CHƢƠNG 2 : PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1. Xây dựng bản đồ ngập lụt lƣu vực hạ lƣu sông Cả:
3.1.1. Cơ sở dữ liệu:
Các nguồn số liệu đã đƣợc thu thập phục vụ trong luận văn bao gồm: - Bản đồ trạm KTTV trên lƣu vực (Hình 3.1)
(Nguồn: Đài Khí tƣợng Thủy văn khu vực Bắc Trung Bộ).
Hình 3.1. Bản đồ lƣới sông và mạng lƣới trạm KTTV trên lƣu vực
- Mạng lƣới trạm khí tƣợng
Các trạm khí tƣợng trên lƣu vực hầu hết đƣợc thành lập từ sau năm 1957. Trƣớc 1957 cũng có một số trạm khí tƣợng hoặc đo mƣa đƣợc thiết lập nhƣng quan trắc không liên tục do ảnh hƣởng của chiến tranh. Tổng số trạm khí tƣợng trên lƣu vực là 11 trạm đo các yếu tố: mƣa, nhiệt độ, độ ẩm, bốc hơi, gió, nắng áp suất không khí, bức xạ… gồm (Bảng 3.1):
+ 03 trạm khí tƣợng hạng I: Vinh, Hòn Ngƣ, Tƣơng Dƣơng; + 02 trạm khí tƣợng hạng II; Quỳnh Lƣu, Đô Lƣơng;
STT Tên trạm Địa danh Sông Vĩ độ Kinh độ Các yếu tố quan trắc
I Trạm Khí Tƣợng:
1 Tƣơng Dƣơng TT Hòa Bình, Tƣơng Dƣơng Cả 190
17' 104026' R, T, Bh 2 Con Cuông TT Con Cuông, Con Cuông Cả 190
03' 104053' R, T, Bh 3 Đô Lƣơng TT Đô Lƣơng, Đô Lƣơng Cả 180
54' 105018' R, T, Bh 4 Quỳ Châu TT Quỳ Châu, Quỳ Châu Hiếu 190
34' 105007' R, T, Bh 5 Quỳ Hợp TT Quỳ Hợp, Quỳ Hợp Hiếu 190
19' 105009' R, T, Bh
6 Vinh Tp Vinh Lam 180
40' 105042' R, T, Bh
II Trạm Thủy Văn
1 Quỳ Châu Châu Hội, Quỳ Châu Hiếu 19033' 105008' H, X, Q 2 Nghĩa Khánh Nghĩa Khánh, Nghĩa Đàn Hiếu 19026' 105020' H, X, Q 3 Mƣờng Xén Tà Kạ, Kỳ Sơn Nậm Mộ 19024' 104007' H, X, Q 4 Thạch Giám Thạch Giám, Tƣơng Dƣơng Cả 19017' 104020' H,X 5 Con Cuông Chi Khê, Con Cuông Cả 19004' 104051' H,X 6 Dừa Tƣờng Sơn, Anh Sơn Cả 18059' 105002' H, X, Q 7 Đô Lƣơng Đô Lƣơng Cả 18054' 105017' H,X 8 Yên Thƣợng Thanh Yên, Thanh Chƣơng Cả 18041' 105023' H, X, Q 9 Nam Đàn TT Nam Đàn Cả 18042' 105029' H,X 10 Chợ Tràng Hƣng Phú, Hƣng Nguyên Cả 18034' 105038' H,X 11 Của Hội Nghi Hải, Nghi Lộc Lam 18045' 105043' H,X 12 Sơn Diệm Sơn Diệm, Hƣơng Sơn Ngàn Phố 18030' 105021' H, X, Q 13 Chu Lễ Hƣơng Thuỷ, Hƣơng Khê Ngàn Sâu 18013' 105042' H,X 14 Hoà Duyệt Đức Liên, Đức Thọ Ngàn Sâu 18022' 105035' H, X, Q 15 Linh Cảm Tùng Ảnh, Đức Thọ La 18032' 105033' H,X
+ 03 trạm khí tƣợng hạng I: Vinh, Hòn Ngƣ, Tƣơng Dƣơng; + 02 trạm khí tƣợng hạng II; Quỳnh Lƣu, Đô Lƣơng;
+ 06 trạm khí tƣợng hạng III; Quỳ Châu, Quỳ Hợp, Tây Hiếu, Con Cuông, Hƣơng Sơn và Hƣơng Khê
- Mạng lƣới trạm thuỷ văn (Bảng 3.1)
Hiện nay trên lƣu vực có 16 trạm thủy văn đang hoạt động đo đạc các yếu tố thuỷ văn mƣa, mực nƣớc, lƣu lƣợng nƣớc, lƣu lƣợng chất lơ lửng và đƣợc đƣa vào mạng lƣới điện báo mùa mƣa lũ.
