Khai toán mặt cắt là công việc phân tích, xử lý mặt cắt để đ−a vào mô hình tính toán.
Vì địa hình mặt cắt trong hệ thống sông Hồng, Thái Bình phức tạp nên việc đ−a mặt cắt về dạng hình thang đối xứng sẽ gây ra sai số lớn.
Hình 2.2. Chia mặt cắt thành các hình thang
Để tính toán các đặc tr−ng địa hình mặt cắt sông trong mô hình chia mặt cắt theo các đ−ờng song song với trục thẳng đứng Z (yi = const) (hình 2.2) Các thông số địa hình của mặt cắt ngang đ−ợc tính toán theo các công thức sau:
yi
Chiều rộng của mặt cắt: =∑ i i b b Diện tích mặt cắt: =∑ i i A A Môđul l−u l−ợng: =∑ =∑ 2/3 i i i i k AR K K Bán kính thủy lực: ( )2 ( )2 i i i i i i z y A A R δ δ χ = + = Trong đó : χi – chu vi −ớt.
Trong mô hình mỗi đoạn sông đ−ợc đặc tr−ng bởi hai mặt cắt: mặt cắt đầu và mặt cắt cuối. Trong tr−ờng hợp không có hợp l−u thì mặt cắt cuối của đoạn tr−ớc sẽ trùng với mặt cắt đầu của đoạn sau.
Các mặt cắt cần đ−ợc khai toán để đ−a vào mô hình tính toán với đầy đủ các đặc tr−ng thuỷ lực nh− : độ dốc, diện tích theo cao độ, độ rộng lòng sông, nhám, trắc dọc,… bằng mô hình khai toán mặt cắt.
Cụ thể là từ số liệu trắc ngang, khai toán thành 12 cấp của từng mặt cắt. Với mỗi cấp cao trình của mỗi mặt cắt sẽ có các số liệu về độ rộng lòng, về diện tích của cấp mặt cắt đó. Trong mỗi mặt cắt, hệ số nhám cũng đ−ợc phân biệt thành hai loại là nhám lòng và nhám bi: khi mực n−ớc v−ợt qua lòng tràn vào bi thì dòng chảy ngoài bi có hệ số cản lớn hơn dòng chảy trong lòng dẫn.
Từ số liệu trắc dọc, ta có thể xác định đ−ợc vị trí của các mặt cắt trong toàn bộ hệ thống sông. Số liệu trắc dọc, trắc ngang, số liệu cao độ đê, các thông số liên quan đến ô chứa, các bối, mối quan hệ giữa các mặt cắt,… đ−ợc thiết kế thành tệp số liệu đầu vào cho mô hình tính toán. Hình 2.3 là kết quả một phần của file số liệu mặt cắt ngang trong mô hình tính toán.
Hình 2.3. Một đoạn file đầu vào chứa thông số các mặt cắt ngang 2.1.4. Tạo giá trị mực n−ớc và l−u l−ợng làm điều kiện ban đầu
Khi tính thuỷ lực của mạng sông thực, th−ờng không biết tr−ớc giá trị đầu về mực n−ớc Z và l−u l−ợng Q tại các nút, ch−ơng trình phải tự tạo. Theo lý thuyết, giá trị đầu không cần chính xác vì chỉ ảnh h−ởng đến dòng chảy trong 1 thời gian ngắn sau đó. Tuy nhiên, trên thực tế, nếu giá trị đầu chọn không thích hợp, ch−ơng trình sẽ không chạy đ−ợc.
