Xây dựng mô hình tích hợp viễn thám và gis xác định nguy cơ tai biến lũ quét lưu vực sông năng tỉnh bắc kạn

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AHP Analytic Hierarchy Process – Quá trình phân tích phân cấp AMS American Meteorological Society – Hội Khí tượng Mỹ ANN Artificial Neural Network - Mạng tr

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Lê Như Ngà

XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍCH HỢP VIỄN THÁM VÀ GIS

XÁC ĐỊNH NGUY CƠ TAI BIẾN LŨ QUÉT LƯU VỰC SÔNG NĂNG, TỈNH BẮC KẠN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN

Hà Nội - 2017

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Lê Như Ngà

XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍCH HỢP VIỄN THÁM VÀ GIS

XÁC ĐỊNH NGUY CƠ TAI BIẾN LŨ QUÉT

LƯU VỰC SÔNG NĂNG, TỈNH BẮC KẠN

Chuyên ngành: Bản đồ, Viễn thám và Hệ thông tin địa lý

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi Các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng Các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận án

Lê Như Ngà

LỜI CẢM ƠN

Luận án được hoàn thành tại Khoa Địa lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội Có được luận án này, tác giả xin cảm ơn đến các thầy cô trong

bộ môn, khoa, phòng chức năng đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho nghiên cứu sinh

Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS, TS Nguyễn Ngọc Thạch và PGS, TS Lã Văn Chú (tên khoa học: Lã Thanh Hà), những người thầy đã định hướng khoa học và tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận án

Xin chân thành cảm ơn Dự án “Tăng cường năng lực nghiên cứu, đào tạo về viễn

thám và Hệ thông tin địa lý trong việc nghiên cứu, quản lý tai biến lũ lụt, lũ quét và trượt lở đất, nghiên cứu điển hình tại Vĩnh Phúc và Bắc Kạn” đã chia sẻ số liệu mưa, lũ

quét, sử dụng đất, mưa và rừng; tài trợ chuyến đi thăm, trao đổi kinh nghiệm về quản lý thiên tai lũ quét và trượt lở đất tại Ấn Độ; Cảm ơn Ban Chỉ huy Phòng chống lụt bão và Tìm kiếm cứu nạn tỉnh Bắc Kạn và Đài KTTV Bắc Kạn đã cung cấp thông tin về tình trạng lũ quét và mưa của vùng nghiên cứu

Xin cảm ơn Viện Cơ học đã giúp đỡ và tài trợ một phần kinh phí

Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân luôn động viên, sát cánh bên tôi trong quá trình thực hiện luận án

Nếu không có sự hướng dẫn và giúp đỡ trên, luận án này đã không thể hoàn thành Một lần nữa, xin được cảm ơn vì tất cả!

Tác giả luận án

Lê Như Ngà

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC BẢNG ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ xiv

DANH MỤC CÁC PHỤ LỤC xvi

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của nghiên cứu 1

2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 3

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

4 Luận điểm bảo vệ 4

5 Đóng góp mới của luận án 4

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 5

7 Cơ sở tài liệu thực hiện luận án 5

8 Kết cấu của luận án 6

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 7

1.1 Khái niệm và phân loại lũ quét 7

1.2 Tổng quan mô hình, công cụ và phương pháp nghiên cứu lũ quét 11

1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu lũ quét trên thế giới 22

1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu lũ quét ở Việt Nam 27

1.5 Nghiên cứu lũ quét tại lưu vực sông Năng 36

1.6 Quan điểm, phương pháp và quy trình nghiên cứu của luận án 37

Tiểu kết chương 1 40

Chương 2 MÔ HÌNH XÁC ĐỊNH NGUY CƠ LŨ QUÉT 41

2.1 Cơ sở hình thành lũ quét 41

2.2 Phương pháp SCS xác định mưa hiệu quả 42

2.3 Tính toán Qmax và TQmax 47

2.4 Phân tích GIS 51

2.5 Phân tích viễn thám 56

2.6 Xác định nguy cơ lũ quét 58

2.7 Xây dựng phần mềm phân tích thủy văn GIS lũ quét 65

2.8 So sánh mô hình lũ quét của luận án với các mô hình và phương pháp nghiên cứu lũ quét khác 67

Tiểu kết chương 2 67

Chương 3 ĐẶC ĐIỂM LŨ QUÉT VÀ CÁC NHÂN TỐ HÌNH THÀNH LŨ QUÉT LƯU VỰC SÔNG NĂNG, BẮC KẠN 69

3.1 Vị trí địa lý 69

3.2 Đặc điểm kinh tế - xã hội 70

3.3 Đặc điểm lũ quét 70

3.4 Đặc điểm điều kiện tự nhiên và ảnh hưởng tới lũ quét 75

Tiểu kết chương 3 102

Chương 4 TÍNH TOÁN, XÁC ĐỊNH NGUY CƠ LŨ QUÉT LƯU VỰC SÔNG NĂNG, TỈNH BẮC KẠN 104

4.1 Tính toán Qmax và Tmax 104

4.2 Xác định vùng đồng bằng ngập lụt 116

4.3 Tính toán Qmax và TQmax cho vùng đồng bằng ngập lụt 118

4.4 Tính toán chỉ số nguy cơ lũ quét (FFPI) 119

4.5 Kiểm chứng mô hình 119

4.6 Xác định nguy cơ lũ quét 123

Tiểu kết chương 4 138

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 140

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 142

LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 142

TÀI LIỆU THAM KHẢO 143

PHỤ LỤC 150

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AHP Analytic Hierarchy Process – Quá trình phân tích phân cấp

AMS American Meteorological Society – Hội Khí tượng Mỹ

ANN Artificial Neural Network - Mạng trí tuệ nhân tạo

ArcGIS Phần mềm GIS của ESRI, Mỹ

ArcView GIS

BH Điều kiện bão hòa bề mặt trước đó

CN Curve Numbers – Hệ số thủy văn thực nghiệm CN

CSDL Cơ sở dữ liệu

DEM Digital Elevation Model – Mô hình số độ cao

DGN Dạng format dữ liệu GIS của phần mềm Bentley Microstation của

Mỹ

DN Digital Number – Giá trị lưu trữ tại mỗi điểm ảnh

DSS Decision Support System – Hệ thống hỗ trợ ra quyết định

ERDAS Phần mềm viễn thám của Lica, Thụy Sỹ

ESRI Environmental Systems Research Institute – Viện Nghiên cứu các

Hệ thống Môi trường, Mỹ FFG Flash Flood Guidance – Hướng dẫn, cảnh báo lũ quét

FFPI Flash Flood Potential Index – Chỉ số nguy cơ lũ quét

GDP Gross Domestic Product – Tổng sản phẩm quốc nội

GIS Geographic Information System – Hệ thống thông tin địa lý HBV Phần mềm thủy văn, Viện Khí tượng - Thủy văn Thụy Điển HECHMS,

HECRAS

Phần mềm thủy văn - thủy lực, Bộ Quốc phòng Mỹ

IDW Inverse Distance Weighting – Trọng số nghịch đảo khoảng cách KTTV Khí tượng thủy văn

LANDSAT Ảnh vệ tinh phân giải trung bình và cao của NASA, Mỹ

LiDAR Light Detection and Ranging - Ảnh địa hình bằng công nghệ laser

Phần mềm thủy văn - thủy lực, Viện Thủy lực Đan Mạch

MODIS Ảnh vệ tinh phân phải trung bình của NASA, Mỹ

NASA The National Aeronautics and Space Administration – Cơ quan

Hàng không và Vũ trụ Mỹ NDVI Normalized Difference Vegetation Index – Chỉ số thảm thực vật

NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration – Cơ quan Hải

dương và Khí tượng Mỹ NRCS National Resources Conservation Service – Cơ quan Bảo tồn Tài

nguyên quốc gia Mỹ QuickBird Ảnh vệ tinh phân giải cao của DigitalGlobe, Mỹ

RADAR Radio Detection and Ranging – Ảnh vệ tinh thu theo công nghệ

sóng ra đa SCS Soil Conservation Services – Cơ quan Bảo tồn đất, Mỹ

SOBEK Phần mềm thủy văn - thủy lực, Viện Nghiên cứu Delta Hà Lan SWAT Phần mềm thủy văn, Đại học Texas A&M Mỹ

TOPMODEL Phần mềm thủy văn, Đại học Lancaster, Vương quốc Anh

TRMM Tropical Rainfall Monitoring Mission – Vệ tinh quan trắc mưa nhiệt

đới

US NWS U.S National Weather Service – Cơ quan Khí tượng Quốc gia Mỹ USGS U.S Geological Survey – Cục Khảo sát Địa chất Mỹ

VBA Visual basic application – Ứng dụng viết theo mã lệnh Visual basic

VT Remote sensing – Viễn thám

WorldView Ảnh vệ tinh phân phải cao của DigitalGlobe, Mỹ

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ tổng quát của phương pháp phân tích đa biến 17

Hình 1.2 Sơ đồ của mô hình thủy văn – thủy lực [61] 19

Hình 1.3 Sơ đồ mô hình lũ quét hiện tại của NWS [47] 26

Hình 1.4 Quy trình tổng quát nghiên cứu của luận án 39

Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát cơ sở hình thành lũ quét 41

Hình 2.2 Tính chất thấm, giữ nước khác nhau của cơ lý đất [84] 43

Hình 2.3 NDVI chỉ rõ tính chất khác nhau của lớp phủ rừng khu vực Pắc Nậm, Bắc Kạn (Nguồn: Google Earth và Landsat ETM) 45

Hình 2.4 Sơ đồ đường đẳng thời gian nước di chuyển ra tới cửa lưu vực 48

Hình 2.5 Biểu đồ quá trình lưu lượng theo thời gian cửa lưu vực 48

Hình 2.6 Sơ đồ tính lưu lượng theo phương pháp đường đẳng thời [75] 50

Hình 2.7 Biểu đồ mô tả giá trị Qmax và TQmax 51

Hình 2.8 Sơ đồ xây dựng dữ liệu cho mô hình lũ quét 52

Hình 2.9 Dữ liệu địa hình ở dạng DEM 52

Hình 2.10 Hệ thống sông suối của một lưu vực (Nguồn: internet) 54

Hình 2.11 Các phụ lưu của lưu vực (Nguồn: internet) 54

Hình 2.12 Sơ đồ tổng quan phân tích viễn thám 57

Hình 2.13 Phân bố mặt cắt dọc của lưu vực sông (Nguồn: internet) 59

Hình 2.14 Phân bố mặt cắt ngang của sông/suối hình chữ V (Nguồn: internet) 60

Hình 2.15 Phân bố mặt cắt ngang của sông/suối hình chữ V tại thượng nguồn xã Nhạn Môn, Pắc Nậm, Bắc Kạn (Nguồn: Google Earth) 60

