GIS (Geographic Information System) là một nhánh của công nghệ thông tin đƣợc hình thành vào những năm 1960 và phát triển rất rộng rãi trong 10 năm lại đây. GIS ngày nay là công cụ trợ giúp quyết định trong nhiều hoạt động kinh tế - xã hội, quốc phòng của nhiều quốc gia trên thế giới. GIS có khả năng trợ giúp các cơ quan chính phủ, các nhà quản lý, các doanh nghiệp, các cá nhân... đánh giá đƣợc hiện trạng của các quá trình, các thực thể tự nhiên, kinh tế - xã hội thông qua các chức năng thu thập, quản lý, truy vấn, phân tích và tích hợp các thông tin đƣợc gắn với một nền hình học (bản đồ) nhất quán trên cơ sở tọa độ của các dữ liệu đầu vào...
Hệ thống thông tin địa lý là một tập hợp các công cụ cho việc thu thập, lƣu trữ, thể hiện và chuyển đổi các dữ liệu mang tính chất không gian từ thế giới thực để giải quyết các bài toán ứng dụng phục vụ cho các mục đích cụ thể. Là phƣơng pháp để hình dung, mô phỏng, phân tích và thể hiện dữ liệu không gian.
Xét dƣới góc độ hệ thống, thì GIS có thể đƣợc hiểu nhƣ một hệ thống gồm các thành phần: con ngƣời, phần cứng, phần mềm, cơ sở dữ liệu và quy trình - kiến thức chuyên gia, nơi tập hợp các quy định, quy phạm, tiêu chuẩn, định hƣớng, chủ trƣơng ứng dụng của nhà quản lý, các kiến thức chuyên ngành và các kiến thức về công nghệ thông tin. Hệ thống thông tin địa lý là hệ thống quản lý, phân tích và hiển thị tri thức địa lý, tri thức này đƣợc thể hiện qua các tập thông tin:
Các bản đồ: giao diện trực tuyến với dữ liệu địa lý để tra cứu, trình bày kết quả và sử dụng nhƣ là một nền thao tác với thế giới thực;
Các tập thông tin địa lý: thông tin địa lý dạng file và dạng cơ sở dữ liệu gồm các yếu tố, mạng lƣới, topology, địa hình, thuộc tính;
Các mô hình xử lý: tập hợp các quy trình xử lý để phân tích tự động;
Các mô hình dữ liệu: GIS cung cấp công cụ mạnh hơn là một cơ sở dữ liệu thông thƣờng bao gồm quy tắc và sự toàn vẹn giống nhƣ các hệ thông tin khác. Lƣợc đồ, quy tắc và sự toàn vẹn của dữ liệu địa lý đóng vai trò quan trọng
Metadata: hay tài liệu miêu tả dữ liệu, cho phép ngƣời sử dụng tổ chức, tìm hiểu và truy nhập đƣợc tới tri thức địa lý…
Hệ thống thông tin địa lý (GIS) sử dụng cơ sở dữ liệu địa lý (geodatabase) làm dữ liệu của mình, bao gồm các thành phần nhƣ sau:
Tập hợp các dữ liệu dạng vector (tập các điểm, đƣờng và vùng);
Tập hợp các dữ liệu dạng raster (dạng mô hình DEM hoặc ảnh);
Tập hợp các dữ liệu dạng mạng lƣới (ví dụ nhƣ đƣờng giao thông, lƣới cấp thoát nƣớc, lƣới điện ...);
Tập hợp các dữ liệu địa hình 3 chiều và bề mặt khác;
Dữ liệu đo đạc;
Dữ liệu dạng địa chỉ;
Các bảng dữ liệu là thành phần quan trọng của cơ sở dữ liệu không gian, đƣợc liên kết với các thành phần đồ họa với nhiều kiểu liên kết khác nhau.
GIS đƣợc sử dụng để cung cấp thông tin nhanh hơn và hiệu quả hơn cho các nhà hoạch định chính sách. Các cơ quan chính phủ dùng GIS trong quản lý các nguồn tài nguyên thiên nhiên, trong các hoạt động quy hoạch, mô hình hoá và quan trắc.
2.3.2.Các phƣơng pháp GIS xây dựng bản đồ ngập lụt [1, 2, 3]
Rất nhiều các phần mềm GIS đƣợc ứng dụng trong ngành KTTV, đặc biệt hữu ích trong lĩnh vực quản lý lƣu vực cũng nhƣ xây dựng bản đồ ngập lụt. dƣới đây là quy trình chung khi tiến hành thành lập bản đồ ngập lụt (hình 14).
Xây dựng quản lý cơ sở dữ liệu
Các dữ liệu về lƣu vực sông nghiên cứu đƣợc thu thập, số hóa từ các phần mềm khác nhau nhƣ MicroStation, Mapinfo, ArcGIS, sau đó đƣợc quản lý thống nhất và lƣu lại dƣới dạng .TAB file trong Mapinfo.
Chuẩn bị, phân tích và đánh giá các thông số cho mô hình, vấn đề chuẩn bị dữ liệu và thông số đầu vào cho các mô hình là một trong những vấn đề lớn nhất, đòi hỏi tốn nhiều thời gian và khá phức tạp.
Hình 14.Sơ đồ xây dựng bản đồ ngập lụt bằng phương pháp GIS
Trong trƣờng hợp liên kết với mô hình thủy văn - thủy lực, GIS là một hợp phần quan trọng không thể thiếu đƣợc. Vai trò của công cụ GIS thể hiện ở:
Thực địa Thu thập dữ liệu GIS
Phân loại ảnh VT & cập nhật dữ liệu GIS
Dữ liệu GIS đã đƣợc cập nhật Kết quả từ mô hình thủy lực
Các công cụ của GIS
Kết quả: bản đồ ngập lụt Thu thập dữ liệu
1. Tổng hợp và chọn lọc tài liệu nhƣ là đầu vào cần thiết cho mô hình thủy văn, thủy lực đặc biệt trong đó là việc phân tích các đặc trƣng bề mặt của lƣu vực.
2. Phân tích, hình dung và đánh giá diện tích và mức độ ngập lụt sử dụng các kết quả tính toán từ mô hình nêu trên.
3. Bằng các mô hình hóa tài liệu về các trận mƣa dƣới các tình huống (lƣợng mƣa, phân bố mƣa) khác nhau trong nhóm GIS, chúng ta có thể trả lời hàng loạt câu hỏi dạng “nếu - thì” về quan hệ mƣa - lũ - ngập lụt trong một thời gian nhanh nhất.
Cũng cần nhận thấy rằng, do liên kết với mô hình thủy văn - thủy lực nên đòi hỏi tài liệ đầu vào cho GIS cũng sẽ khác với yêu cầu tài liệu đầu vào cho GIS trong các trƣờng hợp thông thƣờng khác. Quá trình xây dựng đầu vào cho mô hình rất quan trọng vì nó sẽ quyết định mức độ chính xác của việc dự báo. Các thông tin đầu vào cần thiết cho việc phân tích, tổng hợp trong quy trình đƣợc xây dựng và chuẩn bị trong GIS bao gồm:
1. Dữ liệu độ cao địa hình; 2. Dữ liệu hƣớng dòng chảy; 3. Dữ liệu về phân chia lƣu vực; 4. Dữ liệu về dòng chảy;
5. Dữ liệu về thủy văn đất;
6. Dữ liệu phân bố không gian của trạm đo mƣa; 7. Dữ liệu cao trình đƣờng giao thông, đê điều; 8. Dữ liệu về hồ, mặt nƣớc;
9. Dữ liệu về vùng không bị ảnh hƣởng của ngập lụt;
Các thông tin đầu vào nhƣ trên đều đƣợc sử dụng cho toàn bộ quá trình tính toán và mô phỏng ngập lụt. Nếu dùng các phƣơng pháp truyền thống để tích hợp các thông tin trên sẽ gặp rất nhiều khó khăn và tốn thời gian, nhƣng với GIS và tiện ích mở rộng, các thông tin này đƣợc tích hợp hoàn toàn tự động, nhanh chóng. Trong trƣờng hợp một thông số đầu vào nào thay đổi thì việc tính toán lại các thông số đầu vào cũng dễ dàng hơn.
