Xây dựng bản đồ ngập lụt hạ lưu hệ thống sông Nhật Lệ ( Mỹ Trung - Tám Lu - Đồng Hới)

Xây dựng bản đồ ngập lụt hạ lưu hệ thống sông Nhật Lệ ( Mỹ Trung - Tám Lu - Đồng Hới)

ðẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ðẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -

ðẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ðẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TRẦN NGỌC ANH

Hà Nội – 2009

MỤC LỤC

Mở ñầu 1

CHƯƠNG 1 ðẶC ðIỂM ðỊA LÝ TỰ NHIÊN VÀ KINH TẾ XÃ HỘI KHU VỰC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ðẾN VẤN ðỀ NGẬP LỤT 3

1.1 ðặc ñiểm ñịa lý tự nhiên 3

1.2 ðặc ñiểm kinh tế xã hội 12

1.3 Tình hình lũ lụt trên hệ thống sông Nhật Lệ 15

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG BẢN ðỒ NGẬP LỤT 19

2.1 Tổng quan chung 19

2.2 Tổng quan về các mô hình thủy văn, thủy lực tính toán ngập lụt 21

2.3 Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE FLOOD 27

2.4 Giới thiệu quy trình xây dựng bản ñồ ngập lụt kết hợp công cụ GIS 38

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG BẢN ðỒ NGẬP LỤT KHU VỰC NGHIÊN CỨU 43

3.1 Xây dựng cơ sở dữ liệu 43

3.2 Ứng dụng mô hình MIKE FLOOD 45

3.3 Tính toán ngập lụt theo kịch bản ứng với tần suất 1%, 5% và 10% 58

MỞ đẦU

Lũ lụt miền Trung nói chung và lưu vực sông Nhật Lệ nói riêng là một trong những tai biến tự nhiên, thường xuyên ựe dọa cuộc sống của người dân và sự phát triển kinh tế xã hội trong vùng

Vào những năm cuối thế kỷ XX, ựầu thế kỷ XXI thiên tai lũ lụt ựã liên tiếp xảy ra ở lưu vực sông Nhật Lệ đặc biệt các trận lũ lịch sử vào tháng XI và tháng XII/1999 ước tắnh tổn thất nhiều tỷ ựồng, làm chết hàng trăm người [3, 10] Lũ lụt ựã ựể lại hậu quả hết sức nặng nề, hàng ngàn hộ dân phải di dời khỏi các vùng sạt lở, ngập lụt, hệ sinh thái môi trường các vùng cửa sông ven biển bị hủy hoại nghiêm trọng [10]

Lũ lụt Miền Trung có những nét ựặc trưng cơ bản: tần suất lớn, trung bình hàng năm có khoảng 3 - 4 trận lũ xuất hiện trên các sông; thời gian truyền lũ rất nhanh, ngập lụt xẩy ra khi có mưa lớn chỉ sau từ 2 ựến 8 giờ; thời gian duy trì ngập lụt ngắn; cường suất lũ rất lớn và rất bất ổn ựịnh, thay ựổi theo từng ựoạn sông và từng trận lũ; biên ựộ lũ cao, trung bình từ 2 ựến 3m, trong một số trận lũ ựặc biệt lớn biên lũ có thể lên ựến 4-5m; thời gian lũ lên rất ngắn từ 1 ựến 3 ngày [3,5, 7] gây ra ngập lụt nghiêm trọng ở vùng hạ lưu

Sông Nhật Lệ có diện tắch lưu vực 2.650 km2, nằm trong vùng trũng của duyên hải Trung bộ địa hình lưu vực sông Nhật Lệ chủ yếu là ựồi núi thấp, ựộ cao bình quân lưu vực ựạt 234 m và ựộ dốc ựạt 20,1% Lưu vực có dạng hình tròn, là tập hợp của 2 nhánh sông Kiến Giang và Long đại Nhánh sông Kiến Giang có chiều dài 96 km chảy theo hướng Tây Nam - đông Bắc ở phần thượng du, sau ựó chuyển sang hướng đông Nam - Tây Bắc ở phần hạ lưu, chạy song song với ựường bờ biển và ựược ngăn cách với biển bằng dãy ựụn cát cao Nhánh Long đại chảy theo hướng Tây Nam - đông Bắc với chiều dài 93 km Bề mặt lưu vực bị chia cắt mạnh nên mạng lưới sông suối khá phát triển với mật ựộ lưới sông 0,84 km/km2 Phần hạ lưu sông thuận lợi

cho việc tập trung nước nên dễ bị úng ngập trong mùa mưa Hàng năm khu vực vẫn chịu ảnh hưởng của các trận lũ gây úng ngập, gây thiệt hại về nhiều mặt kinh tế xã hội cho dân cư trong vùng và uy hiếp thành phố ðồng Hới

Nhằm mục tiêu giảm thiểu các thiệt hại do lũ lụt gây ra, ñề xuất các phương án phòng chống thông qua các cảnh báo về khả năng và diện tích

ngập lụt ứng với các trận lũ khác nhau, nghiên cứu này tiến hành “Xây dựng

bản ñồ ngập lụt hạ lưu hệ thống sông Nhật Lệ (Mỹ Trung – Tám Lu –

ðồng Hới)” Kết quả của nghiên cứu sẽ là cơ sở quy hoạch phòng chống lũ

cho khu vực cũng như là tài liệu tham khảo tốt cho các nhà hoạch ñịnh chính sách và ra quyết ñịnh ở ñịa phương

Bố cục của luận văn bao gồm: Mở ñầu

Chương 1 ðặc ñiểm ñịa lý tự nhiên và kinh tế xã hội khu vực nghiên cứu liên quan ñến vấn ñề ngập lụt

Chương 2 Cơ sở lý thuyết xây dựng bản ñồ ngập lụt Chương 3 Xây dựng bản ñồ ngập lụt khu vực nghiên cứu Kết luận

Tài liệu tham khảo

Diện tích tự nhiên của Quảng Bình là 8.051 km2, chiếm hơn 2,4% diện tích toàn quốc với số dân trung bình năm 1999 ở mức 797.176 người, bằng 1,04% dân số Việt Nam

Về phương diện vị trí, có thể coi Quảng Bình như một bản lề trong không gian ñất nước cũng như trong thời gian của lịch sử dân tộc, là nơi giao thoa của các ñiều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội giữa miền Bắc và miền Nam

Về mặt tự nhiên, vùng ñất này là nơi kết thúc của sự phân bố ñại trà ñá vôi và là nơi bắt ñầu của sự phân bố ñá granit theo diện rộng Dọc theo duyên hải, ñây cũng là nơi chấm dứt kiểu bờ biển phẳng, thấp và bắt ñầu kiểu bờ biển của miền Trung với những cồn cát cao chạy dài theo bờ biển Nhiều loại cây phương Nam không phân bố quá ñèo Ngang và một số loài cây phương Bắc (như lim) không vượt quá lãnh thổ Quảng Bình

Về mặt nhân văn, Quảng Bình là nơi tiếp giáp giữa hai ựịa vực cư trú của các dân tộc ắt người phắa Bắc (Thái, Mường, Tày, Nùng) và phắa Nam (Ba Na, Ê đê, Mnông) Văn hoá Bàu Tró ở Quảng Bình dường như là sự trung gian giữa văn hoá đông Sơn ở miền Bắc và văn hoá Sa Huỳnh ở miền Trung

Về mặt lịch sử, mảnh ựất này ựã từng là ựịa ựầu phắa Nam của nước đại Việt từ năm 1069, sông Gianh là nơi chứng kiến sự tranh chấp trong gần 200 năm giữa hai họ Trịnh - Nguyễn Quảng Bình là ựầu mút của vùng "cán soong" trong suốt cuộc chiến tranh phá hoại của Mỹ và cũng là ựiểm xuất phát của con ựường "xẻ dọc Trường Sơn ựi cứu nước"

Về mặt kinh tế, với các tuyến giao thông ựường bộ (mà quan trọng nhất là ựường quốc lộ 1 A, rồi ựến quốc lộ 15 và các nhánh chạy sang phắa Tây) cũng như các tuyến ựường sắt, ựường thuỷ, Quảng Bình có nhiều thuận lợi ựể mở rộng việc giao lưu kinh tế hàng hoá với các tỉnh trong nước và quốc tế, sớm hội nhập vào xu thế chung của cả nước

Cửa Nhật Lệ thuộc ựịa phận thành phố đồng Hới, tỉnh Quảng Bình có toạ ựộ ựịa lý 17029' vĩ ựộ Bắc và 106038' kinh ựộ đông Trước khi ựổ ra biển, ựoạn cửa sông Nhật Lệ từ Quán Hầu cho tới thành phố đồng Hới, có hướng gần như á kinh tuyến và khi ựổ ra biển, cửa sông có hướng đông Bắc, còn ựường bờ biển khu vực cửa sông có hướng Tây Bắc - đông Nam Vùng hạ lưu của lưu vực sông Kiến Giang là ựồng bằng duyên hải, chủ yếu là các cồn cát, bậc thềm, ựồi thấp và xen lẫn giữa chúng là các ựồng bằng nhỏ hẹp kéo dài theo thung lũng sông

b địa hình, ựịa mạo

địa hình khu vực nghiên cứu nhìn chung thấp dần từ Tây sang đông, bởi ựây là chân sườn phắa đông của dãy Trường Sơn tiếp giáp với biển đông đồi núi chiếm 85% diện tắch toàn tỉnh và bị chia cắt mạnh

Chạy dần về phắa đông là các bề mặt nghiêng thấp dần ra phắa biển có ựộ cao trên 15 m, ựó là các ựịa hình ựồi thấp, các bậc thềm sông, thềm biển , ựược thành tạo bởi các trầm tắch cuội, sạn, cát, sét, sét bột tiếp theo là ựồng bằng duyên hải nhỏ và hẹp của khu vực thành phố đồng Hới có nguồn gốc sông, sông biển phân bố ở ựộ cao từ 15 m trở xuống Sau cùng là những trảng cát ven biển có dạng lưỡi liềm hoặc dẻ quạt, các cồn cát này có nguồn gốc biển gió chạy dọc ven bờ ở ựộ cao thay ựổi từ 2m, 3m ựến 30m Bờ biển khu vực vùng cửa sông Nhật Lệ thuộc kiểu bờ biển xói lở - tắch tụ, hiện ựang bị các quá trình sóng biển tác ựộng mạnh

Về mặt cấu trúc, có thể chia thành 4 khu vực ựịa hình:

- địa hình núi cao và ựồi trung du chiếm khoảng 85% lãnh thổ của tỉnh Khu vực núi cao thuộc sườn đông Trường Sơn có ựộ cao từ 250m ựến 2000 m, thấp dần từ Tây sang đông và từ Bắc vào Nam độ dốc bình quân ở ựây là 25o và mức ựộ chia cắt sâu trung bình: 250 - 500 m Khu vực ựồi núi trung du chỉ cao 50 - 250 m, với ựộ dốc trên 3o

- Dải ựồng bằng ven biển chiếm 11% diện tắch tự nhiên của tỉnh độ cao từ 10 m trở xuống, có nơi còn thấp hơn mực nước biển Phân bố chủ yếu ở các huyện Lệ Thuỷ, Quảng Ninh, Bố Trạch và Quảng Trạch Nơi ựây thuận lợi cho việc phát triển các cây lương thực nhất là lúa

- Dải cát nội ựồng, ven biển có dạng lưỡi liềm hay dẻ quạt với ựộ cao từ 2 - 3 m ựến 50 m, ựộ dốc lớn, nhiều khi tới 50o điều ựó gây ra nhiều khó khăn ựối với sản xuất cũng như ựời sống, nhất là nạn cát bay và sự bành trướng của các cồn cát vào ựồng ruộng, do chúng có ựộ cao lớn và cấu tạo kém bền vững

- địa hình bờ biển của Quảng Bình chủ yếu là kiểu bờ biển bồi tụ và mài mòn xen kẽ với nhau Xa xa ngoài khơi là 5 ựảo nhỏ (Hòn La, Hòn Gió, Hòn Nầm, Hòn Cọ, Hòn Chùa)

Nhìn chung, Quảng Bình có nhiều cảnh quan ựẹp (ựộng Phong Nha, bãi đá Nhảy), chứa ựựng tiềm năng ựể phát triển du lịch và ven biển có thể xây dựng ựược cảng nước sâu (khu vực Hòn La) Trên một phạm vi nhỏ, theo chiều Tây - đông vừa có ựồi núi, ựồng bằng và ven biển là một thuận lợi trong việc ựa dạng hoá nền kinh tế theo hướng kết hợp giữa ựất liền với vùng biển và ven biển Tuy nhiên, sự xuất hiện của ựịa hình cồn cát là yếu tố bất lợi ựáng kể và cùng với nó là vấn ựề bảo vệ môi trường [10]

c địa chất, thổ nhưỡng

Trầm tắch hiện ựại ở dải ven biển cửa sông Nhật Lệ phân bố ở diện hẹp, kéo dài cùng phương với ựường bờ biển Trầm tắch cát trung, cát nhỏ, bột có

chiếm từ 50 - 90%, các trầm tích chuyển tiếp cát thô - cát trung, cát trung - cát nhỏ, cát - bột mỗi cấp hạt chỉ chiếm từ 30 - 40% Trầm tích tầng mặt hiện ñại ña phần có ñộ chọn lọc (So) tốt, giá trị So ñạt từ 1 - 2, riêng ñối với các trầm tích sét bột ñộ chọn lọc kém hơn với giá trị So ñạt từ 2,7 - 5 Trầm tích ở dải ven biển có ñường kính trung bình (Md) thay ñổi từ 0,1 - 1,1 mm, có màu trắng, trắng xám, trắng nhạt và vàng trắng ðối với các trầm tích trong sông do có lẫn thành phần hữu cơ nên thường có màu xám xanh hoặc nâu xám, giá trị Md thay ñổi từ 0,003 - 0,1 mm Dưới ñây là các ñặc trưng cơ học của từng loại trầm tích

Quảng Bình có 2 hệ ñất chính là hệ phù sa (ở ñồng bằng) và hệ feralit (ở vùng ñồi núi) với 15 loại thuộc 5 nhóm khác nhau:

- Nhóm ñất cát có hơn 4,7 vạn ha, bao gồm các cồn cát dọc bờ biển từ Quảng Trạch ñến Lệ Thuỷ và ñất cát biển phân bố chủ yếu ở Lệ Thuỷ, Quảng Ninh, Quảng Trạch Nhìn chung, ñất xấu, ít dinh dưỡng, thành phần cơ giới rời rạc ở các cồn cát thường xuất hiện nạn cát bay, cát chảy, cát di ñộng với lượng cát di chuyển trung bình năm là 3,2 triệu m3, làm mất ñi 20 - 30 ha ñất canh tác Vùng ñất cát ven biển chủ yếu ñược sử dụng vào mục ñích lâm nghiệp

- Nhóm ñất mặn với hơn 9,3 nghìn ha, phân bố phần lớn ở các cửa sông (sông Gianh, sông Nhật Lệ, sông Dinh) Diện tích ñất mặn có chiều hướng gia tăng do nước biển tràn sâu vào ñất liền dưới tác ñộng của bão hoặc triều cường