Hình 2.16 Phân bố mặt cắt ngang của sông/suối hình chữ U (Nguồn: internet) 61

Hình 2.17 Phân bố mặt cắt ngang của sông/suối hình chữ U tại xã Xuân La, Pắc Nậm, Bắc Kạn (Nguồn: Google Earth) 61

Hình 2.18 Sơ đồ mô hình chồng ghép các tham số thủy văn xác định nguy cơ lũ quét 62

Hình 2.19 Sơ đồ khối phần mềm phân tích thủy văn GIS lũ quét 66

Hình 2.20 Một phần đoạn lệnh chương trình phân tích thủy văn GIS lũ quét trong môi trường ArcGIS 66

Hình 3.1 Khu vực nghiên cứu (lưu vực sông Năng, tỉnh Bắc Kạn) 69

Hình 3.2 Vết tích trận lũ quét ngày 31/7/2010 tại xã Mỹ Phương, huyện Ba Bể, tỉnh Bắc

Kạn [35] 73

Hình 3.3 Xuất hiện lũ quét theo tháng tại lưu vực sông Năng, năm 2000-2011 [15-26, 35] 74

Hình 3.4 Vị trí xảy ra lũ quét trên lưu vực sông Năng, năm 2000-2011 [15-26, 35] 75

Hình 3.5 Địa hình và mạng lưới thủy văn khu vực nghiên cứu ở dạng 3D 76

Hình 3.6 Phổ độ cao lưu vực sông Năng 77

Hình 3.7 Phổ độ dốc lưu vực sông Năng 77

Hình 3.8 Độ dốc trung bình của phụ lưu, lưu vực sông Năng 78

Hình 3.9 Dân cư và hoạt động nông nghiệp ở một đoạn suối cấp 3, sông Năng thuộc xã Bằng Thành, Pắc Nậm (Nguồn: Google Earth) 83

Hình 3.10 Dân cư và hoạt động nông nghiệp ở một đoạn suối cấp 1, sông Chu Hương thuộc xã Mỹ Hương, Ba Bể (Nguồn: Google Earth) 84

Hình 3.11 Dân cư ở một đoạn sông Năng thuộc xã Bộc Bố, Pắc Nậm (Nguồn: Google Earth) 84

Hình 3.12 Dân cư và hoạt động nông nghiệp ở một đoạn hạ lưu sông Năng thuộc xã Thượng Giáo, Ba Bể (Nguồn: Google Earth) 85

Hình 3.13 Một đoạn sông Năng thuộc xã An Thắng, Pắc Nậm (Nguồn: Google Earth) 85

Hình 3.14 Mặt cắt ngang lòng sông Năng tại trạm thủy văn Đầu Đẳng (Nguồn: Trung tâm Tư liệu Khí tượng Thuỷ văn, Bộ Tài nguyên và Môi trường) 86

Hình 3.15 Lưu lượng trung bình tháng tại trạm thủy văn Đầu Đẳng, năm 1972-1976 (Nguồn: Trung tâm Tư liệu Khí tượng Thuỷ văn, Bộ Tài nguyên và Môi trường) 87

Hình 3.16 Hình dạng phụ lưu xảy ra lũ quét lưu vực sông Năng, năm 2000-2011 [35] 88

Hình 3.17 Tổng lượng bốc hơi năm (2006-2009), trạm Chợ Rã, Bắc Kạn (Nguồn: Trung tâm Tư liệu Khí tượng Thuỷ văn, Bộ Tài nguyên và Môi trường) 90

Hình 3.18 Tổng lượng bốc hơi trung bình ngày (mm) theo tháng (2004-2009), trạm Chợ Rã, Bắc Kạn (Nguồn: Trung tâm Tư liệu Khí tượng Thuỷ văn, Bộ Tài nguyên và Môi trường) 90

Hình 3.19 Lượng mưa thời đoạn cực đại năm, trạm Chợ Rã, Bắc Kạn, năm 1969-2009 (Nguồn: Trung tâm Tư liệu Khí tượng Thuỷ văn, Bộ Tài nguyên và Môi trường)

92

Hình 3.20 Lượng mưa trung bình tháng, trạm Chợ Rã, Bắc Kạn, năm 1961-2010 (Nguồn: Trung tâm Tư liệu Khí tượng Thuỷ văn, Bộ Tài nguyên và Môi trường) 93

Hình 3.21 Lượng mưa năm, trạm Chợ Rã, Bắc Kạn, năm 1919-2010 (Nguồn: Trung tâm Tư liệu Khí tượng Thuỷ văn, Bộ Tài nguyên và Môi trường) 93

Hình 3.22 Cơ cấu đất theo nhóm thủy văn lưu vực sông Năng 96

Hình 3.23 Phân bố đất theo nhóm thủy văn lưu vực sông Năng 96

Hình 3.24 Phân bố sử dụng đất lưu vực sông Năng, năm 2010 (Nguồn: Bộ Tài nguyên và Môi trường) 98

Hình 3.25 Cơ cấu sử dụng đất lưu vực sông Năng, năm 2010 (Nguồn: Bộ Tài nguyên và Môi trường) 99

Hình 3.26 Cơ cấu đất rừng lưu vực sông Năng, năm 2010 (Nguồn: Bộ Tài nguyên và Môi trường) 99

Hình 3.27 Phổ NDVI lưu vực sông Năng năm 2007 101

Hình 3.28 Một đỉnh núi thuộc xã Anh Thắng, Pắc Nậm có mật độ che phủ rừng rất thấp (Nguồn: Google Earth) 101

Hình 4.1 Lớp phủ lưu vực sông Năng thời kỳ 2007-2012 106

Hình 4.2 NDVI lưu vực sông Năng thời kỳ 2007-2012 107

Hình 4.3 Hệ số Manning lưu vực sông Năng thời kỳ 2007-2012 108

Hình 4.4 Hệ số CN (BH-II) lưu vực sông Năng thời kỳ 2007-2012 109

Hình 4.5 Hệ số CN (BH-II) đã kết hợp với NDVI lưu vực sông Năng thời kỳ 2007-2012 110

Hình 4.6 Trận mưa ngày 23/7/1986, (a) thời gian xảy ra đỉnh lũ so với đỉnh mưa và (b) lưu lượng cực đại 112

Hình 4.7 Quá trình lưu lượng mô phỏng tại một khu vực của trận mưa 23/7/1986 (tỷ lệ xích về độ lớn Q là không đồng nhất) 114

Hình 4.8 Trận mưa ứng với tần suất 50%, (a) thời gian xảy ra đỉnh lũ so với đỉnh mưa và (b) lưu lượng cực đại 116

Hình 4.9 Vùng đồng bằng ngập lụt lưu vực sông Năng 117

Hình 4.10 Vùng đồng bằng ngập lụt sông Chu Hương, xã Mỹ Phương, Ba Bể 117

Hình 4.11 Vùng đồng bằng ngập lụt sông Năng, xã An Thắng, Pắc Nậm 117

Hình 4.12 Qmax (a) theo stream network và (b) theo vùng đồng bằng ngập lụt 119

Hình 4.13 So sánh kết quả mô phỏng với lũ quét xảy ra do mưa cục bộ trong hơn 10 năm gần đây [35] 120

Hình 4.14 Bản đồ nguy cơ lũ quét khu vực phía bắc tỉnh Bắc Kạn [31] 121

Hình 4.15 Bản đồ nguy cơ lũ quét khu vực phía bắc tỉnh Bắc Kạn [35] 122

Hình 4.16 Bản đồ cảnh báo nguy cơ lũ quét huyện Pắc Nậm, tỉnh Bắc Kạn [35] 122

Hình 4-17 Bản đồ nguy cơ lũ quét lưu vực sông Năng ứng mưa tần suất mưa trận 100% 124

Hình 4-18 Bản đồ nguy cơ lũ quét lưu vực sông Năng ứng mưa tần suất mưa trận 50% 125

Hình 4-19 Bản đồ nguy cơ lũ quét lưu vực sông Năng ứng mưa tần suất mưa trận 20% 126

Hình 4-20 Bản đồ nguy cơ lũ quét lưu vực sông Năng ứng mưa tần suất mưa trận 10% 127

Hình 4-21 Bản đồ nguy cơ lũ quét lưu vực sông Năng ứng mưa tần suất mưa trận 5% 128

Hình 4-22 Bản đồ nguy cơ lũ quét lưu vực sông Năng ứng mưa tần suất mưa trận 2% 129

Hình 4-23 Bản đồ nguy cơ lũ quét lưu vực sông Năng ứng mưa tần suất mưa trận 1% 130

Hình 4-24 Bản đồ nguy cơ lũ quét lưu vực sông Năng ứng mưa tần suất mưa trận 0,2% 131

Hình 4-25 Bản đồ nguy cơ lũ quét lưu vực sông Năng ứng mưa tần suất mưa trận 0,1% 132

Hình 4-26 Bản đồ nguy cơ lũ quét lưu vực sông Năng 133

Hình 4.27 Biểu đồ nguy cơ lũ quét tổng hợp theo huyện, lưu vực sông Năng 134

Hình 4.28 Biểu đồ nguy cơ lũ quét theo tần suất, lưu vực sông Năng 136

Hình 5.1 Vị trí các điểm mẫu để huấn luyện phần mềm 162

Hình 5.2 Một phần dữ liệu sử dụng đất 162

Hình 5.3 Một phần từ bản đồ rừng 162

Hình 5.4 Kết hợp band (red=b4, green=b3, blue=b2) 163

Hình 5.5 Kết hợp band (red=b4, green=b5, blue=b1) 163

Hình 5.6 Kết hợp band (red=b7, green=b5, blue=b3) 163

Hình 5.7 Kết hợp band (red=b7, green=b4, blue=b2) 163

Hình 5.8 Đất nông nghiệp thể hiện ở màu trắng, rừng ở màu xanh lá cây và đất thổ cư không thể xác định được (tổ hợp Red=b7, Green=b5, Blue=b3) 163

Hình 5.9 Đất nông nghiệp thể hiện ở màu trắng, rừng ở màu xanh lá cây và nước ở màu xanh nước biển và đất thổ cư không thể xác định được (tổ hợp Red=b7, Green=b5, Blue=b3) 164

Hình 5.10 Đất nông nghiệp thể hiện ở màu xanh xám, rừng ở màu xanh lá cây và đất thổ cư không thể xác định được (tổ hợp Red=b7, Green=B5, Blue=b3) 164

Hình 5.11 Đất nông nghiệp thể hiện ở màu đất đỏ ba gian và màu xanh xám, rừng ở màu xanh lá cây và đất thổ cư không thể xác định được (tổ hợp Red=b7, Green=B5, Blue=b3) 164

Hình 5.12 Đất nông nghiệp thể hiện ở màu đất đỏ ba gian và màu lơ tím, rừng ở màu xanh lá cây và đất thổ cư không thể xác định được (tổ hợp Red=b7, Green=b4, Blue=b2) 165

