Nghiên cứu ứng dụng mô hình WETSPA và HECRAS mô phỏng, dự báo quá trình lũ trên hệ thống sông thu bồn vu gia

Theo xu hướng phát triển đó, đề tài “Nghiên cứu ứng dụng mô hình WETSPA và HECRAS mô phỏng, dự báo quá trình lũ trên hệ thống sông Thu Bồn – Vu Gia” do Trung tâm Dự báo Khí tượng thủy vă

-*** -

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH

WETSPA VÀ HECRAS MÔ PHỎNG, DỰ BÁO QUÁ TRÌNH LŨ TRÊN HỆ THỐNG SÔNG

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH WETSPA VÀ

HECRAS MÔ PHỎNG, DỰ BÁO QUÁ TRÌNH LŨ TRÊN HỆ THỐNG SÔNG THU BỒN – VU GIA

Chỉ số phân loại:

Chỉ số đăng ký:

Chỉ số lưu trữ:

Các cơ quan và các cộng tác viên chính tham gia thực hiện đề tài:

3 Ths Nguyễn Thị Thu Trang Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương

5 Ts Nguyễn Thanh Long Viện Nghiên cứu Địa chất và khoáng sản

6 Ts Lê Quốc Hùng Viện Nghiên cứu Địa chất và khoáng sản

7 Ths Phạm Văn Chiến Đài KTTV khu vực Trung Trung bộ

8 Ks Nguyễn Hữu Thiêm Đài KTTV khu vực Trung Trung bộ

9 Ks Phùng Hồng Long Đài KTTV khu vực Trung Trung bộ

Ngày tháng năm 2009

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI

Ths Đặng Thanh Mai

Ngày tháng năm 2009

CƠ QUAN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Bùi Minh Tăng

Hà Nội, ngày tháng năm 2009

CƠ QUAN QUẢN LÝ ĐỀ TÀI

TL BỘ TRƯỞNG KT.VỤ TRƯỞNG

VỤ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ PHÓ VỤ TRƯỞNG

MỤC LỤC HÌNH VII MỤC LỤC HÌNH VII

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I:

QUY LUẬT HÌNH THÀNH LŨ VÀ VẤN ĐỀ DỰ BÁO LŨ TRÊN HỆ THỐNG SÔNG THU BỒN – VU GIA 3

1.1 ĐIỀU KIỆN ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN VÀ QUY LUẬT HÌNH THÀNH LŨ TRÊNHỆTHỐNGSÔNGTHU BỒNVUGIA 3

1.1.1 Khái quát điều kiện địa lý tự nhiên lưu vực sông Thu Bồn – Vu Gia 3

1.1.2 Đặc điểm mưa và hình thế thời tiết gây mưa 10

1.1.3 Đặc điểm dòng chảy lũ hệ thống sông Thu Bồn – Vu Gia 12

1.1.4 Các thông tin về mạng lưới trạm, điện báo mưa và mực nước trên lưu vực hệ thống sông Thu Bồn – Vu Gia 14

1.1.4.1 Thông tin về mạng lưới trạm 14

1.1.4.2 Thông tin về điện báo mưa và mực nước: 16

1.2 VẤN ĐỀ DỰ BÁO LŨ TRÊN HỆ THỐNG SÔNG THU BỒN – VU GIA VÀ LUẬN CHỨNG CHỌN KIỂU MÔ HÌNH 18

1.2.1 Tổng quan những phương án, phương pháp đang được sử dụng trong dự báo nghiệp vụ trên lưu vực sông Thu Bồn – Vu Gia .18

1.2.2 Tình hình nghiên cứu về mô hình thủy văn, thủy lực trên thế giới và ở Việt Nam 19

1.2.3 Một số nghiên cứu tính toán mô phỏng lũ tiêu biểu đối với lưu vực sông Thu Bồn – Vu Gia 21

1.2.4 Luận chứng cho việc chọn mô hình tính toán và dự báo dòng chảy lũ trên hệ thống sông Thu Bồn – Vu Gia .23

CHƯƠNG II:

MÔ HÌNH WETSPA, MÔ HÌNH HECRAS VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CÔNG NGHỆ DỰ BÁO QUÁ TRÌNH LŨ HỆ THỐNG SÔNG THU BỒN-VU GIA 27

2.1CƠSỞLÝTHUYẾTCỦAMÔHÌNHWETSPA 27

2.1.1 Cấu trúc và các giả thiết của mô hình 27

2.1.1.1 Cấu trúc của mô hình 27

2.1.1.2 Các giả thiết của mô hình 29

2.1.2 Các công thức của mô hình 30

2.1.3 Các thông số của mô hình 36

2.2.2 Các số liệu đầu vào cơ bản của mô hình: 46

2.2.2.1 Số liệu hình học: 46

2.2.2.2 Điều kiện biên và điều kiện ban đầu: 47

2.2.2.3 Số liệu về lưu lượng: 48

2.3 HƯỚNG TIẾP CẬN XÂY DỰNG CÔNG NGHỆ DỰ BÁO CHO HỆ THỐNGSÔNGTHUBỒN-VUGIA 48

2.4 CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG ĐÁNH GIÁ MÔ PHỎNG VÀ DỰ BÁO CỦA MÔ HÌNH 49

CHƯƠNG III:

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH WETSPA MÔ PHỎNG LŨ TRÊN HỆ THỐNG SÔNG THU BỒN - VU GIA 52

3.1 PHÂN CHIA LƯU VỰC VÀ THIẾT LẬP MÔ HÌNH WETSPA 52

3.1.1 Phân chia lưu vực bộ phận 52

3.1.2 Thiết lập mô hình 54

3.1.3 Tài liệu khí tượng thủy văn phục vụ vận hành mô hình WETSPA 58

3.2 XÂYDỰNGCÁCLOẠIBẢNĐỒTHÔNGSỐCHOMÔHÌNHWETSPA 59

3.2.1 Xây dựng các bản đồ cơ bản và cắt tách các lưu vực bộ phận cho hệ thống sông Thu Bồn - Vu Gia 64

3.2.1.1 Xây dựng bản đồ DEM 64

3.2.1.2 Xây dựng bản đồ cấu trúc đất 67

3.2.1.3 Xây dựng bản đồ thảm phủ 68

3.2.1.4 Xây dựng bản đồ phân vùng ảnh hưởng các trạm mưa 73

3.2.2 Xây dựng các bản đồ thông số về đặc trưng vật lý của lưu vực cho các lưu vực bộ phận 75

3.2.3 Xây dựng các bản đồ thông số về đặc trưng vật lý của đất cho các lưu vực bộ phận 76

3.2.4 Xây dựng các bản đồ thông số về đặc tính lớp phủ thực vật cho các lưu vực bộ phận 77

3.2.5 Xây dựng các bản đồ thông số về đặc tính dòng chảy của lưu vực 78

3.3 BỘ THÔNG SỐ CỦA MÔ HÌNH WETSPA VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 78

3.3.1 Nguyên tắc tối ưu bộ thông số của mô hình WETSPA 78

3.3.2 Kết quả tối ưu bộ thông số 80

3.3.2.1 Kết quả tối ưu bộ thông số của mô hình cho lưu vực Thành Mỹ 80

3.3.2.2 Kết quả tối ưu bộ thông số của mô hình WETSPA cho lưu vực Nông Sơn 86

3.3.2.3 Lựa chọn thông số mô hình cho các lưu vực bộ phận không có trạm đo 94

3.3.4.1 Trạm Thành Mỹ 101

3.3.4.2 Trạm Hội Khách 103

3.3.4.3 Trạm Ái Nghĩa 106

3.3.4.4 Trạm Hiệp Đức 108

3.3.4.5 Trạm Nông Sơn 110

3.3.4.6 Trạm Giao Thủy 113

3.3.4.7 Trạm Câu Lâu 115

3.3.4.8 Trạm Hội An 118

3.3.4.9 Một số nhận xét về kết quả mô phỏng và kiểm định của mô hình WETSPA 120

CHƯƠNG IV

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH WETSPA VÀ HECRAS MÔ PHỎNG LŨ HỆ THỐNG SÔNG THU BỒN – VU GIA 123

4.1 THIẾT LẬP MÔ HÌNH WETSPA KẾT NỐI VỚI HECRAS 123

4.1.1 Phương pháp kết hợp hai mô hình WETSPA và HECRAS 123

4.1.2 Xây dựng sơ đồ mạng thuỷ lực diễn toán dòng chảy trong sông 125

4.1.2.1 Sơ đồ thủy lực vùng hạ lưu hệ thống sông 125

4.1.2.2 Biên của mô hình 128

4.1.3 Tài liệu thủy văn để tối ưu và kiểm định mô hình 131

4.2 BỘ THÔNG SỐ CỦA MÔ HÌNH HECRAS VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG CỦA BỘ MÔ HÌNH WETSPA - HECRAS 132

4.2.1 Nguyên tắc hiệu chỉnh bộ mô hình WETSPA - HECRAS: 132

4.2.2 Kết quả tối ưu bộ thông số của mô hình 132

4.2.3 Đánh giá kết quả 133

4.2.3.1 Kết quả hiệu chỉnh mô hình 133

4.2.3.2 Kiểm nghiệm bộ thông số tối ưu 139

4.1.4 Nhận xét chung 145

CHƯƠNG V

CÁC VẤN ĐỀ CẦN THỰC HIỆN TRONG ỨNG DỤNG BỘ MÔ HÌNH WETSPA VÀ HECRAS VÀO DỰ BÁO NGHIỆP VỤ 146

5.1 XÂY DỰNG PHÂN BỐ MƯA THEO KHÔNG GIAN CHO CÁC HÌNH THẾ THỜI TIẾT GÂY MƯA 146

5.1.1 Đặc điểm mưa trên lưu vực 147

5.1.2 Đặc điểm mưa của các hình thế thời tiết gây lũ lớn 150

5.1.2.1 Các hình thế thời tiết gây mưa lớn 150

5.1.2.2 Đặc điểm và phân bố mưa của các hình thế thời tiết gây mưa lớn.154 5.1.3 Các trận lũ lớn do các hình thế thời tiết điển hình gây ra 161

5.1.3.1 Trận lũ đặc biệt lớn tháng XI năm 1998 (B +KKL +HTND) 161

5.1.3.5 Trận lũ tháng XI năm 2007 (B + ĐGĐ) 167

5.1.4 Xây dựng phân bố mưa theo không gian cho các hình thế thời tiết điển hình gây mưa lớn 168

5.2 ỨNG DỤNG CÁC SẢN PHẨM DỰ BÁO MƯA 172

5.2.1 Giới thiệu chung 172

5.2.2 Sản phẩm dự báo mưa số trị phục vụ đầu vào mô hình 172

5.2.3 Các sản phẩm khác 175

5.3CÁC PHƯƠNGPHÁPHIỆUCHỈNHKẾTQUẢ 178

5.3.1 Lọc theo Kalman 179

5.3.2 Lọc theo Hồi Qui 180

5.3.3 Hiệu chỉnh tức thời 182

CHƯƠNG VI:

XÂY DỰNG CÔNG NGHỆ DỰ BÁO LŨ HỆ THỐNG SÔNG THU BỒN - VU GIA 183

6.1CÁC BÀITOÁNCẦNTHỰCHIỆN 183

6.2 XÂY DỰNG NGÂN HÀNG DỮ LIỆU 184

6.2.1 Tổ chức cơ sở dữ liệu 184

6.2.2 Cấu trúc ngân hàng dữ liệu 187

6.3 XÂY DỰNG CÔNG NGHỆ DỰ BÁO DÒNG CHẢY LŨ HỆ THỐNG SÔNG THU BỒN – VU GIA 189

6.3.1 Hệ thống các mô đun và chương trình phục vụ công nghệ dự báo 189

6.3.2 Hệ thống các thực đơn và phần mềm giao diện 192

6.4 QUY TRÌNH DỰ BÁO VÀ HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ DỰ BÁO 194

6.4.1 Cài đặt chương trình 194

6.4.2 Hướng dẫn sử dụng công nghệ 195

6.5 KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM TÁC NGHIỆP 208

6.5.1 Trình tự dự báo 208

6.5.2 Kết quả dự báo thử nghiệm 208

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 214

TÀI LIỆU THAM KHẢO 218

Bảng 1.2: Danh sách các trạm KTTV Trên lưu vực sông Thu Bồn- Vu Gia 15

Bảng 2.1: Danh sách các thông số của mô hình 37

Bảng 3.1: Danh sách các lưu vực bộ phận hệ thống sông Thu Bồn – Vu Gia 53

Bảng 3.2: Phân loại đất lưu vực hệ thống sông Thu Bồn - Vu Gia 67

Bảng 3.3: Phân loại thảm phủ lưu vực hệ thống sông Thu Bồn - Vu Gia 69

Bảng 3.5: Các thông số đặc trưng cho kết cấu các loại đất lưu vực Thành Mỹ 81

Bảng 3.6: Các thông số đặc trưng cho các loại sử dụng đất lưu vực Thành Mỹ 82

Bảng 3.7: Hệ số dòng chảy tiềm năng cho những loại đất, thảm phủ và độ dốc lưu vực Thành Mỹ 83

Bảng 3.8: Các thông số chung của mô hình cho lưu vực Thành Mỹ 86

Bảng 3.9: Các thông số trưng cho kết cấu các loại đất lưu vực Hiệp Đức và Nông Sơn 87

Bảng 3.10: Các thông số đặc trưng cho các loại sử dụng đất lưu vực Hiệp Đức 88

Bảng 3.11: Hệ số dòng chảy tiềm năng cho những loại đất, thảm phủ và độ dốc lưu vực Hiệp Đức 89

Bảng 3.12: Các thông số chung của mô hình cho lưu vực Hiệp Đức 94

Bảng 3.13: Các thông số chung của mô hình cho lưu vực khu giữa Hiệp Đức-Nông Sơn 94

Bảng 3.14: Độ nhạy của các thông số mô hình WETSPA trong tối ưu 98

Bảng 3.15: Kết quả các chỉ tiêu đánh giá mô hình tại Thành Mỹ 101

Bảng 3.16: Kết quả các chỉ tiêu đánh giá kiểm định mô hình tại Thành Mỹ 102

Bảng 3.17: Kết quả các chỉ tiêu đánh giá mô hình tại Hội Khách 104

Bảng 3.18: Kết quả các chỉ tiêu đánh giá kiểm định mô hình tại Hội Khách 105

Bảng 3.19: Kết quả các chỉ tiêu đánh giá mô hình tại Ái Nghĩa 106

Bảng 3.20: Kết quả các chỉ tiêu đánh giá kiểm định mô hình tại Ái nghĩa 108

Bảng 3.21: Kết quả các chỉ tiêu đánh giá mô hình tại Hiệp Đức 109

Bảng 3.22: Kết quả các chỉ tiêu đánh giá kiểm định mô hình tại Hiệp Đức 110

Bảng 3.23: Kết quả các chỉ tiêu đánh giá mô hình tại Nông Sơn 111

Bảng 3.24: Kết quả các chỉ tiêu đánh giá kiểm định mô hình tại Nông Sơn 112

Bảng 3.25: Kết quả các chỉ tiêu đánh giá mô hình tại Giao Thủy 113

Bảng 3.26: Kết quả các chỉ tiêu đánh giá kiểm định mô hình tại Giao Thủy 114

Bảng 3.27: Kết quả các chỉ tiêu đánh giá mô hình tại Câu Lâu 116

Bảng 3.28: Kết quả các chỉ tiêu đánh giá kiểm định mô hình tại Câu Lâu 117

Bảng 3.29: Kết quả các chỉ tiêu đánh giá mô hình tại Hội An 118

Bảng 3.30: Kết quả các chỉ tiêu đánh giá kiểm định mô hình tại Hội An 119

Bảng 4.1: Danh sách các trạm thủy văn dùng để tối ưu và kiểm định mô hình 131

Bảng 4.2: Hệ số nhám trung bình cho các đoạn sông 133

Bảng 4.3: Kết quả mô phỏng quá trình dòng chảy tại Thành Mỹ 134

Bảng 4.4: Kết quả mô phỏng quá trình mực nước tại Hội Khách 135

Bảng 4.5: Kết quả mô phỏng quá trình mực nước tại Ái Nghĩa 135

Bảng 4.6: Kết quả mô phỏng quá trình dòng chảy tại Nông Sơn 136

Bảng 4.10: Kết quả các chỉ tiêu đánh giá kiểm định mô hình tại Hội Khách 143

Bảng 4.11: Kết quả các chỉ tiêu đánh giá kiểm định mô hình tại Ái Nghĩa 143

Bảng 4.12: Kết quả các chỉ tiêu đánh giá kiểm định mô hình tại Nông Sơn 144

Bảng 4.13: Kết quả các chỉ tiêu đánh giá kiểm định mô hình tại Giao Thủy 144

Bảng 4.14: Kết quả các chỉ tiêu đánh giá kiểm định mô hình tại Câu Lâu 144

Bảng 5.1: Đặc trưng mưa sinh lũ các trạm (thời đoạn 2-3 ngày) 150

Bảng 5.2: Thống kê các trận lũ từ mức báo động II trở lên (1976-2007) sông Thu Bồn - Trạm Câu Lâu 152

Bảng 5.3: Đặc trưng trận lũ từ 18-20/XI/1998 162

Bảng 5.4: Đặc trưng trận lũ XI/1999 163

Bảng 5.5: Đặc trưng trận lũ tháng XII/1999 165

Bảng 5.6: Đặc trưng trận lũ tháng 22-27/XI/2004 166

Bảng 5.7: Đặc trưng trận lũ tháng XI/2007 168

Bảng 6.1: Các files chứa dữ liệu chạy mô hình 187

Bảng 6.2: Đặc trưng các trận lũ lớn từ 1h/1/X/2008 đến 19h/30/XI/2008 209

Bảng 6.3: Kết quả dự báo tác nghiệp đỉnh lũ đến Ái Nghĩa bằng mô hình WETSPA và WETSPA +HECRAS (Từ 1/X đến 30/XI/ 2008) 210

Bảng 6.4: Kết quả dự báo tác nghiệp quá trình lũ đến Ái Nghĩa bằng mô hình WETSPA và WETSPA +HECRAS (Từ 1/X đến 30/XI/ 2008) 210

Bảng 6.5: Kết quả dự báo tác nghiệp đỉnh lũ đến Giao Thủy bằng mô hình WETSPA và WETSPA +HECRAS (Từ 1/X đến 30/XI/ 2008) 210

Bảng 6.6: Kết quả dự báo tác nghiệp quá trình lũ đến Giao Thủy bằng mô hình WETSPA và WETSPA +HECRAS (Từ 1/X đến 30/XI/ 2008) 211

Bảng 6.7: Kết quả dự báo tác nghiệp đỉnh lũ đến Câu Lâu bằng mô hình WETSPA và WETSPA +HECRAS (Từ 1/X đến 30/XI/ 2008) 211

Bảng 6.8: Kết quả dự báo tác nghiệp quá trình lũ đến Câu Lâu bằng mô hình WETSPA và WETSPA +HECRAS (Từ 1/X đến 30/XI/ 2008) 211

Thu Bồn – Vu Gia 9

Hình 1.2: Lượng mưa mùa cạn, mùa lũ và mưa năm của các trạm trên lưu vực sông Thu Bồn-Vu Gia [20] 11

Hình 1.3: Bản đồ mạng lưới trạm KTTV trên lưu vực sông Thu Bồ - Vu Gia và vùng lân cận 17

Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc mô hình Wetspa ở mức độ ô lưới 29

Hình 2.2: Sơ đồ thành lập bản đồ thông số của mô hình 39

Hình 2.3: Sơ đồ xác định thành phần cơ giới đất của

USDA (Harry Bucknam- Nyle C Brady, 1980) 40

Hình 3.1: Các lưu vực bộ phận trên hệ thống sông Thu Bồn – Vu Gia 53

Hình 3.2: Phân phối Q tại ngã ba sông Vu Gia-Ái Nghĩa-Quảng Huế [25] 57

Hình 3.3: Sơ đồ tính toán dòng chảy trên hệ thống sông Thu Bồn - Vu Gia sử dụng mô hình WETSPA 58

Hình 3.4: Bản đồ các đường đồng mức độ cao lưu vực hệ thống sông Thu Bồn - Vu Gia 65

Hình 3.5: Bản đồ DEM lưu vực hệ thống sông Thu Bồn - Vu Gia 66

Hình 3.6: Bản đồ đất toàn lưu vực hệ thống sông Thu Bồn - Vu Gia 68

Hình 3.7: Bản đồ thảm phủ lưu vực hệ thống sông Thu Bồn - Vu Gia 69

Hình 3.8 (a, b, c, d, f, e): Các bản đồ cơ bản DEM, thảm phủ và đất của hai tiểu lưu vực Hiệp Đức và Thành Mỹ 73

Hình 3.9: Bản đồ phân vùng ảnh hưởng các trạm mưa hệ thống sông Thu Bồn - Vu Gia 75

Hình 3.10: sơ đồ thành lập các bản đồ thông số về đặc trưng vật lý của lưu vực cho các lưu vực bộ phận 76

Hình 3.11: Sơ đồ thành lập các bản đồ thông số về đặc trưng vật lý của đất cho các lưu vực bộ phận 77

Hình 3.12: Sơ đồ thành lập các bản đồ thông số về đặc tính thảm phủ cho các lưu vực bộ phận 77

Hình 3.13 (a, b, c): Một số bản đồ thông số cơ bản của lưu vực Thành Mỹ 85

Hình 3.14 (a,b,c): Một số bản đồ thông số cơ bản của lưu vực Hiệp Đức 92

Hình 3.15 (a, b, c): Một số bản đồ thông số cơ bản của lưu vực Nông Sơn 93

Hình 3.16 (a, b, c): Một số bản đồ thông số cơ bản của lưu vực sông Bung 97

Hình 3.17: Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại Thành Mỹ mùa lũ năm 2004 102

Hình 3.18: Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại Thành Mỹ mùa lũ năm 2007 103

Hình 3.19: Đường quá trình mực nước tính toán và thực đo tại Hội Khách mùa lũ năm 2005 104

Hình 3.20: Đường quá trình mực nước tính toán và thực đo tại Hội Khách mùa lũ năm 2006 105

năm 2007 107Hình 3.23: Đường quá trình mực nước tính toán và thực đo tại Hiệp Đức mùa lũ năm 2005 108Hình 3.24: Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại Hiệp Đức mùa lũ năm 2007 110Hình 3.25: Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại Nông Sơn mùa lũ năm 2003 111Hình 3.26: Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại Nông Sơn mùa lũ năm 2007 112Hình 3.27: Đường quá trình mực nước tính toán và thực đo tại Giao Thủy mùa

lũ năm 2005 114Hình 3.28: Đường quá trình mực nước tính toán và thực đo tại Giao Thủy mùa

lũ năm 2007 115Hình 3.29: Đường quá trình mực nước tính toán và thực đo tại Câu Lâu mùa lũ năm 2002 116Hình 3.30: Đường quá trình mực nước tính toán và thực đo tại Câu Lâu mùa lũ năm 2006 117Hình 3.31: Đường quá trình mực nước tính toán và thực đo tại Hội An mùa lũ năm 2005 119Hình 3.32: Đường quá trình mực nước tính toán và thực đo tại Hội An mùa lũ năm 2007 120Hình 4.1: Sơ đồ kết nối mô hình WETSPA và HECRAS 125Hình 4.2: Mạng tính toán thủy lực trong mô hình HECRAS 127Hình 4.3: Sơ đồ kết nối Thủy văn - thủy lực trong mô hình hệ thống sông Thu Bồn - Vu Gia 128Hình 4.4: Quan hệ mực nước trạm Tiên Sa và mực nước bảng thuỷ triều 130Hình 4.5: Mực nước triều trạm Tiên Sa và mực nước tính toán trong bảng thuỷ triều 130Hình 4.6: Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại Thành Mỹ mùa lũ năm 2001 134Hình 4.7: Đường quá trình mực nước tính toán và thực đo tại Hội Khách mùa lũ năm 2002 135Hình 4.8: Đường quá trình mực nước tính toán và thực đo tại Ái Nghĩa mùa lũ năm 2003 136Hình 4.9: Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại Nông Sơn mùa lũ năm 2002 137Hình 4.10: Đường quá trình mực nước tính toán và thực đo tại Giao Thủy mùa

lũ năm 2004 138Hình 4.11: Đường quá trình mực nước tính toán và thực đo tại Câu Lâu mùa lũ năm 2005 139

lũ năm 2007 140

Hình 4.14: Đường quá trình mực nước tính toán và thực đo tại Ái Nghĩa mùa lũ năm 2007 141

