Hình 2.4. Khoanh vùng nguy cơ ngập lụt sử dụng mơ hình dịng chảy hai chiều
4. Khoanh vùng nguy cơ ngập lụt bằng phương pháp ảnh vệ tinh
Hiện nay ở Việt Nam có các loại tư liệu vệ tinh thơng dụng có thể sử dụng vào mục đích khoanh vùng nguy cơ ngập lụt như: LANDSAT MSS, LANDSAT TM, SPOT HRV, MOS-1 MESSR, ảnh chụp từ máy bay với các tỷ lệ khác nhau...
Về bản chất việc nghiên cứu ngập lụt bằng tư liệu vệ tinh hồn tồn dựa trên đặc tính phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên, trong đó có chú trọng tới các đối tượng ngập nước và chứa nước.
Dựa vào phản xạ phổ của một số đối tượng tự nhiên trong dải sóng nhìn thấy có thể thấy, thực vật phản xạ yếu trong dải sóng nhìn thấy, sự phản xạ của chúng bị ảnh hưởng trước tiên bởi hàm lượng chất diệp lục có trong thành phần lá cây. Chất diệp lục hấp thụ hơn 90% năng lượng trong dải sóng chàm (0.45 micro mét) và đỏ (0.65 micro mét). Giữa hai vùng hấp thụ là vùng phản xạ ở bước sóng 0.55 micro mét, năng lượng phản xạ vào khoảng 20%. Trong vùng sóng hồng ngoại gần, sự phản xạ tăng lên đột ngột ở bước sóng từ 0.68 đến 0.7 micro mét. Trong vùng hồng ngoại bước sóng ngắn, sự phản xạ giảm đi khi bước sóng tăng lên. Nguyên nhân gây lên hiện tượng này là ở chính hàm lượng nước trong lá và bề dày của lá, vì trong vùng sóng này nước hấp thụ mạnh các sóng hồng ngoại. Vì vậy rất dễ dàng phân biệt được thực vật với các đối tượng khác bằng hai vùng phản xạ tại sóng lục và gần hồng ngoại.
Đặc trưng phản xạ phổ của nước có thể mơ tả vắn tắt như sau: Nhìn chung chúng cho các bức xạ truyền qua trong dải sóng dưới 0.6 micro mét. Ở vùng sóng dài hơn chúng bị hấp thụ mạnh và phản xạ rất yếu. Sự hấp thụ và truyền qua của bức xạ trong nước phụ thuộc vào nhiều vật chất lơ lửng trong nước và nền đáy. Vì vậy năng lượng phản xạ có thể chứa nhiều thơng tin về các vật chất lơ lửng cũng như mức độ nông sâu của nền đáy thủy vực. Các vật chất lơ lửng hữu cơ hoặc vô cơ, mật độ các loại tảo, rêu…sống trong nước là nguyên nhân chính ảnh hưởng tới sự phản xạ phổ của nước. Trên ảnh đen trắng, nước trong có màu sẫm trong khi nước hồ do lẫn nhiều tạp chất và nền đáy thường nơng nên có màu sáng hơn. Trên ảnh màu giả, nước trong vẫn giữ màu đen nhưng nước hồ, ao lại có màu vàng, lục. Ranh giới thủy vực có thể được xác định rõ ràng trên các ảnh trong dải sóng hồng ngoại.
Những vùng đất không bị che phủ bởi thực vật và không bị ngập nước phản xạ mạnh năng lượng mặt trời trên mọi dải sóng và do đó trên ảnh tổng hợp màu nó bao giờ cũng cho các màu sáng cho đến trắng.
Căn cứ theo các đặc tính phản xạ phổ của các yếu tố cơ bản trong lớp phủ bề mặt có thể xây dựng quy trình cơng nghệ nhằm tách biệt ranh giới các khu vực chứa nước và không chứa nước. Đây là công việc quan trọng đầu tiên trong việc theo dõi ngập lụt, bởi vì thực chất của cơng việc này là xác định ranh giới của các thủy vực tạm thời (vùng ngập lụt) và không tạm thời (ao, hồ…).
Để tách biệt ranh giới giữa vùng ngập nước và khơng ngập nước có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau trong đó có thể kể đến là phương pháp giải đoán bằng mắt và phương pháp xử lý số.
2.1.3. Lựa chọn phương pháp khoanh vùng nguy cơ ngập lụt địa bàn thành phố Hà Nội Hà Nội
Việc khoanh vùng nguy cơ ngập lụt trên địa bàn thành phố Hà Nội dựa vào số liệu điều tra khảo sát thực địa là tương đối chính xác nếu mật độ vết lũ dày. Tuy nhiên, trong thực tế thường số liệu và thơng tin điều tra vết lũ ít, nên xác định
ranh giới ngập lụt gây nhiều khó khăn, độ chính xác hạn chế. Vì vậy phương pháp này ít được sử dụng độc lập mà thường kết hợp với một số phương pháp khác (vệ tinh, mơ hình hóa, địa hình địa mạo) để nâng cao độ chính xác.
