Luận án Nghiên cứu ứng dụng mô hình hoá không gian trong phân vùng nguy cơ phục vụ cảnh báo lũ lưu vực Sông Lam

LỜI CAM ĐOAN . i

LỜI CẢM ƠN . iv

MỤC LỤC.v

DANH MỤC HÌNH. vii

DANH MỤC BẢNG. ix

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT. xiii

MỞ ĐẦU .1

1. Tính cấp thiết của đề tài .1

2. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài .4

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.4

4. Phương pháp nghiên cứu.4

5. Các luận điểm của luận án .5

6. Những điểm mới của luận án .5

7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.6

8. Cơ sở tài liệu .6

9. Cấu trúc luận án .7

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.9

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu phân vùng nguy cơ lũ trên thế giới.9

1.2 Tổng quan các nghiên cứu trong phân vùng nguy cơ lũ ở Việt Nam . 15

1.3 Tình hình nghiên cứu phân vùng nguy cơ lũ trên lưu vực sông Lam. 18

1.4 Phương pháp mô hình hoá trong phân vùng nguy cơ lũ, đánh giá ưu, nhược

điểm và hiệu quả ứng dụng của chúng. 20

1.4.1 Phương pháp mô hình hóa xây dựng mô hình phân vùng nguy cơ lũ . 21

1.4.2 Mô hình tất định trong phân vùng nguy cơ lũ (deterministic model) . 23

1.4.3 Mô hình suy nghiệm trong phân vùng nguy cơ lũ (heuristic model) . 26

1.4.4 Mô hình thống kê trong phân vùng nguy cơ lũ . 30

1.5 Định hướng và phương pháp nghiên cứu của luận án . 34

pdf187 trang | Chia sẻ: honganh20 | Ngày: 25/02/2022 | Lượt xem: 80 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận án Nghiên cứu ứng dụng mô hình hoá không gian trong phân vùng nguy cơ phục vụ cảnh báo lũ lưu vực Sông Lam, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
ếu tố khác như diện tích của lưu vực sông [86], tỷ lệ xói mòn [52] được đánh giá là có khả năng tác động ít nhất đến nguy cơ lũ. Ngoài ra, với khu vực có cùng độ dốc, chiều dài sườn dốc càng lớn thì khả năng tích tụ nước và vận tốc dòng chảy càng mạnh. Do đó, chiều dài sườn dốc cũng là một 59 trong những nguyên nhân gây lũ cần quan tâm. Tuy nhiên, tiêu chí này lại chưa được đề cập trong các nghiên cứu từ trước. Dựa vào các phân tích trên, tham khảo các tiêu chí ảnh hưởng của các công trình nghiên cứu đã công bố ở bảng 2.7, yếu tố tác động đến lũ và mức độ ảnh hưởng của chúng được đánh giá một cách tương đối như bảng 2.8. Sau đây sẽ phân tích kỹ hơn các yếu tố chủ yếu là nguyên nhân ảnh hưởng trực tiếp đến nguy cơ lũ. Các yếu tố này sẽ được chia thành các nhóm có đặc điểm, tính chất tương đồng hoặc có mối tương quan với nhau. Bảng 2.8 Yếu tố ảnh hưởng và trọng số trong nghiên cứu phân vùng nguy cơ lũ STT Nhóm Yếu tố ảnh hưởng Đánh giá (Trọng số) 1 Các yếu tố địa lý tự nhiên Độ dốc địa hình, độ cao Cao Lượng mưa, cường độ mưa Cao Thực phủ, lớp phủ Trung bình – thấp Chiều dài sườn dốc Trung bình Mật độ lưới sông Trung bình – thấp Thổ nhưỡng, cấu trúc đất, loại đất Trung bình – thấp Độ ẩm nguyên thuỷ Trung bình – thấp Độ sâu mực nước ngầm Thấp Loại địa hình, độ nhám địa hình Thấp Tích tụ dòng chảy, dòng chảy Thấp Địa chất, địa mạo Thấp Tỷ lệ xói mòn, tỷ lệ thấm Thấp Diện tích của lưu vực sông Thấp 2 Các yếu tố kinh tế, xã hội Sử dụng đất Trung bình – thấp Mật độ dân cư Thấp 3 Các yếu tố cơ sở hạ tầng Công trình phòng chống lũ Thấp Khoảng cách từ nơi lũ lụt đến kênh thoát nước