Nghiên cứu cơ sở khoa học cho các giải pháp tổng thể dự báo phòng tránh lũ lụt ở đồng bằng sông hồng sơ đồ thiết kế tổng thể hệ thống

ĐỀ TÀI NHÀ NƯỚC KC.08-13 I MỞ ĐẦU Để tài khoa học công nghệ KC.08-13 “Nghiên cứu cơ số khoa học cho các giải phúp tổng thể dự báo phòng tránh lũ lụt ở đồng bằng sông Hồng” sử dụng các

ĐỂ TÀI NHÀ NƯỚC KC.08-13

DANH SÁCH CẮN BỘ THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

1 GS.TSKH Nguyén Van Diép Chủ nhiệm đề tài KC.08-13

2 GS.TSKH Ngé Huy Cẩn Phó chủ nhiệm dé tai KC.08-13

8 GS.TS Trịnh Quang Hoà Trường Đại học Thuỷ lợi

4 PGS.TS, Hoàng Văn Lai Viện Cơ học

5 TS Nguyén Van Qué Học viện Phòng không Không quân

6 TS Trần Thu Hà Viện Cơ học

7 TS Nguyễn Văn Hạnh Viện Khoa học Thủy lợi

8 TS Hà Ngọc Hiến Viện Cơ học

9 Th§ Nguyễn Văn Xuân Viện Cơ học

10 CƠN Nguyễn Tuấn Anh Viện Cơ học

11 CN Nguyễn Hồng Phong Viện Cơ học

12 KS Đoàn Xuân Thuỷ Viện Cơ học

18 CN Bùi Việt Nga Viện Cơ học

14 CƠN Nguyễn Thế Hùng Viện Cơ học

15 CN Nguyễn Tiến Cường Viện Cơ học

16 CN Dương Thị Thanh Hương Viện Cơ học

17 CƠN Nguyễn Thành Đôn Viện Cơ học

18 ƠN Nguyễn Chính Kién Viện Cơ học

19 CN Nguyén Quang Trung Viện Cơ học

“012, Or hoe

ĐỀ TÀI NHÀ NƯỚC KC.08-13

I MỞ ĐẦU

Để tài khoa học công nghệ KC.08-13 “Nghiên cứu cơ số khoa học cho các

giải phúp tổng thể dự báo phòng tránh lũ lụt ở đồng bằng sông Hồng” sử

dụng cách tiếp cận hệ thống trong việc nghiên cứu các cơ sở khoa học cho việc phòng tránh và giảm nhẹ thiên tai lũ lụt đồng bằng sông Hồng: đánh giá các biện pháp kiểm soát lũ lụt trong mối tương quan chung của sự phát triển bền vững kinh tế - xã hội đồng bằng sông Hỗng, lưu ý tới lợi ích của các chủ thể khác nhau Bên cạnh việc cung cấp các thông tin cần thiết làm cơ sở khoa học cho việc đánh giá tổng thể các phương án kiểm soát lũ lụt; để tài sẽ để xuất phương pháp

tiếp cận mới, so với các nghiên cứu trong nước, cung cấp các thông tin chỉ tiết làm

cơ sở khoa học cho việc xây dựng các kế hoạch phòng cứu hộ khi xảy ra tình trạng

1ũ lụt khẩn cấp; đặc biêt khi xây ra vỡ đập, vỡ đê, khi sử dụng các khu chậm lũ,

phân lũ, tràn đê, hành lang thoát lũ

Phạm vi không gian rộng lớn của đồng bằng sông Hồng sẽ được nghiên cứu Trên cơ sở số liệu đã có sẽ thu thập, số lượng tối đa các sông, nhánh sông, đoạn sông trong hệ thống sông Hồng - Thái Bình để nghiên cứu Mạng lưới sông Hồng - Thái Bình trong dự án "Xây dựng công nghệ mô phỏng số phục uụ cho uiệc

đề xuất, đánh giá uò điều hành các phương án phòng chống lũ lụt trên đồng bằng

sông Hồng - Thứi Binh" [1] trước mắt sẽ được kéo đài lên thượng nguồn để có thể

khảo sát được vai trò của hệ thống bậc thang đập thuỷ điện Lai châu — Sơn la — Hoà bình, thuỷ điện Tuyên quang đến việc kiểm soát 1ũ lụt Thượng nguồn một số

nhánh sông khác cũng sẽ được đưa vào mô hình khi thu thập được số liệu

Hệ thống sông Hồng - Thái Bình ở hạ du sẽ được kéo dài ra vùng cửa sông -

ven biển để nghiên cứu tương tác lũ - triểu - nước dâng do bão

Trên cơ sở số liệu địa hình thu thập được, hệ thống sông Hồng - Thái Bình sẽ

được liên kết với vùng đồng bằng rộng lớn qua đê và các công trình kiểm soát lũ

lụt khác, nhằm mục đích xây dựng các bản đồ ngập lụt, đánh giá tổng thể phương

án kiểm soát lũ lụt, xây dựng kế hoạch hành động khẩn cấp

Kết nối các công nghệ dự báo và công cụ hỗ trợ ra quyết định vào một hệ

thống thống nhất là một cách tiếp cận mới so với các nghiên cứu trong nước trước đây

Trong khuôn khổ của để tài KC.08-13, mô hình hình thế thời tiết dự báo mua trong lưu vực nghiên cứu, các mô hình thuỷ văn xác định lưu lượng từ mưa

được kết nối với hệ thống nhằm cung cấp lưu lượng đầu vào

Mien Ga hoe

li THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÔNG NGHỆ DỰ BAO VÀ HỆ THỐNG HỖ TRỢ RA QUYẾT ĐỊNH KIỂM SOÁT LŨ LỤT

Hệ thống công nghệ dự báo và công cụ hỗ trợ ra quyết định được thiết kế nhằm xây dựng cơ sở khoa học cho việc dự báo và để xuất các giải pháp kiểm soát

la - lụt; xây dựng kế hoạch phòng cứu hộ khẩn cấp Hệ thống công nghệ và công

cụ được tập hợp và liên kết trong một tổng thể chung bao gém các công nghệ và công cụ dựa trên các mô hình thuỷ văn, các mô hình thuỷ lực, các mô hình kinh

tế, xã hội, cùng với các công nghệ hỗ trợ hiện đại như hiển thị trên máy tính (Computer Vision), kỹ thuật viễn thám, thông tin địa lý

Kết nối các mô hình và kỹ thuật khác nhau trong một hệ thống thống nhất

là một yêu cầu quan trọng

Sau đây là các thành phần cấu thành hệ thống trên

1L1 Nội dung 1: Xây dựng ngân hàng quản lý cơ sở dữ liệu

Do phải tiếp tục bể sung và hoàn thiện cơ sở đữ liệu bao gồm các thông tín

về các điểu kiện tự nhiên, cũng như các yếu tố kinh tế - xã hội phục vụ việc

nghiên cứu cơ sở khoa học cho các giải pháp tổng thể dự báo, phòng tránh lũ lụt ở

Đồng bằng sông Hồng như:

1 Bổ sung các dữ liệu về khí tượng, thuỷ văn, địa hình, đê và các công trình

kiểm soát lũ, lụt khác Đặc biệt, bổ sung các số liệu địa hình vùng Đồng

“Điện ơ học 4

ĐỀ TÀI NHÀ NƯỚC KC.08-13

bằng sông Hồng đã được số hoá là một yêu cầu mới của giai đoạn này

Ngoài ra, do chuẩn bị cho việc xây dựng công trình thuỷ điện Sơn La và

các công trình dự kiến khác, để tài cũng đặt ra nhiệm vụ bổ sung các số

liệu về công trình, kéo dài chuỗi số liệu địa hình lòng sông, lòng hồ và số liệu thuỷ văn lên thượng nguồn hệ thống sông Hồng

2 Để có thể đánh giá và lựa chọn các phương án phòng tránh, giảm nhẹ

thiên tai lũ - lụt, rất cần thiết phải thu thập và xử lý đữ liệu về phát triển kinh tế, xã hội và các yếu tố môi trường Đồng bằng sông Hồng, đặc biệt lưu ý tới tính đa mục tiêu của phương án công trình: chống lũ, sản xuất điện, nông nghiệp, bảo vệ tài sản và tính mạng, phát triển bền vững

môi trường sinh thái

Vì vậy, phải xây dựng và hoàn thiện các phần mềm quản lý ngân hàng dữ liệu phục vụ việc nghiên cứu cơ sở khoa học cho các giải pháp tổng thể kiểm soát

lũ - lụt và xây dựng kế hoạch cứu hộ khẩn cấp Phần mềm quản lí ngân hàng đữ liệu phải thực hiện các chức năng chính sau:

-_ Phần mềm quản lí ngân hàng di liệu được thiết kế để phục vụ cho mục đích quản lý các số liệu khí tượng, thủy văn và các yếu tố thủy lực thuộc

hệ thống sông Hồng - Thái Bình Ngoài ra bộ chương trình này còn cung cấp tài liệu văn bản các pháp lệnh, quy trình vận hành các công trình

phòng chống lũ và hệ thống các công cụ tính toán 1ũ như mô hình 1D, mô hình 2D, mô hình thủy văn

- _ Các chức năng chính của ngân hàng đữ liệu phải bao gồm: lưu trữ thông

tin, cho phép cập nhật (thêm, sửa, xóa) thông tin, tra cứu tìm kiếm thông

tin, tổng hợp và kết xuất các báo cáo Mặt khác chương trình còn có khả năng kết nối trực tiếp với các công cụ tính toán (các mô hình thủy văn, thủy lực ) và hệ thống các kịch bản phòng chống lũ

- Việc nhập dữ liệu phải được đơn giản thuận tiện và giảm thiểu các sai sót Các tệp dữ liệu sẽ được lưu bằng hệ quan trj co sé dit liéu MicroSoft

Access dưới tệp CSDL.MDB Cấu trúc đữ liệu được tổ chức theo mô hình

cơ sở đữ liệu quan hệ, các bảng dữ liệu được liên kết với nhau theo các mã

khóa (khóa chính, khóa ngoại), giúp cho dữ liệu có tính nhất quán cao

- Phần mềm quản lí ngân hàng dữ liệu phải là một hệ thống thông tin quản lý dựa trên cơ sở của công nghệ GIS (Geographic Information System) Các bản đổ được chương trình thể hiện là các bản dé theo dang

Vector của Arc View

ĐỀ TÀI NHÀ NƯỚC KC.08-13

I1I.2 Nội dung 9: Mô hình Thuỷ văn

Xây dựng công nghệ dự báo và công cụ hỗ trợ ra quyết định dựa trên các

phương pháp và mô hình thuỷ văn

Trong nội dung này, các nhiệm vụ sau đây sẽ được giải quyết:

112.1 Xây dựng uò tích hợp uào hệ thống công nghệ dự báo dòng chảy từ

mưa có thể sử dụng các thông tin từ ảnh uiễn tham va rada khi

tượng

Đây là một hướng nghiên cứu hiện đại và rất có triển vọng, đã và đang bắt đầu được xây dựng và đưa vào sử dụng tại một số cơ sở nghiên cứu trên

thế giới

Trong sự hợp tác với Viện Cơ học Chất lỏng Toulouse, Pháp, để tài sẽ

tiến hành thử nghiệm mô hình Marine dự báo dòng chảy từ mưa vào một số lưu vực của châu thổ sông Hồng

Việc dự báo dòng chảy từ mưa là một công việc rất phức tạp, phụ thuộc

vào nhiều yếu tố, đặc biệt là số liệu đầu vào Dữ liệu vào có tốt thì mới có được một kết quả tin cậy Các số liệu đầu vào cần thiết cho mô hình Marine

dự báo dồng chảy từ mưa gồm :

1 Bản đồ địa hình với tỷ lệ càng lớn càng tốt

2 Bản đề phân loại đất

3 Bản đề hiện trạng sử dụng đất

4 Số liệu dự báo mưa (có thể sử dụng trực tiếp ảnh mây vệ tình)

5 Số liệu về các mặt cắt và trắc dọc của cắc mặt cắt hệ thống sông

6 Ngoài ra, để kiểm chứng mô hình, ta cũng cần phải có các số liệu thực

đo của các trận mưa trong quá khứ, sự phân bố của chúng trên lưu vực, các số liệu thực đo của lưu lượng và mực nước một số trạm thủy văn

Trong giai đoạn đầu lưu vực của sông Đà (hình 2), nơi có thể có nhiều số

liệu được nghiên cứu thử nghiệm

ĐỀ TÀI NHÀ NƯỚC KC.08-13

Hình 2 Lưu vực sông Đà HI.2.2 Phương pháp thuỷ uăn

Cùng với việc thử nghiệm các mô hình thuỷ văn của nước ngoài, sẽ xây

dựng, thử nghiệm và kiểm chứng mô hình thuỷ văn đơn giản hơn, nhưng dễ khai

thác và tích hợp vào hệ thống Trong giai đoạn này, mô hình thuỷ văn được xây dựng nhằm kết hợp với mô hình thuỷ lực 1 chiều dự báo lưu lượng và mực nước

tại Hà nội trước 48 giờ

Mô hình truyền lũ mạng sông Hồng được xét như là một công cụ truyền ảnh hưởng những tác động của tự nhiên (điều kiện khí tượng, thời tiết, độ thấm của đất ) và những tác động của con người thông qua việc xây dựng điều hành hồ chứa (như hồ Hoà Bình) Mô hình mô tả quá trình truyền lũ cho lưu vực sông Hồng được cấu tạo từ 3 bộ phận:

ĐỀ TÀI NHÀ NƯỚC KC.08-13

1 Mô hình lưu vực tính dòng chảy từ mưa Lưu vực hệ thống sông trước hết

được phân chia thành các lưu vực tương đối đồng nhất về mặt thuỷ văn Mô hình này sử dụng các số liệu mưa trong 1 ngày qua và số liệu mưa dự báo cũng như các số liệu bốc hơi, thấm đất trung bình trong tháng để tính ra

đòng chảy vào sông từ mưa, đồng thời tính lượng nước thất thoát do bốc hơi

và thấm Các số liệu bốc hơi và thấm trung bình theo tháng được lấy từ số liệu đo đạc năm trước Tích phân Duhamel được sử dụng để tính dòng bổ

sung ngang vào sông từ mưa

2 Mô hình mạng sông tính chuyển động nước trong lòng dẫn Có ba mô hình

mô tả chuyển động nước trên sông:

a)

b)

Đối với các sông ở thượng nguồn sông Đà, sông Thao, sông Lô, sông Cầu, sông Thương và sông Lục nam tại 1 số đoạn sông hiện tại mô

hình mạng sông đang sử dụng phương trình cân bằng nước mô

phỏng đường cong thể tích nước đoạn sông Sóng lũ truyền trên sông

thuộc dạng sóng quá trình trữ và chảy của 1 khu vực đồng nhất dưới

tác dụng của trọng lực và nguyên nhân bẹt sóng lũ chủ yếu do tác

dụng trữ tháo của lòng dẫn

Cũng tại các sông trên ở một số đoạn sông, tích phân Duhamel được

sử dụng trong việc mô tả chuyển động nước trên một đoạn sông có hiện tượng gia nhập điều tiết bai béi và tràn bờ

Từ Hoà Bình đến Hà Nội lũ được mô tả bằng phương trình S.Venant Các yếu tế địa hình như mặt cắt sông, đê dọc theo sông cùng các số

liệu khác như độ nhám lòng sông đều được sử dụng để mô tả dòng chảy trên sông Phương pháp tính được sử dụng là phương pháp Newton

3 Mô hình điều tiết hồ chứa với đầu vào là quá trình đồng chảy vào hồ, sẽ cho kết quả là quá trình xả nước cũng như sự thay đổi mực nước hề

Ba bộ phận mô hình đó được liên kết trong 1 mô hình thống nhất, tuy nhiên

phụ thuộc vào mục tiêu bài toán Ba bộ phận nêu trên có thể được dùng như 3 mô

Xây dựng công nghệ dự báo và công cụ hỗ trợ ra quyết định dựa trên các phương pháp và mô hình thuỷ lực

1 Kế thừa và hoàn thiện hệ thống mô hình thuỷ lực 1 chiều đã được xây dựng trong Dự án "Xây dựng Công nghệ Mô phỏng số phục vụ cho việc để xuất, đánh giá và điểu hành các phương án phòng chống lũ lụt trên đồng bằng sông Hồng - Thái Bình" để mô hình thuỷ lực một chiều có khả năng:

- Mô phỏng và dự báo lũ (ngắn hạn) trên hệ thống sông Hồng - Thái Bình trong trường hợp lũ chưa lớn tối mức phải sử dụng các biện pháp công

trình kiểm soát lũ

-_ Mô phỏng và dự báo tình trạng ngập lụt khi xảy ra lũ lớn với việc sử dụng các biện pháp công trình kiểm soát lũ: điều hành hồ (Hoà Bình,

Thác Bà và các hề dự kiến xây dựng); vận hành công trình phân lũ và các

khu chậm lũ; đường tràn cứu hộ, hoặc khi xảy ra quá trình tran đê và vỡ

đê

- Mô phỏng và dự báo tình trạng ngập lụt khi xảy ra lũ lớn với việc sử dụng các biện pháp công trình kiểm soát lũ hiện có kết hợp với việc vận hành hồ Tuyên quang

ĐỀ TÀI NHÀ NƯỚC KC.08-13

- Tích hợp với các công nghệ khác đánh giá tổng thể các phương án phòng

chống và giảm nhẹ thiên tai lũ - lụt

Mô hình thuỷ lực mô tả và dự báo đồng chảy lũ tự nhiên trong hệ thống kênh sông đã được nghiên cứu và áp dụng nhiều ở Việt Nam Vì vậy, trong

khuôn khổ của đề tài KC.08-13 sẽ tập trung vào việc tiếp tục hoàn thiện và kiểm chứng mô hình đã được xây dựng tại Viện Cơ học (xem sơ đề trên hình 8) với việc mở rộng khả năng tính toán và tăng cường sự thuận tiện cho người

sử dụng

Trong trường hợp nghiên cứu tình trạng ngập lụt khi xẩy ra sự cố vỡ đập,

mô hình một chiểu phải được nối với mô hình giả 2 chiều trên một vùng rộng lớn

(xem hình 9)

2 Xây dựng mô hình thuỷ lực 2 chiều và tích hợp với hệ thống mô hình thuỷ lực

1 chiều nhằm đánh giá chính xác hơn khả năng cắt lũ và chậm lũ của các biện phấp công trình phân và chậm lũ, đánh giá ảnh hưởng của quá trình truyền triểu và nước dâng bão tới tinh trang lũ — lụt (thí dụ xem hình 10)

Một yêu cầu mới của giai đoạn này là các mô hình một chiều đã được kết nối với mô hình 2 chiều sẽ có khả năng cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng kế hoạch phòng cứu hộ khẩn cấp

3 Xây dựng các mô hình thuỷ lực 1 và 2 chiều cho phép mô phỏng và dự báo tình

trạng ngập lụt khi xảy ra sự cố vỡ đập, vỡ đê Điều này càng đặc biệt có ý

nghĩa khi xây dựng các dự án thuỷ điện lớn như dự án Sơn La (xem hình 11) Các mô hình này cho phép đánh giá mức độ an toàn của hệ thống bậc thang các đập khi xảy ra sự cố và đặc biệt là các mô hình này sẽ cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng kế hoạch hành động và phòng cứu hộ khi xảy ra các

sự cố vỡ đập, vỡ đê

Đây là một nội dung mới mà đề tài KC.08-18 đặt ra để giải quyết