Nghiên cứu ứng dụng mô hình Mike 11 – GIS dự báo lũ và cảnh báo ngập lụt cho lưu vực sông Lại Giang tỉnh Bình Định

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE – GIS DỰ BÁO LŨ VÀ CẢNH BÁO NGẬP LỤT LƯU VỰC SÔNG LẠI GIANG .... Bookmark not defined.DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1: Bản đồ lưu vực sông Lại Giang .... 13 Hìn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Hà Nội – 2016

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến hai thầy cô hướng dẫn TS Đặng Thanh Mai và PGS.TS.Trần Ngọc Anh đã chỉ bảo và hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này Tôi xin cảm ơn các thầy cô và cán bộ trong khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học đã tận tình giảng dạy kiến thức, giúp đỡ, tạo điều kiện về thời gian, cơ sở vật chất trong suốt thời gian học tập tại nhà trường Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Đồng Bằng Bắc Bộ nơi tôi đang công tác đã tạo điều kiện về mặt thời gian Các đồng nghiệp Phòng Quản lý mạng lưới trạm và Dự báo đã chia sẻ công việc để bản thân có điều kiện hoàn thành khóa học Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè, những người luôn bên cạnh tạo mọi điều kiện tốt nhất và động viên giúp đỡ trong suốt quá trình học tập

Do thời gian và kinh nghiệm hạn chế nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, vì vậy tôi rất mong sự góp ý của các thầy cô và các bạn để luận văn được hoàn thiện hơn

Học Viên Nguyễn Ngọc Tuyến

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC CÁC HÌNH 7

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1: ĐẶC ĐIỂM ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÀ LŨ LỤT LƯU VỰC SÔNG LẠI GIANG 11

1.1.Đặc điểm chung lưu vực sông Lại Giang 11

1.2.Điều kiện địa hình và mặt đệm[2] 12

1.2.1 Địa hình 12

1.2.2 Mặt đệm và thổ nhưỡng 13

1.3 Mạng lưới khí tượng thủy văn 14

1.3.1 Mạng lưới sông suối 14

1.3.2 Mạng lưới trạm quan trắc khí tượng thủy văn 15

1.4 Nguyên nhân hình thành và một số đặc điểm của chế độ mưa – lũ[2] 16

1.4.1 Bão và áp thấp nhiệt đới 16

1.4.2 Đặc điểm mưa và hình thế thời tiết gây mưa 17

1.4.3.Đặc điểm chung về chế độ dòng chảy lũ 22

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÁC MÔ HÌNH VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU DỰ BÁO LŨ 26

2.1.Tình hình nghiên cứu về mô hình thủy văn, thủy lực ở trên thế giới và Việt Nam[1] 26

2.1.1 Một số nghiên cứu dự báo lũ trên thế giới 26

2.1.2 Một số nghiên cứu dự báo lũ ở Việt Nam 27

2.2 Một số phương pháp dự báo lũ đang được áp dụng trên lưu vực sông Lại Giang 28 2.3 Lựa chọn mô hình 28 2.3.1 Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE NAM[4] 29

2.3.2 Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE 11 – GIS[4]Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE – GIS DỰ BÁO LŨ VÀ CẢNH BÁO

NGẬP LỤT LƯU VỰC SÔNG LẠI GIANG Error! Bookmark not defined 3.1 Tài liệu khí tượng thủy văn Error! Bookmark not defined 3.2 Ứng dụng mô hình Mike NAM cho lưu vực sông Lại GiangError! Bookmark not defined

3.2.1.Thiết lập mô hình Mike NAM Error! Bookmark not defined 3.2.2 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình Error! Bookmark not defined

3.3 Ứng dụng mô hình thủy lực Mike 11 – GIS tính toán thủy lực lưu vực sông Lại

Giang Error! Bookmark not defined 3.3.1 Chuẩn bị tài liệu địa hình Error! Bookmark not defined 3.3.2.Xây dựng mạng thủy lực 1 chiều trong sôngError! Bookmark not defined

3.3.3.Kết nối các dữ liệu biên cho mô hình thủy lực một chiều và thiết lập mô hình

