Miền Trung là nơi hứng chịu nhiều thiên tai lũ lụt nhất ở nước ta. Đã có rất nhiều cơng trình nghiên cứu [7, 8, 14, 17, 18] tập trung vào việc giải quyết bài toán này nhằm góp phần giảm nhẹ những hậu quả do lũ lụt gây ra. Một trong những hướng tích cực nhất là nâng cao hiệu quả của cơng tác cảnh báo và dự báo lũ, từ đó đề ra những biện pháp thích hợp để phịng, tránh. Các phương pháp dự báo truyền thống như phương pháp lưu lượng mực nước tương ứng hay sử dụng các mơ hình tương quan và các mơ hình thơng số tập trung ở Trung tâm Dự báo Khí tượng Thuỷ văn Trung ương [ 38, 39, 94] đã mang lại những hiệu quả nhất định. Việc diễn tốn dịng chảy từ trạm thuỷ văn đầu nguồn về hạ lưu khá chính xác, đạt độ đảm bảo tương đối tốt. Tuy nhiên, thực tế thường gặp phải hai vấn đề lớn làm cho công tác dự báo lũ vẫn chưa đáp ứng được bài tốn thực tiễn. Đó là:
1) Do các sông ở khu vực này thường ngắn và dốc, thời gian tập trung nước nhanh nên việc phát các bản tin dự báo dựa trên số liệu quan trắc mưa và lưu lượng tuyến trên thường có thời gian dự kiến ngắn, không đủ để triển khai các biện pháp phịng chống thích hợp
2) Mạng lưới quan trắc khí tượng, thuỷ văn thưa thớt và chưa sử dụng các mơ hình thơng số dải, có khả năng diễn tốn dịng chảy tốt hơn.
hình thông số dải dựa trên phương trình sóng động học một chiều, phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp SCS, sử dụng đầu vào là mưa dự báo từ các mơ hình khí tượng (cụ thể trong luận án này là mưa dự báo thời hạn 3 ngày từ mơ hình RAMS) để tăng thời gian dự kiến của các dự báo lũ trên lưu vực và sử dụng số liệu mưa dự báo với mật độ dày hơn.
Hiện nay tại Việt Nam đã và đang ứng dụng nhiều mơ hình khí tượng để dự báo mưa như HRM, MM5, RAMS và ETA...Cơng trình này khơng đi sâu nghiên cứu, tìm hiểu về các mơ hình dự báo mưa, dưới đây là đơi nét về những đặc trưng kỹ thuật và ưu điểm của mơ hình RAMS ứng dụng trong dự báo mưa được sử dụng trong cơng trình này.
Mơ hình RAMS (The Regional Atmospheric Modeling System) được Đại học tổng hợp Colorado kết hợp với phân viện ASTER - thuộc Mission Research Corporation phát triển gồm 3 khối chính: khối mơ hình khí quyển mơ phỏng các bài tốn khí tượng cụ thể, khối xử lý các q trình ban đầu sử dụng các trường phân tích và số liệu quan trắc và một khối xử lý các kết quả mô phỏng và hiển thị đồ hoạ kết quả của mơ hình. Một số ưu điểm và đặc trưng kỹ thuật chính của RAMS có thể tóm tắt như sau:
- Mơ hình có thể chạy trên các hệ thống khác nhau như UNIX, LINUX, Windows NT với mã nguồn được viết chủ yếu bằng ngôn ngữ Fortran 90 sử dụng tính năng cấp phát bộ nhớ động. Một số thao tác vào, ra được viết bằng ngôn ngữ C.
- Khả năng áp dụng của mơ hình rất rộng, từ các mơ phỏng trong các buồng khí động lực đến bài tốn khí tượng vùng hạn chế như các vùng hồ, khu du lịch thậm chí đến qui mơ tồn cầu, phụ thuộc mục đích của người sử dụng và máy tính.
- Cho phép sử dụng lưới lồng, do đó mơ tả được ảnh hưởng của các q trình qui mơ nhỏ. Tuy nhiên càng sử dụng nhiều lưới lồng thì cần máy tính càng mạnh, với các nước phát triển thường sử dụng siêu máy tính.
- Điều kiện biên của mơ hình được cập nhật theo thời gian với bước thời gian tuỳ ý, lấy từ kết quả phân tích tồn cầu cho phép mơ tả ảnh hưởng của quá trình quy
nhau do vậy có thể chọn được một bước thời gian đáp ứng yêu cầu về độ ổn định tính tốn của mơ hình và u cầu thời gian tích phân của bài tốn.