chính Trung bình Khoảng cách đến mặt nước (hồ, ao, sông, suồi...), đến ngã ba sông Trung bình Hệ thống giao thông, chất lượng đường Thấp Hệ thống thoát nước Thấp 60 2.4.1 Lượng mưa và cường độ mưa Trong mùa mưa lũ, những trận mưa liên tiếp trên lưu vực sông, làm cho nước sông từng đợt nối tiếp nhau dâng cao, tạo ra những trận lũ trong sông, suối. Vào các tháng mùa mưa, các trận mưa lớn với cường độ mạnh làm cho nước mưa tích luỹ nhanh, nếu đất tại chỗ đã bão hòa độ ẩm thì lượng nước mưa sẽ sinh dòng chảy hoàn toàn, dễ gây ra lũ [131]. Theo [112], mưa là yếu tố đầu tiên tạo ra lũ lụt và không có yếu tố này thì sẽ không xảy ra lũ lụt. Lượng mưa là yếu tố khí hậu quan trọng ảnh hưởng đến tần suất xuất hiện của lũ [77]. Mưa không thể thấm ngay xuống đất dưới dạng nước ngầm mà tập trung chảy vào khu vực lưu vực. Theo Nguyễn Văn Cư, mưa ảnh hưởng đến việc tạo thành dòng chảy mặt thông qua hai cơ chế [2]: - Cơ chế thấm đẫm (cơ chế bão hoà): dòng chảy mặt xảy ra khi mực nước ngầm tầng nông dâng lên đến tận mặt đất, tạo nên đất bị bão hoà nước. - Cơ chế vượt thấm: xảy ra khi cường độ mưa lớn, vượt cao hơn tốc độ thấm của đất. Hai cơ chế trên có thể xảy ra riêng biệt nhưng phổ biến hơn là chúng kết hợp với nhau tạo nên dòng chảy mặt. Trong cả hai trường hợp, mưa rơi trực tiếp xuống mặt đất, tạo thành dòng chảy mặt trực tiếp hay là dòng chảy mặt ở vùng khác [2]. Do đó, lượng mưa có tác động rất lớn đến nguy cơ lũ lụt [124]. Cường độ, diện phân bố và thời gian kéo dài của mưa đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành lũ ở các lưu vực sông nói chung [124]. Nếu mưa trong một thời gian dài, lượng mưa lớn, mặt đất sẽ trở nên bão hoà và đất không thể thấm nước dẫn đến dòng chảy mặt tăng. Nước mưa sẽ chảy vào sông nhanh hơn nhiều so với khi mặt đất không bị bão hoà làm tăng nguy cơ lũ [136]. Bên cạnh đó, lượng mưa lớn và mưa xảy ra trong thời gian ngắn cũng là nguyên nhân dẫn đến lũ lụt. Khi mưa lớn bất ngờ, nước mưa sẽ không thể thấm kịp xuống đất do đó sẽ tạo thành dòng chảy mặt chảy ra sông. Điều này dẫn đến sự gia tăng đột ngột lưu lượng dòng chảy và có thể tạo thành lũ [124], [136]. Có nghĩa là lượng mưa càng lớn thì dòng chảy càng mạnh và cường độ lũ càng cao. Như vậy, lượng mưa, cường độ và thời gian mưa đều là các tác nhân ảnh 61 hưởng trực tiếp đến nguy cơ lũ. Tuy nhiên, do cường độ mưa khó thu thập, các nghiên cứu cho thấy mối liên quan giữa cường độ mưa và lũ không nhiều, vì vậy, trong điều kiện hiện nay, nghiên cứu này tạm thời chưa tính đến yếu tố cường độ mưa. Hơn nữa, nếu xét tới mục tiêu là phân vùng nguy cơ lũ, nhấn mạnh nhiều hơn đến khả năng xuất hiện lũ thì việc bỏ qua cường độ mưa là chấp nhận được, vì nhìn chung ở lưu vực, cường độ mưa không có sự khác biệt quá lớn, hay nói cách khác, ảnh hưởng của nó không khác biệt đáng kể theo không gian. Do đó, cũng giống như các công bố từ trước, nghiên cứu này chỉ sử dụng lượng mưa trung bình năm để xây dựng mô hình. 2.4.2 Độ dốc, độ cao và độ nhám địa hình Độ dốc và độ cao đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành lũ. Do nước chảy theo trọng lực từ cao xuống thấp nên độ dốc đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát dòng chảy mặt, xác định tốc độ dòng chảy, thời gian nước chảy và khả năng thấm nước theo phương