Với việc xấp xỉ chi tiết không gian và tích phân các phương trình đạo hàm riêng mô tả các quá trình vật lý diễn ra trên lưu vực, mô hình KW -1D có khả năng đánh giá được những thay đổi trong phạm vi những không gian nhỏ đến quá trình hình thành dòng chảy. Việc giải phương trình sóng động học một chiều từ quy mô phần tử dải thuỷ văn kênh dẫn đoạn sông lưu vực, tính biến động theo không gian của hình dạng lưu vực và các điều kiện mặt đệm cũng như các đặc tính thuỷ văn và mưa có thể xét đến dễ dàng.
Trên lưu vực Miền Trung, do sông ngắn, độ dốc lớn kéo theo thời gian chảy truyền nhỏ nên sử dụng các mô hình mưa – dòng chảy với đầu vào là mưa quan trắc ở các trạm, dự báo lũ chỉ có thể đạt 12 h, riêng tới các trạm đầu nguồn khoảng 6 h, nên rất hạn chế trong việc cảnh báo lũ phục trên lưu vực. Tuy mô hình KW -1D, qua các kết quả mô phỏng, đã chứng tỏ được khả năng hữu hiệu của nó, nhưng để giải quyết các vấn đề thực tiễn đòi hỏi việc kết hợp với các mô hình khí tượng để tăng
thời gian dự kiến và làm dày số liệu mưa là biện pháp có tính khả thi nhất.
Mô hình số trị bất thuỷ tĩnh RAMS, với ưu điểm là cập nhật số liệu toàn cầu, giải các bài toán qua nhiều mức lưới với độ phân giải cao, bước đầu có thể đáp ứng được yêu cầu đặt ra. Mô hình có thể cho lượng mưa dự báo trước 3 ngày với độ chính xác khá cao về cả lượng lẫn đường quá trình lại có thể truy xuất số liệu mưa tại bất kỳ điểm nào mà dự báo viên yêu cầu, rất thuận lợi cho việc mở rộng quy mô áp dụng mô hình KW -1D (nếu dùng mưa quan trắc thì cập nhật mưa phần tử là mưa bình quân lưu vực, không phản ánh đúng thực tế qui mô mưa trong không gian).
Trong [77], công nghệ dự báo lũ thời hạn trước 3 ngày trên lưu vực sông Trà Khúc đã được khởi dựng, kết hợp mô hình khí tượng RAMS và mô hình thuỷ văn KW – 1D với qui trình cập nhật số liệu và truy xuất kết quả tự động. Thời gian truy cập số liệu toàn cầu qua mạng khoảng 1,5 h, thời gian tính toán khoảng 1h cho cả hai mô hình. Cộng thời gian dự kiến của mô hình khí tượng và mô hình thuỷ văn trừ đi thời gian tác nghiệp trên máy có thể đưa ra thời gian dự kiến khoảng 72 h cho công nghệ dự báo này. Đây là một bước đột phá trong lĩnh vực dự báo ở nước ta, góp phần đưa công tác dự báo và cảnh báo lũ lụt ở sông Trà Khúc nói riêng và tiến tới cả Miền Trung tiến thêm một bước mới, hạn chế hữu hiệu những hậu quả của thiên tai lũ lụt gây ra.
Biện pháp công trìnhhữu hiệu nhất phục vụ sử dụng tài nguyên nước là xây dựng các hồ chứa cắt lũ đầu nguồn. Trên các lưu vực nghiên cứu có khả năng xây dựng một số hồ chứa với tổng dung tích phòng lũ khoảng 1600 triệu m2, đủ khả năng để giảm mực nước và thời gian ngập hạ du hạ du các sông ở lũ chính vụ tần suất 10% khoảng 1,5 – 0,3 m, có thể khống chế được lũ tiểu mãn và lũ sớm, tần suất 5%.
4.3.2. Về việc phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên đất
Quy hoạch lãnh thổ là một bài toán quan trọng liên quan đến việc sử dụng quỹ đất trên lưu vực. Theo quan điểm phát triển bền vững, “mọi hoạt động của thế hệ ngày nay về việc khai thác sử dụng tài nguyên thiên nhiên không được làm tổn hại đến thế hệ mai sau”. Do kém nhận thức hiểu biết về thiên nhiên mà nhiều khi,
không cố ý, con người lại là tác nhân gây ra những hậu quả nghiêm trọng về thiên tai nói chung và lũ lụt nói riêng. Có nhiều tác nhân gây ảnh hưởng đến sự bảo tồn và phát triển bền vững tài nguyên và môi trường nước. Trong khuôn khổ luận án này, chỉ bàn luận đến một số kịch bản sử dụng đất chính có ảnh hưởng sâu sắc đến sự thành tạo lũ trên lưu vực nhằm đưa ra một số cảnh báo cho các nhà quy hoạch khi tiến hành sử dụng đất cho mục đích phát triển kinh tế xã hội nhằm tránh các hiểm họa về sau. Đã tiến hành khảo sát hai kịch bản sử dụng đất chính là sử dụng lớp phủ đất đô thị và khai thác lâm nghiệp trên các lưu vực – những vấn đề luôn được đề cập đến trong Chiến lược phát triển kinh tế xã hội của các tỉnh Miền Trung.
