4.1.1 Tính toán số liệu địa hình
* Địa hình
Dữ liệu địa hình là dữ liệu rất quan trọng của mô hình thủy lực, số lượng tính toán rất lớn, đòi hỏi độ chính xác cao. Dữ liệu địa hình của lưu vực sông Cái Nha Trang được tính toán từ bản đồ tỷ lệ 1/10.000 hệ tọa độ VN 2000 do Bộ Tài nguyên Môi trường xây dựng năm 2006 bằng công nghệ hàng không và được lưu ở dạng Microstation. Trên lưu vực sông Cái Nha Trang thu thập bản đồ dùng để tính số liệu địa hình gồm có 46 xã, phường, thị trấn, tập trung ở huyện Diên Khánh, Cam Lâm và thành phố Nha Trang. Bản đồđược lưu thành các mảnh theo các xã riêng biệt, xã ít nhất có 1 mảnh bản đồ, xã nhiều nhất có 12 mảnh bản đồ. Để có dữ liệu địa hình cho lưu vực sông Cái Nha Trang thì cần phải chuyển đổi và ghép các mảnh bản đồ thành bản đồ lưu vực hoàn chỉnh bao gồm các lớp thông tin là đường bình đồ, giao thông, sông suối, điểm cao độ và tên địa danh. Đã dùng phần mềm MapInfo 11.0 để chuyển đổi bản đồ từ Microstation sang MapInfo, hệ quy chiếu và hệ tọa độ VN 2000 - Khánh Hòa múi 3.
Cao độ địa hình đầu vào của mô hình là cao độ của các ô lưới, các cao độ này được tính từ bản đồ địa hình trên. Từ các đường bình đồ và các điểm cao độ trên bản đồ tính toán được cao độ của các ô lưới. Các điểm cao độ và các đường bình đồ đều chưa được cấy các giá trị, sau khi chuyển đổi từ bản đồ gốc ở dạng Microstation bản đồ mới chỉ ở dạng số, chưa có thuộc tính về cao độ. Để tính toán cao độ ô lưới được dễ dàng và xử lý kết quả chạy mô hình sau này thì cần phải gán cao độ cho các đường bình đồ và điểm cao độ. Các đường bình đồ sau khi gán cao độ dược chuyển thành các điểm bằng phần mềm Vertical Maper 3.0 dùng để tính toán số liệu đầu vào và xử lý kết quảđầu ra của mô hình. Các điểm cao độđược cập nhật tọa độ tựđộng bằng phần mềm MapInfo 11.0.
Ngoài ra do bản đồđịa hình được xây dựng từ năm 2006, sau 7 năm đã có sự thay đổi ở một số vùng phía tây thành phố Nha Trang do xây dựng các công trình. Việc đô thị hóa của thành phốđã xây dựng nhiều khu đô thị, kéo theo đó là việc san lấp mặt bằng để xây dựng công trình đã ảnh hưởng đến ngập cục bộ của các vùng này. Các khu đô thị được cập nhật thay đổi cao độ nền so với trước đây là khu đô thị Phước Long, Mỹ Gia, Vĩnh Điềm Trung, Nam Sông Cái, tăng cao độ nền thêm từ 1,5 - 2,0m. Những thay đổi cao độ địa hình tại các khu đô thị được cập nhật bổ sung trên nền bản đồđịa hình và sử dụng để tính toán số liệu đầu vào cho mô hình.
* Mặt cắt
Các mặt cắt được đo tại vị trí sông cong, lòng sông bị biến đổi nhiều, có sự thay đổi về thủy lực. Trên lưu vực sông Cái Nha Trang được bố trí 32 mặt cắt ngang, trong đó 3 mặt cắt trùng với trạm đo lưu lượng, 4 mặt cắt trùng với trạm đo mực nước kiểm tra và 2 mặt cắt tại cửa ra trùng với trạm đo thủy triều. Mặt cắt được dẫn cao độ Quốc gia, đã được kiểm tra thẩm định và kế thừa từ dự án “Lập bản đồ lưu vực sông Dinh Ninh Hòa và sông Cái Nha Trang” do Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Nam Trung Bộ thực hiện năm 2010.
Các mặt cắt ngang sông được bố trí trên sông Thác Ngựa, sông Chò, sông Cái, sông Suối Dầu và sông Quán Trường trên lưu vực sông Cái Nha Trang. Ngoài ra còn xác định thêm các mặt cắt ở mương Bầu Sấu, sông Tháo và sông Tắc để mô phỏng phù hợp với thực tế. Ngập lụt ở vùng hạ lưu do sông Cái Nha Trang và sông Suối Dầu gây ra vì vậy mặt cắt của trên các sông này có vai trò rất quan trọng trong mô hình, đối với mương Bầu Sấu, sông Tháo và sông Tắc không gây ngập lụt nhưng lại ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình thoát lũ.