thẳng đứng [87], [103] tức là ảnh hưởng đến khả năng lũ. Ngoài ra, độ dốc còn ảnh hưởng đến hướng và dòng chảy mặt hoặc dòng chảy ngầm đến một vị trí [127]. Độ dốc địa hình lưu vực liên quan chặt chẽ với nguy cơ lũ và có ý nghĩa quan trọng đối với quá trình thoát nước. Độ dốc lớn làm tốc độ dòng chảy tăng, gây ra khả năng thấm thấp (vì theo định luật Becnulli, áp suất tĩnh sẽ giảm đi). Hay nói cách khác, trên lưu vực, độ dốc lớn có xu hướng làm giảm lượng nước thấm vào lòng đất do đó thời gian tập trung dòng chảy ngắn, tốc dộ dòng chảy lớn [138], nước mưa sẽ thoát nhanh xuống sông chính theo các sườn dốc. Ngược lại, ở các khu vực bằng phẳng, độ dốc nhỏ thì nước sẽ thoát chậm hơn tức là thời gian nước tập trung và tích tụ nhiều hơn nên có thể xuất hiện lũ nhanh hơn [87]. Theo Lai, R. khi độ dốc tăng lên bốn lần thì tốc độ dòng chảy tăng lên hai lần [85], do đó khả năng thoát nước nhanh hơn đối với khu vực dốc cao, có nghĩa là nguy cơ xảy ra lũ sẽ thấp hơn ở vùng này. Như vậy, độ dốc càng nhỏ thì nguy cơ xảy ra lũ càng cao [70], [127], [134] và ngược lại. Địa hình và đặc điểm của nó cũng cần phải quan tâm khi nghiên cứu về nguy cơ lũ. Địa hình ảnh hưởng đến cường độ xảy ra của lũ lụt, qui mô và hướng dòng chảy. Độ cao đóng vai trò chính trong việc kiểm soát hướng của dòng chảy tràn và 62 độ sâu của mực nước [65]. Độ cao ảnh hưởng đến phạm vi xảy ra lũ. Độ cao và độ dốc thường có quan hệ với nhau. Các khu vực bằng phẳng có độ cao thấp, lũ có thể xảy ra nhanh hơn khu vực có độ cao lớn với độ dốc lớn. Theo [103], độ cao càng nhỏ thì nguy cơ lũ càng cao và ngược lại. Độ nhám địa hình là yếu tố đầu vào cần thiết cho quá trình mô phỏng lũ. Độ nhám giảm dẫn đến vận tốc dòng chảy tăng và khả năng thấm giảm, do đó nguy cơ lũ tăng. 2.4.3 Mật độ lưới sông (mật độ phân cắt ngang), dòng chảy và sự tích tụ dòng chảy Mật độ lưới sông là một cách mô tả hình thái của lưu vực được biết đến để kiểm soát sự hình thành dòng chảy của sông và có thể ảnh hưởng đáng kể đến tình hình dòng chảy lũ [97]. Hệ thống sông suối thể hiện kết quả sự phân cắt địa hình dưới tác động của dòng chảy. Để đặc trưng cho mức độ phát triển dòng chảy mặt trên lãnh thổ sử dụng khái niệm mật độ lưới sông - là tổng độ dài tất cả các dòng chảy tạm thời và dòng chảy thường xuyên trên một diện tích nhất định nào đó (thường là 1km2) và tính bằng công thức [97]: 𝐷 = ∑𝐿𝑖 𝐹 [2.9] trong đó: D: mật độ lưới sông (km/km2) Li: độ dài nhánh sông i (km) F: diện tích lưu vực (km2) Đây là đại lượng đặc trưng cho sự phong phú về nguồn nước của lưu vực. Mật độ lưới sông có vai trò lớn ảnh hưởng đến tập trung dòng chảy lũ trên lưu vực, nói cách khác mật độ lưới sông càng cao càng làm tăng nguy cơ dòng chảy lũ tức là nguy cơ lũ càng lớn [97], [105], [111]. Ngoài ra, mật độ lưới sông còn ảnh hưởng đến lượng nước thoát ra của lưu vực [71]. Theo Glenn, Elfatih và Rafael những vùng đất có độ thấm cao và mật độ thực phủ dày thì có mật độ lưới sông thấp, ngược lại những khu vực đất khô cằn hoặc có bề mặt không thấm nước (ví dụ như núi đá) và mật độ thực phủ thưa thớt thì mật độ lưới sông cao [71], 63 [72]. Tích hợp mật độ lưới sông và các tiêu chí khác như lượng mưa, thổ nhưỡng, lóp phủ đã được nhiều nhà khoa học quan tâm, nghiên cứu và coi như là tham số nguyên nhân sinh lũ [51], [60], [96]. Sự tích tụ dòng chảy cũng là một trong những thông số quan trọng trong việc xác định nguy cơ lũ. Giá trị dòng chảy tích luỹ cao cho thấy khu vực có dòng chảy tập trung nhiều do đó nguy cơ lũ tăng [81]. Hay nói cách khác, sự tích tụ dòng chảy phụ thuộc vào mạng lưới sông suối. Nếu mạng lưới sông suối càng dày đặc thì khả năng tích tụ dòng chảy lũ càng cao vì vậy khả năng xảy ra lũ lụt sẽ tăng. Ngoài ra, dòng chảy lũ còn phụ thuộc vào sự phát triển của các đối tượng trên mặt đất. Một số khu vực không thấm nước sẽ được kết nối trực tiếp với kênh, máng xối hoặc cống thoát nước mưa, do đó nước lũ sẽ chảy nhanh hơn. Việc rút ngắn thời gian nước chảy khiến cho dòng chảy ở hạ lưu đạt cực đại nhanh hơn, vì vậy nguy cơ lũ cũng xảy ra cao hơn. 2.4.4 Khoảng cách đến mặt nước tự nhiên, khoảng cách đến hệ thống thoát nước, khoảng cách đến ngã ba sông Khoảng cách đến mặt nước tự nhiên có ảnh hưởng đến phạm vi và qui mô của lũ trong khu vực nghiên cứu. Theo nghiên cứu [65], hầu hết các vùng gần mặt nước như sông, suối, hồ, aolà các vùng có nguy cơ lũ cao nhất. Dòng chảy tràn trên sông là một trong những nguyên nhân chính của sự hình thành lũ. Thông thường, lũ bắt đầu từ sông và mở rộng ra khu vực xung quanh. Các vùng gần mặt nước có khả năng xảy ra lũ cao và nguy cơ này càng giảm đi khi khoảng cách càng tăng [70]. Bên cạnh đó, khoảng cách từ mạng lưới thoát nước cũng có vai trò quan trọng với khu vực lũ lụt. Do lượng nước mưa nhiều, dòng chảy lớn nên các khu vực gần hệ thống thoát nước bị ảnh hưởng nhiều nhất, do đó có nguy cơ lũ cao nhất. Đặc biệt vào mùa lũ, khi điểm hợp lưu là nơi tập trung dòng chảy của nhiều nhánh sông hợp lại dẫn đến các khu vực càng gần ngã ba sông càng có nhiều nguy cơ bị lũ [69]. 2.4.5 Thổ nhưỡng, cấu trúc đất, tỷ lệ thấm Khi nước mưa rơi xuống, một phần được thấm vào lớp đất mặt, một phần bị bốc hơi, một phần được giữ lại bởi các yếu tố thực vật và phần còn lại tạo thành 64 dòng chảy mặt [23]. Do đó, khả năng giữ nước của đất có ảnh hưởng lớn trong việc điều tiết dòng chảy mặt. Độ thấm của tầng thổ nhưỡng ảnh hưởng trực tiếp đến nguy cơ lũ lụt [23] và được coi là một tham số ảnh hướng đến lũ. Nhân tố này ảnh hưởng đến dòng chảy, sự xói mòn đất, sự tích trữ nước ngầm. Tỷ lệ thấm phụ thuộc vào các yếu tố bên ngoài, đặc tính của các loại đất [122] và số ngày mưa. Phần lớn nước được giữ lại trong đất dưới dạng nước mao quản và nước trọng lực. Tổng lượng nước phụ thuộc vào tầng dày và thành phần cơ giới của đất [23]. Như vậy, đặc điểm, cấu trúc của thổ nhưỡng quyết định độ thấm của chúng trong khu vực. Ngoài ra, loại đất cũng đóng vai trò quan trọng vì chúng ảnh hưởng đến lượng nước ngấm vào đất cũng như tác động đến dòng chảy [127]. 2.4.6. Sử dụng đất, lớp phủ và lớp phủ thực vật Sử dụng đất là lớp phủ mặt đất ở một vị trí cụ thể [118]. Khi nghiên cứu dòng chảy và lũ, vai trò của lớp phủ và sử dụng đất tương đối quan trọng. Nhiều nghiên cứu chứng tỏ sự thay đổi của sử dụng đất và lớp phủ đã làm thay đổi đặc tính của lũ, dòng chảy mặt và đỉnh lũ [84], [113]. Có tác giả còn cho rằng, sự thay đổi lớp phủ đã làm cho lũ xảy ra thường xuyên và gia tăng mức độ nghiêm trọng hơn [123]. Sử dụng đất là quá trình liên tục và đa dạng không những thay đổi tính chất của đất mà còn thay đổi cả