Ngưỡng mưa gây lũ quét Xq là giới hạn lượng mưa ngày lớn nhất mà từ đó tốc độ dòng chảy lũ hay tốc độ xói mòn đất tăng đột biến.
Giá trị Xqcó quan hệ với chỉ số xói mòn do mưa R
R là đặc trưng định lượng tiềm tàng xói mòn của mưa. R tính bằng tích số giữa động năng mưa - E (J/m2) và cường độ mưa lớn nhất 30phút - i30 (mm/h). = h mm m KJ i E R . 1000 . 2 30 (3.1)
Theo nghiên cứu của Doswell (1996) thì lượng mưa khả năng tạo lũ quét phụ thuộc vào lượng mưa một ngày lớn nhất trên lưu vực, độ ẩm tương đối thấp nhất, biên độ ngày trung bình của nhiệt độ không khí và lượng bốc thoát hơi nước trên lưu vực. Lượng mưa khả năng tạo lũ quét được tính theo phương trình sau: q w E R= ⋅ ⋅ (3.2) i p m m E = (3.3)
Trong đó: w: biên độ ngày trung bình của nhiệt độ không khí; q: độ ẩm tương đối thấp nhất;
mp: lượng mưa một ngày lớn nhất; mi: lượng bốc hơi.
Như vậy, để xác định được lượng mưa khả năng tạo lũ quét, cần xác định được đầy đủ các yếu tố trên. Khi cảnh báo lũ quét thì chúng ta cần phải có được bản tin dự báo mưa một ngày lớn nhất. Ở đây, luận văn mới xét đến lượng mưa khả năng gây lũ quét trên khu vực dựa trên chuỗi số liệu đo đạc tại một số trạm đo trên địa bàn tỉnh. Kết quả tính lượng mưa khả năng tạo lũ quét và ngưỡng mưa gây lũ quét tại một số trạm trên khu vực tỉnh Thái Nguyên được thống kê trong Bảng 3.1 và Bảng 3.2 như sau:
Bảng 3.1: Lượng mưa khả năng tạo lũ quét X1maxngưỡng
STT Trạm đo khả năng tạo lũ quét (mm) Lượng mưa
1 Chợ Mới 156 2 Thác Bưởi 153 3 Gia Bảy 156 4 Chã 139 5 Giang Tiên 142 6 Đại Từ 156 7 Võ Nhai 185 8 Thái Nguyên 168 9 Minh Tiến 142 10 Điềm Mạc 228 11 Yên lãng 142 12 Kì Phú 222 13 Phú Bình 167 14 Định Hóa 150 15 Nghinh Tường 158
Bảng 3.2: Ngưỡng mưa gây lũ quét
Thời khoảng (giờ) 1 3 6 12 24
Ngưỡng mưa gây lũ quét (Xq) 100 120 140 180 220
Từ Bảng 3.1 , sử dụng công nghệ GIS ta xây dựng được bản đồ đẳng trị mưa khả năng tạo lũ quét tỉnh Thái Nguyên như trong Hình 3.8:
Hình 3.8: Bản đồ đẳng trị mưa khả năng tạo lũ quét tỉnh Thái Nguyên 3.2.4.4. Phân cấp lượng mưa khả năng tạo lũ quét
Vấn đề chia cấp khả năng xảy ra lũ quét chỉ mang tính tương đối. Trên cơ sở phân tích lượng mưa một ngày lớn nhất tại khu vực nghiên cứu tỉnh Thái Nguyên theo các trạm đo và lượng mưa khả năng gây lũ quét, trong luận văn này phân khả năng xuất hiện lũ quét theo 4 cấp với mức độ khác nhau:
- Cấp 1: Khả năng xuất hiện lũ quét rất nhiều;
- Cấp 2: Khả năng xuất hiện lũ quét nhiều;
- Cấp 3: Khả năng xuất hiện lũ quét ít;
- Cấp 4: Không có khả năng xuất hiện lũ quét.
3.3. XÂY DỰNG BẢN ĐỒ KHẢ NĂNG XẢY RA LŨ QUÉT TỈNH THÁI NGUYÊN THÁI NGUYÊN
3.3.1. Xác lập các cấp của từng yếu tố ảnh hưởng
Vấn đề chia cấp khả năng xảy ra lũ quét chỉ có tính tương đối. Có rất nhiều nguyên nhân:
- Phạm vi mỗi cấp có sự biến động tương đối rộng
- Nếu thay đổi 1 trong 4 yếu tố: thổ nhưỡng (D), thảm phủ (T), độ dốc (I0), mưa một ngày lớn nhất (X1ngaymax), đặc biệt là con người có khả năng làm thay đổi yếu tố thứ hai “Thảm phủ thực vật” cả theo hướng tích cực lẫn tiêu cực thì cấp có thể thay đổi theo. Nghĩa là con người có thể làm giảm thiểu hay tăng khả năng xảy ra và mức độ của lũ quét, đó là do sự tác động của con người khiến bề mặt lưu vực sông suối bị thay đổi. Việc phá rừng để sản xuất, xây dựng nhà cửa đã làm hạn chế khả năng giữ nước của mặt đất. Khi xảy ra mưa lớn, nước không thấm sẽ chuyển động nhanh hơn, tạo thành lũ.
- Tài liệu thu thập, đặc biệt là số liệu thực nghiệm rất có hạn nên sự lựa chọn tổ hợp theo các cấp khó tránh khỏi tính suy đoán, áp đặt.
- Có thể xác định cấp X1ngaymax theo tần suất xuất hiện hay chu kỳ lặp lại hoặc chọn X1ngaymax theo giá trị mưa một ngày lớn nhất trong chuỗi số liệu quan trắc được.
Các yếu tố xây dựng bản đồ khả năng xảy ra lũ quét được phân thành các cấp như trong Bảng 3.3, Bảng 3.4, Bảng 3.5, Bảng 3.6:
Bảng 3.3: Phân cấp khả năng thấm của đất (D)
Cấp Ký hiệu Độ thấm của đất
I D1 Thấm nhiều: Đất cát, cát pha, đất thịt nhẹ Z > 50cm.
II D2 Thấm trung bình: Đất thịt trung bình, sét pha cát
Z=50cm - 100cm
III D3
Thấm ít: Đất thịt nặng, đất sét mịn Z=50cm - 100cm
Bảng 3.4: Phân cấp Thảm phủ thực vật (T)
Cấp Ký hiệu Thảm phủ thực vật
I T1 Đất trống đồi núi trọc, núi đá
II T2 Đất nông nghiệp trồng cây ngắn ngày
III T3 Rừng tre nứa, rừng hỗn giao, rừng trồng, rừng le IV T4 Rừng giàu, rừng lá rộng thường xanh kín và trung bình
Bảng 3.5: Phân cấp Độ dốc bề mặt (I0 ) Cấp Ký hiệu Độ dốc bề mặt (độ) I I1 > 45 II I2 25 - 45 III I3 15 - 25 IV I4 < 15
Bảng 3.6: Phân cấp Lượng mưa 1 ngày lớn nhất (X1 ngaymax )
Cấp Ký hiệu Giá trị cấp X1ngaymax (mm)
I XI 2Xngưỡng≤ X1ngaymax
II XII 1,5Xngưỡng≤ X1ngaymax <2Xngưỡng III XIII Xngưỡng≤ X1ngaymax <1,5Xngưỡng
IV XIV X1ngaymax <Xngưỡng
3.3.2. Tổ hợp khả năng xuất hiện lũ quét
Số tổ hợp lý thuyết là tổ hợp chập 4 trong 16 cấp.
- Cấp I: Khả năng xuất hiện lũ quét rất nhiều - Cấp II: Khả năng xuất hiện lũ quét nhiều - Cấp III: Khả năng xuất hiện lũ quét ít
- Cấp IV: Không có khả năng xuất hiện lũ quét
Bảng 3.7: Phân cấp khả năng xuất hiện lũ quét
Cấp Khả năng xuất hiện Loại tổ hợp
I Xuất hiện rất nhiều X1T1I1D1, X1T2I1D1, X1T2I1D2, X1T2I2D1, X1T2I2D2, X1T1I2D1
II Xuất hiện nhiều
X1T1I3D1, X1T1I4D1,X1T1I4D3, X1T1I4D2, X1T1I4D4, X1T3I1D1, X1T3I2D2, X1T3I2D1, X1T3I2D2, X1T3I2D2, X2T1I1D1, X1T1I1D2, X1T1I2D2, X1T1I3D3, X1T3I3D3, X1T3I4D3, X1T3I4D2, X1T3I3D3, X2T1I1D3, X2T2I1D3, X2T2I2D1, X2T2I2D2, X2T1I1D2, X2T1I3D2, X2T1I2D3, X2T2I2D3, X2T1I3D3, X2T2I4D2, X3T1I1D1
III Xuất hiện ít
X3T2I1D1, X3T3I1D1, X3T1I2D1, X3T1I2D2, X3T4I1D3, X3T2I4D3, X3T2I4D4, X3T2I1D2, X3T2I4D3, X3T3I2D2, X3T3I3D3, X3T3I4D3, X3T4I1D2, X3T4I2D2, X2T4I3D3, X3T1I2D3, X3T2I2D2, X3T1I1D1, X3T1I2D1, X3T1I2D2, X3T1I3D3, X3T2I1D1, X3T2I1D3, X3T2I2D2, X3T2I3D2, X3T2I3D3, X3T2I3D4, X3T3I1D1, X3T3I2D2, X3T3I3D3, X3T3 I1D1, X3T4I2D2, X3T4I2D3, X3T3 I3D2, X3T4I1D1, X3T4I1D2, X3T3 I2D1 , X4T1I1D1 IV Không có khả năng xảy ra X4T1I1D2, X4T1I1D3, X4T1I2D1, X4T1I2D2, X4T1I2D3, X4T1I3D1, X4T2I1D1, X4T2I2D1, X4T2I2D2, X4T2I2D3,X4T2I3D2 , X4T4I4D4, X4T4I4D3, X4T4I3D4, X4T4I2D3, X4T4I4D1, X4T1I4D4, X4T2I4D4, X4T3I4D1, X4T4I1D1, X4T4I4D2, X4T2I4D3
Để thực hiện được việc tổ hợp các yếu tố D, T, I, X1ngaymax của tỉnh Thái Nguyên, có 2 phương án được ứng dụng:
- Đưa toàn bộ dữ liệu số các yếu tố từ dạng vector sang dạng raster rồi tiến hành tổ hợp.
- Đưa tất cả các yếu tố về cùng dạng vector, tổ hợp theo phương pháp chồng xếp các lớp bản đồ (công cụ Intersect của phần mềm ArcView 3.3)
Với nhiều lần thử nghiệm cả 2 phương án, phương án thứ 2 cho phép việc tổ hợp được thuận lợi hơn. Các bước tổ hợp các yếu tố được tiến hành như sau:
Trong mỗi yếu tố D, T, I, X1max với các đối tượng có giá trị khác nhau thì phải nhập giá trị tương ứng với cấp mà đối tượng đó thuộc. Công việc này nếu thực hiện thủ công từng đối tượng một không những tốn rất nhiều thời gian mà còn có thể bỏ sót và nhầm lẫn, do đó, người thực hiện nên nhóm tất cả các đối tượng có cùng giá trị và kết hợp chúng lại thành một đối tượng trên bản đồ, sau đó nhập giá trị tương ứng với cấp mà đối tượng đó nằm trong.
Khối lượng xử lý các đối tượng theo cách trên là rất lớn, đặc biệt là lớp bản đồ độ dốc. Lớp này được xử lý chuyển từ dạng raster (kết quả xây dựng từ DEM tỉnh Thái Nguyên có độ phân giải 30m) sang dạng vector. Theo nguyên tắc, mỗi ô lưới mang giá trị độ dốc khi chuyển sang dạng vector sẽ chuyển thành một vùng (polygon) chứa thuộc tính độ dốc. Nếu không xử lý thì số lượng các polygon được tạo sẽ vô cùng lớn do độ phân giải của DEM tỉnh Thái Nguyên là 30m, có nghĩa là số ô lưới đại diện cho tổng diện tích tỉnh Thái Nguyên sẽ tương ứng với một ma trận gồm 2627 dòng, 2660 cột. Chính vì vậy, việc phân phối lại giá trị các ô lưới theo các cấp trước khi chuyển sang dạng vector được coi là một biện pháp nhằm tăng tốc độ xử lý công việc.
Tuy nhiên, quá trình tổ hợp các yếu tố lại gặp nhiều vấn đề phức tạp khác. Các lớp bản đồ thể hiện các yếu tố được xây dựng trên bản đồ địa hình tỉ lệ lớn, mức độ chi tiết của các đối tượng trên bản đồ là rất cao. Do đó, khi
tiến hành chập các lớp bản đồ các yếu tố thành một lớp tổ hợp duy nhất, số lượng các đối tượng phải xử lý quá lớn. Việc tính toán đã gặp rất nhiều khó khăn do phải thực hiện các thao tác lặp lại nhiều lần sau mỗi lần gặp sự cố. Do đó, việc xây dựng bản đồ khả năng lũ quét sẽ dựa trên đơn vị hành chính xã. Mỗi lớp bản đồ yếu tố được chia theo đơn vị xã. Ngoài mục đích giảm thiểu khối lượng tính toán cho máy tính, việc tổ hợp theo đơn vị huyện còn có tác dụng khá hữu ích nếu người sử dụng muốn trình bày bản đồ khả năng xảy ra lũ quét tại một khu vực nào đó.
Sau khi tách bộ dữ liệu theo đơn vị các xã, lần lượt tiến hành chập các lớp yếu tố với lớp xã thành một lớp, dựa theo phân cấp khả năng xuất hiện lũ quét đã trình bày ở trên, gán giá trị tương ứng với các cấp cho các đối tượng, sau đó kết hợp chúng lại thành một đối tượng duy nhất, ta được kết quả như Hình 3.9:
3.3.3. Phân tích kết quả
Kết quả xây dựng bản đồ như trong Hình 3.9 cho thấy tại một số xã thuộc huyện Đại Từ là nơi khả năng xảy ra lũ quét rất nhiều, đặc biệt tại các xã Văn Yên, Khôi Kỳ, Mỹ Yên, Vạn Thọ. Các xã Tiên Phong, Nga My của huyện Phổ Yên và một phần xã Hồng Tiến của huyện Phổ Yên là nơi không có khả năng xảy ra lũ quét.
Tất cả các xã thuộc huyện Đại Từ nêu trên nằm sát chân dãy núi Tam Đảo và đều rất gần các con suối. Điều này được lý giải như sau: các điểm có mức độ xảy ra lũ quét thường xuyên có nền thổ nhưỡng dạng đất vàng trên nền đá macma axit, loại đất được xếp vào cấp I trong phân cấp độ thấm của đất. Hơn nữa, khu vực núi thuộc dãy Tam Đảo có độ dốc rất lớn (trên 450
) và thảm phủ tại đây chỉ là các loại rừng nghèo xen kẽ với diện tích một số cây tre nứa. Yếu tố rất quan trọng khác đó là lượng mưa một ngày lớn nhất tại đây (Kỳ Phú) là lớn nhất trong cả tỉnh với mức 496 mm. Rõ ràng với cơ sở dữ liệu ban đầu, việc tổ hợp đã cho kết quả hợp lý.
Một khu vực kéo dài dọc theo dãy Tam Đảo được xác định thuộc nhóm xuất hiện lũ quét nhiều và có một vài điểm thuộc nhóm không xuất hiện. Khu vực này có chung một nền thổ nhưỡng, cùng trong một dải thảm phủ cũng như độ dốc cao ở dãy Tam Đảo với các điểm ở cấp thường xuyên xảy ra lũ quét vừa xác định ở trên. Tuy nhiên, sự khác biệt nằm ở chỗ, lượng mưa một ngày lớn nhất tại dải này thấp hơn tại Kỳ Phú. Mức độ xảy ra lũ quét càng giảm khi càng xa Kỳ Phú (từ cấp III chuyển dần sang hai bên xuống cấp IV rồi cấp V - cấp không thể xảy ra lũ quét), điều này rất hợp lý khi ta xem xét bản đồ đẳng trị mưa một ngày lớn nhất tỉnh Thái Nguyên (xem Hình 3.8), rõ ràng, càng xa tâm mưa Kỳ Phú, lượng mưa một ngày lớn nhất càng giảm (X1ngaymax giảm từ cấp I xuống dần đến cấp IV).
Tại một khu vực nhỏ thuộc xã Phú Xuyên (huyện Đại Từ), mặc dù lượng mưa ngày lớn nhất tại đây chỉ khoảng 275mm đến 300 mm, nghĩa là
thuộc cấp IV (XIV) nhưng vẫn được xác định là khu vực có khả năng xảy ra lũ quét. Trên thực tế, hai khu vực nhỏ được xác định là có khả năng xảy ra lũ quét đều nằm ở dưới chân hai sườn dốc độ dốc trên 350(cấp I2), hơn nữa, nền thổ nhưỡng tại đây là đất vàng trên nền đá macma axit - loại đất được xếp vào cấp D1. Một điều kiện quan trọng khác đó là thảm phủ, tại khu vực này chỉ có các cây bụi mọc xen kẽ với một khoảng nhỏ rừng non chưa có trữ lượng.
Với các điều kiện tương tự về địa hình, độ dốc, thảm phủ và lượng mưa, ta có thể xác định được một số khu vực khác cũng có khả năng xảy ra lũ quét nhiều như: Phú Đô, Minh Lập, Văn Hán (Đồng Hỷ), Đông Đạt (Phú Lương), Phúc Thuận (Phổ Yên), Quân Chu (Đại Từ), Phú Đình, Sơn Phú (Định Hóa).... (xem Hình 3.9).
Kết quả dự báo khả năng lũ quét xảy ra tại tỉnh Thái Nguyên là tương đối phù hợp với kết quả điều tra về lũ quét như sau:
- Trận lũ quét xảy ra ở xã Phúc Thuận, huyện Phổ Yên ngày 21 tháng 10 năm 1969. Lưu vực suối Quân Cây có cửa ra ở kinh độ 105044’ Đông, vĩ độ 21026’ Bắc thuộc xã Phúc Thuận huyện Phổ Yên, gồm 2 nhánh, tổng cộng lưu vực có diện tích là 8 km2, độ dốc lòng suối là 1,9%. Lưu vực nằm ở phía Đông sườn Tam Đảo, có độ dốc địa hình lớn, xấp xỉ khoảng 250. Cửa ra có vùng bằng phẳng thích hợp cho dân cư sinh sống cũng như trồng trọt. Gần phía cửa ra có nơi nghẽn dòng nên khó tiêu thoát dòng chảy khi có lũ. Ngày 16 đến ngày 19 tháng 10 năm 1969, do ảnh hưởng của rãnh áp thấp phía Tây kèm theo không khí lạnh yếu dưới dạng đường đứt, gió Nam, Đông Nam thổi về làm tăng độ ẩm lên 60 - 65% (trước đó chỉ 35%). Chiều 20/10 lác đác có mưa rào nhẹ. Khoảng nửa đêm trời mưa to và rất to xảy ra trong thời gian khoảng 1h 45 phút, thời gian đỉnh lũ kéo dài khoảng 15 - 20 phút. Trận lũ quét đã làm 26 người thiệt mạng, 22 gian nhà bị phá huỷ, hơn 20 mẫu lúa và hơn 10 mẫu hoa màu bị mất trắng. Theo thống kê đã có nhiều trận lũ quét xảy ra ở đây như các năm 1956, 1957, 1961, 1964.
- Trận lũ quét và lụt lớn ngày 4 và 5 tháng 7 năm 2001 tại Phố Du, thượng lưu sông Công, Thái Nguyên với đỉnh lũ đo được tại cầu Gia Bảy là 28,2m, cao nhất từ 42 năm trở lại đây đã làm ngập lụt 8 trên tổng số 9 huyện, thành phố, thị xã của Thái Nguyên, thiệt hại ước tính khoảng 165 tỷ đồng và làm 23 người chết.
Trong số 9 huyện, thành phố, thị xã của Thái Nguyên thì có tới 6 đơn vị đã từng chịu ảnh hưởng nặng nề của lũ quét: huyện Đại Từ 9 lần, huyện Định Hoá 6 lần, huyện Đồng Hỷ 5 lần, huyện Phổ Yên 4 lần, huyện Phú Lương 3