ĐẶC ĐIỂM MƢA, DếNG CHẢY VÀ CÁC BIỆN PHÁP PHếNG LŨ

2.3.1. Đặc điểm mƣa, dũng chảy trờn cỏc lƣu vực nghiờn cứu

Mựa lũ trờn sụng Tả Trạch xuất hiện từ thỏng X - XII chiếm khoảng 66,7% tổng lƣợng dũng chảy năm. Thỏng XI là thỏng cú dũng chảy lớn nhất. So với trung bỡnh cả nƣớc thỡ đõy là vựng cú trị số dũng chảy lũ khỏ lớn. Mựa kiệt trong lƣu vực kộo dài trong 9 thỏng từ thỏng I đến thỏng IX, chiếm khoảng 33.3% tổng lƣợng dũng chảy năm [14, 17]

Với vị trớ địa lý đún giú thuận lợi, lại gần cỏc nguồn ẩm nờn lƣợng mƣa hàng năm mang đến lƣu vực rất phong phỳ vào khoảng 2500 -2700 mm, số ngày mƣa trong năm đạt 140 đến 150 ngày. Lƣợng mƣa cú xu thế tăng dần từ Đụng sang Tõy do sự biến đổi tăng dần của độ cao địa hỡnh.. Lƣợng mƣa hàng năm lớn cộng với cấu tạo địa chất trong khu vực phần lớn là cỏc lớp đỏ gốc, khả năng thấm nƣớc kộm nờn hàng năm lƣu vực sản sinh ra một lƣợng dũng chảy mặt khỏ lớn với mụ đun dũng chảy đạt 76,7 l.s/km2, tƣơng ứng lớp dũng chảy 2420mm (so với trung bỡnh cả nƣớc là 30,9 l.s/km2, tƣơng ứng với lớp dũng chảy là 974mm).

Mựa lũ trờn lƣu vực sụng Thu Bồn kộo dài trong 3 thỏng (XXII) chiếm 6070 % lƣợng dũng chảy cả năm. Mụ đun dũng chảy mựa lũ đạt tới 200l/s.km2, đõy là trị số mụ đun dũng chảy mựa lũ lớn nhất cả nƣớc. Với điều kiện địa hỡnh dốc, mạng lƣới sụng suối phỏt triển hỡnh toả tia, mức độ tập trung mƣa lớn cả về lƣợng lẫn về cƣờng độ trờn phạm vi rộng nờn lũ trờn cỏc sụng suối của lƣu vực sụng Thu Bồn mang đậm tớnh chất lũ nỳi với cỏc đặc trƣng: cƣờng suất lũ lớn, thời gian lũ ngắn, đỉnh lũ nhọn, biờn độ lũ lớn. Hàng năm trờn sụng Thu Bồn xuất hiện 45 trận lũ, năm nhiều nhất cú 78 trận lũ, lũ lớn nhất trong năm thƣờng xuất hiện trong thỏng X và XI [14,17].

dũng chảy năm. Thỏng XI là thỏng cú dũng chảy lớn nhất, chiếm 27,8% lƣợng dũng chảy năm và đõy là thỏng cú tần suất xuất hiện bóo và ỏp thấp nhiệt đới cao nhất. Lũ trờn lƣu vực sụng Trà Khỳc thƣờng rất ỏc liệt, mang đậm tớnh chất lũ ở vựng nỳi với cỏc đặc tớnh: cƣờng suất lũ lớn, đỉnh lũ cao và thời gian lũ ngắn. Mực nƣớc trờn cỏc triền sụng tăng nhanh trong thời gian xuất hiện lũ, cƣờng suất lũ ở thƣợng nguồn đạt 50  70 cm/h, cũn ở hạ du đạt 30 cm/h, thậm chớ cú một số trận lũ lớn đạt tới 100 cm/h. Khả năng điều tiết trờn lƣu vực khụng lớn và khả năng thoỏt nƣớc của hạ du kộm, vỡ vậy trờn lƣu vực sụng Trà Khỳc thƣờng xuất hiện lũ kộp với nhiều đỉnh. Trung bỡnh trong một năm trờn lƣu vực thƣờng xuất hiện 5  7 trận lũ, tập trung nhất vào thỏng X và XI [14, 17].