+ 07 trạm thủy văn cấp I; Mƣờng Xén, Dừa, Yên Thƣợng, Hòa Duyệt và Sơn Diệm.
+ 05 trạm thủy văn cấp III; vùng sông không ảnh hƣởng triều: Thạch Giám, Khe Bố, Con Cuông, Đô Lƣơng, Nam Đàn, Chu Lễ.
+ 04 trạm thủy văn cấp III; vùng sông ảnh hƣởng triều: Chợ Tràng, Bến Thủy, Cửa Hội, Linh Cảm. Riêng trạm Bến Thủy không nằm trong mạng lƣới điện báo.
- Bản đồ địa hình tỷ lệ: 1: 10.000 trên hệ thống sông Cả (Nguồn: Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng).
- Bản đồ địa chính tỷ lệ: 1: 10.000 trên hệ thống sông Cả (Nguồn: Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng).
- Các số liệu vết lũ đƣợc điều tra năm 2010 (Nguồn: Trƣờng Đại học KHTN - Đại học quốc gia Hà Nội).
- Số liệu mặt cắt đƣợc kế thừa của Trƣờng Đại học KHTN - Đại học quốc gia Hà Nội.
Các báo cáo về tình hình lũ lụt, thiên tai trên lƣu vực hệ thống sông Cả cũng đƣợc thu thập.
3.1.2. Xây dựng mô hình Mike Nam cho lưu vực sông Cả:
a. Thiết lập mô hình Mike Nam:
Căn cứ vào đặc trƣng của từng vùng tiểu lƣu vực. Lƣu vực sông Cả đƣợc chia thành 9 lƣu vực con để kết nối với mô-đun thủy lực Mike 11. Sử dụng phần mềm ArcGIS để xử lý bản đồ bản đồ địa hình tỉ lệ 1:10 000, phân vùng tiểu lƣu vực đƣợc thể hiện tại hình 3.1.
Để đƣa các trạm đo mƣa vào tính toán chúng tôi lƣa chon 22 trạm KTTV gồm: Trạm Thủy văn Mỹ Lý, Mƣờng Xén, Thạch Giám, Con Cuông, Quỳ Châu, Nghĩa Khánh, Dừa, Đô Lƣơng, Yên Thƣợng, Nam Đàn, Cửa Hội, Linh Cảm, Sơn Diệm, Hòa Duyệt, Chu Lễ; Trạm Khí tƣợng Quỳ Châu, Quỳ Hợp, Tây Hiếu, Vinh, Hƣơng Khê, Hƣơng Sơn và Trạm đo mƣa Khe Bố, Quế Phong. Vì các trạm đó thuộc lƣu vực tính toán của luận văn.
b. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình:
Trong mô hình Mike-Nam, việc hiệu chỉnh bộ thông số chính đƣợc thực hiện bằng phƣơng pháp thử dần. Kết quả của mô hình đƣợc so sánh với kết quả thực đo tại trạm đo lƣu lƣợng nƣớc đó là các trạm thủy văn Dừa, Hòa Duyệt với chỉ tiêu đánh giá Nash, một số chỉ tiêu khác nhƣ sai số tổng lƣợng, sai số đỉnh và đƣờng quá trình tính toán, thực đo của yếu tố tính toán. Bộ thông số chính của mô hình Mike-Nam từng lƣu vực bộ phận thể hiện tại bảng 3.2.
