Tài liệu Nghiên cứu xây dựng phương án dự báo lũ cho lưu vực sông hoàng long tỉnh ninh bình

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƢƠNG ÁN DỰ BÁO LŨ CHO LƢU VỰC SÔNG HOÀNG LONG TỈNH NINH BÌNH CHUYÊN NGÀNH: THỦY VĂN HỌC NGUYỄN HẢI LÂN HÀ NỘI, NĂM 2017 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHƢƠNG ÁN DỰ BÁO LŨ CHO LƢU VỰC SÔNG HOÀNG LONG TỈNH NINH BÌNH NGUYỄN HẢI LÂN CHUYÊN NGÀNH: THỦY VĂN HỌC MÃ SỐ: 60440224 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. TRẦN DUY KIỀU HÀ NỘI, NĂM 2017 CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI Cán bộ hƣớng dẫn: PGS.TS. Trần Duy Kiều Cán bộ phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Hữu Khải Cán bộ phản biện 2: TS. Nguyễn Viết Thi Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI Ngày 26 tháng 12 năm 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các số liệu, nội dung, kết quả trong luận văn “Nghiên cứu xây dựng phương án dự báo lũ cho lưu vực sông Hoàng Long tỉnh Ninh Bình” là công trình do tôi thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS. Trần Duy Kiều. Nội dung trong luận văn là trung thực, các tài liệu, số liệu trích dẫn đều ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo và chƣa đƣợc công bố trên các công trình nào khác. Nếu có bất kỳ sự gian lận trong nội dung nghiên cứu của luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trƣớc Hội đồng nhà trƣờng. TÁC GIẢ LUẬN VĂN Nguyễn Hải Lân ii LỜI CẢM ƠN Luận văn “Nghiên cứu xây dựng phương án dự báo lũ cho lưu vực sông Hoàng Long tỉnh Ninh Bình” đã đƣợc hoàn thành, học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến nhà trƣờng các thầy cô giáo Khoa Khí tƣợng - Thủy văn, cùng toàn thể các thầy cô, giảng viên và các anh chị trong trƣờng, đã tạo mọi điều kiện, đóng góp và trao đổi nhiều ý kiến quý báu giúp cho học viên có thể hoàn thành luận văn một cách tốt nhất. Đặc biệt học viên xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Trần Duy Kiều đã tận tình hƣớng dẫn, động viên em trong suốt quá trình giảng dạy cũng nhƣ chỉ bảo và cung cấp những tài liệu, thông tin cần thiết cho em trong thời gian làm luận văn. Học viên cảm ơn lãnh đạo Đài KTTV khu vực Đồng bằng Bắc Bộ, Đài KTTV tỉnh Ninh Bình, gia đình, bạn bè đã nhiệt tình giúp đỡ, khích lệ và động viên em rất nhiều để em có thể hoàn thành luận văn này. Do thời gian, kinh nghiệm nghiên cứu chƣa nhiều, bên cạnh đó nội dung nghiên cứu rộng, phức tạp luận văn khó tránh đƣợc những thiếu sót. Học viên rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp quý báu để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn và tiến tới ứng dụng đƣợc vào thực tiễn. Hà Nội, tháng 12 năm 2017 Học viên Nguyễn Hải Lân iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ii MỤC LỤC .................................................................................................................... iii THÔNG TIN LUẬN VĂN ............................................................................................ v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT.................................................................................... vi DANH MỤC BẢNG ....................................................................................................vii DANH MỤC HÌNH ................................................................................................... viii MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP DỰ BÁO LŨ ....................... 3 1.1 Tổng quan về các phƣơng pháp dự báo lũ ............................................................ 3 1.1.1 Tổng quan về nghiên cứu dự báo lũ trên thế giới ................................................... 3 1.1.2 Tổng quan về nghiên cứu dự báo lũ ở Việt Nam ................................................... 6 1.1.3 Tổng quan về dự báo lũ trên lƣu vực sông Hoàng Long ....................................... 10 1.2 Điều kiện tự nhiên lƣu vực sông Hoàng Long .................................................... 11 1.2.1 Vị trí địa lý lƣu vực sông Hoàng Long................................................................. 11 1.2.2 Đặc điểm địa hình lƣu vực sông Hoàng Long ...................................................... 11 1.2.3 Đặc điểm địa chất, thổ nhƣỡng và thảm phủ thực vật .......................................... 