Để xác định được vùng ngập lụt thì cần phương pháp thành lập bản đồ. Hiện nay trên thế giới để xây dựng bản đồ ngập lụt thường xác định bằng một trong các phương pháp sau [9, 16, 59]:
2.3.3.1. Xây dựng bản đồ ngập lụt dựa vào tài liệu thống kê, điều tra vết lũ
Các trận lũ lụt xảy ra trong quá khứ thường được ghi nhận bởi dân cư sống trong vùng bị ảnh hưởng. Do đó, các thông tin điều tra về tình hình ngập lụt đã xảy ra có vai trò quan trọng trong quá trình khoanh vùng.
Các bước tiến hành:
- Điều tra, khảo sát thực địa;
- Thu thập xử lý các số liệu khí tượng thủy văn liên quan; - Kết quả phân tích số liệu địa hình;
- Xây dựng bản đồ.
Việc thu thập xử lý số liệu khí tượng thủy văn bao gồm:
Số liệu mưa: Số liệu mưa được lựa chọn cho các thời đoạn thích hợp khác nhau, từ khi bắt đầu mưa gây ngập lụt đến khi kết thúc ngập lụt tại các trạm trên lưu vực và lân cận.
Số liệu mực nước và dòng chảy: Số liệu mực nước và lưu lượng nước được tập hợp tại các trạm đo thường xuyên trên sông chính; vết lũ dọc theo lòng sông và vùng ngập. Mực nước cực đại đo được tại trạm đo cần được đưa về cùng hệ cao độ với bản
đồ địa hình. Số liệu mực nước dọc sông và vùng ngập phải được kiểm tra mức độ tin cậy. Số liệu lưu lượng thực đo và khảo sát ở các trạm và các vị trí cần thiết ở khu vực ngập lụt.
Số liệu ngập lụt: Các số liệu về phạm vi vùng ngập, độ sâu ngập lụt, thời gian kéo dài ngập lụt, vận tốc, hướng chảy. Các số liệu về các trận lụt khác xảy ra trước đó cũng cần được thu thập để nắm được tình hình ngập lụt nói chung như tần suất lặp lại.
Đa số các số liệu về ngập lụt được thu thập từ việc khảo sát thực địa các vết lũ và các thông tin thu thập được từ dân cư sống trong vùng ngập lụt. Các số liệu về thiệt hại do lũ lụt có thể có sẵn từ các cơ quan địa phương như: Ban chỉ huy phòng chống lụt bão các cấp tỉnh, huyện, xã, phường, Bảo hiểm, Hội chữ thập đỏ...
2.3.3.2. Xây dựng bản đồ ngập lụt bằng phương pháp sử dụng bản đồ địa hình, địa mạo
Dùng bản đồ địa hình, địa mạo để phân tích, nhận biết các vùng ngập lụt thông qua các đường đồng mức, các điểm độ cao, nguồn gốc, điều kiện hình thành…
Các đặc trưng địa hình, địa mạo của các lưu vực sông được phân loại thành các dạng khác nhau theo các đơn vị địa hình, địa mạo.
Hình 2-2. Sơ đồ các bước khoanh vùng nguy cơ ngập lụt bằng phương pháp sử dụng
bản đồ địa hình, địa mạo
Đồng bằng ngập lụt về tổng thể được phân loại thành 2 loại vi địa hình: (1) các dòng sông trước đây và các vùng đầm lầy ở vùng tương đối thấp và có xu thế ngập lụt, vùng đồng bằng phù sa; (2) các vùng đất cát tương đối cao như các gò đất tự nhiên. Các dạng vi địa hình trong đồng bằng ngập lụt được điều tra, khảo sát chi tiết để dự đoán nguy cơ ngập lụt của vùng. Sự liên hệ giữa nguồn gốc đất và hiện tượng ngập lụt tương đối rõ. Do đó, việc điều tra địa hình, địa mạo có thể làm sáng tỏ các vùng đất tự
nhiên dễ bị ngập lụt và cung cấp thông tin cơ bản cho việc khoanh vùng nguy cơ ngập lụt. Trong quá trình điều tra địa hình, địa mạo, các dạng vi địa hình trong được phân loại chi tiết và được giải thích từ sự phân tích nguy cơ ngập lụt bởi các chuyên gia có kinh nghiệm thực địa.
