Bài viết này trình bày kết quả nghiên cứu đánh giá tác động của sự thay đổi thảm phủ tới tình hình lũ, ngập lụt cho thành phố Cao Bằng. Qua đó làm cơ sở để hỗ trợ đề xuất các kế hoạch ứng phó, cứu trợ, đảm bảo phát triển kinh tế xã hội và môi trường tự nhiên bền vững cho thành phố.
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ THAY ĐỔI THẢM PHỦ ĐẾN TÌNH HÌNH LŨ, NGẬP LỤT CHO THÀNH PHỐ CAO BẰNG Hoàng Tiến Thành, Hà Thanh Lân, Lê Viết Sơn, Đinh Xuân Hùng, Trần Văn Tuyền Viện Quy hoạch Thủy lợi Tóm tắt: Trong năm gần đây, lũ, ngập lụt thành phố Cao Bằng xảy thường xuyên, gây thiệt hại lớn người tài sản Có thể có nhiều nguyên nhân gây lũ, ngập lụt hệ thống cơng trình phòng chống lũ chưa đảm bảo, mưa lớn xảy bất thường tác động BĐKH, việc thay đổi bề mặt thảm phủ (cả số lượng chất lượng), phát triển cơng trình hạ tầng lưu vực nguyên nhân chưa biết đến Phân tích đánh giá kỹ lưỡng yếu tố có sở để xác định nguyên nhân chủ yếu dẫn tới tình trạng lũ, ngập lụt tương lai khu vực nghiên cứu Trong báo này, nhóm nghiên cứu sử dụng phương pháp mơ hình thủy văn phân bố dạng mở IFAS nhằm xác định lưu lượng dòng chảy làm đầu vào cho mơ hình tốn kết hợp chiều chiều MIKE FLOOD để xác định độ sâu ngập diện tích ngập cho thành phố Cao Bằng ứng với kịch thay đổi thảm phủ Các kết từ mơ hình phân tích đánh giá làm sở khoa học để đề xuất kế hoạch ứng phó, cứu trợ tình qua đảm bảo phát triển kinh tế xã hội môi trường tự nhiên bền vững cho địa phương Từ khóa: Ngập lụt, MIKE FLOOD, IFAS Summary: In recent years, floods, flooding in Cao Bang city occurred frequently, causing great damage to people and property There may be several causes of floods, such as unsecured flood prevention and protection systems, abnormal rains due to the impact of climate change, changing the surface of the carpet (both quantity and quality), development of infrastructure works in the basin and also unknown causes Analyzing and evaluating these factors will be the basis for identifying the main causes of current and future flooding in the study areas In this article, the research team used IFAS open distributed hydrological model to determine the flow rate as input to the combined 1-dimensional and 2-dimensional combined mathematical model MIKE FLOOD to determine the depth of inundation and flooding area for Cao Bang city corresponding to the land cover change scenario The results from the models will be analyzed and evaluated as a scientific basis to propose response and relief plans to prevent and minimize damage caused by floods, ensuring sustainable socio-economic development and natural environment for the locality Keywords: Flood, MIKE FLOOD, IFAS MỞ ĐẦU * Thành phố Cao Bằng trung tâm hành chính, kinh tế, trị, văn hóa tỉnh Cao Bằng, có tọa độ địa lý từ 22039 22042' vĩ độ Bắc từ 106011' đến 106018' kinh độ Đông Địa giới Ngày nhận bài: 26/11/2020 Ngày thông qua phản biện: 15/12/2020 hành chính: Phía