CHƯƠNG II NHÂN TỐ GÂY LŨ LỚN TRÊN LƯU VỰC SÔNG LAM
3. Đánh giá nguy cơ lũ lớn
3.3. Ứng dụng mô hình toán trong quản lý lũ lớn lưu vực sông Lam
Quản lý lũ lớn tổng hợp theo tiếp cận mới hiện nay bao gồm quản lý rủi ro (risk management), quản lý thiệt hại do lũ gây ra (crisis management), và quản lý vùng tiêu thoát lũ. Những công việc này phải thực hiện theo một chu trình liên tục và đòi hỏi sử dụng cả những giải pháp phi công trình và công trình, cũng như nhiều công cụ khác nhau; trong đó mô hình toán thủy văn, thủy lực là một công cụ rất mạnh, thường được dùng và đóng một vai trò then chốt. Đây là công cụ cho phép mô phỏng các hiện tượng, các quá trình vật lý xảy ra trên lưu vực một cách sát thực, với chi phí thấp nhất, đồng thời cũng cho phép thay đổi các phương án một cách nhanh nhất (so với các mô hình vật lý) giúp nhà quản lý đánh giá được sự thay đổi của mưa lũ theo các tần suất khác nhau, đánh giá được khả năng chịu đựng của các công trình phòng, chống lũ trên lưu vực, mức độ ngập lụt, ảnh hưởng của ngập lụt, cũng như xác định nhanh nhu cầu cứu trợ khẩn cấp trong vùng bị ảnh hưởng từ đó có những đối sách và quyết định kịp thời.
3.3.1. Lựa chọn mô hình toán ứng dụng cho lưu vực sông Lam
Hiện nay có rất nhiều mô hình toán thủy văn, thủy lực được sử dụng rộng rãi trên thế giới và ở Việt Nam; các mô hình thủy văn thường dùng có thể kể đến bao gồm các mô hình lũ đơn vị (HEC-HMS) [88], [93], đến các mô hình nhận thức (TANK, SSARR, NAM…), các mô hình thủy lực một chiều như VRSAP, HEC-
RAS [17], MIKE11 [28], [32]…, các mô hình 2 chiều như MIKE 21. Mỗi một mô hình đều có điểm mạnh và điểm yếu riêng tùy thuộc vào khu vực nghiên cứu, điều kiện và mục tiêu áp dụng vì vậy việc lựa chọn mô hình phù hợp là rất quan trọng.
Khu vực nghiên cứu trong luận án là lưu vực sông Lam có diện tích lớn (27.200 km2), nhiều nhánh và hợp lưu sông (sông Cả, Hiếu, Ngàn sâu, Ngàn phố, sông La…) bao gồm cả phần lưu vực có độ dốc lớn, phần đồng bằng thấp chịu ảnh hưởng của thủy triều, chính vì vậy việc áp dụng một mô hình đơn lẻ cho toàn bộ lưu vực sông Lam sẽ không thể giải quyết được các vấn đề cần thiết trong nghiên cứu quản lý lũ lớn. Cụ thể, mục tiêu chính đặt ra cho việc ứng dụng mô hình toán cho quản lý lũ lớn lưu vực sông Lam bao gồm:
- Đánh giá khả năng bảo vệ và chịu đựng của các công trình phòng lũ hiện tại như hồ chứa, đê điều…trên lưu vực sông;
- Mô phỏng tràn lũ và xây dựng các bản đồ ngập lụt khi lũ vượt quá khả năng bảo vệ của các công trình phòng lũ đặc biệt cho các khu vực trũng ở đồng bằng ven biển nơi tập trung đông dân cư, các khu kinh tế.
Từ mục tiêu đặt ra với khu vực nghiên cứu là lưu vực sông Lam phức tạp như đã nêu, Luận án đã lựa chọn bộ phần mềm MIKE trong đó sử dụng NAM - mô hình mưa rào - dòng chảy để tính toán dòng chảy lũ cho các tiểu lưu vực trong hệ thống sông Lam, lượng nhập lưu khu giữa làm biên đầu vào cho mô hình thủy lực MIKE 11; mô hình MIKE 11 - mô hình thủy lực một chiều đuợc dùng để diễn toán dòng chảy lũ trên các sông chính và sông nhánh từ thượng lưu đến hạ lưu, đồng thời cũng là biên đầu vào cho mô hình MIKE 21 - mô hình thủy lực hai chiều và mô hình kết hợp giữa 2 mô hình thủy lực một chiều và 2 chiều trên - MIKE FLOOD được dùng để mô phỏng tràn lũ và xây dựng bản đồ ngập lụt. Sơ đồ áp dụng các mô hình trên cho lưu vực sông Lam được minh họa trong Hình 3-7.
Bộ mô hình MIKE do Viện thủy lực Đan Mạch (DHI) xây dựng được tích hợp nhiều công cụ mạnh có thể giải quyết các bài toán cơ bản trong lĩnh vực tài nguyên nước.
Hình 3-7: Sơ đồ ứng dụng các mô hình toán trong quản lý lũ lớn lưu vực sông Lam Mô hình MIKE 11 là một 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 2 chiều” đã được ứng dụng rộng rãi tại Việt Nam và thế giới.
MIKE 11 có những ưu điểm nổi trội như [26]: Liên kết được với GIS; dễ dàng kết nối được với các mô hình khác của họ MIKE như mô hình mưa rào - dòng chảy MIKE-NAM, mô hình thủy động lực học 2 chiều MIKE 21; tính toán chuyển tải chất khuếch tán; vận hành công trình hồ chứa…. Thêm vào đó DHI đã cho ra đời một công cụ nhằm tích hợp cả hai mô hình trên MIKE 11 và MIKE21 để cho ra MIKE FLOOD giúp người dùng có khả năng mô phỏng tràn lũ và xây dựng các bản đồ ngập lụt dễ dàng hơn. Cơ sở lý thuyết và chi tiết của bộ phần mềm MIKE [82], [83] xin tham khảo các tài liệu đi kèm bộ phần mềm hoặc truy cập từ website của DHI như User Guide, Technical Reference Guide,...
Điều kiện biên:
- Địa hình - Mưa
- Lớp phủ thực vật
MIKE - NAM Mưa – Dòng chảy
MÔ HÌNH VẬN HÀNH HỒ CHỨA
MIKE 11 (Diễn toán lũ)
MIKE 21 & MIKE FLOOD (Mô phỏng tràn lũ và xây dựng
bản đồ ngập lụt)
Đánh giá khả năng phòng lũ lớn của các công trình phòng lũ, mô phỏng tràn lũ và xây dựng bản đồ ngập lụt Địa hình sông
Bản đồ DEM
Điều kiện biên khu giữa, biên
dưới
Cơ sở hạ tầng
3.3.2. Xây dựng, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình toán ứng dụng cho lưu vực sông Lam
1. Xây dựng mô hình: Số liệu địa hình sử dụng cho lưu vực sông Lam bao gồm:
Mô hình số hóa độ cao DEM 10m, bản đồ số địa hình tỉ lệ 1:10.000 và 1:5.000 cho khu vực trũng và đồng bằng ven biển; 236 mặt cắt ngang sông, cụ thể là:
- Dòng chính sông Cả có 133 mặt cắt được giới hạn từ hồ Bản Vẽ đến trạm Cửa Hội, khoảng cách 276,6 km. Sông Nậm Mộ có 21 mặt cắt được giới hạn từ Mường Xén đến ngã ba sông Nậm Mộ - Cả. Sông Hiếu có 53 mặt cắt được giới hạn từ trạm Nghĩa Khánh về đến ngã ba Cây Chanh.
- Sông La có 7 mặt cắt được giới hạn từ Vĩnh Khánh đến Trường Xá. Sông Ngàn Phố có 11 mặt cắt được giới hạn từ trạm thủy văn Sơn Diệm đến Vĩnh Khánh. Sông Ngàn Sâu có 11 mặt cắt được giới hạn từ trạm thủy văn Hòa Duyệt đến Vĩnh Khánh.
Đây đều là những mặt cắt được đo đạc trong những năm gần đây và được các đơn vị, cơ quan nghiên cứu như Trung tâm KTTV quốc gia, Viện Khoa học KTTV và Môi trường, Viện Quy hoạch Thủy lợi sử dụng.
Số liệu KTTV: bao gồm số liệu mưa của các trạm khí tượng trên lưu vực, số liệu lưu lượng thực đo tại trạm Mường Xén, Nghĩa Khánh, Yên Thượng, Sơn Diệm, Hoà Duyệt và mực nước giờ thực đo tại trạm Cửa Hội, Chợ Tràng.
Do số liệu đo đạc dòng chảy trên lưu vực sông Lam rất hạn chế và không đồng bộ, vì vậy nghiên cứu đã sử dụng mô hình MIKE-NAM với sự phân chia lưu vực nghiên cứu thành các lưu vực bộ phận để xác định, hiệu chỉnh, kiểm định bộ thông số cho các lưu vực bộ phận này như: Nghĩa Khánh - Dừa, Mường Xén - Cửa Rào, hồ Bản Vẽ - Cửa Rào, Cửa Rào - Dừa, Dừa - Đô Lương, hồ Thác Muối - Đô Lương, và Đô Lương - Nam Đàn. Bộ thông số của mô hình NAM đã được hiệu chỉnh và kiểm định cho các lưu vực bộ phận trên sẽ được phân tích và sử dụng cho các lưu vực bộ phận khác nằm liền kề không có số liệu dòng chảy để tính toán dòng chảy đến các hồ Bản Vẽ, Ngàn Trươi, Thác Muối và lưu lượng nhập lưu khu giữa trong mô hình thủy lực mạng lưới sông MIKE 11 (hình 3- 8). Sơ đồ mạng lưới sông xây dựng trong MIKE 11, MIKE 21 và MIKE FLOOD được minh họa trong Hình 3-9 và 3-10 dưới đây.
Hình 3- 8: Vị trí tính toán khu giữa của lưu vực sông Lam
Về biên tính toán của mô hình: Chợ tràng là trạm dự báo quốc gia và là điểm nhập lưu của sông Cả với sông La, đồng thời về mùa lũ ít chịu ảnh hưởng của thủy triều so với trạm Cửa Hội và Bến Thủy. Vì thế luận án chọn Chợ Tràng là vị trí kiểm tra sử dụng để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình. Biên tính toán của mô hình được minh họa ở Bảng 3-16 dưới đây.
Bảng 3-16: Biên tính toán của mô hình
TT Trạm Sông Tài liệu sử dụng Biên
1 Mường Xén Nậm Mộ Q Biên trên
2 Hồ Bản Vẽ Sông Cả Q Biên trên
3 Nghĩa Khánh Sông Hiếu Q Biên trên
4 Sông Giăng Sông Giăng Q Biên trên
5 Sơn Diệm Ngàn Phố Q Biên trên
6 Hoà Duyệt Ngàn Sâu Q Biên trên
7 Cửa Hội Sông Lam H Biên dưới
8 Chợ Tràng Sông Lam H Trạm kiểm tra
9 7 Biên khu giữa từ SC1 đến SC7 Q Biên trên
Hình 3-9: Mô hình hóa lưu vực sông Lam trong MIKE 11, MIKE 21 và MIKE FLOOD