Nghiên cứu xây dựng công nghệ dự báo lũ lụt phục vụ điều tiết hồ Hòa Bình trong công tác phòng chống lũ lụt

Luận chứng cho việc chọn mô hình tính toán và dự báo dòng chảy lũ sông Đà...19 CHƯƠNG II: MÔ HÌNH TÍNH TOÁN THỦY VĂN TRÊN LƯU VỰC SÔNG ĐÀ MÔ HÌNH TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT HỒ HÒA BÌNH...23 2.

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

TRUNG TÂM KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN QUỐC GIA

SỐ 4, ĐẶNG THÁI THÂN, HOÀN KIẾM, HÀ NỘI

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

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CÔNG NGHỆ DỰ BÁO LŨ PHỤC VỤ ĐIỀU TIẾT HỒ HÒA BÌNH TRONG CÔNG TÁC PHÒNG CHỐNG LŨ LỤT

Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Lan Châu Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương

7038

26/11/2008

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRUNG TÂM KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN QUỐC GIA

SỐ 4, ĐẶNG THÁI THÂN, HOÀN KIẾM, HÀ NỘI BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CÔNG NGHỆ DỰ BÁO LŨ PHỤC

VỤ ĐIỀU TIẾT HỒ HÒA BÌNH TRONG CÔNG TÁC PHÒNG

CHỐNG LŨ LỤT

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:

1 Ths.Trịnh Thu Phương Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương

2 Ths.Đặng Thanh Mai Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương

3 KS Bùi Đình Lập Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương

4 KS Nguyễn Trường Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương

5 KS Nguyễn Quốc Anh Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương

6 KS Đào Anh Tuấn Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương

7 PGS.TS Hòang Văn Lai Viện Cơ học

8 TS Trần Thu Hà Viện Cơ học

9 KS Nguyễn Tiến Cường Viện Cơ học

10 CN Nguyễn Tuấn Anh Viện Cơ học

11.Ths Lê Quốc Hùng Viện Nghiên cứu Địa chất

12 TS Hòang Minh Tuyển Viện Khoa học KTTV và Môi trường

Ngày tháng năm 2006 Ngày tháng năm 2006 Ngày tháng năm 2006

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI

TS Nguyễn Lan Châu

CƠ QUAN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Bùi Minh Tăng

CƠ QUAN CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I:

QUY LUẬT HÌNH THÀNH LŨ VÀ VẤN ĐỀ DỰ BÁO LŨ SÔNG ĐÀ 5

1.1.ĐẶCĐIỂMĐỊALÝTỰNHIÊNVÀQUYLUẬTHÌNHTHÀNHLŨ SÔNGĐÀ 5

1.1.1 Khái quát đặc điểm địa lý tự nhiên lưu vực sông Đà 5

1.1.2 Đặc điểm mưa và nhân tố hình thành lũ 6

1.1.3 Đặc điểm dòng chảy lũ sông Đà 7

1.1.4 Các thông tin về mạng lưới trạm, điện báo mưa và mực nước trên lưu vực sông Đà 10

1.1.4.1 Thông tin về mạng lưới trạm 10

1.1.4.2 Thông tin về điện báo mưa và mực nước: 11

1.2.VẤNĐỀDỰBÁOLŨSÔNGĐÀVÀLUẬNCHỨNGCHỌNKIỂU MÔHÌNH 12

1.2.1 Tổng quan những nghiên cứu liên quan đến vấn đề dự báo lũ hạn ngắn sông Đà 12

1.2.2 Tình hình nghiên cứu về mô hình thủy văn, thủy lực trên thế giới 14

1.2.3 Một số nghiên cứu dự báo lũ tiêu biểu đối với Bắc Bộ 15

1.2.4 Luận chứng cho việc chọn mô hình tính toán và dự báo dòng chảy lũ sông Đà 19

CHƯƠNG II:

MÔ HÌNH TÍNH TOÁN THỦY VĂN TRÊN LƯU VỰC SÔNG ĐÀ MÔ HÌNH TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT HỒ HÒA BÌNH 23

2.1.CƠSỞLÝTHUYẾTVÀCÁCHỆTHỨCCƠBẢNCỦAMÔHÌNH MARINE 23

2.1.1 Lý thuyết sinh dòng chảy 24

2.1.2 Lý thuyết thấm 25

2.2.CƠSỞLÝTHUYẾTCỦAMÔHÌNHIMECH-1D-MARINE 27

2.3.KẾTNỐIMÔHÌNHMARINE,IMECH-1D-MARINEVÀMÔHÌNH ĐIỀUHÀNHHỒHÒABÌNH 28

2.3.1 Phương pháp kết nối mô hình MARINE và IMECH-1D-MARINE. 28

2.4.XÂYDỰNGCÁCLOẠI BẢNĐỒPHỤCVỤĐẦUVÀOCHOMÔ

HÌNHMARINE. 32

2.4.1 Xây dựng bản đồ DEM (DEM-Digital Elevation Model) toàn lưu vực sông Đà 33

2.4.2 Xây dựng bản đồ sông suối từ bản đồ DEM, phân chia các lưu vực bộ phận và cắt tách mạng sông từng lưu vực bộ phận. 35

2.4.3 Xây dựng bản đồ đất cho các tiểu lưu vực trên sông Đà 42

2.4.4 Xây dựng bản sử dụng đất cho các tiểu lưu vực trên sông Đà 43

2.4.5 Xây dựng bản đồ phân vùng ảnh hưởng các trạm mưa và tích hợp các mặt cắt 44

2.5.ỨNGDỤNGMÔHÌNHIMECH-1D-MARINEVÀMARINEMÔ PHỎNGVÀDỰBÁOLŨSÔNGĐÀ 47

2.5.1 Số liệu đầu vào phục vụ vận hành bộ mô hình 48

2.5.1.1 Tài liệu khí tượng thủy văn phục vụ vận hành mô hình MARINE 48

2.5.1.2 Tài liệu địa hình phục vụ vận hành mô hình IMECH-1D-MARINE48 2.5.2 Kết quả bài toán kiểm tra mô hình MARINE 49

2.5.3 Bộ thông số MARINE và IMECH -1D-MARINE và kết quả mô phỏng theo chỉ tiêu S/σ 53

2.5.3.1 Bộ thông số mô hình MARINE và IMECH- 1D-MARINE 53

2.5.3.2 Các kết quả mô phỏng và kiểm định theo chỉ tiêu S/σ 63

2.5.4 Kết quả dự báo tác nghiệp mùa lũ 2006 68

2.5.5 Các bài toán nghiệp vụ 71

2.5.5.1 Xử lý thời gian dự kiến 71

2.5.5.2 Hiệu chỉnh dự báo 74

2.5.5.3 Bài toán hình thành lũ theo các diện mưa khác nhau trên lưu vực sông Đà 75

2.5.5.4 Bài toán Tạ Bú xuất hiện hiện tượng nước vật do hồ Hòa Bình 77

2.5.6 Một số nhận xét về kết quả mô phỏng và dự báo kiểm tra của mô hình MARINE và IMECH-1D-MARINE 78

2.5.6.1 Mô hình MARINE 78

2.5.6.2 Mô hình IMECH-1D-MARINE 80

2.6.MÔHÌNHTÍNHTOÁNĐIỀUTIẾTHỒHÒABÌNH 80

2.6.1 Nguyên lý điều tiết lũ bằng hồ chứa 80

2.6.2 Giải bài toán điều tiết lũ bằng hồ chứa 81

2.6.3 Xác định quá trình lưu lượng vào hồ và lưu lượng ra khỏi hồ 83

2.6.3.1 Lưu lượng vào hồ 83

2.6.3.3 Lưu lượng xả qua cửa xả mặt 83

2.6.3.4 Lưu lượng bốc hơi 84

2.6.3.5 Lưu lượng xả qua tuốc bin Qtb 84

2.6.3.6 Quan hệ giữa thể tích hồ và cao trình mực nước trong hồ 85

2.6.4 Kết quả tính toán dự báo điều tiết hồ Hoà Bình 86

2.6.4.1 Kết quả tính toán điều tiết hồ Hoà Bình trong mùa lũ 2005 86

2.6.4.2 Kết quả tính toán điều tiết hồ Hoà Bình trong mùa lũ 2006 88

CHƯƠNG III:

MÔ HÌNH TÍNH TOÁN THỦY VĂN TRÊN LƯU VỰC SÔNG THAO, LÔ, CHẢY, HOÀNG LONG, CẦU, THƯƠNG, LỤC NAM 89

3.1.MÔHÌNHFIRR 90

3.2.MÔHÌNHTANK+MUSKINGGUM 91

3.3.KẾTQUẢDỰBÁOMÙALŨNĂM2006(TỪ15/VIĐẾN 30/IX/2006) 99

3.3.1 Kết quả dự báo mực nước biên trên theo mô hình FIRR (Viện Cơ học) 99

3.3.2 Kết quả dự báo mực nước biên trên theo mô hình TANK+Muskingum-Cunge (Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương) 99

CHƯƠNG IV:

ỨNG DỤNG CÁC MÔ HÌNH DỰ BÁO MƯA SỐ TRỊ ĐỂ THIẾT LẬP ĐẦU VÀO CHO MÔ HÌNH TÍNH TOÁN THỦY VĂN 101

4.1.VẤNĐỀNÂNG CAOCHẤTLƯỢNGDỰBÁOMƯABẰNGMÔ HÌNHHRM 103

4.1.1 Mô hình dự báo số trị phân giải cao HRM 103

4.1.2 Vấn đề nâng cao độ phân giải của mô hình HRM 106

4.2.DỰBÁOMƯAPHỤCVỤĐẦUVÀOMÔHÌNHTHỦYVĂNMARINE 107 4.3.KẾTQUẢDỰBÁOMƯACHOLƯUVỰCSÔNGĐÀTHEOCÁCCỠ LƯỚIKHÁCNHAU 111

4.3.1 Thử nghiệm chạy mô hình HRM bằng phối hợp sử dụng mô hình phổ toàn cầu GMS của Cơ quan khí tượng Nhật bản (JMA) và mô hình GME của Tổng cục thời tiết CHLB Đức 111

4.3.2 Kết quả dự báo lượng mưa từ mô hình HRM cho trận lũ lớn nhất năm 2006 trên sông Đà 113

4.4.XÁCĐỊNHLƯỢNGMƯATỪẢNHMÂYVỆTINH 118

4.4.1 Các phương pháp đánh giá mưa từ ảnh mây vệ tinh 118

4.4.2 Tính mưa từ ảnh mây vệ tinh phục vụ đầu vào mô hình thủy văn 126

CHƯƠNG V:

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN THỦY LỰC MỘT CHIIỀU IMECH-1D ĐỂ DỰ BÁO LŨ HẠ DU HỆ THỐNG SÔNG HỒNG-THÁI BÌNH 128

5.1.CƠSỞLÝTHUYẾTCỦAMÔHÌNHIMECH-1D 129

5.1.1 Các thành phần của hệ thống 129

5.1.1.1 Mạng sông 129

5.1.1.2 Ô ruộng (Ô chứa) 130

5.1.2 Mô hình toán học một đoạn sông 130

5.1.3 Mô hình toán học của một ô ruộng .131

5.2.BÀITOÁNTHIẾTLẬPMẠNGTHỦYLỰCHẠDUHỆTHỐNG SÔNGHỒNGVÀTHÁIBÌNH 133

5.3. BỘTHÔNGSỐMÔHÌNHIMECH-1D 136

5.3.1 Yêu cầu số liệu 136

5.3.2 Kết quả kiểm định thông số nhám 138

5.4.KẾTQUẢỨNGDỤNG TRONGNGHIỆPVỤDỰBÁO 143

5.4.1 Mùa lũ 2004 143

5.4.2 Mùa lũ 2005 144

5.4.3 Kết quả dự báo hạ du theo mô hình IMECH-1D mùa lũ năm 2006 (từ 15/06 đến 30/09/2006) 144

5.5.CÁCBÀITOÁNTRONGNGHIỆPVỤ 146

5.5.1.Vấn đề gia nhập khu giữa 146

5.5.2 Hiệu chỉnh kết quả mô hình 147

5.5.2.1 Lọc theo Kalman 147

5.5.2.2 Lọc theo Hồi Qui 149

5.5.2.3 Hiệu chỉnh tức thời 152

5.6.ỨNGDỤNGMÔHÌNHIMECH-1DTRONGTRƯỜNGHỢPLŨKHẨN CẤP 153

CHƯƠNG VI:

CÔNG NGHỆ DỰ BÁO LŨ SÔNG ĐÀ 156

6.1.TỔCHỨCCƠSỞDỮLIỆU 156

6.1.1 Cở sở dữ liệu tĩnh 156

6.2.2 Cơ sở dữ liệu động 157

6.2.HỆTHỐNGCÁCCHƯƠNGTRÌNHPHỤCVỤCÔNGNGHỆDỰ BÁO 158

6.2.2 Chương trình tạo đầu vào các mô hình dự báo 159

6.2.3 Các chương trình và mô-đun trong mô hình MARINE 159

6.2.4 Các chương trình và mô-đun trong mô hình IMECH-1D 161

6.2.5 Chương trình quản lý cơ sở dữ liệu 163

6.2.5.1 Quản lý dữ liệu trong mô hình MARINE 163

6.2.5.2 Quản lý dữ liệu trong mô hình IMECH-1D 172

6.2.6 Các phần mềm giao diện 174

6.2.6.1 Giao diện chính Công nghệ dự báo lũ sông Đà 174

6.2.6.2 Phần mềm giao diện mô hình MARINE 174

6.2.6.3 Mô hình Điều tiết 175

6.2.6.4 Mô hình FIRR 175

6.2.6.5 Mô hình TANK+Muskingum-Cunge 175

6.2.6.6 Mô hình thủy lực IMECH-1D 176

6.2.7 Chương trình hiển thị các thông số hiệu chỉnh 176

6.2.7.1 Hiển thị thông số mô hình MARINE 176

6.2.7.2 Hiển thị thông số mô hình Điều tiết 178

6.2.7.3 Hiển thị thông số mô hình IMECH-1D 178

6.2.8 Các chương trình kết xuất kết quả dự báo 179

6.2.8.1 Theo mô hình MARINE 179

6.2.8.2 Mô hình Thủy lực IMECH-1D 181

6.2.9 Các chương trình hiệu chỉnh dự báo 183

6.3.QUYTRÌNHDỰBÁOVÀHƯỚNGDẪNSỬDỤNGCÔNGNGHỆ DỰBÁOLŨSÔNGĐÀ 186

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 196

TÀI LIỆU THAM KHẢO 200

PHẦN PHỤ LỤC 203

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 1.1: Phân bố độ cao theo diện tích 6

Bảng 1.2: Tần suất (%) bắt đầu và kết thúc mùa lũ trên hệ thống sông Đà 8

Bảng 1.3.a: Đặc trưng dòng chảy trên sông Đà 9

Bảng 1.3.b Đặc trưng dòng chảy trên sông Đà (tiếp) 9

Bảng 1.4: Danh sách các trạm thuỷ văn trên lưu vực sông Đà 10

Bảng 2.1: Vị trí các trạm mưa sử dụng trên sông Đà 45

Bảng 2.2: Kết quả bài toán kiểm tra các tiểu lưu vực 49

Bảng 2.3: Khoảng biến đổi các thông số của mô hình thấm Green-Ampt áp dụng trong mô hình MARINE với 4 loại đất khác nhau trên lưu vực sông Đà 54

Bảng 2.4: Các hệ số nhám sử dụng trong mô hình Marine 56

Bảng 2.5: Phân loại thảm phủ lưu vực sông Đà 57

Bảng 2.6: Phân bố thành phần thảm phủ-tiểu lưu vực 1 58

Bảng 2.7: Phân bố thành phần thảm phủ - tiểu lưu vực số 2 58

Bảng 2.8: Phân bố thành phần thảm phủ - tiểu lưu vực số 3 59

Bảng 2.9: Phân bố thành phần thảm phủ-tiểu lưu vực số 4 59

Bảng 2.10: Phân bố thành phần thảm phủ-tiểu lưu vực số 5 60

Bảng 2.11: Phân bố thành phần thảm phủ-tiểu lưu vực số 6 60

Bảng 2.12: Phân bố thành phần thảm phủ-tiểu lưu vực số 7 61

Bảng 2.13: Phân bố thành phần thảm phủ-tiểu lưu vực số 8 61

Bảng 2.14: Phân bố thành phần thảm phủ-tiểu lưu vực số 9 62

Bảng 2.15: Phân bố thành phần thảm phủ-tiểu lưu vực số 10 62

Bảng 2.16: Tổng hợp các hệ số nhám theo sử dụng trong mô hình MARINE cho lưu vực sông Đà 63

Bảng 2.17: Bộ thông số MARINE và IMECH -1D-MARINE năm 1969 65

Bảng 2.18: Bộ thông số MARINE và IMECH -1D-MARINE năm 1971 65

Bảng 2.19: Bộ thông số MARINE và IMECH -1D-MARINE năm 1996 66

Bảng 2.20: Bộ thông số MARINE và IMECH -1D-MARINE năm 1999 66

Bảng 2.21: Bộ thông số MARINE và IMECH -1D-MARINE năm 2004 67

Bảng 2.22: Hệ số S/σ kiểm tra mô hình IMECH -1D-MARINE 67

Bảng 2.23: Hệ số S/σ kiểm định mô hình IMECH-1D-MARINE 68

Bảng 2.24: Kết quả dự báo tác nghiệp đỉnh lũ đến hồ Hòa Bình bằng bộ mô hình MARINE và IMECH-1D-MARINE 69

Bảng 2.25: Kết quả dự báo tác nghiệp quá trình lũ đến hồ Hòa Bình bằng bộ mô hình MARINE và IMECH-1D-MARINE 69

Bảng 2.26: Kết quả dự báo tác nghiệp đỉnh lũ đến Tạ Bú bằng bộ mô hình MARINE và IMECH-1D-MARINE 70

Bảng 2.27: Kết quả dự báo tác nghiệp quá trình lũ đến Tạ Bú bằng bộ mô hình MARINE VÀ IMECH-1D-MARINE (Tạ Bú đánh giá theo yếu tố mực nước) 70

Bảng 2.28: Kết quả dự báo tác nghiệp quá trình lũ đến hồ Tạ Bú bằng bộ mô hình

MARINE VÀ IMECH-1D-MARINE (Tạ Bú đánh giá theo yếu tố lưu lượng) 70

Bảng 2.29: Thời gian chảy truyền trên các đoạn sông 72

Bảng 2.30: Đánh giá kết quả vận hành mô hình MARINE mô phỏng lưu lượng đến hồ Hòa Bình năm 2006 theo các trường hợp phân bố mưa khác nhau 76

Bảng 2.31: Đánh giá kết quả vận hành mô hình MARINE mô phỏng lưu lượng đến Tạ Bú năm 2006 theo các trường hợp phân bố mưa 76

Bảng 2.32: Thời điểm bắt đầu xuất hiện trạng thái nước vật tại Tạ Bú 77

Bảng 3.1: Phân chia lưu vực sông Đà và sông Lô theo mô hình TANK 91

Bảng 4.1: Bước thời gian ∆t (s), phụ thuộc vào bước lưới (∆λ,∆ϕ) 106

Bảng 4.2: Danh sách các trạm điện báo mưa trên lưu vực sông Đà 108

Bảng 4.3: Mưa thực đo (mm) trong 6h trên lưu vực sông ngày 17/VII/2006 117 Bảng 4.4: Các phần tử của ma trận LUT 124

Bảng 4.5: Kết quả tính lũ tại Hòa Bình từ lượng mưa tính từ ảnh mây vệ tinh 126

Bảng 4.8: Kết quả tính lũ tại Tạ Bú từ lượng mưa tính từ ảnh mây vệ tinh 127

Bảng 5.1: Số nút khử và thời gian tính tương ứng 136

Bảng 5.2: Bộ thông số mô hình IMECH-1D 140

Bảng 5.3: Đánh giá sai số theo phương án 1: Đầu vào từ số liệu dự báo tuyến trên tại phòng Dự báo Thủy văn 144

Bảng 5.4: Đánh giá sai số theo phương án 2: Đầu vào từ mô hình FIRR 144

Bảng 5.5: Đánh giá sai số tại trạm Hà Nội theo phương án 1: Đầu vào từ số liệu dự báo tuyến trên 145

Bảng 5.6: Đánh giá sai số tại trạm Hà Nội theo phương án 2:

Đầu vào từ mô hình Firr 145

Bảng 5.7: Bảng đánh giá kết quả sử dụng Kalman 148

Bảng 5.8: Bảng đánh giá kết quả sử dụng hồi quy 151

Bảng 5.9: Hiệu quả cắt lũ 500 năm: Dạng lũ 1971 154

Bảng 5.10: Hiệu quả cắt lũ 500 năm: Dạng lũ 1969 155

Bảng 5.11: Hiệu quả cắt lũ 500 năm: Dạng lũ 1996 155

Bảng 6.1 Các files chứa dữ liệu tĩnh 156

Bảng 6.2 Các files chứa dữ liệu động 157

Bảng 6.3 Cấu trúc file FileInput.txt 165

MỤC LỤC HÌNH

Hình 1.1: Bản đồ mạng lưới trạm Khí tượng thủy văn trên lưu vực sông Đà và

các vùng lân cận 11

Hình 2.1: Sơ đồ tổng quát của mô hình MARINE 23

Hình 2.2: Mô tả vùng thấm trong lý thuyết Green Ampt 26

Hình 2.3: Sơ đồ kết nối MARINE VÀ IMECH-1D-MARINE và model điều hành hồ Hòa Bình 30

Hình 2.4: Bản đồ các đường đồng mức độ cao lưu vực sông Đà 34

Hình 2.5: Bản đồ DEM lưu vực sông Đà 35

Hình 2.6: Bản đồ DEM 3D lưu vực sông Đà (tiếp) 35

Hình 2.7: Sơ đồ ví dụ tạo hướng chảy từ bản đồ DEM 36

Hình 2.8: Sơ đồ mô phỏng số ô hội tụ nước và hình thành mạng sông 37

Hình 2.10: Bản đồ hướng chảy lưu vực sông Đà 38

Hình 2.11: Bản đồ mô tả số ô hội tụ nước lưu vực sông Đà 38

Hình 2.12: Bản đồ phân chia đường phân nước lưu vực sông Đà 39

Hình 2.13: Mạng sông Đà được tạo thành từ bản đồ DEM 39

Hình 2.14: Vị trí các tiểu lưu vực được phân chia trên lưu vực sông Đà 40

Hình 2.15: Cắt tách sông từ tiểu lưu vực chứa sông nhánh và tiểu lưu vực chứa sông chính 41

Hình 2.16: Hội tụ nước tại lưu vực chứa sông chính và sông nhánh 42

Hình 2.17: Bản đồ đất toàn lưu vực sông Đà 43

Hình 2.18: Bản đồ thảm phủ lưu vực sông Đà 44

Hình 2.19: Tích hợp bản đồ lưới trạm trên lưu vực sông Đà 46

Hình 2.20: Bản đồ phân vùng ảnh hưởng các trạm mưa sông Đà 46

Hình 2.21: Hệ thống mặt cắt được tích hợp lên dòng chính sông Đà 47

Hình 2.22: Sơ đồ tính toán của mô hình thủy lực IMECH-1D cho sông Đà

không xét đến thời gian chảy truyền 73

Hình 2.23: Sơ đồ tính toán của mô hình thủy lực IMECH-1D cho sông Đà

kết hợp với thời gian chảy truyền trên các đoạn sông 74

Hình 2.24: Quan hệ mực nước Tạ Bú và Hòa Bình khi nước vật 77

Hình 2.25: Quan hệ lưu lượng Tạ Bú và Hòa Bình khi nước vật 78

Hình 2.26: Quan hệ giữa lưu lượng xả đáy qua 1 cửa và mực nước hồ 2001 83

Hình 2.27: Quan hệ giữa lưu lượng xả mặt qua 1 cửa và mực nước hồ 2002 84

Hình 2.28: Đường quan hệ diện tích và mực nước hồ Hoà Bình 84

Hình 2.29: Đường quan hệ mực nước và dung tích hồ 85

Hình 2.30: Lưu lượng xả thực đo và dự báo 15/6/2004 tới 14/9/2005 87

Hình 2.31: Mực nước hồ thực đo và dự báo từ 15/6/2004 đến 14/9/2005 87

Hình 2.32: Mực nước hồ thực đo và dự báo từ 15/6/2005 đến 14/9/2006 88

Hình 2.33: Kết quả tính toán điều hành hồ Hòa Bình trận lũ lớn nhất năm 2006 (QHB=14700m3/s) 88

Hình 3.1: Hệ thống các mô hình ứng dụng trên hệ thống sông Hồng 89

Hình 3.2: Sơ đồ mạng lưới trạm Khí tượng thủy văn trên lưu vực sông Đà 93

Hình 3.3: Sơ đồ mạng lưới trạm Khí tượng thủy văn

Hình 3.4: Sơ đồ mạng lưới trạm Khí tượng thủy văn trên lưu vực sông Thao 95

Hình 3.5: Sơ đồ mạng lưới trạm Khí tượng thủy văn trên lưu vực sông Cầu 96

Hình 3.6: Sơ đồ mạng lưới trạm Khí tượng thủy văn trên lưu vực sông Thương 97

Hình 3.7: Sơ đồ mạng lưới trạm Khí tượng thủy văn trên lưu vực sông Lục Nam 98

Hình 4.1: Sơ đồ tổng quát bộ mô hình nghiệp vụ HRM tại TT DB KTTV TW 102

Hình 4.2: Sơ đồ chuẩn bị số liệu mưa từ mô hình HRM cho tính toán thuỷ văn 107

Hình 4.3: Các lưu vực bộ phận thuộc hệ thống sông Đà 110

Hình 4.4: Phân bố lượng mưa trung bình từ 7h ngày 04/XI/2004 đến 13h ngày 04/XI/2004 (dựa trên số liệu tại 00 UTC (7 giờ Hà nội) ngày 04/11/2004) Độ phân giải 14 km 112

Hình 4.5: Phân bố lượng mưa trung bình từ 13h ngày 04/11/2004 đến 19h ngày 04/11/2004 (dựa trên số liệu tại 00 UTC (7 giờ Hà nội) ngày 04/11/2004) Độ phân giải 14 km 113

Hình 4.6: Phân bố lượng mưa trung bình từ 19h ngày 04/XI/2004 đến 1h ngày 05/XI/2004 (dựa trên số liệu tại 00 UTC (7 giờ Hà Nội) ngày 04/XI/2004) Độ phân giải 14 km 113

Hình 4.7: Lượng mưa +24h (00UTC 8 đến 00UTC 9 tháng VII năm 2006) quan trắc (trái) và dự báo từ HRM (phải): Robs<Rfrcs 114

Hình 4.8: Lượng mưa +48h (00UTC 8 đến 00UTC 10 tháng 7 năm 2006 quan trắc trái và dự báo từ HRM (phải): Robs<Rfcst 114

Hình 4.9: Lượng mưa +12h (00UTC 17 đến 12UTC 17 tháng VII năm 2006)

quan trắc (trái) và dự báo từ HRM (phải) 115

Hình 4.10: Lượng mưa +18h (00UTC 17 đến 18UTC 17 tháng VII năm 2006) quan trắc (trái) và dự báo từ HRM (phải) 115

Hình 4.11: Lượng mưa +24h (00UTC 17 đến 00UTC 18 tháng VII năm 2006) quan trắc (trái) và dự báo từ HRM (phải) 116

Hình 4.12: Lượng mưa +48h (00UTC 17 đến 00UTC 19 tháng VII năm 2006) quan trắc (trái) và dự báo từ HRM (phải) 116

Hình 4.13: Lượng mưa dự báo 06 tiếng một (HRM) cho 27 lưu vực của S.Đà, Thao, Lô, Thái Bình (từ 00UTC 17/VII/2006) 117

Hình 4.14: Vệ tinh quan trắc các loại mây khác nhau 118

Hình 4.15: Sơ đồ minh hoạ bức xạ sóng ngắn (tia nhìn thấy được-thị phổ) 120

Hình 4.16: Sơ đồ minh hoạ bức xạ sóng dài (tia hồng ngoại nhiệt) 120

Hình 4.17: Bức xạ sóng ngắn và sóng dài 121

Hình 4.18: (a) Ma trận 3DLUT (21×21×26) (b) Bức xạ các loại sóng 124

Hình 4.20: Quá trình dòng chảy đến hồ Hòa Bình tính theo mưa từ ảnh mây vệ tinh và mưa các trạm quan trắc 126

Hình 4.21: Quá trình dòng chảy đến hồ Hòa Bình tính theo mưa từ ảnh mây vệ tinh và mưa các trạm quan trắc 127

Hình 5.2: Xác định điều kiện biên 138

Hình 5.3: Quá trình mực nước thực đo và dự báo tại Hà Nội năm 2004 143

Hình 5.4: Đường quá trình dự báo sử dụng phương pháp hiệu chỉnh Kalman 148 Hình 5.5: Đường quá trình dự báo sử dụng phương pháp hiệu chỉnh hồi quy 151

Hình 5.6: Hiệu chỉnh tức thời cho mô hình 153

Hình 6.1: Hệ thống các chương trình phục vụ công nghệ dự báo 158

Hình 6.2: Các khối điều khiển của mô hình MARINE 161

Hình 6.3: Cấu trúc chính của phần mềm quản lý cơ sở dữ liệu mô hình MARINE 163

Hình 6.4: Sơ đồ chồng xếp các lớp bản đồ trong MARINE 167

Hình 6.5: Các lớp thông tin kích hoạt trong hộp điều khiển 168

Hình 6.6: Mặt cắt số 31 trên sông Đà 168

Hình 6.7: Hiển thị thông tin bản đồ DEM, bản đồ đất và bản đồ thảm phủ trên lưu vực sông Đà 169

Hình 6.8: Form số liệu hiển thị lượng mưa 169

Hình 6.9: Đồ thị mưa các trạm KTTV 170

Hình 6.10: Form Time Series ADD lượng mưa của các trạm 170

Hình 6.11: FORM thông tin về hình ảnh lưu vực sông Đà 171

Hình 6.12: Giao diện quản lý cơ sở dữ liệu mô hình IMECH-1D 172

Hình 6.13: Mô-đun quản lý số liệu động trong IMECH-1D 173

Hình 6.14: Giao diện chính Công nghệ dự báo lũ sông Đà 174

Hình 6.15: Giao diện mô hình MARINE 174

Hình 6.16: Giao diện mô hình điều tiết hồ 175

Hình 6.17: Giao diện mô hình FIRR 175

Hình 6.18: Giao diện mô hình TANK +Muskingum-Cunge 175 Hình 6.19: Giao diện chính của chương trình IMECH-1D 176

Hình 6.20: Chọn tiểu lưu vực cần hiệu chỉnh thông số 177

Hình 6.21: Hiệu chỉnh thông số mô hình MARINE và IMECH-1D-MARINE177 Hình 6.22: Thông số mô hình MARINE và IMECH-1D-MARINE 178

Hình 6.23: Chương trình điều hành Hồ Hòa Bình 178

Hình 6.24: Giao diện hiệu chỉnh thông số mô hình IMECH-1D 179

Hình 6.25: FORM xuất bản tin dự báo 179

Hình 6.26: Hiển thị kết quả dự báo trên mặt cắt 180

Hình 6.27: Form lựa chọn trạm TV hiển thị mực nước và lưu lượng 180

Hình 6.28: Đồ thị hiển thị quá trình lưu lượng thực đo và dự báo các trạm trên sông Đà 181

Hình 6.29: Giao diện hiển thị kết quả dự báo theo tên trạm 181

Hình 6.30: Hiển thị kết quả dự báo dưới dạng quá trình 182

Hình 6.31: Xuất dữ liệu 182

Hình 6.32: Mặt cắt trạm Hà Nội được hiển thị trên chương trình 183

Hình 6.33: Hiệu chỉnh tức thời số liệu thực đo sai 184

Hình 6.34: Hiệu chỉnh quá trình dự báo 184

Hình 6.35: Giao diện hiệu chính của mô hình IMECH-1D 185

Hình 6.36: Sơ đồ tổ chức công nghệ dự báo lũ điều hành hồ chứa Hoà Bình

(HoaBinhDHanh.exe) 186

Hình 6.37: Qui trình cập nhật số liệu 187

Hình 6.38: Sơ đồ vận hành mô hình Tank - Muskingum 189

Hình 6.39: Sơ đồ thuật toán mô hình IMECH-1D kết hợp với mô hình Marine 191

Hình 6.40: Sơ đồ vận hành mô hình Điều tiết 193

Hình 6.41: Chương trình điều hành Hồ Hòa Bình 193

Hình 6.42: Chương trình điều hành Hồ Hòa Bình 194

Hình 6.43: Sơ đồ điều hành tối ưu 195

CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT

- DEM: Digital Elevation Model

- DBST: Dự báo số trị

- EM: Europe Model

- GIS: Geographic Information System

- HRM: High-resolution Regional Model

- KT: Khí tượng

- MARINE: Modelisation de l’Anticipation du Ruissellement at des Inondations pour des événements Extrêmes

- 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

MỞ ĐẦU

Sông Đà là phụ lưu lớn thứ hai của sông Hồng, cung cấp nguồn nước vô cùng phong phú cho đồng bằng sông Hồng-vựa lúa lớn thứ hai của cả nước (trung tâm chính trị-kinh tế-xã hội của Việt Nam, thủ đô Hà Nội nằm trong vùng đồng bằng này) Tổng lượng nước sông Đà chiếm khoảng 48,2% tổng lượng nước sông Hồng tại Sơn Tây Lũ trên sông Đà chiếm tỉ trọng cao: trong điều kiện tự nhiên chiếm khoảng 38-67%, trung bình khoảng 51%, lượng lũ sông Hồng tại Sơn Tây Lượng lũ lớn, đỉnh lũ cao hình thành nhanh là đặc điểm nổi bật nhất của sông Đà Tại Lai Châu, biên độ mực nước lớn nhất trên các sông lớn của cả nước, đạt trị số lớn nhất 27,76m (trận lũ tháng VIII/1945) và biên độ đạt 25,15m với cường suất lớn nhất 77,4cm/h (29/VII/1966) Hiện nay, nguồn tài nguyên nước vô cùng phong phú của sông Đà đang được khai thác triệt để Trên dòng chính sông Đà hàng loạt các hồ chứa đa mục tiêu đang được xây dựng phục vụ chống lũ, phát điện, cung cấp nước cải thiện giao thông thủy và du lịch sinh thái như hồ chứa Hòa Bình (xây dựng năm 1979–phát tổ máy phát điện đầu tiên năm 1989), Hồ Sơn La (khởi công 2/XII/2005 và dự kiến năm

2010 vận hành chống lũ) và hồ Lai Châu (trong quy hoạch) Trên các dòng nhánh sông Đà các thủy điện nhỏ cũng đang được quy hoạch và xây dựng như: Thủy điện Vàng Son trên sông Nậm Pô và thủy điện Huội Quản, Bản Chát trên sông Nậm Mu, thủy điện Nậm Chiến trên dòng Nậm Chiến Về mặt phòng chống thiên tai, các hồ chứa lớn thượng nguồn sông Đà đã và đang phát huy hiệu quả to lớn của chúng trong việc phòng lũ cho hạ du Sự tham gia của hồ

Hòa Bình trong tổ hợp các công trình cắt giảm lũ sông Hồng như hệ thống đê,

hồ Thác Bà, đập Đáy khống chế được khoảng 30-40% lượng lũ hàng năm của sông Hồng tại Sơn Tây, giữ được mực nước Hà Nội ở mức 13,3m khi xảy ra trận lũ năm 1971 (trận lũ 125 năm xuất hiện một lần), khi có hồ Sơn La và Tuyên Quang có thể khống chế được trận lũ 500 năm xuất hiện một lần

Đặc điểm lũ phức tạp trên sông Đà cộng với hàng loạt các công trình hồ chứa bậc thang được xây dựng để lợi dụng tổng hợp nguồn nước đòi hỏi ngành Khí tượng Thủy văn phải nâng cao chất lượng dự báo lũ sông Đà Dự báo lũ sông Đà chính xác là yếu tố quan trọng góp phần vận hành các công trình hồ

kinh tế xã hội Dự báo lưu lượng tại Tạ Bú (cửa ngõ vào hồ Hòa Bình) và mực nước hồ Hòa Bình là yêu cầu quan trọng nhất trong toàn tuyến sông Đà trong giai đoạn hiện nay đặc biệt khi công trình Sơn La đang được xây dựng

Trong hơn 3 năm qua, Ban chỉ đạo phòng chống lụt bão trung ương đã tổ chức 1 nhóm chuyên gia và 6 cơ quan gồm trường Đại học thủy lợi, Viện Khoa học thủy lợi, Viện thiết kế thủy lợi, Viện Cơ học, Viện khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường và Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương tham gia dự

báo lũ sông Đà và sông Hồng với các hạng mục bắt buộc:

Dự báo dòng chảy đến hồ Hòa Bình

Dự báo mực nước hồ, kiến nghị số cửa xả theo Quy trình vận hành

Dự báo mực nước Hà Nội ứng với các kịch bản đề xuất, thời gian dự kiến 24-48h từ 15/VI đến 30/X hàng năm

Chất lượng dự báo mực nước cho vị trí Hà Nội tại Trung tâm Dự báo KTTV TW khi có lũ lớn, còn chưa cao, chỉ đạt 70%

Trong những năm gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographic Information System) được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau đã đem lại nhiều hiệu quả to lớn Ngành Thuỷ văn học và Tài nguyên nước nói chung cũng là một trong rất nhiều ngành

áp dụng công nghệ GIS trong các lĩnh vực như môi trường, phân tích các thảm hoạ thiên nhiên (lũ lụt và phòng chống thiên tai vv ) đặc biệt trong các mô hình thuỷ văn

Theo xu hướng phát triển đó, đề tài “Nghiên cứu xây dựng công nghệ

dự báo lũ phục vụ điều tiết hồ Hòa Bình trong công tác phòng chống lũ lụt”

do Trung tâm Dự báo Khí tượng thủy văn Trung ương chủ trì, được thực hiện trong 2 năm từ tháng X năm 2004 đến tháng X năm 2006

Mục tiêu của đề tài là: Trên cơ sở ứng dụng các mô hình thủy lực, thủy văn hiện đại, xây dựng Công nghệ dự báo lũ cho lưu vực sông Đà phục vụ điều hành và khai thác hợp lý hồ chứa Hòa Bình, phục vụ phòng chống lũ lụt cho đồng bằng sông Hồng

Thực hiện mục tiêu trên, nhiệm vụ chính của đề tài là xây dựng các bản

đồ DEM, bản đồ đất, bản đồ thảm phủ, 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 sông Đà và hạ lưu sông Hồng: Mô hình thủy văn MARINE (của Pháp), mô hình Điều tiết và mô hình thủy lực IMECH-1D (của Viện Cơ học) đồng thời giải

quyết các bài toán cơ bản của nghiệp vụ dự báo như: sử dụng mưa dự báo, kéo dài thời gian dự kiến, hiệu chỉnh hậu mô hình, vấn đề nước vật khi hồ Hòa Bình đầy, vấn đề tính gia nhập đối với mô hình thủy lực IMECH-1D, tự động cập nhật đầu vào các mô hình, giao diện phần mềm dễ sử dụng, mềm dẻo, kết quả

dự báo phải phong phú và đa dạng nhằm đáp ứng các yêu cầu mới của công tác điều hành tối ưu hồ chứa Hòa Bình và phòng tránh thiên tai đảm bảo an toàn thủ đô Hà Nội trong trường hợp xảy ra lũ lớn và khẩn cấp

Sản phẩm chính của đề tài là bản báo cáo tổng kết gồm 259 trang đánh máy, 63 bảng, 151 hình vẽ và tài liệu tham khảo được viết thành 6 chương với các nội dung sau:

Mở đầu

ChươngI : Quy luật hình thành lũ và vấn đề dự báo lũ sông Đà

Chương II: Mô hình tính toán thủy văn trên lưu vực sông Đà Mô hình tính toán điều tiết hồ Hòa Bình

Chương III: Mô hình tính toán thủy văn trên lưu vực sông Thao, Lô, Cầu, Thương, Lục Nam

Chương IV: Ứng dụng các mô hình dự báo mưa số trị để thiết lập số liệu đầu vào cho mô hình tính toán thủy văn

Chương V: Ứng dụng mô hình tính toán thủy lực một chiều IMECH-1D

để dự báo lũ hạ du hệ thống sông Hồng–Thái Bình

Chương VI: Công nghệ dự báo lũ sông Đà

Kết luận

Công trình nghiên cứu của tác giả

Tài liệu tham khảo

Phần phụ lục

Tham gia thực hiện đề tài gồm các cộng tác viên sau: Ths Trịnh Thu Phương, Ths Đặng Thanh Mai, KS Bùi Đình Lập, KS Nguyễn Trường, KS Đào Anh Tuấn, KS Nguyễn Quốc Anh thuộc Trung tâm dự báo KTTV Trung ương; PGS TS Hoàng Văn Lai, TS Trần Thu Hà, KS Nguyễn Tiến Cường,

CN Nguyễn Tuấn Anh thuộc Viện Cơ học; Ths Nguyễn Thanh Long, Ths

Lê Quốc Hùng thuộc Viện Nghiên cứu Địa chất; TS Hoàng Minh Tuyển, Viện khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường

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: GS TSKH Nguyễn Văn Điệp, GS.TSKH Ngô Huy Cẩn (Viện Cơ học) và cơ quan chủ quản - Trung tâm Quốc gia Khí tượng Thủy văn, đặc biệt là Phòng Dự báo thủy văn đã tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình thực hiện đề tài

Hà Nội, tháng 11 năm 2006

Chương I: QUY LUẬT HÌNH THÀNH LŨ VÀ VẤN ĐỀ DỰ BÁO LŨ SÔNG ĐÀ

1.1 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN VÀ QUY LUẬT HÌNH THÀNH LŨ

SÔNG ĐÀ

1.1.1 Khái quát đặc điểm địa lý tự nhiên lưu vực sông Đà

Sông Đà có tên gọi là sông Lý Tiên ở phía Trung Quốc, bắt nguồn từ

vùng núi cao cạnh nguồn của sông Nguyên (sông Thao) thuộc tỉnh Vân Nam

(Trung Quốc).Tổng diện tích toàn lưu vực sông Đà là 52.900km2, trong đó diện

tích phần Việt Nam là 26.800km2-khoảng 16,9% diện tích toàn miền Bắc Lưu

vực sông hẹp thuộc địa phận khu Tây Bắc, kéo dài theo hướng Tây Bắc-Đông

Nam tới 380km, rộng trung bình 80km, độ cao trung bình lưu vực sông Đà

1130m Đường phân thủy phía đông của lưu vực là dãy núi Hoàng Liên Sơn, Pu

Luông với đỉnh cao từ 2500-3000m, phía Tây có dãy núi cao Phu đen-đinh

(1886m), Phu Huổi Long (2178m), Phutama (1801m), Phu Tung (1480m) và

Phu Sang (1518m) Phía Bắc có dãy núi cao Pusi-Lung (3076m) và Ngũ Đài

Sơn (3048m), phía Đông Nam là vùng núi thấp Ba Vì (1287m), Viên Nam

(1029m) và Đối Thôi (1198m) Địa hình lưu vực là dạng núi và cao nguyên đều

cao, chia cắt mạnh theo chiều thẳng đứng; các dãy núi, cao nguyên và thung

lũng xếp song song theo hướng Tây Bắc-Đông Nam

Phần lớn lòng sông cao hơn mặt biển từ 100m–500m, bồi tụ ít và lắm thác

ghềnh Thượng lưu sông Đà kể từ nguồn tới Parkma dòng sông chảy theo hướng

Tây Bắc-Đông Nam Lòng sông rộng trung bình 40m–60m vào mùa cạn Từ

biên giới Việt Trung tới Lai Châu khoảng 125km có độ dốc đáy sông bình quân

160cm/km Trung lưu sông Đà từ Parkma tới suối Rút độ dốc đáy sông giảm còn

38-40cm/km, lòng sông rộng trung bình 90-100m Hạ lưu sông Đà từ suối Rút

đến cửa sông (Trung Hà) lòng sông mở rộng khoảng 200m về mùa cạn, độ dốc

đáy còn 42cm/km Từ suối Rút, sông Đà chuyển hướng tây đông cho tới Hòa

Bình, qua Hòa Bình sông Đà lại đổi hướng Tây Nam-Đông Bắc rồi nhập với

sông Thao Những ngọn núi Viên Nam và Đối Thôi đã buộc sông Đà phải đổi

hướng như vậy

phân bố không đều Vùng đá vôi mưa ít như lưu vực Nậm Sập mật độ sông suối dưới 0,5km/km2; vùng núi cao mưa nhi ều như thương lưu sông Nậm Mu mạng sông dày khoảng 1,67km/km2; các vùng còn lại khoảng 0,5-1,5km/km2

Bảng 1.1: Phân bố độ cao theo diện tích

Độ cao (m) Diện tích (phần Việt Nam)

1.1.2 Đặc điểm mưa và nhân tố hình thành lũ

Sự sắp xếp song song của địa hình núi, cao nguyên và thung lũng sông có tác động rõ rệt tới khí hậu trên lưu vực Dãy núi cao Hoàng Liên Sơn-Puluông như một bức tường tự nhiên ngăn cản và làm suy yếu ảnh hưởng của gió Đông Bắc Các dãy núi cao ở biên giới Việt-Lào lại tạo ra hiệu ứng fơn đối với gió mùa Tây Nam Điều kiện địa hình và vị trí của lưu vực đã qui định khí hậu với hai mùa: mùa đông khô lạnh, mùa hè nhiều mưa ở vùng cao và khô nóng ở vùng thấp

Mưa lớn trên lưu vực thường bắt đầu sớm, vào khoảng tháng VI, tháng VII Vùng Bắc và Tây Bắc là vùng núi cao có khí hậu ẩm ướt đến rất ẩm, lượng mưa trung bình nhiều năm từ 1500 đến 2700mm, lượng mưa mùa hè (tháng V-IX) chiếm tới trên 70% tổng lượng mưa năm Vùng núi thấp Sơn La-Mộc Châu, mùa hè chịu ảnh hưởng của gió mùa Tây Nam, lượng mưa trung bình năm thấp, chỉ 1100 đến 1500mm, trong đó lượng mưa mùa hè dưới 1000mm

Trên lưu vực sông Đà tồn tại những trung tâm mưa lớn như trung tâm mưa ở sườn tây dãy Hoàng Liên Sơn thuộc các lưu vực sông nhánh Nậm Na, Nậm Mu, lượng mưa trung bình năm khoảng 2500mm (trên lưu vực Nậm Na- mưa trung bình năm tới trên 2000mm: tại Phong Thổ lượng mưa trung bình năm

là 2202mm, PaTần 2997mm, Sình Hồ 2682mm; trên lưu vực Nậm Mu lượng

mưa trung bình năm tới 2454mm, ở thượng lưu lên tới 2700-2800mm) Tại vùng phía tây dãy Hoàng Liên Sơn thấy rõ qui luật lượng mưa tăng theo độ cao lưu vực Phân bố mưa thể hiện rõ đặc điểm đó: Mường Tè 1627mm, Lai Châu 2162mm, Quỳnh Nhai 1739mm, Tạ Khoa 1174mm, Vạn Yên 1314mm, Sơn La 1496mm, Mộc Châu 1583mm, Cò Nòi 1210mm Mưa tập trung vào các tháng V-X, đặc biệt lượng mưa từ tháng VI đến tháng VIII chiếm 50-60% lượng mưa năm

Trung tâm mưa lớn tại phần lưu vực thuộc địa phận Việt Nam gần biên giới Việt-Trung là tâm mưa lớn nhất, lượng mưa năm thay đổi tùy từng vị trí từ

2400 đến 3000mm, mưa tập trung nhiều nhất vào các tháng VI-VIII

1.1.3 Đặc điểm dòng chảy lũ sông Đà

Địa hình núi cao, chia cắt mạnh, độ dốc lớn, thung lũng sâu, hẹp với lượng mưa lớn lại tập trung vào một vài tháng trong năm tạo điều kiện hình thành mạng lưới sông dày đặc, ít sông lớn, hướng của các dòng sông suối trùng với hướng của lưu vực

Nguồn sinh dòng chảy quan trọng nhất trên sông Đà nằm ở phần lưu vực thuộc vùng biên giới Việt-Trung và vùng sườn phía tây dãy Hoàng Liên Sơn, nơi có module dòng chảy năm từ 30-40l/s/km2 và hơn nữa Ở các nơi khác trên lưu vực, lượng dòng chảy thường không vượt quá 20l/s/km2 (bảng 1.3b) Dòng chảy sông tập trung vào các tháng mùa lũ, chiếm tới 69-78% tổng lượng dòng chảy năm

Mùa lũ trên sông Đà thường bắt đầu vào tháng V, kết thúc vào cuối tháng

IX đầu tháng X Lũ lớn nhất thường xảy ra vào cuối tháng VII, nửa đầu tháng VIII Dòng chảy lũ trên sông Đà lớn, tập trung nhanh và không đồng bộ ở các phần khác nhau của lưu vực là một đặc điểm nổi bật nhất của dòng chảy sông

Đà Điều kiện địa lý tự nhiên thuận lợi cho dòng chảy lũ hình thành trên các phụ lưu sông Đà, nhất là lưu vực Nậm Na, Nậm Mu.Trên dòng chính, lượng dòng chảy lũ chiếm bình quân từ 77,6 đến 78,5% dòng chảy năm, dòng chảy tháng VIII-tháng có dòng chảy lớn nhất năm-chiếm tới 23,7% dòng chảy năm Module đỉnh lũ tại Lai Châu là 324l/s/km2 xảy ra vào các tháng VII năm 1966 và 428l/s/km2 vào tháng VIII năm 1945 Module đỉnh lũ tại Hòa Bình lên tới

vực tăng Tại Lai Châu, biên độ lũ lớn nhất đạt tới 27,76m (VIII/1945), cao nhất

ở Việt Nam, với cường suất lũ lên lớn nhất tới 77,4cm/h Dòng chảy lũ tập trung nhanh như vậy nên công tác dự báo thủy văn gặp khó khăn lớn, để giải quyết vấn đề này đòi hỏi phải có một mô hình tương đối nhạy với quá trình thay đổi dòng chảy trong sông

Bảng 1.2: Tần suất (%) bắt đầu và kết thúc mùa lũ trên hệ thống sông Đà

Bắt đầu mùa lũ Kết thúc mùa lũ

Trên cơ sở xác định thời gian truyền lũ trung bình ở các đoạn sông chính

từ Mường Tè về Hòa Bình và trên các phụ lưu chính Nậm Na, Nậm Mu cho thấy trong mùa lũ thời gian truyền lũ có khác nhau khi lũ lên và lũ xuống Tuy nhiên, trong tính toán và dự báo, thời gian truyền lũ trung bình từ Mường Tè về

Tạ Bú có thể lấy 18-20h, từ Tạ Bú về Hòa Bình là 12-24h trong tự nhiên, khi có

hồ Hòa Bình thời gian truyền lũ giảm xuống còn 3-12h tùy theo mực nước hồ Ngoài ra, thời gian truyền lũ trên các đoạn sông cũng phục thuộc vào tâm mưa trên lưu vực Với điều kiện thông tin khí tượng thủy văn hiện nay, thời gian dự kiến dự báo lưu lượng lũ tại Tạ Bú trên sông Đà không quá 18h và tại Hòa Bình không quá 36h với thời gian dự kiến trên 36h chỉ dùng để tham khảo hoặc những nhận định có khả năng

Bảng 1.3.a: Đặc trưng dòng chảy trên sông Đà

Đặc trưng dòng chảy năm

TT Lưu vực

Diện tích (km 2 )

dài (km)

W (km 3 ) Q (m

3 /s) M (l/s/km 2 )

Hệ số dòng chảy

- 1,25 0,30 0,46 0,23 0,13

1170

1125

1550

1744 72,0 15,0

279

274 79,6 73,7

177

- 16,0 10,6 14,6 7,5 4,3

33,5 33,3 34,3 33,8 31,6 33,7 40,7 41,8 27,2 27,0 50,9 58,9 51,1 39,9 10,7 18,4 44,3

0,58 0,45 0,55 0,55 0,50 0,52 0,58 0,56 0,47 0,47 0,66 0,77 0,80 0,61 0,25 0,53 0,90

Bảng 1.3.b Đặc trưng dòng chảy trên sông Đà (tiếp)

Lưu lượng đỉnh lũ (đo đạc) Lưu lượng

min Phân phối %

Mùa

lũ

Mùa cạn

27/4/63 2/5/80 8/5/60 16/5/69 5/5/69 14/5/66 4/5/80 13/5/66 8/5/60

77.4 77.2 77.6 74.7 66.5 73.2 73.9 70.4 72.1

22.6 22.8 22.4 25.3 33.5 26.8 26.1 29.6 27.9

1.1.4 Các thông tin về mạng lưới trạm, điện báo mưa và mực nước trên lưu

vực sông Đà

Mạng lưới trạm khí tượng thuỷ văn trên sông Đà phân bố khá đều từ

thượng lưu tới hạ lưu toàn lưu vực nhưng mật độ lưới trạm mưa vẫn còn thưa

Thông tin liên tục cấp nguồn số liệu rất đầy đủ và chính xác được truyền về

Trung Tâm Dự Báo Khí tượng Thủy văn Trung Ương (TTDBKTTVTW) từ các

trạm quan trắc phục vụ đắc lực cho công tác dự báo

1.1.4.1 Thông tin về mạng lưới trạm

Hiện nay, toàn bộ lưu vực sông Đà có 19 trạm thuỷ văn và 27 trạm khí

tượng Trạm thủy văn được giới thiệu trong bảng 1.4 Trạm bắt đầu quan trắc

sớm nhất là trạm Hoà Bình vào năm 1902, muộn nhất là trạm Nà Hử năm 1967

Bảng 1.4: Danh sách các trạm thuỷ văn trên lưu vực sông Đà

Vị trí trạm Yếu tố đo đạc T

T Tên trạm Tên Sông

Địa phương Kinh

độ Vĩ độ

D/tích tập trung nước (km2)

Thời gian bắt đầu hoạt động đến nay

H Q X T

1 Mường Tè Đà Tỉnh Lai Châu 102 o 37’ 22 o 28’ 1960 x

2 Lai Châu Đà Thị xã Lai Châu 103 o 12’ 22 o 04’ 33800 1927 x x x x

3 Quỳnh Nhai Đà Quỳnh Nhai, Sơn La 103 o 33’ 21 o 51’ 1962 x

4 Tạ Bú Đà Mường La, Sơn La 104 o 03’ 21 o 26’ 45900 1927 x x x x

5 Tạ Khoa Đà Yên Châu, Sơn La 104 o 21’ 21 o 12’ 1965 x

6 Vạn Yên Đà Phù Yên, Nghĩa Lộ 104 o 43’ 21 o 03’ 1916 x x

7 Chợ Bờ Đà Đà Bắc, Hoà Bình 105 o 09’ 20 o 45’ 1916 x

8 Hoà Bình Đà Thị xã Hoà Bình 105 o 20’ 20 o 49’ 51800 1902 x x x x

9 Trung Hà Đà Bát Bạt, Hà Tây 105 o 20’ 22 o 14’ 1956 x

10 Nà Hử Nậm Bung Mường Tè, Lai Châu 102 o 52’ 22 o 22’ 155 1967 x x x

11 Nậm Pô Nậm Pô Mường Tè, Lai Châu 102 o 37’ 22 o 07’ 475 1963 x x x

12 Pa Tần Nậm Na Sình Hồ, Lai Châu 1962 x x x

13 Nậm Giàng Nậm Na Mường Lay, Lai Châu 103 o 10’ 22 o 15’ 6740 1965 x x x

14 Nậm Mức Nậm Mức Mường Lay, Lai Châu 103 o 18’ 21 o 49’ 2680 1961 x x x

15 Pa Há Nậm Mạ Sình Hồ, Lai Châu 103 o 24’ 22 o 13’ 424 1960 x x x

16 Bản Củng Nậm Mu Than Uyên, Nghĩa Lộ 103 o 49’ 21 o 47’ 2620 1961 x x x

17 Nậm Chiến Nậm Chiến Mường La, Sơn La 104 o 09’ 21 o 36’ 313 1960 x x

18 Thác Vai Nậm Bú Mường La, Sơn La 104 o 02’ 21 o 26’ 1360 1958 x x x x

19 Thác Mộc Nậm Sập Mộc Châu, Sơn La 104 o 33’ 20 o 52’ 405 1959 x x x x

20 Phiêng Hiềng Suối Sập Bắc Yên, Nghĩa Lộ 104 o 29’ 21 o 12’ 269 1961 x x x x

Trạm mưa: Tam Đường, Mường Tè, Parkma, Vàng Pó, Nậm Giàng, Sìn

Hồ, Lai Châu, Mường Trại, Mường Sại, Km46, Yên Châu, Thuận Châu, Sơn La,

Km 22, Phù Yên, Tuần Giáo, Pha Đin, Hoà Bình, Kim Bôi, Mai Châu, Chi Nê,

Lạc Sơn, Điện Biên, Quỳnh Nhai, Bắc Yên, Cò Nòi

Hình 1.1: Bản đồ mạng lưới trạm Khí tượng thủy văn

trên lưu vực sông Đà và các vùng lân cận

1.1.4.2 Thông tin về điện báo mưa và mực nước:

Các trạm khí tượng và thủy văn đều điện báo theo chế độ được quy định

trong “Mã luật điện báo” về TTDBKTTVTW

- Tất cả các trạm mưa đều điện báo mưa theo thời gian 6h từ 1/I-31/XII

- Tất cả các trạm đo mực nước đều điện báo từ 1/V-31/X theo quy định về

- Từ 1/I-31/IV và 1/XI-31/XII chỉ điện báo mực nước các trạm chính: Mường Tè, Lai Châu, Quỳnh Nhai, Tạ Bú, Hòa Bình, Trung Hà, Nậm Giàng, Bản Củng theo thời gian 6 giờ

1.2 VẤN ĐỀ DỰ BÁO LŨ SÔNG ĐÀ VÀ LUẬN CHỨNG CHỌN KIỂU

có văn bản nào cho biết chúng được dùng trong dự báo như thế nào và kết quả ra sao Chỉ sau ngày giải phóng, công tác dự báo thuỷ văn đặc biệt là dự báo lũ mới được thực sự quan tâm chú ý và trải qua nhiều giai đoạn

- Giai đoạn từ 1955 đến 1976

Công cụ dự báo thuỷ văn trên lưu vực sông Đà được xây dựng chủ yếu theo các phương pháp dự báo truyền thống như phương pháp xu thế, phương pháp mực nước tương ứng Nổi bật nhất là phối hợp phương pháp diễn toán lũ với phương pháp mưa-dòng chảy để xử lý gia nhập khu giữa trong những đoạn sông có nhập lưu lớn (1965-1971)

- Giai đoạn từ 1977 đến nay

Giai đoạn này có sự phát triển mạnh mẽ của máy tính điện tử cùng các công nghệ liên quan như vệ tinh khí tượng và hệ thống thông tin đại chúng Công nghệ dự báo lũ đã có những biến đổi đột ngột với sự hỗ trợ mạnh mẽ của công nghệ tin học Đi kèm với sự phát triển đó, mạng lưới khí tượng thuỷ văn cũng như mạng lưới trạm điện báo đã phát triển hoàn chỉnh trên cơ sở tối ưu về mặt thu thập thông tin khí tượng thuỷ văn đồng thời kết hợp sử dụng các thông tin viễn thám hiện đại trên toàn lãnh thổ và các loại vệ tinh khí tượng Thời kỳ này, rất nhiều các mô hình dự báo lũ (thuỷ văn và thuỷ lực) được xây dựng và

a) Mô hình thủy văn

Hiện nay, công tác dự báo tác nghiệp mưa lũ trên hệ thống sông toàn quốc được thực hiện tại Trung tâm DBKTTVTW Tại đây các phương pháp dự báo truyền thống như các phương pháp phân tích thống kê, nhận dạng hình thế thời tiết gây mưa lớn, phương pháp hồi quy bội được kết hợp với việc ứng dụng các mô hình toán thuỷ văn như mô hình SSARR, TANK, NAM, IMECH-1D là những công cụ chủ yếu để dự báo lũ, lụt

Tuy nhiên khi có lũ lớn, mức đảm bảo của các phương pháp chưa cao, chỉ đạt 70%, đặc biệt không thể dự báo được khi xảy ra tình trạng phân chậm lũ vì các phương pháp không xét đến điều kiện địa hình, mặt cắt,

Ngoài ra một số cơ quan khác cũng đã tham gia nghiên cứu và ứng dụng một số mô hình toán thử nghiệm trong lĩnh vực dự báo như:

- Viện khí tượng thủy văn, đã nghiên cứu ứng dụng trong tính toán dòng chảy các mô hình SSARR, TANK, SACRAMENTO, ANN, HEC1, HMS, NLRRM và đang nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE11+NAM

- Viện Khoa học Thủy lợi, Trường Đại học Thủy lợi, Viện Quy họach thủy lợi sử dụng các mối quan hệ mưa-dòng chảy và lưu lượng tương ứng, mô hình NAM để tính toán dự báo dòng chảy lũ sông Hồng

- Viện Cơ học nghiên cứu ứng dụng mô hình MARINE và IMECH-1D tính toán mô phỏng và dự báo dòng chảy lũ thượng lưu hệ thống sông Hồng Viện Cơ học đã có mã nguồn phần mềm và làm chủ được mô hình này, đã có kết quả nghiên cứu ban đầu (trên bộ số liệu chưa đầy đủ)

Phần mềm các mô hình SSARR, TANK, NAM chưa kết nối với GIS

và chưa được các cơ quan nghiên cứu cụ thể, tỉ mỉ cho sông Đà

b) Mô hình thủy lực đã được Trường Đại học Thủy lợi, Viện KTTV,

Trường Đại học Xây dựng áp dụng các mô hình SOGREAN, VRSAP, KOD1, TLUC96, mô hình sóng khuếch tán (MUSKINGUM–CUNGE) với các phần mềm có từ những năm 1980 – 1990 trong tính toán lũ

Viện Cơ học đã có phần mềm tính tóan điều tiết hồ Hòa Bình và mô hình thủy lực tính tóan hạ du sông Hồng – Thái Bình (kết quả nghiên cứu của Đề tài

NC khoa học cấp Nhà nước KC.08-13)

1.2.2 Tình hình nghiên cứu về mô hình thủy văn, thủy lực trên thế giới

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 Có thể kể tên một vài mô hình:

- Ở Mỹ, Bộ phận dự báo thuỷ văn thuộc Cơ quan Thời tiết Hoa kỳ sử dụng

hệ mô hình Đường đơn vị + mô hình Sacramento để tính toán dòng chảy

từ mưa

- Trung tâm kỹ thuật thủy văn Mỹ xây dựng Mô hình HEC1 để dự báo lũ từ mưa và diễn toán lũ trong sông Gần đây mô hình được cải tiến thành HMS có giao diện đồ họa thuận tiện cho người sử dụng và đang được cài đặt ở Viện KTTV

- Viện thuỷ lực Đan Mạch (Danish Hydraulics Institute, DHI) Xây dựng phần mềm dự báo lũ bao gồm mô hình NAM tính toán và d báo dòng

- Mô hình LISFLOOD do Trung tâm nghiên cứu hỗn hợp của Cộng đồng châu Âu (EU) xây dựng

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 Các bộ chương

lụt Hệ mô hình này đang được cài đặt ở Viện KTTV để tính toán dự báo

lũ hệ thống sông Hồng

Ở Pháp, Viện Điện lực (EDF) đã xây dựng phần mềm TELEMAC tính các bài toán thủy lực 1 chiều và 2 chiều TELEMAC - 2D là phần mềm thủy lực 2 chiều, đã được kiểm nghiệm theo tiêu chuẩn nghiêm ngặt của Châu Âu về độ tin cậy ở VN, nó đã được cài đặt ở Viện cơ học Hà Nội và khoa Xây dựng- Thủy lợi-Thủy điện, Trường Đại học Kỹ thuật Đà Nẵng và đã được áp dụng thử nghiệm để tính toán dòng chảy tràn vùng Vân Cốc-Đập Đáy, lưu vực sông Hồng đoạn trước Hà Nội

