Bản đồ 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 để thông báo cho nhân dân về nguy cơ thiệt hại do lũ lụt ở nơi học cƣ trú và hoạt động.
Bản đồ ngập lụt thƣờng thể hiện các nội dung sau: Vùng úng ngập thƣờng xuyên.
Vùng ngập lụt ứng với tần suất mƣa, lũ khác nhau. Khu vực nguy hiểm khi có lũ lớn.
Khu vực có nguy cơ bị trƣợt lở, sạt lở.
Vết xói lở bờ sông, sạt lở bờ biển, trƣợt lở sƣờn.
Ngoài ra còn thể hiện hệ thống thủy lợi: hồ chứa, trạm bơm, đập dâng, cống đê… và các yếu tố nền địa lý.
Bản đồ ngập lụt phải xác định rõ ranh giới những vùng bị ngập do một trận mƣa lũ nào đố gây ra trên bản đồ. Ranh giới vùng ngập lụt phụ thuộc vào các yếu tố mực nƣớc lũ và địa hình, địa mạo của khu vực đó; trong khi nhân tố địa hình ít thay đổi nên ranh giới ngập lụt chỉ còn phụ thuộc vào sự thay đổi mực nƣớc lũ. [1, 3]
2.1.2.Các phƣơng pháp xây dựng bản đồ ngập lụt
Hiện nay trên thế giới có 2 phƣơng pháp đƣợc sử dụng để xây dựng bản đồ ngập lụt, đó là:
1. Xây dựng bản đồ ngập lụt dựa vào điều tra các trận lũ lớn thực tế đã xảy ra. 2. Xây dựng bản đồ ngập lụt dựa vào việc mô phỏng bằng các mô hình thủy văn, thủy lực
Mỗi phƣơng pháp trên đều có các ƣu nhƣợc điểm riêng trong việc xây dựng và ƣớc lƣợng diện tích ngập lụt. Bản đồ ngập lụt xây dựng theo phƣơng pháp điều tra các trận lũ lớn xảy ra chỉ tái hiện lại hiện trạng ngập lụt, chƣa mang tính dự báo nhƣng nó vẫn mang ý nghĩa to lớn về nhiều mặt trong công tác chỉ huy phòng chống lũ lụt cũng nhƣ làm cơ sở để đánh giá, so sánh các nghiên cứu tiếp theo. Tuy
vậy phƣơng pháp này tốn công, mất nhiều thời gian, không đáp ứng nhu cầu thực tế và có những điểm ngƣời nghiên cứu không thể đo đạc đƣợc hoặc không thu thập đƣợc số liệu.
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 đại và đang đƣợc sử dụng rộng rãi trong thời gian gần đây trên cả thế giới và ở Việt Nam trong sự kết hợp với cả các lợi thế của phƣơng 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 địa lý (GIS), mà xây dựng bản đồ 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 đồ ngập lụt, nhằm làm cơ sở lựa chọn phƣơng pháp sử dụng cho khu vực nghiên cứu cùng với việc giới thiệu các quy trình và công cụ xây dựng bản đồ ngập lụt tích hợp kết quả mô phỏng bằng mô hình thủy động 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 NGẬP LỤT
2.2.1.Các mô hình mƣa dòng chảy:
Mô hình Ltank: do PGS.TS Nguyễn Văn Lai đề xuất năm 1986, là một phiên bản cải tiến từ mô hình Tank gốc của tác giả Sugawara (1959). Mô hình toán mƣa rào dòng chảy dựa trên quá trình trao đổi lƣợng ẩm giữa các tầng mặt, ngầm lƣu vực, và bốc hơi. Ứng dụng tốt cho lƣu vực vừa và nhỏ.
Mô hình HEC-HMS: là mô hình mƣa dòng chảy của trung tâm thủy văn kỹ thuật quân đội Hoa Kỳ đƣợc phát triển từ mô hình HEC-1, mô hình có những cải tiến đáng kể cả về kỹ thuật tính toán và khoa học thủy văn thích hợp với các lƣu vực sông vừa và nhỏ. Là dạng mô hình tính toán thủy văn đƣợc dùng để tính dòng chảy từ số liệu đo mƣa trên lƣu vực. Trong đó các thành phần mô tả lƣu vực sông gồm các công trình thủy lợi, các nhánh sông.
Kết quả của HEC-HMS đƣợc biểu diễn dƣới dạng sơ đồ, biểu bảng tƣờng minh rất thuận tiện cho ngƣời sử dụng. Ngoài ra, chƣơng trình có thể liên kết với cơ sở dữ liệu dạng DSS của mô hình thủy lực HEC-RAS.
Mô hình NAM: đƣợc xây dựng năm 1982 tại khoa thủy văn viện kỹ thuật thủy động lực và thủy lực thuộc đại học kỹ thuật Đan Mạch. Mô hình dựa trên nguyên tắc các bể chứa theo chiều thẳng đứng và hồ chứa tuyến tính. Mô hình tính quá trình mƣa – dòng chảy theo cách tính liên tục hàm lƣợng ẩm trong năm bể chứa riêng biệt tƣơng tác lẫn nhau. NAM mô phỏng quá trình mƣa - dòng chảy bằng việc mô tả liên tục cho các thành phần trong 4 vùng trữ lƣợng tƣơng tác lẫn nhau bao gồm: trữ lƣợng tuyết; Trữ lƣợng nƣớc mặt; Trữ lƣợng nƣớc sát mặt; Trữ lƣợng nƣớc ngầm.
Các mô hình thủy văn trên đây cho kết quả là các quá trình dòng chảy tại các điểm khống chế (cửa ra lƣu vực) vì vậy tự thân chúng đứng độc lập chƣa đủ khả năng để đƣa ra các thông tin về diện tích và mức độ ngập lụt mà phải kết hợp cới một số các công cụ khác nhƣ GIS, hoặc là biên cho các mô hình thủy động lực 1-2 chiều khác. [3]
2.2.2.Mô hình thủy lực:
Mô hình VRSAP (Vietnam River System And Plains): tiền thân là mô hình KRSAL do cố PSG.TS Nguyễn Nhƣ Khuê xây dựng từ 1965 đến 1993 và đƣợc sử dụng rộng rãi ở nƣớc ta trong khoảng 25 năm trở lại đây.
Đây là mô hình toán thủy văn - thủy lực của dòng chảy một chiều trên hệ thống sông ngòi có nối với đồng ruộng và các khu chứa khác. Dòng chảy trong các đoạn sông đƣợc mô tả bằng hệ phƣơng trình Saint-Venant đầy đủ, không bỏ bớt một vài số hạng nhƣ trong một số mô hình khác. Dòng chảy qua các công trình đƣợc mô tả bằng các công thức thủy lực đã biết và đƣợc đƣa vào cùng một số hạng nhƣ phƣơng trình của các đoạn sông. Dòng chảy tràn vào các ô ruộng hay khu chứa đƣợc mô phỏng theo tƣ tƣởng chung của mô hình SOGREAH. Các khu chứa nƣớc và các ô đồng ruộng trao đổi nƣớc với sông và trao đổi nƣớc với nhau qua các tràn hay cống điều tiết. Do đó, mô hình đã chia các khu chứa và các ô đồng ruộng thành hai loại chính. Loại kín trao đổi nƣớc với sông qua cống điều tiết, loại hở trao đổi nƣớc với sông qua tràn mặt hay trực tiếp gắn với sông nhƣ các khu chứa thông thƣờng.
Mô hình VRSAP cũng xét đến sự gia nhập của mƣa trong tính toán thủy lực dòng chảy trong các hệ thống sông khi diễn toán lũ hay tính tiêu nƣớc cho hệ thống thủy nông. Mô hình c ̣ũng xét đến khả năng truyền mặn trên hệ thống sông và đồng ruộng. Sơ đồ tính trong VRSAP là sơ đồ sai phân ẩn lƣới chữ nhật có xét đến trọng số đối với các bƣớc sai phân theo thời gian t và không gian x.
Mô hình VRSAP phù hợp với điều kiện Việt Nam, có thể sử dụng để:
+ Tính toán và tìm ra quy luật thay đổi của lƣu lƣợng Q và mực nƣớc Z tại từng mặt cắt trên hệ thống sông và ô chứa kể cả vùng bị ảnh hƣởng của thủy triều.
+ Giải bài toán tiêu úng, thoát lũ và cấp nƣớc trên các hệ thống công trình thủy lợi vùng đồng bằng và ven biển.
+ Lập các phƣơng án quy hoạch quản lý và khai thác thủy lợi trên lƣu vực sông lớn nhỏ và các hệ thống công trình thủy lợi.
+ Tính truyền triều và truyền mặn trên các hệ thống sông v.v...