Mựa lũ trờn lƣu vực sụng Vệ thƣờng kộo dài trong 3 thỏng, bắt đầu từ thỏng X đến thỏng XII nú chiếm khoảng 70.6% tổng lƣợng dũng chảy năm. Mụ đun dũng chảy mựa lũ khoảng 196 l/s.km2 là vựng cú trị số dũng chảy lũ lớn. Mựa kiệt trờn lƣu vực sụng Vệ thƣờng kộo dài trong 9 thỏng, bắt đầu từ thỏng I đến thỏng IX và chiếm khoảng 29,4% tổng lƣợng dũng chảy năm [14, 17].

Lƣu vực sụng Vệ với vị trớ địa lý đún giú thuận lợi nờn hàng năm lƣợng mƣa mang đến lƣu vực rất phong phỳ đạt 2476 mm. Lƣợng mƣa cú xu thế tăng dần từ Đụng sang Tõy, phần thƣợng nguồn vựng nỳi lƣợng mƣa đạt tới 3000 mm cũn phần hạ du vựng đồng bằng lƣợng mƣa cũng đạt 2000 mm. Với lƣợng mƣa lớn nhƣ vậy, trung bỡnh năm trờn lƣu vực sụng Vệ xuất hiện từ 6 đến 8 trận lũ, phụ thuộc vào cỏc đợt mƣa lớn của năm và cỏc trận lũ này thƣờng gắn liền với ngập lụt cỏc vựng hạ du do lƣợng mƣa lớn trờn diện rộng.

2.3.2 Cỏc biện phỏp phũng lũ trờn cỏc lƣu vực nghiờn cứu

Trờn khu vực Miền Trung, trong năm cú 4 dạng lũ cần phũng chống là: lũ tiểu món, lũ sớm, lũ chớnh vụ và lũ muộn. Trong điều kiện kinh tế hiện nay, khụng cú khả năng chống triệt để lũ chớnh vụ và chỉ cú thể tỡm phƣơng ỏn giảm thiểu thiệt hại do lũ gõy ra và phũng chống cú mức độ. Cỏc loại lũ tiểu món, lũ sớm và lũ muộn cú thể phũng chống bằng cỏc biện phỏp phi cụng trỡnh và cụng trỡnh.

Biện phỏp phi cụng trỡnh bao gồm:

- Chăm súc, bảo vệ rừng đầu nguồn, quy hoạch sử dụng đất hợp lý, hạn chế sự tập trung lũ và chống xúi mũn

- Bố trớ thời vụ hợp lý, trỏnh đối đầu với lũ - Tăng cƣờng cụng tỏc cảnh bỏo, dự bỏo lũ

- Di dời dõn ra khỏi khu vực cú nguy cơ ngập ỳng và lũ quột - Cỏc biện phỏp hỗ trợ, cứu hộ chủ động cú tớnh liờn ngành cao. Biện phỏp cụng trỡnh bao gồm:

- Xõy dựng cỏc hồ chứa thƣợng nguồn để cắt lũ, giảm mực nƣớc hạ du. Hiện nay đó cú hồ Dƣơng Hoà (Tả Trạch), Sụng Bung I (Thu Bồn), ĐắcDrinh I (Trà Khỳc)

- Xõy đờ kố cỏc bờ sụng để chống lũ muộn và lũ tiểu món - Tăng cƣờng cỏc tuyến thoỏt lũ qua cỏc cửa sụng

Theo Viện Quy hoạch Thuỷ lợi, JICA và cỏc tổ chức quốc tế khỏc, giải phỏp tốt nhất là xõy dựng cỏc hồ chứa thƣợng nguồn để làm giảm mực nƣớc lũ hạ du

Với địa hỡnh cỏc lƣu vực nghiờn cứu, nhiều nơI cú địa hỡnh thuận lợi để xõy dựng hồ chứa. Giải phỏp hồ chứa khụng những làm nhiệm vụ cắt lũ mà cũn là cụng trỡnh thuỷ lợi cấp nƣớc tƣới cho nụng nghiệp vào mựa cạn, là cụng trỡnh thuỷ điện cấp điện cho lƣới điện quốc gia và cú thể sử dụng vào cỏc mục tiờu kinh tế tổng hợp khỏc nhƣ cấp nƣớc cho cụng nghiệp, sinh hoạt, dịch vụ thƣơng mại và du lịch.

Kết luận chương 2. Qua phõn tớch cỏc điều kiện tự nhiờn và kinh tế xó hội

khu vực nghiờn cứu thấy rằng:

1) Miền Trung là nơi hội tụ nhiều điều kiện thuận lợi đối với việc hỡnh thành lũ lụt hàng năm. Điều kiện mặt đệm cỏc lƣu vực thƣợng nguồn ở Miền Trung phự hợp với việc ỏp dụng phƣơng phỏp SCS và KW – 1D để mụ phỏng quỏ trỡnh tổn thất và vận chuyển nƣớc, tức là mụ phỏng quỏ trỡnh mƣa – dũng chảy.

