Bài viết này trình bày việc áp dụng bộ mô hình MIKE (MIKE NAM, MIKE 11 và MIKE 21) để xây dựng mô hình mô phỏng và tính toán định lượng mưa gây ngập lụt vùng hạ du lưu vực sông Cả.
BÀI BÁO KHOA HỌC DOI: 10.36335/VNJHM.2020(710).1-13 ÁP DỤNG MƠ HÌNH THỦY VĂN, THỦY LỰC MÔ PHỎNG NGẬP LỤT HẠ DU SÔNG CẢ Nguyễn Xuân Tiến1, Nguyễn Thanh Sơn2, Nguyễn Văn Linh3 Tóm tắt: Dưới tác động biến đổi khí hậu phát triển hệ thống hồ chứa thủy lợi, thủy điện thượng nguồn, vấn đề ngập lụt hạ du lưu vực sông Cả ngày nghiêm trọng Nghiên cứu xác định nguyên nhân gây ngập lụt để đưa giải pháp phù hợp nhằm giảm nhẹ thiệt hại vấn đề cấp thiết Bài báo trình bày việc áp dụng mơ hình MIKE (MIKE NAM, MIKE 11 MIKE 21) để xây dựng mơ hình mơ tính tốn định lượng mưa gây ngập lụt vùng hạ du lưu vực sông Cả Nghiên cứu sử dụng số liệu khí tượng thủy văn 14 năm (2005 - 2018) 30 trạm với thời đoạn mưa để hiệu chỉnh kiểm định mơ hình Q trình mực nước tính tốn thực đo 03 điểm so sánh phù hợp nhau, độ lớn thời gian xuất đỉnh lũ gần (∆H < 0,3 m), hệ số Nash đạt trị số cao (Nash > 0,89) Nghiên cứu tính tốn lượng mưa bắt đầu gây ngập, ngập mức báo động lũ (Mức báo động 3) điều kiện tự nhiên có tác động hồ chứa hệ thống sơng Cả Từ khóa: Sơng Cả, mơ hình MIKE NAM, MIKE 11, MIKE 21, ngập lụt Ban Biên tập nhận bài: 12/10/2019 Ngày phản biện xong: 05/12/2019 Đặt vấn đề Hiện nay, với phát triển nhanh chóng cơng nghệ số tạo nên cơng cụ đắc lực để mơ tồn q trình ngồi thực tế biểu thức tốn học, mơ hình hóa tốn học Dựa vào hệ phương trình SaintVernat, nhiều mơ hình thủy lực mơ q trình dòng chảy Trên giới, việc áp dụng mơ hình thủy lực để tính tốn ngập lụt sử dụng rộng rãi Knebla cs (2005) [11] nghiên cứu mơ hình HEC-HMS/RAS mơ ngập lụt qui mô lớn lưu vực sông San Antonio, (khoảng 10.000 km2) trung tâm Texas, Mỹ Nielsen (2006) ứng dụng mơ hình MIKE SHE để tính tốn ngập lụt vùng đồng tiêu nước đô thị [13] Nguyen Mai Dang (2010) [12], Tran Tho Dat (2019) [2], sử dụng mơ hình MIKE để mô ngập lụt vùng sông Đáy Pathirama cs (2011) phát triển mơ hình EPA-SWMM5 để tính tốn ngập lụt thị cho lưu vực Brazil [14] Tomkratoke Sirisup (2015) dùng mơ hình thủy động lực học FVCOM để mô ngập lụt vùng nghiên Ngày đăng bài: 25/01/2020 cứu [15] Trong nước, việc sử dụng mơ hình thủy lực để tính tốn ngập lụt rộng rãi Hồng Thanh Tùng (2011) [8] sử dụng mơ hình HEC-RAS để tính tốn lũ cho lưu vực sơng Cả Trần Duy Kiều (2012 ) [3], Nguyễn Thanh Sơn cs (2014) [6], Hoàng Thị Nguyệt Minh (2014) [5], Lương Tuấn Anh cs (2015) [1], Nguyễn Thị Mai Linh cs (2018) [4], Trần Hồng Thái cs (2019) [7] sử dụng mơ hình MIKE để mơ ngập lụt Trong năm gần liên tục xảy trận lũ gây ngập lụt hạ du sông Cả, đặc biệt năm 2002, 2010 2013 Ngập lụt gây nhiều thiệt hại người cho nhân dân Bên cạnh nhiều hồ chứa thủy điện đưa vào vận hành như: Bản Vẽ, Nậm Nơn, Nậm Mô, Bản Ang, Nhạn Hạc A, Châu Thắng, Ngàn Trươi Hố Hô Vấn đề nghiên cứu ngập lụt để đưa giải pháp hữu hiệu cho việc giảm nhẹ thiệt hại ngập lụt gây yêu cầu cấp bách Vì vậy, nghiên cứu lựa chọn mơ hình MIKE để mơ ngập lụt cho hạ du sơng Cả, tính tốn kịch ngập lụt hạ du mưa lớn xả lũ Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Bắc Trung Bộ Khoa Khí tượng Thủy văn Hải dương học, ĐH Khoa học Tự nhiên Khoa Thủy văn Tài nguyên nước, Đại học Thủy lợi Email: tien1967@gmail.com TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 02 - 2020 BÀI BÁO KHOA HỌC hệ thống hồ chứa thượng nguồn gây Phương pháp nghiên cứu thu thập liệu 2.1 Tổng quan khu vực nghiên cứu Lưu vực sông Cả trải dài từ 18o15’50” đến 20o10’30” vĩ độ Bắc, từ 103o45’10” đến 105o15’20” kinh độ Đơng Phía Bắc giáp lưu vực sơng Chu, phía Tây giáp lưu vực sơng Mê Cơng, phía Nam giáp lưu vực sơng Gianh phía Đơng giáp Biển Đơng Tổng diện tích lưu vực 27.200 km2, phần diện tích Việt Nam 17.730 km2, chiếm 65,2% diện tích lưu vực Diện tích thuộc Lào 9.470 km2 chiếm 34,8% diện tích lưu vực Dòng sơng Cả có chiều dài 531 km, 170 km chảy qua lãnh thổ Lào qua địa phận Nghệ An - Hà Tĩnh 361 km (Hình 1) Hình 1. Bản đồ lưu vực sông Cả lãnh thổ Việt Nam Các sông suối đổ vào dòng ngắn dốc bắt nguồn từ vùng núi cao thuộc tỉnh Xiêng Khoảng (Lào), Nghệ An, Hà Tĩnh Tổng số có 44 sơng nhánh cấp I Những sông nhánh lớn sông Cả là Nậm Mộ, sông Huổi Nguyên, Hiếu, sông Giăng sông La Các sông đóng góp lượng dòng chảy đáng kể vào dòng [8] 2.2 Giới thiệu mơ hình MIKE NAM, MIKE 11 MIKE 21 Mơ hình MIKE có tích hợp tốt với GIS, nối dễ dàng MIKE NAM, có mơ đun kết MIKE 11 MIKE 21 để mô phỏng, tính tốn TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 02 - 2020 ngập lụt vùng hạ lưu sông Cả 2.2.1 Mơ hình MIKE NAM Mơ MIKE hình NAM mơ hình dạng bể chứa dùng để tính tốn dòng chảy từ mưa Các bể chứa sử dụng trong mơ hình gồm: bể tuyết, bể chứa mặt, Bể sátmặt (bể tầng rễ cây) bể chứa ngầm Thiết lập mơ hình NAM: Căn vào mạng lưới sơng vị trí trạm đo mưa, lưu vực sông Cả được chia thành 60 lưu vực Sử dụng công cụ đồ ArcGIS để số hóa, kết phân vùng lưu vưc hình BÀI BÁO KHOA HỌC Hình Phân vùng lưu vực cho lưu vực sông Cả Trong đó: A diện tích mặt cắt ngang (m2); 2.2.2 Mơ hình MIKE 11 Mơhình MIKE 11 do DHI Water &Environ t thời gian (s); Q lưu lượng nước (m /s); x ment phát triển, gói phần mềm dùng để biến không gian; g gia tốc trọng trường dòng lưu lượng, chất lượng mô chảy/ nước ); b là độ rộng (m/s ); mật độcủa (kg/m nước vận chuyển bùn cát cửa sông, dẫn (m) R bán kính thủy lực (m) lòng sơng, kênh tưới vật thể nước khác [13] Các biên lưu lượng