PHỤC VỤ DỰ BÁO LŨ SễNG TRÀ KHệC – TRẠM SƠN GIANG
Miền Trung là nơi hứng chịu nhiều thiờn tai lũ lụt nhất ở nƣớc ta. Đó cú rất nhiều cụng trỡnh nghiờn cứu [7, 8, 14, 17, 18] tập trung vào việc giải quyết bài toỏn này nhằm gúp phần giảm nhẹ những hậu quả do lũ lụt gõy ra. Một trong những hƣớng tớch cực nhất là nõng cao hiệu quả của cụng tỏc cảnh bỏo và dự bỏo lũ, từ đú đề ra những biện phỏp thớch hợp để phũng, trỏnh. Cỏc phƣơng phỏp dự bỏo truyền thống nhƣ phƣơng phỏp lƣu lƣợng mực nƣớc tƣơng ứng hay sử dụng cỏc mụ hỡnh tƣơng quan và cỏc mụ hỡnh thụng số tập trung ở Trung tõm Dự bỏo Khớ tƣợng Thuỷ văn Trung ƣơng [ 38, 39, 94] đó mang lại những hiệu quả nhất định. Việc diễn toỏn dũng chảy từ trạm thuỷ văn đầu nguồn về hạ lƣu khỏ chớnh xỏc, đạt độ đảm bảo tƣơng đối tốt. Tuy nhiờn, thực tế thƣờng gặp phải hai vấn đề lớn làm cho cụng tỏc dự bỏo lũ vẫn chƣa đỏp ứng đƣợc bài toỏn thực tiễn. Đú là:
1) Do cỏc sụng ở khu vực này thƣờng ngắn và dốc, thời gian tập trung nƣớc nhanh nờn việc phỏt cỏc bản tin dự bỏo dựa trờn số liệu quan trắc mƣa và lƣu lƣợng tuyến trờn thƣờng cú thời gian dự kiến ngắn, khụng đủ để triển khai cỏc biện phỏp phũng chống thớch hợp
2) Mạng lƣới quan trắc khớ tƣợng, thuỷ văn thƣa thớt và chƣa sử dụng cỏc mụ hỡnh thụng số dải, cú khả năng diễn toỏn dũng chảy tốt hơn.
Nhằm gúp phần khắc phục cỏc vấn đề nờu trờn, tỏc giả đề xuất sử dụng mụ hỡnh thụng số dải dựa trờn phƣơng trỡnh súng động học một chiều, phƣơng phỏp phần tử hữu hạn và phƣơng phỏp SCS, sử dụng đầu vào là mƣa dự bỏo từ cỏc mụ hỡnh khớ tƣợng (cụ thể trong luận ỏn này là mƣa dự bỏo thời hạn 3 ngày từ mụ hỡnh RAMS) để tăng thời gian dự kiến của cỏc dự bỏo lũ trờn lƣu vực và sử dụng số liệu mƣa dự bỏo với mật độ dày hơn.
Hiện nay tại Việt Nam đó và đang ứng dụng nhiều mụ hỡnh khớ tƣợng để dự bỏo mƣa nhƣ HRM, MM5, RAMS và ETA...Cụng trỡnh này khụng đi sõu nghiờn cứu, tỡm hiểu về cỏc mụ hỡnh dự bỏo mƣa, dƣới đõy là đụi nột về những đặc trƣng kỹ thuật và ƣu điểm của mụ hỡnh RAMS ứng dụng trong dự bỏo mƣa đƣợc sử dụng trong cụng trỡnh này.
Mụ hỡnh RAMS (The Regional Atmospheric Modeling System) đƣợc Đại học tổng hợp Colorado kết hợp với phõn viện ASTER - thuộc Mission Research Corporation phỏt triển gồm 3 khối chớnh: khối mụ hỡnh khớ quyển mụ phỏng cỏc bài toỏn khớ tƣợng cụ thể, khối xử lý cỏc quỏ trỡnh ban đầu sử dụng cỏc trƣờng phõn tớch và số liệu quan trắc và một khối xử lý cỏc kết quả mụ phỏng và hiển thị đồ hoạ kết quả của mụ hỡnh. Một số ƣu điểm và đặc trƣng kỹ thuật chớnh của RAMS cú thể túm tắt nhƣ sau:
- Mụ hỡnh cú thể chạy trờn cỏc hệ thống khỏc nhau nhƣ UNIX, LINUX, Windows NT với mó nguồn đƣợc viết chủ yếu bằng ngụn ngữ Fortran 90 sử dụng tớnh năng cấp phỏt bộ nhớ động. Một số thao tỏc vào, ra đƣợc viết bằng ngụn ngữ C. - Khả năng ỏp dụng của mụ hỡnh rất rộng, từ cỏc mụ phỏng trong cỏc buồng khớ động lực đến bài toỏn khớ tƣợng vựng hạn chế nhƣ cỏc vựng hồ, khu du lịch thậm chớ đến qui mụ toàn cầu, phụ thuộc mục đớch của ngƣời sử dụng và mỏy tớnh.
- Cho phộp sử dụng lƣới lồng, do đú mụ tả đƣợc ảnh hƣởng của cỏc quỏ trỡnh qui mụ nhỏ. Tuy nhiờn càng sử dụng nhiều lƣới lồng thỡ cần mỏy tớnh càng mạnh, với cỏc nƣớc phỏt triển thƣờng sử dụng siờu mỏy tớnh.
tuỳ ý, lấy từ kết quả phõn tớch toàn cầu cho phộp mụ tả ảnh hƣởng của quỏ trỡnh quy mụ lớn đến miền dự bỏo cụ thể. Bƣớc tớch phõn cú nhiều phƣơng ỏn lựa chọn khỏc nhau do vậy cú thể chọn đƣợc một bƣớc thời gian đỏp ứng yờu cầu về độ ổn định tớnh toỏn của mụ hỡnh và yờu cầu thời gian tớch phõn của bài toỏn.
- Số liệu của cỏc trạm cao khụng cũng nhƣ cỏc trạm thời tiết mặt đất trong miền tớch phõn cú thể đƣợc sử dụng trong quỏ trỡnh ban đầu hoỏ. Đõy là một đặc điểm rất ƣu việt của mụ hỡnh nhằm nõng cao độ chớnh xỏc của kết quả dự bỏo, đặc biệt là khi miền tớnh cú mặt đệm phức tạp, độ cao địa hỡnh thay đổi nhanh và tại thời điểm ban đầu khớ quyển tồn tại cỏc nhiễu động mạnh... Hệ phƣơng trỡnh của mụ hỡnh RAMS bao gồm: Phƣơng trỡnh chuyển động; Phƣơng trỡnh nhiệt động lực; Phƣơng trỡnh bảo toàn cỏc trạng thỏi pha của nƣớc; Phƣơng trỡnh bảo toàn khối lƣợng; Phƣơng trỡnh thuỷ tĩnh;Phƣơng trỡnh khụng thuỷ tĩnh. RAMS cú khả năng dự bỏo với độ chớnh xỏc rất hứa hẹn đồng thời vẫn đảm bảo khả năng ứng dụng rất mềm dẻo của mụ hỡnh.
Ở Việt Nam, mụ hỡnh RAMS đó đƣợc Trần Tõn Tiến và cỏc cộng sự nghiờn cứu [ 77, 154 ], phỏt triển ỏp dụng để dự bỏo cỏc trƣờng khớ tƣợng trờn Biển Đụng và cỏc vựng phụ cận. Việc dự bỏo mƣa điểm bƣớc đầu đó cú một số kết quả tớch cực với thời hạn dự bỏo 3 ngày. Lợi thế của việc sử dụng mƣa dự bỏo bằng mụ hỡnh RAMS khụng chỉ ở việc tăng thời hạn dự bỏo mà cũn tạo ra trƣờng phõn bố mƣa dày đặc tuỳ ý rất thớch hợp với việc sử dụng phƣơng phỏp phần tử hữu hạn mà mƣa thực tế tại cỏc đài trạm khụng thể đỏp ứng đƣợc. Với những lợi thế trờn, trong cụng trỡnh này, lựa chọn mƣa dự bỏo từ mụ hỡnh RAMS với thời hạn 3 ngày làm đầu vào cho mụ hỡnh súng động học một chiều phƣơng phỏp phần tử hữu hạn và SCS để xõy dựng phƣơng ỏn dự bỏo lũ trờn lƣu vực sụng Trà Khỳc - Sơn Giang.
4.1.1. Dự bỏo thử nghiệm mƣa gõy lũ tại lƣu vực sụng Trà Khỳc – Sơn Giang
Do số liệu mƣa tớch luỹ 3 ngày từ mụ hỡnh RAMS cú thể truy xuất tuỳ ý về thời gian cũng nhƣ khụng gian nờn rất tiện lợi cho việc ỏp dụng vào mụ hỡnh súng động học một chiều phƣơng phỏp phần tử hữu hạn và SCS.
Để cung cấp số liệu mƣa dự bỏo đó tiến hành thử nghiệm dự bỏo mƣa cho khu vực sụng Trà Khỳc bằng mụ hỡnh RAMS với 3 lƣới lồng. Do RAMS sử dụng phộp chiếu cực, nờn trong điều kiện Việt Nam chọn tõm chiếu tại 150N và 1090E.
- Lƣới 1: Độ phõn giải ngang cú kớch thƣớc bƣớc lƣới 36 km cho miền dự bỏo gồm 92 x 92 điểm lƣới theo phƣơng ngang, tạo ra miền tớnh cú kớch thƣớc 3267 x 3267 km2. Miền tớnh này bao phủ toàn bộ lónh thổ Việt Nam và một phần lục địa Trung Quốc, vừa đảm bảo hạn chế sai số khuếch tỏn vào tõm miền tớnh, vừa tớnh đến ảnh hƣởng của hoàn lƣu giú mựa đụng bắc, xuất phỏt từ cao ỏp Xibờri và cỏc trung tõm cực đới khỏc. Biờn phớa nam của miền tớnh ở vào khoảng 50 S, với mục tiờu mụ tả tốt hơn hoàn lƣu giú mựa tõy nam vào mựa hố, thổi từ nam bỏn cầu vƣợt qua xớch đạo vào khu vực Đụng Nam Á.
- Lƣới 2: Độ phõn giải ngang cú kớch thƣớc bƣớc lƣới là 6 km cho miền dự bỏo gồm 92 x 92 điểm lƣới theo phƣơng ngang, tạo ra miền tớnh cú kớch thƣớc 546 x 546 km2. Tõm miền tớnh đƣợc đặt tại 150 vĩ Bắc, 1080 kinh Đụng, mục đớch che phủ toàn bộ khu vực Trung Trung Bộ Việt Nam.
- Lƣới 3: Độ phõn giải ngang cú kớch thƣớc bƣớc lƣới 3 km cho miền dự bỏo gồm 92 x 92 điểm lƣới theo phƣơng ngang, tạo ra miền tớnh cú kớch thƣớc 273 x 273 km2. Tõm miền tớnh đƣợc đặt ở 150 vĩ Bắc, 108,20 kinh Đụng, mục đớch để bao phủ toàn bộ lƣu vực sụng Trà Khỳc thuộc tỉnh Quảng Ngói và cỏc tỉnh lõn cận.
Để đỏnh giỏ kết quả mƣa dự bỏo đó tiến hành thử nghiệm dự bỏo mƣa 3 ngày vào hai đợt mƣa lớn thỏng X và thỏng XI năm 2005 tại 9 trạm synốp nằm trờn khu vực Trung Trung Bộ mụ tả lƣợng mƣa thỏm sỏt và mƣa mụ hỡnh tớch lũy trong 72 giờ. Kết quả thử nghiệm cho thấy mụ hỡnh đó mụ phỏng khỏ tốt diễn thế mƣa tại hầu hết cỏc điểm trạm.
Để phục vụ cho cụng tỏc dự bỏo lũ trờn sụng Trà Khỳc cần cú số liệu mƣa hoàn chỉnh, chi tiết cho cỏc điểm trạm nằm trong lƣu vực sụng. Do vậy đó tiến hành thử nghiệm này dự bỏo và phõn tớch mƣa tại cỏc điểm trạm nằm trong lƣu vực là: Giỏ Vực, Sơn Hà, Trà Khỳc và Sơn Giang.
Cỏc trạm này hầu hết nằm ở khu vực cú độ cao địa hỡnh lớn, tuy nhiờn kết quả thử nghiệm cho thấy mụ hỡnh đó dự bỏo khỏ tốt cả xu hƣớng mƣa và lƣợng mƣa tại hầu hết cỏc điểm trạm [77]. Nhƣ vậy trong cỏc đợt dự bỏo [154] cho cỏc trạm trờn lƣu vực sụng Trà Khỳc, mụ hỡnh đó dự bỏo chớnh xỏc khoảng 83.3% với lƣợng mƣa 3 ngày nhỏ hơn 200 mm. Với những trạm cú lƣợng mƣa thực tế 3 ngày nhỏ hơn 300 mm thỡ mụ hỡnh đó dự bỏo đỳng là 77%. Đối với những trạm cú lƣợng mƣa vƣợt ngƣỡng 300 mm thỡ mụ hỡnh chỉ dự bỏo đỳng là 50%. Cỏc thử nghiệm đó chứng tỏ khả năng dự bỏo đỳng của mụ hỡnh RAMS phụ thuộc vào ngƣỡng mƣa, cƣờng độ mƣa và địa hỡnh cỏc trạm. Sau khi phõn tớch từng đợt mƣa dự bỏo cho cả cỏc trạm synụp và cỏc trạm nằm trờn lƣu vực sụngTrà Khỳc thấy rằng, đối với 9 trạm synụp trờn một miền rộng, khoảng cỏch giữa cỏc trạm lớn, mụ hỡnh dự bỏo đỳng đƣợc 70,4%. Kết quả phõn tớch cho thấy mụ hỡnh dự bỏo khỏ tốt cả quỏ trỡnh và lƣợng mƣa tại những điểm trạm cú mƣa tớch lũy nhỏ hơn 200 mm.
Tại cỏc trạm trong lƣu vực sụng Trà Khỳc, với mật độ cỏc trạm dày và tớnh đến hiệu ứng hoàn lƣu lƣới thứ 3, mụ hỡnh đó dự bỏo đỳng 83,3%. Điều này cho thấy vai trũ lớn của lƣới lồng 3 trong dự bỏo mƣa tại cỏc điểm (Hỡnh 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
Hỡnh 4.1. Lƣợng mƣa tớch luỹ 72 giờ dự bỏo đƣợc bằng RAMS từ 16 đến 19/XI/2005 trờn 9 tiểu lƣu vực thuộc sụng Trà Khỳc - trạm Sơn Giang
4.1.2. Dự bỏo lũ
Để cập nhật số liệu mƣa dự bỏo từ mụ hỡnh RAMS, đó tiến hành lấy số liệu theo 3 phƣơng ỏn: 1) cập nhật số liệu mƣa từng phần tử cho cả 150 phần tử; 2) số
liệu mƣa lấy trung bỡnh cho 9 đoạn sụng và 3) số liệu mƣa lấy trung bỡnh cho toàn bộ lƣu vực. Qua việc tớnh toỏn thử nghiệm cho thấy phƣơng ỏn 2 là phƣơng ỏn cho kết quả dự bỏo tốt nhất [ 77, 154 ]. Nhỡn vào kết quả dự bỏo ở bảng 4.1, hỡnh 4.2 và 4.3 cho thấy sai số trung bỡnh cho 2 trận lũ dự bỏo đều thuộc loại khỏ. Đƣờng quỏ trỡnh mụ phỏng và dự bỏo là tƣơng đối phự hợp, thời gian xuất hiện đỉnh lũ giữa thực đo và dự bỏo là tƣơng đối tốt, thời gian dự kiến đạt khoảng = 72h
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 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 79 451 1155.2
Hỡnh 4.2. Kết quả dự bỏo lũ từ 7 giờ ngày 10/X đến
7h ngày 13/X năm 2005 sụng Trà Khỳc - Sơn Giang R
2 52.5%
Sai số đỉnh 22.1% SS tổng lƣợng 29.0%
S/ 0.66
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 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
79 1220 819
Hỡnh 4.3. Kết quả dự bỏo lũ từ 7 giờ ngày 16/XI đến 7h ngày 19/XI năm 2005 sụng Trà Khỳc - Sơn Giang
R2 90.2%
Sai số đỉnh 8.1% SS tổng lƣợng 3.0%
S/ 0.31
Bảng 4.1 Kết quả đỏnh giỏ sai số dự bỏo lũ với số liệu mƣa từ mụ hỡnh RAMS
TT Trận lũ Sai số đỉnh Sai số tổng lƣợng Độ hữu hiệu R2 Chỉ tiờu 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 bỡnh 15.1% 16.0% 71.4% 0.49 Đỏnh giỏ Khỏ Khỏ Khỏ Tốt
Nh- vậy, kết quả dự báo 2 trận lũ năm 2005 t-ơng đối tốt, b-ớc đầu có thể khẳng định bộ thông số l-u vực của mô hình là ổn định, có thể dùng để xây dựng và phát triển công nghệ dự báo lũ trên l-u vực sông Trà Khúc đến trạm Sơn Giang 4.2. ỨNG DỤNG Mễ HèNH Mễ PHỎNG QUÁ TRèNH MƢA DếNG CHẢY PHỤC VỤ SỬ DỤNG HỢP Lí TÀI NGUYấN ĐẤT TRấN LƢU VỰC
Mụ hỡnh KW -1D đƣợc ỏp dụng để tiến hành mụ phỏng lũ [24, 57, 65] trờn cỏc sụng nghiờn cứu đạt 84,6 - 97%, thuộc loại khỏ và tốt, chứng tỏ cỏc bộ thụng số xõy dựng đƣợc cú độ ổn định cao.
