ỨNG DỤNG MÔ HÌNH IFAS DỰ BÁO LŨ CHO HỒ PHÚ NINH, TỈNH QUẢNG NAM. LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY

- Dữ liệu lưu lượng thực đo các trận lũ: Lưu lượng dòng chảy đến của lưu vực hồ phú Ninh được tính toán dựa vào mực nước quan trắc từ năm 1981  2017 trong hồ, thông qua các cửa tràn và

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Nguyễn Chí Công

Đà Nẵng - 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tác giả Các số liệu và kết quả tính toán đưa ra trong luận văn là trung thực và chưa từng được

ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

HUỲNH TẤN HOÀNG

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích và nhiệm vụ luận văn 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Cấu trúc luận văn 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VÙNG NGHIÊN CỨU 3

1.1 Giới thiệu hồ chứa nước Phú Ninh 3

1.1.1 Vị trí địa lý 3

1.1.2 Nhiệm vụ công trình 4

1.1.3 Đặc điểm thủy văn hồ chứa 5

1.1.4 Đặc điểm địa hình địa mạo 7

1.2 Cơ sở dữ liệu phục vụ nghiên cứu 9

1.2.1 Mạng lưới khí tượng thủy văn vùng nghiên cứu 9

1.2.2 Chất lượng dữ liệu đo đạc 11

1.2.3 Dữ liệu mây vệ tinh 12

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH IFAS 19

2.1 Mô hình thủy văn lưu vực 20

2.2 Mô hình thủy văn sử dụng mây vệ tinh 24

2.3 Cơ sở dữ liệu mô hình IFAS 26

CHƯƠNG 3 ÁP DỤNG DỰ BÁO LŨ CHO HỒ PHÚ NINH 33

3.1 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình 33

3.1.1 Hiệu chỉnh mô hình 33

3.1.2 Kiểm định mô hình 37

3.2 Ứng dụng mô hình mưa số trị dự báo lũ cho hồ Phú Ninh 39

3.2.1 Thiết lập mô hình thủy văn sử dụng kết quả bộ thông số đã hiệu chỉnh tại mục 3.1 40

3.2.2 Dữ liệu mưa dự báo 40

3.2.3 Thiết lập mạng lưới trạm đo mưa ảo 44

3.2.4 Kết quả 44

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

TÓM TẮT LUẬN VĂN ỨNG DỤNG MÔ HÌNH IFAS DỰ BÁO LŨ CHO HỒ PHÚ NINH, TỈNH QUẢNG NAM

Học viên: Huỳnh Tấn Hoàng Chuyên ngành: Xây dựng Công trình thủy

Mã số: ………Khóa: 32, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt: Nghiên cứu bước đầu áp dụng công nghệ viễn thám để dự báo nhanh và kịp thời lưu lượng lũ về hồ chứa, tại Việt Nam Lưu vực nghiên cứu là lưu vực hồ Phú Ninh, tỉnh Quảng Nam Tác giả đã sử dụng mô hình IFAS, đây là mô hình thủy văn với bộ thông số phân bố kết hợp với công nghệ viễn thám đo mưa từ mây vệ tinh Các kết quả nghiên cứu cho thấy đường quá trình lũ mô phỏng khá phù hợp với đường quá trình lũ thực đo tại hồ Phú Ninh cho 2 trận lũ tháng 11/2017; 12/2016 Bên cạnh đó chỉ

số Nash trận lũ tháng 11/2017 lớn hơn 0.7 Dựa trên bộ thông số mô hình, tác giả đã tiến hành dự báo thử áp dụng mô hình mưa số trị cho đợt mưa ngày 15, 16 tháng 01/2018 cho kết quả dự báo đợt mưa với diễn biến mưa từ mây vệ tinh

Từ khóa: IFAS; công nghệ viễn thám; hồ Phú Ninh mây vệ tinh; bộ thông số phân

bố

APPLIED MODEL IFAS IN FLOOD FORECASTING FOR PHU NINH RESERVOIR, QUẢNG NAM PROVINCE

Abstract: This study initially applies remote sensing technology for fast and timely

forecasting flood flow to the reservoir, in Vietnam Area of the study is a catchment of Phú Ninh reservoir, Quảng Nam Province The author has used the model IFAS which

is the hydrological model with distributed parameters associated with remote sensing technology to measure rainfall from satellite cloud The study results has showed that the flood simulation road is quite in line with the floods observed in Phú Ninh reservoir for 2 floods: 11/2017; 12/2016 Besides, Nash indices are greater than 0.7 Based on the model parameters, the author has conducted a test for flood forecasting

on January 15, 16th, 2018 with the results pretty consistent with changes in rainfall from satellite cloud

Key words: IFAS; remote sensing technology; Phú Ninh reservoir; Satellite cloud;

the distribution parameters

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DEM Digital Elevation Model Mô hình số độ cao

GIS Geographic Information

Systems Hệ thống thông tin địa lý

HEC-HMS Hydrologic Engineering

Center-Hydrologic Model System

Mô hình mưa rào dòng chảy dạng tất định, có thông số phân bố

IFAS Integrated Flood Analysis

System Hệ thống phân tích lũ tổng hợp

ICHARM International Center for Water

Hazards and Risk Management

Trung tâm Quốc tế về nước và Quản lý rủi ro Nhật Bản

JAXA Japan Aerospace Exploration

NASA National Aeronautics and

Space Administration Cơ quan Không gian Hoa Kỳ

NAM Nedbor Afstromnings Model Mô hình giáng thuỷ - dòng chảy

1.7 Thông số kỹ thuật của đầu thu TMI (TRMM) 14 1.8 Dữ liệu lượng mưa từ ảnh vệ tinh sử dụng trong IFAS 17

2.5 Thời gian đo đạc của các loại mây vệ tinh 24

2.2 Sơ đồ giải thích mô hình thủy văn trong IFAS 212.3 Sơ đồ tính toán mô hình thủy văn trong IFAS 21

2.6 Các thông số của mặt cắt ngang lòng sông 232.7

Hình ảnh lưới tích lũy (thuyết tương đối không gian

để mô tả tốc độ di chuyển của khu vực lượng mưa dựa trên mây vệ tinh)

25

2.10 Hình hiển thị mưa vệ tinh phân bố trong IFAS trên

lưu vực Phú Ninh vào lúc 19h ngày 06/11/2017 302.11 Hình hiển thị mưa Trạm đo phân bố trong IFAS trên

lưu vực Phú Ninh vào lúc 19h ngày 06/11/2017 31

3.1

Kết quả hiệu chỉnh đường quá trình lũ tính toán của

mô hình thủy văn (đường màu xanh) và đường quá trình lũ thực đo (đường màu đỏ), trận lũ ngày 02 đến 08/11/2017 chỉ số Nash=0,85

34

3.2

Kết quả hiệu chỉnh đường quá trình lũ tính toán của

mô hình mây vệ tinh (đường màu xanh) và đường quá trình lũ thực đo (đường màu đỏ), trận lũ ngày 02 đến 08/11/2017 Nash=0,43

34

3.6 Các ô màu của bộ thông số lòng sông trong lưu vực 37

3.7

Kết quả kiểm định đường quá trình lũ tính toán của

mô hình thủy văn (đường màu xanh) và đường quá trình lũ thực đo (đường màu đỏ), trận lũ ngày 10 đến 21/12/2016 Nash=0.62

38

3.8

Kết quả kiểm định đường quá trình lũ tính toán của

mô hình mây vệ tinh (đường màu xanh) và đường quá trình lũ thực đo (đường màu đỏ), trận lũ ngày 10 đến 21/12/2016 Nash=0,36

3.18 Kết quả dự báo thử đường quá trình lưu lượng về hồ

Phú Ninh, 02 ngày 15/01 đến 16/01/2018 45

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hồ chứa nước Phú Ninh tỉnh Quảng Nam được khởi công xây dựng từ năm 1977, hoàn thành vào năm 1986 với diện tích lưu vực 235 km2 , dung tích toàn bộ là 344 triệu m3 [5] nhằm cung cấp nước tưới cho 18.000 ha đất canh tác của các huyện: Phú Ninh, Tam Kỳ, Núi Thành, Thăng Bình, Quế Sơn và Duy Xuyên thuộc tỉnh Quảng Nam

Vùng hồ Phú Ninh có địa hình đồi núi, độ cao trung bình 100 - 300 m, có một số đỉnh núi cao 500 - 700 m so với mặt nước biển Độ dốc trung bình lớn, mặt bằng nghiêng theo hướng Tây, Tây Nam, Bắc, Đông Bắc tạo vùng trũng lòng chảo Phú Ninh Lưu vực của Hồ chứa nước Phú Ninh bao gồm các xã Tam Dân, Tam Lãnh, Tam Đại của huyện Phú Ninh và Tam Xuân, Tam Sơn, Tam Thạnh của huyện Núi Thành Khu vực hạ du hồ chứa là vùng đất đai rộng hàng chục km2 có hàng vạn hộ dân sinh sống, bao gồm các cơ sở kinh tế, chính trị và xã hội quan trọng nhất của tỉnh Quảng Nam, trong đó có thành phố Tam Kỳ, trung tâm tỉnh lỵ của tỉnh Quảng Nam với dân số khoảng 109.300 người và huyện Phú Ninh có dân số khoảng 79.600 người Ngoài ra còn có các công trình quan trọng cấp Quốc gia như: đường cao tốc Đà Nẵng - Quảng Ngãi (đang xây dựng), đường Quốc lộ 40B, đường sắt Bắc Nam chạy qua Đây là khu vực có mưa lớn tập trung, địa hình dốc, sông ngắn, lũ lên nhanh thường xuyên ảnh hưởng đến đời sống nhân dân

Trong giai đoạn khảo sát và thiết kế, do sự hạn chế của việc khảo sát và thu thập tài liệu khí tượng thủy văn nên độ tin cậy của các kết quả tính toán điều tiết lũ là rất hạn chế Ngoài ra, dưới tác động của biến đổi khí hậu toàn cầu với sự xuất hiện ngày

càng nhiều những đợt mưa lớn bất thường, điển hình như trận lũ năm 1999 đã uy hiếp trực tiếp đến độ an toàn các đập và ảnh hưởng đến tính mạng của nhân dân các huyện Phú Ninh, Núi Thành, đặc biệt là thành phố Tam Kỳ của tỉnh Quảng Nam Với tầm quan trọng như vậy trong khi công tác khảo sát, thu nhập các tài liệu liên quan về Hồ Phú Ninh còn hạn chế, nên vấn đề thực hiện đề tài ứng dụng Mô hình IFAS dự báo lũ cho hồ Phú Ninh tỉnh Quảng Nam phục vụ công tác dự báo lũ cho Hồ nhanh nhất

nhằm giảm thiểu thấp nhất thiệt hại gây ra cho khu vực hạ du là rất cần thiết

Những năm trước đây đã có các nghiên cứu về bài toán lũ cho Hồ Phú Ninh như:

Mô phỏng mức độ nguy hiểm do vỡ đập Long Sơn 1 hồ Phú Ninh [6] hay Nghiên cứu bài toán ngập lụt do vỡ đập Long Sơn 1 hồ Phú Ninh [7]và các giải pháp ứng phó Tuy nhiên các nghiên cứu này sử dụng mô hình số hiện đại dự báo lũ về hồ như: Mike NAM; Hec-HMS Các mô hình này đều sử dụng bộ thông số tập trung cho toàn bộ lưu vực hoặc các tiểu lưu vực và mô hình hóa dòng chảy lũ về hồ dựa vào lượng mưa tại các trạm đo Trong nghiên cứu này tác giả giới thiệu mô hình IFAS với cách tiếp cận hoàn toàn mới, đó là sử dụng bộ thông số phân bố và kết hợp mây vệ tinh hoặc mây rada để dự báo lũ về hồ chứa nước Phú Ninh

2 Mục đích và nhiệm vụ luận văn

Mô phỏng và dự báo lũ cho hồ chứa nước Phú Ninh bằng mô hình IFAS, phục vụ công tác vận hành hồ chứa trong mùa mưa lũ

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

+ Đối tượng: Lưu lượng, lượng mưa và thời gian lũ về hồ chứa nước Phú Ninh + Phạm vi nghiên cứu: Lưu vực hồ chứa nước Phú Ninh

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thống kê

- Phương pháp mô hình số

- Phương pháp viễn thám

5 Cấu trúc luận văn

Luận văn được cấu trúc trong 03 chương và phần mở đầu, kết luận:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan vùng nghiên cứu

Chương 2: Cơ sở lý thuyết mô hình IFAS

Chương 3: Áp dụng dự báo lũ cho hồ Phú Ninh

Kết luận và Kiến nghị

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VÙNG NGHIÊN CỨU

1.1 Giới thiệu hồ chứa nước Phú Ninh

Hình 1.1: Vị trí Hồ Phú Ninh

Phía Bắc là các xã: Tam Đại, Tam Dân, Tam Thái - Phú Ninh, Tam Xuân - Núi Thành và xã Tam Ngọc - TP Tam Kỳ;

Phía Đông là các xã: Tam Xuân 1, Tam Xuân 2, Tam Thạnh - Núi Thành;

Phía Nam giáp các xã Tam Thạnh,Tam Sơn- Núi Thành, Tam Lãnh- Phú Ninh; Phía Tây là các xã Tam Dân, Tam Lãnh- Phú Ninh

Hồ Phú Ninh là một hồ chứa nước nhân tạo, hồ nằm cách thành phố Tam Kỳ khoảng 7 km về phía tây thuộc địa phận huyện Núi Thành và huyện Phú Ninh tỉnh Quảng Nam, cách TP Đà Nẵng (có sân bay quốc tế) khoảng 70 km, cách sân bay Chu Lai của tỉnh Quảng Nam khoảng 15 km Đập chính nằm tại xã Tam Ngọc, Thành phố Tam Kỳ, có tọa độ địa lý 15030' Bắc và 1080043' Đông Công trình được khai thác bởi Công ty Khai thác thủy lợi Phú Ninh

Nằm về phía tây, cách thành phố Tam Kỳ 7 km, cách thành phố Đà Nẵng 70 km

và cách sân bay Chu Lai khoảng 15 km, vùng hồ Phú Ninh là vùng sinh thái đa dạng Với tổng diê ̣n tích trên 23.000ha cùng hơn 30 đảo lớn nhỏ và bán đảo, Phú Ninh mang

vẻ đẹp hoang sơ,khí hâ ̣u mát mẻ quanh năm Xung quanh hồ, trên đảo là hê ̣ thống rừng phòng hô ̣ có tổng diê ̣n tích 23.409ha (huyện Núi Thành chiếm 72,6% diện tích và huyện Phú Ninh chiếm 27,4% diện tích) với nhiều loại hình nguyên sinh, tái sinh tự nhiên, thảm thực vật nhiều tầng Đây cũng là nơi có hê ̣ động vật phong phú gồm 80 loài chim, 34 loài thú, 26 loài bò sát cùng nhiều động vật quý hiếm như Khỉ mặt đỏ, Sói đỏ, Gấu ngựa, Khứu đầu trắng…được đưa vào sách đỏ cần được bảo tồn Trên hồ

có rất nhiều loài cá như cá mè, cá trôi, cá trắm cỏ, cá lẹp… cung cấp 70-80 tấn cá/năm Câu cá bống là mô ̣t thú vui được rất nhiều du khách yêu thích khi đến đây vào mùa hè Được khánh thành vào năm 1987 sau 10 năm xây dựng, Hồ Phú Ninh từng là công trình thủy lợi lớn nhất miền Trung và lớn thứ hai cả nước chỉ sau hồ Dầu Tiếng tại Tây Ninh Trạm thủy điện Phú Ninh công suất 2000kw cung cấp hằng năm 3 triệu kwh bảo đảm sản lượng điện tiêu dùng Viê ̣c xây dựng hồ Phú Ninh đã mang lại rất nhiều lợi ích cho người dân nơi đây và cả những khu vực lân câ ̣n Hồ chứa nước Phú Ninh là nguồn nước ngọt để uống và sinh hoạt cho tất cả người dân Tam Kỳ, Phú Ninh Đặc biệt công trình đã điều tiết được những cơn lũ lớn hàng năm tràn về đồng bằng

