song song với bờ biển, vuông góc với hướng dòng chảy
Chính vì vậy, vùng đồng bằng Thừa Thiên Huế có tốc độ nhận và dâng lũ rất nhanh, một số vùng đồng bằng hẹp (như vùng Cổ Bi, Văn Xá, Thạch Hà, Mỗ Bảo,
Vi Gia) trực tiếp bị các dạng hình lũ miền núi (lũ bùn đá, lũ quét ) đe dọa
Miền núi tập trung ở vùng phía Tây, chiếm phần lớn diện tích của lãnh thổ
và thuộc vào loại núi cao trung bình 1.225 1.774 m Các đỉnh núi có độ cao 1.225 m, 1.403 m, 1.138 m nằm trên đường phân thủy chính (thuộc dãy Trường Sơn) đồng thời là đường biên giới Việt - Lào; trong khi đó, các vùng núi Động Ngài (1.774 m) ranh giới Quảng Trị - Thừa Thiên Huế ở phía Bắc, vùng núi Mang 1.708 m, Hải Vân 1.517 m, ở phía Nam đều cao trên 1.500 m, tạo nên các vùng sườn cao, dốc đứng hứng mưa lớn của các hướng mưa lớn theo hướng gió mùa
Đông Bắc, Đông Nam rồi đổ nhanh nước về các đồng bằng, khiến cho Thừa Thiên Huế trở thành một khu vực phân ranh khí hậu theo chiều Bắc - Nam và chịu tác động của các nhiễu động thời tiết gió mùa đặc sắc nhất Việt Nam
Địa hình núi chuyển bậc nhanh và khá đột ngột về phía Đông, xuống dải
đồng bằng hẹp ven biển thông qua một dải đồi - núi thấp rất phân tán có độ cao trung bình 200 300 m Diện tích núi và đồi chiếm đến trên 70% diện tích toàn tỉnh, còn dải đồng bằng ven biển thường là dải đồng bằng hạ lưu của các sông ngắn, nhìn chung rất hẹp (thường có bề ngang không quá 20 km) lại bị các dải cát cao (đê cát) ven biển chắn phía Đông Những nét đặc thù địa hình nêu trên có ảnh hưởng rất lớn đến chế độ dòng chảy của các lưu vực sông trong tỉnh, đặc biệt nó
có tác động trực tiếp đến sự chuyển động của dòng chảy lũ
Tính không cân đối của sự phân bố và quy mô các miền và kiểu địa mạo trong đó miền núi chiếm tỷ trọng lớn hơn nhiều lần miền đồng bằng của Thừa Thiên Huế là rất rõ rệt Hình thái này tạo ra sự biến đổi gradient địa hình và dòng
Trang 37chảy, diện tích hứng nước, chiều dài chuyển tải nước Hình dạng và kích thước lưu vực là những chỉ số có thể định lượng trong phân tích lưu vực cho phép đánh giá mức truyền nước nhanh hay chậm của lưu vực
Lưu vực sông Hương có sự kết hợp của yếu tố không cân đối với yếu tố chiều rộng lớn hơn chiều dài lưu vực, tạo nên một áp lực vô cùng lớn đối với hạ lưu thường có lũ lên nhanh, cường suất lũ lớn
Mức độ chia cắt sâu trung bình của toàn khu vực dao động trong khoảng
15 50 m/km2 và biến đổi nhanh từ các vùng núi đến dải đồng bằng ven biển ở các vùng núi giá trị này đạt tới 200 m/km2, có nơi đến 300 m/km2 tập trung quanh các đỉnh núi cao nhất như dãy núi biên giới Việt - Lào, núi Động Ngài, núi Mang Trong khi đó, ở dải đồng bằng ven biển, giá trị này chỉ đạt trung bình dưới 15 m/km2 Mức chia cắt sâu nói trên phản ảnh khá rõ nét quy luật biến đổi
địa hình đột ngột từ miền núi đến đồng bằng ven biển của Thừa Thiên Huế
Khác với quy luật chia cắt sâu, mức độ chia cắt ngang lại có tính phối khảm