- Số liệu của các trạm cao không cũng như các trạm thời tiết mặt đất trong miền tích phân có thể được sử dụng trong quá trình ban đầu hố. Đây là một đặc điểm rất ưu việt của mơ hình nhằm nâng cao độ chính xác của kết quả dự báo, đặc biệt là khi miền tính có mặt đệm phức tạp, độ cao địa hình thay đổi nhanh và tại thời điểm ban đầu khí quyển tồn tại các nhiễu động mạnh... Hệ phương trình của mơ hình RAMS bao gồm: Phương trình chuyển động; Phương trình nhiệt động lực; Phương trình bảo tồn các trạng thái pha của nước; Phương trình bảo tồn khối lượng; Phương trình thuỷ tĩnh;Phương trình khơng thuỷ tĩnh. RAMS có khả năng dự báo với độ chính xác rất hứa hẹn đồng thời vẫn đảm bảo khả năng ứng dụng rất mềm dẻo của mơ hình.
ở Việt Nam, mơ hình RAMS đã được Trần Tân Tiến và các cộng sự nghiên
cứu [ 77, 154 ], phát triển áp dụng để dự báo các trường khí tượng trên Biển Đơng và các vùng phụ cận. Việc dự báo mưa điểm bước đầu đã có một số kết quả tích cực với thời hạn dự báo 3 ngày. Lợi thế của việc sử dụng mưa dự báo bằng mơ hình RAMS khơng chỉ ở việc tăng thời hạn dự báo mà còn tạo ra trường phân bố mưa dày đặc tuỳ ý rất thích hợp với việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn mà mưa thực tế tại các đài trạm không thể đáp ứng được. Với những lợi thế trên, trong cơng trình này, lựa chọn mưa dự báo từ mơ hình RAMS với thời hạn 3 ngày làm đầu vào cho mơ hình sóng động học một chiều phương pháp phần tử hữu hạn và SCS để xây dựng phương án dự báo lũ trên lưu vực sông Trà Khúc - Sơn Giang.
4.1.1. Dự báo thử nghiệm mưa gây lũ tại lưu vực sông Trà Khúc – Sơn Giang
Do số liệu mưa tích luỹ 3 ngày từ mơ hình RAMS có thể truy xuất tuỳ ý về thời gian cũng như không gian nên rất tiện lợi cho việc áp dụng vào mơ hình sóng động học một chiều phương pháp phần tử hữu hạn và SCS.
Để cung cấp số liệu mưa dự báo đã tiến hành thử nghiệm dự báo mưa cho khu vực sơng Trà Khúc bằng mơ hình RAMS với 3 lưới lồng. Do RAMS sử dụng
- Lưới 1: Độ phân giải ngang có kích thước bước lưới 36 km cho miền dự báo gồm 92 x 92 điểm lưới theo phương ngang, tạo ra miền tính có kích thước 3267 x
3267 km2. Miền tính này bao phủ tồn bộ lãnh thổ Việt Nam và một phần lục địa
Trung Quốc, vừa đảm bảo hạn chế sai số khuếch tán vào tâm miền tính, vừa tính đến ảnh hưởng của hồn lưu gió mùa đơng bắc, xuất phát từ cao áp Xibêri và các trung
tâm cực đới khác. Biên phía nam của miền tính ở vào khoảng 50 S, với mục tiêu mơ
tả tốt hơn hồn lưu gió mùa tây nam vào mùa hè, thổi từ nam bán cầu vượt qua xích đạo vào khu vực Đơng Nam á.
- Lưới 2: Độ phân giải ngang có kích thước bước lưới là 6 km cho miền dự báo gồm 92 x 92 điểm lưới theo phương ngang, tạo ra miền tính có kích thước 546 x
546 km2. Tâm miền tính được đặt tại 150 vĩ Bắc, 1080 kinh Đơng, mục đích che phủ
tồn bộ khu vực Trung Trung Bộ Việt Nam.
- Lưới 3: Độ phân giải ngang có kích thước bước lưới 3 km cho miền dự báo gồm 92 x 92 điểm lưới theo phương ngang, tạo ra miền tính có kích thước 273 x 273
km2. Tâm miền tính được đặt ở 150 vĩ Bắc, 108,20 kinh Đơng, mục đích để bao phủ
tồn bộ lưu vực sơng Trà Khúc thuộc tỉnh Quảng Ngãi và các tỉnh lân cận.
Để đánh giá kết quả mưa dự báo đã tiến hành thử nghiệm dự báo mưa 3 ngày vào hai đợt mưa lớn tháng X và tháng XI năm 2005 tại 9 trạm synốp nằm trên khu vực Trung Trung Bộ mô tả lượng mưa thám sát và mưa mơ hình tích lũy trong 72 giờ. Kết quả thử nghiệm cho thấy mơ hình đã mơ phỏng khá tốt diễn thế mưa tại hầu hết các điểm trạm.
Để phục vụ cho công tác dự báo lũ trên sơng Trà Khúc cần có số liệu mưa hoàn chỉnh, chi tiết cho các điểm trạm nằm trong lưu vực sông. Do vậy đã tiến hành thử nghiệm này dự báo và phân tích mưa tại các điểm trạm nằm trong lưu vực là: Giá Vực, Sơn Hà, Trà Khúc và Sơn Giang.
Các trạm này hầu hết nằm ở khu vực có độ cao địa hình lớn, tuy nhiên kết quả thử nghiệm cho thấy mơ hình đã dự báo khá tốt cả xu hướng mưa và lượng mưa tại hầu hết các điểm trạm [77]. Như vậy trong các đợt dự báo [154] cho các trạm
mưa 3 ngày nhỏ hơn 200 mm. Với những trạm có lượng mưa thực tế 3 ngày nhỏ hơn 300 mm thì mơ hình đã dự báo đúng là 77%. Đối với những trạm có lượng mưa vượt ngưỡng 300 mm thì mơ hình chỉ dự báo đúng là 50%. Các thử nghiệm đã chứng tỏ khả năng dự báo đúng của mơ hình RAMS phụ thuộc vào ngưỡng mưa, cường độ mưa và địa hình các trạm. Sau khi phân tích từng đợt mưa dự báo cho cả các trạm synôp và các trạm nằm trên lưu vực sôngTrà Khúc thấy rằng, đối với 9 trạm synôp trên một miền rộng, khoảng cách giữa các trạm lớn, mơ hình dự báo đúng được 70,4%. Kết quả phân tích cho thấy mơ hình dự báo khá tốt cả quá trình và lượng mưa tại những điểm trạm có mưa tích lũy nhỏ hơn 200 mm.
Tại các trạm trong lưu vực sông Trà Khúc, với mật độ các trạm dày và tính đến hiệu ứng hồn lưu lưới thứ 3, mơ hình đã dự báo đúng 83,3%. Điều này cho thấy vai trò lớn của lưới lồng 3 trong dự báo mưa tại các điểm (Hình 4.1).
0 50 100 150 200 250 300 350 400 0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 Basin1 Basin2 Basin3 Basin4 Basin5 Basin6 Basin7 Basin8 Basin9
Hình 4.1. Lượng mưa tích luỹ 72 giờ dự báo được bằng RAMS từ 16 đến 19/XI/2005
trên 9 tiểu lưu vực thuộc sông Trà Khúc - trạm Sơn Giang 4.1.2. Dự báo lũ
Để cập nhật số liệu mưa dự báo từ mơ hình RAMS, đã tiến hành lấy số liệu theo 3 phương án: 1) cập nhật số liệu mưa từng phần tử cho cả 150 phần tử; 2) số liệu mưa lấy trung bình cho 9 đoạn sơng và 3) số liệu mưa lấy trung bình cho tồn bộ lưu vực. Qua việc tính tốn thử nghiệm cho thấy phương án 2 là phương án cho kết quả dự báo tốt nhất [ 77, 154 ]. Nhìn vào kết quả dự báo ở bảng 4.1, hình 4.2 và 4.3 cho thấy sai số trung bình cho 2 trận lũ dự báo đều thuộc loại khá. Đường quá
trình mơ phỏng và dự báo là tương đối phù hợp, thời gian xuất hiện đỉnh lũ giữa thực đo và dự báo là tương đối tốt, thời gian dự kiến đạt khoảng = 72h
Giờ Q(i) m3/s) Qdb (m3/s) 7 610 610 13 781 610 19 2320 1086.3 25 4940 3846.8 31 2630 3340.2 37 1610 2136.8 43 1020 1632.2 49 801 1486.0 55 678 1468.3 61 540 1779.8 67 503 1783.5 73 500 1492.9
Kết quả diễn toỏn lũ lỳc 7h ngày 10/10/2005
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7 13 19 25 31 37 43 49 55 61 67 73 79 giờ Q (m3/s) td max 79 451 1155.2 R2 52.5% Sai số đỉnh 22.1% SS tổng lượng 29.0%
Hình 4.2. Kết quả dự báo lũ từ 7 giờ ngày 10/X đến
7h ngày 13/X năm 2005 sông Trà Khúc - Sơn Giang
S/ 0.66 Giờ Q(i) (m3/s) Qdb (m3/s) 7 221 221 13 228 221 19 239 221 25 281 442 31 2110 1606 37 2030 3233 43 5320 5748 49 3050 2867 55 1850 1570 61 1630 1233 67 1980 1700 73 1710 1321
Kết quả diễn toỏn lũ lỳc 7h ngày 16/11/2005