1.1.2 Nhiệm vụ công trình

- Cung cấp nước tưới cho 18.000 ha đất canh tác của các huyện: Phú Ninh, Tam

Kỳ, Núi Thành, Thăng Bình, Quế Sơn và Duy Xuyên thuộc tỉnh Quảng Nam

- Cắt lũ, chậm lũ cho hạ du, giảm 34,5% tổng lượng lũ thiết kế cho hạ du với tần suất 0,1%

- Cung cấp nguồn nước sinh hoạt và công nghiệp với lưu lượng q=1,6 m3/s cho thành phố Tam Kỳ và các huyện lân cận

- Kết hợp phát điện với công suất: Nlm = 1.890 KW

- Hồ chứa nước Phú Ninh trên diện tích mặt nước của hồ kết hợp phát triển du lịch bằng thuyền qua các đảo của hồ du lịch sinh thái trên diện tích của hồ Phú Ninh

1.1.3 Đặc điểm thủy văn hồ chứa

Bảng 1.1: Các thông số kỹ thuật hồ chứa

3 Tổng lượng nước trung bình nhiều năm Triệu m3 637,7

4 Tổng lượng nước năm ít nước W75% Triệu m3 499,5

5 Lưu lượng bình quân nhiều năm, Q0 m3/s 6,13

Đầu kênh Nam, vai đập chính

Đập phụ Dương Lâm

Cao trình ngưỡng cống m 13,0 &16,80 15,00 26,00

a Phần kênh mương và công trình trên kênh:

Hiện tại, hệ thống tưới Phú Ninh lấy nước từ hồ chứa Phú Ninh để tưới cho 18.000 ha diện tích canh tác thuộc các huyện thành: Núi Thành, Tam Kỳ, Phú Ninh, Thăng Bình, Quế Sơn và Duy Xuyên; Cấp nước sinh hoạt và công nghiệp Toàn khu tưới có hai hệ thống kênh Bắc và Nam:

Kênh chính Bắc dài 47.3km, kênh chính Nam dài 4,5 km

Kênh cấp I, 16 tuyến tổng chiều dài 90 km,

Kênh cấp II, Tổng chiều dài 340 km,

Kênh cấp III, 490 tuyến , tổng chiều dài 175 km,

Và hàng nghìn công trình trên kênh

Khu vực hạ du hồ chứa là vùng đất đai rộng hàng chục km2 có hàng vạn hộ dân sinh sống, bao gồm các cơ sở kinh tế, chính trị và xã hội quan trọng nhất của tỉnh Quảng Nam, trong đó có thành phố Tam Kỳ, tỉnh lị của tỉnh Quảng Nam với dân số khoảng 109.322 người Ngoài ra còn có các công trình quan trọng cấp Quốc gia như đường Quốc lộ 1 và đường xe lửa Hà Nội-TP Hồ Chí Minh chạy qua Đây là khu vực

có mưa lớn tập trung, địa hình dốc, sông ngắn, lũ lên nhanh, lại bị ảnh hưởng của triều nên diễn biến lũ hàng năm rất phức tạp

c Đặc điểm khí hậu

Hồ Phú Ninh nằm trong phân vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, nóng ẩm, mưa nhiều và mưa theo mùa Trong năm có hai mùa rõ rệt, mùa mưa và mùa khô

* Nhiệt độ không khí:

- Nhiệt độ trung bình năm: 25,6 C

+ Nhiệt độ trung bình cao nhất: 28-29,7 C (Tháng 5 - 8)

+ Nhiệt độ trung bình thấp nhất: 21-22,7 C

+ Biên độ nhiệt độ trung bình tháng : 7 C

* Độ ẩm:

- Độ ẩm trung bình trong năm: 82%

- Mùa Đông (tháng 9 đến tháng 10) : độ ẩm trung bình tháng 82-88%

- Mùa hè (tháng 4 đến tháng 9) : độ ẩm trung bình 75-81%

* Lượng mưa:

Mùa mưa chủ yếu tập trung nhiều vào các tháng 9 đến tháng 12, lượng mưa chiếm 70-75% lượng mưa cả năm Lượng mưa tháng trong thời kỳ này đạt 400mm, tháng 10 có lượng mưa lớn nhất: 434mm

Mùa khô từ tháng 1 đến tháng 8, lượng mưa chỉ chiếm 25-30% lượng mưa cả năm Lượng mưa tháng trong thời kỳ này chỉ đạt 25mm, tháng 3 có lượng mưa nhỏ nhất trong năm: 12mm

- Lượng mưa trung bình năm : 2.491 mm

- Lượng mưa lớn nhất trung bình năm: 3.307 mm

- Lượng mưa nhỏ nhất trung bình năm: 1.111 mm

* Chế độ gió: Trong năm thường có các hướng gió chính như sau:

Hướng Đông bắc đến Bắc: Thịnh hành từ tháng 9 đến tháng 3 với tốc độ trung bình 4-5m/s

Hướng Đông đến Đông nam sau đó chuyển sang tây đến Tây nam trong những tháng từ 4-8, tốc độ gió trung bình 4-6m/s

Vận tốc gió trung bình năm 2,9m/s, lớn nhất trung bình từ 14-28m/s, vận tốc gió cực đại khi có bão lên tới 40m/s

* Thời tiết đặc biệt:

Bão : Xuất hiện từ tháng 9 đến tháng 12 Trung bình hàng năm có 0,5 cơn bão đổ

bộ trực tiếp và 2-3 cơn bão hoặc áp thấp nhiệt đới ảnh hưởng đến khu vực

Gió Tây khô nóng: Gió Tây Nam khô nóng xuất hiện vào khoảng tháng 5 đến tháng 8, mỗi tháng có từ 10-15 ngày khô nóng

(Theo số liệu” https://vi.wikipedia.org/wiki/HồPhúNinh/ veaction= edit&section

=12”)

1.1.4 Đặc điểm địa hình địa mạo

Vùng hồ Phú Ninh có địa hình đồi núi, độ cao trung bình 100 – 300 m, có một số đỉnh núi cao 500 – 700 m so với mặt nước biển

Độ dốc trung bình lớn, mặt bằng nghiêng theo hướng Tây, Tây Nam, Bắc, Đông Bắc tạo vùng trũng lòng chảo Phú Ninh

Phía Nam là vùng núi liên hoàn với các vùng núi của Quảng Ngãi, có nhiều đỉnh cao, độ dốc lớn làm địa hình chia cắt mạnh

Phía Bắc và Tây Bắc đồi núi thấp, dạng từng đồi bát úp, độ dốc nhỏ tạo nhiều thung lũng bằng và rộng quanh lòng chảo Phú Ninh

Lưu vực của Hồ chứa nước Phú Ninh có tổng diện tích 235 km2 bao gồm các xã Tam Dân, Tam Lãnh, Tam Đại của huyện Phú Ninh và Tam Xuân, Tam Sơn, Tam Thạnh của huyện Núi Thành

Địa hình khu vực chủ yếu là đồi núi với độ dốc cao, nhiều cây cối; diện tích lưu vực chủ yếu là rừng phòng hộ với các loại cây có đường kính thân nhỏ, cây bụi Ngoài

ra có có một phần nhỏ là rừng sản xuất với giống cây chủ yếu là keo với khả năng lưu trữ nước không cao

Vùng hạ lưu hồ chứa là vùng đồng bằng với độ dốc giảm dần về phía Đông Bắc, dân cư sinh sống đông đúc, tập trung chủ yếu ở thành phố Tam Kỳ Địa hình tương đối bằng phẳng, đồi núi thấp

Hình 1.2 : Tổng quan Hồ Phú Ninh

Khu vực hạ du hồ chứa là vùng đất đai rộng hàng chục km2 có hàng vạn hộ dân sinh sống, bao gồm các cơ sở kinh tế, chính trị và xã hội quan trọng nhất của tỉnh Quảng Nam, trong đó có thành phố Tam Kỳ, trung tâm tỉnh lỵ của tỉnh Quảng Nam với dân số khoảng khoảng 109.300 người và huyện Phú Ninh có dân số khoảng 79.600 người Ngoài ra còn có các công trình quan trọng cấp Quốc gia như : đường cao tốc Đà Nẵng – Quảng Ngãi (đang xây dựng), đường Quốc lộ 40B, đường sắt Bắc Nam chạy qua Đây là khu vực có mưa lớn tập trung, địa hình dốc, sông ngắn, lũ lên nhanh thường xuyên ảnh hưởng đến đời sống nhân dân