Hình 4.15: Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại Nông Sơn mùa lũ năm 2007 141

Hình 4.16: Đường quá trình mực nước tính toán và thực đo tại Giao Thủy mùa lũ năm 2007 142

Hình 4.17: Đường quá trình mực nước tính toán và thực đo tại Câu Lâu mùa lũ năm 2007 142

Hình 5.1: Biểu đồ mưa sinh lũ lưu vực sông Vu Gia 150

Hình 5.2: Lượng mưa trung bình các trạm trên hệ thống sông Thu Bồn – Vu Gia do bão gây ra 155

Hình 5.3: Lượng mưa trung bình các trạm trên hệ thống sông Thu Bồn – Vu Gia do không khí lạnh gây ra 157

Hình 5.4: Lượng mưa trung bình các trạm trên hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn do Bão/ATNĐ kết hợp với KKL gây ra 158

Hình 5.5: Lượng mưa trung bình các trạm trên hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn do KKL kết hợp với dải HTNĐ gây ra 159

Hình 5.6: Lượng mưa trung bình các trạm trên hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn do KKL kết hợp với đới gió đông gây ra 160

Hình 5.7: Phần mềm Orbit Viewer hiển thị kết quả đo mưa khi quỹ đạo vệ tinh qua lưu vực nghiên cứu vào ngày 11 tháng XI năm 2007 170

Hình 5.8: Kết quả đo mưa được chuyển thành dạng điểm trong phần mềm Ildwish 171

Hình 5.9: Kết quả tính tỷ lệ phân bố mưa theo không gian 171

Hình 5.10: Sơ đồ tổng quát bộ mô hình nghiệp vụ HRM tại Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương 173

Hình 5.11: Sơ đồ chuẩn bị số liệu mưa DBST từ mô hình HRM cho tính toán thuỷ văn 174

Hình 5.12: Kết quả dự báo mưa DBST từ mô hình HRM cho lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn 175

Hình 5.13: Kết quả dự báo mưa DBST từ mô hình của Mỹ cho lưu vực sông Vu Gia- Thu Bồn 176

Hình 5.14: Kết quả dự báo mưa DBST từ mô hình của Mỹ cho lưu vực sông Vu Gia- Thu Bồn 176

Hình 5.15: Kết quả dự báo mưa DBST từ mô hình của Nhật cho lưu vực sông Vu Gia- Thu Bồn 177

Hình 6.1: Sơ đồ quản lý thông tin trong cơ sở dữ liệu 186

Hình 6.2: Các thành phần của cơ sở dữ liệu 186

Hình 6.3: Cấu trúc file dữ liệu mưa, mực nước thực đo 187

Hình 6.4: Cấu trúc file dữ liệu mưa dự báo từ mô hình HRM 188

các công nghệ khác là rất dễ dàng 189

Hình 6.7: Giao diện chính của công nghệ dự báo sông Thu Bồn – Vu Gia 196

Hình 6.8: Cửa sổ trích số liệu 197

Hình 6.9: Cửa sổ sửa chữa, cập nhập số liệu 197

Hình 6.10: Cửa sổ hiển thị quá trình mực nước thực đo của các trạm trên hệ thống sông 198

Hình 6.11: Cửa sổ hiển thị quá trình mực nước và mưa thực đo tại trạm 199

Hình 6.12: Cửa sổ hiển thị lựa chọn phương án dự báo mưa 200

Hình 6.13: Cửa sổ nhập số liệu dự báo mưa 200

Hình 6.14: Cửa sổ hiệu chỉnh đường tính toán và thực đo 201

Hình 6.15: Cửa sổ hiệu chỉnh kết quả mô hình bằng phương pháp hồi quy 202

Hình 6.16: Cửa sổ hiệu chỉnh thông số của mô hình 203

Hình 6.17: Cửa sổ hiệu chỉnh đường tính toán và thực đo khi hiệu chỉnh bộ thông số của mô hình 203

Hình 6.18: Cửa sổ nhập số liệu cho mô hình HECRAS 204

Hình 6.19: Giao diện mô hình HECRAS 205

Hình 6.20: Cửa số tính toán của mô hình HECRAS 205

Hình 6.21: Cửa số mở file kết quả dự báo 206

Hình 6.22: Cửa số xem kết quả dự báo 207

Hình 6.23: Bản tin Dự báo 207

- DBST: Dự báo số trị

- GIS: Geographic Information System

- HRM: High-resolution Regional Model

- KT: Khí tượng

- Wetspa: Water and Energy Transfer between Soil, Plants and Atmosphere

- MOD: Model Output Direct

- MOS: Model Output Statistics

- TS.: Tiến sĩ

- TT DBKTTVTW: Trung tâm dự báo Khí tượng Thủy văn Trung Ương

- TV: Thủy văn

- TT: Thứ tự

- ATNĐ: Áp thấp nhiệt đới

- DHTNĐ: Dải hội tụ nhiệt đới

- KKL: Không khí lạnh

MỞ ĐẦU

Lũ lụt xảy ra hàng năm trên hệ thống sông Thu Bồn- Vu Gia thường gây

ra những tổn hại nghiêm trọng về người và tài sản Dự báo quá trình lũ cho hệ thống sông có một ý nghĩa rất quan trọng trong việc đối phó kịp thời với lũ lụt nhằm giảm thiểu những ảnh hưởng do lũ gây ra

Các nghiên cứu và mô hình tính toán dự báo dòng lũ trên hệ thống sông Thu Bồn- Vu Gia hiện nay mới bước đầu đáp ứng một phần yêu cầu của công tác phòng chống thiên tai trên hệ thống sông Kết quả của các nghiên cứu này còn nhiều hạn chế cần được nghiên cứu bổ sung cả về lý thuyết và kỹ thuật Đặc biệt, chưa có một công nghệ hoàn chỉnh tính toán dự báo dòng chảy tác nghiệp cho hệ thống sông phục vụ cho công tác phòng chống và giảm nhẹ thiên tai cũng như khai thác hợp lý tài nguyên nước trên lưu vực sông

Trong mô phỏng và dự báo các quá trình lũ, các mô hình thuỷ văn vật lý phân phối và mô hình thủy lực ngày càng trở nên phổ biến và là một công cụ đắc lực trong mô phỏng, dự báo lũ và cảnh báo ngập lụt Bên cạnh đó, với sự phát triển nhanh chóng của công cụ máy tính, sự phát triển của mô hình kỹ thuật

số, các số liệu về lớp phủ thực vật, lớp đất, các công cụ của hệ thống thông tin toàn cầu (GIS) và các thông tin viễn thám đã tạo ra một khả năng mới cho loại

mô hình này trong việc nghiên cứu, mô phỏng các quá trình thủy văn

Theo xu hướng phát triển đó, đề tài “Nghiên cứu ứng dụng mô hình WETSPA và HECRAS mô phỏng, dự báo quá trình lũ trên hệ thống sông Thu Bồn – Vu Gia” do Trung tâm Dự báo Khí tượng thủy văn Trung ương chủ trì, được thực hiện trong 2 năm từ tháng V năm 2007 đến tháng V năm 2009

Mục tiêu của đề tài là: Tạo ra một công nghệ dự báo nghiệp vụ quá trình

lũ sông Thu Bồn – Vu Gia trên cơ sở liên kết mô hình thuỷ văn WETSPA, HECRAS và GIS với thời gian dự kiến 24 giờ và cảnh báo 36 giờ

Thực hiện mục tiêu trên, nhiệm vụ chính của đề tài là nghiên cứu ứng dụng hệ thống mô hình thủy văn thủy lực hiện đại có sử dụng công nghệ GIS trong dự báo lũ lưu vực hệ thống sông Thu Bồn - Vu Gia gồm mô hình thủy văn WETSPA (của Bỉ), mô hình thủy lực HECRAS (của quân đội Mỹ) đồng thời giải quyết các bài toán cơ bản của nghiệp vụ dự báo như: sử dụng mưa dự báo, hiệu chỉnh hậu mô hình, vấn đề tính gia nhập khu giữa đối với mô hình thủy lực HECRAS, tự động cập nhật đầu vào các mô hình, giao diện phần mềm dễ sử

yêu cầu mới của công tác dự báo lũ trên lưu vực sông

Sản phẩm chính của đề tài là bản báo cáo tổng kết gồm 198 trang đánh máy, 55 bảng, 84 hình vẽ, tài liệu tham khảo và phụ lục được viết thành 6 chương với các nội dung sau:

Tài liệu tham khảo và Phụ lục

Tham gia thực hiện đề tài gồm các cộng tác viên sau: Ths Đặng Thanh Mai, Ks Bùi Đức Long, Ths Vũ Đức Long, Ths Nguyễn Thị Thu Trang, Ths Võ Văn Hòa, Ks Nguyễn Thị Tuyết Nhung, Ks Vũ Thanh Vân, Ks Phùng Tiến Dũng, Ks Nguyễn Văn Hiếu, Ks Nguyễn Thu Thủy, thuộc Trung tâm dự báo KTTV Trung ương; Ts Nguyễn Thành Long, Ts Lê Quốc Hùng, Ths Nguyễn Thị Vân thuộc Viện Nghiên cứu Địa chất và Khoáng sản; Ths Phạm Văn Chiến, Ks Nguyễn Hữu Thiêm, Ks Phùng Hồng Long thuộc Đài KTTV khu vực Trung Trung bộ Mặc dù đã cố gắng hết sức, song trong quá trình thực hiện đề tài không tránh khỏi những thiếu sót Nhóm thực hiện đề tài rất mong nhận được sự góp ý của các cơ quan cũng như các nhà khoa học Nhóm thực hiện đề tài xin chân thành cám ơn các cố vấn khoa học, cơ quan chủ quản - Trung tâm Khí tượng Thủy văn Quốc gia, đặc biệt là Phòng Dự báo thủy văn Trung bộ, Tây Nguyên và Nam bộ đã tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình thực hiện đề tài

Hà Nội, tháng 3 năm 2009

Chương I: QUY LUẬT HÌNH THÀNH LŨ VÀ VẤN ĐỀ DỰ BÁO LŨ TRÊN HỆ

THỐNG SÔNG THU BỒN – VU GIA

1.1 ĐIỀU KIỆN ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN VÀ QUY LUẬT HÌNH THÀNH LŨ

