Nghiên cứu áp dụng mô hình Mike Flood để khoanh vùng nguy cơ ngập lụt cho địa bàn thành phố Hà Nội

nh dẫn thì cần phải thu nhỏ bước lưới đến mức có thể thể hiện được sự thay đổi của địa hình trong lòng dẫn mà hệ quả của nó là thời gian tính toán tăng lên theo cấp số nhân. Hiện nay mô hình MIKE FLOOD cho phép kết nối mô hình một chiều (MIKE 11) và mô hình hai chiều (MIKE 21) để mô phỏng, xác định khu vực ngập lụt. Đây là bộ mô hình có thể mô tả toàn bộ quá trình thủy văn, thủy lực toàn bộ hệ thống một cách chi tiết. Đồng thời có thể khác phục được các nhược điểm của các phương pháp khác như: phương pháp ảnh vệ tinh, phương pháp trắc địa….và cho phép mô phỏng các kịch bản trong tương lai. Vì vậy mô hình MIKE FLOOD được chọn để khoanh vùng nguy cơ ngập lụt địa bàn thành phố Hà Nội. 2.2. Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE FLOOD 2.2.1. Giới thiệu chung MIKE FLOOD là một công cụ mạnh liên kết mô hình MIKE 11 một chiều và mô hình MIKE 21 hai chiều, để mô phỏng lũ trên một lưu vực và vùng cửa sông, thuộc bộ phần mềm MIKE. Bộ phần mềm MIKE bao gồm: MIKE 11, MIKE 21, MIKE MOUSE, MIKE FLOOD, MIKE VIEW, MIKE SHE, MIKE BASIN được Viện thủy lực Đan Mạch xây dựng để dự báo và điều khiển lũ. Phần mềm này đã được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước bởi nhiều đặc điểm tiện ích: Sử dụng giao diện Window, tương thích với nhiều phần mềm GIS, nhập được số liệu đầu vào từ nhiều nguồn… Hiện tại, phần mềm này vẫn không ngừng được cải tiến để đáp ứng nhu cầu của người sử dụng. 2.2.2. Các nguyên tắc kết nối trong mô hình MIKE FLOOD Mặc dù mô hình MIKE 11 và MIKE 21 có những ưu điểm vượt trội trong việc mô phỏng dòng chảy một chiều trong mạng lưới sông phức tạp (MIKE 11) và có thể mô phỏng bức tranh hai chiều của dòng chảy tràn trên bề mặt đồng ruộng (MIKE 21), Hình 2.5. 43 Hình 2.5. Các thành phần theo phương x và y Tuy nhiên, chúng vẫn còn một số hạn chế trong việc mô phỏng ngập lụt sau vỡ đập. Đối với MIKE 11, sẽ rất khó khăn để mô phỏng dòng chảy tràn nếu không biết trước một số khu chứa và hướng chảy, không mô tả được trường vận tốc trên mặt ruộng hoặc khu chứa, còn trong MIKE 21, nếu muốn vừa tính toán dòng tràn trên bề mặt ruộng, vừa muốn nghiên cứu dòng chảy chủ lưu trong các kênh dẫn thì cần phải thu nhỏ bước lưới đến mức có thể thể hiện được sự thay đổi của địa hình trong lòng dẫn mà hệ quả của nó là thời gian tính toán tăng lên theo cấp số nhân. Để kết hợp các ưu điểm của cả mô hình một và hai chiều đồng thời khắc phục được các nhược điểm của chúng, MIKE FLOOD cho phép kết nối 2 mô hình MIKE 11 và MIKE 21 trong quá trình tính toán, tăng bước lưới của mô hình (nghĩa là giảm thời gian tính toán) nhưng vẫn mô phỏng được cả dòng chảy trong lòng dẫn và trên mặt ruộng hoặc ô chứa. Trong MIKE FLOOD có 4 loại kết nối sau đây giữa mô hình một và hai chiều: 1. Kết nối tiêu chuẩn Trong kết nối này, thì một hoặc nhiều ô lưới của MIKE 21 sẽ được liên kết với một đầu của phân đoạn sông trong MIKE 11. Loại kết nối này rất thuận tiện cho việc nối một lưới chi tiết của MIKE21 với một hệ thống mạng lưới sông lớn hơn 44 trong MIKE 11, hoặc nối các công trình trong mô hình MIKE 21. Các cách áp dụng có thể của nó được chỉ ra trong hình 2.6 dưới đây. Hình 2.6. Các ứng dụng trong kết nối tiêu chuẩn 2. Kết nối bên Kết nối bên cho phép một chuỗi các ô lưới trong MIKE 21 có thể liên kết vào hai bên của một đoạn sông, một mặt cắt trong đoạn sông hoặc toàn bộ một nhánh sông trong MIKE 11, dòng chảy chảy qua kết nối bên được tính toán bằng cách sử dụng các phương trình của các công trình hoặc các bảng quan hệ Q-H, loại kết nối này đặc biệt hữu ích trong việc tính toán dòng chảy tràn từ trong kênh dẫn ra khu ruộng hoặc bãi, nơi mà dòng chảy tràn qua bờ đê bối sẽ được tính bằng công thức đập tràn đỉnh rộng. Một ví dụ của loại kết nối này được minh họa trong hình 2.7. Hình 2.7. Một ứng dụng trong kết nối bên 45 3. Kết nối công trình (ẩn) Kết nối công trình là nét mới đầu tiên trong một loạt các cải tiến dự định trong MIKE FLOOD, kết nối công trình lấy thành phần dòng chảy từ một công trình trong MIKE 11 và đưa chúng trực tiếp vào trong phương trình động lượng của MIKE 21, quá trình này là ẩn hoàn toàn và vì thế không ảnh hưởng đến các bước thời gian trong MIKE 21. Ví dụ về loại kết nối này được minh họa trong hình 2.8. Hình 2.8. Một ví dụ trong kết nối công trình 4. Kết nối khô (zero flow link) Một ô lưới MIKE 21 được gán là kết nối khô theo chiều x sẽ không có dòng chảy chảy qua phía bên phải của ô lưới đó. Tương tự, một kết nối khô theo chiều y sẽ không có dòng chảy chảy qua phía trên của nó. Các kết nối khô này được phát triển để bổ sung cho các kết nối bên. Để chắc chắn rằng dòng chảy tràn trong MIKE 21 không cắt ngang từ bờ này sang bờ kia của sông mà không liên kết với MIKE 11, các kết nối khô này được đưa vào để đóng các dòng trong MIKE 21. Một cách khác để sử dụng kết nối khô là gán cho các ô lưới là đất cao, mà tùy thuộc vào độ phân giải của lưới tính có thể chưa mô tả được. Kết nối khô cũng được sử dụng để mô tả các dải phân cách hẹp trong đồng ruộng ví dụ như đê bối, đường, ... và khi đó thay vì sử dụng một chuỗi các ô lưới được định nghĩa là đất cao thì nên sử dụng chuỗi các kết nối khô. 46 Sử dụng các kết nối trên đây ta có thể dễ dàng liên kết hai mạng lưới tính trong mô hình một chiều và hai chiều với nhau. Khi chạy mô hình, để liên kết chúng, MIKE FLOOD cung cấp 3 kiểu liên kết sau đây tùy thuộc vào mục đích sử dụng mô hình: Liên kết động lực: các kết nối sẽ chỉ chuyển các thông tin và thủy động lực (cần thiết cho các tính toán trong MIKE 11 và MIKE 21). Liên kết truyền tải chất: các kết nối chỉ truyền các thông tin liên quan đến các quá trình vận tải và khuyếch tán (cần thiết cho các tính toán trong MIKE 11 và MIKE 21). Liên kết cả động lực và truyền tải chất. Các lựa chọn này sẽ được người sử dụng dễ dàng lựa chọn thông qua các hộp thoại trong mô hình. 2.2.3. Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE 11 1) Hệ phương trình Mô hình MIKE 11 là mô hình tính toán mạng sông dựa trên việc giải hệ phương trình một chiều Saint –Venant, với các giả thiết cơ bản sau đây: - Chất lỏng (nước) là không nén được và đồng nhất (xem như không có sự khác biệt về trọng lượng riêng của nước). - Độ dốc đáy sông (kênh) là tương đối nhỏ. - Chiều dài sóng là tương đối dài so với độ sâu dòng chảy (điều kiện nước nông – xem rằng tại mọi điểm trong hệ thống, véc-tơ lưu tốc luôn song song với đáy kênh và không có sự biến đổi của lưu tốc theo phương thẳng đứng, từ đó có thể áp dụng giả thiết áp suất thủy tĩnh trong dòng chảy). - Dòng chảy trong hệ thống là dòng chảy êm (số Froude lớn hơn 1). Hệ phương trình Saint-Venant bao gồm hai phương trình: Phương trình liên tục: q t A x Q       (2.1) Phương trình chuyển động: 47 02 2                ARC QgQ x hgA x A Q t Q  (2.2) trong đó: A là diện tích mặt cắt ngang (m2); t là thời gian (s); Q là lưu lượng nước (m3/s); x là biến không gian; q là lưu lượng gia nhập dọc theo một đơn vị chiều dài sông( sm2 ); g là gia tốc trọng trường (m/s2); h là độ sâu dòng nước (m) ; R là bán kính thủy lực (m);  là hệ số động lượng; C là hệ số Chezy yRn C 1 , theo Manning y = 1/6. 2) Phương pháp giải Hệ phương trình Saint – Venant về nguyên lý là không giải được bằng các phương pháp giải tích, vì thế trong thực tế tính toán người ta phải giải gần đúng bằng cách rời rạc hóa hệ phương trình. Có nhiều phương pháp rời rạc hóa hệ phương trình, và trong mô hình MIKE 11, đã sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott. Hình 2.9 mô tả các cách bố trí sơ đồ Abbott 6 điểm với các phương trình và các biến trong mặt phẳng x~t. (a) (b) Hình 2.9. a) Sơ đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott; b) Sơ đồ sai phân 6 điểm ẩn Abbott trong mặt phẳng x~t 48 Trong phương pháp này, mực nước và lưu lượng dọc theo các nhánh sông được tính trong hệ thống các điểm lưới xen kẽ như trong hình 2.10. Hình 2.10. Nhánh sông với các điểm lưới xen kẽ Mô hình cho phép giải hệ phương trình cho nhiều nhánh sông và các điểm tại các phân lưu/nhập lưu, cấu trúc của các nút lưới ở nhập lưu, tại đó ba nhánh gặp nhau, thể hiện trong hình 2.11. Cấu trúc các điểm lưới trong mạng vòng được thể hiện trong hình 2.11. Tại một điểm lưới, mối quan hệ giữa biến số Zj (cả mực nước hj và lưu lượng Qj) tại chính điểm đó và tại các điểm lân cận được thể hiện bằng phương trình tuyến tính sau: j n jj n jj n jj ZZZ       1 1 11 1 (2.3) Quy ước các chỉ số dưới của các thành phần trong phương trình biểu thị vị trí dọc theo nhánh, và chỉ số trên chỉ khoảng thời gian. Các hệ số , ,  và  trong phương trình (2.3) tại các điểm h và tại các điểm Q được tính bằng sai phân hiện đối với phương trình liên tục và với phương trình động lượng. Tất cả các điểm lưới theo phương trình (2.3) được thiết lập. Giả sử một nhánh có n điểm lưới; nếu n là số lẻ, điểm đầu và cuối trong một nhánh luôn luôn là điểm h. Điều này làm cho n phương trình tuyến tính có n+2 ẩn số. Hai ẩn số chưa biết là do các phương trình được đặt tại điểm đầu và điểm cuối h, tại đó Zj-1và Zj+1 là mực nước, theo đó phần đầu/cuối của nhánh phân/nhập lưu được liên kết với nhau. 49 (a) (b) Hình 2.11. a) Cấu trúc các điểm lưới xung quanh điểm nhập lưu; b) Cấu trúc các điểm lưới trong mạng vòng Điều kiện biên và điều kiện ban đầu: Hệ phương trình Saint - Venant khi được rời rạc theo không gian và thời gian sẽ gồm có số lượng phương trình luôn ít hơn số biến số, vì thế để khép kín hệ phương trình này cần phải có các điều kiện biên và điều kiện ban đầu. Trong mô hình MIKE 11, điều kiện biên của mô hình khá linh hoạt, có thể là điều kiện biên hở hoặc điều kiện biên kín. Điều kiện biên kín là điều kiện tại biên đó không có trao đổi nước với bên ngoài, điều kiện biên hở có thể là đường quá trình của mực nước theo thời gian hoặc của lưu lượng theo thời gian, hoặc có thể là hằng số. Các điều kiện ban đầu bao gồm mực nước và lưu lượng trên khu vực tính toán tại thời điểm ban đầu. Thường lấy lưu lượng xấp xỉ bằng 0, còn mực nước lấy bằng mực nước trung bình. 50 Điều kiện ổn định: Để sơ đồ sai phân hữu hạn ổn định và chính xác, cần tuân thủ điều kiện Courant. Điều kiện Courant được sử dụng để chọn bước thời gian t và x phù hợp. Điển hình, giá trị của Cr thường từ 10 đến 15, nhưng các giá trị lớn hơn (lên đến 100) đã được sử dụng:  x gyVt Cr    )( (2.4) trong đó : V là vận tốc dòng chảy; Cr là tốc độ truyền sóng nước nông (biên độ nhỏ). Số Courant biểu thị số các điểm lưới trong một bước sóng phát sinh từ một nhiễu động di chuyển trong một bước thời gian. Sơ đồ sai phân hữu hạn dùng trong MIKE 11 (sơ đồ 6 điểm Abbott), cho phép số Courant từ 10 - 20 nếu dòng chảy dưới phân giới (số Froude nhỏ hơn 1). Hệ phương trình này được giải thông qua thuật toán quét đúp. Việc giải được áp dụng cho nhánh sông đơn cũng như toàn hệ thống sông. Lưới tính toán bao gồm có các điểm h (mực nước) và Q (lưu lượng) xem kẽ nhau. Dữ liệu mặt cắt ngang được cho tại điểm h và điểm Q được tự động đặt vào giữa 2 điểm h kề nhau. Những ứng dụng liên quan tới MIKE11 bao gồm: Dự báo lũ và quá trình hoạt động hồ chứa; mô phỏng biện pháp điều hòa lũ; quá trình hoạt động của hệ thống tưới tiêu; thiết kế hệ thống kênh; nghiên cứu triều dâng trên sông và cửa sông. 2.2.4. Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE 21 Hệ phương trình cơ bản sử dụng trong mô hình MIKE 21 bao gồm 1 phương trình liên tục và 2 phương trình chuyển động: Phương trình liên tục: t d y q x p t            (2.5) Phương trình chuyển động: 51       0 1 22 222                                        a w x qxyxx w p x hfVV h y h xhC qpgp x gh h pq yh p xt p     (2.6)       0 1 22 222                                        a w y qxyyy w p xy hfVV h x h yhC qpgp y gh h pq xh p yt p     (2.7) Trong đó: ),,( tyx : mực nước (m) ),,( tyxh : độ sâu dòng chảy (m) dh   ),,( tyxd : cao độ đáy (m) ),,(),,,( tyxqtyxp : lưu lượng đơn vị theo phương x và y C(x,y): hệ số Chezy (m0.5/s) g: gia tốc trọng trường (m/s2) f(V): hệ số sức cản của gió V,Vx,Vy(x,y,t): vận tốc của gió theo phương x và y ),( yx : hệ số Coriolit ),,( tyxpa : áp suất khí quyển (kg/m/s2) W : khối lượng riêng của nước. yyxyxx  ,, : thành phần ma sát bên Để giải hệ phương trình trên, người ta đó sử dụng phương pháp ADI (Alternating Direction Implicit) để sai phân hoá theo lưới không gian - thời gian. Hệ phương trình theo từng phương và tại mỗi điểm trong lưới được giải theo phương pháp Double Sweep (DS). 