Nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn để thiết lập phương pháp cảnh báo lũ quét thời gian thực cho khu vực miền núi tỉnh thanh hóa

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ĐỂ THIẾT LẬP PHƯƠNG PHÁP CẢNH BÁO LŨ QUÉT THỜI GIAN THỰC CHO KHU VỰC MIỀN NÚI TỈNH THANH HÓA CHUYÊN NGÀNH: THỦY VĂN HỌC NGUYỄN CÔNG TRƯỜNG HÀ NỘI, NĂM 2017 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ĐỂ THIẾT LẬP PHƯƠNG PHÁP CẢNH BÁO LŨ QUÉT THỜI GIAN THỰC CHO KHU VỰC MIỀN NÚI TỈNH THANH HĨA NGUYỄN CƠNG TRƯỜNG CHUN NGÀNH: THỦY VĂN HỌC MÃ SỐ: 62440224 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS LÃ THANH HÀ HÀ NỘI, NĂM: 2017 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUN MƠI TRƯỜNG HÀ NỘI Cán hướng dẫn chính: PGS.TS Lã Thanh Hà Cán chấm phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Thanh Hùng Cán chấm phản biện 2: PGS.TS Lương Tuấn Anh Luận văn thạc sĩ bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Ngày 27 tháng 12 năm 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Công Trường MSHV: 1698010035 Hiện học viên lớp CH-2AT chuyên ngành Thủy văn học thuộc Khoa Khí tượng Thủy văn – Trường Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội Với luận văn: “Nghiên cứu sở khoa học thực tiễn để thiết lập phương pháp cảnh báo lũ quét thời gian thực cho khu vực miền núi tỉnh Thanh Hóa” Tơi xin cam đoan: nội dung, số liệu, kết luận văn trung thực chưa công bố hình thức khác Hà Nội,ngày 04 tháng 12 năm 2017 TÁC GIẢ LUẬN VĂN Học viên thực Nguyễn Cơng Trường ii LỜI CẢN ƠN Để hồn thành luận văn này, em xin chân thành gửi lời cảm ơn tới: PGS.TS Lã Thanh Hà, Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn Biến đổi Khí hậu, Thầy hướng dẫn khoa học cho luận văn em, điều đạt luận văn kiến thực vô quý báu mà Thầy tận tình dẫn cho em suốt thời gian làm luận văn Quý Thầy, Cô Trường Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội Đặc biệt Thầy, Cơ Khoa Khí tượng Thủy văn nhiệt tình hướng dẫn giúp đỡ em trình học tập làm luận văn tốt nghiệp Lãnh đạo, đồng nghiệp Đài Khí tượng Thủy văn Khu vực Đồng Bằng Bắc Bộ tạo điều kiện cho em q trình tham gia hồn thành khóa học Trong trình làm luận văn giới hạn thời gian hạn chế nguồn số liệu nên khơng tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, em mong nhận cảm thông ý kiến đóng góp q báu Thầy, Cơ để em hoàn thiện luận văn tốt nghiệp Xin trân trọng cảm ơn Học viên Nguyễn Công Trường iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢN ƠN ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC BẢNG vii DANH MỤC HÌNH viii THÔNG TIN LUẬN VĂN x MỞ ĐẦU 1 Cơ sở khoa học