TRÊN HỆ THỐNG SÔNG THU BỒN VU GIA

1.1.1 Khái quát điều kiện địa lý tự nhiên lưu vực sông Thu Bồn – Vu Gia

Hệ thống sông Thu Bồn – Vu Gia là một trong 9 hệ thống sông lớn ở

nước ta và là hệ thống sông lớn nhất ở khu vực Trung Trung Bộ Lưu vực sông

Thu Bồn – Vu Gia được giới hạn ở phía bắc bởi dãy núi Bạch Mã - một nhánh

núi đâm ra biển ở phần cuối dãy Trường Sơn Bắc, phía tây là khối núi Nam -

Ngãi - Định thuộc phần đầu của dãy Trường Sơn Nam với những đỉnh núi cao

trên 2000m, phía tây nam là khối núi Kon Tum với đỉnh Ngọc Linh cao 2598m,

phía nam là dãy núi Nam Ngãi và phía đông là biển Những dãy núi trên chính là

đường phân nước giữa hệ thống sông Thu Bồn với sông Hương thuộc tỉnh Thừa

Thiên Huế ở phía bắc, sông Sê Công (thuộc Lào) ở phía tây, sông Sê San thuộc

địa phận tỉnh Kon Tum ở phía tây nam, các sông Tam Kỳ (tỉnh Quảng Nam),

sông Trà Bồng, Trà Khúc (tỉnh Quảng Ngãi) ở phía nam [11]

Với diện tích 11.390 km2, hệ thống sông Thu Bồn - Vu Gia bao trùm hầu

hết lãnh thổ thành phố Đà Nẵng và tỉnh Quảng Nam, trong đó có khoảng 500

km2 ở thượng nguồn sông Cái nằm ở tỉnh Kon Tum

Địa hình

Địa hình trong lưu vực hệ thống sông Thu Bồn - Vu Gia gồm có dạng địa

hình núi, trung du và đồng bằng Vùng núi là thượng nguồn các dòng sông nằm

ở sườn phía đông dãy Trường Sơn Nam Địa hình không những cao mà còn dốc

và bị chia cắt mạnh Độ cao địa hình từ 1000m trở lên với những đỉnh núi cao

trên 1000m như: Núi Mang (1768m), Bà Nà (1467m), A Tuất (2500m), Lum

Heo (2045m), núi Tiên (2032m) ở thượng nguồn sông Vu Gia, Ngọc Linh

(2598m), Hòn Ba (1358m) ở thượng nguồn sông Tranh… Vùng trung du là

vùng chuyển tiếp từ vùng núi đến đồng bằng có độ cao từ 100m đến dưới 800m

Ở trung lưu sông Thu Bồn có các dãy núi chạy theo hướng bắc nam ở các

huyện: Tiên Phước, Hiệp Đức, Quế Sơn với những đỉnh núi cao từ 500-800m

Các dải núi ở trung lưu chạy theo hướng bắc - nam cho nên độ dốc địa hình thấp

tây huyện Duy Xuyên Đây là nơi hợp lưu của các sông nhánh tương đối lớn của dòng chính sông Thu Bồn như các sông: Tranh, Trường, Tiên, Lân, Ngọn Thu Bồn, Khe Diên, Khe Le Địa hình vùng đồng bằng hệ thống sông Thu Bồn - Vu Gia thấp dưới 30 m, tương đối bằng phẳng, gồm địa phận các huyện: Đại Lộc, Duy Xuyên, Điện Bàn, Thăng Bình, thị xã Hội An, thị xã Tam Kỳ và huyện Hoà Vang (thành phố Đà Nẵng) Ở đây có một số sông nhỏ như: Khe Công, Khe Cầu, Quảng Huế Trong đồng bằng có các dải cát chạy dọc theo bờ biển với độ cao trên dưới 5m

Địa chất

Trong lưu vực hệ thống sông Thu Bồn - Vu Gia có các loại đá sau đây [11]:

- Đá kết tinh Gơ-nai, amphibolit, đá phiến thạch anh cùng với các thành tạo mác ma xâm nhập grano-dioxitgnai của vùng rìa địa khối Kon Tum Các loại

đá này phân bố chủ yếu ở vùng nam Quảng Nam, thuộc các huyện Trà My, Phước Sơn, Tiên Phước và phía nam huyện Hiệp Đức

- Đá gốc trầm tích cát bột kết hoặc đá mác ma xâm nhập thuộc phức hệ Quế Sơn, phân bố rộng rãi ở vùng bắc Quảng Nam thuộc hầu hết các huyện Hiên, Giàng, Quế Sơn, Hiệp Đức, vùng tây các huyện Hoà Vang, Đại Lộc, Duy Xuyên, Thăng Bình và một phần vùng cao phía tây các huyện Tam Kỳ, Núi Thành

- Trầm tích đệ tứ gồm các thành tạo aluvi cổ và trẻ nằm rải rác ở một số vùng đồi núi và đồng bằng ven biển, phân bố chủ yếu ở vùng đồng bằng ven biển thuộc địa phận các huyện: Hoà Vang, Điện Bàn, đông Duy Xuyên, Hội An, đông Thăng Bình, Tam Kỳ, Núi Thành

Thổ nhưỡng

Trong lưu vực hệ thống sông Thu Bồn - Vu Gia có các nhóm đất dưới đây [11]:

- Nhóm đất cồn cát và đất cát biển: Nhóm đất này có diện tích khoảng 9.779ha được hình thành ở ven biển của sông Thu Bồn từ Đà Nẵng đến Duy Nghĩa với những dải cát rộng hẹp khác nhau tuỳ theo tương tác giữa sông biển

- Nhóm đất mùn đỏ trên núi phân bố chủ yếu ở vùng núi cao Trà My

- Nhóm đất thung lũng dốc tụ phân bố ở vùng trung du và núi cao Trà My, Tiên Phước, Hiệp Đức, Quế Sơn , chiếm diện tích 3.997ha

- Kiểu rừng kín nửa rụng lá hơi ẩm nhiệt đới;

- Kiểu rừng thưa cây lá rộng hơi khô nhiệt đới;

- Kiểu rừng thưa cây lá kim hơi khô nhiệt đới;

- Kiểu rừng kín thường xanh mưa ẩm á nhiệt đới núi thấp, phân bố ở độ cao dưới 1.000m

Tính đến tháng 12/1998, diện tích rừng tỉnh Quảng Nam là 439.748ha, chiếm 38,5% diện tích toàn tỉnh, trong đó diện tích rừng tự nhiên 405.050ha, rừng trồng 34.698 ha

Mạng lưới sông suối

Hệ thống sông Thu Bồn- Vu Gia do dòng chính sông Thu Bồn và sông Vu Gia tạo thành Thượng lưu sông Thu Bồn được gọi là sông Tranh hay sông Tĩnh Gia, bắt nguồn từ vùng núi cao trên 2.000m ở sườn đông nam dãy Ngọc Linh chảy theo hướng gần bắc nam qua các huyện Trà My, Tiên Phước, Hiệp Đức và Quế Sơn, rồi chảy qua Giao Thuỷ vào vùng đồng bằng qua các huyện Duy Xuyên, Đại Lộc, Điện Bàn, Quế Sơn, đổ ra biển tại cửa Đại Ở trung thượng lưu sông Thu Bồn có một số sông nhánh tương đối lớn như: sông Ghềnh, sông Ngọn Thu Bồn, sông Vang, sông Chang (sông Khang) , sông Lâu (sông Trầu), sông Diên, Khe Le, Khe Công

Sau khi chảy qua Giao Thuỷ, sông Thu Bồn chảy vào vùng đồng bằng và tiếp nhận nước sông Vu Gia từ phân lưu Quảng Huế đổ vào, sông Thu Bồn có

nhận nước sông Ly Ly ở bờ phải, rồi lại chảy vào sông Thu Bồn ở gần cửa sông Với tên mới là sông Kỳ Lam Dòng chính sông Thu Bồn chảy qua huyện Điện Bàn và từ hạ lưu cầu Câu Lâu lại có tên là sông Câu Lâu Sau đó, sông này tách thành sông Hội An ở phía bờ tả và một phân lưu nhỏ ở dưới bờ hữu, phân lưu này nhập với sông Bà Rén và lại có tên gọi là sông Thu Bồn Sông Hội An chảy qua thị xã Hội An; sau đó nhập với sông Thu Bồn để đổ vào sông Cửa Đại, rồi chảy ra cửa Đại

Sông Kỳ Lam - sông Điện Bình, có các phân lưu: Cổ Cò, Vĩnh Điện Suối

Cổ Cò lại tách thành phân lưu Tam Giáp và sông Thanh Quít Các sông này đều chảy vào sông Vĩnh Điện Sông Vĩnh Điện dài 24 km chảy theo hướng bắc - nam, tây nam - đông bắc, đổ vào sông Hàn rồi chảy ra vịnh Đà Nẵng

Sông Vu Gia bắt nguồn từ vùng núi cao phía tây-nam tỉnh Quảng Nam, bao gồm nhiều nhánh sông lớn hợp thành (Sông Cái, sông Bung, sông Côn), diện tích lưu vực khống chế tính đến ngã ba sông Vu Gia-Quảng Huế (Aí Nghĩa) là 51.800km2 Sông Vu Gia có một số nhánh lớn gồm:

• Sông Cái: Bắt nguồn từ vùng núi cao trên 2.000m ở vùng biên giới Tây

Nam tỉnh Quảng Nam, đầu nguồn thuộc tỉnh Kon Tum (chiều dài sông nằm trên địa phận tỉnh Kon Tum khoảng 38km) Sông chảy theo hướng từ nam đến bắc rồi chuyển sang hướng từ tây nam đến đông bắc Diện tích lưu vực sông Cái tính đến trạm thủy văn Thành Mỹ là 1.850km2, với chiều dài lòng sông chính là 130km

• Sông Bung: Bắt nguồn từ vùng núi cao phía Tây Bắc tỉnh Quảng Nam,

chảy theo hướng Tây sang Đông Diện tích lưu vực là 2.297km2, chiều dài sông chính130km Sông Bung có nhiều nhánh, trong đó nhánh sông A Vương là lớn nhất có chiều dài 84km

• Sông Côn: Bắt nguồn từ vùng núi Tây Bắc huyện Hiên - tỉnh Quảng Nam

Diện tích lưu vực là 765km2, chiều dài sông tính đến cửa ra (cách cửa sông Bung khoảng 15km về phía hạ lưu): 54km

Các đặc trưng hình thái lưu vực hệ thống sông Thu Bồn - Vu Gia được trình bày trong bảng 1.1

Đặc trưng trung bình lưu vực

Độ rộng (km)

Mật độ lưới sông (km/km2)

Hệ

số hình dạng

1 Thu Bồn cửa Đại 1600 205 148 10350 552 25,5 70 0,47 0,47

- Thu Bồn có tới 10 công trình thủy điện với tổng công suất lắp máy 1.279 Mw, gấp 1,76 lần so với Nhà máy Thủy điện Yaly (Gia Lai - Kon Tum), sản lượng điện bình quân hằng năm là 4.751,3 tỷ kWh Trong đó có nhiều công trình thủy điện có các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật tốt có thể sớm đưa vào xây dựng được như

1.vv Theo Phê duyệt Quy hoạch bậc thang thủy điện hệ thống sông Vu Gia - Thu Bồn do Tổng Công ty Điện lực Việt Nam thực hiện, hệ thống sông Vu Gia - Thu Bòn gồm 8 dự án thủy điện (Hình 1.1)

• Thủy điện A Vương, mực nước dâng bình thường (MNDBT) 380m, công suất lắp máy (NLM) 210 MW;

• Thủy điện Sông Boung 2, MNDBT 570m, NLM = 100 MW;

• Thủy điện Sông Boung 4, MNDBT 5230m, nhà máy thuỷ điện trên nhánh sông Giằng NLM = 220 MW;

• Thuỷ điện Sông Giằng, MNDBT 60m, NLM = 60 MW;

• Thủy điện Đak Mi 1, MNDBT 820m, NLM = 255 MW;

• Thủy điện Dak Mi 4, MNDBT 260, nhà máy thủy điện trên nhánh sông Thu Bồn, NLM = 210 MW;

• Thủy điện Sông Côn 2, MNDBT 312,5m, NLM = 60 MW;

• Thủy điện Sông Tranh 2, MNDBT 170m, NLM = 135MW;

Các dự án thủy điện trên sông Vu Gia - Thu Bồn thực hiện đồng thời các nhiệm vụ phát điện lên hệ thống điện quốc gia; bổ sung nguồn nước về mùa kiệt cho hạ du và tham gia giảm lũ, chậm lũ cho hạ du

Trong tổng số 8 thủy điện nói trên, hiện đã có 2 thủy điện hiện đang được xây dựng gồm A Vương và Sông Côn 2 (57MW)

Hình 1.1: Bản đồ mạng lưới sông và các công trình thủy điện trên hệ thống sông Thu Bồn – Vu Gia

Vùng biển Quảng Nam- Đà Nẵng có bờ biển dài 140km và có chế độ thủy triều khá phức tạp, bờ biển dài nhưng triều ở phía bắc không hoàn toàn giống ở phía nam, nhìn chung thuộc phạm vi khu vực có chế độ bán nhật triều không đều chiếm ưu thế (mỗi ngày có 2 lần nước lên, 2 lần nước xuống không đều nhau), nhưng mỗi tháng đều có xuất hiện một số ngày nhật triều (mỗi ngày có 1lần nước lên, 1 lần nước xuống) Triều ở Quảng Nam thuộc loại triều yếu, chênh lệch giữa đỉnh và chân triều những ngày triều lớn có thể từ 1,04-1,46m, trung bình 0,8-1,2m Phạm vi ảnh hưởng triều sông Thu Bồn thường cách cửa biển không quá 30-40km Tại cửa Đại biên độ triều trung bình 1,2m, lớn nhất 1,5m, khả năng truyền vào trong xa hơn các sông khác; tại Câu Lâu cách cửa Đại 16km biên độ triều trung bình 0,95m, cao nhất 1,96m Tại cầu Kỳ Lam biên độ triều còn 0,2-0,4m, nhưng đến Giao Thủy thì không còn ảnh hưởng của triều nữa

1.1.2 Đặc điểm mưa và hình thế thời tiết gây mưa

Lưu vực sông Thu Bồn – Vu Gia có lượng mưa trung bình năm từ 1.960mm đến hơn 4.000mm Thượng lưu các sông ở khu vực miền núi phía tây

và tây nam tỉnh Quảng Nam có lượng mưa lớn (trên 3000 mm), lớn nhất là khu vực Trà My: 4050mm Vùng đồng bằng ven biển có lượng mưa trung bình năm khoảng 2.000-2.400 mm (Hình 1.2)

Mưa biến đổi theo mùa: Mùa mưa và mùa khô (mùa ít mưa) Mùa mưa hàng năm thường xuất hiện vào các tháng IX-XII, chiếm tới 60-80% tổng lượng mưa năm, còn trong mùa khô chỉ chiếm 20-40% Trong mùa khô, tháng V, VI hàng năm thường có mưa tiểu mãn Số liệu quan trắc trong thời kỳ 1975-2000 cho thấy, lượng mưa tháng lớn nhất tại Trà My đạt tới 1.894mm (X-1981); 1.716mm (XI-1985); 1.495mm (XI-1999) Lượng mưa ngày lớn nhất ứng với tần suất 5% đạt tới 800-1.000mm ở thượng lưu, 500-700mm ở hạ lưu [20] Nhìn chung, mưa giảm dần từ thượng lưu xuống hạ lưu

L−îng m−a mïa c¹n, mïa lò vµ m−a n¨m c¸c tr¹m

Hình 1.2: Lượng mưa mùa cạn, mùa lũ và mưa năm của các trạm trên lưu

vực sông Thu Bồn-Vu Gia [20]

Mưa lũ lớn ở vùng ven biển Miền Trung nói chung và hệ thống sông Thu Bồn - Vu Gia nói riêng thường do các hình thế thời tiết như: bão, áp thấp nhiệt đới, không khí lạnh, dải hội tụ nhiệt đới và các nhiễu động nhiệt đới khác như gió đông (chủ yếu là sóng đông) gây nên Các hình thế thời tiết này đơn độc hoặc kết hợp với nhau cùng tác động Đặc biệt, một số trường hợp, bão, áp thấp nhiệt đới đổ bộ liên tiếp gây mưa lũ đặc biệt lớn trên diện rộng

Trong gần 40 năm qua, trận lũ XI-1964 do bão gây ra là lớn nhất Trong vòng 13 ngày từ 4 đến 16/XI/1964 đã có 3 cơn bão liên tiếp đổ bộ vào Quy Nhơn, Tuy Hoà, Nha Trang kết hợp với không khí lạnh gây ra trận mưa lũ rất lớn trên các sông suối miền Trung Trên hệ thống sông Thu Bồn xuất hiện lũ lịch sử

Khi bão và áp thấp nhiệt đới đơn thuần ảnh hưởng trực tiếp đến khu vực thường gây ra mưa với lượng mưa trung bình 120-200mm trong thời gian khoảng 2 ngày; tổng lượng mưa lớn nhất trong một đợt có thể tới 300-400mm ở đồng bằng và 500-600 mm ở miền núi hoặc lớn hơn

Không khí lạnh tràn từ phía bắc xuống cũng gây ra mưa trên diện rộng với lượng mưa 100-200mm, có khi trên 300mm Đặc biệt, sự kết hợp tác động giữa không khí lạnh với bão, áp thấp nhiệt đới hay dải hội tụ nhiệt đới, đới gió đông

sẽ gây ra mưa đặc biệt lớn trên diện rộng Trận lũ lớn nhất trong năm 1998 ở

sông Thu Bồn là do cơn bão số 5 kết hợp với không khí lạnh và dải hội tụ nhiệt đới gây nên với lượng mưa đặc biệt lớn như Trà My 1.001mm, Tam Kỳ 674mm

Đầu tháng XI năm 1999, do ảnh hưởng của không khí lạnh có cường độ mạnh, kết hợp với hoạt động của dải hội tụ nhiệt đới có trục đi qua Nam Bộ, trong các ngày 1 đến 6/XI đã có mưa lớn ở lưu vực sông Thu Bồn – Vu Gia, với tâm mưa ở Quảng Nam - Đà Nẵng (750-1450 mm) Mưa ở trung hạ lưu sông Thu Bồn, Vu Gia lớn hơn ở thượng lưu

Tiếp sau đó, do ảnh hưởng của không khí lạnh kết hợp với hoạt động của đới gió đông tương đối mạnh và trong 2, 3 ngày đầu có áp thấp nhiệt đới di chuyển qua vùng biển nam Cà Mau, nên trong các ngày 1-7/XII/1999 đã xảy ra một trận mưa rất lớn với trung tâm mưa ở nam Quảng Nam Lưu vực sông Tam Kỳ, lưu vực sông Vu Gia, nhất là thượng nguồn các sông Cái, Bung lượng mưa phổ biến từ 370-550mm, thượng nguồn sông Thu Bồn từ 400-800mm; vùng trung và hạ lưu có lượng mưa tương đối lớn từ 650-2.000mm Hai trận mưa này không những đạt kỷ lục về tổng lượng mưa trận mà còn đạt kỷ lục về cường độ mưa (lượng mưa lớn nhất trong các thời đoạn: 6, 12 và 24 giờ) không những ở nước ta mà cũng thuộc lại lớn hiếm gặp trên thế giới [9]

1.1.3 Đặc điểm dòng chảy lũ hệ thống sông Thu Bồn – Vu Gia

Mùa lũ hàng năm trong hệ thống sông Thu Bồn – Vu Gia từ tháng IX đến tháng XII Trong mỗi mùa lũ thường có từ 3-5 trận lũ lớn Các đợt lũ thường liên tiếp xẩy ra trong thời gian ngắn tạo nên đường quá trình lũ có dạng nhấp nhô nhiều đỉnh Lũ trong hệ thống sông Thu Bồn – Vu Gia xảy ra dồn dập trong thời gian không dài và các trận lũ thường là lũ kép từ 2 đỉnh trở lên

Một trong những đặc điểm lũ trong hệ thống sông Thu Bồn – Vu Gia là lũ lên nhanh, xuống nhanh với biên độ và cường suất lũ lớn ở thượng và trung lưu,

lũ lên tương đối nhanh nhưng rút chậm ở hạ lưu

Ở thượng lưu và trung lưu các sông, do cường suất mưa lớn, địa hình dốc, lòng sông hẹp nên lũ lên nhanh xuống nhanh với cường suất lũ lên trung bình khoảng 30-70cm/giờ, lớn nhất tới 100-400cm/giờ Biên độ lũ 5,0-14,0m như: trận lũ XI/1999, biên độ lũ tại Thành Mỹ: 10,95m, tại Hiệp Đức 12,58m, tại Sơn Tân: 13,85m, tại Nông Sơn: 11,7m

Ở hạ lưu, do độ dốc lòng sông nhỏ (2%o trong đoạn sông từ Thành Mỹ đến Ái Nghĩa, 0,08%o từ Ái Nghiã đến Câu Lâu, 0,04%o từ Câu Lâu ra biển) và

hơn nữa do có nhiều phân lưu đổ ra biển cũng như tác động của thuỷ triều, địa

hình, địa vật nên lũ lên chậm hơn, và rút rất chậm khi gặp triều cường Thí dụ, trong trận lũ XI/1999, biên độ lũ lên tại các trạm ở hạ lưu khoảng 3-5m (5,46m tại Ái Nghĩa, 4,22m tại Cẩm Lệ, 4,52m tại Câu Lâu, 3,32m tại Hội An) Cường suất lũ lên trung bình khảng 5-10 cm/giờ, lớn nhất cũng chỉ đạt khoảng 20-50 cm/giờ

Thời gian lũ lên khoảng 20-60 giờ ở trung thượng lưu, ở hạ lưu: 70-80 giờ, trung bình là 48 giờ nhưng thời gian lũ rút rất dài, thậm chí 2-5 ngày điển hình như trận lũ XII/1999 Đặc biệt, mực nước duy trì ở mức cao (trên báo động cấp III) kéo dài từ 15-42 giờ, có khi tới 3-5 ngày Trong 2 trận lũ cuối năm

1999, mực nước duy trì trên mức báo động III tới hơn 5 ngày Ở hạ lưu, khi mực nước dưới báo động I, thuỷ triều ảnh hưởng rất mạnh và triều cường có thể làm gia tăng mực nước đỉnh lũ tới 15-25 cm tại Câu Lâu

Theo số liệu quan trắc trong 40 năm qua, trận lũ XI/1964 là trận lũ lớn nhất ở sông Thu Bồn - Vu Gia và nhiều sông ở Trung Trung Bộ Mực nước đỉnh

lũ sông Thu Bồn tại Câu Lâu đạt tới 5,78m, trên báo động III là 2,08m (theo cao

độ mới) Trong vòng hơn 31 năm gần đây (1977-2007) đã xẩy ra một số trận lũ đặc biệt lớn trên các sông trong hệ thống sông Thu Bồn-Vu Gia Ở nhánh sông

Vu Gia, trận lũ XI/1998 là trận lũ có mực nước đỉnh lũ cao nhất trong thời kỳ quan trắc (1977-2000), còn ở sông Thu Bồn, trận lũ XI/1998 và XII/1999 là 2 trận lũ lớn nhất ở trung và thượng lưu sông Thu Bồn

Lưu lượng lũ lớn nhất trong thời kỳ quan trắc đạt tới 10.600 m3/s tại trạm Nông Sơn trên sông Thu Bồn (XI/1998, XII/1999), 7.000 m3/s (XI/1998) tại trạm Thành Mỹ trên sông Vu Gia, tương ứng với mô đun lưu lượng đỉnh lũ bằng 3,35 m3/s.km2 và 3,78 m3/s.km2

Tuy nhiên, trận lũ XI/1964 còn lớn hơn 2 trận lũ XI/1998 và XII/1999 Mực nước đỉnh lũ (Hmax) của trận lũ XI/1999 thấp hơn Hmax của trận lũ XI/1964 tại Ái Nghĩa: 0,47m; tại Cẩm Lệ: 0,12m; tại Câu Lâu: 0,55m và tại Hội An: 0,19m

Theo kết quả điều tra, lưu lượng đỉnh lũ của trận lũ XI/1964 tại trạm Nông Sơn là 18.200m3/s, tương ứng với mô đun đỉnh lũ 5,76m3/s.km2, lớn hơn 1,7 lần so với 2 trận lũ XI/1998 và XII/1999 Trận lũ này có tần suất khoảng 3% tại Câu Lâu [20]

Nhìn chung, lũ xuất hiện tương đối đồng bộ trên các nhánh sông trong hệ thống sông Thu Bồn – Vu Gia Hệ số tương quan Qmax hàng năm giữa trạm Nông Sơn trên sông Thu Bồn với trạm Thành Mỹ trên sông Vu Gia đạt tới 0,79

Thời gian xuất hiện đỉnh lũ (Hmax) từ thượng lưu về hạ lưu không lớn, chỉ khoảng trên dưới 10 giờ Trong trận lũ XI/1999 trên sông Vu Gia, thời gian xuất hiện đỉnh lũ vào lúc 10 giờ ngày 2 tại Thành Mỹ, 5 giờ ngày 3 tại Ái Nghĩa, chênh lệch 16 giờ Trên sông Thu Bồn, thời gian xuất hiện Hmax giữa Hiệp Đức tới Sơn Tân và Nông Sơn chỉ chênh lệch nhau có 1 giờ (3 giờ ngày 3 tại Hiệp Đức; 4 giờ ngày 3 tại Sơn Tân và Nông Sơn và lúc 13 giờ ngày 3 và tại Câu Lâu

và Hội An) Như vậy, thời gian xuất hiện Hmax từ Hiệp Đức tới Câu Lâu khoảng

10 giờ

Một trong những đặc điểm quan trọng nữa là khi mưa có cường độ lớn, lũ quét thường xẩy ra ở các sông suối nhỏ có địa hình dốc, gây thiệt hại rất lớn Trận lũ lớn XI/1998 đã gây ra lũ quét ở một số huyện như Đại Lộc, Quế Sơn ; trận lũ đặc biệt lớn XI/1999 đã gây ra lũ quét trên sông Tuý Loan và nhiều nơi khác Lũ quét xảy ra bất ngờ, có sức tàn phá lớn và gây nên những thiệt hại rất nghiêm trọng về người và của cải, tàn phá môi trường sinh thái

1.1.4 Các thông tin về mạng lưới trạm, điện báo mưa và mực nước trên lưu vực hệ thống sông Thu Bồn – Vu Gia

1.1.4.1 Thông tin về mạng lưới trạm

Hệ thống sông Thu Bồn- Vu Gia có mạng lưới trạm khí tượng thủy văn khá dày, tổng số 24 trạm bao gồm 3 trạm khí tượng (Đà Nẵng, Tam Kỳ, Trà My), 11 trạm đo mưa (Trao, Khâm Đức, Bà Nà, Sơn Phước, Tiên Sa, Cẩm Lệ, Quế Sơn, Thăng Bình, Tiên Phước, Phú Ninh, Phú Ninh, Đức Phú) và 9 trạm thuỷ văn, trong đó có 2 trạm đo lưu lượng (Thành Mỹ, Nông Sơn), 8 trạm đo mực nước (Hiệp Đức, Hội Khách, Câu Lâu, Sơn Tân, Giao Thuỷ, Ái Nghĩa, Vĩnh Điện, Hội An), tại 10 trạm thuỷ văn đều có đo mưa Sơ đồ trạm KTTV được trình bày trong hình 1.2

Hầu hết các trạm có số liệu từ năm 1977 đến nay, riêng trạm khí tượng Đà Nẵng có số liệu từ năm 1931 đến nay nhưng số liệu từ năm 1931- 1976 không liên tục Tuy số lượng trạm tương đối nhiều, song phân bố không đều trên lưu vực, chủ yếu tập trung ở hạ lưu còn phần thượng lưu, vùng núi cao, nơi mưa nhiều, nước tập trung nhanh thì hầu như chưa có các trạm đo KTTV Danh sách các trạm KTTV trên hệ thống sông Thu Bồn được trình bày trong bảng 1.2

Bảng 1.2: Danh sách các trạm KTTV Trên lưu vực sông Thu Bồn- Vu Gia

3 Thành Mỹ Vu Gia 1977- nay X, H, Q X, H, Q

4 Hội Khách Vu Gia 1977- nay X, H X, H

5 Ái Nghĩa Vu Gia 1977- nay X, H X, H

13 Hiệp Đức Thu Bồn 1977- nay X, H X, H

15 Nông Sơn Thu Bồn 1977- nay X, H, Q X, H

16 Giao Thuỷ Thu Bồn 1977- nay X, H X, H

19 Vĩnh Điện Thu Bồn 1977- nay X, H Không

1.1.4.2 Thông tin về điện báo mưa và mực nước:

Mạng lưới trạm điện báo phục vụ dự báo gồm 6 trạm điện báo mưa là: Đà Nẵng, Trà My, Tam Kỳ, Khâm Đức, Tiên Phước, Trao; 9 trạm thuỷ văn: Thành

Mỹ, Hội Khách, Ái Nghĩa, Cẩm Lệ, Hội An, Hiệp Đức, Nông Sơn, Giao Thủy, Câu Lâu

Ngoài mạng lưới thông tin truyền về Trung tâm Quốc Gia Dự báo Khí tượng Thuỷ văn còn có mạng thông tin chuyên dùng Tuy nhiên mạng thông tin này cũng chỉ mới hình thành sơ bộ trong vài năm qua, chủ yếu phải nhờ vào mạng lưới trạm, trang bị thông tin của các cơ quan phòng chống lụt bão của tỉnh (địa phương) nên thường gặp rất nhiều khó khăn

Các trạm khí tượng và thủy văn đều điện báo theo chế độ được quy định trong “Mã luật điện báo” về TTDBKTTVTW

- Các trạm mưa đều điện báo mưa theo thời gian 6h từ 1/IX-31/XII

- Các trạm đo mực nước đều điện báo từ 1/IX-31/XII theo quy định về chế độ điện báo mùa lũ

Hình 1.3: Bản đồ mạng lưới trạm KTTV trên lưu vực sông Thu Bồ - Vu Gia và vùng lân cận

1.2 VẤN ĐỀ DỰ BÁO LŨ TRÊN HỆ THỐNG SÔNG THU BỒN – VU GIA

VÀ LUẬN CHỨNG CHỌN KIỂU MÔ HÌNH

1.2.1 Tổng quan những phương án, phương pháp đang được sử dụng trong

dự báo nghiệp vụ trên lưu vực sông Thu Bồn – Vu Gia

Tại Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương và Đài KTTV khu vực Trung Trung Bộ, trong các năm qua chỉ tiến hành cảnh báo, dự báo lũ cho hệ thống sông Thu Bồn - Vu Gia khi có lũ Nhiều phương pháp đã và đang được sử dụng

để cảnh báo đỉnh lũ trên hệ thống sông như:

- Phương pháp tương tự dựa trên sự phân biệt hình thế thời tiết tương nguyên nhân gây lũ để phân tích, cảnh báo lũ Phương pháp có các bước :

tự-+ Chọn những hình thế thời tiết tương tự về đặc trưng các hệ thống thời tiết đã dự báo như vị trí đổ bộ của bão, cấp gió, không khí lạnh và các nhiễu động khác, về thời gian xuất hiện, chế độ ẩm, nhiệt

+ Dựa vào những hình thế thời tiết tương tự dự báo đỉnh lũ theo năm tương tự

+ Hiệu chỉnh đỉnh lũ dự báo bằng cách so sánh với mưa thực tế

Phương pháp cho phép kéo dài thời gian dự kiến, nhận định chung về tình hình lũ có khả năng diễn ra trên từng lưu vực sông Tuy nhiên, phương pháp này mang tính chất thống kê, kinh nghiệm và chưa có sự nghiên cứu định lượng các chỉ tiêu dự báo

- Phương pháp cảnh báo mực nước đỉnh lũ tại một số vị trí khi có lũ lớn (từ báo động II trở lên) Phương pháp này dựa trên việc xây dựng các quan hệ giữa tổng lượng mưa lưu vực với đỉnh lũ hoặc biên độ lũ tại vị trí cảnh báo, có xét đến các nhân tố ảnh hưởng như thời gian mưa, cường độ mưa, mực nước chân lũ, tổng lượng lũ tuyến trên, lượng gia nhập khu giữa Nhược điểm của phương pháp là thời gian dự kiến ngắn, thường chỉ 6 đến 12 giờ Muốn kéo dài thời gian dự kiến phải dựa vào dự báo mưa mà hiện nay độ chính xác của dự báo mưa còn thấp, khó vận dụng được trong cảnh báo lũ, chưa đáp ứng được việc kéo dài thời gian dự kiến lên 24 – 36 giờ Cụ thể là các phương án sau:

Phương án dự báo lũ tại Ái Nghĩa từ Thành Mỹ:

Thời gian dự kiến (dự báo trước) của phương án là: 6 giờ

Phương án cảnh báo lũ tại Aí Nghĩa từ mưa lưu vực:

Thời gian dự kiến của phương án trung bình là 12 giờ

Phương án dự báo lũ tại Cẩm Lệ từ Ái Nghĩa:

Thời gian dự kiến của phương án là 6-8 giờ

Phương án dự báo lũ tại Giao Thuỷ từ Hiệp Đức, Nông Sơn:

Thời gian dự kiến của phương án: 6-10 giờ

Phương án dự báo lũ tại Câu Lâu từ Giao Thuỷ:

Thời gian dự kiến của phương án: 3-4 giờ

Phương án dự báo lũ tại Hội An từ Câu Lâu:

Thời gian dự kiến của phương án: 4 giờ

Nhìn chung, các công cụ và kỹ thuật phục vụ cảnh báo, dự báo lũ đang được sử dụng cho hệ thống sông Thu Bồn- Vu Gia phần lớn là lạc hậu, đã được xây dựng từ lâu nhưng chưa được đầu tư nghiên cứu đúng mức, không còn phù hợp với điều kiện thực tế và yêu cầu hiện nay Phần lớn những công cụ kỹ thuật hiện nay đều ở dạng biểu đồ, thống kê, hầu như chưa có mô hình hoặc công nghệ nào được sử dụng trong nghiệp vụ cảnh báo, dự báo lũ, ngập lụt trên hệ thống sông Công tác tổ chức dự báo, thu thập thông tin và mạng lưới trạm, chế

độ dự báo còn nhiều hạn chế Do vậy, những kết quả cảnh báo, dự báo kém chính xác và đa phần phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm của các dự báo viên Thời gian dự kiến ngắn, dự báo đỉnh chỉ từ 12 - 24 giờ, đối với cảnh báo lũ theo các cấp báo động chỉ từ 24 đến 36 giờ, hiệu quả của cảnh báo và dự báo chưa cao Chưa có phương án dự báo quá trình lũ cho hệ thống sông để đáp ứng tốt và đầy đủ cho những yêu cầu ngày càng đa dạng, ngày một cao của sự phát triển kinh tế xã hội

1.2.2 Tình hình nghiên cứu về mô hình thủy văn, thủy lực trên thế giới và ở Việt Nam

Sau nhiều năm phát triển và ứng dụng các mô hình thủy văn, trong những năm gần đây các mô hình tính toán thủy văn có sử dụng hệ thống thông tin địa

lý GIS tỏ ra có nhiều ưu điểm vượt trội

Các mô hình thủy văn kết nối với các mô hình thủy lực 1, 2 chiều sẽ là công cụ mạnh trong tính toán dự báo quá trình lan truyền lũ