2) Đỏnh giỏ hiện trạng cỏc hồ chứa trờn cỏc lƣu vực nghiờn cứu cho thấy khả năng điều tiết lũ của chỳng vẫn chƣa đỏp ứng quy hoạch phũng lũ, cần cú bổ sung cỏc hồ chứa để cắt lũ, tăng cƣờng khả năng điều tiết lƣu vực.

Chƣơng 3

XÂY DỰNG Mễ HèNH Mễ PHỎNG QUÁ TRèNH MƢA - DếNG CHẢY BẰNG Mễ HèNH SểNG ĐỘNG HỌC MỘT CHIỀU, PHƢƠNG PHÁP

PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ PHƢƠNG PHÁP SCS

3.1. NÂNG CAO TÍNH ỔN ĐỊNH VÀ ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN Mễ PHỎNG KHễNG GIAN – THỜI GIAN TRONG Mễ PHẦN TỬ HỮU HẠN Mễ PHỎNG KHễNG GIAN – THỜI GIAN TRONG Mễ HèNH SểNG ĐỘNG HỌC MỘT CHIỀU

3.1.1. Cỏc vấn đề về tớnh ổn định và độ chớnh xỏc khi giải phƣơng trỡnh súng động học bằng phƣơng phỏp phần tử hữu hạn

Việc giải phƣơng trỡnh súng động học đối với dũng chảy tràn sử dụng sơ đồ phần tử hữu hạn Galerkin thƣờng gõy nờn nhiễu động số do số hạng bất đối xứng thứ nhất của đạo hàm theo khụng gian. Đó cú nhiều nghiờn cứu giải quyết vấn đề súng động học sử dụng phõn tớch phần tử hữu hạn [120,143,156]. Nghiệm số trị của những phƣơng trỡnh này sẽ vấp phải cỏc vấn đề về tớnh ổn định và hội tụ.

Christie cựng cỏc cộng sự [110] cho rằng, nờn trỏnh sử dụng xấp xỉ sai phõn trung tõm của đạo hàm bậc nhất vỡ nú làm tăng dao động số với cỏc kớch thƣớc lƣới

tớnh trung bỡnh và phƣơng phỏp phần tử hữu hạn Galerkin, sử dụng dạng hàm tuyến tớnh dạng kim tự thỏp đối xứng chớnh là mụ phỏng cụng thức sai phõn trung tõm đó chứa những dao động cú sẵn. Hughes [124] cho biết những khú khăn xuất hiện khi cỏc toỏn tử chuyển vị là bất đối xứng và kết quả gõy nờn những dao động giả. Theo Fiedler và Ramiez [113], với chiều sõu dũng chảy nhỏ thỡ những dao động nhỏ sẽ phỏ huỷ nghiệm cho dũng chảy tràn trờn bề mặt và việc hạn chế dao động là một nhiệm vụ rất khú khăn do bản chất dao động sẵn cú trong cỏc phƣơng trỡnh. Zang và Cundy [159] sử dụng sơ đồ sai phõn hữu hạn MacCormak - là sơ đồ sai phõn hiện hai bƣớc, để giải quyết cỏc vấn đề dũng chảy tràn và cũng nhận định rằng luụn cú những dao động trờn cỏc đƣờng quỏ trỡnh và trong một vài trƣờng hợp là khụng hợp lý buộc phải dừng tớnh toỏn.

Abbott và Basco [96] cho rằng những phƣơng trỡnh nƣớc nụng thƣờng nghiờng về những thành phần Fourier tần số cao, cỏc dao động 2x, khi sử dụng sơ đồ sai phõn trung tõm bởi vỡ giỏ trị của độ dốc ƣớc lƣợng bởi sai phõn là độc lập với biến phụ thuộc tại điểm giữa của hai nỳt lƣới. Chan và Williamson [109] thỡ lại cho rằng phƣơng trỡnh đạo hàm riờng, bao gồm đạo hàm bậc nhất theo khụng gian, sẽ xuất hiện dao dộng trong nghiệm theo phƣơng phỏp phần tử hữu hạn Galerkin khi kớch thƣớc ụ lƣới vƣợt quỏ giỏ trị tới hạn dựa trờn số Peclet nhỏ hơn 2. Cỏc tỏc giả khụng bàn luận đến những trƣờng hợp mà số Peclet lớn vụ cựng nhƣ trƣờng hợp dũng chảy sƣờn dốc. Tuy nhiờn, những thảo luận về thiết lập một lƣới phần tử hữu hạn mịn với bƣớc thời gian nhỏ để giải quyết vấn đề thỡ cũng khụng đỏp ứng đƣợc về hiệu quả tớnh toỏn thực tiễn (do yờu cầu khả năng mỏy tớnh quỏ cao).

Hầu hết cỏc thảo luận đều cựng thống nhất về quan điểm rằng, cỏc dao động trong khi giải hệ phƣơng trỡnh súng động học là luụn tồn tại. Chan và Williamson [109] đó mụ tả sơ đồ Upwind nhƣ là sự thay thế sơ đồ sai phõn trung tõm bằng sai phõn lựi và cho rằng điều này sẽ làm giảm độ chớnh xỏc. Heinrich cựng cỏc cộng sự [121] thấy rằng sơ đồ phần tử hữu hạn Upwind, sử dụng hàm trọng số cú dạng hàm bất đối xứng khỏc với sử dụng hàm hỡnh dạng và kết luận rằng sự giảm độ chớnh xỏc của cả hai sơ đồ là tƣơng đƣơng. Tisdale cựng cỏc cộng sự [153] đó phỏt triển

sơ đồ Upwind đƣờng dũng với bài toỏn dũng chảy hai chiều bằng việc cụ lập số

hạng chuyển vị trong phƣơng trỡnh theo độ dốc chớnh và giải quyết vấn đề bằng kỹ thuật Upwind, đó cụng bố rằng, sơ đồ giải quyết đƣợc vấn đề mà khụng xuất hiện dao động số trong khi ảnh hƣởng của nú tới độ chớnh xỏc là cú thể bỏ qua. Mặc dầu vậy, nghiờn cứu này dựa trờn việc biến đổi hệ phƣơng trỡnh ban đầu và chỉ giới hạn cho những bề mặt đơn giản, nơi điểm nỳt cú hƣớng dốc xuống của mỗi phần tử cú thể xỏc định bằng cỏc chƣơng trỡnh con đó đƣợc thử nghiệm đối với những bề mặt dũng chảy phức tạp. Fiedler và Ramirez [113] sử dụng sơ đồ sai phõn hữu hạn

Upwind MacCormack để tớnh dũng chảy sƣờn dốc và phỏt hiện thờm rằng bờn cạnh

việc “ngƣợc dũng”, hàm làm trơn cú thể hạn chế đƣợc những dao động ở những khu vực cú gradient lớn nhƣ cỏc dao động tần số cao và sử dụng độ sõu dũng chảy bỡnh quõn trọng số dọc theo cỏc nỳt, ở những khu vực cú gradient thấp.

Anderson cựng cỏc cộng sự [99] giải thớch rằng những dao động là do sự lệnh pha trong cỏc số hạng thuộc chuỗi số Fourier của nghiệm số trị và định nghĩa sơ đồ số ổn định là sơ đồ mà những sai số từ bất kỳ nguồn nào cũng khụng đƣợc phộp gia tăng trong quỏ trỡnh tớnh từ bƣớc thời gian này đến bƣớc thời gian khỏc. Họ đề nghị phõn tớch chuỗi Fourier để thành lập giới hạn ổn định cho những phƣơng trỡnh đạo hàm riờng tuyến tớnh với khả năng cú thể mở rộng một cỏch gần đỳng cỏc quy tắc này cho cỏc phƣơng trỡnh phi tuyến. Katopodes [287] đó dựng phộp phõn tớch Fourier để nghiờn cứu tớnh ổn định và dao động của phƣơng trỡnh súng động học tuyến tớnh đối với dũng chảy kờnh cú tốc độ di chuyển súng khụng đổi và khụng cú dũng chảy nhập lƣu và phỏt biểu rằng, do sự tồn tại của tớnh khụng liờn tục, hầu hết cỏc phƣơng phỏp rời rạc hoỏ đều làm xuất hiện dao động giả tạo sau cỏc bƣớc nhảy số, chỉ cú thể loại trừ bằng một số cỏc thuật toỏn chọn lựa, đảm bảo phải nhạy và địa phƣơng hoỏ trong những khu vực cú sự phõn tỏn mạnh của tốc độ súng. Singh [146] chỉ ra rằng việc phõn tớch sự ổn định tuyến tớnh cú thể ỏp dụng cho hệ phƣơng trỡnh súng động học tuyến tớnh hoỏ và cho phộp ta nhận biết rừ những sơ đồ khụng phự hợp hoặc độ dài bƣớc thời gian thớch hợp với sơ đồ ổn định cú điều kiện. Việc sử dụng ma trận “tổng cộng” (lumped) để thay thế cho ma trận

”chi tiết” (consistent) đó giảm đỏng kể cỏc dao dộng trong việc tớnh toỏn dũng chảy kờnh.