Bảng 3.2. Bộ thông số của mô hình Mile Nam từng lƣu vực bộ phận
Thông số Đô Lƣơng Nam Đàn Cửa Hội Chợ Tràng Linh Cảm Hòa Duyệt Sơn Diệm Yên Thƣợng Dừa Umax 12,9 18,1 18,3 19,9 19,4 17,9 10,8 17,1 13,3 Lmax 294 299 299 298 299 106 101 101 126 CQOF 0,141 0,101 0,278 0,164 0,143 0,638 0,999 0,998 0,283 CKIF 987,6 888,7 227,2 206,2 208 209,6 588,1 211,6 887,3 CK1,2 32,7 49,2 49,4 47,0 47,0 49,8 44,5 49,1 30,9 TOF 0,988 0,356 0,032 0,059 0,202 0,205 0,624 0,906 0,004 TIF 0,707 0,313 0,602 0,391 0,141 0,385 0,175 0,709 0,072 TG 0,020 0,493 0,713 0,943 0,775 0,927 0,989 0,988 0,701 CKBF 3927 3933 2132 3845 3748 1004 2293 1585 3803
Luận văn chọn trận lũ từ ngày 23/8 - 7/9/2010 và trận lũ 10 – 30/10/2010 để hiệu chỉnh và trận lũ từ 10-20/9/2011 để kiểm nghiệm bộ thông số tại lƣu vực Dừa.
Các chỉ tiêu đánh giá chất lƣợng hiệu chỉnh và kiểm nghiệm bộ thông số đƣợc trình bày trong bảng 3.3; hình 3.3 và hình 3.4; hình 3.5.
Hình 3.3. Quá trình lƣu lƣợng giữa tính toán với thực đo, trận lũ 23/8-7/9/2010 trạm TV Dừa
Hình 3.4. Quá trình lƣu lƣợng giữa tính toán với thực đo, trận lũ 10/10-30/10/2010 trạm TV Dừa
Hình 3.5. Quá trình lƣu lƣợng giữa tính toán với thực đo trận lũ 10-20/9/2011 Trạm TV Dừa trận lũ 10-20/9/2011 Trạm TV Dừa
Bảng 3.3. Kết quả hiệu chỉnh, kiểm nghiệm mô hình Mike-Nam tại trạm TV Dừa
Trận lũ Nash QmaxT T (m3/s) Qmaxtđ (m3/s) SSĐ (%) WTT (106m3) Wtđ (106m3) SSW (%) Ghi chú 23/8-5/9/2010 0,89 2.141 2.200 2,638 1.264 1.408 11,36 Hiệu chỉnh 10/10- 30/10/2010 0,96 3.680 3.806 4,583 2.095 2.036 2,801 10-20/9/2011 0,85 2.850 3.000 4,981 1.304 1.211 7,138 Kiểm định Các chỉ tiêu đánh giá chất lƣợng hiệu chỉnh và kiểm nghiệm bộ thông số lƣu vực Hoà Duyệt đƣợc trình bày ở hình 3.6; hình 3.7 hình 3.8; bảng 3.4.