CHƢƠNG 3.XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT KHU VỰC NGHIÊN CỨU
3.1. XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU
3.1.1. Tài liệu địa hình
Tài liệu địa hình lòng sông
Qua nghiên cứu cụ thể về các nguồn tài liệu cơ bản về địa hình lòng dẫn sông hiện có trong lƣu vực sông Ba, tác giả đã thu thập và sẽ sử dụng tài liệu trắc dọc và ngang sông Ba bao gồm 24 mặt cắt ngang sông từ Củng Sơn tới cầu Phú Lâm do Viện Quy hoạch đo đạc và hiệu chỉnh năm 1997, và 3 mặt cắt ngang từ Cầu Phú Lâm ra tới cửa biển do Viện Quy hoạch thủy lợi đo năm 2003. Sơ họa mặt cắt ngang sông từ Củng Sơn tới cửa Đà Rằng đƣợc thể hiện nhƣ trong hình 15.
Mặt cắt ngang sông đƣợc đo theo hệ cao độ Quốc gia. Đặc trƣng cơ bản các đoạn sông trong bảng 10. [6]
Bảng 10: Đặc trưng mặt cắt ngang sông trong sơ đồ tính toán thủy lực
STT Vị trí Cao trình đáy Cao trình bờ tả Cao trình bờ hữu Ghi chú 1 0 22.86 39.3 38.11 Củng Sơn 2 2103 22.63 44.94 39.35 3 4753 23.96 37.03 40.64 4 6368 23.84 31.97 36.13 5 7678 22.80 32.50 31.29 6 10293 18.21 34.97 42.09 7 12043 20.84 32.50 31.96 Đập dâng Đồng Cam 8 13253 8.23 23.34 22.99 9 15088 7.55 21.20 22.09 10 17398 5.95 19.96 21.10 11 18848 5.47 19.87 19.91 12 20363 7.07 19.77 19.58 13 23013 7.16 18.55 18.26 14 25023 6.69 17.28 17.93 15 28548 6.06 15.95 17.71 16 30369 4.82 15.56 14.55 17 32289 2.82 11.54 11.59 18 34089 2.73 11.34 11.72
STT Vị trí Cao trình đáy Cao trình bờ tả Cao trình bờ hữu Ghi chú 19 35890 -2.07 8.41 10.62 20 37849 0.53 7.85 8.89 21 40296 0.26 6.10 8.88 22 42469 -0.47 5.77 6.84 23 44294 -0.97 4.62 4.88 24 45904 -1.01 7.29 7.20 NC2 47000 -4.6 1.9 5.9 NC3 48000 -1.3 2.3 3.0 NC4 49400 -4.8 7.17 7.5 Cửa Đà Rằng
Hình 15. Sơ họa vị trí mặt cắt từ trạm Củng Sơn tới cửa Đà Rằng
Về hình dạng mặt cắt ngang sông phổ biến nhƣ (hình 16)Error! Reference ource not found.. Qua đó cho thấy mặt cắt ngang hệ thống sông Ba gần nhƣ ở trạng thái hoàn toàn tự nhiên bao gồm phần lòng dẫn và phần bãi tràn. Khi nƣớc lũ lên cao sẽ tràn tự do vào các bãi tràn ven 2 bên bờ sông.
Tài liệu về bản đồ số độ cao
Các tài liệu chính của các khu, bãi ngập đã đƣợc thu thập bao gồm:
- Bình đồ vùng hạ lưu dập Đồng Cam: tỉ lệ 1/10000 đƣợc Sở Thủy lợi tỉnh Phú Yên chỉnh lý năm 1995. Bình đồ đƣợc xây dựng theo cao độ quốc gia. Tài liệu về các thông số kỹ thuật của đập dâng Đồng Cam do Ban Quản lý đập cung cấp. Các thông số kỹ thuật cơ bản của đập dâng Đồng Cam đƣợc thống kê trong (bảng 11). Cao độ các hạng mục đã đƣợc chuyển về cao độ Quốc gia .
