Ứng dụng mô hình MIKE-FLOOD tính toán ngập lụt hạ lưu sông Ba

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 273-282 273 Ứng dụng mô hình MIKE-FLOOD tính toán ngập lụt hạ lưu sông Ba Cấn Thu Văn1, Nguyễn Hữu Khải2, Nguyễn Thanh Sơn2,* 1 Trường CĐ Tài nguyên và Môi trường TPHCM, 236B Lê Văn Sĩ, P1, Quận Tân Bình, TPHCM, Việt Nam 2 Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 29 tháng 4 năm 2011 Tóm tắt. Bài báo giới thiệu một số kết quả tính toán ngập lụt hạ lưu sông Ba thuộc tỉnh Phú Yên bằng mô hình MIKE FLOOD. Đầu vào mô hình là lưu lượng thực đo tại trạm Củng Sơn. Lượng gia nhập khu giữa được tính từ lượng mưa sinh dòng chảy bằng mô hình MIKE NAM. Bộ thông số mô hình kết nối 1-2 chiều được hiệu chỉnh và kiểm định bằng tài liệu thực đo mực nước ba trận lũ 10/1993, 11/1988 và 12/1986 tại trạm Phú Lâm. Ngoài ra bộ thông số mô hình còn được hiệu chỉnh từ các vết lũ điều tra sau trận lũ 10/1993. Kết quả mô phỏng tương đối phù hợp với thực đo chứng tỏ khả năng ứng dụng của mô hình trong công tác xây dựng bản đồ ngập lụt và cảnh báo lũ lụt cho hạ lưu sông Ba, đặc biệt là sau khi có sự tham gia điều tiết của hệ thống hồ chứa phía thượng lưu. Bài báo này được sự hỗ trợ từ đề tài nhóm A ĐHQGHN QGTĐ.10-06 và KC.08.30/06-10 Từ khóa: mô hình MIKE FLOOD; sông Ba; bản đồ ngập lụt; mô hình MIKE NAM. 1. Mở đầu Từ xưa tới nay, lũ lụt luôn là mối đe dọa, gây ra nhiều thiệt hại về người và của. Cùng với sự tăng trưởng của các ngành kinh tế và sự phát triển của xã hội, đòi hỏi công tác quản lý, phòng chống thiên tai lũ lụt nhằm đảm bảo mức độ an toàn ngày càng cao và hạn chế đến mức thấp nhất về thiệt hại. Hàng năm, về mùa lũ, nước sông Ba dồn từ thượng lưu về gây ngập lụt nghiêm trọng cho hạ lưu. Lũ đã gây ngập lụt, thiệt hại khá lớn về người và tài sản trên lưu vực như: nhà cửa bị ngập, bị sập, các công trình hạ tầng cơ sở như _______  Tác giả liên hệ. ĐT: 84-4-38584943. E-mail: sonnt@vnu.edu.vn trường học…Thống kê một số năm gần đây cho thấy tình hình lũ lụt trên lưu vực ngày càng nghiêm trọng với mức độ thiệt hại có xu thế ngày càng tăng. Để ứng phó với lũ lụt, ngoài các biện pháp công trình (đê, kè, hồ chứa phòng lũ…) thì các biện pháp phi công trình (quy hoạch sử dụng nguồn nước, bố trí khu dân cư…) cũng đóng vai trò rất quan trọng. Mặt khác, ứng phó nhanh với lũ lụt bằng các biện pháp tức thời như cảnh báo, dự báo vùng ngập, chủ động di dời và sơ tán dân cư đến nơi an toàn…đã mang lại hiệu quả cao trong việc giảm nhẹ thiên tai gây ra. Một trong những biện pháp hạn chế hậu quả lũ lụt là xây dựng bộ bản đồ ngập lụt ứng với các tần suất lũ khác nhau nhằm quy hoạch, cảnh C.T. Văn và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 273-282 274 báo và dự báo lũ. Hơn nữa, công cụ này có thể đánh giá thiệt hại mỗi khi có thiên tai. Mô hình MIKE-FLOOD là mô hình thủy động lực học dòng chảy kết nối 1-2 chiều có khả năng mô phỏng mực nước và dòng chảy trên sông, cửa sông… cũng như mô phỏng dòng không ổn định hai chiều ngang trên đồng bằng ngập lụt. Mô hình này kết hợp diễn toán thủy lực mạng sông (1 chiều) và mô phỏng diện ngập, trường vận tốc trên đồng bằng ngập lụt (2 chiều) đồng thời được xây dựng trên nền GIS nên được ứng dụng rộng rãi và mang lại hiệu quả cao ở nước ta cũng như trên thế giới [1-3]. 