rõ rệt và có giá trị trung bình dao động trong khoảng từ 0,2 0,3 km/km2 Các giá trị tương đối cao hơn tập trung ở các vùng đồng bằng hạ lưu sông và dải ven bờ; còn dọc theo sườn các thung lũng sông đạt giá trị từ 0,3 0,5 km/km2 Đáng chú
ý là dọc theo các dãy núi xuyên ngang như Động Ngài, Bạch Mã mức chia cắt ngang đạt giá trị cao dị thường trên 0,3 km/km2
Độ dốc sườn là yếu tố hết sức quan trọng và có tác động sâu sắc tới hình thành lũ lụt Độ dốc có xu hướng tăng cao ở các vùng núi và đột ngột giảm dần ở các vùng đồng bằng và đới ven bờ Nói khác đi, biên độ của độ dốc sườn trên tất cả các lưu vực sông ở Thừa Thiên Huế đều rất lớn Giá trị độ dốc trung bình ở các vùng núi thường đạt trên 300, vùng đồi trước núi và vùng đồng bằng khoảng 100
150, còn ở vùng đồng bằng ven biển dưới 50 và sự thay đổi giá trị độ dốc sườn này diễn ra trong một không gian rất hẹp
Tương tự sự biến đổi độ dốc là gradient địa hình: Biên độ gradient địa hình ở Thừa Thiên Huế dao động rất lớn trong khoảng nhỏ hơn 5 100 m/km Các vùng núi cao có giá trị gradient đạt tới trên 100 m/km, các vùng núi trung bình có giá trị gradient đạt trung bình trên 50 m/km, vùng núi thấp và đồi dao động trong khoảng rộng từ 5 30 m/km, các đồng bằng ven biển có giá trị gradient địa hình thấp dưới
5 m/km Cũng cần lưu ý rằng, sự biến đổi mau hay thưa của các đường đẳng trị gradient cho phép luận giải thêm về độ dốc và biến đổi năng lượng của địa hình
Trang 382.1.3 Đặc điểm địa chất
Theo các tài liệu địa chất hiện có [9, 31, 34], các thành tạo trầm tích ở khu vực Thừa Thiên Huế có tuổi từ cổ đến trẻ được xếp vào 12 phân vị địa tầng Các thành tạo trước Kainozoi có chiều dày đến 7.000 m gồm: Hệ tầng A Vương với thành phần là đá hoa, các loại đá phiến, xen quaczit Hệ tầng Long Đại với thành phần chủ yếu là các đá lục nguyên: cát kết, bột kết, phiến sét có xen andezit Hệ tầng Tân Lâm gồm sạn kết, cát kết, bột kết, phiến sét Hệ tầng Cò Bai có thành phần gồm đá vôi, sét vôi, bột kết, phiến sét Các thành tạo Kainozoi (chủ yếu là
đệ tứ) có chiều dày không đáng kể (40 170 m) nhưng đa dạng về thành phần và nguồn gốc bao gồm các tướng nguồn gốc trầm tích: sông, sông biển, sông - lũ, biển, biển - đầm lầy, biển - gió có tuổi thành tạo từ pleistosen sớm (QI) đến Holocen muộn (Q3IV)
Các đá mắc ma gặp trong vùng gồm đá mafic và đá axit thuộc 3 phức hệ: Phức hệ Đại Lộc với thành phần granit biotit, aplit granit Phức hệ Chaval thành phần gồm piroxenit, gabro Phức hệ Hải Vân có thành phần là granit biotit và
granit hai mica
Trên bình đồ cấu trúc, vùng đồng bằng Thừa Thiên Huế nằm ở phía Đông Nam đới kiến trúc Long Đại và nằm trên hai phụ đới Huế và Bình Trị Thiên Hai
phụ đới này được ngăn cách bởi đứt gãy Tà Lao - Huế (Lê Duy Bách, 1992)
Các trầm tích Đệ Tứ và Neogen hình thành lớp phủ lên móng địa chất trước Kainozoi đã bị phân dị tân kiến tạo từ cuối Miocen với đới sụt hạ tương đối Tam Giang - Phú Vang ở phía đông và khối nâng tây Huế Ranh giới giữa chúng là đứt gãy Hương Long - Quảng Xuyên ở trũng sâu Tam Giang - Phú Vang chiều dày trầm tích Đệ Tứ tăng dần về phía biển, dao động trong khoảng 90 164 m, còn ở