Hình 3.6. Quá trình lƣu lƣợng giữa tính toán với thực đo, trận lũ 21/8-4/9/2010 trạm TV Hòa Duyệt
Hình 3.7. Quá trình lƣu lƣợng giữa tính toán với thực đo, trận lũ 14-25/10/2010 trạm TV Hòa Duyệt
Hình 3.8. Quá trình lƣu lƣợng giữa tính toán với thực đo trận lũ 04-25/9/2011 trạm TV Hòa Duyệt
Bảng 3.4. Kết quả hiệu chỉnh, kiểm nghiệm mô hình Mike-Nam tại trạm TV Hòa Duyệt
Trận lũ Nash QmaxTT (m3/s) Qmaxtđ (m3/s) SSĐ (%) WTT (106m3) Wtđ (106m3) SSW (%) Ghi chú 21/8-4/9/2010 0.95 1.071 1.100 2,612 364.9 383.5 4,844 Hiệu chỉnh 14-25/10/2010 0.95 3.603 3.520 2,436 739.7 820.1 9,810 04-25/9/2011 0.88 927 901 2,922 529.8 532.1 0,432 Kiểm định
Nhƣ vậy với 2 bộ thông số đã đƣợc hiệu chỉnh và kiểm định tại 2 lƣu vực Dừa, Hòa Duyệt thì có thể áp dụng cho các lƣu vực còn lại để tính toán cho lƣu vực khu giữa và làm đầu vào cho Mike 11.
3.1.3. Xây dựng mô hình Mike 11 cho lưu vực sông Cả:
a. Mạng sông: Mạng sông đƣa vào tính toán thuỷ lực bao gồm toàn bộ dòng chính và các phụ lƣu chính của vùng trung, hạ du trong lƣu vực sông Cả (hình 3.9), cụ thể nhƣ sau:
+ Dòng chính sông Cả: từ ngã ba Dừa đến ngã ba Chợ Tràng dài 127 km với 137 mặt cắt;
+ Sông Cả từ trạm thuỷ văn Chợ Tràng đến Cửa Hội, dài 34km với 17 mặt cắt; + Sông Ngàn Phố: Từ trạm thuỷ văn Sơn Diệm đến ngã ba Linh Cảm với chiều dài là 26km và mặt cắt sử dụng là 15 mặt cắt;
+ Sông Ngàn Sâu: từ trạm thuỷ văn Hoà Duyệt đến ngã ba Linh Cảm với chiều dài 24km và mặt cắt sử dụng là 13 mặt cắt;
+ Sông La: từ Linh Cảm đến nhập lƣu vào sông Cả (ngã ba Chợ Tràng) với chiều dài là 12km và mặt cắt sử dụng là 7 mặt cắt;
Địa hình lòng dẫn sông Cả sử dụng trong tính toán thuỷ lực đều theo hệ cao độ Quốc gia. Đoạn từ Dừa đến Cửa Hội và từ Hòa Duyệt đến Ngã ba Chợ Tràng đƣợc đo đạc mới trong năm 2016. Còn các đoạn khác đƣợc bổ sung bởi Liên đoàn khảo sát khí tƣợng thủy văn năm 2008. Mạng lƣới tính gồm 5 sông chính trên lƣu vực với tổng chiều dài 223km, bao gồm 189 mặt cắt.
Hình 3.9. Cấu trúc các điểm lƣới trong mạng vòng
b. Điều kiện biên của mô hình
Các biên Dừa, Hòa Duyệt và Sơn Diệm là số liệu lƣu lƣợng thực đo; lƣợng gia nhập khu giữa đƣợc tính toán bằng mô hình Mike-Nam tích hợp trong bộ mô hình MIKE; Biên dƣới là mực nƣớc trạm thủy văn Cửa Hội.