thượng nguồn gồm: Mơ hình MIKE 11 mơ hình tính tốn mạng Mường Xén, Bản Vẽ, Quỳ Châu, Thác Muối, sơng dựa việc giải hệ phương trình chiều Thanh Hương, Thanh Thủy, Thanh Mai, Cầu Saint-Venant: Phương trình liên tục: Om, Sơn Diệm, Hố Hô, Đá Hàn, Sơn Kim, Ngàn S R (1) Trươi Biên hạ lưu mực nước trạm thủy văn mộtchiều sông Cả 4 Cửa Hội Sơ đồ thủy lực Phương trình chuyển động: thể hình S (2) S S S S B B R 4 4 - Ba B TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 02 - 2020 BÀI BÁO KHOA HỌC Bảng 1. Thông tin đặc trưng mạng thủylực 1D % ;? WM Q4T J'4n =42k =4' J? W SS ) WO Z WO J? (,4X S f) X o z WO Z ) J? (,4 (! 7 f Lp WO Z f J? F RS fj &W] (,-+ ;? W S J? v ) 2y +i&4 SS: 4 1S F D 0 y ==4 42b = $$ E 8 8 K8 8.: TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 02 - 2020 O22C2OO2e e - 3 3g O22C2OO2e e - 3 3g m "" 2y +i&4 4 11jR8| BÀI KHOA HỌC BÁOK =42b /RSSYK R66YY 68 8f >2y +i&4 SS: 4 1S K =42b /RSSYK R66YY 68 8f >2y +i&4 SS: 4 1S F D 0 y ==4 42b = $$ E 8 8 K8 8.: F D 0 y ==4 42b = $$ E 8 8 K8 8.: AE AKết ?h h . R # #$ $ * *- 3 3i iAE? h . 0 5 # $ Cốc Nà W< W j Hình 7.j2 (a) hiệu chỉnh lưu lượng Cốc Nà; (b) Kết? kiểm định lưu# lượng tại* A ?h h . R # #$ $ * - 3 ? h . 0 5 # # $ * W< W j j2AE - -*3 3 3iiAE? - - 3 3 định mơ hình MIKE NAM 2.b Tổng hợp kết quả hiệu chỉnh, :. : Bảng D D2b $ $ h . R R %% kiểm 0 0 5 5 0 0, < = =>? >?@ @3 3B= = :. : D D2b b $ $ h . R R %% 0 0 5 5 0 0, < = =>? >?@ @3 3B= = J ; ;' w + Q QxTT J J ;'( ; & & W ] 00 yy ,, + i =42b , +i R6Y R R7 R#j j8 R#6) KS S: K : R6YR8 =42b , +i 0y , +i R6YR8 R#6) : RYRR8 0y , +i RYRR8 =42b , +i R#86 R6YRR =42b , +i R#j7 R: #R R6YRR 0y , +i 0y , +i R6Y68 R6Y68 =42b , +i R:6 R:6 K: K: 8:S 8:S =42b , +i Y68f R#8j J! I04 W'( W'( R#86 R#j7 R#8j Qx xT ):j ):j R: Kf: Kf: KS# Kf#f f#f R )#RR RR )#R #R j j Y68f Bảng Kết thơng số mơ hình MIKE NAM lưu vực nghiên cứu :. O2?h. , 0,< =>?@3B=# / ! :. O2?h. , 0,< =>?@3B=# / ! ? ;' &W] J! I04 W'( ? ;' 4 1 4 1 m4 1 m4 1 W&hg W&hg W_g W_g W# W# hg hg _g _g v v Wg Wg & & \ địa hình lưu vực gây nhiều khó khăn Thời kỳ vụ (U/Umax=0,3 L/Lmax=0,3) 4?E X_3([X#2M0 . 2kP D " :(> \ \. )#1 , +i+* P 1 < RYRRQ 4 1f:674T , +i C P 1 < R6YR6Q 4 1:R64T: BÀI BÁO KHOA HỌC 3.3.2 Xác định mơ hình mưa gây ngập lưu điều kiện ẩm hoạt động hệ thống hồ chứa lưu vực Nghiên cứu phân vực sông Cả Theo thống kê trận lũ trạm thủy văn trường hợp lưu vực điều kiện tự nhiên có Chợ Tràng, từ năm 2005 đến 2019 có 23 trận lũ tác động hồ chứa; mưa lũ đầu mùa giữa, xuất hạ lưu sơng Cả Trong trận lũ lớn cuối mùa Trong điều kiện có tác động hồ xẩy vào tháng 10/2010 (Hmax=4.96 m) chứa chia thành trường hợp: hệ thống hồ chứa trận lũ nhỏ xẩy vào tháng 09/2019 (Bản Vẽ, Sông Sào, Hố Hô, Đá Hàn, (Hmax=2.09 m) Các trận lũ bắt đầu gây ngập hạ Ngàn Trươi) quy hoạch (Bản Mồng, du sơng Cả có mức nước xấp xỉ 3.00 m gồm: Thác Muối) Nghiên cứu sử dụng kịch mưa 08/2005O2O2O2b ; #$ 0 6" #, -. (Hmax=2.76 m), 09/2013 (Hmax=3.09 m) xây dựng mục 3.3.2 để tính tốn lượng O2O2O2b ; #$ 0 6" #, -. mưa gây ngập hạ du mức bắt đầu ngây ngập, 08/2012 (HXH2 ,-+B \$+ ;? W max=3.14 m) Căn vào phân 4 #2M0 40 $ $ 2 XH2 ,-+B \$+ ;? W mức báo động (tương ứng với mực nước bố mưa 0 ' aH % + :( % H2@-] , 0 ' a0 $ a0 $ W>, 0 ' W>, 0 ' aD $ aD $ 2k ,- 2k ,- R R SR SR )RR )RR XH2 ,- XH XH )R )R fS fS f8S f8S XH) XH) fRR fRR S)R S)R SjR SjR :. j2= 5 #$ 6" *+, -.Pf o )A00E& ( Bảng:. j2= 5 #$ 6" *+, -.Pf o )A00E& ( Mưa định lượng gây ngập hạ du sông Cả thời kỳ cuối vụ (mm) điều kiện tự / nhiên / M0 + XH2 ,- M0 + % % 2k ,- 2k ,- SR SR XH2 ,- XH XH SR SR XH) XH) ))R ))R :. N2= 5 #$ [ U 6" *+, -.Pf o )A00E Bảng Mưa định lượng bắt đầu gây ngập hạ du sông Cả thời kỳ cuối vụ (mm) có :. N2= 5 #$ [ U 6" *+, -.Pf o )A00E \ ! vận hành hệ thống hồ chứa \ ! M0 + 0 $ aH M0 + W>, 0 W>, 0 ' a0 $ ' a0 $ W>, 0 W>, 0 ' aD $ ' aD $ Sx Sx jS jS 0 $ aH SRx 8Sx SRx 8Sx jS jS jS jS )R )R )R )R )RR )RR RRx RRx jR jR jS jS :. Z2= 5 #$ 6" *+, -.&0!:kDPf o ) :. Z2= 5 #$ 6" *+, -.&0!:kDPf o ) A00E\ ! A00E\ ! M0 + 0 $ aH TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN M0 + W>, 0 Sx Sx 0 $ aH SRx 8Sx SRx 8Sx RRx RRx Số tháng 02 - 2020 11 W>, 0 ' a0 $ W>, 0 BÀI BÁO KHOA HỌC ' aD $ Sx SRx 8Sx RRx jS jS jS jR )R )R )RR jS Bảng Mưa định lượng gây ngập hạ du sông Cả mức BĐ2 thời kỳ cuối vụ (mm) có :. Z2= 5 #$ 6" *+, -.&0!:kDPf o ) vận hành hệ thống hồ chứa ! A00E\ M0 + Sx 0 $ aH SRx 8Sx RRx W>, 0 )6R )6R )8S )fS ' a0 $ W>, 0 f7R ffS fRR )SS f W>, 0 ' aD $ f7R ffS fRR )SS ' aD $ :. CK2= 5 #$ 6" *+, -.&0!:kOPf o ) Bảng 10 Mưa định lượng gây ngập hạ du sông Cả mức BĐ3 thời kỳ cuối vụ (mm) :. CK2= 5 #$ 6" *+, -.&0!:kOPf o ) A00E\ có vận hành hệ thống hồ chứa ! A00E\ ! M0 + M0 + W>, 0 W>, 0 ' a0 $ ' a0 $ W>, 0 W>, 0 ' aD $ ' aD $ P2L#-C @ P2L#-C @ 12 Sx Sx )6R )6R 0 $ aH 0 $ aH SRx 8Sx SRx 8Sx )6R )8S )6R )8S RRx RRx )fS )fS f7R f7R ffS ffS )SS )SS fRR fRR Kết luận lại lớn (tại Linh Cảm: ∆W = 10%) Có thể K( % H2@4?-C +i ? 2=-BB < ,-+B $ sử K( % H2@4?-C +i ? 2=-BB < ,-+B $ lụt, - Nghiên cứu mô lũ thành công để dụng mơ hình để tính tốn dự báo ngập ;? W F 7R =+ < N rX_3([X#82 $ ;? ;? W F 7R =+ < N rX_3([X#82 $ ;? phục vụ tính tốn ngập lụt cho hạ du sông Cả nâng cao chất lượng dự báo lũ, ngập lụt hạ du *S8S4n ;!2a < X_3#2@o$> ` ,-+B chi tiết*S8S4n ;!2a < X_3#2@o$> ` ,-+B 60 tiểu lưu vực tính tốn dòng chảy từ sơng Cả X_3:F D P j6:j7-k OA$ * 0 ):RR4 cứu xác định điều kiện ban MIKE j6:j7-k OA$ * NAM, 17 đoạn sông với 575 mặt0 ):RR4 cắt - Nghiên X_3:F D P D