2. Giới thiệu vùng nghiên cứu Lưu vực sông Ba nằm ở Miền Trung Trung Bộ Việt Nam có hình dạng chữ L. Phạm vi lưu vực ở 12o35’ đến 14o38’ vĩ độ Bắc và 108o00’ đến 109o55 kinh độ Đông. Phía Bắc giáp lưu vực sông Trà Khúc; phía Nam giáp lưu vực sông Cái và sông Sêrêpôk; phía Tây giáp lưu vực sông Sêsan và sông Sêrêpôk; phía Đông giáp lưu vực sông Kône, sông Kỳ Lộ và Biển Đông. Diện tích tự nhiên toàn lưu vực là 14.132 km 2 nằm trên địa phận hành chính của 15 huyện, thị thuộc 3 tỉnh Gia Lai, Đak Lăk và Phú Yên. Hình 1. Bản đồ hạ lưu sông Ba – tỉnh Phú Yên. 12045’ 13000’ 13015’ C.T. Văn và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 273-282 275 Phú Yên là một tỉnh thuộc duyên hải Nam Trung Bộ, phía bắc giáp tỉnh Bình Định, phía nam giáp tỉnh Khánh Hòa, phía tây giáp tỉnh Gia Lai và Đắc Lắc, phía đông giáp Biển Đông. Diện tích tự nhiên toàn tỉnh là 5.045km2 giới hạn bởi tọa độ 12039' 10" đến 13045' 20" độ vĩ bắc, 108039' 45" đến 109029' 20" độ kinh đông (H.1) – là phần hạ lưu sông Ba [2, 3]. 3. Giới thiệu mô hình MIKE-FLOOD MIKE FLOOD là một công cụ ghép nối các mô hình một chiều và hai chiều, nhằm mục đích nghiên cứu kết hợp các loại dòng chảy tự nhiên. Mô hình một chiều có thể ghép nối trong MIKE FLOOD gồm mô hình thủy lực mạng sông MIKE 11 và mô hình tiêu thoát nước đô thị MOUSE; mô hình hai chiều gồm mô hình lưới chữ nhật MIKE 21 HD, mô hình lưới cong MIKE 21 C và mô hình lưới tuỳ ý - lưới tam giác MIKE 21 FM... [4, 5]. Dòng chảy trong vùng ngập lụt là dòng chảy 2 chiều theo phương ngang, vừa có dòng chảy tập trung trong mạng lưới sông suối vừa có dòng chảy tràn trên bề mặt. Tuy nhiên dòng chảy tràn chỉ xuất hiện khi mực nước trong sông lớn hơn cao trình đê. Vì vậy việc kết hợp tính toán bằng mô hình 1 và 2 chiều sẽ cho kết quả nhanh và hiệu quả. Mô hình MIKE FLOOD sử dụng 4 loại kết nối để kết hợp mô hình 1 chiều và 2 chiều là: kết nối chuẩn (nối sông 1 chiều đổ vào vùng 2 chiều); kết nối bên (khi nước sông vượt qua đê và xâm nhập vùng ngập); kết nối công trình (khi có công trình); kết nối khô (không có dòng chảy). Tuy nhiên trong khuôn khổ nghiên cứu này chỉ sử dụng modul mưa rào-dòng chảy NAM để tính toán lượng nhập khu giữa từ số liệu mưa lưu vực. 4. Ứng dụng MIKE-FLOOD tính toán ngập lụt hạ lưu sông Ba 4.1. Xây dựng cơ sở dữ liệu Dữ liệu địa hình là bản đồ cao độ số độ cao (DEM) khu vực nghiên cứu được xây dựng với độ phân giải 40 x 40m từ các tờ bản đồ tỷ lệ 1:10.000; và 27 mặt cắt ngang sông từ Củng Sơn tới cầu Phú Lâm [2]. Bình đồ vùng hạ lưu đập Đồng Cam tỷ lệ 1/10.000 đo năm 1976 và đã được Sở Thuỷ lợi tỉnh Phú Yên chỉnh lý năm 1995. Bình đồ được xây dựng theo cao độ Quốc gia Để kiểm tra hệ cao độ của DEM 40 x 40, xây dựng quan hệ cao độ diện tích của một ô ngập lũ ven sông Ba từ bình đồ tỷ lệ 1/10.000 và từ bản đồ cao độ số DEM 40 x 40 [3]. Dữ liệu khí tượng thủy văn gồm: lưu lượng giờ tại Củng Sơn 10/1993, 11/1988 và 12/1986; số liệu mưa tại hai trạm Tuy Hòa và Sơn Hòa; số liệu mực nước triều (theo trạm thực nghiệm triều ở Quy Nhơn đã hiệu chỉnh về Đà Rằng); số liệu mực nước tại Phú Lâm (để hiệu chỉnh và kiểm định). Tài liệu điều tra vết lũ 10/1993 thuộc vùng ngập ven sông để hiệu chỉnh mô hình 2 chiều cho trận lũ 10/1993. Tài liệu về các thông số kỹ thuật của đập dâng Đồng Cam do Ban Quản lý đập cung cấp. Các thông số kỹ thuật cơ bản của đập dâng Đồng Cam đã được thu thập và đưa vào dữ liệu mô hình. 4.2. Thiết lập mô hình MIKE-FLOOD cho mạng sông thuộc hạ lưu sông Ba Xây dựng mạng lưới thủy lực 1 chiều: Mạng lưới thủy văn khu vực nghiên cứu được mô tả bằng