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 7 13 19 25 31 37 43 49 55 61 67 73 79 giờ Q (m3/s) td max 79 1220 819 R2 90.2% Sai số đỉnh 8.1% SS tổng lượng 3.0%
Hình 4.3. Kết quả dự báo lũ từ 7 giờ ngày 16/XI đến
7h ngày 19/XI năm 2005 sông Trà Khúc - Sơn Giang
Bảng 4.1 Kết quả đánh giá sai số dự báo lũ với số liệu mưa từ mơ hình RAMS TT Trận lũ Sai số đỉnh Sai số tổng lượng Độ hữu hiệu R2 Chỉ tiêu S/ 1 Từ 7h 10/X đến 7h 13/X 2005 22.1% 29.0% 52.5% 0.66 2 Từ 7h 16/XI đến 7h 19/XI 2005 8.1% 3.0% 90.2% 0.31 Trung bình 15.1% 16.0% 71.4% 0.49 Đánh giá Khá Khá Khá Tốt
Như vậy, kết quả dự báo 2 trận lũ năm 2005 tương đối tốt, bước đầu có thể khẳng định bộ thơng số lưu vực của mơ hình là ổn định, có thể dùng để xây dựng và phát triển công nghệ dự báo lũ trên lưu vực sông Trà Khúc đến trạm Sơn Giang
4.2. ứng dụng mơ hình mơ phỏng q trình mưa dịng chảy phục vụ sử dụng hợp lý tài nguyên đất trên lưu vực
Mơ hình KW -1D được áp dụng để tiến hành mô phỏng lũ [24, 57, 65] trên các sông nghiên cứu đạt 84,6 - 97%, thuộc loại khá và tốt, chứng tỏ các bộ thông số xây dựng được có độ ổn định cao.
Ngày nay, khi cơng cuộc hiện đại hóa và cơng nghiệp hóa đất nước đang phát triển, hàng loạt các khu công nghiệp các thị trấn và đô thị mới xuất hiện. Khu vực Miền Trung, nơi có đường Hồ Chí Minh đi qua cùng với chính sách mở cửa thu hút vốn đầu tư trong và ngồi nước, cơng cuộc đơ thị hóa ngày càng được đẩy mạnh. Điều này dẫn đến sự thay đổi đáng kể trong tương lai các điều kiện mặt đệm trên các lưu vực, tăng điều kiện thuận lợi cho việc hình thành dịng chảy mặt, nói chung và hình thành lũ, nói riêng. Với việc thay đổi điều kiện sử dụng đất trên lưu vực kéo theo sự thay đổi hệ số CN và tính chất lũ. Bằng mơ hình KW -1D có thể khảo sát được mức độ ảnh hưởng của cơng cuộc đơ thị hóa, khai thác rừng đến sự hình thành lũ, từ đó có thể tư vấn cho các nhà quy hoạch về giới hạn nguy hiểm của mức độ sử dụng đất đối với sự phát triển bền vững tài nguyên đất và nước.
Qua khảo sát 4 lưu vực nghiên cứu, phân tích các điều kiện thuận lợi về địa hình, giao thơng và các điều kiện dân cư, tác giả đã xây dựng các kịch bản sử dụng đất đô thị và đất rừng, rút ra những kết luận về mức độ giới hạn sử dụng đất tác động đến sự hình thành lũ để các nhà quy hoạch có định hướng đúng, tránh gây các hiểm
họa về thiên tai lũ lụt do sự quá tải khi khai thác lưu vực. Hai yếu tố sử dụng đất chính được xét đến là quá trình sử dụng lớp phủ đất đơ thị và q trình khai thác rừng. Chu trình tính tốn được tiến hành theo các kịch bản như sau:
- Phân tích các điều kiện địa lý tự nhiên và kinh tế xã hội trên các lưu
vực sông nghiên cứu để xây dựng kịch bản sử dụng đất
- Thay đổi dần diện tích sử dụng đất trên các phần tử, lựa chọn lại hệ
số CN và tính tốn lại q trình lũ bằng mơ hình KW-1D
- Xây dựng quan hệ giữa diện tích sử dụng đất (%) theo các kịch bản
với đỉnh và tổng lượng lũ
- Đưa ra kết luận về ảnh hưởng của quá trình sử dụng đất đến sự hình
thành dịng chảy lũ trên lưu vực.
4.2.1. Đánh giá ảnh hưởng của quá trình sử dụng lớp phủ đất đô thị đến sự hình thành lũ
Theo Chow V. T. và cộng sự [111], sự thay đổi chế độ dòng chảy trong những khu vực sử dụng lớp phủ đất đô thị chủ yếu do những nguyên nhân sau gây ra