DSpace at VNU: Ứng dụng mô hình thủy văn đô thị xây dựng bản đồ ngập lụt thành phố Hà Nội và hệ thống cảnh báo ngập lụt thời gian thực cho lưu vực Kim Ngưu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - ĐINH THỊ HƢƠNG THƠM ỨNG DỤNG MƠ HÌNH THỦY VĂN ĐƠ THỊ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT THÀNH PHỐ HÀ NỘI VÀ HỆ THỐNG DỰ BÁO NGẬP LỤT THỜI GIAN THỰC CHO LƢU VỰC KIM NGƢU LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - ĐINH THỊ HƢƠNG THƠM ỨNG DỤNG MƠ HÌNH THỦY VĂN ĐƠ THỊ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT THÀNH PHỐ HÀ NỘI VÀ HỆ THỐNG DỰ BÁO NGẬP LỤT THỜI GIAN THỰC CHO LƢU VỰC KIM NGƢU Chuyên ngành: Thủy văn học Mã số: 60440224 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN QUANG HƯNG Hà Nội – 2016 LỜI CẢM ƠN Với lòng chân thành nhất, em xin chân thành cảm ơn tới:  Tiến sỹ Nguyễn Quang Hưng, thầy hướng dẫn khoa học cho luận văn em, điều đạt luận văn kiến thức quý báu mà thầy tận tình dẫn em thời gian qua  Quý thầy cô trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, đặc biệt quý thầy Khoa Khí tượng Thủy văn Hải dương học, q thầy Phịng Đào tạo sau Đại học nhiệt tình hướng dẫn giúp đỡ em hồn thành chương trình Cao học luận văn tốt nghiệp  Gia đình, bạn bè giúp đỡ, ủng hộ sâu sắc thời gian qua Đặc biệt cảm ơn gia đình, người ln bên cạnh động viên để em vững tâm phấn đấu học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn  Lãnh đạo, đồng nghiệp Đài Khí tượng thủy văn khu vực Đồng Bắc Bộ tạo điều kiện cho em q trình học tập hồn thành luận văn tốt nghiệp Trong trình làm luận văn giới hạn thời gian hạn chế số liệu thực đo nên không tránh thiếu sót Vì vậy, tác giả mong ý kiến đóng góp q báu Thầy người quan tâm TÁC GIẢ MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan khu vực nghiên cứu 1.1.1 Điều kiện tự nhiên 1.1.2 Đặc điểm địa hình 1.1.3 Đặc điểm địa chất 1.1.4 Đặc điểm khí hậu .7 1.1.5 Mạng lưới sơng ngịi, hồ điều hịa 10 1.2 Tình hình ngập úng 14 1.3 Các số liệu thu thập 20 1.4 Các nghiên cứu trƣớc sử dụng mô hình mơ ngập lụt thị 24 1.4.1 Trên Thế giới 24 1.4.2 Trong nước .30 CHƢƠNG 2: LÝ THUYẾT MƠ HÌNH 36 2.1 Lý thuyết mơ hình 36 2.1.1 Mơ hình MIKE URBAN 36 2.2.2 Mơ hình MIKE OPERATIONS 39 2.2 Các bƣớc thực mơ hình 41 CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG MƠ HÌNH THỦY VĂN ĐƠ THỊ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT THÀNH PHỐ HÀ NỘI VÀ HỆ THỐNG DỰ BÁO NGẬP LỤT THỜI GIAN THỰC CHO LƢU VỰC KIM NGƢU 43 3.1 Thiết lập mơ hình cho hệ thống nƣớc Hà Nội 44 3.1.1 Xây dựng mơ hình toán 44 3.1.2 Hiệu chỉnh, kiểm định mơ hình 49 3.2 Xây dựng đồ ngập lụt quận nội thành Hà Nội 57 3.3 Xây dựng hệ thống dự báo ngập lụt thời gian thực cho lƣu vực Kim Ngƣu 62 3.3.1 Thiết lập mơ hình mơ ngập lụt lưu vực sơng Kim Ngưu .62 3.3.2 Lắp đặt trạm đo mực nước tự động 64 3.3.3 Xây dựng công nghệ thiết lập hệ thống dự báo úng ngập thời gian thực cho lưu vực Kim Ngưu .65 3.3.4 Vận hành hệ thống 67 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 PHỤ LỤC 79 DANH MỤC HÌNH Hình 1: Vị trí khu vực Hà Nội .5 Hình 2: Hình minh họa hồ khu vực nghiên cứu 13 Hình 3: Một số hình ảnh trận mưa năm 2001 Hà Nội 15 Hình 4: Một số hình ảnh trận mưa năm 2003 Hà Nội 16 Hình 5: Một số hình ảnh trận mưa năm 2008 Hà Nội 17 Hình 6: Một số hình ảnh trận mưa năm 2012 Hà Nội 18 Hình 7: Một số hình ảnh trận mưa năm 2013 Hà Nội 19 Hình 8: Các trạm đo mưa thuộc khu vực nghiên cứu .21 Hình 9: Sơ đồ hệ thống thủy lực .23 Hình 10: Quy hoạch nước khu vực nội thành Hà Nội (JICA, 1995) .31 Hình 11: Sơ đồ tính tốn mưa – dịng chảy 36 Hình 12: Sơ đồ tính tốn dịng chảy hệ thống nước chiều 37 Hình 13: Sơ đồ kết hợp mơ hình chiều chiều 38 Hình 14: Sử dụng GIS xử lý số liệu địa hình 39 Hình 15: Giao diện quản lý DIM .40 Hình 16: Sơ đồ khối bước thực mơ hình MIKE URBAN 41 Hình 17: Sơ đồ khối bước thực mơ hình MIKE OPERATIONS .42 Hình 18: Khu vực nghiên cứu hệ thống thoát nước Hà Nội .43 Hình 19: Hình ảnh Nodes MIKE URBAN .44 Hình 20: Hình ảnh nhập Links MIKE URBAN .45 Hình 21: Trắc dọc tuyến cống 45 Hình 22: Hình ảnh nhập số liệu lưu vực MIKE URBAN 46 Hình 23: Sơ đồ tính tốn mạng lưới MIKE URBAN .47 Hình 24: Thơng số trận mưa năm 2012 làm đầu vào cho mơ hình 48 Hình 25: Độ sâu ngập lớn trận mưa ngày 17-18/8/2012 50 Hình 26: Trắc dọc tuyến đường Phạm Ngọc Thạch xảy mưa ngày 1718/8/2012 51 Hình 27: So sánh kết thực đo tính tốn số vị trí hệ thống trận lũ năm 2012 51 Hình 28: Trắc dọc tuyến đường Phạm Ngọc Thạch xảy trận mưa ngày 89/8/2013 .53 Hình 29: Độ sâu ngập lớn trận mưa ngày 8-9/8/2013 .54 Hình 30: So sánh kết thực đo tính tốn số vị trí hệ thống trận lũ tháng năm 2013 56 Hình 31: Bản đồ ngập lụt quận nội thành Hà Nội năm 2012 59 Hình 32: Bản đồ ngập lụt 08 quận nội thành Hà Nội năm 2013 60 Hình 33: Sơ đồ tính tốn mạng lưới lưu vực sơng Kim Ngưu MIKE URBAN 63 Hình 34: Biên đầu vào cho lưu vực Kim Ngưu 63 Hình 35: Hình ảnh trạm đo mực nước tự động lưu vực sơng Kim Ngưu 64 Hình 36: Vị trí trạm đo mực nước 65 Hình 37: Cấu trúc hệ thống MIKE OPERATIONS 65 Hình 38: Trang web quản lý số liệu trạm đo mực nước tự động 66 Hình 39: Hình ảnh ngập lụt lưu vực Kim Ngưu lúc 2h ngày 25/5/2016 67 Hình 40: Kết độ sâu ngập trận mưa ngày 25/05/2016 68 Hình 41: Mực nước trạm đo mực nước tự động thuộc lưu vực Kim Ngưu ngày 25/5/2016 69 Hình 42: Hình ảnh ngập lụt lưu vực Kim Ngưu lúc sáng ngày 28/8/2016 70 Hình 43: Kết độ sâu ngập trận mưa ngày 28/08/2016 71 Hình 44: Mực nước trạm đo mực nước tự động thuộc lưu vực Kim Ngưu ngày 28/8/2016 72 DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Đặc trưng lượng mưa nhiều năm (1971 - 2014) Bảng 2: Đặc trưng bốc nhiều năm (1971 - 2014) .8 Bảng 3: Đặc trưng nhiệt độ nhiều năm (1971 - 2014) Bảng 4: Đặc trưng độ ẩm trung bình nhiều năm (1971 - 2010) .10 Bảng 5: Đặc trưng mực nước trung bình trạm Hà Nội .11 Bảng 6: Kết độ sâu ngập lớn hiệu chỉnh mơ hình Mike Urban số vị trí điển hình năm 2012 52 Bảng 7: Kết độ sâu ngập lớn kiểm định mơ hình Mike Urban số vị trí điển hình năm 2013 54 Bảng 8: Bảng tổng kết số lượng đối tượng đưa vào mơ hình MIKE URBAN cho tồn hệ thống nước Hà Nội 57 Bảng 9: Vị trí chi tiết 05 điểm lắp đặt trạm đo mực nước 64 Bảng 10: So sánh kết ngập số điểm ngập trận mưa ngày 25/5/2016 68 Bảng 11: So sánh với kết ngập thực đo với kết mô 71 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết Đề tài Hiện nay, thành phố lớn, dân số ngày tăng nhanh, tốc độ thị hóa chóng mặt dẫn đến quỹ đất tự nhiên ngày bị thu hẹp thay vào diện tích đất đai bị bê tơng hóa Rất nhiều sơng hồ bị lấp, kênh mương bị lấn chiếm, nhà cao tầng mọc lên san sát thay khu đất trống làm giảm diện tích nước tự nhiên khả thấm, thời gian nước chảy tràn bề mặt Có thể nhận thấy hệ thống thoát nước nội thành Hà Nội hệ thống cũ, không thiết kế theo kịp quy hoạch sử dụng đất Thành phố, thêm vào cơng trình xây dựng địa bàn góp phần khơng nhỏ vào tình trạng xuống cấp hệ thống nước vật liệu xây dựng khơng quản lý tiêu chuẩn, rơi xuống đường, lấp hố ga thu nước Đồng thời, dự án cải tạo hệ thống thoát nước khu vực nội thành tiến độ chậm nhiều nguyên nhân Kết hợp với trận mưa lớn Biến đổi khí hậu gây ra, năm gần Hà Nội liên tiếp đối mặt với trận ngập diện rộng, gây ảnh hưởng không nhỏ đến hoạt động kinh tế xã hội, khu vực nội đô Trận mưa lịch sử xảy vào cuối tháng 10/2008 với tổng lượng mưa phổ biến từ 350 - 550 mm toàn thành phố Hà Nội có nhiều điểm bị ngập úng dài từ 100-300 mét, sâu 1m gây nên tình trạng ngập úng lớn, làm thiệt hại kinh tế lên đến 3.000 tỷ đồng Gần có trận mưa lớn đêm ngày 24/5/2016, lượng mưa Hà Nội đạt 150,3mm vòng 12 tiếng khiến cho nhiều tuyến đường địa bàn Hà Nội ngập từ 30 – 50cm dài gần 1km, ảnh hưởng lớn đến sống nhân dân Để giải vấn đề ngập lụt thị, có hai phương pháp, phương pháp cơng trình phương pháp phi cơng trình Phương pháp cơng trình đầu tư xây dựng sở hạ tầng, phương pháp phi cơng trình tận dụng sở hạ tầng sẵn có, áp dụng công nghệ tiên tiến để quản lý, vận hành Tuy nhiên phương pháp phi cơng trình phương pháp tốn chi phí, vận hành nhanh nên áp dụng rộng rãi đô thị Trước tình hình đó, việc xây dựng, mơ hệ thống thoát nước để cảnh báo ngập lụt địa bàn Hà Nội cần thiết Các thông tin, kết đồ cho nhà quản lý nhìn tổng thể tình hình ngập địa bàn Hà Nội trước trận mưa lớn Từ đó, quan chức người dân đưa phương án giải tốt để hạn chế thiệt hại ngập lụt gây Mục tiêu Mục tiêu Đề tài tính tốn mơ hệ thống nước khu vực Hà Nội ứng dụng thiết lập hệ thống dự báo ngập lụt thời gian thực lưu vực Kim Ngưu Các mục tiêu cụ thể sau: + Thu thập số liệu, nghiên cứu áp dụng mơ hình (MIKE URBAN) để mơ hệ thống nước khu vực Hà Nội + Ứng dụng xây dựng đồ ngập lụt cho quận nội thành Hà Nội + Xây dựng hệ thống cảnh báo ngập lụt thời gian thực lưu vực sông Kim Ngưu Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Trong luận văn áp dụng cho đối tượng phạm vi nghiên cứu sau: + Đối tượng nghiên cứu tượng ngập lụt đô thị Hà Nội + Giới hạn phạm vi nghiên cứu: Khu vực thành phố Hà Nội + Các số liệu sử dụng để hiệu chỉnh, kiểm định mơ hình: Số liệu mưa, số liệu khảo sát vết ngập khu vực Hà Nội trận mưa lớn năm 2012 2013 + Số liệu mưa, mực nước, số liệu khảo sát vết ngập trận mưa ngày 25/5/2016 ngày 28/8/2016 để mô hệ thống cảnh báo úng ngập thời gian thực lưu vực Kim Ngưu So sánh mức độ ngập lụt mô với mức độ ngập lụt thực đo cơng ty Thốt nước cung cấp số vị trí Bảng 10: So sánh kết ngập số điểm ngập trận mưa ngày 25/5/2016 STT Vị trí ngập lụt Mức độ ngập lụt thực đo Mức độ ngập mô Sai số Ngã tư Trần Xuân Soạn – Hàng Bài 0.37 0.45 0.08 Ngã tư Nguyễn Du – Hàng Bài 0.11 0.16 0.05 283 Trần Khát Chân 0.08 0.12 0.04 Kết độ sâu ngập số vị trí kiểm tra: Hình 40: Kết độ sâu ngập trận mưa ngày 25/05/2016 68 Kết trạm đo mực nước tự động thuộc lưu vực Kim Ngưu ngày 25/5/2016 Nash = 90.5% Nash = 87.6% Nash = 86.1% Nash=84.8% Nash = 81.3% Hình 41: Mực nước trạm đo mực nước tự động thuộc lưu vực Kim Ngưu ngày 25/5/2016 69  Ngày 28/8/2016, chịu ảnh hưởng khơng khí lạnh nén rãnh thấp có trục qua Bắc Bộ nên khu vực Hà Nội có mưa vừa mưa to đến to Lượng mưa phổ biến từ 50 – 100mm, gây ngập úng nghiêm trọng nhiều nơi thành phố Dưới kết mô úng ngập lưu vực Kim Ngưu ứng với trận mưa lúc sáng ngày 28/8/2016 Hình 42: Hình ảnh ngập lụt lưu vực Kim Ngưu lúc sáng ngày 28/8/2016 So sánh mức độ ngập lụt mô với mức độ ngập lụt thực đo công ty Thốt nước cung cấp số vị trí (bảng 11) 70 ... MÔ HÌNH THỦY VĂN ĐƠ THỊ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT THÀNH PHỐ HÀ NỘI VÀ HỆ THỐNG DỰ BÁO NGẬP LỤT THỜI GIAN THỰC CHO LƢU VỰC KIM NGƢU 43 3.1 Thiết lập mơ hình cho hệ thống nƣớc Hà Nội 44... Hà Nội + Ứng dụng xây dựng đồ ngập lụt cho quận nội thành Hà Nội + Xây dựng hệ thống cảnh báo ngập lụt thời gian thực lưu vực sông Kim Ngưu Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Trong luận văn áp dụng cho. .. HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - ĐINH THỊ HƢƠNG THƠM ỨNG DỤNG MƠ HÌNH THỦY VĂN ĐƠ THỊ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT THÀNH PHỐ HÀ NỘI VÀ HỆ THỐNG DỰ BÁO NGẬP LỤT THỜI GIAN THỰC CHO