sơ đồ thủy lực sông chính (sông Ba), một số nhánh nhập lưu là các con suối nhỏ lượng C.T. Văn và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 273-282 276 nhập không đáng kể và không có số liệu thực đo. Do đó, coi lượng nhập lưu là từ lượng mưa thông qua mô hình NAM và trải đều từ Củng Sơn tới cửa Đà Rằng. Với tổng chiều dài là 50.7 km bao gồm 27 mặt cắt. Biên trên là biên lưu lượng thực đo tại Củng Sơn và biên dưới là mực nước triều tại Đà Rằng (Hình 2). Hình 2. Sơ đồ thủy lực 1 chiều khu vực nghiên cứu. Xây dựng mạng thủy lực 2 chiều: Giới hạn vùng ngập được xác định trên bản đồ địa hình kết hợp tài liệu khảo sát, các vết lũ điều tra.. Bản đồ DEM được sử dụng làm nền địa hình cho mô hình MIKE 21. Nền địa hình này đã kết hợp với các tài liệu như đường giao thông, cao trình hai kênh Bắc-Nam dọc hai bên bờ sông chính (đây cũng chính là đê kiểm soát lũ). Phạm vi mô hình 2 chiều MIKE 21 là miền hai chiều có kích thước 14,4 x 10,0 km. Chiều dọc từ thượng lưu (mặt cắt cách nguồn – Củng Sơn là 39.500 m) đến hạ lưu là cửa Đà Rằng. , Tiến hành kết nối (Couping): Sau khi 1. Bảng 1. Vị trí và các loại kết nối được sử dụng trong nghiên cứu Tên sông Modul Couping 11 trong Mike 21 Sông Ba HD only Bên (Lateral) 39.500 49.400 311 Sông Ba HD only (Standard) 49.400 49.400 Củng Sơn Phú Lâm Đập Đồng Cam Nhập lưu Cửa Đà Rằng C.T. Văn và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 273-282 277 4.3. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE FLOOD Hình 3. 10/1992. - (H3, H4) [2]. Hình 4. 11/1988. C.T. Văn và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 273-282 278 Bảng 2. Trận lũ (%) Chỉ số Nash (%) R 2 10/1992 0.77 97.3 0.98 11/1988 0.88 91.0 0.93 . 4.4. Hiệu chỉnh và kiểm định MIKE-FLOOD Mô hình kết nối 1-2 chiều MIKE FLOOD được hiệu chỉnh với trận lũ 10/1993 và kiểm định với hai trận lũ 11/1988 và 12/1986. [2, 3] 11: n – = 0.033 – 0.040. Với kết quả như bảng 3: Bảng 3. Đánh giá kết quả hiệu chỉnh và kiểm định MIKE FLOOD Trận lũ Hmax (m) tmax (h) Nash (%) Ghi chú 10/1993 0.12 02 94,5 Hiệu chỉnh 11/1988 0.11 03 92,5 Kiểm định 12/1986 0.16 03 91,1 Kiểm định Hình 5. Biểu đồ mực nước thực đo và tính toán trận lũ 10/1993. Thực đo Tính toán C.T. Văn và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 273-282 279 (H5, 6, 7, 8, 9). Hình 6. Biểu đồ mực nước thực đo và tính toán trận lũ 11/1988. Hình 7. Biểu đồ mực nước thực đo và tính toán trận lũ 12/1986. Thực đo Tính toán Thực đo Tính toán C.T. Văn và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 273-282 280 Hình 8. Hiện trạng ngập lụt trận lũ 10/1993 vùng hạ lưu sông Ba. Từ kết quả tính toán cho thấy, trận lũ lịch sử tháng 10/1993 đã gây ngập lụt nghiêm trọng cho cả hạ lưu sông Ba và hạ lưu sông Bàn Thạch. Với thời gian tính từ 02/10 tới 07/10/1993 thì tổng diện tích bị ảnh hưởng ngập ứng với mực nước lũ lớn nhất là 22.600 ha chiếm tới 52% diện tích tự nhiên. Hình 9. Mức độ ngập lụt lớn nhất 10/1993 phạm vi thành phố Tuy Hòa-Phú Yên. C.T. Văn và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 273-282 281 Tổng diện tích bị ảnh hưởng ngập trong thời gian lớn hơn 1 ngày 14.800 ha (=34% Ftn), trong thời gian lớn hơn 3 ngày 2.700 ha (= 6,20% Ftn), trong thời gian lớn hơn 5 ngày là 1.200 ha (= 2,8% Ftn) và tổng diện tích bị ảnh hưởng ngập trong thời gian lớn hơn 7 ngày là 1.000 ha. Qua kết quả tính toán diện tích tương ứng với thời gian bị ngập cho thấy mặc dù lũ sông Ba lên nhanh và rút nhanh nhưng đã gây thiệt hại nặng nề cho hạ lưu. [2, 3]. 