Phương pháp khoanh vùng nguy cơ ngập lụt sử dụng bản đồ địa hình, địa mạo thường mang tính chất mơ tả do chưa xét đến các yếu tố về đặc tính thủy văn, thủy lực của khu vực nghiên cứu. Tuy nhiên, thành phố Hà Nội là đô thị phát triển mạnh, điều kiện địa hình, mặt đệm và hệ thống các cơng trình tiêu, thốt nước có sự thay đổi nhanh. Vì vậy việc khoanh vùng nguy cơ ngập lụt bằng phương pháp này là kém chính xác do không liên tục cập nhật sự thay đổi các điều kiện mặt đệm, địa hình, và các yếu tố khác trên lưu vực.
Phương pháp dùng ảnh vệ tinh để khoanh vùng nguy cơ ngập lụt cho thành phố Hà Nơi là phương pháp có tính bao qt và có thể quan sát các vùng ngập lụt một cách rõ ràng và có độ chi tiết cao. Tuy nhiên, trong thực tế việc thu nhận ảnh vệ tinh phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết cũng như vị trí các vệ tinh (có thể bao qt được khu vực nghiên cứu hay không) hoặc do công tác chuẩn bị để thu nhận nên thường không chụp được các cảnh ảnh tại những thời điểm cần thiết. Mặt khác, đối với những vùng ngập lụt thường xuyên bằng ảnh vệ tinh không thể phân biệt được khu vực bị ngập nước với khu vực bán ngập nước. Do đó phương pháp này thường được sử dụng để tạo ra các dữ liệu tham chiếu quan trọng phục vụ cho các phương pháp khác để khoanh vùng nguy cơ ngập lụt.
Phương pháp mơ hình hóa: trong thời gian gần đây, các mơ hình một hoặc/và hai chiều thường được sử dụng để khoanh vùng nguy cơ ngập lụt có những ưu điểm vượt trội trong việc mơ phỏng dịng chảy một chiều trong mạng lưới sơng và có thể mơ phỏng bức tranh hai chiều của dòng chảy tràn trên bề mặt đồng ruộng. Tuy nhiên chúng vẫn còn một số hạn chế trong việc mô phỏng ngập lụt. Đối với mơ hình một chiều sẽ rất khó khăn để mơ phỏng dịng chảy tràn nếu khơng biết trước một số khu chứa và hướng chảy, không mô tả được trường vận tốc trên mặt ruộng hoặc khu chứa. Đối với mô hình hai chiều nếu muốn vừa tính tốn dịng chảy tràn trên bề mặt ruộng, vừa nghiên cứu dòng chảy chỉ lưu trong
các kênh dẫn thì cần phải thu nhỏ bước lưới đến mức có thể thể hiện được sự thay đổi của địa hình trong lịng dẫn mà hệ quả của nó là thời gian tính tốn tăng lên theo cấp số nhân.
Hiện nay mơ hình MIKE FLOOD cho phép kết nối mơ hình một chiều (MIKE 11) và mơ hình hai chiều (MIKE 21) để mô phỏng, xác định khu vực ngập lụt. Đây là bộ mơ hình có thể mơ tả tồn bộ q trình thủy văn, thủy lực tồn bộ hệ thống một cách chi tiết. Đồng thời có thể khác phục được các nhược điểm của các phương pháp khác như: phương pháp ảnh vệ tinh, phương pháp trắc địa….và cho phép mơ phỏng các kịch bản trong tương lai. Vì vậy mơ hình MIKE FLOOD được chọn để khoanh vùng nguy cơ ngập lụt địa bàn thành phố Hà Nội.
2.2. Cơ sở lý thuyết mơ hình MIKE FLOOD
2.2.1. Giới thiệu chung
MIKE FLOOD là một công cụ mạnh liên kết mơ hình MIKE 11 một chiều và mơ hình MIKE 21 hai chiều, để mô phỏng lũ trên một lưu vực và vùng cửa sông, thuộc bộ phần mềm MIKE.
Bộ phần mềm MIKE bao gồm: MIKE 11, MIKE 21, MIKE MOUSE, MIKE FLOOD, MIKE VIEW, MIKE SHE, MIKE BASIN được Viện thủy lực Đan Mạch xây dựng để dự báo và điều khiển lũ. Phần mềm này đã được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước bởi nhiều đặc điểm tiện ích: Sử dụng giao diện Window, tương thích với nhiều phần mềm GIS, nhập được số liệu đầu vào từ nhiều nguồn… Hiện tại, phần mềm này vẫn không ngừng được cải tiến để đáp ứng nhu cầu của người sử dụng.
