Ứng dụng mô hình thủy lực một và hai chiều kết hợp HDM xây dựng bản đồ ngập lụt hạ lưu sông cái nha trang

Đề tài nghiên cứu trong luận văn là một phần nội dung trong dự án “Lập bản đồ ngập lụt lưu vực sông Dinh Ninh Hòa và sông Cái Nha Trang”, các số liệu, dữ liệu của luận văn được kế thừa t

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Bùi Văn Chanh

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY LỰC MỘT VÀ HAI CHIỀU KẾT HỢP HDM XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT HẠ LƯU SÔNG

CÁI NHA TRANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Bùi Văn Chanh

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY LỰC MỘT VÀ HAI CHIỀU KẾT HỢP HDM XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT HẠ LƯU SÔNG

CÁI NHA TRANG

Chuyên ngành: Thủy văn học

Mã số: 60 44 0224

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS LƯƠNG TUẤN ANH

MỞ ĐẦU Trang

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT 9

1.1 KHÁI NIỆM NGẬP LỤT ……… 9

1.1.1 Khái niềm về ngập lụt ……… 9

1.1.2 Mục đích xây dựng bản đồ ngập lụt ……… 10

1.2 GIỚI THIỆU MỘT SỐ MÔ HÌNH NGẬP LỤT ……… 10

1.2.1 Mô hình HDM ……… 10

1.2.2 Mô hình MIKE FLOOD WATCH ……… 11

1.2.3 Mô hình MIKE FLOOD ……… 12

1.2.4 Mô hình NK-GIAS ……… 14

CHƯƠNG 2: ĐIỀU KIỆN ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN VÀ KINH TẾ XÃ HỘI LƯU VỰC SÔNG CÁI NHA TRANG ……… 15

2.1 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN ……… 15

2.1.1 Vị trí địa lý ……… 15

2.1.2 Địa hình 15

2.1.3 Đặc điểm địa chất, thổ nhưỡng, lớp phủ thực vật ………… 17

2.1.4 Đặc điểm khí hậu, thủy văn ……… 19

2.2 ĐIỀU KIỆN KINH TẾ - XÃ HỘI ……… 21

2.2.1 Tình hình kinh tế ……… 21

2.2.2 Tình hình xã hội ……… 23

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH HDM ……… 24

3.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ……… 24

3.1.1 Mô hình một chiều trong sông ……… 25

3.1.2 Mô hình hai chiều trong vùng ngập ……… 27

3.1.3 Ghép nối mô hình một chiều và hai chiều ……… 28

3.2 YÊU CẦU CỦA MÔ HÌNH ……… 29

3.2.1 Yêu cầu về mô phỏng ……… 29

3.2.2 Yêu cầu về số liệu ……… 30

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HDM XÂY DỰNG BẢN ĐỒ

NGẬP LỤT HẠ LƯU SÔNG CÁI NHA TRANG ……… 32

4.1 TÍNH TOÁN SỐ LIỆU ĐẦU VÀO ……… 32

4.1.1 Tính toán số liệu địa hình ……… 32

4.1.2 Tính toán số liệu quan trắc đồng bộ ……… 38

4.1.3 Tính toán số liệu cho các kịch bản ngập ……… 40

4.2 HIỆU CHỈNH MÔ HÌNH ……… 44

4.2.1 Lựa chọn thông số ban đầu ……… 45

4.2.2 Mục tiêu hiệu chỉnh ……… 45

4.2.3 Chạy mô hình toán ……… 46

4.2.4 Kết quả tối ưu hóa mô hình 47

4.3 KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH ……… 50

4.3.1 Số liệu kiểm định ……… 50

4 3.2 Kết quả kiểm định ……… 52

4.4 KẾT QUẢ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT ……… 55

4.4.1 Đặc điểm ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang ……… 55

4.4.2 Ứng dụng bản đồ ngập lụt ……… 58

4.4.3 Chương trình cảnh báo ngập lụt ……… 59

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ……… 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO ……… 65

PHỤ LỤC ……… 66

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 Bản đồ lưu vực sông Cái Nha Trang

Hình 2 Mô hình 1 chiều trong hệ thống sông

Hình 3 Liên kết mô hình 1 chiều và 2 chiều

Hình 4 Tính toán các yếu tố mặt cắt ngang

Hình 5 Phân bố các mặt cắt ngang trên hệ thống sông Cái Nha Trang Hình 6 Mô phỏng sông suối và công trình trên miền tính

Hình 7 Chia lưới và đánh số trên bản đồ

Hình 8 Đường quá trình lưu lượng đồng bộ sông Cái Nha Trang

Hình 9 Đường quá trình mực nước triều đồng bộ cửa sông Cái

Hình 10 Đường quá trình lưu lượng đầu vào tần suất 1%

Hình 11 Đường quá trình lưu lượng đầu vào tần suất 3%

Hình 12 Đường quá trình lưu lượng đầu vào tần suất 5%

Hình 13 Đường quá trình lưu lượng đầu vào tần suất 10%

Hình 14 Mực nước triều theo các tần suất thiết kế

Hình 15: Các ô lưới kiểm tra giữa tính toán với thực đo sông Cái Nha Trang Hình 16 Đường tính toán và thực đo mặt cắt số 9

Hình 17 Đường tính toán và thực đo mặt cắt số 11

Hình 18 Đường tính toán và thực đo mặt cắt số 27

Hình 19 Đường tính toán và thực đo mặt cắt số 29

Hình 20 Đường tính toán và thực đo trạm thủy văn Đồng Trăng

Hình 21 Bản đồ vị trí vết lũ hạ lưu sông Cái Nha Trang

Hình 22 Vết lũ điều tra

Hình 23 Mức độ ngập lớn nhất ứng với tần suất 1%

Hình 24 Mức độ ngập lớn nhất ứng với tần suất 3%

Hình 25 Mức độ ngập lớn nhất ứng với tần suất 5%

Hình 26 Mức độ ngập lớn nhất ứng với tần suất 10%

Hình 27 Bàn đồ ngập chi tiết vùng hạ lưu sông Cái Nha Trang

Hình 28 Cảnh báo hình thế thời tiết gây mưa lũ lớn

Hình 29 Bản đồ ngập lụt độ phân giải thấp

Hình 30 Kết nối với bản đồ ngập lụt độ phân giải cao

Hình 31 Bản đồ di dời và cứu hộ hạ lưu sông Cái Nha Trang

Hình 32 Phương án sơ tán và di dời

Hình 33 Các điểm cao độ và đường bình đồ sau khi được gán cao độ Hình 34 Chuyển đường bình đồ thành điểm cao độ

Hình 35 Cập nhật tọa độ tự động hệ tọa độ VN 2000 cho các điểm cao độ Hình 36 Hệ thống đường giao thông sông Cái Nha Trang

Hình 37 Tần suất mưa 5 ngày lớn nhất trạm khí tượng Nha Trang

Hình 38 Tần suất mưa 5 ngày lớn nhất trạm thủy văn Đồng Trăng

Hình 39 Tần suất mưa 5 ngày lớn nhất điểm đo mưa Khánh Vĩnh

Hình 40 Tần suất lưu lượng trạm Đồng Trăng

Hình 41 Tần suất mực nước triều vịnh Nha Trang

Hình 42 Bản đồ dự án chỉnh trị sông Tắc - sông Quán Trường

Hình 43: Code chương trình hỗ trợ trên Fortran

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Diện tích các loại đất đai tỉnh Khánh Hoà

Bảng 2 Cán cân nước các lưu vực

Bảng 3 Các trạm đo KTTV trên lưu vực sông

Bảng 4 Lượng mưa 5 ngày lớn nhất ứng với tần suất thiết kế

Bảng 5 Tần suất các yếu tố các trạm thủy văn lưu vực sông Cái Nha Trang Bảng 6 Mực nước triều ứng với các tần suất thiết kế

Bảng 7 Kết quả kiểm định theo chỉ tiêu R2

Bảng 8 Kết quả kiểm tra vết lũ năm 2009 với sản phẩm mô hình HDM Bảng 9 Hệ số nhám Maning của lòng dẫn nhân tạo

Bảng 10 Hệ số nhám Maning của những lòng sông thiên nhiên

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

HDM : Hydro Dynamic Model

BCH PCLB : Ban chỉ huy Phòng chống lụt bão

UBND : Ủy ban Nhân dân

GIS : Geographic Information System

ESRI : Hãng sản xuất các phần mềm GIS

MIKE 11 : Mô hình thủy lực 1 chiều trong bộ mô hình MIKE của Đan Mạch MIKE 21 : Mô hình thủy lực 2 chiều trong bộ mô hình MIKE của Đan Mạch

