ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- ĐINH THỊ HƯƠNG THƠM ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY VĂN ĐÔ THỊ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT THÀNH PHỐ HÀ NỘI VÀ HỆ THỐNG DỰ BÁO NGẬP LỤ
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-
ĐINH THỊ HƯƠNG THƠM
ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY VĂN ĐÔ THỊ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT THÀNH PHỐ HÀ NỘI VÀ HỆ THỐNG DỰ BÁO NGẬP
LỤT THỜI GIAN THỰC CHO LƯU VỰC KIM NGƯU
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội - 2016
Trang 2ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-
ĐINH THỊ HƯƠNG THƠM
ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY VĂN ĐÔ THỊ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT THÀNH PHỐ HÀ NỘI VÀ HỆ THỐNG DỰ BÁO NGẬP
LỤT THỜI GIAN THỰC CHO LƯU VỰC KIM NGƯU
Chuyên ngành: Thủy văn học
Mã số: 60440224
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS NGUYỄN QUANG HƯNG
Hà Nội – 2016
Trang 3LỜI CẢM ƠN
Với tấm lòng chân thành nhất, em xin chân thành cảm ơn tới:
Tiến sỹ Nguyễn Quang Hưng, thầy hướng dẫn khoa học cho luận văn của em, những điều đạt được trong luận văn này là những kiến thức quý báu mà thầy đã tận tình chỉ dẫn em trong thời gian qua
Quý thầy cô trong trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, đặc biệt là quý thầy cô trong Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, quý thầy cô trong Phòng Đào tạo sau Đại học đã nhiệt tình hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành chương trình Cao học và luận văn tốt nghiệp
Gia đình, bạn bè đã giúp đỡ, ủng hộ hết sức sâu sắc trong thời gian qua Đặc biệt cảm ơn gia đình, những người luôn bên cạnh động viên để em vững tâm và phấn đấu học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này
Lãnh đạo, đồng nghiệp tại Đài Khí tượng thủy văn khu vực Đồng bằng Bắc
Bộ đã tạo điều kiện cho em trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp
Trong quá trình làm luận văn do giới hạn về thời gian cũng như hạn chế về số liệu thực đo nên không tránh được những thiếu sót Vì vậy, tác giả rất mong được những ý kiến đóng góp quý báu của các Thầy cô và những người quan tâm
TÁC GIẢ
Trang 4MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 5
1.1 Tổng quan về khu vực nghiên cứu 5
1.1.1 Điều kiện tự nhiên 5
1.1.2 Đặc điểm địa hình 6
1.1.3 Đặc điểm địa chất 6
1.1.4 Đặc điểm khí hậu 7
1.1.5 Mạng lưới sông ngòi, hồ điều hòa 10
1.2 Tình hình ngập úng 14
1.3 Các số liệu thu thập 20
1.4 Các nghiên cứu trước đây sử dụng mô hình mô phỏng ngập lụt đô thị 24
1.4.1 Trên Thế giới 24
1.4.2 Trong nước 30
CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT MÔ HÌNH 36
2.1 Lý thuyết mô hình 36
2.1.1 Mô hình MIKE URBAN 36
2.2.2 Mô hình MIKE OPERATIONS 39
2.2 Các bước thực hiện mô hình 41
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY VĂN ĐÔ THỊ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT THÀNH PHỐ HÀ NỘI VÀ HỆ THỐNG DỰ BÁO NGẬP LỤT
