Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.

Mô hình thủy lực một và hai chiều xây dựng bản đồ ngập lụt, 9đ

35 views

Published on

Download luận văn thạc sĩ ngành thủy văn học với đề tài: Ứng dụng mô hình thủy lực một và hai chiều kết hợp HDM xây dựng bản đồ ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang, cho các bạn tham khảo

Published in: Education
  • link tải ; https://tailieumau.vn/mo-hinh-thuy-luc-mot-va-hai-chieu-xay-dung-ban-do-ngap-lut-9d/
       Reply 
    Are you sure you want to  Yes  No
    Your message goes here

Mô hình thủy lực một và hai chiều xây dựng bản đồ ngập lụt, 9đ

  1. 1.   ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------------------ Bùi Văn Chanh ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY LỰC MỘT VÀ HAI CHIỀU KẾT HỢP HDM XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT HẠ LƯU SÔNG CÁI NHA TRANG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2013
  2. 2.   ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------------------ Bùi Văn Chanh ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY LỰC MỘT VÀ HAI CHIỀU KẾT HỢP HDM XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT HẠ LƯU SÔNG CÁI NHA TRANG Chuyên ngành: Thủy văn học Mã số: 60 44 0224 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. LƯƠNG TUẤN ANH Hà Nội - 2013
  3. 3.   1   MỤC LỤC MỞ ĐẦU Trang CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT ... 9 1.1 KHÁI NIỆM NGẬP LỤT ……………………………………….. 9 1.1.1 Khái niềm về ngập lụt ………………………………………... 9 1.1.2 Mục đích xây dựng bản đồ ngập lụt ………………………… 10 1.1.3 Nguyên nhân và đặc điểm ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang 10 1.2 GIỚI THIỆU MỘT SỐ CÔNG CỤ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT 12 1.2.1 Mô hình HDM ………………………………………………… 12 1.2.2 Phần mềm MIKE FLOOD WATCH ………………………... 13 1.2.3 Mô hình MIKE FLOOD ……………………………………... 14 1.2.4 Mô hình NK-GIAS ……………………………………………. 16 1.3 LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI 17 CHƯƠNG 2: ĐIỀU KIỆN ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN VÀ KINH TẾ XÃ HỘI LƯU VỰC SÔNG CÁI NHA TRANG ……………………………. 19 2.1 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN ……………………………….. 19 2.1.1 Vị trí địa lý …………………………………………………….. 19 2.1.2 Địa hình ...................................................................................... 19 2.1.3 Đặc điểm địa chất, thổ nhưỡng, lớp phủ thực vật ………….. 21 2.1.4 Đặc điểm khí hậu, thủy văn ………………………………….. 22 2.2. ĐIỀU KIỆN KINH TẾ - XÃ HỘI ………………………………. 25 2.2.1. Tình hình kinh tế …………………………………………….. 25 2.2.2. Tình hình xã hội ……………………………………………… 26 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH HDM ………………… 27 3.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ……………………………………………. 27 3.1.1 Mô hình một chiều trong sông ……………………………….. 28 3.1.2 Mô hình hai chiều trong vùng ngập …………………………. 30 3.1.3 Ghép nối mô hình một chiều và hai chiều …………………... 31
  4. 4.   2   3.2 YÊU CẦU CỦA MÔ HÌNH ……………………………………... 32 3.2.1 Yêu cầu về mô phỏng …………………………………………. 32 3.2.2 Yêu cầu về số liệu ……………………………………………... 33 CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HDM XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT HẠ LƯU SÔNG CÁI NHA TRANG ……………………… 35 4.1 TÍNH TOÁN SỐ LIỆU ĐẦU VÀO ……………………………... 35 4.1.1 Tính toán số liệu địa hình …………………………………….. 35 4.1.2 Tính toán số liệu quan trắc đồng bộ ………………………… 42 4.1.3 Tính toán số liệu cho các kịch bản ngập …………………….. 44 4.2 HIỆU CHỈNH MÔ HÌNH ………………………………………... 48 4.2.1 Lựa chọn thông số ban đầu …………………………………... 49 4.2.2 Mục tiêu hiệu chỉnh …………………………………………... 49 4.2.3 Chạy mô hình toán …………………………………………… 50 4.2.4 Kết quả tối ưu hóa mô hình ...................................................... 51 4.3 KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH …………………………………………. 54 4.3.1 Số liệu kiểm định ……………………………………………… 54 4. 3.2 Kết quả kiểm định …………………………………………… 56 4.4 KẾT QUẢ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT ………………... 59 4.4.1 Đặc điểm ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang …………….. 59 4.4.2 Ứng dụng bản đồ ngập lụt …………………………………… 62 4.4.3 Chương trình cảnh báo ngập lụt …………………………….. 63 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...………………………………………….. 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO ……………………………………………….. 69 PHỤ LỤC …………………………………………………………………. 70
  5. 5.   3   DANH MỤC HÌNH Hình 1. Bản đồ lưu vực sông Cái Nha Trang Hình 2. Bản đồ mạng lưới trạm lưu vực sông Cái Nha Trang Hình 3. Mô hình 1 chiều trong hệ thống sông Hình 4. Liên kết mô hình 1 chiều và 2 chiều Hình 5. Miền tính mô hình HDM Hình 6. Sơ đồ thủy lực mô hình HDM Hình 7. Tính toán các yếu tố mặt cắt ngang Hình 8. Phân bố các mặt cắt ngang trên hệ thống sông Cái Nha Trang Hình 9. Mô phỏng sông suối và công trình trên miền tính Hình 10. Chia lưới và đánh số trên bản đồ Hình 11. Đường quá trình lưu lượng đồng bộ sông Cái Nha Trang Hình 12. Đường quá trình mực nước triều đồng bộ cửa sông Cái Hình 13. Đường quá trình lưu lượng đầu vào tần suất 1% Hình 14. Đường quá trình lưu lượng đầu vào tần suất 3% Hình 15. Đường quá trình lưu lượng đầu vào tần suất 5% Hình 16. Đường quá trình lưu lượng đầu vào tần suất 10% Hình 17. Mực nước triều theo các tần suất thiết kế Hình 18: Các ô lưới kiểm tra giữa tính toán với thực đo sông Cái Nha Trang Hình 19. Đường tính toán và thực đo mặt cắt số 9 Hình 20. Đường tính toán và thực đo mặt cắt số 11 Hình 21. Đường tính toán và thực đo mặt cắt số 27 Hình 22. Đường tính toán và thực đo mặt cắt số 29 Hình 23. Đường tính toán và thực đo trạm thủy văn Đồng Trăng Hình 24. Bản đồ vị trí vết lũ hạ lưu sông Cái Nha Trang Hình 25. Vết lũ điều tra
  6. 6.   4   Hình 26. Mức độ ngập lớn nhất ứng với tần suất 1% Hình 27. Mức độ ngập lớn nhất ứng với tần suất 3% Hình 28. Mức độ ngập lớn nhất ứng với tần suất 5% Hình 29. Mức độ ngập lớn nhất ứng với tần suất 10% Hình 30. Bàn đồ ngập chi tiết vùng hạ lưu sông Cái Nha Trang Hình 31. Cảnh báo hình thế thời tiết gây mưa lũ lớn Hình 32. Bản đồ ngập lụt độ phân giải thấp Hình 33. Kết nối với bản đồ ngập lụt độ phân giải cao Hình 34. Bản đồ di dời và cứu hộ hạ lưu sông Cái Nha Trang Hình 35. Phương án sơ tán và di dời Hình 36. Các điểm cao độ và đường bình đồ sau khi được gán cao độ Hình 37. Chuyển đường bình đồ thành điểm cao độ Hình 38. Cập nhật tọa độ tự động hệ tọa độ VN 2000 cho các điểm cao độ Hình 39. Hệ thống đường giao thông sông Cái Nha Trang Hình 40. Tần suất mưa 5 ngày lớn nhất trạm khí tượng Nha Trang Hình 41. Tần suất mưa 5 ngày lớn nhất trạm thủy văn Đồng Trăng Hình 42. Tần suất mưa 5 ngày lớn nhất điểm đo mưa Khánh Vĩnh Hình 43. Tần suất lưu lượng trạm Đồng Trăng Hình 44. Tần suất mực nước triều vịnh Nha Trang Hình 45. Bản đồ dự án chỉnh trị sông Tắc - sông Quán Trường Hình 46: Code chương trình hỗ trợ trên Fortran
  7. 7.   5   DANH MỤC BẢNG Bảng 1. Cán cân nước các lưu vực Bảng 2. Các trạm đo KTTV trên lưu vực sông Bảng 3. Lượng mưa 5 ngày lớn nhất ứng với tần suất thiết kế Bảng 4. Tần suất các yếu tố các trạm thủy văn lưu vực sông Cái Nha Trang Bảng 5. Mực nước triều ứng với các tần suất thiết kế Bảng 6. Đánh giá chỉ tiêu R2 của WMO Bảng 7. Kết quả kiểm định theo chỉ tiêu R2 Bảng 8. Kết quả kiểm tra vết lũ năm 2009 với sản phẩm mô hình HDM Bảng 9. Hệ số nhám Maning của lòng dẫn nhân tạo Bảng 10. Hệ số nhám Maning của những lòng sông thiên nhiên
  8. 8.   6   DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT HDM : Hydro Dynamic Model BCH PCLB : Ban chỉ huy Phòng chống lụt bão UBND : Ủy ban Nhân dân GIS : Geographic Information System ESRI : Hãng sản xuất các phần mềm GIS MIKE 11 : Mô hình thủy lực 1 chiều trong bộ mô hình MIKE của Đan Mạch MIKE 21 : Mô hình thủy lực 2 chiều trong bộ mô hình MIKE của Đan Mạch HD : Mô đun thủy lực AD : Mô đun lan truyền chất ô nhiễm DEM : Digital Elevation Model WRF : Weather Research and Forecasting Model ATNĐ : Áp thấp nhiệt đới KTTV : Khí tượng Thủy văn TP : Thành phố X : Yếu tố đo mưa H : Yếu tố đo mực nước Q : Yếu tố đo lưu lượng WMO : World Meteorological Organization GPS : Global Positioning System MS-DOS : Microsoft Disk Operating System
  9. 9.   7   MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây tình hình thủy văn diễn biến phức tạp, các trận lũ đặc biệt lớn, cường suất lũ lên nhanh xảy ra trên hầu hết các sông khu vực Miền Trung. Các trận lũ những năm gần đây có xu thế ngày càng gia tăng về số lượng và mức độ thiệt hại, đặc biệt trong các năm 1993,1999, 2003, 2009 trên nhiều sông khu vực Miền Trung đã xuất hiện lũ lịch sử gây hậu quả vô cùng nghiêm trọng về tính mạng, tài sản và môi trường sinh thái. Lũ lụt khu vực Miền Trung thường xuất hiện bất ngờ, dồn dập, cường suất lũ lên nhanh, rút nhanh gây khó khăn trong công tác phòng chống và hậu quả rất nghiêm trọng. Khánh Hòa là một tỉnh thuộc khu vực Nam Trung Bộ, hàng năm cũng chịu thiệt hại nặng nề do bão lũ gây ra. Trung bình Khánh Hòa chịu ảnh hưởng của 0,4 cơn bão và từ 4 - 5 trận lũ mỗi năm, các hiện tượng thời tiết thủy văn nguy hiểm này đã gây thiệt hại rất lớn về người và tài sản. Điển hình gần đây nhất là cơn bão số 11 (đầu tháng 11 năm 2009) đã gây thiệt hại khoảng 450 tỷ đồng và đợt mưa cuối tháng 10 đầu tháng 11 năm 2010 đã gây hại khoảng gần 300 tỷ đồng. Sông Cái Nha Trang là con sông lớn nhất của tỉnh Khánh Hòa, với diện tích lưu vực khoảng 2000 km2 , hạ lưu có thành phố Nha Trang là trung tâm kinh tế của khu vực Nam Trung Bộ và Tây Nguyên. Những thiệt hại do mưa lũ lớn xảy ra trên địa bàn tỉnh Khánh Hòa phần lớn thuộc về lưu vực sông Cái Nha Trang. Để giảm nhẹ những thiệt hại do lũ lụt gây ra và đề xuất được những phương án thích hợp cho từng vùng, từng khu vực trong việc di dời, ứng cứu thì cần phải có thông tin về mức độ ngập lụt, phạm vi ngập lụt tại từng vùng, từng địa phương cụ thể. Vì vậy đề tài ”Ứng dụng mô hình thủy lực một và hai chiều kết hợp HDM xây dựng bản đồ ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang” sẽ góp phần lớn đáp ứng yêu cầu phòng chống lũ lụt cho người dân và chính quyền địa phương nhằm giảm thiểu đến mức thấp nhất thiệt hại do lũ lụt gây ra. Đề tài nghiên cứu trong luận văn là một phần nội dung trong dự án “Lập bản đồ ngập lụt lưu vực sông Dinh Ninh Hòa và sông Cái Nha Trang”, các số liệu, dữ liệu của luận văn được kế thừa từ dự án này. Học viên thực hiện đề tài của luận văn
  10. 10.   8   là thư ký của dự án và trực tiếp chạy mô hình HDM để lập bản đồ ngập lụt. Sản phẩm của dự án đã được chuyển giao cho BCH PCLB các cấp ở địa phương từ năm 2011 và đến năm 2013 đã được UBND tỉnh Khánh Hòa đồng ý cho cập nhật bổ sung. Sản phẩm của đề tài đã được sử dụng có hiệu quả ở địa phương không chỉ trong công tác PCLB mà còn đối với công tác quy hoạch vùng sản xuất, thiết kế thi công các công trình giao thông, thủy lợi. Sau một thời gian nghiên cứu và ứng dụng mô hình thủy lực 1 và 2 chiều kết hợp HDM trong việc xây dựng bản đồ ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang tỉnh Khánh Hòa. Học viên báo cáo kết quả đạt được trong luận văn với bố cục gồm 4 chương cùng với phần mở đầu, kết luận, phụ lục và tài liệu tham khảo: Chương 1: Tổng quan về xây dựng bản đồ ngập lụt. Chương 2: Điều kiện địa lý tự nhiên và kinh tế xã hội lưu vực sông Cái Nha Trang. Chương 3: Cơ sở lý thuyết mô hình HDM. Chương 4: Ứng dụng mô hình HDM xây dựng bản đồ ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang. Luận văn được hoàn thành dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Lương Tuấn Anh - Viện Khí tượng Thủy văn và Môi trường Hà Nội. Học viên xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS. TS. Lương Tuấn Anh, người đã tận tình chỉ dẫn, tạo điều kiện giúp đỡ học viên hoàn thành luận văn này. Học viên chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo bộ môn Thủy văn đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho học viên trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại trường.