HD : Mô đun thủy lực

AD : Mô đun lan truyền chất ô nhiễm

DEM : Digital Elevation Model

WRF : Weather Research and Forecasting Model

ATNĐ : Áp thấp nhiệt đới

KTTV : Khí tượng Thủy văn

TP : Thành phố

X : Yếu tố đo mưa

H : Yếu tố đo mực nước

Q : Yếu tố đo lưu lượng

WMO : World Meteorological Organization

GPS : Global Positioning System

MS-DOS : Microsoft Disk Operating System

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây tình hình thủy văn diễn biến phức tạp, các trận lũ đặc biệt lớn, cường suất lũ lên nhanh xảy ra trên hầu hết các sông khu vực Miền Trung Các trận lũ những năm gần đây có xu thế ngày càng gia tăng về số lượng và mức độ thiệt hại, đặc biệt trong các năm 1993,1999, 2003, 2009 trên nhiều sông khu vực Miền Trung đã xuất hiện lũ lịch sử gây hậu quả vô cùng nghiêm trọng về tính mạng, tài sản và môi trường sinh thái Lũ lụt khu vực Miền Trung thường xuất hiện bất ngờ, dồn dập, cường suất lũ lên nhanh, rút nhanh gây khó khăn trong công tác phòng chống và hậu quả rất nghiêm trọng

Khánh Hòa là một tỉnh thuộc khu vực Nam Trung Bộ, hàng năm cũng chịu thiệt hại nặng nề do bão lũ gây ra Trung bình Khánh Hòa chịu ảnh hưởng của 0,4 cơn bão và từ 4 - 5 trận lũ mỗi năm, các hiện tượng thời tiết thủy văn nguy hiểm này đã gây thiệt hại rất lớn về người và tài sản Điển hình gần đây nhất là cơn bão

số 11 (đầu tháng 11 năm 2009) đã gây thiệt hại khoảng 450 tỷ đồng và đợt mưa cuối tháng 10 đầu tháng 11 năm 2010 đã gây hại khoảng gần 300 tỷ đồng

Sông Cái Nha Trang là con sông lớn nhất của tỉnh Khánh Hòa, với diện tích lưu vực khoảng 2000 km2, hạ lưu có thành phố Nha Trang là trung tâm kinh tế của khu vực Nam Trung Bộ và Tây Nguyên Những thiệt hại do mưa lũ lớn xảy ra trên địa bàn tỉnh Khánh Hòa phần lớn thuộc về lưu vực sông Cái Nha Trang Để giảm nhẹ những thiệt hại do lũ lụt gây ra và đề xuất được những phương án thích hợp cho từng vùng, từng khu vực trong việc di dời, ứng cứu thì cần phải có thông tin về mức

độ ngập lụt, phạm vi ngập lụt tại từng vùng, từng địa phương cụ thể Vì vậy đề tài

”Ứng dụng mô hình thủy lực một và hai chiều kết hợp HDM xây dựng bản đồ ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang” sẽ góp phần lớn đáp ứng yêu cầu phòng chống lũ lụt cho người dân và chính quyền địa phương nhằm giảm thiểu đến mức thấp nhất thiệt hại do lũ lụt gây ra

Đề tài nghiên cứu trong luận văn là một phần nội dung trong dự án “Lập bản

đồ ngập lụt lưu vực sông Dinh Ninh Hòa và sông Cái Nha Trang”, các số liệu, dữ liệu của luận văn được kế thừa từ dự án này Học viên thực hiện đề tài của luận văn

là thư ký của dự án và trực tiếp chạy mô hình HDM để lập bản đồ ngập lụt Sản phẩm của dự án đã được chuyển giao cho BCH PCLB các cấp ở địa phương từ năm

2011 và đến năm 2013 đã được UBND tỉnh Khánh Hòa đồng ý cho cập nhật bổ sung Sản phẩm của đề tài đã được sử dụng có hiệu quả ở địa phương không chỉ trong công tác PCLB mà còn đối với công tác quy hoạch vùng sản xuất, thiết kế thi công các công trình giao thông, thủy lợi

Sau một thời gian nghiên cứu và ứng dụng mô hình thủy lực 1 và 2 chiều kết hợp HDM trong việc xây dựng bản đồ ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang tỉnh Khánh Hòa Học viên báo cáo kết quả đạt được trong luận văn với bố cục gồm 4 chương cùng với phần mở đầu, kết luận, phụ lục và tài liệu tham khảo:

Chương 1: Tổng quan về xây dựng bản đồ ngập lụt

Chương 2: Điều kiện địa lý tự nhiên và kinh tế xã hội lưu vực sông Cái Nha Trang Chương 3: Cơ sở lý thuyết mô hình HDM

Chương 4: Ứng dụng mô hình HDM xây dựng bản đồ ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang

Luận văn được hoàn thành dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Lương Tuấn Anh - Viện Khí tượng Thủy văn và Môi trường Hà Nội Học viên xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS TS Lương Tuấn Anh, người đã tận tình chỉ dẫn, tạo điều kiện giúp đỡ học viên hoàn thành luận văn này Học viên chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo bộ môn Thủy văn đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho học viên trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại trường

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT

1.1 KHÁI NIỆM NGẬP LỤT

1.1.1 Khái niềm về ngập lụt

Mỗi lưu vực có đặc điểm về ngập lụt khác nhau, tùy thuộc vào đặc điểm của địa hình, sông suối, thổ nhưỡng, thảm phủ thực vật và chế độ mưa Mưa rơi xuống

bề mặt lưu vực, ban đầu bị tổn thất trên các tán lá cây, khi rơi xuống bề mặt lưu vực

bị tổn thất do thấm và điền trũng Khi lượng mưa lớn hơn lượng thấm hoặc cường

độ mưa lớn hơn cường độ thấm thì bắt đầu sự hình thành dòng chảy sườn dốc Lượng nước chảy trên sườn dốc tập trung đổ vào các rãnh, khe suối rồi đổ vào sông Nước trong sông liên tục chảy từ thượng nguồn đổ ra biển, khi lượng nước đổ vào sông lớn hơn lượng nước chảy ra biển thì mực nước trong sông dần dần dâng cao Cường suất tăng mực nước đến một giới hạn nhất định được gọi là lũ Mực nước sông tiếp tục dâng cao và tràn bờ sông sang các bãi ven sông sau đó tràn qua các công trình giao thông, đê vào đồng ruộng, chảy qua các công trình cầu cống gây ngập các khu dân cư, cánh đồng được gọi là ngập lụt

Ngoài nước sông dâng cao gây ngập lụt còn có nguyên nhân khác là lượng nước chảy trực tiếp từ sườn dốc xuống khu dân cư, đồng ruộng Ở các khu đô thị,

do tổn thất kém bởi các công trình, các công trình thoát nước kém nên khi mưa lớn lượng nước chảy qua các cống rãnh, hố ga, hàm ếch thoát nước ít hơn lượng nước mưa đã gây ngập gọi là ngập úng Một nguyên nhân khác gây ngập úng là mưa lớn tại các vùng trũng thấp, lượng nước mưa chảy từ chỗ cao xung quanh xuống gây ngập cục bộ

Khi nước lũ trong sông rút, nước ngập lụt ở các khu dân cư và đồng ruộng chảy tràn qua các công trình và chảy qua cầu, cống vào sông Các vùng trũng không được nối với kênh, rãnh thoát nước thì nước lũ không thể rút ra được gây ngập úng cục bộ

Đối với các vùng cửa sông, nước trong sông chịu tác động mạnh bởi thủy triều, khi triều lên làm chậm dòng chảy từ sông ra biển, khi triều rút làm tăng dòng

chảy Lũ về gặp triều cường sẽ làm tăng mức độ ngập lụt vùng cửa sông ven biển Ngoài ra, dưới tác động của nước dâng do bão, gió mạnh cũng làm giảm lượng nước chảy từ sông ra biển, tăng mức độ ngập lụt vùng cửa sông, ven biển

1.1.2 Mục đích xây dựng bản đồ ngập lụt

Vùng hạ lưu các sông là nơi tập trung đông dân cư, kinh tế xã hội phát triển Ngập lụt sẽ gây tác hại rất lớn cho vùng hạ lưu các sông về tài sản và tính mạng người dân Vì vậy lập bản đồ ngập lụt phục vụ công tác phòng chống, ứng cứu là hết sức cần thiết

Công tác dự báo thủy văn trước đây chỉ dự báo mực nước tại các trạm, người dân và các cấp chính quyền địa phương triển khai phòng chống, cứu hộ dựa vào mực nước các trạm kết hợp với kinh nghiệm gây khó khăn trong công tác phòng chống lũ lụt Do thay đổi của địa hình, công trình, địa vật trên vùng ngập đã thay đổi mức độ ngập lụt vì vậy cách so sánh khả năng ngập với mực nước các trạm dự báo không chính xác Với sự phát triển của kinh tế xã hội thì yêu cầu của dự báo thủy văn không chỉ dừng lại ở việc dự báo mực nước các trạm mà cần phải dự báo, cảnh báo diện ngập, độ sâu ngập vùng hạ lưu Việc xây dựng bản đồ ngập lụt giúp nhân dân và chính quyền địa phương trong vùng ngập triển khai phòng chống lũ lụt hiệu quả và tiết kiệm Bản đồ ngập xác định được diễn biến ngập theo thời gian của diện tích và độ sâu ngập Các cấp chính quyền địa phương chủ động trong công tác phòng tránh, xây dựng phương án cứu hộ kịp thời và hiệu quả

Các bản đồ ngập được xây dựng theo các tần suất mưa lũ giúp công tác quy hoạch, xây dựng, phát triển kinh tế xã hội đạt hiệu quả cao Bản đồ ngập là cơ sở để lựa chọn vị trí xây dựng các công trình dân sinh, kinh tế, xã hội; là căn cứ để xác định quy mô, cao độ, độ dài của các công trình giao thông, thủy lợi

1.2 GIỚI THIỆU MỘT SỐ MÔ HÌNH NGẬP LỤT

1.2.1 Mô hình HDM

Đây là mô hình có nguồn gốc từ Hoa Kỳ, được Viện Khí tượng Thủy văn & Môi trường Hà Nội cải tiến để dễ sử dụng, phù hợp với điều kiện của Việt Nam và tích hợp thêm các công cụ tính toán Mô hình đã được ứng dụng có hiệu quả cho

nhiều sông ở Việt Nam và đã đem lại kết quả tốt Điển hình là đã ứng dụng thành công cho nhiều đề tài như đề tài cấp nhà nước về diễn toán ngập lụt hạ lưu hồ Hòa Bình khi hệ thống hồ Sơn La - Hòa Bình bị vỡ đập, đề tài cấp tỉnh về xây dựng bản

đồ nguy cơ ngập lụt sông Cái - Cà Ty và sông La Ngà tỉnh Bình Thuận, xây dựng bản đồ nguy cơ ngập lụt tỉnh Bình Định, xây dựng bản đồ ngập lụt các sông tỉnh Phú Yên, dự án lập bản đồ ngập lụt lưu vực sông Dinh Ninh Hòa và sông Cái Nha Trang, bản đồ ngập lụt hạ lưu hồ thủy đện Eakrôngru tỉnh Khánh Hòa

Mô hình HDM là mô hình thủy lực 1 và 2 chiều kết hợp, khi nước chảy trong sông thì mô hình là một chiều, khi nước tràn bờ sang bãi tràn thì mô hình tự động chuyển 1 chiều thành 2 chiều Mô hình được chạy trên lưới ô vuông, với kích thước các ô lưới đều nhau và cố định Cao độ ô lưới được tính trung bình theo các điểm cao độ địa hình của các điểm trong ô lưới đó Hệ thống sông suối được mô phỏng theo đường gấp khúc qua trung tâm các ô, các công trình được mô phỏng qua các biên của ô lưới Mô hình mô phỏng được các loại công trình như đường giao thông,

đê, đập tràn, cầu, cống, xi phông

Mô hình chạy trên ngôn ngữ lập trình Fortran 77, là ngôn ngữ tính toán nhanh và có độ chính xác cao Số liệu đầu vào được biên tập trong 1 file số liệu trong bộ soạn thảo văn bản Notepad của hệ điều hành, các thông số khai báo trong

mô hình được xác định ở phần đầu, các phần số liệu tiếp theo là dữ liệu về địa hình nền, mặt cắt sông, công trình, số liệu khí tượng thủy văn và hải văn

1.2.2 Mô hình MIKE FLOOD WATCH

Mô hình MIKE FLOOD WATCH là mô hình dự báo thời gian thực, được hợp nhất công cụ quản lý dữ liệu, giám sát và dự báo Môi trường sử dụng được tích hợp bởi phần mềm ArcMap GIS của ESRI nên dễ dàng tính toán số liệu địa hình đầu vào Mô hình được vận hành tự động, thủ công hay kết hợp cả hai, tuy nhiên người sử dụng có thể tự lập trình để dễ dàng sử dụng bằng ngôn ngữ lập trình Visual Basic

Dữ liệu thời gian thực được cập nhật vào trong mô hình gồm các trạm đo, lưới dữ liệu cơ bản của mô hình số trị, radar và ảnh mây vệ tinh Người sử dụng có

thể điều khiển tốt với các thủ tục cho từng dữ liệu con suối và kết nối với các dữ liệu cơ bản Mô hình tích hợp công cụ dự báo thủy văn và thủy lực 1 và 2 chiều với các modul về động lực và môi trường Mô hình tích hợp công cụ quản lý trợ giúp việc so sánh, đánh giá để hỗ trợ việc ra quyết định và cung cấp thông tin dự báo

Mô hình cung cấp dự báo thời gian thực ở các vùng dễ xảy ra ngập lụt và đưa ra thông tin dự báo sớm, sự đảm bảo tiềm tàng trong đời sống, cảnh báo của người quản lý dự báo và dân số dễ bị tổn thương Các ứng dụng điển hình gồm có:

- Cung cấp việc giám sát và quyết định thời gian thực

- Dự báo và cảnh báo lũ thời gian thức

- Điều khiển đập, hồ chứa và các công trình thủy lợi

- Phổ biến số liệu lũ, bản đồ ngập thời gian thực và hành động phản ứng với lũ

- Giám sát tài nguyên và môi trường nước

- Dự báo hạn dài

Modul dự báo chuẩn trong MIKE FLOOD WATCH là modul thủy lực MIKE 11, đó là modul rất cần thiết và nâng cao công cụ đồng hóa dữ liệu để nâng cao độ chính xác dự báo [6]

1.2.3 Mô hình MIKE FLOOD

Mô hình MIKE FLOOD là mô hình thủy lực trong bộ mô hình MIKE của Viện Thủy lực Đan Mạch Mô hình chạy trên môi trường Windows, được ứng dụng rộng rãi Mô hình MIKE FLOOD liên kết động lực giữa mô hình một chiều và mô hình hai chiều được phát triển trong dạng cặp điểm nơi mà điểm kết của nhánh sông

có thể được gán với một điểm hoặc vùng trong mô hình hai chiều, ví dụ như con sông chảy vào hoặc ra khỏi hồ

Tất cả các mô hình được phân tích từng bước độc lâp với nhau, do đó phương pháp giải số được dùng khách quan cho mỗi loại phương trình và có tính liên tục Liên kết với mô hình một chiều gồm có mức lên xuống tại điểm nối trong

mô hình hai chiều hoặc số trung bình trong vùng liên kết, nơi mà phương trình là điều kiện biên Mô hình hai chiều nhận toạ độ từ điểm nối trong mô hình một chiều thông qua nguồn Fs Để có thời gian trung tâm chính xác của hai mô hình, toạ độ

được ngoại suy từ bước thời gian n tới bước thời gian n+1/2 sử dụng phương trình

dự báo đơn giản hoá, bao hàm cả trọng lực và lực ma sát

Liên kết động lực đã được bổ sung trong hệ thống mô hình MIKE 11và MIKE 21 Điều thuận lợi là hệ thống các phần mềm này có khả năng xuất hiện ngay lập tức để liên kết mô hình

Các loại kết nối trong MIKE FLOOD bao gồm có: kết nối tiêu chuẩn (Standard link); kết nối bên (Lateral link); kết nối công trình (Structure link) và kết nối khô (Zero flow link)

Trong kết nối tiêu chuẩn, một hay một vài ô lưới của MIKE 21 được liên kết với một đầu của dòng chảy trong MIKE 11 Ta sử dụng kết nối tiêu chuẩn khi chỉ

có các đầu của dòng chảy có nước đổ ra, ví dụ như ống nước

Trong kết nối bên, một chuỗi các ô lưới trong MIKE 21 sẽ được liên kết vào hai bên của một đoạn dòng chảy (một mặt cắt, một phần dòng chảy, hay toàn bộ dòng chảy) Ta sử dụng liên kết bên khi dòng chảy có khả năng tràn lên bề mặt, ví

dụ như sông hay kênh

Trong kết nối công trình, một thành phần dòng chảy từ công trình trong MIKE 11 được đưa trực tiếp vào phương trình động lượng của MIKE 21 Quá trình này là ẩn hoàn toàn nên không ảnh hưởng đến các bước thời gian trong MIKE 21

Ví dụ như dòng chảy qua một con đường

Trong kết nối khô, một ô lưới MIKE 21 được gán kết nối theo chiều x thì không có dòng chảy chảy qua phía bên phải của ô lưới đó Tương tự như thế, một kết nối khô theo chiều y thì không có dòng chảy chảy qua phía bên trên ô đó Các kết nối khô này được phát triển để bổ sung cho các kết nối bên, để ngăn cách dòng chảy tràn trong MIKE 21 Kết nối này được dùng để mô tả dải phân cách hẹp Khi

đó thay vì gán giá trị độ cao đất cho dải phân cách, ví dụ như đê bối phân cách trong đồng ruộng, thì ta dùng một chuỗi kết nối khô

