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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------- LÊ NHƯ NGÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍCH HỢP VIỄN THÁM VÀ GIS XÁC ĐỊNH NGUY CƠ TAI BIẾN LŨ QUÉT LƯU VỰC SÔNG NĂNG, TỈNH BẮC KẠN Chuyên ngành: Bản đồ, Viễn thám và Hệ thống thông tin địa lý Mã số: 62 44 76 01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA LÍ Hà Nội, 2016 i Luận án được hoàn thành tại Khoa Địa lý - Trường đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Nguyễn Ngọc Thạch 2. PGS.TS. Lã Văn Chú Phản biện 1: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .............................. Phản biện 2: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .............................. Phản biện 3: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .............................. Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia chấm luận án tiến sĩ họp tại . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vào hồi giờ ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Lũ quét là thiên tai nguy hiểm chết người nhất [72]. Lũ quét ở nước ta ngày càng gia tăng cả về tần suất xuất hiện và tính cực đoan, xảy ra hằng năm ở vùng núi, thượng nguồn, ở các lưu vực nhỏ và vừa, nơi thiếu nhiều dữ liệu và nghiên cứu [9, 35]. Sông Năng là lưu vực nhỏ, đồi núi và thường xuyên xảy ra lũ quét gây thiệt hại lớn về người và của [10-20]. Hiện tại, độ tin cậy của dự báo, mô phỏng lũ quét vẫn chưa cao vì tính chất quá phức tạp của lũ quét. Việc nâng cao chất lượng dữ liệu đầu vào, xây dựng và áp dụng các công cụ, mô hình mới được ưu tiên [69]. Các mô hình định lượng thủy văn, thủy lực có độ tin cậy cao nhưng đòi hỏi nhiều số liệu chi tiết và khó áp dụng cho vùng đồi núi. Nước ta hiện nay, phương pháp phân tích đa biến được áp dụng phổ biến vì đơn giản nhưng mang nhiều định tính và loại bỏ tính chất động của lũ quét. Một mô hình định lượng nhờ sự tích hợp và kế thừa những ưu điểm của GIS, viễn thám và thủy văn sẽ cho phép mô phỏng được nguy cơ lũ quét chi tiết hơn và tin cậy hơn cho vùng núi cao và thiếu nhiều số liệu là khả thi và cần thiết. Từ yêu cầu thực tiễn đó luận án chọn đề tài nghiên cứu “Xây dựng mô hình tích hợp viễn thám và GIS xác định nguy cơ lũ quét lưu vực sông Năng, Bắc Kạn”. 2. Mục đích và nhiệm vụ a) Mục đích: Xây dựng mô hình có khả năng xác định nguy cơ lũ quét cho lưu vực sông vừa/nhỏ, vùng đồi núi, địa hình dốc, phức tạp, thiếu nhiều tài liệu hỗ trợ; Áp dụng mô hình để xác định được nguy cơ lũ quét cho lưu vực sông Năng, Bắc Kạn. b) Nhiệm vụ: Làm rõ khái niệm, nguyên nhân hình thành và phân loại lũ quét; Nghiên cứu các công trình khoa học trong và ngoài nước về lũ quét, từ đó đánh giá những hạn chế của các phương pháp, mô hình nghiên cứu đã có; đề xuất hướng nghiên cứu của luận án; Đánh giá, xác định các công cụ GIS, viễn thám và thủy văn áp dụng cho nghiên cứu lũ quét; Xây dựng mô hình xác định nguy cơ lũ quét; Ứng dụng mô hình để tính toán và xác định nguy cơ lũ quét cho lưu vực sông Năng, Bắc Kạn. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu: Lũ quét và các nhân tố gây ra lũ quét. Tập trung vào một loại lũ quét điển hình ở nước ta - đó là lũ quét sườn dốc và nghẽn dòng tự nhiên do mưa lớn. b) Phạm vi nghiên cứu: Các lưu vực sông vừa/nhỏ, vùng đồi núi. Áp dụng cho lưu vực sông Năng, tỉnh Bắc Kạn. 4. Đóng góp mới của luận án - Đưa ra mô hình phân bố xác định nguy cơ lũ quét định tính bán định lượng trên cơ sở phân tích diễn biến đặc trưng thủy văn dưới sự hỗ trợ của GIS và viễn thám. - Lượng hóa được mối quan hệ giữa lũ quét với các điều kiện tự nhiên, khí tượng - thủy văn lưu vực sông Năng, tỉnh Bắc Kạn. - Trên cơ sở phương pháp, mô hình lũ quét mới đã xây dựng được các bản đồ mới về nguy cơ lũ quét cho lưu vực sông Năng, tỉnh Bắc Kạn. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án a) Ý nghĩa khoa học: - Nghiên cứu này chứng minh được việc tích hợp GIS, viễn thám để xác định nguy cơ lũ quét cho lưu vực nhỏ vùng đồi núi, địa hình phức tạp, thiếu tài liệu hỗ trợ là có cơ sở khoa học, phù hợp, khả thi và cải thiện được chất lượng kết quả. - Củng cố thêm vai trò quan trọng của viễn thám trong xây dựng dữ liệu lớp phủ và NDVI trong bài toán lũ quét; Khẳng định được vai trò quan trọng và tính hiệu quả cao của GIS trong mô hình hóa bài toán thủy văn và lũ quét. b) Ý nghĩa thực tiễn: - Cơ sở khoa học về lũ quét, mô hình lũ quét, kết quả mô phỏng lũ quét của luận án là tài liệu tin cậy để tham khảo và có thể được áp dụng cho vùng nghiên cứu khác; - Kết quả mô phỏng nguy cơ lũ quét là tài liệu tin cậy và có giá trị giúp cho quy hoạch, phân vùng kinh tế - xã hội, quản lý và giảm nhẹ thiên tai lưu vực sông Năng, tỉnh Bắc Kạn. 6. Phương pháp nghiên cứu · · · · Cơ sở khoa học và đặc trưng lũ quét, thủy văn; Các công cụ của GIS trong thủy văn, lũ quét; Các công cụ của Viễn thám trong thủy văn, lũ quét; Các ưu điểm và hạn chế của phương pháp nghiên cứu lũ quét hiện tại. Xây dựng mô hình Mô hình ý tưởng xác định nguy cơ lũ quét Dữ liệu: - mưa - sdđ/lớp phủ - NDVI - đất - độ dốc - lũ quét lịch sử Lập trình Phần mềm (mô hình vật lý) xác định nguy cơ lũ quét Mô phỏng nguy cơ lũ quét Phân tích tương quan lũ quét với các nhân tố Nguy cơ lũ quét lưu vực sông Năng Hình 1-1. Quy trình tổng quát nghiên cứu của luận án 7. Cấu trúc luận án Luận án bao gồm 199 trang A4, gồm: mở đầu, 4 chương nội dung, kết luận, tài liệu tham khảo và phần phụ lục. Trong đó, Chương 1 - Tổng quan về vấn đề nghiên cứu (31 trang); Chương 2 - Mô hình xác định nguy cơ lũ quét (27 trang); Chương 3 - Đặc điểm lũ quét và các nhân tố hình thành lũ quét lưu vực sông Năng, Bắc Kạn (32 trang); Chương 4 - Tính toán, xác định nguy cơ lũ quét lưu vực sông Năng, tỉnh Bắc Kạn (37 trang). Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU. 1.1. Khái niệm lũ quét Khái niệm lũ quét chưa hoàn toàn thống nhất. Dựa trên phạm vi và đối tượng nghiên cứu, luận án sử dụng khái niệm: “Lũ quét là những trận lũ lớn, xảy ra bất ngờ, tồn tại trong một thời gian ngắn, có dòng chảy xiết, có hàm lượng chất rắn cao và có sức tàn phá lớn hơn nhiều mức lũ bình thường và thường xảy ra ở thượng nguồn khe, suối, sông và trên những lưu vực tương đối nhỏ nơi có tổ hợp các yếu tố bất lợi của điều kiện bề mặt và địa hình”. 1.2. Phân loại lũ quét Phân loại lũ quét còn nhiều khác biệt. Dựa trên phạm vi và đối tượng nghiên cứu, luận án sử dụng phân loại lũ quét theo nguyên nhân hình thành: (1) lũ quét nghẽn dòng, (2) lũ quét sườn dốc, (3) lũ quét hỗn hợp và (4) lũ bùn đá. Theo các nghiên cứu trước đây thì lũ quét ở nước ta bao gồm cả 4 loại nêu trên, trong đó tần suất xuất hiện thì lũ quét sườn dốc trội hơn cả và tiếp theo là lũ quét nghẽn dòng [9]. Theo thông tin của Đài KTTV Bắc Kạn thì trong phần lớn các trận lũ quét xảy ra trong vùng nghiên cứu thuộc loại lũ quét sườn dốc. Luận án sẽ không đi sâu vào nghiên cứu và mô phỏng loại 3 và 4 mà chỉ tập trung vào loại 1 và một phần của loại 2 là lũ quét nghẽn dòng tự nhiên. 1.3. Nghiên cứu lũ quét trên thế giới 1.3.1. Phương pháp phân tích và chồng xếp nhân tố Còn được gọi là phương pháp phân tích đa biến, mô tả định tính nguy cơ lũ quét (FFPI) dựa trên những nhân tố chính như là độ dốc, lớp phủ bề mặt, sử dụng đất, loại và cấu tượng của đất [75]. FFPI được xác định bằng trung bình hóa số học có trọng số như công thức 1-1 [81]. FFPI=(w1*Sl+w2*LL+w3*So+w4*VD)/(w1+w2+w3+w4) (1-1) Trong đó, FFPI – chỉ số nguy cơ lũ quét, Sl – độ dốc, LL – lớp phủ/sử dụng đất, So – đất, VD – mật độ rừng và thực vật, và w1, w2, w3, và w4 - trọng số tương ứng của Sl, LL, So, và VD. Phương pháp này đơn giản nhưng độ tin cậy không cao, không quá phổ biến và chỉ áp dụng để bổ sung cho phương pháp thủy văn/thủy lực. 1.3.2. Phương pháp thủy văn/thủy lực Đặt và giải bài toán lũ quét theo cách tiếp cận thủy văn/thủy lực 1 hoặc 2 chiều thông qua mô hình số trị (phần mềm) dẫn nguồn từ phương trình Saint Venant/Navier-Stocks. Mô hình thủy lực xác định được ranh giới và độ sâu ngập lụt. Mô hình thủy văn cho kết quả lưu lượng tại các cửa ra của phụ lưu và là dữ liệu đầu vào cho mô hình thủy lực. Phương pháp này sử dụng nhiều trên thế giới như Mỹ, Châu Âu, Nhật Bản vì cho kết quả định lượng và tin cậy. Đặc biệt, phương pháp thủy văn được áp dụng phổ biến trên thế giới trong các hệ thống cảnh báo vì chạy nhanh. Nhưng, phương pháp này đòi hỏi nhiều số liệu chi tiết, thời gian tính toán lâu, xây dựng mô hình tốn kém và đôi khi không thực hiện được đối với những khu vực có địa hình quá phức tạp vùng núi cao. 1.3.3. Phương pháp và nghiên cứu khác Các phương pháp khác cũng được sử dụng như thống kê cho mục đích dự báo lũ quét trung và dài hạn; xây dựng/gắn các thiết bị đo tự động dòng chảy trực tiếp trên các cầu bắc qua suối, vào các hòn đá trên sườn núi, trong các con suối cho mục đích cảnh báo sớm lũ quét trong trường hợp các mô hình cảnh báo sai [61] . 1.4. Nghiên cứu lũ quét ở Việt Nam 1.4.1. Phương pháp phân tích và chồng xếp nhân tố Phương pháp áp dụng ở Việt Nam tương tự như của nước ngoài nhưng thường có thêm nhân tố lượng mưa. Mưa được sử dụng có thể là mưa ngày lớn nhất, mưa trung bình ngày, mưa trung bình tháng, mưa trung bình năm. Phương pháp này được sử dụng rất phổ biến ở nước ta hiện nay vì tính đơn giản và hiệu quả. 1.4.2. Phương pháp thủy văn/thủy lực Phương pháp này còn ít được sử dụng để nghiên cứu lũ quét ở nước ta vì phức tạp, tốn kém và đòi hỏi nhiều dữ liệu chi tiết. Chỉ có một vài nghiên cứu, mô phỏng lại các trận lũ quét đã xảy ra ở phần thấp của lưu vực [8]. 1.4.3. Phương pháp và nghiên cứu khác Một số phương pháp khác cũng được nghiên cứu và áp dụng ở nước ta: phương pháp thống kê số lượng lớn lũ quét và lượng mưa tìm ra quy luật, ngưỡng mưa gây ra lũ quét [1-4, 33, 34]; phương pháp mạng thần kinh nhân tạo [23]; phương pháp địa động lực [31]. 1.5. Nghiên cứu lũ quét tại lưu vực sông Năng, Bắc Kạn Cho đến nay chưa có một nghiên cứu chuyên biệt về lũ quét cho lưu vực sông Năng, Bắc Kạn. Chỉ có một số nghiên cứu ở phạm vi không gian rộng hơn và bao trùm lưu vực. Các nghiên cứu này đều áp dụng phương pháp thống kê để xác định nguyên nhân và ngưỡng mưa hình thành lũ quét và phương pháp phân tích và chồng xếp nhân tố để xây dựng bản đồ nguy cơ lũ quét [6]. Tiểu kết chương 1 Lũ quét ở nước ta và lưu vực sông Năng chủ yếu là lũ quét sườn dốc [9]; Có 2 phương pháp nghiên cứu phổ biến nhất hiện nay là phương pháp thủy văn/thủy lực và phân tích nhân tố để mô phỏng, xây dựng bản đồ nguy cơ, phân vùng lũ quét; Phương pháp nhân tố đơn giản, khả thi cao nhưng mang nhiều định tính, triệt tiêu tính chất động tự nhiên của lũ lụt. Phương pháp thủy văn/thủy lực mang nhiều định lượng nhưng khó áp dụng, đòi hỏi nhiều thời gian và dữ liệu chi tiết. Luận án sẽ giải quyết các vấn đề cơ bản sau: - Nghiên cứu, lựa chọn và áp dụng mô hình thủy văn đã được đơn giản hóa có thể giải được bằng phương pháp số học bản đồ trong GIS. - Nghiên cứu, lựa chọn và áp dụng các hàm/công cụ GIS để giải bài toán thủy văn. - Nghiên cứu và xây dựng bản đồ lớp phủ từ ảnh vệ tinh Landsat; nghiên cứu và áp dụng chỉ số thảm thực vật (NDVI) từ ảnh vệ tinh Landsat để chi tiết hóa và nâng cao chất lượng dữ liệu lớp phủ. - Xây dựng mô hình phân bố (distributed model) từ việc tích hợp GIS, viễn thám và thủy văn có thể mô phỏng lũ quét cho vùng núi, đầu nguồn lưu vực nước ta, nơi có địa hình phức tạp và thường xảy ra lũ quét sườn dốc. - Áp dụng mô hình lũ quét để mô phỏng thử cho khu vực lưu vực sông Năng, tỉnh Bắc Kạn. Chương 2. MÔ HÌNH XÁC ĐỊNH NGUY CƠ LŨ QUÉT 2.1. Cơ sở hình thành lũ quét Điều kiện ban đầu và tính chất của bề mặt lưu vực Độ ẩm bề mặt Mưa Lớp phủ bề mặt Đất bề mặt Thấm, ngấm, bốc hơi Địa hình, địa mạo lưu vực Độ dốc lưu vực Mưa hiệu quả (dòng chảy mặt) Hình dạng lưu vực Kích thước lưu vực Gom nước Khả năng tải của suối, sông Độ dốc suối, sông Dòng chảy trong suối, sông Diện tích mặt cắt suối, sông Suối, sông bị quá tải? Sai Không có lũ quét Đúng Lũ quét Hình 2-1. Sơ đồ tổng quát cơ sở hình thành lũ quét 2.2. Phương pháp SCS xác định mưa hiệu quả 2.2.1. Mưa hiệu quả Mưa hiệu quả là lượng mưa còn lại tại bề mặt đất sau khi trừ đi các tổn thất do bốc hơi, bề mặt lớp phủ và lớp đất mặt giữ lại và đi vào tầng nước ngầm. Mưa hiệu quả quyết định dòng chảy mặt và lũ lụt trên sông suối và có thể là toàn bộ lưu vực. 2.2.2. Quan hệ giữa đất và dòng chảy mặt Lớp đất mặt có tác động trực tiếp đến mưa hiệu quả. Mỗi loại đất có tính chất cơ lý, cấu trúc, thành phần khác nhau và do vậy có tính chất thẩm thấu cũng khách nhau. Đất được phân thành 4 nhóm (A, B, C và D) theo tính chất thủy văn theo NRSC [81]. 2.2.3. Quan hệ giữa lớp phủ bề mặt, sử dụng đất và dòng chảy mặt: Tính chất thủy văn của lớp phủ không chỉ phụ thuộc loại lớp phủ, tính chất sử dụng mà còn phụ thuộc vào mật độ, cấu trúc và tính chất của thực vật, cây cối. Tính chất này phần nào được phản ánh bằng chỉ số NDVI, lượng diệp lục của thực vật. Những nơi có NVDI cao là nơi có rừng rậm, xanh tốt và có khả năng lưu trữ nước mưa và cản trở dòng chảy mặt hiệu quả. Ngược lại, những nơi có NDVI thấp thường đất trống, bụi cây thưa thớt, khu dân cư, công trình xây dựng và ít có khả năng lưu trữ nước mưa và cản trở dòng chảy mặt. 2.2.4. Phương pháp SCS tính dòng chảy mặt: SCS-CN là phương pháp thực nghiệm, tính mưa hiệu quả thông qua giá trị CN [78]. Tại mỗi ô lưới hay tiểu lưu vực, ứng với mỗi loại lớp phủ/sử dụng đất và loại đất sẽ xác định được một giá trị CN tương ứng theo. Khi có được CN thì dòng chảy mặt Q sẽ được xác định: (2-2) Pe  ( P  0.2S ) 2 P  0.8S (2-3) 1000 (2-4) 10  S / 25.4 Trong đó, Q – tổng lưu lượng cho toàn lưu vực hoặc 1 pixel (mm3 hoặc m3); A – diện tích lưu vực hoặc 1 pixel (mm2 hoặc m2); Pe – lượng mưa hiệu quả (mm); P – lượng mưa (mm); S – khả năng lưu trữ cực đại của bề mặt (mm). 2.3 Tính toán Qmax và TQmax 2.3.1 Phương pháp đường đẳng thời Phương pháp được được sử dụng tính toán và xây dựng đường quá trình lưu lượng. Lượng mưa hiệu quả sinh ra dòng chảy mặt sẽ chảy tràn trên bề mặt và/hoặc trong kênh và sẽ mất một khoảng thời gian nhất định để di chuyển ra tới điểm cuối của lưu vực. Lưu lượng tại cửa ra tại từng thời điểm được xác định theo công thức (2-6). (2-6) Trong đó, Qi – lưu lượng tại cửa ra tại thời điểm i (m3/s), Pi – lưu lượng mưa hiệu quả tại thời điểm i (m/s), Ai – diện tích giữa 2 đường đẳng thời gian tại điểm i (m2), i và k – các số tự nhiên. CN  Hình 2-2. Sơ đồ tính lưu lượng theo phương pháp đường đẳng thời 2.3.2 Xác định Qmax và TQmax Qmax là lưu lượng cực đại tại mỗi ô lưới hoặc tiểu lưu vực xảy ra trong mỗi trận mưa, nó quyết định đến việc hình thành và cường độ lũ quét. Qmax càng lớn thì nguy cơ và cường độ lũ quét càng lớn và ngược lại. TQmax - khoảng thời gian xảy ra Qmax so với mưa cực đại. TQmax càng nhỏ thì tính bất ngờ càng cao và khó ứng phó, có nghĩa là rủi ro càng lớn và ngược lại. Tmax là một tham số để phân biệt lũ quét ở thượng nguồn và lũ lụt thông thường ở hạ lưu. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng với lũ quét thì TQmax chỉ là vài giờ nhưng với lũ lụt ở hạ lưu thì TQmax có thể là vài ngày, thậm chí là tuần. Hình 2-3. Biểu đồ mô tả Qmax và TQmax 2.4 Phân tích GIS GIS được thực hiện chính các chồng xếp, phân tích trong phương pháp đường đẳng thời ở mục 2.3.2, xây dựng các dữ liệu đầu vào thủy văn (độ dốc, hướng dòng chảy, dòng chảy tích lũy, hệ thống sông suối, phụ lưu) được xây dựng như sơ đồ ở Hình 2-4 và chiết xuất vùng đất thấp dễ ngập lụt như công thức 2-14. DEM Độ dốc Phụ lưu Hướng dòng chảy Dòng chảy tích lũy Hệ thống sông suối Hình 2-4. Sơ đồ xây dựng dữ liệu thủy văn Chỉ số ẩm ướt địa hình (TWI) được xác định bằng GIS từ DEM theo công thức (2-14). (2-14) Trong đó, TWI - chỉ số ẩm ướt địa hình của pixel, a - diện tích tiểu lưu vực cung cấp nước cho pixel đó trên mỗi đơn vị chiều dài vuông góc với dòng chảy (m2/m), và β - độ dốc của pixel (radian). 2.5 Phân tích viễn thám Ảnh Landsat của NASA, Mỹ có từ những năm 1970. Hiện tại, ảnh là miễn phí, chất lượng tốt, đã được nắn chỉnh hình học và gắn tọa độ địa lý, có độ phân giải không gian trung bình (từ 30 đến 86m) và dễ dàng truy cập thông qua internet nên được sử dụng trong luận án để xây dựng dữ liệu lớp phủ bề mặt và chỉ số thực vật (NDVI). Đây là 2 thông số quan trọng để xác định giá trị CN trong mục 2.2.4 và được chiết xuất theo sơ đồ ở Hình 2-5. Ảnh vệ tinh (quang phổ, đa phổ) Giải đoán ảnh (phương pháp Supervised classification ) Dữ liệu lớp phủ bề mặt Dữ liệu NDVI Hình 2-5. Sơ đồ tổng quan phân tích viễn thám 2.6 Xác định nguy cơ lũ quét 2.6.1 Đặc điểm chính của lũ quét Các nghiên cứu trước đây đều chỉ ra đặc điểm chung của lũ quét: - Trận lũ lớn: trận lũ có lưu lượng Q lớn tới rất lớn, lớn hơn rất nhiều lần so với lưu lượng lũ bình thường; - Xảy ra bất ngờ, tồn tại trong một thời gian ngắn: trận lũ có thời gian lưu lượng đạt đỉnh rất nhanh và thời gian duy trì đỉnh lũ cũng rất ngắn so với lũ thông thường; - Có dòng chảy xiết, có hàm lượng chất rắn cao và có sức tàn phá lớn hơn nhiều mức lũ bình thường. - Thường xảy ra ở thượng nguồn lưu vực, trong kênh, suối, sông nơi có tổ hợp các yếu tố bất lợi của bề mặt và địa hình. 2.6.2 Xác định nguy cơ lũ quét Nguy cơ lũ quét mô tả tần suất và cường độ lũ quét xuất hiện tại một vị trí hoặc một vùng và được thể hiện qua chỉ số nguy cơ lũ quét (flash flood potential index - FFPI). Hình 2-6. Sơ đồ mô hình chồng ghép các tham số thủy văn xác định nguy cơ lũ quét Bảng 2-1. Bảng tổng hợp và phân loại chỉ số nguy cơ lũ quét FFPI được xác định dựa trên việc chồng ghép 3 tham tố thủy văn chính, đó là: (1) lưu lượng cực đại vượt quá lưu lượng tràn bờ (Q max Qbankfull), (2) tỷ lệ lưu lượng cực đại so với lưu lượng tràn bờ (Qmax/Qbankfull) và (3) thời gian giữa đỉnh mưa và đỉnh lưu lượng (TQmax). Phân loại lũ quét từ FFPI như Bảng 2-1. 2.7. Xây dựng phần mềm phân tích thủy văn GIS lũ quét Phần mềm (mô hình vật lý) phân tích thủy văn GIS lũ quét được xây dựng dựa trên phương pháp đường đẳng thời (mục 2.3.2 và Hình 2-2). Phần mềm được sử dụng để mô phỏng nguy cơ lũ quét cho lưu vực sông Năng, Bắc Kạn ở Chương 4. Phần mềm được viết bằng ngôn ngữ VBA trên nền của phần mềm ArcGIS. Chi tiết mã lệnh của chương trình chỉ ra ở phụ lục 5, trang 182 của luận án. Tiểu kết Chương 2 Dựa trên cơ sở khoa học về lũ quét, thủy văn, GIS và viễn thám và đặc điểm lũ quét sườn dốc, luận án đã tích hợp và đưa ra được một mô hình mới có khả năng mô phỏng, xác định nguy cơ lũ quét cho các lưu vực nhỏ, miền núi, địa hình phức tạp và thiếu nhiều thông tin, số liệu hỗ trợ. Mô hình có khả năng mô tả tốt tính chất động và tương quan không gian của lũ quét với các nhân tố hơn so với các mô hình xác định, chồng xếp nhân tố lũ quét phổ biến khác. Hơn nữa, đây là mô hình phân bố (distributed model) nên có khả năng mô phỏng chi tiết đến từng ô lưới (pixel) so với trung bình toàn lưu vực như mô hình tập trung (slumped hoặc semi-distributed model). Mô hình áp dụng: Phương pháp đường đẳng thời xây dựng đường quá trình lưu lượng (hydrograph) tại mỗi ô lưới trong toàn bộ lưu vực mà không nhiều các mô hình thủy văn truyền thống thực hiện được; Phương pháp SCS – CN được áp dụng để tính mưa hiệu quả; Ranh giới vùng lũ quét đi qua được xác định thông qua vùng đất thấp dễ ngập lụt. Cả 3 phương pháp đã được khẳng định về độ tin cậy và hoàn toàn phù hợp với công nghệ GIS. Chỉ số nguy cơ lũ quét được xác định thông qua tham số thủy văn, gồm: (1) lưu lượng cực đại vượt quá lưu lượng tràn bờ (Qmax Qbankfull), (2) tỷ lệ lưu lượng cực đại so với lưu lượng tràn bờ (Qmax/Qbankfull) và (3) thời gian giữa đỉnh mưa và đỉnh lưu lượng (TQmax). CHƯƠNG 3. ĐẶC ĐIỂM LŨ QUÉT VÀ CÁC NHÂN TỐ HÌNH THÀNH LŨ QUÉT LƯU VỰC SÔNG NĂNG, BẮC KẠN 3.1. Vị trí địa lý và đặc điểm kinh tế - xã hội lưu vực sông Năng, Bắc Kạn 3.1.1. Vị trí địa lý Vùng nghiên cứu là lưu vực sông Năng, có diện tích khoảng 2.258 km2, nằm ở toạ độ địa lý 22o12.7’ đến 21o48.2’ vĩ độ Bắc và 105o28.4’ đến 105o59.1’ kinh độ Đông, nằm ở phía bắc tỉnh Bắc Kạn. 3.1.2. Kinh tế - xã hội Vùng nghiên cứu thuộc 42 xã, 8 huyện và 3 tỉnh, trong đó 37 xã và 4 huyện thuộc Bắc Kạn; dân số năm 2013 gần 120 nghìn người với gần 95% là dân tộc thiểu số với nhiều dân tộc, chủ yếu là Kinh, Tày, Dao, Hmông, Nùng, Hoa sinh sống; Là kinh tế miền núi, thuộc diện nghèo trong tỉnh Bắc Kạn và cả nước với tỷ lệ hộ nghèo gần 60%, chủ yếu là kinh tế nông nghiệp, rừng và chăn nuôi gia súc. 3.2. Hiện trạng lũ quét lưu vực sông Năng, Bắc Kạn Hơn 10 năm gần đây (2000-2011), ở mức độ và phạm vi khác nhau, gần như năm nào cũng có xảy ra lũ quét gây thiệt hại lớn về người và tài sản. Theo thống kê chưa đầy đủ, trong thời gian này đã có 38 người chết hoặc mất tích, thiệt hại hơn 39 tỷ đồng. Thậm chí trong một số năm đã có tới 2 trận lũ quét lớn (2006 và 2008). Lũ quét xảy ra từ tháng 5 đến hết tháng 9, cao điểm là tháng 7 và trùng với các tháng mùa mưa. Lũ quét chủ yếu xảy ra tại 3 huyện Pắc Nậm (chiếm 54% số trận), Ba Bể (33%) và Bảo Lâm và Bảo Lạc, Cao Bằng (13%). 3.3. Đặc điểm điều kiện tự nhiên vùng nghiên cứu và mối liên hệ chi phối của nó tới lũ quét 3.3.1. Địa hình Vùng nghiên cứu là lưu vực nhỏ, đồi núi cao, có địa hình chia cắt mạnh bởi nhiều dãy núi theo các hướng khác nhau và xung quanh được bao bọc bởi 3 dãy núi cao ( với độ cao phổ biến từ 1.0001.400m). Độ cao trung bình toàn bộ lưu vực khoảng 600m (nhỏ nhất 80m - khu vực cửa ra và lớn nhất 1.980m – khu vực thượng nguồn), phổ biến ở độ cao từ 300 đến 800m. 3.3.2. Độ dốc Lưu vực có độ dốc lớn. Độ dốc của pixel trung bình toàn lưu vực rất lớn, khoảng 18.8o (nhỏ nhất 0o và lớn nhất là 65o), tập trung chủ yếu từ 10-27o. Độ dốc trung bình phụ lưu phổ biến ở mức 17-22o (chiếm 78.5% diện tích vùng nghiên cứu), 20-30o (37%), >30o (0%). Theo kết quả phân tích, độ dốc trung bình của các phụ lưu đã từng xảy ra lũ quét từ năm 2000 đến 2011 đều tương đối cao (từ 17.1o đến 22.3o, trung bình là 20o). Điều này thể hiện nguy cơ lũ quét của lưu vực sông Năng là cao. 3.3.3. Địa mạo Lưu vực sông Năng có đặc điểm chung với địa mạo Bắc Kạn, khá đa dạng về nguồn gốc cũng như hình thái, bao gồm: nhóm dạng địa hình kiến tạo, kiến trúc bóc mòn và nhóm dạng địa hình bóc mòn. 3.3.4. Khí hậu Cũng như đặc điểm của khí hậu Bắc Kạn nói chung, lưu vực sông Năng nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, chia thành 2 mùa trong năm. Vì lưu vực khép kín và nhỏ nên có khí hậu tương đối đồng đều. Nhiệt độ trung bình năm từ 21oC đến 28oC. Độ ẩm không khí trung bình tháng thường xuyên đạt 80-86%. 3.3.5. Mưa Mưa được xem là nhân tố quan trọng nhất gây ra lũ quét đặc biệt là với lũ quét sườn dốc mà luận án nghiên cứu. Ảnh hưởng của bão và áp thấp nhiệt đới và hoạt động mạnh của các rãnh áp thấp hội tụ thường gây ra mưa lớn trên diện rộng và lũ lụt cho lưu vực. Theo dữ liệu mưa thời đoạn, ngày và mưa trận cực đại năm của 42 năm (từ 1969 đến 2010), tất cả đều có xu hướng tăng lên rất rõ rệt, có 3 đến 5 lần đột biến (khoảng 10 năm một lần) và mưa ở các thời đoạn cũng rất đồng điệu với nhau và với mưa trận. Cả 4 trận mưa gây ra lũ quét toàn lưu vực trong quá khứ đều có cường độ mưa thời đoạn rất cao. Theo số liệu mưa giờ 3 ngày cực đại năm của 48 năm (19652012) thì phần lớn (83%) mưa trận cực đại năm có lượng mưa trên 100mm, 31% – trên 150mm, 13% – trên 200mm và 4% – trên 250mm và xu thế đang tăng lên. Theo kết quả phân tích thống kê, rất có thể sẽ xuất hiện những trận mưa lên đến 400mm. Do vậy, nguy cơ lũ quét của khu vực nghiên cứu là rất cao và ngày càng gia tăng. Đặc điểm các trận mưa đã gây ra lũ quét cho lưu vực sông Năng: Tổng lượng mưa có khoảng tương đối rộng, từ 73,4 đến 243,6mm và chủ yếu từ 100mm trở lên; Hầu hết tổng lượng mưa 5 ngày trước đều lớn, từ 30m trở lên, phổ biến từ 40-60mm, cá biệt trận mưa ngày 12/8/2008 là 164,2mm. 3.3.6. Thủy văn + Hệ thống sông suối: Sông Năng là sông chính, lớn nhất thuộc phía bờ trái sông Gâm, có chiều dài 113km, bắt nguồn từ vùng núi Pia-ya cao khoảng 1.200m (huyện Bảo Lâm, Cao Bằng), chảy qua các huyện Pắc Nậm và Ba Bể và nhập vào sông Gâm tại Khun Phen (huyện Nà Hang, Tuyên Quang). Độ dốc đáy của sông Năng trung bình là 0,36o. Ngoài ra còn có các sông khác là sông Công Bằng, Nghiên Loan, Chợ Lừng, Ti Hông, Chu Hương và Hà Hiệu. Các sông này đều hợp lưu và đổ nước vào sông Năng phía dưới hạ lưu của lưu vực. Lưu vực có mật độ sông suối dày, có lòng và phần bãi đều nhỏ, hẹp, có độ dốc cao. Do vậy rất bất lợi đối với lũ quét. Theo số liệu lũ quét trong 12 năm, từ 2000 đến 2011 [10-21], ngoài 3 trận lũ quét xảy ra toàn bộ lưu vực do mưa rất lớn trên diện rộng thì phần lớn các trận lũ quét do mưa cục bộ đã nghi nhận được đều xảy ra ở khu vực suối cấp 1, 2 và khu vực thượng nguồn các sông. + Lưu lượng tại trạm Đầu Đẳng: Trạm thủy văn Đầu Đẳng thuộc cấp I, đặt ở cuối lưu vực, dừng hoạt động sau năm 1976. Mặt cắt ngang lòng chảy có hình chữ U với diện tích khoảng 200m2, có độ sâu gần 5m và độ rộng đáy khoảng 15m, khoảng cách 2 bờ sông rộng 45m. Lưu lượng bình quân năm là 48,2m3/s, trung bình 7 tháng mùa mưa 5 năm (1972-1976) là 66,5m3/s. Gần đây, theo Đài KTTV Bắc Kạn, hằng năm, tại Đầu Đẳng, lũ tràn qua bãi 1-2 lần (năm 2014, 2015 đều có lũ tràn qua bãi với biên độ lũ từ 3,5 đến 4m, năm 2006, đỉnh lũ lên đến 7-8m), vận tốc lũ lớn có thể đạt gần 5m/s, lưu lượng trận lũ 2006 ước đạt gần 3.000m3/s. Theo kết quả mô phỏng của luận án, trận lũ năm 2006 thì lưu lượng tại Đầu Đẳng đạt 3.180 m3/s và vận tốc dòng chảy khoảng 4.5m/s. + Hình dạng phụ lưu: Hình dạng phụ lưu có vai trò trong việc hình thành lũ quét [79]. Lưu vực có khoảng 24% phụ lưu có hình dạng thuộc nguy cơ lũ quét cao, 47% - nguy cơ trung bình. Trong tất cả 16 trận lũ quét trong quá khứ do mưa rào cục bộ đều xảy ra trên các phụ lưu có nguy cơ lũ quét cao. + Diện tích phụ lưu: Diện tích phụ lưu cũng đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành lũ quét [79]. Theo kết quả phân tích các trận lũ quá khứ, nhìn chung lũ quét xảy ra ở các phụ lưu có diện tích dưới 50km2, chủ yếu khoảng 18-32km2, trong đó, có tới 5/16 phụ lưu dưới 20km2, chỉ có 3/16 phụ lưu có diện tích lớn hơn 100km2. 3.3.7. Đặc điểm đất Khu vực nghiên cứu gồm 31 loại đất khác nhau thuộc 5 nhóm chính: I - Đất phù sa, II - Đất đen, III - Đất đỏ vàng, IV - Đất mùn vàng đỏ trên núi và V - Đất thung lũng. Phân loại theo đặc trưng thủy văn của NRCS [81] thì khu vực nghiên cứu có đất chủ yếu thuộc loại C – khả năng ngấm nước trung bình (85.4%), tiếp theo là loại B – khả năng ngấm nước tốt (9.9%), rồi đến loại A – khả năng ngấm nước rất tốt (4.6%) và ít nhất là loại D – khả năng ngấm nước rất kém (3.3%). Lũ quét quá khứ chủ yếu xảy ra ở những lưu vực có đất loại C chiếm ưu thế. 3.3.8. Đặc điểm lớp phủ và sử dụng đất Khu vực nghiên cứu chủ yếu là đất rừng (71.6%), tiếp theo là đất trống và cây bụi (19.8%), đất nông nghiệp (6.8%), đất dân cư chỉ chiếm 1.2%. Đất rừng: phần lớn là rừng tự nhiên và chủ yếu là rừng lá rộng thường xanh, chiếm 52,5%, rừng phòng hộ chiếm 41,2%, rừng sản xuất – 50,3% và rừng đặc dụng – 8.5%. Cơ cấu rừng phòng hộ thấp và sản xuất cao cũng là nhân tố dễ xảy ra lũ quét đặc biệt trong và sau thời gian khai thác rừng. Đất nông nghiệp chủ yếu là nương rẫy thường xem lẫn với đất lâm nghiệp và theo mùa vụ, phân bố dọc theo các triền sông suối. Đất dân cư rất phân mảnh và cũng thường xem lẫn với đất rừng. Đất trống, nói chung, được hình thành trên cơ sở do quá trình du canh của bà con người dân tộc thiểu số để lại và khai thác khoáng sản. Lũ quét quá khứ chủ yếu xảy ra ở những phụ lưu có diện tích đất rừng trung bình chiếm 56.3%, đất trống 35.0%, nông nghiệp 7.3%. Đặc biệt, có tới 6/16 phụ lưu có đất trống chiếm phần lớn (trung bình 63.3%). Tuy tỷ lệ rừng lớn nhưng giá trị NDVI chỉ ra rằng mật độ che phủ của rừng trong lưu vực sông Năng là không cao, trung bình NDVI của toàn bộ rừng chỉ là 0.46, chỉ nhích hơn chút ít so với trung bình của toàn bộ lớp phủ (0.41). Do vậy, lũ quét quá khứ đã xảy ra ở cả những phụ lưu có tỷ lệ rừng cao (7/16 phụ lưu). Tiểu kết chương 3 Vùng nghiên cứu là lưu vực nhỏ, đồi núi cao, có địa hình chia cắt mạnh bởi nhiều dãy núi theo các hướng khác nhau, có độ dốc trung bình lưu vực, phụ lưu và lòng sông suối đều cao, có tỷ lệ đất rừng cao nhưng mật độ rừng lại thấp, có tỷ lệ hình dạng phụ lưu bất lợi sinh ra lũ quét cao, có xu hướng cường độ mưa thời đoạn, ngày và trận đang tăng lên. Lũ quét có quan hệ chặt chẽ với mưa lớn (tổng lượng mưa trận lớn, cường độ mưa lớn và cả tổng lượng mưa 5 ngày trước cũng lớn), hình dạng phụ lưu bất lợi, diện tích phụ lưu nhỏ, đất vàng nâu kém thấm nước và đất trống. CHƯƠNG 4. TÍNH TOÁN, XÁC ĐỊNH NGUY CƠ LŨ QUÉT LƯU VỰC SÔNG NĂNG, TỈNH BẮC KẠN 4.1. Tính toán Qmax và Tmax Tính toán Qmax và Tmax được thực hiện bởi phần mềm thủy văn GIS lũ quét được xây dựng ở Chương 2. 4.1.1. Xây dựng dữ liệu đầu vào Một số dữ liệu được chia thành 2 thời kỳ (1972-1976 và 20072012) như là lớp phủ, NDVI, CN và Manning. Thời kỳ 1972-1976: có dữ liệu đo đạc lưu lượng tại trạm thủy văn Đầu Đẳng để hiệu chỉnh và kiểm chứng mô hình thủy văn GIS (trạm Đầu Đẳng dừng hoạt động sau 1976). Thời kỳ 2007-2012: được coi như đại diện cho hiện tại để mô phỏng nguy cơ lũ quét của khu vực nghiên cứu. Dữ liệu đầu vào gồm các file riêng biệt: quá trình mưa trận (TXT file) và hệ số Manning, hệ số CN, pixel thuộc sông/suối, pixel không thuộc sông/suối, độ dốc, hướng dòng chảy và dòng chảy tích lũy (RASTER file). 4.1.2. Hiệu chỉnh mô hình phân tích thủy văn GIS lũ quét Mô hình, bộ tham số CN và Manning được hiệu chỉnh dựa vào dữ liệu đo đạc lưu lượng tại trạm Đầu Đẳng. Kết quả mô phỏng và thực đo là tương đối khớp về tổng lưu lượng, đỉnh lũ và pha lũ. 4.1.3. Tính toán Qmax và TQmax cho 4 trận lũ quét trong quá khứ Dữ liệu gồm 4 trận mưa các ngày 23/7/1986, 17/7/2006, 12/8/2008 và 04/7/2009 đã gây lũ quét cho toàn bộ vùng nghiên cứu. Bảng 4-1. Đặc điểm mưa và lũ quét của 4 trận lũ quét trong quá khứ của khu vực nghiên cứu (tại cửa ra của lưu vực) Mưa Tổng Thời Tổng Lượng Mưa Qmax Thời gian lượng gian lượng mưa giờ cực (m3/s) xảy ra (mm) (giờ) mưa 5 giờ đại Qmax ngày cực (giờ) sau mưa trước đại giờ max (mm) (mm) (giờ) 23/7/1986 243,6 40 63,7 43,8 16 3.087 13,9 17/7/2006 213,1 27 63,4 50,9 7 3.180 14,3