lớp phủ và địa hình mặt đất. Thực tế trong khai thác sử dụng đất do tác động của con người, mỗi loại hình sử dụng đất sẽ có khả năng điều tiết nước khác nhau. Đối với những loại hình sử dụng đất là đất đô thị, đất dân cư, đất xây dựng, đất trống, đất mặt nước thì khả năng thấm nước không tốt nên khả năng tập trung dòng chảy lớn và dẫn đến hệ số dòng chảy cao. Ngược lại, với loại hình sử dụng đất là đất rừng tự nhiên, rừng trồng thì không những ngăn cản nước tốt mà còn thấm nước cũng mạnh nên nguy cơ lũ sẽ giảm đi [113], [127]. Trong một nghiên cứu Dune và Leopol đã cho thấy sự khác biệt về hệ số dòng chảy cuả các loại hình sử dụng đất khác nhau trên một số loại đất khác nhau như bảng 2.9 [62]. Trong nghiên cứu, phân tích các nhân tố tác động đến lũ lụt thì loại hình sử dụng đất được xem xét chủ yếu ở khía cạnh ảnh hưởng của lớp phủ thực vật. Mật độ 65 là thông số quan trọng trong đánh giá ảnh hưởng của lớp phủ thực vật đối với nguy cơ lũ lụt. Giống như thổ nhưỡng, thảm thực vật cũng giữ lại một lượng nước khá lớn góp phần điều tiết dòng chảy lũ và dòng chảy mặt cho lưu vực. Bản chất điều tiết dòng chảy của thảm thực vật là cùng với cấu trúc thổ nhưỡng giữ lại một phần nước mưa, sau đó cung cấp một cách từ từ cho dòng chảy [23]. Bảng 2.9 Giá trị hệ số dòng chảy của các loại hình sử dụng đất khác nhau Loại đất/Loại sử dụng đất Cát Thịt Sét Đất hoang 0.2 0.4 0.5 Khu công nghiệp 0.5 - 0.9 Khu dân cư 0.25 – 0.4 Khu vực không xây dựng 0.1 – 0.3 Đường nhựa 0.7 – 0.95 Công viên 0.1 – 0.35 Cây 0.1 0.3 0.4 Trước khi rơi xuống đất, nước mưa bị giữ lại một phần ở tán lá và thân cây. Theo TS Ngô Trọng Thuận, lượng nước bị giữ lại trong tán rừng phụ thuộc vào các nhân tố: kiểu rừng, tuổi, thành phần loài cây, độ tán che và dạng sống của cây rừng, điều kiện khí tượng, lượng mưa và cường độ mưa, độ ẩm, nhiệt độ không khí, thời tiết và mùa trong năm[43] Lượng nước này sẽ dần bay hơi vật lý vào không khí. Sau khi bị giữ một phần ở tán lá và thân cây, nước mưa tiếp tục rơi xuống đất và sẽ thấm sâu hơn theo hệ thống rễ cây bổ sung cho lớp nước ngầm. Theo [112], nguy cơ xảy ra lũ tỷ lệ thuận với mật độ lớp phủ thực vật. Như vậy, nếu rừng có cấu trúc càng nhiều tầng, mật độ lá càng cao thì lượng nước được giữ lại càng lớn., tức là sẽ giảm được lượng nước chảy vào sông [23]. Ngược lại, nếu lưu vực với mật độ thực vật thưa thớt thì sự ngăn nước sẽ giảm đi, do đó sẽ tăng lượng nước chảy vào sông [136]. Một số nhà khoa học đã nghiên cứu mối liên quan giữa cấu trúc thảm thực vật với mưa và dòng chảy, kết quả là rừng giữ lại 6,5 – 15,8 % lượng mưa tại tán lá và làm giảm dòng chảy mặt hơn 40 lần so với đất trống [23]. Ngoài ra, thảm thực vật còn giúp kết dính đất. Nếu không có thực vật, thổ nhưỡng sẽ dễ bị trôi, bào mòn chảy vào sông. Điều này cũng làm giảm khả năng thấm nước của các loại đất và 66 đây cũng là nguyên nhân làm tăng khả năng sinh lũ [136]. Vì vậy, do mật độ và loại thực phủ đặc trưng cho khả năng ngăn cản nước và khả năng thấm nên lớp phủ thực vật có chức năng điều tiết sinh thái, điều tiết dòng chảy, đặc biệt đóng vai trò quan trọng trong điều tiết lũ, giảm xói mòn, sạt lở đất. 2.4.7 Các yếu tố khác Mực nước ngầm là tiêu chí cần xem xét khi nghiên cứu nguy cơ lũ vì yếu tố này thể hiện độ sâu từ mặt đất đến mặt nước