52 2.2.5. Cơ sở lý thuyết mô hình NAM Cấu trúc mô hình NAM được xây dựng trên nguyên tắc các hồ chứa theo chiều thẳng đứng và các hồ chứa tuyến tính, gồm có 5 bể chứa theo chiều thẳng đứng như hình 2.12. - Bể chứa tuyết tan được kiểm soát bằng các điều kiện nhiệt độ. Đối với điều kiện khí hậu nhiệt đới ở nước ta thì không xét đến bể chứa này. - Bể chứa mặt: lượng nước ở bể chứa này bao gồm lượng nước mưa do lớp phủ thực vật chặn lại, lượng nước đọng lại trong các chỗ trũng và lượng nước trong tầng sát mặt. Giới hạn trên của bể chứa này được ký hiệu bằng Umax. - Bể chứa tầng dưới: là vùng đất có rễ cây nên cây cối có thể hút nước cho bốc, thoát hơi. Giới hạn trên của lượng nước trong bể chứa này được ký hiệu là Lmax, lượng nước hiện tại được ký hiệu là L và tỷ số L/Lmax biểu thị trạng thái ẩm của bể chứa. - Bể chứa nước ngầm tầng trên. - Bể chứa nước ngầm tầng dưới. Mưa hoặc tuyết tan đều đi vào bể chứa mặt. Lượng nước (U) trong bể chứa mặt liên tục cung cấp cho bốc hơi và thấm ngang thành dòng chảy sát mặt. Khi U đạt đến Umax, lượng nước thừa là dòng chảy tràn trực tiếp ra sông và một phần còn lại sẽ thấm xuống các bể chứa tầng dưới và bể chứa ngầm. Nước trong bể chứa tầng dưới liên tục cung cấp cho bốc thoát hơi và thấm xuống bể chứa ngầm, lượng cấp nước ngầm được phân chia thành hai bể chứa: tầng trên và tầng dưới, hoạt động như các hồ chứa tuyến tính với các hằng số thời gian khác nhau. Hai bể chứa này liên tục chảy ra sông tạo thành dòng chảy cơ bản. Dòng chảy tràn và dòng chảy sát mặt được diễn toán qua một hồ chứa tuyến tính thứ nhất, sau đó các thành phần dòng chảy được cộng lại và diễn toán qua hồ chứa tuyến tính thứ hai. Cuối cùng cũng thu được dòng chảy tổng cộng tại cửa ra. 1. Các thống số của mô hình NAM Mô hình có các thông số cơ bản sau: 53 - CQOF: Hệ số dòng chảy tràn không có thứ nguyên, có phạm vi biến đổi từ 0.0 đến 0.9, phản ánh điều kiện thấm và cấp nước ngầm. Vì vậy nó ảnh hưởng nhiều đến tổng lượng dòng chảy và đoạn cuối của đường rút. Thông số này rất quan trọng vì nó quyết định phần nước dư thừa để tạo thành dòng chảy tràn và lượng nước thấm. Các lưu vực có địa hình bằng phẳng, cấu tạo bởi cát thô thì giá trị CQOF tương đối nhỏ, ở những lưu vực mà tính thấm nước của thổ nhưỡng kém như sét, đá tảng thì giá trị của nó sẽ rất lớn. - CQIF: Hệ số dòng chảy sát mặt, có thứ nguyên là thời gian (giờ)-1. Nó chính là phần của lượng nước trong bể chứa mặt (U) chảy sinh ra dòng chảy sát mặt trong một đơn vị thời gian. Thông số này ảnh hưởng không lớn đến tổng lượng lũ, đường rút nước. - CBL: là thông số dòng chảy ngầm, được dùng để chia dòng chảy ngầm ra làm hai thành phần: BFU và BFL. Trường hợp dòng chảy ngầm không quan trọng thì có thể chỉ dùng một trong 2 bể chứa nước ngầm, khi đó chỉ cần CBFL=0, tức là lượng cấp nước ngầm đều đi vào bể chứa ngầm tầng trên. - CKOF, CKIF: Là các ngưỡng dưới của các bể chứa để sinh dòng chảy tràn, dòng chảy sát mặt và dòng chảy ngầm, các thông số này không có thứ nguyên và có giá trị nhỏ hơn 1. Chúng có liên quan đến độ ẩm trong đất, khi các giá trị của ngưỡng này nhỏ hơn L/Lmax thì sẽ không có dòng chảy tràn, dòng chảy sát mặt và dòng chảy ngầm. Về ý nghĩa vật lý, các thông số này phản ánh mức độ biến đổi trong không gian của các đặc trưng lưu vực sông. Do vậy, giá trị các ngưỡng của lưu vực nhỏ thường lớn so với lưu vực lớn. - Umax, Lmax: Thông số biểu diễn khả năng chứa tối đa của các bể chứa tầng trên và tầng dưới. Do vậy, Umax và Lmax chính là lượng tổn thất ban đầu lớn nhất, phụ thuộc và điều kiện mặt đệm của lưu vực. Một đặc điểm của mô hình là lượng chứa Umax phải nằm trong sức chứa tối đa trước khi có lượng mưa vượt thấm, khi đó lượng nước thừa sẽ PN xuất hiện, tức là U< Umax. Do đó trong thời kỳ khô hạn, tổn thất của lượng mưa trước khi có dòng chảy tràn xuất hiện có thể được lấy làm Umax ban đầu. 54 - CK1,2, CKBF: là các hằng số thời gian biểu thị thời gian tập trung nước. Chúng là các thông số rất quan trọng, ảnh hưởng đến dạng đường quá trình và đỉnh. Hình 2.12. Cấu trúc của mô hình NAM 2. Thành phần cơ bản của mô hình NAM Lượng trữ bề mặt: Lượng ẩm bị chắn lại bởi thực vật cũng như được trữ trong các chỗ trũng trên tầng trên cùng của bề mặt đất được coi là lượng trữ bề mặt. Umax biểu thị giới hạn trên của tổng lượng nước trong lượng trữ bề mặt. Tổng lượng nước U trong lượng trữ bề mặt liên tục bị giảm do bốc hơi cũng như do thấm ngang. Khi lượng trữ bề mặt đạt đến mức tối đa, một lượng nước thừa PN sẽ gia nhập vào sông với vai trò là dòng chảy tràn trong khi lượng còn lại sẽ thấm vào tầng thấp bên dưới và tầng ngầm. 55 Lượng trữ tầng thấp hay lượng trữ tầng rễ cây: Độ ẩm trong tầng rễ cây, lớp đất bên dưới bề mặt đất, tại đó thực vật có thể hút nước để bốc thoát hơi đặc trưng cho lượng trữ tầng thấp. Lmax biểu thị giới hạn trên của tổng lượng nước trữ trong tầng này. Độ ẩm trong lượng trữ tầng thấp cung cấp cho bốc thoát hơi thực vật, độ ẩm trong tầng này điều chỉnh tổng lượng nước gia nhập vào lượng trữ tầng ngầm, thành phần dòng chảy mặt, dòng sát mặt và lượng gia nhập lại. Bốc thoát hơi nước: Nhu cầu bốc thoát hơi đầu tiên được thoả mãn từ lượng trữ bề mặt với tốc độ tiềm năng. Nếu lượng ẩm U trong lượng trữ bề mặt nhỏ hơn yêu cầu (U < Ep) thì phần còn thiếu được coi rằng là do các hoạt động của rễ cây rút ra từ lượng trữ tầng thấp theo tốc độ thực tế Ea. Ea tương ứng với lượng bốc hơi tiềm năng và biến đổi tuyến tính theo quan hệ lượng trữ ẩm trong đất, L/Lmax, của lượng trữ ẩm tầng thấp. (2.8) Dòng chảy mặt: Khi lượng trữ bề mặt đã tràn, U > Umax, thì lượng nước thừa PN sẽ gia nhập vào thành phần dòng chảy mặt. Thông số QOF đặc trưng cho phần nước thừa PN đóng góp vào dòng chảy mặt. Nó được giả thiết