37 Ứng dụng mô hình MIKE FLOOD tính toán ngập lụt hệ thống sông Nhuệ - Đáy trên địa bàn thành phố Hà Nội Đặng Đình Đức, Trần Ngọc Anh, Nguyễn Ý Như*, Nguyễn Thanh Sơn Khoa Khí tượng T
Trang 137
Ứng dụng mô hình MIKE FLOOD tính toán ngập lụt hệ thống
sông Nhuệ - Đáy trên địa bàn thành phố Hà Nội
Đặng Đình Đức, Trần Ngọc Anh, Nguyễn Ý Như*, Nguyễn Thanh Sơn
Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN,
334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam
Nhận ngày 29 tháng 4 năm 2011
Tóm tắt Trong những năm gần đây, biến đổi các hiện tượng cực đoan gây tổn thất lớn về người
và của ở nhiều địa phương cũng như nhiều lĩnh vực hoạt động kinh tế - xã hội Do đó vấn đề quản
lý lũ đã trở thành trọng điểm quốc gia Chình vì thế việc xây dựng bản đồ ngập lụt trở thành một bài toán hết sức cần thiết cung cấp cơ sở cho công tác quản lý lũ Đối với bài toán đặt ra, nghiên cứu đã sử dụng MIKE FLOOD làm công cụ mô phỏng ngập lụt hệ thống sông Nhuệ - Đáy trên địa bàn thành phố Hà Nội Trong đó, mô hình NAM được sử dụng để xây dựng chuỗi số liệu dòng chảy từ mưa làm điều kiện biên cho mô hình MIKE FLOOD Bộ thông số mô hình kết nối 1-2 chiều được hiệu chỉnh và kiểm định cho hai trận lũ lớn năm 1984 và 2008 tại trạm Phủ Lý, kết hợp với các tài liệu đo đạc diện ngập lụt của trận lũ lịch sử 2008 Kết quả cho thấy mô hình mô phỏng với độ chính xác tương đối cao thể hiện khả năng ứng dụng của mô hình trong công tác xây dựng bản đồ ngập lụt, bản đồ tổn thương cũng như cảnh báo nguy cơ úng lụt cho khu vực Thành phố Hà Nội Bài báo được hoàn thành với sự hỗ trợ của đề tài nhóm A, Đại học Quốc gia Hà Nội, QGTĐ.10-06
Từ khóa: MIKE FLOOD, bản đồ ngập lụt, hệ thống sông Nhuệ - Đáy
1 Mở đầu
Diễn biến phức tạp của biến đổi khí hậu
toàn cầu kéo theo sự bất thường của mưa lớn, lũ
lụt Là một lưu vực có vị trí chiến lược trong
phát triển kinh tế - xã hội và an ninh quốc
phòng của cả nước, hơn nữa lưu vực Nhuệ Đáy
lại thường xuyên chịu tác động của ngập lụt khi
có mưa lớn Do đó việc mô phỏng bức tranh
ngập lụt được đặt ra cấp thiết hơn bao giờ hết
Chính vì vậy nghiên cứu thực hiện xây dựng
bức tranh ngập lụt chi tiết cho khu vực theo các
_
Tác giả liên hệ ĐT: 0987761757
E-mail: ynhu.nyn@gmail.com
kịch bản khác nhau sử dụng mô hình MIKE FLOOD, phục vụ quy hoạch, cảnh báo, dự báo diện ngập lụt phục vụ công tác ứng phó nhanh, cũng như ước tính thiệt hại do thiên tai
MIKE FLOOD là mô hình thuỷ động lực học dòng chảy kết nối 1&2 chiều, có khả năng
mô phỏng mực nước và dòng chảy trên sông, cửa sông, vịnh và ven biển, cũng như mô phỏng dòng không ổn định hai chiều ngang trên đồng bằng ngập lũ Nó kết hợp ưu điểm của mô hình
1 chiều cho mạng lưới sông (thời gian mô phỏng ngắn) lẫn lợi thế của mô hình 2 chiều (mô phỏng chính xác diện ngập lụt và trường vận tốc trên bề mặt đồng bằng ngập lũ), đồng
Trang 2thời tương thích với các cấu trúc GIS thông
dụng Do đó MIKE FLOOD có được nhiều sự
quan tâm của các nhà nghiên cứu cũng như có
nhiều ứng dụng trong thực tiễn ở Việt Nam và
trên thế giới [1,3]
2 Giới thiệu vùng nghiên cứu
Lưu vực sông Nhuệ-Đáy nằm ở hữu ngạn
sông Hồng trong phạm vi từ 200 đến 21020' vĩ
độ Bắc và từ 1050 đến 106030' kinh độ Đông,
với tổng diện tích tự nhiên là 7665 km2 (hình 1),
vùng nghiên cứu là Thành phố Hà Nội với diện
tích 3344,6 km2, gồm 9 quận, 18 huyện, 2 thành
phố; dân số: 6.451.909 người (2009)
Sông Đáy bắt nguồn từ sông Hồng thông
qua hệ thống phân chứa lũ Vân Cốc, Phúc Thọ
chảy qua Hà Nội, Hà Nam, Ninh Bình và Nam
Định trước khi đổ ra biển Đông tại cửa Đáy
Sông Nhuệ cũng lấy nước từ sông Hồng
qua cống Liên Mạc ở Từ Liêm, Hà Nội chảy
qua các tỉnh Hà Nội và Hà Tây rồi đổ vào sông
Đáy tại Phủ Lý, tỉnh Hà Nam
Nằm trên vùng châu thổ sông Hồng, lưu
vực sông Nhuệ - Đáy nằm trải dài theo phương
vĩ tuyến từ Hà Nội đến Nam Định Địa hình lưu
vực có sự phân hoá tương phản thể hiện rõ nét
theo hướng Tây-Đông và hướng Bắc-Nam
Phía Tây và Tây Nam là địa hình đồi núi
chiếm khoảng 40% diện tích, thấp dần từ Đông
Bắc xuống Tây Nam ra biển và từ Tây sang
Đông Phần lớn là các dãy núi thấp, độ cao
trung bình 400-600m, đan xen có một vài khối
núi có độ cao trên 1000m như Ba Vì (1296m),
Đồi Thơi (1198m), Viên Nam (1031m)
Diện tích vùng đồng bằng chiếm khoảng
60% lãnh thổ, địa hình khá bằng phẳng có độ
cao < 20 m và thấp dần từ Tây sang Đông, từ
Tây Bắc xuống Đông Nam, bị chia cắt bởi hệ
thống sông và kênh mương chằng chịt Vùng
đồng bằng có thể được chia thành 4 khu vực có đặc điểm khác nhau: Vùng đồng bằng phía Bắc, Vùng đồng bằng trung tâm, Vùng đồng bằng phía Nam, Vùng đồng bằng thung lũng
Thượng lưu sông uốn khúc, hẹp và dốc, nhiều ghềnh, nước chảy xiết, là nguy cơ tạo nên các hiện tượng xói lở, lũ quét Trung lưu và hạ lưu được mở rộng, dòng sông chảy chậm, khả năng thoát nước kém dẫn đến tình trạng ngập lũ mỗi khi xuất hiện mưa lớn
Hình 1 Sơ đồ lưu vực hệ thống sông Nhuệ - Đáy
và vùng nghiên cứu.
Khu vực nghiên cứu chủ yếu là đồng bằng được bồi đắp bởi các dòng sông với các bãi bồi đại, cao và bậc thềm, xen giữa là các vùng trũng với các hồ, đầm , với độ cao trung bình từ 5 – 20m thấp dần từ Bắc xuống Nam, Tây sang Đông, độ nghiêng không lớn nên khi có lượng nước lớn bất thường dễ xảy ra ngập úng
Trang 33 Giới thiệu mô hình MIKE FLOOD
Dòng chảy trong vùng ngập lũ là dòng chảy
2 chiều theo phương ngang, vừa có dòng chảy
tập trung trong các mạng lưới sông suối vừa có
dòng chảy tràn trên bề mặt, do vậy nếu sử dụng
mô hình 2 chiều để mô phỏng quá trình này thì
yêu cầu lưới tính khá chi tiết để mô tả đủ chính
xác ảnh hưởng của dòng chảy tập trung trong
các kênh, rãnh Mặt khác, dòng chảy tràn trên
bề mặt chỉ xuất hiện khi có mực nước trong
sông cao hơn cao trình bờ (hoặc đê), vì thế để
giảm thời gian và khối lượng tính toán có thể
kết hợp các ưu điểm của cả mô hình 1 và 2
chiều bằng cách kích hoạt mô đun tính toán 2
chiều khi xuất hiện dòng chảy tràn Mô hình
MIKE FLOOD thực hiện các kết nối giữa mô
hình MIKE 11 (tính toán thủy lực mạng sông 1
chiều) với mô hình MIKE 21 (mô phỏng dòng
chảy nước nông 2 chiều theo phương ngang)
bằng 4 loại kết nối: a) kết nối tiêu chuẩn: sử
dụng khi một nhánh sông một chiều đổ trực tiếp
vào vùng ngập 2 chiều; b) kết nối bên: sử dụng
khi một nhánh sông nằm kề vùng ngập, và khi
mực nước trong sông cao hơn cao trình bờ thì
sẽ kết nối với ô lưới tương ứng của mô hình 2
chiều; c) kết nối công trình (ẩn): sử dụng các
dạng liên kết qua công trình; và d) kết nối khô
(zero flow link): là kết nối không cho dòng
chảy tràn qua [1, 4-6]
Mô hình MIKE FLOOD được phát triển bởi
Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) thực chất là
phần mềm liên kết giữa mô hình MIKE 11 và
MIKE 21 đã được xây dựng trước đó Bộ mô
hình này có thể tích hợp nhiều mô đun khác
nhau, nhưng trong khuôn khổ nghiên cứu này
chỉ sử dụng mô đun RR (mô hình mưa-dòng
chảy NAM) để tạo dòng chảy biên đầu vào cho
mô hình thủy lực mạng sông (HD) kết hợp với
mô hình thủy lực 2 chiều MIKE 21 [1, 4-6]
4 Ứng dụng MIKE FLOOD tính toán ngập lụt lưu vực Nhuệ - Đáy trên địa bàn Thành Phố Hà Nội
4.1 Xây dựng cơ sở dữ liệu
- Dữ liệu địa hình: Bản đồ số độ cao khu
vực nghiên cứu được xây dựng với độ phân giải 30x30m từ bản đồ địa hình tỷ lệ 1: 25.000 kết hợp với một số các số liệu cao độ bổ sung thu thập từ các nguồn khác nhau [4] Các mặt cắt ngang sông cho khu vực nghiên cứu đã thu thập gồm: 39 mặt cắt trên sông Đáy, 26 mặt cắt trên sông Nhuệ, 20 mặt cắt trên sông Tích và 12 mặt cắt trên sông Hoàng Long
- Dữ liệu khí tượng thuỷ văn: bao gồm số
liệu mưa ngày, mưa giờ tại Láng, Hà Đông, Ba Thá, Sơn Tây, Hưng Thi, Phủ Lý các năm 1984
và 2008; mực nước giờ tại các trạm: Phủ Lý, Ninh Bình các năm 1984 và 2008; số liệu trích
lũ lưu lượng tại trạm Ba Thá năm 1972, 1978 Trên toàn bộ vùng nghiên cứu hiện nay không
có trạm đo lưu lượng, do vậy để làm cơ sở cho việc hiệu chỉnh và kiểm định mô hình mưa-dòng chảy (NAM), số liệu lưu lượng trạm Ba Thá năm 1972 và 1978 được sử dụng
4.2 Thiết lập mô hình MIKE FLOOD cho hệ thống sông Nhuệ - Đáy
- Xây dựng mạng lưới thuỷ lực một chiều