thực tiễn Luận văn 1.1 Cơ sở khoa học 1.2 Cơ sở thực tiễn 2 Mục tiêu Luận văn 3 Xác định phạm vi nghiên cứu Phương pháp tiếp cận nghiên cứu kỹ thuật Nội dung nghiên cứu Bố cục Luận văn CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP CẢNH BÁO LŨ QUÉT I Nhận dạng lũ quét 1.1 Khái niệm lũ quét 1.2 Phân biệt lũ thường lũ quét 1.3 Phân loại lũ quét 1.3.1 Phân loại dựa vào nguyên nhân hình thành 1.3.2 Phân loại lũ quét theo tính chất dòng chảy 10 1.3.3 Phân loại theo dạng nguồn gốc phát sinh 11 1.3.4 Lũ ống – dạng lũ quét tổng hợp 12 II Tổng quan số phương pháp cảnh báo dự báo lũ quét 13 2.1 Khái niệm cảnh báo dự báo lũ quét 13 2.2 Phân loại cảnh báo lũ quét 15 III Tổng quan phương pháp cảnh báo lũ quét có 17 3.1 Các phương pháp cảnh báo lũ quét giới 17 3.1.1 Nguyên tắc chung 17 3.1.2 Giới thiệu số hệ thống cảnh báo lũ quét 19 iv 3.2 Hệ thống cảnh báo lũ quét Việt Nam 29 3.2.1 Phương pháp cảnh báo đại thể 29 3.2.2 Phương pháp cảnh báo sở thông tin mưa 29 3.3 Phân tích lựa chọn phương pháp cảnh báo lũ quét 31 3.3.1 Nguyên tắc chung 31 3.3.2 Thiết kế hoạt động hệ thống cảnh báo lũ quét lưu vực sông theo phương pháp ALERT (WMO) 33 3.3.2.1 Nguyên tắc hoạt động hệ thống cảnh báo 33 3.3.2.2 Sơ đồ quản lý điều hành hệ thống cảnh báo lũ quét 33 CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN VÀ HIỆN TRẠNG LŨ QUÉT TẠI KHU VỰC HUYỆN MƯỜNG LÁT, QUAN SƠN, QUAN HÓA TỈNH THANH HÓA 35 2.1 Đặc điểm tự nhiên huyện Quan Hóa, Quan Sơn Mường Lát tỉnh Thanh Hóa 35 2.1.1.Đặc điểm tự nhiên huyện Quan Hóa 35 2.1.1.1.Vị trí địa lý 35 2.1.1.2 Địa hình địa chất 36 2.1.1.3 Thủy văn tài nguyên nước 38 2.1.2 Đặc điểm tự nhiên huyện Quan Sơn 39 2.1.2.1.Vị trí địa lý 39 2.1.2.2 Địa hình, địa chất 40 2.1.2.3 Thủy văn tài nguyên nước 41 2.1.3 Đặc điểm tự nhiên huyện Mường Lát 42 2.1.3.1 Vị trí địa lý 42 2.1.3.2 Địa hình, địa chất 43 2.1.3.3 Khí hậu, thời tiết .44 2.1.3.4 Thủy văn tài nguyên nước 44 2.2 Tổng quan diễn biến lũ quét Thanh Hóa 45 2.2.1 Tình hình quan trắc mạng lưới trạm khu vực nghiên cứu 45 2.2.2 Hiện trạng lũ quét địa bàn tồn tỉnh Thanh Hóa 46 2.2.2.1 Các hình gây mưa lũ Thanh Hóa: 46 2.2.2.2 Hiện trạng lũ quét địa bàn tỉnh Thanh Hóa: 47 2.2.2.3 Nguyên nhân hình thành lũ quét vùng núi Thanh Hóa 48 2.2.3 Hiện trạng lũ quét tình hình thiệt hại địa bàn huyện Mường Lát, Quan v Sơn, Quan Hóa, tỉnh Thanh Hóa 50 2.2.3.1 Nguồn số liệu thu thập 50 2.2.3.2 Thống kê trận lũ quét thiệt hại địa bàn huyện Mường Lát, Quan Sơn, Quan Hóa, tỉnh Thanh Hóa 51 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP CẢNH BÁO LŨ QUÉT THỜI GIAN THỰC CHO KHU VỰC HUYỆN MƯỜNG LÁT, QUAN SƠN, QUAN