Xem mẫu
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019. ISBN: 978-604-82-2981-8
NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CÔNG CỤ DỰ BÁO LŨ
CHO LƯU VỰC SÔNG
Đỗ Xuân Khánh
Trường Đại học Thủy lợi, email:khanh.thuyluc@tlu.edu.vn
1. GIỚI THIỆU CHUNG dữ liệu khí tượng thủy văn trong lịch sử để
Lũ lụt là hiện tượng xảy ra khi dòng nước xác định trạng thái hiện tại của lưu vực và từ
dâng cao trên sông, suối tràn qua đê đập vào đó tính toán dòng chảy lũ trong tương lai
các vùng trũng, làm ngập nhà cửa cây cối (Divac et al. 2009) [2]. Bảng 1 dưới đây liệt
ruộng đồng. Theo thông kê về thiệt hại do kê một số mô hình dự báo dòng chảy lũ phổ
các loại hình thiên tai gây ra từ 1970 đến biến cũng như ưu nhược điểm của chúng.
2012 của WMO (2014) [1], lũ lụt đứng đầu Theo Nguyễn et al. 2014 [3] việc sử chỉ sử
về số lần xuất hiện khi chiếm tới 45%, lũ lụt dụng riêng mô hình thủy văn mưa dòng chảy
cũng nằm ở vị trí đầu tiên khi xét về thiệt hại hay sử dụng riêng mô hình thủy lực hay sử
kinh tế với 60% và chỉ đứng thứ 2 sau bão dụng kết hợp cả mô hình thủy văn và thủy
khi xét đến thiệt hại về con người với 20%. lực dự báo dòng chảy lũ phụ thuộc vào mối
Thiệt hại do lũ lụt có thể được giảm thiểu quan hệ giữa thời gian dự báo Tf, thời gian
đáng kể nếu chúng ta có thể hiểu được tập trung dòng chảy trên lưu vực Tc và thời
nguyên nhân hình thành và có những biện gian chảy truyền trong sông Tr. Đối với
pháp cảnh báo sớm cho người dân. Một trong những lưu vực vừa và lớn khi Tf < Tc + Tr để
những biện pháp vô cùng hiệu quả là việcsử tăng cường độ chính xác của dự báocác nhà
dụng các mô hình thủy văn, thủy lực để dự nghiên cứu thường sử dụng kết hợp cả hai
báo lũ. Các mô hình này dựa vào các nguồn loại mô hình này Sơn et al. 2005 [4].
Bảng 1. Tổng hợp ưu nhược điểm một số mô hình dự báo dòng chảy lũ
Các mô hình dự báo Mô hình
Ưu nhược điểm
dòng chảy lũ tiêu biểu
Ưu điểm: Ít tham số, dễ sử dụng. Nhược điểm: Các tham
Thông số
NAM, HEC- số được trung bình hóa, không xét địa hình, loại đất, loại
Mô Mô tập trung
HMS, TANK hình sử dụng đất. Diễn toán dòng chảy trên sông kênh rất
hình hình
hạn chế. MIKE Nam là mô hình thương mại
thủy tất
văn định Thông số Ưu điểm: thông số phân bố, mô tả sự biến đổi không gian
của hiện tượng thủy văn, xét đến địa hình, thổ nhưỡng, sử
phân bố SWAT
dụng đất. Nhược điểm: Nhiều tham số đầu vào. Diễn toán
dòng chảy trên sông kênh hạn chế
Mike 11, Ưu điểm: Đơn giản, dễ sử dụng. Nhược điểm: Không mô
1 chiều
HEC-RAS phỏng được ngập lụt, Mike 11 là mô hình thương mại
Mike 21, Ưu điểm: Độ chính xác cao khi mô phỏng ngập lụt. Nhược
Thủy 2 chiều
HEC-RAS điểm: Đòi hòi tài liệu địa hình tốt, thời gian tính toán lâu
lực
Mike Flood, Ưu điểm: Là phần mềm kết nối, có thể mô tả ngập lụt với GIS
Kết nối
Mike GIS, Nhược điểm: Mike GIS đã không còn được hỗ trợ bởi
1/2 chiều
HEC-GEORAS DHI, Mike Flood mất phí
317
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019. ISBN: 978-604-82-2981-8
Việc kết hợp này đã được thực hiện rất Q (vQ) z
gA( S f ) 0
thành công đối với nhưng mô hình họ MIKE. t x x
Tuy nhiên mô hình NAM với các nhược Trong đó x: khoảng cách dọc kênh, Q: lưu
điểm nêu trên tại bảng 1đã làm cho quá trình lượng, A: diện tích mặt cắt, S: lượng trữ, ql: lưu
tính toán từ mưa ra dòng chảy còn chưa lượng bên, Sf: độ dốc thủy lực, v: là vận tốc.