MIKE GIS Error! Bookmark not defined 3.4 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE 11 – GISError! Bookmark not defined 3.4.1 Hiệu chỉnh MIKE 11 Error! Bookmark not defined 3.4.2 Kiểm định MIKE 11 Error! Bookmark not defined 3.4.3 Kết quả kiểm định của mô hình MIKE 11 – GIS Error! Bookmark not defined

3.5.Ứng dụng bộ mô hình Mike 11 – GIS dự báo lũ và cảnh báo ngập lụt lưu vực sông

Lại Giang Error! Bookmark not defined 3.5.1.Cơ sở khoa học đánh giá phương án dự báoError! Bookmark not defined

3.5.2.Xây dựng quy trình tiến hành dự báo Error! Bookmark not defined 3.5.3 Dự báo thử nghiệm Error! Bookmark not defined

Số liệu mƣa đƣợc khai thác từ mô hình số trị ECMWF: Error! Bookmark not defined

3.5.4 Kết quả dự báo thử nghiệm Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Error! Bookmark not defined

TÀI LIỆU THAM KHẢO 29

PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1: Bảng thống kê các trạm khí tượng thủy văn lưu vực sông Lại Giang 15

Bảng 2: Số cơn bão và áp thấp nhiệt đới trung bình đổ bộ trực tiếp và ảnh hưởng trực tiếp tới Bình Định 17

Bảng 3: Một số đặc trưng mưa năm[2] 18

Bảng 4: Lượng mưa năm ứng với các tần suất[2] 18

Bảng 5: Tần suất xuất hiện lượng mưa tháng trên 100mm[2] 21

Bảng 6: Phân bố lượng mưa trong các mùa[2] 22

Bảng 7: Mực nước cao nhất các trạm[2] 22

Bảng 8: Tần suất tính toán mực nước cao nhất năm các trạm (cm)[2] 23

Bảng 9: Đặc trưng cường suất, biên độ lũ các trạm[2] 23

Bảng 10: Lưu lượng lớn nhất các trạm[2] 24

Bảng 11: Tần suất lưu lượng đỉnh lũ, môdun đỉnh lũ[2] 24

Bảng 12 Đánh giá kết quả hiệu chỉnh Error! Bookmark not defined Bảng 13: Bộ thông số của mô hình Error! Bookmark not defined Bảng 14: Đánh giá kết quả kiểm định Error! Bookmark not defined Bảng 15: Bảng tính diện tích ngập Error! Bookmark not defined Bảng 16: Bảng tính độ sâu ngập Error! Bookmark not defined Bảng 20: Tiêu chuẩn xếp loại chất lượng của phương án dự báoError! Bookmark not defined

Bảng 17: Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng của từng lần dự báo.Error! Bookmark not defined

Bảng 18: Bảng sai số cho phép tại vị trí trạm Bồng SơnError! Bookmark not defined Bảng 19: Bảng kết quả dự báo Error! Bookmark not defined

Bảng 20: Bảng tính diện tích ngập thử nghiệm Error! Bookmark not defined.

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1: Bản đồ lưu vực sông Lại Giang 11 Hình 2: Bản đồ địa hình lưu vực sông Lại Giang 13 Hình 3: Bản đồ lưu mạng lưới trạm khí tượng thủy văn lưu vực sông Lại Giang 16 Hình 4: Bản đồ phân bố lượng mưa năm tỉnh Bình Định[2] 20

Hình 5: Cấu trúc thẳng đứng của mô hình NAM Error! Bookmark not defined Hình 6: Sơ đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott Error! Bookmark not defined Hình 7: Sơ đồ sai phân 6 điểm ẩn Abbott trong mặt phẳng x ̴ tError! Bookmark not defined

Hình 8: Các lưu vực bộ phận trên hệ thống sông Lại Giang Error! Bookmark not defined

Hình 9: Sơ đồ phân bố các trạm mưa Error! Bookmark not defined Hình 10: Sơ đồ quá trình hiệu chỉnh bộ thông số mô hìnhError! Bookmark not defined

Hình 11: Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại trạm An Hòa mùa lũ năm

2007 Error! Bookmark not defined

Hình 12: Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại trạm Ân Thạnh mùa lũ năm

2007 Error! Bookmark not defined Hình 13: Đường lũy tích tổng lượng tại trạm An Hòa mùa lũ năm 2007Error! Bookmark not defined

Hình 14: Đường lũy tích tổng lượng tại trạm Ân Thạnh mùa lũ năm 2007 Error! Bookmark not defined

Hình 15: Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại trạm An Hòa mùa lũ năm

2008 Error! Bookmark not defined Hình 16: Đường lũy tích tổng lượng tại trạm An Hòa mùa lũ năm 2008Error! Bookmark not defined

Hình 17: Gán tọa độ cho mảnh bản đồ kí hiệu AL01Error! Bookmark not defined Hình 18: Nhập điểm độ cao dưới dạng text trong MapInfo Error! Bookmark not defined

Hình 19: Dữ liểu điểm được gán kèm thuộc tính điểm độ cao.Error! Bookmark not defined

Hình 20: Dữ liệu điệm độ cao đã được khoanh vùng.Error! Bookmark not defined Hình 21: Bản độ địa hình lòng sông Lại Giang Error! Bookmark not defined Hình 22: Bản đồ DEM lưu vực sông Lại Giang Error! Bookmark not defined Hình 23: Mắt cắt tại tọa độ (932,511.85; 1,597,781.14).Error! Bookmark not defined Hình 24: Dữ liệu text của mặt cắt (932,511.85; 1,597,781.14).Error! Bookmark not defined

Hình 25: Sơ đồ tính toán thủy lực 1 chiều Error! Bookmark not defined Hình 26: Sơ đồ mạng sông tính toán trong mô hình MIKE 11 – HDError! Bookmark not defined

Hình 27: Tích hợp và mở rộng mặt cắt sông, xây dựng mạng thủy lựcError! Bookmark not defined

Hình 28: Mặt cắt trong mô hình thủy lực 1 chiều Error! Bookmark not defined Hình 29: Ghép nối MIKE-NAM và MIKE-HD Error! Bookmark not defined Hình 30: Kết nối mô hình Mike 11 và GIS Error! Bookmark not defined Hình 31: Mực nước tính toán và thực đo trạm Bồng Sơn trận lũ 11/2007 Error! Bookmark not defined

Hình 32: Bộ thông số của mô hình thủy lực Error! Bookmark not defined Hình 33: Mực nước tính toán và thực đo trạm Bồng Sơn trận lũ 10/2008 Error! Bookmark not defined

Hình 34: Kết quả tính ngập lụt trận lũ năm 2007 Error! Bookmark not defined Hình 35: Bản đồ ngập thử nghiệm Error! Bookmark not defined

MỞ ĐẦU

1.Tính cấp thiết của đề tài luận văn

Trong những năm gần đây, với sự biến đổi bất thường của khí hậu, thời tiết đã gây ra những trận lũ lớn và đặc biệt lớn làm thiệt hại về người, ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời sống, sản xuất của nhân dân, sự phát triển của xã hội Cũng như nhiều lưu vực khác, lưu vực sông Lại Giang cũng chịu ảnh hưởng rất nhiều từ những sự biến đổi bất thường này của lũ lụt gây ra Để giảm thiểu những thiệt hại do lũ gây ra, một trong những biện pháp quan trọng là phải nâng cao công tác dự báo, nghĩa là sản phẩm dự báo phải có độ chính xác cao, nhanh chóng, kịp thời và thuận tiện nhằm tham mưu, giúp cho các cấp lãnh đạo

và các cơ quan ban ngành liên quan cũng như nhân dân chủ động ứng phó khi có mưa lũ xảy ra để hạn chế thiệt hại đến mức thấp nhất Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn của việc cần

dự báo, quy hoạch phòng chống lũ trên lưu vực sông Lại Giang, luận văn đã chọn đề tài:

“Nghiên cứu ứng dụng mô hình Mike 11 – GIS dự báo lũ và cảnh báo ngập lụt cho lưu vực sông Lại Giang tỉnh Bình Định” để thực hiện