HÓA TỈNH THANH HÓA 52 3.1 Xác định ngưỡng gây lũ quét 52 3.1.1 Đặt vấn đề 52 3.1.2 Một số phương pháp xác định ngưỡng mưa 53 3.2 Xác định ngưỡng gây lũ quét cho khu vực nghiên cứu 54 3.2.1 Lựa chọn phương pháp 54 3.2.2 Cơ sở khoa học phương pháp 54 3.2.3 Các bước thực 56 3.2.4 Kết xác định ngưỡng mưa cho trạm đo mưa 56 3.2.4.1 Lựa chọn trạm mưa điển hình cho lưu vực 56 3.2.4.2 Xây dựng biểu đồ mưa trận mưa lớn năm trạm đo mưa 57 3.2.4.3 Lập quan hệ lượng mưa tích lũy thời đoạn cường độ mưa lớn thời đoạn trận mưa lớn năm cho trạm đo mưa 63 3.2.4.4 Xây dựng đường tới hạn CL theo cấp ngưỡng mưa để xác định mức báo động tương ứng cho trạm mưa .67 3.2.4.5 Xác định mức báo động cho 15 trạm đo mưa thuộc huyện Mường Lát, Quan Sơn, Quan Hóa .72 Lập phương án cảnh báo lũ quét cho 15 trạm đo mưa 79 3.3.1 Xác lập thời gian bắt đầu kết thúc trận mưa 79 3.3.2 Xây dựng thuật toán cảnh báo 80 3.4 Xây dựng phần mềm điều hành cảnh báo lũ quét cho 15 vị trí đặt trạm đo mưa 82 3.4.1 Sơ đồ liên kết phần mềm điều hành hệ thống cảnh báo lũ quét 82 3.4.2 Các phương án thiết lập hệ thống cảnh báo 83 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86 PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT WMO World Meteorology Organisation - Tổ chức khí tượng giới FFG Flash Flood Guidance - Ngưỡng mưa sinh lũ quét LFWS Local Flood Warning Subsystems-Hệ thống cảnh báo lũ ALERT IFLOWS EFFS FFGS Automated Local Evaluation in Real Time – Hệ thống cảnh báo lũ quét thời gian thực Integrated Flood Observing and Warning System Hệ thống tích hợp quan trắc cảnh báo lũ European Flood/Flash Flood Forecasting System Hệ thống dự báo lũ quét Châu Âu flash flood guidance system - Hệ thống hướng dẫn lũ quét AWS Automatic Weather Station - Trạm đo thời tiết tự động BoM Bureau of Meteorology - Cục Khí tượng Bureau KTTV Khí tượng Thủy văn ATNĐ Áp thấp nhiệt đới PCTT Phòng chống thiên tai PCTT&TKCN Phịng chống thiên tai tìm kiếm cứu nạn KHKTTV Khoa học Khí tượng Thủy văn KT-KT Kinh tế kĩ thuật QT Quan trắc E (j/m2) Động mưa r Chỉ số xói mịn CL Critcal Line - Đường tới hạn Critcal Line K Trọng số mưa X ngày max (mm) Lượng mưa ngày lớn vii DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1: Quan hệ thời đoạn mưa ngưỡng gây lũ quét 53 Bảng 3.2: Quan hệ lượng mưa tích lũy thời đoạn cường độ mưa trận lớn năm trạm Hồi Xuân .63 Bảng 3.3: Quan hệ lượng mưa tích lũy thời đoạn cường độ mưa trận lớn năm trạm Bái Thượng 64 Bảng 3.4: Quan hệ lượng mưa tích lũy thời đoạn cường độ mưa trận lớn năm trạm Yên Định .65 Bảng 3.5: Quan hệ lượng mưa tích lũy thời đoạn cường độ mưa trận lớn năm trạm Lạc Sơn 