MIKE FLOOD có các kiểu cặp đôi mô hình như sau: cặp đôi kiểu động lực (HD coupling), cặp đôi kiểu lan truyền chất (AD coupling) và cặp đôi kiểu cả động

lực và lan truyền chất Việc lựa chọn kiểu cặp đôi thì phụ thuộc vào kiểu mô hình MIKE 11 và MIKE 21 [7]

1.2.4 Mô hình NK-GIAS

Mô hình NK-GIAS là mô hình thủy lực 2 chiều của công ty Nippon Koei - Nhật Bản Các công cụ tính toán số liệu đầu vào và kiết xuất sản phẩm đầu ra được xây dựng trên ngôn ngữ lập trình Visual Basic, các công cụ tính toán của mô hình được xây dựng trên ngôn ngữ lập trình Fortran Dữ liệu địa hình đưa vào mô hình là bản đồ mô hình số độ cao (DEM), bản đồ sử dụng trong mô hình là bản đồ địa hình của cả lưu vực sông Sau khi đọc số liệu địa hình, mô hình sẽ tự động khoanh lưu vực Mô hình chạy trên lưới ô vuông và được chia tự động trên nền bản đồ DEM, mạng lưới sông suối được số hóa bằng cách đánh dấu vào ô vuông có sông chảy qua Mặt cắt được nhập vào mô hình tại vị trí các ô lưới có đo mặt cắt, các ô lưới còn lại mô hình sẽ tự nội suy

Mô hình NK-GIAS có modul tính lưu lượng giống như mô hình toán thủy văn Số liệu đầu vào cho modul lưu lượng dùng để tính số liệu dòng gồm:

- Số liệu mưa thực đo tại các trạm trên lưu vực Lượng mưa tại các ô lưới được tính lấy từ các trạm đo mưa trên cơ sở phân vùng ảnh hưởng các trạm theo phương pháp đa giác Thiessen

- Số liệu mưa được lấy từ mô hình số trị WRF được chi tiết cho lưu vực cần tính thông qua phương pháp downscaling cho các trạm trên lưu vực nhằm tăng thời gian dự kiến và dự báo cả đường quá trình lũ trong mô hình

- Bản đồ về sử dụng đất trên lưu vực

- Bản đồ độ dốc lưu vực được tính từ bản đồ DEM

Các ô lưới liên kết với sông để xác định lượng nước đổ vào sông, suối và lượng nước tràn từ sông suối vào các bãi để gây ngập lụt Các ô lưới cũng được liên kết với nhau để xác định lượng nước chảy giữa các ô và lượng nước gia nhập từ sườn dốc xuông vùng ngập lụt

CHƯƠNG 2 ĐIỀU KIỆN ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN VÀ KINH TẾ XÃ HỘI LƯU VỰC SÔNG

CÁI NHA TRANG

2.1 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN

2.1.1 Vị trí địa lý

Sông Cái Nha Trang là con sông lớn nhất tỉnh Khánh Hòa có vị trí địa lý nằm trong khoảng 12003' - 12037' vĩ độ Bắc, 108041' - 109012' kinh độ Đông Sông bắt nguồn từ đỉnh núi phía tây bắc xã Khánh Thượng cao 1477,5 m, chảy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam Khi đến thôn Trang xã Khánh Thượng sông đổi sang hướng Tây - Đông và nhập với sông Chò tại thôn 1 xã Diên Đồng Sông tiếp tục chảy theo hướng Tây - Đông và nhập với sông Suối Dầu tại Cầu Hà Dừa - thị trấn Diên Khánh, sông đổ ra vịnh Nha Trang tại cầu Trần Phú

Diện tích lưu vực 2000 km2, chiều dài sông chính 79 km, độ rộng bình quân lưu vực là 25,3 km với hệ số uốn khúc 1,4 hệ số hình dạng là 0,3, độ dốc sông 3,70/00, mật độ lưới sông 0,8 km/km2

Lưu vực sông Cái Nha Trang bao trùm toàn bộ Thành phố Nha Trang, huyện Diên Khánh, Khánh Vĩnh và một phần diện tích của huyện Cam Lâm tỉnh Khánh Hòa và MaĐrăk tỉnh ĐăkLăk Phía bắc giáp lưu vực sông Dinh Ninh Hòa, phía nam giáp lưu vực sông Cái Phan Rang, phía tây giáp lưu vực sông Đăkrông, phía đông giáp Biển Đông

từ 40 đến 50 m, cá biệt có đỉnh núi Chín Khúc có độ cao 592,6 m, các quả đồi nhỏ

có độ cao 20 đến 30m Địa hình cao nhất và dốc nhất là khu vực phía tây nam của lưu vực, khu vực này là thượng nguồn của các nhánh sông đổ vào sông Thác Ngựa

là nhánh sông chính của sông Cái Nha Trang

Hình 1 Bản đồ lưu vực sông Cái Nha Trang

2.1.3 Đặc điểm địa chất, thổ nhưỡng, lớp phủ thực vật

* Địa chất

Địa chất Khánh Hòa cơ bản thuộc các nhóm: nhóm đá Macma phân bố phần

lớn phía tây tỉnh; nhóm đá phiến phân bố chủ yếu ở Khánh Vĩnh; nhóm trầm tích đệ tứ

phân bố vùng ven sông, suối, sườn núi đến chân núi với thành phần bở rời [5]

* Thổ nhưỡng

Thổ nhưỡng Khánh Hòa gồm nhiều loại đất khác nhau, chủ yếu là:

- Nhóm đất đỏ vàng: chiếm tỷ lệ lớn và phân bố rộng, nhất là những vùng đồi núi

có Feralit xẩy ra mạnh Đất đỏ vàng phát triển trên đá mẹ phiến thạch ở Khánh Vĩnh

- Đất mùn vàng trên núi cao 900-1000 m

- Đất thung lũng có thành phần cơ giới nhẹ đến trung bình và đất phù sa phân

bố dọc các sông suối trong tỉnh

- Đất pha cát thành phần cơ giới nhẹ và thô, kết cấu rời rạc, phân bố phần lớn

vùng ven biển phía đông

Bảng 1 Diện tích các loại đất đai tỉnh Khánh Hoà

1 Đất phù sa được bồi chua Pbc 541.0

2 Đất phù sa không được bồi chua Pc 9,243.0

3 Đất phù sa Glei Pg 15,540.0

Tên đất Ký hiệu Diện tích

4 Đất đỏ vàng biến đổi do trồng lúa Fl 3,842.0

VII.Nhóm đất mùn vàng đỏ trên núi H 57,743.0

1 Đất mùn vàng đỏ trên đá Macma acid Ha 57,743.0

1 Đất thung do sản phẩm dốc tụ d 2,881.0

Cộng (Trừ Trường Sa và sông suối, mặt nước) 461,512.0

(Nguồn: Phân viện QH và TK NN Miền Trung)

* Thảm thực vật

Vùng thượng lưu sông Cái Nha Trang chủ yếu là rừng nguyên sinh lá rộng,

xen kẽ là rừng hỗn giao tre nứa và trảng cỏ cây bụi Tùy theo độ cao của địa hình có

sự phân hóa về thảm phủ thực vật như sau:

- Khu vực đỉnh núi ở độ cao trên dưới 2000 m: Thảm thực vật thân gỗ chỉ cao

khoảng 7 - 10 m, tán xen kẽ, thân có thế nằm xiên hay cong queo Sự phân tầng của

thảm thực vật không thật sự rõ rệt Ở đây chủ yếu là sự góp mặt của các loài thực

vật có nhiều thân trên một gốc Trên thân cây phủ lớp rêu mỏng Một số loài thực

vật bì sinh phát triển trên cành, nhánh cây Điểm đáng lưu ý là các sườn của đỉnh

núi rất dốc, độ dốc lên tới 35-50O nhưng vẫn được bao phủ bởi thảm thực vật rừng khá dày với sức sống tốt Dưới tán rừng, lớp lá rụng 3 - 4 cm với quá trình phân giải chậm Cây có độ cao đạt tới 10m, đường kính 50 - 100 cm, tán đan xen Cây có sự phân cành sớm, ở độ cao khoảng 2 - 3 m

- Khu vực đỉnh - sườn núi ở độ cao 1400 - 1700 m: Rừng á nhiệt đới thường xanh cây lá rộng và cây lá rộng + lá kim núi trung bình Rừng có diện tích lớn với cây đa trội và cấu trúc thảm phức tạp Rừng phân ra nhiều tầng nhưng có 2 tầng chủ đạo, các tầng trung gian không liên tục, xen kẽ nhau Ngoài ra ở độ cao này còn có rừng lá kim núi trung bình (rừng thông 3 lá tự nhiên)

- Khu vực có độ cao dưới 1.400m: Rừng chủ yếu là rừng trồng, loại cây lá rộng thường là cây keo, cao su, cà phê, hồ tiêu, ca cao và cây lá kim là cây thông