2.1.5. Vấn đề xác định hệ số nhám và chỉnh kết quả
Vì các hệ số nhám của sông là khó xác định chính xác tr−ớc, các ch−ơng trình tính toán thuỷ lực phải tìm cách hiệu chỉnh hệ số nhám sao cho kết quả tính toán phù hợp với thực đo. Cách làm ở đây là rất khác nhau. ở một số ch−ơng trình, ng−ời ta đ−a ra các đ−ờng cong nhám với các giá trị nhám khác nhau theo 12 cấp (thực ra là giá trị hệ số điều chỉnh nhám). Sau đó mỗi đoạn sông đ−ợc gán cho 1 đ−ờng. Khi kết quả tính toán lệch so với thực đo, ng−ời ta chọn lại đ−ờng nhám hoặc thay đổi chính bản thân nó. Việc này là khá khó khăn. Cách làm của chúng tôi nh− sau:
− Chia mạng sông thành nhiều vùng, mỗi vùng đ−ợc gán với 1 đ−ờng cong nhám (hiện tại mạng sông Hồng, Thái Bình đ−ợc chia thành 16 vùng).
− Mỗi đ−ờng cong nhám có dạng (z1,g1); (z2,g2); ...; (zm,gm)
− Trong đó zi là mực n−ớc của 1 nút chuẩn nằm trong vùng đang xét, z1<z2....zm, gi là giá trị điều chỉnh. Th−ờng lấy nút chuẩn là các trạm thủy văn.
− Số cặp giá trị m là tùy ý và khác nhau đối với mỗi đ−ờng.
− Nếu mực n−ớc Z của nút đang xét nằm trong khoảng (zi,zi+1) thì g đ−ợc nội suy từ gi, gi+1.
− Khi cần chỉnh, ta dựa vào độ lệch giữa kết quả tính toán và thực đo của nút chuẩn (đ−ợc vẽ trên màn hình), tại mực n−ớc đang xét, để chỉnh giá trị gi. Có thể chèn thêm cặp (zk, gk) nếu cần.
Q0 Qbien t Z0 Zbien t
Các cách tiếp cận trên đ đ−ợc thử nghiệm trên phần mềm để tính toán các bài toán mẫu cũng nh− các cơn lũ thực. Các kết quả là khả quan.
2.2. Mô hình thủy văn
Mô hình thủy văn dùng để dự báo lũ lụt.
Quá trình hình thành dòng chảy từ l−ợng m−a rơi trên l−u vực là quá trình phức tạp, phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: độ dốc, độ che phủ của l−u vực, thành phần cấu tạo của đất, l−ợng bốc hơi,… Mô hình m−a rào dòng chảy đ−ợc xây dựng dựa trên cơ sở giả thiết chấp nhận một số thông số đặc tr−ng cho từng l−u vực. Các thông số này sẽ đ−ợc lựa chọn bằng thuật toán tối −u hoá và các số liệu thực đo ngay tr−ớc thời điểm cần tính toán. Mô hình thuỷ văn m−a rào dòng chảy đ−ợc xây dựng d−ới sự chỉ đạo của GS.TS Trịnh Quang Hoà đ có khả năng tính toán dòng chảy sinh ra do m−a trên các l−u vực của các sông Đà, Thao, Lô, Cầu, Th−ơng, Lục Nam.
Quá trình hình thành dòng chảy là quá trình phức tạp bao gồm nhiều quá trình thành phần liên hệ, ràng buộc và thống nhất với nhau. Trong mô hình này hiện tại chỉ xét một số thành phần chính sau: M−a, bốc hơi, thấm, dòng mặt-gia nhập vào lòng dẫn và chuyển động đến mặt cắt cửa ra.
L−ợng m−a rơi trên l−u vực là nguyên nhân chính gây ra dòng chảy. Giả sử trên toàn l−u vực có n trạm đo l−ợng m−a. L−ợng m−a bình quân trên l−u vực đ−ợc tính theo công thức: 1 n P P n i i ∑ = =
trong đó P - l−ợng m−a bình quân l−u vực, Pi - l−ợng m−a tại điểm đo thứ i lấy từ tệp số liệu, n - tổng số các điểm đo m−a trên l−u vực. Riêng đối với hệ thống sông Thái Bình l−ợng m−a bình quân trên l−u vực 3 sông Cầu, Th−ơng, Lục Nam đ−ợc tính theo công thức sau:
1 1 ∑ ∑ = = Ψ Ψ = n i i n i i iP P
trong đó P - l−ợng m−a bình quân l−u vực, Pi - l−ợng m−a tại điểm đo thứ i lấy từ tệp số liệu, Ψi (i =1,..n) là các trọng số m−a t−ơng ứng với số liệu m−a tại các trạm đo, n - tổng số các điểm đo m−a trên l−u vực.
