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

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 Hà Nội - 2013 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 Hà Nội - 2013 1  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 THUY ẾT 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 2  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 ư u 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 KHẢ O ……………………………………………… 65 PHỤ LỤC …………………………………………………………………. 66 3  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 su ất 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 đ o 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 4  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 lớ n 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 tọ a 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 vị nh Nha Trang Hình 42. Bản đồ dự án chỉnh trị sông Tắc - sông Quán Trường Hình 43: Code chương trình hỗ trợ trên Fortran 5  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 k ế Bảng 7. Kết quả kiểm định theo chỉ tiêu R 2 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 6  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 7  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 hi ện 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 lớ n nhất của tỉnh Khánh Hòa, với diện tích lưu vực khoảng 2000 km 2 , 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 ng ập 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 thi ệt 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 8  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 li ệu 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 Th ủy 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. [...]... 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. .. 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 Hình 3 Liên kết mô hình 1 chiều và 2 chiều Mô hình một chiều dòng chảy trong sông và mô hình hai chiều dòng chảy trong vùng ngập. .. 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... 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. .. 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,... 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 31   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, ... 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... 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... 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 10   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. .. 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 . 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. 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. 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 Hà