2.3.3.3. Xây dựng bản đồ ngập lụt bằng phương pháp sử dụng mô hình
Bản đồđịa hình cũ, mới nhất Tỉ lệ 1/1000÷1/50.000 Phân tích và phân dạng các loại vi địa hình Các nguồn tư liệu khác (các bản đồ chuyên ngành) Các nguồn số liệu khảo sát thực địa Dự thảo bản đồ khoanh vùng nguy cơ ngập lụt địa hình, địa mạo Bản đồ khoanh vùng nguy cơ ngập lụt địa hình, địa mạo Khảo sát thực địa kiểm chứng
Từ các đặc trưng thủy văn, thủy lực kết hợp với bản đồ địa hình đã chọn việc xây dựng khoanh vùng nguy cơ ngập lụt bằng phương pháp sử dụng mô hình được tiến hành như sau:
Bằng mô hình dòng chảy một chiều/ổn định: Từ mô hình xác định được mực nước lớn nhất tại mỗi tuyến ngang sông. Đường ranh giới ngập lụt là đường nối liền theo các mực nước lớn nhất ở mỗi tuyến ngang sông (Hình 2-3).
Bằng mô hình hồ: Từ mực nước và lưu lượng xác định cho các thời đoạn đối với mỗi hồ, việc xây dựng bản đồ khoanh vùng nguy cơ ngập lụt được xác định bởi các
đường ranh giới ngập theo các mực nước lớn nhất (Hình 2-4).
Bằng mô hình dòng chảy hai chiều: Bản đồ khoanh vùng nguy cơ ngập lụt được xác định bằng cách dùng các ô lưới hình chữ nhật, được tính ra từ mức ngập lụt.
Đường viền các vùng nguy cơ ngập lụt được vẽ dựa vào ô lưới đã có (Hình 2-5).
Hình 2-3. Khoanh vùng nguy cơ ngập lụt sử dụng mô hình dòng chảy một chiều
Hình 2-4. Khoanh vùng nguy cơ ngập lụt sử dụng mô hình hồ
2.3.3.4. Xây dựng bản đồ ngập lụt bằng phương pháp ảnh vệ tinh
Hiện nay ở Việt Nam có các loại tư liệu vệ tinh thông dụng có thể sử dụng vào mục đích khoanh vùng nguy cơ ngập lụt như: LANDSAT MSS, LANDSAT TM, SPOT HRV, MOS-1 MESSR, ảnh chụp từ máy bay với các tỷ lệ khác nhau...
Về bản chất việc nghiên cứu ngập lụt bằng tư liệu vệ tinh hoàn toàn dựa trên đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên, trong đó có chú trọng tới các đối tượng ngập nước và chứa nước.
Dựa vào phản xạ phổ của một sốđối tượng tự nhiên trong dải sóng nhìn thấy có thể thấy, thực vật phản xạ yếu trong dải sóng nhìn thấy, sự phản xạ của chúng bị ảnh hưởng trước tiên bởi hàm lượng chất diệp lục có trong thành phần lá cây. Chất diệp lục hấp thụ hơn 90% năng lượng trong dải sóng chàm (0.45 micro mét) và đỏ (0.65 micro mét). Giữa hai vùng hấp thụ là vùng phản xạở bước sóng 0.55 micro mét, năng lượng phản xạ vào khoảng 20%. Trong vùng sóng hồng ngoại gần, sự phản xạ tăng lên đột ngột ở bước sóng từ 0.68 đến 0.7 micro mét. Trong vùng hồng ngoại bước sóng ngắn, sự phản xạ giảm đi khi bước sóng tăng lên. Nguyên nhân gây lên hiện tượng này là ở
chính hàm lượng nước trong lá và bề dày của lá, vì trong vùng sóng này nước hấp thụ
mạnh các sóng hồng ngoại. Vì vậy rất dễ dàng phân biệt được thực vật với các đối tượng khác bằng hai vùng phản xạ tại sóng lục và gần hồng ngoại.
Đặc trưng phản xạ phổ của nước có thể mô tả vắn tắt như sau: Nhìn chung chúng cho các bức xạ truyền qua trong dải sóng dưới 0.6 micro mét. Ở vùng sóng dài hơn chúng bị hấp thụ mạnh và phản xạ rất yếu. Sự hấp thụ và truyền qua của bức xạ trong nước phụ thuộc vào nhiều vật chất lơ lửng trong nước và nền đáy. Vì vậy năng lượng phản xạ có thể chứa nhiều thông tin về các vật chất lơ lửng cũng như mức độ nông sâu của nền đáy thủy vực. Các vật chất lơ lửng hữu cơ hoặc vô cơ, mật độ các loại tảo, rêu…sống trong nước là nguyên nhân chính ảnh hưởng tới sự phản xạ phổ của nước. Trên ảnh đen trắng, nước trong có màu sẫm trong khi nước hồ do lẫn nhiều tạp chất và nền đáy thường nông nên có màu sáng hơn. Trên ảnh màu giả, nước trong vẫn giữ màu
đen nhưng nước hồ, ao lại có màu vàng, lục. Ranh giới thủy vực có thểđược xác định rõ ràng trên các ảnh trong dải sóng hồng ngoại.