Các số liệu mặt cắt đo từ năm 2010, đến nay tại một số đoạn sông đã có sự thay đổi của việc xây dựng các công trình thủy lợi. Xác định vị trí thay đổi do xây dựng kè ở khu vực thị trấn Diên Khánh và thành phố Nha Trang để đo lại mặt cắt ngang. Vùng hạ lưu sông Cái Nha Trang có 03 mặt cắt được đo lại và đo thêm 02 mặt cắt vào giữa năm 2013 để kịp thời cập nhật sự thay đổi. Ngoài ra do dự án chỉnh trị sông Tắc và sông Quán Trường đã xây dựng kè 2 bờ bằng đá hộc với mặt
cắt được mở rộng gấp khoảng 3 lần trước đây và cao trình bờ sông được nâng cao gấp khoảng 2 lần. Sông được chỉnh trị ngắn và thẳng hơn trước đã tăng khả năng thoát lũ cho phía tây thành phố Nha Trang. Những thay đổi do chỉnh trị sông Tắc và sông Quán Trường được cập nhật dựa trên hồ sơ thiết kế thi công và bản đồ quy hoạch của dự án này (hình 42 - phụ lục).
Hình 4. Tính toán các yếu tố mặt cắt ngang
Hình 5. Phân bố các mặt cắt ngang trên hệ thống sông Cái Nha Trang
Mỗi mặt cắt ngang được tính toán các yếu tố về độ sâu, cao trình đáy sông, chiều ngang sông ứng với các mức độ sâu khác nhau, hệ số nhám lòng sông. Mặt
cắt ngang tính cho từng ô lưới có sông chảy qua, đối với ô lưới không được đo mặt cắt thì nội suy và ngoại suy từ các ô lưới có số liệu đo.
* Số liệu công trình
Các công trình giao thông thủy lợi ảnh hưởng đến diễn biến ngập lụt ở hạ lưu vì vậy cần phải nhập dữ liệu công trình vào mô phỏng ngập lụt. Dữ liệu công trình bao gồm cao độ của đường giao thông, đập tràn, thông số của cống ngầm…. Các dữ liệu này được đo đạc ở ngoài thực địa, hồ sơ kỹ thuật các công trình và trên bản đồ số hóa. Các công trình được mô phỏng theo đường biên của các ô lưới, cao độ công trình sẽ quyết định đến việc lượng nước tràn từ ô này sang ô khác. Cao độ của một đường giao thông trên thực tếở các đoạn đường khác nhau không cùng một trị số, số điểm cao độ của đường giao thông trên bản đồ là không nhiều, chính vì vậy cần phải bổ sung thêm cao độ từ các hồ sơ kỹ thuật xây dựng và điều tra khảo sát thực địa. Các công trình ảnh hưởng đến quá trình ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang bao gồm đường Quốc lộ 1A, đường sắt, đường 23 tháng 10. Các đường liên huyện, liên xã và đường làng ít ảnh hưởng, có những đoạn đường không ảnh hưởng đến quá trình ngập lụt. Những đường và đoạn đường không ảnh hưởng đến ngập lụt là những đường và đoạn đường có cao trình thấp hơn cao độ vùng đất hai bên đường. Các con đường ảnh hưởng nhiều đến ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang có cao trình từ 4,5 đến 5,0 m và cao hơn vùng đất hai bên đường từ 0,5 đến 2,5 m. Đường Quốc lộ 1A và đường sắt chạy theo hướng bắc - nam nên ảnh hưởng rất nhiều đến thoát lũ hạ lưu, gây ngập lụt sâu về phía thượng lưu các con đường này. Đối với đường 23 tháng 10 ảnh hưởng đến việc trao đổi nước giữa sông Cái Nha Trang và sông Quán Trường. Trên các con đường này có nhiều cầu cống bắc qua các kênh, mương và sông nhỏ, đáng chú nhất là cầu Lùng trên Quốc lộ 1A không bắc qua sông mà qua một cái hồ nhỏ và có ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình thoát lũ hạ lưu sông Cái Nha Trang. Khi lũ trên sông Cái lớn hơn sông Suối Dầu thì lượng nước trên sông Cái tràn chảy ngược vào sông Suối Dầu khiến mực nước phía tây nam thị trấn Diên Khánh dâng cao lúc đó sẽ có lượng nước đáng kể qua cầu Lùng xuống phía hạ lưu đường Quốc lộ 1A và nhập vào sông Quán Trường. Các cầu lớn khác ít
