Để thực hiện điều này, khu vực nghiên cứu được phân chia thành các tiểu lưu vực (hay vùng nhập lưu). Căn cứ vào điều kiện địa hình và mặt đệm, tồn bộ vùng nghiên cứu được chia thành 11 tiểu lưu vực và vùng nhập lưu: SL1, SL2, SL3, SL4, SL5, SL6_C, SL6_L, SL7_C, SL7_L, SL8, SL9 (hình 8).
SL4: Lưu vực sơng Ngàn Phố, tính đến trạm Sơn Diệm SL5: Lưu vực sơng Ngàn Sâu, tính đến trạm Hịa Duyệt
SL8: Vùng nhập lưu phía trái sơng Cả từ dưới trạm Nam Đàn đến Cửa Hội
SL2: Vùng nhập lưu phía phải sông Cả từ dưới trạm Yên Thượng đến trạm Nam Đàn
SC7_C: Vùng nhập lưu phía phải sơng Cả từ dưới trạm Nam Đàn đến Chợ Tràng SL6_C: Vùng nhập lưu phía phải sơng Cả từ Chợ Tràng đến Cửa Hội
Hình 8. Phân chia tiểu lưu vực và vùng nhập lưu trên hệ thống sơng Cả
Trong đó:
SL1: Vùng nhập lưu sơng Ngàn Sâu, đoạn dưới trạm Hịa Duyệt đến trạm Linh Cảm SL7_L: Vùng nhập lưu phía trái sơng La từ dưới trạm Linh Cảm đến Chợ Tràng SL6_L: Vùng nhập lưu phía phải sơng La từ dưới trạm Linh Cảm đến Chợ Tràng
Bảng 2. Các tiểu lưu vực và vùng nhập lưu sông Cả
Tên Sông Vùng nhập lưu/
tiểu lưu vực Vị trí nhập lưu
Diện tích vùng nhập lưu (km2)
Cả
SL3 Từ dưới trạm Yên Thượng đến
trạm Nam Đàn 151,6 SL8 Từ dưới trạm Nam Đàn
đến Cửa Hội 743,7 SL2 Từ dưới trạm Yên Thượng đến
trạm Nam Đàn 144,4 SL7_C Từ dưới trạm Nam Đàn
đến Chợ Tràng 103,4 SL6_C Từ Chợ Tràng đến Cửa Hội 226,3 Ngàn Phố SL4 Trạm Sơn Diệm 782 Ngàn Sâu SL5 Trạm Hòa Duyệt 1793 Ngàn Phố SL9 Từ dưới trạm Sơn Diệm
đến trạm Linh Cảm 314,5 Ngàn Sâu SL1 Từ dưới trạm Hòa Duyệt
đến trạm Linh Cảm 204,7 La SL7_L Từ dưới trạm Linh Cảm
đến Chợ Tràng 20,6 La SL6_L Từ dưới trạm Linh Cảm
đến Chợ Tràng 63,05 Các lưu vực thu nhận nước được nối kết vào hệ thống sông theo hai cách: nhập lưu theo điểm hoặc nhập lưu theo diện (các đoạn sông). Các thông tin chi tiết về các lưu vực gia nhập khu giữa được trình bày trong bảng 2.
3.2.2. Miền tính 2 chiều
Để đảm bảo được thời gian tính tốn cho mơ hình và miền tính tốn 2 chiều có thể bao qt được các trận lũ có tần suất lớn, trong luận văn xác định miền tính tốn 2D dựa trên việc mở rộng vùng ngập lụt trận lũ lịch sử năm 1978 nhằm đảm bảo bao phủ tồn bộ các diện tích ngập lụt tiềm năng trong tương lai.
Với cách khoanh vùng này, miền tính 2 chiều có giới hạn phía trên là trạm Yên Thượng, giới hạn phía dưới ở Cửa Hội, giới hạn phía tây nam và phía đơng là vách núi, phía bắc men theo đường quốc lộ và phía nam gần với đê La Giang (hình 9).
Hình 9. Sơ đồ vùng tính 2 chiều
3.2.3. Mạng thủy lực kết nối 1-2 chiều
Việc kết nối giữa mô hình 1 – 2 chiều trong mơ hình MIKE FLOOD nhằm tạo ra sự trao đổi nước trong sông và trên bãi ngập lũ thông qua các liên kết giữa mơ hình MIKE 11 và mơ hình MIKE 21. Khi mực nước trong sông lên cao vượt quá cao trình bờ sơng thì dịng chảy tính tốn từ mơ hình MIKE 11 đóng vai trị là
nguồn cung cấp nước cho mơ hình MIKE 21 tại ơ lưới liên kết với mơ hình 1 chiều trên sơng. Ngược lại, khi mực nước trong sông thấp hơn mực nước trên bãi ngập lũ thì dịng chảy tính tốn từ mơ hình MIKE 21 trở thành nguồn cấp nước cho mơ hình MIKE 11.