Mô hình VRSAP là mô hình mã nguồn mở, nên từ đó nhiều tác giả đã cải tiến để mô hình có thể tính đƣợc truyền tải phù sa, tính tiêu thoát nƣớc đô thị. Các loại mô hình toán này hiện cũng đang đƣợc ứng dụng ở nƣớc ta và cho kết quả tốt. Một số ứng dụng của mô hình cho hệ thống sông Hồng, sông Thái Bình, sông Cả, sông Nhật Lệ, sông Hƣơng, sông Thu Bồn, sông Cửu Long... đủ đạt các kết quả tin cậy. Mô hình VRSAP ứng dụng rất có hiệu quả đối với việc tính toán thủy lực tƣới, tiêu các hệ thống thủy nông, quy hoạch và lập các dự án quản lý, khai thác hệ thống thủy nông, tính toán quy mô các công trình trên hệ thống, quản lý lƣu vực và tài nguyên ở nƣớc ta.
Chuyển động của chất lỏng trong lòng dẫn hở có thể mô tả bằng hệ phƣơng trình Saint - Venant. Trong mô hình VRSAP, hệ phƣơng trình Saint - Venant của dòng chảy một chiều là hệ phƣơng trình thủy động lực viết cho dòng chảy một chiều trong lòng dẫn hở:
Phƣơng trình liên tục:
Phƣơng trình động lực:
( ) Mô hình VRSAP chỉ giải quyết đƣợc bài toán mà dòng chảy có số
(tức là dòng chảy êm).
Hai hệ phƣơng trình trên là hệ phƣơng trình Saint – Venant có hai ẩn số là :
+ Q=Q(x,t) là lƣu lƣợng trung bình mặt cắt phụ thuộc vào trục x và thời điểm t. + Z=Z(x,t) là mặt nƣớc tại mặt cắt x, thời điểm t.
Trong đó, biến không gian x và thời gian t là hai biến độc lập. Ý nghĩa của các đại lƣợng trong hệ phƣơng trình Saint - Venant:
Bc - chiều rộng toàn mặt cắt ngang sông, Bc = B + Bb; B - chiều rộng lòng sông;
Bb - chiều rộng bãi sông;
q - lƣu lƣợng dòng chảy gia nhập trên một đơn vị dài theo đoạn sông; J - độ dốc thủy lực, đƣợc tính theo công thức tổn thất của dòng chảy ổn định,
R- là bán kính thủy lực, A - diện tích mặt cắt ƣớt; P - chu vi ƣớt;
C - hệ số Chezy. Nếu tính theo công thức Manning, C= R1/ 6
n - hệ số nhám Manning; hệ số động lƣợng;
α hệ số sửa chữa động năng
Tuy nhiên mô hình VRSAP không phải là một mô hình thƣơng mại, mà là mô hình có mã nguồn mở chỉ thích hợp với những ngƣời có sự am hiểu sâu rộng về
kiến thức mô hình; còn đối với công tác dự báo, cảnh báo nhanh cho một khu vực cụ thể, nhất là khu vực miền Trung thì mô hình tỏ ra chƣa phù hợp.
Mô hình KOD-01 và KOD-02 của GS.TSKH Nguyễn Ân Niên dùng để tính thủy lực dòng chảy hở một và hai chiều trên hệ thống sông có công trình điều tiết và đồng ruộng. Hệ phƣơng trình Saint - Venant đƣợc sử dụng ở dạng rút gọn. Sơ đồ tính là sơ đồ hiện tam giác hỗn hợp. Sơ đồ tính cho phép giải các bài toán dòng không ổn định một chiều nhƣ tính toán truyền triều, truyền lũ, phân phối nƣớc, tiêu nƣớc... cho mạng lƣới sông, ô chứa, công trình điều tiết với độ phức tạp bất kỳ. Sơ đồ tính có thể phục vụ tính toán quy hoạch dự báo lũ và phân phối nƣớc, phục vụ thiết kế và quản lý hệ thống kênh tƣới tiêu và các mục đích khác trong công tác thủy lợi ở nƣớc ta.