Ký hiệu i là c−ờng độ thấm của đất, E - l−ợng bốc hơi bề mặt l−u vực trung bình theo tháng t−ơng ứng của năm tr−ớc đo đ−ợc. Lớp cấp n−ớc bề mặt h(t) đ−ợc tính theo công thức sau:
h(t) = [P(t) – i – E]α
α - thông số đánh giá phần diện tích úng trũng không tạo dòng chảy trên bề mặt.
Các yếu tố liên quan đến mô hình thủy văn:
Bản đồ DEM l−u vực
Bản đồ thảm phủ thực vật
Số liệu m−a
Số liệu mực n−ớc
Số liệu bốc hơi
Các bản đồ DEM đ−ợc chuyển thành tệp dữ liệu văn bản mô tả số liệu d−ới dạng ma trận, mà giá trị tại hàng i, cột j chính là cao độ của điểm tại toạ độ i, j trên bản đồ. [2]
Số liệu m−a, mực n−ớc, l−u l−ợng đ−ợc chuyển thành các tệp dữ liệu văn bản để làm số liệu đầu vào.
2.3. So sánh kết quả tính toán với số liệu thực đo
Số liệu tính toán đ−ợc của các mô hình cần đ−ợc l−u trữ trong cơ sở dữ liệu để phục vụ cho mục đích so sánh với số liệu thực đo, so sánh giữa các
ph−ơng án với các hệ số nhám khác nhau. Kết quả so sánh cần đ−ợc biểu diễn bằng biểu đồ để có thể xác định đ−ợc sai số giữa các ph−ơng án. Hình 2.4 mô tả biểu đồ so sánh giữa số liệu tính toán và số liệu thực đo [1].
Hình 2.4. Đ−ờng quá trình mực n−ớc tại trạm thuỷ văn Hà Nội của trận lũ tháng 8/1999
2.4. Tạo bản đồ ngập lụt
Dựa vào bản đồ phân lô (hình 2.1) và kết quả tính toán đ−ợc từ các mô hình tính toán, tiến hành tạo bản đồ ngập lụt.
Trong mô hình tính toán, số liệu mực n−ớc, l−u l−ợng đ−ợc xuất tại tất cả các mặt cắt. Giả sử mỗi ô tính toán có độ cao gần nh− nhau. Nh− vậy trong một ô tổng l−u l−ợng của ô chính là tổng l−u l−ợng n−ớc của các mặt cắt có trong ô đó.
Với mỗi ô có diện tích mặt, chu vi, toạ độ (x,y) của các điểm trên bản đồ. Nh− vậy biết l−u l−ợng n−ớc, chu vi của ô cho phép ta tính đ−ợc độ sâu mực n−ớc của ô. Tiến hành tính toán và tô màu các ô theo độ sâu mực n−ớc.
Trong phần này chúng tôi chỉ giới thiệu cách tạo bản đồ ngập lụt đơn giản nhất. Trong thực tế còn rất nhiều vấn đề liên quan nh−: Trong một ô có thể chứa vùng đồng bằng, vùng núi,... khi đó việc mô tả ngập lụt sẽ không chính xác.
Tóm lại, việc xử lý số liệu đầu vào cho các mô hình tính toán là rất quan trọng, việc xử lý số liệu ảnh h−ởng trực tiếp tới kết quả tính toán của các mô hình. Từ đó ảnh h−ởng tới các quyết định của các nhà hoạch định chính sách trong tr−ờng hợp lũ lụt khẩn cấp.