Mạng lưới thủy văn khu vực nghiên cứu được mô tả bằng sơ đồ thủy lực bao gồm sông chính là sông Đáy với chiều dài 182 km, 39 mặt cắt, biên trên là trạm thủy văn Đập Đáy, biên dưới là trạm thủy văn Ninh Bình, sông Nhuệ với chiều dài 74 km với 26 mặt cắt, biên trên lấy tại vị trí cống Liên Mạc, đổ vào dòng chính sông Đáy tại ngã ba Phủ Lý Ngoài ra, mạng thủy lực còn bao gồm một số sông như sông Tích, sông Hoàng Long (hình 2)
Trang 4Hình 2 Sơ đồ thủy lực hệ thống sông Nhuệ - Đáy
- Xây dựng mạng thủy lực hai chiều
Giới hạn vùng ngập ở hạ lưu được xác định
trên cơ sở bản đồ địa hình kết hợp với một số
tài liệu khảo sát các trận lũ lịch sử nhằm đảm
bảo bao trùm toàn bộ vùng ngập lụt tối đa Bản
đồ DEM khu vực nghiên cứu với độ phân giải
30 x 30m đã xây dựng ở trên được sử dụng làm
nền địa hình cho mô hình MIKE 21 Nền địa
hình này đã có kết hợp với các tài liệu mạng
lưới đường sắt, đường quốc lộ và tỉnh lộ trong
khu vực Khu vực nghiên cứu được rời rạc hóa
theo lưới phần tử hữu hạn (FEM) với khoảng
cách các ô lưới là từ 200 – 1000 m Vớ
1.000.000 m2, góc nhỏ nhất 30o toàn bộ vùng ngập lụt chia
và tính toán trong MIKE 11 và MIKE 21,
chúng trong MIKE FLOOD với trong 1
4.3 Hiệu chỉnh, kiểm định MIKE FLOOD
Để tính toán, mô phỏng quá trình dòng chảy
lũ trên lưu vực bằng mô hình thủy văn, thủy lực
cần thực hiện các bước hiệu chỉnh và kiểm định
bộ thông số cho mô hình tính toán Do biên đầu vào của mô hình MIKE FLOOD phải tính gián tiếp từ mưa bằng mô hình NAM, do vậy trước hết phải kiểm định và hiệu chỉnh mô hình NAM
- Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình NAM
Dựa trên tình hình tài liệu đo đạc lưu lượng tại trạm Ba Thá trận lũ năm 1972 và 1978, hai trận lũ có số liệu lưu lượng thực đo này được lựa chọn để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình
Cụ thể:Trận lũ 23/07/1972 đến 20/09/1972 sử dụng cho hiệu chỉnh Trận lũ từ 28/8/1978 đến 19/10/1978 sử dụng cho kiểm định
Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định NAM tại
Ba Thá được thể hiện trong các hình 4 và 5 Chỉ
số Nash được sử dụng như hàm mục tiêu trong nghiên cứu, kết quả hiệu chỉnh là 84.6% và kiểm định là 73,4% đều đạt loại khá và đảm bảo yêu cầu cho các bước tính toán tiếp theo
- Đánh giá kết quả tính diện ngập lụt trận lũ
2008
Nhằm mục tiêu đánh giá khả năng tính toán diện ngập lụt bằng mô hình kết nối đã xây dựng, kết quả tính toán được xuất ra dưới dạng file ASCII, và xử lý bằng phần mềm ArcGis 9.3 nhằm xây dựng vùng ngập lụt với độ sâu ngập khác nhau thành các lớp thông tin (layer) trên GIS Từ đó kết hợp lớp ranh giới hành chính có sẵn, xác định diện ngập ứng các mức ngập sâu cho toàn vùng Số liệu tính toán được so sánh với ảnh vệ tinh được chụp ngày 7/11/2011 Tuy không bắt được thời gian xuất hiện đỉnh lũ, nhưng phần nào cũng phản ánh được diện ngập tính toán phù hợp với thực tế Bản đồ diện tích ngập lụt tương ứng với trận lũ 2008 đã được xây dựng với tỷ lệ 1/25.000 và được minh họa trong hình 9
Trang 5Tên sông Môđun Coupling trong Mike 21
Hình 3 Sơ đồ lưới phần tử hữu hạn dùng trong mô hình 2 chiều.
Hình 4 Kết quả hiệu chỉnh mô hình NAM
Hình 5 Kết quả kiểm định mô hình NAM.
Hình 6 Kết quả hiệu chỉnh mô hình MIKE FLOOD
tại Phủ Lý (1984)
Hình 7 Kết quả kiểm định mô hình MIKE FLOOD
tại Hà Đông (2008)
Trang 65 Kết luận
Mô hình MIKE FLOOD ứng dụng tính toán
ngập lụt cho khu vực sông Nhuệ - Đáy trên địa
bàn Thành phố Hà Nội được hiệu chỉnh và kiểm
định với kết quả đánh giá theo chỉ tiêu Nash
đều trên 90% Riêng với diện ngập, so sánh ảnh
vệ tinh chụp ngày 7/11/2011 cho thấy mô hình
mô phỏng khá phù hợp với thực tế
Hình 8 Kết quả kiểm định mô hình MIKE FLOOD
trạm Phủ Lý (2008)
Hình 9 Bản đồ ngập lụt lưu vực sông Nhuệ - Đáy
trên địa bàn Thành phố Hà Nội
Điều này thể hiện khả năng mô phỏng tốt quá trình ngập lụt trên lưu vực nghiên cứu của
mô hình Tác giả cũng đang tiếp tục hoàn thiện
mô hình như khảo sát bổ sung vết lũ, chi tiết hơn bản đồ địa hình và các loại tài liệu khác để hướng tới việc sử dụng mô hình này trong công tác mô phỏng lũ tần suất, xây dựng các kịch bản
lũ, đánh giá tính dễ bị tổn thương gây ra do ngập lụt trên lưu vực sông Nhuệ - Đáy… phục
vụ công tác cảnh báo, dự báo, phòng chống giảm nhẹ thiên tai
Bảng 11 Diện tích ngập lớn nhất theo các cấp cao độ trong trận lũ năm 1984 và 2008
trên địa bàn Thành phố Hà Nội Mức độ ngập 0.1- 0.5m 0.5- 1m 1- 2m 2- 3m >3m Diện tích ngập (Km 2 ) Trận lũ 1984 269.2 402.1 78.8 4.3 1.1
Trận lũ 2008 282.7 394.7 76.4 5.2 1.6
Tài liệu tham khảo
[1] Hoàng Thái Bình, Xây dựng bản đồ ngập lụt hạ
lưu hệ thống sông Nhật Lệ (Mỹ Trung - Tám Lu -
Đồng Hới), Luận văn Thạc sỹ khoa học, Trường
Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, 2009
[2] Nguyễn Văn Cư và nnk, Báo cáo kết quả dự án
KHCN cấp nhà nước: môi trường sông Nhuệ- Đáy phần I, Hà Nội, 2003
Trang 7[3] Đặng Đình Khá, Ứng dụng mô hình MIKE
FLOOD tính toán mức độ ngập lụt khu vực Bắc
Thường Tín, khóa luận tốt nghiệp, trường Đại học
Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, 2009
[4] Đặng Đình Đức, Thử nghiệm khả năng mô phỏng
mức độ ngập lụt mô hình MIKE FLOOD trên lưu
vực sông Nhuệ - Đáy, Báo cáo khoa học, trường
Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 2010 [5] Denmark Hydraulic Institute (DHI), 2007,
“MIKE FLOOD Reference Manual” DHI, 514 pp
[6] Denmark Hydraulic Institute (DHI), 2007,
“MIKE FLOOD User Guide” DHI, 514 pp
Simulation of flood inundation using MIKE FLOOD model in
Nhue - Day river system - Ha Noi city
Dang Dinh Duc, Tran Ngoc Anh, Nguyen Y Nhu, Nguyen Thanh Son
Faculty of Hydro-Meteorology & Oceanography, Hanoi University of Science, VNU,
334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam
In recent years, variation of extreme events causes damage to human and properties of many local region as well as eco-societies activities Flood management problem is therefore a national focus Thus, flood mapping becomes the neccessary problem, provides a basis for flood management goals
To this problem, the research applied MIKE FLOOD to simulation of inundation in Nhue Day river basin within Ha Noi In which, NAM is used to produce flow from rainfall and these simulated flow is applied to a boundary condition of MIKE FLOOD Observed headwater data of 2 historical flood events, 1984 and 2008, at Phu Ly station and inundation area data of the flood event in 2008 are used
to optimize the parameter set of 1-2 dimensional model The results indicated that this model achieves
a fairly high accuracy, reveals ability to apply to inundation vulnerable mapping as well as flood risk warning for Ha Noi This study is completed with the support of A project group, Vietnam National University, QGTĐ.10-06
Keywords: MIKE FLOOD, inundation, flooding map, Nhue - Day river