2.2.2. Các nguyên tắc kết nối trong mơ hình MIKE FLOOD
Mặc dù mơ hình MIKE 11 và MIKE 21 có những ưu điểm vượt trội trong việc mơ phỏng dịng chảy một chiều trong mạng lưới sơng phức tạp (MIKE 11) và có thể mô phỏng bức tranh hai chiều của dòng chảy tràn trên bề mặt đồng ruộng (MIKE 21), Hình 2.5.
Hình 2.5. Các thành phần theo phương x và y
Tuy nhiên, chúng vẫn còn một số hạn chế trong việc mô phỏng ngập lụt sau vỡ đập. Đối với MIKE 11, sẽ rất khó khăn để mơ phỏng dịng chảy tràn nếu khơng biết trước một số khu chứa và hướng chảy, không mô tả được trường vận tốc trên mặt ruộng hoặc khu chứa, cịn trong MIKE 21, nếu muốn vừa tính tốn dòng tràn trên bề mặt ruộng, vừa muốn nghiên cứu dịng chảy chủ lưu trong các kênh dẫn thì cần phải thu nhỏ bước lưới đến mức có thể thể hiện được sự thay đổi của địa hình trong lịng dẫn mà hệ quả của nó là thời gian tính tốn tăng lên theo cấp số nhân.
Để kết hợp các ưu điểm của cả mơ hình một và hai chiều đồng thời khắc phục được các nhược điểm của chúng, MIKE FLOOD cho phép kết nối 2 mơ hình MIKE 11 và MIKE 21 trong q trình tính tốn, tăng bước lưới của mơ hình (nghĩa là giảm thời gian tính tốn) nhưng vẫn mơ phỏng được cả dòng chảy trong lịng dẫn và trên mặt ruộng hoặc ơ chứa.
Trong MIKE FLOOD có 4 loại kết nối sau đây giữa mơ hình một và hai chiều:
1. Kết nối tiêu chuẩn
Trong kết nối này, thì một hoặc nhiều ơ lưới của MIKE 21 sẽ được liên kết với một đầu của phân đoạn sông trong MIKE 11. Loại kết nối này rất thuận tiện cho việc nối một lưới chi tiết của MIKE21 với một hệ thống mạng lưới sông lớn hơn
trong MIKE 11, hoặc nối các cơng trình trong mơ hình MIKE 21. Các cách áp dụng có thể của nó được chỉ ra trong hình 2.6 dưới đây.
Hình 2.6. Các ứng dụng trong kết nối tiêu chuẩn
2. Kết nối bên
Kết nối bên cho phép một chuỗi các ô lưới trong MIKE 21 có thể liên kết vào hai bên của một đoạn sông, một mặt cắt trong đoạn sơng hoặc tồn bộ một nhánh sông trong MIKE 11, dòng chảy chảy qua kết nối bên được tính tốn bằng cách sử dụng các phương trình của các cơng trình hoặc các bảng quan hệ Q-H, loại kết nối này đặc biệt hữu ích trong việc tính tốn dòng chảy tràn từ trong kênh dẫn ra khu ruộng hoặc bãi, nơi mà dòng chảy tràn qua bờ đê bối sẽ được tính bằng cơng thức đập tràn đỉnh rộng. Một ví dụ của loại kết nối này được minh họa trong hình 2.7.
3. Kết nối cơng trình (ẩn)
Kết nối cơng trình là nét mới đầu tiên trong một loạt các cải tiến dự định trong MIKE FLOOD, kết nối công trình lấy thành phần dịng chảy từ một cơng trình trong MIKE 11 và đưa chúng trực tiếp vào trong phương trình động lượng của MIKE 21, quá trình này là ẩn hồn tồn và vì thế khơng ảnh hưởng đến các bước thời gian trong MIKE 21. Ví dụ về loại kết nối này được minh họa trong hình 2.8.
Hình 2.8. Một ví dụ trong kết nối cơng trình
4. Kết nối khô (zero flow link)
Một ô lưới MIKE 21 được gán là kết nối khô theo chiều x sẽ khơng có dịng chảy chảy qua phía bên phải của ơ lưới đó. Tương tự, một kết nối khơ theo chiều y sẽ khơng có dịng chảy chảy qua phía trên của nó. Các kết nối khơ này được phát triển để bổ sung cho các kết nối bên. Để chắc chắn rằng dòng chảy tràn trong MIKE 21 không cắt ngang từ bờ này sang bờ kia của sông mà không liên kết với MIKE 11, các kết nối khơ này được đưa vào để đóng các dịng trong MIKE 21. Một cách khác để sử dụng kết nối khô là gán cho các ô lưới là đất cao, mà tùy thuộc vào độ phân giải của lưới tính có thể chưa mơ tả được. Kết nối khơ cũng được sử dụng để mô tả các dải phân cách hẹp trong đồng ruộng ví dụ như đê bối, đường, ... và khi đó thay vì sử dụng một chuỗi các ô lưới được định nghĩa là đất cao thì nên sử dụng chuỗi các kết nối khơ.