Ch−ơng 3: Công nghệ GIS trong việc mô tả bức tranh ngập lụt
3.1 Giới thiệu
Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của Khoa học kỹ thuật, đặc biệt là sự phát triển của ngành Công nghệ thông tin. Song song với nó, Công nghệ GIS ngày càng đ−ợc ứng dụng vào nhiều lĩnh vực, trong đó có Phòng chống lũ lụt và giảm nhẹ thiên tai. Đây là một công việc hết sức phức tạp, đòi hỏi phải có sự chính xác và chi tiết hoá cao các dạng dữ liệu về bản đồ, qua đó cho phép ta nhận biết một cách chính xác đầy đủ bức tranh tổng quan thực trạng về địa hình cũng nh− những hiện t−ợng khách quan hay chủ quan tác động đến sự tồn tại hay biến đổi của l−u vực nghiên cứu. Từ đó đ−a ra những nhận định, mô phỏng lại các trận lũ lụt đ xảy ra trong quá khứ, tiến hành phân tích và đánh giá lựa chọn ra những giải pháp tối −u nhằm phòng tránh và giảm nhẹ tác hại của lũ lụt.
Đi đôi với việc tìm ra những giải pháp tối −u nhằm khắc phục tình trạng ảnh h−ởng nghiêm trọng của thiên tai trong phạm vi lũ lụt trên toàn thế giới nói chung hay ở Việt Nam nói riêng, công nghệ GIS luôn chiếm một vị trí quan trọng và càng ngày càng trở nên không thể thiếu trong bất kỳ một ph−ơng án giải quyết nào. Từ những vấn đề rất đơn giản nh− yêu cầu quan sát tổng thể hay đ−a ra những đánh giá sơ bộ,... cho đến tính chi tiết hoá toàn bộ mạng l−ới tính toán đến từng vị trí cụ thể, mà những công việc đó hoàn toàn phải dựa trên sự thống nhất về tiêu chuẩn hóa trên toàn cầu, bổ sung một cách hữu ích và đạt kết quả cao trong các công trình nghiên cứu ứng dụng hay phát triển các mô hình lũ lụt 1D, 2D, v.v..
Với công nghệ GIS ta có thể giải quyết đ−ợc rất nhiều bài toán về lĩnh vực phòng chống lũ lụt và giảm nhẹ thiên tai. Dựa trên các số liệu dạng raster các phần mềm GIS có khả năng đáp ứng hầu hết các bài toán đặt ra về lĩnh vực này. Các phần mềm chủ yếu đ−ợc sử dụng hiện nay nh−: MapInfor, ArcInfor, ArcView, ArcGis, Ilwis,... và nhiều phần mềm bổ trợ khác.
3.2. Công nghệ GIS [11]
Hệ thống thông tin địa lý (GIS) bắt đầu xuất hiện vào giữa thập kỷ 60 của thế kỷ 20. Khi đó GIS là công cụ giúp các cơ quan nhà n−ớc nh− uỷ ban Điều tra Dân số của Mỹ theo dõi những thay đổi về dân số và môi tr−ờng tại các vùng khác nhau. Cách đây trên một thập kỷ, các doanh nghiệp lớn đ dùng GIS trong việc đ−a thông tin thị tr−ờng vào bản đồ địa lý hay bản đồ không gian để xây dựng các công cụ hỗ trợ ra quyết định. Ngày nay nhờ sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin và các hệ thống máy tính PC nên việc ứng dụng công nghệ GIS vào công tác quản lý, điều hành đ trở nên phổ biến trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật và đời sống.
Vậy GIS là gì? Có rất nhiều định nghĩa khác nhau về GIS nh−ng tựu chung lại mọi ng−ời đều thống nhất rằng GIS là một hệ thống quản lý thông tin có thể:
• Thu nhập, l−u trữ, xử lý thông tin tại các vị trí trong không gian.