THỜI GIAN THỰC CHO LƯU VỰC KIM NGƯU 43
3.1 Thiết lập mô hình cho hệ thống thoát nước Hà Nội 44
3.1.1 Xây dựng mô hình toán 44
3.1.2 Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình 49
Trang 53.2 Xây dựng bản đồ ngập lụt 8 quận nội thành Hà Nội 57
3.3 Xây dựng hệ thống dự báo ngập lụt thời gian thực cho lưu vực Kim Ngưu 62
3.3.1 Thiết lập mô hình mô phỏng ngập lụt lưu vực sông Kim Ngưu 62
3.3.2 Lắp đặt 5 trạm đo mực nước tự động 64
3.3.3 Xây dựng công nghệ và thiết lập hệ thống dự báo úng ngập thời gian thực cho lưu vực Kim Ngưu 65
3.3.4 Vận hành hệ thống 67
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO 77
PHỤ LỤC 79
Trang 6DANH MỤC HÌNH
Hình 1: Vị trí khu vực Hà Nội 5
Hình 2: Hình minh họa hồ trong khu vực nghiên cứu 13
Hình 3: Một số hình ảnh trận mưa năm 2001 tại Hà Nội 15
Hình 4: Một số hình ảnh trận mưa năm 2003 tại Hà Nội 16
Hình 5: Một số hình ảnh trận mưa năm 2008 tại Hà Nội 17
Hình 6: Một số hình ảnh trận mưa năm 2012 tại Hà Nội 18
Hình 7: Một số hình ảnh trận mưa năm 2013 tại Hà Nội 19
Hình 8: Các trạm đo mưa thuộc khu vực nghiên cứu 21
Hình 9: Sơ đồ hệ thống thủy lực 23
Hình 10: Quy hoạch thoát nước khu vực nội thành Hà Nội (JICA, 1995) 31
Hình 11: Sơ đồ tính toán mưa – dòng chảy 36
Hình 12: Sơ đồ tính toán dòng chảy trong hệ thống thoát nước 1 chiều 37
Hình 13: Sơ đồ kết hợp mô hình 1 chiều và 2 chiều 38
Hình 14: Sử dụng GIS xử lý số liệu địa hình 39
Hình 15: Giao diện quản lý của DIM 40
Hình 16: Sơ đồ khối các bước thực hiện trong mô hình MIKE URBAN 41
Hình 17: Sơ đồ khối các bước thực hiện trong mô hình MIKE OPERATIONS 42
Hình 18: Khu vực nghiên cứu hệ thống thoát nước Hà Nội 43
Hình 19: Hình ảnh Nodes trong MIKE URBAN 44
Hình 20: Hình ảnh nhập Links trong MIKE URBAN 45
Hình 21: Trắc dọc tuyến cống 45
Hình 22: Hình ảnh nhập số liệu lưu vực trong MIKE URBAN 46
Hình 23: Sơ đồ tính toán mạng lưới trong MIKE URBAN 47
Hình 24: Thông số trận mưa năm 2012 làm đầu vào cho mô hình 48
Hình 25: Độ sâu ngập lớn nhất trận mưa ngày 17-18/8/2012 50
Trang 7Hình 26: Trắc dọc tuyến đường Phạm Ngọc Thạch khi xảy ra mưa ngày
17-18/8/2012 51
Hình 27: So sánh kết quả thực đo và tính toán tại một số vị trí trên hệ thống trận lũ năm 2012 51
Hình 28: Trắc dọc tuyến đường Phạm Ngọc Thạch khi xảy ra trận mưa ngày 8-9/8/2013 53
Hình 29: Độ sâu ngập lớn nhất trận mưa ngày 8-9/8/2013 54
Hình 30: So sánh kết quả thực đo và tính toán tại một số vị trí trên hệ thống trận lũ tháng 8 năm 2013 56
Hình 31: Bản đồ ngập lụt 8 quận nội thành Hà Nội năm 2012 59
Hình 32: Bản đồ ngập lụt 08 quận nội thành Hà Nội năm 2013 60
Hình 33: Sơ đồ tính toán mạng lưới lưu vực sông Kim Ngưu trong MIKE URBAN 63 Hình 34: Biên đầu vào cho lưu vực Kim Ngưu 63
Hình 35: Hình ảnh trạm đo mực nước tự động trên lưu vực sông Kim Ngưu 64
Hình 36: Vị trí 5 trạm đo mực nước 65
Hình 37: Cấu trúc hệ thống MIKE OPERATIONS 65
Hình 38: Trang web quản lý số liệu của 5 trạm đo mực nước tự động 66