- Khu vực trung du có độ cao dưới 100m thường là các trảng cây cỏ bụi, các cây lá rộng với tán cây có đường kính từ 2 đến 4m, thân cây có đường kính từ 10 đến 30cm, độ cao từ 2 đến 5m Các cây được trồng chủ yếu là mía và cây keo từ 2 đến 5 năm tuổi [2]

Theo niên giám thống kê tỉnh Khánh Hòa, khu vực trung du và đồng bằng lưu vực sông Cái Nha Trang là đất nông nghiệp với diện tích 1262,2 km2, đất phi nông nghiệp với diện tích 131,1 km2, đất chưa sử dụng 363,9 km2

2.1.4 Đặc điểm khí hậu, thủy văn

từ 26,3 đến 26,90C, lên đến độ cao 400 m nhiệt độ giảm xuống khoảng 23,0 -

24,00C Nhìn chung trong năm ít xảy ra các đợt nắng nóng kéo dài nhiều ngày gây ảnh hưởng lớn đến sản xuất và đời sống

- Độ ẩm: Độ ẩm khá thấp, trung bình năm vào khoảng 80% tại Nha Trang

Hàng năm chỉ có 2 - 3 tháng đầu mùa đông (tháng 10, 11, 12) là khá ẩm với độ ẩm trung bình 85% Còn trong nửa cuối mùa đông độ ẩm giảm xuống 80 - 83% Tháng

ẩm nhất là tháng 11 có độ ẩm khoảng 85 - 87%

- Bốc hơi: Tổng lượng bốc hơi trung bình nhiều năm dao động từ 1000 - 1100

mm/năm tức là bằng 2/3 lượng mưa Trong 3 tháng (từ tháng 6 - 8), mỗi tháng lượng bốc hơi đạt tới 120 - 150 mm, vượt quá lượng mưa các tháng này Thời kỳ bốc hơi ít nhất là các tháng mùa mưa, từ tháng 10 - 12, lượng bốc hơi chỉ khoảng 60 - 80 mm

- Gió: Hướng gió thịnh hành mùa đông là hướng Đông Bắc hoặc Bắc; mùa

hè, hướng gió thịnh hành là hướng Tây và Tây Nam

lệch nhau khá lớn Lượng mưa trung bình năm trên lưu vực sông Cái Nha Trang thì lớn hơn khoảng từ 1300 - 1500 mm Tổng lượng mưa mùa mưa khoảng 900 - 1059

mm, chiếm khoảng 67 - 75% lượng mưa năm; tổng lượng mưa mùa khô khoảng 300

- 450 mm Những trận mưa, lũ lớn chủ yếu tập trung vào tháng 10 và 11

- Dòng chảy năm: Dòng chảy trên các sông chủ yếu do mưa cung cấp, nên sự

phân bố của dòng chảy tương tự sự phân bố của mưa Độ sâu dòng chảy trên lưu vực sông Cái Nha Trang là 1159 mm

Bảng 2 Cán cân nước các lưu vực

STT TÊN LƯU VỰC

Diện tích F (km 2 )

Mưa

X 0

(mm)

Dòng chảy

Y 0 (mm)

Bốc hơi

Z 0 (mm)

Hệ

số dòng chảy

Tổng lượng dòng chảy (km 3 )

1 Sông Cái Nha Trang

Lượng dòng chảy 4 tháng mùa lũ chiếm từ 65% - 66 % lượng dòng chảy cả năm, lượng dòng chảy 8 tháng mùa cạn chỉ chiếm từ 34% - 35% lượng dòng chảy cả năm Tổng lượng dòng chảy (W) phụ thuộc vào độ sâu dòng chảy (Y) và diện tích lưu vực (F), có giá trị lớn nhất đối với sông Cái Nha Trang 2319 km3

là do ảnh hưởng của ATNĐ và bão đã tạo nên nước dâng ở vùng bờ biển

Khi xét ảnh hưởng của lũ và triều ta thấy khi gặp triều lên mực nước có thể dâng cao hơn trường hợp không có triều từ 20 - 30 cm, khi triều xuống mực nước

có thể chênh lệch so với mực nước không ảnh hưởng triều từ 9 - 10 cm

* Mạng lưới trạm đo khí tượng thủy văn trên lưu vực sông

Bảng 3 Các trạm đo KTTV trên lưu vực sông

STT Tên trạm Vị trí Yếu tố

đo

Thời gian

đo Ghi chú

1 Nha Trang TP Nha Trang X,… 1976- nay Trạm cơ bản

2 Diên An Thị trấn Diên Khánh H 1976-1985 Trạm cơ bản

3 Đồng Trăng Diên Lâm, Diên Khánh H,Q,X 1976- nay Trạm cơ bản

4 Khánh Vĩnh Thị trấn Khánh Vĩnh X 1976- nay Trạm đo mưa 2.2 ĐIỀU KIỆN KINH TẾ - XÃ HỘI

2.2.1 Tình hình kinh tế

* Sản xuất kinh doanh

Giá trị sản xuất nông nghiệp năm 2009 trên lưu vực sông Cái Nha Trang đạt khoảng 36 tỷ đồng, công nghiệp đạt 8343 tỷ đồng, sản lượng nuôi trồng thủy sản đạt

38279 tấn Trên lưu vực có 15 doanh nghiệp nhà nước (chiếm 78,9% so với toàn tỉnh), 488 doanh nghiệp tư nhân (chiếm 75,9%), 11 doanh nghiệp có vốn đầu tư nước ngoài (chiếm 39,3%) Có 2551 cơ sở sản xuất, chiếm 39,3% và 7586 công nhân, chiếm 37,9% Doanh nghiệp thương mại là 20 (chiếm 100%), doanh nghiệp vận tải là 3 (chiếm 75%) Trọng điểm của sản xuất kinh doanh thuộc địa phận thành phố Nha Trang, trong đó có ngành du lịch rất phát triển [1]

* Một số khu công nghiệp và vùng kinh tế trọng điểm

Trên lưu vực sông Cái Nha Trang bao gồm huyện Khánh Vĩnh, huyện Diên Khánh và Thành phố Nha Trang Trong đó về kinh tế TP Nha Trang là trung tâm chính trị, văn hóa, kinh tế của tỉnh Khánh Hòa Sự phát triển của Nha Trang luôn được đánh giá là có tính chất đầu tàu, làm động lực phát triển chung cho cả tỉnh Hiện nay, cơ cấu kinh tế của TP Nha Trang đã hình thành khá rõ nét theo hướng dịch vụ, du lịch - công nghiệp - nông nghiệp Hướng tới, TP Nha Trang sẽ tiếp tục đầu tư phát triển mạnh lĩnh vực dịch vụ, du lịch nhằm xây dựng TP Nha Trang thành một trung tâm du lịch có tầm cỡ quốc gia, quốc tế

đang hoạt động; khu công nghiệp Ninh Thủy đang xây dựng; ngoài ra các khu công nghiệp Nam và Bắc như: Cam Ranh, Vạn Ninh chuẩn bị xây dựng sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho các nhà đầu tư

- Cụm công nghiệp Bình Tân (Nha Trang): bao gồm các ngành sản xuất

chính là chế biến thủy sản, dệt, nhuộm, thuốc lá, song mây Trong cụm có nhà máy Dệt Tân Tiến, nhà máy thuốc lá Khánh Hòa, xí nghiệp chế biến song mây xuất khẩu Nha Trang, công ty sản xuất hàng thủ công xuất khẩu Nha Trang

- Cụm công nghiệp Suối Hiệp (Diên Khánh): bao gồm các ngành sản xuất

chính là đường Diên Khánh, nhà máy bia Rồng Vàng, phân xưởng sản xuất cồn công nghiệp, phân xưởng sản xuất giấy Hoa Hồng, nước ngọt Suối Tiên và cụm khu công nghiệp Suối Dầu

- Cụm công nghiệp Hòn Khô (Nha Trang): bao gồm các ngành khai thác và

chế biến thủy sản, sản xuất vật liệu xây dựng [5]

2.2.2 Tình hình xã hội

* Dân số

Theo số liệu niên giám thống kê tỉnh Khánh Hoà năm 2009 dân số trên lưu vực sông Cái Nha Trang là 552060 người (trong đó nam là 271602 người chiếm 49,2%, nữ là 280458 người chiếm 50,8%) Dân số ở thành thị là 317496 người chiếm 57,5%, nông thôn là 234564 người chiếm 42,5%; nơi có mật độ dân số cao nhất là Thành phố Nha Trang với 1540 người/km2

* Giáo dục : Trên lưu vực sông Cái Nha Trang có 82 trường tiểu học, chiếm

25,6% so với toàn tỉnh; 37 trường trung học cơ sở, chiếm 37%; 14 trường trung học phổ thông, chiếm 50% Giáo viên tiểu học là 2010, chiếm 42,4% so với toàn tỉnh;