đới nâng phía tây Huế trầm tích Đệ Tứ mỏng, chỉ trong khoảng 40 60 m
Cũng theo các tài liệu hiện có trên cơ sở phân tích địa mạo, ảnh viễn thám thì vùng đồng bằng Thừa Thiên Huế còn bị chia cắt kiểu khối tảng bởi nhiều đứt gãy theo phương á kinh tuyến và phương Tây Nam - Đông Bắc: đứt gãy sông Tả Trạch, đứt gãy sông Hữu Trạch, các đứt gãy khác và các vòm nâng hiện đại mang
tính cục bộ: vòm An Hòa, vòm Phú Vang, vòm Thủy Thanh
ở vùng hạ lưu sông Hương, biểu hiện của đứt gãy là nguồn nước khoáng nóng tại LK314 ở Phú Dương Cửa biển Hòa Duân nằm trên phương kéo dài của đứt gãy này Cửa biển Thuận An hiện nay nằm trên phương kéo dài của đứt gãy khác
Trang 39Hệ đầm phá Tam Giang - Cầu Hai xuất hiện vào cuối Holocen muộn và
được hoàn thiện vào khoảng 3.000 4.000 năm trước như là kết quả tất yếu của tương tác lục địa - biển, phát triển mang tính kế thừa và tiếp diễn của các thế hệ Lagun trước đó trong quá trình chung thành tạo đồng bằng Thừa Thiên Huế
2.1.4 Thảm phủ thực vật
Thực vật là một thành phần quan trọng của mặt đệm, trong đó lớp phủ rừng
đóng vai trò quan trọng nhất trong việc điều tiết nước và các hiện tượng sinh thái khác của lãnh thổ Đó là nguyên nhân giải thích tại sao trong nghiên cứu lũ lụt cần ưu tiên xem xét vấn đề rừng
Tỉnh Thừa Thiên Huế có độ phủ rừng thuộc loại cao trong toàn quốc Theo thống kê năm 2006 của Cục Kiểm Lâm thì diện tích tự nhiên toàn tỉnh là 505.454
ha trong đó rừng tự nhiên chiếm 204.878 ha và rừng trồng chiếm 81.663 ha Như vậy độ che phủ rừng toàn tỉnh chiếm 56,69% diện tích toàn tỉnh Trong 286.541
ha đất có rừng thì đất có rừng phòng hộ là 106.785 ha, đất có rừng đặc dụng 48.984 ha, chiếm 54,36% tổng diện tích đất có rừng của tỉnh
Yêu cầu an toàn cho một lãnh thổ điều tiết lũ thì phải có 35% diện tích đất
tự nhiên được phủ rừng Trong khi đó, tỉnh Thừa Thiên Huế có độ che phủ rừng là 56,69% diện tích toàn tỉnh, lớn hơn so với mức yêu cầu Do đó có thể coi lưu vực
đã đảm bảo mức độ an toàn về mặt môi trường và điều tiết lũ Tuy nhiên, đó phải
là lớp phủ rừng tự nhiên với đầy đủ ý nghĩa của rừng nhiệt đới, có cấu trúc lý tưởng gồm nhiều tầng tán và có độ tán che đủ khả năng điều tiết nước cho lãnh thổ Trong khi đó trong lưu vực lại có khá nhiều diện tích rừng là các loại rừng ngh’o kiệt, rừng phục hồi, trảng cây, rừng chưa có trữ lượng, đáng kể nhất là các trảng cây bụi hoặc rừng thưa rụng lá có cấu trúc đơn giản, có độ tán che thấp (độ tán che chỉ đạt từ khoảng 20 30% đến khoảng 40 50%), không có vai trò điều tiết nước mặt; và chỉ có gần 7,5% diện tích rừng trong tỉnh đạt độ che phủ 80 90% và 8,71% diện tích tỉnh đạt độ che tán cao 70 80% Như vây, diện tích đạt
độ an toàn tương đối của Thừa Thiên Huế là thấp
Từ đặc điểm rừng của tỉnh cho thấy rừng bị phá do rất nhiều nguyên nhân và