• Xác định đ−ợc các đối t−ợng trong một vùng quan tâm thoả mn một số chỉ tiêu hay mục đích cụ thể nào đó.
• Phân tích thông tin trong không gian để hỗ trợ cho việc đ−a ra các quyết định xử lý.
• Trao đổi thông tin cho các mô hình ứng dụng. • Hiển thị thông tin d−ới dạng đồ hoạ, sơ đồ.
GIS cũng có thể đ−ợc hiểu là một hệ thống phần cứng, phần mềm máy tính và các thủ thuật đ−ợc thiết kế để trợ giúp cho việc thu thập, quản lý, xử lý,
phân tích, hiệu chỉnh, hiển thị các thông tin gắn với các vị trí không gian nhằm giúp cho các nhà quy hoạch và quản lý, giải quyết các vấn đề phức tạp một cách trực quan và hiệu quả hơn.
Công nghệ GIS đ−ợc phát triển trên nền tảng của công nghệ điện tử – tin học – viễn thông và tự động hoá. Nét đặc tr−ng của công nghệ GIS là khả năng tạo ra các thông tin mới trên cơ sở phân tích và tổng hợp các dữ liệu đ có trong hệ thống cũng nh− cách thể hiện thông tin một cách trực quan.
GIS có khả năng liên kết dữ liệu không gian và dữ liệu phi không gian trong một cơ sở dữ liệu để tạo thành các hình ảnh của thế giới sinh động và đầy đủ các thông tin cần quan tâm. Nhờ đó ta có thể nhìn nhận một cách tổng thể hiện trạng của GIS khác với hệ thống thông tin khác và tạo ra giá trị to lớn để nó đ−ợc ứng dụng rộng ri trong mọi lĩnh vực khoa học và sản xuất.
3.3. Các khả năng của công nghệ GIS
Các thông tin quản lý trong GIS có đặc tính riêng mà các hệ thống thông tin khác không nhất thiết bắt buộc là chúng phải gắn kết với vị trí địa lý thực của các đối t−ợng thuộc vùng lnh thổ chứa đựng chúng. Khả năng của GIS khá phong phú và tuỳ thuộc vào các ứng dụng cụ thể của nó trong thực tế nh−ng bất cứ một hệ GIS nào cũng phải tối thiểu giải quyết đ−ợc năm vấn đề chính sau đây:
Vị trí (Location) - quản lý và cung cấp vị trí của các đối t−ợng theo yêu cầu bằng các cách khác nhau nh− tên địa danh, mà vị trí hoặc toạ độ.
Điều kiện (Condition) - thông qua phân tích các dữ liệu không gian cung cấp các sự kiện tồn tại hoặc xảy ra ở một địa điểm nhất định hoặc xác định các đối t−ợng thoả mn các điều kiện đặt ra.
Chiều h−ớng (Trend) - cung cấp h−ớng thay đổi của đối t−ợng thông qua phân tích các dữ liệu trong một vùng lnh thổ nghiên cứu theo thời gian.
Kiểu mẫu (Pattern) - cung cấp mức độ sai lệnh của các đối t−ợng so với kiểu mẫu và nơi sắp đặt chúng đ có từ các nguồn khác.
Mô hình hoá (Modeling) - cung cấp và xác định những gì xảy ra nếu có sự thay đổi dữ liệu hay nói cách khác xác định xu thế phát triển của các đối t−ợng. Ngoài thông tin địa lý, hệ thống cần phải có thêm thông tin về các quy luật hoặc nguồn thông tin thống kê.
Thông tin đ−ợc tổ chức quản lý trong một hệ thống thông tin địa lý còn đ−ợc dùng chủ yếu để phân tích những vấn đề biến động khác nhau nh− sự lan truyền bệnh sốt rét, hệ thống an toàn khi động đất và quản lý nhân sự, tội