  11. 11.   9   CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT 1.1 KHÁI NIỆM NGẬP LỤT 1.1.1 Khái niềm về ngập lụt Mỗi lưu vực có đặc điểm về ngập lụt khác nhau, tùy thuộc vào đặc điểm của địa hình, sông suối, thổ nhưỡng, thảm phủ thực vật và chế độ mưa. Mưa rơi xuống bề mặt lưu vực, ban đầu bị tổn thất trên các tán lá cây, khi rơi xuống bề mặt lưu vực bị tổn thất do thấm và điền trũng. Khi lượng mưa lớn hơn lượng thấm hoặc cường độ mưa lớn hơn cường độ thấm thì bắt đầu sự hình thành dòng chảy sườn dốc. Lượng nước chảy trên sườn dốc tập trung đổ vào các rãnh, khe suối rồi đổ vào sông. Nước trong sông liên tục chảy từ thượng nguồn đổ ra biển, khi lượng nước đổ vào sông lớn hơn lượng nước chảy ra biển thì mực nước trong sông dần dần dâng cao. Cường suất tăng mực nước đến một giới hạn nhất định được gọi là lũ. Mực nước sông tiếp tục dâng cao và tràn bờ sông sang các bãi ven sông sau đó tràn qua các công trình giao thông, đê vào đồng ruộng, chảy qua các công trình cầu cống gây ngập các khu dân cư, cánh đồng được gọi là ngập lụt. Ngoài nước sông dâng cao gây ngập lụt còn có nguyên nhân khác là lượng nước chảy trực tiếp từ sườn dốc xuống khu dân cư, đồng ruộng. Ở các khu đô thị, do tổn thất kém bởi các công trình, các công trình thoát nước kém nên khi mưa lớn lượng nước chảy qua các cống rãnh, hố ga, hàm ếch thoát nước ít hơn lượng nước mưa đã gây ngập gọi là ngập úng. Một nguyên nhân khác gây ngập úng là mưa lớn tại các vùng trũng thấp, lượng nước mưa chảy từ chỗ cao xung quanh xuống gây ngập cục bộ. Khi nước lũ trong sông rút, nước ngập lụt ở các khu dân cư và đồng ruộng chảy tràn qua các công trình và chảy qua cầu, cống vào sông. Các vùng trũng không được nối với kênh, rãnh thoát nước thì nước lũ không thể rút ra được gây ngập úng cục bộ. Đối với các vùng cửa sông, nước trong sông chịu tác động mạnh bởi thủy triều, khi triều lên làm chậm dòng chảy từ sông ra biển, khi triều rút làm tăng dòng chảy. Lũ về gặp triều cường sẽ làm tăng mức độ ngập lụt vùng cửa sông ven biển.
  12. 12.   10   Ngoài ra, dưới tác động của nước dâng do bão, gió mạnh cũng làm giảm lượng nước chảy từ sông ra biển, tăng mức độ ngập lụt vùng cửa sông, ven biển. 1.1.2 Mục đích xây dựng bản đồ ngập lụt Vùng hạ lưu các sông là nơi tập trung đông dân cư, kinh tế xã hội phát triển. Ngập lụt sẽ gây tác hại rất lớn cho vùng hạ lưu các sông về tài sản và tính mạng người dân. Vì vậy lập bản đồ ngập lụt phục vụ công tác phòng chống, ứng cứu là hết sức cần thiết. Công tác dự báo thủy văn trước đây chỉ dự báo mực nước tại các trạm, người dân và các cấp chính quyền địa phương triển khai phòng chống, cứu hộ dựa vào mực nước các trạm kết hợp với kinh nghiệm gây khó khăn trong công tác phòng chống lũ lụt. Do thay đổi của địa hình, công trình, địa vật trên vùng ngập đã thay đổi mức độ ngập lụt vì vậy cách so sánh khả năng ngập với mực nước các trạm dự báo không chính xác. Với sự phát triển của kinh tế xã hội thì yêu cầu của dự báo thủy văn không chỉ dừng lại ở việc dự báo mực nước các trạm mà cần phải dự báo, cảnh báo diện ngập, độ sâu ngập vùng hạ lưu. Việc xây dựng bản đồ ngập lụt giúp nhân dân và chính quyền địa phương trong vùng ngập triển khai phòng chống lũ lụt hiệu quả và tiết kiệm. Bản đồ ngập xác định được diễn biến ngập theo thời gian của diện tích và độ sâu ngập. Các cấp chính quyền địa phương chủ động trong công tác phòng tránh, xây dựng phương án cứu hộ kịp thời và hiệu quả. Các bản đồ ngập được xây dựng theo các tần suất mưa lũ giúp công tác quy hoạch, xây dựng, phát triển kinh tế xã hội đạt hiệu quả cao. Bản đồ ngập là cơ sở để lựa chọn vị trí xây dựng các công trình dân sinh, kinh tế, xã hội; là căn cứ để xác định quy mô, cao độ, độ dài của các công trình giao thông, thủy lợi. 1.1.3 Nguyên nhân và đặc điểm ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang * Nguyên nhân gây lũ lụt Nguyên nhân gây ngập lụt vùng hạ lưu sông Cái Nha Trang là do mưa lớn, lượng mưa vùng thượng nguồn sông Chò và sông Thác Ngựa có ảnh hưởng quyết định đến diễn biến ngập lụt vùng hạ lưu. Qua thống kê và phân tích số liệu, dữ liệu
  13. 13.   11   nhiều năm đã tổng kết được 8 loại hình thế thời tiết chính gây mưa lũ lớn trên lưu vực sông sông Cái Nha Trang như sau: Loại 1: Bão hoặc áp thấp nhiệt đới đổ bộ vào Phú Yên. Tổng lượng mưa các nơi phổ biến từ 100 - 150 mm, thường thì phía bắc mưa to hơn phía nam. Mực nước lũ trên sông Cái Nha Trang đạt báo động I - II. Loại 2: Bão hoặc áp thấp nhiệt đới đổ bộ trực tiếp vào tỉnh Khánh Hoà mà không kết hợp với các hình thế thời tiết khác. Tổng lượng mưa toàn đợt phổ biến từ 150 - 300 mm. Lũ trên sông Cái Nha Trang đạt mức báo động II - III. Loại 3: Bão, áp thấp nhiệt đới đổ bộ vào khu vực phía bắc hoặc phía nam tỉnh Khánh Hoà, đồng thời kết hợp với không khí lạnh tăng cường mạnh. Tổng lượng mưa toàn đợt phổ biến từ 300 - 400 mm. Lũ trên sông Cái Nha Trang đạt trên mức báo động III. Loại 4: Bão hoặc áp thấp nhiệt đới đổ bộ vào các tỉnh phía nam (Ninh Thuận, Bình Thuận...), đồng thời kết hợp với không khí lạnh tăng cường mạnh. Tổng lượng mưa toàn đợt phổ biến từ 300 - 450 mm. Lũ trên sông Cái Nha Trang đạt trên mức trên báo động III. Loại 5: Không khí lạnh tăng cường mạnh, kết hợp với rìa phía bắc dải hội tụ nhiệt đới hoặc rãnh thấp có trục đi qua 7- 10o N hoạt động mạnh. Tổng lượng mưa phổ biến từ 200 - 300 mm. Lũ trên sông Cái Nha Trang đạt mức báo động II - III. Loại 6: Dải hội tụ nhiệt đới có trục đi qua Nam Trung Bộ kèm xoáy thuận nhiệt đới ở vùng biển Nam Trung Bộ, lượng mưa phổ biến 250 - 350 mm. Lũ trên sông Cái Nha Trang đạt mức báo động II - III. Loại 7: Dải hội tụ nhiệt đới có trục qua 7- 10o N, kèm xoáy thuận đi vào đất liền có tác động đồng thời của không khí lạnh đến rìa bắc xoáy thuận và dải ITCZ. Lượng mưa trong toàn đợt phổ biến từ 300 - 400 mm. Lũ trên sông Cái Nha Trang đạt trên mức báo động III. Đặc biệt khi bão, ATNĐ hình thành trên dải ITCZ sau đó đổ bộ vào tỉnh Ninh Thuận - Bình Thuận, kết hợp với không khí lạnh tăng cường mạnh. Tổng lượng mưa cả đợt các nơi phổ biến từ 400 - 500 mm.