là tương ứng với PN và biến đổi tuyến tính theo quan hệ lượng trữ ẩm đất, L/Lmax, của lượng trữ ẩm tầng thấp. (2.9) trong đó: CQOF = hệ số dòng chảy tràn trên mặt đất (0 ≤ CQOF ≤ 1), TOF = giá trị ngưỡng của dòng chảy tràn (0 ≤ TOF ≤ 1). Phần lượng nước thừa PN không tham gia vào thành phần dòng chảy tràn sẽ thấm xuống lượng trữ tầng thấp. Một phần trong đó, ∆L, của nước có sẵn cho thấm, (PN-QOF), được giả thiết sẽ làm tăng lượng lượng ẩm L trong lượng trữ ẩm tầng 56 thấp. Lượng ẩm còn lại, G, được giả thiết sẽ thấm sâu hơn và gia nhập lại vào lượng trữ tầng ngầm. Dòng chảy sát mặt: Sự đóng góp của dòng chảy sát mặt, QIF, được giả thiết là tương ứng với U và biến đổi tuyến tính theo quan hệ lượng chứa ẩm của lượng trữ tầng thấp. (2.10) trong đó CKIF là hằng số thời gian dòng chảy sát mặt và TIF là giá trị ngưỡng tầng rễ cây của dòng sát mặt (0 ≤ TIF ≤ 1). Diễn toán dòng chảy mặt và dòng sát mặt: Dòng sát mặt được diễn toán qua chuỗi hai hồ chứa tuyến tính với cùng một hằng số thời gian CK12, diễn toán dòng chảy mặt cũng dựa trên khái niệm hồ chứa tuyến tính nhưng với hằng số thời gian có thể biến đổi. (2.11) trong đó OF là dòng chảy tràn (mm/hr) OFmin là giới hạn trên của diễn toán tuyến tính (= 0,4 mm/giờ), và õ = 0,4. Hằng số õ = 0,4 tương ứng với việc sử dụng công thức Manning để mô phỏng dòng chảy mặt. Theo phương trình trên, diễn toán dòng chảy mặt được tính bằng phương pháp sóng động học, và dòng chảy sát mặt được tính theo mô hình NAM như dòng chảy mặt (trong lưu vực không có thành phần dòng chảy mặt) được diễn toán như một hồ chứa tuyến tính. Lượng gia nhập nước ngầm: Tổng lượng nước thấm G gia nhập vào lượng trữ nước ngầm phụ thuộc vào độ ẩm chứa trong đất trong tầng rễ cây. 57 (2.11) trong đó TG là giá trị ngưỡng tầng rễ cây đối với lượng gia nhập nước ngầm (0 ≤ TG ≤ 1). Độ ẩm chứa trong đất: Lượng trữ tầng thấp biểu thị lượng nước chứa trong tầng rễ cây. Sau khi phân chia mưa giữa dòng chảy mặt và dòng thấm xuống tầng ngầm, lượng nước mưa còn lại sẽ đóng góp vào lượng chứa ẩm (L) trong lượng trữ tầng thấp một lượng ∆L. (2.11) Dòng chảy cơ bản: Dòng chảy cơ bản BF từ lượng trữ tầng ngầm được tính toán như dòng chảy ra từ một hồ chứa tuyến tính với hằng số thời gian CKBF. 3. Dữ liệu đầu vào cho mô hình NAM Yêu cầu đầu vào cơ bản của mô hình NAM gồm: - Điều kiện lưu vực: diện tích lưu vực, sự phân chia các lưu vực con; - Điều kiện ban đầu; - Số liệu khí tượng bao gồm mưa và bốc hơi; - Số liệu lưu lượng để hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình; Việc xử lý số liệu mưa đầu vào của mô hình phụ thuộc vào mục đích nghiên cứu và mức độ phản ứng của lưu vực, nhiều trường hợp chỉ yêu cầu đầu vào là mưa ngày nhưng với lưu vực phản ứng nhanh, yêu cầu mô phỏng chính xác dòng chảy đỉnh lũ thì yêu cầu số liệu mưa đầu vào với thời gian quan trắc ngắn hơn. Số liệu mưa với bất kỳ thời khoảng nào đều có thể được sử dụng làm đầu vào của mô hình, mô hình NAM sau đó sẽ thực hiện việc nội suy cần thiết theo các bước thời gian tính toán. Khi sử dụng bước thời gian ngày chỉ yêu cầu giá trị bốc hơi trung bình tháng là đủ, đối với những bước thời gian nhỏ thì sự biến đổi hàng ngày của bốc hơi là rất 58 quan trọng. Số liệu bốc hơi được xử lý như là tổng lượng tích luỹ mà theo đó bốc hơi ở bất cứ thời điểm nào đều là bốc hơi tính từ giá trị trước. Mô hình NAM là một mô hình thông số tập trung, vì vậy cần phải kết hợp số liệu khí tượng từ các trạm khác nhau trong lưu vực hay trong lưu vực con thành chuỗi số liệu trung bình có trọng số. Chuỗi số liệu kết quả sẽ biểu thị các giá trị mưa và bốc hơi tiềm năng theo diện tích thực đối với mỗi lưu vực. Trọng số được xác định bởi người sử dụng mô hình và có thể được thực hiện theo phương pháp đa giác Thiessen. Trong hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình, số liệu lưu lượng quan trắc tại vị trí cửa ra của lưu vực được dùng để so sánh với lưu lượng được tính toán bởi mô hình. 59 CHƯƠNG 3. ÁP DỤNG MÔ HÌNH MIKE FLOOD ĐỂ KHOANH VÙNG NGUY CƠ NGẬP LỤT CHO ĐỊA BÀN THÀNH PHỐ HÀ NỘI 3.1. Xây dựng cơ sở dữ liệu Để khoanh vùng nguy cơ ngập lụt cho khu vực Hà Nội bằng mô hình MIKE FLOOD, công tác chuẩn bị các dữ liệu đầu vào cùng các thông số đòi hỏi nhiều thời gian và khá phức tạp, các dữ liệu đầu vào có vai trò hết sức quan trọng vì nó quyết định độ chính xác của mô hình. Các dữ liệu được sử dụng trong mô hình gồm: Các loại bản đồ địa hình tỷ lệ 1/25.000; bản đồ cao độ số (DEM) với độ phân giải (15x15)m; dữ liệu địa hình mặt cắt ngang lòng dẫn; dữ liệu khí tượng thủy văn; các thông tin về tình hình ngập lụt (vết lũ, nguy cơ, diện tích, mức độ ảnh hưởng,…); hệ thống các công trình tiêu, thoát nước. 1. Bản đồ địa hình tỷ lệ 1/25.000 với bảy lớp thông tin gồm: địa hình, ranh giới hành chính, giao thông, thảm phủ thực vật, hệ thống sông ngòi, cơ sở, dân cư. Các bản đồ này được sử dụng làm bản đồ nền để thể hiện kết quả khoanh vùng ngập lụt khu vực Hà Nội. 2. Mô hình cao độ số (DEM) với độ phân giải (15x15)m: trên dữ liệu bản đồ địa hình tỷ lệ 1: 25.000 tiến hành gán thuộc tính của các đường đồng mức, thuộc tính của các điểm cao độ, sau đó sẽ xây dựng mô hình cao độ số để làm đầu vào dưới dạng nền địa hình cho mô hình MIKE 21. 3. Dữ liệu địa hình mặt cắt ngang lòng dẫn: được thu thập từ các đề tài, dự án đã thực hiện, số liệu mặt cắt trên các sông được cập nhật đến năm 2010. 4. Dữ liệu khí tượng thủy văn: dữ liệu khí tượng thủy văn được sử dụng làm đầu vào của mô hình gồm số liệu lưu lượng giờ tại trạm Sơn Tây; số liệu mực nước giờ tại trạm Hưng Yên, Thượng Cát, Ba Thá, Phủ Lý; số liệu mưa giờ và bốc hơi ngày trạm Láng, Sơn Tây, Hà Đông, Ba Thá, Lâm Sơn. 3.2. Thiết lập mô hình một chiều MIKE 11 3.2.1. Thiết lập mô hình thủy lực mạng sông 1. Mạng sông mô phỏng 60 Phạm vi mô phỏng thủy lực mô hình MIKE 11 là đoạn sông Hồng từ Sơn Tây đến Hưng Yên và toàn bộ các nhánh sông chính nằm ở bờ Hữu sông Hồng chảy qua địa bàn thành phố Hà Nội bao gồm: Sông Đáy, Sông Tích, Sông Nhuệ.... Mạng sông được thiết lập dựa trên bản đồ số khu vực Hà Nội gồm 16 đoạn sông chính với 1001 mặt cắt, trong đó sông Đáy gồm 269 mặt cắt, sông Nhuệ 201 mặt cắt. Sơ đồ mạng lưới sông và các thông số mạng lưới sông tính toán được thể hiện trong Hình 3.1 và Bảng 3.1. Hình 3.1. Sơ đồ tính toán thủy lực hệ thống sông chảy qua địa bàn Hà Nội Bảng 3.1. Số liệu mặt cắt, chiều dài lòng sông của khu vực nghiên cứu STT Tên Sông Số MCN Chiều dài sông (m) Kết nối biên trên Khoảng cách (m) Kết nối biên dưới Khoảng cách (m) 1 SongDuong 07 2530 SongHong 62557 2 TICH 113 69000 BUI 0 3 DAY 269 136004 4 BUI 45 24130 DAY 59980 5 VAN COC W 03 40 DAY G 0 6 VAN COC C 03 40 DAY G 0 61 STT Tên Sông Số MCN Chiều dài sông (m) Kết nối biên trên Khoảng cách (m) Kết nối biên dưới Khoảng cách (m) 7 DAY G 02 42 DAY 506 8 Songchaugiang 38 22000 songnhue 74511 9 Tolich 53 15957 songnhue 18346 10 La Khe 33 6600 songnhue 13950 DAY 26569 11 Song Set 32 6700 kimnguu 8884 12 trambomyenso 11 2812 kimnguu 6973 SongHong 78187 13 kimnguu 36 12000 Tolich 14962 14 songnhue 201 75000 DAY 126122 15 SongHong 138 151038 16 Vandinh 17 11800 DAY 80660 songnhue 45900 2. Mặt cắt sông Các sông trong hệ thống được đưa vào mô hình dưới dạng cơ sở dữ liệu mặt cắt. Trên các mặt cắt được đánh dấu các điểm bờ đê phía bờ trái, bờ phải, điểm đáy lòng sông - điểm sâu nhất của mặt cắt (Hình 3.2). Số mặt cắt, vị trí kết nối của các sông được thống kê trong Bảng 3.1 ở trên. Hình 3.2. Mặt cắt ngang tại vị trí 6.062 m trên sông Nhuệ 62 3. Điều kiện biên của mô hình Do toàn bộ lượng nước trên sông Tô Lịch, sông Kim Ngưu, Sông Sét được bơm ra sông Hồng qua trạm bơn Yên Sở, bởi vậy trong bài toán thủy lực một chiều MIKE 11, các biên trên Sông Tô Lịch, sông Sét, Sông Kim Ngưu được giả thiết như là biên đóng. Trạm bơm Yên Sở được giả thiết là kết nối công trình cấp nước cho sông Hồng với công suất 45m3/s. Các biên được sử dụng làm biên đầu vào của mô hình bao gồm biên lưu lượng của lưu vực sông Tích, lưu vực sông Đáy, lưu vực sông Nhuệ, trạm Sơn Tây và biên mực nước tại trạm Thượng Cát, Hưng Yên, Phủ Lý. Các trạm dùng để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình là các trạm đo mực nước tại trạm Ba Thá và trạm Hà Nội. Các biên lưu lượng và mực nước được lấy dưới dạng lưu lượng và mực nước từng giờ và được lưu giữ dưới dạng file.dfs0. 3.2.2. Tính toán các biên đầu vào cho mô hình MIKE 11 bằng mô hình NAM Trên lưu vực sông Tích, sông Nhuệ, sông Đáy không có trạm quan trắc lưu lượng, vì vậy để tính toán lượng nước đến từ các lưu vực làm biên đầu vào của mô hình MIKE 11 đã sử dụng mô hình NAM để tính toán lượng nước đến cho các lưu vực kể trên, trong đó lưu vực Ba Thá được chọn làm lưu tương tự vì đây là lưu vực có diện tích, điều kiện tự nhiên và độ dốc lưu vực khá tương đồng với các lưu vực cần tính toán. Từ kết quả hiệu chỉnh và kiểm định, xác định bộ thông số mô hình NAM, sử dụng bộ thông số tìm được tính toán lưu lượng cho lưu vực sông Tích, sông Nhuệ, Sông Đáy. Các lưu vực bộ phận được thể hiện trên Hình 3.3. 63 Hình 3.3. Phân chia các lưu vực con trên lưu vực sông Nhuệ - Đáy Sử dụng số liệu lưu lượng giờ từ ngày 07/IX/1976 đến ngày 15/IX/1976 để hiệu chỉnh mô hình và số liệu lưu lượng từ ngày 08/VIII/1978 đến ngày 27/VIII/1978 để kiểm định mô hình. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình được trình bày trong Hình 3.4, Hình 3.5 và Bảng 3.2. 64 Hình 3.4. Kết quả hiệu chỉnh mô hình NAM tại Ba Thá từ 07/IX/1976 – 15/IX/1976 Bảng 3.2. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình NAM tại Ba Thá Kết quả Hiệu chỉnh Kiểm định Chỉ số Nash (%) 87.5% 79.8% Hình 3.5. Kết quả kiểm định mô hình NAM tại Ba Thá từ 08/VIII/1978 – 27/VIII/1978 Từ kết quả hiệu chỉnh và kiểm định, xác định được bộ thông số mô hình, sử dụng bộ thông số tìm được tính toán lưu lượng tại cửa ra của các lưu vực sông Tích, sông Nhuệ, sông Đáy làm biên đầu vào cho mô hình MIKE 11. 3.2.3. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE 11 1. Hiệu chỉnh mô hình 65    2, 1 2 ,, 1 12 obsiobs n i isimiobs n i R HH HH      Sai số giữa mực nước, lưu lượng tính toán và thực đo trong bước hiệu chỉnh mô hình được đánh giá theo chỉ số Nash-Sutcliffe. (3.2) Trong đó: Hobs, i: mực nước thực đo tại thời điểm thứ i; Hsim, i: mực nước tính toán tại thời điểm thứ i; H obs : mực nước thực đo trung bình các thời đoạn. Để hiệu chỉnh mô hình, đã sử dụng trận lũ từ ngày 09/VIII/1996 đến ngày 27/VIII/1996 để hiệu chỉnh mô hình. Kết quả hiệu chỉnh mô hình được trích trong Bảng 3.3, Hình 3.6, Hình 3.7. Kết quả tính toán mực nước tại hai trạm kiểm tra cho thấy có sự phù hợp tốt về pha cũng như độ lớn giữa đường quá trình tính toán và thực đo. Độ lớn của mực nước tại thời điểm xuất hiện đỉnh lũ tính toán có sai số không đáng kể. Để đánh giá về dạng đường quá trình tính toán và thực đo, đã sử dụng chỉ số Nash-Sutcliffe Kết quả cho thấy chỉ số Nash Sutcliffe tại trạm Hà Nội đạt 95%, tại trạm Ba Thá đạt 96%. Như vậy, bằng việc sử dụng bộ dữ liệu lũ 19 ngày lũ (từ 09 đến 27 tháng VIII năm 1996) sau nhiều quá trình hiệu chỉnh đã lựa chọn bộ tham số nhám của mô hình, được thể hiện trong bảng 3.3. Bảng 3.3. Hệ số nhám tại một số vị trí mặt cắt trong hệ thống sông STT Tên sông Vị trí mặt cắt Hệ số nhám bờ trái Hệ số nhám lòng chính Hệ số nhám bờ phải Vân Đình 0 0.04 0.035 0.04 1 Vân Đình 11800 0.04 0.035 0.04 Tích 0 0.055 0.05 0.055 Tích 23750 0.055 0.045 0.05 2 Tích 69000 0.055 0.045 0.055 Nhuệ 0 0.01 0.01 0.01 3 Nhuệ 75000 0.015 0.01 0.015 4 Đáy 0 0.033 0.03 0.033 66 STT Tên sông Vị trí mặt cắt Hệ số nhám bờ trái Hệ số nhám lòng chính Hệ số nhám bờ phải Đáy 2312600 0.033 0.03 0.033 Bùi 0 0.05 0.02 0.035 5 Bùi 24130 0.05 0.02 0.035 Hồng 30567 0.04 0.033 0.04 Hồng 62002 0.035 0.033 0.035 6 Hong 140003 0.033 0.03 0.033 Đuống 0 0.031 0.029 0.031 7 Đuống 2530 0.031 0.029 0.031 Từ bảng hệ số nhám cho thấy: hệ số nhám của các sông nằm trong phạm vi từ 0.01đến 0.055 Cụ thể, hệ số nhám trên sông Đáy dao động từ 0.03 đến 0.033; trên sông Nhuệ từ 0.01 đến 0.015, trên sông Tích dao động từ 0.045 đến 0.055. trên sông Hồng dao động từ 0.033 đến 0.04…. Bảng 3.4. Kết quả hiệu chỉnh mô hình MIKE 11 Trạm Chỉ số Nash (%) Hà Nội 95 % Ba Thá 96 % 0 2 4 6 8 10 12 14 1 55 109 163 217 271 325 379 433 Thời gian (t) H (m ) H tính toán H thực đo Hình 3.6. Kết quả hiệu chỉnh mô hình MIKE 11 tại trạm Hà Nội từ ngày 09/VIII/1996 đến ngày 27/VIII/1996 67 0 1 2 3 4 5 6 1 55 109 163 217 271 325 379 433 Thời gian (t) H (m ) H tính toán H thực đo Hình 3.7. Kết quả hiệu chỉnh mô hình MIKE 11 tại trạm Ba Thá từ ngày 09/VIII/1996 đến ngày 27/VIII/1996 2. Kiểm định mô hình Kiểm định lại bộ tham số nhằm đánh giá mức độ phù hợp của bộ tham số để mô phỏng thủy lực toàn bộ hệ thống trên cơ sở bộ tham số đã được xác định qua quá trình hiệu chỉnh. Để kiểm định bộ tham số mô hình, đã sử dụng trận lũ từ ngày 10/VIII đến ngày 27/VIII năm 2002. Kết quả kiểm định mô hình được thể hiện trong Bảng 3.5 , Hình 3.8 và Hình 3.9. Từ bảng 3.5 và các Hình 3.8, Hình 3.9 có thể thấy, đường quá trình mực tính toán và đường quá trình mực nước thực đo tại các trạm kiểm tra khá phù hợp. Đường quá trình mực nước tính toán tại Ba Thá bám sát đường quá trình thực đo với chỉ số Nash khoảng 86%. Bảng 3.5. Kết quả kiểm định mô hình MIKE 11 Trạm Chỉ số Nash (%) Hà Nội 91 % Ba Thá 86 % 68 0 2 4 6 8 10 12 14 1 51 101 151 201 251 301 351 401 Thời gian (t) H (m ) H tính toán H thực đo Hình 3.8. Kết quả kiểm định mô hình MIKE 11 tại trạm Hà Nội từ ngày 10/VIII/2002 đến ngày 27/VIII/2002 Qua kết quả hiệu chỉnh và kiểm định bộ thông số của mô hình có một số nhận xét sau: Mô hình mô phỏng cho dòng chảy mùa lũ của hệ thống sông chảy qua địa bàn Hà Nội đạt kết quả tốt. Quá trình lũ thực đo và lũ tính toán là đồng pha, hầu hết tại các vị trí kiểm tra quá trình mực nước giữa tính toán và thực đo là tương đối phù hợp. 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 1 51 101 151 201 251 301 351 401 Thời gian (t) H (m ) H tính toán H thực đo Hình 3.9. Kết quả kiểm định mô hình MIKE 11 tại trạm Ba Thá từ ngày 10/VIII/2002 đến ngày 27/VIII/2002 69 Từ kết quả hiệu chỉnh, kiểm định bộ thông số của mô hình cho thấy các kết quả mô phỏng là khá phù hợp với thực đo và bộ thông số này sẽ được sử dụng để tính toán, mô phỏng thủy lực cho hệ thống sông chảy qua địa bàn Hà Nội. 3.3. Thiết lập mô hình hai chiều MIKE 21 3.3.1. Thiết lập miền tính, lưới tính Miền tính thủy lực hai chiều được xác định là miền có khả năng ngập lụt khi xuất hiện lũ, mưa lớn trên khu vực nghiên cứu. Tại khu vực nghiên cứu miền tính này được xác định dựa vào kết quả phân tích các tài liệu điều tra vết lũ, bản đồ ranh giới ngập lụt được giải đoán từ ảnh vệ tinh, bản đồ địa hình tỷ lệ 1: 25.000 và hệ thống các tuyến đường quốc lộ, hệ thống sông, kênh. Kết quả phân tích đã lựa chọn được miền tính có diện tích khoảng 3229km2, trong đó phần diện tích bên bờ hữu sông Hồng khoảng 2233km2, phần diện tích bên bờ tả sông Hồng khoảng 996km2. Tọa độ miền tính từ 20030’N đến 21022’N và 105018’E đến 106002’E, được thể hiện trong Hình 3.10. Sau khi thiết lập các thông tin chung về miền tính như trên, tiến hành phân chia lưới tính, dạng lưới được sử dụng ở đây là lưới tam giác với diện tích phần tử lớn nhất là: 180000m2, góc nhỏ nhất là 300. Mức độ chi tiết của các khu vực gần sông chính lớn hơn các phần phụ cận, với diện tích các phần tử ở khu vực này nằm trong khoảng từ 2000m2 đến 10 000 m2. Khi đó miền tính được rời rạc hóa thành 135559 phần tử với 18224 nút lưới đáp ứng được các yêu cầu về thời gian tính toán trong mô hình hai chiều, cụ thể: Tổng số phần tử: 35559 Tổng số nút: 18224 Tọa độ x nhỏ nhất: 531966.679 Tọa độ x lớn nhất: 606795.713 Tọa độ y nhỏ nhất: 2267580.69 Tọa độ y lớn nhất: 2362185.71 70 Hình 3.10. Miền tính thủy lực hai chiều của khu vực nghiên cứu 71 Hình 3.11. Lưới địa hình miền tính trong mô hình MIKE 21 3.3.2. Thiết lập địa hình miền tính Một bước quan trọng trong quá trình thiết lập mô hình hai chiều là cần phải thiết lập địa hình miền tính. Dữ liệu này là cơ sở để mô hình mô phỏng các hướng chuyển động của dòng chảy cũng như các tương tác thủy lực của toàn bộ hệ thống. 72 Dữ liệu địa hình miền tính được xác định dựa trên các bản đồ địa hình hoặc từ nguồn dữ liệu mô hình cao độ số (DEM). Trong nghiên cứu này, dữ liệu địa hình miền tính dựa trên bản đồ địa hình tỷ lệ 1:25000. Các dữ liệu dạng đường đồng mức và điểm cao độ được nội suy thành dạng dữ liệu DEM với độ phân giải (15x15)m và sau đó chuyển về tệp có định dạng XYZ (tọa độ theo phương X, tọa độ theo phương Y và cao độ Z). Dữ liệu dạng này (XYZ) sẽ là đầu vào trực tiếp để nội suy cao độ cho các phần nút (sau đó mô hình sẽ tính toán ra cao độ của các phần tử), hình 3.11 và 3.12. Dưới đây là kết quả xác định địa hình của miền tính: Hình 3.12. Bản đồ cao độ số độ cao (Bathymetry) khu vực nghiên cứu 3.3.3. Tính toán các biên đầu vào cho mô hình MIKE 21 bằng mô hình NAM Trong lưu vực nghiên cứu, các biên lưu lượng đầu vào mô hình MIKE 21 chủ yếu là các biên lưu lượng của các lưu vực có lưu lượng đổ vào vùng có khả 73 năng ngập lụt hay còn gọi là lưu vực kết nối bên (kết nối khô), vì vậy để tính toán được lưu lượng của các lưu vực kết nối bên, trước hết cần xác định diện tích hứng nước và vị trí ra nhập của các lưu vực kết nối bên. Việc phân chia lưu vực của các kết nối bên được phân chia dựa theo đường phân thủy. Kết quả phân chia lưu vực của các kết nối bên như trong Hình 3.13, Hình 3.14 và Bảng 3.5. Hình 3.13. Phân chia lưu vực của các lưu vực kết nối bên Lưu vực có khả năng ngập lụt Lưu vực không bị ngập lụt 74 Hình 3.14. Vị trí các biên dạng điểm trong mô hình MIKE 21 Bảng 3.6. Kết quả phân chia lưu vực của các kết nối bên STT Ký hiệu lưu vực Diện tích (km2) 1 VUNG NGAP NHUE_ DAY 2233 2 VUNG NGAP LONG BIEN 996 3 A1 303 4 A2 269 5 A3 134 6 B1 203 7 B2 104 8 B3 51 Do các lưu vực của các kết nối bên không có trạm quan trắc lưu lượng, vì vậy để tính toán lượng nước đến từ các lưu vực của các kết nối bên đã sử dụng lưu vực Lâm Sơn làm lưu vực tương tự. Đây là lưu vực có diện tích, điều kiện tự nhiên và độ dốc lưu vực khá tương đồng với các lưu vực cần tính toán. Qua đó, lưu lượng của các lưu vực kết nối bên được tính toán thông qua bộ thông số của mô hình NAM cho lưu vực khống chế tại trạm thủy văn tương tự Lâm Sơn. Chuỗi số liệu lưu lượng giờ từ ngày 24/VIII/1975 đến ngày 31/VIII/1975 được sử dụng để hiệu chỉnh bộ thông số mô hình và số liệu lưu lượng giờ từ ngày 75 07/VIII/1976 đến ngày 14/VIII/1976 được sử dụng để kiểm định bộ thông số của mô hình. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình được trình bày trong Hình 3.15, Hình 3.16 và Bảng 3.6. Hình 3.15. Kết quả hiệu chỉnh mô hình NAM cho lưu vực Lâm Sơn từ 24/VIII/1975 – 31/VIII/1975 Bảng 3.7. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình NAM cho lưu vực Lâm Sơn Kết quả Hiệu chỉnh Kiểm định Chỉ số Nash (%) 87.1% 90.8% Hình 3.16. Kết quả kiểm định mô hình NAM cho lưu vực Lâm Sơn từ 07/VIII/1976– 14/VIII/1976 76 Từ kết quả hiệu chỉnh và kiểm định đã xác định được bộ thông số của mô hình NAM. Sử dụng bộ thông số tìm được để tính lưu lượng tại các cửa ra của các lưu vực bộ phận, kết quả tính lưu lượng dòng chảy của các lưu vực bộ phận cho trận lũ từ ngày 31/X/2008 đến 04/XI/2008 được thể hiện trong Hình 3.17. Hình 3.17. Kết quả tính lưu lượng gia nhập vùng có nguy cơ ngập lụt của các lưu vực kết nối bên trận mưa lũ từ 30/X-04/XI năm 2008 3.4. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE FLOOD 3.4.1. Hiệu chỉnh mô hình Để hiệu chỉnh mô hình MIKE FLOOD, đã sử dụng trận lũ từ ngày 30/X/2008 đến ngày 09/XI/2008 cùng với bản đồ ngập lụt được thành lập dựa trên ảnh radar của vệ tinh ALOSPALSAR, độ phân giải 12.5m được thu nhận vào ngày 5 và ngày 7 tháng XI năm 2008. Kết quả hiệu chỉnh được thể hiện trong Hình 3.18, Hình 3.19 và Hình 3.21. 77 Hình 18. Kết quả hiệu chỉnh mực nước tại Ba Thá (từ 30/X đến 09/XI năm 2008) Kết quả tính toán đối với đường quá trình mực nước trong sông tại Ba Thá cho thấy có sự phù hợp tốt giữa tính toán và thực đo với chỉ số Nash đạt 87.5%, tuy còn một số thời điểm khi lũ thấp, mực nước tính toán và thực đo có sự khác biệt đáng kể. 78 Hình 3.19. Kết quả mô phỏng ngập lụt ngày 05/XI/2008 Hình 3.20. Ngập lụt chụp từ ảnh vệ tinh ngày 05/XI/2008 Hình 3.21. Kết quả mô phỏng ngập lụt ngày 07/XI/2008 Hình 3.22. Ngập lụt chụp từ ảnh vệ tinh ngày 07/XI/2008 79 Đối với diện ngập, tại hai thời điểm có tư liệu ngập từ ảnh vệ tinh cho thấy kết quả mô phỏng về diện có sự phù hợp khá tốt về ranh giới ngập lụt. Cụ thể đối với thời điểm ngày 05 tháng XI thì tổng diện tích ngập được xác định qua ảnh vệ tinh là 1260.9 km2, trong khi kết quả mô phỏng từ mô hình là 1286.9 km2, nơi có sai số lớn nhất là huyện Chương Mỹ 9.3 km2 (Bảng 3.8). Bảng 3.8. Kết quả tính toán diện tích ngập các vùng ứng với trận mưa lũ tháng XI năm 2008 Tên Huyện Diện tích (km2) Diện tích ngập từ ảnh vệ tinh ngày 05/XI/2008 (km2) Diện tích ngập tính từ mô hình ngày 05/XI/2008 (km2) Sai số (km2) H. ứng Hoà 183.7 128.1 128.4 0.3 H. Phú Xuyên 171.1 119.1 119.5 0.4 H. Thanh Oai 129.6 81.8 82.1 0.3 H. Thường Tín 127.7 68.5 68.5 0 H. Mỹ Đức 230.0 123.4 123.3 0.1 H. Chương Mỹ 232.9 118.8 128.1 9.3 H. Quốc Oai 147.0 58.3 58.6 0.3 H. Đan Phượng 76.6 31.4 31.7 0.3 H. Thạch Thất 202.5 49.4 49.8 0.4 H. Phúc Thọ 117.1 39.5 39.2 0.3 H. Hoài Đức 88.2 28.9 29.1 0.2 TX. Hà Đông 33.3 10.4 10.3 0.1 H. Ba Vì 428.0 96.1 101.2 5.1 TX. Sơn Tây 113.5 28.2 28.0 0.2 H. Thanh Trì 63.2 28.2 28.5 0.3 Quận Tây Hồ 24.0 10.5 10.7 0.2 H. Từ Liêm 75.3 18.3 18.7 0.4 Quận Hoàn Kiếm 5.3 1.2 1.4 0.2 H. Đông Anh 182.3 42.5 43.7 1.2 Q. Long Biên 60.4 13.8 14.1 0.3 Quận Hai Bà Trưng 9.6 1.5 1.9 0.4 H. Sóc Sơn 306.5 28.8 29.4 0.6 80 Quận Ba Đình 9.3 0.7 1.0 0.3 H. Gia Lâm 108.5 60.6 67.0 6.4 Quận Cầu Giấy 12.0 4.5 5.7 1.2 Quân Đống Đa 10.0 2.6 3.4 0.8 Quận Thanh Xuân 9.1 2.2 3.1 0.9 Hoàng Mai 41.0 25.9 25.1 0.8 Mê Linh 141.0 37.7 35.4 2.3 3.4.2. Kiểm định mô hình Để kiểm định bộ tham số của mô hình, đã sử dụng số liệu trận mưa lũ từ ngày 16 đến 20 tháng VIII/2006 làm đầu vào cho các mô hình thành phần. Do không có số liệu vết lũ, ảnh vệ tinh trong các vùng có nguy cơ bị ngập lụt năm 2006 nên bộ thông số của mô hình được kiểm định thông qua kết quả tính toán mực nước sông tại trạm thủy văn Ba Thá. Kết quả kiểm định mô hình được thể hiện trong hình 3.23 cho thấy, mực nước tính toán tại trạm thủy văn Ba Thá có xu thế bám sát với quá trình mực nước thực đo. Sự phù hợp giữa tính toán và thực đo qua chỉ số NASH đạt 89.2%. Hình 3.23. Kết quả kiểm định mực nước tại Ba Thá (từ 16 đến 31/VIII năm 2006) 81 3.5. Khoanh vùng nguy cơ ngập lụt khu vực Hà Nội Để khoanh vùng nguy cơ ngập lụt, đã tiến hành tính toán tần suất mưa thiết kế cho các trận mưa gây lũ ứng với tần suất P=1% tại các trạm khí tượng trong khu vực nghiên cứu gồm trạm Láng, Hà Đông, Sơn Tây, Phủ Lý. Kết quả tính toán lượng mưa ứng với các tần suất được thể hiện trong Bảng 3.9. Bảng 3.9. Tổng lượng mưa 3 ngày lớn nhất tại các trạm (mm) Tần suất Láng Hà Đông Sơn Tây Phủ Lý P(%) X(P%) X(P%) X(P%) X(P%) 90 123 115 123 148 85 131 123 133 159 80 139 130 143 168 70 153 144 160 185 60 168 159 178 202 50 184 176 196 219 40 203 197 218 238 30 226 224 245 261 20 259 263 282 292 10 318 338 347 343 5 383 426 415 394 2 478 566 514 464 1 560 694 597 519 Theo kết quả tính toán thì trận mưa xảy ra từ ngày 30/X đến ngày 04/XI năm 2008 là trận mưa điển hình ứng với tần suất thiết kế 1%. Dạng phân phối mưa này sẽ được thu phóng cho phù hợp với tổng lượng mưa thiết kế ứng với tần suất P=1%. Dựa trên quá trình mưa ứng với tần suất P=1%, tiến hành mô phỏng thủy văn bằng mô hình NAM để làm đầu vào cho mô hình MIKE FLOOD. Kết quả mô phỏng thủy văn, thủy lực và ngập lụt toàn bộ hệ thống bao gồm các quá trình lưu lượng, mực nước,… Kết quả mô phỏng ngập lụt được tính từ mô hình MIKE FLOOD sẽ làm đầu vào để phân vùng ngập lụt cho TP. Hà Nội, các dữ liệu về không gian của vùng ngập lụt sẽ được chuyển qua định dạng lưới (GRID) trong ArcView hoặc ArcGIS 82 để xử lý và khoanh vùng ngập lụt. Kết quả khoanh vùng ngập lụt được thể hiện trong Bảng 3.10 và Hình 3.24. Bảng 3.10. Kết quả tính toán diện tích ngập các vùng ứng với mưa thiết kế 1% Tên Huyện Diện tích (km2) Diện tích ngập