chính xác. Bên cạnh đó, các mô hình họ HEC
cũng được sử dụng rộng rãi và cho kết qủa 2.3. Sơ đồ dự báo dòng chảy lũ khi kết
tốt. Các mô hình loại này rất dễ sử dụng và hợp SWAT và HEC RAS
được cung cấp miễn phí. Tuy nhiên cũng như Thông qua modul mưa dòng chảy, trước
NAM, HEC-HMS cũng là mô hình tất định tiên SWAT sẽ xét ảnh hưởng của mưa, địa
thông số tập trung, các yếu tố như địa hình, hình, sử dụng đất và thổ nhưỡng để xác định
loại đất, loại hình sử dụng đất chưa được lưu lượng đến cửa ra của lưu vực. Trong các
đánh giá đúng với tầm quan trọng của nó. nghiên cứu trước đây mô hình SWAT được
Để khắc phục điều này, mô hình SWATlà sử dụng với các bước thời gian ngày, tháng
một lựa chọn rất phù hợp khi kết hợp với các hoặc năm. Tuy nhiên các bước thời gian này
mô hình thủy lực như HEC-RAS. Sự kết hợp là không thích hợp khi mô phỏng dòng chảy
này giúp cho quá trình tính toán mưa dòng lũ. Trong nghiên cứu này, modul sub-daily sẽ
chảy trên lưu vực chính xác hơn. Do đó, mục được sử dụng để đưa ra output là kết quả lưu
tiêu của nghiên cứu này là đề xuất và cho lượng dòng chảy theo giờ.Đây là những số
thấy sự phù hợp của công cụ dự báo lũ lưu liệu đầu vào quan trọng,được mô hình HEC-
vực sông bằng mô hình SWAT và HEC RAS. RAS sử dụng để diễn toán dòng chảy trên
Công cụ này này sẽ được áp dụng cho lưu sông và đưa ra quá trình biến đổi độ sâu mực
vực Vu Gia Thu Bồn (VGTB). nước theo thời gian (Hình 1).
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU DEM Bản đồ sử dụng đất Thổ nhưỡng Khí tượng thủy văn
2.1. Mô hình SWAT SWAT
SWAT là mô hình thủy văn bán phân bố. Lưu lượng Q (theo giờ)
Việc mô tả các quá trình thủy văn được chia
làm hai phần chính bao gồm phần xảy ra trên Mặt cắt sông HEC-RAS
lưu vực và phần diễn toán dòng chảytrên hệ Độ sâu mực
thống sông. Phương trình cơ bản của mô hình nước trên sông
thủy văn trong SWAT được thể hiện sau đây:
t Hình 1. Sơ đồ liên kết SWAT
SWt SWo ( Rday Qsurf Ea Wseep Qqw )i
i 1
và HEC RAS mô phỏng dòng chảy lũ
Trong đó SWt tổng lượng nước tại thời 2.4. Khu vực nghiên cứu
điểm t (mm), SWo tổng lượng nước tại thời
điểm ban đầu (mm), Rday lượng mưa tại ngày Nằm ở vùng duyên hải miền Trung Việt
i (mm), Qsurf lưu lượng dòng chảy mặt tại Nam, lưu vực VGTB là khu vực có địa hình
ngày i (mm), Ea bốc hơi ngày i (mm), Qseep ngắn và dốc, lũ lên xuống nhanh, diễn biến
lượng thấm tầng sâu ngàyi (mm) và Qqw lưu phức tạp nên việc dự báo lũ gặp nhiều khó
lượng dòng chảy hồi quy ngàyi (mm). khăn.
2.2. Mô hình HEC-RAS 3. KẾT QUẢ
Mô hình HEC-RAS có khả năng tính toán Mô hình SWAT được thiết lập cho lưu vực
thủy lực chi tiết cho mạng lưới sông kênh. Mô dựa trên 3 bản đồ DEM, sử dụng đất và thổ
hình sử dụng hai phương trình cơ bản là phương nhưỡng. Sơ đồ kết nối mô hình SWAT và
trình liên tục và phương trình động lượng. HEC RAS của lưu vực VGTB được thể hiện
A S Q trên Hình 2. SWAT sẽ chia lưu vực VGTB
ql 0
t t x thành 18 tiểu lưu vực. Mô hình sẽ được hiệu
318
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019. ISBN: 978-604-82-2981-8
chỉnh bởi (trận lũ 11/1998) và kiểm định với tiểu lưu vực 1-9, 12, các biên này sẽ nhập vào
(trận lũ 12/1999) tại hai trạm thủy văn Thành 14 ô chứa bao quanh hệ thống sông VGTB.