Những vùng đất không bị che phủ bởi thực vật và không bị ngập nước phản xạ
mạnh năng lượng mặt trời trên mọi dải sóng và do đó trên ảnh tổng hợp màu nó bao giờ cũng cho các màu sáng cho đến trắng.
Căn cứ theo các đặc tính phản xạ phổ của các yếu tố cơ bản trong lớp phủ bề mặt có thể xây dựng quy trình công nghệ nhằm tách biệt ranh giới các khu vực chứa nước và không chứa nước. Đây là công việc quan trọng đầu tiên trong việc theo dõi ngập lụt, bởi vì thực chất của công việc này là xác định ranh giới của các thủy vực tạm thời (vùng ngập lụt) và không tạm thời (ao, hồ…).
Để tách biệt ranh giới giữa vùng ngập nước và không ngập nước có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau trong đó có thể kể đến là phương pháp giải đoán bằng mắt và phương pháp xử lý số.
2.3.3.5. Lựa chọn phương pháp xây dựng bản đồ ngập lụt cho khu vực nghiên
cứu
Việc xây dựng bản đồ ngập lụt các khu vực nghiên cứu nếu dựa vào số liệu điều tra khảo sát thực địa là tương đối chính xác nếu mật độ vết lũ dày. Tuy nhiên, trong thực tế thường số liệu và thông tin điều tra vết lũ ít, nên xác định ranh giới ngập lụt gây nhiều khó khăn, độ chính xác hạn chế. Vì vậy phương pháp này ít được sử dụng
độc lập mà thường kết hợp với một số phương pháp khác (vệ tinh, mô hình hóa, địa hình địa mạo) để nâng cao độ chính xác.
Phương pháp xây bản đồ ngập lụt sử dụng bản đồ địa hình, địa mạo thường mang tính chất mô tả do chưa xét đến các yếu tố về đặc tính thủy văn, thủy lực của khu vực nghiên cứu. Tuy nhiên, những năm gần đây, Tp. Kon Tum và các huyện của tỉnh Kon Tum phát triển khá nhanh, điều kiện địa hình, mặt đệm và hệ thống các công trình tiêu, thoát nước có sự thay đổi. Vì vậy việc xây dựng bản đồ ngập lụt bằng phương pháp này là kém chính xác do không liên tục cập nhật sự thay đổi các điều kiện mặt đệm, địa hình, và các yếu tố khác trên lưu vực.
Phương pháp dùng ảnh vệ tinh để xây dựng bản đồ ngập lụt cho lưu vực thượng lưu sông Sê San tỉnh Kon Tum có tính bao quát và có thể quan sát các vùng ngập lụt một cách rõ ràng và có độ chi tiết cao. Trong thực tế việc thu nhận ảnh vệ tinh phụ
thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết cũng như vị trí các vệ tinh (có thể bao quát được khu vực nghiên cứu hay không) hoặc do công tác chuẩn bị để thu nhận nên thường
không chụp được các cảnh ảnh tại những thời điểm cần thiết. Mặt khác, đối với những vùng ngập lụt thường xuyên bằng ảnh vệ tinh không thể phân biệt được khu vực bị
ngập nước với khu vực bán ngập nước. Do đó phương pháp này thường được sử dụng
để tạo ra các dữ liệu tham chiếu quan trọng phục vụ cho các phương pháp khác để xây dựng bản đồ ngập lụt.
Phương pháp mô hình hóa: Là phương pháp cơ bản nhất để mô phỏng và dự
báo các giá trị cực đoan của dòng chảy. Cho đến nay, có rất nhiều mô hình đã và đang
được sử dụng để mô phỏng chế độ thủy lực hệ thống sông ngòi. Mỗi mô hình đều có thế mạnh, hoặc là về lý thuyết thủy lực và toán học, hoặc là về áp dụng trong thực tiễn, hoặc là có những tiện ích về phân tích kết quả. Trong khuôn khổ luận văn này học viên chỉ chú trọng về phần tính toán kết quả.