Bảng 3.5. Thông tin đặc trƣng mạng thủy lực Mike 11 TT Tên sông Chiều dài TT Tên sông Chiều dài
(km)
Số mặt
cắt Điểm đầu Điểm cuối
1 Sông Cả 127 137 Dừa Ngã ba Chợ Tràng
2 Sông Cả 34 17 Ngã ba Chợ Tràng Cửa Hội
3 Sông La 12 7 Linh Cảm Ngã ba Chợ Tràng
4 Sông Ngàn Phố 26 15 Sơn Diệm Linh Cảm 5 Sông Ngàn Sâu 24 13 Hòa Duyệt Linh Cảm
Với số liệu dòng chảy đầu vào của 2 trận lũ năm 2010 và 2011, luận văn đã xác định đƣợc hệ số nhám cho hệ thống sông Cả 0.025 đến 0.065.
c) Hiệu chỉnh và kiểm định bộ thông số của mô hình:
Luận văn chọn trận lũ từ ngày 10 – 30/10/2010 để hiệu chỉnh và trận lũ từ 10- 20/9/2011 để kiểm nghiệm bộ thông số tại trạm thủy văn Đô Lƣơng. Các chỉ tiêu đánh giá chất lƣợng hiệu chỉnh và kiểm nghiệm bộ thông số đƣợc trình bày trong bảng 3.6; hình 3.10; hình 3.11.
Hình 3.10. Quá trình mực nƣớc giữa tính toán với thực đo trận lũ 10/10-30/10/2010 trạm TV Đô
Lƣơng
Hình 3.11. Quá trình mực nƣớc giữa tính toán với thực đo trận lũ 10/9-27/9/2011 trạm TV Đô Lƣơng
Bảng 3.6.Kết quả hiệu chỉnh, kiểm nghiệm mô hình Mike-11 tại trạm TV Đô Lƣơng Trận lũ Nash HmaxTT (m) Hmaxtđ (m) SSĐ (%) Ghi chú 10/10-30/10/2010 0,91 14,7 14,1 4,730 Hiệu chỉnh 10-20/9/2011 0,89 15,4 16,6 7,540 Kiểm định
* Tại trạm thủy văn Yên Thƣợng. Các chỉ tiêu đánh giá chất lƣợng hiệu chỉnh và kiểm nghiệm bộ thông số đƣợc trình bày trong bảng 3.7 và hình 3.12; hình 3.13.
Hình 3.12. Quá trình mực nước giữa tính toán với thực nước giữa tính toán với thực đo trận lũ 10/10-30/10/2010
đo trận lũ 10/10-30/10/2010 trạm TV Yên Thượng trạm TV Yên Thượng
Hình 3.13. Quá trình mực nƣớc giữa tính toán với thực đo trận lũ 10/9-27/9/2011 trạm TV Yên Thƣợng
Bảng 3.7. Kết quả hiệu chỉnh, kiểm nghiệm mô hình Mike-11 trạm TV Yên Thƣợng
Trận lũ Nash HmaxTT (m) Hmaxtđ (m) SSĐ (%) Ghi chú 10/10-30/10/2010 0,92 7,6 8,7 13,7 Hiệu chỉnh 10-20/9/2011 0,85 8,7 9,1 4,28 Kiểm định
* Tại trạm thủy văn Nam Đàn. Các chỉ tiêu đánh giá chất lƣợng hiệu chỉnh và kiểm nghiệm bộ thông số đƣợc trình bày trong bảng 3.8 và hình 3.14; hình 3.15.