Đơng giáp xã Quang Trung, xã Hồng Nam huyện Hòa An; Tây giáp xã Bạch Đằng, xã Hồng Tung huyện Hịa An; Nam giáp xã Kim Đồng huyện Thạch An, xã Lê Trung huyện Hòa An; Bắc giáp xã Bế Triều, xã Ngày duyệt đăng: 22/12/2020 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 64 - 2021 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ Ngũ Lão huyện Hịa An Cách Thủ Hà Nội 286 km theo quốc lộ 3, cách thành phố Lạng Sơn 120 km theo quốc lộ 4A, cách cửa Quốc gia Tà Lùng khoảng 70 km theo quốc lộ Tổng diện tích tự nhiên thành phố Cao Bằng 10.762,81 ha, dân số toàn thành phố 84.421 người, 11 đơn vị hành bao gồm với phường: Duyệt Trung, Đề Thám, Hòa Chung, Hợp Giang, Ngọc Xuân, Sông Bằng, Sông Hiến, Tân Giang xã: Chu Trinh, Hưng Đạo, Vĩnh Quang [1] Theo thống kê cho thấy phân bố dân cư theo đơn vị hành thành phố Cao Bằng khơng đồng đều, khu vực dân cư nội thị có mật độ cao khoảng lần so với dân cư ngoại thị; dân cư chủ yếu tập trung 06 phường Hợp Giang, Sông Bằng, Sông Hiến, Tân Giang, Đề Thám Ngọc Xuân khu vực khu vực có lịch sử phát triển lâu đời hạ tầng sở, hạ tầng xã hội đầu tư xây dựng đồng đồng thời hầu hết trụ sở quan hành đầu não tỉnh, sở y tế trường học tập trung thành phố Cao Bằng [2] Ngoài ra, năm gần tượng lũ, ngập lụt thành phố Cao Bằng xảy thường xuyên, gây thiệt hại lớn người tài sản Có thể có nhiều nguyên nhân gây lũ, ngập lụt hệ thống cơng trình phịng chống lũ chưa đảm bảo, mưa lớn xảy bất thường tác động BĐKH, việc thay đổi bề mặt thảm phủ (cả số lượng chất lượng), phát triển cơng trình hạ tầng lưu vực… nguyên nhân chưa biết đến Do vậy, việc phân tích đánh giá kỹ lưỡng yếu tố có sở để xác định nguyên nhân chủ yếu dẫn tới tình trạng lũ, ngập lụt tương lai địa bàn thành phố là nơi có quan hành quan trọng tỉnh [3] [4] [5] Bài báo trình bày kết nghiên cứu đánh giá tác động thay đổi thảm phủ tới tình hình lũ, ngập lụt cho thành phố Cao Bằng Qua làm sở để hỗ trợ đề xuất kế hoạch ứng phó, cứu trợ, đảm bảo phát triển kinh tế xã hội môi trường tự nhiên bền vững cho thành phố PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Phương pháp tính tốn thủy văn mơ hình IFAS Hình 1: Sơ đồ tính tốn mơ hình IFAS Mơ hình IFAS (viết tắt Integrated Flood Analysis System) mơ hình thủy văn phân bố dạng mở Trung tâm quốc tế quản lý hiểm họa rủi ro nước (ICHARM) Mô hình sử dụng liệu viễn thám làm liệu đầu vào sử dụng mưa vệ tinh để mô dịng chảy Các thơng số mơ hình hiệu chỉnh dựa số liệu lưu lượng lũ thực đo lưu lượng lũ tính tốn mơ hình Sau xác định thơng số mơ hình từ liệu mưa vệ tinh, ta dự báo lưu lượng đường trình lũ hồ [6] [7] Đối với nghiên cứu này, việc đánh giá tác động thảm phủ đến dòng chảy lũ phân tích đánh giá mơ hình thủy văn IFAS Đối với mơ hình IFAS có thông số nghiên cứu gồm thông số lớp mặt, thơng số lớp bão hịa thơng số sông, suối Để đánh giá tác động thảm phủ mơ hình IFAS, nhóm nghiên cứu lưa chọn thay đổi thông số lớp bề mặt (surface layer) nhóm nghiên