  14. 14.   12   Loại 8: Áp cao lạnh lục địa tăng cường kết hợp với nhiễu động trong đới gió đông trên cao hoạt động mạnh. Lượng mưa toàn đợt phổ biến từ 150 - 250 mm. Lũ trên sông Cái Nha Trang đạt báo động II - III. Đặc biệt trường hợp khi kết hợp với rìa bắc của vùng thấp trên vùng biển Nam Bộ sẽ là tăng quá trình mưa và kéo dài thời gian gây mưa. Tổng lượng mưa cả đợt có thể lên đến 400 - 600 mm, lũ trên sông Cái Nha Trang đạt trên báo động III. * Đặc điểm ngập lụt Đặc điểm địa hình lưu vực và sông suối của sông Cái Nha Trang là ngắn và dốc, phía tây và tây nam là vùng núi cao độ dốc rất lớn. Đặc điểm này đã là điều kiện hội tụ làm tăng lượng mưa vùng thượng nguồn, tốc độ sinh dòng chảy nhanh, thời gian tập trung lũ ngắn. Do đó tính chất lũ ở lưu vực sông Cái Nha Trang cũng rất khốc liệt, lũ lên nhanh, xuống nhanh, tốc độ dòng chảy và biên độ lũ lớn. Cường suất mực nước lũ trên sông Cái Nha Trang tại trạm Đồng Trăng trung bình là 40 - 50 cm/h, lớn nhất 201cm/h xảy ra ngày 3/11/1978. Biên độ mực nước lũ trung bình tại trạm Đồng Trăng là 7,0 - 8,0 m, biên độ lớn nhất khoảng gần 10,0 m. Thời gian xuất hiện lũ trên lưu vực sông Cái Nha Trang phổ biến từ 3 đến 4 ngày, cá biệt có một số trận lũ xảy ra từ 6 đến 7 ngày. Đối với các trận lũ lớn thường xuất hiện một đỉnh, các trận lũ vừa thường xuất hiện đỉnh phụ. Do lũ lên nhanh nên dòng chảy trong sông không đủ thoát nước ra biển nên tình trạng ngập lụt vùng hạ lưu sông Cái Nha Trang rất nghiêm trọng. Sông có độ uốn khúc lớn, bờ sông có nhiều cây cối đã làm chậm đáng kể lượng nước thoát trong sông. Biên độ triều vùng biển Nha Trang khá lớn đã tác động đáng kể đến diễn biến ngập lụt vùng hạ lưu. Vùng ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang có độ sâu ngập lớn, thời gian duy trì ngập lụt không dài. Các công trình đường Quốc lộ 1, đường sắt cắt ngang hướng thoát lũ đã làm tăng đáng kể độ sâu ngập lụt vùng thượng lưu các công trình. 1.2 GIỚI THIỆU MỘT SỐ CÔNG CỤ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT 1.2.1 Mô hình HDM
  15. 15.   13   Đây là mô hình có nguồn gốc từ Hoa Kỳ, được Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn & Môi trường Hà Nội cải tiến để dễ sử dụng, phù hợp với điều kiện của Việt Nam và tích hợp thêm các công cụ tính toán. Mô hình đã được ứng dụng có hiệu quả cho nhiều sông ở Việt Nam và đã đem lại kết quả tốt. Điển hình là đã ứng dụng thành công cho nhiều đề tài như đề tài cấp nhà nước về diễn toán ngập lụt hạ lưu hồ Hòa Bình khi hệ thống hồ Sơn La - Hòa Bình bị vỡ đập, đề tài cấp tỉnh về xây dựng bản đồ nguy cơ ngập lụt sông Cái - Cà Ty và sông La Ngà tỉnh Bình Thuận, xây dựng bản đồ nguy cơ ngập lụt tỉnh Bình Định, xây dựng bản đồ ngập lụt các sông tỉnh Phú Yên, dự án lập bản đồ ngập lụt lưu vực sông Dinh Ninh Hòa và sông Cái Nha Trang, bản đồ ngập lụt hạ lưu hồ thủy đện Eakrôngru tỉnh Khánh Hòa. Mô hình HDM là mô hình thủy lực 1 và 2 chiều kết hợp, khi nước chảy trong sông thì mô hình là một chiều, khi nước tràn bờ sang bãi tràn thì mô hình tự động chuyển 1 chiều thành 2 chiều. Mô hình được chạy trên lưới ô vuông, với kích thước các ô lưới đều nhau và cố định. Cao độ ô lưới được tính trung bình theo các điểm cao độ địa hình của các điểm trong ô lưới đó. Hệ thống sông suối được mô phỏng theo đường gấp khúc qua trung tâm các ô, các công trình được mô phỏng qua các biên của ô lưới. Mô hình mô phỏng được các loại công trình như đường giao thông, đê, đập tràn, cầu, cống, xi phông. Mô hình chạy trên ngôn ngữ lập trình Fortran 77, là ngôn ngữ tính toán nhanh và có độ chính xác cao. Số liệu đầu vào được biên tập trong 1 file số liệu trong bộ soạn thảo văn bản Notepad của hệ điều hành, các thông số khai báo trong mô hình được xác định ở phần đầu, các phần số liệu tiếp theo là dữ liệu về địa hình nền, mặt cắt sông, công trình, số liệu khí tượng thủy văn và hải văn. 1.2.2 Phần mềm MIKE FLOOD WATCH Phần mềm MIKE FLOOD WATCH là mô hình dự báo thời gian thực, được hợp nhất công cụ quản lý dữ liệu, giám sát và dự báo. Môi trường sử dụng được tích hợp bởi phần mềm ArcMap GIS của ESRI nên dễ dàng tính toán số liệu địa hình đầu vào. Phần mềm MIKE FLOOD WATCH được vận hành tự động, thủ công hay
  16. 16.   14   kết hợp cả hai, tuy nhiên người sử dụng có thể tự lập trình để dễ dàng sử dụng bằng ngôn ngữ lập trình Visual Basic. Dữ liệu thời gian thực được cập nhật vào trong mô hình gồm các trạm đo, lưới dữ liệu cơ bản của mô hình số trị, radar và ảnh mây vệ tinh. Người sử dụng có thể điều khiển tốt với các thủ tục cho từng dữ liệu con suối và kết nối với các dữ liệu cơ bản. Phần mềm MIKE FLOOD WATCH tích hợp công cụ dự báo thủy văn và thủy lực 1 và 2 chiều với các modul về động lực và môi trường. Phần mềm tích hợp công cụ quản lý trợ giúp việc so sánh, đánh giá để hỗ trợ việc ra quyết định và cung cấp thông tin dự báo. Phần mềm MIKE FLOOD WATCH cung cấp dự báo thời gian thực ở các vùng dễ xảy ra ngập lụt và đưa ra thông tin dự báo sớm, sự đảm bảo tiềm tàng trong đời sống, cảnh báo của người quản lý dự báo và dân số dễ bị tổn thương. Các ứng dụng điển hình gồm có: - Cung cấp việc giám sát và quyết định thời gian thực. - Dự báo và cảnh báo lũ thời gian thức. - Điều khiển đập, hồ chứa và các công trình thủy lợi. - Phổ biến số liệu lũ, bản đồ ngập thời gian thực và hành động phản ứng với lũ. - Giám sát tài nguyên và môi trường nước. - Dự báo hạn dài. Modul dự báo chuẩn trong MIKE FLOOD WATCH là modul thủy lực MIKE 11, đó là modul rất cần thiết và nâng cao công cụ đồng hóa dữ liệu để nâng cao độ chính xác dự báo [6] . 1.2.3 Mô hình MIKE FLOOD Mô hình MIKE FLOOD là mô hình thủy lực trong bộ mô hình MIKE của Viện Thủy lực Đan Mạch. Mô hình chạy trên môi trường Windows, được ứng dụng rộng rãi. Mô hình MIKE FLOOD liên kết động lực giữa mô hình một chiều và mô hình hai chiều được phát triển trong dạng cặp điểm nơi mà điểm kết của nhánh sông có thể được gán với một điểm hoặc vùng trong mô hình hai chiều, ví dụ như con sông chảy vào hoặc ra khỏi hồ.
  17. 17.   15   Tất cả các mô hình được phân tích từng bước độc lâp với nhau, do đó phương pháp giải số được dùng khách quan cho mỗi loại phương trình và có tính liên tục. Liên kết với mô hình một chiều gồm có mức lên xuống tại điểm nối trong mô hình hai chiều hoặc số trung bình trong vùng liên kết, nơi mà phương trình là điều kiện biên. Mô hình hai chiều nhận toạ độ từ điểm nối trong mô hình một chiều thông qua nguồn Fs. Để có thời gian trung tâm chính xác của hai mô hình, toạ độ được ngoại suy từ bước thời gian n tới bước thời gian n+1/2 sử dụng phương trình dự báo đơn giản hoá, bao hàm cả trọng lực và lực ma sát. Liên kết động lực đã được bổ sung trong hệ thống mô hình MIKE 11và MIKE 21. Điều thuận lợi là hệ thống các phần mềm này có khả năng xuất hiện ngay lập tức để liên kết mô hình. Các loại kết nối trong MIKE FLOOD bao gồm có: kết nối tiêu chuẩn (Standard link); kết nối bên (Lateral link); kết nối công trình (Structure link) và kết nối khô (Zero flow link). Trong kết nối tiêu chuẩn, một hay một vài ô lưới của MIKE 21 được liên kết với một đầu của dòng chảy trong MIKE 11. Ta sử dụng kết nối tiêu chuẩn khi chỉ có các đầu của dòng chảy có nước đổ ra, ví dụ như ống nước. Trong kết nối bên, một chuỗi các ô lưới trong MIKE 21 sẽ được liên kết vào hai bên của một đoạn dòng chảy (một mặt cắt, một phần dòng chảy, hay toàn bộ dòng chảy). Ta sử dụng liên kết bên khi dòng chảy có khả năng tràn lên bề mặt, ví dụ như sông hay kênh. Trong kết nối công trình, một thành phần dòng chảy từ công trình trong MIKE 11 được đưa trực tiếp vào phương trình động lượng của MIKE 21. Quá trình này là ẩn hoàn toàn nên không ảnh hưởng đến các bước thời gian trong MIKE 21. Ví dụ như dòng chảy qua một con đường . Trong kết nối khô, một ô lưới MIKE 21 được gán kết nối theo chiều x thì không có dòng chảy chảy qua phía bên phải của ô lưới đó. Tương tự như thế, một kết nối khô theo chiều y thì không có dòng chảy chảy qua phía bên trên ô đó. Các kết nối khô này được phát triển để bổ sung cho các kết nối bên, để ngăn cách dòng
  18. 18.   16   chảy tràn trong MIKE 21. Kết nối này được dùng để mô tả dải phân cách hẹp. Khi đó thay vì gán giá trị độ cao đất cho dải phân cách, ví dụ như đê bối phân cách trong đồng ruộng, thì ta dùng một chuỗi kết nối khô. MIKE FLOOD có các kiểu cặp đôi mô hình như sau: cặp đôi kiểu động lực (HD coupling), cặp đôi kiểu lan truyền chất (AD coupling) và cặp đôi kiểu cả động lực và lan truyền chất. Việc lựa chọn kiểu cặp đôi thì phụ thuộc vào kiểu mô hình MIKE 11 và MIKE 21 [7]. 1.2.4 Mô hình NK-GIAS Mô hình NK-GIAS là mô hình thủy lực 2 chiều của công ty Nippon Koei - Nhật Bản. Các công cụ tính toán số liệu đầu vào và kiết xuất sản phẩm đầu ra được xây dựng trên ngôn ngữ lập trình Visual Basic, các công cụ tính toán của mô hình được xây dựng trên ngôn ngữ lập trình Fortran. Dữ liệu địa hình đưa vào mô hình là bản đồ mô hình số độ cao (DEM), bản đồ sử dụng trong mô hình là bản đồ địa hình của cả lưu vực sông. Sau khi đọc số liệu địa hình, mô hình sẽ tự động khoanh lưu vực. Mô hình chạy trên lưới ô vuông và được chia tự động trên nền bản đồ DEM, mạng lưới sông suối được số hóa bằng cách đánh dấu vào ô vuông có sông chảy qua. Mặt cắt được nhập vào mô hình tại vị trí các ô lưới có đo mặt cắt, các ô lưới còn lại mô hình sẽ tự nội suy. Mô hình NK-GIAS có modul tính lưu lượng giống như mô hình toán thủy văn. Số liệu đầu vào cho modul lưu lượng dùng để tính số liệu dòng gồm: - Số liệu mưa thực đo tại các trạm trên lưu vực. Lượng mưa tại các ô lưới được tính lấy từ các trạm đo mưa trên cơ sở phân vùng ảnh hưởng các trạm theo phương pháp đa giác Thiessen. - Số liệu mưa được lấy từ mô hình số trị WRF được chi tiết cho lưu vực cần tính thông qua phương pháp downscaling cho các trạm trên lưu vực nhằm tăng thời gian dự kiến và dự báo cả đường quá trình lũ trong mô hình. - Bản đồ về sử dụng đất trên lưu vực. - Bản đồ độ dốc lưu vực được tính từ bản đồ DEM.
  19. 19.   17   Các ô lưới liên kết với sông để xác định lượng nước đổ vào sông, suối và lượng nước tràn từ sông suối vào các bãi để gây ngập lụt. Các ô lưới cũng được liên kết với nhau để xác định lượng nước chảy giữa các ô và lượng nước gia nhập từ sườn dốc xuông vùng ngập lụt. 1.3 LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI Với sự phát triển mạnh mẽ về kinh tế, xã hội và yêu cầu ngày càng cao về công tác phòng chống lũ lụt trên lưu vực sông Cái Nha Trang thì công tác cảnh báo, dự báo không chỉ dừng lại ở mức cảnh báo, dự báo tại các trạm thủy văn mà cần thể hiện được mức độ ngập, phạm vị ngập lụt biến đổi theo thời gian. Để phục vụ tốt công tác phòng chống lũ lụt của nhân dân và chính quyền địa phương thì cần phải cảnh báo, dự báo phạm vi, mức độ ngập cho từng khu vực dân cư, thôn, xóm. Với sự phát triển mạnh của máy tính, công nghệ thông tin đã xuất hiện nhiều mô hình thủy lực đặc biệt là mô hình thủy lực hai chiều cho phép diễn toán ngập lụt vùng hạ lưu các sông. Công nghệ viễn thám và GIS giúp xây dựng được bản đồ địa hình với độ chính xác và phân giải cao, đồng thời trợ giúp công tác điều tra khảo sát thực địa, nâng cao độ chính xác của các vết lũ điều tra và đo đạc mặt cắt ngang sông từ đó nâng cao độ chính xác của mô hình thủy lực hai chiều đáp ứng yêu cầu lập bản đồ ngập lụt. Bản đồ ngập lụt lưu vực sông Cái Nha Trang giúp Ban chỉ huy Phòng chống lụt bão (BCH PCLB) tỉnh Khánh Hòa và các địa phương chủ động hơn trong công tác chỉ đạo phòng tránh lũ, ứng cứu nhanh chóng kịp thời, có kế hoạch triển khai hợp lý tiết kiệm về kinh phí và công sức triển khai. Giúp các đơn vị vận hành các công trình thủy lợi hợp lý, cắt lũ thượng lưu và tăng khả năng thoát lũ hạ lưu. Làm cơ sở để đề xuất các giải pháp công trình cắt giảm lũ hạ lưu sông Cái Nha Trang. Giúp quy hoạch các công trình, cơ sở hạ tầng, vùng sản xuất hợp lý thúc đẩy phát triển kinh tế xã hội ở địa phương. Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Nam Trung Bộ sử dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao năng lực cảnh báo và dự báo ngập lụt giúp BCH PCLB các cấp chủ động trong công tác phòng tránh.
