ỨNG DỤNG MÔ HÌNH WMS DỰ BÁO NGẬP LỤT HẠ DU THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG APPLYING WMS MODEL FOR FORECASTING FLOOD CONDITION IN THE DOWNSTREAM HAN RIVER – DA NANG CITY SVTH: Lưu Duy Vũ – Nguyễn Phướ
Trang 1ỨNG DỤNG MÔ HÌNH WMS DỰ BÁO NGẬP LỤT
HẠ DU THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG
APPLYING WMS MODEL FOR FORECASTING FLOOD CONDITION IN THE
DOWNSTREAM HAN RIVER – DA NANG CITY
SVTH: Lưu Duy Vũ – Nguyễn Phước Sinh
Lớp 07X2A.B - Khoa Xây dựng Thủy lợi Thủy điện – Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng
GVHD: GS.TS Nguyễn Thế Hùng
Khoa Xây dựng Thủy lợi Thủy điện – Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng
TÓM TẮT
Khu vực miền Trung nói chung và TP Đà Nẵng nói riêng hằng năm thường bị lũ lụt gây thiệt hại lớn về con người và tài sản Thiệt hại được hạn chế khi cơ quan chức năng có dự báo sớm và chính xác
về tình hình lũ lụt Trong đề tài này chúng tôi sử dụng mô hình WMS mô phỏng trận lũ đặc biệt lớn vào năm 2007 và 2009 để tìm ra bộ thông số mô hình và kiểm chứng, từ đó đưa ra kịch bản ngâp lụt cho vùng hạ du Thành phố Đà Nẵng
ABSTRACT
Annual, central region of Vietnam in general and Danang city in particular are usually affected by flood that cause so much untold losses for people and property To minimize the damage of flood, the information of flood need to be forecasted accurately and early In this paper, WMS model is used for simulating the historic flood conditions in 2007 and 2009 and evaluating parameters Hence, proposing scenarios of flooding for the downstream of Han River – Danang City
1 Mở đầu
Địa hình vùng hạ du thành phố Đà Nẵng là đồng bằng hẹp, nối liền đồi núi cao và biển; sông suối quanh co, lòng dẫn thay đổi nhiều Do đó vào mùa mưa lũ các dòng chảy lũ rất phức tạp gây ngập cho vùng trũng ven sông Việc đưa quy mô ngập lụt và độ sâu ngập lụt tối đa khi biết lượng mưa hoặc lưu lượng ở thượng nguồn là rất cần thiết Trước tiên, tạo cơ sở để đưa ra các biện pháp ngăn ngừa và giảm thiểu tác hại hiệu quả hơn, sau đó lập kế hoạch ứng phó với những trận lũ sau có tính chất phức tạp hơn…
Trong đề tài này chúng tôi chọn mô hình WMS 8.3 để mô phỏng lũ, với những ưu điểm nổi trội chúng tôi tin tưởng áp dụng mô hình này sẽ đem lại hiệu quả cho công tác phòng chống
lũ lụt, quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội
2 Nội dung tính toán
2.1 Điều kiện tự nhiên, dân sinh, kinh tế
Thành phố Đà Nẵng có tổng diện tích là 1.248,4 km2 (Trong đó huyện đảo Hoàng Sa là
305 km) nằm trong khu vực từ 15015’15” đến 16013’15” Vĩ độ Bắc và 107049’00” đến
108020’18” Kinh độ Đông, thuộc vùng duyên hải miền Trung Vùng đồng bằng ven biển và đồng
bằng phía Bắc của thành phố bị chia cắt bởi các sông của hệ thống sông Hàn và sông Cu Đê
Đà Nẵng là thành phố trực thuộc trung ương, bao gồm 06 quận nội thành, 01 huyện ngoại thành và 01 huyện đảo Với dân số là 822.178 người (năm 2008) Tổng sản phẩm nội địa (GDP) của thành phố Đà Nẵng năm 2010 đạt 10.400 tỉ đồng, GDP đầu người đạt 33,2 triệu đồng
Trang 22.2 Cơ sở dữ liệu
Bản đồ địa hình được sử dụng theo nguồn: Dự án mô hình Thủy văn – Thủy lực thành phố
Đà Nẵng (Trung tâm nghiên cứu bảo vệ môi trường Đai học Đà Nẵng)
3 Ứng dụng mô hình WMS thiết lập bản đồ ngập lụt hạ du Thành phố Đà Nẵng
3.1 Các mô hình toán thủy lực tính lũ trên thế giới
Trên thế giới hiện nay có nhiều mô hình tính thủy lực nổi tiếng mô phỏng dòng chảy trên sông như:
Mô hình WMS của Đại học Young
Mô hình HEC-RAS của quân đội Mỹ
Mô hình Mike của Đan Mạch
Mô hình Telemac của Pháp …
Qua so sánh các mô hình toán, chúng tôi chọn mô hình WMS để tính toán vì: WMS có khả năng mô phỏng lũ mạnh, tích hợp nhiều mô hình miễn phí như HEC-RAS, HEC-HMS, TR-20… trong đó mô hình HEC-RAS đáp ứng được các yêu cầu tính toán tiêu thoát lũ, giao diện đơn giản, có khả năng tự động hóa tính toán cao, ngoài ra một ưu điểm nổi bật nữa đó là phần mềm miễn phí
Hình 1 Giao diện của mô hình WMS 8.3 khi mô phỏng một trận lũ
3.2 Cơ sở lý thuyết
WMS và HEC- RAS là mô hình 1D, mô phỏng sự vận chuyển nước và diễn biến dòng chảy dựa trên hệ phương trình Saint - Venant gồm hai phương trình :
- Phương trình liên tục
- Phương trình động lượng
3.2.1 Phương trình liên tục
Phương trình liên tục mô tả định luật bảo toàn khối lượng cho hệ một chiều như sau:
0 q x
Q t
S t
A
(1)
Trong đó:
Trang 3A : Diện tích mặt cắt ngang
S : Lượng trữ của mặt cắt ngang
Q : Lưu lượng
t : Thời gian
x : Khoảng cách dọc theo kênh
ql : Lưu lượng chảy vào từ bên trên một đơn vị chiều dài
3.2.2.Phương trình động lượng
Các trạng thái của phương trình động lượng biểu thị tốc độ thay đổi động lượng là bằng ngoại lực tác động lên hệ thống Đối với một kênh đơn có:
0 S x
z gA x
) VQ ( t
Q
(2)
Trong đó:
g : Gia tốc trọng trường
Sf : Độ dốc thủy lực trên toàn bộ mặt cắt ngang
V : Vận tốc
3.3 Quá trình thực hiện
Tính toán với trận lũ năm 2007 để hiệu chỉnh bộ thông số mô hình, sau đó kiểm tra lại với trận lũ 2009 Nếu kết quả kiểm tra là chính xác thì bộ tham số mô hình là phù hợp với điều kiện thực tế Đáp ứng yêu cầu tính toán và dự báo ngập lụt tương lai, chúng tôi sử dụng bộ thông số
mô hình đã kiểm tra dự báo ngập lụt với trận lũ lớn giả định có thể xảy ra trong thực tế
3.3.1 Hiệu chỉnh mô hình
Quá trình hiệu chỉnh mô hình: tính toán nhiều lần quá trình ngập lụt hạ du Tp Đà Nẵng
trong đợt lũ 9-13/11/2007 với những mạng lưới thủy lực và bộ thông số khác nhau đến khi cho
kết quả đúng với thực tế
Hệ số nhám lòng sông thay đổi từ 0.023 đến 0.031, bất thường một số vị trí trên sông Tuy Loan có hệ số nhám là 0.043 Khu vực dân cư có hệ số nhám là 0.06 đến 0.084 Khu vực nông nghiệp có hệ số nhám là 0.04 đến 0.05…
Biên hạ lưu lấy theo mực nước triều tại trạm Tiên Sa lúc xảy ra trận lũ
Thay đổi một số điểm trong bản đồ số hóa cho gần với thực tế
Bảng 1 So sánh kết quả tính toán với thực đo mực nước lũ lớn nhất lúc 19h ngày 12- 11 – 2007
Tọa độ 522056.049
1770738.555
tính toán 3.89 m
thực đo 3.95 m
Trang 4Hình 2 Bản đồ ngập lụt lúc 19h ngày 12- 11 – 2007
Ta thấy kết quả là tương đối chính xác, sai số do sự hiệu chỉnh hệ số nhám đòi hỏi nhiều thời gian và kinh nghiệm, hiệu chỉnh bản đồ cao độ số còn chưa chi tiết Vậy bộ thông số mô
hình có thể chấp nhận được
3.3.2 Kiểm chứng mô hình với trận lũ 2009
Sử dụng bộ thông số mô hình đã tính toán cho trận lũ 2007 ở trên tiến hành mô phỏng quá trình ngập lụt hạ du Tp Đà Nẵng trong đợt lũ 27/09 - 2/10/2009 nếu cho kết quả đúng với thực tế thì mô hình là phù hợp và thể áp dụng vào thực tế
Bảng 2 So sánh kết quả tính toán với thực đo mực nước lũ lớn nhất lúc 11h ngày 01- 10 –2009
Tọa độ 522056.049
1770738.555
tính toán 3.09 m
thực đo 3.16 m
Hình3 Bản đồ ngập lụt lúc 11h ngày 01- 10 – 2009
Kết quả so sánh mực nước lũ tính toán và thực đo tại cầu Cẩm Lệ là chính xác Vậy mô hình WMS, mạng lưới thủy lực và bộ thông số đã thể hiện đúng các trận lũ lịch sử, cung cấp
Trang 5thông tin đầy đủ hơn và là cơ sở để xây dựng bản đồ ngập lụt với các kịch bản theo yêu cầu
3.3.3 Dự báo ngập lụt với trận lũ giả định
Xuất phát điều kiện lưu lượng lũ tại Thành Mỹ, Túy Loan và Nông Sơn xảy ra với tần suất cao bất thường gây ngập lụt nghiêm trọng cho hạ du sông Hàn
Đề tài giả định trận lũ xãy ra vào 9-13/11/2013, các biên lưu lượng được tăng thêm 20%,
mực nước triều được tăng thêm 5cm so với trận lũ 2007
Bảng 3 Kết quả tính toán mực nước lũ lúc lúc 19h ngày 12- 11 – 2013 và so sánh với 19h ngày 12- 11- 2007
Tọa độ 520450 525464 517568 523318 522056.05
1769548 1773044 1768695 1766544 1770738.6
2013 5.00m 4.15m 6.17m 5.32m 4.1m
Hình 4 Bản đồ ngập lụt dự báo lúc 19h ngày 3/11/2013
Kết quả cho thấy lụt sẽ ngập sâu hơn từ 0.03m đến 0.15m so với trận lũ năm 2007, diện tích ngập lụt hơn 207km2 Khu vực trung tâm Tp Đà Nẵng chạy dọc hai bờ sông Hàn sẽ ngập khoảng 1-1,5m gây thiệt hại về người và kinh tế rất lớn, khu vực ngập nặng nhất đến trên 5m là khu vực dân cư và sản xuất nông nghiệp tại cầu Cẩm Lệ, cầu Đỏ và dọc sông Vĩnh Điện gây hậu quả nặng về người và ảnh hưởng đến an ninh lương thực
4 Kết luận và kiến nghị
4.1 Kết luận
Mô hình WMS có khả năng mô phỏng ngập lụt gần đúng với thực tế, phần mềm có tích hợp GIS và công cụ đồ họa mạnh, tiện lợi để mô phỏng và dự báo lũ lụt
Kết quả mô phỏng đáng tin cậy và phù hợp với tài liệu hiện có Bản đồ ngập lụt đã xây dựng được các trận lũ lịch sử cung cấp thêm thông tin quan trọng Mô hình có thể áp dụng cho thực tế để tính toán và dự báo lũ
Trang 64.2 Kiến nghị
Kết quả tính toàn phụ thuộc nhiều vào cơ sở dữ liệu, do đó trong tương lai cần bổ sung, cập nhật tài liệu địa hình cho sát với thực tế, bổ sung thêm đo lưu lượng tại thượng nguồn (sông Túy Loan, sông Bung…) và thêm các trạm đo mưa trên thượng nguồn sông Thu Bồn, Vu Gia, Túy Loan
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] GS.TS Nguyễn Tài, TS Lê Bá Sơn (1999), Thuỷ lực (tập II), NXB Xây dựng, Hà Nội [2] PGS.TS Nguyễn Tất Đắc (2005), Mô hình toán cho dòng chảy và chất lượng nước trên hệ
thống kênh sông, NXB Nông nghiệp, TP Hồ Chí Minh
[3] U.S Army Corps of Engineers (2008), HEC-RAS River analysis system, User’s Manual,
Hydraulic Reference
[4] U.S Army Corps of Engineers, HEC-RAS River analysis system, Hydrolic Reference
Manual, 2008
[5] Aquaveo (2005), WMS 8.3 Tutorials Volume 1-6, Watershed modeling system
Thông tin về tác giả:
Họ và tên: Lưu Duy Vũ – Nguyễn Phước Sinh
Địa chỉ: lớp 07X2AB – Khoa Xây dựng Thủy lợi Thủy Điện - Đại học Bách khoa Đà Nẵng – Đại học Đà Nẵng
Số điện thoại liên hệ: 0982.216.020
Email: luuvubkdn@gmail.com