2.Mục tiêu của luận văn

Xây dựng phương án dự báo lũ và cảnh báo ngập lụt cho lưu vực sông Lại Giang trước 12 – 24h, đáp ứng nhu cầu dự báo tác nghiệp; đưa ra giải pháp kịp thời nhằm chủ động ứng phó; giảm thiểu thiệt hại do ngập lụt gây ra trong mùa mưa - lũ

3.Phương pháp nghiên cứu

Luận văn có sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:

- Phương pháp xác suất thống kê: Phục vụ thu thập, xử lý số liệu và các tài liệu liên quan, đánh giá kết quả dự báo

- Phương pháp mô hình toán: Sử dụng mô hình toán thủy văn thủy lực như Mike NAM, Mike 11 GIS để mô phỏng dòng chảy lũ phục vụ dự báo và cảnh báo

- Phương pháp hệ thống thông tin địa lý: Phục vụ chuẩn hóa, xử lý các dữ liệu đầu vào( địa hình, DEM, bản đồ ngập lũ .) cho lưu vực sông Lại Giang

- Phương pháp kế thừa: Khi thực hiện luận văn có tham khảo và kế thừa các tài liệu, số liệu, kết quả, các hồ sơ báo cáo, hội thảo có liên quan đã được nghiên cứu trước đây của các tác giả, cơ quan và tổ chức

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng : Dòng chảy lũ trên hệ thống sông Lại Giang

- Phạm vi nghiên cứu: Lưu vực sông Lại Giang

CHƯƠNG 1: ĐẶC ĐIỂM ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÀ LŨ LỤT LƯU VỰC SÔNG

LẠI GIANG 1.1 Đặc điểm chung lưu vực sông Lại Giang

Vị trí địa lý: Sông Lại Giang nằm trong khoảng 14030’ tới 14040’ vĩ độ bắc và

108050’ tới 108060’ kinh độ đông Khu vực nghiên cứu thuộc tỉnh Bình Định - một tỉnh ven biển miềm Trung của Việt Nam Lưu vực Lại Giang nằm ở phía đông dãy Trường

Sơn đến Biển Đông, tỉnh Bình Định:

 Phía Đông giáp với: Biển Đông, lưu vực sông Xương

 Phía Tây giáp với: huyện Vĩnh Thạnh, lưu vực sông Côn

 Phía Nam giáp với: huyện Phù Mỹ, La Tinh và sông Châu Trúc

 Phía Bắc giáp với: tỉnh Quảng Ngãi, lưu vực sông Vệ

Hình 1: Bản đồ lưu vực sông Lại Giang Sông Lại Giang gồm hai nhánh sông: Sông An Lão bắt nguồn từ vùng núi phía Bắc

An Lão giáp tỉnh Quảng Ngãi chảy qua huyện An Lão theo hướng Bắc -Nam; sông Kim

Sơn bắt nguồn từ vùng núi rừng huyện Hoài Ân chảy theo hướng Tây Nam - Đông Bắc Sông An Lão và sông Kim Sơn nhập lưu tại ngã ba cách cầu Bồng Sơn khoảng 2km về phía Tây rồi đổ ra biển qua cửa An Dũ

Nhánh sông An Lão với chiều dài 75km

Nhánh sông Kim Sơn có chiều dài 64km

Từ chỗ hợp lưu cửa 2 nhánh sông trên (cách cầu Bồng Sơn 2km về phía thượng lưu) sông chảy thẳng ra biển ở cửa An Dũ với chiều dài 18 km được gọi là Lại Giang[2]

1.2.Điều kiện địa hình và mặt đệm[2]

1.2.1 Địa hình

Lưu vực sông Lại Giang có hình dạng rất đặc biệt quyết định đến các đặc trưng của lũ đó là dạng như một khúc cây lớn nằm song song với bờ biển và một cành cụt nằm ngang – đoạn 18km Lại giang đổ ra biển, phần nhánh này chỉ chiếm 9,3 % của lưu vực