Các cơ sở kinh tế, chính trị và xã hội vùng hạ du nghiên cứu có khả năng bị ảnh hưởng:

- Tuyến đường cao tốc Đà nẵng - Quảng Ngãi cách hồ Phú Ninh khoảng 03km

- Tuyến đường Quốc lộ 40B cách hồ khoảng 02 km

- Tuyến đường sắt Bắc Nam cách hồ khoảng 07 km

- Cụm công nghiệp Trường Xuân - Tam Kỳ với hàng chục doanh nghiệp với khoảng 2.500 công nhân; Cụm CN Tam Đàn - Phú Ninh với khoảng 1.000 công nhân

- Khu công nghiệp Thuận Yên - Tam Kỳ với hàng chục doanh nghiệp với khoảng 10.000 công nhân

- 01 trường THPT, 05 trường THCS và hàng chục trường tiểu học, mầm non với hàng ngàn học sinh

- 01 cơ sở y tế cấp tỉnh, 01cơ sở y tế cấp huyện, 05 trạm y tế cấp xã

- 05 trụ sở hành chính cấp xã, phường

- 5.000 hộ dân với hàng chục ngàn nhân khẩu

- Hơn 1.000 ha đất canh tác thuộc các xã: Tam Đại, Tam Thái, Tam Dân Tam

An, Tam Đàn (huyện Phú Ninh)

1.2 Cơ sở dữ liệu phục vụ nghiên cứu

1.2.1 Mạng lưới khí tượng thủy văn vùng nghiên cứu

- Dữ liệu khí tượng và thủy văn lưu vực:

Trước đây, trên lưu vực chỉ có tài liệu đo mưa tại trạm Đức Phú với 7 năm quan trắc (1931 ~ 1937) và tài liệu đo lưu lượng, mực nước sông Tam kỳ trong 3 năm (1977

~ 1979 ) Từ sau khi xây dựng hồ Phú Ninh, đã có thêm một số trạm đo mưa ở lưu vực, trạm khí tượng khu tưới và một số trạm thủy văn ở khu vực lân cận như bảng 1.3

TT Tên trạm Loại trạm Yếu tố quan trắc Thời gian quan trắc Vị trí

1 Xuân Bình Đo mưa Mưa 1988  2017 Trung tâm lưu

vực

3 Tam Kỳ Khí hậu Mưa, gió, bốc

hơi, nhiệt độ, độ

ẩm, nắng…

1977  2017 Khu tưới tam Kỳ

Sau khi phân tích số liệu, chúng tôi nhận thấy dòng chảy có thể gây lũ đến hồ Phú Ninh phụ thuộc chính vào hai trạm đo mưa là Xuân Bình, và Phú Ninh (C24), và các trạm đo lân cận Tam Kỳ, Tiên Phước, Trà My, Trà Bồng mặt khác số liệu mưa của 2 trạm là đủ tin cậy để sử dụng tính toán dòng chảy đến hồ Phú Ninh

- Dữ liệu lưu lượng thực đo các trận lũ:

Lưu lượng dòng chảy đến của lưu vực hồ phú Ninh được tính toán dựa vào mực nước quan trắc từ năm (1981  2017) trong hồ, thông qua các cửa tràn và đường đặc tính lòng hồ Phú Ninh

Bảng 1.4: Mực nước hồ lớn nhất xuất hiện trong các năm

TT Năm Trị số (m) Mực nước lớn nhất Ngày xuất hiện

TT Năm Trị số (m) Mực nước lớn nhất Ngày xuất hiện

Bảng 1.5: Các trận lũ xuất hiện trong các năm gần đây

an toàn cho các hạng mục còn lại Tuy nhiên do lượng mưa giảm dần và lưu lượng về

hồ giảm nên điều này đã không xảy ra Ngoài ra còn có ghi nhận được một số trận lũ

khác nhưng lưu lượng lũ không lớn hơn lũ 1999 nên không ảnh hưởng đến an toàn hồ đập

- Tài liệu địa hình:

Bản đồ địa hình khu vực hồ Phú Ninh và lân cận tỷ lệ 1/2.000; 1/10.000 lưới chiếu UTM, hệ tọa độ VN2000

Hình 1.3: Mạng lưới các trạm đo mưa Hồ Phú Ninh và lân cận

1.2.2 Chất lượng dữ liệu đo đạc

Theo tài liệu và phương pháp tiếp cận của đơn vị quản lý hồ thì tính toán lưu lượng nước đến hồ Phú Ninh thông qua hai trạm thủy văn: trạm Xuân Bình và trạm Phú Ninh (C24) là đủ tin cậy để sử dụng tính toán dòng chảy đến hồ Phú Ninh

Dữ liệu mưa là dữ liệu quan trọng trong quy hoạch quản lý tài nguyên nước cũng như giảm thiểu tác động do thiên tai gây ra Do đó, công tác quan trắc mưa có vai trò hết sức quan trọng Quan trắc mưa hiện nay gồm các phương pháp chính: phương pháp

đo mưa tại chỗ; phương pháp đo mưa bằng hệ thống radar thời tiết; phương pháp đo mưa bằng công nghệ viễn thám Hai phương pháp đầu tuy có độ chính xác cao nhưng gặp phải khó khăn rất lớn khi đo đạc tại các khu vực hiểm trở, vùng đồi núi và trên biển Trong khi đó, phương pháp sử dụng công nghệ viễn thám đã, đang được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ, trở thành công cụ hữu ích trong quản lý tài nguyên nước

và giảm thiểu thiệt hại do thiên tai, nhất là trong tình hình tác động của biến đổi khí hậu ngày càng nghiêm trọng Đặc biệt, phương pháp đo mưa bằng công nghệ viễn thám có thể kết hợp với các mô hình giám sát, dự báo và cảnh báo thiên tai như lũ lụt

và hạn hán

1.2.3 Dữ liệu mây vệ tinh

Để quan trắc lượng mưa, có ba phương pháp chính : đo mưa tại chỗ bằng dụng

cụ đo, đo mưa bằng hệ thống radar thời tiết và sử dụng công nghệ viễn thám để quan trắc mưa Mỗi phương pháp đều có ưu, khuyết điểm riêng nên trong thực tế cả 3 phương pháp đều được sử dụng rộng rãi

Phương pháp đo mưa tại chỗ có nhược điểm là kết quả đo mưa của điểm rời rạc nên muốn tính lượng mưa cho toàn khu vực ta phải tính giá trị trung bình hoặc sử dụng phương pháp nội suy để tính phân bố mưa theo không gian Thêm nữa, các trạm đo mưa thường được lắp đặt tại hoặc gần những khu vực đô thị do thuận tiện trong công tác lấy số liệu cũng như bảo trì Tuy nhiên, hầu hết thiên tai liên quan đến yếu tố mưa đều xảy ra ở vùng sâu, vùng xa hoặc các trận mưa lớn hình thành trên biển và di chuyển vào đất liền, nên việc sử dụng dữ liệu đo mưa tại chỗ có nhiều trở ngại trong công tác cảnh báo thiên tai, đặt biệt là lũ nói chung và lũ quét nói riêng (lũ quét hình thành do sự cố vỡ đập hoặc mưa cường độ lớn, trong thời gian ngắn – thường trong vòng vài giờ, trên địa hình dốc) Đo mưa tại chỗ là phương pháp duy nhất đo mưa trực tiếp nên rất đáng tin cậy nên dữ liệu đo mưa tại chỗ được sử dụng để hiệu chỉnh trong tính toán mưa của các phương pháp đo mưa gián tiếp

Đo mưa bằng hệ thống radar thời tiết có ưu điểm là cho kết quả đo trực tuyến, độ chính xác cao, với độ phân giải không gian và thời gian cao (~1km, 5-10 phút), khu vực bao phủ rộng lớn (100 – 200km) nên thuận lợi trong vấn đề dự báo và theo dõi diễn biến thiên tai trong thời gian dài Nhiều nước và vùng lãnh thổ (Mỹ, Anh, Hà Lan, Nhật, Đài Loan, Hồng Kông …) đã xây dựng thành công các hệ thống cảnh báo sớm thiên tai dựa vào dữ liệu mưa chủ yếu từ hệ thống radar Tuy nhiên, radar thường hoạt động không tốt ở khu vực địa hình đồi núi, không phủ tới vùng sâu, vùng xa, trên mặt biển, khó quản lý và vận hành tốn kém

Nhìn chung, hai phương pháp đo mưa trên đều gặp rất nhiều hạn chế trong việc quan trắc mưa tại vùng sâu, vùng xa, vùng đồi núi và trên biển Để giải quyết vấn đề này, phương pháp thứ ba, sử dụng công nghệ viễn thám đang là biện pháp khả thi và được ứng dụng ngày càng rộng rãi Ngay từ những năm 1960, công nghệ viễn thám đã bắt đầu được nghiên cứu ứng dụng trong theo dõi thời tiết, đặc biệt là mưa với viễn thám hồng ngoại và viễn thám radar Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ vũ trụ

và khoa học tính toán, nhiều thuật toán, phương pháp đã được xây dựng để tính toán lượng mưa từ dữ liệu vệ tinh với độ chính xác ngày càng được nâng cao

Tổng quan xác định lượng mưa bằng công nghệ viễn thám:

Xác định lượng mưa bằng viễn thám hồng ngoại từ các vệ tinh GEO cho thông tin về nhiệt độ bề mặt (phía trên) của các đám mây để tính toán lượng mưa với nhận định rằng cường độ mưa tỉ lệ nghịch với nhiệt độ bề mặt đám mây – hay đám mây có nhiệt độ bề mặt càng thấp thì gây mưa càng lớn Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, các thuật toán tính mưa từ ảnh vệ tinh GEO phổ hồng ngoại hiệu quả trong vấn đề tính

toán mưa đối lưu vùng nhiệt đới nhưng xuất hiện sai số lớn bởi ảnh hưởng mây ở tầng cao (Arkin và Meisner, 1987; Adler và Negri, 1988) Kỹ thuật phân loại mây dựa vào các thông số về đặc điểm mây được sử dụng để cải thiện kết quả tính mưa Việc kết hợp thông tin ảnh chụp từ nhiều phổ khác nhau cũng mang lại kết quả tốt hơn (Ba và Gruber, 2001; Bellerby và cs., 2000; Bellerby, 2004; Capacci và Conway, 2005; Hong

và cs., 2004; Hsu và cs., 1999; Turk và Miller, 2005)

Bên cạnh viễn thám hồng ngoại, viễn thám radar từ dữ liệu vệ tinh LEO với các cảm biến thu nhận năng lượng bức xạ nhiệt từ các hạt mưa ở bước sóng microwave (Passive Microwave – PMW) Cảm biến của vệ tinh LEO thu nhận tín hiệu PMW cung cấp thông tin chi tiết hơn về cấu trúc của các đám mây Ảnh vệ tinh GEO với diện tích bao phủ toàn bộ bề mặt địa cầu nhưng kết quả tính mưa với độ chính xác không cao, còn ảnh vệ tinh LEO cho thông tin về mưa chính xác hơn nhưng diện tích bao phủ nhỏ tại một thời điểm Do đó, việc kết hợp ảnh vệ tinh LEO để hiệu chỉnh các khu vực tương ứng của ảnh vệ tinh GEO đã đem lại kết quả tính mưa được cải thiện đáng kể (Ba và Gruber, 2001; Bellerby và cs., 2000; Bellerby, 2004; Hsu và cs., 1997; Huffman và cs., 2007; Kidd và cs., 2003; Marzano và cs., 2004; Nicholson và cs., 2003a, 2003b; Sorooshian và cs., 2000; Todd và cs., 2001; Turk và Miller, 2005; Vicente và cs., 1998)

Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra hiệu quả của việc sử dụng ảnh vệ tinh LEO kết hợp với ảnh vệ tinh GEO Trung tâm Dự báo khí hậu (Climate Prediction Center) sử dụng phương pháp nội suy tuyến tính để hiệu chỉnh ảnh GEO-IR theo ảnh LEOPMW

ở những vùng ảnh tương ứng để cho ra dữ liệu mưa CMORPH (Joyce và cs., 2004) Phương pháp lọc Kalman (Kalman filter) đang được phát triển để nâng cao chất lượng

dữ liệu CMORPH (Joyce và cs., 2008; Okamoto và cs., 2005) Một số nghiên cứu cho rằng việc sử dụng mô hình đơn giản về sự phát triển của một trận mưa giữa các dải quét của vệ tinh LEO sẽ cho kết quả tốt hơn là sử dụng phương pháp nội suy hay cập nhật Phương pháp này sử dụng quan hệ của những thay đổi trong đặc điểm bề mặt các đám mây và các quá trình hình thành mưa để tính lượng mưa hơn là dựa vào quan hệ tĩnh giữa ảnh GEO-IR và mưa (Machado và cs., 1998; Horsfield, 2006; Bellerby và cs., 2009; Hsu và cs., 2009; Behrangi và cs., 2010)

Chương trình đo mưa nhiệt đới (Tropical Rainfall Measurement Mission – TRMM) do NASA hợp tác với JAXA (Nhật Bản) thực hiện từ năm 1997 đã sử dụng

vệ tinh LEO để đo mưa cho khu vực nhiệt đới (38o Nam – 38o Bắc) với độ chính xác được nâng cao (Kummerow và cs., 1998; Kummerow và cs., 2000; Simpson và cs., 1988) Hệ thống vệ tinh LEO trong chương trình Đo mưa toàn cầu (Global Precipitation Measurement – GPM) theo kế hoạch sẽ được phóng vào năm 2014 Nhờ

có nhiều vệ tinh nên hệ thống GPM sẽ cho ảnh với độ phân giải thời gian ngắn (3 giờ), bao phủ khoảng 90% diện tích bề mặt địa cầu Hệ thống GPM được kỳ vọng sẽ mang lại nhiều thành tựu to lớn trong việc quan trắc mưa trên toàn cầu Dưới đây, xin giới

thiệu phương pháp xác định lượng mưa gần thời gian thực bằng công nghệ viễn thám kết hợp viễn thám hồng ngoại và viễn thám radar nhằm phục vụ công tác phòng chống giảm nhẹ thiên tai do lũ lụt Mô hình kết hợp có thể ở dạng 2 loại dữ liệu viễn thám hoặc nhiều loại dữ liệu viễn thám khác nhau

Mô hình chiết xuất thông tin lượng mưa gần thời gian thực từ 2 loại dữ liệu vệ thám - MTSAT và TRMM 2A12

Ảnh MTSAT với độ phân giải thời gian là 30 phút cho khu vực Bắc bán cầu và 1 giờ cho toàn bộ bán cầu, cho phép JMA có thể giám sát chặt chẽ hơn sự di chuyển của bão và các đám mây

Kênh và Bước

sóng (μm) VIS 0.55 - 0.90

IR1 10.3 - 11.3

IR2 11.5 - 12.5

IR 3 6.5 - 7.0 IR4 3.5 - 4.0

Độ phân giải

không gian 1 km (VIS) và 4 km (IR)

Mức độ mã

hóa 10 bits đối với kênh VIS và IR (1,024 gradations)

Tần số S-band (Tiếp nhận: 2026-2035 MHz, truyền tải: 1677- 1695 MHz) UHF (Tiếp nhận: 402 MHz, truyền tải: 468 MHz) TRMM là vệ tinh quan sát trái đất đầu tiên được thiết kế bởi NASA và JAXA với nhiệm vụ theo dõi và nghiên cứu lượng mưa nhiệt đới, phục vụ mục đích theo dõi biến đổi khí hậu và môi trường trên toàn cầu Vệ tinh TRMM gồm năm đầu thu: Precipitation radar (PR), TRMM Microwave Imager (TMI), Visible and Infrared Scanner (VISR), Clouds and the Earth’s Radiant Energy System (CERES) and Lightning Imaging Sensor (LIS) Tuy nhiên trong nghiên cứu này, tác giả tập trung vào dữ liệu sản phẩm TRMM 2A12 của đầu thu TMI Dữ liệu TRMM 2A12 với thông tin lượng mưa theo thời gian thực ước tính từ đầu thu TMI gồm có 14 kênh chứa một số các thông số vật lý như: mây chứa nước, nước mưa, đám mây băng, mưa đá, cường độ mưa trên bề mặt (mm/h), mưa đối lưu… Dữ liệu thu được sẽ sử dụng với các thuật toán khác nhau cho mục đích tình mưa ở các khu vực khác nhau như đất liền hay đại dương

Như đã giới thiệu ở trên, phương pháp viễn thám hồng ngoại nhiệt và radar đều

có những ưu nhược điểm riêng, việc kết hợp hai phương pháp sẽ nâng cao chất lượng của kết quả tính toán lượng mưa Mô hình kết hợp 2 loại dữ liệu hồng ngoại nhiệt - MTSAT kết hợp với dữ liệu radar - TRMM 2A12 được mô tả trong hình sau

Đồng bộ thời gian và không gian

Giao thoa dữ liệu trung bình các kênh của TRMM 2A12 với nhóm

kênh nhiệt của MTSAT

Thống kê quy hồi

Chuyển dữ liệu MTSAT-1R chuyển đổi thành lượng mưa ước tính dựa theo phương trình hồi quy

Hình 1.4: Mô hình chiết xuất thông tin lượng mưa gần thời gian thực từ dữ liệu vệ tinh

MTSAT kết hợp với dữ liệu TRMM 2A12

Thông tin lượng mưa gần thời gian thực được chiết xuất từ sự kết hợp hai nguồn

dữ liệu MTSAT và TRM 2A12 dựa trên phương pháp kết hợp của Maathuis (2006) Thực tế phương pháp này ứng dụng để kết hợp dữ liệu MSG với dữ liệu TRMM 2A12 Đặc điểm chính của phương pháp này là sự phát triển của mối quan hệ thống kê giữa MSG và TRMM bằng cách kết hợp nhóm dữ liệu hồng ngoại của MSG với dữ liệu lấy

Thông tin lượng mưa theo thời gian thực

Dữ liệu TRMM 2A12 MTSAT-1R (kênh hồng

ngoại/IR và hơi nước (WV)

Dữ liệu MTSAT-1R

trung bình của TRMM Dựa trên phương pháp này, tác giả đã thay thế dữ liệu MSG bằng dữ liệu MTSAT với các kênh tương ứng

Thực tế việc tích hợp hai nguồn dữ liệu MTSAT và TRMM 2A12 để chiết xuất thông tin lượng mưa có thể chia làm 3 bước cơ bản:

- Đồng bộ dữ liệu theo không gian và thời gian Dữ liệu TRMM 2A12 1R (kênh hồng ngoại/IR và hơi nước (WV) Đồng bộ thời gian và không gian Giao thoa dữ liệu trung bình các kênh của TRMM 2A12 với nhóm kênh nhiệt của MTSAT Thống kê quy hồi Chuyển dữ liệu MTSAT-1R chuyển đổi thành lượng mưa ước tính dựa theo phương trình hồi quy Dữ liệu MTSAT-1R Thông tin lượng mưa theo thời gian thực

MTSAT Mối quan hệ thống kê (statistical relationship)

- Chuyển đổi dữ liệu

Mô hình chiết xuất thông tin lượng mưa gần thời gian thực từ 2 loại dữ liệu vệ thám -Hệ thống GSMaP

Hệ thống GSMaP được phát triển dựa trên các hoạt động của dự án GSMaP CREST (Bản đồ vệ tinh lượng mưa toàn cầu) Dự án được tài trợ bởi Cơ quan Khoa học và Công nghệ Nhật Bản (JST), được nghiên cứu từ năm 2002 và được đưa vào hoạt động trên trang Web http://sharaku.eorc.jaxa.jp/GSMaP/ từ năm 2007

JST-GSMaP cung cấp theo giờ bản đồ lượng mưa toàn cầu trong thời gian gần thực (khoảng bốn giờ sau khi quan sát) bằng cách sử dụng các thuật toán MW-IR kết hợp với dữ liệu TRMM TMI, Aqua AMSR-E, DMSP SSM / I và SSMIS, NOAA-19 AMSU, MetOp-A AMSUGEO IR Thuật toán điện toán đám mây toàn cầu kết hợp dữ liệu IR chiết xuất từ dữ liệu, dữ liệu hồng ngoại được sử dụng chiết xuất từ dữ liệu vệ tinh MTSAT

Như vậy, các mô hình kết hợp dữ liệu viễn thám hồng ngoại và viễn thám radar

để chiết xuất lượng mưa được nghiên cứu và sử dụng khá rộng rãi trên thế giới Dưới đây, xin được giới thiệu ứng dụng của dữ liệu này trong Hệ thống phân tích lũ lụt IFAS do Nhật Bản xây dựng và phát triển

Dữ liệu lượng mưa sử dụng trong mô hình

Trong các hợp phần của IFAS, có một chức năng kết hợp các dữ liệu lượng mưa

đo trên các trạm đo thực địa và dữ liệu dự báo lượng mưa theo thời gian thực từ vệ tinh Các dữ liệu mưa từ vệ tinh như dữ liệu của NASA-3B42RT, NOAACMORPH, JAXA-GSMaP_NRT để mô phỏng dòng chảy lũ như trong bảng 1.8

B ảng 1.8: Dữ liệu lượng mưa từ ảnh vệ tinh sử dụng trong IFAS

Độ phân giải thời

Đầu thu chụp

TRMM/TMI Aqua/AMSR-E AMSU-B DMSP/SSM/I IR

Aqua/AMSR-E AMSU-B DMSP/SSM/I TRMM/TMI IR

TRMM/TMI Aqua/AMSR-E ADEOS-2 AMSR

IR AMSU-B Trong các loại dữ liệu trên thì dữ liệu GSMaP_NRT là dữ liệu có nhiều triển vọng cho mục đích dự báo vì độ phân giải thời gian và không gian của dữ liệu cao và việc phân phối dữ liệu cũng nhanh chóng Theo các nghiên cứu đã được khẳng định ở Nhật Bản và Mỹ thì dữ liệu GSMaP_NRT khó có thể dự đoán lượng mưa khi mưa rất

to Tuy nhiên Shiraishi et al.,2009 đã phát hiện có sự tương quan giữa yếu tố không gian và mức độ dự đoán Dựa trên tương quan này, ông phát triển phương pháp tự hiệu chỉnh cho dữ liệu GSMaP_NRT mà không có dữ liệu đo mưa thực địa Phương pháp này có tính thực tế và tiện dụng đối với những lưu vực sông mà có ít dữ liệu quan trắc tại các trạm, chỉ sử dụng dữ liệu dự báo lượng mưa từ ảnh vệ tinh cho công tác phân tích và dự báo lũ Bởi vì rất khó có thể xây dựng một mạng lưới đầy đủ các trạm quan trắc lượng mưa cho một hệ thống dự báo lũ lụt

Một nghiên cứu khác đối với trường hợp cơn bão Morakot ở Đài Loan năm 2009 thì phương pháp này có thể dự báo gần đúng nhất lượng mưa trong lưu vực sông Tuy nhiên, trong một số trường hợp thì dữ liệu tự hiệu chỉnh về lượng mưa từ ảnh vệ tinh không tính được dòng chảy đúng, lý do là tần xuất quan trắc của vệ tinh chưa đủ dầy khi lượng mưa tăng nhanh Vì vậy, cần phải có một hệ thống đo đạc lượng mưa toàn cầu, nhiệm vụ này đã được Mỹ và Nhật Bản lên kế hoạch để xây dựng một hệ thống vệ tinh có thể quan sát bất cứ nơi nào trong vòng 3 giờ (hiện tại là từ 5 – 6 giờ)

Dữ liệu mây vệ tinh được sử dụng là dữ liệu do quan trắc viễn thám được tải miễn phí từ trang web của Nhật Bản đồ mưa vệ tinh toàn cầu – GSMaP là một dự án

nhằm thúc đẩy việc nghiên cứu “Thành lập bản đồ mưa toàn cầu độ phân giải cao bằng cách sử dụng số liệu vệ tinh” được tài trợ bởi JSTA (Japan Science and Technology Agency )

Mây vệ tinh được sử dụng trong IFAS gồm có mây vệ tinh của Mỹ (NASA) và mây vệ tinh của nhật (JAXA) Trong nghiên cứu này sẽ tập trung làm rõ cách hiệu chỉnh mây vệ tinh của Nhật nhằm đưa ra bộ thông số tối ưu cho lưu vực hồ Phú Ninh

1.2.4 Dữ liệu địa hình và sử dụng đất

Do hạn chế về khả năng cập nhật cở sở dữ liệu hiện trạng nên tác giả chỉ sử dụng

cơ sở dữ liệu DEM và bản đồ sử dụng đất lấy từ cơ sở dữ liệu toàn cầu với độ chính xác không cao, đây là hạn chế lớn nhất của tác giả khi nghiên cứu

Dữ liệu bản đồ hệ số nhám Hệ số nhám (Manning) được dùng để tính thời gian tập trung dòng chảy trên lưu vực Thực tế, để xác định hệ nhám n của lưu vực hay sườn dốc rất khó, do nó còn phụ thuộc vào hiện trạng sử dụng đất

- Biên thượng lưu: Do lưu vực Hồ Phú Ninh khá phức tạp, cộng thêm việc thu thập số liệu bị hạn chế nên tác giả lựa chọn biên thượng lưu tương ứng với nhánh sông giáp với Trà Bồng nằm về phía Nam lưu vực Hồ Phú Ninh

- Biên hạ lưu: Tác giả lựa chọn biên hạ lưu nằm về phía Bắc giáp với thành phố Tam Kỳ của lưu vực Hồ Phú Ninh

- Chia lưới tính toán thủy lực và bản đồ cao độ: Nghiên cứu sử dụng lưới cấu trúc

ô vuông 100x100 để mô tả đặc điểm địa hình trong phạm vi mô phỏng của hạ du lưu vực

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH IFAS

IFAS là viết tắt của “Integrated Flood Analysis System” là một hệ thống phân tích lũ tổng hợp được phát triển bởi trung tâm nghiên cứu kĩ thuật tài nguyên nước, thuộc Trung tâm Quốc tế về nước và Quản lý rủi ro (ICHARM) có trụ sở ở Nhật Bản [3]

Thiết kế của hệ thống Phân tích lũ lụt tích hợp (IFAS)

IFAS dựa trên nền tảng thiết kế chung là hệ thống dự báo và cảnh báo lũ lụt ở các lưu vực sông, đã được phát triển trong một nghiên cứu với sự nỗ lực chung của Infrastructure Development Institude (IDI) và chính công ty tư vấn tư nhân với các mục tiêu sau:

+ Phát triển một giao diện xử lý dữ liệu lượng mưa từ ảnh vệ tinh và dữ liệu đo lượng mưa ngoài thực địa ở các trạm sẵn có trong khu vực hoặc toàn cầu để phân tích

và dự báo lũ;

+ Tích hợp hai kiểu mô hình thủy văn có các tham số được cung cấp (PWRI Distributed Hydrologic Model – PDHM và Block-Wise TOP – BTOP model) Các tham số trong mô hình có thể ước tính gần đúng và sẵn có trên phạm vi toàn cầu có trong cơ sở dữ liệu GIS;

+ Có công cụ phân tích dữ liệu GIS để thiết lập các tham số cho mô hình phân tích dự báo, vì vậy không cần phải có phần mềm GIS kèm theo;

+ Phát triển một giao diện đồ họa đơn giản, dễ thực hiện để nhập dữ liệu, mô hình hóa, phân tích dòng chảy và đưa ra dữ liệu cảnh báo;

+ Phân phối phần mềm miễn phí ICHARM cũng tổ chức các hội thảo kỹ thuật, đào tạo để các nước đang phát triển sử dụng các thông tin được cung cấp và các kỹ thuật một cách dễ dàng nhất Các hoạt động trọn gói như vậy là các hoạt động then chốt nhằm xây dựng khả năng cho các nước này trong việc phân tích và dự báo lũ lụt Các hợp phần của hệ thống IFAS Hệ thống phân tích lũ lụt tích hợp bao gồm các hợp phần sau:

+ Một hệ thống các vệ tinh quan sát lượng mưa toàn cầu: hệ thống bao gồm các

vệ tinh của Mỹ, Nhật Bản quan sát lượng mưa ở các khu vực trên thế giới với tần xuất

2 lần trong ngày;

+ Dữ liệu quan sát được xử lý và cung cấp gần thời gian thực: dữ liệu này được

xử lý và cung cấp theo từng khu vực trên thế giới với tần xuất nhất định;

+ Các dữ liệu GIS (địa hình khu vực, lớp phủ thực vật/sử dụng đất ) của khu vực quan sát, thông thường quan sát theo từng lưu vực sông;

+ Mô hình thủy văn, kết hợp với các dữ liệu được sử dụng để phân tích dòng chảy, đưa ra dự báo và cảnh báo ngập lụt trong lưu vực

Mô hình IFAS là sự kết nối hai mô hình thủy văn và mô hình mưa từ mây vệ tinh hoặc mây radar Các bộ thông số của 2 mô hình được hiệu chỉnh dựa trên số liệu lưu lượng lũ thực đo và lưu lượng lũ tính toán của mô hình Sau khi xác định được bộ thông số của 2 mô hình thì từ dữ liệu mây vệ tinh hoặc mây radar, ta có thể dự báo được lưu lượng và đường quá trình lũ về hồ

Trong nghiên cứu này, do chưa có dữ liệu mây radar nên tác giả sử dụng dữ liệu mây vệ tinh để ước tính lượng mưa rơi xuống lưu vực Hình 2.1 mô tả quá trình thực hiện của IFAS

Hình 2.1: Quá trình thực hiện của IFAS

2.1 Mô hình thủy văn lưu vực

Khác với các mô hình thủy văn trước đây là sử dụng thông số tập trung, IFAS có tính mới là sử dụng bộ thông số phân bố cho toàn bộ lưu vực, theo đó lưu vực được số hóa và chia thành các ô lưới hình vuông với diện tích là 1 km2 Mỗi ô lưới lưu vực được đặc trưng bởi một bộ thông số thủy văn Trình tự tính toán mô hình thủy văn được sơ đồ hóa như hình 2.2

Hình 2.2: Sơ đồ giải thích mô hình thủy văn trong IFAS

Hình 2.3: Sơ đồ tính toán mô hình thủy văn trong IFAS

Thay đổi bộ

thông số

Đưa ra bộ thông số cho lưu vực

Kết Thúc

Theo quan niệm mưa rơi xuống lưu vực sẽ hình thành lớp nước mặt, lớp nước ngầm và tập trung về hồ chứa Các thông số này được xác định như sau:

Kí hiệu Thông số Đơn vị Giải thích

Sf1 HFMND m Chiều cao của dòng chảy dưới mặt

N SNF m-1/3s1 Hệ số nhám bề mặt

HIFD m Giá trị ban đầu để tính

Thể hiện khả năng thấm nước, Chiều cao tối đa của bể, Chiều cao của dòng chảy dưới mặt, Chiều cao của dòng chảy thấm, Hệ số nhám bề mặt, Giá trị ban đầu để tính,

Hệ số dòng chảy dưới mặt

Hình 2.5 mô tả thành phần lớp nước ngầm gồm 2 thành phần: (iv) dòng chảy trên tầng ngầm và (v) dòng chảy đáy tầng ngầm

(iv) Dòng chảy trên tầng ngầm

Au AUD (1/mm/day)^1/2 Hệ số dòng chảy ngầm không giới hạn

Hệ số dòng chảy ngầm không giới hạn, Hệ số dòng chảy ngầm giới hạn, Chiều cao bể, Chiều cao ban đầu để tính

Hình 2.6: Các thông số của mặt cắt ngang lòng sông

Hình 2.6 và bảng 2.3 giải thích các thông số của mặt cắt ngang và lòng sông trong lưu vực

B ảng 2.3: Bộ thông số của lòng sông

Thông số Đơn vị Giải thích

RNS m-1/3s-1 Hệ số chính

RRID M Giá trị ban đầu để tính

RGWD 1/day Hệ số thấm của đáy sông

RHS - Giá trị để tính mực nước sông

RLCOF Non Thông số chiều dài sông

RBW, RBS, RNS, RRID, RGWD, RHW, RHS, RBH, RBET, RLCOF: Hệ số thiết lập chiều rộng sông, Hệ số từ 0.3~0.5, Hệ số chính, Giá trị ban đầu để tính, Hệ số thấm của đáy Sông, Mực nước của sông hc=RHW RHS, Giá trị để tính mực nước sông,

Chiều rộng của sông, Độ dốc lòng sông, Thông số chiều dài sông

2.2 Mô hình thủy văn sử dụng mây vệ tinh

Mây vệ tinh được sử dụng trong IFAS gồm có mây vệ tinh của Mỹ (NASA) và mây vệ tinh của nhật (JAXA) Trong nghiên cứu này sẽ tập trung làm rõ cách hiệu chỉnh mây vệ tinh của Nhật nhằm đưa ra bộ thông số tối ưu cho lưu vực hồ Phú Ninh

Bảng 2.4: Thông tin về dữ liệu mưa vệ tinh

Phủ song 500Bắc-500Nam 600Bắc-600Nam

Độ phân giải không gian 0.250 0.10

Bảng 2.5: Thời gian đo đạc của các loại mây vệ tinh

Hình 2.7: Hình ảnh lưới tích lũy (thuyết tương đối không gian để mô tả tốc độ di

chuyển của khu vực lượng mưa dựa trên mây vệ tinh)

xi: Lượng mưa GSMap tại thời điểm t (mm/h)

Xi: tổng lượng mưa trong lưới xi,j trong k giờ (mm/kh)

k: Khoảng thời gian, ở đây k=3h

Sn: Chỉ số biến đổi GSMap (tức là chỉ số lỗi giữa các ô lưới)

Robs: lượng mưa trên mặt đất

Rsat: Lượng mưa dựa trên vệ tinh

mj:tỷ lệ điều chỉnh

:

n

S Tỉ lệ lỗi sai trung bình của Sn trong khu vực nghiên cứu

Tiến hành hiệu chỉnh mối quan hệ của mj và S n

Trình tự tính toán mô hình mưa từ mây vệ tinh được sơ đồ hóa như hình 2.7

2.3 Cơ sở dữ liệu mô hình IFAS

* Mô hình thủy văn trong IFAS: DEM, sử dụng đất (bộ thông số ban đầu), mưa thực đo

a- Các thông số lớp bề mặt: 1.dòng chảy bề mặt; 2.dòng chảy dưới bề mặt; 3.sự

rò rĩ qua các lớp

Bộ thông số của lớp bề mặt: SKF, HFMXD, HFMND, HFOD, SNF, HIFD, FALFX: Thể hiện khả năng thấm nước, Chiều cao tối đa của bể, Chiều cao của dòng chảy dưới mặt, Chiều cao của dòng chảy thấm, Hệ số nhám bề mặt, Giá trị ban đầu để tính, Hệ số dòng chảy dưới mặt

b- Các thông số của lớp nước ngầm: Dòng chảy trên tầng ngầm, Dòng chảy đáy của tầng ngầm

Bộ thông số lớp nước ngầm: AUD, AGD, HCGD, HIGD: Hệ số dòng chảy ngầm không giới hạn, Hệ số dòng chảy ngầm giới hạn, Chiều cao bể, Chiều cao ban đầu để tính

c- Các thông số của mặt cắt ngang lòng sông

Bộ thông số của lòng sông: RBW, RBS, RNS, RRID, RGWD, RHW, RHS, RBH, RBET, RLCOF: Hệ số thiết lập chiều rộng sông, Hệ số từ 0.3~0.5, Hệ số chính, Giá trị ban đầu để tính, Hệ số thấm của đáy Sông, Mực nước của sông hc=RHW RHS, Giá trị để tính mực nước sông, Chiều rộng của sông, Độ dốc lòng sông, Thông số chiều dài sông

* Mô hình mây vệ tinh trong IFAS: DEM, sử dụng bộ thông số đã hiệu chỉnh, mây vệ tinh

a Thông tin về dữ liệu mưa vệ tinh

b Thời gian đo đạc của các loại mây vệ tinh

xi, Xi, k, Sn, Robs, Rsat : Lượng mưa GSMap tại thời điểm t (mm/h), tổng lượng mưa trong lưới xi,j trong k giờ (mm/kh), Khoảng thời gian ở đây k=3h, Chỉ số biến đổi GSMap (tức là chỉ số lỗi giữa các ô lưới), lượng mưa trên mặt đất, Lượng mưa dựa trên vệ tinh

Cell màu xanh lá cây gồm các bề mặt sau: đất trồng trọt, ruộng lúa, rừng ngập mặn, các thảm thực vật khác

lá

cây

7.00 0.50 0.035 0.20 0.00 9999.0 1.00 0.50 0.05 1.4

Mô hình tính mưa từ mây vệ tinh trong IFAS

Mây vệ tinh được sử dụng trong IFAS gồm có mây vệ tinh của Mỹ (NASA) và mây vệ tinh của nhật (JAXA) Trong nghiên cứu này sẽ tập trung làm rõ cách hiệu chỉnh mây vệ tinh của Nhật nhằm đưa ra bộ thông số tối ưu cho lưu vực hồ Phú Ninh Mây vệ tinh của Nhật (GSmap-NRT) có đặc điểm là đánh giá thấp lượng mưa hơn so với lượng mưa thực tế nên cần tiến hành hiệu chỉnh để tăng độ chính xác của

mô hình

Trình tự tính toán mô hình mưa từ mây vệ tinh được sơ đồ hóa như hình 2.8

Hình 2.8: Sơ đồ tính toán mô hình mây vệ tinh Đánh giá kết quả mô phỏng

Các mô hình tính mưa từ mây vệ tinh và mô hình thủy văn đều được tiến hành hiệu chỉnh và kiểm định bộ thông số, bằng cách so sánh giữa kết quả mô phỏng và số liệu đo của trận lũ, thông qua chỉ số Nash:

Qcal: lưu lượng lũ tính toán (m3/s)

Qobs: Lưu lượng thực đo (m3/s)

Qobsaver: Lưu lượng lũ thực đo trung bình (m3/s)

Theo chỉ số Nash thì kết quả từ 0.7 trở lên là chấp nhận được

Áp dụng cho lưu vực nghiên cứu

Lưu vực nghiên cứu được lựa chọn là thượng lưu của Hồ Phú Ninh Vị trí mô phỏng dòng chảy lũ đến tại Hồ Phú Ninh (hình 2.9)

Nhập các dữ liệu đầu vào:

Hình 2.9: Bản đồ vị trí lưu vực nghiên cứu Các trạm đo mưa được sử dụng trong nghiên cứu

Do hạn chế về số lượng các trạm đo mưa trong lưu vực nghiên cứu có 02 trạm đo

là Xuân Bình và C24 tại vị trí thượng lưu của hồ và đập chính của hồ của lưu vực và

04 trạm đo lân cận Trà My, Trà Bồng, Tiên Phước, Tam Kỳ là để tăng thêm mật độ trạm đo mưa trên lưu vực nhằm mục đích tính toán mưa theo phương pháp đa giác Thái Sơn được chính xác hơn Tuy nhiên, diện tích lưu vực nghiên cứu có hình dạng trãi dài theo hướng Đông Nam - Tây Bắc và có phân vùng khí hậu khác nhau, nên lượng mưa giữa các tiểu lưu vực có sự chênh nhau khá lớn

Hình 2.10: Hình hiển thị mưa vệ tinh phân bố trong IFAS trên lưu vực Phú Ninh

vào lúc 19h ngày 06/11/2017

Để khắc phục hạn chế này tác giả đề xuất chọn thêm 4 trạm đo mưa nằm sát lưu

vực đại diện cho các vùng khí hậu của lưu vực nghiên cứu, đó là các trạm:

Tên Trạm

thủy văn Xuan Binh

Phu Ninh C24 Tra My

Tien Phuoc Tam Ky Tra Bong Latitude 15