- Nhóm ñất phù sa chủ yếu là loại ñất ñược bồi hằng năm, với diện tích khoảng 2,3 vạn ha, phân bố ở dải ñồng bằng và các thung lũng sông Nhóm này bao gồm các loại ñất ñược bồi ñắp hằng năm (ngoài ñê), không ñược bồi hằng năm (trong ñê) và ñất phù sa glây Nhìn chung, ñây là nhóm ñất chính ñể trồng cây lương thực và cây công nghiệp ngắn ngày

Nhìn chung, ñất ở Quảng Bình nghèo dinh dưỡng, tầng ñất mỏng và chua ðất phù sa ít, nhiều ñụn cát và ñất lầy thụt than bùn Tuy nhiên, khả năng sử dụng ñất còn lớn, chủ yếu tập trung vào việc phát triển cây công nghiệp lâu năm, cây công nghiệp theo hướng nông - lâm kết hợp

Bảng 1.1 Cơ cấu sử dụng ñất, năm 1999

Các nhóm ñất Diện tích (ha) % so với DT cả tỉnh

Ngoài ra, tại vùng cát ven biển thuộc Quảng Ninh- Lệ Thủy có ựộ che phủ thực vật từ 20-40% Trên vùng cát người ta còn trồng rừng (chủ yếu là cây thân gỗ- phi lao) ựể ngăn chặn tình trạng cát bay Tại đồng Hới có diện tắch trồng rừng lớn nhất, chưa kể rừng tự nhiên- phục vụ cho sản xuất lâm nghiệp

Tắnh ựến 31/12/1999, diện tắch rừng của tỉnh là 486,7 nghìn ha Trữ lượng gỗ của rừng tự nhiên khoảng 30,9 triệu m3 (riêng rừng giàu chiếm 13,4 triệu m3, chủ yếu phân bố ở vùng núi cao) Trong rừng có nhiều loài gỗ quý như mun, lim, lát hoa Dưới tán rừng có nhiều loài có giá trị kinh tế như song, mây, các dược liệu quý

Theo ước tắnh, không kể các loài thực vật bậc thấp, tảo, nấm thì khu hệ thực vật bậc cao của Quảng Bình gồm 134 họ, 285 chi và 577 loài, chiếm hơn 1/2 số loài phân bố trong vùng Trường Sơn Bắc Về ựộng vật có 38 loài thú, 34 loài bò sát và 120 loài chim

e.Khắ hậu

Nằm trong ựới khắ hậu gió mùa chắ tuyến, á ựới nóng ẩm, Quảng Bình có khắ hậu mang tắnh chất chuyển tiếp giữa miền Bắc và miền Nam với nét ựặc trưng là vào tháng lạnh nhất, nhiệt ựộ ựã vượt quá 18oC Tuy nhiên, do front cực ựới vẫn còn ảnh hưởng tương ựối mạnh, nên vào mùa ựông có ngày nhiệt ựộ xuống khá thấp

Nhiệt ựộ trung bình năm của Quảng Bình là 24 - 25oC, tăng dần từ Bắc vào Nam, từ Tây sang đông Cân bằng bức xạ năm ựạt 70 - 80 kcal/cm2 Số giờ nắng trung bình quân năm khoảng 1.700 - 2000 giờ Do ựịa hình phức tạp nên khắ hậu có sự phân hoá rõ theo không gian

Khắ hậu Quảng Bình chia làm 2 mùa rõ rệt Mùa mưa kéo dài từ tháng IX ựến tháng XII, với lượng mưa trung bình năm là 2.315 mm So với các tỉnh phắa Bắc, mùa mưa ựến muộn hơn, cực ựại vào tháng X và thường tập trung vào 3 tháng ( IX - X - XI) Vì thế, lũ lụt thường xảy ra trên diện rộng

Trung bình cứ 10 năm thì 9 năm có bão lụt lớn Mùa khô từ tháng I ựến tháng VIII, với 5 tháng có nhiệt ựộ trung bình trên 25oC Nóng nhất là các tháng VI, VII Nhiệt ựộ tối cao tuyệt ựối lên ựến 42,2oC, xảy ra vào tháng VII Mùa khô nắng gắt, có gió Tây (gió Lào), xuất hiện từ tháng III ựến tháng VIII, nhiều nhất là vào tháng VII, trung bình mỗi ựợt kéo dài hơn 10 ngày, thời tiết khô nóng, lượng bốc hơi lớn, gây ra hạn hán nghiêm trọng

Khắ hậu của Quảng Bình, nhìn chung khắc nghiệt điều ựó ựược thể hiện qua chế ựộ nhiệt, ẩm và tắnh chất chuyển tiếp của khắ hậu Mùa mưa trùng với mùa bão Tần suất bão nhiều nhất là vào tháng IX (37%) Bão thường xuất hiện từ tháng VII và kết thúc vào tháng XI Bão kèm theo mưa lớn trong khi lãnh thổ lại hẹp ngang, ựộ dốc lớn nên thường gây ra lũ lụt ựột ngột, ảnh hưởng rất nhiều ựến hoạt ựộng sản xuất và ựời sống

Rõ ràng thời kỳ ẩm ướt trùng với mùa mưa bão ựã hạn chế nhiều ựến khả năng tăng vụ và tăng năng suất mùa màng Còn thời kỳ khô ựến sớm, lại có gió Tây khô nóng ựã tác ựộng mạnh ựến sự trổ bông của cây lúa và sự phát triển của cây công nghiệp và cây ăn quả

f Mạng lưới thủy văn

Mạng lưới sông ngòi Quảng Bình nhìn chung khá phong phú Mật ựộ trung bình ựạt 0,8 - 1,1 km/km2, trong ựó ở vùng núi là 1 km/km2, ở ven biển là 0,6 - 0,8 km/km2

Do lãnh thổ hẹp ngang, ựộ dốc lớn nên sông ngòi thường ngắn, dốc, có hiện tượng ựào lòng mạnh Hướng chảy từ Tây sang đông Lượng dòng chảy trong năm tương ựối phong phú với môựun dòng chảy bình quân là 57 lắt/s.km2 (tương ựương với 4 tỷ m3/năm) Thuỷ chế có 2 mùa rõ rệt, tương ứng với mùa và mùa khô Trong mùa mưa, ở vùng ựồi núi, sông suối có khả năng tập trung nước rất nhanh, nhưng lũ không kéo dài nhờ khả năng thoát nước tốt Mùa lũ tập trung vào các tháng X, XI, XII và chiếm 60 - 80% tổng lượng

Bảng 1.2 Sông và hệ thống sông ở Quảng Bình

Chiều dài T

T Hệ thống và sông Sông Lưu vực

Diện tích (km2)

bình quân lưu vực

Phụ lưu

Mật ñộ sông suối (km/km2)

Trên lãnh thổ Quảng Bình có 5 hệ thống sông chính Từ Bắc xuống Nam có sông Ròn (dài 30 km, diện tích lưu vực là 261 km2), sông Gianh (158 km và 4.680 km2), sông Lý Hoà (22 km và 177 km2), sông Dinh (37 km và 212 km2) và sông Nhật Lệ (96 km và 2.647 km2) Lớn nhất là sông Gianh và sông Nhật Lệ

- Hệ thống sông Nhật Lệ

ðây là hệ thống sông lớn thứ 2 của tỉnh, sau hệ thống sông Gianh Sông Nhật Lệ nhận nước từ 2 con sông chính là sông Kiến Giang và sông Long ðại ðoạn sông mang tên Nhật Lệ ñược tính từ ngã 3 sông Long ðại (cách cầu Long ðại 1,5 km) về ñến cửa Nhật Lệ (ðồng Hới) dài 17 km Nếu tính từ nguồn Kiến Giang về ñến cửa Nhật Lệ có chiều dài 96 km Hệ thống sông

Nhật Lệ có lưu vực rộng 2.647 km2 Hệ thống sông bao gồm 24 phụ lưu vực 45 km2, bình quân sông, suối trong lưu vựa có chiều dài 0,84 km/km2.[6, 16]