Bảng 11: Thông số chính đập đâng Đồng Cam [6]
Hạng mục Chiều dài (m) Cao trình (m)
Đập dâng 590
Tràn bậc 1 65 25.3
Tràn bậc 2 335.8 24.2
Tràn bậc 3 93 24.15
Tràn bậc 4 96.2 24.1
- Bản đồ số độ cao DEM 30x30 (Error! Reference source not found.).
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1000 2000 3000 4000 5000
Hình 16. Mặt cắt ngang phổ biến sông Ba
Mặt cắt ngang sông Ba do viện QHTL đo năm 1997 Mặt cắt số 20
Mặt cắt ngang sông Ba do viện QHTL đo năm 1997 Mặt cắt số 20
Độ cao (m) Độ cao (m)
L(m) L(m)
Hình 17. Bản đồ cao độ số độ cao DEM 30m x 30m khu vực nghiên cứu 3.1.2.Tài liệu thủy văn
Vùng hạ lƣu sông Ba trên lƣu vực hiện có 3 trạm thủy văn có tài liệu đo đạc từ năm 1977 tới nay. Dựa vào tài liệu thuỷ văn của các trạm và tài liệu địa hình đã đo đạc hiện có, phạm vi nghiên cứu của mô hình sẽ đƣợc giới hạn trong phạm vi từ trạm thủy văn Củng Sơn ra tới cửa sông Đà Rằng. Nhƣ vậy, tài liệu thủy văn cần thiết cho cả trƣờng hợp mô phỏng và các phƣơng án tính toán sẽ là đƣờng quá trình mực nƣớc, lƣu lƣợng tại Củng Sơn, đƣờng quá trình mực nƣớc tại trạm Phú Lâm và đƣờng quá trình mực nƣớc tại cửa Đà Rằng. Về mực nƣớc tại cửa sông Đà Rằng, do có cùng chế độ triều của vùng biển từ Quảng Ngãi đến Nha Trang, mặt khác hiện tại chỉ có tài liệu quan trắc triều tại Quy Nhơn nên lấy mực nƣớc triều tại trạm Quy Nhơn làm mực nƣớc tại cửa Đà Rằng.
3.1.3.Tài liệu điều tra vết lũ
Đã có hơn 40 vết lũ của con lũ lịch sử tháng 10/1993 đã đƣợc Viện Quy hoạch Thuỷ lợi điều tra và đã đƣợc đo đạc địa hình đƣa về cao độ Quốc gia. Trong đó có 16 vết lũ thuộc bãi ngập trong phạm vi 2 kênh chính Bắc Nam đập Đồng Cam, các vết lũ còn lại nằm trong các ô ruộng ngoài phạm vi đập dâng Đồng Cam. Vị trí các vết lũ đã điều tra đƣợc trình bày trong (hình 18).
3.2. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY LỰC TÍNH TOÁN NGẬP LỤT KHU VỰC NGHIÊN CỨU NGHIÊN CỨU
3.2.1.Mô hình mƣa rào dòng chảy NAM
Xác định bộ thông số cho mô hình và hiệu chỉnh mô hình đƣợc thực hiện bằng việc thiết lập bộ thông số cho lƣu vực phía thƣợng lƣu Củng Sơn, với số liệu lƣợng mƣa ở 3 trạm Sơn Hòa, Yaun và An Khê. Bộ thông số đƣợc hiệu chỉnh bằng giá trị lƣợng mƣa sinh dòng chảy tới Củng Sơn và lƣu lƣợng thực đo tại Củng Sơn.
Bộ thông số đƣợc lấy từ kết quả hiệu chỉnh con lũ 10/1993 trên lƣu vực sông Ba phía thƣợng lƣu trạm Củng Sơn với số liệu của 3 trạm đo mƣa trên lƣu vực là Sơn Hòa, Ayun và An Khê. Việc chạy mô hình MIKE NAM để xác định bộ thông số đƣợc thực hiện chạy hiệu chỉnh với con lũ 10/1993 và kiểm định với con lũ tháng 11/2003.
