Hình 13. Kết quả kiểm định mơ hình NAM cho trạm Hịa Duyệt trận lũ 1979 Bảng 6. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình NAM cho các tiểu lưu vực
SL4, SL5
TT Tiểu lưu vực Thời kỳ Chỉ số Nash Hiệu chỉnh Kiểm định Hiệu chỉnh Kiểm định 1 SL4 15/9/1978- 5/10/1978 15/9/1979- 6/10/1979 0,85 0,82 2 SL5 15/9/1978- 5/10/1978 15/9/1979- 6/10/1979 0,88 0,92
Bảng 7. Bộ thơng số mơ hình NAM cho các tiểu lưu vực đại diện của sông Cả
Tiểu lưu vực Diện tích (km2) Các thơng số
Umax Lmax CQOF CKIF CK1,2 TOF TIF TG CKBF
SL4
782 25 50 0.9 500 25 0.99 0.0222 4.49e-
006 86.17 SL5 1793 20 0.45 0.98 0.57 38.3 0.44 0.695 0.54 1141
Bảng 8. Các tiểu lưu vực có điều kiện tương đồng với SL4, SL5
Điều kiện Tiểu lưu vực (Vùng nhập lưu)
Tương đồng với
tiểu lưu vực SL4 SL2 SL3 SL9 Tương đồng với
tiểu lưu vực SL5 SL1 SL5 SL6_C SL6_L SL7_C SL7_L SL8 Bảng 6 cho thấy: Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định cho 2 tiểu lưu vực SL4 và SL5 đều đạt loại khá trở lên (chỉ số Nash đạt từ 0,82 đến 0,92), như vậy, có thể sử
dụng bộ thơng số của mơ hình NAM để tính tốn lượng nhập lưu cho các tiểu lưu vực cịn lại (bảng 7). Các tiểu lưu vực có điều kiện tương đồng với tiểu lưu vực SL4 thì “mượn” bộ thơng số của SL4, các vùng nhập lưu có điều kiện tương đồng với tiểu lưu vực SL5 thì “mượn” bộ thơng số của SL5 (bảng 8).
3.4. Hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình thủy lực kết nối 1-2 chiều
Trong luận văn này, đối tượng nghiên cứu là ngập lụt ở hạ lưu lưu vực sông Cả nên cần lựa chọn 2 trận lũ lớn điển hình nhằm phản ánh được mức độ ngập lụt lớn nhất ở khu vực. Với đặc trưng địa hình của lưu vực sơng Cả, hệ thống thủy lực được xây dựng và kết nối cùng lúc các hệ thống sông La, Ngàn Phố và Ngàn Sâu nên các trận lũ được lựa chọn cũng nên đảm bảo xuất hiện trên cả 3 hệ thống sơng và có số liệu quan trắc mưa, trích lũ, có đầy đủ tài liệu điều tra vết lũ hay diện ngập.
Trên cơ sở đó, tác giả đã lựa chọn 2 trận lũ để hiệu chỉnh và kiểm định mạng thủy lực kết nối 1-2 chiều bao gồm:
Hiệu chỉnh: Trận lũ từ 1h ngày 19/9/1978 đến 1h ngày 05/10/1978 Kiểm định: Trận lũ từ 1h ngày 12/10/1988 đến 23h ngày 26/10/1988 Số liệu đầu vào dùng cho tính tốn mô phỏng gồm:
(1) Số liệu mực nước quan trắc tại Cửa Hội;
(2) Số liệu lưu lượng đo đạc tại các trạm Yên Thượng, Sơn Diệm, Hòa Duyệt;
(3) Tài liệu mưa quan trắc tại các trạm: Sơn Diệm, Hương Khê, Hòa Duyệt, Chợ Tràng, Linh Cảm, Vinh và Nam Đàn.
Số liệu phục vụ hiệu chỉnh và kiểm định mạng thủy lực kết nối 1-2 chiều bao gồm:
(1) Mực nước thực đo tại Nam Đàn, Chợ Tràng, Bến Thủy, Linh Cảm (tương ứng với các năm 1978, 1988).