1.2.3 Một số nghiên cứu dự báo lũ tiêu biểu đối với Bắc Bộ

1) Đề tài “Nghiên cứu xây dựng công cụ dự báo lũ thượng lưu hệ thống sông Hồng” (Lê Bắc Huỳnh, TTQGDB KTTV, 1995-1997)

- Thành quả: Đã xây dựng được hệ thống dự báo thuỷ văn theo mô hình

SSARR cho thượng nguồn các lưu vực sông Đà, Thao, Lô Đề tài đã tạo dựng được nền tảng cho việc áp dụng mô hình thuỷ văn để dự báo lũ, kết quả tính toán của đề tài khá tốt

- Cần nghiên cứu tiếp : (1) Đề tài có tính nghiên cứu cơ bản, chưa thành

một công nghệ hoàn chỉnh để dùng vào dự báo tác nghiệp; (2) Chưa có biện pháp để cập nhật sai số dự báo; (3) vì thiếu số liệu phía Trung Quốc cho nên phải xử lý biên trên bằng phương pháp hồi qui, vì thế có hạn chế về độ chính xác; (4) số liệu dùng trong tính toán và hiệu chỉnh mô hình là đến năm 1996, cần được cập nhật số liệu; (5) Hơn nữa, nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở dự báo thuỷ văn đến các trạm thượng nguồn nên chưa có khả năng áp dựng cho cả hệ thống sông Hồng – Thái Bình

2) Đề tài “Ứng dụng một số mô hình thích hợp để dự báo lũ thượng lưu hệ thống sông Thái Bình” (Nguyễn Lan Châu, TT QGDBKTTV, 1995-

1997)

Nam, đã nghiên cứu ứng dụng các mô hình Tank, Nam và phương pháp hồi qui bội để tính toán dự báo quá trình dòng chảy lũ tại Thái Nguyên trên sông Cầu, Phủ Lạng Thương trên sông Thương và Lục Nam trên sông Lục Nam Kết qủa nghiên cứu cho thấy kết quả tính toán và dự báo dòng chảy lũ theo 3 mô hình nêu trên đều cho kết quả tốt Mô hình đã được TTQGDBKTTV bổ sung và đưa vào dự báo tác nghiệp từ năm 1997 đến nay

- Cần nghiên cứu tiếp: Gặp khó khăn trong giải quyết nước vật trạm Chũ

và chưa xét hết lượng gia nhập khu giữa, hạ lưu của các trạm tính toán; Nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở dự báo thuỷ văn đến các trạm Thái Nguyên, Cầu Sơn, Chũ, Phả lại, 1

4) Đề tài: “Xây dựng công cụ mô phỏng số phục vụ cho đề xuất, đánh giá và điều hành các phương án phòng chống lũ sông Hồng – Thái Bình”

(Viện Cơ học)

- Thành quả: Đã áp dụng một số các mô hình thuỷ lực như VRSAP,

TL1,TL2,TELEMAC2-D để tính toán thuỷ lực cho hạ lưu hệ thống sông Hồng – Thái Bình, phân lũ sông Đáy và chậm lũ Tam Thanh, Lương Phú, Lương Phú – Quảng Oai Mô hình đã gắn kết được với các mô hình thuỷ văn phía thượng lưu

để trở thành một công nghệ dự báo cho toàn hệ thống sông Hồng – Thái Bình

Đề tài đã thử nghiệm dự báo tác nghiệp trong 2 mùa lũ và Ban chỉ huy Phòng chống lụt bão Trung ương đánh giá rất cao kết quả dự báo của các mô hình

- Cần nghiên cứu tiếp: Vì đây là mô hình thuỷ lực nên cần cập nhật được

sai số do sự thay đổi địa hình, thay đổi độ nhám lòng sông, Mô hình chưa gắn kết với mô hình dự báo mưa số trị

5) Đề tài “Đánh giá các hình thức thời tiết sinh lũ lớn phục vụ dự báo

và cảnh báo trước khả năng có lũ lớn, lũ cực hạn trên hệ thống sông Hồng – Thái bình” (Nguyễn Ngọc Thục , TTQGDBKTTV)

- Thành quả: Đề tài đã xây dựng công nghệ dự báo sớm lũ lớn; Bước

đầu sử dụng thông tin vệ tinh địa tĩnh xác định trường mưa trên hệ thống sông Hồng – Thái Bình phục vụ dự báo lũ trên hệ thống sông Hồng – Thái Bình; Ứng

thượng nguồn sông Hồng – Thái Bình Đề tài đã đóng góp lớn trong dự báo KTTV, đã đúc kết những kinh nghiệm tích luỹ được trong công tác dự báo để trở thành một quy trình dự báo tương đối hoàn chỉnh

- Cần tiếp tục nghiên cứu: Các mô hình thủy văn chỉ ứng dụng để dự báo

cho các vị trí thượng lưu sông Hồng và sông Thái Bình, chưa gắn kết với GIS, chưa gắn kết với các mô hình hạ du, chưa gắn kết với mô hình dự báo mưa nên chưa thể trở thành một công nghệ dự báo cho toàn hệ thống sông Hồng – Thái Bình

6) Đề tài cấp Nhà nước: “Đánh giá khả năng phân lũ đập Đáy và sử dụng lại các khu phân lũ và đề xuất phương án xử lý khi gặp lũ khẩn cấp ”(Lã Thanh Hà, Viện KTTV, 1999-2001)

- Thành quả: Ứng dụng mô hình EX-VRSAP để thực hiện bài toán kiểm

soát lũ Với biên vào hệ thống sông Hồng: Hòa Bình, Yên Bái, Thác Bà, Tuyên quang, Liễn Sơn; Biên vào hệ thống sông Thái Bình: Thái Nguyên, Cầu Sơn, Chũ; 9 biên cửa sông

- Cần tiếp tục nghiên cứu: Mô hình chưa nghiên cứu ứng dụng trong dự

báo và không gắn kết được với các mô hình thuỷ văn phía thượng lưu để trở thành một công nghệ dự báo cho toàn hệ thống sông Hồng – Thái Bình

7) Đề tài cấp Nhà nước: “Nghiên cứu xây dựng công nghệ nhận dạng

lũ thượng lưu sông Hồng phục vụ điều hành hồ Hòa Bình chống lũ hạ du”

(Trịnh Quang Hòa, NNK, Trường Đại học Thủy lợi, 1996-1997)

- Thành quả: Công nghệ cho phép nhận dạng lũ để cảnh báo sớm, chứ

không phải là công cụ dự báo lũ hạn ngắn Công nghệ này đã được cài đặt và ứng dụng trong tổ nghiệp vụ Dự báo thủy văn hạn vừa và hạn dài thuộc Trung tâm Dự báo KTTV Trung Ương

8) Đề tài cấp Nhà nước “Nghiên cứu cơ sở khoa học cho các giải pháp tổng thể dự báo phòng tránh lũ lụt ở đồng bằng sông Hồng” (Nguyễn Văn

Điệp, Viện Cơ học, Trung tâm KHTN &CNQG, 2001-2004)

hồ Công nghệ phù hợp với Quy trình vận hành hồ Hòa Bình đang ban hành, đã gắn kết với GIS, với mô hình dự báo các biên triều và được áp dụng trong 3 mùa

lũ vừa qua Kết quả dự báo đã được Ban chỉ huy phòng chống lụt bão Trung

ương đánh giá rất cao

- Cần tiếp tục nghiên cứu: Công nghệ chưa gắn kết với mô hình dự báo

mưa và cần có biện pháp hiệu chỉnh sai số dự báo

9) Đề tài NCKH cấp Bộ “Xây dựng công nghệ tính toán dự báo lũ lớn

hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình” (Trần Thục, Viện KTTV, 2001-

2003)

-Thành quả: Đề tài đã ứng dụng hai bộ mô hình: Bộ mô hình HMS và bộ

mô hình HECRAS và MIKE-11

+ Mô hình HMS và HECRAS đã cho kết quả tốt trong tính toán dòng chảy, thủy lực, vận hành hồ chứa và các công trình phân chậm lũ; Tuy nhiên mô hình không có môđun riêng biệt cho dự báo nên rất khó sử dụng trong công tác dự báo tác nghiệp

mưa-+ Mô hình MIKE-11: Mô hình MIKE-11 đã sử dụng biên trên: Hòa Bình (Bến Ngọc), Yên Bái, Phù Ninh, Thác Bưởi, Cầu Sơn, Chũ và biên dưới là mực nước triều của 9 trạm cửa sông nên kết quả dự báo còn phụ thuộc vào độ chính xác của dự báo lưu lượng tuyến trên và phụ thuộc vào dự báo biên dưới (được dẫn truyền từ mực nước dự báo tại Hòn Dấu) Mô hình đã được thử nghiệp trong mùa lũ 2003 và kết quả rất khả quan

- Cần tiếp tục nghiên cứu:

+ Nối kết với môđun dự báo thủy văn (Mô hình Nam) để nghiên cứu dự báo cho các trạm thượng nguồn (Tạ Bú, Yên Bái, );

+ Nối kết môđun vận hành hồ chứa để nghiên cứu tính toán vận hành hồ Hòa Bình (theo Qui trình vận hành hồ Hòa Bình);

+ Nghiên cứu đưa các công trình phòng chống lũ vào hệ thống để có thể tính toán vận hành hệ thống công trình khi có lũ lớn;

+ Nối kết với mô hình dự báo mưa số trị

Tóm lại, các nghiên cứu và mô hình tính toán dự báo lũ và diễn toán lũ

cho hệ thống sông Hồng - Thái Bình đã giải quyết được từng mục tiêu cụ thể

trong nghiên cứu và phòng chống thuỷ tai đồng bằng sông Hồng - Thái Bình

Kết quả của các nghiên cứu này là nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo

Tuy nhiên mỗi nghiên cứu chỉ chú trọng đến một lĩnh vực, một phạm vi nhất

định Chưa có một công nghệ hoàn chỉnh cho tính toán dự báo lũ tác nghiệp

cho toàn hệ thống sông Hồng - Thái Bình

1.2.4 Luận chứng cho việc chọn mô hình tính toán và dự báo dòng chảy lũ

sông Đà

Đặc tính lưu vực sông Đà là lũ lên nhanh với cường suất lớn, hệ số 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 và theo độ cao địa hình Với các đặc