1756 giáo viên trung học cơ sở, chiếm 41,8%; 873 giáo viên trung học phổ thông, chiếm 47,9% Trên lưu vực có 5 trường đại học, 3 trường cao đẳng, tập trung ở thành phố Nha Trang

* Y tế : Tổng số giường bệnh các huyện, thành phố trên lưu vực sông Cái

Nha Trang là 1941, chiếm 64,5% so với toàn tỉnh, có 410 bác sĩ (chiếm 68,8%), 399

y sĩ (chiếm 60,1%), 600 y tá (chiếm 64,2%), 20 dược sĩ cao cấp (chiếm 76,9%), 124 dược sĩ trung cấp (chiếm 76%), 39 dược tá (chiếm 52%) [1]

đồ nguy cơ ngập lụt sông Cà Ty và sông La Ngà tỉnh Bình Thuận, xây dựng bản đồ nguy cơ ngập lụt tỉnh Bình Định, bổ sung đặc điểm khí tượng thủy văn Phú Yên và xây dựng bản đồ ngập lụt sông Kỳ Lộ, đề tài cấp bộ về nghiên cứu xây dựng hệ thống phân tích, giám sát, cảnh báo và dự báo lũ, ngập lụt và hạn hán cho hệ thống sông Ba, dự án cấp tỉnh: Lập bản đồ ngập lụt lưu vực sông Dinh Ninh Hòa và sông Cái Nha Trang Mô hình HDM được PSG.TS Lương Tuấn Anh phát triển từ mô hình DHM, mô hình DHM nguyên bản chỉ là mô hình thủy lực một chiều trong kênh hình chữ nhật đã được phát triển thành mô hình HDM là mô hình một chiều trong sông tự nhiên kết hợp với hai chiều trong bãi ngập Ngoài ra mô hình HDM còn được thêm các công cụ tính toán và xử lý các công trình tác động đến diễn biến ngập lụt Khi diễn toán trong sông mô hình là một chiều đối với khu vực tràn từ sông vào bãi ngập mô hình tự động chuyển thành hai chiều Lượng nước tràn qua công trình được tính theo công thực đập tràn đỉnh rộng

Mô hình HDM (Hydro Dynamic Model) được phát triển từ mô hình DHM (Diffusion Hydrodynamic Model), là sự kết hợp giữa mô hình dòng một chiều trong sông và dòng hai chiều trên bãi sông cơ sở:

- Thêm 01 thành phần quán tính vào phương trình chuyển động của dòng chảy trong hệ thống sông tạo ra khả năng mô hình có thể mô phỏng dòng chảy trong vùng có ảnh hưởng của thuỷ triều, nước dâng ven biển

- Bổ sung các điều kiện biên trong bao gồm đập tràn, cống có cửa điều khiển vào hệ phương trình 01 chiều và đập tràn, cống đồng thời đê, đường phía trên, cống

phía dưới đối với hệ phương trình 02 chiều mô tả chuyển động của dòng ngập lụt trên bãi sông, cho phép mô hình có thể mô phỏng đê, đường, cống qua đê

- Mô hình có thể ứng dụng cho lòng sông có hình dạng bất kỳ thay thế mặt cắt hình chữ nhật như trong mô hình DHM

Hệ phương trình sóng động lực Saint - Venant được áp dụng trong tính toán truyền lũ một chiều trong hệ thống sông và xấp xỉ sóng khuyếch tán bằng cách bỏ qua các thành phần gia tốc trong phương trình bảo toàn động lượng trong hệ phương trình 02 chiều mô tả quá trình ngập lụt Mô hình 1 chiều và 2 chiều được kết nối với nhau dựa trên nguyên tắc liên tục và chảy tràn bờ, tràn qua đê, đường và các công trình khác Hệ phương trình cơ bản của mô hình có dạng như sau

3.1.1 Mô hình một chiều trong sông

Dòng chảy trong hệ thống sông được mô tả bằng phương trình sóng động lực bao gồm:

Phương trình liên tục:

q t

A x

∂

∂ +

∂

∂

(3.1) Phương trình động lực:

0)(

2

=+

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂

f

S x

Z g A

Q x t

Q

(3.2)

Độ dốc ma sát được xác định theo phương trình Manning:

3 / 4 2

2 f

R A

Q Q n

S =Giải hệ phương trình trên có thể được dựa trên cơ sở quan niệm đoạn sông như một thể tích hữu hạn và xấp xỉ phương trình liên tục, phương trình động lượng bằng các quan hệ:

Q i − i−1 =

) , ( i1 i

Hình 2 Mô hình 1 chiều trong hệ thống sông

Trong phương trình (3.2) gia tốc đối lưu có trị số nhỏ nhất và không đáng kể trong trường hợp dòng chảy trong kênh dẫn hoặc sông tự nhiên có hình dạng mặt cắt ít thay đổi Đối với các kênh dẫn thành phần này có thể bỏ qua và phương trình động lượng có dạng:

0 3 / 4 2

2

= +

∂

∂ +

∂

∂

R A

Q Q n gA x

Z gA t Q

Áp dụng sơ đồ sai phân hiện tăng cường (enhanced explicit):

0 ) 1 ( 3 / 4 1

1 2 1

1

1 1

1

= +

∆

− +

∆

−

+ +

+ +

−

+ + +

j j

j j i J

i

j i j

j i

j i

R A

Q Q n g x

Z Z A g t

Q Q

Z Z GRAD

j i

j i

∆

−

= + −+111

; Ta có:

) 1

/(

) 1

( ) , (

) 1 ( 3 / 4 1

2 1

1 1 1 1

+ + +

+

− +

j j

j i

j i

j i

j

i

R A

Q n g t GRAD A

g Q t Z

Z f Q

1 1 1

1 ( + , −+ ) 0.35* * 2 −+

i

j i

j i

j

Q

*

*

* 91 0 ) ,

1 1

1 1 1

− +

+

− +

i

j i

j i

j i

j i

*

* 2

*

*

* 7

1 1

− +

i

j i

j s

i

j s

j

h p p (trường hợp chảy nửa cống):

2 1

1 2 / 3 * 2 * * * * ( ) ( + + )

− +

j i

j

h B g

) (

*

* 2

+ +

j

h B

Q µ ; µ=0.61.

Ký hiệu h, độ mở của cống

3.1.2 Mô hình hai chiều trong vùng ngập

Dòng chảy hai chiều trong vùng bãi ngập được mô tả bằng phương trình sóng khuyếch tán hai chiều:

- Phương trình liên tục:

qt

hy

vhx

∂

∂+

∂

∂+

Z ( g y

u v x

u u t

∂

∂ +

∂

∂ +

∂

∂

0)Sx

Z(gy

vvx

vut

∂

∂+

∂

∂+

x SSx

h = −

∂

∂

- Độ dốc ma sát được xác định theo phương trình Manning theo phương Ox

và theo phương Oy:

3 / 4 2

2 fx

R A

Q Q n

S =

và 2 4/3

2 fy

RA

QQn

S =

(3.8) Trong đó: h = độ sâu

z = cao độ mực nước

vx và vy = các thành phần vận tốc theo phương Ox và Oy

t = thời gian

g = gia tốc trọng trường

Sox và Soy = độ dốc đáy theo phương Ox và Oy

Sfx và Sfy = thành phần độ dốc ma sát theo phương Ox và Oy nfx và nfy = hệ số Manning theo phương Ox và Oy

3.1.3 Ghép nối mô hình một chiều và hai chiều

Kết nối giữa mô hình dòng chảy một chiều trong hệ thống sông và mô hình dòng chảy hai chiều trong vùng ngập

Mô hình một chiều dòng chảy trong sông và mô hình hai chiều dòng chảy trong vùng ngập được liên kết qua sự trao đổi dòng chảy vùng ngập và dòng chảy

Hình 3 Liên kết mô hình 1 chiều và 2 chiều

trong sông Dựa trên cơ sở nguyên tắc liên tục và trao đổi dòng chảy trong sông và vùng ngập lụt thông qua điều kiện biên trong dưới dạng công trình như bờ sông, đê bao, đập tràn… trên cơ sở lý thuyết được thể hiện trong công trình nghiên cứu

Mô hình 1 chiều dòng chảy trong sông và mô hình chảy tràn được kết nối dựa trên phương trình trao đổi nước giữa sông và ô lưới

t O I V

l

t

l+ 1 = + ( + 1 − + 1 ) ∆ Trong đó:

Vl: thể tích nước trong ô tại thời điểm t+1 hoặc t, phụ thuộc vào mực nước I: dòng chảy từ đoạn sông vào ô lưới gần kề

O: dòng chảy từ ô lưới ra đoạn sông gần kề

Dựa theo công thức đập tràn đỉnh rộng, dòng chảy vào hoặc ra ô lưới được tính theo công thức sau:

L h

h s c

I = f b( r − w) 3 / 2 ∆ nếu h r >h w và h r >h fp

L h

h s c

O= f b( fp− w) 3 / 2 ∆ nếu h fp >h w và h fp >h r

Trong đó:

cf: hệ số lưu lượng

hfp: mực nước trong khu ngập

∆L: chiều dài đoạn sông

hr: mực nước trong sông

hw: cao trình bờ

sb: hệ số dòng chảy ngập

3.2 YÊU CẦU CỦA MÔ HÌNH

3.2.1 Yêu cầu về mô phỏng

Miền tính được mô phỏng là các ô lưới hình vuông có kích thước như nhau, mỗi ô lưới được đánh số thứ tự từ trái sang phải, từ trên xuống dưới Ô lưới chia càng nhỏ thì độ phân giải càng cao, mô phỏng càng sát với thực tế Tuy nhiên ô lưới càng nhỏ thì sô lượng ô lưới càng lớn khi đó số lượng phép tính quá lớn dẫn đến tình trạng tràn bộ nhớ trong quá trình tính toán

Các công trình được mô phỏng theo biên của các ô, sông suối được mô phỏng theo các đường gấp khúc đi qua trung tâm của các ô Vì vậy ô lưới càng nhỏ thì mô phỏng công trình và sông suối càng chính xác Chiều rộng của sông lớn nhất không được lớn hơn kích thước của ô nên cần xác định kích thước ô lưới phù hợp

để đảm bảo số lượng ô lưới không quá nhiều, sông suối nằm trọn trong ô lưới và có

độ phân giải phù hợp để đảm bảo độ chính xác cho mô phỏng công trình, mô phỏng sông Hệ thống ô lưới được bao hết cả vùng có khả năng ngập dùng để diễn toán ngập lụt Các ô lưới được tạo liên kết hệ thống với các ô lưới xung quanh thông qua

số thứ tự của ô lưới đã được đánh dấu Các công trình như đường giao thông, đê được tạo liên kết công trình để xác định lượng nước tràn bờ giữa các ô lưới, đánh giá tác động của công trình đến diễn toán ngập lụt Cao độ ô lưới được tính toán từ bản đồ địa hình, mỗi ô lưới được xác định một trị số cao độ nền của ô được tính từ cao độ nền địa hình Hệ số nhám ô lưới được xác định vào điều kiện lớp phủ và thổ nhưỡng bề mặt của vùng diễn toán ngập lụt Ngoài tạo liên kết hệ thống ô lưới còn phải tạo liên kết sông với ô lưới mà sông chảy qua, đối với các ô lưới này hệ số nhám được xác định là hệ số nhám trung bình của lòng sông và địa hình được xác định trên cơ sở số liệu mặt cắt ngang Tổng cao trình đáy sông và độ sâu bằng cao trình nền của ô lưới có sông chảy qua nên sau sau khi tính toán các đặc trưng của mặt cắt thì cần phải kiểm tra lại

3.2.2 Yêu cầu về số liệu

Địa hình nền ảnh hưởng rất lớn đến diễn toán ngập lụt nên số liệu địa hình sử dụng trong mô hình càng chi tiết càng tốt Bản đồ địa hình có thể sử dụng là bản đồ giấy, tuy nhiên loại bản đồ này rất bất tiện khi sử dụng Để thuận tiện tính toán số liệu địa hình thì bản đồ địa hình cần được số hóa và có thuộc tính cao độ của đường bình đồ và điểm cao độ Tạo thêm các lớp về lưới tính và số ô lưới trên bản đồ số để

dễ dàng biên tập, xử lý và tính toán Mỗi ô lưới nên có ít nhất một điểm cao độ và giá trị cao độ nền ô lưới được tính trung bình của các điểm trong ô, các ô lưới không có điểm cao độ thì được nội suy từ các ô lưới lân cận

Số liệu mặt cắt đo đạc được dẫn cao độ với hệ cao độ và tọa độ thống nhất với bản đồ địa hình nền Số liệu mặt cắt sông càng nhiều thì càng tốt, tuy nhiên vì điều kiện kinh tế không thể đo mặt cắt ngang nhiều vì vậy để đảm bảo độ chính xác của trong quá trình diễn toán ngập lụt thì cần đo mặt cắt tại những vị sông cong, sông co thắt hoặc mở rộng đột ngột, những đoạn sông có thay đổi nhiều về các yếu

tố thủy lực Mỗi ô lưới có sông chảy qua đều phải tính toán mặt cắt, tuy nhiên không phải ô lưới nào cũng có mặt cắt được đo vì vậy các ô lưới không được đo mặt cắt thì được nội suy và ngoại suy từ số liệu mặt cắt thực đo Các số liệu mặt cắt nội suy và ngoại suy sau khi tính toán thì được kiểm tra tính hợp lý với cao độ của bản đồ địa hình nền

Số liệu Khí tượng Thủy văn dùng để kiểm định mô hình là số liệu của một trận mưa lũ quan trắc đồng bộ Để mô phỏng đúng với thực tế, ngoài các trạm Thủy văn đang sử dụng cần phải bổ sung thêm các trạm mới, khống chế tất cả các nhánh sông gây ngập lụt cho hạ lưu Các số liệu quan trắc đều được chỉnh biên tại Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Nam Trung Bộ, đảm bảo số liệu sử dụng là chính xác, theo đúng quy trình quy phạm của ngành Khí tượng Thủy văn Các số liệu đo đồng bộ trên lưu vực sông Cái Nha Trang gồm lưu lượng của sông Thác Ngựa, sông Chò, sông Suối Dầu, số liệu thủy triều tại cầu Bình Tân, cầu Trần Phú, số liệu mực nước kiểm tra tại 5 trạm mực nước từ biên trên xuống biên dưới Các trạm mực nước kiểm tra được bố trí trên, dưới Quốc lộ 1 và đường sắt, bên trái và phải đường 23/10

vì đây là các công trình ảnh hưởng nhiều đến diễn toán ngập lụt ở hạ lưu

Số liệu khí tượng, thủy văn, hải văn dùng để chạy cho các kịch bản ngập được thống kê và tính theo các tần suất thiết kế là 1%, 3%, 5%, 10% Các số liệu thống kê để tính tần suất càng dài thì càng tốt, đối với lưu vực sông Cái Nha Trang

sử dụng số liệu thống kê của trạm Khí tượng Nha Trang, trạm Thủy văn Đồng Trăng và điểm đo mưa Khánh Vĩnh Vì sông đổ ra biển nên biên dưới của mô hình cần phải tính toán số liệu mực nước triều ứng với các kịch bản ngập Số liệu triều của các mô hình dự báo đều tính theo “0” Hải đồ nên phải chuyển cao độ số liệu mực nước triều cùng hệ cao độ với bản đồ địa hình nền

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HDM XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT HẠ LƯU

SÔNG CÁI NHA TRANG

4.1 TÍNH TOÁN SỐ LIỆU ĐẦU VÀO

4.1.1 Tính toán số liệu địa hình

* Địa hình

Dữ liệu địa hình là dữ liệu rất quan trọng của mô hình thủy lực, số lượng tính toán rất lớn, đòi hỏi độ chính xác cao Dữ liệu địa hình của lưu vực sông Cái Nha Trang được tính toán từ bản đồ tỷ lệ 1/10.000 hệ tọa độ VN 2000 do Bộ Tài nguyên Môi trường xây dựng năm 2006 bằng công nghệ hàng không và được lưu ở dạng Microstation Trên lưu vực sông Cái Nha Trang thu thập bản đồ dùng để tính số liệu địa hình gồm có 46 xã, phường, thị trấn, tập trung ở huyện Diên Khánh, Cam Lâm

và thành phố Nha Trang Bản đồ được lưu thành các mảnh theo các xã riêng biệt, xã

ít nhất có 1 mảnh bản đồ, xã nhiều nhất có 12 mảnh bản đồ Để có dữ liệu địa hình cho lưu vực sông Cái Nha Trang thì cần phải chuyển đổi và ghép các mảnh bản đồ thành bản đồ lưu vực hoàn chỉnh bao gồm các lớp thông tin là đường bình đồ, giao thông, sông suối, điểm cao độ và tên địa danh Đã dùng phần mềm MapInfo 11.0 để chuyển đổi bản đồ từ Microstation sang MapInfo, hệ quy chiếu và hệ tọa độ VN

2000 - Khánh Hòa múi 3

Cao độ địa hình đầu vào của mô hình là cao độ của các ô lưới, các cao độ này được tính từ bản đồ địa hình trên Từ các đường bình đồ và các điểm cao độ trên bản đồ tính toán được cao độ của các ô lưới Các điểm cao độ và các đường bình đồ đều chưa được cấy các giá trị, sau khi chuyển đổi từ bản đồ gốc ở dạng Microstation bản đồ mới chỉ ở dạng số, chưa có thuộc tính về cao độ Để tính toán cao độ ô lưới được dễ dàng và xử lý kết quả chạy mô hình sau này thì cần phải gán cao độ cho các đường bình đồ và điểm cao độ Các đường bình đồ sau khi gán cao