- Sông Kiến Giang

Là hợp lưu của nhiều nguồn sông suối phát nguyên từ vùng núi phắa Tây -Nam huyện Lệ Thủy ựổ về phường Luật Sơn (xã Trường Thủy, Lệ Thủy) chảy theo hướng Nam Bắc Từ ựây, sông chảy theo hướng Tây Nam-đông Bắc, về ựến ngã ba Thượng Phong, sông chảy theo hướng đông Nam- Tây Bắc, ựến ựoạn ngã ba Phú Thọ (An Thủy, Lệ Thủy), sông ựón nhận thêm nước của sông Cẩm Ly (chảy từ hướng Tây ựổ về), tiếp tục chảy theo hướng trên, băng qua cánh ựồng trũng huyện Lệ Thủy (ựoạn này sông rất hẹp) Sắp hết ựoạn ựồng trũng huyện Lệ Thủy ựể vào ựịa phận huyện Quảng Ninh, sông ựược mở rộng và chảy băng qua phá Hạc Hải (có chiều dài gần 2km) về ựến xã Duy Ninh (Quảng Ninh), sông tiếp tục chảy ngược về hướng Tây ựến ngã ba Trần Xá thì hợp lưu với sông Long đại ựổ nước vào sông Nhật Lệ Sông kiến Giang có ựộ dốc nhỏ.[6, 16]

- Sông Long đại

đây là hợp lưu của 3 phụ lưu chắnh Nhánh phắa Bắc phát nguyên từ vùng núi Cô-Ta-Rum trên biến giới Việt Lào, chảy trọn trong vùng ựịa hình Karst của Bố Trạch và ựến ựộng Hiềm (gần bến Tiêm huyện Quảng Ninh) thì gặp sông Long đại Trước khi ựổ nước vào sông Nhật Lệ, sông Long đại còn ựón thêm nước ở hai phụ lưu là Rào Trù và Rào đá (xã Trường Xuân, Quảng Ninh) Ba nhánh sông ựầu nguồn của sông Long đại nằm trong một vùng núi có lượng mưa khá lớn, nên về mùa lũ con sông này nước lên rất lớn và dữ Sông Long đại không lớn bằng sông Gianh nhưng cường ựộ cấp nước lũ ngang với sông Gianh (70-85m3/s/km2).[6, 16]

1.2 đặc ựiểm kinh tế xã hội

a Dân số, dân cư

Dân số của Quảng Bình tăng tương ñối nhanh Trong cuộc tổng ñiều tra dân số năm 1979, số dân của tỉnh là 530.800 người 10 năm sau, vào thời ñiểm 1 - 4 - 1989, số dân ñã tăng lên 646.972 người Sau khi Quảng Bình ñược tái lập, số dân nhiều ít có sự biến ñộng do chủ trương phân chia lại ñịa giới hành chính Dân số tăng từ trên 67,5 vạn - năm 1990 lên gần 74,6 vạn - năm 1995 và hơn 79,7 vạn - năm 1999 Theo số liệu thống kê năm 2007 (Bảng 1.3) thì dân số tỉnh Quảng Bình là 854.918 người với mật ñộ là 106 người/km2, trong ñó mật ñộ dân số cao nhất tỉnh là tại TP ðồng Hới là 687 người/km2 cao gấp 6 lần so với mật ñộ chung của tỉnh, còn tại Quảng Ninh và Lệ Thủy thì mật ñộ dân số ở ñây là trung bình (do diện tích ñất rộng) nhưng dân số tập trung ở ñây tương ñối cao, ñây là 3 trong số 4 huyện có dân số cao nhất tỉnh

Bảng 1.3 Diện tích và mật ñộ dân số tỉnh Quảng Bình năm 2007

Huyện,TP Diện tích (km2) Dân số (ng) Mật ñộ Dân số (ng/km2)

Nguồn : Niên giám thống kê tỉnh Quảng Bình năm 2007

Tuy nhiên dân cư phân bố không ñều tập trung ở khu vực ven biển và ñồng bằng, ở khu vực miền núi và gò ñồi dân cư thưa thớt Khu vực ven biển,

ñiển hình là TP ðồng Hới có mật ñộ dân số gấp 6 lần của tỉnh, Các huyện ven biển và ñồng bằng chiếm 85% dân cư của cả tỉnh, ñặc biệt là vùng ven sông, 2 bên bờ sông Nhật Lệ có mật ñộ và dân số cao nhất vì gần nguồn nước, gần nơi sản xuất, ñiều kiện quần cư thuận lợi Trong ñó có ñến 86% là sống ở nông thôn, ñặc biệt ở Quảng Ninh- Lệ Thủy là hơn 90% Mật ñộ dân số cao và tỷ lệ gia tăng tự nhiên nhanh về dân số ñặc biệt là ở nông thôn ñang gây sức ảnh hưởng ñến môi trường khu vực nghiên cứu mà cụ thể là vấn ñề ngập lụt tại Nhật Lệ Tại TP ðồng Hới thì phần lớn là dân thành thị có nghĩa là ở ñây nông nghiệp chỉ chiếm số nhỏ, chủ yếu ở ñây tập trung kinh doanh và sản xuất công nghiệp

- Lớp 2: Cát hạt nhỏ - trung màu xám vàng, nâu vàng, hơi ẩm - bão hoà nước, chặt vừa Lớp ñất này phân bố rộng khắp khu vực khảo sát Bề dày của lớp cát này biến ñổi rất mạnh từ 1,4 m ñến > 10,0 m Có lỗ khoan ở ñộ sâu 10,0 m duy nhất chỉ có lớp cát này vẫn chưa dứt lớp Lớp cát này có cường ñộ chịu tải và tính kháng biến cao, biến dạng nhỏ, mức ñộ thẩm thấu cao

- Lớp 3: ðất cát pha màu xám tro, xám ghi, xám ñen, trạng thải dẻo - chảy Lớp ñất này phân bố hạn chế trong khu vực nghiên cứu Bề dày lớp biến

- Lớp 5: đất dăm sạn lẫn sét pha màu nâu xám, cứng đây là sản phẩm phong hoá của ựá gốc Lớp 5 ta mới gặp ở một số lỗ khoan Bề dày của lớp lớn > 5,0 m Lớp ựất này có cường ựộ chịu tải và tắnh kháng biến cao, biến dạng nhỏ.[6]

1.3 Tình hình lũ lụt trên hệ thống sông Nhật Lệ

Tại hạ lưu sông Nhật Lệ mỗi khi ựến mùa mưa lũ thì việc tiêu thoát lũ tại ựây xảy ra rất chậm và gặp nhiều khó khăn do nhiều nguyên nhân kết hợp với nhau tạo nên Mùa mưa chắnh lệch về cuối hè sang thu và kéo ựến ựầu ựông với lượng mưa rất lớn là do ảnh hưởng của các hình thái gây mưa như gió mùa ựông bắc kết hợp với các nhiễu ựộng gây mưa lớn trên diện rộng như bão, áp thấp nhiệt ựới, hội tụ nhiệt ựới, (do có vị trắ gần biển nên chịu ảnh hưởng rất lớn của các cơn bão) dẫn ựến thừa nước, thậm chắ gây lũ lụt, úng ngập tại hạ lưu Lượng mưa chiếm 65-70% lượng mưa cả năm nên lưu lượng nước trong mùa mưa này chiếm 70-80% lượng nước cả năm Hơn nữa mùa mưa lại trùng vào với thời kỳ không khắ ẩm và thời gian hoạt ựộng các khối không khắ lạnh cực ựối biến tắnh, trong các tháng này ựộ ẩm tháng ựạt 85 -90% nên bầu trời lãnh thổ ựầy mây và mưa Những tháng mùa đông là thời kỳ ẩm do khối không khắ lạnh biến tắnh khi ựi qua biển ựã mang theo hơi nước gây mưa