Sử dụng các kết nối trên đây ta có thể dễ dàng liên kết hai mạng lưới tính trong mơ hình một chiều và hai chiều với nhau. Khi chạy mơ hình, để liên kết chúng, MIKE FLOOD cung cấp 3 kiểu liên kết sau đây tùy thuộc vào mục đích sử dụng mơ hình:
Liên kết động lực: các kết nối sẽ chỉ chuyển các thông tin và thủy động lực (cần thiết cho các tính tốn trong MIKE 11 và MIKE 21).
Liên kết truyền tải chất: các kết nối chỉ truyền các thông tin liên quan đến các quá trình vận tải và khuyếch tán (cần thiết cho các tính toán trong MIKE 11 và MIKE 21).
Liên kết cả động lực và truyền tải chất. Các lựa chọn này sẽ được người sử dụng dễ dàng lựa chọn thông qua các hộp thoại trong mơ hình.
2.2.3. Cơ sở lý thuyết mơ hình MIKE 11
1) Hệ phương trình
Mơ hình MIKE 11 là mơ hình tính tốn mạng sông dựa trên việc giải hệ phương trình một chiều Saint –Venant, với các giả thiết cơ bản sau đây:
- Chất lỏng (nước) là khơng nén được và đồng nhất (xem như khơng có sự khác biệt về trọng lượng riêng của nước).
- Độ dốc đáy sông (kênh) là tương đối nhỏ.
- Chiều dài sóng là tương đối dài so với độ sâu dịng chảy (điều kiện nước nơng – xem rằng tại mọi điểm trong hệ thống, véc-tơ lưu tốc luôn song song với đáy kênh và khơng có sự biến đổi của lưu tốc theo phương thẳng đứng, từ đó có thể áp dụng giả thiết áp suất thủy tĩnh trong dòng chảy).
- Dòng chảy trong hệ thống là dòng chảy êm (số Froude lớn hơn 1). Hệ phương trình Saint-Venant bao gồm hai phương trình:
Phương trình liên tục: q t A x Q (2.1) Phương trình chuyển động:
2 0 2 AR C Q gQ x h gA x A Q t Q (2.2)
trong đó: A là diện tích mặt cắt ngang (m2);
t là thời gian (s); Q là lưu lượng nước (m3/s); x là biến không gian;
q là lưu lượng gia nhập dọc theo một đơn vị chiều dài sông(m2 s);
g là gia tốc trọng trường (m/s2); h là độ sâu dòng nước (m) ; R là bán kính thủy lực (m); là hệ số động lượng; C là hệ số Chezy Ry n C 1 , theo Manning y = 1/6. 2) Phương pháp giải
Hệ phương trình Saint – Venant về nguyên lý là không giải được bằng các phương pháp giải tích, vì thế trong thực tế tính toán người ta phải giải gần đúng bằng cách rời rạc hóa hệ phương trình. Có nhiều phương pháp rời rạc hóa hệ phương trình, và trong mơ hình MIKE 11, đã sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott. Hình 2.9 mơ tả các cách bố trí sơ đồ Abbott 6 điểm với các phương trình và các biến trong mặt phẳng x~t.
(a) (b)
Hình 2.9. a) Sơ đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott; b) Sơ đồ sai phân 6 điểm ẩn Abbott trong mặt phẳng x~t
Trong phương pháp này, mực nước và lưu lượng dọc theo các nhánh sơng được tính trong hệ thống các điểm lưới xen kẽ như trong hình 2.10.
Hình 2.10. Nhánh sơng với các điểm lưới xen kẽ
Mơ hình cho phép giải hệ phương trình cho nhiều nhánh sơng và các điểm tại các phân lưu/nhập lưu, cấu trúc của các nút lưới ở nhập lưu, tại đó ba nhánh gặp nhau, thể hiện trong hình 2.11.
Cấu trúc các điểm lưới trong mạng vịng được thể hiện trong hình 2.11. Tại một điểm lưới, mối quan hệ giữa biến số Zj (cả mực nước hj và lưu lượng Qj) tại chính điểm đó và tại các điểm lân cận được thể hiện bằng phương trình tuyến tính sau:
jZnj11jZnj1 jZnj11 j (2.3)