Một số phần mềm tổng hợp dự báo thủy văn đã được nghiên cứu ứng dụng tại Việt Nam

- Phần mềm dự báo lũ của Viện Thuỷ lực Đan Mạch (Danish Hydaulics Institute, DHI) gồm: mô hình NAM tính toán dự báo dòng chảy từ mưa và mô hình MIKE-11: tính toán thuỷ lực, dự báo dòng chảy trong sông và cảnh báo

ngập lụt Phần mềm này, đã được áp dụng rất rộng rãi tại Bangladesh, Thái Lan, Indonesia, Nhật Bản, Trung Quốc v.v và hiện đang sử dụng khá nhiều ở Việt Nam Đây là phần mềm thương mại

- Phần mềm ISIS do Wallingford và Hacrow (Anh) xây dựng gồm các

mô dun: Mô hình đường đơn vị tính toán và dự báo dòng chảy từ mưa và mô hình ISIS tính toán thuỷ lực, dự báo dòng chảy trong sông và cảnh báo ngập lụt Phần mềm này đã được áp dụng ở nhiều nước trên thế giới; đang được áp dụng cho sông Mêkông trong chương trình sử dụng nước do Uỷ hội Mêkông Quốc tế chủ trì Ở Việt Nam, mô hình ISIS được sử dụng để tính toán trong dự án phân

lũ và phát triển thuỷ lợi lưu vực sông Đáy do Hà Lan tài trợ

- Trung tâm thuỷ văn ứng dụng thuộc quân đội Mỹ đã xây dựng bộ mô hình HEC, trong đó có các phần mềm: HEC-HMS: Tính tương quan mưa dòng chảy; HEC-RAS phân tích mạng lưới sông, tính toán sự truyền lũ trong hệ thống sông và HEC-GeoRAS là phần mềm để diễn toán diện và độ sâu ngập lụt Các phần mềm này được kết hợp thành bộ phần mềm tính toán lũ và ngập lụt tương đối hoàn hảo Mô hình đã được áp dụng ở nhiều nơi trên thế giới, trong đó có Indonesia, Thái Lan và Việt Nam Đây là phần mềm thương mại

- Cơ quan Thời tiết Quốc gia Mỹ (NWS) đã xây dựng hệ thống dự báo thuỷ văn tác nghiệp NWSRFS (National Weather Service River Forecasting System) trong đó sử dụng mô hình SACRAMENTO và mô hình SSARR để tính toán dòng chảy từ mưa (lượng mưa dự báo từ 1-5 ngày được tính bằng mô hình MM5), các phương pháp diễn toán thuỷ văn được dùng để diễn toán lũ trong các đoạn sông và mô hình thuỷ lực FLDWAV được dùng để tính toán thuỷ lực trong các trường hợp khẩn cấp như phân lũ, tràn vỡ đê, vỡ đập

- Một trong các mô hình thông số phân phối được áp dụng tại Việt Nam là

mô hình MARINE (Modelisation de l’Anticipation du Ruissellement at des Inondations pour des événements Extrêmes) do Viện Cơ học chất lỏng Toulouse phát triển (IMFT – Institut de Mecanique de Fluides de Toulouse) và đã được chuyển giao cho Viện Cơ học chất lỏng Hiện nay mô hình này đang được ứng dụng tại Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương trong đề tài cấp Bộ “Nghiên cứu xây dựng công nghệ dự báo lũ hệ thống sông Hồng phục vụ điều tiết hồ Hoà Bình trong công tác phòng tránh lũ lụt”

1.2.3 Một số nghiên cứu tính toán mô phỏng lũ tiêu biểu đối với lưu vực sông Thu Bồn – Vu Gia

Trên lưu vực đã có một số các đề tài nghiên cứu trước đó về vấn đề dự báo

lũ, đáng chú ý nhất là đề tài cấp Bộ năm 2001 về ”Điều tra, nghiên cứu và cảnh báo lũ lụt phục vụ phòng tránh thiên tai ở các lưu vực sông Miền Trung” do

PGS TS Cao Đăng Dư làm chủ nhiệm Trong đề tài này có phần nghiên cứu áp dụng mô hình toán thủy văn để tính toán dự báo lũ và tính toán ngập lụt cho hệ thống sông Thu Bồn do TS Trần Thục, Ths Huỳnh Lan Hương, Ths Đặng Thu Hiền Viện KTTV thực hiện Các mô hình được ứng dụng gồm: mô hình HMS (Hydrologic Modeling system), mô hình TANK, mô hình mạng thần kinh nhân tạo (ANN) Mô hình HMS và TANK được dùng để tính toán lưu lượng cho hai trạm Nông Sơn, Thành Mỹ và tính nước đến hồ chứa Phú Ninh trên sông Tam

Kỳ Mô hình ANN dùng để tính toán mực nước các trạm Giao Thủy, Ái Nghĩa và Câu Lâu Số liệu được dùng là mưa thực đo 6 giờ và lưu lượng thực đo thời đoạn giờ trận lũ các năm 1998 và 1999 của các trạm trên lưu vực

Trong nghiên cứu tính toán nguy cơ ngập lụt hạ lưu hệ thống sông Thu Bồn – Vu Gia – Tam Kỳ, mô hình thủy động lực kết hợp 1 và 2 chiều được đã

được áp dụng Nghiên cứu đã áp dụng mô hình VRSAP 1 chiều và mô hình kết

nối giữa 1 chiều và 2 chiều (DHM) Số liệu được sử dụng là số liệu các trận lũ của hai năm 1988, 1999 Kết quả tính toán bao gồm mực nước tại các trạm hạ lưu sông: Giao Thủy, Ái Nghĩa, Câu Lâu và diện ngập, độ sâu ngập tại hạ lưu cho hai năm này Mô hình cũng được áp dụng để tính toán nguy cơ ngập lụt trên lưu vực sông ứng với các tần suất khác nhau của lũ thượng nguồn và lượng mưa khu giữa Đề tài đã xây dựng bản đồ hiện trạng ngập lụt và đánh giá thiệt hại do

lũ lụt gây ra bao gồm điều tra khảo sát tình hình ngập lụt trong các trận lũ đặc biệt lớn, xác định vị trí vết lũ trên bản đồ UTM tỷ lệ 1/25.000 và tỷ lệ 1/10.000, phân vùng độ sâu ngập lụt, xây dựng các phương án tính nguy cơ và cảnh báo ngập lụt

2- Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ “Đánh giá tác động của sự biến đổi địa hình lòng sông tại ngã ba sông Quảng Huế – Vu Gia – sông Yên ảnh hưởng đến dòng chảy hạ lưu sông Thu Bồn – Vu Gia” Chủ nhiệm đề tài là Ks Lê Viết

Xê, Đài Khí tượng thủy văn khu vực Trung – Trung Bộ Đề tài đã lập bản đồ

đánh giá hiện trạng địa hình lòng sông khu vực ngã ba sông Quảng Huế – Vu Gia – sông Yên và xác định phân phối dòng chảy năm, dòng chảy lũ, dòng chảy

cạn và sự phân bố theo không gian, thời gian trên các sông đổ vào, chảy ra ngã

ba sông để đánh giá mức độ phân phối dòng chảy từ sông Vu Gia vào khu vực

hạ lưu sông Thu Bồn – Vu Gia so với trước khi có cửa sông mới

3- Đề tài nghiên cứu khoa học cấp cơ sở năm 2005 ứng dụng mô hình

HEC-RAS nghiên cứu tính toán lũ lụt cho hệ thống sông Thu Bồn – Vu Gia của Trường Cao đẳng Tài nguyên và môi trường do Ks Hoàng Thị Nguyệt Minh làm chủ nhiệm Đề tài đã sử dụng mô hình toán thủy lực HEC – RAS để tính toán

mô phỏng dòng chảy các trận lũ lớn trên cấp báo động II trong mùa lũ năm 1999 tại các trạm chính trên hệ thống sông Thu Bồn – Vu Gia Đề tài mới dừng ở mức

mô phỏng một năm số liệu, chưa có khả năng ứng dụng vào dự báo

4 - Đề tài cấp cơ sở năm 2004 “Áp dụng mô hình toán trong dự báo mực nước lũ sông Thu Bồn – Vu Gia“ do Ks Hoàng Tấn Liên - Đài KTTV khu vực Trung Trung bộ làm chủ nhiệm Đề tài đã sử dụng mô hình MUSKINGUM để

dự báo mực nước cho các trạm hạ lưu hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn và xây dựng một phần mềm dự báo cho kết quả tương đối tốt Tuy nhiên, đề tài không

có phương án dự báo dòng chảy từ mưa cho các trạm thượng lưu hệ thống sông

và khu giữa

5- Báo cáo khoa học ”Nghiên cứu ứng dụng mô hình dự báo lũ cho sông

Vu Gia-Thu Bồn” của thạc sĩ Nguyễn Hoàng Sơn- Trường đại học Thủy lợi đăng trong tạp chí Khoa học kỹ thuật Thủy lợi và Môi trường Trong nghiên cứu này tác giả đã sử dụng mô hình thủy văn HEC-HMS và mô hình thủy lực HECRAS để mô phỏng dự báo lũ cho hệ thống sông Thu Bồn – Vu Gia trong ba trận lũ lớn 11/1998, 12/1999 và 11/2004 Mô hình HEC-HMS dùng để tính lưu lượng tuyến trên Mô hình HEC-RAS được dùng để tính toán thủy lực hệ thông sông Kết quả đầu ra của mô hình HEC-HMS được sử dụng làm kết quả đầu vào cho mô hình HECRAS Kết quả tính toán thủy lực được kết hợp với dữ liệu GIS bằng phần mềm HEC-GEORAS chạy trên nền ARCview GIS để tính toán xây dựng bản đồ ngập lụt

Các công trình nghiên cứu về tính toán dự báo lũ trên lưu vực sông Thu Bồn – Vu Gia từ trước đến nay đã đề cập đến một số các nội dung rất quan trọng là:

- Tính toán mô phỏng lũ tại các vị trí chính trên hệ thống sông Thu Bồn - Vu Gia cho các trận lũ lớn sử dụng các mô hình thủy văn và thủy lực

- Điều tra nghiên cứu và mô phỏng hiện trạng ngập lụt của những năm lũ lớn

- Tính toán nghiên cứu nguy cơ ngập lụt cho các trận lũ có tần suất khác nhau

- Xây dựng bản đồ ngập lụt, cảnh báo nguy cơ ngập lụt

Tuy nhiên việc nghiên cứu dự báo lũ trên hệ thống sông Thu Bồn - Vu Gia vẫn

còn một số vấn đề còn tồn tại:

- Các phương án dự báo cho lưu vực sông được xây dựng dưới dạng các phương trình hồi quy và các mô hình tham số tập trung sử dụng cho các lưu vực lớn, chưa có biện pháp cập nhật được sai số do sự thay đổi địa hình, biến đổi của mưa theo không gian và thời gian

- Các công trình nghiên cứu chỉ chủ yếu dừng ở mức mô phỏng và dự báo thử nghiệm cho hai năm 1998 và 1999 Bộ thông số của các mô hình chỉ được xây dựng trên cơ sở số liệu của các trận lũ lớn trong hai năm này và chưa được kiểm nghiệm

- Mức đảm bảo của tính toán, dự báo chưa cao

- Chưa xây dựng được các công nghệ dự báo hoàn chỉnh với các giao diện thuận lợi, thân thiện và tự động hóa từ bước thu nhận số liệu đến ra bản tin

- Hệ thống mô hình sử dụng tuy nhiều nhưng chưa đáp ứng được nhu cầu dự báo là đảm bảo sự linh hoạt, thuận tiện, chính xác và chưa được liên kết với nhau

- Chưa khai thác và ứng dụng, sử dụng các số liệu đo mưa từ Rada và ảnh vệ tinh, các công nghệ, sản phẩm số trị mới, các kỹ thuật GIS và viễn thám