12 1.2.4 Đặc điểm khí hậu lƣu vực sông Hoàng Long ....................................................... 14 1.2.4.1 Mạng lƣới trạm quan trắc KTTV trên lƣu vực sông hoàng Long ..................... 14 1.2.4.2 Đặc điểm khí hậu lƣu vực sông Hoàng Long................................................... 14 1.2.5 Đặc điểm lũ lƣu vực sông Hoàng Long ................................................................ 19 1.2.6 Đặc điểm kinh tế xã hội lƣu vực sông Hoàng Long ............................................. 23 1.3 Nhận xét chƣơng 1 ................................................................................................. 24 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ MÔ HÌNH ỨNG DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU ...................................................................... 25 2.1 Phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài .................................................................... 25 2.1.1 Hƣớng tiếp cận ..................................................................................................... 25 2.1.2 Phƣơng pháp nghiên cứu ...................................................................................... 26 2.2 Cơ sở lý thuyết mô hình ứng dụng trong nghiên cứu ........................................ 26 2.2.1 Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE - NAM ............................................................... 27 iv 2.2.2 Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE 11 ....................................................................... 30 2.3 Nghiên cứu sử dụng mô hình số trị (NWP) trong dự báo lũ ............................. 35 2.4 Cơ sở số liệu............................................................................................................ 38 2.5 Nhận xét chƣơng 2 ................................................................................................. 38 Chƣơng 3: XÂY DỰNG PHƢƠNG ÁN DỰ BÁO LŨ CHO LƢU VỰC SÔNG HOÀNG LONG ........................................................................................................... 39 3.1 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE - NAM ............................................... 39 3.1.1 Thiết lập sơ đồ tính toán cho mô hình MIKE - NAM .......................................... 39 3.1.2 Số liệu đầu vào mô hình MIKE - NAM ............................................................... 42 3.1.3 Hiệu chỉnh mô hình MIKE - NAM ...................................................................... 43 3.1.4 Kiểm định mô hình MIKE - NAM ....................................................................... 45 3.2 Hiệu chỉnh và kiểm đinh mô hình MIKE 11 ....................................................... 47 3.2.1 Thiết lập sơ đồ thủy lực cho mô hình MIKE11 .................................................... 47 3.2.2 Số liệu đầu vào cho mô hình MIKE11 ................................................................. 49 3.2.3 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE11 ......................................................... 50 3.3 Xây dựng phƣơng án dự báo lũ cho lƣu vực sông Hoàng Long........................ 56 3.3.1 Tính toán lƣợng mƣa dự báo ................................................................................ 56 3.3.2 Xây dựng phƣơng án dự báo lũ cho lƣu vực sông Hoàng Long .......................... 58 3.4 Dự báo thử nghiệm dòng chảy lũ trên sông Hoàng Long tại trạm Bến Đế...... 59 3.5 Nhận xét chƣơng 3 ................................................................................................. 65 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 67 v THÔNG TIN LUẬN VĂN Họ tên học viên: Nguyễn Hải Lân Lớp: CH2AT Khóa: 2017 - 2018 Cán bộ hƣớng dẫn: PGS.TS.Trần Duy Kiều Tên đề tài: Nghiên cứu xây dựng phương án dự báo lũ cho lưu vực sông Hoàng Long tỉnh Ninh Bình. Tóm tắt nội dung luận văn: Đề tài đã đƣa ra xu hƣớng nghiên cứu trong và ngoài nƣớc hiện nay và vị trí địa lý lƣu vực sông Hoàng Long. Phân tích tìm ra hình thế thời tiết gây mƣa cho lƣu vực để tìm đƣợc nguyên nhân chính sinh ra dòng chảy lũ cho hạ du sông Hoàng Long. Do đó nắm bắt đƣợc đặc điểm lũ trên lƣu vực sông Hoàng Long từ đó đƣa ra hƣớng nghiên cứu phƣơng án cảnh báo, dự báo lũ cho hạ lƣu sông. Việc tìm hiểu kỹ lý thuyết các phƣơng pháp và mô hình để ứng dụng trong lĩnh vực nghiên cứu của đề tài là rất cần thiết và hợp lý. Kết quả đạt đƣợc trong nghiên cứu của đề tài đƣa ra đƣợc phƣơng án dự báo lũ cho hạ lƣu sông, qua đánh giá dự báo thử nghiệm phƣơng án đạt kết quả tốt. vi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT WMO Tổ chức khí tƣợng thế giới TTKTTVQG Trung tâm Khí tƣợng Thủy văn quốc gia TTDBTƢ Trung tâm dự báo Khí tƣợng Thủy văn Trung ƣơng KTTV Khí tƣợng Thủy văn ĐBBB Đồng bằng Bắc Bộ JMA Cơ quan Khí tƣợng học Nhật Bản NWP Mô hình dự báo số trị BĐKH Biến đổi khí hậu BĐ Báo động LV Lƣu vực HTNĐ Hội tụ nhiệt đới W (109m3) Tổng lƣợng dòng chảy X - R (mm) Lƣợng mƣa T (°C) Nhiệt độ không khí Tn (°C) Nhiệt độ nƣớc Z (mm) Bốc hơi U (%) Độ ẩm W (m/s) Gió V (m/s) Tốc độ gió H (cm) Mực nƣớc Q (m3/s) Lƣu lƣợng nƣớc Qmax (m3/s) Lƣu lƣợng lớn nhất SSĐ Sai số đỉnh SSW Sai số tổng lƣợng vii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Phương pháp dự báo thủy văn hạn ngắn cho các sông chính đang được sử dụng tại Trung tâm Dự báo KTTV TƯ ............................................................................ 9 Bảng 1.2: Một số đặc trưng lưu vực sông Hoàng Long ................................................ 12 Bảng 1.3: Danh sách trạm Khí tượng trên lưu vực sông Hoàng Long ......................... 14 Bảng 1.4: Danh sách trạm thuỷ văn trên lưu vực sông Hoàng Long............................ 14 Bảng 1.5: Số giờ nắng trung bình tháng, năm tại một số vị trí trên lưu vực sông Hoàng Long (1997-2016) ......................................................................................................... 15 Bảng 1.6: Nhiệt độ không khí trung bình tháng, năm tại một số vị trí trên lưu vực sông Hoàng Long (1997-2016) .............................................................................................. 15 Bảng 1.7: Bốc hơi trung bình tháng, năm tại một số vị trí trên lưu vực ........................... sông Hoàng Long (1997-2016) ..................................................................................... 16 Bảng 1.8: Lượng mưa trung bình tháng, năm tại một số vị trí trên lưu vực ..................... sông Hoàng Long (1997-2016) ..................................................................................... 18 Bảng 1.9: Đặc trưng của một số trận lũ lớn trên sông Hoàng Long ............................ 20 Bảng 1.10: Đặc điểm lũ và nguyên nhân gây mưa lũ chủ yếu trên lưu vực sông Hoàng Long tại Bến Đế [1] ................................................................................................................. 21 Bảng 3.1: Trận lũ lựa chọn tính toán trong mô hình MIKE - NAM .............................. 42 Bảng 3.2: Chỉ tiêu đánh giá chất lượng hiệu chỉnh mô hình MIKE - NAM.................. 45 Bảng 3.3: Bộ thông số mô hình MIKE - NAM lưu vực sông Hoàng Long .................... 45 Bảng 3.4: Chỉ tiêu đánh giá chất lượng kiểm định mô hình MIKE-NAM ..................... 46 Bảng 3.5: Điều kiện biên cho mô hình MIKE11 sông Hoàng Long .............................. 49 Bảng 3.6: Trận lũ lựa chọn tính toán trong mô hình MIKE11 ..................................... 50 Bảng 3.7: Đánh giá chất lượng hiệu chỉnh mô hình MIKE11 ...................................... 52 Bảng 3.8: Hệ số nhám trong hệ thống sông Hoàng Long ............................................. 52 Bảng 3.9: Đánh giá chất lượng kiểm định mô hình MIKE11 ....................................... 54 Bảng 3.10: Minh họa định dạng số liệu lượng mưa ngày LVS Hoàng Long ................ 56 Bảng 3.11: Bảng phân cấp lượng mưa theo tiêu chuẩn WMO ..................................... 57 Bảng 3.12: Hệ số mưa của các trạm so với toàn lưu vực ............................................. 57 Bảng 3.13: Hệ số mưa của các trạm so với trạm Ninh Bình......................................... 57 Bảng 3.14: Đánh giá chất lượng dự báo lũ tại trạm Bến Đế theo PA1 ........................ 63 Bảng 3.15: Đánh giá chất lượng dự báo tại trạm Bến Đế theo PA2 ............................ 64 viii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Bản đồ lưu vực sông Hoàng Long................................................................. 12 Hình 1.2: Biểu đồ tổng số giờ nắng trung bình năm trên lưu vực ................................ 