Hình 3.14. Quá trình mực nước giữa tính toán với
thực đo trận lũ 10/10-30/10/2010 trạm TV Nam Đàn Hình 3.15. Quá trình mực nước giữa tính toán với thực đo trận lũ 10/9-27/9/2011 trạm TV Nam Đàn
Bảng 3.8. Kết quả hiệu chỉnh, kiểm nghiệm mô hình Mike-11 trạm TV Nam Đàn
Trận lũ Nash HmaxTT (m) Hmaxtđ (m) SSĐ (%) Ghi chú 10/10-30/10/2010 0,92 6,8 7,4 8,6 Hiệu chỉnh 10-20/9/2011 0,83 7,3 7,6 3,76 Kiểm định
3.1.4. Xây dựng mô hình MIKE FLOOD cho khu vực nghiên cứu
a. Thiết lập miền tính mô hình MIKE21
Mô hình MIKE 21 đƣợc sử dụng để tính toán dòng chảy trên bãi ngập lũ, vùng tính toán 2 chiều trong vùng nghiên cứu đƣợc xác định trên cơ sở bản đồ địa hình kết hợp số liệu điều tra khảo sát các trận lũ lịch sử nhằm đảm bảo vùng tính toán bao trùm đƣợc vùng ngập trên lƣu vực. Từ bản đồ địa hình 1:10.000 do Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng cấp, nghiên cứu đã tiến hành xây dựng lƣới tính cho miền tính 2 chiều. Khu vực nghiên cứu đƣợc rời rạc hóa theo lƣới phần tử hữu hạn (FEM) với kích thƣớc mỗi cạnh ô lƣới từ 100 – 200m cho khu vực có địa hình tƣơng đối bằng phẳng, còn với những khu vực có sự thay đổi nhiều về địa hình nhƣ hệ thống giao thông, đê kè, hay các khu dân cƣ thì lƣới tính nhỏ hơn với kích thƣớc thay đổi dần từ 30 – 100m (Hình 3.16).
Sau khi xây dựng mạng lƣới thủy lực trong Mike 11 và Mike 21 nghiên cứu tiến hành Coupling cà 2 mạng lƣới thủy lực 1 chiều và 2 chiều, các liên kết bên đƣợc lựa chọn để kết nối 2 mô hình.
Hình 3.16. Miền tính 2 chiều trong vùng nghiên cứu
b. Kết nối mô hình 1 -2 chiều trong MIKE FLOOD
Mạng sông đƣa vào tính toán thuỷ lực bao gồm toàn bộ dòng chính và các phụ lƣu chính của vùng trung, hạ du trong lƣu vực sông Cả, cụ thể nhƣ sau:
+ Dòng chính sông Cả: từ ngã ba Dừa đến ngã ba Chợ Tràng.
+ Sông Ngàn Phố: Từ trạm thuỷ văn Sơn Diệm đến ngã ba Linh Cảm. + Sông Ngàn Sâu: từ trạm thuỷ văn Hoà Duyệt đến ngã ba Linh Cảm. + Sông La: từ Linh Cảm đến nhập lƣu vào sông Cả (ngã ba Chợ Tràng). + Sông Cả: ngã ba Chợ Tràng đến Cửa Hội
Mạng thủy lực 1D đƣợc kết nối với mô hình 2D bởi 2272 kết nối bên, đƣợc thể hiện trong bảng 3.9.
Bảng 3.9. Lựa chọn kết nối trong mô hình MIKE FLOOD
Loại kết nối Sông Từ (km) Đến (km) Số điểm kết nối
Kết nối bên La 0.0 12443.187 25
Kết nối bên La 0.0 12443.187 27
Kết nối bên Cả 0.0 34132.243 67
Kết nối bên Cả 0.0 34132.243 67
Kết nối bên Ngan Sau 0.0 25218.728 127 Kết nối bên Ngan Sau 0.0 25218.728 127 Kết nối bên Ngan Pho 0.0 27387.238 113 Kết nối bên Ngan Pho 0.0 27387.238 137
Kết nối bên Ca 0.0 127496.973 420
Kết nối bên Ca 0.0 127496.973 420
c. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình:
Hệ thống mô hình tích hợp MIKE NAM – MIKE11 – MIKE21 bằng MIKE FLOOD ở trên đƣợc hiệu chỉnh với trận lũ 10/2010 cho lƣu vực sông Cả. Số liệu dùng để hiệu chỉnh và kiểm định là mực nƣớc thực đo trên các hệ thống sông và số liệu diện ngập đƣợc chụp từ vệ tinh ngày 20/10/2010 do UNOSAT công bố.
Trận lũ từ 14/10/2010 đến ngày 25/10/2010 đƣợc sử dụng để hiệu chỉnh bộ thông số của mô hình, kết quả so sánh mực nƣớc tính toán và thực đo tại các điểm điều