cứu xây dựng kịch thay đổi thảm phủ từ nhóm (đất rừng), nhóm (đất trống, chưa trồng trọt), nhóm (đất trồng trọt, ngập nước) sang nhóm (đất xây dựng) Các thơng số trước sau thay đổi mơ hình thể bảng dưới: TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 64 - 2021 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Bảng 1: Thơng số mơ hình trước thay đổi thảm phủ Thông số SKF Lớp 0,0003 0,00002 0,00001 0,000001 0,00001 HFMDX HFMDN HFOD SNF HIFD FALFX 0,12 0,05 0,05 0,001 0,05 0,01 0,01 0,01 0,0005 0,01 0,005 0,005 0,005 0,0001 0,005 0,7 0,5 2,0 0,1 2,0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 1,2 0,6 0,5 0,9 0,5 Bảng 2: Thông số mô hình1 sau thay đổi thảm phủ Thơng số Lớp SKF HFMDX HFMDN HFOD SNF HIFD FALFX 0,00002 0,00002 0,00001 0,000001 0,00001 0,05 0,05 0,05 0,001 0,05 0,01 0,01 0,01 0,0005 0,01 0,005 0,005 0,005 0,0001 0,005 0,5 0,5 2,0 0,1 2,0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,6 0,6 0,5 0,9 0,5 Các kết mô từ kịch thay đổi thảm phủ so sánh với kết mô kịch trước thay đổi thảm phủ Kịch trước thay đổi thảm phủ mô trận lũ năm 1971 nhằm đánh giá thay đổi tác động thảm phủ đến tình hình ngập lụt cho thành phố Cao Bằng tràn vào đồng, mơ hình sử dụng lưới tính linh hoạt: khu vực hẹp, có thay đổi đột ngột địa hình, điều kiện dịng chảy chia lưới dày; khu vực địa hình phẳng chia lưới thưa để giảm thời gian tính tốn [8] [9] [10] 1.1 Phương pháp tính tốn thủy lực Để xác định độ sâu ngập, diện tích ngập xây dựng đồ ngập lụt cho thành phố Cao Bằng với kịch tác động thảm phủ, nghiên cứu ứng dụng mơ hình MIKE FLOOD mơ hình phát triển Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI), mơ hình thực kết nối mơ hình chiều MIKE 11 mơ hình chiều MIKE 21 FM Trong đó, mơ hình tốn MIKE 11 áp dụng để tính tốn q trình truyền lũ lịng sơng chính, dịng chảy chiều theo chiều dọc sông Mơ hình MIKE 11 mơ cơng trình sơng cống, cầu, đập, cơng trình kiểm sốt lũ điều tiết lũ với độ xác cao Mơ hình MIKE 21 FM mơ dun thủy động lực dùng để mơ hình hóa dịng chảy tràn chiều bãi sông, lũ sơng vượt qua đê Hình 2: Sơ đồ tính tốn thủy lực 1.2 Phương pháp tích hợp kết tính tốn TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 64 - 2021 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ thủy lực với GIS Hệ thống thông tin địa lý (GIS) phục vụ nhập liệu, quản lý liệu, gia cơng phân tích liệu, xuất liệu mối quan hệ thuộc tính Đây liệu không gian thời gian tham chiếu đến trái đất GIS sử dụng hệ thống quản trị liệu (DBMS) dạng liệu lưu trữ Các DBMS thông thường lưu trữ liệu thuộc tính (những thứ khơng thể chuyển đổi thành hình ảnh, chi tiết vật, khơng gian giới bên ngồi) Trong thuộc tính liệu lưu trữ GIS tạo chuyển đổi ngược lại Bằng hệ thống người thực phân tích, cập nhật liệu, tính tốn dựa liệu này, đưa kết hỗ trợ việc định Các liệu xử lý từ kết thủy lực liên kết xử lý nhờ hệ thống thông tin địa lý để thông tin thể dạng hình ảnh đồ thực số toán chồng xếp, tích hợp thơng tin cơng tác quản lý, theo dõi diễn biến thiên tai, đặc biệt diễn biến ngập lũ [11] [12] [13] liệu từ kết thủy lực sau làm sở cho việc xây dựng đồ ngập lũ cho thàn phố Cao Bằng [14] Các kết dạng đồ thể trực quan, phục vụ tốt cho công tác quản lý, phân tích dịng chảy lũ để đưa giải pháp phòng chống lũ hiệu HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MƠ HÌNH 3.1 Hiệu chỉnh kiểm định mơ hình thủy văn IFAS a) Hiệu chỉnh mơ hình Hình 4: Đường q trình lưu lượng mơ hình IFAS với lưu lượng thực đo từ tháng đến tháng 10 năm 2018 trạm thủy văn Bằng Giang sau hiệu chỉnh Nhóm nghiên cứu thiết lập mơ hình với trận lũ tháng 18 năm 2018 với số liệu lũ mô hiệu chỉnh thơng số mơ hình số liệu mưa Nhìn vào hình 4, thấy đường q trình lưu lượng tính tốn từ mơ hình IFAS với lưu lượng thực đo có lên xuống phù hợp, bám sát đồng thời hệ số tương quan R2=0,625 thể thông số hiệu chỉnh mơ hình kết mơ đáng tin cậy b) Kiểm định mơ hình Để đánh giá tính xác mơ hình IFAS, tiến hành kiểm định lại mơ hình với trận lũ tháng 10 năm 2017 Kết thu sau: Hình 3: Cấu trúc hệ thống thông tin địa lý (GIS) Trong nghiên cứu sử dụng phần mềm ArcGIS sản phẩm Viện nghiên cứu Hệ thống Môi trường (ERSI) Mỹ để xử lý số Có thể thấy từ thơng số hiệu chỉnh mơ hình, kiểm định lưu lượng mơ hình với lưu lượng thực đo cho giá trị R trung bình (R2 =0,627) Kết chấp nhận TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 64 - 2021 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ khai thác phương án lũ hệ thống sơng mơ hình b) Kiểm định mơ hình Hình 5: Đường q trình lưu lượng mơ mơ hình IFAS với lưu lượng thực đo từ tháng đến tháng 10 năm 2017 trạm thủy văn Bằng Giang 3.2 Hiệu chỉnh kiểm định mơ hình MIKE FLOOD a) Hiệu chỉnh mơ hình Trên sở tài liệu đo đạc địa, thủy văn tài liệu điều tra thu thập tiêu úng vùng tính tốn, nhóm nghiên cứu lựa chọn thời gian mô lũ từ 9/8/1968 đến 14/08/1968 Sau nhiều lần tính tốn hiệu chỉnh thơng số mơ hình thủy lực q trình lưu lượng, mực nước tồn mạng sơng Dưới kết tính tốn hiệu chỉnh trích từ trạm thủy văn Bằng Giang: Hình 7: Đường q trình mực nước thực đo mơ tính tốn kiểm định trạm Bằng Giang năm 1971 Trên sở thông số mô hình thủy lực việc mơ phỏng, tiến hành kiểm định thơng số với trận lũ lớn thực tế xảy Từ đánh giá độ tin cậy mơ hình thủy lực Qua tính tốn kiểm định với trận lũ thực tế năm 1971 từ ngày 13 đến ngày 23 tháng năm 1971 với hệ số NASH lớn 0,87 cho thấy thơng số mơ hình đạt u cầu KẾT QUẢ TÍNH TỐN NGẬP LỤT Sau hiệu chỉnh kiểm định mơ hình Nhóm nghiên cứu tiến hành mô kịch trước sau thay đổi thảm phủ Các kết thể đây: Hình 6: Đường trình mực nước thực đo mơ tính tốn hiệu chỉnh trạm Bằng Giang năm 1968 Từ đồ thị so sánh đường q trình mực nước thực đo mơ trạm Bằng Giang vị trí lý trình 18303,5 thuộc mặt cắt MC01 mơ hình cho thấy tương đồng với tiêu đánh giá sai số Nash lớn 0,8 cho thấy thơng số mơ hình đảm bảo độ tin cậy sử dụng Hình 8: So sánh diện tích ngập (ha) ứng với kịch trước sau thay đổi thảm phủ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 64 - 2021 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ Hình 9: So sánh mực nước lũ kịch trước sau thay đổi thảm phủ trạm thủy văn Bằng Giang Bảng 3: Bảng tổng hợp giá trị mực nước lũ kịch trạm thủy văn Bằng Giang Trước thay đổi thảm phủ Giá trị Nhỏ Lớn Trước thay đổi thảm phủ Sau thay đổi thảm phủ Nhỏ 279,878 294,405 178,451 Trung bình 1089,551 1147,128 181,466 Lớn 2455,908 2931,067 185,138 181,342 184,434 Nhìn vào biểu đồ hình thấy xu hướng diện ngập tăng lên, rõ phường Vinh Quang (tăng khoảng 24 ha), Phường Hợp Giang diện tích ngập tăng khoảng 2,5ha xã phường cịn lại có tăng khơng q chênh lệch Như vậy, với kịch thay đổi thảm phủ từ nhóm (đất rừng), nhóm (đất trống, chưa trồng trọt), nhóm (đất trồng trọt, ngập nước) sang nhóm (đất xây dựng) thấy tác động làm gia tăng diện tích ngập lụt cho thành phố Cao Bằng Cụ thể theo biểu đồ hình hình so sánh mực nước lưu lượng lũ trạm thủy văn Bằng Giang thấy: với đỉnh lũ tăng 0,7 m lưu lượng lớn tăng 475,159 m 3/s tổng diện tích ngập địa bàn thành phố tăng lên 27,4 đồng thời tổng diện tích ngập độ ngập sâu lớn 2m gia tăng ngưỡng khoảng 20% làm gia tăng rủi ro Bảng 4: Bảng tổng hợp giá trị lưu lượng lũ kịch trạm thủy văn Bằng Giang Giá trị Sau thay đổi thảm phủ 178,077 Trung bình Hình 10: So sánh lưu lượng lũ trạm thủy văn Bằng Giang với kịch tính tốn ngập lụt phạm vi rộng cho khu vực đông dân cư, trụ sở hành tỉnh nằm địa bàn thành phố Ngồi xét tỉ lệ diện tích ngập diện tích tự nhiên, với kịch thay đổi thảm phủ phường Hợp Giang có tỉ lệ cao 74,72% phường Tân Giang có tỉ lệ thấp 0,5% Qua thấy mức độ rủi ro ngập lũ phường Hợp Giang cao Các phường xã cịn lại có tỉ lệ diện tích ngập diện tích tự nhiên nhỏ 15% cụ thể phường, xã như: Ngọc Xuân 14,23%; Đề Thám 9,45%; Vinh Quang 7,54%; Sông Bằng 3,92%; Sông Hiến 2,94%; Hưng Đạo 2,84% Hòa Trung 2,64% Bản đồ thể tình hình ngập lụt thành phố Cao Bằng ứng với kịch trước sau thay đổi thảm phủ thể đây: TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 64 - 2021 KHOA HỌC CƠNG NGHỆ (b) (a) Hình 11: Bản đồ ngập lụt thành phố Cao Bằng ứng với kịch (a) trước thay đổi thảm phủ (b) sau thay đổi thảm phủ KẾT LUẬN Trong khuôn khổ báo thể kết đánh giá tác động thảm phủ tới khả xuất lũ, ngập lụt TP Cao Bằng phương pháp khoa học, định lượng Nhóm nghiên cứu đề xuất kịch mơ phỏng, tính tốn dịng chảy lũ lưu vực theo kịch thay đổi thảm phủ từ nhóm (đất rừng), nhóm (đất trống, chưa trồng trọt), nhóm (đất trồng trọt, ngập nước) sang nhóm (đất xây dựng) Kết cho thấy tổng diện tích ngập tồn thành phố tăng 27,4 ha, đồng thời gia tăng khoảng 20% diện tích thành phố nằm độ ngập sâu lớn 2m gây thiệt hại cho người tài sản Ngồi phường Hợp Giang phường có tỉ lệ diện tích ngập diện tích tự nhiên cao với khoảng 74,72% diện tích phường bị ngập lụt Kết nghiên cứu thể dạng đồ ngập lụt với hình ảnh trực quan giúp nhà quản lý người dân dễ dàng nhận biết, qua góp phần hỗ trợ xây dựng giải pháp kế hoạch ứng phó với lũ, ngập lụt địa bàn thành phố Cao Bằng Lời cảm ơn: Nghiên cứu phần kết nghiên cứu đề tài nghiên cứu khoa học phát triển công nghệ cấp Quốc gia: Nghiên cứu đánh giá rủi ro lũ, ngập lụt đề xuất giải pháp phịng tránh, thích ứng cho khu vực tập trung đông dân cư, đô thị vùng miền núi Bắc Bộ, mã số KC08.26/16-20 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] UBND thành phố Cao Bằng, "Báo cáo Kinh tế-Xã hội," 2018 [2] UBND thành phố Cao Bằng, "Quy hoạch Thủy lợi tỉnh Cao Bằng giai đoạn 2016-2025 định hướng đến 2030," 2016 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 64 - 2021 CHUYỂN GIAO CÔNG NGHỆ [3] kttvqg.gov.vn, "Mưa lớn Cao Bằng: Nhiều tuyến đường bị tắc nghẽn," http://kttvqg.gov.vn/kttv-voi-san-xuat-va-doi-song-106/mua-lon-o-cao-bang nhieu-tuyenduong-bi-tac-nghen-6736.html, 2020 [4] nhandan.com.vn, "Mưa lũ, lở đá gây thiệt hại Cao Bằng," https://nhandan.com.vn/tintuc-xa-hoi/mua-lu-lo-da-gay-thiet-hai-tai-cao-bang-609481/, 2020 [5] baotainguyenmoitruong.vn, "Cao Bằng: Thiệt hại nhiều tài sản mưa lốc gây ra," https://baotainguyenmoitruong.vn/cao-bang-thiet-hai-nhieu-tai-san-do-mua-loc-gay-ra299848.html, 2020 [6] ICHARM, "IFAS ver.2.0 technical manual," 2014 [7] Chow, M F., & Jamil, M M (2017), "Review of Development and Applications of Integrated Flood Analysis System (IFAS) for Flood Forecasting in Insufficiently-Gauged Catchments," Journal of Engineering and Applied Sciences, pp 9210-9215, 2017 [8] Denmark Hydraulic Institute (DHI), "MIKE FLOOD user guide," p 514, 2017 [9] Denmark Hydraulic Institute (DHI), "MIKE 21 Flow model FM user guide," 2017 [10] Denmark Hydraulic Institute (DHI), "MIKE 11 model user guide," 2017 [11] Tomlinson, Roger F., "Thinking about GIS: Geographic Information System Planning for Managers," ESRI, Inc, 20007 [12] Trần Duy Kiều, Đinh Xuân Trường, Nguyễn Quang Minh, "Tích hợp cơng nghệ GIS mơ hình thủy văn, thủy lực việc thành lập đổ ngập lụt phục vụ công tác dự báo lũ cho lưu vực sông Cả," 2012 [13] Lê Văn Nghinh, "Giáo trình kỹ thuật viễn thám hệ thống thơng tin địa lý," 1998 [14] esri.com.https://www.esri.com/en-us/about/about-esri/overview TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 64 - 2021 ... kịch thay đổi thảm phủ so sánh với kết mô kịch trước thay đổi thảm phủ Kịch trước thay đổi thảm phủ mô trận lũ năm 1971 nhằm đánh giá thay đổi tác động thảm phủ đến tình hình ngập lụt cho thành phố. .. (a) Hình 11: Bản đồ ngập lụt thành phố Cao Bằng ứng với kịch (a) trước thay đổi thảm phủ (b) sau thay đổi thảm phủ KẾT LUẬN Trong khuôn khổ báo thể kết đánh giá tác động thảm phủ tới khả xuất lũ,. .. phó với lũ, ngập lụt địa bàn thành phố Cao Bằng Lời cảm ơn: Nghiên cứu phần kết nghiên cứu đề tài nghiên cứu khoa học phát triển công nghệ cấp Quốc gia: Nghiên cứu đánh giá rủi ro lũ, ngập lụt đề