đã bị xé lẻ thành nhiều khoảnh, không chỉ làm giảm đa dạng sinh học, mà còn làm cho tất cả các chức năng khác của rừng cũng bị giảm thiểu Điều đó giải thích tại sao, tuy rừng còn khá nhưng phân tán, khiến khả năng điều tiết mưa lũ
và chống xói mòn của rừng cũng bị suy giảm rất đáng kể
Trang 40Để đóng vai trò sinh thái thực sự trong phòng chống lũ, lớp phủ thực vật cũng cần có độ tán che ít nhất là 50% Như vậy, khi nghiên cứu đánh giá vai trò lớp phủ thực vật trước lũ lụt, những thống kê chỉ thực sự có ý nghĩa nếu chúng đạt giá trị tán che lớn hơn 50% Đó là nguyên nhân giải thích sự bất cập giữa hiện tượng lũ lụt và diện tích rừng tưởng như là phong phú của tỉnh Thừa Thiên Huế Nhiều nhà khoa học khi nghiên cứu lũ lụt đều cho rằng: đối với Thừa Thiên Huế yêu cầu một tỷ lệ che phủ rừng cần lớn hơn diện tích hứng nước, mặt khác
độ dốc của khu vực quá lớn, làm cho thời gian xuất hiện lũ rất nhanh Như vậy,
có thể so sánh trạng thái mặt đệm của toàn khu vực giống với mặt đệm của lưu vực thượng nguồn, do đó hình thái các trận lũ cũng có dáng dấp của lũ thượng nguồn với thời gian truyền lũ ngắn, đỉnh lũ cao và thời gian lũ ngắn
Việc suy giảm diện tích rừng giàu còn là nguyên nhân làm suy thoái môi trường đất Với độ dốc, chiều dài sườn lớn, với lượng mưa do bão và áp thấp nhiệt
đới có cường độ cao, các diện tích đất bị suy kiệt, tán che rừng giảm nên nhanh chóng bị bào mòn, rửa trôi làm cho lượng mùn trong đất mất đi, tầng đất ngày càng mỏng và trở nên chặt, lượng trữ ẩm trong lãnh thổ giảm do khả năng thấm
và trữ nước của đất bị mất đi Đó chính là nguyên nhân làm giảm thiểu sức chống chịu mưa của đất, đồng thời cũng là nguyên nhân góp phần tạo nên lũ Trên các loại đất bị xói mòn rửa trôi nếu có rừng trồng hoặc rừng tái sinh tự nhiên, thì các loại rừng này cũng sẽ có cấu trúc đơn giản, chức năng điều tiết sinh thái của rừng cũng không cao Vì vậy, bên cạnh việc tái tạo rừng cũng cần việc bảo vệ phục hồi chất lượng của các hệ sinh thái rừng nhiệt đới trong khu vực Trong trạng thái tự nhiên các loại rừng phục hồi, rừng non thực tế mới tồn tại khoảng 10 20 năm kể
từ lúc đất trống, đồi núi không rừng bị bỏ hoang, các cây tiên phong của rừng thứ sinh tồn tại khoảng 60 năm, sau đó để có được rừng tự nhiên thì mất khoảng 100 năm Do đó việc phục hồi hệ sinh thái rừng là rất lâu dài
Trong mùa lũ 1999, 2004 thực chất tất cả các vùng trong tỉnh đều có lũ lớn, vượt quá khả năng điều tiết của lớp phủ rừng Từ đó thấy được vai trò phòng chống lũ lụt của lớp phủ rừng như sau:
+ Thảm thực vật nói chung và đặc biệt lớp phủ rừng nói riêng là một hợp phần của mặt đệm Các hợp phần của mặt đệm có mối quan hệ tương hỗ rất chặt chẽ Vì vậy, một hợp phần bị thay đổi sẽ kéo theo các bộ phận khác thay đổi theo Như đã trình bày, sự suy giảm lớp phủ rừng là nguyên nhân làm thay
đổi cấu trúc vật lý và chất lượng của đất, đồng thời cũng là nguyên nhân dẫn
đến sự thay đổi địa mạo của bề mặt lãnh thổ Dòng chảy bề mặt là động lực