Hình 5.13 Sơ đồ điểm lấy mẫu để kiểm chứng kết quả xây dựng lớp phủ 166

Hình 5.14 Quá trình trận mưa ngày 23/7/1986 (Nguồn: Trung tâm Tư liệu Khí tượng Thuỷ văn, Bộ Tài nguyên và Môi trường) 175

Hình 5.15 Biểu đồ tần suất mưa trận, Chợ Rã, Bắc Kạn 176

Hình 5.16 Sơ đồ hiệu chỉnh chương trình phân tích thủy văn GIS lũ quét 177

Hình 5.17 Quá trình lưu lượng tại trạm Đầu Đẳng đối với trận mưa ngày 17-20/6/1972 (Nguồn: Trung tâm Tư liệu Khí tượng Thuỷ văn, Bộ Tài nguyên và Môi trường) 177

Hình 5.18 Quá trình lưu lượng tại trạm Đầu Đẳng đối với trận mưa ngày 8-15/6/1973 (Nguồn: Trung tâm Tư liệu Khí tượng Thuỷ văn, Bộ Tài nguyên và Môi trường) 178

Hình 5.19 Quá trình lưu lượng tại trạm Đầu Đẳng đối với trận mưa ngày 10/8/1974 (Nguồn: Trung tâm Tư liệu Khí tượng Thuỷ văn, Bộ Tài nguyên và Môi trường) 178Hình 5.20 Quá trình lưu lượng tại trạm Đầu Đẳng đối với trận mưa ngày 5-9/5/1975 (Nguồn: Trung tâm Tư liệu Khí tượng Thuỷ văn, Bộ Tài nguyên và Môi trường) 179

DANH MỤC CÁC BIỂU BẢNG

Bảng 2.1 Phân loại nhóm đất theo tính chất thủy văn [86] 44

Bảng 2.2 Phân loại điều kiện bão hòa theo NRCS [87] 46

Bảng 2.3 Một số giá trị CN (BH-II) theo lớp phủ của NRCS [86] 47

Bảng 2.4 Hệ số Manning theo sử dụng đất và lớp phủ bề mặt [76] 47

Bảng 2.5 Hệ số Manning theo cấu trúc của lòng dẫn [88] 47

Bảng 2.6 Bảng tính điểm Qmax - Qbankfull, Qmax/Qbankfull và TQmax 64

Bảng 2.7 Bảng tổng hợp và phân loại chỉ số nguy cơ lũ quét 64

Bảng 2.8 So sánh đặc điểm của mô hình lũ quét của luận án với các mô hình và phương pháp nghiên cứu lũ quét khác 67

Bảng 3.1 Lũ quét tại lưu vực sông Năng, từ năm 2000 đến 2011 [15-26, 35] 73

Bảng 3.2 Độ dốc trung bình phụ lưu xảy ra lũ quét từ năm 2000 đến 2011 79

Bảng 3.3 Diện tích phụ lưu xảy ra lũ quét từ năm 2000-2011 89

Bảng 3.4 Đặc điểm mưa trận trạm Chợ Rã và lũ quét lưu vực sông Năng (Nguồn: Trung tâm Tư liệu Khí tượng Thuỷ văn, Bộ Tài nguyên và Môi trường, [15-26]) 94

Bảng 3.5 Phân loại đất theo đặc trưng thủy văn của lưu vực sông Năng 95

Bảng 3.6 Diện tích (km2) theo loại đất của phụ lưu đã xảy ra lũ quét lưu vực sông Năng, từ năm 2000 đến 2011 97

Bảng 3.7 Cơ cấu sử dụng đất của phụ lưu đã xảy ra lũ quét lưu vực sông Năng, từ năm 2000 đến 2012 100

Bảng 3.8 Đặc điểm thống kê các nhân tố của phụ lưu đã xảy ra lũ quét từ năm 2000 đến 2012 lưu vực sông Năng 102

Bảng 4.1 Dữ liệu mưa quá khứ và tần suất lưu vực sông Năng (Nguồn: Mưa quá khứ từ Trung tâm Tư liệu Khí tượng Thuỷ văn, Bộ Tài nguyên và Môi trường) 105

Bảng 4.2 Hệ số maning lưu vực sông Năng 107

Bảng 4.3 Bảng giá trị CN (BH-II) lưu vực sông Năng 108

Bảng 4.4 Đặc điểm mưa và lũ quét của 4 trận lũ quét trong quá khứ của khu vực nghiên cứu (tại cửa ra của lưu vực) 111

Bảng 4.5 Đặc điểm sóng lũ của khu vực nghiên cứu theo kịch bản mưa tần suất (tại cửa ra lưu vực) 115

Bảng 4.6 Diện tích vùng đồng bằng ngập lụt lưu vực sông Năng 118

Bảng 4.7 Kết quả mô phỏng của luận án, của các tác giả khác với lũ quét thực tế 120

Bảng 4.8 Diện tích (km2) nguy cơ lũ quét tổng hợp theo huyện, lưu vực sông Năng 134

Bảng 4.9 Diện tích (km2) nguy cơ lũ quét theo kịch bản mưa tần suất và theo huyện, lưu vực sông Năng 135

Bảng 5.1 Ảnh vệ tinh được sử dụng trong luận án 151

Bảng 5.2 Các bản đồ chuyên đề được sử dụng trong luận án 153

Bảng 5.3 Các hệ số chuyển đổi từ DN Landsat 4-5 sang DN Landsat 7 [98] 159

Bảng 5.4 Các hệ số chuyển đổi từ dữ liệu DN sang dữ liệu Radiance [64] 160

Bảng 5.5 Các hệ số chuyển đổi từ dữ liệu Radiance sang dữ liệu Reflectance [57] 160

Bảng 5.6 Kết quả so sánh lớp phủ thời kỳ 1971-1976 và bản đồ tin tức 166

Bảng 5.7 Kết quả so sánh lớp phủ thời kỳ 1971-1976 và bản đồ sử dụng đất 2010 166

Bảng 5.8 So sánh Q giữa tính toán và đo đạc tại trạm Đầu Đẳng 179

DANH SÁCH CÁC PHỤ LỤC

Phụ lục 1 Cơ sở tài liệu của luận án 150

Phụ lục 2 Dẫn xuất vận tốc dòng chảy trên bề mặt và trong kênh 156

Phụ lục 3 Chuyển đổi dữ liệu DN của ảnh Landsat 4-5 TM sang Landsat 7 ETM+ 159 Phụ lục 4 Điểm mẫu và kiểm chứng kết quả giải đoán ảnh Landsat xây dựng lớp

phủ 160

Phụ luc 5 Mã lệnh chương trình thủy văn GIS lũ quét 167

Phụ lục 6 Xây dựng mưa tần suất 175

Phụ lục 7 Hiệu chỉnh mô hình thủy văn GIS 176

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của nghiên cứu

Lũ quét xảy ra ở hầu khắp nơi trên thế giới, tập trung chủ yếu ở các lưu vực sông suối thuộc miền núi vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới, là thiên tai nguy hiểm nhất khi mỗi năm làm cho 5.000 người thiệt mạng (theo Tổ chức Khí tượng Thế giới) [79]

Ở Việt Nam, lũ quét xảy ra tại hầu hết các vùng núi Theo nghiên cứu của Ngân hàng Thế giới [51], nước ta là một trong 7 quốc gia trên Thế giới chịu tác động mạnh nhất của thiên tai lũ quét Từ năm 1953 đến 2008, ít nhất 428 trận lũ quét với các quy mô khác nhau đã được ghi nhận [13, 40] Từ thập niên 90, lũ quét xuất hiện nhiều đột biến và đang tăng lên nhanh chóng do sự giảm mạnh tỷ lệ phủ của rừng và tính chất cực đoan gia tăng của thời tiết do biến đổi khí hậu [5-8, 13, 97] Trong 15 năm (1990-2005) đã ghi nhận gần 300 trận lũ quét làm hơn 965 người chết, trên 628 người bị thương và thiệt hại khoảng 1.915 tỷ đồng Đáng chú ý nhất, năm 1990 lũ quét gây thiệt hại tới 295,7 tỷ đồng [13, 40]

Lưu vực sông Năng có diện tích khoảng 2.258km2, là vùng đồi núi và có địa hình phức tạp; hơn 10 năm gần đây hầu như năm nào cũng xảy ra lũ quét ở mức độ và phạm vi khác nhau, làm 38 người chết/mất tích và thiệt hại hơn 39 tỷ đồng [15-25] Đến nay, các nghiên cứu về nguy cơ lũ quét ở khu vực này còn hạn chế

GIS, với tính năng xây dựng cơ sở dữ liệu, lập bản đồ, phân tích không gian rất mạnh, đơn giản và hiệu quả, đã được ứng dụng để chuẩn bị các tham số đầu vào và hiển thị kết quả cho các mô hình lũ lụt (từ thập niên 1980); mô phỏng nguy cơ lũ quét cho các lưu vực sông vừa và nhỏ (từ thập niên 1990) [94]; và đến nay, được sử dụng rất phổ biến ở nước ta để xác định và xây dựng bản đồ nguy cơ lũ quét

Viễn thám cung cấp nguồn dữ liệu tin cậy, chi tiết và cập nhật cho các mô hình

lũ quét (lượng mưa, lớp phủ thực vật, lớp đất bề mặt, ) [35, 53, 76, 81, 90] Trong trường hợp, dữ liệu lớp phủ bề mặt không đủ chi tiết, dữ liệu chỉ số thảm thực vật (NDVI) từ viễn thám sẽ là nguồn hỗ trợ hiệu quả

Các phương pháp thủy văn - thủy lực cho kết quả định lượng và tin cậy Phương pháp thủy văn cho phép xây dựng được biến trình lưu lượng tại các cửa ra

của lưu vực Phương pháp thủy lực xác định được độ cao và ranh giới ngập lụt Tuy nhiên, lũ quét chỉ xảy ra tại một số vị trí trong lưu vực nên phương pháp thủy văn không đáp ứng được; hoặc thường xảy ra ở những nơi có địa hình đồi núi, dốc và bị chia cắt mạnh thì vấn đề gặp phải với phương pháp thủy lực là quá phức tạp và tốn kém để thực hiện, thiếu số liệu đầu vào chi tiết và tin cậy, các phương trình toán học không còn tương thích

Phương pháp phân tích đa biến (đa nhân tố) được áp dụng phổ biến nhất ở nước ta hiện nay vì đơn giản, hiệu quả cao, áp dụng GIS, mô phỏng được chi tiết bên trong lưu vực Nhưng, phương pháp này là hoàn toàn định tính và làm mờ đi cơ chế thủy văn của lũ vì chỉ mô tả được tương quan tuyến tính và cục bộ giữa lũ quét với các nhân tố mà không làm được với các điểm vùng thượng nguồn Động lượng và động năng rất lớn của lũ quét không phải đến từ lượng mưa cục bộ (tại chỗ) mà chủ yếu từ quá trình gom nước mưa rất nhanh và mạnh từ các vùng thượng nguồn