Có rất nhiều nghiên cứu trên thế giới đã và đang ứng dụng các mô hình toán trong nghiên cứu về nguồn nước, từ việc cân bằng nước đến tính toán dòng chảy lũ, kiệt. Việt Nam cũng đã xây dựng và áp dụng tương đối hiệu quả các chương trình tính toán dòng chảy phục vụ công tác nghiên cứu lũ. Một số tác giả và chương trình điển hình là GS.TSKH. Nguyễn Ân Niên - Viện Khoa học thuỷ lợi Miền Nam với bộ
chương trình KOD, GS.TS. Nguyễn Như Khuê - Viện Quy hoạch thuỷ lợi Miền Nam với chương trình VRSAP, PGS.TS. Nguyễn Tất Đắc với chương trình TLUC, Viện Cơ
học với các chương trình TL1 và TL2, TS. Nguyễn Hữu Nhân với chương trình HYDROGIS. Mặc dù đã có những ứng dụng hiệu quả nhưng nhìn chung các chương trình trong nước chưa có tính thương mại hoá nên thường khó sử dụng. Đồng thời các chương trình này cũng chỉ giải quyết mô phỏng dòng chảy cho chếđộ dòng chảy êm.
Nhiều mô hình được thương mại hóa và khá phổ biến với các nước châu Á như: các mô hình MIKE do Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) phát triển hay các mô hình SOBEK - Hà Lan và một loạt các phần mềm khác như HEC-HMS, ISIS, Duflow, Telemax, Qual2-E, Wasp6,... Việc ứng dụng các mô hình toán trong tính toán dòng chảy đã mang lại những kết quả rất to lớn và nhanh chóng đưa ra các quyết định cho việc quản lý vận hành công trình thủy lợi. Bộ mô hình họ MIKE, với những cải tiến mới nhất của phiên bản 2007 cho tính toán nghiên cứu dòng chảy và được nhiều nước tại châu Á và thế giới sử dụng gồm các mô hình: MIKE 11, MIKE 21, MIKE FLOOD, MIKE BASIN... đã được áp dụng cho các lưu vực thuộc các dự án, đề tài khoa học cấp
nhà nước do các cơ quan trong nước và quốc tế thực hiện như: Lưu vực sông Hồng, Vu Gia - Thu Bồn, Srepok, Sài Gòn - Đồng Nai, mạng lưới sông toàn Đồng bằng sông Cửu Long,... Đây là bộ mô hình hiện đại và đầy đủ nhất hiện này trong việc giải quyết các bài toán liên quan đến tài nguyên nước. Sử dụng bộ mô hình này cho phép mô tả
toàn diện các thành phần có trên lưu vực và hệ thống sông. Riêng phần tính toán dòng chảy lũ, bộ mô hình thủy văn (NAM, MIKE - SHE), thủy lực (MIKE 11, MIKE 21, MIKE 3) và GIS (MIKE 11 GIS) có thể cho phép diễn toán vận động của dòng nước từ
lúc mưa rơi cho đến khi chảy ra biển. Ưu điểm lớn nhất của mô hình là khả năng liên kết các mô hình đơn lẻ thành một bộ mô hình thống nhất và hoàn chỉnh. Sự liên kết giữa các thành phần dòng mặt, dòng sát mặt và dòng ngầm, mô hình mưa – dòng chảy với mô hình thủy lực, mô hình 1D với 2D, 2D với 3D mô hình thủy lực với GIS giúp mô hình không những có khả năng mô phỏng đầy đủ vận động của dòng nước trên lưu vực mà còn đưa ra kết quả một cách trực quan và dễ hiểu dưới dạng các bản đồ ngập lụt. Ngoài ra, công cụ hỗ trợ ra quyết định MIKE FLOOD WATCH còn giúp người ra quyết định đưa ra những quyết định chính xác và kịp thời (phát cảnh báo, sơ tán dân...)
ứng phó khi lũ lớn và đặc biệt lớn xảy ra. Cùng với đó, do công cụđược phát triển trên nền Web nên không chỉ các nhà quản lý mà cả cộng đồng dân cư cũng có thể truy cập tra cứu thông tin và xác định nguy cơ ngập lụt ở khu vực mình đang sống và do đó có thể chủđộng ứng phó với tai biến [4, 7, 13].
MIKE 11 GIS là công cụ trình diễn và phân tích theo không gian kết quả của mô hình thủy động lực MIKE 11. Công cụ này đã tích hợp được các kết quả của mô hình dòng chảy trong sông và bãi tràn với các tính năng phân tích không gian của phần mềm ArcView trên nền thông tin địa lý (GIS). MIKE 11 GIS là công cụ lý tưởng để hỗ
trợ ra quyết định trong công tác quản lý lũ, đồng thời nó còn giúp đánh giá tác động của lũ tới dân sinh, kinh tế và môi trường. Các phân tích và kết quả của MIKE 11 GIS
đã giúp chuyển hóa các số liệu tương đối trừu tượng thành các hình ảnh dễ hình dung cho những người ra quyết định [7].
Mô hình MIKE 11 thực hiện tính toán thủy văn, thủy lực nhằm đưa ra các giá trị