Với một lượng nước lớn gây nên những cơn lũ lớn như vậy, thì tại khu vực nghiên cứu (KVNC) lại có ựịa hình bề ngang khá hẹp, nơi hẹp nhất là

khoảng 45km bên phía tây lại có vùng núi trung bình thấp nên sông ở ñây vừa ngắn lại vừa dốc ñã tạo ñiều kiện ñể tập trung nhanh lượng nước hình thành những cơn lũ nhanh chóng ñổ về hạ lưu Còn tại hạ lưu nơi cuối nguồn của con sông, như tại các nơi khác sau khi nhận nước từ thượng nguồn thì sẽ chảy thẳng ra biển bằng nhiều cửa sông (sông Cửu Long ) Nhưng tại ñây, sau khi nhận ñược 1 lượng nước khổng lồ tại thượng nguồn ñổ về với tốc ñộ khá nhanh thì nó không thể ñổ thẳng ra biển vì gặp phải một dãy cồn cát khá cao (30- 40m) chạy song song với bờ biển như một con ñê chắn lũ ñã ngăn dòng chảy ñổ thẳng ra biển mà buộc nó uốn khúc chảy dọc theo dãy cồn cát, và chỉ có một cửa thoát duy nhất là cửa Nhật Lệ Sự xuất hiện của hệ thống cồn cát này là một yếu tố ñịa hình bất lợi nhiều mặt Dưới tác ñộng của gió, hiện tượng cát bay, cát chảy ñã làm cho các cồn cát tiến dần về phía lục ñịa, thu hẹp ñồng bằng, làm tăng tình trạng úng lụt vùng cửa sông Nhật Lệ

Như vậy sau khi nước tập trung ở hạ lưu gây ra ngập lụt thì thời gian tiêu thoát nước, ngập úng trở nên khó khăn hơn Mưa lớn gây ngập úng ngập thì tại cửa thoát lũ duy nhất của KVNC, tại cửa biển Nhật Lệ thì khi bão về còn kèm theo nước dâng sinh do cơ chế hiệu ứng nước dồn khi gió thổi mạnh (trong mùa này sóng dâng cao từ 4,5- 6.0m ño tại Cồn Cỏ) Khi mùa lũ ñến, dòng chảy sông lấn át dòng triều, nhưng khi triều lên thì dòng lũ và dòng triều ngược nhau sẽ gây ra hiện tượng nước dồn ứ trong khu vực cửa sông Trong mùa lũ, dòng chảy sông ngòi tăng lên nhanh, tỷ lệ giữa thời gian chảy ngược và chảy xuôi giảm mạnh và biến mất hoàn toàn khi có dòng lũ lớn Ngoài ra khi bão ñổ bộ vào ñất liền thường kèm theo hiện tượng nước dâng, mùa mưa trùng với mùa bão, dòng lũ từ sông chảy ra va nước dâng từ biển chảy vào gây dồn ứ nước tại cửa sông, làm cho việc tiêu thoát lũ càng khó khăn và chậm trễ

Ngoài ra, thời gian tiêu thoát lũ chậm gây rất nhiều thiệt hại không chỉ bị quyết ñịnh bởi ñiều kiện ñịa lý tự nhiên mà còn do ñiều kiện kinh tế xã hội cũng ảnh hưởng tới nó Khi nước lũ tràn về và gây ngập úng thì chính những ñiều kiện kinh tế này cũng góp phần làm tăng thêm tình trang ngập úng Ở các huyện Quảng Ninh, Lệ Thủy và thành phố ðồng Hới có mật ñộ dân số khá lớn và tập trung nhiều dân cư Họ sinh sống ở 2 bên bờ sông Nhật Lệ, ñặc biệt là ở ðồng Hới tập trung mật ñộ dân số cao nhất tỉnh Việc tập trung dân cư ñông ñúc với mật ñộ cao ở hai bên bờ sông Nhật Lệ cũng gây khó khăn cho việc thoát lũ của Nhật Lệ Những công trình xây dựng như nhà cửa, ñê ñiều làm cản dòng chảy khi lũ về

Dân cư sinh sống hai bên bờ sông ñã phát triển nghế nuôi trồng thủy sản khá mạnh, hoạt ñông kinh tế này trực tiếp làm biến ñổi, thay ñổi dòng sông, lấy nước, xây các hồ nuôi tôm cá trên sông ðặc biệt tại ðồng Hới, các khu công nghiệp, dân số, các cơ sở kinh doanh tập trung dày ñặc hai bên bờ sông cũng gây cản trở rất lớn cho dòng chảy vì bị ngăn cản khá nhiều, làm cho dòng chảy chậm hơn, tăng thời gian úng ngập tại ñồng bằng Mặt khác ñời sống dân cư ở ñây còn nghèo làm cho các công trình phục vụ dân sinh và sản xuất kém chất lượng không ñủ ñộ bền vững, và rất sơ sài dễ bị phá huỷ khi có thiên tai bão - lũ Chính các vật liệu từ các công trình dân sinh này ñã làm gia tăng, thậm chí trực tiếp gây ra bồi lấp luồng lạch sông Nhật Lệ

Hệ thống ñường giao thông vận tải ñường bộ, ñường sắt và ñường thủy nội ñịa có hướng vuông góc với dòng chảy của sông nên làm giảm khả năng tiêu thoát nước, nhất là tuyến ñường Quốc lộ 1A và ñường sắt Bắc - Nam, chúng trở thành các tuyến ñê ngăn cản ñường tiêu thoát lũ Nếu như không có các tuyến ñường này thì dòng chảy không bị ngăn cản nhưng giờ dòng chảy phải vượt qua những tuyến ñường có tác ñộng như những con ñê chắn lũ, và một phần nước bị chúng giữ lại làm cho tình trạng úng ngập càng thêm trầm

Ngoài ra hệ thống ñê ñiều hệ thống ñê của KVNC nằm trong vùng trũng của dải ñịa hình hẹp nhất Trung bộ và cả nước, lượng mưa lớn và lượng dòng chảy tập trung nhanh nên khu vực ñồng bằng hạ du sông Nhật Lệ thường bị ngập úng Khi lũ tiểu mãn xuất hiện hay những khi lũ ít thì việc chống ngập úng là hoàn toàn ñược Nhưng khi lũ lớn thì hệ thống ñê này lại hoàn toàn ngập trong nước và cũng góp phần làm cho việc tiêu thoát lũ trở nên khó khăn, tăng tình trạng ngập úng tại hạ lưu sông Nhật Lệ

Chương 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÂY DỰNG BẢN ðỒ NGẬP LỤT

Thế giới thường xuyên phải ñối diện với các thảm họa về lũ lụt, ñiển hình như Ấn ðộ, Srilanca, Hoa Kỳ, Việc nghiên cứu các giải pháp phòng lũ lụt ñược ñặc biệt quan tâm và hướng tiếp cận là sự kết hợp giữa các giải pháp công trình và phi công trình Các giải pháp công trình thường ñược sử dụng như hồ chứa, ñê ñiều, cải tạo lòng sông trong khi các giải pháp phi công trình có thể là xây dựng bản ñồ nguy cơ ngập lụt, quy hoạch trồng rừng và bảo vệ rừng, xây dựng và vận hành các phương án phòng tránh lũ lụt và di dân khi cần thiết và khi ñó thông tin dự báo, cảnh báo lũ và khu vực ngập lụt chính xác là rất quan trọng Mặt khác, trong quá trình quy hoạch phát triển kinh tế xã hội ở Việt Nam trong bối cảnh thiên tai ngày càng gia tăng kết hợp với tác ñộng biến ñổi khí hậu thì nhu cầu sử dụng các bản ñồ ngập lụt phục vụ quy hoạch và xác ñịnh nguy cơ rủi ro do lũ càng trở nên bức thiết hơn