ảnh hưởng đến quá trình ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang như cầu Phú Cốc, cầu Sông Cái, cầu Suối Cát, cầu Hà Dừa, cầu Vĩnh Phương, cầu Bình Tân và cầu Trần Phú vì các cầu này có các mố cầu nằm trên hai bờ, các yếu tố thủy lực ảnh hưởng không đáng kể đến lưu lượng chảy qua chân cầu. Ngoài cầu Lùng còn có cầu khác ảnh hưởng nhiều đến ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang đó là cầu tràn sông Cái, làm cản trở dòng chảy. Hạ lưu sông Cái Nha Trang có hai công trình thủy lợi ảnh hưởng đến ngập lụt đó là đập ngăn mặn Vĩnh Phương và đập Suối Cát, đây là hai đập tràn. Đập Suối Cát nằm trên sông Suối Dầu ảnh hưởng đến phân phối lưu lượng giữa sông Suối Dầu và sông Quán Trường, đập ngăn mặn Vĩnh Phương làm chậm quá trình thoát lũ trên sông Cái. Tuy nhiên trong quá trình khảo sát đã đặt mặt cắt tại vị trí các tuyến đập nên mức độảnh hưởng của các đập cũng đã có trong tài liệu mặt cắt ngang, mặt khác trên đập Suối Cát có nhiều cửa mở khi lũ về và đập Vĩnh Phương được làm bằng đá xếp, nước chảy được qua thân đập.
+ Mô phỏng công trình hiện trạng
Hình 6. Mô phỏng sông suối và công trình trên miền tính
Để xây dựng dữ liệu công trình cần phải xác định cao độ của từng đoạn đường giao thông và mô phỏng trên hệ thống lưới tính. Các công trình được mô
Mô phỏng sông suối
Mô phỏng công trình giao thông
phỏng theo biên của các ô lưới, liên kết công trình được xác định giữa các ô lưới liền kề nhau theo quy luật ô lưới đó với ô lưới phía trước, phía phải, phía sau và phía trái. Quá trình liên kết công trình được thực hiên ở tất cả các ô lưới, nếu giữa các ô không có liên kết công trình thì cao độ công trình được xác định là “0”, nếu có liên kết công trình thì cao độđược xác định bằng cao độ của đoạn công trình đó. Tất cả các cao độ này được quy đổi thống nhất sang cao độ Quốc gia.
Giữa hai ô lưới vừa có liên kết công trình, vừa có sông chảy qua thì cần phải xác định đặc điểm của công trình bắc qua sông. Nếu đó là cống hoặc cầu làm ảnh hưởng đến mặt cắt ngang sông thì sẽ gây ảnh hưởng nhiều đến diễn biến dòng chảy trong sông, nếu là cầu không ảnh hưởng đến mặt cắt ngang sông thì không mô phỏng, lúc đó dòng chảy qua cầu như dòng chảy trong sông tự nhiên. Khác với mô phỏng công trình, sông được mô phỏng theo trung tâm các ô lưới, các nhánh sông cách nhau ít nhất một ô lưới, trừ các ô lưới chéo nhau.
+ Chia lưới ô vuông
Sau khi chuyển đổi định dạng bản đồ và hệ tọa độ, tiến hành chia lưới ô vuông. Đối với sông Cái Nha Trang đã chia lưới với kích thước 300 x 300m khống chế toàn bộ vùng có khả năng ngập bao gồm 2250 ô lưới. Việc chia ô lưới được căn cứ trên cơ sở xác định sơ bộ vùng có khả năng ngập để xác định phạm vi vùng chia ô lưới. Ngoài ra việc chia ô lưới còn căn cứ vào yêu cầu mô phỏng của mô hình để xác định kích thước ô lưới cho phù hợp.