ngầm và ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng thấm của đất. Khu vực có mực nước thấp sẽ trở nên bão hoà nhanh, nước mặt sẽ tích luỹ nhiều hơn và lan rộng ra khu vực xung quanh do đó lưu lượng dòng chảy cũng tăng theo [70]. Độ sâu của mức nước ngầm được xác định dựa vào độ cao lớn nhất của mức nước tĩnh. Theo [65], [70] độ sâu mực nước ngầm càng thấp thì nguy cơ lũ càng cao và khả năng lũ xảy ra giảm dần khi độ sâu càng tăng. Bên cạnh đó, chỉ số ẩm ướt địa hình (TWI) là một trong các yếu tố để có thể biết được thông tin về sự phân bố không gian tình trạng ẩm ướt của địa hình. Chỉ số này càng lớn thì khả năng xảy ra lũ càng cao [112]. Địa chất, địa mạo của khu vực có nguy cơ lũ cũng là một tiêu chí quan trọng vì yếu tố này có thể làm giảm bớt cường độ của các trận lũ. Địa hình với các loại đá không thấm nước thì dòng chảy mặt sẽ tăng, khả năng thoát lũ nhanh do đó nguy cơ lũ giảm. Ngoài ra, đây cũng là một trong các yếu tố để xác định tần suất lũ (FR). Giá trị tần suất càng lớn thì nguy cơ lũ càng nhiều. Các khu vực đất ngập nước, đầm lầy sẽ có FR cao hơn các khu vực khác như vùng đồng bằng ven biển, đồng bằng phù sa sông, vùng núi cao, đất cát [112]. Hệ thống giao thông được xem là một trong lớp phủ không hấp thụ nước làm cho khả năng thấm giảm đi và tăng lưu lượng dòng chảy. Bên cạnh đó, cấu trúc đường giao thông, chất lượng đường làm cản trở khả năng hấp thụ nước xuống lớp đất nằm phía dưới đường, do đó khả năng lũ sẽ tăng lên ở những khu vực này [120]. Theo [49] đô thị hoá và đặc điểm thuỷ văn có mối quan hệ tương quan đến nhau. Đô thị hoá làm giảm khả năng hấp thụ nước mưa, tăng dòng chảy, tăng tần suất và độ cao lũ. Ngoài ra, sự tăng trưởng dân số dẫn đến tích lũy tài sản, cơ sở hạ tầng và 67 các hoạt động kinh tế tăng theo, do đó cản trở quá trình thấm tự nhiên, tăng khả năng xảy ra lũ lụt. Như vậy, mật độ dân số càng cao thì khả năng sinh lũ càng lớn [117]. Trên đây chỉ phân tích một số nhân tố chính ảnh hưởng đến nguy cơ lũ trên hầu hết các lưu vực và cũng đã được các nhà khoa học nghiên cứu trên một số khu vực cụ thể ở trong và ngoài nước. Bên cạnh các yếu tố đã đề cập ở trên, nhân tố chiều dài sườn dốc là một yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng sinh lũ nhưng chưa được xem xét đến trong các nghiên cứu trước đó. Vì vậy, trong nghiên cứu tác giả sẽ phân tích nhiều hơn ảnh hưởng của tiêu chí này đến nguy cơ lũ, đây cũng là một điểm mới của luận án. 2.5 Phân tích ảnh hưởng của chiều dài sườn dốc đến nguy cơ lũ 2.5.1 Khái niệm Chiều dài sườn dốc là khoảng cách từ đỉnh sườn tới chân sườn. Khi đo bằng đơn vị đo khoảng cách, đó là chiều dài sườn dốc tuyệt đối. Trong một số trường hợp, ví dụ như tính toán xói mòn do mưa, chiều dài sườn dốc có thể được phân đoạn theo khoảng cách từ đỉnh sườn đến chân sườn (theo TCVN 5299 : 2009). Khi đó, chiều dài sườn dốc là chiều dài sườn dốc tương đối. Có thể thấy rằng ảnh hưởng của chiều dài sườn tương đối đến nguy cơ lũ với các thông số khác của địa hình như độ cao, độ dốc, độ phân cắt (ngang và sâu) và chiều dài sườn dốc tuyệt đối là khác nhau. Chiều dài sườn dốc tương đối là chiều dài của một đoạn so với chiều dài của cả sườn dốc. Khái niệm chiều dài sườn dốc tương đối là nhằm phân biệt với chiều dài sườn, thông thường đo bằng