Hình 39: Hình ảnh ngập lụt lưu vực Kim Ngưu lúc 2h ngày 25/5/2016 67
Hình 40: Kết quả độ sâu ngập trận mưa ngày 25/05/2016 68
Hình 41: Mực nước tại 5 trạm đo mực nước tự động thuộc lưu vực Kim Ngưu ngày 25/5/2016 69
Hình 42: Hình ảnh ngập lụt lưu vực Kim Ngưu lúc 6 giờ sáng ngày 28/8/2016 70
Hình 43: Kết quả độ sâu ngập trận mưa ngày 28/08/2016 71
Hình 44: Mực nước tại 5 trạm đo mực nước tự động thuộc lưu vực Kim Ngưu ngày 28/8/2016 72
Trang 8DANH MỤC BẢNG
Bảng 1: Đặc trưng lượng mưa nhiều năm (1971 - 2014) 8
Bảng 2: Đặc trưng bốc hơi nhiều năm (1971 - 2014) 8
Bảng 3: Đặc trưng nhiệt độ nhiều năm (1971 - 2014) 9
Bảng 4: Đặc trưng độ ẩm trung bình nhiều năm (1971 - 2010) 10
Bảng 5: Đặc trưng mực nước trung bình tại trạm Hà Nội 11
Bảng 6: Kết quả độ sâu ngập lớn nhất hiệu chỉnh mô hình Mike Urban tại một số vị trí điển hình năm 2012 52
Bảng 7: Kết quả độ sâu ngập lớn nhất kiểm định mô hình Mike Urban tại một số vị trí điển hình năm 2013 54
Bảng 8: Bảng tổng kết số lượng đối tượng đưa vào mô hình MIKE URBAN cho toàn bộ hệ thống thoát nước Hà Nội 57
Bảng 9: Vị trí chi tiết 05 điểm lắp đặt trạm đo mực nước 64
Bảng 10: So sánh kết quả ngập tại một số điểm ngập trận mưa ngày 25/5/2016 68
Bảng 11: So sánh với kết quả ngập thực đo với kết quả mô phỏng 71
Trang 91
MỞ ĐẦU
1 Tính cấp thiết của Đề tài
Hiện nay, tại các thành phố lớn, dân số ngày càng tăng nhanh, tốc độ đô thị hóa chóng mặt dẫn đến quỹ đất tự nhiên ngày càng bị thu hẹp thay vào đó là diện tích đất đai bị bê tông hóa Rất nhiều sông hồ bị lấp, kênh mương thì bị lấn chiếm, các nhà cao tầng mọc lên san sát thay thế các khu đất trống làm giảm diện tích thoát nước tự nhiên cũng như khả năng thấm, thời gian nước chảy tràn trên bề mặt
Có thể nhận thấy hệ thống thoát nước nội thành Hà Nội là hệ thống cũ, không được thiết kế theo kịp quy hoạch sử dụng đất mới của Thành phố, thêm vào
đó các công trình xây dựng trên địa bàn góp phần không nhỏ vào tình trạng xuống cấp của hệ thống thoát nước do vật liệu xây dựng không được quản lý đúng tiêu chuẩn, rơi xuống đường, lấp hố ga thu nước Đồng thời, các dự án cải tạo hệ thống thoát nước khu vực nội thành tiến độ còn chậm do nhiều nguyên nhân Kết hợp với những trận mưa lớn do Biến đổi khí hậu gây ra, những năm gần đây Hà Nội liên tiếp đối mặt với những trận ngập trên diện rộng, gây ảnh hưởng không nhỏ đến hoạt động kinh tế xã hội, nhất là khu vực nội đô
Trận mưa lịch sử xảy ra vào cuối tháng 10/2008 với tổng lượng mưa phổ biến từ 350 - 550 mm trên toàn thành phố Hà Nội đã có nhiều điểm bị ngập úng dài
từ 100-300 mét, sâu trên dưới 1m đã gây nên tình trạng ngập úng lớn, làm thiệt hại
về kinh tế lên đến 3.000 tỷ đồng Gần đây có trận mưa lớn đêm ngày 24/5/2016, lượng mưa tại Hà Nội đạt 150,3mm trong vòng 12 tiếng khiến cho rất nhiều tuyến đường trên địa bàn Hà Nội ngập từ 30 – 50cm và dài gần 1km, ảnh hưởng lớn đến cuộc sống của nhân dân