Ngày nay, khi cụng cuộc hiện đại húa và cụng nghiệp húa đất nƣớc đang phỏt triển, hàng loạt cỏc khu cụng nghiệp cỏc thị trấn và đụ thị mới xuất hiện. Khu vực Miền Trung, nơi cú đƣờng Hồ Chớ Minh đi qua cựng với chớnh sỏch mở cửa thu hỳt vốn đầu tƣ trong và ngoài nƣớc, cụng cuộc đụ thị húa ngày càng đƣợc đẩy mạnh. Điều này dẫn đến sự thay đổi đỏng kể trong tƣơng lai cỏc điều kiện mặt đệm trờn cỏc lƣu vực, tăng điều kiện thuận lợi cho việc hỡnh thành dũng chảy mặt, núi chung và hỡnh thành lũ, núi riờng. Với việc thay đổi điều kiện sử dụng đất trờn lƣu vực kộo theo sự thay đổi hệ số CN và tớnh chất lũ. Bằng mụ hỡnh KW -1D cú thể khảo sỏt đƣợc mức độ ảnh hƣởng của cụng cuộc đụ thị húa, khai thỏc rừng đến sự hỡnh thành lũ, từ đú cú thể tƣ vấn cho cỏc nhà quy hoạch về giới hạn nguy hiểm của
mức độ sử dụng đất đối với sự phỏt triển bền vững tài nguyờn đất và nƣớc.
Qua khảo sỏt 4 lƣu vực nghiờn cứu, phõn tớch cỏc điều kiện thuận lợi về địa hỡnh, giao thụng và cỏc điều kiện dõn cƣ, tỏc giả đó xõy dựng cỏc kịch bản sử dụng đất đụ thị và đất rừng, rỳt ra những kết luận về mức độ giới hạn sử dụng đất tỏc động đến sự hỡnh thành lũ để cỏc nhà quy hoạch cú định hƣớng đỳng, trỏnh gõy cỏc hiểm họa về thiờn tai lũ lụt do sự quỏ tải khi khai thỏc lƣu vực. Hai yếu tố sử dụng đất chớnh đƣợc xột đến là quỏ trỡnh sử dụng lớp phủ đất đụ thị và quỏ trỡnh khai thỏc rừng. Chu trỡnh tớnh toỏn đƣợc tiến hành theo cỏc kịch bản nhƣ sau:
- Phõn tớch cỏc điều kiện địa lý tự nhiờn và kinh tế xó hội trờn cỏc lƣu vực sụng nghiờn cứu để xõy dựng kịch bản sử dụng đất
- Thay đổi dần diện tớch sử dụng đất trờn cỏc phần tử, lựa chọn lại hệ số CN và tớnh toỏn lại quỏ trỡnh lũ bằng mụ hỡnh KW-1D
- Xõy dựng quan hệ giữa diện tớch sử dụng đất (%) theo cỏc kịch bản với đỉnh và tổng lƣợng lũ
- Đƣa ra kết luận về ảnh hƣởng của quỏ trỡnh sử dụng đất đến sự hỡnh