đơn vị đo chiều dài, có ý nghĩa “tuyệt đối” về mặt định lượng trong khi chiều dài sườn dốc tương đối được phân cấp, dựa vào tỷ lệ phần trăm so với chiều dài sườn tuyệt đối, vì vậy mang ý nghĩa “tương đối” về mặt định lượng. Chiều dài sườn dốc tuyệt đối sẽ có ý nghĩa hơn trong việc tính toán theo các mô hình thủy văn, thủy lực nhưng sẽ gây khó khăn trong việc phân cấp để xác định trọng số cho phương pháp AHP. Vì vậy, tác giả đề xuất sử dụng chiều dài sườn dốc tương đối trong nghiên cứu của mình. Chiều dài sườn dốc tương đối đã được nghiên cứu nhiều khi đánh giá ảnh hưởng của nó đến xói mòn. Mặc dù vậy, đây cũng là một nhân tố địa hình mà ảnh hưởng không nhỏ đến việc hình thành lũ do chiều dài sườn dốc 68 là một trong những nhân tố quan trọng tác động đến khối lượng dòng chảy [129]. Theo Zhang chiều dài sườn dốc là khoảng cách từ điểm bắt nguồn dòng chảy mặt đến vị trí tập trung nước hoặc điểm mà tại đó dòng chảy mặt chảy vào hệ thống sông suối [130]. Như vậy, chiều dài này chính bằng quãng đường tính từ đường phân thuỷ đến đường tụ thuỷ. Đường phân thuỷ (đường phân nước mặt) nối liền các điểm cao nhất của địa hình trên mặt đất, chia mặt đất thành hai hướng sườn dốc. Khi nước mưa rơi xuống sẽ chảy về hai phía đối nhau tới hai lưu vực khác nhau và tập trung tại đường tụ thuỷ. Với địa hình đồi núi, độ dốc khác nhau thì giá trị chiều dài sườn dốc cũng khác nhau. 2.5.2 Cơ sở lý thuyết lựa chọn yếu tố chiều dài sườn dốc trong nghiên cứu phân vùng nguy cơ lũ Thực tế, do nước tích tụ dần trong quá trình di chuyển dọc theo sườn từ cao xuống thấp và lũ thường chỉ xảy ra ở khu vực sườn thấp (ví dụ chân sườn), vì vậy chiều dài sườn dốc là yếu tố ảnh hưởng tới lũ cũng như khả năng có lũ. Theo Begarello và Ferro, chiều dài sườn dốc tăng làm cho lưu lượng và tốc độ dòng chảy cũng tăng [54], [82]. Chiều dài dốc càng dài thì khối lượng nước chảy, tốc độ dòng chảy và lực quán tính càng tăng. Nghĩa là, càng xa đường phân thuỷ, động năng dòng chảy càng lớn, tốc độ dòng chảy tăng lên dẫn đến nguy cơ lũ tăng. Ngoài ra, chiều dài sườn dốc sẽ ảnh hưởng đến lưu lượng dòng chảy. Khi chiều dài sườn dốc tăng thì diện tích nghiêng của dốc được mở rộng, do đó khối lượng nước tích luỹ trên mặt sẽ tăng khi khoảng cách từ đường phân thuỷ càng dài. Kết luận này cũng phù hợp với nghiên cứu của Yongmei và đồng nghiệp [129]. Trong nghiên cứu của mình, Yongmei đã thực hiện thí nghiệm quan sát dòng chảy mưa ở các khu vực có chiều dài sườn dốc khác nhau và kết quả thu được cho thấy khối lượng dòng chảy có xu hướng tăng khi chiều dài sườn dốc tăng [129]. Cũng với kết quả như vậy, Liu và Singh đã nghiên cứu sự phát sinh dòng chảy ở bốn loại chiều dài sườn dốc, kết quả là lưu lượng dòng chảy tăng đáng kể khi chiều dài sườn dốc tăng [89]. Như vậy, trên cùng một sườn dốc, khối lượng, tốc độ dòng chảy cũng như khả năng tích tụ nước sẽ tăng dần khi nước chảy từ đường phân thuỷ đến đường tụ thuỷ. Khả năng tích tụ nước trên sườn dốc 69 còn phụ thuộc vào thời gian tập trung nước trên sườn. Trong cùng một khu vực, thời gian tập trung nước càng nhiều thì lượng nước tích tụ càng lớn, do đó nguy cơ lũ càng cao. Thời gian tập trung nước mưa trên sườn dốc xác định tuỳ thuộc vào hệ số địa mạo thuỷ văn của sườn dốc (ϕsd) và vùng mưa (bảng 2.11) được xác định