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 0 5000 10000 15000 20000 25000 Diện tích ảnh hưởng (ha) Độ sâ u n gậ p l ụt (m ) Hình 10. 10/1993. 0 1 2 3 4 5 6 7 0 5000 10000 15000 20000 25000 Diện tích ảnh hưởng (ha) Th ời gia n n gậ p ( ng ày ) Hình 11. 10/1993. C.T. Văn và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 273-282 282 Khi mực nước lũ đạt giá trị lớn nhất, có tới 16.500 ha bị ngập sâu hơn 1 mét, 11.000 ha bị ngập sâu hơn 2 mét, 7.000 ha bị ngập sâu hơn 3 mét, 4.200 ha bị ngập sâu hơn 4 mét và diện tích bị ngập sâu hơn 5 mét là 2.200 ha. (H.10, 11) 5. Kết luận Mô hình MIKE FLOOD tính toán ngập lụt cho hạ lưu sông Ba với bộ thông số đã được hiệu chỉnh và kiểm định với kết quả đánh giá theo chỉ tiêu Nash đều đạt loại tốt, chứng tỏ mô hình đã mô phỏng được quá trình ngập lụt trên lưu vực hệ thống sông Ba và hoàn toàn có thể phục vụ công tác cảnh báo, dự báo trong thực tế và là cơ sở để xây dựng bản đồ ngập lụt với tần suất và dạng lũ khác nhau trên lưu vực góp phần phòng chống và giảm thiểu các tác hại của thiên tai lũ lụt. Lời cảm ơn Đề tài được hoàn thành và công bố nhờ sự hỗ trợ của các đề tài khoa học công nghệ KC.08.30/06-10 và đề tài nhóm A ĐHQGHN QGTĐ.10.06. Các tác giả xin trân trọng cảm ơn Tài liệu tham khảo [1] Hoàng Thái Bình, Trần Ngọc Anh, Đặng Đình Khá, Ứng dụng mô hình MIKE FLOOD tính toán ngập lụt hệ thống sông Nhật Lệ tỉnh Quảng Bình, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học tự nhiên và Công nghệ 26 (2010) [2] Nguyễn Hữu Khải và nnk (2010), Báo cáo tổng kết đề tài MS KC-08.30/06-10. "Nghiên cứu xây dựng công nghệ điều hành hệ thống liên hồ chứa đảm bảo ngăn lũ, chậm lũ, an toàn vận hành hồ chứa và sử dụng hợp lý tài nguyên nước về mùa kệt lưu vực sông Ba”. [3] Cấn Thu Văn (2010), Ứng dụng mô hình MIKE FLOOD đánh giá mức độ ngập lụt hạ lưu sông Ba, Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật, Trường Đại Học Thủy lợi. [4] Denmark Hydraulic Institute (DHI), (2007) "Mike flood Refrence Manual", DHI. [5] Denmark Hydraulic Institute (DHI), (2007) "Mike flood User Guide", DHI. Simulation of flood inundation using MIKE FLOOD model in Ba river downstream Can Thu Van1, Nguyen Huu Khai2, Nguyen Thanh Son2 1 Ho Chi Minh City college for Natural resources and Environment 236B, Le Van Si Street, Ward 1, Tan Binh Distric, HCMC., Vietnam 2 Faculty of Hydro-Meteorology & Oceanography, Hanoi University of Science, VNU, 334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam This paper presents some calculation results of flood and inundation Ba river downstream, Phu Yen province using MIKE Flood model. The upstream input data of model is the inflow measured at Cung Son station; the long way volume input data was calculated from rainfall - runoff by hydrological MIKE NAM model. Set of parameters couped 1-2 dimensional model is calibrated and verified with observed the three events floods 10/1993 (large floods), 11/1988 and 12/1986 (medium flood) at Phu Lam station in combination investigated data of inundation in 10/1993 flood event. The simulation results are relatively consistent with the measurements demonstrate the applicability of the model in the work of flood mapping and flood warning for natural disasters in Ba river downstream. Especially, with the participation of the regulatory system of reservoirs upstream.