Khi tiến hành sử dụng lớp phủ đất đô thị, làm tăng phần diện tích thấm nước kém hoặc không thấm, dẫn tới tăng dòng chảy mặt và kéo theo là đỉnh và tổng lượng lũ. Tuy nhiên vấn đề đặt ra trong công trình này là diện tích sử dụng lớp phủ đất đô thị bao nhiêu là giới hạn để không làm phá vỡ quy luật tự nhiên, hay nói cách khác là không gây đột biến về lũ trên lưu vực. Thông qua mô hình KW – 1D, tiến hành khảo sát số trên các lưu vực sông lựa chọn đã bước đầu đưa ra chỉ tiêu định lượng về ngưỡng diện tích lớp phủ đất đô thị giới hạn. Tuy nhiên kịch bản được xây dựng mới chỉ bàn đến diện tích lớp phủ đất đô thị, những vấn đề khác như quy mô, cấp bậc và loại hình đô thị không thể bàn đến chi tiết được và mô hình cũng chưa có khả năng đáp ứng.
Tương tự, việc khai thác và tăng diện tích rừng cũng được khảo sát và cho kết quả ngược lại, một lần nữa minh chứng vai trò điều tiết dòng chảy của rừng. Kết quả cho thấy khi độ che phủ rừng nằm dưới 35% là có thể gây đột biến lũ. Kết luận này cũng chỉ có ý nghĩa tham khảo. Công trình cũng không bàn chi tiết đến chủng loại rừng, cũng như quy mô không gian của rừng trên lưu vực, chỉ giới hạn ở độ che phủ trong điều kiện chất lượng rừng như hiện nay. Đã tiến hành phối hợp cả hai kịch bản, từ đó rút ra kết luận rằng, để đẩy mạnh công cuộc thành thị hoá nông thôn một biện pháp hữu hiệu đi kèm là tăng độ che phủ lưu vực bằng cách đẩy mạnh việc trồng rừng.
Kết luận và kiến nghị
Trên cơ sở các tiêu chí mà luận án đã đặt ra, dựa vào những kết quả nhận được trong quá trình thực hiện, có thể rút ra một số kết luận như sau:
1. Trên cơ sở tổng quan các mô hình mưa – dòng chảy đang được áp dụng trên thế giới và ở Việt Nam, với phạm vi nghiên cứu giới hạn trong lãnh thổ Miền Trung với đặc điểm các sông ngắn và dốc, lựa chọn mô hình sóng động học một chiều (KW -1D), phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp SCS làm công cụ chính để mô phỏng và dự báo lũ cũng như các bài toán quy hoạch sử dụng hợp lý tài nguyên nước và đất.
2. Đã tổng quan các điều kiện địa lý tự nhiên, điều kiện kinh tế xã hội trên khu vực nghiên cứu nhằm phân tích rõ các điều kiện khí hậu và mặt đệm trong quá trình hình thành lũ để vận dụng vào mô hình KW -1D và xây dựng phương án dự báo lũ cũng như các kịch bản sử dụng đất trên lãnh thổ nghiên cứu
3. Để nâng cao độ chính xác và độ ổn định của mô hình KW -1D trong việc giải bài toán về quy mô không gian và thời gian, đã tham khảo về lý luận qua các tài liệu trên thế giới và tiến hành các khảo nghiệm số các sơ đồ giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Kết quả chứng minh rằng trong các sơ đồ được khảo nghiệm số: 1) phương pháp sai phân hiện; 2) phương pháp nửa ẩn; 3) phương pháp Runge-Kutta bậc 3 sử dụng ma trận trung tâm (sơ đồ tổng hợp) cho thấy phương pháp Runge-Kutta bậc 3 sử dụng ma trận trung tâm cho độ ổn định tốt nhất.
đầu trong mô hình KW -1D, đã tiến hành hiệu chỉnh công thức tính độ sâu tổn thất ban đầu Ia 0,2S, nhận được từ thực nghiệm ở Mỹ, thu được kết quả là Ia 0,13S đối với lưu vực sông Vệ, còn các lưu vực khác công thức thực nghiệm ở Hoa Kỳ vẫn giữ nguyên giá trị thực tiễn.