15 Hình 1.3: Biểu đồ biến thiên nhiệt độ không khí trung bình tháng trên lưu vực .......... 16 Hình 1.4: Lượng mưa trung bình tháng tại một số vị trí trên lưu vực sông Hoàng Long (1997-2016) ................................................................................................................... 18 Hình 1.5: Sơ đồ tiếp cận xây dựng phương án dự báo lũ cho lưu vực sông Hoàng Long ... 24 Hình 2.1: Sơ đồ mô hình NAM ..................................................................................... 28 Hình 2.2: Danh sách địa phương được cung cấp sản phẩm dự báo số trị ................... 36 Hình 2.3: Các yếu tố dự báo tại trạm khí tượng Ninh Bình .......................................... 37 Hình 2.4: Sản phẩm dự báo sau khi giải mã với thời gian dự kiến 84 giờ ................... 37 Hình 3.1: Giao diện chính mô hình MIKE 11 ............................................................... 39 Hình 3.2: Tạo File mô đun RR ...................................................................................... 39 Hình 3.3: Sơ đồ thiết lập các tiểu lưu vực sông Hoàng Long ....................................... 40 Hình 3.4: Diện tích cho các tiểu lưu vực trong mô hình NAM ..................................... 40 Hình 3.5: Nhập số liệu trạm khí tượng vào mô hình NAM ........................................... 41 Hình 3.6: Tính toán trọng số cho các tiểu lưu vực bộ phận .......................................... 41 Hình 3.7: Bảng thông số của các lưu vực trong mô hình NAM .................................... 42 Hình 3.8: Sơ đồ các bước hiệu chỉnh bộ thông số mô hình MIKE - NAM .................... 43 Hình 3.9: Đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán trận lũ 2005 tại trạm Hưng Thi trong quá trình hiệu chỉnh mô hình MIKE - NAM .................................................. 44 Hình 3.10: Đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán trận lũ 2007 tại trạm Hưng Thi trong quá trình hiệu chỉnh mô hình MIKE - NAM ........................................ 44 Hình 3.11: Đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán trận lũ 2013 tại trạm Hưng Thi trong quá trình kiểm định mô hình MIKE - NAM ......................................... 46 Hình 3.12: Đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán trận lũ 2014 tại trạm Hưng Thi trong quá trình kiểm định mô hình MIKE - NAM ......................................... 47 Hình 3.13: Sơ đồ lưới trạm thủy văn và hệ thống lưu vực sông Hoàng Long .............. 48 Hình 3.14: Sơ đồ mạng lưới thủy lực sông Hoàng Long .............................................. 48 Hình 3.15: Minh họa mặt cắt sông Hoàng Long ........................................................... 49 ix Hình 3.16: Đường quá trình mực nước thực đo và tính toán trận lũ 2005 tại trạm Bến Đế trong quá trình hiệu chỉnh mô hình MIKE 11 ......................................................... 51 Hình 3.17: Đường quá trình mực nước thực đo và tính toán trận lũ 2007 tại trạm Bến Đế trong quá trình hiệu chỉnh mô hình MIKE 11 ......................................................... 51 Hình 3.18: Đường quá trình mực nước thực đo và tính toán trận lũ 2013 tại trạm Bến Đế trong quá kiểm định chỉnh mô hình MIKE 11 ......................................................... 55 Hình 3.19: Đường quá trình mực nước thực đo và tính toán trận lũ 2014 tại trạm Bến Đế trong quá trình kiểm định mô hình MIKE 11 .......................................................... 55 Hình 3.20: PA1 giả định giá trị biên mực nước hạ lưu................................................. 58 Hình 3.21: PA2 kéo dài mực nước tại biên hạ lưu theo các đường xu thế ................... 59 Hình 3.22: Giao diện chính của mô đun FF ................................................................. 59 Hình 3.23: So sánh kết quả dự báo mực nước thời đoạn 6 giờ tại trạm Bến Đế (PA1) ...... 60 Hình 3.24: So sánh kết quả dự báo mực nước thời đoạn 12 giờ tại trạm Bến Đế (PA1) ..... 60 Hình 3.25: So sánh kết quả dự báo mực nước thời đoạn 24 giờ tại trạm Bến Đế (PA1) ..... 61 Hình 3.26: So sánh kết quả dự báo mực nước thời đoạn 6 giờ tại trạm Bến Đế (PA2)........ 61 Hình 3.27: So sánh kết quả dự báo mực nước thời đoạn 12 giờ tại trạm Bến Đế (PA2) ..... 62 Hình 3.28: So sánh kết quả dự báo mực nước thời đoạn 24 giờ tại trạm Bến Đế (PA2) ......62 1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Việt Nam là nƣớc có rất nhiều sông, suối lớn và nhỏ khác nhau. Mật độ sông suối phân bố không đều giữa các vùng. Mật độ lƣới sông trung bình từ 0,5÷1,0 km/km2, những nơi có mật độ lƣới sông dày lên tới 1,5 ÷ 2,0 km/km2 gồm các vùng núi cao Hoàng Liên Sơn, Tây Công Lĩnh, thƣợng nguồn sông Thu Bồn, Đồng Nai. Vùng núi cao trung bình và thấp khác có mật độ lƣới sông từ 1,0 ÷ 1,5 km/km2 [6]. Những hệ thống sông ở Việt Nam ở phía dƣới hạ lƣu có độ dốc nhỏ thông thƣờng là những vùng đồng bằng khá bằng phẳng có độ cao thấp trƣớc khi đổ ra biển, nên việc tiêu thoát lũ những nơi này rất kém. Gặp những năm xuất hiện nhiều đợt mƣa lũ lớn trên lƣu vực tạo ra mực nƣớc hạ du các hệ thống sông dâng cao và kéo dài trong nhiều ngày, gây ngập lụt nghiêm trọng cho những vùng dân cƣ trong vài ngày, vài tuần, có thể hàng tháng hoặc vài tháng. Làm cho thiệt hại rất nặng nề về ngƣời và tài sản, kìm hãm sự phát triển kinh tế xã hội cho khu vực ngập lụt. Ngoài ra lũ lụt ngày càng tăng về độ lớn và phạm vi xảy ra cũng nhƣ tính ác liệt của nó là do biến đổi khí hậu và sự tác động của con ngƣời trong hoạt động đời sống, xã hội đã làm cho môi trƣờng tự nhiên bị phá hủy nghiêm trọng. Lƣu vực sông Hoàng Long thuộc tỉnh Ninh Bình có khí hậu nhiệt đới gió mùa và thƣờng xuyên gánh chịu nhiều thiên tai do: Bão, mƣa lớn gây lũ lụt ảnh hƣởng trực tiếp đến lƣu vực. Bên cạnh đó với vị trí địa lý gần biển, địa hình đầu nguồn là rừng núi cao phức tạp và có nhiều nhánh sông suối, rừng phòng hộ ngày càng bị tàn phá cộng với thời tiết biến đổi. Tuy nhiên do vùng hạ lƣu sông Hoàng Long là vùng đất thấp và địa hình phức tạp nên thƣờng xuyên chịu sự ảnh hƣởng của lũ mỗi khi có mƣa lớn, gây ra ngập lụt nghiêm trọng làm thiệt hại lớn về cơ sở vật chất, phá hủy nhà cửa, ruộng đồng, hủy hoại và tác động lâu dài đến môi trƣờng sinh thái. Ảnh hƣởng trực tiếp đến đời sống xã hội và phát triển kinh tế cho tỉnh. Ngoài ra lƣu vực sông Hoàng Long là một trong những lƣu vực sông có vị trí chiến lƣợc quan trọng trong việc phát triển kinh tế xã hội, an ninh quốc phòng của tỉnh Ninh Bình. Vì vậy, dự báo lũ luôn đƣợc đề cao, cần nhiều tổ chức và các nhà khoa học tập trung nghiên cứu chi tiết và chuyên sâu về cảnh báo, dự báo lũ và ứng dụng các mô hình công nghệ mới đƣa ra các giải pháp ứng phó phù hợp nhất là vấn đề rất cấp thiết và hiệu quả. 2 Từ những lý do trên luận văn đã lựa chọn nội dung: “Nghiên cứu xây dựng phương án dự báo lũ cho lưu vực sông Hoàng Long tỉnh Ninh Bình” để thực hiện. Để tiến hành nghiên cứu xây dựng đƣa ra các phƣơng án cảnh báo, dự báo lũ cho lƣu vực sông. Nhằm góp phần giúp các nhà quản lý có đƣợc thêm một công cụ trong công tác dự báo nhằm giảm thiểu tác hại của lũ lụt gây ra và đƣa ra định hƣớng quy hoạch phát triển trong tƣơng lai ở khu vực. 2. Mục tiêu của luận văn Xây dựng phƣơng án dự báo lũ cho lƣu vực sông Hoàng Long. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu + Đối tƣợng chính: Dòng chảy lũ trên lƣu vực sông Hoàng Long + Phạm vi nghiên cứu: Trong mùa lũ lƣu vực sông Hoàng Long thuộc tỉnh Ninh Bình. Phƣơng pháp nghiên cứu + Phƣơng pháp thu thập, phân tích, thống kê, tổng hợp + Phƣơng pháp kế thừa, lấy ý kiến chuyên gia + Ứng dụng mô hình toán thủy văn, thủy lực 4. Bố cục của luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo nội dung luận văn đƣợc bố cục thành 3 chƣơng: Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP DỰ BÁO LŨ Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ MÔ HÌNH ỨNG DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU Chƣơng 3: XÂY DỰNG PHƢƠNG ÁN DỰ BÁO LŨ CHO LƢU VỰC SÔNG HOÀNG LONG 3 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP DỰ BÁO LŨ 1.1 Tổng quan về các phƣơng pháp dự báo lũ 1.1.1 Tổng quan về nghiên cứu dự báo lũ trên thế giới Nhiều năm nay công tác dự báo mƣa và các yếu tố khí tƣợng của các trung tâm dự báo khí tƣợng lớn trên thế giới nhƣ Mỹ, Nhật, Đức, Pháp, Hàn Quốc ... đã sử dụng nhiều công nghệ tự động phân tích và hiển thị các bản đồ thời tiết trong nghiệp vụ. Mỹ sử dụng hệ phân tích và hiển thị bản đồ thời tiết AWIPS và NAWIPS; Đức và Pháp sử dụng hệ SYNERGY; Úc sử dụng hệ AIFS,... Các hệ thống đều có đủ các chức năng quan trọng nhƣ: phân tích, hiển thị và tích hợp các loại số liệu khác nhau nhƣ số liệu quan trắc bề mặt, cao không, pilot, ship, ảnh mây vệ tinh, kết quả của các mô hình dự báo số trị,... đồng thời cũng cho phép tạo các kịch bản dự báo thời tiết theo những hình thế gây mƣa khác nhau. Các hệ thống này đáp ứng rất tốt các yêu cầu nghiệp vụ tại các trung tâm khí tƣợng nói trên và đều có thể ứng dụng cho các trung tâm khí tƣợng khác với những nghiên cứu để điều chỉnh, bổ sung các chức năng theo yêu cầu của nghiệp vụ dự báo thời tiết của từng quốc gia. Tại Nhật, cơ quan Khí tƣợng Nhật Bản đang vận hành một hệ thống đồng hóa số liệu bốn chiều quy mô vừa là Meso 4D-Var. Với hệ thống này, nhiều loại quan trắc đƣợc đồng hóa cho các mô hình số. Meso 4D-Var đồng hóa số liệu quan trắc từ thám không vô tuyến, các trạm khí tƣợng bề mặt, tàu thuyền, phao, máy bay, thiết bị đo mặt cắt gió, vệ tinh, radar cho mô hình dự báo quy mô vừa. Việc có một hệ thống các loại quan trắc dày đặc và hệ thống tích hợp, phân tích dữ liệu quan trắc cho mô hình số đã nâng cao đáng kể chất lƣợng dự báo của các mô hình số, đặc biệt là dự báo lƣợng mƣa. Hiện nay sự phát triển công nghệ thông tin cùng với những kết quả to lớn trong nghiên cứu tìm tòi bản chất vật lý các quá trình trong khí quyển đã tạo điều kiện cho các mô hình dự báo số ngày càng chính xác và kịp thời, dần thay thế phƣơng pháp dự báo truyền thống. Trong tác nghiệp ngày nay các nƣớc tiên tiến đều sử dụng các mô hình dự báo số trong công tác dự báo thời tiết. Nhật đang vận hành nghiệp vụ 3 mô hình chính là mô hình phổ toàn cầu (GMS), mô hình phổ khu vực (RSM), mô hình quy mô vừa (MSM), mô hình dự báo bão (TYM); Hàn Quốc vận hành nghiệp vụ các mô hình có chức năng tƣơng tự là Mô hình dự báo toàn 4 cầu (GDAPS), Mô hình dự báo khu vực (GDAPS), Mô hình dự báo độ phân giải cao (HLAM) và Mô hình bão (DBAR)...[6]. Tóm lại các trung tâm dự báo trên đã đƣa ra nhiều mô hình dự báo số phục vụ cho công tác dự báo nhất là về dự báo lƣợng mƣa tƣơng đối chính xác, cho từng vùng khác nhau trên thế giới. Qua đó giúp cho các trung tâm KTTV của các nƣớc đang phát triển tiếp cận, sử dụng trong việc cảnh báo, dự báo lũ, lụt. Dự báo lũ có vai trò quyết định trong công tác phòng chống lũ và ngập lụt ở các nƣớc, đây đƣợc xem nhƣ biện pháp phi công trình quan trọng nhất phục vụ phòng tránh thiên tai do lũ. Cùng sự phát triển các ngôn ngữ lập trình và việc ra đời các siêu máy tính, kết hợp với các số liệu KTTV đáng tin cậy từ thông tin có đƣợc trong công nghệ viễn thám để mô phỏng quá trình dòng chảy lũ trên các lƣu vực sông, nên phƣơng pháp dự báo trong thủy văn đã có sự thay đổi, phát triển mạnh thông qua mô hình số hóa dự báo các quá trình thủy văn. Từ đó trên thế giới đã có nhiều phần mềm đƣợc xây dựng để đáp ứng yêu cầu tính toán dự báo thủy văn trên các lƣu vực sông từ thƣợng lƣu về hạ lƣu. Các phần mềm này đã giải quyết đƣợc các bài toán dự báo lũ từ mƣa, tính toán truyền lũ trong sông, điều tiết hồ chứa, ngập lụt… Hƣớng xây dựng trong các hệ thống cảnh báo, dự báo lũ, lụt dựa trên tổ hợp dự báo mƣa đã đƣợc thực hiện trong nhiều hệ thống dự báo nghiệp vụ. Trong cách tiếp cận này dự báo tổ hợp dòng chảy đã đƣợc thực hiện dựa trên các dự báo tổ hợp mƣa số trị (NWP) kết hợp với đồng bộ hóa dữ liệu, từ đó đƣa ra kết quả dự báo, cảnh báo lũ đáp ứng theo yêu cầu đặt ra của công tác dự báo. Những năm gần đây nghiên cứu dự báo lũ thƣờng tập trung vào việc sử dụng các mô hình thủy văn, thủy lực. Việc áp dụng các mô hình này vào dự báo thủy văn tỏ ra có nhiều ƣu điểm vƣợt trội có độ chính xác cao. Sau đây là một số mô hình đƣợc các trung tâm KTTV lớn phát triển đƣợc ứng dụng rộng rãi trên thế giới: Hoa Kỳ: Bộ phận dự báo thuỷ văn thuộc Cơ quan Thời tiết Hoa kỳ sử dụng để tính toán dòng chảy từ mƣa: Mô hình SSARR là mô hình mô phỏng quá trình hình thành dòng chảy mặt, sát mặt, ngầm và quá trình tập trung nƣớc trên lƣu vực khi sử dụng thông tin về mƣa trung bình thời đoạn, quan hệ ẩm kỳ trƣớc với hệ số dòng chảy, quan hệ dòng chảy ngầm, chỉ số thấm và các thông tin khác trên lƣu vực. Mô hình HEC – RAS là mô hình do trung tâm thủy văn công trình – Đoàn công 5 binh Hoa Kỳ phát triển phân tích thủy văn thủy lực cho hệ thông sông. Mô hình có thể áp dụng cho sông đơn hoặc cả một hệ thống sông phức tạp, có cả nhập lƣu giữa dòng. Mô hình SWAT đƣợc xây dựng bởi trung tâm phục vụ nghiên cứu nông nghiệp thuộc Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ và Trung tâm nghiên cứu nông nghiệp thuộc Đại học Texas A&M vào đầu những năm 1990 với mục đích dự báo những ảnh hƣởng của thực hành quản lý sử dụng đất đến nƣớc, sự bồi lắng và lƣợng hóa chất sinh ra từ hoạt động nông nghiệp trên những lƣu vực rộng lớn và phức tạp trong khoảng thời gian dài. Một trong những module chính của mô hình này là mô phỏng dòng chảy từ mƣa và các đặc trƣng vật lý trên lƣu vực. Canada: Mô hình WATFLOOD đƣợc ứng dụng mô phỏng thủy văn thời gian ngắn để dự báo lũ hoặc mô phỏng thời đoạn dài để tính toán nguồn nƣớc lƣu vực. Mô hình có khả năng kết nối với lƣợng mƣa phân bố quan trắc từ trạm radar thời tiết hoặc sản phẩm của mô hình số trị. Đan Mạch: Bộ Mô hình MIKE đƣợc Viện thuỷ lực Đan Mạch phát triển xây dựng phần mềm dự báo lũ, gồm: Mô hình NAM tính toán và dự báo dòng chảy từ mƣa; Mô hình MIKE 11 là mô hình 1 chiều tính toán thủy lực, dự báo dòng chảy trong sông và cảnh báo ngập lụt; Mô hình MIKE SHE mô phỏng nhiều thành phần tham gia vào quá trình hình thành dòng chảy trên lƣu vực. Các phép tính của mô hình đƣợc chạy trên lƣới ô vuông với các dữ liệu đầu vào gồm bản đồ DEM, lớp phủ, địa chất, chỉ số thực vật, mƣa phân bố. Cộng hòa Pháp: Mô hình MARINE đƣợc ứng dụng tính toán lũ quét thời gian thực từ dự án PACTES (cảnh báo nguy cơ lũ quét theo không gian) tại Pháp với sự hỗ trợ ban đầu của Bộ nghiên cứu Pháp và Cơ quan vũ trụ Pháp để tính toán trận lũ quét xảy ra năm 1999 tại vùng phía Nam. Trên thế giới, MARINE đƣợc đánh giá cao và đƣợc khai thác sử dụng tính toán lũ quét ở nhiều nƣớc nhƣ Pháp, Hà Lan, Brasil. Vƣơng quốc Bỉ: Mô hình WETSPA (Water and Energy Transfer between Soil, Plant and Atmosphere) đƣợc phát triển tại phòng nghiên cứu Thuỷ văn Thủy lực, khoa khoa học ứng dụng đại học tự do Brusels. Mô hình quan niệm một hệ thống thủy văn lƣu vực là tổ hợp của các quá trình khí quyển, hấp thu thực vật, vùng rễ cây, vùng chuyển nƣớc và vùng bão hoà. Mỗi một ô lại đƣợc chia thành các phần có lớp phủ và phần không thấm. 6 Nhật Bản: Mô hình IFAS (Integrate Flood Analysis System) là một phần mềm tích hợp hệ thống phân tích lũ, cốt lõi của phần mềm là mô hình thủy văn thông số phân bố tham số mô phỏng dòng chảy sƣờn dốc thông qua các lƣới DEM do tác động của lớp phủ thực vật, lớp đất của bề mặt lƣu vực và cho phép mô phỏng các thành phần dòng chảy mặt, sát mặt và dòng ngầm. Mô hình TANK ra đời năm 1956 tại trung tâm quốc gia phòng chống lũ lụt Nhật. Mô hình này áp dụng trong dự báo lũ và khôi phục chuỗi số liệu dòng chảy từ tài liệu mƣa và bốc hơi theo các điều kiện biên, điều kiện ban đầu [7]. 1.1.2 Tổng quan về nghiên cứu dự báo lũ ở Việt Nam Trung tâm Dự báo KTTV Trung ƣơng (TTDBTƢ) đã ứng dụng nhiều công nghệ, kỹ thuật mới với mục đích hiện đại hoá công tác thu thập, xử lý phân tích số liệu và điền bản đồ thời tiết rất hiệu quả cho công tác phục vụ dự báo mƣa và các yếu tố khí tƣợng. Cung cấp các dạng thông tin, số liệu cho các đơn vị trong ngành KTTV cũng nhƣ các đối tác trong và ngoài nƣớc. Hiện nay, tại trung tâm ứng dụng một số công nghệ tiên tiến có thể tích hợp nhiều loại dữ liệu một cách tự động, các loại dữ liệu lại có thể lồng ghép trên cùng một bản đồ nền để tiện so sánh, phân tích, đánh giá là rất cần thiết và phù hợp với xu thế phát triển chung trong khu vực và trên thế giới đáp ứng yêu cầu phục vụ nhanh khi xảy ra các tình huống khẩn cấp. Hệ tƣơng tác hỗ trợ dự báo viên NAWIPS đƣợc tiếp nhận và nghiên cứu ứng dụng tại TTDBTƢ trong khuôn khổ của đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ “Ứng dụng phần mềm NAWIPS để xây dựng công nghệ phân tích và hiển thị bản đồ thời tiết trên máy tính” từ năm 2006 – 2008 [6]. Với hệ thống NAWIPS, công tác thu thập, phân tích và hiển thị các số liệu đã đƣợc tự động hóa từng phần hoặc hoàn toàn. Kết quả nghiên cứu của đề tài cho thấy việc cần thiết phải ứng dụng một hệ thống phần mềm hỗ trợ dự báo vào nghiệp vụ. Những năm gần đây, TTDBTƢ đã đƣợc chuyển giao một số sản phẩm dự báo của mô hình toàn cầu GSM từ Cơ quan khí tƣợng Nhật bản (JMA) (dạng số, cuối năm 1997), mô hình TLAPS (nay là TXLAPS) của Cơ quan khí tƣợng Ôxtrâylia (BoM) (dạng bản đồ (1999), dạng