Bảng 3. Biên tính tốn của mơ hình
TT Trạm/Vùng Sơng Số liệu
sử dụng
Loại số
liệu Biên
1 Yên
Thượng Sông Cả Q Lưu lượng Biên trên 2 Sơn Diệm Sông Ngàn Phố Q4 Lưu lượng Biên trên 3 Hịa Duyệt Sơng Ngàn Sâu Q5 Lưu lượng Biên trên 4 Cửa Hội Sông Cả H Mực nước Biên dưới 5 SL1 Sông Ngàn Sâu Q1 Lưu lượng Nhập lưu khu giữa 6 SL2 Sông Cả Q2 Lưu lượng Nhập lưu khu giữa 7 SL3 Sông Cả Q3 Lưu lượng Nhập lưu khu giữa 8 SL6_C Sông Cả Q6_CA Lưu lượng Nhập lưu khu giữa 9 SL6_L Sông La Q6_LA Lưu lượng Nhập lưu khu giữa 10 SL7_C Sông Cả Q7_CA Lưu lượng Nhập lưu khu giữa 11 SL7_L Sông La Q7_LA Lưu lượng Nhập lưu khu giữa 12 SL8 Sông Cả Q8 Lưu lượng Nhập lưu khu giữa 13 SL9 Sông Ngàn Phố Q9 Lưu lượng Nhập lưu khu giữa
Bảng 4. Lựa chọn kết nối trong mơ hình MIKE FLOOD
Loại kết nối Mô đun
kết nối Tên sông Bờ sông kết nối
Số ô lưới Mike 21 kết nối trong MikeFlood
Bên trái HD Cả Trái 786 Bên phải HD Cả Phải 421 Bên phải HD Cả Phải 353 Bên trái HD La Trái 154 Bên phải HD La Phải 148 Bên trái HD Hào Trái 129 Bên phải HD Hào Phải 140
Tổng hợp biên tính tốn của mơ hình được trình bày trong bảng 3.
Cụ thể, trong mạng thủy lực 1D đã xây dựng ở trên thì việc kết với mơ hình MIKE 21 chủ yếu là kết nối bên. Các kết nối này được thể hiện trên bảng 4.
3.3. Hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình NAM
Theo phân tích ở trên, khu vực nghiên cứu được phân chia thành 11 tiểu lưu vực và vùng nhập lưu lớn nhỏ. Trên mỗi tiểu lưu vực (hay vùng nhập lưu) đã có các trạm quan trắc mưa, cho phép tính được lượng dịng chảy hình thành thơng qua việc sử dụng mơ hình NAM.
Trong điều kiện thực tế số liệu dịng chảy hiện có của khu vực, các tiểu lưu vực SL4, SL5 có đầy đủ số liệu mưa, dịng chảy của ít nhất 2 trận lũ, tác giả đã chọn sử dụng 2 tiểu lưu vực này để xây dựng bộ thơng số mơ hình NAM, sau đó mượn các bộ thơng số này để thực hiện tính lượng nhập lưu khu giữa cho các tiểu lưu vực (hay vùng nhập lưu) còn lại, đảm bảo nguyên tắc các tiểu lưu vực “mượn” bộ thông số phải có điều kiện tương đồng về khí hậu, địa hình, mặt đệm...
Tiến hành hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình NAM cho 2 tiểu lưu vực SL4 và SL5, trong đó:
Hiệu chỉnh: sử dụng số liệu trận lũ từ ngày 15/9/1978 đến ngày 5/10/1978. Kiểm định: sử dụng số liệu trận lũ từ ngày 15/9/1979 đến ngày 6/10/1979. Bộ thơng số của mơ hình NAM sau khi hiệu chỉnh, kiểm định được kiểm tra độ tin cậy thông qua chỉ tiêu Nash - Sutcliffe (công thức (1) và bảng 5).
Bảng 5. Chỉ tiêu Nash - Sutcliffe.
R2 Đánh giá chất lượng
< 0.5 Kém 0.5 – 0.7 Trung bình 0.7 – 0.85 Khá
n i n i i n i y y y y y y R 1 2 1 2 1 2 2 ) ( ) ' ( ) ( (1);
Trong đó: yi là giá trị thực đo lần thứ i; y'i là giá trị tính tốn lần thứ i;
y là giá trị trung bình của các giá trị thực đo; n là số lần quan trắc.
Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định được trình bày trong các hình vẽ từ hình 10 đến hình 13 và được tổng hợp ở bảng 6.
Hình 10. Kết quả hiệu chỉnh mơ hình NAM cho trạm Sơn Diệm trận lũ 1978
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 sông 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 mơ 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 thơng 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 sông Cửa Lò (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