lớn nhất tính từ mô hình (km2) Phần trăm ngập (%) H. ứng Hoà 183.7 141.2 76.9 H. Phú Xuyên 171.1 152.1 88.9 H. Thanh Oai 129.6 103.4 79.8 H. Thường Tín 127.7 89.3 69.9 H. Mỹ Đức 230.0 167.9 73.0 H. Chương Mỹ 232.9 147.8 63.5 H. Quốc Oai 147.0 75.3 51.2 H. Đan Phượng 76.6 46.7 61.0 H. Thạch Thất 202.5 91.7 45.3 H. Phúc Thọ 117.1 67.3 57.5 H. Hoài Đức 88.2 41.7 47.3 TX. Hà Đông 33.3 21.8 65.5 H. Ba Vì 428.0 121.6 28.4 TX. Sơn Tây 113.5 55.4 48.8 H. Thanh Trì 63.2 41.2 65.2 Quận Tây Hồ 24.0 15.3 63.8 H. Từ Liêm 75.3 26.5 35.2 Quận Hoàn Kiếm 5.3 1.7 32.1 H. Đông Anh 182.3 52.6 28.9 Q. Long Biên 60.4 31.2 51.7 Quận Hai Bà Trưng 9.6 2.7 28.1 H. Sóc Sơn 306.5 42.2 13.8 Quận Ba Đình 9.3 1.7 18.3 H. Gia Lâm 108.5 78.4 72.3 Quận Cầu Giấy 12.0 5.4 45.0 Quân Đống Đa 10.0 4.2 42.0 Quận Thanh Xuân 9.1 3.7 40.7 Hoàng Mai 41.0 36.9 90.0 Mê Linh 141.0 71.8 50.9 Tổng 3344.7 1738.7 52.0 83 Hình 3.24. Bản đồ khoanh vùng nguy cơ ngập lụt địa bàn thành phố Hà Nội ứng với mưa thiết kế 1% 84 Kết quả khoanh vùng nguy cơ ngập cho địa bàn thành phố Hà Nội ứng với tần suất mưa thiết kế 1%: - Tổng diện tích vùng có nguy cơ ngập lụt là 1738.7 km2, chiếm 52% tổng diện tích TP. Hà Nội; - Huyện có tỉ lệ diện tích ngập lớn nhất là quận Hoàng Mai với 90% diện tích quận bị ngập, tiếp đó là huyện Phú Xuyên 88.9%, Thanh Oai 79.8%, Ứng Hòa 76.9%.... - Huyện có tỉ lệ diện tích ngập nhỏ nhất là huyện Sóc Sơn với tỉ lệ 13.8%, tiếp đó là quận Ba Đình 18.3%, huyện Đông Anh 28.9%. 85 KẾT LUẬN Từ các kết quả nghiên cứu của luận văn có thể đưa ra những kết luận sau: Luận văn đã khái quát được đặc điểm tự nhiên, mạng lưới sông ngòi và các công trình có liên quan đến tiêu, thoát nước khu vực Hà Nội; Phân tích được 3 nguyên nhân chính gây ngập lụt trên địa bàn Hà Nội gồm: ngập lụt do vỡ đê, ngập lụt do mưa lớn nội đồng, ngập lụt do úng nội đồng kết hợp với lũ lớn trên sông gây vỡ đê bối. Trên cơ sở phân tích một số phương pháp khoanh vùng nguy cơ ngập lụt, đã lựa chọn được phương pháp mô hình trong đó sử dụng mô hình MIKE FLOOD để khoanh vùng nguy cơ ngập lụt cho địa bàn thành phố Hà Nội. Để khoanh vùng nguy cơ ngập lụt cho địa bàn thành phố Hà Nội. Hai trận mưa- lũ tháng XI/2008 và tháng VIII/2006 được sử dụng để hiệu chỉnh và kiểm định bộ thông số của mô hình và cho kết quả khá tốt. Từ kết quả bộ thông số mô hình, đã xây dựng được bản đồ khoanh vùng nguy cơ ngập lụt cho khu vực Hà Nội trên cơ sở tần suất mưa thiết kế 1%, trong đó xác định rõ các khu vực có khả năng ngập lụt và diện tích ngập lụt. Kết quả của luận văn sẽ là nguồn tài liệu giúp các nhà hoạch định chính sách, các nhà quản lý có thể xác định 1 cách trực quan những khu vực thường xuyên ngập lụt, từ đó có thể đưa ra các biện pháp, kế hoạch phù hợp hơn nhằm giải quyết vấn đề ngập lụt trên địa bàn thành phố Hà Nội. Trong quá trình nghiên cứu, luận văn đã thu thập được các tài liệu địa hình, tài liệu mặt cắt các sông trên địa bàn Hà Nội, số liệu khí tượng thủy văn, các tài liệu về hiện trạng các công trình thủy lợi trên địa bàn Hà Nội và các tài liệu về điều tra vết lũ. Đây là nguồn tài liệu vô cùng quý giá cho các nghiên cứu tiếp theo. 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Ban chỉ đạo phòng chống lụt bão Trung ương, “Quy trình sử dụng hệ thống công trình phân lũ sông Đáy”. Hà Nội tháng 10 năm 1999. 2. Nghị định số 62/1999/NĐ-CP ngày 31/7/1999 của Chính phủ về việc Ban hành Quy chế về phân lũ, chậm lũ thuộc hệ thống sông Hồng để bảo vệ an toàn cho Thủ đô Hà Nội. 3. Nguyễn Tiền Giang, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên-ĐHQGHN, “Tổng hợp, phân tích các tài liệu hiện có về lũ lụt thành phố Hà Nội”, năm 2011. 4. Quyết định số 105/2002/QĐ-BNN ngày 19/11/2002 của Bộ trưởng Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn về việc ban hành Quy trình vận hành hệ thống công trình thủy lợi sông Nhuệ. 5. Quyết định số 80/2007/QĐ-TTg ngày 01/06/2007 của Thủ tướng chính phủ về: Việc ban hành Quy trình vận hành liên hồ chứa thuỷ điện Hoà Bình, Tuyên Quang, Thác Bà trong mùa lũ hàng năm. 6. Quyết định số 92/2007/QĐ-TTg ngày 31/7/2007 của Thủ tướng chính phủ về việc phê duyệt Quy hoạch phòng, chống lũ hệ thống sông Hồng, sông Thái Bình, năm 2007. 7. Quyết định số 937/QĐ-TTg ngày 1/7/2009 của Thủ tướng chính phủ về việc phê duyệt Quy hoạch tiêu nước hệ thống sông Nhuệ. 8. Quyết định số 198QĐ-TTg ngày 10/02/2011 của Thủ tướng chính phủ về: Việc ban hành Quy trình vận hành liên hồ chứa thuỷ điện Sơn La, Hoà Bình, Tuyên Quang, Thác Bà trong mùa lũ hàng năm. 9. Viện Nghiên cứu Thủy lợi, “Xây dựng quy trình vận hành liên hồ chứa trên sông Đà, sông Lô đảm bảo an toàn chống lũ đồng bằng Bắc Bộ và an toàn công trình khi có các hồ Thác Bà, Hòa Bình, Tuyên Quang”, Báo cáo tổng hợp dự án, năm 2007. 87 10. Viện Quy hoạch Thủy lợi, “Tính toán thủy lực cân bằng nước mùa lũ và mùa kiệt hệ thống sông Hồng – sông Thái Bình”, Báo cáo chuyên đề khoa học đề tài KC-DL-94-15 năm 1996. 11. Viện Quy hoach thủy lợi, “Quy hoach phòng chống lũ đồng bằng sông Hồng”, Báo cáo tóm tắt dự án năm 2001. 12. Viện Quy hoạch Thủy lợi, “Quy hoạch thủy lợi lưu vực sông Đáy, giai đoạn 1998 – 2010”, Báo cáo tóm tắt, năm 2002. 13. Viện Quy hoạch Thủy lợi, “Quy hoạch thủy lợi hệ thống thủy lợi sông Nhuệ”, báo cáo tổng hợp năm 2007. 14. Viện Quy hoạch Thủy lợi, “Tính toán quy hoạch tiêu”, Báo cáo Dự án Quy hoạch thủy lợi hệ thống sông Nhuệ năm 2007. 15. Viện Quy hoạch Thủy lợi, “Tính toán thủy lực”, Báo cáo Dự án Rà soát quy hoạch thủy lợi sông Nhuệ năm 2007. 16. Viện Quy hoạch Thủy lợi, “Nghiên cứu quy hoạch hành lang thoát lũ toàn tuyến sông Hồng”, Báo cáo tổng hợp năm 2007. 17. Viện Quy hoạch Thủy lợi, “Quy hoạch phòng, chống lũ chi tiết của từng tuyến sông có đê trên địa bàn thành phố Hà Nội”, Báo cáo tổng hợp dự án năm 2008. 18. Viện Quy hoạch Thủy lợi, “Quy hoạch chống lũ chi tiết của từng tuyến sông có đê trên địa bàn thành phố Hà Nội đến năm 2020” , báo cáo dự án năm 2010 19. Vụ Tài Chính Kế toán – Thống kê – Bộ Thủy Lợi, “Phòng chống lụt bão ở Việt Nam 1890-1990”. Nhà xuất bản thế giới, Hà Nội 1994.