Sử dụng bản đồ địa hình để tính toán cao độ các ô lưới, đánh số ô lưới, cập nhật số ô và kinh vĩđộ của trọng tâm các ô. Các ô liên kết với nhau theo một trật tự nhất định, để tạo dữ liệu đầu vào cho mô hình cần phải tạo liên kết hệ thống. Việc tạo liên kết hệ thống theo cách thủ công mất rất nhiều thời gian và dễ bị nhầm lẫn, để khắc phục dự án đã mô phỏng lưới ô vuông theo ma trận hai chiều và lập chương trình để tạo liên kết bằng ngôn ngữ lập trình Fortran. Mỗi ô lưới được tạo liên kết với ô lưới phía trước, phía phải, phía sau và phía trái, đối với các ô ở biên thì phía nào giáp biên thì được liên kết với ô số “0”. Việc đánh số các ô theo một quy luật nhất định, các số sử dụng là số tự nhiên được bắt đầu bằng 1. Chia ô lưới là bước
đầu tiên của việc tạo số liệu địa hình cho mô hình, ảnh hưởng tới tất cả các quá trình tính toán sau này.
Các thông tin cần xác định với một ô lưới bao gồm: liên kết hệ thống, liên kết công trình, cao độ ô lưới, cao độ mốc so với mặt chuẩn, kinh độ, vĩđộ và hệ số nhám. Để xác định các thông tin này cần đến sự hỗ trợ của phần mềm MapInfo 11.0 và ngôn ngữ lập trình Fortran (hình 43 - phụ lục).
Tọa độ trọng tâm ô được xác định rất nhanh bằng phần mềm MapInfo 11.0, tuy nhiên trước đó cần phải gán thuộc tính số ô lưới cho nó. Hệ tọa độ của bản đồ sử dụng trong dự án là hệ VN - 2000 của Việt Nam sử dụng nội bộ, không có sẵn trên MapInfo. Để cập nhật tọa độ trọng tâm ô lưới với hệ tọa độ VN - 2000 thì cần phải chạy chương trình chuyển đổi hệ tọa độ trong MapInfo và trước đó phải cập nhật hệ này vào trong hệ thống. Việc ứng dụng các công nghệ tin học trên sẽ tạo ra bộ số liệu địa hình chính xác, giảm bớt thời gian và công sức tính thủ công.
Hình 7. Chia lưới và đánh số trên bản đồ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
4.1.2 Tính toán số liệu quan trắc đồng bộ
Số liệu đầu vào trên sông Cái Nha Trang được quan trắc đồng bộ từ 7h00 ngày 29 tháng 10 đến 13h00 ngày 13 tháng 11 năm 2010. Số liệu biên trên gồm lưu lượng tại trạm Sông Chò trên sông Chò, trạm Thác Ngựa trên sông Thác Ngựa và trạm Suối
Cát trên sông Suối Dầu. Số liệu biên dưới là mực nước triều tại cầu Trần Phú trên sông Cái Nha Trang và cầu Bình Tân trên sông Quán Trường.
Các số liệu quan trắc đồng bộ được biên tập để tạo số liệu đầu vào cho mô hình HDM, là cơ sởđể hiệu chỉnh mô hình. Ngoài các trạm đo xác định dữ liệu đầu vào của mô hình ở trên còn có các trạm mực nước kiểm tra. Vùng hạ lưu sông Cái Nha Trang được bố trí 5 trạm đo mực nước có thời gian quan trắc đồng thời với các trạm đầu vào trên dùng để kiểm tra kết quả hiệu chỉnh thông số của mô hình.
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1 13 25 37 49 61 73 85 97 109 121 133 145 157 169 181 193 205 217 229 Sông Chò Thác Ngựa Suối Cát
Hình 8. Đường quá trình lưu lượng đồng bộ sông Cái Nha Trang
Hình 9. Đường quá trình mực nước triều đồng bộ cửa sông Cái
m3/s
giờ
4.1.3 Tính toán số liệu cho các kịch bản ngập
* Số liệu mưa
Số liệu mưa sử dụng để tính toán bao gồm các trạm đo mưa trên lưu vực sông Cái Nha Trang gồm các trạm sau: trạm Đồng Trăng, Nha Trang, Khánh Vĩnh. Các trạm mưa này dùng để mô phỏng lượng mưa thêm vào khu giữa trong mô hình hình thủy lực HDM. Các trạm này có thời gian quan trắc từ năm 1977 đến nay, trong đó có trạm Nha Trang là trạm khí tượng cấp I có số liệu từng giờ, hai trạm còn lại có liệu đo thời đoạn 12 giờ.
Trên sông lưu vực sông Cái Nha Trang qua phân tích chuỗi số liệu quan trắc thì những trận lũ gây lên ngập lụt với thời gian mưa phổ biến từ 4 ngày đến 5 ngày. Vì vậy lượng mưa để tính toán tần suất xây dựng bản đồ ngập lụt được chọn là lượng mưa 5 ngày. Kết quả tính toán tần suất tại các trạm như sau: