PHÂN HIỆU TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN NĂM 2018 TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KẾT HỢP GIỮA GIS VÀ MÔ HÌNH HEC-GeoRAS ĐỂ BIÊN TẬP DỮ LIỆU Đ
Tính cấp thiết của đề tài
Năm 2017 được đánh giá là năm kỷ lục của thiên tai xảy ra tại Việt Nam: Xuất hiện
16 cơn bão, lũ lịch sử trái quy luật Thiệt hại do thiên tai gây ra lên tới 60.000 tỷ đồng
Việt Nam đang phải đối mặt với những tác động nghiêm trọng từ biến đổi khí hậu Để nâng cao khả năng ứng phó với lũ lụt, bên cạnh các biện pháp công trình như bờ, kè, đê và hồ chứa, các giải pháp phi công trình cũng đóng vai trò quan trọng Việc xây dựng bản đồ ngập lụt có thể đạt được hiệu quả đáng tin cậy thông qua việc mô phỏng bằng các mô hình thủy văn và thủy lực.
Do đó, đề tài được đề xuất là một trong những bước rất quan trọng trong việc xây dựng bản đồ ngập lụt.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu biên tập dữ liệu đầu vào của mô hình thủy lực HEC-RAS trên cơ sở kết hợp giữa GIS và mô hình HEC-GeoRAS.
Các nhiệm vụ yêu cầu của đề tài
- Tổng quan về hệ thống thông tin địa lý (GIS) và mô hình thủy lực HEC-RAS;
- Nghiên cứu ứng dụng phần mềm ArcGIS kết hợp với công cụ HEC-GeoRAS trong việc biên tập dữ liệu đầu vào cho mô hình thủy lực HEC-RAS;
- Mô phỏng dòng chảy ở hạ lưu sông Se San dựa trên bộ dữ liệu đầu vào đã được biên tập.
Kết cấu của đề tài
Nội dung của đề tài bao gồm các chương:
Chương 1: Tổng quan tài liệu
Chương 2: Dữ liệu và phương pháp
Chương 3: Ứng dụng mô phỏng dòng chảy hạ lưu sông Sê San Chương 4: Kết luận và kiến nghị
DỮ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
THU THẬP DỮ LỆU
Thu thập và xử lý số liệu là bước đầu tiên trong việc xây dựng mô hình toán học Dựa trên các mô hình, cần thu thập và xử lý tài liệu, số liệu liên quan để phục vụ cho tính toán Đối với đề tài sử dụng mô hình thủy lực HEC–RAS và HEC–GeoRAS, các tài liệu cần thiết bao gồm bản đồ số độ cao (DEM), bản đồ sử dụng đất và số liệu khí tượng thủy văn.
2.1.1 Tài liệu mô hình số độ cao (DEM)
Trong quá trình phân định lưu vực sông Sê San, dữ liệu DEM được sử dụng và đăng ký theo hệ tọa độ UTM WGS 84 múi 48 Dữ liệu này sau đó được nhập vào ArcGIS để chồng lớp với mạng lưới sông Sê San Qua đó, việc xác định mạng lưới sông cần nghiên cứu cùng với các số liệu liên quan trở nên dễ dàng hơn.
Hình 2.1: Vị trí sông Sê San
Thống kê lưu lượng dòng chảy trung bình theo ngày trong tháng 9 và 10 năm 2009 tại các nhánh sông vùng hạ lưu lưu vực sông Sê San được trình bày trong Bảng 2.1 và 2.2.
Ngày Lưu lượngdòngchảy(m 3 /s) Ngày Lưu lượngdòngchảy(m 3 /s)
Bảng 2.1: Bảng lưu lượng dòng chảy tại biên dưới hạ lưu lưu vực sông Sê San giai đoạn tháng 9 và tháng 10 năm 2009 (đơn vị m 3 /s)
Ngày Lưu lượngdòngchảy(m 3 /s) Ngày Lưu lƣợngdòngchảy(m 3 /s)
Bảng 2 2: Lưu lượng dòng chảytại biên trên hạ lưu lưu vực sông Sê San giai đoạn tháng 9 và 10 năm 2009 (đơn vị m 3 /s)
2.1.2.2 Độ cao mực nước Độ cao mực nước theo ngày trong các tháng 9 và 10 năm 2009 tại các nhánh sông vùng hạ lưu lưu vực sông Sê San được thể hiện tại Bảng2.3
Ngày Độ cao mặt nước
(m) Ngày Độ cao mặt nước
Bảng 2 3 Độ cao mực nước tại biên dưới hạ lưu lưu vực sông Sê San giai đoạn tháng 9 và tháng 10 năm 2009 (đơn vị m)
2.1.2.3 Dữ liệu sử dụng đất
Xác định hệ số nhám Manning là rất quan trọng trong tính toán thủy lực của lòng dẫn hở, ảnh hưởng đến độ chính xác của mô hình Hệ số nhám thay đổi tùy thuộc vào loại địa hình và các trường hợp cụ thể Nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm độ nhám bề mặt, sự hiện diện của cây cỏ xung quanh, và hình dạng của lòng dẫn, như lòng sông.