Việc lựa chọn bƣớc nhảy thời gian thớch hợp thƣờng phụ thuộc vào kinh nghiệm. Bajracharya và Barry [102] cho rằng việc giảm dần bƣớc thời gian khụng phải bao giờ cũng cho kết quả chớnh xỏc hơn và coi tối ƣu nhất là giải phỏp đảm bảo độ ổn định và chớnh xỏc với thời gian tớnh toỏn nhỏ nhất. Hromadka và DeVries [123] thấy rằng, sau một chuỗi thử nghiệm khi thay đổi xvà t, việc sử dụng phƣơng phỏp súng động học để diễn toỏn trong kờnh dẫn cần phải cú cỏc đỏnh giỏ trong cỏc mụ hỡnh thuỷ văn. Hơn nữa, những mụ hỡnh súng động học cần đƣợc thử nghiệm để lựa chọn xvà ttối ƣu. Jaber và Mohtar [125] phỏt triển những phƣơng trỡnh kinh nghiệm cho cỏc bƣớc thời gian động [132-134], đảm bảo độ chớnh xỏc và ổn định cho sơ đồ chi tiết với lời giải súng động học. Bƣớc thời gian động này biến đổi theo số cỏc phần tử và thời gian tập trung nƣớc của lƣu vực. Nghiờn cứu này giới hạn cho phƣơng phỏp Galerkin khi sử dụng sơ đồ tổng hợp đó chỉ ra rằng, những dao động là đỏng kể khi bƣớc thời gian tớnh lớn hơn bƣớc thời gian động giới hạn nhƣng khụng gợi ý cỏch nào để khử những dao động này.

Khi sử dụng phƣơng trỡnh súng động học, sốc động học phỏt sinh ở nơi mà những con súng tốc độ cao bắt kịp những con súng tốc độ thấp dẫn đến phỏ huỷ mặt cắt súng. Singh [146] sử dụng phƣơng phỏp xấp xỉ để hiệu chỉnh va chạm nhằm giải quyết vấn đề và nhấn mạnh rằng, sử dụng phƣơng phỏp số thƣờng bỏ qua hiện tƣợng sốc và khụng sử dụng phƣơng phỏp hiệu chỉnh là khụng phự hợp khi ỏp dụng lý thuyết súng động học. Vấn đề là cần thử nghiệm cỏc sơ đồ khỏc nhau, xõy dựng và kiểm tra bƣớc thời gian động khi gõy nờn cỏc sốc súng động học. Mụ hỡnh súng động học là cơ sở của nhiều mụ hỡnh nghiờn cứu và phần mềm thƣơng mại sẵn cú trờn thị trƣờng, coi lƣu vực nhƣ một bề mặt chảy tràn, dựng những phƣơng phỏp cú sẵn để tớnh toỏn dũng chảy vƣợt giới hạn nhƣ HEC-1, DHI, SWMM và USDA [145]. Cú một vài nghiờn cứu giải phƣơng trỡnh súng động học cho cả trƣờng hợp lƣu vực hội tụ và phõn kỳ [147]. Trong cả hai trƣờng hợp đều thờm một số hạng phụ vào phƣơng trỡnh bảo toàn vật chất và biến đổi nú từ dạng nguyờn bản. Cỏc kết quả

ỏp dụng cho phƣơng trỡnh súng động học nguyờn bản khụng cần thiết phải ỏp dụng cho phƣơng trỡnh đó biến đổi.

Từ cỏc tổng quan trờn cho thấy, để nõng cao độ ổn định và độ chớnh xỏc của

mụ hỡnh súng động học một chiều bằng phƣơng phỏp phần tử hữu hạn cần phải tiến

hành lựa chọn được một sơ đồ số với cỏc bước thời gian thớch hợp trong việc mụ phỏng khụng gian và thời gian đối với cỏc lƣu vực nghiờn cứu. Đõy là một vấn đề