Kết quả hiệu chỉnh đƣợc trình bày trong hình 19, hình 20 và hình 21 D is c h ar g e (m 3/ s ) 0 2500 5000 7500 10000 12500 15000 17500 20000 22500
3-Oct-93 4-Oct-93 5-Oct-93 6-Oct-93 7-Oct-93
Date
Legend
Q_CungSon ttinh toan m3/s Q_CungSon thuc do m3/s
Di s c h ar g e (m 3/s ) 0 1250 2500 3750 5000 6250 7500 8750 10000 11250
12-Nov-03 13-Nov-03 14-Nov-03 15-Nov-03 16-Nov-03 17-Nov-03
Date
Legend
Q_CungSon tinh toan m3/s Q_CungSon thuc do m3/s
Hình 20.Biểu đồ lưu lượng tại Củng Sơn thực đo và tính toán tháng 11/2003
Di s c h ar g e (m 3/s ) 0 1250 2500 3750 5000 6250 7500 8750 10000 11250 12500 13750 15000
2-Nov-09 3-Nov-09 4-Nov-09 5-Nov-09 6-Nov-09
Date
Legend
Q_CungSon tinh toan m3/s Q_CungSon thuc do m3/s
Bảng 12: Bảng đánh giá kết quả hiệu chỉnh mô hình NAM
Trận lũ Sai số đỉnh lũ (%) Chỉ số Nash (%) R2
10/1993 0.29 80 0.83
11/2003 0.15 78 0.80
11/2009 0.23 83 0.85
Với kết quả nhƣ (bảng 12) ta thấy bộ thông số đã cho kết quả tính toán cả con lũ hiệu chỉnh cũng nhƣ kiểm định là khá tốt.
Một số lƣu ý trong hiệu chỉnh mô hình:
- Để hiệu chỉnh sự cân bằng nƣớc của từng lƣu vực bộ phận, thƣờng hiệu chỉnh các thông số Lmax, Umax và CQOF. Nói chung Umax thƣờng có độ lớn tƣơng ứng với 10% của Lmax; Umax ~ 10 - 20mm.
- Hiệu chỉnh đỉnh lũ: dòng chảy mặt thƣờng có ảnh hƣởng chủ yếu đến đỉnh lũ. Tăng giảm đỉnh lũ bằng cách hiệu chỉnh hệ số CQOF, hệ số này tác động tuyến tính đến dòng chảy mặt. Hình dạng của dòng chảy mặt có thể đƣợc hiệu chỉnh bằng việc thay đổi các thông số CK12.
- Hiệu chỉnh dòng chảy ngầm: thông số BF thể hiện lƣợng nƣớc gốc là lƣu lƣợng ở mức chân lũ. BF thay đổi đối với từng lƣu vực và theo thời gian. Tổng lƣợng dòng chảy ngầm thƣờng bị ảnh hƣởng của các thành phần dòng chảy khác. Tuy nhiên, giá trị ngƣỡng TG thƣờng ảnh hƣởng chính đến tổng lƣợng dòng chảy ngầm tại giai đoạn đầu của mùa mƣa.
- Hệ số dòng chảy mặt CQOF và hệ số thoát dòng chảy trao đổi CQIF: đối với lƣu vực đất có khả năng thấm nƣớc, dòng chảy sát mặt ít hơn thì giá trị CQOF nhỏ. Còn với lƣu vực có nền địa chất chủ yếu là phiến thạch sét, sa diệp thạch ít thấm nƣớc thì thông số CQOF lớn. Thông số CQIF tƣơng đối ổn định cho từng lƣu vực.
- Giá trị ngƣỡng dòng chảy mặt, dòng chảy trao đổi, hoàn lại nƣớc ngầm TOF, TIF, TG ít thay đổi. Ngƣỡng sinh dòng chảy tràn TOF đặc trƣng cho đặc tính tổn thất ban đầu, không có dòng chảy sinh ra khi lƣợng ẩm đất tƣơng đối L/Lmax nhỏ hơn giá trị ngƣỡng. Các ngƣỡng sinh các dòng chảy thƣờng rất thấp. Đối với lƣu