66 Bảng 3.6: Tính tốn hệ số thu phóng 15 vị trí đo mưa theo trạm gốc Hồi Xuân (X1 ngày lớn 135 mm) 75 Bảng 3.7: Tính tốn quan hệ báo động cấp cho 15 vị trí đo mưa thuộc huyện Mường Lát, Quan Sơn, Quan Hóa 76 Bảng 3.8: Số liệu mưa trạm Thành Sơn 81 75 Hình 3.13: Bản đồ đẳng trị mưa ngày lớn huyện Quan Sơn Bảng 3.6: Tính tốn hệ số thu phóng 15 vị trí đo mưa theo trạm gốc Hồi Xuân (X1 ngày lớn 135 mm) Tọa độ địa lý TT 10 11 12 13 14 15 Tên trạm Thành Sơn Phú Lệ Nam Tiến Hiền Chung Hiền Kiệt Trung Lý Pù Nhi Tam Chung Mường Chanh Quang Chiểu Sơn Thủy Mường Mìn Na Mèo Tam Thanh Trung Hạ Huyện Quan Hóa Quan Hóa Quan Hóa Quan Hóa Quan Hóa Mường Lát Mường Lát Mường Lát Mường Lát Mường Lát Quan Sơn Quan Hóa Quan Hóa Quan Hóa Quan Hóa Kinh độ Vĩ độ 1040 56’10” 105001’14” 104058’07” 104052’07” 104048’44” 104041’37” 104034’02” 104036’11” 104027’28” 104027’27” 104044’49” 104045’40” 104040’34” 104052’39” 105001’51” 200 34’ 29” 20032’21” 20023’14” 20025’17” 20025’59” 200 27’28” 20028’25” 20032’12” 200 24’24” 20027’45” 20018’45” 20016’36” 20017’26” 20011’32” 20018’38” X1 ngày lớn (mm) 150 150 140 148 150 140 120 110 135 120 146 150 150 150 130 Tỷ lệ thu phóng 1,11 1,11 1,04 1,10 1,11 1,04 0,89 0,81 1,00 0,89 1,08 1,11 1,11 1,11 0,96 76 Bảng 3.7: Tính tốn quan hệ báo động cấp cho 15 vị trí đo mưa thuộc huyện Mường Lát, Quan Sơn, Quan Hóa Quan hệ mức báo động cấp T T Tên trạm Huyện Thành Sơn Quan Hóa Y1 = -0,47 X + 63,3 Y2 = -0,47 X + 108,3 Y3 = -0,47 X + 158,7 Phú Lệ Quan Hóa Y1 = -0,47 X + 63,3 Y2 = -0,47 X + 108,3 Y3 = -0,47 X + 158,7 Nam Tiến Quan Hóa Y1 = -0,47 X + 59,3 Y2 = -0,47 X + 101,4 Y3 = -0,47 X + 148,7 Hiền Chung Quan Hóa Y1 = -0,47X + 62,7 Y2 = -0,47X + 107,3 Y3 = -0,47X + 157,3 Hiền Kiệt Quan Hóa Y1 = -0,47X + 63,3 Y2 = -0,47X + 108,3 Y3 = -0,47X + 158,7 Trung Lý Mường Lát Y1 = -0,47X + 59,3 Y2 = -0,47X + 101,4 Y3 = -0,47X + 148,7 Pù Nhi Mường Lát Y1 = -0,47X + 50,7 Y2 = -0,47X + 86,8 Y3 = -0,47X + 127,3 Tam Chung Mường Lát Y1 = -0,47X + 46,2 Y2 = -0,47X + 79,0 Y3 = -0,47X + 115,8 Mường Mường Lát Y1 = -0,47X + 57,0 Chanh Y2 = -0,47X + 97,5 Y3 = -0,47X + 143,0 10 Quang Chiểu Mường Lát Y1 = -0,47 X + 50,7 Y2 = -0,47X + 86,8 Y3 = -0,47X + 127,3 11 Sơn Thủy Quan Sơn Y1 = -0,47X + 61,6 Y2 = -0,47X +105,3 Y3 = -0,47X + 154,4 12 Mường Mìn Quan Hóa Y1 = -0,47X + 63,3 Y2 = -0,47X + 108,3 Y3 = -0,47 X + 158,7 13 Na Mèo Quan Hóa Y1 = -0,47X + 63,3 Y2 = -0,47X + 108,3 Y3 = -0,47X + 158,7 14 Tam Thanh Quan Hóa Y1 = -0,47X + 63,3 Y2 = -0,47 X + 108,3 Y3 = -0,47X + 158,7 15 Trung Hạ Quan Hóa Y1 = -0,47X + 54,7 Y2 = -0,47X + 93,6 Báo động Báo động Báo động Y3 = -0,47X + 