1.2.4 Luận chứng cho việc chọn mô hình tính toán và dự báo dòng chảy lũ trên hệ thống sông Thu Bồn – Vu Gia

Các nghiên cứu và mô hình tính toán dự báo lũ trên hệ thống sông Thu Bồn- Vu Gia mới bước đầu đáp ứng một phần yêu cầu của công tác phòng chống thiên tai trên hệ thống sông Kết quả của các nghiên cứu này còn nhiều hạn chế cần được nghiên cứu bổ sung cả về lý thuyết và kỹ thuật Đặc biệt, chưa

có một công nghệ hoàn chỉnh tính toán dự báo dòng chảy tác nghiệp cho hệ thống sông phục vụ công tác phòng chống và giảm nhẹ thiên tai cũng như khai thác hợp lý tài nguyên nước trên lưu vực sông

Đặc tính lũ trên hệ thống sông Thu Bồn – Vu Gia là lũ lên nhanh với cường suất lớn ở thượng lưu, kéo dài và gây ngập lụt ở vùng hạ lưu, lượng dòng chảy gia nhập khu giữa biến đổi rất phức tạp và thay đổi trong phạm vi rộng Các tâm mưa biến đổi trong không gian, theo các hình thế gây mưa và theo độ cao địa hình Với các đặc điểm như vậy, để mô phỏng và dự báo lũ cho các vị trí chính trên hệ thống sông thì rất cần xây dựng một kiểu mô hình cho phép diễn

toán quá trình truyền lũ trong sông, phản ứng nhạy với hiện tượng mưa sinh lũ

để tổng hợp dòng chảy từ mưa trên các lưu vực bộ phận và tính toàn dòng chảy gia nhập khu giữa tương ứng với quá trình mưa, đồng thời dễ dàng cập nhập và

số liệu địa hình chi tiết về lưu vực, mặt cắt hay số liệu đo đạc thuỷ văn

- Mô hình thuỷ lực được sử dụng để tính toán dòng chảy trong dòng chính, nơi mà các thông tin về địa hình, dòng chảy thường có đầy đủ, chi tiết hơn, đảm bảo cho việc sử dụng các phương trình toán - lý, thuỷ lực để miêu tả quá trình truyền lũ trong sông

Xuất phát từ yêu cầu của công tác phòng chống thiên tai trên hệ thống sông và điều kiện thực tế hiện nay về các mô hình tính toán dự báo, thông tin, số liệu, vấn đề đặt ra trong đề tài này sẽ là :

- Nghiên cứu ứng dụng mô hình thủy văn vật lý phân phối sử dụng các kỹ thuật GIS, thông tin viễn thám, và các sản phẩm dự báo mưa vào mô phỏng, dự báo quá trình lũ trên hệ thống sông Thu Bồn – Vu Gia

- Nghiên cứu kết hợp mô hình thủy văn thông số phân phối với mô hình thủy lực tạo ra một công cụ hiện đại trong tính toán, dự báo lũ cho mọi vị trí trên lưu vực và trên mạng lưới sông

- Xây dựng một hệ thống cảnh báo, dự báo lũ cho lưu vực sông đảm bảo

các tiêu chí chính xác, thuận tiện, dễ sử dụng

Để đảm bảo các mục tiêu trên, Đề tài đã lựa chọn 1 hệ thống hai mô hình gồm mô hình thủy văn kết hợp với mô hình thủy lực:

1 - Mô hình WETSPA (Water and Energy Transfer between Soil, Plants and Atmosphere) là một mô hình thủy văn vật lý phân phối mô phỏng sự trao đổi năng lượng giữa lớp đất, lớp phủ thực vật và khí quyển Mô hình được phát triển tại phòng thí nghiệm thủy văn và thủy lực, khoa Khoa học ứng dụng, trường đại học Tự do Bruxels, Vương quốc Bỉ Mô hình đầu tiên được tiến sĩ Wang xây dựng vào năm 1996, sau đó được phát triển cho dự báo lũ vào năm

2000 bởi giáo sư, tiến sĩ De Smedt Đến năm 2003, mô hình đã được tiến sĩ Liu cải tiến Mô hình đã được ứng dụng một cách hiệu quả cho việc mô phỏng quá trình lũ tại Luxembourg, Bỉ, Slovakia và đang được nghiên cứu ứng dụng để tính toán, mô phỏng lũ, sạt lở, và ô nhiễm nước cho các lưu vực sông khác ở châu Phi và Iran Tại Việt Nam, Mô hình WETSPA đã bước đầu được ứng dụng trong đánh giá ảnh hưởng sự biến đổi tình hình sử dụng đất đến dòng chảy mặt lưu vực sông Lam [16] và tính toán dòng chảy lưu vực sông Hương [22]

Mô hình thủy văn vật lý phân phối WETSPA xét đến sự phân phối theo không gian của dòng chảy và các thông số của lưu vực cũng như tính chất vật lý của các thông số này Cùng với sự phát triển nhanh chóng của công cụ máy tính,

sự phát triển của mô hình kỹ thuật số, các số liệu về lớp phủ thực vật, lớp đất, các công cụ GIS và các thông tin viễn thám đã tạo ra một khả năng mới cho mô hình trong việc nghiên cứu các quá trình vật lý cơ bản trong vòng tuần hoàn nước và giải các phương trình toán học mô phỏng các quá trình này Mô hình thủy văn ứng dụng công nghệ GIS như mô hình WETSPA là hướng tiếp cận mới

so với phương pháp tiếp cận truyền thống để mô phỏng dòng chảy từ mưa Rất nhiều cơ quan nghiên cứu thủy văn trong nước và trên thế giới cũng đi theo hướng phát triển này Việc kết hợp mô hình vật lý phân phối WETSPA với các

kỹ thuật GIS và thông tin viễn thám trong dự báo thủy văn cho phép dự báo dòng chảy trên lưu vực đầy đủ, chính xác và hiệu quả hơn, đồng thời mô hình WETSPA cho phép tính toán, dự báo dòng chảy cho những lưu vực bộ phận nhỏ dựa trên các đặc trưng vật lý về thảm phủ thực vật, tính chất vật lý của đất tại mỗi ô nên là một công cụ thuận tiện, hiệu quả cho việc dự báo lũ quét và sạt lở đất tại các khu vực miền núi nơi có điều kiện mặt đệm và điều kiện KTTV dễ gây ra lũ quét và sạt lở

Mô hình WETSPA được đào tạo, cung cấp phần mềm và phần mã nguồn miễn phí trong khuôn khổ hợp tác đào tạo tiến sĩ giữa khoa Khoa học ứng dụng, trường đại học Tự do Bruxels, Vương quốc Bỉ và Trung tâm KTTV Quốc gia Với phần mã nguồn mở này, mô hình dễ dàng được sửa đổi để áp dụng cho phù hợp với điều kiện thực tế về số liệu, thông tin cho các lưu vực sông tại Việt Nam

Hiện nay trên lưu vực đang xây dựng rất nhiều công trình và hệ thống hồ chứa Các công trình này có tác động rất lớn đến dòng chảy lũ lưu vực sông Để đáp ứng được nhu cầu thực tế, nâng cao chất lượng dự báo mô hình có thể phát

triển theo hướng tích hợp thêm module mô phỏng dòng chảy đến các hồ chứa, cân bằng và điều tiết hồ chứa cũng như tính đến tác động của hồ chứa đến dòng chảy hạ lưu

2 HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center’s River Analysis System) được xây dựng để tính toán thuỷ lực dòng một chiều cả ổn định và không ổn định cho mạng lưới sông suối tự nhiên hay các kênh nhân tạo Phần tính toán cho trường hợp dòng chảy không ổn định xây dựng để tính toán thuỷ lực cho mạng lưới sông, có xét đến khu chứa (ô ruộng), các bãi ven sông, các công trình trên sông như đập tràn, cống ngầm, đê bối, cầu Mô hình HEC-RAS là mô hình tương đối hoàn thiện, có nhiều chức năng quan trọng, giao diện thân thiện, dễ sử dụng, có đầu vào mở có thể dễ dàng tích hợp với cơ sở dữ liệu khác Mô hình HEC-RAS

đã được nhiều cơ quan như Viện KTTV, Viện KHTL, trường Đại học Thủy lợi, Trung tâm KHTN & CNQG áp dụng thành công trong tính toán dự báo lũ và ngập lụt vùng hạ lưu các sông ở Việt Nam Hiện nay Viện KTTV đang chạy thử nghiệm mô hình HEC-RAS dự báo lũ cho hệ thống sông Trà Khúc Trung tâm KHTN & CNQG đã sử dụng mô hình HEC-RAS xây dựng phần mềm dự báo diện và mức độ ngập lụt các sông vừa và nhỏ ở miền Trung Đối với lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn mô hình này đã được nhiều tác giả nghiên cứu áp dụng trong cảnh báo ngập lụt như Trường ĐHTL, Trường Cao đẳng Tài nguyên và môi trường, Viện địa lý thuộc Trung tâm KHTN & CNQG Do đó, đề tài có thể

sử dụng một phần các kết quả nghiên cứu này, tiếp tục phát triển, đầu tư, hoàn thiện cho phần hiệu chỉnh các thông số của mô hình, liên kết với mô hình khác, phần mềm liên kết các mô đun và cơ sở dữ liệu tác nghiệp; hiệu chỉnh, cập nhật sai số để đưa công nghệ vào sử dụng dự báo tác nghiệp

Mô hình HEC-RAS có thể được tải xuống miễn phí từ trang Web của Trung tâm thuỷ văn ứng dụng thuộc quân đội Mỹ: http://www.hec.usace.army.mil/software/hec-ras/hecras-download.html

Chương II:

MÔ HÌNH WETSPA, MÔ HÌNH HECRAS VÀ HƯỚNG NGHIÊN

CỨU XÂY DỰNG CÔNG NGHỆ DỰ BÁO QUÁ TRÌNH LŨ HỆ

THỐNG SÔNG THU BỒN-VU GIA 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MÔ HÌNH WETSPA

2.1.1 Cấu trúc và các giả thiết của mô hình

Mô hình thủy văn WETSPA được viết bằng ngôn ngữ Fortran 9.0 đang

được xây dựng và hoàn thiện WETSPA là mô hình có thông số phân bố, toàn

bộ lưu vực nghiên cứu được chia thành các ô lưới vuông có kích cỡ bằng nhau

Mỗi ô lưới có thông số riêng, nhận một giá trị mưa và dòng chảy được hình

thành trên từng ô Cuối cùng, mô hình WETSPA liên kết các ô lưới lại với nhau

theo hướng chảy tạo mạng sông và tính toán dòng chảy tại cửa ra của các lưu

vực Trong đề tài này, mô hình WETSPA được ứng dụng để mô phỏng, tính

toán và dự báo kiểm tra dòng chảy khu giữa từ mưa trên lưu vực hệ thống sông

Thu Bồn - Vu Gia

2.1.1.1 Cấu trúc của mô hình

WETSPA là mô hình thủy văn vật lý phân phối dùng để mô phỏng sự trao

đổi năng lượng giữa lớp đất, thực vật và khí quyển trên phạm vi lưu vực hoặc

khu vực Mô hình được phát triển tại phòng nghiên cứu Thuỷ văn Thủy lực,

Khoa khoa học ứng dụng đại học tự do Brusels, Vương quốc Bỉ Mô hình quan

niệm một hệ thống thủy văn lưu vực là tổ hợp của các quá trình khí quyển, hấp

thu thực vật, vùng rễ cây, vùng chuyển nước và vùng bão hoà

Lưu vực được phân chia thành các ô lưới đồng nhất Mỗi một ô lại được

chia thành các phần có lớp phủ, và phần không thấm Nước dịch chuyển trong

lớp đất theo hướng dọc gồm thấm xuống dưới, ngấm qua lớp đất không bão hoà

và ngấm xuống vùng nước ngầm