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 đội Hoa Kỳ (Hydrologic Engineering Center of US Army Corps of Engineers) xây dựng. Mô hình có ƣu điểm là cho kết quả rõ ràng, có sơ đồ mạng lƣới sông, mặt cắt của từng nút sông. Các quan hệ Q ~ t và Z ~ t đƣợc trình bày ở dạng biểu bảng và đồ thị, đƣờng mặt nƣớc trong sông đƣợc mô tả chi tiết. Mô hình HEC-RAS là mô hình tính dòng chảy một chiều của hệ thống sông, dòng chảy trong sông đƣợc mô tả bằng hệ phƣơng trình Saint - Venant đầy đủ và đƣợc xây dựng theo sơ đồ sai phân ẩn có xét đến trọng số đối với các bƣớc sai phân theo thời gian t và chiều dọc theo dòng chảy x. Mô hình có hạn chế là không xét đến lƣợng mƣa rơi xuống các khu chứa sau đó gia nhập dòng chảy. Trong những năm gần đây HEC-RAS đã đƣợc sử dụng ở nƣớc ta trong các nghiên cứu về lũ, đặc biệt là trong công tác đào tạo tại các trờng đại học.
Dòng chảy trong sông thiên nhiên đƣợc coi là dòng không ổn định biến đổi chậm chảy một chiều, thay đổi theo không gian và thời gian. Các yếu tố đƣợc mô tả bằng hệ phƣơng trình Saint - Venant, gồm phƣơng trình liên tục và phƣơng trình động lực. Hệ phƣơng trình Saint - Venant trong mô hình này có dạng:
Phƣơng trình động lực:
Để giải hệ gồm hai phƣơng trình liên tục (2.3) và động lực (2.4) dùng phƣơng pháp sai phân hữu hạn thay các đạo hàm riêng bằng tỷ số các sai phân. Giống nhƣ mô hình VRSAP, trong mô hình HEC-RAS cũng sử dụng sơ đồ ẩn (lƣới sai phân chữ nhật) để giải hệ phƣơng trình Saint-Venant.
Họ mô hình MIKE: do viện thủy lực Đan Mạch (DHI) xây dựng đƣợc tích hợp rất nhiều các công cụ mạnh, có thể giải quyết các bài toán cơ bản trong lĩnh vực tài nguyên nƣớc. Tuy nhiên đây là mô hình thƣơng mại, phí bản quyền rất cao nên không phải cơ quan nào cũng có điều 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 thủy lực trong các ô ruộng là “giả hai chiều”. MIKE 11 có một số ƣu điểm nổi trội so với các mô hình nhƣ:
i. Liên kết với GIS;
ii. Kết nối với các mô hình thành phần khác của bộ MIKE ví dụ mô hình mƣa rào - dòng chảy NAM, mô hình thủy động lực học 2 chiều MIKE 21, mô hình dòng chảy nƣớc dƣới đất, 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 dƣỡng;
Hệ phƣơng trình sử dụng trong mô hình là hệ phƣơng trình Saint - Venant một chiều không gian, với mục đích tìm quy luật diễn biến của mực nƣớc và lƣu lƣợng dọc theo chiều dài sông hoặc kênh dẫn và theo thời gian.
Mô hình MIKE 11 đã đƣợc ứng dụng 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 chƣa mô phỏng một cách đầy đủ quá trình nƣớc dâng từ sông vào tràn bãi vào ruộng và ngƣợc lại để cái thiện vấn đề này bộ MIKE có thêm mô hình thủy lực hai chiều MIKE 21 và bộ kết nối MIKE FLOOD.
MIKE 21 & MIKE FLOOD: là mô hình thủy động lực học dòng chảy 2 chiều trên vùng ngập lũ đã đƣợc ứng dụng tính toán rộng rãi tại Việt Nam và trên phạm vi toàn thế giới. Mô hình MIKE 21 HD là mô hình thủy động lực học mô phỏng mực nƣớc và dòng chảy trên sông, vùng cửa sông vịnh và ven biển. Mô hình mô phỏng dòng chảy không ổn định hai chiều ngang đối với một lớp dòng chảy.
Mike 21 HD có thể mô hình hóa dòng chảy tràn với nhiều điều kiện đƣợc tính đến, gao gồm:
i. Ngập và tiêu nƣớc cho vùng tràn ii. Tràn bờ
iii. Dòng chảy qua công trình thủy lợi iv. Thủy triều
v. Nƣớc dâng do mƣa bão
Phƣơng pháp mô phỏng bao gồm phƣơng trình liên tục kết hợp với phƣơng trình động lƣợng mô tả sự biến đổi của mực nƣớc và lƣu lƣợng. Lƣới tính toán sử dụng trong mô hình là lƣới hình chữ nhật.
Tuy nhiên MIKE 21 nếu độc lập cũng khó có thể mô phỏng tốt quá trình