5. Bằng việc phân tích các lưu vực thành các đoạn sông, dải và phần tử đã xây dựng được bộ thông số của mô hình KW -1D cho 4 lưu vực: Tả Trạch – Thượng Nhật, Thu Bồn – Nông Sơn, Trà Khúc – Sơn Giang và Vệ -An Chỉ có độ ổn định cao. Kết quả mô phỏng 53 trận lũ trên các lưu vực trên đạt từ khá
đến tốt đã chứng minh điều đó. Đã xây dựng phần mềm KW – 1D MODEL
có giao diện thuận tiện cho người sử dụng để xây dựng phương án dự báo lũ và khảo nghiệm số các kịch bản sử dụng đất
6. Để ứng dụng mô hình vào việc sử dụng hợp lý tài nguyên nước, kết hợp với mô hình khí tượng khu vực RAMS, đã tiến hành xây dựng phương án dự báo lũ thời hạn 72h trên sông Trà Khúc cho kết quả khả quan (độ đảm bảo dự báo khoảng 53-90%).
7. Vận dụng phương pháp SCS, đã tiến hành một số khảo nghiệm về mối quan hệ giữa sử dụng đất và sự hình thành lũ trên lưu vực cho thấy:
a) Khi tiến hành sử dụng lớp phủ đất đô thị, diện tích sử dụng không nên vượt ngưỡng giới hạn - ngưỡng diện tích lớp phủ đất đô thị gây đột biến lũ (đỉnh và lượng lũ tăng đột ngột). Diện tích này đối với từng lưu vực là khác nhau. Một trong những biện pháp tăng diện tích sử dụng lớp phủ đất đô thị là phải tích cực mở rộng diện tích rừng đầu nguồn
b) Đánh giá ảnh hưởng của rừng trong vai trò điều tiết lũ, thấy rằng với độ che phủ lưu vực trên ngưỡng đột biến (bảng 4.6) diễn biến quá trình lũ trong trạng thái tự nhiên, tăng diện tích rừng sẽ tăng vai trò điều tiết, nếu không duy trì được diện tích rừng ở ngưỡng đó có thể gây đột biến lũ.
8. Xây dựng bổ sung hồ chứa đầu nguồn là biện pháp khai thác tài nguyên nước hiệu quả. Ngoài vai trò tích trữ nước cung cấp cho mùa cạn, hệ thống các hồ
chứa này có vai trò lớn trong việc phòng lũ. Qua việc phân tích địa hình các lưu vực nghiên cứu có thể xây dựng bổ sung một số hồ chứa với tổng dung tích khoảng 1600 triệu m3, đủ để phòng lũ tiểu mãn và lũ sớm (P = 5%)
đồng thời làm giảm mực nước ở hạ du từ 0,3 – 1,5 m cũng như thời gian ngập đối với lũ chính vụ (P = 10%).
Danh MụC CáC CÔNG TRìNH CÔNG Bố LIÊN QUAN TớI LUậN áN
1. Nguyễn Thanh Sơn, Lương Tuấn Anh (2003), "áp dụng mô hình thuỷ động học
các phần tử hữu hạn mô tả quá trình dòng chảy lưu vực",Tạp chí khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội. Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, T.XIX, No1-2003, tr 90-99
2. Trần Thục, Lương Tuấn Anh, Nguyễn Thanh Sơn (2003), "Nghiên cứu mô hình thuỷ động lực mưa - dòng chảy trong tính toán và dự báo dòng chảy lũ", Tuyển tập báo cáo Hội thảo Khoa học lần thứ 8, T.II, Thuỷ văn - Môi trường, Viện Khí tượng Thuỷ văn, Tháng 12-2003, tr 222-227
3. Nguyễn Thanh Sơn, Ngô Chí Tuấn (2004) "Kết quả mô phỏng lũ bằng mô hình
sóng động học một chiều lưu vực sông Vệ", Tạp chí khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội. Khoa học Tự nhiên và Công nghệ,T.XX, No3 PT-2004 tr. 44-50.
4. Nguyễn Thanh Sơn (2006), "Thực nghiệm số công thức tính thấm trong
phương pháp SCS cho lưu vực sông Vệ trạm An Chỉ" Tạp chí khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội. Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, T. XXII. No1PT-2006 tr. 20-26.