điểm như vậy, để mô phỏng và dự báo lũ sông Đà từ Mường Tè về Hòa Bình

trong điều kiện có hồ chứa 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

sử dụng trong dự báo

Mô hình thủy văn truyền thống sử dụng bộ thông số tập trung, chỉ xem xét

sự biến đổi theo thời gian các dữ kiện thủy văn bỏ qua sự biến đổi theo không

gian (các đặc trưng thuỷ văn bị lược bớt và tính theo dạng thức trung bình trên

toàn lưu vực) Mặt khác, các mô hình dự báo trước đây chưa xét trong bối cảnh

có các hệ thống hồ chứa lớn được xây dựng như hiện nay đồng thời cũng chưa

xét tới các đường tràn cứu hộ và các hệ thống công trình phân chậm lũ

Trong Quy trình vận hành hồ chứa Thủy điện Hòa Bình năm 1997, năm 2005

và năm 2006 đã quy định điều hành hồ theo 2 chỉ tiêu:

Như vậy, tại bất kỳ thời điểm nào của mùa lũ, cũng cần phải dự báo được lưu lượng đến hồ Hòa Bình, mực nước hồ Hòa Bình, mực nước tại Hà Nội để kiến nghị phương án điều hành hợp lý nhất đảm bảo 2 chỉ tiêu ràng buộc đã qui định trong Quy trình Đề tài đã lựa chọn 1 hệ thống ba mô hình đảm bảo các hạng mục bắt buộc của Quy trình vận hành hồ chứa Hòa Bình và Ban chỉ huy phòng chống lụt bão Trung ương để xây dựng Công nghệ điều hành hồ chứa thủy điện Hòa Bình Bộ ba mô hình gồm:

• Nghiên cứu ứng dụng Mô hình thuỷ văn MARINE (bộ thông số

phân phối) hội tụ đầy đủ các tính chất của một mô hình thuỷ văn hiện đại sử dụng công nghệ GIS nhằm dự báo lượng đến hồ Hòa Bình Việc xem xét sự biến đổi các yếu tố mưa, bề mặt thảm phủ, cấu trúc đất, độ cao địa hình, độ dốc lưu vực thay đổi theo hàm f(x, y, M (yếu tố biến đổi)) Thêm vào đó, một đặc điểm nổi bật nữa mô hình MARINE tiệm cận với dự báo mưa bằng các mô hình

số trị, kết nối dễ dàng với công nghệ dự báo mưa số trị trên từng ô lưới –mô hình HRM (đang được ứng dụng dự báo thử nghiệm tại TT DBKTTVTW), tính toán cho kết quả lưu lượng tại từng ô lưới của lưu vực nghiên cứu Tất cả các đặc điểm đó tạo nên tính chi tiết của mô hình MARINE đáp ứng mục đích mô phỏng chính xác hơn quá trình hình thành dòng chảy từ mưa trên lưu vực, cho phép xem xét đến sự biến động theo không gian của quá trình mưa và sự hình thành dòng gia nhập khu giữa trên toàn lưu vực

Mô hình thuỷ văn MARINE và IMECH – 1D - MARINE đã được Viện

cơ ứng dụng để dự báo lưu lượng đến hồ Hoà Bình trên sông Đà trên nền các bản đồ số tỉ lệ rất thô 1km x 1km Đề tài có nhiệm vụ tiến hành xây dựng các bản đồ DEM, đất và thảm phủ tỉ lệ 1/50.000 nghĩa là theo ô lưới 50m x 50m phục vụ đầu vào mô hình MARINE và tiến hành giải quyết các bài toán trong nghiệp vụ dự báo như: vấn đề thời gian dự kiến, vấn đề xử dụng mưa dự báo, vấn đề cập nhật đầu vào, vấn đề hiệu chỉnh hậu mô hình, hiển thị kết quả mô hình theo đồ họa, mặt cắt, bản tin, xét khi ảnh hưởng nước vật, xây dựng các chương trình kết nối,

• Nghiên cứu xây dựng Mô hình Điều tiết hồ Hòa Bình nhằm dự báo

mực nước hồ Hòa Bình và kiến nghị số cửa xả

• Mô hình thuỷ lực IMECH-1D dự báo mực nước Hà Nội, Phả Lại trên

hệ thống sông Hồng–Thái Bình với thời gian dự kiến 48h (có các kịch bản xả lũ theo Quy trình vận hành) Mô hình do Viện cơ xây dựng Đề tài có nhiệm vụ ứng dụng và nghiên cứu giải quyết các bài toán trong nghiệp vụ dự báo mà Viện

cơ chưa đề cập trong các nghiên cứu như: Vấn đề thời gian dự kiến, vấn đề xử dụng mưa dự báo, vấn đề cập nhật đầu vào, vấn đề hiệu chỉnh hậu mô hình, hiển thị kết quả mô hình theo đồ họa, mặt cắt, bản tin, xây dựng các chương trình kết nối,

Mô hình thủy lực TL1 (Viện Cơ) dự báo lũ hạ du sông Hồng sông Thái Bình trong điều kiện tự nhiên và khi

Ngoài ba mô hình trên, đề tài đã phải tiến hành thử nghiệm 2 mô hình

dự báo thượng lưu các sông khác như Lô, Thao, Chảy, Hoàng Long, Thái Bình

để phục vụ đầu vào mô hình thủy lực IMECH-1D:

• Mô hình thủy văn FIRR do Viện cơ xây dựng để dự báo lưu lượng

thượng lưu sông Lô tại Tuyên Quang, sông Thao tại Yên Bái với thời gian dự kiến 24h

• Mô hình thủy văn TANK+Muskingum–Cunge do Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương dự báo lũ thượng lưu sông Thái Bình tại Thái Nguyên (sông Cầu), Cầu Sơn (sông Thương), Chũ (sông Lục Nam) và thượng lưu sông Hoàng Long tại Hưng Thi, lưu lượng đến hồ Thác Bà trên sông Chảy

Chương II:

MÔ HÌNH TÍNH TOÁN THỦY VĂN TRÊN LƯU VỰC SÔNG ĐÀ

MÔ HÌNH TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT HỒ HÒA BÌNH

2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC HỆ THỨC CƠ BẢN CỦA MÔ HÌNH

MARINE

Mô hình thuỷ văn MARINE (Modelisation de l’Anticipation du

Ruissellement at des Inondations pour des événements Extrêmes) do Viện Cơ

học chất lỏng Toulouse (Pháp) xây dựng và được chuyển giao cho Viện Cơ học

trong khuôn khổ của Dự án FLOCODS Sau đó, được sự hợp tác giữa Viện Cơ

học và Trung Tâm Dự Báo Khí Tượng Thuỷ văn Trung Ương, trong khuôn khổ

đề tài cấp Bộ “Nghiên cứu xây dựng công nghệ dự báo phục vụ điều tiết hồ Hoà

Bình trong công tác phòng chống lũ lụt” do TS Nguyễn Lan Châu làm chủ

nhiệm, mô hình thuỷ văn MARINE đã được Viện Cơ học chuyển giao toàn bộ

cả phần mã nguồn cho TT DBKTTVTW

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

được xây dựng và hoàn thiện MARINE 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 Mô

hình tính toán dòng chảy dựa trên phương trình bảo toàn khối lượng và phương

thức thấm Green Ampt 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 MARINE 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 MARINE được ứng dụng để

mô phỏng, tính toán và dự báo dòng chảy khu giữa từ mưa trên sông Đà

Dòng chảy sát mặt tại ô lưới

P0 Mưa

Thấm - Green Ampt Lớp nước đọng

Dòng chảy mặt tại ô lưới

Liên kết các ô lưới- tính Q trao đổi giữa các ô

Quá trình Q~t tại cửa Cấu trúc lưu vực (độ cao

địa hình, đất, thảm phủ)

2.1.1 Lý thuyết sinh dòng chảy

Mô hình MARINE mô phỏng quá trình hình thành dòng chảy sinh ra bởi mưa trên lưu vực dựa trên phương trình bảo toàn khối lượng:

0

) (

( ) (

P d

V dS t

3 / 2

j = ∆

∆

∆ +

=

(2.6)Trong đó: Pente: Độ dốc

Km: Hệ số nhám Manning

H: Độ sâu mực nước của ô lưới tính

∆H: Sự thay đổi mực nước của ô lưới tính từ thời điểm t1 đến t2

j: Hướng chảy của ô lưới (j =1÷4)

∆x: Chiều rộng ô lưới ∆t: Bước thời gian tính

Hi

P 0

J=1

J=2 J=4

Đây chính là phương trình tính sự biến thiên mực nước theo thời gian của mỗi ô lưới.

MARINE diễn toán dòng chảy trao đổi giữa các ô lưới với nhau, lượng mưa rơi vào các ô của lưu vực được coi là lượng nước bổ sung tại mỗi bước thời gian tính Quá trình diễn toán cuối cùng cho ta lưu lượng ra tại một điểm gọi là điểm thoát nước của lưu vực (output)

∂

∂

−

= = -f (2.8) f: Tốc độ thấm

K: Độ dẫn thuỷ lực

q: Thông lượng Darcy

21

21

z z

h h k f

L ho

k

f = −(−ψ − ) = ψ +

(2.10) Mặt khác L=F/∆θ, giả thiết ho = 0

F

F K

f = ψ ∆ θ +

(2.11) Biến đổi và thực hiện tích phân:

Thu được kết quả cuối phương trình tính lượng thấm tích lũy:

∆

−

θψθ

ψ 1 ( ))

( (2.13)

Hình 2.2: Mô tả vùng thấm trong lý thuyết Green Ampt

Trước khi sinh nước đọng (t<tp) cường độ mưa nhỏ hơn tốc độ thấm tiềm năng và mặt đất chưa bão hòa Quá trình nước đọng trên mặt đất bắt đầu xảy ra khi cường độ mưa vượt quá cường độ thấm tiềm năng (t=tp) lúc đó đất ở trạng thái bão hòa Khi quá trình mưa tiếp tục (t>tp), vùng bão hòa trên mặt đất lan dần xuống tầng đất sâu hơn và dòng chảy trên mặt đất bắt đầu xuất hiện từ lượng nước đọng Thấm được chia 3 thời kỳ:

(1) Trước khi xuất hiện nước đọng, toàn bộ lượng mưa đều thấm xuống đất (t<tp)

(2) Tốc độ thấm tiềm năng là một hàm của lượng thấm tích lũy F (t=tp) (3) Nước đọng xuất hiện khi tốc độ thấm tiềm năng nhỏ hơn hoặc bằng cường độ mưa i (t > tp)

Khi t = tp, lượng thấm tích lũy tại thời điểm sinh nước đọng tp được tính bởi công thức: Fp = itp; f = i

Thay vào (2.11) có:

= ( ∆ + 1 )

p

it K

i ψ θ dẫn tới t p K i(i−K)

∆

= ψ θ

(2.14)Sau khi có nước đọng, lượng thấm tích lũy được tính theo công thức: ln( ) ( p)

p

p K t t

F

F F

θ ψ

ψ (2.15)

Các thông số của mô hình thấm Green-Ampt: