Tài liệu Nghiên cứu giải pháp cảnh báo sớm ngập lũ tại các ngầm tràn tỉnh quảng nam (tt0

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --------------------------------------- ĐẶNG THỊ NGA NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CẢNH BÁO SỚM NGẬP LŨ TẠI CÁC NGẦM TRÀN TỈNH QUẢNG NAM C C R UT.L D Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình thủy Mã số: 8580202 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH THỦY Đà Nẵng – năm 2020 Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS. Hoàng Ngọc Tuấn Phản biện 1: TS. Kiều Xuân Tuyển Phản biện 2: TS. Nguyễn Thanh Hải C C R UT.L D Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật Xây dựng Công trình thủy họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 20 tháng 12 năm 2020. Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Học liệu và Truyền thông, Trường ĐHBK - Đại học Đà Nẵng - Thư viện Khoa Xây dựng Công trình thủy, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Quảng Nam là tỉnh thuộc vùng duyên hải Nam Trung Bộ, cách thủ đô Hà Nội 860 km về phía Bắc, cách thành phố Hồ Chí Minh 865 km về phía Nam, có Quảng Nam có tọa độ địa lý từ 108026’16” đến 108044’04” độ kinh Đông, và từ 15023’38” đến 15038’43” độ vĩ Bắc, phía Bắc giáp tỉnh Thừa Thiên Huế và thành phố Đà Nẵng, phía Nam giáp tỉnh Quảng Ngãi, phía Tây giáp tỉnh Sê-kông (Cộng hòa Dân chủ Nhân dân Lào) và tỉnh Kon Tum; phía Đông giáp biển Đông. Địa hình tỉnh Quảng Nam tương đối phức tạp, thấp dần từ Tây sang Đông. Địa hình đồi dốc và lượng mưa lớn nên mạng lưới sông ngòi của tỉnh Quảng Nam khá dày đặc, số lượng sông suối cắt qua các tuyến đường giao thông là rất lớn. Theo số liệu thống kê trên địa bàn tỉnh có khoảng 58 ngầm tràn lớn nhỏ khác nhau, trong đó số ngầm tràn thường xuyên bị ngập lụt và có nguy cơ rủi ro cao chiếm tỷ lệ tương đối lớn. Có một thực tế đã và đang xảy ra là vào mùa lũ, đa số các công trình ngầm tràn vừa và nhỏ thì ngược lại, do không được tính toán chi tiết để xác định khẩu độ và cao độ thoát lũ đảm bảo an toàn cộng với việc không thể dự báo trước được tình hình mưa lũ để kịp thời cảnh báo nên hàng năm vẫn thường xuyên xảy ra ngập lụt và trong số đó có những vụ ngập lụt lớn gây hậu quả nghiêm trọng về người và tài sản. Hầu hết các ngầm tràn vừa và nhỏ gần như không có biển báo cũng như người trực bởi vì lực lượng canh gác tại các ngầm tràn không đủ đáp ứng nhất là trong tình hình mưa lũ diễn biến nhanh, phức tạp cũng như thiếu thông tin dự báo về độ sâu ngập của các ngầm tràn để ưu tiên điều động bố trí lực lượng canh gác tại các điểm xung yếu. Chính vì những bất cập trên mà trong thực tế nhiều năm trở lại đây tại khu vực tỉnh Quảng Nam đã xảy ra nhiều vụ bị lũ cuốn rất thương tâm khi người dân và phương tiện cố tình di chuyển qua các ngầm tràn đang bị ngập lụt do không được cảnh báo. C C R UT.L D Hình ảnh một số ngầm tràn trên địa bàn tỉnh: 2 Hình 2. Ngầm tràn trên tuyến đường ĐT 616, tại xã Tiên Cảnh, huyện Tiên Phước Hình 3. Ngầm Trường vượt qua sông Trường tại xã Trà Sơn, huyện Bắc Trà My Có thể thấy rằng nếu như chúng ta có thể dự báo trước dòng chảy lũ kết hợp với hệ thống cảnh báo sớm và các phương thức truyền tin hiệu quả tới các cơ quan quản lý phòng chống thiên tai, với chính quyền địa phương và người dân để kịp thời phòng chống thì có thể hoàn toàn chủ động ứng phó cũng như giảm thiểu rủi ro, thiệt hại về người và tài sản do ngập lũ gây ra tại các ngầm tràn. Chính vì vậy việc “Nghiên cứu giải pháp cảnh báo sớm ngập lũ tại các ngầm tràn tỉnh Quảng Nam” là hết sức cần thiết và cấp bách. 2. Phương pháp tiếp cận Tiếp cận tổng hợp Tiếp cận đa ngành, đa lĩnh vực Tiếp cận khoa học 3. Mục tiêu nghiên cứu Đề xuất giải pháp cảnh báo sớm ngập lũ tại các ngầm tràn tỉnh Quảng Nam và ứng dụng thử nghiệm cảnh báo sớm ngập lũ tại ngầm sông Trường - sông Oa, huyện Bắc Trà My, tỉnh Quảng Nam. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Giải pháp cảnh báo sớm ngập lũ tại các ngầm tràn. Phạm vi nghiên cứu: tỉnh Quảng Nam. D C C R UT.L 3 5. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thu thập, phân tích, tổng hợp - Phương pháp kế thừa - Phương pháp mô hình toán - Phương pháp phi mô hình - Phương pháp nghiên cứu ứng dụng 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ý nghĩa khoa học: Kết quả đề tài đã đề xuất giải pháp cảnh báo sớm ngập lũ tại các ngầm tràn tỉnh Quảng Nam dựa trên cơ sở hiện trạng mức độ nguy hiểm tại các ngầm tràn; đặc điểm địa hình, mưa lũ,... của khu vực; ứng dụng mô hình thủy văn trong tính toán và công nghệ thông tin trong phương thức truyền tin. - Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản khi mưa lũ về tại các điểm ngầm tràn; giúp chính quyền địa phương chủ động hơn trong công tác quản lý, cảnh báo ngập lũ tại các ngầm tràn nguy hiểm trong mùa mưa lũ; giúp người dân yên tâm và chủ động hơn trong việc đi lại qua các ngầm tràn. 7. Cấu trúc luận văn Luận văn gồm phần Mở đầu, 03 chương và phần Kết luận và kiến nghị. Mở đầu Chương 1. Tổng quan chung nghiên cứu về tỉnh Quảng Nam và hệ thống cảnh báo ngập lũ Chương 2. Nghiên cứu đề xuất giải pháp và hệ thống cảnh báo sớm ngập lũ tại các ngầm tràn tỉnh Quảng Nam Chương 3. Ứng dụng giải pháp cảnh báo sớm ngập lũ cho ngầm sông Trường - sông Oa (huyện Bắc Trà My) Kết luận và kiến nghị Tài liệu tham khảo Phụ lục D C C R UT.L 4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CHUNG NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN LŨ, NGẬP LỤT TẠI CÁC NGẦM TRÀN CỦA TỈNH QUẢNG NAM 1.1. Đặc điểm tự nhiên 1.1.1. Vị trí địa lý Lãnh thổ tỉnh Quảng Nam nằm ở vùng Duyên hải miền Trung, từ 14 54' đến 16o13' vĩ độ Bắc và 107o12' đến 108o30' kinh độ Đông, phía o bắc giáp tỉnh Thừa Thiên - Huế và thành phố Đà Nẵng, phía tây giáp với nước bạn Lào, phía nam giáp với tỉnh Quảng Ngãi và Kon Tum, phía đông là biển Đông. 1.1.2. Điều kiện địa hình C C R UT.L Quảng Nam có hướng địa hình nghiêng dần từ Tây sang Đông hình thành 3 kiểu cảnh quan sinh thái rõ rệt là kiểu núi cao phía Tây, kiểu D trung du ở giữa và dải đồng bằng ven biển. Vùng đồi núi chiếm 72% diện tích tự nhiên, độ cao trung bình 700~800m, độ dốc 25o~30o, có nơi trên 45o. Vùng trung du là khu vực chuyển tiếp giữa vùng núi và đồng bằng, độ cao trung bình 100~200 m, độ dốc trung bình 15o~20o. Vùng đồng bằng địa hình tương đối bằng phẳng, một số nơi xen lẫn các gò đồi thấp. Bề mặt địa hình bị chia cắt bởi hệ thống sông ngòi khá dày đặc. 1.1.3. Đặc điểm khí tượng Tỉnh Quảng Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa điển hình, nhiệt độ cao và ít biến động. Mỗi năm có 2 mùa rõ rệt: mùa mưa kéo dài từ tháng 8 đến tháng 12 và mùa khô từ tháng 1 đến tháng 7. Do chịu tác động mạnh mẽ của mưa do bão, áp thấp nhiệt đới và các nhiễu động thời tiết biển Đông gây ra, các nơi thuộc vùng nghiên cứu có lượng mưa ngày đêm khá lớn. 5 1.1.4. Đặc điểm thủy văn Trên địa bàn tỉnh Quảng Nam, mạng lưới thuỷ văn phát triển dày đặc với các dòng sông, suối ngắn, dốc và nhiều thác gềnh. Dòng chảy trong năm chia thành 02 mùa rõ rệt (mùa lũ và mùa cạn). Mùa lũ thường bắt đầu từ tháng IX và kết thúc vào tháng I năm sau. Lượng nước mùa lũ đạt 62,5 - 69,2% lượng nước cả năm. Một số đặc điểm chính về lũ và ngập lụt tại tỉnh Quảng Nam: 1). Xuất hiện theo cơ chế không bão hòa: hay còn gọi là vượt thấm, xuất hiện khi cường độ mưa vượt khả năng thấm. 2). Thời gian lũ trên sông phụ thuộc vào mưa: Mưa ở khu vực này có hệ số biến động năm lớn, trung bình hệ số Cv đạt từ (0,2 - 0,3). 3). Lũ lớn xuất hiện không đồng bộ trên toàn dải mà tập trung từng khu vực dưới tác động của mưa lớn. Lũ nghiêm trọng thường xảy ra đồng thời trên 1 phạm vi hẹp, kéo dài 2 - 3 vĩ độ. 4). Biên độ lũ cao (thường đạt trung bình trên 5m), cường suất lũ lớn, thời gian lũ lên lớn, đường quá trình lũ nhọn và trong một trận lũ thường có nhiều đỉnh. 5). Lũ thường xuyên đi kèm với ngập lụt: vị trí giáp với biển, khi mưa lớn kết hợp với triều cường sẽ dẫn tới hiện tượng ngập lụt, đặc biệt là khu vực đồng bằng ven biển. 1.1.5. Tình hình lũ, ngập lụt tại các khu vực ngầm tràn Các ngầm tràn chủ yếu tập trung ở khu vực các sông miền núi. Do đó khi mưa lớn xảy ra kết hợp địa hình dốc, lòng sông hẹp nên lũ lên nhanh, xuống nhanh, xảy ra bất ngờ với biên độ và cường suất lũ lớn, thời gian duy trì lũ ngắn. Số liệu thống kê cho thấy cường suất lũ trên các sông ở vùng núi có thể lên đến 2-5 mét/giờ; biên độ lũ có thể đạt 10-15 mét, có nơi đạt trên 20 mét. Theo thống kê của Cục Phòng, chống Thiên tai, chỉ trong khoảng hơn 10 năm trở lại đây, trên địa bàn tỉnh Quảng Nam đã xảy ra nhiều vụ tai nạn khi lưu thông qua các công trình ngầm tràn, làm chết và mất tích 17 người, cuốn trôi 6 chiếc ô tô, 37 xe máy và xe đạp. D C C R UT.L 6 1.2. Hiện trạng hạ tầng giao thông Hệ thống giao thông đường bộ tỉnh Quảng Nam được phân bố đều khắp và hợp lý với các tuyến chính theo trục dọc Bắc - Nam gồm đường bộ ven biển Việt Nam, quốc lộ 1A, đường cao tốc Đà Nẵng-Quảng Ngãi, đường Đông Trường Sơn, đường Hồ Chí Minh cùng các tuyến ngang Đông - Tây gồm quốc lộ 14G, quốc lộ 14B + quốc lộ 14D, quốc lộ 14E và quốc lộ 40B, các đường tỉnh, đường huyện, đường xã và đường thôn xóm. 1.3. Hiện trạng công trình ngầm tràn của tỉnh Quảng Nam Trên địa bàn tỉnh rất nhiều các ngầm tràn nguy hiểm, phân bố hầu hết trên các tuyến đường từ quốc lộ, tỉnh lộ, huyện lộ cho đến các tuyến đường liên xã, liên thôn và tập trung chủ yếu ở các địa huyện miền núi phía tây của tỉnh, hằng năm vào mùa mưa lũ thường bị chia cắt nhiều C C R UT.L khu vực, giao thông không thể đi lại được. Chỉ tính riêng các tuyến đường quốc lộ, đường tỉnh và một phần đường huyện đã có 58 công D trình ngầm tràn trải đều từ đồng bằng cho đến miền núi. Hầu hết các công trình này đều có tuổi thọ trên 10 năm. Theo kết quả đánh giá phân loại có 21/58 ngầm tràn (chiếm 36,2%) có nguy cơ rủi ro vừa, còn lại 37/58 ngầm tràn có nguy cơ rủi ro cao (chiếm 63,8%). 1.4. Thực trạng công tác cảnh báo tại ngầm tràn 1.4.1. Thực trạng công tác cảnh báo tại các ngầm tràn tỉnh Quảng Nam a) Về quản lý - Các ngầm tràn trên các tuyến đường quốc lộ 14B, 14E, 14G do Cục Quản lý đường bộ III trực tiếp quản lý, duy tu bảo dưỡng, khai thác và đảm bảo trật tự an toàn giao thông. - Các ngầm tràn trên các tuyến đường tỉnh do Sở Giao thông vận tải tỉnh Quảng Nam trực tiếp quản lý, vận hành, khai thác, duy tu bảo dưỡng, đảm bảo trật tự an toàn giao thông. - Các ngầm tràn trên các tuyến đường huyện lộ như đường huyện 8, 9, đường huyện Jơ Ngây - Cà Dăng… do UBND các huyện, thị xã trên địa 7 bàn trực tiếp quản lý. - Các ngầm tràn trên các tuyến đường liên xã, liên thôn như ngầm tràn suối Nal, suối Aranh, suối Tu…. do UBND các xã nằm trên tuyến đường đó trực tiếp quản lý. b) Về công tác cảnh báo lũ b.1. Theo đối tượng ngầm tràn - Các ngầm tràn trên tuyến đường quốc lộ, tỉnh lộ: Có trên 90% số ngầm tràn được trang bị cơ bản đầy đủ hệ thống biển cảnh báo ngập lũ, cột thủy chí đo mực nước trên tràn. Khi có lũ xảy ra, các ngầm tràn trên các tuyến đường này có bố trí lực lượng túc trực hướng dẫn người dân tham gia giao thông. Các ngầm tràn nguy hiểm chủ yếu nằm ở vùng trung du và vùng núi nên lũ về rất nhanh, công tác ứng phó gặp rất nhiều khó khăn. - Các ngầm tràn trên tuyến đường liên huyện, liên xã, liên thôn: Công tác cảnh báo lũ tại các ngầm tràn đang gặp rất nhiều khó khăn. Hệ thống biển cảnh báo ngập lũ, cột thủy chí tại một số ngầm tràn không có hoặc có nhưng bố trí ở những nơi tầm nhìn bị che khuất. Khi có lũ xảy ra, nhiều ngầm tràn bị ngập lụt không có lực lượng chức năng túc trực, hướng dẫn người dân tham gia giao thông. b.2. Theo hình thức cảnh báo Hiện nay trên địa bàn tỉnh tồn tại 02 hình thức cảnh báo lũ chính: - Nhóm cảnh báo: được thực hiện lúc chưa có lũ xảy ra. Các giải pháp được thực hiện gồm: xây dựng các cột thủy chí để người dân biết được mức độ ngập lụt; lắp đặt các biển báo cảnh báo nguy hiểm ở đầu các công trình;… Hiệu quả do nhóm cảnh báo mang lại khá thấp. - Nhóm ứng phó: được sử dụng khi mưa lũ đã và đang xảy ra. Các giải pháp được áp dụng như: lập các rào chắn ngang đường để không cho người và phương tiện lưu thông; hoặc cắt cử người canh giữ, điều tiết giao thông;… Tuy nhiên nhóm ứng phó khó áp dụng rộng rãi do phải yêu cầu về người trực thường xuyên. D C C R UT.L 8 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CẢNH BÁO SỚM NGẬP LŨ TẠI CÁC NGẦM TRÀN TỈNH QUẢNG NAM 2.1. Nghiên cứu giải pháp cảnh báo sớm ngập lũ tại ngầm tràn 2.1.1. Cơ sở đề xuất giải pháp cảnh báo sớm ngập lũ Giải pháp cảnh báo sớm ngập lũ tại các ngầm tràn được đề xuất dựa trên cơ sở xem xét các yếu tố: đặc điểm địa hình, địa chất; đặc điểm lũ và ngập lũ tại ngầm tràn; sự đầy đủ số liệu quan trắc về điều kiện tự nhiên như địa hình, địa chất, khí tượng, thủy văn, hồ sơ thiết kế của công trình…; đặc điểm kinh tế xã hội, dân cư tại khu vực ngầm tràn; các thiệt hại do ngập lũ gây ra tại ngầm tràn;… Căn cứ trên các yếu tố đó, giải pháp cảnh báo sớm ngập lũ tại các ngầm tràn được phân thành 2 loại: - Đối với ngầm tràn có đầy đủ số liệu (địa hình, khí tượng, thủy văn,…) phục vụ tính toán: Giải pháp cảnh báo sớm được đề xuất chủ yếu dựa trên việc ứng dụng các mô hình toán thủy văn, thủy lực để mô phỏng quá trình ngập lũ tại ngầm tràn, từ đó nghiên cứu đề xuất các giải pháp ứng phó nhằm giảm thiểu thiệt hại do ngập lũ gây ra. Cụ thể: Dựa trên các số liệu về địa hình (mặt cắt), khí tượng, thủy văn, hồ sơ thiết kế của công trình,... kết hợp với công cụ mô hình toán thủy văn, thủy lực phù hợp sẽ thiết lập, tính toán mô phỏng mức độ ngập lụt (thời gian ngập, chiều sâu ngập, vận tốc nước) tại các vị trí cụ thể. Căn cứ theo kết quả tính toán để biết được mức độ nguy hiểm tại các ngầm tràn khi xảy ra lũ lớn, từ đó đề xuất các giải pháp ứng phó phù hợp. - Đối với các ngầm tràn thiếu hoặc không có số liệu: đề xuất giải pháp cảnh báo sớm ngập lũ theo thời gian thực thông qua việc lắp đặt hệ thống thiết bị đo mực nước tự động, xây dựng đường quan hệ mực nước trạm trên ~ trạm dưới theo các cấp lưu lượng (Q); xây dựng phần mềm cảnh báo sớm có tích hợp chuỗi đường quan hệ trên và tự động cập nhật các số liệu quan trắc mực nước để đưa ra các thông tin cảnh báo tự động; lắp đặt hệ thống truyền tin cảnh báo (loa phát thanh, barie, biển báo, đèn nháy,…). D C C R UT.L 9 2.1.2. Đề xuất hệ thống cảnh báo sớm ngập lũ cho các ngầm tràn Trên cơ sở phân tích những điều kiện đặc trưng của các ngầm tràn tỉnh Quảng Nam như: lũ lên nhanh, đường quá trình lũ phức tạp, địa hình phân cắt, dân cư phân tán, nhiều công trình ngầm tràn có mức độ nguy hiểm cao, các số liệu đo đạc KTTV ở các công trình còn thiếu,… Với mong muốn dự báo trước được mực nước có thể xuất hiện tại ngầm tràn theo thời gian một cách tương đối chính xác để phục vụ cho công tác cảnh báo ngập lũ trong điều kiện thiếu số liệu quan trắc khí tượng thủy văn thì cần phải nghiên cứu, đề xuất một hệ thống cảnh báo không quá phức tạp trong khi độ chính xác vẫn đảm bảo tương đối phù hợp, đồng thời có thể áp dụng rộng rãi. Qua nghiên cứu đề xuất lựa chọn hệ thống cảnh báo sớm ngập lũ tại ngầm tràn theo thời gian C C R UT.L thực dựa trên quan hệ giữa mực nước tại thượng lưu và hạ lưu ngầm tràn. Nguyên lý hoạt động của hệ thống cảnh báo sớm như sau: D (1) Khi biết mực nước ZAi tại một vị trí ở thượng lưu (điểm A) thì sẽ tính toán được mực nước ZBi ở ngầm tràn (hạ lưu, điểm B) sau thời gian ti thông qua bài toán tính toán thủy lực một chiều với nhiều cấp lưu lượng Qi khác nhau. Từ đó sẽ xây dựng được một chuỗi quan hệ ZAi ~ ZBi ~ ti . (2) Chuỗi quan hệ này được tích hợp vào phần mềm cảnh báo sớm. Đồng thời phần mềm này cũng sẽ liên tục nhận các số liệu thực tế về mực nước do các trạm quan trắc được lắp đặt sẵn gửi về. So sánh kết quả thực tế với chuỗi quan hệ đã được xây dựng, đưa ra thông tin cảnh báo phù hợp với quy định. (3). Thông tin cảnh báo được truyền đến người dân và chính quyền địa phương thông qua các thiết bị cảnh báo được lắp đặt tại 2 đầu ngầm tràn và qua các phương tiện truyền thông như: loa, đèn nháy, barie, tin nhắn sms, mạng xã hội,… 10 Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống CBS tại ngầm tràn Hệ thống cảnh báo ngập lũ tại ngầm tràn theo thời gian thực là một hệ thống tổng hợp bao gồm: Cụm thiết bị giám sát (trạm quan trắc mực nước tự động ở thượng lưu, hạ lưu,…); phần mềm (phần mềm quản lý, giám sát,…) và Cụm thiết bị cảnh báo (loa phát thanh, barie, biển báo, đèn nháy, sms…). Cụ thể: - Cụm thiết bị giám sát: Các thiết bị giám sát được đề xuất lắp đặt tại ngầm tràn nhằm giám sát số liệu tức thời về mực nước tại thượng lưu, hạ lưu ngầm tràn và tự động truyền về máy chủ. - Phần mềm quản lý và giám sát theo thời gian thực: Phần mềm được xây dựng nhằm quản lý và giám sát các số liệu đo tự động trên công nghệ WebGIS; phân tích, tính toán, so sánh xác định mức độ nguy hiểm tương ứng tại ngầm tràn; và phát lệnh cảnh báo đến cụm thiết bị cảnh báo. Nguyên lý hoạt động của phần mềm: + Xây dựng các chuỗi quan hệ ZAi ~ ZBi ~ ti tương ứng với các cấp lưu lượng Qi khác nhau tại các ngầm tràn, cụ thể: Khi biết mực nước ZAi tại một vị trí ở thượng lưu (điểm A) thì sẽ tính toán được mực nước D C C R UT.L 11 ZBi ở ngầm tràn (hạ lưu, điểm B) sau thời gian ti thông qua bài toán tính toán thủy lực một chiều với nhiều cấp lưu lượng Qi khác nhau. + Tích hợp các chuỗi quan hệ đã xây dựng trên vào phần mềm cảnh báo sớm. + Tự động cập nhật dữ liệu đo mực nước thượng lưu và hạ lưu ngầm tràn được truyền về từ các trạm đo qua mạng truyền thông di động GSM lên cơ sở dữ liệu và hiển thị mức nước thượng lưu, hạ lưu. + Tự động tính toán dữ liệu nhận được liên tục và So sánh kết quả thực tế với chuỗi quan hệ đã được xây dựng, đưa ra thông tin cảnh báo phù hợp với quy định. Ngưỡng cảnh báo đã đặt trước, khi kết quả tính toán vượt qua ngưỡng cảnh báo, phần mềm sẽ tự động truyền tín hiệu điều khiển cảnh báo cẩn thận hoặc nguy hiểm đến RTU ở trạm đo. RTU sau khi nhận tín hiệu điều khiển sẽ điều khiển các thiết bị cảnh báo, đèn cảnh báo và barie cảnh báo ở ngầm tràn. C C R UT.L - Cụm thiết bị cảnh báo: D Cụm thiết bị cảnh báo được đề xuất bao gồm loa phóng thanh, barie, biển báo, đèn tín hiệu, sms,... Tùy thuộc vào điều kiện địa hình, mức độ nguy hiểm tại các ngầm tràn để lựa chọn lắp đặt các thiết bị phù hợp. Các thiết bị cảnh báo được lắp đặt tại các ngầm tràn sẽ được kết nối không dây với phần mềm cảnh báo. Căn cứ vào việc đo mực nước thượng lưu và hạ lưu, tính toán lưu lượng chảy qua các ngầm tràn, phần mềm sẽ phát ra các mức độ cảnh báo và truyền lệnh điều khiển cảnh báo đến hệ thống thiết bị cảnh báo tại các ngầm tràn để đưa ra các giải pháp ứng phó. Các giải pháp ứng phó tương ứng với các cấp độ rủi ro được đề xuất như sau: + Đối với cấp độ rủi ro thấp: Hiển thị cảnh báo bằng các đèn tín hiệu, cảnh báo nhắc nhở người dân bằng âm thanh; + Đối với cấp độ rủi ro cao: Barie sẽ tự động đóng, kết hợp cảnh báo bằng đèn và bằng âm thanh. 12 2.2. Nghiên cứu đề xuất phương thức truyền tin 2.2.1. Đề xuất phương thức truyền tin a. Phương thức truyền tin cho chính quyền địa phương Đối với hệ thống cảnh báo rủi ro ngầm tràn theo thời gian thực việc theo dõi cập nhật thông tin sẽ được đưa lên hệ thống. Các cá nhân và đơn vị quản lý sẽ được cấp tài khoản đăng nhập và được phân quyền. Từ dữ liệu cảnh báo gửi về, hệ thống sẽ phân tích xử lý dữ liệu để đưa ra mức cảnh báo rủi ro đã được lập trình. Trên cơ sở đó các bộ phận sẽ biết mức cảnh báo và truyền tin tương ứng. - Trường hợp mức độ rủi ro thấp: Thông tin sẽ được truyền cho chính quyền địa phương cấp xã, huyện. - Trường hợp mức độ rủi ro cao: Thông tin sẽ được truyền lên đến C C R UT.L chính quyền, đơn vị quản lý cấp tỉnh. Ngoài ra còn có thể truyền tin theo các cấp từ Tỉnh đến huyện xã D thông qua con đường: Gọi điện, nhắn tin SMS, zalo, email… hoặc thông qua fax, văn bản công điện, hỏa tốc. b. Phương thức truyền tin cho cộng đồng dân cư - Đặt các biển cảnh báo hai đầu phía ngầm tràn để thông báo cho người dân khi qua lại. - Một số địa phương có sử dụng loa phóng thanh thông báo về tình hình nguy hiểm trong mùa mưa lũ tại một số ngầm tràn. Sau khi hệ thống cảnh báo rủi ro thiên tại tại ngầm tràn được đưa vào sử dụng, sẽ có 2 hình thức cảnh báo mới hiện đại: - Cảnh báo bằng tín hiệu đèn ứng với trường hợp rủi ro thấp. - Cảnh báo bằng Barie ứng với trường hợp rủi ro cao. 13 CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG GIẢI PHÁP CẢNH BÁO SỚM NGẬP LŨ CHO NGẦM SÔNG TRƯỜNG – SÔNG OA (HUYỆN BẮC TRÀ MY) 3.1. Lý do lựa chọn ngầm sông Trường – sông Oa Quốc lộ 40B nối từ thành phố Tam Kỳ qua các huyện Tiên Phước, Bắc My đến huyện Nam Trà My. Trên tuyến đường này, có 2 công trình ngầm tràn lớn và được gọi là “Điểm đen” về tai nạn giao thông do lũ lụt của tỉnh Quảng Nam là ngầm Trường (vượt qua sông Trường) dài khoảng 35m và ngầm Nước Oa vượt qua sông Nước Oa dài khoảng 40m, cách khu di tích lich sử Nước Oa khoảng 300m. Hai ngầm này nằm cách nhau chỉ khoảng 400m và nằm cách hạ lưu đập thủy điện Sông Tranh 2 khoảng 2km. Đây là 2 vị trí nằm trên tuyến huyết mạch giao thông nối 2 huyện Bắc Trà My và Nam Trà My, là tuyến đường độc đạo nên lưu lượng người và phương tiện giao thông lưu thông qua là rất lớn. Khu vực này thường xuyên xảy ra ngập lụt lớn gây tắc nghẽn giao thông và nhiều vụ tai nạn chết người mỗi khi có mưa lũ xảy ra. Những năm qua, nhiều vụ tai nạn trôi người, trôi xe khi đi qua cụm ngầm tràn này vào mùa mưa lũ vẫn liên tục diễn ra, khiến cho người dân và chính quyền bất an, lo lắng mà không tìm ra được giải pháp hữu hiệu nào để giúp người đi đường yên tâm hơn. Có thể thấy rằng nếu như chúng ta có một hệ thống cảnh báo sớm kết hợp với các phương thức truyền tin hiệu quả tới các cơ quan quản lý phòng chống thiên tai, với chính quyền địa phương và người dân để kịp thời có phương án phòng tránh thì có thể hoàn toàn chủ động ứng phó cũng như giảm thiểu rủi ro, thiệt hại về người và tài sản do ngập lũ gây ra. 3.2. Đề xuất hệ thống cảnh báo sớm ngập lũ tại ngầm tràn sông Trường - sông Oa Đề xuất thiết lập hệ thống cảnh báo sớm theo thời gian thực cho D C C R UT.L 14 cụm ngầm tràn này ứng với các cấp độ rủi ro thiên tai từ thấp đến cao. Hệ thống cảnh báo hoạt động hoàn toàn tự động. Cơ chế hoạt động của hệ thống là dựa vào các số liệu đo đạc thực tế về mực nước trên tràn kết hợp với đường quan hệ Ztl~Zngầm~t được xây dựng cùng với các tiêu chí và chỉ tiêu để xác định mức độ nguy hiểm được tích hợp sẵn trong phần mềm điều khiển để tự động đưa ra các cảnh báo tương ứng. Để hệ thống có thể hoạt động chính xác cần có 3 yếu tố cấu thành: a. Đầu vào gồm: - Các số liệu quan trắc từ trạm đo mực nước, số liệu này được truyền tự động từ trạm đo về trung tâm xử lý. - Các kết quả, kịch bản tính toán sẵn: dựa vào số liệu địa hình, giả thiết các cấp lưu lượng để xây dựng các chuỗi quan hệ mực nước thượng lưu ~ mực nước tại ngầm tràn và thời gian truyền lũ từ trạm đo mực nước trên sông Trường về đến ngầm sông Trường. b. Phần mềm xử lý: được xây dựng có nhiệm vụ thu thập và xử lý số liệu thực đo, so sánh với kết quả với kịch bản tính toán sẵn để đưa ra thông tin cảnh báo tương ứng với từng cấp độ. Gửi thông tin cảnh báo đến các thiết bị cảnh báo. c. Cảnh báo: Với mỗi cấp độ rủi ro thiên tai, hệ thống sẽ phát đi những tín hiệu cảnh báo tương ứng. Trong phạm vi luận văn, học viên chỉ trình bày chi tiết về phân tích lựa chọn thiết bị quan trắc, vị trí lắp đặt thiết bị quan trắc và xây dựng đường quan hệ mực nước thượng lưu ~ mực nước tại ngầm tràn tương ứng với các cấp lưu lượng (Q). 3.2.1. Thiết bị quan trắc Do đây là cụm ngầm tràn (2 ngầm tràn liên tục bắc qua 2 con sông) nên đề xuất bố trí mỗi sông đặt 01 trạm đo mực nước tự động, tổng cộng có 02 trạm đo mực nước. Các số liệu quan trắc được tự động truyền về trung tâm xử lý. Qua nghiên cứu đề xuất bố trí: - Trên sông Trường: Trạm đo được bố trí ở thượng lưu ngầm sông D C C R UT.L 15 Trường cách 9050m, với mục đích ghi nhận số liệu mực nước ở thượng lưu để phần mềm tính toán thời gian ngập ở ngầm sông Trường trong trường hợp có lũ về nhằm đưa ra cảnh báo sớm cho hạ du biết. - Trên sông Oa: Trạm đo mực nước ngay tại chân ngầm tràn sông Oa. Số liệu này kết hợp với thông tin tính toán, cảnh báo sớm từ trạm đo của sông Trường để đưa ra các cấp độ cảnh báo. 3.2.2. Xây dựng chuỗi quan hệ mực nước thượng lưu ~ mực nước tại ngầm tràn sông Trường Để đơn giản nhằm xây dựng chuỗi quan hệ mực nước thượng lưu ~ mực nước tại ngầm tràn và thời gian truyền lũ dự kiến tại ngầm sông Trường, luận văn giả thiết tính toán thủy lực theo bài toán thủy lực 1 chiều, dòng chảy ổn định đều, xem độ dốc từ thượng lưu đến vị trí ngầm tràn không đổi và bằng độ dốc mực nước, bỏ qua độ dốc đáy sông. Trình tự tính toán: - Xây dựng quan hệ Ztl ~Q tại vị trí thượng lưu sông Trường, cách ngầm tràn sông Trường 9050m, cụ thể: C C R UT.L D + Giả thiết các giá trị Ztli; + Tính lưu lượng dòng chảy ứng với các giá trị Ztli theo công thức: 𝑄 = 𝜔𝐶√𝑅𝐽 (1) Trong đó: Q: lưu lượng dòng chảy (m /s), 3 ω: diện tích mặt cắt ướt (m2), C: hệ số Chezy, được xác định theo công thức Sedi-maning: 1 𝐶 = 𝑛 𝑅1/6 n: hệ số nhám, với sông miền núi chọn n=0,06 R: bán kính thủy lực, được xác định theo công thức 𝑅 = χ: chu vi ướt (m), J: độ dốc thủy lực. + Tính vận tốc dòng chảy theo công thức: 𝑄 𝑉=𝜔 𝜔 χ 16 Với: Q: lưu lượng dòng chảy (m3/s),ω: diện tích mặt cắt ướt (m2). - Tính toán xác định giá trị mực nước tương ứng Zi với các cấp lưu lượng Qi tại mặt cắt thượng lưu. + Giả thiết các cấp lưu lượng, tăng dần 50 m3/s. Giới hạn giá trị lưu lượng khởi điểm bằng lưu lượng tương ứng với lượng mưa nhỏ nhất gây ngập lũ tại ngầm tràn; giá trị lưu lượng lớn nhất bằng lưu lượng tương ứng với lượng mưa lớn nhất gây ngập lũ đã xảy ra trên lưu vực nghiên cứu. Số liệu mưa gây ngập lũ lấy từ kết quả điều tra thực địa. + Từ bảng quan hệ Q~Ztl đã xây dựng, nội suy xác định các giá trị mực nước tương ứng với các giá trị Q. - Dựa trên giá trị mực nước trạm trên, giá trị độ dốc, chiều dài đoạn sông tương ứng để tính toán xác định giá trị mực nước tại trạm dưới. - Tính toán xác định vận tốc dòng chảy ứng với từng cấp lưu lượng. Từ đó xác định thời gian truyền lũ từ thượng lưu đến vị trí ngầm tràn. - Xây dựng chuỗi quan hệ Q~Ztl~Zngầm . Kết quả tính toán thu được như sau: - Xác định lưu lượng dòng chảy nhỏ nhất, lưu lượng dòng chảy lớn nhất gây ngập lụt đã xảy ra tại vị trí thượng lưu sông Trường (cách ngầm sông Trường 9050m): Qua điều tra lượng mưa nhỏ nhất và lớn nhất là 41,5mm/ngày (13/12/2016) và 782,4mm/ngày (05/11/2017). Lưu lượng dòng chảy tương ứng tại vị trí thượng lưu sông Trường với diện tích khống chế 113,73km2 là: Qmin=54,63 m3/s và Qmax=1029,89 m3/s. - Xây dựng đường quan hệ Ztl ~Q: Với các giá trị mực nước thượng lưu giả thiết, tính toán lưu lượng dòng chảy Q theo công thức (1) nêu trên, ta được bảng quan hệ Ztl ~Q như sau: Bảng 3.2. Quan hệ Ztl ~Q tại mặt cắt thượng lưu sông Trường C C R UT.L D Ztl (m) 99,28 99,50 100,00 Hs (m) 0,00 0,22 0,50 B (m) 0 3,0802 9,775 ω (m2) 0,000 1,620 17,353 χ (m) 0,000 3,563 11,967 R (m) 0,000 0,455 1,450 Q (m3/s) 0,000 0,559 12,967 V (m/s) 0,000 0,345 0,747 17 100,50 101,00 101,50 102,00 102,50 103,00 103,50 104,00 104,50 105,00 105,50 106,00 106,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 15,000 23,200 30,414 35,920 41,644 49,080 56,657 63,796 69,723 73,090 76,457 79,823 83,190 48,669 93,357 161,660 244,275 340,820 453,937 586,044 736,517 904,191 1.082,644 1.269,514 1.464,801 1.668,506 19,315 29,227 38,585 46,128 54,004 63,007 72,110 80,833 88,773 94,773 100,810 106,846 112,883 2,520 3,194 4,190 5,296 6,311 7,205 8,127 9,112 10,185 11,423 12,593 13,709 14,781 52,566 118,109 245,067 432,893 678,916 987,700 1.381,804 1.874,151 2.478,207 3.203,143 4.008,220 4.894,212 5.861,638 - Tính toán xác định giá trị mực nước (Zi), vận tốc ứng với các cấp lưu lượng Qi tại mặt cắt thượng lưu: Dựa trên bảng giá trị quan hệ Ztl~Q vừa xây dựng ở trên, nội suy để xác định các giá trị vận tốc và mực nước tương ứng với các cấp lưu lượng Q, kết quả được trình bày ở bảng 3.3. D C C R UT.L Bảng 3.3. Quan hệ Q~Ztl tại mặt cắt thượng lưu sông Trường TT Q (m3/s) V(m/s) Ztl (m) 1 50 1,059 100,47 2 100 1,214 100,8619 3 150 1,328 101,1256 4 200 1,427 101,3225 5 250 1,523 101,5131 6 300 1,591 101,6462 7 350 1,659 101,7793 8 400 1,727 101,9124 9 450 1,787 102,0348 10 500 1,832 102,1364 11 550 1,877 102,238 12 600 1,921 102,3396 13 650 1,966 102,4412 14 700 2,005 102,5341 15 750 2,034 102,6151 1,080 1,265 1,516 1,772 1,992 2,176 2,358 2,545 2,741 2,959 3,157 3,341 3,513 18 16 17 18 19 20 21 22 800 850 900 950 1000 1050 1100 2,064 2,094 2,124 2,153 2,182 2,205 2,228 102,6961 102,777 102,858 102,939 103,0156 103,079 103,1425 - Tính toán xác định giá trị mực nước (Zi) và thời gian truyền lũ ứng với các cấp lưu lượng Qi tại các vị trí mặt cắt: Từ giá trị mực nước tại vị trí mặt cắt thượng lưu sông Trường (MC1=MCTL), xác định được các giá trị mực nước tại các mặt cắt MC2, MC3 và MC ngầm, trong đó: LMC1-MC2 = 2374,7 m; iMC1-MC2 = 0,0021; LMC2-MC3 = 4940,7 m; iMC1-MC2 = 0,001; C C R UT.L LMC3-MCngầm = 1734,6 m; iMC1-MC2 = 0,0007. Bảng 3.4. Bảng quan hệ Q~Ztl~Zhl~t tại các mặt cắt D TT Q (m3/s) V(m/s) Ztl-MC1 (m) ZMC2(m) ZMC3(m) Zngầm(m) t (giờ) 1 50 1,059 100,47 95,55 90,56 89,40 2,37 2 100 1,214 100,8619 95,94 90,95 89,79 2,07 3 150 1,328 101,1256 96,21 91,22 90,06 1,89 4 200 1,427 101,3225 96,40 91,41 90,25 1,76 5 250 1,523 101,5131 96,59 91,60 90,44 1,65 6 300 1,591 101,6462 96,73 91,74 90,58 1,58 7 350 1,659 101,7793 96,86 91,87 90,71 1,52 8 400 1,727 101,9124 96,99 92,00 90,84 1,46 9 450 1,787 102,0348 97,11 92,12 90,96 1,41 10 500 1,832 102,1364 97,22 92,23 91,07 1,37 11 550 1,877 102,238 97,32 92,33 91,17 1,34 12 600 1,921 102,3396 97,42 92,43 91,27 1,31 13 650 1,966 102,4412 97,52 92,53 91,37 1,28 14 700 2,005 102,5341 97,61 92,62 91,46 1,25 15 750 2,034 102,6151 97,70 92,71 91,55 1,24