theo công thức 2.10 [33]: ϕsd = Lsd0.6msdJsd0.3(φHP)0.4 (2.10) trong đó: Lsd : chiều dài bình quân của sườn dốc lưu vực (m) J: độ dốc sườn tính theo % φ: hệ số dòng chảy lũ tuỳ thuộc vào loại đất cấu tạo khu vực, lượng mưa ngày thiết kế và diện tích lưu vực HP: lượng mưa ngày thiết kế msd: thông số đặc trưng nhám trên sườn dốc, phụ thuộc vào tình trạng bề mặt của sườn lưu vực theo bảng 2.10. Bảng 2.10 Thông số đặc trưng nhám trên sườn dốc [33] Tình hình sườn dốc lưu vực Hệ số msd trong trường hợp Cỏ thưa Trung bình Cỏ dày Bề mặt nhẵn 0.5 Đất đồng bằng loại hay nứt nẻ, đất san phẳng đầm chặt 0.4 0.3 0.25 Mặt đất thu dọn sạch, không có gốc cây, không bị cày xới, vùng dân cứ nhà cửa không quá 20%, mặt đá xếp 0.3 0.25 0.2 Mặt đất bị cày xới, nhiều gốc bụi, vùng dân cư có nhà cửa trên 20% 0.2 0.15 0.1 Theo bảng 2.11, thời gian tập trung nước trên sườn dốc tăng khi hệ số địa mạo, thuỷ văn của sườn dốc tăng. Đồng thời, từ công thức (2.10) cho thấy, hệ số ϕsd tỷ lệ thuận với chiều dài sườn dốc. Điều này chứng tỏ, chiều dài sườn dốc càng lớn thì thời gian tập trung nước càng nhiều và nguy cơ lũ càng gia tăng. Đây cũng là một trong những nguyên nhân chính làm tăng khả năng sinh lũ. 70 Bảng 2.11 Thời gian tập trung nước trên sườn dốc tra theo hệ số địa mạo thuỷ văn sườn dốc và vùng mưa [33] 𝜙𝑠𝑑 Vùng mưa I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII XIII XIV XV XVI XVII XVIII 1,0 9,6 9,7 9,7 9 9,6 9,6 16 8,4 9,7 9,8 9,5 10 9,8 8,7 8,5 8,7 9,3 9,2 1,5 10 10 10 9 10 10 18 8,5 10 10 10 13 10 9 8,7 9 9,4 9,3 2,0 17 15 17 9,5 14 10 25 9 13 15 20 20 15 9,3 9,3 9,5 9,7 9,5 2,5 24 22 20 10 20 15 32 10 15 18 28 23 20 9,5 9,5 9,6 10 9,7 3,0 35 28 25 18 30 22 37 20 18 25 35 30 25 11 10 12 20 12 4,0 40 37 32 22 35 30 42 30 25 40 55 35 30 20 20 20 25 20 5,0 53 45 50 30 44 38 50 40 30 45 65 50 40 30 25 30 35 23 6,0 62 60 60 45 60 50 55 55 40 60 72 60 55 35 32 37 40 30 7,0 70 70 72 60 75 70 65 65 65 75 80 75 65 50 50 50 60 40 8,0 75 78 80 68 85 78 75 70 70 85 90 80 70 70 65 65 70 60 9,0 80 87 90 80 90 82 85 80 80 90 95 87 82 80 70 78 80 70 10 90 95 100 86 95 88 90 90 95 95 110 105 90 85 80 80 90 80 12 100 115 120 95 100 93 100 115 115 110 130 120 100 90 90 90 97 83 15 130 150 150 120 120 120 125 135 135 135 160 150 125 115 125 115 120 100 17 160 165 180 165 170 150 165 190 170 170 200 190 160 260 150 140 145 130 20 200 220 230 200 200 185 205 235 220 220 230 235 200 200 190 175 190 165 25 260 280 265 235 260 230 250 305 290 265 300 300 250 250 250 225 240 230 30 325 360 365 320 320 310 320 370 370 335 400 380 330 320 320 285 320 300 35 370 430 435 400 370 370 400 480 430 345 470 450 400 400 400 355 380 370 40 470 530 520 470 480 470 570 495 520 410 560 540 510 490 490 425 465 70 71 Với những phân tích, đánh giá như trên về vai trò của chiều dài sườn dốc trong phân vùng nguy cơ lũ, có thể thấy rất cần thiết phải đưa yếu tố này vào trong các mô hình tính toán phân vùng nguy cơ. Trong nghiên cứu này, do sử dụng phương pháp AHP nên chiều dài sườn dốc được sử dụng có giá trị tương đối. 2.6 Một số nhận xét về phương pháp AHP trong phân vùng nguy cơ lũ Phương pháp AHP cho phép xây dựng một

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfluan_an_nghien_cuu_ung_dung_mo_hinh_hoa_khong_gian_trong_pha.pdf
Tài liệu liên quan