  20. 20.   18   Hiện nay có nhiều mô hình khác nhau có thể sử dụng để xây dựng bản đồ ngập lụt như Mike Flood của Đan Mạch, NK-GIAS của Nhật Bản, các mô hình này đã được áp dụng ở nhiều nơi trên Thế giới và đã mang lại hiệu quả nhất định trong công tác giảm nhẹ thiên tai. Ở Việt Nam hiện nay đang phổ biến sử dụng mô hình Mike Flood để xây dựng bản đồ ngập lụt, tuy nhiên không có mô hình nào dự báo đúng được cho mọi trường hợp và tốt cho tất cả các lưu vực sông vì vậy nghiên cứu và phổ biến thêm nhiều mô hình trong đó có mô hình thủy lực hai chiều để ứng dụng trong công tác nghiệp vụ dự báo và phòng chống lũ lụt là cần thiết. Đề tài “Ứng dụng mô hình thủy lực một và hai chiều kết hợp HDM xây dựng bản đồ ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang” sẽ bổ sung thêm một công cụ cảnh báo, dự báo ngập lụt ứng dụng trong tác nghiệp dự báo. Mô hình thủy lực một và hai chiều kết hợp HDM (Hydraulic Dynamic Model) có nguồn gốc từ mô hình khuyếch tán thủy lực hai chiều DHM (Diffusion Hydraulic Model) của Hoa Kỳ đã được Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường Hà Nội cải tiến thành mô hình thủy động lực một và hai chiều kết hợp HDM. Mô hình HDM có nhiều tính năng nổi trội trong việc xử lý và mô phỏng các công trình, trong khi đó tác động các công trình vùng hạ lưu sông Cái Nha Trang rất phức tạp. Đây là mô hình một và hai chiều kết hợp, miền tính được mô phỏng trên lưới ô vuông, có nhiều khác biệt với các mô hình phổ biến hiện nay về mô phỏng. Mô hình HDM ít được sử dụng, vì vậy việc nghiên cứu và áp dụng mô hình mở ra hướng nghiên cứu mới, nghiên cứu ưu nhược điểm để phát triển mô hình bổ sung công cụ lập bản đồ ngập lụt cho hạ lưu các lưu vực sông.
  21. 21.   19   CHƯƠNG 2 ĐIỀU KIỆN ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN VÀ KINH TẾ XÃ HỘI LƯU VỰC SÔNG CÁI NHA TRANG 2.1 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN 2.1.1 Vị trí địa lý Sông Cái Nha Trang là con sông lớn nhất tỉnh Khánh Hòa có vị trí địa lý nằm trong khoảng 120 03' - 120 37' vĩ độ Bắc, 1080 41' - 1090 12' kinh độ Đông. Sông bắt nguồn từ đỉnh núi phía tây bắc xã Khánh Thượng cao 1477,5 m, chảy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam. Khi đến thôn Trang xã Khánh Thượng sông đổi sang hướng Tây - Đông và nhập với sông Chò tại thôn 1 xã Diên Đồng. Sông tiếp tục chảy theo hướng Tây - Đông và nhập với sông Suối Dầu tại Cầu Hà Dừa - thị trấn Diên Khánh, sông đổ ra vịnh Nha Trang tại cầu Trần Phú. Diện tích lưu vực 2000 km2 , chiều dài sông chính 79 km, độ rộng bình quân lưu vực là 25,3 km với hệ số uốn khúc 1,4 hệ số hình dạng là 0,3, độ dốc sông 3,70 /00, mật độ lưới sông 0,8 km/km2 . Lưu vực sông Cái Nha Trang bao trùm toàn bộ Thành phố Nha Trang, huyện Diên Khánh, Khánh Vĩnh và một phần diện tích của huyện Cam Lâm tỉnh Khánh Hòa và MaĐrăk tỉnh ĐăkLăk. Phía bắc giáp lưu vực sông Dinh Ninh Hòa, phía nam giáp lưu vực sông Cái Phan Rang, phía tây giáp lưu vực sông Đăkrông, phía đông giáp Biển Đông. 2.1.2 Địa hình Địa hình lưu vực sông Cái Nha Trang có xu hướng dốc dần từ tây sang đông, đỉnh núi cao nhất ở phía tây là đỉnh Hòn Giao Bắc có độ cao 2038,2 m, khu vực trung du có độ cao phổ biến từ 10 đến 25 m, khu vực đồng bằng có độ cao phổ biến từ 2 đến 10 m. Độ dốc trung bình vùng núi là 16% , độ dốc trung bình lưu vực 2,8%. Lưu vực sông Cái Nha Trang nằm ở sườn đông của dãy Trường Sơn, địa hình bị chia cắt nhiều bởi những ngọn núi, khu vực ven biển có những dãy núi đâm ngang ra biển. Khu vực đồng bằng và trung du xen kẽ những đỉnh núi nhỏ có độ cao từ 40 đến 50 m, cá biệt có đỉnh núi Chín Khúc có độ cao 592,6 m, các quả đồi nhỏ
  22. 22.   20   có độ cao 20 đến 30m. Địa hình cao nhất và dốc nhất là khu vực phía tây nam của lưu vực, khu vực này là thượng nguồn của các nhánh sông đổ vào sông Thác Ngựa là nhánh sông chính của sông Cái Nha Trang. Hình 1. Bản đồ lưu vực sông Cái Nha Trang Tỷ lệ:1/350.000 Sông Chò Sông Chò Sông Thác Ngựa SôngCái Nha Trang Suối Cát Sông Quán Trường 108.8 109.0 109.2 108.8 109.0 12.1 12.3 12.5 12.5 12.3
  23. 23.   21   2.1.3 Đặc điểm địa chất, thổ nhưỡng, lớp phủ thực vật * Địa chất Địa chất lưu vực sông Cái Nha Trang cơ bản thuộc các nhóm: nhóm đá Macma phân bố phần lớn phía tây tỉnh; nhóm đá phiến phân bố chủ yếu ở Khánh Vĩnh; nhóm trầm tích đệ tứ phân bố vùng ven sông, suối, sườn núi đến chân núi với thành phần bở rời [5]. * Thổ nhưỡng Thổ nhưỡng lưu vực sông Cái Nha Trang gồm nhiều loại đất khác nhau, chủ yếu là: - Nhóm đất đỏ vàng: chiếm tỷ lệ lớn và phân bố rộng, nhất là những vùng đồi núi có Feralit xẩy ra mạnh. Đất đỏ vàng phát triển trên đá mẹ phiến thạch ở Khánh Vĩnh. - Đất mùn vàng trên núi cao 900-1000 m. - Đất thung lũng có thành phần cơ giới nhẹ đến trung bình và đất phù sa phân bố dọc các sông suối trong tỉnh. - Đất pha cát thành phần cơ giới nhẹ và thô, kết cấu rời rạc, phân bố phần lớn vùng ven biển phía đông. * Thảm thực vật Vùng thượng lưu sông Cái Nha Trang chủ yếu là rừng nguyên sinh lá rộng, xen kẽ là rừng hỗn giao tre nứa và trảng cỏ cây bụi. Tùy theo độ cao của địa hình có sự phân hóa về thảm phủ thực vật như sau: - Khu vực đỉnh núi ở độ cao trên dưới 2000 m: Thảm thực vật thân gỗ chỉ cao khoảng 7 - 10 m, tán xen kẽ, thân có thế nằm xiên hay cong queo. Sự phân tầng của thảm thực vật không thật sự rõ rệt. Ở đây chủ yếu là sự góp mặt của các loài thực vật có nhiều thân trên một gốc. Trên thân cây phủ lớp rêu mỏng. Một số loài thực vật bì sinh phát triển trên cành, nhánh cây. Điểm đáng lưu ý là các sườn của đỉnh núi rất dốc, độ dốc lên tới 35-50O nhưng vẫn được bao phủ bởi thảm thực vật rừng khá dày với sức sống tốt. Dưới tán rừng, lớp lá rụng 3 - 4 cm với quá trình phân giải chậm. Cây có độ cao đạt tới 10m, đường kính 50 - 100 cm, tán đan xen. Cây có sự phân cành sớm, ở độ cao khoảng 2 - 3 m.
  24. 24.   22   - Khu vực đỉnh - sườn núi ở độ cao 1400 - 1700 m: Rừng á nhiệt đới thường xanh cây lá rộng và cây lá rộng + lá kim núi trung bình. Rừng có diện tích lớn với cây đa trội và cấu trúc thảm phức tạp. Rừng phân ra nhiều tầng nhưng có 2 tầng chủ đạo, các tầng trung gian không liên tục, xen kẽ nhau. Ngoài ra ở độ cao này còn có rừng lá kim núi trung bình (rừng thông 3 lá tự nhiên). - Khu vực có độ cao dưới 1.400m: Rừng chủ yếu là rừng trồng, loại cây lá rộng thường là cây keo, cao su, cà phê, hồ tiêu, ca cao và cây lá kim là cây thông. - Khu vực trung du có độ cao dưới 100m thường là các trảng cây cỏ bụi, các cây lá rộng với tán cây có đường kính từ 2 đến 4m, thân cây có đường kính từ 10 đến 30cm, độ cao từ 2 đến 5m. Các cây được trồng chủ yếu là mía và cây keo từ 2 đến 5 năm tuổi [2]. Theo niên giám thống kê tỉnh Khánh Hòa, khu vực trung du và đồng bằng lưu vực sông Cái Nha Trang là đất nông nghiệp với diện tích 1262,2 km2 , đất phi nông nghiệp với diện tích 131,1 km2 , đất chưa sử dụng 363,9 km2 . 2.1.4 Đặc điểm khí hậu, thủy văn * Khí hậu [2] Nhìn chung lưu vực sông Cái Nha Trang tỉnh Khánh Hòa chịu sự chi phối chung của khí hậu nội chí tuyến nhiệt đới gió mùa, có ảnh hưởng khí hậu đại dương. So với các vùng phía Bắc thì mùa đông ít lạnh hơn, mùa khô nóng kéo dài hơn; so với các vùng phía Nam thì mùa mưa muộn hơn. Mùa khô bắt đầu từ tháng 01 và kết thúc vào tháng 8, trong mùa khô xuất hiện thời kỳ mưa tiểu mãn vào khoảng trung tuần tháng 5 đến hạ tuần tháng 6; mùa mưa, bắt đầu từ tháng 9 và kết thúc vào trung tuần tháng 12. - Nhiệt độ: Nhiệt độ trung bình năm ở vùng đồng bằng và ven biển dao động từ 26,3 đến 26,90 C, lên đến độ cao 400 m nhiệt độ giảm xuống khoảng 23,0 - 24,00 C. Nhìn chung trong năm ít xảy ra các đợt nắng nóng kéo dài nhiều ngày gây ảnh hưởng lớn đến sản xuất và đời sống. - Độ ẩm: Độ ẩm khá thấp, trung bình năm vào khoảng 80% tại Nha Trang. Hàng năm chỉ có 2 - 3 tháng đầu mùa đông (tháng 10, 11, 12) là khá ẩm với độ ẩm
  25. 25.   23   trung bình 85%. Còn trong nửa cuối mùa đông độ ẩm giảm xuống 80 - 83%. Tháng ẩm nhất là tháng 11 có độ ẩm khoảng 85 - 87%.. - Bốc hơi: Tổng lượng bốc hơi trung bình nhiều năm dao động từ 1000 - 1100 mm/năm tức là bằng 2/3 lượng mưa. Trong 3 tháng (từ tháng 6 - 8), mỗi tháng lượng bốc hơi đạt tới 120 - 150 mm, vượt quá lượng mưa các tháng này. Thời kỳ bốc hơi ít nhất là các tháng mùa mưa, từ tháng 10 - 12, lượng bốc hơi chỉ khoảng 60 - 80 mm. - Gió: Hướng gió thịnh hành mùa đông là hướng Đông Bắc hoặc Bắc; mùa hè, hướng gió thịnh hành là hướng Tây và Tây Nam. - Mưa: Do địa hình phức tạp nên lượng mưa giữa các khu vực có sự chênh lệch nhau khá lớn. Lượng mưa trung bình năm trên lưu vực sông Cái Nha Trang thì lớn hơn khoảng từ 1300 - 1500 mm. Tổng lượng mưa mùa mưa khoảng 900 - 1059 mm, chiếm khoảng 67 - 75% lượng mưa năm; tổng lượng mưa mùa khô khoảng 300 - 450 mm. Những trận mưa, lũ lớn chủ yếu tập trung vào tháng 10 và 11. * Thuỷ văn [5] - Dòng chảy năm: Dòng chảy trên các sông chủ yếu do mưa cung cấp, nên sự phân bố của dòng chảy tương tự sự phân bố của mưa. Độ sâu dòng chảy trên lưu vực sông Cái Nha Trang là 1159 mm. Bảng 1. Cán cân nước các lưu vực STT TÊN LƯU VỰC Diện tích F (km2 ) Mưa X0 (mm) Dòng chảy Y0(mm) Bốc hơi Z0 (mm) Hệ số dòng chảy Tổng lượng dòng chảy (km3 ) 1 Sông Cái Nha Trang ( Trong tỉnh) 1840 1808 1129 679 0.62 2078 2 Sông Cái Nha Trang ( Ngoài tỉnh) 160 2248 1496 752 0.66 239 3 Sông Cái Nha Trang ( Toàn bộ) 2000 1931 1159 772 0.60 2319 Lượng dòng chảy 4 tháng mùa lũ chiếm từ 65% - 66 % lượng dòng chảy cả năm, lượng dòng chảy 8 tháng mùa cạn chỉ chiếm từ 34% - 35% lượng dòng chảy cả năm. Tổng lượng dòng chảy (W) phụ thuộc vào độ sâu dòng chảy (Y) và diện tích lưu vực (F), có giá trị lớn nhất đối với sông Cái Nha Trang 2319 km3 .