Từ đó lũ hình thành giống với bình tưới hơn là miệng ra được mở rộng nhưng khả năng dẫn nước lại kém

Sông suối trong lưu vực với mật độ 0.65 km/ km2

hình thành một mạng lưới sông cành cây với rất nhiều nhánh chảy giữa những thung lũng hẹp giữa các triền núi chia cắt Núi non chiếm tới 80 % diện tích lưu vực và từ dãy Trường Sơn với các đỉnh như Làng Dầu (763m), Đột Cự (1012m), Cha Tre (1006m) có các đỉnh Trịnh vân (850 m), Vạn Đình Thượng (472m), Cây Giếp (641m) và đến sát biển là Hòn Cao (619m), Hóc Mu (284m), phía bờ trái sát biển là Hòn Bô 154 m

Độ cao trung bình của lưu vực là 277m, độ dốc bình quân là 22%, tuy nhiên dọc các triền núi độ dốc tới 60-80%

Hình 2: Bản đồ địa hình lưu vực sông Lại Giang

1.2.2 Mặt đệm và thổ nhưỡng

Theo thống kê đầu năm 2000 tỷ lệ che phủ của toàn tỉnh Bình Định là 32.1% trong

đó gần 3/4 là rừng tự nhiên Độ che phủ trong lưu vực không đều Lưu vực gồm toàn bộ

2 huyện An Lão và Hoài Ân và phần lớn huyện Hoài Nhơn thì độ che phủ như sau:

Huyện An Lão 51.2%

Huyện Hoài Ân 18.1%

Huyện Hoài Nhơn 21.8%

Một vấn đề đặt ra là độ che phủ trên sườn núi với tỷ lệ từ 18 đến 51%; toàn lưu vực không quá 32% có ảnh hưởng gì đến hình thành lũ Đương nhiên rừng cây lại là rừng

tự nhiên có tác dụng làm chậm dòng nước lũ hình thành trên bề mặt nhưng độ dốc sườn núi lại quá lớn (60-80%) làm giảm đáng kể quá trình điều tiết này, hình thành các rãnh, xoi nước len lỏi theo các vết nứt hoặc theo các đường bị xói mòn để đổ vào suối Cục bộ

có thể có chỗ diện tích hứng nước lớn, cửa ra khỏi thung lũng lại hẹp và cây cối ở đây bị triệt hạ thì dễ xảy ra lũ quét Có thể thấy nguy cơ lũ quét có thể xảy ra nhiều nơi thuộc thượng lưu An Lão và ít hơn ở thượng lưu Kim Sơn Để nghiên cứu vấn đề lũ quét cần có một đề tài riêng Tuy độ che phủ rừng ở thượng lưu An Lão cao hơn thượng lưu Kim Sơn nên các yếu tố khác tổng hợp lại khả năng điều tiết Kim Sơn cao hơn An Lão.[2]

1.3 Mạng lưới khí tượng thủy văn

1.3.1 Mạng lưới sông suối

Hai nhánh sông lớn là An Lão và Kim Sơn do các khối núi giới hạn nên cũng

có hình dạng riêng rất đặc biệt Nếu sông An Lão có dạng như quả bầu dốc ngược thì lưu vực sông Kim Sơn có dạng hình chiếc rìu với cán rìu lớn nằm song song với sông An Lão

và lưỡi rìu bản rộng đặt theo hướng Nam, Tây Nam – Bắc Đông Bắc Hình dạng này cũng cho thấy phía thượng lưu An Lão và sông Kim Sơn có dạng hình móc câu Cũng cần nói các nhánh chính An Lão và Kim Sơn có rất nhiều các suối theo các khe núi hẹp 2 bên đổ vào như:

- Sông An Lão có các nhánh chính: sông Nước Dinh, sông Đình, sông Nước Giáp, sông Vố, sông Nước Song, sông Nước Đổ, sông Nước Xáng, sông Cẩm Đức, sông Nước Trép, sông Cà Tang…

- Sông Kim Sơn có các nhánh chính như sông Lớn, sông Nước Luông, sông Nước Láng, sông Ben Vách, sông Du Tự, suối Rùn[2]