Tài liệu Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến lũ và ngập lụt hạ lưu sông ba

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN LŨ VÀ NGẬP LỤT HẠ LƯU SÔNG BA CHUYÊN NGÀNH: THỦY VĂN HỌC MẠC ĐÌNH NAM HÀ NỘI, NĂM 2017 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN LŨ VÀ NGẬP LỤT HẠ LƯU SÔNG BA MẠC ĐÌNH NAM CHUYÊN NGÀNH: THỦY VĂN HỌC MÃ SỐ: 62.44.02.24 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRẦN HỒNG THÁI HÀ NỘI, NĂM: 2017 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Cán bộ hướng dẫn chính: PGS.TS. Trần Hồng Thái Cán bộ chấm phản biện 1: PGS.TS. Lã Văn Chú Cán bộ chấm phản biện 2: TS. Nguyễn Lan Châu Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Ngày 26 tháng 12 năm 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Mạc Đình Nam MSHV: 1698010002 Hiện đang là học viên lớp CH-2AT chuyên ngành Thủy văn học thuộc Khoa Khí tượng Thủy văn – Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội. Với đề tài luận văn: “Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của Biến đổi khí hậu đến lũ và ngập lụt hạ lưu sông Ba” Tôi xin cam đoan: Đây là công trình nghiên cứu của bản thân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Trần Hồng Thái. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa được công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây. Các số liệu, tài liệu được thu thập từ các nguồn khác nhau và có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo, có trích dẫn và có ghi rõ nguồn gốc. Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung nghiên cứu của mình Hà Nội,ngày 05 tháng 12 năm 2017 TÁC GIẢ LUẬN VĂN Học viên thực hiện Mạc Đình Nam ii LỜI CẢM ƠN Học viên xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS. Trần Hồng Thái đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn này, qua đây học viên cũng bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới ThS. Hoàng Văn Đại đã có những định hướng bước đầu khi tác giả bắt đầu thực hiện luận văn, cùng các Thầy, Cô trong Trường Đại học tài nguyên và Môi trường Hà Nội. Đặc biệt là các Thầy, Cô trong Khoa Khí tượng Thủy văn đã nhiệt tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong quá trình học tập và làm luận văn tốt nghiệp. Nhân đây học viên cũng gửi lời cảm ơn tới Lãnh đạo, đồng nghiệp Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Đồng Bằng Bắc Bộ đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình tham gia khóa học và hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Trong quá trình làm luận văn do giới hạn về thời gian cũng như hạn chế về nguồn số liệu thực đo nên không tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy, em rất mong nhận được sự cảm thông và những ý kiến đóng góp quý báu của các Thầy, Cô để em có thể hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp này. Xin trân trọng cảm ơn! Học viên Mạc Đình Nam iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii MỤC LỤC .............................................................................................................. iiiii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .............................................v DANH MỤC BẢNG ................................................................................................ vi DANH MỤC HÌNH ........................................................................................... viiviii THÔNG TIN LUẬN VĂN ........................................................................................x MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 I. Tính cấp thiết ............................................................................................................1 II. Mục tiêuvà phương pháp nghiên cứu .....................................................................2 1. Mục tiêu...................................................................................................................2 2. Nội dung nghiên cứu ...............................................................................................2 3. Phương pháp nghiên cứu.........................................................................................2 III. Cấu trúc luận văn ..................................................................................................3 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ..........................................................4 1.1. Tổng quan về các nghiên cứu lũ và ngập lụt........................................................4 1.1.1. Tổng quan các nghiên cứu lũ và ngập lụt trong và ngoài nước ........................4 1.1.2. Tổng quan về lũ và ngập lụt hạ lưu sông Ba .....................................................8 1.2. Tổng quan về khu vực nghiên cứu .......................................................................8 1.2.1. Đặc điểm địa lý tự nhiên [11] ...........................................................................8 1.2.2. Chế độ khí hậu ................................................................................................17 1.2.3. Đặc điểm thủy văn [11] ...................................................................................25 1.2.4. Hệ thống hồ chứa và quy trình vận hành liên hồ chứa mùa lũ lưu vực sông Ba ...................................................................................................................................26 1.2.5. Các hình thế thời tiết gây lũ và ngập lụt .........................................................29 1.2.6. Đặc trưng các trận lũ lớn điển hình .................................................................31 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ SỐ LIỆU .....................................................33 2.1. Phương pháp tính toán và đánh giá lũ và ngập lụt .............................................33 iv 2.2. Lựa chọn mô hình toán ......................................................................................33 2.2.1. Các mô hình toán thủy văn, thủy lực ứng dụng trong tính toán lũ, ngập lụt ..33 2.2.2. Lựa chọn công cụ tính toán mô phỏng, đánh giá lũ và ngập lụt .....................35 2.3. Cơ sở lý thuyết và thiết lập mô hình thủy văn ...................................................36 2.3.1. Cơ sở lý thuyết ................................................................................................36 2.3.2. thiết lập mô hình ...............................................................................................41 2.4. Cơ sở lý thuyết và thiết lập mô hình MIKE 11 .................................................43 2.4.1. Cơ sở lý thuyết ................................................................................................43 2.4.2. Thiết lập mô hình thủy lực ..............................................................................47 CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN LŨ, NGẬP LỤT HẠ LƯU SÔNG BA...........................................................................52 3.1. Tham số hóa mô hình mô phỏng thủy văn, thủy lực, ngập lụt...........................52 3.1.1 Hiệu chỉnh kiểm định mô hình thủy văn ..........................................................52 3.1.2. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực .....................................................55 3.1.3. Mô phỏng kiểm tra ngập lụt ............................................................................59 3.2. Lựa chọn kịch bản biến đổi khí hậu hạ lưu sông Ba ..........................................61 3.2.1. Biến đổi của nhiệt độ không khí .....................................................................61 3.2.2. Biến đổi của lượng mưa ..................................................................................64 3.2.3. Kịch bản nước biển dâng cho khu vực nghiên cứu .........................................67 3.3. Đánh giá tác động của BĐKH đến lũ hạ lưu sông Ba........................................68 3.3.1. Dòng chảy mùa lũ ...........................................................................................68 3.3.2. Lưu lượng đỉnh lũ............................................................................................69 3.4. Tác động đến mực nước lũ .................................................................................73 3.5. Tác động đến ngập lụt ........................................................................................75 3.6. Đề xuất giải pháp ...............................................................................................78 KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ .......................................................................................80 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................83 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT BĐKH Biến đổi khí hậu TNN Tài nguyên nước IPCC Ủy ban Liên chính phủ về biến đổi khí hậu KTTV Khí tượng thủy văn NTB Nam Trung Bộ KBN Kịch bản nền RCP4.5 Kịch bản nồng độ khí nhà kính trung bình thấp RCP8.5 Kịch bản nồng độ khí nhà kính cao vi DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Tốc độ gió trung bình tháng và năm (Đơn vị: m/s) ..................................18 Bảng 1.2: Nhiệt độ trung bình tháng và năm (Đơn vị: 0C) .......................................20 Bảng 1.3: Một số năm đặc trưng mưa (Đơn vị: mm) ................................................22 Bảng 1.4: Lượng mưa trung bình nhiều năm các tháng (Đơn vị: mm).....................23 Bảng 1.5: Độ ẩm tuyệt đối trung bình tháng và năm (mb) .......................................24 Bảng 1.6: Độ ẩm tương đối trung bình tháng và năm (Đơn vị: %) ..........................25 Bảng 1.7: Lưu lượng lũ lớn nhất tại một số trạm trên lưu vực sông Ba ...................26 Bảng 1.8: Bảng thông số kỹ thuật chủ yếu của các hồ chứa chính lưu vực sông Ba 27 Bảng 1.9: Đặc trưng lượng mưa ngày lớn nhất ........................................................30 Bảng 1.10: Khả năng xuất hiện lũ lớn nhất năm tại một số trạm (%).......................32 Bảng 2.1: Danh sách trạm mưa và bốc hơi dùng cho các lưu vực hiệu chỉnh và kiểm định ............................................................................................................................42 Bảng 2.2: Vị trí các mặt cắt ngang sông trong sơ đồ tính toán thủy lực ...................48 Bảng 2.3: Thông số chính đập dâng Đồng Cam .......................................................51 Bảng 3.1: Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình NAM tại các trạm thủy văn ...53 Bảng 3.2: Bộ thông số mô hình NAM tại các lưu vực của các trạm thủy văn .........53 Bảng 3.3: Kết quả chỉ tiêu Nash - Sutcliffe trạm thủy văn Củng Sơn ......................54 Bảng 3.4: Kết quả hiệu chỉnh trận lũ tháng 10/1993 tại trạm Phú Lâm ...................56 Bảng 3.5: Thông số nhám thủy lực ...........................................................................57 Bảng 3.6: Kết quả mô phỏng trận lũ tháng 11/1988, 11/2009 tại trạm Phú Lâm .....57 Bảng 3.7: Diện tích ngập lụt ứng với mức ngập lớn nhất trong trận lũ 10/1993 ......59 Bảng 3.8: Biến đổi của nhiệt độ trung bình năm (0C) so với thời kỳ cơ sở ..............62 Bảng 3.9: Biến đổi của nhiệt độ trung bình mùa đông (0C) so với thời kỳ cơ sở .....62 Bảng 3.10: Biến đổi của nhiệt độ trung bình mùa xuân (0C) so với thời kỳ cơ sở ...63 Bảng 3.11: Biến đổi của nhiệt độ trung bình mùa hè (0C) so với thời kỳ cơ sở .......63 Bảng 3.12: Biến đổi của nhiệt độ trung bình mùa thu (0C) so với thời kỳ cơ sở ......64 Bảng 3.13: Biến đổi của lượng mưa năm (%) so với thời kỳ cơ sở ..........................64 Bảng 3.14: Biến đổi của lượng mưa mùa đông (%) so với thời kỳ cơ sở .................65 vii Bảng 3.15: Biến đổi của lượng mưa mùa xuân (%) so với thời kỳ cơ sở .................65 Bảng 3.16: Biến đổi của lượng mưa mùa hè (%) so với thời kỳ cơ sở .....................66 Bảng 3.17: Biến đổi của lượng mưa mùa thu (%) so với thời kỳ cơ sở ....................67 Bảng 3.18: Mực nước biển dâng theo kịch bản cho khu vực nghiên cứu .................67 Bảng 3.19: Lưu lượng trung bình tháng các thời kỳ, kịch bản RCP8.5 tại các trạm thủy văn .....................................................................................................................68 Bảng 3.20: Lưu lượng trung bình tháng các thời kỳ, kịch bản RCP4.5 tại các trạm thủy văn .....................................................................................................................69 Bảng 3.21: Lưu lượng đỉnh lũ 1%, 5% trung bình ngày và tức thời tại một số trạm thủy văn trên hệ thống sông Ba theo kịch bản RCP8.5.............................................70 Bảng 3.22: Lưu lượng đỉnh lũ 1%, 5% trung bình ngày và tức thời tại một số trạm thủy văn trên hệ thống sông Ba theo kịch bản RCP4.5.............................................71 Bảng 3.23: Mực nước đỉnh lũ tại trạm Phú Lâm các kịch bản .................................73 Bảng 3.24: Diện tích ngập ứng với mức ngập lớn nhất các kịch bản .......................76 Bảng 3.25: Tác dụng điều tiết của hồ chứa (diện tích ngập lụt giảm) ......................76 Bảng 3.26: Thay đổi diện tích ngập ứng với mức ngập lớn nhất ..............................76 Bảng 3.27: Thay đổi diện tích ngập ứng với mức ngập lớn nhất ..............................77 viii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Bản đồ mạng lưới sông lưu vực sông Ba ..................................................10 Hình 1.2: Bản đồ khu vực tỉnh Phú Yên (Tỉ lệ 1:600 000) .......................................11 Hình 1.3: Bản đồ địa hình lưu vực sông Ba ..............................................................14 Hình 1.4: Bản đồ thổ nhưỡng lưu vực sông Ba ........................................................16 Hình 1.5: Bản đồ phân bố lượng mưa .......................................................................24 Hình1.6: Bản đồ phân lượng mưa ............................................................................24 Hình 2.1: Cấu trúc mô hình NAM [11] .....................................................................38 Hình 2.2: Sơ đồ các lưu vực bộ phận trong lưu vực sông Ba ...................................41 Hình 2.3: Sơ đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott ................................................44 Hình 2.4: Sơ đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott trong mặt phằng x~t ...............44 Hình 2.5: Nhánh sông và các điểm lưới xen kẽ ........................................................45 Hình 2.6: Cấu trúc các điểm lưới xung quanh điểm nhập lưu ..................................45 Hình 2.7: Cấu trúc các điểm lưới trong mạng vòng ..................................................45 Hình 2.8: Vị trí các đường quá trình lưu lượng gia nhập ..........................................48 Hình 2.9: Sơ đồ thủy lực lưu vực sông Ba ................................................................50 Hình 2.10: Sơ đồ tính toán thủy lực trong mô hình MIKE11 ...................................50 Hình 3.1: Đường duy trì lưu lượng tính toán và thực đo tại các trạm thủy văn trên lưu vực sông Ba .........................................................................................................52 Hình 3.2: Đường lũy tích lưu lượng tính toán và thực đo tại các trạm thủy văn trên lưu vực sông Ba .........................................................................................................53 Hình 3.3: Dòng chảy thực đo và tính toán trạm Củng Sơn (1980 - 1999) ................55 Hình 3.4: Mực nước tính toán và thực đo trận lũ tháng 10/1993 tại Phú Lâm .........56 Hình 3.5: Đường quá trình mực nước Phú Lâm năm 1988 ......................................58 Hình 3.6: Đường quá trình mực nước Phú Lâm năm 2009 ......................................58 Hình 3.7: Bản đồ nguy cơ ngập lớn nhất ứng với trận lũ 10/1993 ...........................60 Hình 3.8: Ngập lụt Phú Yên 05-11-2009 (Ảnh radar phân giải 6,25 m) ..................61 Hình 3.9: Dòng chảy mùa lũ tại một số lưu vực trên hệ thống sông Ba ..................69 Hình 3.10: Lưu lượng đỉnh lũ 1% và 5% thay đổi theo các kịch bản BĐKH...........72 ix Hình 3.11: Mực nước đỉnh lũ tại Phú Lâm thay đổi so với KBN .............................74 Hình 3.12: Mực nước đỉnh lũ tại Phú Lâm thay đổi so với KBN .............................75 Hình 3.13: Diện tích ngập thay đổi so với KBN trong trường hợp ..........................77 Hình 3.14: Diện tích ngập thay đổi so với KBN trong trường hợp ..........................77 x THÔNG TIN LUẬN VĂN + Họ và tên học viên: Mạc Đình Nam + Lớp: CH2AT Khoá: 2 + Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS. Trần Hồng Thái +Tên đề tài: “Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của Biến đổi khí hậu đến lũ và ngập lụt hạ lưu sông Ba’’ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU - Đánh giá được dòng chảy mùa lũ, mực nước lũ, đỉnh lũ, mức độ ngập lụt trong bối cảnh biến đổi khí hậu. - Đề xuất các giải pháp thích ứng và giảm thiểu rủi ro. Nghiên cứu đã sử dụng mô hình NAM, MIKE11, để đánh giá được dòng chảy mùa, lũ mực nước lũ, đỉnh lũ và sử dụng công cụ ArcGIS để phân tích mực nước lũ ảnh hưởng đến quá trình ngập lụt vùng hạ lưu. Và bên cạnh đó, các phương pháp truyền thống cũng được sử dụng một cách linh hoạt để có được kết quả chính xác và khách quan. Cụ thể luận văn đã sử dụng kết hợp phương pháp kế thừa, phương pháp thống kê, phương pháp phân tích tổng hợp, và phương pháp chuyên gia. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Luận văn đã thiết lập mô hình thủy văn, thủy lực để tính toán được dòng chảy mùa lũ cho toàn bộ lưu vực sông Ba. Qua đó đánh giá được tác động của biến đổi khí hậu đến quá trình lũ, mực nước lũ và ngập lụt tại vùng hạ lưu sông Ba, đưa ra một cái nhìn tổng thể về tình trạng của lũ, ngập lụt ảnh hưởng đến kinh tế - xã hội hiện tại và trong tương lai. 1 MỞ ĐẦU I.Tính cấp thiết Biến đổi khí hậu (BĐKH) đã ảnh hưởng mạnh mẽ đến tài nguyên nước (TNN) trên phạm vi toàn cầu. Các phân tích gần đây của Ủy ban Liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC) cho thấy sự nóng lên toàn cầu đã gây ra các tác động tiêu cực đến TNN, bao gồm: - Làm thay đổi về thời gian mưa và lượng mưa. Những khu vực vĩ độ cao có lượng mưa gia tăng và dòng chảy mặt được sinh ra nhiều hơn. Ngược lại, một số lưu vực ở vĩ độ thấp dòng chảy bị giảm và thiếu nước do sự kết hợp của sự gia tăng bốc hơi và giảm lượng mưa. - Những thay đổi về nhiệt độ và lượng mưa có thể dẫn đến thay đổi lớn tỷ lệ dòng chảy, tăng khả năng và mức động nghiêm trọng của hạn hán và lũ lụt. Chất lượng nước có thể bị suy giảm, nơi dòng chảy suy giảm sẽ gia tăng nguy cơ ô nhiễm từ các nguồn tự nhiên và con người. - Các nghiên cứu đã cho thấy những thay đổi tương đối nhỏ về nhiệt độ và lượng mưa cũng có thể gây tác động lớn đối với dòng chảy. Với lượng mưa không đổi, dòng chảy giảm khoảng 3 -12% nếu nhiệt độ tăng 20C, và 7-21% khi nhiệt độ tăng 40C. - Các nghiên cứu về tác động của biến đổi khí hậu đối với dòng chảy các sông ở Việt Nam cho thấy với sự tăng nhiệt độ và bốc hơi, dòng chảy tăng vào mùa lũ gây lũ lụt nghiêm trọng thêm và giảm vào mùa cạn gây hạn hán khốc liệt hơn[1]. - Lưu vực sông Ba là một trong những lưu vực được đánh giá có TNN vào loại không phong phú. Dòng chảy trên lưu vực sông Ba không lớn, mô đun dòng chảy năm đạt khoảng 25,72 l/s.km2. Trong đó, lượng dòng chảy lại tập trung chủ yếu vào 3 - 4 tháng mùa lũ và chiếm khoảng 70-75% lượng dòng chảy năm. [2] Do vậy, đề tài luận văn “Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của Biến đổi khí hậu đến lũ và ngập lụt hạ lưu sông Ba” là cơ sở khoa học và thực tiễn ứng phó với lũ lụt trên lưu vực sông góp phần giảm nhẹ thiên tai và phát triển kinh tế xã hội của lưu vực sông Ba trong bối cảnh biến đổi khí hậu. 2 II. Mục tiêuvà phương pháp nghiên cứu 1. Mục tiêu - Đánh giá được diễn biến lũ, lụt và ảnh hưởng của Biến đổi khí hậu đến lũ và ngập lụt hạ lưu sông Ba. - Bước đầu đề xuất được một số giải pháp ứng phó với lũ lụt trên lưu vực sông nghiên cứu trong bối cảnh biến đổi khí hậu. 2. Nội dung nghiên cứu  Tổng quan về vị trí địa lý, điều kiện tự nhiên, dân sinh, kinh tế vùng nghiên cứu, đặc điểm mưa lũ trên lưu vực sông Ba,  Phương pháp, lựa chọn mô hình và thu thập số liệu. - Nghiên cứu một số mô hình toán thủy văn, thủy lực ứng dụng trong tính toán lũ, ngập lụt - Lựa chọn công cụ tính toán mô phỏng, đánh giá lũ và ngập lụt - Thu thập số liệu khí tượng thủy văn  Thiết lập mô hình thủy văn, hiệu chỉnh mô hình và kiểm định mô hình  Thiết lập mô hình thủy lực diễn toán dòng chảy hạ lưu, hiệu chỉnh và kiểm định  Đánh giá được dòng chảy mùa lũ, mực nước lũ, đỉnh lũ, mức độ ngập lụt trong bối cảnh biến đổi khí hậu.  Đề xuất một số giải pháp nhằm giảm thiểu rủi ro. 3. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thu thập, thống kê, tổng hợp tài liệu: Phương pháp này được thực hiện trên cơ sở kế thừa, phân tích và tổng hợp các nguồn tài liệu và số liệu thông tin có liên quan một cách có chọn lọc, từ đó, đánh giá chúng theo yêu cầu và mục đích nghiên cứu. - Phương pháp mô hình hóa: Áp dụng mô hình toán thủy văn NAM, MIKE 11, MIKE FLOOD... để mô phỏng lũ và tính toán ngập lụt cho lưu vực nghiên cứu. - Phương pháp bản đồ và GIS: Phương pháp bản đồ và GIS được sử dụng trong nghiên cứu này để thể hiện các kết quả nghiên cứu trong quá trình thực hiện (chỉ ra phạm vi, mức độ của các đối tượng bị ảnh hưởng) 3 III. Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu và kết luận văn dự kiến gồm 3 chương: Chương 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU Chương 2: PHƯƠNG PHÁP VÀ SỐ LIỆU Chương 3: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN LŨ, NGẬP LỤT HẠ LƯU SÔNG BA 4 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan về các nghiên cứu lũ và ngập lụt 1.1.1. Tổng quan các nghiên cứu lũ và ngập lụt trong và ngoài nước Thiên tai và những tác động của chúng đến kinh tế, xã hội và môi trường ngày càng gia tăng trên toàn thế giới với một tốc độ rất đáng báo động. Con người, tài sản, xã hội và môi trường đang bị ảnh hưởng rất nhiều từ các hiểm họa tự nhiên. Những sự thay đổi như: hiện tượng nóng lên toàn cầu, tăng dân số, tăng trưởng kinh tế, đô thị hóa, công nghiệp hóa, phá rừng, mở rộng khu dân cư, di canh, di cư... đã làm cho xã hội trở nên dễ bị tổn thương hơn trước từ các hiểm họa tự nhiên. a. Các nghiên cứu lũ và ngập lụt nước ngoài Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) xây dựng mô hình dự báo lũ bao gồm: Mô hình NAM tính toán và dự báo dòng chảy từ mưa; Mô hình Mike 11 tính toán thủy lực, dự báo dòng chảy trong sông và cảnh báo ngập lụt. Mô hình này được áp dụng rộng rãi và thành công ở nhiều nước trên thế giới. Trong khu vực Châu Á, mô hình đã được áp dụng để dự báo lũ lưu vực sông Mun-Chi và Songkla ở Thái Lan, lưu vực sông ở Bangladesh và Indonesia. Tác giả Wallingford kết hợp với Hacrow đã xây dựng phần mềm ISIS cho tính toán dự báo lũ và ngập lụt. Phần mềm bao gồm các môđun: Mô hình đường đơn vị tính toán và dự báo dòng chảy từ mưa; mô hình ISIS tính toán thủy lực, dự báo dòng chảy trong sông và cảnh báo ngập lụt. Phần mềm này đã được áp dụng khá rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới, đã được áp dụng cho sông Mê Kông trong chương trình Sử dụng Nước do ủy hội Mê Kông Quốc tế chủ trì thực hiện. Ở Việt Nam, mô hình ISIS được sử dụng để tính toán trong dự án phân lũ và phát triển thủy lợi lưu vực sông Đáy do Hà Lan tài trợ [14,15]. Năm 2007, tác giả Edna Matthew Ruji đã sử dụng mô hình 2 chiều SOBEK tính toán ngập cho 1 nhánh sông dài 30 km của Sungai Sarawak huyện Sarawak tỉnh Malaysia. Dữ liệu địa hình sử dụng là bản đồ số hóa DEM của LiDar. Kết quả tính toán thể hiện được khu vực ngập [18]. Vào năm 2008, P.Vanderkimpen đã tiến hành nghiên cứu mô phỏng lũ bằng ứng dụng mô hình MIKE FLOOD để kịp thời cho công tác di tản dân cư ở khu vực đồng bằng ven biển của Bỉ. Bằng mô hình thủy lực MIKE FLOOD, các chuyên gia đã tìm ra được khả năng ảnh hưởng của lũ, diện ngập có thể xảy ra qua đó ước tính 5 thiệt hại nhằm đưa ra công tác di tản 1 cách kịp thời nhất [20]. Daniel Jilles và Matthew Moore (2010) đã sử dụng mô hình thủy lực MIKE 11 và HEC-RAS để mô phỏng lũ tại Hà Lan, Bỉ and Anh Quốc. Nghiên cứu đã ứng dụng các mô hình thủy lực để quản lý dòng chảy, duy trì mạng lưới cảnh báo và tiến hành thành lập hệ thống dự báo lũ cấp quốc gia. Nghiên cứu đã đưa ra kết luận cho thấy hệ thống dự báo lũ có thể sử dụng dựa trên các mô hình thủy lực đơn giản, các mô hình thủy lực 1 chiều (1D-1 Demension) là mô hình được khai thác chi tiết nhất trong công tác dự báo lũ theo thời gian thật [17]. Năm 2011 Kwasi Appeaning Addo & nkk đã sử dụng phương pháp mô hình hóa kết hợp với phần mềm GIS để xây dựng bản đồ ngập lụt theo các kịch bản nước biển dâng cho vực đô thị tại vùng vịnh Guinea của Ghana, từ đó đánh giá khả năng ảnh hưởng của nước biển dâng đến các loại đất khác nhau, trong đó có đất nông nghiệp theo các kịch bản nước biển dâng [19]. Nghiên cứu lũ gây ra do vỡ đập ứng dụng mô hình HEC-RAS và công cụ HECGeoRAS (Cameron T.Ackerman và Gary W.Brunner, 2011) đã cho thấy khả năng kết hợp tuyệt vời của mô hình HEC-RAS và công cụ HEC-GeoRAS để xây dựng 1 mô hình vỡ đập và các ảnh hưởng từ lũ gây ra bởi nó. HEC-GeoRAS sẽ truy xuất các dữ liệu địa lý từ hệ thống bản đồ địa hình số và rồi chuyển các dữ liệu đó vào mô hình HEC-RAS. HEC-RAS sẽ mô phỏng dòng chảy không ổn định từ quá trình vỡ đập, từ đó kết hợp với công nghệ GIS để thành lập bản đồ mô phỏng ngập lụt để có các công tác chuẩn bị, phòng tránh [16]. b. Các nghiên cứu lũ và ngập lụt trong nước Tại Việt Nam, đã có khá nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng mô hình toán thủy văn để tính toán và dự báo ngập lụt. Một số mô hình được sử dụng phổ biến ở các cơ quan khác nhau như Viện Khí tượng Thủy văn, Trung tâm Khí tượng Thủy văn Quốc gia, Viện Khoa học thủy lợi, Viện Cơ học... có thể kể đến các mô hình: MIKE 11, SSARR, TANK, NAM, HEC-HMS, HEC-RAS,... Năm 2010, tác giả Hoàng Thái Bình tính toán ngập lụt hệ thống sông Nhật Lệ tỉnh Quảng Bình sử dụng mô hình MIKE FLOOD. Các tài liệu lưu lượng đầu vào được mô phỏng từ mưa bằng mô hình NAM. Bộ thông số mô hình kết nối 1-2 chiều được hiệu chỉnh và kiểm định bằng tài liệu thực đo mực nước hai trận lũ lớn năm 6 1999 và 2000 tại trạm Lệ Thủy nằm giữa khu vực nghiên cứu kết hợp với các tài liệu đo đạc diện ngập lụt của trận lũ lịch sử 1999. Kết quả tính toán bằng mô hình tương đối phù hợp với thực đo chứng tỏ khả năng ứng dụng của mô hình trong công tác xây dựng bản đồ ngập lụt và cảnh báo thiên tai lũ lụt cho khu vực hạ lưu [3]. Năm 2012, tác giả Vũ Thị Thu Lan nghiên cứu biến động của thiên tai ngập lụt và hạn hán tỉnh Quảng Nam trong bối cảnh Biến đổi khí hậu bằng cách sử dụng mô hình Mike 11 - GIS. Kết quả tính toán cho thấy việc áp dụng mô hình Mike 11 – GIS là phù hợp với điều kiện tự nhiên, số liệu, tài liệu hiện có. Mô hình được áp dụng trong quá trình dự báo, cảnh báo thiên tai nhằm quản lý rủi ro, giảm thiểu thiệt hại do lũ gây ra [4]. Năm 2012 tác giả Trần Ngọc Anh và nnk đã giới thiệu kết quả tính toán mức độ ngập lụt tỉnh Hưng Yên từ các kết quả mô phỏng bằng mô hình thủy lực kết nối 1-2 chiều MIKE FLOOD. Bộ mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định với các đợt ngập lụt do mưa gây ra năm 2004 và 2008; sau đó tiến hành mô phỏng ngập lụt với các kịch bản mưa tần suất 1%, 5%, 10%. Từ đó đánh giá nguy cơ ngập lụt các khu vực trũng trên địa bàn tỉnh, sản phẩm được thể hiện dưới dạng bản đồ ngập lụt, thuận tiện cho các cơ quan quản lý có kế hoạch phòng chống lũ, ngập úng cũng như có kế hoạch phát triển kinh tế xã hội cho từng vùng [5]. Năm 2013, tác giả Nguyễn Hồng Quân đã nghiên cứu tổng quan về một số phương pháp xây dựng bản đồ ngập cho tỉnh Long An trong điều kiện Biến đổi khí hậu và nước biển dâng. Phương pháp được tác giả đề cập bao gồm các phương pháp GIS, mô hình 1 chiều ISIS, mô hình 1-2 chiều Mike Flood. Phương pháp GIS: Cho kết quả tương đối nhanh, sau khi chuẩn bị cơ sở dữ liệu tốt. Tuy nhiên, vẫn còn hạn chế khi áp dụng đối với những vùng có chế độ thủy lực phức tạp, những vùng có nhiều tương tác của con người (đê bao, cống, đập …). Mô hình thủy lực 1 chiều kết hợp GIS: được sử dụng phổ biến. Tuy nhiên, vai trò của các khu chứa, đê bao trong vùng ngập lũ vẫn chưa được thể hiện trong mô hình. Ngoải ra, khi nghiên cứu chi tiết tác động của các công trình thủy lợi đối với một khu vực cụ thể, phương pháp này cũng có những hạn chế nhất định. Mô hình thủy lực 1, 2 chiều cho kết quả tính toán chi tiết. Tuy nhiên, đối với các mô hình này đòi hỏi phải chuẩn bị dữ liệu chi tiết, thời gian tính toán lâu. Cải thiện tốc độ máy tính khi sử dụng mô hình này bằng 7 các kỹ thuật tính toán bậc cao (high performance computing) hay tính toán song song (parallel computing) để nâng cao hiệu quả mô hình [6]. Năm 2013, tác giả Phạm Văn Song và nnk đã sử dụng mô hình Mike Flood để nghiên cứu ảnh hưởng của việc xả lũ hồ chứa Dầu Tiếng lên hạ du sông Sài Gòn. Các tài liệu lưu lượng đầu vào được mô phỏng từ mưa bằng mô hình NAM. Bộ thông số mô hình kết nối 1-2 chiều được hiệu chỉnh và kiểm định với các chuỗi số liệu thực đo vào tháng 9, 10 các năm 2000 đến 2007. Ngoài ra mô hình cũng được kiểm định với các số liệu đo tăng cường vào các tháng 6 năm 2009 và tháng 4 năm 2013. Dựa trên các kết quả tính toán thủy lực ứng với các tổ hợp xả lũ hồ Dầu Tiếng với các điều kiện mưa và triều ở hạ du, bài báo sẽ xác định khu vực ảnh hưởng chính của xả lũ, triều hoặc vùng ảnh hưởng triều và lũ kết hợp trên sông Sài Gòn. Việc phân vùng ảnh hưởng là cơ sở cho việc xây dựng quy trình vận hành đảm bảo an toàn hạ du công trình của hồ Dầu Tiếng, cũng như hỗ trợ các cơ quan hữu quan đưa ra các giải pháp chống ngập thích hợp với từng vùng [7]. Nghiên cứu của Huỳnh Thị Lan Hương về “Nghiên cứu đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến ngành nông nghiệp tỉnh Quảng Ngãi” đã sử dụng mô hình MKIE 11 để tính toán khả năng ngập lụt vùng hạ lưu lưu vực sông Trà Khúc và sông Vệ do tá động của BĐKH. Kết quả cho thấy, trong bối cảnh BĐKH, nước biển có khả năng dâng cao, gây ngập lụt vùng đồng bằng ven biển. Theo tính toán, BĐKH sẽ diễn ra ở Quảng Ngãi chủ yếu theo hướng tăng nhiệt độ trong các tháng mùa đông và thay đổi quy luật phân bố của nhiệt độ và mưa; các tác động của BĐKH đến sản xuất nông nghiệp của thể hiện chủ yếu qua sự suy giảm năng suất cây lúa và diện tích đất nông nghiệp có nguy cơ bị ngập do BĐKH và NBD lớn nhất theo kịch bản A2 giai đoạn 2080 - 2099 chiếm 6,21% tổng diện tích toàn tỉnh và 23,5% tổng diện tích đất nông nghiệp [8]. TS.Trần Duy Kiều và các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu trong đề tài: “Nghiên cứu nhận dạng lũ lớn, phân vùng nguy cơ lũ lớn và xây dựng bản đồ ngập lụt phục vụ cảnh báo lũ lớn lưu vực sông Lam”. Kết quả cho thấy, nhóm tác giả đã áp dụng thành công một số phương pháp, mô hình nhận dạng lũ như HEC, SSARR, SCS cho lưu vực sông Lam một cách toàn diện cả về hình thế thời tiết gây mưa lũ lớn và lũ thượng nguồn với một số tiêu chí chủ yếu. Kết quả nghiên cứu giữ một vai