Phương pháp thống kê được sử dụng ở nước ta để xây dựng ngưỡng mưa cảnh báo lũ quét cho một số lưu vực Về cơ bản, phương pháp này xây dựng quan hệ đơn biến giữa lượng mưa trận và lũ quét quá khứ

Lũ quét xảy ra ở Việt Nam và lưu vực sông Năng chủ yếu là lũ quét sườn dốc Dạng lũ này có quan hệ với các nhân tố vừa đơn biến và đa biến, phát triển theo cơ chế thủy văn, có lưu lượng lớn và xảy ra bất ngờ Tại một vị trí, các đặc trưng của lũ

có thể được định lượng thông qua biểu đồ quá trình lưu lượng Do tính chất quá phức tạp của lũ quét, thiếu dữ liệu tin cậy và mỗi phương pháp còn có những nhược điểm nên mức độ tin cậy trong dự báo và cảnh báo lũ quét vẫn là một thách thức lớn [77]

Do vậy, phát triển hướng và phương pháp nghiên cứu mới về lũ quét là cần thiết và cấp bách Tích hợp viễn thám, GIS và thủy văn để kế thừa những ưu điểm, lấp bớt khoảng trống giữa các phương pháp hiện tại là một giải pháp khả thi và hiệu quả Mô hình tích hợp có được những ưu điểm là: (1) Nhận diện lũ quét một cách định lượng

có cơ sở và rõ ràng hơn thông qua lưu lượng dòng chảy mặt theo cơ chế thủy văn; (2) Định lượng được lưu lượng dòng chảy mặt chi tiết bên trong lưu vực một cách hiệu quả bằng công cụ GIS; (4) Xây dựng và cập nhật được CSDL của lưu vực trên cơ sở

tách chiết từ tư liệu viễn thám; (5) Mô hình có thể áp dụng được với vùng đồi núi nơi

có có địa hình dốc, phức tạp và thiếu nhiều số liệu, tài liệu hỗ trợ

Xuất phát từ sự cấp thiết về lý luận và thực tiễn đó, đề tài “Xây dựng mô hình

tích hợp viễn thám và GIS xác định nguy cơ tai biến lũ quét lưu vực sông Năng, tỉnh Bắc Kạn” được chọn làm đề tài luận án tiến sĩ, chuyên ngành Bản đồ, Viễn thám và

GIS Kết quả của đề tài sẽ góp phần giảm thiểu thiệt hại do lũ quét cho lưu vực sông Năng

Đề tài được lựa chọn và triển khai cũng dựa trên cơ sở sự hỗ trợ của Nhiệm vụ hợp tác Quốc tế về khoa học và công nghệ theo Nghị định thư Việt Nam - Ấn Độ:

“Tăng cường năng lực nghiên cứu, đào tạo về viễn thám và Hệ thông tin địa lý

trong việc nghiên cứu, quản lý tai biến lũ lụt, lũ quét và trượt lở đất, nghiên cứu điển hình tại Vĩnh Phúc và Bắc Kạn”, mã số 42/2009/HĐ-NĐT

2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

2.1 Mục tiêu nghiên cứu

Xây dựng được mô hình định tính bán định lượng xác định được nguy cơ lũ quét cho lưu vực sông vừa và nhỏ, vùng đồi núi, có địa hình dốc và phức tạp, thiếu tài liệu đo đạc Áp dụng mô hình này cho lưu vực sông Năng, tỉnh Bắc Kạn

2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu nói trên, một số nhiệm vụ nghiên cứu sau đây được thực hiện:

- Làm rõ khái niệm, nguyên nhân hình thành và phân loại lũ quét

- Nghiên cứu các công trình khoa học trong và ngoài nước về lũ quét, từ đó đánh giá những hạn chế của các phương pháp, mô hình nghiên cứu đã có; đề xuất hướng nghiên cứu của luận án

- Đánh giá, xác định các công cụ GIS, viễn thám và thủy văn áp dụng cho nghiên cứu lũ quét phù hợp với các lưu vực vừa và nhỏ, vùng đồi núi, có địa hình dốc và phức tạp, thiếu tài liệu đo đạc

- Tích hợp những ưu điểm của viễn thám, GIS và thủy văn đề xây dựng mô hình lũ quét mới

- Phân tích, đánh giá tương quan của các nhân tố với lũ quét trong quá khứ để xác định các nhân tố chính gây ra lũ quét lưu vực sông Năng

- Áp dụng mô hình lũ quét mới để tính toán và xác định nguy cơ lũ quét cho lưu vực sông Năng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Lũ quét và các nhân tố gây ra lũ quét Tập trung vào loại lũ quét điển hình ở nước ta và lưu vực sông Năng đó là lũ quét sườn dốc

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Lưu vực sông Năng có diện tích khoảng 2.258km2, thuộc các tỉnh Bắc Kạn, Cao Bằng và Tuyên Quang Hơn 65% diện tích của lưu vực thuộc tỉnh Bắc Kạn Do vậy, vùng nghiên cứu được gọi thống nhất trong luận án là lưu vực sông Năng, tỉnh Bắc Kạn (chi tiết ở Hình 3.1, trang 69)

4 Luận điểm bảo vệ

Luận điểm 1: Mô hình tích hợp viễn thám, GIS và thủy văn xác định nguy cơ

lũ quét là có cơ sở khoa học và phù hợp với các lưu vực vừa và nhỏ, đồi núi, có địa hình dốc, cấu trúc phức tạp và thiếu nhiều số liệu đo đạc khí tượng - thủy văn ở Việt Nam

Luận điểm 2: Lũ quét lưu vực sông Năng, tỉnh Bắc Kạn mang tính đặc thù, có

quan hệ tới nhiều thông số của mặt đệm, trong đó nổi trội là yếu tố địa hình, hình thái và lớp phủ bề mặt

5 Đóng góp mới của luận án

- Xây dựng mô hình định tính bán định lượng xác định nguy cơ lũ quét, phù hợp với lưu vực vừa và nhỏ, vùng đồi núi, có địa hình dốc và phức tạp trên cơ sở tích hợp viễn thám, GIS và thủy văn

- Xác định được các đặc tính lũ quét, nguyên nhân chính gây ra lũ quét và xây dựng được tập bản đồ nguy cơ lũ quét theo tần suất mưa và bản đồ nguy cơ lũ quét tổng hợp cho lưu vực sông Năng, tỷ lệ 1:50.000

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

6.1 Ý nghĩa khoa học

- Nghiên cứu này chứng minh được việc tích hợp viễn thám, GIS và thủy văn

để xác định nguy cơ lũ quét cho lưu vực vừa và nhỏ vùng đồi núi, có địa hình phức tạp, thiếu tài liệu đo đạc KTTV là có cơ sở khoa học, phù hợp, khả thi và cải thiện được chất lượng kết quả

- Củng cố thêm vai trò quan trọng của viễn thám trong xây dựng dữ liệu lớp phủ của mặt đệm trong bài toán lũ quét

- Khẳng định được vai trò quan trọng và tính hiệu quả cao của GIS trong mô hình hóa bài toán thủy văn và lũ quét

6.2 Ý nghĩa thực tiễn

- Cơ sở khoa học về lũ quét, mô hình lũ quét, kết quả mô phỏng lũ quét của luận án là tài liệu tin cậy để tham khảo và có thể được áp dụng cho vùng nghiên cứu khác;

- Kết quả mô phỏng nguy cơ lũ quét là tài liệu tin cậy và có giá trị giúp cho quy hoạch, phân vùng kinh tế - xã hội, quản lý và giảm nhẹ thiên tai lưu vực sông Năng

7 Cơ sở tài liệu thực hiện luận án

Luận án được thực hiện dựa trên các nguồn tài liệu khác nhau, đầy đủ, tin cậy và có nguồn gốc rõ ràng, gồm:

Cơ sở lý luận về lũ quét, thủy văn, GIS, viễn thám từ các công trình khoa học, nhà xuất bản trong và ngoài nước

Dữ liệu được thu thập từ: Trung tâm Tư liệu Khí tượng Thủy văn, Bộ Tài nguyên và Môi trường; Đài KTTV Bắc Kạn; Ban Chỉ huy Phòng chống lụt bão và Tìm kiếm cứu nạn Bắc Kạn [15-26]; Đề án Hợp tác quốc tế về khoa học và công nghệ

theo nghị định thư, Tăng cường năng lực nghiên cứu, đào tạo về viễn thám và Hệ thống thông tin địa lý trong việc nghiên cứu, quản lý tai biến lũ lụt, lũ quét và trượt

lở đất, nghiên cứu điển hình tại Vĩnh Phúc và Bắc Kạn [35]; Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn; Cục Khảo sát Địa chất Mỹ; Thực địa năm 2013; và một số nguồn khác

Chi tiết cơ sở tài liệu tại phụ lục 1, trang 150 của luận án

8 Kết cấu của luận án

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, danh mục tài liệu tham khảo, phụ lục, luận án được kết cấu thành 4 chương mục

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Khái niệm và phân loại lũ quét

Hiện nay có nhiều quan niệm khác nhau về khái niệm và phân loại lũ quét bởi

vì lũ quét là một quá trình tự nhiên phức tạp về nguyên nhân, thành phần, sự xuất hiện và còn do bởi cách tiếp cận khác nhau của các nghiên cứu

1.1.1 Khái niệm lũ quét

Dưới đây là những khái niệm được trích dẫn khá phổ biến trong và ngoài nước:

 Ngoài nước:

- Tổ chức Khí tượng Thế giới [79]: Lũ quét là loại lũ thường xảy ra trong thời

gian ngắn (bất thần xuất hiện và biến mất ở thượng nguồn), đỉnh lưu lượng tương đối lớn và nhọn

- Cơ quan Dịch vụ Khí tượng Mỹ (AMS) [84]: Lũ quét là loại lũ lên và xuống

rất nhanh mà có ít hoặc hầu như không có cảnh báo trước do mưa lớn xảy ra trên khu vực tương đối nhỏ

- Cơ quan Dịch vụ Thời tiết Quốc gia Mỹ (US NWS) [84]: Một dòng chảy

nhanh và cực mạnh do khối nước cao tới khu vực thường xuyên khô hoặc sự dâng mực nước rất nhanh trong suối, kênh, sông vượt quá mức lũ định trước và thường xảy ra trong vòng 6 giờ của sự cố (mưa lớn, vỡ đập, tan băng) Tuy nhiên, ngưỡng thời gian thực có thể khác nhau theo từng vùng, thủy vực Các trận lũ đang diễn ra làm tăng mạnh khả năng lũ quét khi gặp mưa lớn làm dâng đột ngột mức lũ

 Trong nước:

- Cao Đăng Dư và Lê Bắc Huỳnh [6]: Lũ quét thường là những trận lũ lớn,

xảy ra bất ngờ, tồn tại trong một thời gian ngắn (lên nhanh, xuống nhanh), dòng chảy xiết có hàm lượng chất rắn cao và có sức tàn phá lớn

- Lã Thanh Hà và Ngô Trọng Thuận [13]: Lũ quét là lũ hình thành do mưa

kết hợp với các tổ hợp bất lợi về điều kiện mặt đệm (địa hình, địa mạo, lớp phủ ) sinh ra dòng chảy bùn đá trên các sườn dốc (lưu vực, sông suối), dòng chảy lũ truyền

rất nhanh gây ra những tàn phá bất ngờ và nghiêm trọng ở khu vực sườn núi và dọc sông mà nó tràn qua

Nhận xét: Các khái niệm đưa ra ở trên đều chỉ rõ đặc điểm rất riêng của lũ

quét là lên nhanh, xuống nhanh, xảy ra bất ngờ, lưu lượng lớn, hàm lượng chất rắn lơ lửng cao, thường xảy ra ở khu vực đồi núi và do mưa lớn Đáng chú ý nhất là khái niệm đưa ra bởi Lã Thanh Hà và Ngô Trọng Thuận [13] dựa trên kết quả nghiên cứu các trận lũ quét xảy ra ở Việt Nam trong thời gian dài (từ năm 1953 đến 2008) nhấn mạnh nguyên nhân chính là mưa lớn và tổ hợp các yếu tố thuận lợi của điều kiện bề mặt

Dựa trên nhiều kết quả nghiên cứu lũ quét trong nước, dựa trên đối tượng và

phạm vi nghiên cứu, trong luận án, khái niệm lũ quét được xác định: “Lũ quét là

những trận lũ lớn, xảy ra bất ngờ, tồn tại trong một thời gian ngắn, có dòng chảy xiết, có hàm lượng chất rắn cao và có sức tàn phá lớn hơn nhiều mức lũ bình thường

và thường xảy ra ở thượng nguồn khe, suối, sông và trên những lưu vực tương đối nhỏ nơi có tổ hợp các yếu tố thuận lợi của điều kiện bề mặt và địa hình”

1.1.2 Phân loại lũ quét

Các nghiên cứu trong và ngoài nước đều dựa vào đặc điểm, quy mô phát triển, các vật chất mang theo trong dòng chảy và nguyên nhân gây lũ mà phân lũ quét ra thành các loại chính sau:

Cao Đăng Dư và Lê Bắc Huỳnh [6] dựa vào nguyên nhân chia lũ quét thành 3 loại: (1) lũ gây ra do mưa cục bộ, tập trung lớn ở các lưu vực tự nhiên; (2) lũ gây ra

do mưa lớn trên các lưu vực đã có tác động mạnh của con người; (3) lũ gây ra do tháo, vỡ thình lình đập chắn

Lã Thanh Hà và Ngô Trọng Nhuận [10, 13] dựa vào độ lớn, nguyên nhân và phạm vi hoạt động chia lũ quét thành 2 loại: (1) lũ quét sườn dốc: lũ hình thành do mưa gây ra dòng chảy mặt lớn trên sườn dốc Lũ này thường có tính cục bộ, phạm vi hẹp và xuất hiện ở đầu các khe, suối và thường tắt khi đi đến hồ chứa lớn hay sông chính; (2) lũ quét dòng: do mưa lớn trên diện rộng toàn lưu vực gây ra lũ có dòng chảy lớn trên các suối, sông chính quét đi làng mạc, công trình dọc hai bên bờ

Ngô Đình Tuấn [45] dựa vào vật chất mang theo mà chia lũ quét thành 3 loại: (1) lũ quét (sweeping flood, flash flood): lũ quét xảy ra với tốc độ lớn và đường đi ngắn, quét đi mọi chướng ngại vật trên đường đi của nó; (2) lũ bùn (mudflow): lũ mang nhiều bùn, đá; (3) lũ đá (debris flood): lũ mang nhiều rác, cành cây, cuội sỏi, đá, đá tảng

Trần Văn Tư [44] dựa trên quy luật hình thành, phát triển và vật chất mang theo chia lũ quét thành 4 loại: (1) lũ quét nghẽn dòng: lũ có công suất và dòng chảy lớn, mang nhiều vật chất khác nhau, hình thành trên thung lũng sông mở rộng hoặc trũng giữa các núi, hoặc cánh đồng karst làm dòng nước bị tắc nghẽn, ứ đọng; (2) lũ quét sườn: có vận tốc dòng chảy lớn, lên xuống nhanh, xảy ra chủ yếu trên sườn dốc nơi có tập trung nước mặt lớn thuộc suối cấp 1 và 2; (3) lũ quét hỗn hợp: có vận tốc dòng chảy lớn, mang theo nhiều vật chất khác nhau xảy ra trong trũng có kích thước nhỏ, cửa sông suối dạng trũng nhỏ và hở, các đoạn sông mở rộng có đặc trưng trung gian của lũ quét nghẽn dòng và lũ quét sườn; (4) lũ bùn đá: là loại lũ quét sườn đặc biệt chứa nhiều bùn, đá, cành cây, có động năng lớn, phát sinh từ thượng nguồn các suối nhỏ (cấp 1, 2) do đất đá trượt lở kết hợp đưa vào dòng lũ ở các hợp lưu với suối, sông lớn hơn

Nguyễn Ngọc Thạch và nnk [35] dựa trên phạm vi hoạt động, vật chất mang theo và nguyên nhân phân lũ quét thành 4 loại: (1) lũ quét sườn dốc: lũ xảy ra trên sườn dốc với tốc độ lớn và ngắn, quét đi mọi chướng ngại trên đường nó đi qua; (2)

lũ bùn đá: lũ có mang nhiều bùn, đá trong dòng lũ; (3) lũ nghẽn dòng: lũ mang nhiều rác, cành cây, đất đá, cuội sỏi xảy ra do dòng lũ bị chặn, nghẽn tạo thành hồ chứa tự nhiên và vỡ đột ngột; (4) sự cố hồ chứa nước nhân tạo: do vỡ đập các hồ chứa nhân tạo

Phạm Thị Hương Lan và Vũ Minh Cát [31] dựa vào nguyên nhân phân lũ quét thành 5 loại: (1) lũ quét sườn dốc: do yếu tố mặt đệm, độ dốc gây dòng chảy mặt lớn và tập trung nước nhanh về suối, sông gây lũ quét ở phía hạ lưu; (2) lũ quét nghẽn dòng: do đất đá trượt lở hai bên bờ sông làm tắc nghẽn dòng, gây đập nước nhân tạo và khi bị vỡ sẽ tạo lũ quét; (3) lũ ống: mưa lớn kết hợp với xả lớn từ hồ chứa tạo nên

dòng lũ lớn bất thường; (4) lũ quét: do mưa lớn kết hợp với vỡ đập gây ra lũ quét trên diện rộng; (5) lũ bùn đá: dòng lũ cát, bùn

Dựa trên các nghiên cứu lũ quét ở Việt Nam, NCS chia lũ quét thành 4 loại:

(1) lũ quét nghẽn dòng, (2) lũ quét sườn dốc (3) lũ quét hỗn hợp, (4) lũ bùn đá Vì lũ

quét nghẽn dòng, bùn đá và hỗn hợp rất khó định lượng, mô phỏng và dự báo, NCS chỉ tập trung nghiên cứu và đưa ra mô hình nguy cơ lũ quét đối với loại phổ biến nhất ở nước ta và có thể định lượng được là lũ quét sườn dốc

Lũ quét nghẽn dòng có thể là do vỡ đập tự nhiên hoặc đập nhân tạo Nghẽn

dòng tự nhiên sinh ra do lòng dẫn sông suối tại một số nơi, một cách tự nhiên, hoặc

bị thắt đột ngột hoặc bị cong đột ngột hoặc cả hai tạo ra các nghẽn dòng do dồn ứ, tích lũy vật liệu như là đất đá, cành cây, cây cối… Các nghẽn này như là những đập chắn tự nhiên ngăn giữ dòng nước Nghẽn dòng nhân tạo sinh ra do các đập xây dựng, công trình khác như cầu cống làm cản trở hoặc mất khả năng tải tự nhiên của sông, suối Nước bị đập ngăn lại và dâng lên Đập sẽ bị vỡ khi thế năng của cột nước vượt quá sức chịu của đập chắn và kết quả là lũ quét xuất hiện ở phía bên dưới đập

Lũ quét sườn dốc được sinh ra do quá trình hình thành nhanh và hội tụ mạnh

dòng chảy mặt khi di chuyển xuống phía dưới do mưa lớn trên bề mặt sườn dốc kết hợp với các điều kiện bất lợi về lớp phủ bề mặt, địa hình và địa mạo Lũ này có thể được hình thành khi (1) cường độ mưa rất lớn, vượt quá khả năng thấm và tổn thất tự nhiên của bề mặt và/hoặc (2) mưa có cường độ không quá lớn nhưng trước đó đã có mưa kéo dài nhiều ngày làm cho bề mặt đạt đến mức bão hòa Cả hai trường hợp này, lưu vực đều có mưa hiệu quả rất lớn và dòng chảy mặt mạnh tức thì Lũ quét sườn dốc có nhiều tính cục bộ, xảy ra trong các lưu vực nhỏ và thường xuất hiện ở (1) đầu nguồn các suối, khe và vùng thấp liền kề (như thung lũng) do mưa cục bộ và/hoặc đầu các sông chính và vùng thấp liền kề (như bãi sông, làng bản) chủ yếu do mưa đồng thời trên toàn bộ lưu vực Trong luận án, lũ quét dòng theo phân loại của Lã Thanh Hà và Ngô Trọng Nhuận [10, 13] được xem là một trường hợp của lũ quét sườn dốc xảy ra ở vùng thấp hơn (trên các suối, sông chính), với cường độ lớn hơn

(có thể quét đi làng mạc, công trình dọc hai bên bờ), do mưa lớn trên diện rộng toàn lưu vực

Lũ bùn đá thường do sạt lở đất đá với khối lượng rất lớn (sạt lở núi) đầu nguồn

hoặc ven sông suối trong thời gian lũ lụt Sạt lở xảy ra khi kết cấu đất đá bị phá vỡ

do nhiều nguyên nhân trong đó có tác động của mưa lớn hoặc mưa kéo dài và có khi

xảy ra sau đỉnh mưa rất lâu hoặc chỉ với một lượng mưa vừa phải Đất đá sạt lở bị hóa lỏng, hòa cùng với dòng nước, theo trọng lực quét xuống phía dưới

Lũ hỗn hợp là tập hợp của 2 hoặc cả 3 loại lũ quét trên

Theo các nghiên cứu trong nước, lũ quét sườn dốc là phổ biến nhất ở vùng núi nước ta, tiếp theo là lũ quét nghẽn dòng Lũ quét hỗn hợp và lũ bùn đá tuy không phổ biến nhưng thường là những trận lũ rất lớn, bất ngờ và gây nhiều thiệt hại

1.2 Tổng quan mô hình, công cụ và phương pháp nghiên cứu lũ quét

Hiện nay, có nhiều phương pháp, mô hình và công cụ được áp dụng để nghiên cứu, tính toán, dự báo và phân vùng nguy cơ lũ quét Dưới đây là những mô hình, công cụ và phương pháp phổ biến nhất:

1.2.1 Mô hình, phần mềm nghiên cứu lũ quét

Hệ phương trình toán Navier-Stocks có khả năng mô hình hóa bài toán thủy văn, lũ lụt đầy đủ nhất Cho đến nay, phương trình vi phân phức tạp này vẫn chưa có đáp số theo phương pháp giải tích nên nó được giải bằng nhiều phương pháp số khác nhau hoặc bị lược hóa một số thành phần tùy theo từng trường hợp

+ Phân loại mô hình:

Mô hình lũ quét có thể được phân loại dựa vào mức độ và cách thức lược hóa như sau:

Lược hóa theo không gian:

- Mô hình tập trung (slumped model): trung bình hóa kết quả đầu vào và đầu

ra theo lưu vực; đơn giản, chi phí thấp, tiêu tốn ít thời gian để thực hiện; nhưng, kết quả có độ tin cậy không cao, không chi tiết bên trong lưu vực; thường chỉ áp dụng cho những lưu vực đồi núi, có địa hình phức tạp, thiếu số liệu, không thể áp dụng được các mô hình khác;

- Mô hình phân bố (distributed model): trung bình hóa kết quả đầu vào và đầu

ra theo ô lưới; cho kết quả có độ tin cậy cao, chi tiết được bên trong lưu vực/phụ lưu; tuy nhiên, phức tạp, chi phí cao, tiêu tốn nhiều thời gian thực hiện, đòi hỏi số liệu rất chi tiết;

- Mô hình bán tập trung (semi-distributed model): trung bình hóa kết quả đầu vào và đầu ra theo phụ lưu; trung hòa giữa mô hình tập trung và phân bố (không quá phức tạp, cho kết quả tin cậy cao hơn mô hình tập trung; tuy nhiên, độ tin cậy thấp hơn mô hình phân bố, không chi tiết được bên trong phụ lưu)

Lược hóa theo phương trình, cơ chế thủy văn:

- Mô hình thực nghiệm (empirical/metric model): không quan tâm tới cơ chế thủy văn của lưu vực mà chỉ dựa vào dữ liệu đầu vào và ra (mô hình mạng thần kinh nhân tạo (ANN) hay thống kê là tiêu biểu của loại này); không quá phức tạp; nhưng,

độ tin cậy phụ thuộc dữ liệu đầu vào đủ dài theo thời gian, chỉ đúng cho từng lưu vực, thuộc mô hình tập trung; chỉ được áp dụng cho những lưu vực đồi núi, có địa hình phức tạp, thiếu số liệu, không thể áp dụng được các mô hình khác;

- Mô hình tham số (parametric model): mô tả cơ chế thủy văn của lưu vực dựa trên các phương trình bán thực nghiệm, đã được đơn giản hóa; đơn giản và cho kết quả tin cậy, áp dụng được với lưu vực đồi núi, có địa hình phức tạp, thiếu số liệu; nhưng, yêu cầu nhiều dữ liệu khí tượng - thủy văn, có thể là mô hình bán tập trung hoặc tập trung;

- Mô hình vật lý (physically based model): mô tả cơ chế thủy văn của lưu vực dựa trên các phương trình toán đầy đủ như là Saint Venant; cho kết quả chi tiết, đầy đủ và tin cậy; nhưng, rất phức tạp, tốn kém chi phí và thời gian để thực hiện, yêu cầu chuyên môn rất cao, yêu cầu dữ liệu chi tiết, yêu cầu dữ liệu trạng thái ban đầu, thuộc

mô hình phân bố, khó áp dụng cho lưu vực đồi núi, có địa hình phức tạp, thiếu số liệu

Nhận xét: Các mô hình đơn giản (thực nghiệm, tham số, tập trung, bán tập

trung) thường được dùng trong cảnh báo sớm lũ quét (và có thể trong dự báo ngắn hạn); áp dụng được với cả lưu vực đồi núi, có địa hình phức tạp, thiếu số liệu Mô

hình phức tạp (tập trung, vật lý) thường áp dụng cho các dự báo đòi hỏi kết quả chi tiết và tin cậy cao; nhưng, chủ yếu cho vùng trung và hạ lưu, không khả thi đối với lưu vực đồi núi, có địa hình phức tạp, thiếu số liệu

Luận án xây dựng mô hình: (1) phân bố để có thể nghiên cứu được chi tiết bên trong lưu vực/phụ lưu; (2) tham số để mô tả được quá trình thủy văn của lũ quét và

có thể áp dụng được cho lưu vực đồi núi, có địa hình phức tạp, thiếu số liệu

+ Các phần mềm (mô hình) thủy văn - thủy lực có thể nghiên cứu lũ quét:

Hiện nay, có rất nhiều phần mềm thủy văn - thủy lực từ thương mại và rất đắt

tiền đến mã nguồn mở có thể phục vụ nghiên cứu lũ quét Dưới đây là một số phần mềm phổ biến nhất:

- TOPMODEL: mô hình thủy văn, phân bố, tham số, thuộc Đại học Lancaster, Vương quốc Anh; có thể áp dụng để tính toán, xây dựng các đường biến trình lưu lượng tại các phụ lưu phục vụ bài toán lũ quét và áp dụng được với các lưu vực vùng núi, có địa hình phức tạp và thiếu số liệu

- HBV: mô hình thủy văn, phân bố, tham số, thuộc Viện Khí tượng - Thủy văn Thụy Điển; Khả năng và giới hạn của ứng dụng tương tự như TOPMODEL

- SWAT: mô hình thủy văn, phân bố, vật lý, thuộc Đại học Texas A&M Mỹ;

mô phỏng, dự báo dòng chảy, trầm tích bề mặt, áp dụng được với lưu vực rộng lớn; nhưng, thiếu chi tiết, dự báo chu kỳ dài, phù hợp với bài toán tài nguyên nước hơn là

lũ quét; có thể áp dụng để tính toán, xây dựng các đường biến trình lưu lượng tại các phụ lưu phục vụ bài toán lũ quét

- MIKE: mô hình thủy văn (MIKESHE, MIKEBASIN) - thủy lực (MIKE 2D, 3D) phân bố, vật lý, thuộc Viện Thủy lực Đan Mạch; mô phỏng, dự báo dòng chảy, trầm tích bề mặt, rất chi tiết bên trong lưu vực, áp dụng được với lưu vực rộng lớn;

có thể áp dụng để: (1) tính toán, xây dựng các đường biến trình lưu lượng tại các phụ lưu phục vụ bài toán lũ quét đối với các lưu vực vùng vúi, có địa hình phức tạp và thiếu số liệu; (2) mô phỏng được chi tiết lũ (vận tốc, độ sâu, ranh giới ngập lụt) nhưng cũng chỉ cho vùng trung và hạ lưu; đòi hỏi dữ liệu địa hình và mặt cắt sông rất chi tiết

- MARINE: mô hình thủy văn (MAGE1D) - thủy lực (TELEMAC) phân bố, vật lý, cho phép mô phỏng và dự báo lũ quét thời gian thực, thuộc Viện Cơ học Chất lỏng Pháp (Hình 1.2); Khả năng và giới hạn ứng dụng của nó tương tự như MIKE

- SOBEK: mô hình thủy văn - thủy lực phân bố, vật lý, thuộc Viện Nghiên cứu Delta Hà Lan; Khả năng và giới hạn ứng dụng của nó tương tự như MIKE

- HEC: mô hình thủy văn (HECHMS) - thủy lực (HECRAS) phân bố, vật lý, mã nguồn mở, thuộc Quân đội Mỹ; Khả năng và giới hạn ứng dụng của nó tương tự như MIKE

Nhận xét: Với các phần mềm phổ biến hiện nay nêu trên, (1) nếu chỉ áp dụng

mô hình thủy văn thì có thể mô phỏng được nguy cơ lũ quét nhưng thiếu chi tiết bên trong lưu vực/phụ lưu; (2) nếu áp dụng kết hợp với mô hình thủy lực có thể mô phỏng trường vận tốc, độ sâu, ranh giới lũ quét chi tiết bên trong lưu vực, thậm chí có thể

mô phỏng được lũ quét bùn đá nhưng khó khả thi cho các lưu vực vùng vúi, có địa

hình phức tạp và thiếu số liệu chi tiết

1.2.2 Hệ thống thông tin địa lý (GIS) và viễn thám

+ Hệ thống thông tin địa lý (GIS):

GIS cung cấp các công cụ rất mạnh và hiệu quả: (1) phân tích và chồng xếp không gian như là: bản đồ số học, nội suy, thống kê địa lý, phân tích thủy văn; (2) số hóa bản đồ, chỉnh sửa, đồng bộ hóa dữ liệu địa lý và hiển thị thông tin địa lý Các ứng dụng GIS phổ biến trong bài toán lũ quét, bao gồm:

+ Tích hợp GIS - thủy văn để xây dựng các mô hình thủy văn tham số, mô

phỏng nguy cơ lũ quét cho các lưu vực sông vừa và nhỏ từ thập niên 1990 FFG (flash flood guidance - ngưỡng mưa thời đoạn cảnh báo lũ quét) và Đường đẳng thời (travel

time) là 2 phương pháp tiêu biểu của tích hợp này (trình bày trong mục 1.2.4, trang 18)

+ Xây dựng và chồng xếp các lớp dữ liệu GIS nhân tố lũ quét trong Phương

pháp phân tích đa biến để xây dựng bản đồ nguy cơ lũ quét Phương pháp này được

áp dụng phổ biến nhất ở nước ta từ thập niên 2000, cơ sở của nó sẽ được trình bày trong mục 1.2.2, trang 14

+ Chuẩn bị các tham số đầu vào (DEM, độ dốc, hệ thống sông suối, lớp phủ, đất) và hiển thị kết quả (bản đồ ngập lụt) cho phương pháp thủy văn - thủy lực từ thập niên 1980 Hiện nay, nhiều phần mềm thủy văn - thủy lực nổi tiếng như MIKE, TOPMODEL, SWAT, HEC kết nối trực tiếp với các phần mềm GIS và sử dụng trực tiếp khuôn dạng dữ liệu GIS

+ Cung cấp các bản đồ cảnh báo sớm nguy cơ lũ quét trực tuyến ở nhiều nước nhờ chức năng công nghệ bản đồ internet rất mạnh

+ Ngoài ra, dựa vào dữ liệu vết lũ và địa hình có thể phân tích và chiết xuất được dữ liệu độ sâu ngập lụt và hướng dòng chảy lũ Tuy nhiên, ở những vùng đồi núi thiếu dữ liệu địa hình chi tiết, mặt nước lũ tương đối dốc thì không cho kết quả

có độ tin cậy cao

Nhận xét: GIS ngày càng khẳng định được vai trò không thể thiếu, được ứng

dụng sâu và rộng hơn trong các nghiên cứu lũ quét

Trong luận án, GIS được áp dụng để tích hợp với thủy văn xây dựng mô hình

lũ quét; xây dựng dữ liệu đầu vào cho mô hình lũ quét (chi tiết được trình bày chi tiết

trong chương 2); và biên tập bản đồ nguy cơ lũ quét (trang 123)

+ Viễn thám:

Cung cấp nguồn dữ liệu tin cậy, chi tiết, cập nhật, đồng bộ cho các mô hình

lũ quét (lượng mưa, lớp phủ thực vật, lớp đất bề mặt, ranh giới lũ lụt, địa hình, ) [35,

53, 76, 81, 90] với độ phân giải không gian có thể chi tiết tới 0,31x0,31m (ảnh WorldView hoặc ảnh hàng không); hay phủ chùm toàn bộ lưu vực có chiều rộng tới 2.370km (ảnh MODIS) Những khu vực đồi núi, địa hình hiểm trở, con người khó tiếp cận trực tiếp thì có thể nói nguồn dữ liệu từ viễn thám là duy nhất Hiện tại, có rất nhiều ảnh viễn thám đang được cung cấp miễn phí phù hợp cho nghiên cứu lũ lụt trên internet như là Landsat, MODIS

Dữ liệu lớp phủ thực vật, lớp đất bề mặt thường được giải đoán từ các loại ảnh quang học như là Quickbird, Ikonos, SPOT, Landsat, MODIS; Dữ liệu mưa, ranh giới ngập lụt có thể chiết xuất chính xác từ ảnh RADAR ở mọi điều kiện thời tiết; Dữ liệu địa hình từ ảnh quang phổ lập thể (hàng không, Quickbird), Lidar, RADAR

Dữ liệu viễn thám ở các thời kỳ khác nhau cho phép nghiên cứu và đưa ra được sự biến động của bề mặt (lớp phủ, đường bờ, bãi sông/suối) với độ tin cậy cao Trong trường hợp dữ liệu lớp phủ bề mặt không đủ chi tiết, dữ liệu NDVI từ viễn thám sẽ là nguồn hỗ trợ hiệu quả

Tuy nhiên, do lũ quét xảy ra bất ngờ, ở phạm vi hẹp, tồn tại trong thời gian ngắn (trong vòng vài giờ hoặc ngắn hơn), vệ tinh rất khó để có thể chụp được thời kỳ đỉnh lũ vì các ảnh có độ phân giải không gian đủ tốt thì thời gian lặp lại rất dài (16 ngày của Landsat, 26 ngày của SPOT) hoặc phải đặt lịch chụp trước nhiều ngày; Ảnh RADAR, hiện tại ở nước ta không phổ biến, sẵn có và miễn phí; ngoài ra, khó chiết xuất độ sâu ngập lụt từ dữ liệu viễn thám; Chất lượng của ảnh quang học bị ảnh hưởng nhiều của thời tiết nước ta như mây, mưa Nhược điểm này có thể được khắc phục bằng một số phương pháp sử lý số khác nhau như (1) lọc mây dạng sương mù (haze), (2) thay thế khu vực mây che phủ bằng ảnh chụp có ngày chụp gần với ảnh gốc

Nhận xét: Nhìn chung, viễn thám là công cụ hỗ trợ đắc lực, không thể thiếu,

cung cấp dữ liệu đầu vào cho các phương pháp khác nhau trong nghiên cứu lũ quét

Trong luận án, viễn thám được áp dụng để xây dựng dữ liệu lớp phủ bề mặt cho vùng nghiên cứu bao gồm cả NDVI (phương pháp được trình bày chi tiết trong

mục 2.5, trang 56)

1.2.3 Phương pháp phân tích đa biến

Phương pháp phân tích đa biến còn được gọi là phương pháp đa chỉ tiêu criteria analysis) hoặc phương pháp phân tích và chồng xếp nhân tố Sơ đồ tổng quát của phương pháp được chỉ ra ở Hình 1.1

(multi-Phương pháp mô tả nguy cơ lũ quét thông qua chỉ số nguy cơ lũ quét (FFPI) dựa trên những nhân tố chính gây ra lũ quét mà không quan tâm đến cơ chế thủy văn tự nhiên của lũ (có thể được gọi là mô hình thực nghiệm) Các nhân tố thường là: mưa, độ dốc, lớp phủ bề mặt, sử dụng đất, mật độ rừng, loại và cơ lý của đất Mưa là nguồn cung cấp nước cho dòng chảy lũ; Loại và cơ lý của đất đặc trưng cho mức độ giữ và thấm nước mưa; Lớp phủ thực vật/sử dụng đất và mật độ cây rừng có vai trò

giữ, thẩm thấu nước mưa, ngăn chặn và tác động dòng chảy; Độ dốc và hình thái lưu vực tác động vận tốc và khả năng tập trung dòng chảy [84]

Mỗi nhân tố được phân thành 5 cấp và được cho điểm từ 1 đến 5 tương ứng tác động của mỗi loại đối với lũ quét Trọng số của mỗi nhân tố thể hiện tác động của

nó đối với lũ quét, có thể được xác định theo phương pháp chuyên gia (AHP) hoặc lấy ngang nhau hoặc hiệu chỉnh theo dữ liệu lũ quét thực tế Các nhân tố gây ra lũ quét và FFPI có thể được tính tại mỗi ô lưới (pixel) hoặc cho mỗi phụ lưu bằng trung bình hóa số học có trọng số như công thức (1.1) [89] Độ tin cậy của FFPI phụ thuộc vào xác định phân tố, phân loại và cho điểm nhân tố, cho điểm trọng số

𝐹𝐹𝑃𝐼 =𝑤1∗𝑃+𝑤2∗𝑆𝑙+𝑤3∗𝐿𝐿+𝑤4∗𝑆𝑜+𝑤5∗𝑉𝐷

Trong đó, FFPI – chỉ số nguy cơ lũ quét, P – lượng mưa, Sl – độ dốc, LL – lớp phủ/sử dụng đất, So – đất, VD – mật độ rừng và thực vật và w1, w2, w3, w4 và w5 - trọng số tương ứng của P, Sl, LL, So và VD

Hình 1.1 Sơ đồ tổng quát của phương pháp phân tích đa biến

GIS được áp dụng để xây dựng các lớp nhân tố, thực hiện phân loại và gắn điểm từng lớp nhân tố, thực hiện tổng hợp 5 lớp nhân tố để xác định FFPI; biên tập bản đồ nguy cơ lũ quét Viễn thám được áp dụng để xây dựng lớp bản đồ lớp phủ và mật độ lớp phủ thực vật

Nhận xét: Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, không đòi hỏi nhiều dữ

liệu phức tạp, mô phỏng được chi tiết bên trong lưu vực, phù hợp cả với địa hình đồi núi phức tạp, hiệu quả và chi phí thấp Nhưng, có nhược điểm là không xét đến điều kiện bề mặt tức thời (như độ ẩm và dòng chảy sông suối); định tính; làm mờ đi cơ chế thủy văn tự nhiên của lũ vì chỉ mô tả được tương quan tuyến tính và cục bộ giữa

lũ quét với các nhân tố mà không làm được với các điểm vùng thượng nguồn Động lượng và động năng rất lớn của lũ quét không phải đến từ lượng mưa cục bộ (tại chỗ) mà chủ yếu từ quá trình gom nước mưa rất nhanh và mạnh từ các vùng thượng nguồn

Phương pháp này được áp dụng trong luận án để tổng hợp và phân loại nguy

cơ lũ quét dựa trên các nhân tố lũ quét hoàn toàn mới là các tham số định lượng thủy văn (được trình bày chi tiết trong mục 2.6, trang 58)

1.2.4 Phương pháp thủy văn - thủy lực

Phương pháp thủy văn - thủy lực là áp dụng mô hình thủy văn - thủy lực để nghiên cứu và dự báo lũ quét dựa trên kết quả tính toán/mô phỏng sự chuyển động, phân bố và định lượng của nước Mô hình thủy văn nhằm mô phỏng và định lượng nước sẽ xuôi dòng và đi về đâu theo thời gian; thường là mô hình 1 chiều; cung cấp

dữ liệu đầu vào cho mô hình thủy lực Mô hình thủy lực chú trọng mô phỏng nước sẽ

di chuyển như thế nào và định lượng nó theo thời gian; thường là 2 hoặc 3 chiều

Dữ liệu đầu vào là: mưa, mạng lưới sông suối, cơ lý của đất mặt, lớp phủ, địa hình, độ ẩm bề mặt, bốc hơi, nước ngầm Trong nghiên cứu lũ quét, tham số bốc hơi và nước ngầm thường bị bỏ qua Dữ liệu đầu ra của mô hình thủy văn là đường quá trình lưu lượng tại cửa ra của lưu vực/phụ lưu; của mô hình thủy lực là trường vận tốc dòng chảy, ranh giới và độ sâu ngập lụt chi tiết toàn bộ lưu vực Mô hình thủy văn - thủy lực có thể được sử dụng tách rời hoặc kết nối tùy theo từng yêu cầu (Sơ đồ kết nối thủy văn - thủy lực được mô phỏng như ở Hình 1.2)

Hình 1.2 Sơ đồ của mô hình thủy văn – thủy lực [61]

Nhận xét: Cho đến nay, phương pháp thủy văn - thủy lực cho kết quả định

lượng, tin cậy nhất Nhưng, phương pháp thủy văn không mô tả được chi tiết bên trong lưu vực; phương pháp thủy lực phức tạp, đòi hỏi chuyên môn cao, cần nhiều dữ liệu đo đạc chi tiết và khó áp dụng cho vùng núi cao, có địa hình dốc, bị chia cắt

1.2.5 Phương pháp tích hợp GIS - thủy văn

Cơ sở của phương pháp: Dựa trên nền tảng các hàm phân tích/mô hình hóa

không gian (thường là ô lưới – raster) và các hàm thủy văn của GIS để thực hiện các

mô hình thủy văn tham số (các phương trình thủy văn đã được lược hóa) trong bài toán lũ quét; sử dụng trực tiếp dữ liệu GIS để phân tích và lập bản đồ mà không cần chuyển đổi và đồng bộ hóa

+ Phương pháp đường đẳng thời:

Áp dụng mô hình thủy văn tham số, tập trung/bán phân bố/phân bố; áp dụng công nghệ GIS; xác định mưa hiệu quả thông qua hệ số thực nghiệm CN; tính toán,

Mưa đo đạc DEM Lớp phủ Cấu tượng đất Địa hình và độ nhám đáy sông

Mức độ bão

hòa của đất

+ Thượng nguồn: dòng

chảy cơ sở

+ Hạ lưu: quan hệ mực

nước - lưu lượng

Dòng chảy mặt

và Quá trình thấm Lan truyền lũ

trong sông 1D hoặc 2D

Biến trình lũ tại cửa ra sông chính

Trường vận tốc và độ cao nước

mô phỏng 2D Thời gian thực

xây dựng biến trình lưu lượng dựa trên thời gian di chuyển nước mưa tại mỗi ô lưới

ra tới cửa lưu vực

Nhận xét: Đây là phương pháp đơn giản, cho kết quả nhanh; các đặc điểm lũ

quét dễ dàng được nhận diện và định lượng dựa trên biến trình lưu lượng; nhưng, không cho kết quả chi tiết bên trong mà chỉ tại cửa ra của lưu vực/phụ lưu

Phương pháp này được áp dụng trong luận án bằng việc mở rộng tính toán/xây dựng biến trình lưu lượng ra toàn bộ các ô lưới trong lưu vực (được trình bày chi tiết

trong mục 2.2, trang 42)

+ Phương pháp ngưỡng mưa thời đoạn (FFG):

Áp dụng mô hình thủy văn tham số, tập trung/bán phân bố; áp dụng công nghệ GIS Mỗi lưu vực, phụ lưu sẽ lưu trữ một hoặc một tập hợp các giá trị đại diện cho lưu lượng mưa trận hoặc mưa thời đoạn (flash flood guidance - FFG) Trong thực tế, nếu lượng mưa đo đạc vượt quá FFG thì lưu vực/phụ lưu đó bị cảnh báo xảy ra lũ quét

Ngưỡng mưa gây lũ quét FFG được xác định cho từng lưu vực, phụ lưu tại cửa

ra theo công thức (1.2):

𝐹𝐹𝐺 = 𝑄𝑏𝑎𝑛𝑘𝑓𝑢𝑙𝑙

Trong đó, FFG – ngưỡng mưa gây lũ quét theo thời đoạn mưa (cm, mm), Q bankfull – lưu lượng tràn đê/bờ tại cửa lưu vực (được xác định bằng đo đạc mặt cắt tại cửa lưu vực và tính theo công thức (1.2) hoặc lấy theo lưu lượng với tần suất 1 hoặc 2 năm) (m3/s), A – diện tích lưu vực (xác định bằng công cụ GIS) (km2), q pR – lưu lượng đơn

vị cực đại theo mưa thời đoạn (được tính theo công thức (1.4) và (1.5)) (m3/s/km2/cm)

𝑄𝑏𝑎𝑛𝑘𝑓𝑢𝑙𝑙 = 4,14𝑆𝑐0,13( 𝑦𝑏

𝑚+1)1,82𝐵𝑏 (1.3)

Trong đó, S c – độ dốc kênh (m/m), y b – độ sâu kênh (m), B b – độ rộng kênh (m) và m

– hệ số hình dạng của mặt cắt

qpR = 640Cp

tp = Ct[LLc

Trong đó, C p – hệ số tiêu hao nước mưa do thẩm thấu, lưu trữ của bề mặt (có giá trị

từ 0,4 đến 0,8), t p – thời gian đạt đỉnh lưu lượng (h), t R – thời gian mưa hiệu quả (h),

L c – khoảng cách từ cửa lưu vực đến trung tâm lưu vực (km), L – chiều dài suối chính và là khoảng cách từ cửa lưu vực đến điểm xa nhất của lưu vực (km) và C t – hệ số (có giá trị là 0,35 cho vùng thung lũng, 0,72 cho vùng đồi núi thấp và 1,2 cho vùng núi cao)

Nhận xét: Phương pháp FFG có ưu điểm là đơn giản vì tích hợp GIS, cho kết

quả rất nhanh và do vậy ứng dụng rất phổ biến trong cảnh báo lũ quét ở Mỹ và trên thế giới Tuy vậy, FFG sử dụng mô hình tập trung nên các tham số đầu vào đã bị

trung bình và lược hóa đi nhiều, không mô tả được chi tiết bên trong lưu vực; Q bankfull

– được xác định bằng đo đạc trực tiếp mặt cắt và điều này không phải lúc nào cũng

có sẵn và thực hiện được ở vùng đồi núi vì khó tiếp cận; tính chính xác còn chưa cao; phù hợp cho cảnh báo sớm hơn là dự báo, mô phỏng nguy cơ lũ quét

+ Phương pháp địa mạo: dựa trên quan điểm là: đặc tính của mặt đệm và hình thái bề mặt quyết định và tác động đến dòng chảy lũ và ngược lại Các vết lũ trong quá khứ có thể được nhận diện thông qua vật liệu (thạch học), hình thái lòng và bãi (địa mạo) sông suối Những đoạn sông/suối cong bất ngờ, những vật liệu bở rời sẽ làm cản trở dòng chảy và có thể gây ra lũ quét nghẽn dòng Phương pháp cho phép xác định được ranh giới và nguy cơ lũ quét của khu vực; làm rõ được cơ sở hình thành cũng như mô phỏng tốt được lũ quét nghẽn dòng và bùn đá hơn so với các phương pháp khác Tuy vậy, định lượng nguy cơ lũ quét là chưa thật sự rõ ràng vì chưa lồng ghép sâu được với yếu tố mưa trận quyết định đến sự xuất hiện và cường độ lũ quét

1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu lũ quét trên thế giới

1.3.1 Phương pháp phân tích đa biến

Được nghiên cứu và áp dụng cho các khu vực miền Tây, Mỹ, như vùng: Colorado, năm 2003 [89], Binghamton và Kruzdlo, 2010 [55], Mount Holly, 2010 [70] Chỉ 4 tham số chính là độ dốc (Sl), đất (So), lớp phủ (LL) và mật độ rừng/thực vật (VD) được sử dụng Các trọng số của nhân tố được xác định khác nhau giữa các nghiên cứu Trọng số Sl thường >1, 3 tham số còn lại =1 (Smith [89] lấy trọng số

Sl=1,5, LL, So và VD=1; Brewster [55]: Sl=1,5 (với Sl>=30 được lấy = 10), LL và

So=1 và VD=0,5; Kruzdlo [70]: Sl, LL, So và VD đều bằng 1) Ngoài ra phương pháp cũng đã được hướng dẫn chính thức tại Mỹ thông qua tài liệu Hướng dẫn tham

khảo hệ thống cảnh báo sớm lũ quét (Flash flood early warning system reference guide) vào năm 2010 do Đại học Nghiên cứu khí quyển biên soạn [84] và Chỉ số nguy

cơ lũ quét tại văn phòng dự báo thời tiết Des Moines, Iowa, Mỹ do Jeffrey Zogg và

Kevin Deitsch, NOAA biên soạn vào năm 2013 [102]

Venkata Bapalu và Rajiv Sinha, 2006 [52] sử dụng thêm tham số khoảng cách tới sông/suối để xác định nguy cơ lũ quét cho lưu vực sông Kosi, Ấn Độ Khoảng cách càng xa thì nguy cơ càng giảm và ngược lại Ảnh MODIS được sử dụng để xây dựng dữ liệu lớp phủ Kết quả mô phỏng không được kiểm chứng

Sani Yahaya, 2008 [101] đã áp dụng thêm các tham số mưa năm và mật độ sông suối và phương pháp AHP để xác định trọng số cho từng nhân tố để xác định nguy cơ lũ quét cho lưu vực sông Hadejia-Jama, Ni-giê-ri-a Kết quả mô phỏng không được kiểm chứng

Pramojanee P và nnk [82] mô phỏng nguy cơ lũ quét cho từng phụ lưu, lưu vực Nakorn Sri Thammarat, Thái Lan bằng việc sử dụng thêm các tham số kích cỡ lưu vực, độ dốc dòng chảy chính của lưu vực, hệ thống liên lạc, cơ sở hạ tầng và mưa năm Trọng số lớn nhất được gán cho tham số mưa và nhỏ nhất cho hệ thống liên lạc và cơ sở hạ tầng Ảnh Landsat TM được sử dụng để xây dựng dữ liệu lớp phủ Kết quả mô phỏng không được kiểm chứng

Cho đến nay, lũ quét tại một số vùng phía tây của nước Mỹ vẫn còn nhiều ẩn số, nhiều lũ quét trong một số lưu vực không tương phản đúng với dữ liệu mưa như các nhà khí tượng mong đợi và mô hình thủy văn - thủy lực cho kết quả chưa tốt Tuy vậy, phương pháp phân tích đa biến cũng chỉ được khuyến cáo dùng như là một công

cụ bổ sung và kết quả để tham khảo, chứ không phải là công cụ toàn năng vì có nhiều nhược điểm

1.3.2 Phương pháp thủy văn - thủy lực

Phương pháp thủy văn - thủy lực được sử dụng ở nhiều nước, điển hình là Mỹ, Nhật Bản và một số nước Châu Âu Về cơ bản, phương pháp này áp dụng ở các nước không có nhiều sự khác biệt

Zhou Jinxing, Wang Yan, Viện Nghiên cứu rừng và Liu Yijun, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Trung Quốc, 2004 [68] đã giới thiệu hệ thống cảnh báo thiên tai lũ quét và lũ bùn đá ở Trung Quốc thời gian thực, trung hạn và dài hạn

Hệ thống áp dụng phương pháp thủy văn liên kết trực tiếp với mô hình khí tượng và

sử dụng mưa thời gian thực

Năm 2008, tại các lưu vực nhỏ, vùng núi Nhật Bản, phương pháp thủy văn được áp dụng để xây dựng đường quá trình lưu lượng và tính toán lưu lượng cực đại trong cảnh báo lũ quét Dữ liệu mưa thời gian thực và phân bố dày theo không gian được xem là có vai trò quan trọng trong dự báo lũ quét nên có khoảng 7.300 trạm đo mưa và 46 trạm mưa radar được vận hành [74]

V Estupina-Borrell và nnk, Viện Cơ học chất lỏng, Pháp, 2006 [61] áp dụng MARINE mô phỏng lại trận lũ quét xảy ra vào tháng 11 năm 1999 tại Lagrasse, lưu vực Orbieu (diện tích 250km2), Pháp Lũ quét được xác định chỉ là dòng chảy mặt do mưa thuần túy, không bao gồm các thành phần khác như là: trượt lở, xói mòn, vỡ đập, bốc hơi và trao đổi với nước ngầm Trong suốt quá trình mưa, hệ số thấm được lấy là hằng số Dữ liệu mưa trận từ trạm đo và từ radar (độ phân giải 1x1km) với bước thời gian 6 phút Dữ liệu lớp phủ từ ảnh Landsat TM được chia khá thô (rừng, thảm cỏ, ruộng nho và khác) để có thể hiệu chỉnh DEM có phân giải không gian là 50x50m

để bảo đảm mô hình thực hiện đủ nhanh Kết quả là biến trình lưu lượng tại các cửa