2.1 Tổng quan chung

2.1.1 Khái niệm về bản ñồ ngập lụt

Bản ñồ nguy cơ ngập lụt là tài liệu cơ bản, làm cơ sở khoa học cho việc quy hoạch phòng tránh lũ lụt, lựa chọn các biện pháp, thiết kế các công trình khống chế lũ, là thông tin cần thiết ñể thông báo cho nhân dân về nguy cơ thiệt hại do lũ lụt ở nơi họ cư trú và hoạt ñộng

Bản ñồ ngập lụt thường thể hiện các nội dung sau:
Vùng úng ngập thường xuyên

Vùng ngập lụt ứng với tần suất mưa - lũ khác nhau
Khu vực nguy hiểm khi có lũ lớn

Khu vực có nguy cơ bị trượt lở, sạt lở ñất
Vết xói lở bờ sông, sạt lở bờ biển, trượt lở sườn

Ngoài ra còn thể hiện hệ thống thuỷ lợi: hồ chứa, trạm bơm, ñập dâng, cống ñê… và các yếu tố nền ñịa lý

Bản ñồ ngập lụt phải xác ñịnh rõ ranh giới những vùng bị ngập do một trận mưa lũ nào ñó gây ra trên bản ñồ Ranh giới vùng ngập lụt phụ thuộc vào các yếu tố mực nước lũ và ñịa hình ,ñịa mạo của khu vực ñó; trong khi nhân tố ñịa hình ít thay ñổi nên ranh giới ngập lụt chỉ còn phụ thuộc vào sự thay ñổi của mực nước lũ

Mỗi một phương pháp trên ñây ñều có các ưu nhược ñiểm riêng trong

việc xây dựng và ước lượng diện tích ngập lụt Bản ñồ ngập lụt xây dựng theo

phương pháp truyền thống chỉ tái hiện lại hiện trạng ngập lụt, chưa mang tính dự báo nhưng nó vẫn mang ý nghĩa to lớn về nhiều mặt trong công tác chỉ huy phòng chống lũ lụt cũng như làm cơ sở ñể ñánh giá, so sánh các nghiên cứu tiếp theo Tuy vậy phương pháp này tốn công, mất nhiều thời gian, không ñáp ứng nhu cầu thực tế và có những ñiểm người nghiên cứu không thể ño ñạc ñược hoặc không thu thập ñược số liệu ño ñạc

Việc xây dựng bản ñồ ngập lụt dựa vào số liệu ñiều tra, thu thập từ nhiều trận lũ ñã xảy ra là ñáng tin cậy nhất, tuy nhiên dữ liệu và thông tin ñiều tra cho các trận lũ lớn là rất ít lại không có tính dự báo trong tương lai, do vậy hạn chế nhiều ưu ñiểm và tính ứng dụng của bản ñồ ngập lụt trong thực tế

Sử dụng công cụ mô phỏng, mô hình hóa bằng các mô hình thủy văn, thủy lực là rất cần thiết và có hiệu quả hơn rất nhiều và cũng là cách tiếp cận hiện ñại và ñang ñược sử dụng rộng rãi trong thời gian gần ñây cả trên thế giới và ở Việt Nam trong sự kết hợp với cả các lợi thế của phương pháp truyền thống

Mặt khác, với sự phát triển của máy tính và các hệ thống thông tin, cơ sở dữ liệu, ngày càng có nhiều ứng dụng phát triển dựa trên nền hệ thông tin ñịa lý (GIS), mà xây dựng bản ñồ ngập lụt là một trong những ứng dụng quan trọng, mang lại nhiều lợi ích thiết thực trong thực tiễn công tác phòng chống lụt bão và giảm nhẹ thiên tai

Do vậy luận văn này sẽ tập trung giới thiệu và phân tích các nhóm mô hình thủy văn, thủy lực có khả năng ứng dụng trong xây dựng bản ñồ ngập lụt, nhằm làm cơ sở lựa chọn phương pháp sử dụng cho khu vực nghiên cứu cùng với việc giới thiệu các quy trình và công cụ xây dựng bản ñồ ngập lụt tích hợp kết quả mô phỏng bằng mô hình thủy ñộng lực với hệ thống cơ sở dữ liệu GIS

2.2 Tổng quan về các mô hình thủy văn, thủy lực tính toán ngập lụt

2.2.1 Các mô hình mưa - dòng chảy:

Mô hình Ltank: do PGS.TS Nguyễn Văn Lai ñề xuất năm 1986 và ThS Nghiêm Tiến Lam chuyển về giao diện máy vi tính trên ngôn ngữ VisualBasic, là một phiên bản cải tiến từ mô hình Tank gốc của tác giả Sugawara (1956) Mô hình toán mưa rào dòng chảy dựa trên quá trình trao ñổi lượng ẩm giữa các tầng mặt, ngầm lưu vực, và bốc hơi Ứng dụng tốt cho lưu vực vừa và nhỏ

Mô hình HEC-HMS: là mô hình mưa dòng chảy của Trung tâm Thủy văn kỹ thuật quân ñội Hoa Kỳ ñược phát triển từ mô hình HEC-1, mô hình có những cải tiến ñáng kể cả về kỹ thuật tính toán và khoa học

thuỷ văn thích hợp với các lưu vực sông vừa và nhỏ Là dạng mô hình tính toán thủy văn ñược dùng ñể tính dòng chảy từ số liệu ño mưa trên lưu vực Trong ñó các thành phần mô tả lưu vực sông gồm các công trình thủy lợi, các nhánh sông

Kết quả của Hec-HMS ñược biểu diễn dưới dạng sơ ñồ, biểu bảng tường minh rất thuận tiện cho người sử dụng Ngoài ra, chương trình có thể liên kết với cơ sở dữ liệu dạng DSS của mô hình thủy lực Hec-RAS

Mô hình NAM: ñược xây dựng 1982 tại khoa thủy văn viện kỹ thuật thủy ñộng lực và thủy lực thuộc ñại học kỹ thuật ðan Mạch Mô hình dựa trên nguyên tắc các bể chứa theo chiều thẳng ñứng và hồ chứa tuyến tính Mô hình tính quá trình mưa - dòng chảy theo cách tính liên tục hàm lượng ẩm trong năm bể chứa riêng biệt tương tác lẫn nhau Các mô hình thủy văn trên ñây cho kết quả là các quá trình dòng chảy tại các ñiểm khống chế (cửa ra lưu vực) vì vậy tự thân chúng ñứng ñộc lập chưa ñủ khả năng ñể ñưa ra các thông tin về diện tích và mức ñộ ngập lụt mà phải kết hợp với một số các công cụ khác như GIS, hoặc là biên cho các mô hình thủy ñộng lực 1-2 chiều khác

b Mô hình thủy lực:

- Mô hình VRSAP: tiền thân là mô hình KRSAL do cố PGS.TS Nguyễn Như Khuê xây dựng và ñược sử dụng rộng rãi ở nước ta trong vòng 25 năm trở lại ñây

ðây là mô hình toán thuỷ văn-thuỷ lực của dòng chảy một chiều trên hệ thống sông ngòi có nối với ñồng ruộng và các khu chứa khác Dòng chảy trong các ñoạn sông ñược mô tả bằng hệ phương trình Saint-Venant ñầy ñủ Các khu chứa nước và các ô ñồng ruộng trao ñổi nước với sông qua cống ñiều tiết Do ñó, mô hình ñã chia các khu chứa và các ô ñồng ruộng thành hai loại chính Loại kín trao ñổi nước với sông qua cống ñiều tiết, loại hở trao ñổi