  26. 26.   24   * Thuỷ triều [5] Thuỷ triều ở Nha Trang là chế độ nhật triều không đều, trong một tháng có khoảng 20 ngày là chế độ nhật triều. Trong thời kỳ triều cường, nước triểu lớn nhất từ 1,8 - 2,3m (tính theo 0 Hải đồ), mực nước triều nhỏ nhất từ 0,4 - 0,8m. Trong năm, các tháng 11, 12, 1, 2 luôn luôn xuất hiện thời kỳ triều cường có mực nước đỉnh triều cao nhất năm và các tháng 6, 7, 8 luôn xuất hiện thời kỳ triều cường có mực nước đỉnh triều thấp nhất năm. Nguyên nhân là do về các tháng mùa đông xuất hiện trường gió đông bắc tạo nước dềnh phía tây Biển Đông. Một nguyên nhân nữa là do ảnh hưởng của ATNĐ và bão đã tạo nên nước dâng ở vùng bờ biển. Khi xét ảnh hưởng của lũ và triều ta thấy khi gặp triều lên mực nước có thể dâng cao hơn trường hợp không có triều từ 20 - 30 cm, khi triều xuống mực nước có thể chênh lệch so với mực nước không ảnh hưởng triều từ 9 - 10 cm. * Mạng lưới trạm đo khí tượng thủy văn trên lưu vực sông Hình 2. Bản đồ mạng lưới trạm lưu vực sông Cái Nha Trang
  27. 27.   25   Bảng 2. Các trạm đo KTTV trên lưu vực sông STT Tên trạm Vị trí Yếu tố đo Thời gian đo Ghi chú 1 Nha Trang TP. Nha Trang X,… 1976- nay Trạm cơ bản 2 Diên An Thị trấn Diên Khánh H 1976-1985 Trạm cơ bản 3 Đồng Trăng Diên Lâm, Diên Khánh H,Q,X 1976- nay Trạm cơ bản 4 Khánh Vĩnh Thị trấn Khánh Vĩnh X 1976- nay Trạm đo mưa 2.2. ĐIỀU KIỆN KINH TẾ - XÃ HỘI 2.2.1. Tình hình kinh tế * Sản xuất kinh doanh Giá trị sản xuất nông nghiệp năm 2009 trên lưu vực sông Cái Nha Trang đạt khoảng 36 tỷ đồng, công nghiệp đạt 8343 tỷ đồng, sản lượng nuôi trồng thủy sản đạt 38279 tấn. Trên lưu vực có 15 doanh nghiệp nhà nước (chiếm 78,9% so với toàn tỉnh), 488 doanh nghiệp tư nhân (chiếm 75,9%), 11 doanh nghiệp có vốn đầu tư nước ngoài (chiếm 39,3%). Có 2551 cơ sở sản xuất, chiếm 39,3% và 7586 công nhân, chiếm 37,9%. Doanh nghiệp thương mại là 20 (chiếm 100%), doanh nghiệp vận tải là 3 (chiếm 75%). Trọng điểm của sản xuất kinh doanh thuộc địa phận thành phố Nha Trang, trong đó có ngành du lịch rất phát triển [1]. * Một số khu công nghiệp và vùng kinh tế trọng điểm Trên lưu vực sông Cái Nha Trang bao gồm huyện Khánh Vĩnh, huyện Diên Khánh và Thành phố Nha Trang. Trong đó về kinh tế TP. Nha Trang là trung tâm chính trị, văn hóa, kinh tế của tỉnh Khánh Hòa. Sự phát triển của Nha Trang luôn được đánh giá là có tính chất đầu tàu, làm động lực phát triển chung cho cả tỉnh. Hiện nay, cơ cấu kinh tế của TP. Nha Trang đã hình thành khá rõ nét theo hướng dịch vụ, du lịch - công nghiệp - nông nghiệp. Hướng tới, TP. Nha Trang sẽ tiếp tục đầu tư phát triển mạnh lĩnh vực dịch vụ, du lịch nhằm xây dựng TP. Nha Trang thành một trung tâm du lịch có tầm cỡ quốc gia, quốc tế. - Khu công nghiệp Suối Dầu: đã có 21 doanh nghiệp trong và ngoài nước đang hoạt động; khu công nghiệp Ninh Thủy đang xây dựng; ngoài ra các khu công
  28. 28.   26   nghiệp Nam và Bắc như: Cam Ranh, Vạn Ninh chuẩn bị xây dựng sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho các nhà đầu tư. - Cụm công nghiệp Bình Tân (Nha Trang): bao gồm các ngành sản xuất chính là chế biến thủy sản, dệt, nhuộm, thuốc lá, song mây. Trong cụm có nhà máy Dệt Tân Tiến, nhà máy thuốc lá Khánh Hòa, xí nghiệp chế biến song mây xuất khẩu Nha Trang, công ty sản xuất hàng thủ công xuất khẩu Nha Trang. - Cụm công nghiệp Suối Hiệp (Diên Khánh): bao gồm các ngành sản xuất chính là đường Diên Khánh, nhà máy bia Rồng Vàng, phân xưởng sản xuất cồn công nghiệp, phân xưởng sản xuất giấy Hoa Hồng, nước ngọt Suối Tiên và cụm khu công nghiệp Suối Dầu. - Cụm công nghiệp Hòn Khô (Nha Trang): bao gồm các ngành khai thác và chế biến thủy sản, sản xuất vật liệu xây dựng [5]. 2.2.2. Tình hình xã hội * Dân số: Theo số liệu niên giám thống kê tỉnh Khánh Hoà năm 2009 dân số trên lưu vực sông Cái Nha Trang là 552060 người (trong đó nam là 271602 người chiếm 49,2%, nữ là 280458 người chiếm 50,8%). Dân số ở thành thị là 317496 người chiếm 57,5%, nông thôn là 234564 người chiếm 42,5%; nơi có mật độ dân số cao nhất là Thành phố Nha Trang với 1540 người/km2 . * Giáo dục : Trên lưu vực sông Cái Nha Trang có 82 trường tiểu học, chiếm 25,6% so với toàn tỉnh; 37 trường trung học cơ sở, chiếm 37%; 14 trường trung học phổ thông, chiếm 50%. Giáo viên tiểu học là 2010, chiếm 42,4% so với toàn tỉnh; 1756 giáo viên trung học cơ sở, chiếm 41,8%; 873 giáo viên trung học phổ thông, chiếm 47,9%. Trên lưu vực có 5 trường đại học, 3 trường cao đẳng, tập trung ở thành phố Nha Trang. * Y tế : Tổng số giường bệnh các huyện, thành phố trên lưu vực sông Cái Nha Trang là 1941, chiếm 64,5% so với toàn tỉnh, có 410 bác sĩ (chiếm 68,8%), 399 y sĩ (chiếm 60,1%), 600 y tá (chiếm 64,2%), 20 dược sĩ cao cấp (chiếm 76,9%), 124 dược sĩ trung cấp (chiếm 76%), 39 dược tá (chiếm 52%) [1].
  29. 29.   27   CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH HDM 3.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Đây là mô hình có nguồn gốc từ Hoa Kỳ, được Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn & Môi trường Hà Nội cải tiến để dễ sử dụng, phù hợp với điều kiện của Việt Nam và tích hợp thêm các công cụ tính toán. Điển hình là đã ứng dụng thành công cho nhiều đề tài như đề tài cấp nhà nước về diễn toán ngập lụt hạ lưu hồ Hòa Bình khi hệ thống hồ Sơn La - Hòa Bình bị vỡ đập, đề tài cấp tỉnh về xây dựng bản đồ nguy cơ ngập lụt sông Cà Ty và sông La Ngà tỉnh Bình Thuận, xây dựng bản đồ nguy cơ ngập lụt tỉnh Bình Định, bổ sung đặc điểm khí tượng thủy văn Phú Yên và xây dựng bản đồ ngập lụt sông Kỳ Lộ, đề tài cấp bộ về nghiên cứu xây dựng hệ thống phân tích, giám sát, cảnh báo và dự báo lũ, ngập lụt và hạn hán cho hệ thống sông Ba, dự án cấp tỉnh: Lập bản đồ ngập lụt lưu vực sông Dinh Ninh Hòa và sông Cái Nha Trang. Mô hình HDM được PSG.TS Lương Tuấn Anh phát triển từ mô hình DHM, mô hình DHM nguyên bản chỉ là mô hình thủy lực một chiều trong kênh hình chữ nhật đã được phát triển thành mô hình HDM là mô hình một chiều trong sông tự nhiên kết hợp với hai chiều trong bãi ngập. Ngoài ra mô hình HDM còn được thêm các công cụ tính toán và xử lý các công trình tác động đến diễn biến ngập lụt. Khi diễn toán trong sông mô hình là một chiều đối với khu vực tràn từ sông vào bãi ngập mô hình tự động chuyển thành hai chiều. Lượng nước tràn qua công trình được tính theo công thực đập tràn đỉnh rộng. Mô hình HDM (Hydro Dynamic Model) được phát triển từ mô hình DHM (Diffusion Hydrodynamic Model), là sự kết hợp giữa mô hình dòng một chiều trong sông và dòng hai chiều trên bãi sông cơ sở: - Thêm 01 thành phần quán tính vào phương trình chuyển động của dòng chảy trong hệ thống sông tạo ra khả năng mô hình có thể mô phỏng dòng chảy trong vùng có ảnh hưởng của thuỷ triều, nước dâng ven biển. - Bổ sung các điều kiện biên trong bao gồm đập tràn, cống có cửa điều khiển vào hệ phương trình 01 chiều và đập tràn, cống đồng thời đê, đường phía trên, cống
  30. 30.   28   phía dưới đối với hệ phương trình 02 chiều mô tả chuyển động của dòng ngập lụt trên bãi sông, cho phép mô hình có thể mô phỏng đê, đường, cống qua đê ... - Mô hình có thể ứng dụng cho lòng sông có hình dạng bất kỳ thay thế mặt cắt hình chữ nhật như trong mô hình DHM. Hệ phương trình sóng động lực Saint - Venant được áp dụng trong tính toán truyền lũ một chiều trong hệ thống sông và xấp xỉ sóng khuyếch tán bằng cách bỏ qua các thành phần gia tốc trong phương trình bảo toàn động lượng trong hệ phương trình 02 chiều mô tả quá trình ngập lụt. Mô hình 1 chiều và 2 chiều được kết nối với nhau dựa trên nguyên tắc liên tục và chảy tràn bờ, tràn qua đê, đường và các công trình khác. Hệ phương trình cơ bản của mô hình có dạng như sau. 3.1.1 Mô hình một chiều trong sông Dòng chảy trong hệ thống sông được mô tả bằng phương trình sóng động lực bao gồm: Phương trình liên tục: q t A x Q = ∂ ∂ + ∂ ∂ (3.1) Phương trình động lực: 0)( 2 =+ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ fS x Z g A Q xt Q (3.2) Độ dốc ma sát được xác định theo phương trình Manning: 3/42 2 f RA QQn S = Giải hệ phương trình trên có thể được dựa trên cơ sở quan niệm đoạn sông như một thể tích hữu hạn và xấp xỉ phương trình liên tục, phương trình động lượng bằng các quan hệ: * Quan hệ dạng sông Áp dụng cách xử lý tương tự cách xử lý của GS. Nguyễn Ân Niên trong mô hình KOD bằng việc xấp xỉ phương trình liên tục và động lượng dưới dạng: dt dZ FQQ ii .1 =− −
  31. 31.   29   ),( 1 iii ZZfQ −= Hình 3. Mô hình 1 chiều trong hệ thống sông Trong phương trình (3.2) gia tốc đối lưu có trị số nhỏ nhất và không đáng kể trong trường hợp dòng chảy trong kênh dẫn hoặc sông tự nhiên có hình dạng mặt cắt ít thay đổi. Đối với các kênh dẫn thành phần này có thể bỏ qua và phương trình động lượng có dạng: 03/42 2 =+ ∂ ∂ + ∂ ∂ RA QQn gA x Z gA t Q Áp dụng sơ đồ sai phân hiện tăng cường (enhanced explicit): 0 )1(3/41 121 1 1 1 1 =+ ∆ − + ∆ − ++ ++ − + + + jj jj i J i j ij j i j i RA QQn g x ZZ Ag t QQ Đặt x ZZ GRAD j i j i ∆ − = + − + 1 1 1 ; Ta có: ) 1 /() 1 (),( )1(3/41 2 11 1 11 ++ ++ − ++ + ∆ − ∆ == jj j jj i j i j i j i RA Qn g t GRADAgQ t ZZfQ * Quan hệ dạng đê, đập tràn - Trường hợp chảy tự do: 1 1 1 *3/2 + − + j i j i hh p 1 1 1 1 11 2**35.0),( + − + − ++ == j i j i j i j i ghBZZfQ
  32. 32.   30   - Trường hợp chảy ngập: 1 1 1 *3/2 + − + j i j i hh f )(2***91.0),( 11 1 11 1 11 ++ − ++ − ++ −== j i j i j i j i j i j i hhgBhZZfQ Trong đó: o j i j i ZZh −= + − + − 1 1 1 1 và oZ là cao độ ngưỡng tràn * Quan hệ cống có cửa điều khiển - Trường hợp 1 1 1 + − + j i j s hh f và 11 ++ j i j s hh f (chảy kiểu đập tràn): phương pháp tính như trường hợp (b) - Trường hợp 1 1 1 + − + j i j s hh p và 11 ++ j i j s hh p (chảy kiểu cống hoàn toàn): )(**2***7.0 11 1 11 ++ − ++ −= j i j i j s j i hhghBQ - Trường hợp 1 1 11 + − ++ j i j s j i hhh pp (trường hợp chảy nửa cống): 21 1 QQQ j i +=+ [ ]2/311 1 2/311 11 )()(****2*3/2 ++ − ++ − −−−= j s j i j i j i hhhhBgQ µ )(**2*** 11 1 1 2 ++ − + −= j i j i j i hhghBQ µ ; .61.0=µ Ký hiệu h, độ mở của cống. 3.1.2 Mô hình hai chiều trong vùng ngập Dòng chảy hai chiều trong vùng bãi ngập được mô tả bằng phương trình sóng khuyếch tán hai chiều: - Phương trình liên tục: q t h y vh x uh = ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ (3.3) - Phương trình động lượng theo phương x và theo phương y: 0)S x Z (g y u v x u u t u fx =+ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ (3.4) 0)S x Z (g y v v x v u t v fy =+ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ + ∂ ∂ (3.5) Khi bỏ qua thành phần gia tốc theo xấp xỉ của sóng khuyếch tán thì phương trình động lượng theo phương Ox và theo phương Oy trở thành:
  33. 33.   31   fxx0 SS x h −= ∂ ∂ (3.6) fyy0 SS y h −= ∂ ∂ (3.7) - Độ dốc ma sát được xác định theo phương trình Manning theo phương Ox và theo phương Oy: 3/42 2 fx RA QQn S = và 3/42 2 fy RA QQn S = (3.8) Trong đó: h = độ sâu. z = cao độ mực nước. vx và vy = các thành phần vận tốc theo phương Ox và Oy. t = thời gian. g = gia tốc trọng trường. Sox và Soy = độ dốc đáy theo phương Ox và Oy. Sfx và Sfy = thành phần độ dốc ma sát theo phương Ox và Oy. nfx và nfy = hệ số Manning theo phương Ox và Oy. 3.1.3 Ghép nối mô hình một chiều và hai chiều Kết nối giữa mô hình dòng chảy một chiều trong hệ thống sông và mô hình dòng chảy hai chiều trong vùng ngập. Mô hình một chiều dòng chảy trong sông và mô hình hai chiều dòng chảy trong vùng ngập được liên kết qua sự trao đổi dòng chảy vùng ngập và dòng chảy Hình 4. Liên kết mô hình 1 chiều và 2 chiều
  34. 34.   32   trong sông. Dựa trên cơ sở nguyên tắc liên tục và trao đổi dòng chảy trong sông và vùng ngập lụt thông qua điều kiện biên trong dưới dạng công trình như bờ sông, đê bao, đập tràn… trên cơ sở lý thuyết được thể hiện trong công trình nghiên cứu. Mô hình 1 chiều dòng chảy trong sông và mô hình chảy tràn được kết nối dựa trên phương trình trao đổi nước giữa sông và ô lưới. tOIVV ttt l t l ∆−+= +++ )( 111 Trong đó: Vl: thể tích nước trong ô tại thời điểm t+1 hoặc t, phụ thuộc vào mực nước. I: dòng chảy từ đoạn sông vào ô lưới gần kề. O: dòng chảy từ ô lưới ra đoạn sông gần kề. Dựa theo công thức đập tràn đỉnh rộng, dòng chảy vào hoặc ra ô lưới được tính theo công thức sau: LhhscI wrbf ∆−= 2/3 )( nếu wr hh > và fpr hh > LhhscO wfpbf ∆−= 2/3 )( nếu wfp hh > và rfp hh > Trong đó: cf: hệ số lưu lượng. hfp: mực nước trong khu ngập. ∆L: chiều dài đoạn sông. hr: mực nước trong sông. hw: cao trình bờ. sb: hệ số dòng chảy ngập. 3.2 YÊU CẦU CỦA MÔ HÌNH 3.2.1 Yêu cầu về mô phỏng Miền tính được mô phỏng là các ô lưới hình vuông có kích thước như nhau, mỗi ô lưới được đánh số thứ tự từ trái sang phải, từ trên xuống dưới. Ô lưới chia càng nhỏ thì độ phân giải càng cao, mô phỏng càng sát với thực tế. Tuy nhiên ô lưới càng nhỏ thì sô lượng ô lưới càng lớn khi đó số lượng phép tính quá lớn dẫn đến tình trạng tràn bộ nhớ trong quá trình tính toán.
  35. 35.   33   Các công trình được mô phỏng theo biên của các ô, sông suối được mô phỏng theo các đường gấp khúc đi qua trung tâm của các ô. Vì vậy ô lưới càng nhỏ thì mô phỏng công trình và sông suối càng chính xác. Chiều rộng của sông lớn nhất không được lớn hơn kích thước của ô nên cần xác định kích thước ô lưới phù hợp để đảm bảo số lượng ô lưới không quá nhiều, sông suối nằm trọn trong ô lưới và có độ phân giải phù hợp để đảm bảo độ chính xác cho mô phỏng công trình, mô phỏng sông. Hệ thống ô lưới được bao hết cả vùng có khả năng ngập dùng để diễn toán ngập lụt. Các ô lưới được tạo liên kết hệ thống với các ô lưới xung quanh thông qua số thứ tự của ô lưới đã được đánh dấu. Các công trình như đường giao thông, đê được tạo liên kết công trình để xác định lượng nước tràn bờ giữa các ô lưới, đánh giá tác động của công trình đến diễn toán ngập lụt. Cao độ ô lưới được tính toán từ bản đồ địa hình, mỗi ô lưới được xác định một trị số cao độ nền của ô được tính từ cao độ nền địa hình. Hệ số nhám ô lưới được xác định vào điều kiện lớp phủ và thổ nhưỡng bề mặt của vùng diễn toán ngập lụt. Ngoài tạo liên kết hệ thống ô lưới còn phải tạo liên kết sông với ô lưới mà sông chảy qua, đối với các ô lưới này hệ số nhám được xác định là hệ số nhám trung bình của lòng sông và địa hình được xác định trên cơ sở số liệu mặt cắt ngang. Tổng cao trình đáy sông và độ sâu bằng cao trình nền của ô lưới có sông chảy qua nên sau sau khi tính toán các đặc trưng của mặt cắt thì cần phải kiểm tra lại. 3.2.2 Yêu cầu về số liệu Địa hình nền ảnh hưởng rất lớn đến diễn toán ngập lụt nên số liệu địa hình sử dụng trong mô hình càng chi tiết càng tốt. Bản đồ địa hình có thể sử dụng là bản đồ giấy, tuy nhiên loại bản đồ này rất bất tiện khi sử dụng. Để thuận tiện tính toán số liệu địa hình thì bản đồ địa hình cần được số hóa và có thuộc tính cao độ của đường bình đồ và điểm cao độ. Tạo thêm các lớp về lưới tính và số ô lưới trên bản đồ số để dễ dàng biên tập, xử lý và tính toán. Mỗi ô lưới nên có ít nhất một điểm cao độ và giá trị cao độ nền ô lưới được tính trung bình của các điểm trong ô, các ô lưới không có điểm cao độ thì được nội suy từ các ô lưới lân cận.
  36. 36.   34   Số liệu mặt cắt đo đạc được dẫn cao độ với hệ cao độ và tọa độ thống nhất với bản đồ địa hình nền. Số liệu mặt cắt sông càng nhiều thì càng tốt, tuy nhiên vì điều kiện kinh tế không thể đo mặt cắt ngang nhiều vì vậy để đảm bảo độ chính xác của trong quá trình diễn toán ngập lụt thì cần đo mặt cắt tại những vị sông cong, sông co thắt hoặc mở rộng đột ngột, những đoạn sông có thay đổi nhiều về các yếu tố thủy lực. Mỗi ô lưới có sông chảy qua đều phải tính toán mặt cắt, tuy nhiên không phải ô lưới nào cũng có mặt cắt được đo vì vậy các ô lưới không được đo mặt cắt thì được nội suy và ngoại suy từ số liệu mặt cắt thực đo. Các số liệu mặt cắt nội suy và ngoại suy sau khi tính toán thì được kiểm tra tính hợp lý với cao độ của bản đồ địa hình nền. Số liệu Khí tượng Thủy văn dùng để kiểm định mô hình là số liệu của một trận mưa lũ quan trắc đồng bộ. Để mô phỏng đúng với thực tế, ngoài các trạm Thủy văn đang sử dụng cần phải bổ sung thêm các trạm mới, khống chế tất cả các nhánh sông gây ngập lụt cho hạ lưu. Các số liệu quan trắc đều được chỉnh biên tại Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Nam Trung Bộ, đảm bảo số liệu sử dụng là chính xác, theo đúng quy trình quy phạm của ngành Khí tượng Thủy văn. Các số liệu đo đồng bộ trên lưu vực sông Cái Nha Trang gồm lưu lượng của sông Thác Ngựa, sông Chò, sông Suối Dầu, số liệu thủy triều tại cầu Bình Tân, cầu Trần Phú, số liệu mực nước kiểm tra tại 5 trạm mực nước từ biên trên xuống biên dưới. Các trạm mực nước kiểm tra được bố trí trên, dưới Quốc lộ 1 và đường sắt, bên trái và phải đường 23/10 vì đây là các công trình ảnh hưởng nhiều đến diễn toán ngập lụt ở hạ lưu. Số liệu khí tượng, thủy văn, hải văn dùng để chạy cho các kịch bản ngập được thống kê và tính theo các tần suất thiết kế là 1%, 3%, 5%, 10%. Các số liệu thống kê để tính tần suất càng dài thì càng tốt, đối với lưu vực sông Cái Nha Trang sử dụng số liệu thống kê của trạm Khí tượng Nha Trang, trạm Thủy văn Đồng Trăng và điểm đo mưa Khánh Vĩnh. Vì sông đổ ra biển nên biên dưới của mô hình cần phải tính toán số liệu mực nước triều ứng với các kịch bản ngập. Số liệu triều của các mô hình dự báo đều tính theo “0” Hải đồ nên phải chuyển cao độ số liệu mực nước triều cùng hệ cao độ với bản đồ địa hình nền.
  37. 37.   35   CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HDM XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT HẠ LƯU SÔNG CÁI NHA TRANG 4.1 TÍNH TOÁN SỐ LIỆU ĐẦU VÀO 4.1.1 Tính toán số liệu địa hình * Địa hình Dữ liệu địa hình là dữ liệu rất quan trọng của mô hình thủy lực, số lượng tính toán rất lớn, đòi hỏi độ chính xác cao. Dữ liệu địa hình của lưu vực sông Cái Nha Trang được tính toán từ bản đồ tỷ lệ 1/10.000 hệ tọa độ VN 2000 do Bộ Tài nguyên Môi trường xây dựng năm 2006 bằng công nghệ hàng không và được lưu ở dạng Microstation. Trên lưu vực sông Cái Nha Trang thu thập bản đồ dùng để tính số liệu địa hình gồm có 46 xã, phường, thị trấn, tập trung ở huyện Diên Khánh, Cam Lâm và thành phố Nha Trang. Bản đồ được lưu thành các mảnh theo các xã riêng biệt, xã ít nhất có 1 mảnh bản đồ, xã nhiều nhất có 12 mảnh bản đồ. Để có dữ liệu địa hình cho lưu vực sông Cái Nha Trang thì cần phải chuyển đổi và ghép các mảnh bản đồ thành bản đồ lưu vực hoàn chỉnh bao gồm các lớp thông tin là đường bình đồ, giao thông, sông suối, điểm cao độ và tên địa danh. Đã dùng phần mềm MapInfo 11.0 để chuyển đổi bản đồ từ Microstation sang MapInfo, hệ quy chiếu và hệ tọa độ VN 2000 - Khánh Hòa múi 3. Cao độ địa hình đầu vào của mô hình là cao độ của các ô lưới, các cao độ này được tính từ bản đồ địa hình trên. Từ các đường bình đồ và các điểm cao độ trên bản đồ tính toán được cao độ của các ô lưới. Các điểm cao độ và các đường bình đồ đều chưa được cấy các giá trị, sau khi chuyển đổi từ bản đồ gốc ở dạng Microstation bản đồ mới chỉ ở dạng số, chưa có thuộc tính về cao độ. Để tính toán cao độ ô lưới được dễ dàng và xử lý kết quả chạy mô hình sau này thì cần phải gán cao độ cho các đường bình đồ và điểm cao độ. Các đường bình đồ sau khi gán cao độ dược chuyển thành các điểm bằng phần mềm Vertical Maper 3.0 dùng để tính toán số liệu đầu vào và xử lý kết quả đầu ra của mô hình. Các điểm cao độ được cập nhật tọa độ tự động bằng phần mềm MapInfo 11.0.
  38. 38.   36   Ngoài ra do bản đồ địa hình được xây dựng từ năm 2006, sau 7 năm đã có sự thay đổi ở một số vùng phía tây thành phố Nha Trang do xây dựng các công trình. Việc đô thị hóa của thành phố đã xây dựng nhiều khu đô thị, kéo theo đó là việc san lấp mặt bằng để xây dựng công trình đã ảnh hưởng đến ngập cục bộ của các vùng này. Các khu đô thị được cập nhật thay đổi cao độ nền so với trước đây là khu đô thị Phước Long, Mỹ Gia, Vĩnh Điềm Trung, Nam Sông Cái, tăng cao độ nền thêm từ 1,5 - 2,0m. Những thay đổi cao độ địa hình tại các khu đô thị được cập nhật bổ sung trên nền bản đồ địa hình và sử dụng để tính toán số liệu đầu vào cho mô hình. Hình 5. Miền tính mô hình HDM * Mặt cắt Các mặt cắt được đo tại vị trí sông cong, lòng sông bị biến đổi nhiều, có sự thay đổi về thủy lực. Trên lưu vực sông Cái Nha Trang được bố trí 32 mặt cắt ngang, trong đó 3 mặt cắt trùng với trạm đo lưu lượng, 4 mặt cắt trùng với trạm đo
  39. 39.   37   mực nước kiểm tra và 2 mặt cắt tại cửa ra trùng với trạm đo thủy triều. Mặt cắt được dẫn cao độ Quốc gia, đã được kiểm tra thẩm định và kế thừa từ dự án “Lập bản đồ lưu vực sông Dinh Ninh Hòa và sông Cái Nha Trang” do Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Nam Trung Bộ thực hiện năm 2010. Các mặt cắt ngang sông được bố trí trên sông Thác Ngựa, sông Chò, sông Cái, sông Suối Dầu và sông Quán Trường trên lưu vực sông Cái Nha Trang. Ngoài ra còn xác định thêm các mặt cắt ở mương Bầu Sấu, sông Tháo và sông Tắc để mô phỏng phù hợp với thực tế. Ngập lụt ở vùng hạ lưu do sông Cái Nha Trang và sông Suối Dầu gây ra vì vậy mặt cắt của trên các sông này có vai trò rất quan trọng trong mô hình, đối với mương Bầu Sấu, sông Tháo và sông Tắc không gây ngập lụt nhưng lại ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình thoát lũ. Hình 6. Sơ đồ thủy lực mô hình HDM Các số liệu mặt cắt đo từ năm 2010, đến nay tại một số đoạn sông đã có sự thay đổi của việc xây dựng các công trình thủy lợi. Xác định vị trí thay đổi do xây dựng kè ở khu vực thị trấn Diên Khánh và thành phố Nha Trang để đo lại mặt cắt ngang. Vùng hạ lưu sông Cái Nha Trang có 03 mặt cắt được đo lại và đo thêm 02 mặt cắt vào giữa năm 2013 để kịp thời cập nhật sự thay đổi. Ngoài ra do dự án chỉnh trị sông Tắc và sông Quán Trường đã xây dựng kè 2 bờ bằng đá hộc với mặt
  40. 40.   38   cắt được mở rộng gấp khoảng 3 lần trước đây và cao trình bờ sông được nâng cao gấp khoảng 2 lần. Sông được chỉnh trị ngắn và thẳng hơn trước đã tăng khả năng thoát lũ cho phía tây thành phố Nha Trang. Những thay đổi do chỉnh trị sông Tắc và sông Quán Trường được cập nhật dựa trên hồ sơ thiết kế thi công và bản đồ quy hoạch của dự án này (hình 42 - phụ lục). Hình 7. Tính toán các yếu tố mặt cắt ngang Hình 8. Phân bố các mặt cắt ngang trên hệ thống sông Cái Nha Trang Mỗi mặt cắt ngang được tính toán các yếu tố về độ sâu, cao trình đáy sông, chiều ngang sông ứng với các mức độ sâu khác nhau, hệ số nhám lòng sông. Mặt
  41. 41.   39   cắt ngang tính cho từng ô lưới có sông chảy qua, đối với ô lưới không được đo mặt cắt thì nội suy và ngoại suy từ các ô lưới có số liệu đo. * Số liệu công trình Các công trình giao thông thủy lợi ảnh hưởng đến diễn biến ngập lụt ở hạ lưu vì vậy cần phải nhập dữ liệu công trình vào mô phỏng ngập lụt. Dữ liệu công trình bao gồm cao độ của đường giao thông, đập tràn, thông số của cống ngầm…. Các dữ liệu này được đo đạc ở ngoài thực địa, hồ sơ kỹ thuật các công trình và trên bản đồ số hóa. Các công trình được mô phỏng theo đường biên của các ô lưới, cao độ công trình sẽ quyết định đến việc lượng nước tràn từ ô này sang ô khác. Cao độ của một đường giao thông trên thực tế ở các đoạn đường khác nhau không cùng một trị số, số điểm cao độ của đường giao thông trên bản đồ là không nhiều, chính vì vậy cần phải bổ sung thêm cao độ từ các hồ sơ kỹ thuật xây dựng và điều tra khảo sát thực địa. Các công trình ảnh hưởng đến quá trình ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang bao gồm đường Quốc lộ 1A, đường sắt, đường 23 tháng 10. Các đường liên huyện, liên xã và đường làng ít ảnh hưởng, có những đoạn đường không ảnh hưởng đến quá trình ngập lụt. Những đường và đoạn đường không ảnh hưởng đến ngập lụt là những đường và đoạn đường có cao trình thấp hơn cao độ vùng đất hai bên đường. Các con đường ảnh hưởng nhiều đến ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang có cao trình từ 4,5 đến 5,0 m và cao hơn vùng đất hai bên đường từ 0,5 đến 2,5 m. Đường Quốc lộ 1A và đường sắt chạy theo hướng bắc - nam nên ảnh hưởng rất nhiều đến thoát lũ hạ lưu, gây ngập lụt sâu về phía thượng lưu các con đường này. Đối với đường 23 tháng 10 ảnh hưởng đến việc trao đổi nước giữa sông Cái Nha Trang và sông Quán Trường. Trên các con đường này có nhiều cầu cống bắc qua các kênh, mương và sông nhỏ, đáng chú nhất là cầu Lùng trên Quốc lộ 1A không bắc qua sông mà qua một cái hồ nhỏ và có ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình thoát lũ hạ lưu sông Cái Nha Trang. Khi lũ trên sông Cái lớn hơn sông Suối Dầu thì lượng nước trên sông Cái tràn chảy ngược vào sông Suối Dầu khiến mực nước phía tây nam thị trấn Diên Khánh dâng cao lúc đó sẽ có lượng nước đáng kể qua cầu Lùng xuống phía hạ lưu đường Quốc lộ 1A và nhập vào sông Quán Trường. Các cầu lớn khác ít
  42. 42.   40   ảnh hưởng đến quá trình ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang như cầu Phú Cốc, cầu Sông Cái, cầu Suối Cát, cầu Hà Dừa, cầu Vĩnh Phương, cầu Bình Tân và cầu Trần Phú vì các cầu này có các mố cầu nằm trên hai bờ, các yếu tố thủy lực ảnh hưởng không đáng kể đến lưu lượng chảy qua chân cầu. Ngoài cầu Lùng còn có cầu khác ảnh hưởng nhiều đến ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang đó là cầu tràn sông Cái, làm cản trở dòng chảy. Hạ lưu sông Cái Nha Trang có hai công trình thủy lợi ảnh hưởng đến ngập lụt đó là đập ngăn mặn Vĩnh Phương và đập Suối Cát, đây là hai đập tràn. Đập Suối Cát nằm trên sông Suối Dầu ảnh hưởng đến phân phối lưu lượng giữa sông Suối Dầu và sông Quán Trường, đập ngăn mặn Vĩnh Phương làm chậm quá trình thoát lũ trên sông Cái. Tuy nhiên trong quá trình khảo sát đã đặt mặt cắt tại vị trí các tuyến đập nên mức độ ảnh hưởng của các đập cũng đã có trong tài liệu mặt cắt ngang, mặt khác trên đập Suối Cát có nhiều cửa mở khi lũ về và đập Vĩnh Phương được làm bằng đá xếp, nước chảy được qua thân đập. + Mô phỏng công trình hiện trạng Hình 9. Mô phỏng sông suối và công trình trên miền tính Để xây dựng dữ liệu công trình cần phải xác định cao độ của từng đoạn đường giao thông và mô phỏng trên hệ thống lưới tính. Các công trình được mô Mô phỏng sông suối Mô phỏng công trình giao thông
  43. 43.   41   phỏng theo biên của các ô lưới, liên kết công trình được xác định giữa các ô lưới liền kề nhau theo quy luật ô lưới đó với ô lưới phía trước, phía phải, phía sau và phía trái. Quá trình liên kết công trình được thực hiên ở tất cả các ô lưới, nếu giữa các ô không có liên kết công trình thì cao độ công trình được xác định là “0”, nếu có liên kết công trình thì cao độ được xác định bằng cao độ của đoạn công trình đó. Tất cả các cao độ này được quy đổi thống nhất sang cao độ Quốc gia. Giữa hai ô lưới vừa có liên kết công trình, vừa có sông chảy qua thì cần phải xác định đặc điểm của công trình bắc qua sông. Nếu đó là cống hoặc cầu làm ảnh hưởng đến mặt cắt ngang sông thì sẽ gây ảnh hưởng nhiều đến diễn biến dòng chảy trong sông, nếu là cầu không ảnh hưởng đến mặt cắt ngang sông thì không mô phỏng, lúc đó dòng chảy qua cầu như dòng chảy trong sông tự nhiên. Khác với mô phỏng công trình, sông được mô phỏng theo trung tâm các ô lưới, các nhánh sông cách nhau ít nhất một ô lưới, trừ các ô lưới chéo nhau. + Chia lưới ô vuông Sau khi chuyển đổi định dạng bản đồ và hệ tọa độ, tiến hành chia lưới ô vuông. Đối với sông Cái Nha Trang đã chia lưới với kích thước 300 x 300m khống chế toàn bộ vùng có khả năng ngập bao gồm 2250 ô lưới. Việc chia ô lưới được căn cứ trên cơ sở xác định sơ bộ vùng có khả năng ngập để xác định phạm vi vùng chia ô lưới. Ngoài ra việc chia ô lưới còn căn cứ vào yêu cầu mô phỏng của mô hình để xác định kích thước ô lưới cho phù hợp. Sử dụng bản đồ địa hình để tính toán cao độ các ô lưới, đánh số ô lưới, cập nhật số ô và kinh vĩ độ của trọng tâm các ô. Các ô liên kết với nhau theo một trật tự nhất định, để tạo dữ liệu đầu vào cho mô hình cần phải tạo liên kết hệ thống. Việc tạo liên kết hệ thống theo cách thủ công mất rất nhiều thời gian và dễ bị nhầm lẫn, để khắc phục dự án đã mô phỏng lưới ô vuông theo ma trận hai chiều và lập chương trình để tạo liên kết bằng ngôn ngữ lập trình Fortran. Mỗi ô lưới được tạo liên kết với ô lưới phía trước, phía phải, phía sau và phía trái, đối với các ô ở biên thì phía nào giáp biên thì được liên kết với ô số “0”. Việc đánh số các ô theo một quy luật nhất định, các số sử dụng là số tự nhiên được bắt đầu bằng 1. Chia ô lưới là bước
  44. 44.   42   đầu tiên của việc tạo số liệu địa hình cho mô hình, ảnh hưởng tới tất cả các quá trình tính toán sau này. Các thông tin cần xác định với một ô lưới bao gồm: liên kết hệ thống, liên kết công trình, cao độ ô lưới, cao độ mốc so với mặt chuẩn, kinh độ, vĩ độ và hệ số nhám. Để xác định các thông tin này cần đến sự hỗ trợ của phần mềm MapInfo 11.0 và ngôn ngữ lập trình Fortran (hình 43 - phụ lục). Tọa độ trọng tâm ô được xác định rất nhanh bằng phần mềm MapInfo 11.0, tuy nhiên trước đó cần phải gán thuộc tính số ô lưới cho nó. Hệ tọa độ của bản đồ sử dụng trong dự án là hệ VN - 2000 của Việt Nam sử dụng nội bộ, không có sẵn trên MapInfo. Để cập nhật tọa độ trọng tâm ô lưới với hệ tọa độ VN - 2000 thì cần phải chạy chương trình chuyển đổi hệ tọa độ trong MapInfo và trước đó phải cập nhật hệ này vào trong hệ thống. Việc ứng dụng các công nghệ tin học trên sẽ tạo ra bộ số liệu địa hình chính xác, giảm bớt thời gian và công sức tính thủ công. Hình 10. Chia lưới và đánh số trên bản đồ 4.1.2 Tính toán số liệu quan trắc đồng bộ Số liệu đầu vào trên sông Cái Nha Trang được quan trắc đồng bộ từ 7h00 ngày 29 tháng 10 đến 13h00 ngày 13 tháng 11 năm 2010. Số liệu biên trên gồm lưu lượng tại trạm Sông Chò trên sông Chò, trạm Thác Ngựa trên sông Thác Ngựa và trạm Suối
  45. 45.   43   Cát trên sông Suối Dầu. Số liệu biên dưới là mực nước triều tại cầu Trần Phú trên sông Cái Nha Trang và cầu Bình Tân trên sông Quán Trường. Các số liệu quan trắc đồng bộ được biên tập để tạo số liệu đầu vào cho mô hình HDM, là cơ sở để hiệu chỉnh mô hình. Ngoài các trạm đo xác định dữ liệu đầu vào của mô hình ở trên còn có các trạm mực nước kiểm tra. Vùng hạ lưu sông Cái Nha Trang được bố trí 5 trạm đo mực nước có thời gian quan trắc đồng thời với các trạm đầu vào trên dùng để kiểm tra kết quả hiệu chỉnh thông số của mô hình. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1 13 25 37 49 61 73 85 97 109 121 133 145 157 169 181 193 205 217 229 Sông Chò Thác Ngựa Suối Cát Hình 11. Đường quá trình lưu lượng đồng bộ sông Cái Nha Trang Hình 12. Đường quá trình mực nước triều đồng bộ cửa sông Cái m3 /s giờ cm
  46. 46.   44   4.1.3 Tính toán số liệu cho các kịch bản ngập * Số liệu mưa Số liệu mưa sử dụng để tính toán bao gồm các trạm đo mưa trên lưu vực sông Cái Nha Trang gồm các trạm sau: trạm Đồng Trăng, Nha Trang, Khánh Vĩnh. Các trạm mưa này dùng để mô phỏng lượng mưa thêm vào khu giữa trong mô hình hình thủy lực HDM. Các trạm này có thời gian quan trắc từ năm 1977 đến nay, trong đó có trạm Nha Trang là trạm khí tượng cấp I có số liệu từng giờ, hai trạm còn lại có liệu đo thời đoạn 12 giờ. Trên sông lưu vực sông Cái Nha Trang qua phân tích chuỗi số liệu quan trắc thì những trận lũ gây lên ngập lụt với thời gian mưa phổ biến từ 4 ngày đến 5 ngày. Vì vậy lượng mưa để tính toán tần suất xây dựng bản đồ ngập lụt được chọn là lượng mưa 5 ngày. Kết quả tính toán tần suất tại các trạm như sau: Bảng 3. Lượng mưa 5 ngày lớn nhất ứng với tần suất thiết kế Đơn vị: mm Tần suất Trạm 1% 3% 5% 10% Đồng Trăng 778 624 553 456 Nha Trang 919 735 649 531 Khánh Vĩnh 656 572 530 470 + Trạm Đồng Trăng Tổng lượng mưa từ ngày 30/10 - 3/11/2010 là 749mm thu phóng ứng tần suất 1%, 3% với hệ số thu phóng K1%=1,03871; K3%=0,83311. Tổng lượng mưa ngày từ 7 - 11/11/1981 là 486mm thu phóng ứng tần suất 5%, 10% với hệ số thu phóng K5%=1,13786, K10%=0,93827. + Trạm Nha Trang Tổng lượng mưa từ ngày 30/10 - 3/11/2010 là 1029mm thu phóng ứng tần suất 1%, 3% với hệ số thu phóng K1%=1,11969; K3%=1,4.
  47. 47.   45   Tổng lượng mưa ngày từ 7 - 11/11/1981 là 651mm thu phóng ứng tần suất 5%, 10% với hệ số thu phóng K5%= 1,00308; K10%=1,22598 . + Trạm Khánh Vĩnh Tổng lượng mưa từ ngày 30/10 - 3/11/2010 là 544mm thu phóng ứng tần suất 1%, 3% với hệ số thu phóng K1%=1,20588; K3%=1,05147. Tổng lượng mưa ngày từ 11 - 15/12/2005 là 531mm thu phóng ứng tần suất 5% với hệ số thu phóng K5%= 0,99811. Tổng lượng mưa ngày từ 11 - 15/12/2005 là 469mm thu phóng ứng tần suất 10% với hệ số thu phóng K10%= 1,00213. * Số liệu lưu lượng Biên lưu lượng đầu vào của mô hình HDM là nhánh sông Thác Ngựa, sông Chò và sông Suối Dầu. Tuy nhiên trên lưu vực sông Cái Nha Trang chỉ có trạm thủy văn Đồng Trăng là trạm cơ bản có số liệu quan trắc dài, đủ điều kiện để tính tần suất cho kịch bản ngập lụt. Với các hình thế thời tiết gây mưa lũ lớn thì sự phân bố mưa tương đối đều trên toàn lưu vực, do đặc điểm địa hình, thổ nhưỡng và thảm phủ thực vật biến đổi không nhiều ở các nhánh sông nên lớp dòng chảy của sông Thác Ngựa, sông Chò và sông Suối Dầu biến đổi không nhiều. Do đó lưu lượng chủ yếu của các nhánh sông và trên sông chính chủ yếu phụ thuộc vào diện tích lưu vực. Vì vậy lưu lượng đầu vào của kịch bản ngập của các trạm đầu vào trên được thu phóng theo diện tích lưu vực của đường quá trình lũ thiết kế tại trạm Thủy văn Đồng Trăng. Từ đỉnh lũ lớn nhất năm của trạm Đồng Trăng, tính tần suất và lựa chọn các trận lũ điển hình có đỉnh gần với tần suất thiết kế để thu phóng. Bảng 4. Tần suất các yếu tố các trạm thủy văn lưu vực sông Cái Nha Trang Yếu tố P% 1% 3% 5% 10% Q Đồng Trăng (m3 /s) 4074 3485 3195 2778 H Đồng Trăng (cm) 1465 1413 1384 1337 H Diên An (cm) 726 706 695 676
  48. 48.   46   Quá trình lưu lượng 1% và 3% được thu phóng từ trận lũ lớn nhất năm 2003, lưu lượng 3320m3 /s, hệ số thu phóng K1% = 1,23, K3% = 1,05. Quá trình lưu lượng 5% được thu phóng từ trận lũ lớn nhất năm 2009, lưu lượng 3130m3 /s, hệ số K5% = 1,02. Quá trình lũ 10% được thu phóng từ trận lũ lớn nhất năm 1998, lưu lượng 2870m3 /s, hệ số K10% = 0,97. Hình 13. Đường quá trình lưu lượng đầu vào tần suất 1% Hình 14. Đường quá trình lưu lượng đầu vào tần suất 3%
  49. 49.   47   Hình 15. Đường quá trình lưu lượng đầu vào tần suất 5% Hình 16. Đường quá trình lưu lượng đầu vào tần suất 10% * Số liệu thủy triều Theo lý thuyết trình bày phần trên ta tính toán cho tần suất mực nước triều lớn nhất năm cho trạm Cầu Bình Tân, Cầu Trần Phú. Từ chuỗi số liệu mực nước lớn nhất từ năm 1977 - nay tính toán được theo phương trình tương quan kết quả tính toán tần suất mực nước triều cho các trạm ứng với tần suất 1%, 3%, 5%, 10%.
  50. 50.   48   Bảng 5. Mực nước triều ứng với các tần suất thiết kế Tần suất Trạm 1% 3% 5% 10% Cầu Trần Phú (m) 1,49 1,41 1,37 1,31 Cầu Bình Tân (m) 1,39 1,32 1,29 1,23 Chọn các con triều có mực nước lớn nhất gần với giá trị tần suất nhất để thu phóng. Số liệu sau khi tính toán được là đường quá trình triều thiết kế từng giờ được đưa vào biên dưới của mô hình HDM. Hình 17. Mực nước triều theo các tần suất thiết kế 4.2 HIỆU CHỈNH MÔ HÌNH Quá trình mô phỏng ngập lụt được tính toán theo các phương trình toán lý, trong mỗi phương trình có hệ số để điều chỉnh cho từng khu vực cụ thể. Để kết quả mô phỏng sát với thực tế thì cần phải có một bộ thông số chuẩn, bộ thông số này là tối ưu cho lưu vực cần nghiên cứu. Các thông số tối ưu này là các hệ số của các phương trình toán lý trên. Đối với quá trình ngập lụt thì thông số cần chỉnh là hệ số nhám của lòng sông và bãi tràn. Tùy thuộc vào điều kiện cụ thể của vùng ngập và đoạn sông mà các hệ số nhám lòng sông, bãi tràn của các ô lưới có thể khác nhau.
  51. 51.   49   4.2.1 Lựa chọn thông số ban đầu Đối với sông Cái Nha Trang, hệ số nhám của đoạn sông có bờ kè ở thị trấn Diên Khánh được lấy trung bình loại 11 của Paverlopxki (bảng 9 - phụ lục) và loại 3 của M.F. Xripnut (bảng 10 - phụ lục). Vì đoạn sông này mới kè bờ phải mới kè bằng đất, đang được gia cố cẩn thận, bờ trái là lòng sông tự nhiên có cây loại nhỏ mọc, lòng sông bãi bồi. Đoạn kè từ cầu Hà Ra đến cầu Trần Phú được kè bằng bê tông rất chắc chắn nên hệ số nhám nhỏ và được lấy là loại 3 của Paverlopxki, tuy nhiên đoạn sông này mới chỉ kè bờ phải, còn bờ trái là khu dân cư với bờ sông nhiều vật chất của bờ làm cản trở dòng chảy vì vậy hệ số nhám bờ trái được lấy theo loại 5 của M.F. Xripnut. Dự án chỉnh trị sông Quán Trường được kè 2 bờ bằng đá hộc, vì vậy hệ số nhám hai bờ được lấy theo loại 10 của Paverlopxki, tuy nhiên lòng sông có nhiều có nhiều hố, rãnh và kết cấu bằng đất nên hệ số nhám lòng sông lớn hơn và được lấy theo loại 2 của M.F. Xripnut. Đối với các đoạn sông tự nhiên hệ số nhám được lấy trung bình của loại 2 và 3 của M.F. Xripnut vì vùng hạ lưu sông Cái Nha Trang là sông trung bình, dòng chảy không ổn định, dòng sông tương đối sạch trong điều kiện bình thường, uốn khúc với một số nét không đều đặn của mặt đáy (có bãi cạn, nhiều chỗ có đá). Các bãi tràn, vùng đồng bằng ngập lụt, khu dân cư có nhiều trảng cây cỏ, cây bụi, lúa và mía. Hệ số nhám bãi tràn hầu hết các ô lưới được xác định là 0,072, hệ số nhám này được lấy cho các ô lưới ở vị trí tương ứng. Các hệ số nhám sau khi xác định thì chạy thử mô hình HDM, sau khi chạy mô hình tiến hành so sánh số liệu đo đạc đồng bộ và kết quả tại các trạm kiểm tra. Nếu kết quả kiểm tra chưa đạt yêu cầu tại vùng nào thì điều chỉnh hệ số nhám tại vùng đó, quá trình tối ưu hóa bằng phương pháp thử sai này được tiến hành nhiều lần đến khi được bộ thông số của mô hình đạt yêu cầu. 4.2.2 Mục tiêu hiệu chỉnh Hiệu chỉnh thông số mô hình nhằm xác định thông số mô hình để cho đường tính toán phù hợp với đường thực đo. Việc hiệu chỉnh thông số mô hình được tiến hành theo phương pháp thử sai theo 2 hàm mục tiêu: (1) Cực tiểu hóa sai số mực nước đỉnh lũ; (2) Cực tiểu hóa sai số đường quá trình mực nước.
  52. 52.   50   Mức độ phù hợp giữa các kết quả tính toán và thực đo có thể được đánh giá theo tiêu chuẩn của WMO. Theo tiêu chuẩn này, độ hữu hiệu của mô hình được đánh giá bằng chỉ tiêu R2 xác định như sau: Trong đó: yi là giá trị thực đo thứ i y'i là giá trị tính toán thứ i là giá trị thực đo trung bình Tiêu chuẩn đánh giá như sau: Bảng 6. Đánh giá chỉ tiêu R2 của WMO Chỉ tiêu Mức Loại R2 40 - 65% Đạt 65 - 85% Khá > 85% Tốt 4.2.3 Chạy mô hình toán Thời gian diễn toán quá trình lũ đối với các sông là 231 giờ, thời gian để mô hình ổn định là 50 giờ, từ giờ thứ 0 đến giờ thứ 49, trong thời gian này đặt chế độ cho mô hình không in kết quả đầu ra. Thời gian bắt đầu chạy cho các trận lũ là từ giờ thứ 50 đến hết, thời gian diễn toán ở các lưu vực sông tùy thuộc và đặc điểm của từng trận lũ. Các sản phẩm đầu ra của mô hình thủy lực hai chiều HDM có 4 sản phẩm bao gồm kiểm tra số liệu đầu vào (địa hình, mặt cắt, lưu lượng và mực nước triều), độ sâu ngập từng giờ tại các ô lưới, độ sâu ngập lớn nhất tại các ô lưới và quá trình lũ tại các ô lưới kiểm tra. Trên lưu vực sông Cái Nha Trang đặt 9 ô lưới kiểm tra tại các vị trí có sự thay đổi nhiều về thủy lực và bị ảnh hưởng nhiều bởi các công trình. Các ô lưới kiểm tra bao gồm các ô lưới 550, 1153, 1097, 886, 894, 1196, 1646, 1313, 1716 tương ứng với các trạm thủy văn TV-1, TV-2, TV-3, TV-4, TV-5, TV-6, TV-7, TV- 8, TV-9. Đường tính toán của mô hình được lấy từ các ô lưới kiểm tra, đường quá

×