Luận văn Nghiên cứu xây dựng bản đồ ngập lụt hạ lưu lưu vực sông Ba

c giai đoạn tính toán mô phỏng phần mềm mô hình EFDC có bộ mã tiền xử lý tạo lưới với tên gọi GEFDC. Bộ mã tiền xử lý này cho phép xây dựng lưới mô hình, đưa vào các số liệu đo đạc độ sâu cũng như các thông số ban đầu như độ cao mặt nước, mật độ bùn cát… cho cả miền mô hình. Qua quá trình xử lý của bộ mã tiền xử lý này, các file số liệu đầu vào và các thông số ban đầu của đường mặt nước cũng như các điều kiện biên của mô hình được tạo ra. Để có thể mô phỏng một cách phù hợp nhất vùng nghiên cứu bộ mã tiền xử lý của phần mềm EFDC có khả năng cho phép tạo ra các lưới tọa độ mô hình dạng ĐềCác hoặc dạng lưới cong trực giao. MH thủy động lực học Động lực học ( vận tốc, độ cao..) Màu sắc Nhiệt độ Độ mặn Lan truyền chất Vận chuyển bùn cát 50 Trong phần tiền xử lý này mô hình cho phép lựa chọn các cách tạo ra lưới cho lưu vực nghiên cứu như sau: Cartesian: tạo lưới dạng ĐềCác, miền lưới được tạo nên bởi các phần tử lưới dạng ô vuông kích thước dx, dy. Với loại lưới này ta có nhiều cách lựa chọn loại ô khác nhau để miền nghiên cứu là phù hợp nhất. + Uniform Grid, kiều này tạo lưới dạng hình chữ nhật cho vùng nghiên cứu khi biết tọa độ khống chế của vùng tạo lưới và kích thước của mỗi ô. Ở đây các ô lưới có kích thước là như nhau, số lượng ô lưới trên toàn miền được mô hình tự động tính toán ra trên cơ sở số liệu nhập vào (hình 9). Hình 9. Miền lưới dạng Uniform Grid + Expanding Grid, khác với Uniform Grid kiểu tạo lưới này tạo ra các ô lưới có kích thước khác nhau. Kiểu này cho phép tạo ra lưới với các ô lưới nhỏ dần ở các khu vực miền tạo lưới có dạng không đồng nhất. Với cách tạo lưới này người sử dụng phải khai báo kích thước lớn nhất và nhỏ nhất của ô lưới muốn tạo trong mô hình và tọa độ điểm mà tại đó ô lưới có kích thước là hẹp nhất (hình 10) 51 Hình 10. Miền mô hình tạo dạng Expanding Grid + Curvilinear (EFDC) Tạo lưới dạng cong trực giao. Các phần tử lưới là các ô cong theo chiều dọc sông. Với kiểu tạo lưới này đòi hỏi số liệu nhiều hơn so với Cartesian. Tuy nhiên loại này phù hợp hơn khi nghiên cứu những khu vực có dạng cong. Trong kiểu này cũng có nhiều tùy chọn sử dụng: + Centerline Dominant: tùy chọn này cho phép người sử dụng tạo ra ô lưới cong có tính chất tập trung ở dòng chủ lưu nghĩa là các đường cong chia dọc sông được tạo ra mau dần từ hai biên vào dòng chính (hình11) 52 Hình 11. Miền mô hình tạo dạng Centerline Dominant + Equi-Distance Widths: tùy chọn này xây dựng lưới mô hình cho phép người sử dụng quyết định số phần tử ngang sông (tương đương với dòng tính toán). Chỉ cần nhập số phần tử ô muốn tạo theo chiền ngang sông thì mô hình tự xác định bề rộng của ô lưới sao cho vừa vặn với chiều rộng của sông. Hình 12. Lưới cong được tạo theo tùy chọn Equi-Distance Widths 53 + Uniform (Ficxed): tùy chọn này xây dựng lên lưới mô hình với bề rộng các ô phần tử do ta quyết định. Khi đưa bề rộng ô lưới vào thì mô hình xây dựng miền lưới sao cho phù hợp nhất với chiều rộng sông. Tuy nhiên miền mô hình trong trường hợp này chỉ phản ánh gần đúng hình chiều rộng sông. Import Grid: phương pháp này cho phép xây dựng lưới trong mô hình bằng cách đưa file dữ liệu số hóa của miền mô hình dưới dạng ECOMSED. Tính toán thời gian chạy mô hình: mô hình EFDC có khả năng tính toán chuẩn đoán thời gian chạy mô hình tối ưu từ những dữ liệu, thông tin đầu vào cho người sử dụng mô hình thiết lập. Các dự tính bao gồm số lượng bước thời gian tối đa (CFL), thời gian và vị trí các điểm có độ sâu âm, các kiểm tra về cân bằng thể tích và khối lượng… khả năng này giúp người dùng có thể dễ dàng xác định bước thời gian tối ưu để mô hình đạt kết quả tốt (hình 13). Hình 13. Bảng tính thời gian sử dụng mô hình [7] Truy suất kết quả: kết quả mô hình được hiển thị cho từng điểm lưới và ở tại mỗi bước thời gian mà người sử dụng đã chọn. Kết quả mô hình có thể được truy xuất dưới dạng các file ảnh trên đó có hiển thị các đặc tính cần xem xét. Ngoài kết quả dạng file ảnh mô hình cho phép xuất dữ liệu dưới dạng Tecplot. Khả năng xuất ra dạng Tecplot giúp cho việc xử lý kết quả được thực hiện tốt hơn. 54 4. Cơ sở lý thuyết mô hình EFDC [7, 9, 10] Thủy động lực của mô hình EFDC dựa trên hệ phương trình thủy tĩnh 3 chiều mô phỏng theo phương thẳng đứng và phương nằm ngang trực giao cong.  Phương trình động lượng là: - Theo phương X: - Theo phương Y:  Phương trình liên tục 3 chiều trong hệ tọa độ ngang trực giao cong theo phương thẳng đứng là:  Trong địa mạo thì phương trình liên tục của dòng nước liên quan tới phương trình cân bằng bùn cát đáy: Trong đó: x, y: là tọa độ nằm ngang trực giao u, v: tương ứng là vận tốc ngang trong lưới tọa độ cong trực giao x, y 55 mx, my : hệ số tỉ lệ theo trục x, y H: độ sâu cột nước z: tọa độ cao thẳng đứng w: vận tốc thẳng đứng p: thành phần áp suất f: thông số lực Coriolit Av: độ rối thẳng đứng hoặc tính nhớt xoáy Qss: lưu lượng bùn cát đến Qsw: lưu lượng nước đến QGW: lưu lượng nước ngầm chảy vào dưới đáy lớp bùn cát B: tổng chiều dày lớp bùn cát đáy (lớp bùn cát có khả năng bị xói) QH: gồm lượng trữ ban đầu, lượng nước do mưa rơi xuống, lượng dòng bên gia nhập và chảy ra khỏi đoạn kênh. Ở đây hệ số rối loạn nhớt liên quan đến ứng suất tiếp, áp suất khí động lực học liên quan đến mật độ nước. Áp suất động lực nước được viết bởi phương trình sau: Cao trình đáy sông được xác định bởi phương trình: Với là cao trình đáy tính toán vận chuyển bùn cát đáy Cao trình mặt nước được xác định như sau: 5. Cách giải quyết bài toán trong mô hình EFDC Mô hình EFDC giải quyết được các phương trình thủy tĩnh theo chiều đứng, mặt nước thoáng, chảy rối trong không gian 3 chiều đối với dòng chảy có tỉ trọng 56 thay đổi. nó cũng giải quyết được phương trình lan truyền vật chất đối với trường hợp truyền nhiệt động rối theo chiều dọc, lan truyền mặn và nhiệt. Mô hình EFDC sử dụng hệ tọa độ biến dạng hoặc sigma thẳng đứng với hệ tọa độ ĐềCác, hay cong trực giao. Từ phương trình (10) và (12) ta có : Thay 5 vào 10 ta có phương trình Để giải phương trình động lượng mô hình sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn không gian chính xác bậc 2. Việc kết hợp thời gian trong mô hình sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn 3 cấp thời gian chính xác bậc hai với kiểu tách riêng quá trình chuyển động do các yếu tố chính trong các lớp nước tạo ra và các quá trình do các yếu tố trên bề mặt nước (sóng, gió..). Kiểu ngoài là bán ẩn và tính toán đồng thời trường độ cao hai chiều bằng bước gradient liên hợp có điều kiện. Kiểu ngoài kết thúc khi tính toán vận tốc trung bình theo độ sâu. Còn kiểu trong được thực hiện đồng thời với kiểu ngoài và hoàn toàn chỉ liên quan đến khuếch tán theo chiều thẳng đứng do ứng suất cắt và cắt do dòng chảy. Mô hình ứng dụng sơ đồ giải theo không gian và thời gian có độ chính xác bậc 2 theo sơ đồ bước giải phân đoạn bảo toàn khối lượng đối với các phương trình lan truyền mặn, truyền nhiệt, chất lơ lửng, chất lượng nước và các chất ô nhiễm trong nước. Với phương trình (15) mô hình giải bằng cách sử dụng moduyn gồm 2 bước tính toán. Bước thứ nhất giải theo phương pháp động lực với sơ đồ ẩn như sau: Ở đây là bước thời gian tính toán giữa n và n+1 và nó được viết như sau: Kết hợp phương trình của hai bước tính toán trên ta được phương trình: 57 Khi đó chiều sâu mực nước được tính toán theo phương trình: Mô hình EFDC giải các phương trình thủy tĩnh theo phương thẳng đứng, mặt thoáng nước, chảy rối không gian 3 chiều đối với dòng chảy có tỉ trọng thay đổi. EFDC sử dụng hệ tọa độ biến dạng hoặc sigma thẳng đứng, hệ tọa độ ĐềCác, hệ tọa độ cong trực giao. Để giải các phương trình động lượng EFDC sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn không gian chính xác bậc 2. Việc kết hợp thời gian trong mô hình sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn 3 cấp thời gian chính xác bậc 2 với kiểu tách riêng quá trình chuyển động do các yếu tố chính trong các lớp nước tạo ra (internal model – kiểu trong) và quá trình do các yếu tố trên bề mặt nước như sông, gió tạo ra (external model - kiểu ngoài). Kiểu ngoài là kiểu bán ẩn và tính toán đồng thời trường độ cao hai chiều bằng bước gradient liên hợp có điều kiện. Kiểu ngoài kết thúc khi tính toán vận tốc trung bình theo độ sâu (sử dụng mực nước mới được tính). Kiểu trong được thực hiện đồng thời với kiểu ngoài và chỉ hoàn toàn liên quan đến khuyếch tán theo chiều thẳng đứng do ứng suất cắt và cắt theo dòng chảy. [9] 6. Quản lý các file trong model Mô hình EFDC sử dụng tên file tùy theo thông tin mà file lưu trữ. Trong đó file điều khiển chính cho mọi ứng dụng mô hình là file EFDC.INP, trong file này có cấu trúc nhiều phần mỗi phần chứa đựng những đối tượng cơ bản giống nhau. Các file đầu vào mô hình được sử dụng phân ra các loại: - File mô tả không gian: cell.inp, dxdy.inp, lxly.inp… - File mô tả chuỗi thời gian: qser.inp, wser.inp… - File điều kiện ban đầu; - Các file xử lý: Qctl.inp, gwater.inp, wavebl.inp, wavesx.inp; Các file đầu ra trong mô hình - SURFCON.OUT: file chứa độ sâu cột nước; - VELVECH.OUT: file chứa trường lưu tốc; 58 - BED_TOP.OUT: file chứa thông tin vật chất trên bề mặt; - BED_LAY.OUT: file chứa dữ liệu vật chất đáy của mỗi lớp;  Phương pháp sai phân hữu hạn ứng dụng cho giải bài toán Để mô phỏng, tính toán diễn biễn dòng chảy trong sông và vùng cửa sông thì công việc này đồng nghĩa với việc phải giải hệ phương trình động lượng theo các phương của mô hình. Các nhà khoa học đã nghiên cứu và đưa ra các cách giải khác nhau trong đó có phương pháp giải bằng phương pháp giải tích và bằng phương pháp số. Về phương pháp giải tích: với phương pháp này thì bài toán giải được và tìm được nghiệm chính xác, nhưng nó chỉ có thể áp dụng được trong một số trường hợp nhất định về điều kiện biên như: thường phải đơn giản về hình dạng, không thay đổi theo thời gian tính toán, môi trường là đồng nhất có nghĩa là các thông số của lưu vực tính toán là không thay đổi theo không gian và thời gian…. Nhưng trong thực tế thì các yếu tố trên đều có thể thay đổi và khi có một trong các yếu tố này thay đổi thì bài toán không thể giải được do đó không tìm được nghiệm. Để khắc phục được những hạn chế của phương pháp giải tích vì không phải bài toán nào cũng tìm được nghiệm chính xác thay vào đó các nhà khoa học đã nghiên cứu biện pháp để tìm ra nghiệm gần đúng của bài toán bằng phương pháp số, đây là phương pháp giải gần đúng. Nghiệm của bài toán có thể là nghiệm xấp xỉ với nghiệm chính xác hoặc nó có thể biểu diễn bằng những biểu thức toán học ứng với các biên ban đầu để giải ra nghiệm khá sát so với nghiệm giải tích. Có nhiều phương pháp số khác nhau như phương pháp sai phân hữu hạn, phương pháp đường đặc trưng, phương pháp phần tử biên, phương pháp phần tử hữu hạn… trong đó phương pháp sai phân hữu hạn là phương pháp được sử dụng khá phổ biến để giải hệ phương trình động lượng giúp giải quyết bài toán diễn biến dòng sông và vùng cửa sông khá phổ biến và hữu hiệu. Ở đây model EFDC sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn để giải phương trình động lượng do bài toán đặt ra. Các hệ phương trình động lực theo các phương như đã trình bày trong phần cơ sở lý thuyết của mô hình EFDC đều là các phương trình vi phân đạo hàm riêng của mực nước, lưu tốc theo các phương ngang sông, dọc chiều dài sông, theo chiều 59 sâu dòng chảy và theo thời gian. Đạo hàm của các hàm số này theo không gian và thời gian có thể được thể hiện bằng các công thức gần đúng. Nếu ta chia miền mô hình một lưới các nút, viết giá trị gần đúng của các đạo hàm của các biến số cho mọi điểm lưới, thay đạo hàm gần đúng này vào các phương trình vi phân đạo hàm riêng ta sẽ có hệ phương trình và giải hệ phương trình này ta có được nghiệm của các biến số cần tìm. Đây là cơ sở của phương pháp sai phân hữu hạn. Giả sử ta cho các biến như mực nước, lưu tốc… có ký hiệu chung là C, ta xác định đạo hàm gần đúng của C như sau: Theo thuyết Taylor và số dư ta có thể viết cho điểm có tọa độ theo hướng x của tọa độ cong: Với với là một số có giá trị trong khoảng 0≤ ≤1 Ta sẽ sử dụng thay cho C( ) từ đó ta có: Gọi suy ra: với phép xấp xỉ sai phân tiến của đạo hàm bậc nhất lấy: như vậy E bằng một hằng nhân với , và sai số đó là O( ). Nó được gọi là bậc sai số. Giá trị sai số đó không được xác định qua biểu thức đó được bởi vì giá trị thực này không được cho trong định luật Taylor, nhưng nó cho thấy: 60 Bằng cách biến đổi tương tự chúng ta có thể sử dụng thuyết Taylor để thu được: với là hệ số (0≤ ≤1) gọi Ta dễ dàng suy ra được: E gọi là sai số và nếu bỏ qua sai số này thì đạo hàm bậc nhất theo dạng sai phân lùi được viết như sau: sai số E của đạo hàm bậc nhất trong trường hợp này là O( Trong cả hai phép gần đúng sai phân tiến và sai phân lùi có cùng một bậc sai số, tức là O( Để tìm sai phân trung tâm thay công thức 21 và 26 bằng Trừ 2.26 cho 2.27 ta được: 61 Ta suy ra được: Gọi 6 3 3 3 Vì vậy xác định được phép xấp xỉ sai phân trung tâm : Và bậc sai phân số của E là O( 2 và E thỏa mãn: Do công thức Taylor thì các giá trị mà bậc càng cao giá trị càng bé. Vì vậy sai phân trung tâm cho kết quả chính xác hơn các sai phân tiến và sai phân lùi bởi giá trị E nhỏ hơn. Đối với đạo hàm bậc hai: Tương tự ta sử dụng khai triển Taylor: Với 0≤ 5 6 ≤1) Cộng hai phương trình 32 và phương trình 34 ta được và bằng cách biến đổi tương tự ta thu được kết quả sau: Bậc sai số của E là O( 2 và thỏa mãn : 62 Các đạo hàm bậc nhất và đạo hàm bậc hai của các biến số theo hướng trục tọa độ y và z cũng có các dạng tương tự như trên. Áp dụng phương pháp số ta sẽ giải được hệ phương trình động lực học trong modun thủy động lực học trong mô hình EFDC. Từ kết quả thu được từ việc giải hệ phương trình động lực học ta sẽ đưa ra được những đánh giá, nhận xét về lưu vực mà ta nghiên cứu. [7, 8, 9, 10] 2.2.5. Các bước triển khai mô hình + Xác định phạm vi mô phỏng và tính toán; + Xác định điều kiện biên (Biên thượng lưu, biên hạ lưu và lượng nhập khu giữa); + Thiết lập mạng sông trong miền tính toán; + Chạy mô hình thủy văn (mưa rào - dòng chảy) MIKE NAM tính toán lượng mưa sinh dòng chảy có thể sử dụng biên thượng lưu hoặc nhập khu giữa cho mô hình EFDC; + Chạy thông và mô phỏng sơ bộ modul thủy lực EFDC; + Chạy mô phỏng và hiệu chỉnh mô hình và tính toán các đặc trưng; + Kiểm định với bộ thông số vừa hiệu chỉnh với các con lũ khác; 2.3. GIỚI THIỆU QUY TRÌNH XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT Các quá trình mô phỏng bằng mô hình thủy văn và thủy lực trên đây mới chỉ cho chúng ta bức tranh về diện ngập, trường vận tốc, độ sâu ngập dưới dạng các hình ảnh số liệu. Với số liệu thô này mới chỉ xây dựng được các bản đồ giấy thể hiện các trận ngập lụt xảy ra mà chưa thể có các dạng thông tin hữu ích cần thiết. Ngày nay với sự phát triển không ngừng của công nghệ thông tin địa lý thì những số liệu, dữ liệu trên lại là một phần không thể thiếu, là cơ sở dữ liệu để các công cụ GIS tiến hành tính toán, phân tích và triết xuất ra các dạng dữ liệu cần thiết để xây dựng bản đồ ngập lụt. 63 2.3.1. Khái niệm hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographic Information System) là một nhánh của công nghệ thông tin được hình thành vào những năm 1960 và phát triển rất rộng rãi trong 10 năm lại đây. GIS ngày nay là công cụ trợ giúp quyết định trong nhiều hoạt động kinh tế - xã hội, quốc phòng của nhiều quốc gia trên thế giới. GIS có khả năng trợ giúp các cơ quan chính phủ, các nhà quản lý, các doanh nghiệp, các cá nhân... đánh giá được hiện trạng của các quá trình, các thực thể tự nhiên, kinh tế - xã hội thông qua các chức năng thu thập, quản lý, truy vấn, phân tích và tích hợp các thông tin được gắn với một nền hình học (bản đồ) nhất quán trên cơ sở tọa độ của các dữ liệu đầu vào... Hệ thống thông tin địa lý là một tập hợp các công cụ cho việc thu thập, lưu trữ, thể hiện và chuyển đổi các dữ liệu mang tính chất không gian từ thế giới thực để giải quyết các bài toán ứng dụng phục vụ cho các mục đích cụ thể. Là phương pháp để hình dung, mô phỏng, phân tích và thể hiện dữ liệu không gian. Xét dưới góc độ hệ thống, thì GIS có thể được hiểu như một hệ thống gồm các thành phần: con người, phần cứng, phần mềm, cơ sở dữ liệu và quy trình - kiến thức chuyên gia, nơi tập hợp các quy định, quy phạm, tiêu chuẩn, định hướng, chủ trương ứng dụng của nhà quản lý, các kiến thức chuyên ngành và các kiến thức về công nghệ thông tin. Hệ thống thông tin địa lý là hệ thống quản lý, phân tích và hiển thị tri thức địa lý, tri thức này được thể hiện qua các tập thông tin:  Các bản đồ: giao diện trực tuyến với dữ liệu địa lý để tra cứu, trình bày kết quả và sử dụng như là một nền thao tác với thế giới thực;  Các tập thông tin địa lý: thông tin địa lý dạng file và dạng cơ sở dữ liệu gồm các yếu tố, mạng lưới, topology, địa hình, thuộc tính;  Các mô hình xử lý: tập hợp các quy trình xử lý để phân tích tự động;  Các mô hình dữ liệu: GIS cung cấp công cụ mạnh hơn là một cơ sở dữ liệu thông thường bao gồm quy tắc và sự toàn vẹn giống như các hệ thông tin khác. Lược đồ, quy tắc và sự toàn vẹn của dữ liệu địa lý đóng vai trò quan trọng  Metadata: hay tài liệu miêu tả dữ liệu, cho phép người sử dụng tổ chức, tìm hiểu và truy nhập được tới tri thức địa lý… 64 Hệ thống thông tin địa lý (GIS) sử dụng cơ sở dữ liệu địa lý (geodatabase) làm dữ liệu của mình, bao gồm các thành phần như sau:  Tập hợp các dữ liệu dạng vector (tập các điểm, đường và vùng);  Tập hợp các dữ liệu dạng raster (dạng mô hình DEM hoặc ảnh);  Tập hợp các dữ liệu dạng mạng lưới (ví dụ như đường giao thông, lưới cấp thoát nước, lưới điện ...);  Tập hợp các dữ liệu địa hình 3 chiều và bề mặt khác;  Dữ liệu đo đạc;  Dữ liệu dạng địa chỉ;  Các bảng dữ liệu là thành phần quan trọng của cơ sở dữ liệu không gian, được liên kết với các thành phần đồ họa với nhiều kiểu liên kết khác nhau. GIS được sử dụng để cung cấp thông tin nhanh hơn và hiệu quả hơn cho các nhà hoạch định chính sách. Các cơ quan chính phủ dùng GIS trong quản lý các nguồn tài nguyên thiên nhiên, trong các hoạt động quy hoạch, mô hình hoá và quan trắc. 2.3.2. Các phương pháp GIS xây dựng bản đồ ngập lụt [1, 2, 3, 5] Rất nhiều các phần mềm GIS được ứng dụng trong ngành KTTV, đặc biệt hữu ích trong lĩnh vực quản lý lưu vực cũng như xây dựng bản đồ ngập lụt. dưới đây là quy trình chung khi tiến hành thành lập bản đồ ngập lụt (hình 14). Xây dựng quản lý cơ sở dữ liệu Các dữ liệu về lưu vực sông nghiên cứu được thu thập, số hóa từ các phần mềm khác nhau như MicroStation, Mapinfo, ArcGIS, sau đó được quản lý thống nhất và lưu lại dưới dạng .TAB file trong Mapinfo. Chuẩn bị, phân tích và đánh giá các thông số cho mô hình, vấn đề chuẩn bị dữ liệu và thông số đầu vào cho các mô hình là một trong những vấn đề lớn nhất, đòi hỏi tốn nhiều thời gian và khá phức tạp. Thực địa Thu thập dữ liệu GIS Phân loại ảnh VT & cập nhật dữ liệu GIS Thu thập dữ liệu Tiền xử lý ảnh 65 Hình 14. Sơ đồ xây dựng bản đồ ngập lụt bằng phương pháp GIS Trong trường hợp liên kết với mô hình thủy văn - thủy lực, GIS là một hợp phần quan trọng không thể thiếu được. Vai trò của công cụ GIS thể hiện ở: 1. Tổng hợp và chọn lọc tài liệu như là đầu vào cần thiết cho mô hình thủy văn, thủy lực đặc biệt trong đó là việc phân tích các đặc trưng bề mặt của lưu vực. 2. Phân tích, hình dung và đánh giá diện tích và mức độ ngập lụt sử dụng các kết quả tính toán từ mô hình nêu trên. 3. Bằng các mô hình hóa tài liệu về các trận mưa dưới các tình huống (lượng mưa, phân bố mưa) khác nhau trong nhóm GIS, chúng ta có thể trả lời hàng loạt câu hỏi dạng “nếu - thì” về quan hệ mưa - lũ - ngập lụt trong một thời gian nhanh nhất. Cũng cần nhận thấy rằng, do liên kết với mô hình thủy văn - thủy lực nên đòi hỏi tài liệ đầu vào cho GIS cũng sẽ khác với yêu cầu tài liệu đầu vào cho GIS trong các trường hợp thông thường khác. Quá trình xây dựng đầu vào cho mô hình rất quan trọng vì nó sẽ quyết định mức độ chính xác của việc dự báo. Các thông tin đầu vào cần thiết cho việc phân tích, tổng hợp trong quy trình được xây dựng và chuẩn bị trong GIS bao gồm: 1. Dữ liệu độ cao địa hình; 2. Dữ liệu hướng dòng chảy; 3. Dữ liệu về phân chia lưu vực; 66 4. Dữ liệu về dòng chảy; 5. Dữ liệu về thủy văn đất; 6. Dữ liệu phân bố không gian của trạm đo mưa; 7. Dữ liệu cao trình đường giao thông, đê điều; 8. Dữ liệu về hồ, mặt nước; 9. Dữ liệu về vùng không bị ảnh hưởng của ngập lụt; Các thông tin đầu vào như trên đều được sử dụng cho toàn bộ quá trình tính toán và mô phỏng ngập lụt. Nếu dùng các phương pháp truyền thống để tích hợp các thông tin trên sẽ gặp rất nhiều khó khăn và tốn thời gian, nhưng với GIS và tiện ích mở rộng, các thông tin này được tích hợp hoàn toàn tự động, nhanh chóng. Trong trường hợp một thông số đầu vào nào thay đổi thì việc tính toán lại các thông số đầu vào cũng dễ dàng hơn. CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT KHU VỰC NGHIÊN CỨU 3.1. XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU 3.1.1. Tài liệu địa hình  Tài liệu địa hình lòng sông Qua nghiên cứu cụ thể về các nguồn tài liệu cơ bản về địa hình lòng dẫn sông hiện có trong lưu vực sông Ba, tác giả đã thu thập và sẽ sử dụng tài liệu trắc dọc và ngang sông Ba bao gồm 24 mặt cắt ngang sông từ Củng Sơn tới cầu Phú Lâm do Viện Quy hoạch đo đạc và hiệu chỉnh năm 1997, và 3 mặt cắt ngang từ Cầu Phú Lâm ra tới cửa biển do Viện Quy hoạch thủy lợi đo năm 2003. Sơ họa mặt cắt ngang sông từ Củng Sơn tới cửa Đà Rằng được thể hiện như trong hình 15. Mặt cắt ngang sông được đo theo hệ cao độ Quốc gia. Đặc trưng cơ bản các đoạn sông trong bảng 10. [6] Bảng 10: Đặc trưng mặt cắt ngang sông trong sơ đồ tính toán thủy lực STT Vị trí Cao trình đáy Cao trình bờ tả Cao trình bờ hữu Ghi chú 1 0 22.86 39.3 38.11 Củng Sơn 67 STT Vị trí Cao trình đáy Cao trình bờ tả Cao trình bờ hữu Ghi chú 2 2103 22.63 44.94 39.35 3 4753 23.96 37.03 40.64 4 6368 23.84 31.97 36.13 5 7678 22.80 32.50 31.29 6 10293 18.21 34.97 42.09 7 12043 20.84 32.50 31.96 Đập dâng Đồng Cam 8 13253 8.23 23.34 22.99 9 15088 7.55 21.20 22.09 10 17398 5.95 19.96 21.10 11 18848 5.47 19.87 19.91 12 20363 7.07 19.77 19.58 13 23013 7.16 18.55 18.26 14 25023 6.69 17.28 17.93 15 28548 6.06 15.95 17.71 16 30369 4.82 15.56 14.55 17 32289 2.82 11.54 11.59 18 34089 2.73 11.34 11.72 19 35890 -2.07 8.41 10.62 20 37849 0.53 7.85 8.89 21 40296 0.26 6.10 8.88 22 42469 -0.47 5.77 6.84 23 44294 -0.97 4.62 4.88 24 45904 -1.01 7.29 7.20 NC2 47000 -4.6 1.9 5.9 NC3 48000 -1.3 2.3 3.0 NC4 49400 -4.8 7.17 7.5 Cửa Đà Rằng 68 Hình 15. Sơ họa vị trí mặt cắt từ trạm Củng Sơn tới cửa Đà Rằng Về hình dạng mặt cắt ngang sông phổ biến như (hình 16). Qua đó cho thấy mặt cắt ngang hệ thống sông Ba gần như ở trạng thái hoàn toàn tự nhiên bao gồm phần lòng dẫn và phần bãi tràn. Khi nước lũ lên cao sẽ tràn tự do vào các bãi tràn ven 2 bên bờ sông.  Tài liệu về bản đồ số độ cao Các tài liệu chính của các khu, bãi ngập đã được thu thập bao gồm: - Bình đồ vùng hạ lưu dập Đồng Cam: tỉ lệ 1/10000 được Sở Thủy lợi tỉnh Phú Yên chỉnh lý năm 1995. Bình đồ được xây dựng theo cao độ quốc gia. Tài liệu về các thông số kỹ thuật của đập dâng Đồng Cam do Ban Quản lý đập cung cấp. Các thông số kỹ thuật cơ bản của đập dâng Đồng Cam được thống kê trong (bảng 11). Cao độ các hạng mục đã được chuyển về cao độ Quốc gia . Bảng 11: Thông số chính đập đâng Đồng Cam [6] Hạng mục Chiều dài (m) Cao trình (m) Đập dâng 590 69 Hạng mục Chiều dài (m) Cao trình (m) Tràn bậc 1 65 25.3 Tràn bậc 2 335.8 24.2 Tràn bậc 3 93 24.15 Tràn bậc 4 96.2 24.1 - Bản đồ số độ cao DEM 30x30 (Error! Reference source not found.). Hình 16. Mặt cắt ngang phổ biến sông Ba 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1000 2000 3000 4000 5000 Mặt cắt ngang sông Ba do viện QHTL đo năm 1997 Mặt cắt số 20 Độ cao (m) L(m) 70 Hình 17. Bản đồ cao độ số độ cao DEM 30m x 30m khu vực nghiên cứu 3.1.2. Tài liệu thủy văn Vùng hạ lưu sông Ba trên lưu vực hiện có 3 trạm thủy văn có tài liệu đo đạc từ năm 1977 tới nay. Dựa vào tài liệu thuỷ văn của các trạm và tài liệu địa hình đã đo đạc hiện có, phạm vi nghiên cứu của mô hình sẽ được giới hạn trong phạm vi từ trạm thủy văn Củng Sơn ra tới cửa sông Đà Rằng. Như vậy, tài liệu thủy văn cần thiết cho cả trường hợp mô phỏng và các phương án tính toán sẽ là đường quá trình mực nước, lưu lượng tại Củng Sơn, đường quá trình mực nước tại trạm Phú Lâm và đường quá trình mực nước tại cửa Đà Rằng. Về mực nước tại cửa sông Đà Rằng, do có cùng chế độ triều của vùng biển từ Quảng Ngãi đến Nha Trang, mặt khác hiện tại chỉ có tài liệu quan trắc triều tại Quy Nhơn nên lấy mực nước triều tại trạm Quy Nhơn làm mực nước tại cửa Đà Rằng. 71 3.1.3. Tài liệu điều tra vết lũ Đã có hơn 40 vết lũ của con lũ lịch sử tháng 10/1993 đã được Viện Quy hoạch Thuỷ lợi điều tra và đã được đo đạc địa hình đưa về cao độ Quốc gia. Trong đó có 16 vết lũ thuộc bãi ngập trong phạm vi 2 kênh chính Bắc Nam đập Đồng Cam, các vết lũ còn lại nằm trong các ô ruộng ngoài phạm vi đập dâng Đồng Cam. Vị trí các vết lũ đã điều tra được trình bày trong (hình 18). Hình 18. Sơ hoạ vị trí điều tra tra vết lũ tháng 10/1993 72 3.2. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH THỦY LỰC TÍNH TOÁN NGẬP LỤT KHU VỰC NGHIÊN CỨU 3.2.1. Mô hình mưa rào dòng chảy NAM [2] Xác định bộ thông số cho mô hình và hiệu chỉnh mô hình được thực hiện bằng việc thiết lập bộ thông số cho lưu vực phía thượng lưu Củng Sơn, với số liệu lượng mưa ở 3 trạm Sơn Hòa, Yaun và An Khê. Bộ thông số được hiệu chỉnh bằng giá trị lượng mưa sinh dòng chảy tới Củng Sơn và lưu lượng thực đo tại Củng Sơn. Bộ thông số được lấy từ kết quả hiệu chỉnh con lũ 10/1993 trên lưu vực sông Ba phía thượng lưu trạm Củng Sơn với số liệu của 3 trạm đo mưa trên lưu vực là Sơn Hòa, Ayun và An Khê. Việc chạy mô hình MIKE NAM để xác định bộ thông số được thực hiện chạy hiệu chỉnh với con lũ 10/1993 và kiểm định với con lũ tháng 11/2003. Kết quả hiệu chỉnh được trình bày trong hình 19, hình 20 và hình 21 Hình 19. Biểu đồ lưu lượng tại Củng Sơn thực đo và tính toán tháng 10/1993 Di sc ha rg e (m 3/ s) 0 250 5000 7500 10000 12500 15000 17500 20000 22500 3-Oct-93 4-Oct-93 5-Oct-93 6-Oct-93 7-Oct-93 Date Legend Q_CungSon ttinh toan m3/s Q_CungSon thuc do m3/s 73 Hình 20. Biểu đồ lưu lượng tại Củng Sơn thực đo và tính toán tháng 11/2003 Hình 21. Biểu đồ lưu lượng tại Củng Sơn thực đo và tính toán tháng 11/2009 Di sc ha rg e (m 3/ s) 0 1250 2500 3750 5000 6250 7500 8750 10000 11250 12-Nov-03 13-Nov-03 14-Nov-03 15-Nov-03 16-Nov-03 17-Nov-03 Date Legend Q_CungSon tinh toan m3/s Q_CungSon thuc do m3/s Di sc ha rg e (m 3/ s) 0 1250 2500 3750 500 6250 7500 8750 10 11250 12500 13750 1500 2-Nov-09 3-Nov-09 4-Nov-09 5-Nov-09 6-Nov-09 Date Legend Q_CungSon tinh toan m3/s Q_CungSon thuc do m3/s 74 Bảng 12: Bảng đánh giá kết quả hiệu chỉnh mô hình NAM Trận lũ Sai số đỉnh lũ (%) Chỉ số Nash (%) R2 10/1993 0.29 80 0.83 11/2003 0.15 78 0.80 11/2009 0.23 83 0.85 Với kết quả như (bảng 12) ta thấy bộ thông số đã cho kết quả tính toán cả con lũ hiệu chỉnh cũng như kiểm định là khá tốt. Một số lưu ý trong hiệu chỉnh mô hình: - Để hiệu chỉnh sự cân bằng nước của từng lưu vực bộ phận, thường hiệu chỉnh các thông số Lmax, Umax và CQOF. Nói chung Umax thường có độ lớn tương ứng với 10% của Lmax; Umax ~ 10 - 20mm. - Hiệu chỉnh đỉnh lũ: dòng chảy mặt thường có ảnh hưởng chủ yếu đến đỉnh lũ. Tăng giảm đỉnh lũ bằng cách hiệu chỉnh hệ số CQOF, hệ số này tác động tuyến tính đến dòng chảy mặt. Hình dạng của dòng chảy mặt có thể được hiệu chỉnh bằng việc thay đổi các thông số CK12. - Hiệu chỉnh dòng chảy ngầm: thông số BF thể hiện lượng nước gốc là lưu lượng ở mức chân lũ. BF thay đổi đối với từng lưu vực và theo thời gian. Tổng lượng dòng chảy ngầm thường bị ảnh hưởng của các thành phần dòng chảy khác. Tuy nhiên, giá trị ngưỡng TG thường ảnh hưởng chính đến tổng lượng dòng chảy ngầm tại giai đoạn đầu của mùa mưa. - Hệ số dòng chảy mặt CQOF và hệ số thoát dòng chảy trao đổi CQIF: đối với lưu vực đất có khả năng thấm nước, dòng chảy sát mặt ít hơn thì giá trị CQOF nhỏ. Còn với lưu vực có nền địa chất chủ yếu là phiến thạch sét, sa diệp thạch ít thấm nước thì thông số CQOF lớn. Thông số CQIF tương đối ổn định cho từng lưu vực. - Giá trị ngưỡng dòng chảy mặt, dòng chảy trao đổi, hoàn lại nước ngầm TOF, TIF, TG ít thay đổi. Ngưỡng sinh dòng chảy tràn TOF đặc trưng cho đặc tính tổn thất ban đầu, không có dòng chảy sinh ra khi lượng ẩm đất tương đối L/Lmax nhỏ hơn giá trị ngưỡng. Các ngưỡng sinh các dòng chảy thường rất thấp. Đối với lưu vực sông mưa nhiều và ẩm thì các ngưỡng này thường ở mức 0.1 - 0.3. Bộ thông số 75 mô hình NAM sử dụng để tính toán cho lưu lượng gia nhập khu giữa thể hiện ở bảng 13. Bảng 13: Bộ thông số mô hình NAM STT Thông số/ điều kiện ban đầu Giá trị 1 Umax 14 2 Lmax 150 3 CQOF 0.27 4 CKIF 651 5 CK1.2 12 6 TOF 0.08 7 TIF 0.03 8 TG 0.3 9 CKBF 2000 10 CK2 10 11 CQLOW 0 12 CKLOW 10000 13 U/Umax 0.4 14 L/Lmax 0.3 Sử dụng bộ thông số này để tính toán lượng dòng chảy sinh ra từ mưa trên lưu vực hạ lưu sông Ba (sau Củng Sơn) và được đưa vào làm lượng gia nhập khu giữa. Lượng gia nhập khu giữa này được phân bố đều trong sông. 3.2.2. Mô hình EFDC [7, 8, 9, 10] a. Lựa chọn và xây dựng miền mô hình Khu vực mô phỏng là nhánh sông chính phần hạ lưu sông Ba từ Củng Sơn đến cửa Đà Rằng (hình 22) 76 Hình 22. Sơ hoạ phạm vi mô phỏng hạ lưu sông Ba Miền mô hình được xây dựng thuộc dạng lưới ĐềCác. Đây là dạng lưới mô hình phù hợp với vùng nghiên cứu vì nó đáp ứng được các đặc điểm về địa hình và dòng chảy trong sông có độ chính xác khá cao so với dòng chảy thực tế. Trong luận văn này tác giả đã sử dụng phần mềm DELft3D để xây dựng miền lưới tính toán mô phỏng cho vùng tính toán (hình 23 và hình 24). Để xây dựng mô hình hình học lưới tọa độ ĐềCác cho vùng tính toán cần các tài liệu sau: Hình 23. Phần mềm Delft 3D 77 + Tài liệu về đường bao khống chế lưu vực (outline) + Tài liệu về bình đồ lưu vực sông Hình 24. Giao diện làm việc chính của Delft 3D Việc tạo lưới mô hình cần có các file số liệu đầu vào là các file số hóa từ các tài liệu về địa hình như sau: + File thể hiện các thông tin địa hình (Topographic information file): file này chứa các dữ liệu về đường bao miền mô hình (outline) dưới dạng tọa độ (X,Y) được số hóa từ bình đồ dữ liệu khu vực nghiên cứu. Bằng việc sử dụng mô phần mềm Delft 3D miền lưới tính toán được tạo ra với ố lượng ô lưới là 37500 cells, diện tích khống chế khoảng 250 km2. + File mẫu: EFDC.inf Với các dữ liệu trên thì General EFDC model cho phép tạo ra miền mô hình tính toán như (hình 25). 78 Hình 25. Cốt cao địa hình khu vực tính toán b. Lựa chọn và xây dựng miền mô hình Điều kiện ban đầu: Cần khai báo các dữ liệu sau: + File về cao trình nước mặt (Surface Elevations): dựa vào mực nước thực đo tại các trạm phía thượng lưu và hạ lưu lấy độ dốc mặt nước là hằng số ta có được cao trình mặt nước theo đường mặt cắt dọc sông. Các điểm lưới còn lại trên toàn miền mô hình thì EFDC có khả năng tự nội suy vì vậy số liệu mực nước toàn vùng nghiên cứu dưới dạng (X, Y, Z). + File về cao trình đáy (Bottom Elevations), toàn bộ nhánh sông tính toán từ Củng Sơn đến cửa Đà Rằng với tổng chiều dài 50,688km có 24 mặt cắt (bảng 14). Bảng 14: Vị trí các mặt cắt thực đo [6] Số TT mặt cắt Vị trí tính từ điểm (0) m Số TT mặt cắt Vị trí tính từ điểm (0) m Số TT mặt cắt Vị trí tính từ điểm (0) m 1 0 9 17898 17 34499 2 2103 10 19348 18 36309 79 3 4753 11 20863 19 38259 4 6368 12 23423 20 40679 5 7678 13 25433 21 42879 6 10293 14 28958 22 44704 7 12843(*) 15 30779 23 46314 8 15578 16 32699 24 49400 (*) Vị trí tại đập Đồng Cam Điều kiện biên: + Biên thượng lưu lấy từ đường quá trình lưu lượng thực đo tại trạm Củng Sơn + Biên hạ lưu: biên triều được tính từ trạm đo triều Quy Nhơn + Do các nhánh sông nhập lưu vào đoạn sông nghiên cứu (hạ lưu sông Ba) là những dòng chảy nhỏ (các dòng suối) và tại đây không có số liệu quan trắc lượng dòng chảy đổ vào sông chính. Vì vậy, lượng nhập khu giữa được xác định từ lượng mưa và được đổ đều dọc chiều dòng chảy từ Củng Sơn đến cửa Đà Rằng. Hình 26. Lưới tính toán và biên đầu vào cho mô hình 80 Bước thời gian tính toán: Bước thời gian tính toán của mô hình được lựa chọn theo yêu cầu độ chính xác của mô hình được ấn định giao dộng từ 0.75s – 12.38s. Bước thời gian được chọn để chạy mô hình là 1.5s. Thời gian lưu kết quả tính toán mô hình là 5 phút/lần. Hệ số nhám : Hệ số nhám của lòng sông được lấy dao động từ 0.01-0.022 và 0.025 với các vùng tràn. 3.2.3. Kết quả mô phỏng quá trình ngập lụt bằng mô hình EFDC A. Kết quả hiệu chỉnh mô hình: Trận lũ mô phỏng được trích từ con lũ 10/1993 trong trận lũ này biên trên là lưu lượng thực đo tại Củng Sơn, biên dưới là biên triều tại cửa Đà Rằng và lượng gia nhập khu giữa tính từ MIKE NAM. Số liệu mực nước tại trạm Phú Lâm và các điểm điều tra vết lũ cũng được quan trắc và sử dụng vào việc hiệu chỉnh trong quá trình mô phỏng được thể hiện trong các hình (hình 27, hình 28và hình 29) và các bảng (bảng 15và bảng 16). Hình 27. Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo và tính toán trận lũ 10/1993 Phú Lâm W at er S ur fa ce E le va tio n (m ) -1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 5.50 6.00 03-Oct-1993 12:00 04-Oct-1993 12:00 05-Oct-1993 12:00 06-Oct-1993 12:00 07-Oct-1993 12:00 08-Oct-1993 12:00 Time (days) Legend H_PhuLam-Model H_PhuLam-Data 81 Bảng 15: Chỉ tiêu đánh giá sai số thực đo và tính toán tại trạm Phú Lâm ∆Hmax (m) ∆tmax (h) Nash (%) R 2 0.09 0.25 96 0.95 Bảng 16: Kết quả mô phỏng mực nước lũ tại các vị trí điều tra vết lũ Vết lũ Z vết lũ năm 1993 (m) Z maxtính toán theo model (m) ∆Z VL15 22.98 22.98 0 VL14 17.73 17.683 -0.047 VL13 17.5 17.554 0.054 VL12 17.23 17.309 0.079 VL11 16.53 16.08 -0.45 VL29 13.11 12.934 -0.176 VL17 6.95 7.101 0.151 VL18 5.85 5.86 0.01 VL19 5.80 5.65 -0.15 VL20 5.45 5.566 0.116 VL21 5.24 5.536 0.296 VL22 5.56 5.546 -0.014 VL9 6.12 5.667 -0.453 VL10 7.05 6.949 -0.101 VL8 5.83 5.782 -0.048 VL7 5.71 5.879 0.169 VL5 5.51 5.46 -0.05 VL6 5.28 5.535 0.255 VL4 3.46 3.502 0.042 VL3 3.39 3.514 0.124 VL2 3.40 3.537 0.137 VL1 3.44 3.543 0.103 VL24 5.84 5.379 -0.461 VL25 6.63 6.679 0.049 VL27 7.04 6.716 -0.324 VL30 10.55 10.477 -0.073 VL36 5.88 6.091 0.211 VL37 5.72 5.966 0.246 VL38 5.69 5.588 -0.102 VL39 5.76 5.593 -0.167 VL40 5.83 5.809 -0.021 VL48 3.61 3.92 0.31 VL23 5.20 5.345 0.145 Nguồn việc qhasdfa Nguồn: Giá trị điều tra vết lũ do viện quy hoạch thủy lợi 82 Hình 28. Mực nước tại thời điểm ngập lớn nhất Hình 29. Trường vận tốc tại thời điểm ngập lớn nhất trận lũ tháng 10/1993 83 Nhận xét kết quả mô phỏng trận lũ tháng 10/1993: Việc mô phỏng con lũ 10/1993 đã đạt kết quả khá tốt tại trạm đo Phú Lâm đường quá trình mực nước giữa tính toán và thực đo khá phù hợp về hình dạng và có sai số đỉnh lũ rất bé (= 0,09m), chỉ tiêu Nash đạt 96% và hệ số tương quan R2 đạt 0,95 ta thất kết quả mô phỏng là rất tốt. Tại các vết lũ, kết quả mô phỏng ở các bãi ngập lũ là ở mức chấp nhận được. Sai số trung bình tuyệt đối các vết lũ giữa tính toán và thực đo là 0,155m. Hầu hết các vết lũ đều có chênh lệch mực nước giữa tính toán và điều tra nhỏ hơn 0,20m. Về thời gian xuất hiện đỉnh lũ, giữa tính toán và thực đo lệch nhau 0.25 giờ (tính toán xuất hiện sớm hơn). Với một trận lũ có cường suất lũ lớn và đỉnh khá cao như vậy thì sai số thời gian xuất hiện đỉnh như vậy là chấp nhận được. Vì vậy có thể kết luận bộ thông số thủy lực ta đã chọn có đủ độ tin cậy để tính toán các phương án lũ sau này. B. Kết quả kiểm định mô hình: Sau khi hiệu chỉnh, bộ thông số thủy lực đã được chọn sẽ được kiểm định cho con lũ 11/2003 để kiểm định mô hình. Đây là con lũ có mức độ lớn trung bình thường xuyên xảy ra trên lưu vực. Lưu lượng đỉnh lũ tại Củng Sơn đạt 10000m3/s, trong trận lũ này, mực nước tại Phú Lâm được quan trắc và sử dụng để đánh giá kết quả kiểm định. Bước thời gian thực hiện mô phỏng kiểm định cũng được lựa chọn là 1.5s. Kết quả mô phỏng kiểm định cho con lũ 11/2003 được thể hiện trong các hình (hình 30 và hình 31) và (bảng 17). Bảng 17: Chỉ tiêu đánh giá sai số thực đo và tính toán tại trạm Phú Lâm ∆Hmax (m) ∆tmax (h) Nash (%) R 2 0.22 1.2 89 0.86 84 Hình 30. Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo và tính toán trận lũ 11/2003 Phú Lâm Hình 31. Trường vận tốc tại thời điểm ngập lớn nhất trận lũ tháng 11/2003 W at er S ur fa ce E le va tio n (m ) -1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 11-Nov-03 12-Nov-03 13-Nov-03 14-Nov-03 15-Nov-03 16-Nov-03 17-Nov-03 Time (days) Legend H_PhuLam-Model H_PhuLam-Data 85 Kết quả kiểm định lũ tháng 11/2003 cho thấy chênh lệch mực nước đỉnh lũ tại trạm Phú Lâm giữa tính toán và thực đo là không đáng kể. Tại Phú Lâm chênh lệch đỉnh lũ là 0,22m. Ngoài sai số mực nước đỉnh lũ nhỏ nhưng hình dạng lũ giữa thực đo và tính toán cũng đã có sự phù hợp tương đối. C. Kết quả mô phỏng với trận lũ tháng 11/2009: Bảng 18: Chỉ tiêu đánh giá sai số thực đo và tính toán tại trạm Phú Lâm ∆Hmax (m) ∆tmax (h) Nash (%) R 2 0.21 1.3 88 0.85 Hình 32. Biểu đồ đường quá trình mực nước thực đo và tính toán trận lũ 11/2009 Phú Lâm W at er S ur fa ce E le va tio n (m ) -0.50 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 5.00 02-Nov-2009 12:00 03-Nov-2009 12:00 04-Nov-2009 12:00 05-Nov-2009 12:00 06-Nov-2009 12:00 07-Nov-2009 12:00 Time (days) Legend H Phu Lam-Model H Phu Lam-data 86 Hình 33. Trường vận tốc tại thời điểm ngập lớn nhất trận lũ 11/2009 Bảng 19: Thống kê diện tích ngập theo xã - phường hạ lưu sông Ba trận lũ tháng 11/2009 Ma_DVHC Tên xã Diện tích tự nhiên (km 2 ) Diện tích ngập (km2) Phần trăm ngập lụt (%) 570601 TT. Phú Lâm 20.590 19.150 93 570717 Hoà Thắng 16.280 6.991 43 570514 An Phú 21.870 2.000 9 570708 P.8 1.400 0.642 46 570611 Hoà Phong 14.520 4.154 29 570707 P.7 1.510 1.510 100 570713 Hoà An 13.180 11.260 85 570602 Hoà Đồng 12.400 2.000 16 570511 An Nghiệp 40.430 6.000 15 570613 Hoà Tân Đông 22.740 7.000 31 570504 An Chấn 13.500 13.500 100 570715 Hoà Kiến 29.470 3.913 13 570605 Hoà Hiệp Bắc 14.520 4.295 30 570718 Hoà Trị 15.990 12.350 77 570620 Hoà Xuân Tây 50.900 8.000 16 87 Ma_DVHC Tên xã Diện tích tự nhiên (km 2 ) Diện tích ngập (km2) Phần trăm ngập lụt (%) 570604 Hoà Bình 2 14.050 10.110 72 570712 Hoà Định Tây 42.660 10.660 25 570705 P.5 1.390 1.390 100 570701 P.1 0.530 0.200 38 570709 Bình Kiến 22.720 9.406 41 570614 Hoà Tân Tây 15.860 3.034 19 570617 Hoà Vinh 8.870 4.698 53 570610 Hoà Phú 34.850 3.268 9 570703 P.3 0.290 0.221 76 570706 P.6 1.770 1.770 100 570709 Bình Kiến 22.720 9.406 41 570615 Hoà Thành 16.430 11.320 69 570702 P. 2 0.640 0.300 47 570716 Hoà Quang 88.380 3.690 4 570710 Bình Ngọc 4.070 2.847 70 570603 Hoà Bình 1 13.780 8.011 58 88 Hình 34. Ảnh vệ tinh hiện trạng ngập lụt khu vực sông Ba tháng 11/2009 3.3. TÍNH TOÁN NGẬP LỤT THEO TẦN SUẤT 1%, 2%, 5% VÀ 10% Để tiến hành xây dựng bản đồ ngập lụt tại khu vực nghiên cứu theo các tần suất lũ thiết kế 1%, 2%, 5% và 10%, sử dụng chuỗi số liệu lưu lượng max lớn nhất các năm từ năm 1977 đến năm 2009 (hình 35). Để xây dựng đường tần suất bằng phân phối PIII. Kết quả tính toán được thể hiện trong (bảng 20 và hình 36). 89 Hình 35. Lưu lượng lớn nhất tại trạm Củng Sơn qua các năm Bảng 20: Tần suất lũ thiết kế tại trạm Củng Sơn - Sông Ba 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 22000 24000 19 77 19 78 19 79 19 80 19 81 19 82 19 83 19 84 19 85 19 86 19 87 19 88 19 89 19 90 19 91 19 92 19 93 19 94 19 95 19 96 19 97 19 98 19 99 20 00 20 01 20 02 20 03 20 04 20 05 20 06 20 07 20 08 20 09 Q m ax (m 3 /s ) Năm Giá trị Qmax tại trạm Củng Sơn 90 Hình 36. Đường tần suất lũ trạm Củng Sơn Từ bảng thống kê tần suất lý luận ta chọn được trận lũ tháng 11/1993 làm trận lũ đại biểu, tiến hành thu phóng theo trận lũ đại biểu để được các trận lũ ứng với các tần suất trên. Các biên gia nhập khu giữa được tính bằng cách lấy theo tỉ lệ diện tích với trạm Củng Sơn (bảng 21). Bảng 21: Diện tích lưu vực tại Củng Sơn và các vị trí nhập lưu Vị trí Diện tích lưu vực (Km2) Củng Sơn 12224.0 Nhập lưu 01 132.8 Nhập lưu 02 388.7 Nhập lưu 03 61.4 Nhập lưu 04 210.6 Nhập lưu 05 60.0 Nhập lưu 06 162.8 3.4. XÂY DỰNG BẢN ĐỒ NGẬP LỤT 3.4.1. Quy trình chuyển kết quả của mô hình EFDC sang GIS và xây dựng bản đồ ngập lụt Từ kết quả mô hình EFDC xác định thời điểm ngập lớn nhất của khu vực nghiên cứu, sau đó sử dụng công cụ Export Tecplot trích xuất ra kết quả độ sâu ngập lớn nhất từ mô hình EFDC (hình 37). Từ file kết quả tecplot vừa export ở trên 91 sử dụng công cụ của phầm mềm mapinfo đưa vào phần mềm Mapinfo version 11.0, Sử dụng phần mềm vertical mapper kết nối với mapinfo để xây dựng lớp thông tin về độ sâu ngập lụt tối đa, sử dụng các công cụ nội - ngoại suy của vertical mapper (hình 38và hình 39) tạo ra nền DEM từ phép nội - ngoại suy này, sau đó sử dụng công Contour Grid (hình 40) để xác định các đường contour và phân cấp độ sâu ngập lụt, sau đó kết hợp với nền địa hình để hiệu chỉnh, loại bỏ sai số trước khi đưa vào thành lập bản đồ ngập lụt. Hình 37. Trích xuất kết quả độ sâu ngập lớn nhất từ mô hình EFDC 92 Hình 38. Nội-ngoại suy độ sâu ngập lụt lớn nhất bằng công cụ Vertical mapper Hình 39. Nền DEM được tạo ra từ phép nội-ngoại suy độ sâu ngập lụt lớn nhất 93 Hình 40. Xây đựng đường contour phân cấp ngập lụt từ công cụ của vertical mappper Cơ sở dữ liệu về GIS được thu thập làm bản đồ nền cho khu vực nghiên cứu xây dựng bao gồm các lớp:  Ranh giới: bao gồm ranh giới huyện, xã. Dữ liệu dạng đường, ký hiệu Ranhgioixa.Tab, Ranhgioihuyen.Tab  Giao thông: bao gồm đường quốc lộ, tỉnh lộ, đường liên tỉnh, liên huyện, đường sắt. Dữ liệu dạng đường, ký hiệu: Giaothong.Tab, Duongsat.Tab  Sông ngòi: gồm sông một và hai nét, hồ, đầm lầy. Dữ liệu dạng vùng và đường, ký hiệu: Thuyhe.Tab  Địa danh: bao gồm tên các huyện, xã, phường….Dữ liệu dạng text, ký hiệu: Diadanh.Tab  Khung và lưới: dạng đường và text, ký hiệu: Khung.Tab, Luoi.Tab. 94  Đường contour địa hình: dạng đường ký hiệu contour.Tab của bản đồ tỉ lệ 1: 200 000 3.4.2. Kết quả xây dựng bản đồ ngập lụt Bản đồ ngập lụt khu vực nghiên cứu được xây dựng cho trận lũ lịch sử tháng 11/2009 và các trận lũ thiết kế 1%, 2%, 5% và 10%. Kết quả được chuyển về hệ quy chiến longtitude/latitude (WGS84) và được biểu diễn trong các hình từ 41 đến hình 46. 95 Hình 41. Bản đồ ngập lụt hạ lưu sông Ba ứng với thời điểm ngập lụt lớn nhất tháng 10/2003 96 Hình 42. Bản đồ ngập lụt hạ lưu sông Ba ứng với thời điểm ngập lụt lớn nhất tháng 11/2009 97 Hình 43. Bản đồ ngập lụt hạ lưu sông Ba_Ứng với tần suất 1% 98 Hình 44. Bản đồ ngập lụt hạ lưu sông Ba_Ứng với tần suất 2% 99 Hình 45. Bản đồ ngập lụt hạ lưu sông Ba_Ứng với tần suất 5% 100 Hình 46. Bản đồ ngập lụt hạ lưu sông Ba_Ứng với tần suất 10% 101 Nhận xét: Các kết quả mô phỏng quá trình lũ trong sông và quá trình ngập lụt khu vực nghiên cứu cho thấy, kết quả tính toán khá phù hợp với thực đo. Mặc dù không có số liệu kiểm chứng về diện tích ngập lụt nhưng theo kết quả so sánh điều tra vết lũ thực đo và tính toán cho thấy triển vọng và độ tin cậy chấp nhận được của bộ thông số của mô hình trong việc mô phỏng diện tích ngập lụt, vốn là yếu tố quan trọng trong xây dựng bản đồ ngập lụt. Các tính toán cho thấy mô hình EFDC xây dựng trong luận văn có thể áp dụng cho thực tế cảnh báo lũ cho hạ lưu lưu vực sông Ba. Bộ bản đồ xây dựng cho trận lũ năm 2009 và các trận lũ thiết có thể làm cơ sở cho việc quy hoạch phòng chống lũ, quy hoạch sử dụng đất cũng như quy hoạch phát triển kinh tế xã hội trên khu vực nghiên cứu nói riêng và tỉnh Phú Yên nói chung. 102 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận So với một số mô hình thủy văn, thủy lực khác cho thấy mô hình EFDC cho phép tính toán đồng thời một hệ thống với đầy đủ các thuộc tính đặc trưng của lưu vực. Qua phân tích tình hình lũ lụt vùng hạ lưu sông Ba có thể nói lũ ở đây khá trầm trọng. Kết quả tính toán thủy lực cho thấy, khi con lũ chính vụ 10/1993 (là con lũ có lưu lượng lớn nhất tại Củng Sơn đạt 20700 m3/s) xảy ra có khoảng gần 22612 ha đất tự nhiên bị ngập lũ chiếm tới 52% diện tích đất tự nhiên các ô ngập vùng hạ lưu, trong đó có khoảng 110485 ha bị ngập sâu trong nước từ 2m trở lên, 4178 ha bị ngập sâu hơn 4 m trở lên. Còn đối với con lũ 11/2009 vẫn có khoảng 18300 ha bị ngập lũ. Đặc biệt là khu vực TP.Tuy Hòa luôn bị ngập mỗi khi có lũ Những năm gần đây, do hoạt động của các hồ chứa phía thượng lưu làm cho tình hình lũ lụt càng trở nên phức tạp và khó kiểm soát hơn như 10/2010 vừa qua làm TP.Tuy Hòa ngập sâu trong nước. Với bộ thông số đã hiệu chỉnh và kiểm định, cho ta kết quả tương đối chính xác về lượng, dạng lũ và thời gian xuất hiện. Vì vậy có thể sử dụng cho việc mô phỏng, cảnh báo lũ cho vùng hạ lưu sông Ba. Vùng nghiên cứu thuộc hạ lưu sông Ba, là vùng thường xuyên bị ngập úng do tác động của mưa lớn và bão hàng năm gây ảnh hưởng và thiệt hại đến đời sống dân sinh kinh tế. Để góp phần giảm thiểu nguy cơ ảnh hưởng của lũ lụt luận văn đã xây dựng bản đồ cảnh báo ngập lụt bằng mô hình thủy động lực học kết hợp với công cụ GIS là hướng tiếp cận hiện đại và cho kết quả khả quan. Luận văn cũng đã tổng quan được phương pháp thành lập bản đồ nói chung và phương pháp GIS để xây dựng bản đồ nói riêng. Xây dựng được quy trình thành lập bản đồ ngập lụt kết hợp giữa các tài liệu GIS và kết quả mô phỏng từ mô hình thủy động lực học EFDC. 103 Luận văn cũng đã áp dụng thành công mô hình EFDC để tính toán, mô phỏng diện ngập, độ sâu ngập và trường vận tốc tại các vị trí thuộc hạ lưu lưu vực sông Ba . Luận văn đã xây dựng được các bản đồ cảnh báo cho khu vực nghiên cứu với trận lũ tháng 11/2009 và các trận lũ thiết kế 1%, 2%, 5% và 10% đạt kết quả tốt, là cơ sở khoa học cho các nhà quản lý có kế hoạch phòng chống lũ cũng như phát triển kinh tế xã hội cho khu vực nghiên cứu. Những hạn chế  Chưa có điều kiện tham gia nghiên cứu và điều tra thực địa;  Số liệu khảo sát bãi tràn còn hạn chế;  Cao độ trên bản đồ DEM còn chưa được hiệu chỉnh thêm chính xác hơn nên việc mô phỏng còn có những sai sót;  Các kết luận và đánh giá còn mang tính tổng quát, chưa sâu sắc và chi tiết;  Chưa kiểm định với những con lũ có lượng lũ nhỏ để đánh giá bộ thông số được toàn diện hơn. Kiến nghị Cần điều tra, tổng hợp và thu thập thêm những số liệu về bãi ngập, cao độ bản đồ DEM. Xây dựng mộ quy trình vận hành hồ chứa trên hệ thống một cách hợp lý và có hiệu quả nhằm đảm bảo phòng và tránh lũ cho hạ lưu. Tính toán thêm nhiều trận lũ với các phương án khác nhau nhằm tìm ra bộ thông số đảm bảo mô phỏng và dự báo tốt. Xây dựng mô hình 2 chiều và mô phỏng cho các trận lũ cực lớn nhằm đối phó với khả năng đập có sự cố và chủ động tránh lũ trong nhân dân. Với sự “có mặt” của các hồ trên hệ thống có khả năng gây thiếu nước trầm trọng trong mùa khô, ngược lại tiềm ẩn nguy cơ gây lũ lụt nặng nề ở hạ lưu. Vì vậy cần có quy trình vận hành hồ chứa sao cho phục vụ tối ưu mục đích sử dụng. 104 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt 1. Trần Ngọc Anh (2011): Xây dựng bản đồ ngập lụt các sông Bến Hải và Thạch Hãn tỉnh Quảng Trị. Tạp chí khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, số 1S, Tr. 1-8. 2. Hoàng Thái Bình (2009), luận văn thạc sĩ: Xây dựng bản đồ ngập lụt hạ lưu hệ thống sông Nhật Lệ ( Mỹ Trung – Tám Lu – Đồng Hới). 3. Bộ môn tính toán thủy văn – Trường Đại học Thủy Lợi (2004): Bài tập thực hành viễn thám GIS. 4. Nguyễn Hữu Khải, Doãn Kế Ruân: Tổ hợp lũ và điều tiết lũ liên hồ chưa sông Ba. Tạp chí khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội. Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, T.27 số 1S – 2011, tr 151-157. Hà Nội. 5. Tổng cục thống kê tỉnh Phú Yên (2010): Niên giám thống kê tỉnh Phú Yên năm 2009. 6. Cấn Thu Văn (2010), luận văn thạc sĩ: Ứng dụng mô hình MIKE-FLOOD tính toán ngập lụt hạ lưu sông Ba. Tiếng Anh 1. Craig, P.M. (2009), “Users Manual for EFDC_Explorer: A Pre/Post Processor for the Environmental Fluid Dynamics Code”, Dynamic Solutions, LLC, Hanoi, Vietnam. 2. Craig, P.M (2010), “Hydrodynamics of the Lower Nam Hinboun Floodplain Hydraulic Model”, Dynamic Solutions, LLC, Hanoi, Vietnam. 3. Hamrick, J.M (1992): A Three-Dimensional Environmental Fluid Dynamics Computer Code: Theoretical and Computational Aspects. The College of William and Mary, Virginia Institute of Marine Science. Special Report 317, 63 pp. 4. Hamrick, J.M (1996): A User's Manual for the Environmental Fluid Dynamics Computer Code (EFDC). The College of William and Mary, Virginia Institute of Marine Science, Special Report 331, 234 pp.