Tài liệu sử dụng đất được trình bày qua bản đồ hiện trạng, sử dụng phần mềm ArcGIS để khai thác thông tin và số liệu từ bản đồ này, từ đó làm cơ sở tính toán hệ số nhám (Manning) phục vụ cho việc chạy mô hình.
Hình 2.1: Bản đồ sử dụng đất lưu vực sông
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.2.1 Tình hình nghiên cứu mô phỏng dòng chảy (ngập lụt) trong và ngoài nước
2.2.1.1 Các nghiên cứu trên thế giới
Lũ lụt là thiên tai gây thiệt hại nghiêm trọng cho con người, do đó, việc quản lý và đánh giá tác động của lũ đến đời sống nhân dân là rất quan trọng Các nhà khoa học ngày càng chú trọng đến việc mô phỏng và thành lập bản đồ ngập lụt Gần đây, một phương pháp phổ biến được áp dụng là sử dụng các mô hình thủy lực để mô phỏng dòng chảy, từ đó tạo ra bản đồ ngập lụt và mô phỏng ảnh hưởng của lũ do vỡ đập Các nghiên cứu tiêu biểu trong lĩnh vực này đang được thực hiện để nâng cao hiệu quả quản lý lũ lụt.
Daniel Jilles và Matthew Moore (2010) đã áp dụng mô hình thủy lực MIKE 11 và HEC-RAS để mô phỏng lũ tại Hà Lan, Bỉ và Anh Quốc Nghiên cứu này tập trung vào việc quản lý dòng chảy, duy trì mạng lưới cảnh báo và thiết lập hệ thống dự báo lũ cấp quốc gia Kết quả cho thấy hệ thống dự báo lũ có thể được xây dựng dựa trên các mô hình thủy lực đơn giản, trong đó mô hình thủy lực một chiều (1D) là phương pháp được khai thác chi tiết nhất cho dự báo lũ theo thời gian thực.
Vào năm 2008, P Vanderkimpen đã sử dụng mô hình MIKE FLOOD để nghiên cứu mô phỏng lũ, nhằm hỗ trợ công tác di tản dân cư tại khu vực đồng bằng ven biển của Bỉ Mô hình thủy lực này giúp các chuyên gia đánh giá khả năng ảnh hưởng của lũ và diện tích ngập có thể xảy ra, từ đó ước tính thiệt hại và thực hiện công tác di tản một cách kịp thời.
Nghiên cứu về lũ do vỡ đập sử dụng mô hình HEC-RAS và công cụ HEC-GeoRAS đã chứng minh sự kết hợp hiệu quả giữa hai công cụ này trong việc xây dựng mô hình vỡ đập và phân tích các tác động của lũ HEC-GeoRAS truy xuất dữ liệu địa lý từ hệ thống bản đồ địa hình số và chuyển giao vào mô hình HEC-RAS Mô hình HEC-RAS sau đó mô phỏng dòng chảy không ổn định từ sự cố vỡ đập, kết hợp với công nghệ GIS để tạo ra bản đồ ngập lụt, phục vụ cho công tác chuẩn bị và phòng tránh.
Một số công trình nghiên cứu đáng chú ý bao gồm ứng dụng mô hình HEC-RAS để bảo vệ dòng chảy sông Salinas (Laurie Warner Herson và Mitchell Katzel, 2013) và phát triển mô hình dự báo lũ thông qua việc tự động tích hợp thông tin dòng chảy lũ từ mô hình HEC-RAS (William James và cộng sự, 2012).
2.2.1.2 Các nghiên cứu trên thế giới
Hiện nay, nhiều mô hình thủy lực như MIKE FLOOD, HEC-RAS và WMS đang được áp dụng trong nghiên cứu lũ tại Việt Nam Mỗi mô hình có những ưu điểm riêng, giúp các nhà nghiên cứu lựa chọn phù hợp với đề tài của mình Một số nghiên cứu điển hình đã được thực hiện với các mô hình này.
Lưu Duy Vũ và Nguyễn Phước Sinh (2012) đã áp dụng mô hình WMS để dự báo ngập lụt hạ du thành phố Đà Nẵng Nghiên cứu này sử dụng mô hình WMS để mô phỏng các trận lũ lớn vào năm 2007 và 2009, nhằm xác định bộ thông số mô hình và kiểm chứng Kết quả nghiên cứu đã đưa ra kịch bản ngập lụt cho hạ du Đà Nẵng Mô hình WMS được lựa chọn do khả năng mô phỏng lũ mạnh và tích hợp các mô hình miễn phí như HEC-RAS, HEC-HMS, TR-20.
Mô hình MIKE FLOOD đã được ứng dụng để mô phỏng tình hình ngập lụt tại thành phố Đà Nẵng, với việc xem xét các kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng (Tô Thúy Nga và ctv, 2013) Nhóm nghiên cứu đã sử dụng MIKE FLOOD để mô phỏng các trận lũ lịch sử vào năm 2007 và 2009, đồng thời hiệu chỉnh mô hình dựa trên mực nước tại Cẩm Lệ và một số mốc lũ Kết quả mô phỏng sau đó được so sánh với bản đồ điều tra vết lũ của khu vực Ngoài ra, bản đồ ngập lụt của vùng hạ lưu lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn cũng đã được xây dựng (Trần Văn Tình).
Năm 2013, tác giả đã áp dụng bộ mô hình HEC (bao gồm HEC-HMS, HEC-RAS và HECGeoRAS) kết hợp với dữ liệu GIS để mô phỏng diện tích và độ sâu ngập lụt tại lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn Nghiên cứu này tập trung vào trận lũ năm 2009 và các trận lũ với tần suất thiết kế 1%, 2%, 4% và 10%.
Vào năm 2011, Phạm Thị Kim Phụng đã nghiên cứu mô hình HEC-RAS để xác định vùng ngập lụt thượng lưu hồ chứa Đăk Mi 4 Tác giả sử dụng mô hình tính toán thủy lực một chiều HEC-RAS để mô hình hóa dòng chảy và thực hiện các kịch bản khác nhau Kết quả nghiên cứu giúp đánh giá chính xác hơn diện tích vùng ngập lũ, từ đó cung cấp thông tin cảnh báo lũ và hỗ trợ công tác quy hoạch giải tỏa đền bù cho dự án.
2.2.2 Sơ đồ tiến trình thực hiện
Thống kê,thu thập số liệu, dữ liệu về khu vực nghiên cứu cần thiết cho việc chạy mô hình và đánh giá tình hình dòng chảy
Xác định được nguồn thu thập thông tin một cách chuẩn xác về địa điểm, không gian và thời gian
Dựa trên các dữ liệu thu thập được tiến hành hiệu chỉnh để xây dựng sơ đồ mạng lưới thủy lực tính toán
Hiệu chỉnh số liệu là bước quan trọng để xác định bộ thông số thủy lực tối ưu cho nghiên cứu, đặc biệt là việc tìm ra hệ số nhám Manning tương ứng với các mức nước tại các đoạn sông và khu vực ngập.
Tích hợp số liệu để chạy mô hình đồng thời kết hợp với các chương trình ứng dụng GIS để thành lập bản đồ ngập lụt của khu vực
Hình 2.3: Sơ đồ phương pháp nghiên cứu
ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY HẠ LƯU SÔNG SÊ SAN
TỔNG QUAN VỀ LƯU VỰC SÔNG SÊ SAN
Sông Sê San bắt nguồn từ phía Bắc và Đông của hai tỉnh Gia Lai và Kon Tum
Lưu vực Sê San là một phần của lưu vực sông Mê Công, trải dài qua Campuchia và Việt Nam với diện tích 18.800 km² Nó nằm giữa lưu vực sông Sê Kông ở phía bắc và lưu vực sông Srêpôk ở phía nam Sông Sê San bắt nguồn từ phía Bắc tỉnh Kon Tum, chảy theo hướng Bắc-Nam đến công trình thủy điện Ialy, sau đó rẽ sang hướng Tây Nam và tiếp tục chảy ra biên giới Việt Nam-Campuchia.
Sông Sê San dài 460 km, chảy từ Việt Nam sang Campuchia và hợp nhất với sông Mê Công Ranh giới lưu vực của sông này nằm dọc đỉnh dãy Trường Sơn, cách thành phố Quảng Ngãi khoảng 75 km Tại Campuchia, sông Srêpôk chảy qua địa hình thấp hơn cho đến khi gặp sông Sê San, sau đó cả hai cùng hòa vào dòng Mê Công, cách thành phố Stung Treng 38 km Lưu vực sông Sê San chủ yếu nằm trong các tỉnh Gia Lai và Kon Tum của Việt Nam, cũng như Ratanakiri và Stung Treng của Campuchia.
Thông tin tổng quát về vị trí và các thông số cơ bản của lưu vực sông Sê San được trình bày trong bảng 3.1
Thông số Campuchia Việt Nam
Diện tích lưu vực (km²) 7.566 11.255
Chiều dài lưu vực (km) 130 140
Chiều rộng lưu vực (km) 90 120
Cao độ trung bình (m) 273 778 Độ dốc trungbình (độ.) 6 10
Các tỉnh trong lưu vực Ratanakiri , Stung
Treng Gia Lai, Kon Tum Các thành phố lớn Ban Lung, Veun Sai Kon Tum, Pleiku
Mật độ dân số (người/km²) 13 80
Lượng mưa trung bình(mm) 1.965 2.115
Bảng 3 1: Tổng quan về lưu vực sông Sê San
Hình 3.1: Bản đồ vị trí lưu vực sông Sê San 3.1.2 Đặc điểm địa vật lý
Lưu vực sông Sê San nổi bật với sự chênh lệch cao độ lớn và độ dốc cao, kéo dài từ 56 m đến 2.390 m so với mực nước biển.
250 km dài, 120 km rộng giữa hai điểm xa nhất Ở lưu vực sông Sê San, cao độ tăng từ Tây sang Đông, nơi có dãy núi Trường Sơn
Lưu vực sông Sê San tại Campuchia chủ yếu bằng phẳng, với một số khu đồi xa dòng sông Khi di chuyển về phía đông bắc, địa hình trở nên đồi núi, đạt độ cao 250 m phía bắc sông Sê San, trong khi tại thị trấn Ta Veang, các dãy núi vượt quá 1.000 m, tách biệt lưu vực sông Sê San với lưu vực Sê Kông ở phía bắc Ngược lại, Việt Nam có địa hình núi non đa dạng hơn, với cao độ trung bình 778 m và độ dốc 10 độ Một thung lũng rộng lớn kéo dài từ thành phố Pleiku về phía bắc đến Kon Tum, nơi địa hình thượng lưu chủ yếu là núi Về mặt thủy văn, núi chia nước chảy về hướng tây vào dòng Sê San, trong khi nước chảy về hướng đông đổ ra biển Đông.
Hình 3.2: Cao độ của các lưu vực3S
Hình 3.1: Độ dốc các lưu vực sông 3S
Hình 3.4: Đồ thị độ dốc của các sông trong lưu vực 3S
Địa chất, cùng với khí hậu, là yếu tố độc lập quan trọng ảnh hưởng đến đặc tính và hình dạng các lưu vực sông Lưu vực sông Sê San nằm trong phần khối núi Kon Tum, một trong những khối núi đá vôi lớn nhất thế giới, được coi là có đặc điểm địa chất nổi bật nhất trong các lưu vực.
Khu vực này nổi bật với sự xuất hiện của karst đá vôi và hệ thống hang động, cùng với các hệ sinh thái nghèo dinh dưỡng và nhiều loài đặc hữu, thu hút sự quan tâm về mặt sinh học Ở thượng lưu vực, có nhiều khối đá như đá biến chất, đá gneiss và đá cẩm thạch, trong khi hạ lưu vực chủ yếu là trầm tích phù sa với các khu vực cát kết, cuội kết và bùn kết Ngoài ra, khu vực còn có các đặc điểm địa chất khác như phức hợp ba-zan và các loại trầm tích, trong đó một số khu vực chứa các mỏ và quặng giá trị như vàng, nhôm, kẽm và than đá.
Trong lưu vực Sê San, đất xám và đất đỏ là hai loại đất chính, chiếm lần lượt 80% và 13,7% diện tích Mặc dù có giá trị thấp cho canh tác nông nghiệp, cả hai loại đất này vẫn có thể trồng được nhiều loại cây khác nhau Đất phù sa và ven sông cũng đóng vai trò quan trọng, thường xuất hiện cùng với các cánh đồng ngập lũ, tạo ra các khu vực có khả năng sản xuất cao và giúp xác định các vùng đất ngập nước tiềm tàng.
Hình 3.2: Các loại đất trong lưu vực sông 3S
Loại đất Đặc tính Đất xám
Đất không có giá trị sản xuất nông nghiệp thường có tính axit và thiếu dinh dưỡng cơ bản, nhưng cây điều và cây dứa có thể phát triển trên loại đất này Đất xám có khả năng chịu xói mòn, trong khi đất đỏ thiếu các chất dinh dưỡng chủ yếu nhưng vẫn có thể trồng cao su Đất gley, thường xuyên bị ngập nước, thích hợp cho việc trồng lúa hoặc cỏ cho súc vật Đất tầng mỏng, với sự hiện diện của đá, ít khả năng cho nông nghiệp, bao gồm cả việc trồng cây Cuối cùng, đất nứt nẻ có khả năng thoát nước kém, thường được sử dụng để trồng các loại cây như lạc hoặc những cây khác có khả năng chịu úng.
Bảng 3 2: Đặc tính của các loại đất chính
Trong lưu vực, loại đất chủ yếu là đất xám, chiếm 80,04% với diện tích 15,117 km² Các loại đất khác bao gồm đất đỏ với 2,594 km² (13,73%), đất nâu tím 274 km² (1,45%), và đất nứt nẻ 519 km² (2,75%) Một số loại đất như đất tích nhôm, đất đá bọt, và đất mới biến đổi có diện tích rất nhỏ, lần lượt là 37 km² (0,20%), 44 km² (0,23%) và 44 km² (0,23%) Các loại đất khác như đất cát, đất gley, và đất xám nâu bán khô hạn không có diện tích đáng kể trong lưu vực.
Bảng 3 3: Thành phần các loại đất trong lưu vực sông Sê San
Lượng mưa trong lưu vực sông Sê San có mối tương quan với cao độ và bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi gió mùa tây nam, đặc biệt là theo mùa Mùa mưa diễn ra chủ yếu từ tháng 5 đến tháng 9, trong khi ở các vùng thuộc dãy Trường Sơn, mùa mưa lại kéo dài từ tháng 8 đến tháng 12 Hình 6 minh họa rõ ràng về lượng mưa theo mùa tại một số vị trí ở hạ lưu vực Sê San.
Có 3 trạm quan trắc khí tượng thủy văn trong lưu vực Sê San được đưa vào cơ sở dữ liệu khí tượng của MRC Tuy nhiên, ít trạm có chuỗi số liệu dài và chính xác, và các trạm trong cả hai lưu vực còn có nhiều thời đoạn thiếu số liệu Vì thế, còn thiếu các số liệu vi khí hậu ở phần giữa và thượng lưu vực Hơn thế nữa, các số trung bình đã đánh dấu có sự thay đổi lớn từ tháng này sang tháng khác và tại các cao độ khác nhau Thay vào đó, các biến số về khí hậu được đưa vào đây như là các ký hiệu mô tả giúp bổ sung các thông tin cơ bản về khu vực a) Lượng mưa
Lưu vực sông Sê San có lượng mưa trung bình hàng năm đạt 2.037 mm, với lượng mưa ở hạ lưu dao động từ 1.300 đến 1.900 mm Ở các khu vực cao nhất của lưu vực, lượng mưa có thể tăng lên gần 2.500 mm, và đặc biệt, tại các đoạn cao nhất phía đông nam Buôn Ma Thuột, lượng mưa ghi nhận lên tới gần 2.800 mm Dữ liệu về lượng mưa đã được thu thập liên tục từ năm 1985.
Hình 3.4: Bản đồ lƣợng mƣa trung bình năm của sông 3S
Hệ thống Quan trắc Chu trình Thủy văn của MRC (HYCOS) chỉ có dữ liệu từ một số điểm trước năm 2000, trong khi dữ liệu từ các điểm khác cần được truy cập và tổng hợp từ các cơ sở dữ liệu khác của MRC.
Hình 3.3: Lượng mưa trung bình tháng tại lưu vực sông Sê San b) Nhiệt độ
Nhiệt độ trung bình giảm theo cao độ và thay đổi theo mùa, với nhiệt độ trung bình năm tại lưu vực Sê San là 20,6°C Ở khu vực dưới 1.000 m, nhiệt độ trung bình đạt 24°C và có thể tăng lên 40°C vào đầu mùa mưa Tại trạm khí tượng Kon Tum, nhiệt độ trung bình năm là 23,5°C, với nhiệt độ cao nhất có thể lên tới 35°C vào tháng 3 và tháng 4 Trên dãy Trường Sơn, nhiệt độ trung bình dao động từ 15 đến 20°C, giảm xuống gần 10°C trên các đỉnh núi cao Campuchia có nhiệt độ trung bình cao hơn do nằm ở cao độ thấp hơn, với nhiệt độ ngày đạt 36°C trong tháng 4 và tháng 5, và nhiệt độ thấp nhất thường dưới nhiệt độ cao nhất từ 8 đến 10°C Tương tự, nhiệt độ tại Stung Treng cũng cao và ít biến động trong suốt năm.
3.1.2.4 Thủy văn a) Đặc điểm thủy văn
Mặc dù các dòng sông thường được coi là đơn vị đồng nhất, nhưng thực tế cho thấy chúng có những đặc trưng thủy văn khác nhau, như ghềnh thác và vùng nước sâu, mang lại giá trị kinh tế và sinh thái đa dạng Những đặc trưng địa mạo này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định sự phong phú của hệ sinh thái và tiềm năng phát triển kinh tế.
BIÊN TẬP SỐ LIỆU ĐẦU VÀO CHO HEC-RAS SỦ DỤNG HEC-GeoRAS
Tiến hành khởi chạy chương trình ArcMap, cần phải chắc chắn chức năng mở rộng 3D Analyst và Spatial Analyst đã được cài đặt và chọn như hình 3.9
Để khởi động thanh công cụ HEC-GeoRAS trong ArcMap, bạn cần chọn "Customize" và sau đó chọn "Toolbars" Đặt dấu chọn cho công cụ HEC-GeoRAS để thanh công cụ này xuất hiện trên giao diện ArcMap Bạn có thể tùy chỉnh vị trí của thanh công cụ sao cho phù hợp nhất với nhu cầu sử dụng.
Để mô hình HEC-GeoRAS hoạt động hiệu quả trong ArcMap, cần tạo các lớp dữ liệu RAS, được thực hiện thông qua công cụ HEC-GeoRAS kết hợp với các công cụ của ArcMap Các lớp dữ liệu RAS, bao gồm tâm dòng chảy, mặt cắt dòng chảy, đường bờ sông, đường dòng chảy và sử dụng đất, sẽ là nền tảng cho phân tích thủy lực bằng HEC-RAS.
Lớp dữ liệu này được sử dụng để xây dựng hệ thống dòng chảy, đảm bảo rằng các dòng sông được hiển thị đúng theo hướng chảy, với các điểm đầu và cuối giao nhau tại các điểm giao nhau của các dòng chảy.
Sông Sê San có hệ thống dòng chảy chính và các nhánh tương đối phức tạp, do đó cần xác định hệ thống dòng chảy chính để tiến hành nghiên cứu Để thực hiện điều này, cần tạo một phân lớp chứa dữ liệu của hệ thống dòng chảy cần nghiên cứu Sử dụng thanh công cụ HEC-GeoRAS, chọn tab RAS Geometry | Create RAS Layers | Stream Centerline Tiến hành biên tập dữ liệu cho lớp Stream Centerline với sự hỗ trợ của ArcMap, sử dụng công cụ Editor | Start Editing và chọn lớp dữ liệu vừa tạo với HEC.
Để biên tập trên lớp GeoRAS, việc xác định tâm dòng chảy là rất quan trọng và phải dựa trên hướng dòng chảy Do đó, đường hiển thị tâm dòng chảy cần được vẽ từ thượng nguồn đến hạ nguồn.
Trong cửa sổ Create Features, chọn đối tượng cần biên tập (đặt tên là lớp River) và sử dụng công cụ Line để vẽ đường biểu thị dòng chảy của sông Nhấp chuột trái để chọn điểm bắt đầu và nhấp đôi để kết thúc khi hoàn thành dòng chảy chính Nếu cần di chuyển con trỏ hoặc thu phóng bản đồ trong quá trình biên tập, hãy sử dụng công cụ Pan hoặc giữ phím “C” để không ảnh hưởng đến quá trình vẽ.
Hình 3:10: Biên tập dữ liệu lớp Stream centerline
• Đặt tên cho sông và các đoạn sông
Mỗi con sông cần có một tên gọi duy nhất, và mỗi đoạn sông cũng phải được đặt tên riêng biệt Để thực hiện việc này, bạn có thể sử dụng chức năng River Reach ID Chỉ cần nhấp vào biểu tượng River Reach ID, sau đó sử dụng con trỏ để chọn đoạn sông cần đặt tên Một bảng sẽ xuất hiện, cho phép bạn xác định tên cho đoạn sông đã chọn.
Hình 3.11: Bảng đặt tên cho đoạn sông
To ensure the connectivity of river segments, utilize the RAS Geometry | Stream Centerline Attributes | Topology feature The FromNode and ToNode fields will be calculated using Integer data Next, run the RAS Geometry | Stream Centerline Attributes | Lengths/Stations function to compute the lengths of the river segments The complete attribute table for the River layer is illustrated in Figure 3.15.
Hình 3.4: Bảng thuộc tính của lớp river
Lớp Bank Lines đóng vai trò quan trọng trong việc xác định dòng chính của sông và khả năng tạo ra vùng ngập Việc xác định chính xác dòng chính không chỉ giúp hiểu rõ hơn về địa hình mà còn cung cấp cái nhìn sâu sắc về sự di chuyển của dòng nước trong khu vực ngập Đồng thời, lớp Bank Lines cũng hỗ trợ hiệu quả trong công tác tiền xử lý dữ liệu RAS để nghiên cứu tốc độ dòng chảy.
Chọn lớp đối tượng “Banks” trong cửa sổ Create Features, sau đó sử dụng công cụ Line để vẽ các đường bờ sông Để tăng độ chính xác, có thể tích hợp các phần mềm hỗ trợ như ArcGoogle vào Arcmap Đường vẽ bờ sông có thể là liên tục hoặc đứt khúc, tùy thuộc vào từng đoạn sông.
Hình 3.13:Biên tập dữ liệu lớp Bank lines
Lớp Flow Path Centerlines được tạo ra để xác định chiều dài đoạn sông giữa mặt cắt địa hình trong dòng chính và khu vực bãi sông Đường thể hiện dòng chảy cần được vẽ ở trung tâm của dòng chảy chính, bờ trái và bờ phải của con sông Để tạo lớp Flow Path Centerlines, chọn RAS Geometry | Create RAS Layers | Flow Path Centerlines, giữ tên mặc định là Flowpaths và nhấp OK Một bảng thông báo sẽ xuất hiện yêu cầu sao chép dữ liệu từ lớp Stream Centerlines sang lớp Flow Path Centerlines; chọn Yes để tiết kiệm thời gian và không cần vẽ lại dòng chảy chính cho đoạn sông.
Chọn lớp đối tượng “Flowpaths” trong cửa sổ Create Features, sử dụng công cụ
Để tiến hành vẽ các đường hiển thị bãi sông theo hướng di chuyển của dòng chảy từ thượng lưu đến hạ lưu, cần điều chỉnh các bờ trái phải một cách hợp lý tùy theo yêu cầu xác định vùng ngập.
Hình 3.14: Biên tập dữ liệu lớp Flow Path Centerlines
Để xác định dòng chảy chính và bờ trái, bờ phải của con sông, bạn cần thực hiện bước sau: sử dụng công cụ Flowpath và di chuyển con trỏ để chọn một đường dòng chảy Từ đó, bạn có thể xác định đường đó hiển thị cho dòng chảy chính, bờ trái hoặc bờ phải của con sông.
3.2.4 Lớp Cross-Sectional Cut Lines
Lớp Cross-Sectional Cut Lines (mặt cắt địa hình) giúp xác định vị trí trích xuất dữ liệu mặt cắt địa hình từ bản đồ Điểm giao nhau giữa đường cắt và các lớp dữ liệu RAS là cơ sở để xác định địa điểm các trạm bờ sông, độ dài khúc sông, giá trị độ nhám (Manning) và các khu vực không bị ảnh hưởng bởi lũ.
Các đường cắt cần được vẽ vuông góc với hướng dòng chảy, từ bờ trái sang bờ phải, và phải bao phủ toàn bộ vùng ngập cần tính toán Việc thành lập lớp Flow Path Centerlines sẽ hỗ trợ đáng kể trong việc vẽ các đường cắt chính xác Trong chế độ Editing, hãy chọn lớp đối tượng “XSCutLines” trong cửa sổ Create Feature và sử dụng công cụ Line để vẽ các đường cắt xác định khu vực ngập Ngoài ra, có thể sử dụng công cụ Construct XS Cut Lines của HEC-GeoRAS để tự động vẽ các đường cắt và sau đó chỉnh sửa cho phù hợp.
Hình 3.15: Biên tập lớp Cross-Sectional Cut Lines và Flow Path
• Các thuộc tính của lớp Cross-Sectional Cut Lines
TÍNH TOÁN THỦY LỰC TRONG HEC-RAS
HEC-RAS là phần mềm hỗ trợ phân tích hệ thống sông với dòng chảy một chiều, bao gồm cả dòng chảy liên tục và không liên tục Bài viết dưới đây sẽ hướng dẫn các bước cơ bản để tạo lập và phân tích dữ liệu trong một đồ án sử dụng HEC-RAS.
3.3.1 Tạo một đồ án mới trong HEC-RAS
Mở chương trình HEC-RAS, chọn File | New Project, tại đây có thể chọn điểm lưu và tên của đồ án
Hình 3.5: Mở file trong HEC-RAS 3.3.2 Nhập dữ liệu từ RAS GIS Import file vào HEC-RAS
To access the Geometric Data Editor in the HEC-RAS program, navigate to Edit | Geometric Data Then, proceed to File | Import Geometry Data | GIS Format and select the path to the file "GIS2RAS.RASImport.sdf" that was created earlier The data will be imported into the reader, and several tabs will appear, allowing for customization of the imported data.
- Hệ đơn vị đang đƣợc sử dụng trong đồ án là SI nên trong tab Intro phần
Import data as chọn SI (metric) units
Hình 3.6: Tab Intro cho phép tùy chọn chuyển đổi các đơn vị
Tab River Reach Stream Lines cho phép người dùng chọn đường tâm dòng chảy phù hợp khi có nhiều lựa chọn Đảm bảo rằng tất cả các đường thể hiện dòng chảy đều được chọn trước khi nhấn Next.
Tab Cross Sections và IB Nodes cho phép tùy chỉnh các giá trị mặt cắt, cầu đường, và vật chắn trong lưu vực, đồng thời kiểm tra sự thiếu sót trong quá trình biên tập dữ liệu của Arc Map Để chạy HEC-RAS, cần có ít nhất các giá trị như Node Names, GIS Cut Lines, Station Elevation Data, Reach Lengths, Manning’s n value và Bank Station; nếu các giá trị này không xuất hiện trong Tab Cross, quá trình sẽ không thể thực hiện.
Sections and IB Nodes thì cần phải tiến hành biên tập lại trong ArcMap
Hình 3.7: Khai báo trong HEC-RAS
Sau khi tiến hành kiểm tra các dữ liệu sẽ nhập trong các Tab một cách cẩn thận, chọn Finished-Import Data để nhập dữ liệu
Một khi tất cả các dữ liệu GIS đã được nhập thành công, lược đồ của chức năng
GeomatricDataEditor cung cấp một lược đồ địa lý chi tiết của hệ thống sông, cho phép xác định các mặt cắt và trạm sông cùng với các thông số liên quan Người dùng có thể dễ dàng truy cập các tùy chọn hiển thị khác từ menu View và lưu lại sau khi đã xem xét.
Hình 3.27: Mạng lưới hình học được tạo ra bởi HEC – RAS từ các dữ liệu
3.3.3 Biên tập dữ liệu để tính toán dòng chảy không ổn định (UnsteadyFlow) Để có thể áp dụng tính toán dòng chảy không ổn định cần phải xác định được các điều kiện biên và các điều kiện ban đầu, chọn Edit | Unsteady Flow Data,1 bảng sẽ xuất hiện cho phép tùy chọn các giá trị biên và giá trị ban đầu của mỗi dòng chảy,ở Tab Boundary Conditions, chọn dòng chảy cần biên tập giá trị rồi chọn phần Flow Hydrograph, đề tài sẽ dựa vào giá trị dòng chảy để làm điều kiện biên
Hình 3.8: Nhập các thông số về dòng chảy
Chức năng Flow Hydrograph cho phép nhập các thông số dòng chảy, bao gồm lưu lượng và thời gian bắt đầu mô phỏng Dựa trên dữ liệu thu thập, nghiên cứu bắt đầu từ ngày 20 tháng 9 năm
Năm 2009, sau khi nhập đầy đủ các giá trị lưu lượng dòng chảy theo ngày, hãy chọn OK để lưu thông tin đã nhập Tiếp tục thực hiện tương tự cho tất cả các dòng chảy cần tính toán mô phỏng.
Tab Initial Conditions cho phép thiết lập giá trị dòng chảy ban đầu, cụ thể là lưu lượng dòng chảy vào ngày 20 tháng 9 năm 2009, ngày được chọn làm khởi đầu cho quá trình mô phỏng Giá trị này sẽ được gán vào dòng Initial Flo.
Hình 3.29: Biểu đồ lưu lượng tại hai nhánh sông
Hình 3.30: Gán giá trị ban đầu của dòng chảy
3.3.4 Tiến hành tính toán dòng chảy không ổnđịnh
Sau khi nhập và kiểm tra độ chính xác của tất cả dữ liệu hình học và dữ liệu dòng chảy, bạn có thể bắt đầu tiến hành mô phỏng bằng cách chọn Run | Unsteady Flow Analysis và tạo một kịch bản (plan) phù hợp với các điều kiện cần mô phỏng.
In the Unsteady Flow Analysis window of HEC-RAS, select the three programs: Geometry Preprocessor, Unsteady Flow Simulation, and Post Processor to initiate the simulation Next, set the parameters for the Simulation Time Window, defining the start and end times of the simulation, along with the Computation Settings for the calculations Finally, click the Compute button to begin the unsteady flow simulation process.
Sau khi hoàn tất quá trình tính toán mà không gặp lỗi, cần xem xét lại các kết quả để tìm cách cải thiện mô hình Điều này có thể bao gồm việc chỉnh sửa dữ liệu GIS hoặc kiểm tra độ chính xác của dữ liệu thu thập Nếu kết quả đạt yêu cầu, hãy xuất các kết quả tính toán sang GIS để tạo bản đồ ngập lụt.
Hình 3.32: Kết quả mô phỏng dòng chảy