Mỹ (Hình 3) trên sông Vu Gia và Nông Sơn Các ô chứa này được chia như hình 4. Mô hình
trên sông Thu Bồn qua đó tìm ra các tham số thủy lực được hiệu chỉnh và kiểm định thông
cho các tiểu lưu vực 11, 13-18. Tham số của qua hệ số nhám tại hai trạm thủy văn Ái Nghĩa
các tiểu lưu vực còn lại sẽ được tìm theo trên sông Vu Gia và Giao Thủy trên sông Thu
nguyên tắc lưu vực tương tự. Bồn. Kết quả kiểm định với nhám lòng sông
Mô hình thủy lực HEC RAS với hai nhánh n=0.03 và nhám bãi n=0.033 tại Ái Nghĩa với
sông chính là Vu Gia từ Thành Mỹ đến cửa trận lũ 12/1999 được thể hiện qua Hình 5.
Hàn và Thu Bồn từ Nông Sơn đến của Hội Biên triều
được trình bày trên Hình 4. Hai sông Này cửa Hàn
được nối với nhau bởi sông Quảng Huế. 10
5
720000 .000000 760000.000000 800000.000000 840000.000000 880000.000000 920000.000000
Ái Nghĩa
Lưu vực Vu Gia - Thu Bồn Biên triều
.
Sông Vu Gia
1790000.000000
1790000.000000
Biên triều 11 8 6 cửa Hội
#
* 9
cửa Hàn
Ái Nghĩa
1
12
3 13
1760000 .000000
1760000 .000000
8 4 * Biên triều
#
cửa Hội 2 1 14
Thành7Mỹ 6 5
2
7
10
#
* 9 Giao Thủy Giao Thủy 4
*
# 3
Nông Sơn Sông Thu Bồn
1730000 .000000
1730000 .000000
12
13
11 Thành Mỹ
15 Nông Sơn
1700000.000000
1700000.000000
16
17
14
Trạm đo mực nước
Trạm đo lưu lượng
18 Hình 4. Sơ đồ thủy lực hệ thống sông VGTB
1670000.000000
1670000.000000
0 5 10 20 30 40
Kilometers
10.0
720000 .000000 760000.000000 800000.000000 840000.000000 880000.000000 920000.000000
8.0
Mực nước (H, m)
Hình 2. Sơ đồ liên kết SWAT+HECRAS 6.0
R2=0.97
cho lưu vực VGTB 4.0
Nash=0.91
8000.0 H mô phỏng H thực đo
a) Q mô phỏng Q thực đo
2.0
7000.0
R2=0.96 0.0
Lưu lượng (Q m3/s)
6000.0 1 25 49 73 97 121 145
Nash=0.95 1 2 3 4 5 6 7 8
5000.0 Thời gian Tháng 12/1999
4000.0
3000.0
2000.0 Hình 5. Kết quả kiểm định tạitrạm Ái Nghĩa
1000.0
0.0
18 1 1925 2049 2173 2297 121
23 145
24 169
25 4. KẾT LUẬN
Thời gian (ngày)
Tháng 11/1998
Nghiên cứu đã đề xuất công cụ dự báo lũ
3000.0 cho lưu vực sông bằng cách kết hợp hai mô
b) Q mô phỏng Q thực đo
2500.0 hình SWAT và HEC RAS. Việc kết hợp hai
Lưu lượng (Q m3/s)
2000.0
R2=0.89
Nash=0.88 mô hình là phù hợp bởi kết quả đầu ra của
1500.0 SWAT là tương thích khi dùng làm dữ liệu
1000.0 đầu vào cho HEC RAS. Kết quả áp dụng cho
500.0 lưu vực VGTB cho thấy lưu lượng và mực
0.0
1
1
2
25
3
49
4
73
5
97 121
6
145
7
169
8
193
9
nước mô phỏng và quan trắc đều có tương
Thời gian (ngày)
Tháng 12/1999 quan cao với R2 và NASH đều lớn hơn 0.85.
Do đó mô hình có thể sử dụng để cho những
Hình 3. Kết quả a) hiệu chính nghiên cứu dự báo tiếp theo.
và b) kiểm định mô hình SWAT
tại trạm Thành Mỹ 5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
Các biên của mô hình thủy lực bao gồm a) [1] Nguyễn Hoàng Sơn 2006 “Nghiên cứu ứng
biên trên là biên lưu lượng tại Thành Mỹ và dụng mô hình dự báo lũ cho sông Vu Gia
Nông Sơn, b) biên dưới là biên mực nước triều Thu Bồn” Tạp chí Khoa học Thủy lợi và
tại cửa Hàn và cửa Hội, c) biên nhập lưu từ các Môi trường, Vol. 45, pp. 1-12.
319
nguon tai.lieu . vn