137,3 Biểu đồ quan hệ dự báo theo cấp báo động 15 xã thuộc huyện Mường Lát , Quan Sơn, Quan Hóa (như hình 3.14 đây) 77 Trạm Thành Sơn – Quan Hóa Trạm Phú Lệ - Quan Hóa Trạm Nam Tiến – Quan Hóa Trạm Hiền Chung – Quan Hóa Trạm Hiền Kiệt – Quan Hóa Trạm Trung Lý – Mường Lát Trạm Trung Lý – Mường Lát 78 Trạm Pù Nhi – Mường Lát Trạm Tam Chung – Mường Lát Trạm Mường Chanh –Mường Lát Trạm Quang Chiểu –Mường Lát Trạm Sơn Thủy – Quan Sơn Trạm Mường Mìn - Quan Sơn 79 Trạm Na Mèo - Quan Sơn Trạm Tam Thanh - Quan Sơn Trạm Trung Hạ- Quan Sơn Hình 3.14:Biểu đồ quan hệ dự báo theo cấp báo động 15 xã thuộc huyện Mường Lát , Quan Sơn, Quan Hóa Lập phương án cảnh báo lũ quét cho 15 trạm đo mưa 3.3.1 Xác lập thời gian bắt đầu kết thúc trận mưa Theo dẫn Bộ Xây dựng Cơ sở hạ tầng Nhật Bản (2004), trận mưa tính tốn quy định sau: - Thời gian bắt đầu mưa: Là thời điểm trước 24 khơng có mưa - Thời gian kết thúc mưa: Là thời điểm sau 24 khơng mưa Hình 3.15 biểu thị trình nhận dạng trận mưa dùng để cảnh báo nguy xảy lũ quét trạm 80 Hình 3.15 : Nhận dạng trận mưa cảnh báo lũ quét 3.3.2 Xây dựng thuật toán cảnh báo Căn vào phương trình cảnh báo lũ quét lập cho 15 trạm thuộc huyện Mường Lát, Quan Sơn, Quan Hóa (bảng 3.6) tiến hành xây dựng thuật tốn cảnh báo cho 15 trạm trình bày sau Các bước thực áp dụng cho trạm, cụ thể Trạm i : Bước 1: Sử dụng phương trình dự báo (đã biết bảng trên) cho Trạm i cài đặt vào phần mềm điều khiển hệ thống : Yi = a X + b Trong đó: Y Cường độ mưa lớn trận mưa a: Hệ số góc phương trình (đã biết) X: Lượng mưa tích lũy (cộng dồn) từ thời đoạn ∆t tính từ thời điểm bắt đầu mưa b: Thơng số tung độ phương trình Bước 2: Thu nhận thơng tin cảnh báo cho trạm theo thời đoạn ∆t = 5, 10, 20, 30, phút Bước 3: Chọn thời điểm bắt đầu: Thời gian bắt đầu trận mưa trước có khoảng thời gian 24 khơng mưa lượng mưa 24 qua không vượt mm Bước 4: Lập quan hệ so sánh xác định mức báo động trận mưa: - Tính tốn lượng mưa tích lũy: Trong đó: - X: Lượng mưa tích lũy đến thời đoạn i = 1,2,3, ,n 81 - xi : Lượng mưa thời đoạn i - Xác định cường độ mưa Y: - Y cường độ mưa tổng lượng mưa thời đoạn đến xác định: Y = X tổng thời đoạn ∆t = 60 phút = Nếu trận mưa tiếp tục , Y xác định tính trượt chuỗi số liệu mưa với độ lệch Xem thuật tốn ví dụ sau: Ví dụ, trạm Thành Sơn có phương trình cảnh báo theo cấp là: Báo động 1: Y1 = -0,47 X + 63,3(b1=63,3) Báo động 2: Y2 = -0,47 X + 108,3(b2=108,3) Báo động 3: Y3 = -0,47 X + 158,7(b3=158,7) Thuật tốn cảnh báo: Ta có quan hệ cảnh báo: Yi = a X + b Các giá trị Y, X a biết nên xác định thông số b, cụ thể: b = (Y – aX) Nếu b< b1 : Khơng có báo động Nếu b1