72 Ứng dụng mô hình MIKE FLOOD tính toán ngập lụt và mô phỏng phương án xây dựng đê cho lưu vực sông Lại Giang Nguyễn Văn Hiếu, Cấn Thu Văn2,* , Nguyễn Thanh Sơn3 1 Phòng dự báo Thủy v
Trang 172
Ứng dụng mô hình MIKE FLOOD tính toán ngập lụt và mô phỏng phương án xây dựng đê cho lưu vực sông Lại Giang
Nguyễn Văn Hiếu, Cấn Thu Văn2,*
, Nguyễn Thanh Sơn3 1
Phòng dự báo Thủy văn – Trung tâm dự báo KTTV TW Số 4, Đặng Thái Thân, Hoàn Kiếm, Hà Nội
2Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường TP.HCM, 236B, Lê Văn Sỹ, P1, Q Tân Bình, TP.HCM,
3
Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334
Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội, Việt Nam
Nhận ngày 01 tháng 4 năm 2013 Chấp nhận xuất bản ngày 29 tháng 4 năm 2013
Tóm tắt Hàng năm, trên lưu vực sông Lại Giang phải hứng chịu nhiều đợt mưa lũ lớn cả về lượng
cũng cường độ, hậu quả của những trận lũ này với những vùng ngập lụt sâu đã ảnh hưởng lớn tới phát triển kinh tế, xã hội, gây ra những thiệt hại không nhỏ về người và của trong khu vực Ngày nay nhiều phương án phi công trình cũng như phương án công trình phòng và chống lũ đã và đang
áp dụng Trong khuôn khổ nghiên cứu này, chúng tôi chỉ mô phỏng và tính toán ngập lụt với các kịch bản xây dựng đê ngăn lũ giúp cho công tác quản lý và quy hoạch lũ trên lưu vực được tốt hơn nhằm phòng và tránh lũ có hiệu quả
Từ khóa: sông Lại Giang, lũ lụt
1 Giới thiệu chung về lưu vực sông Lại
Giang
Sông Lại Giang gồm hai nhánh: sông An
Lão bắt nguồn từ vùng núi phía Bắc giáp tỉnh
Quảng Ngãi chảy qua huyện An Lão theo
hướng Bắc -Nam; sông Kim Sơn bắt nguồn từ
vùng núi huyện Hoài Ân chảy theo hướng Tây
Nam- Đông Bắc Hai sông này nhập lưu tại ngã
ba cách cầu Bồng Sơn khoảng 2km về phía Tây
rồi đổ ra biển qua cửa An Dũ
_
Tác giả liên hệ ĐT: 84-983738347
E-mail: canthuvantrh@gmail.com
Diện tích lưu vực tính đến ngã ba nhập lưu của sông An Lão và sông Kim Sơn là 1272km2
Diện tích toàn bộ lưu vực là 1466 km2
nhưng ranh giới phía Bắc với vùng ngập lụt Tan Quan (thuộc lưu vực sông Xưởng) không rõ ràng Trong đó:
- Nhánh sông An Lão với chiều dài 75km
và diện tích lưu vực riêng là 697 km2
- Nhánh sông Kim Sơn có chiều dài 64km
và diện tích lưu vực riêng là 575 km2
Từ chỗ hợp lưu của 2 nhánh, sông chảy thẳng ra biển với chiều dài 18 km được gọi là Lại Giang Diện tích lưu vực bổ sung cho đoạn này là 130 km2
Trang 21.1 Địa hình
Lưu vực sông Lại Giang có hình dạng rất
đặc biệt chi phối đến các đặc trưng của lũ đó là
dạng như một khúc cây lớn nằm song song với
bờ biển và một cành cụt nằm ngang – đoạn
18km Lại giang đổ ra biển, phần nhánh này chỉ
chiếm 9,3 % của lưu vực Từ đó lũ hình thành
giống với bình tưới hơn là miệng ra được mở
rộng nhưng khả năng dẫn nước lại kém
Độ cao trung bình của lưu vực là 277m, độ
dốc bình quân là 22%, tuy nhiên dọc các triền
núi độ dốc tới 60-80%
1.2 Mạng lưới sông suối
Hai nhánh sông lớn là An Lão và Kim Sơn
do các khối núi giới hạn nên cũng có hình dạng
riêng rất đặc biệt Nếu sông An Lão có dạng
như quả bầu dốc ngược thì lưu vực sông Kim
Sơn có dạng hình chiếc rìu với cán rìu lớn nằm
song song với sông An Lão và lưỡi rìu bản rộng
đặt theo hướng Nam, Tây Nam – Bắc Đông
Bắc, cho thấy phía thượng lưu An Lão và sông
Kim Sơn có dạng hình móc câu Điều này được
lưu ý trong việc chọn thông số mô hình tính
mưa rào dòng chảy
Cũng cần nói các nhánh chính An Lão và
Kim Sơn có rất nhiều các suối theo các khe núi
hẹp 2 bên đổ vào như: Sông An Lão có các
nhánh chính: sông Nước Dinh, sông Đình, sông
Nước Giáp, sông Vố, sông Nước Song, sông
Nước Đổ, sông Nước Xáng, sông Cẩm Đức,
sông Nước Trép, sông Cà Tang… Sông Kim
Sơn có các nhánh chính như sông Lớn, sông
Nước Luông, sông Nước Láng, sông Ben Vách,
sông Du Tự, suối Rùn
1.3 Đặc điểm mưa lũ trên lưu vực
Nguyên nhân sinh ra lũ trên lưu vực sông
Lại Giang là mưa Chỉ trên dưới 3 giờ tại mặt
cắt thượng lưu (An Hòa trên sông An Lão và Phú Thuận trên sông Kim Sơn) và cũng chỉ khoảng 5 giờ tại Bồng Sơn sau khi mưa là xuất hiện lũ Trên lưu vực có các trạm đo mưa An Hòa, Bồng Sơn, Hoài Ân, Hoài Nhơn (nằm ngoài khu vực) Phân tích hai trạm mưa có liệt tài liệu dài là An Hòa và Bồng Sơn có lượng mưa chi tiết thới đoạn 6 giờ
Hình 1 Bản đồ địa hình và mạng lưới sông suối lưu
vực sông Lại Giang [1]
Theo quan trắc nhiều năm thì các trận lũ lớn trên lưu vực thường xuất hiện cùng với bão
và áp thấp nhiệt đới đổ bộ trực tiếp vào Bình Định hoặc các tỉnh lân cận nhất là bão gặp không khí lạnh từ Bắc bán cầu di chuyển xuống gây mưa, lũ lớn Tuy nhiên, nếu dải hội tụ nhiệt đới kết hợp với không khí lạnh là loại hình thời tiết thường gây mưa và lũ rất lớn
Mưa: Phân phối không gian của lượng mưa
ở Bình Định rất không đồng đều Lượng mưa
Trang 3năm trung bình đo đạc được ở nơi nhiều mưa
nhất và ít mưa nhất chênh lệch nhau rất lớn đạt
2422mm
Trong năm, lượng mưa mùa mưa quyết định
chủ yếu đến lượng mưa năm Bốn tháng mùa
mưa, lượng mưa trung bình nhiều năm khoảng
1200 - 1700mm, riêng vùng núi An Hoà
2180mm chiếm từ 66 - 79% tổng lượng mưa
năm Tổng lượng mưa mùa khô khoảng 380 -
850mm, chiếm 21 - 34% lượng mưa năm, trong
đó ở vùng núi thường chiếm 28 - 34%, ven biển
thường chiếm 21 - 26% lượng mưa năm
Lũ: Mực nước cao nhất đóng một vai trò rất
quan trọng trong việc chủ động điều hành các
hoạt động kinh tế, chính trị, xã hội của tỉnh và
nhất là trong công tác quy hoạch thiết kế các
công trình có nguy cơ chịu ảnh hưởng bởi độ
cao mực nước và phòng chống lũ lụt
Cường suất, biên độ mực nước lũ thay đổi
theo dọc sông, càng về phía hạ lưu cường suất,
biên độ mực nước lũ giảm
Đối với vùng thượng lưu biên độ lũ lớn nhất
khoảng 5,5m với cường suất lũ lớn nhất khoảng
1,50m/giờ, vùng hạ lưu biên độ lũ lớn nhất
khoảng 4,0 – 5,0m với cường suất lũ khoảng 1-
1,50m/giờ
Các trận lũ lớn và điển hình trên lưu vực là
các trận lũ năm 1987, 1999, 2003 và 2007,
2008 và 2009 [2]
2 Ứng dụng mô hình Mike Flood tính toán
ngập lụt cho lưu vực sông Lại Giang
2.1 Dữ liệu đầu vào mô hình:
- Biên trên: Là kết quả khôi phục dòng chảy
từ mô hình NAM của nhánh sông An Lão và
nhánh sông Kim Sơn
- Biên nhập lưu: Là kết quả khôi phục dòng
chảy từ mô hình NAM của các nhánh sông nhỏ vùng trung và hạ lưu sông
- Biên dưới: Là đường quá trình mực nước
thực đo và tính toán tại trạm Lại Giang
- Trạm hiệu chỉnh: Số liệu mực nước thực
đo tại trạm thủy văn Bồng Sơn được dùng làm
số liệu hiệu chỉnh kết quả tính toán của mô hình
Hình 2 Sơ đồ thủy lực một chiều lưu vực hệ thống
sông Lại Giang
Hình 3 Sơ đồ kết nối trong MIKE FLOOD.[3]
Số liệu mặt cắt gồm 7 mặt cắt bên nhánh sông An Lão từ trạm thủy văn An Hòa đến đập Lại Giang; 3 mặt cắt bên nhánh sông Kim Sơn
từ trạm thủy văn Ân Thạnh đến ngã ba nhập lưu; 8 mặt cắt từ đập Lại Giang đến trạm thủy
Trang 4văn Lại Giang Tất cả các số liệu mặt cắt trên
đều được đo khảo sát vào năm 2007 (số liệu do
Đài KTTV khu vực Nam Trung Bộ cung cấp)
Ngoài ra, từ bản đồ số địa hình lòng sông tiến
hành xây dựng DEM và trích xuất bổ sung số
liệu mặt cắt tại những vị trí địa hình lòng sông
có sự biến động lớn Những vị trí đó bao gồm
các bãi bồi, điểm uốn khúc của sông và những
vị trí lòng sông thu hẹp hoặc mở rộng đột ngột
[4] Tại những bãi bồi tiến hành trích xuất mặt
cắt 2 đầu bãi và giữa bãi bồi Tại những điểm
uốn khúc, lòng sông co hẹp hoặc mở rộng đột
ngột trích xuất mỗi vị trí 1 mặt cắt Tổng cộng
trích xuất them 20 mặt cắt từ DEM Vị trí 38
mặt cắt dọc sông trong mô hình thủy lực được
trình bày ở hình 2
Từ bản đồ tỷ lệ 1/25.000 đã số hóa trích
xuất các điểm cao độ đồng thời bổ sung thêm
tài liệu đo đạc tăng dầy điểm độ cao và nhập
trực tiếp vào mô hình MIKE 21 [5] Lưới phần
tử hữu hạn được sử dụng để rời rạc hóa khu vực
nghiên cứu (hình 4)
Hình 4 Chia ô lưới trong miền tính toán
2.2 Hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình
Trận lũ 10/2008 Tiến hành tính toán và
hiệu chỉnh bộ thông số cho trận lũ từ ngày 22
đến ngày 27 tháng 10 năm 2008 Kết quả tính
toán mực nước ở trạm thủy văn Bồng Sơn như
sau (hình 5):
Hình 5 Mực nước tính toán và thực đo trạm Bồng
Sơn trận lũ 10/2008
- Đỉnh lũ: thực đo là 7.11m xuất hiện vào lúc 19h ngày 24 tháng 10, tính toán là 7.116m xuất hiện vào lúc 16h ngày 24 tháng 10 Đỉnh lúc tính toán được chậm pha hơn so với thực đo
là 3 tiếng, về mực nước đỉnh lũ tính toán cao hơn thực đo là 0.006m, đạt kết quả khá tốt
- Tổng lượng: chỉ số NASH = 0.77 cho ta thấy kết quả mô phòng về tổng lượng là khá tốt
Trận lũ 11/2009 Sử dụng bộ thông số thủy
lực tiến hành kiểm định cho trận lũ từ ngày 02 đến ngày 05 tháng 11 năm 2009 Kết quả tính toán và thực đo tại Bồng Sơn (hình 6)
Hình 6 Kết quả kiểm định cho trận lũ 11/2009
Trang 5Nhận xét về kết quả kiểm định 2009:
- Đỉnh lũ: thực đo là 7.90m xuất hiện vào
lúc 08h ngày 03 tháng 11, tính toán là 7.555m
xuất hiện vào lúc 08h ngày 03 tháng 11 Đỉnh
lúc tính toán được cùng pha hơn so với thực đo,
về mực nước đỉnh lũ tính toán thấp hơn thực đo
là 0.345m, đạt kế quả rất tốt
- Tổng lượng: chỉ số NASH = 0.84 cho ta
thấy kết quả mô phòng về tổng lượng là rất tốt
Trận lũ 11/2007
So sánh mực nước thực đo và tính toán bằng MIKE 21 trạm Bồng
Sơn trận lũ năm 2007
3.000
4.000
5.000
6.000
7.000
8.000
9.000
10.000
Ngày 11/01/2007 11/02/2007 11/03/2007 11/04/2007 11/05/2007 11/06/2007 11/07/2007
2007 Thực Đo
Hình 7 Kết quả mực nước tính toán và thực đo tại
trạm Bồng Sơn trận lũ từ 1-8/11/2007
Hình 8 Kết quả tính toán ngập lụt năm 2007
Với số liệu mưa thực đo tại trạm An Hòa,
Bồng Sơn; lưu lượng thực đo tại An Hòa và Ân
Thạnh, các số liệu biên gia nhập khu giữa được
tính toán bằnh mô hình NAM và số liệu mực
nước thực đo tại trạm Lại Giang (cầu Lại
Giang) Tính toán ngập lụt cho vùng hạ lưu lưu
vực sông Lại Giang Kết quả tính toán hiệu chỉnh đường quá trình mực nước cho trận lũ từ ngày 1-8/11/2007 tại Bồng Sơn được thể hiện
trong (hình 7) và vùng ngập lụt trong (hình 8)
Kết luận: Thông qua việc hiệu chỉnh và
kiểm định mô hình thủy văn thủy lực với 3 trận
lũ của các năm 2007, 2008, 2009 đã thu được mạng thủy lực cùng các điều kiện về địa hình hiện có, bộ thông số độ nhám có độ tin cậy tương đối để tính toán mô phỏng lũ thiết kế cũng như với các kích bản trong các giai đoạn tiếp theo
3 Tính toán mô phỏng ngập lụt với các phương án xây dựng đê
Như ta đã biết, có nhiều cách tiếp cận tính toán lũ thiết kế ứng với các tần suất khác nhau trên khu vực nghiên cứu, trong nghiên cứu này chúng tôi đã lựa chọn phương pháp tính toán lũ thiết kế từ trận mưa thiết kế tương ứng cùng tần suất dựa trên giả thiết hiện tượng lũ xuất hiện tại cửa ra lưu vực đồng tần suất với sự kiện mưa rơi trên lưu vực đó, và kết hợp với việc hiệu chỉnh theo số liệu tính toán lũ thiết kế tại các trạm khống chế trong khu vực nghiên cứu Tính toán dòng chảy lũ thiết kế tại cửa ra các tiểu lưu vực có đóng góp như là biên (biên trên và biên gia nhập khu giữa) cho mô hình thủy lực ứng với các tần suất thiết kế 1%, 5% bằng cách ứng dụng mô hình thủy văn Mike-NAM với các trận mưa thiết kế tương ứng
Để tiện cho việc phân tích tính toán và tập trung vào khu vực cần nghiên cứu (khu vực dự kiến xây dựng đê), chúng tôi khoanh vùng phân tích ngập lụt có diện tích là 39.7km2
(hình 9) Vùng này sẽ được dùng để phân tích tính toán diện tích ngập, độ sâu ngập và sự thay đổi vận tốc dòng chảy ứng với các trường hợp hiện trạng và sau khi xây dựng đê (chiều cao mặt đê
dự kiến là 9,5m)
Trang 6Hình 9 Vùng phân tích ngập lụt
3.1 Kịch bản ứng với hiện trạng năm 2007
Bảng 1: Diện tích ngập ứng với các độ sâu ngập như
sau:
Cấp
ngập 0-1m 1-2m 2-3m 3-4m >4m
Không
đê 8.103 7.209 1.845 0.901 1.336
Có đê 8.39 3.394 2.055 0.771 1.678
Hình 10 Kịch bản ngập lụt có đê Bồng Sơn
Hình 11 Kịch bản ngập lụt không có đê Bồng Sơn
3.2 Kịch bản ứng với tần suất mưa 5%
Bảng 2: Diện tích ngập ứng với các độ sâu ngập như
sau:
Cấp ngập 0-1m 1-2m 2-3m 3-4m >4m Không
đê 6.212 8.792 3.940 1.807 2.266
Có đê 4.862 7.944 5.865 1.994 1.818
Hình 12 Kịch bản ngập lụt có đê Bồng Sơn
Hình 13 Kịch bản ngập lụt không có đê Bồng Sơn
Trang 73.3 Kịch bản ứng với tần suất mưa 1%
Bảng 2.11: Diện tích ngập ứng với các độ sâu ngập
như sau:
Cấp
ngập 0-1m 1-2m 2-3m 3-4m >4m
Không
đê 5.047 7.215 6.955 2.414 2.825
Có đê 4.367 6.799 7.45 2.451 2.388
Hình 14 Kịch bản ngập lụt có đê Bồng Sơn
Nhận xét các kịch bản:
- Diện tích ngập lụt trận lũ năm 2007 trước
khi có đê và sau khi có đê giảm khá nhiều
(3,1km2), với trường hợp 1%, 5% diện tích
vùng ngập trước khi có đê xấp xỉ diện tích ngập
lụt sau khi có đê
- Độ sâu sâu ngập lụt trung bình trước khi
có đê lớn hơn sau khi có đê
- Kết quả tính toán ngập lụt cho trận lũ
2007, phần diện tích phía sau đê Bồng Sơn
hoàn toàn được bảo vệ và không bị ngập lụt
- Kết quả tính toán cho 2 trận lũ thiết kế 1%
và 5% với đỉnh lũ khá lớn, phần diện tích phá
sau đê bồng sơn bị ngập lụt nhưng độ sâu ngập
lụt chỉ 0~1m
Hình 15 Kịch bản ngập lụt không có đê Bồng Sơn
4 Kết luận
Với kết quả tính toán phân tích như trên cho thấy sau khi xây dựng đê phần diện tích ngập lụt phía trong đê giảm đáng kể, nhưng vận tốc dòng chảy dọc đê cũng tăng mạnh Điều này có thể dẫn đến sự tay đỏi lòng dẫn trong sông, đặc biệt là các bãi bồi giữa dòng có khả năng sẽ bị xói lở và dịch chuyển
Với vùng hạ lưu sông Lại Giang nói riêng, cũng như đối với các vùng cửa sông Miền Trung, giải pháp phòng chống lũ cần thiết là sự kết hợp: làm hố chứa điều tiết ở thượng nguồn
và công trình đê điều cải thiện điều kiện tiêu thoát lũ vùng cửa sông, các biện pháp phi công trình…
Những nghiên cứu mô phỏng và tính toán kịch bản xây dựng đê nhằm tạo thêm một cái nhìn phục vụ công tác phòng lũ hiệu quả cao
Tài liệu tham khảo
[1] Nguyễn Văn Hiếu, (2009), Ứng dụng mô hình
MIKE – GIS mô phỏng lũ trên sông Lại Giang,
Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật, ĐH Thủy lợi
[2] Nguyễn Ân Niên, Lê Mạnh Hùng (2002)- Nghiên
cứu biện pháp phòng chống lũ lưu vực sông Lại Giang
Trang 8[3] Nguyễn Ân Niên, Vũ Văn Nghị, Nguyễn Anh
Đức (2002), Lũ lưu vực Lại Giang và sơ đồ tính,
Tuyển tập KHCN năm 2002 Viện KHTLVN
[4] Trang điện tử: www.baobindinh.com
[5] Viện Thủy lực Đan Mạch DHI - Mike Flood User Manua
Không thấy trích dẫn trong bài các TLTK [1-5]
Application MIKE FLOOD software to calculate flood and simulation plans building dykes in Lai Giang river basin
Nguyen Van Hieu1, Can Thu Van2, Nguyen Thanh Son3*
1
Hydrology forecasting– National centre Hydro-Meteorological forecasting
4 Dang Thai Than, Hanoi, Vietnam
2
Ho Chi Minh City University for Natural Resources and Environment 236B, Le Van Sy Str., Ward 1, Tan Binh Dist., Ho Chi Minh City
3
Faculty of Hydro-Meteorology & Oceanography, VNU University of Science,
334 Nguyen Trai, Thanh Xuan, Hanoi, Vietnam
Every year, the Lai Giang river basin has to suffer many strong floods they have caused floodplain and effected socio-economic development, the consequences of the floods with deep flooded areas have a major influence on socio-economic development, cause much loss of life and property in the area Today, a lot of construction and non-construction plans have been applied for flood prevention and control In this study, we simulate and calculate flood with scenario of building dykes for better flood management and planning in the basin in order to prevent flood more effectively
Keywords: Flood, Lai Giang river basin