- Mô hình KOD-01 và KOD-02 của GS.TSKH Nguyễn Ân Niên phát triển dựa trên kết quả giải hệ phương trình Saint-Venant dạng rút gọn, phục vụ tính toán thủy lực, dự báo lũ

- Mô hình WENDY: do Viện thủy lực Hà Lan (DELFT) xây dựng cho phép tính thủy lực dòng chảy hở, xói lan truyền, chuyển tải phù sa và xâm nhập mặn

- Mô hình HEC-RAS: do Trung tâm Thủy văn kỹ thuật quân ñội Hoa Kỳ xây dựng ñược áp dụng ñể tính toán thủy lực cho hệ thống sông Phiên bản mới hiện nay ñã ñược bổ sung thêm modul tính vận chuyển bùn cát và tải khuếch tán Mô hình HEC-RAS ñược xây dựng ñể tính toán dòng chảy trong hệ thống sông có sự tương tác 2 chiều giữa dòng chảy trong sông và dòng chảy vùng ñồng bằng lũ Khi mực nước trong sông dâng cao, nước sẽ tràn qua bãi gây ngập vùng ñồng bằng, khi mực nước trong sông hạ thấp nước sẽ chảy lại vào trong sông

- Họ mô hình MIKE: do Viện thủy lực ðan mạch (DHI) xây dựng ñược tích hợp rất nhiều các công cụ mạnh, có thể giải quyết các bài toán cơ bản trong lĩnh vực tài nguyên nước Tuy nhiên ñây là mô hình thương mại, phí bản quyền rất cao nên không phải cơ quan nào cũng có ñiều kiện sử dụng

+ MIKE 11: là mô hình một chiều trên kênh hở, bãi ven sông, vùng ngập lũ, trên sông kênh có kết hợp mô phỏng các ô ruộng mà kết quả thuỷ lực

trong các ô ruộng là “giả 2 chiều” MIKE 11 có một số ưu ñiểm nổi trội so với các mô hình khác như: (i) liên kết với GIS, (ii) kết nối với các mô hình thành phần khác của bộ MIKE ví dụ như mô hình mưa rào-dòng chảy NAM, mô hình thuỷ ñộng lực học 2 chiều MIKE 21, mô hình dòng chảy nước dưới ñất, dòng chảy tràn bề mặt và dòng bốc thoát hơi thảm phủ (MIKE SHE), (iii) tính toán chuyển tải chất khuyếch tán, (iv) vận hành công trình, (v) tính toán quá trình phú dưỡng…

Hệ phương trình sử dụng trong mô hình là hệ phương trình Venant một chiều không gian, với mục ñích tìm quy luật diễn biến của mực nước và lưu lượng dọc theo chiều dài sông hoặc kênh dẫn và theo thời gian

Saint-Mô hình MIKE 11 ñã ñược ứng dụng tính toán rộng rãi tại Việt Nam và trên phạm vi toàn thế giới Tuy nhiên MIKE 11 không có khả năng mô phỏng tràn bãi nên trong các bài toán ngập lụt MIKE 11 chưa mô phỏng một cách ñầy ñủ quá trình nước dâng từ sông tràn bãi vào ruộng và ngược lại ðể cải thiện vấn ñề này bộ mô hình MIKE có thêm mô hình thủy lực hai chiều MIKE 21 và bộ kết nối MIKE FLOOD

+ MIKE 21 & MIKE FLOOD: Là mô hình thuỷ ñộng lực học dòng chảy 2 chiều trên vùng ngập lũ ñã ñược ứng dụng tính toán rộng rãi tại Việt Nam và trên phạm vi toàn thế giới Mô hình MIKE21 HD là mô hình thuỷ ñộng lực học mô phỏng mực nước và dòng chảy trên sông, vùng cửa sông, vịnh và ven biển Mô hình mô phỏng dòng chảy không ổn ñịnh hai chiều ngang ñối với một lớp dòng chảy

MIKE21 HD có thể mô hình hóa dòng chảy tràn với nhiều ñiều kiện ñược tính ñến, bao gồm:

o Ngập và tiêu nước cho vùng tràn o Tràn bờ

o Dòng qua công trình thuỷ lợi

o Thuỷ triều

o Nước dâng do mưa bão

Phương trình mô phỏng bao gồm phương trình liên tục kết hợp với phương trình ñộng lượng mô tả sự biến ñổi của mực nước và lưu lượng Lưới tính toán sử dụng trong mô hình là lưới hình chữ nhật

Tuy nhiên MIKE 21 nếu ñộc lập cũng khó có thể mô phỏng tốt quá trình ngập lụt tại một lưu vực sông với các ñiều kiện ngập thấp ðể có thể tận dụng tốt các ưu ñiểm và hạn chế những khuyết ñiểm của cả hai mô hình một chiều và hai chiều trên, DHI ñã cho ra ñời một công cụ nhằm tích hợp (coupling) cả hai mô hình trên; ñó là công cụ MIKE FLOOD

MIKE FLOOD là một công cụ tổng hợp cho việc nghiên cứu các ứng dụng về vùng bãi tràn và các nghiên cứu về dâng nước do mưa bão Ngoài ra, MIKE FLOOD còn có thể nghiên cứu về tiêu thoát nước ñô thị, các hiện tượng vỡ ñập, thiết kế công trình thuỷ lợi và ứng dụng tính toán cho các vùng cửa sông lớn

MIKE FLOOD ñược sử dụng khi cần có sự mô tả hai chiều ở một số khu vực (MIKE 21) và tại những nơi cần kết hợp mô hình một chiều (MIKE 11) Trường hợp cần kết nối một chiều và hai chiều là khi cần có một mô hình vận tốc chi tiết cục bộ (MIKE21) trong khi sự thay ñổi dòng chảy của sông ñược ñiều tiết bởi các công trình phức tạp (cửa van, cống ñiều tiết, các công trình thuỷ lợi ñặc biệt ) mô phỏng theo mô hình MIKE11 Khi ñó mô hình một chiều MIKE11 có thể cung cấp ñều kiện biên cho mô hình MIKE21 (và ngược lại)

- Bộ mô hình MIKE11 và MIKE11- GIS của viện thuỷ lực ðan Mạch (DHI) sử dụng ñể xây dựng bản ñồ ngập lụt cho vùng hạ lưu sông MIKE11-GIS là bộ công cụ mạnh trong trình bày và biểu diễn về mặt không gian và thích hợp công nghệ mô hình bãi ngập và sông của MIKE11 cùng với khả

- Mô hình MIKE SHE: Mô hình toán vật lý thông số phân bổ mô phỏng hệ thống tổng hợp dòng chảy mặt- dòng chảy ngầm lưu vực sông Mô phỏng biến ựổi về lượng và chất hệ thống tài nguyên nước Bao gồm dòng chảy trong lòng dẫn, dòng chảy tràn bề mặt, dòng chảy ngầm tầng không áp, dòng chảy ngầm tầng có áp, dòng chảy tầng ngầm chuyển tiếp giữa tầng có áp và tầng không áp, bốc thoát hơi từ tầng thảm phủ, truyền chất, vận chuyển bùn cát Ứng dụng thực tiễn: đã ựược ứng dụng tắnh toán rộng rãi trên phạm vi toàn thế giới Ở Việt Nam MIKE SHE ựược ứng dụng mô phỏng dòng hệ thống dòng chảy ngầm mặt lưu vực

Qua thực tế của việc sử dụng các mô hình thủy văn và thủy lực hiện nay trên thế giới và tại Việt nam; với mong muốn mô phỏng một cách chắnh xác nhất quá trình ngập lụt trong khu vực nghiên cứu, tác giả nhận thấy bộ mô hình MIKE - FLOOD của Viện thủy lực Hà Lan có thể ựáp ứng ựược yêu cầu xây dựng bản ựồ ngập lụt cho khu vực nghiên cứu do các lý do sau ựây:

Bộ mô hình MIKE bao gồm: mô hình thủy văn MIKE NAM, dùng ựể tắnh toán các biên ựầu vào cho mô hình thủy lực một chiều MIKE 11, cũng như biên gia nhập khu giữa cho mô hình thủy lực hai chiều MIKE 21 Mô hình thủy lực một chiều MIKE 11 mô phỏng dòng chảy một chiều trong sông và mô hình hai chiều MIKE 21 mô phỏng dòng chảy hai chiều ngang tràn bãi Bộ mô hình này rất phù hợp ựể mô

các ứng dụng về vùng bãi tràn phù hợp cho vùng trũng nghiên cứu, có thể thể hiện ñược cả mức ñộ ngập lụt lẫn tốc ñộ và hướng dòng chảy lũ trong vùng ngập lụt

Do vậy, trong luận văn này tác giả quyết ñịnh sử dụng mô hình Mike – FLOOD trong bộ mô hình MIKE của Viện thủy lực ðan Mạch ñể liên kết mô hình 1D và 2D diễn toán mô phỏng quá trình lũ trên lưu vực sông Nhật Lệ ñoạn khu vực nghiên cứu

2.3 Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE FLOOD

2.3.1 Mô hình mưa – dòng chảy MIKE – NAM

- Giới thiệu mô hình NAM

ðể tính toán quá trình hình thành dòng chảy từ mưa trên các lưu vực sông thì mô hình NAM là một công cụ khá mạnh Mô hình quan niệm lưu vực là các bể chứa xếp chồng nhau, trong ñó mỗi bể chứa ñặc trưng cho một môi trường có chứa các yếu tố gây ảnh hưởng ñến quá trình hình thành dòng chảy trên lưu vực, và các bể chứa ñược liên kết với nhau bằng các biểu thức toán học Trong mô hình NAM, mỗi một lưu vực ñược xem như một ñơn vị xử lý với các thông số là ñại diện cho các giá trị ñược trung bình hóa trên toàn lưu vực Mô hình NAM tính toán quá trình mưa dòng chảy theo cách tính liên tục hàm lượng ẩm trong các bể chứa riêng biệt tương tác lẫn nhau (hình 2.1)

Mô hình NAM có tổng cộng 19 thông số gồm các thông số về dòng chảy mặt, thông số bốc hơi, thông số tưới Và theo thực tế tính toán cho thấy

chỉ có 5 thông số chính ảnh hưởng mạnh ñến quá trình hình thành dòng chảy,

ñó là Umax; Lmax; CK1,2; CQOF; CQIF [21]

Hình 2.1: Cấu trúc mô hình NAM

Bể chứa tuyết

Bể chứamặt

Umax

CQIF

Mực nước ngầm

Dòngchảy ngầm Khai thác nước ngầm

QBF L Ea Lmax

Bể chứa sát mặt D/c sát mặt

(CQIF) Mưa

CK12

Dòng chảy mặt (CQIF)

- ðầu vào của mô hình NAM

Mô hình NAM là một mô hình mưa rào – dòng chảy nên dữ liệu ñầu vào của mô hình sẽ là số liệu mưa giờ hoặc mưa ngày thực ño của trạm khí tượng và số liệu bốc hơi trung bình cùng với diện tích của lưu vực mà mưa rơi xuống

- ðầu ra của mô hình

Kết quả của mô hình ñược biểu diễn qua ñường quá trình lưu lượng theo thời gian (thời gian có thể tính bằng giờ hoặc bằng ngày tùy thuộc vào thời gian của mưa thực ño)

2.3.2 Mô hình MIKE 11

Mô hình MIKE 11 là mô hình tính toán mạng sông dựa trên việc giải hệ phương trình một chiều Saint -Venant:

Phương trình liên tục:

∂ (2.1)

∂ (2.2)

Phương trình chuyển ñộng:

AQ

ñúng bằng cách rời rạc hóa hệ phương trình Có nhiều phương pháp rời rạc hóa hệ phương trình, và trong mô hình MIKE 11, tác giả ñã sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn 6 ñiểm ẩn Abbott Dưới ñây mô tả các cách bố trí sơ ñồ Abbott 6 ñiểm với các phương trình (hình 2.2), và các biến trong mặt phẳng x~t (hình 2.3)

Trong phương pháp này, mực nước và lưu lượng dọc theo các nhánh sông ñược tính trong hệ thống các ñiểm lưới xen kẽ như dưới ñây (hình 2.4)

ðối với mạng lưới sông phức tạp, mô hình cho phép giải hệ phương trình cho nhiều nhánh sông và các ñiểm tại các phân lưu/nhập lưu Cấu trúc của các nút lưới ở nhập lưu, tại ñó ba nhánh gặp nhau, thể hiện trong hình sau (hình 2.5)

Hình 2.2: Sơ ñồ sai phân hữu hạn 6 ñiểm ẩn Abbott

Hình 2.3: Sơ ñồ sai phân 6 ñiểm ẩn Abbott trong mặt phẳng x~t

Cấu trúc các ñiểm lưới trong mạng vòng (hình 2.6) Tại một ñiểm lưới, mối quan hệ giữa biến số Zj (cả mực nước hj và lưu lượng Qj) tại chính ñiểm ñó và tại các ñiểm lân cận ñược thể hiện bằng phương trình tuyến tính sau:

1 (2.4)

Hình 2.4 : Nhánh sông với các ñiểm lưới xen kẽ

Hình 2.5 : Cấu trúc các ñiểm lưới xung quanh ñiểm nhập lưu

Hình 2.6 : Cấu trúc các ñiểm lưới trong mạng vòng

ðiều kiện biên và ñiều kiện ban ñầu

Hệ phương trình (2.1-2.3) khi ñược rời rạc theo không gian và thời gian sẽ gồm có số lượng phương trình luôn ít hơn số biến số, vì thế ñể khép kín hệ phương trình này cần phải có các ñiều kiện biên và ñiều kiện ban ñầu

Trong mô hình MIKE 11, ñiều kiện biên của mô hình khá linh hoạt, có thể là ñiều kiện biên hở hoặc ñiều kiện biên kín ðiều kiện biên kín là ñiều kiện tại biên ñó không có trao ñổi nước với bên ngoài ðiều kiện biên hở có thể là ñường quá trình của mực nước theo thời gian hoặc của lưu lượng theo thời gian, hoặc có thể là hằng số [21]

Các ñiều kiện ban ñầu bao gồm mực nước và lưu lượng trên khu vực nghiên cứu Thường lấy lưu lượng xấp xỉ bằng 0 còn mực nước lấy bằng mực nước trung bình

- ðiều kiện Courant dưới ñây có thể dùng như một hướng dẫn ñể chọn bước thời gian sao cho ñồng thời thoả mãn ñược các ñiều kiện trên ðiển hình, giá trị của Cr là 10 ñến 15, nhưng các giá trị lớn hơn (lên ñến 100) ñã ñược sử dụng:

với V là vận tốc

Cr thể hiện tốc ñộ nhiễu ñộng sóng tại nước nông (biên ñộ nhỏ) Số Courant biểu thị số các ñiểm lưới trong một bước sóng phát sinh từ một nhiễu ñộng di chuyển trong một bước thời gian Sơ ñồ sai phân hữu hạn dùng trong MIKE 11 (sơ ñồ 6 ñiểm Abbott), cho phép số Courant từ 10 - 20 nếu dòng chảy dưới phân giới (số Froude nhỏ hơn 1) [21]

2.3.3 Cơ sở lý thuyết của mô hình MIKE 21

Hệ phương trình cơ bản sử dụng trong mô hình MIKE 21 bao gồm 1 phương trình liên tục và 2 phương trình chuyển ñộng:

Phương trình liên tục :

(2.7) trong ñó :