5. Nguyễn Thanh Sơn (2006), "áp dụng mô hình 1DKWM – FEM & SCS đánh giá tác động của quá trình đô thị hóa đến dòng chảy lũ trên một số sông ngòi Miền Trung" Tạp chí khoa họcĐại học Quốc gia Hà Nội. Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, T.XXII, số 2B PT – 2006, tr. 149-157, Hà Nội
6. Nguyễn Thanh Sơn (2006), "Kết quả mô phỏng lũ bằng mô hình 1DKWM –
FEM & SCS lưu vực sông Tả Trạch trạm Thượng Nhật" Tạp chí khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội. Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, T.XXII, No 3- 2006
7. Lương Tuấn Anh, Nguyễn Thanh Sơn (2006), “Một cách giải hệ phương trình vi phân thường phi tuyến tính trong mô hình sóng động học một chiều phương pháp phần tử hữu hạn” Tạp chí khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội. Khoa học
Tự nhiên và Công nghệ, T.XXII, No4-2006 tr 27 - 33,
8. Trương Quang Hải, Nguyễn Thanh Sơn (2006), “Kết quả mô phỏng lũ bằng mô hình 1DKWM –FEM&SCS lưu vực sông Trà Khúc – trạm Sơn Giang”. Tạp chí khoa họcĐại học Quốc gia Hà Nội. Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, T.XXII, số 4PT – 2006, Hà Nội. tr 59-68
9. Tran Tan Tien, Nguyen Thanh Son, Nguyen Minh Truong, Ngo Chi Tuan and Cong Thanh (2006), "An Integrated System to Forecast Flood in Tra Khuc River Basin for 3-day Term". Vietnam – Japan joint workshop on Asian monsoon, 173-182. Ha Long
tài liệu Tham khảo
Tiếng Việt
1. Lương Tuấn Anh (1995), Công nghệ ước tính số liệu dòng chảy lũ từ mưa. Đề mục thuộc đề tài triển khai ứng dụng cấp Tổng cục "Lập bản đồ ngập lụt", Hà Nội
2. Lương Tuấn Anh (1996), Một mô hình mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy trên các lưu vực vừa và nhỏ ở Miền Bắc Việt Nam. Luận án PTS Địa lý - Địa chất, Chuyên ngành Thuỷ văn lục địa và nguồn nước, Hà Nội, 123 tr.
3. Lương Tuấn Anh, Trần Thục (2003), "Một phương án nâng cao độ ổn định của sơ đồ phần tử hữu hạn sóng động lực hai chiều ngang". Tuyển tập báo cáo Hội thảo Khoa học lần thứ 8, T. II, Thuỷ văn - Môi trường, Viện Khí tượng Thuỷ văn, Tháng 12-2003, tr 1-5.
4. Lương Tuấn Anh, Nguyễn Thanh Sơn, Đặng Thu Hiền (2004), Nghiên cứu vận dụng mô hình thuỷ động lực, mưa - dòng chảy phục vụ tính toán và dự báo dòng chảy lũ. Đề tài NCKH cấp Bộ, Viện KTTV, Hà Nội.
5. Lương Tuấn Anh, Nguyễn Thanh Sơn (2006), “Một cách giải hệ phương trình vi phân thường phi tuyến tính trong mô hình sóng động học một chiều phương pháp phần tử hữu hạn” Tạp chí khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội. Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, T.XXII, No4-2006 tr 27 - 33,
6. Lương Tuấn Anh, Trần Thục (2007), "Thuật toán thể tích hữu hạn giải hệ phương trình sóng động lực hai chiều ngang". Tuyển tập báo cáo Hội thảo Khoa học lần thứ 10,, Thuỷ văn tài nguyên nước và Môi trường, Viện Khoa học Khí tượng Thuỷ văn, và Môi trường Tháng 3-2007, tr 3- 8.
7. Đào Đình Bắc, Đặng Văn Bào, Vũ Văn Phái, Nguyễn Hiệu (2001), "Nghiên cứu các dấu vết của lũ lụt trong địa hình phục vụ cảnh báo tai biến vùng hạ lưu sông
Thu Bồn" Tạp chí Các khoa học về Trái Đất. T.23, No1, tr 76-81.
8. Đặng Văn Bào, Nguyễn Hiệu (2005), “Nghiên cứu địa mạo cho việc giảm thiểu tai biến xói lở – bồi tụ vùng hạ lưu sông Thu Bồn”. Tạp chí khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội. Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, T.XXI, No5 PT-2005, tr. 1-10.
9. Đặng Văn Bào, Nguyễn Hiệu (2006), “Một số dạng tai biến thiên nhiên ở Việt Nam và cảnh báo chúng trên cơ sở địa mạo”. Tạp chí khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội. Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, T.XXII, No 4 PT-2006, tr. 12- 23.
10.Nguyễn Cảnh Cầm, Đỗ Cao Đàm, Ngô Đình Tuấn, Phạm Hùng (2005), Sổ tay ký