Để giải quyết các vấn đề về ngập lụt đô thị, có hai phương pháp, đó là phương pháp công trình và phương pháp phi công trình Phương pháp công trình là đầu tư xây dựng cơ sở hạ tầng, phương pháp phi công trình là tận dụng cơ sở hạ tầng sẵn có, áp dụng các công nghệ tiên tiến để quản lý, vận hành Tuy nhiên
Trang 102
phương pháp phi công trình là phương pháp tốn ít chi phí, vận hành nhanh nên được
áp dụng rộng rãi trong các đô thị hiện nay
Trước tình hình đó, việc xây dựng, mô phỏng hệ thống thoát nước để cảnh báo ngập lụt trên địa bàn Hà Nội là rất cần thiết Các thông tin, kết quả và các bản
đồ sẽ cho nhà quản lý một cái nhìn tổng thể về tình hình ngập trên địa bàn Hà Nội trước mỗi trận mưa lớn Từ đó, các cơ quan chức năng và người dân sẽ đưa ra các phương án giải quyết tốt nhất để hạn chế thiệt hại do ngập lụt gây ra
2 Mục tiêu
Mục tiêu chính của Đề tài là tính toán mô phỏng hệ thống thoát nước khu vực Hà Nội và ứng dụng thiết lập hệ thống dự báo ngập lụt thời gian thực lưu vực Kim Ngưu Các mục tiêu cụ thể như sau:
+ Thu thập số liệu, nghiên cứu áp dụng mô hình (MIKE URBAN) để mô phỏng hệ thống thoát nước khu vực Hà Nội
+ Ứng dụng xây dựng các bản đồ ngập lụt cho 8 quận nội thành Hà Nội + Xây dựng hệ thống cảnh báo ngập lụt thời gian thực lưu vực sông Kim Ngưu
3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Trong luận văn áp dụng cho đối tượng và phạm vi nghiên cứu như sau: + Đối tượng nghiên cứu là hiện tượng ngập lụt đô thị Hà Nội
+ Giới hạn phạm vi nghiên cứu: Khu vực thành phố Hà Nội
+ Các số liệu sử dụng để hiệu chỉnh, kiểm định mô hình: Số liệu mưa, số liệu khảo sát vết ngập khu vực Hà Nội của 2 trận mưa lớn năm 2012 và 2013
+ Số liệu mưa, mực nước, số liệu khảo sát vết ngập của trận mưa ngày 25/5/2016 và ngày 28/8/2016 để mô phỏng hệ thống cảnh báo úng ngập thời gian thực lưu vực Kim Ngưu
Trang 1168
So sánh mức độ ngập lụt mô phỏng với mức độ ngập lụt thực đo do công ty Thoát nước cung cấp tại một số vị trí
Bảng 10: So sánh kết quả ngập tại một số điểm ngập trận mưa ngày 25/5/2016
lụt thực đo
Mức độ ngập
1 Ngã tư Trần Xuân Soạn – Hàng
2 Ngã tư Nguyễn Du – Hàng Bài 0.11 0.16 0.05
3 283 Trần Khát Chân 0.08 0.12 0.04 Kết quả độ sâu ngập tại một số vị trí kiểm tra:
Hình 40: Kết quả độ sâu ngập trận mưa ngày 25/05/2016
Trang 1269
Kết quả tại 5 trạm đo mực nước tự động thuộc lưu vực Kim Ngưu ngày 25/5/2016
Nash = 90.5% Nash = 87.6%
Nash = 86.1% Nash=84.8%
Nash = 81.3%
Hình 41: Mực nước tại 5 trạm đo mực nước tự động thuộc lưu vực Kim Ngưu
ngày 25/5/2016
Trang 1370
Ngày 28/8/2016, do chịu ảnh hưởng của không khí lạnh nén rãnh thấp có trục qua Bắc Bộ nên khu vực Hà Nội có mưa vừa mưa to đến rất to Lượng mưa phổ biến từ 50 – 100mm, gây ngập úng nghiêm trọng nhiều nơi trong thành phố Dưới đây là kết quả mô phỏng úng ngập lưu vực Kim Ngưu ứng với trận mưa lúc 6 giờ sáng ngày 28/8/2016
Hình 42: Hình ảnh ngập lụt lưu vực Kim Ngưu lúc 6 giờ sáng ngày 28/8/2016
So sánh mức độ ngập lụt mô phỏng với mức độ ngập lụt thực đo do công ty Thoát nước cung cấp tại một số vị trí (bảng 11)