3.4.1. Hiệu chỉnh
a. Mực nước lũ
Mơ hình sau khi thiết lập được hiệu chỉnh thông qua việc so sánh số liệu thực đo từ trận lũ năm 1978 với số liệu tính tốn cho cùng thời kỳ này.
Thời kỳ hiệu chỉnh từ 1h ngày 19/9/1978 đến 1h ngày 05/10/1978. Bằng cách hiệu chỉnh các hệ số nhám, kết quả thu được như các hình từ hình 14 đến hình 17.
Hình 14. Kết quả hiệu chỉnh mơ hình cho mực nước tại trạm Nam Đàn cho mực nước tại trạm Nam Đàn
Hình 15. Kết quả hiệu chỉnh mơ hình cho mực nước tại trạm Chợ Tràng cho mực nước tại trạm Chợ Tràng
Hình 16. Kết quả hiệu chỉnh mơ hình cho mực nước tại trạm Bến Thủy cho mực nước tại trạm Bến Thủy
Hình 17. Kết quả hiệu chỉnh mơ hình cho mực nước tại trạm Linh Cảm cho mực nước tại trạm Linh Cảm
Kết quả tính tốn hiệu chỉnh mực nước tại các trạm Nam Đàn, Chợ Tràng, Bến Thủy và Linh Cảm đều cho thấy sự phù hợp tương đối về pha và độ lớn giữa số liệu mực nước tính tốn và số liệu mực nước thực đo tại trạm.
Sai số giữa các giá trị tính tốn so với thực đo tại các trạm được đánh giá bằng chỉ tiêu Nash Sutcliffe, kết quả đều đạt từ 0,85 đến 0,92 (bảng 9).
Bảng 9. Đánh giá sai số theo chỉ tiêu Nash Sutcliffe (R2) mô phỏng trận lũ năm 1978 cho các trạm trên lưu vực sông Cả
STT Tên trạm R2 Đánh giá chất lượng
1 Nam Đàn 0,92 Tốt 2 Chợ Tràng 0,89 Tốt 3 Bến Thủy 0,87 Tốt 4 Linh Cảm 0,85 Tốt
b. Diện ngập
Theo thống kê, trong trận lũ lớn năm 1978, các vùng ngập thường xuyên tăng gấp hơn 2 lần, đặc biệt là ở vùng Nam Đàn và vùng sơng Cửa Lị (16.133ha bị mất trắng), độ ngập sâu. Trên các đồng ruộng, ngập sâu từ 3-4m, ở các đường giao thơng, từ 1-2m, có nơi 4-5m. Quốc lộ 1A và đường sắt bị ngập chủ yếu ở phía nam thành phố Vinh và Cầu Cấm qua Cửa Lò, đường 49 từ Vinh đi Nam Đàn bị ngập toàn tuyến. Vùng Đức Thọ - Can Lộc, hầu hết diện tích canh tác và nhiều làng xã đã ngập chìm trong nước. Diện ngập lên tới 20.000ha. Nhiều nơi ngập sâu 2-3m, quốc lộ số IA có nhiều nơi ngập sâu 0,8 - 1,2m.
Bảng 10. Diện tích ngập lụt tối đa khu vực hạ lưu sông Cả trong trận lũ lịch sử năm 1978 STT Huyện Diện tích ngập tính tốn (ha) Tổng diện ngập tính tốn (ha) Diện tích ngập thống kê (ha) Chênh lệch (ha) 1 Nam Đàn 5047 16532 16133 399 2 Hưng Nguyên 8088 3 Vinh 2417 4 TX. Cửa Lò 227 5 Nghi Lộc 753 6 Đức Thọ 8710 13488 14867 1379 7 TX. Hồng Lĩnh 1742 8 Nghi Xuân 3036 Tổng 30020 31000 980
Theo kết quả tính tốn, trận lũ năm 1978 làm ngập 8 huyện, thị xã của các tỉnh Nghệ An, Hà Tĩnh (tương ứng với 103 xã, phường, thị trấn). Độ sâu và diện tích ngập lụt cực đại trong trận lũ này được biểu diễn trên hình 18, bảng 10, qua đó có thể nhận thấy việc mô phỏng lại trận lũ năm 1978 đạt kết quả khá tốt, tại các trạm quan trắc, đường q tính tốn và thực đo khá phù hợp cả về hình dạng lũ và giá trị đỉnh lũ, chỉ tiêu Nash-Sutcliffe đều đạt trên 0,7. Kết quả so sánh diện ngập cũng cho giá trị ngập tính tốn tương đối sát với thống kê. Điều này cho thấy mơ hình đã mơ phỏng tương đối tốt trận lũ năm 1978. Do vậy, sơ đồ thủy lực, địa hình mặt cắt, bộ thơng số độ nhám của mơ hình có thể sử dụng trong đánh giá kiểm định ở bước tiếp theo, với trận lũ năm 1988.
3.4.2. Kiểm định
Sử dụng mạng lưới thủy lực với bộ thông số đã hiệu chỉnh ở trên, tiến hành kiểm định với trận lũ năm 1988.
a. Mực nước lũ
Các kết quả so sánh giữa tính tốn và thực đo biểu diễn trên các hình từ hình 19 đến hình 22, sai số đánh giá theo chỉ tiêu Nash-Sutcliffe thể hiện trên bảng 11.
Bảng 11. Đánh giá sai số theo chỉ tiêu Nash Sutcliffe (R2) mô phỏng trận lũ năm 1988 cho các trạm trên lưu vực sông Cả
STT Tên trạm R2 Đánh giá chất lượng
1 Nam Đàn 0,87 Tốt 2 Chợ Tràng 0,86 Tốt 3 Bến Thủy 0,88 Tốt 4 Linh Cảm 0,89 Tốt
Kết quả cho thấy, mực nước tính tốn và thực đo có độ tương đồng khá cao, cả về pha và biên độ. Theo chỉ tiêu Nash, sai số giữa các giá trị tính tốn so với thực đo đạt từ 0,86 đến 0,89.
Hình 19. Kết quả kiểm định mơ hình cho mực nước tại trạm Nam Đàn cho mực nước tại trạm Nam Đàn
Hình 20. Kết quả kiểm định mơ hình cho mực nước tại trạm Chợ Tràng cho mực nước tại trạm Chợ Tràng
Hình 21. Kết quả kiểm định mơ hình cho mực nước tại trạm Bến Thủy cho mực nước tại trạm Bến Thủy
Hình 22. Kết quả kiểm định mơ hình cho mực nước tại trạm Linh Cảm b. Diện ngập
Lũ tháng X/1988 là trận lũ lớn. Tuy rằng mưa ở đồng bằng nhỏ hơn ở trung, thượng lưu và không xảy ra vỡ đê nhưng thủy triều cao gây thoát lũ kém nên diện úng ngập khá lớn. Theo thống kê, diện ngập này bằng khoảng một nửa năm 1978.
Bảng 12. Diện tích ngập lụt tối đa khu vực hạ lưu sông Cả trong trận lũ năm 1988
STT Huyện Diện tích ngập tính tốn (ha) Tổng diện ngập tính tốn (ha) Diện tích ngập thống kê (ha) Chênh lệch (ha) 1 Nam Đàn 2267 18539 18000 539 2 Hưng Nguyên 3667 3 Vinh 2038 4 TX. Cửa Lò 181,8 5 Nghi Lộc 669,5 6 Đức Thọ 4353 7 TX. Hồng Lĩnh 1437 8 Nghi Xuân 3925
Theo kết quả tính tốn, trận lũ năm 1988 làm ngập 9 huyện, thị xã của các tỉnh Nghệ An và Hà Tĩnh (tương ứng với 85 xã, phường, thị trấn). Độ sâu và diện tích ngập lụt cực đại trong trận lũ này được biểu diễn trên hình 23, bảng 12. Kết quả thể hiện trong bảng 12 cho thấy, việc mô phỏng trận lũ năm 1988 đạt kết quả tốt, tại các trạm quan trắc, đường q tính tốn và thực đo phù hợp cả về hình dạng lũ và giá trị đỉnh lũ, chỉ tiêu Nash-Sutcliffe đều đạt loại tốt. Kết quả so sánh diện ngập cũng cho giá trị ngập tính tốn tương đối gần với thống kê.
3.4.3. Nhận xét chung
Quá trình hiệu chỉnh và kiểm định cho thấy các kết quả mơ phỏng bằng mơ hình tương đối bám sát với thực đo, cả về đỉnh và đường quá trình, đánh giá theo chỉ tiêu Nash đều đạt loại khá trở lên, do vậy mạng thủy lực kết nối 1 - 2 chiều với bộ thơng số vừa tìm được có đủ độ tin cậy để ứng dụng trong các bước tính tốn tiếp theo.
Chương 4- XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT HẠ LƯU LƯU VỰC SÔNG CẢ 4.1. Giới thiệu chung
Bản đồ ngập lụt là cơng cụ hữu hiệu trong cơng tác ứng phó chủ động với lũ lụt ở cả trong giai đoạn chuẩn bị và quy hoạch phòng chống thiên tai cũng như trong giai đoạn ứng phó khẩn cấp. Vai trị này lại càng trở nên quan trọng đặc biệt ở các đồng bằng ven biển các tỉnh miền Trung, do hệ thống sơng ngịi ở đây thường ngắn và dốc, thời gian tập trung nước nhanh nên hầu hết các mơ hình tính tốn phức tạp về quy mô và mức độ ngập lụt không cung cấp thông tin đủ nhanh phục vụ cho công tác di dời dân khi lũ về. Trong trường hợp đó, việc sử dụng các bản đồ ngập lụt xây dựng sẵn với các kịch bản sẽ giúp cho các nhà chức trách địa phương chủ động lựa chọn phương án ứng phó khi có các thơng tin dự báo, cảnh báo nhanh về tình hình lũ lụt ở hạ lưu [1].
Hiện nay, trên thế giới có 3 phương pháp được sử dụng để xây dựng bản đồ ngập lụt, đó là:
1. Xây dựng bản đồ ngập lụt dựa vào điều tra các trận lũ lớn thực tế đã xảy ra.
2. Xây dựng bản đồ ngập lụt bằng các phương pháp GIS
3. Xây dựng bản đồ ngập lụt dựa vào việc mơ phỏng bằng các mơ hình thủy văn, thủy lực.
Mỗi phương pháp trên đều có các ưu nhược điểm riêng trong việc xây dựng và ước lượng diện tích ngập lụt. Bản đồ ngập lụt xây dựng theo phương pháp điều tra các trận lũ lớn xảy ra chỉ tái hiện lại hiện trạng ngập lụt, chưa mang tính dự báo nhưng vẫn mang ý nghĩa to lớn về nhiều mặt trong cơng tác chỉ huy phịng chống lũ lụt cũng như làm cơ sở để đánh giá, so sánh các nghiên cứu tiếp theo. Tuy vậy phương pháp này tốn công, mất nhiều thời gian, không đáp ứng nhu cầu thực tế và có những điểm người nghiên cứu khơng thể đo đạc được hoặc không thu thập được số liệu [8].
Phương pháp thứ hai tuy có lợi thế về khối lượng tính tốn ít, nhưng lại chỉ mô tả các trận lũ cụ thể với chú trọng đến quy mô và phạm vi ngập lụt mà không cung cấp các thơng tin đến vận tốc dịng lũ cũng như khó khăn trong việc xây dựng các kịch bản và dự báo trong tương lai [1].
Sử dụng cơng cụ mơ phỏng, mơ hình hóa bằng các mơ hình thủy văn, thủy lực là phương pháp có hiệu quả hơn và cũng là cách tiếp cận hiện đại, đang được sử dụng rộng rãi trong thời gian gần đây trên thế giới và ở Việt Nam [8].
Luận văn này sử dụng kết quả tích hợp mơ phỏng từ mơ hình thủy động lực MIKE FLOOD, hệ thống cơ sở dữ liệu GIS của khu vực nghiên cứu, cùng với các kịch bản nước biển dâng của Bộ Tài nguyên và Môi trường công bố năm 2012 để thành lập bản đồ nguy cơ ngập lụt cho khu vực hạ lưu lưu vực sông Cả.
Bản đồ nguy cơ ngập lụt được xây dựng cho khu vực nghiên cứu các năm 2020, 2050, 2100 trên cơ sở trận lũ năm 2010, ứng với mực nước biển dâng theo kịch bản phát thải thấp, trung bình và cao.
4.2. Bản đồ ngập lụt hạ lưu lưu vực sông Cả ứng với trận lũ cực đại năm 2010
Thực hiện tính tốn cho trận lũ năm 2010, kết quả xuất ra dưới dạng file ASCII, sau đó tiến hành xử lý bằng phần mềm ArcGis 9.1, kết hợp với các lớp thơng tin khác như: ranh giới hành chính, đường giao thơng, dân cư, địa danh, ... để hình thành nên cơ sở dữ liệu GIS về ngập lụt, bản đồ ngập lụt hạ lưu lưu vực sông Cả được xây dựng trên hình 24, thơng tin về diện tích ngập tối đa được thể hiện trong bảng 13. Theo đó, trận lũ năm 2010 làm ngập 12560 hecta diện tích của các tỉnh Nghệ An và Hà Tĩnh (tương ứng với 65 xã, phường, thị trấn).
Bảng 13. Ngập lụt khu vực hạ lưu sông Cả trong trận lũ năm 2010
Huyện Nam Đàn Hưng
Nguyên Vinh Nghi Lộc Cửa Lò Nghi Xuân Hồng Lĩnh Đức Thọ Diện tích ngập lụt (ha) 1564 1834 1996 969 475 2935 268 2519 Tổng (ha) 12560
4.3. Xây dựng bản đồ nguy cơ ngập lụt hạ lưu lưu vực sông Cả ứng với mực nước biển dâng theo các kịch bản phát thải nước biển dâng theo các kịch bản phát thải
Giả thiết trong tương lai (năm 2020, 2050, 2100), lượng mưa tại các vị trí trên khu vực nghiên cứu giống như mưa năm 2010, lưu lượng dòng chảy tại các biên trên khơng thay đổi đáng kể. Khi đó, biên đầu vào như sau:
- Các biên trên (biên lưu lượng) giữ nguyên như năm 2010.
- Biên dưới (biên mực nước) thay đổi theo kịch bản nước biển dâng của Bộ Tài nguyên và Môi trường (công bố năm 2012).
Bản đồ nguy cơ ngập lụt được xây dựng ứng với các kịch bản nước biển dâng lần lượt như sau.
4.3.1. Mực nước biển dâng ứng với kịch bản phát thải thấp
Theo kịch bản phát thải thấp, đến năm 2020, trong điều kiện mực nước biển tại khu vực nghiên cứu dâng thêm, trận lũ tương tự như năm 2010 xảy ra sẽ bao phủ 12640 hecta diện tích của 8 huyện, thị xã của các tỉnh Nghệ An và Hà Tĩnh (tương ứng với 69 xã, phường, thị trấn). Độ sâu ngập và diện tích ngập lụt tối đa trong trận lũ này được biểu diễn trên hình 25.
Bảng 14. Nguy cơ ngập lụt hạ lưu lưu vực sông Cả ứng với mực nước biển dâng theo kịch bản phát thải thấp
STT Huyện Năm 2020 Năm 2050 Năm 2100
1 Nam Đàn 1573 1568 1621 2 Hưng Nguyên 1880 2148 2225 3 Vinh 1991 1994 2017 4 Nghi Lộc 963 964 969 5 Cửa Lò 464 464 468 6 Nghi Xuân 2912 2919 2944 7 Hồng Lĩnh 271 271 278 8 Đức Thọ 2586 2592 2638 Tổng 12640 12920 13160