độ dược chuyển thành các điểm bằng phần mềm Vertical Maper 3.0 dùng để tính toán số liệu đầu vào và xử lý kết quả đầu ra của mô hình Các điểm cao độ được cập nhật tọa độ tự động bằng phần mềm MapInfo 11.0

Ngoài ra do bản đồ địa hình được xây dựng từ năm 2006, sau 7 năm đã có sự thay đổi ở một số vùng phía tây thành phố Nha Trang do xây dựng các công trình Việc đô thị hóa của thành phố đã xây dựng nhiều khu đô thị, kéo theo đó là việc san lấp mặt bằng để xây dựng công trình đã ảnh hưởng đến ngập cục bộ của các vùng này Các khu đô thị được cập nhật thay đổi cao độ nền so với trước đây là khu đô thị Phước Long, Mỹ Gia, Vĩnh Điềm Trung, Nam Sông Cái, tăng cao độ nền thêm

từ 1,5 - 2,0m Những thay đổi cao độ địa hình tại các khu đô thị được cập nhật bổ sung trên nền bản đồ địa hình và sử dụng để tính toán số liệu đầu vào cho mô hình

* Mặt cắt

Các mặt cắt được đo tại vị trí sông cong, lòng sông bị biến đổi nhiều, có sự thay đổi về thủy lực Trên lưu vực sông Cái Nha Trang được bố trí 32 mặt cắt ngang, trong đó 3 mặt cắt trùng với trạm đo lưu lượng, 4 mặt cắt trùng với trạm đo mực nước kiểm tra và 2 mặt cắt tại cửa ra trùng với trạm đo thủy triều Mặt cắt được dẫn cao độ Quốc gia, đã được kiểm tra thẩm định và kế thừa từ dự án “Lập bản đồ lưu vực sông Dinh Ninh Hòa và sông Cái Nha Trang” do Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Nam Trung Bộ thực hiện năm 2010

Các mặt cắt ngang sông được bố trí trên sông Thác Ngựa, sông Chò, sông Cái, sông Suối Dầu và sông Quán Trường trên lưu vực sông Cái Nha Trang Ngoài

ra còn xác định thêm các mặt cắt ở mương Bầu Sấu, sông Tháo và sông Tắc để mô phỏng phù hợp với thực tế Ngập lụt ở vùng hạ lưu do sông Cái Nha Trang và sông Suối Dầu gây ra vì vậy mặt cắt của trên các sông này có vai trò rất quan trọng trong

mô hình, đối với mương Bầu Sấu, sông Tháo và sông Tắc không gây ngập lụt nhưng lại ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình thoát lũ

Các số liệu mặt cắt đo từ năm 2010, đến nay tại một số đoạn sông đã có sự thay đổi của việc xây dựng các công trình thủy lợi Xác định vị trí thay đổi do xây dựng kè ở khu vực thị trấn Diên Khánh và thành phố Nha Trang để đo lại mặt cắt ngang Vùng hạ lưu sông Cái Nha Trang có 03 mặt cắt được đo lại và đo thêm 02 mặt cắt vào giữa năm 2013 để kịp thời cập nhật sự thay đổi Ngoài ra do dự án chỉnh trị sông Tắc và sông Quán Trường đã xây dựng kè 2 bờ bằng đá hộc với mặt

cắt được mở rộng gấp khoảng 3 lần trước đây và cao trình bờ sông được nâng cao gấp khoảng 2 lần Sông được chỉnh trị ngắn và thẳng hơn trước đã tăng khả năng thoát lũ cho phía tây thành phố Nha Trang Những thay đổi do chỉnh trị sông Tắc và sông Quán Trường được cập nhật dựa trên hồ sơ thiết kế thi công và bản đồ quy hoạch của dự án này (hình 42 - phụ lục)

Hình 4 Tính toán các yếu tố mặt cắt ngang

Hình 5 Phân bố các mặt cắt ngang trên hệ thống sông Cái Nha Trang

Mỗi mặt cắt ngang được tính toán các yếu tố về độ sâu, cao trình đáy sông, chiều ngang sông ứng với các mức độ sâu khác nhau, hệ số nhám lòng sông Mặt

cắt ngang tính cho từng ô lưới có sông chảy qua, đối với ô lưới không được đo mặt cắt thì nội suy và ngoại suy từ các ô lưới có số liệu đo.

* Số liệu công trình

Các công trình giao thông thủy lợi ảnh hưởng đến diễn biến ngập lụt ở hạ lưu

vì vậy cần phải nhập dữ liệu công trình vào mô phỏng ngập lụt Dữ liệu công trình bao gồm cao độ của đường giao thông, đập tràn, thông số của cống ngầm… Các dữ liệu này được đo đạc ở ngoài thực địa, hồ sơ kỹ thuật các công trình và trên bản đồ số hóa Các công trình được mô phỏng theo đường biên của các ô lưới, cao độ công trình sẽ quyết định đến việc lượng nước tràn từ ô này sang ô khác Cao độ của một đường giao thông trên thực tế ở các đoạn đường khác nhau không cùng một trị số, số điểm cao độ của đường giao thông trên bản đồ là không nhiều, chính vì vậy cần phải

bổ sung thêm cao độ từ các hồ sơ kỹ thuật xây dựng và điều tra khảo sát thực địa Các công trình ảnh hưởng đến quá trình ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang bao gồm đường Quốc lộ 1A, đường sắt, đường 23 tháng 10 Các đường liên huyện, liên xã và đường làng ít ảnh hưởng, có những đoạn đường không ảnh hưởng đến quá trình ngập lụt Những đường và đoạn đường không ảnh hưởng đến ngập lụt là những đường và đoạn đường có cao trình thấp hơn cao độ vùng đất hai bên đường Các con đường ảnh hưởng nhiều đến ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang có cao trình từ 4,5 đến 5,0 m và cao hơn vùng đất hai bên đường từ 0,5 đến 2,5 m Đường Quốc lộ 1A và đường sắt chạy theo hướng bắc - nam nên ảnh hưởng rất nhiều đến thoát lũ hạ lưu, gây ngập lụt sâu về phía thượng lưu các con đường này Đối với đường 23 tháng 10 ảnh hưởng đến việc trao đổi nước giữa sông Cái Nha Trang và sông Quán Trường Trên các con đường này có nhiều cầu cống bắc qua các kênh, mương và sông nhỏ, đáng chú nhất là cầu Lùng trên Quốc lộ 1A không bắc qua sông mà qua một cái hồ nhỏ và có ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình thoát lũ hạ lưu sông Cái Nha Trang Khi lũ trên sông Cái lớn hơn sông Suối Dầu thì lượng nước trên sông Cái tràn chảy ngược vào sông Suối Dầu khiến mực nước phía tây nam thị trấn Diên Khánh dâng cao lúc đó sẽ có lượng nước đáng kể qua cầu Lùng xuống phía hạ lưu đường Quốc lộ 1A và nhập vào sông Quán Trường Các cầu lớn khác ít

ảnh hưởng đến quá trình ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang như cầu Phú Cốc, cầu Sông Cái, cầu Suối Cát, cầu Hà Dừa, cầu Vĩnh Phương, cầu Bình Tân và cầu Trần Phú vì các cầu này có các mố cầu nằm trên hai bờ, các yếu tố thủy lực ảnh hưởng không đáng kể đến lưu lượng chảy qua chân cầu Ngoài cầu Lùng còn có cầu khác ảnh hưởng nhiều đến ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang đó là cầu tràn sông Cái, làm cản trở dòng chảy Hạ lưu sông Cái Nha Trang có hai công trình thủy lợi ảnh hưởng đến ngập lụt đó là đập ngăn mặn Vĩnh Phương và đập Suối Cát, đây là hai đập tràn Đập Suối Cát nằm trên sông Suối Dầu ảnh hưởng đến phân phối lưu lượng giữa sông Suối Dầu và sông Quán Trường, đập ngăn mặn Vĩnh Phương làm chậm quá trình thoát lũ trên sông Cái Tuy nhiên trong quá trình khảo sát đã đặt mặt cắt tại vị trí các tuyến đập nên mức độ ảnh hưởng của các đập cũng đã có trong tài liệu mặt cắt ngang, mặt khác trên đập Suối Cát có nhiều cửa mở khi lũ về và đập Vĩnh Phương được làm bằng đá xếp, nước chảy được qua thân đập

+ Mô phỏng công trình hiện trạng

Hình 6 Mô phỏng sông suối và công trình trên miền tính

Để xây dựng dữ liệu công trình cần phải xác định cao độ của từng đoạn đường giao thông và mô phỏng trên hệ thống lưới tính Các công trình được mô

Mô phỏng sông suối

Mô phỏng công trình giao thông