số (đầu năm 2001)) và một vài Trung tâm khí tƣợng khác (dạng bản đồ). Năm 2002, tại TTDBTƢ bắt đầu chạy nghiệp vụ mô hình số phân giải cao HRM với 2 phiên bản là 28 km và 14 km. Số liệu đầu vào cho mô hình thủy tĩnh này (cả 2 phiên 7 bản) đƣợc lấy từ các trƣờng phân tích và dự báo của mô hình toàn cầu GME của Tổng cục Khí tƣợng Cộng hòa Liên bang Đức (DWD). Đến nay, hệ thống thông tin liên lạc và tính toán của TTDBTƢ đã đƣợc tăng cƣờng đáng kể. Năm 2006, TTDBTƢ đã có thêm một đƣờng truyền internet tốc độ cao cho phép truy cập và lấy đƣợc nhiều sản phẩm dự báo số trị toàn cầu nhƣ mô hình GFS và NOGAPS của Mỹ, GEM của Cơ quan khí tƣợng Canađa (CMC), và AGCM của Cơ quan khí tƣợng Brazil. Ngoài các sản phẩm dự báo tất định của các mô hình toàn cầu nói trên, các sản phẩm dự báo tổ hợp của hai mô hình GFS và GEM cũng đƣợc thu nhận và xử lý theo thời gian thực. Hiện tại TTDBTƢ đang chạy nghiệp vụ 2 hệ thống NWP: 1) Hệ thống dự báo tất định bao gồm 2 phiên bản của mô hình HRM và mô hình ETA; và 2) Hệ thống dự báo tổ hợp hạn ngắn dựa trên cách tiếp cận đa mô hình đa phân tích và hạn 3-5 ngày dựa trên cách tiếp chạy lồng bên trong hệ thống dự báo tổ hợp toàn cầu [6]. Nhƣ vậy, công nghệ dự báo tại TTDBTƢ là khá đầy đủ và hiện đại. Các sản phẩm NWP tại TTDBTƢ là khá phong phú và cung cấp nhiều thông tin hữu ích về mƣa dự báo phục vụ cho công tác dự báo lũ trong nghiệp vụ hàng ngày. 20 năm trở lại đây công nghệ dự báo lũ đã có những biến đổi nhanh chóng với sự hỗ trợ mạnh mẽ của công nghệ tin học. Đi kèm với sự phát triển đó, mạng lƣới KTTV cũng nhƣ mạng lƣới trạm điện báo đã phát triển hoàn chỉnh trên cơ sở tối ƣu về mặt thu thập thông tin KTTV đồng thời kết hợp sử dụng các thông tin viễn thám trên toàn lãnh thổ. Thời kỳ này, rất nhiều các mô hình toán về dự báo lũ đƣợc xây dựng và ứng dụng trong nghiệp vụ để dự báo lũ từ mƣa, có thể kể tên nhƣ: Hiện nay, tại Trung tâm Dự báo KTTV Trung ƣơng, các phƣơng pháp dự báo truyền thống nhƣ các phƣơng pháp phân tích thống kê, nhận dạng hình thế thời tiết gây mƣa lớn, phƣơng pháp hồi quy bội... đƣợc kết hợp với việc ứng dụng các mô hình toán thuỷ văn nhƣ mô hình: SSARR, TANK, NAM, IMECH-1D... là những công cụ chủ yếu để dự báo lũ, lụt. Trung tâm đã triển khai nghiên cứu và bƣớc đầu ứng dụng mô hình thủy văn thông số phân bố MARINE, WETSPA (Bỉ) và các mô hình thủy lực tiên tiến nhƣ HEC - RAS, bộ mô hình MIKE, mô hình URBS - FEW(MRC) trong nghiệp vụ dự báo. 8 Ngoài ra một số cơ quan khác cũng ứng dụng một số mô hình toán thủy văn trong lĩnh vực dự báo nhƣ: Viện khoa học KTTV và BĐKH, đã nghiên cứu ứng dụng thành công trong nghiên cứu dòng chảy bằng mô hình SSARR, TANK, SACRAMENTO, ANN, HEC1, HMS, NLRRM và đang ứng dụng mô hình MIKE11+NAM. Viện Khoa học Thủy lợi, Trƣờng Đại học Thủy lợi, Viện Quy họach thủy lợi sử dụng các mối quan hệ mƣa-dòng chảy và lƣu lƣợng tƣơng ứng, mô hình NAM để tính toán dự báo dòng chảy lũ sông Hồng. Viện Cơ học nghiên cứu ứng dụng mô hình MARINE và IMECH-1D tính toán mô phỏng và dự báo dòng chảy lũ thƣợng lƣu hệ thống sông Hồng. Viện Cơ học đã có mã nguồn phần mềm và làm chủ đƣợc công nghệ của mô hình này đã có kết quả nghiên cứu ban đầu, để áp dụng vào trong công tác dự báo lũ. Đề tài cấp Bộ, năm 2017 “Nghiên cứu xây dựng công nghệ dự báo dòng chảy lũ đến các hồ chứa lớn trên hệ thống sông Hồng” ứng dụng mô hình MARINE và MUSKINGUM – CUNGE diễn toán cho dòng chảy lũ cho 6 hồ chứa do chủ nhiệm thạc sĩ Bùi Đình Lập - Trung tâm KTTVQG. Đề tài cấp Bộ “Nghiên cứu ứng dụng mô hình WETSPA và HEC-RAS mô phỏng, dự báo quá trình lũ trên hệ thống sông Vũ Gia - Thu Bồn” của tiến sĩ Đặng Thanh Mai, thạc sĩ Vũ Đức Long - Trung tâm DBTƢ năm 2009. Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng mô hình NAM dự báo quá trình lũ sông Bƣởi tại Kim Tân” tỉnh Thanh Hóa của thạc sĩ Vũ Đức Long - Trung tâm DBTƢ năm 2007. Mô hình thủy lực đƣợc phát triển tại Trƣờng Đại học Thủy lợi, Viện khoa học KTTV và BĐKH, Trƣờng Đại học Xây dựng áp dụng các mô hình SOGREAN, VRSAP, KOD1, TLUC96, mô hình sóng khuếch tán (MUSKINGUM–CUNGE) với các phần mềm có từ những năm 1980 – 1990 trong tính toán lũ [7]. Trần Duy Kiều, năm 2015: Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ “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 lƣu vực sông Lam” đã ứng dụng mô hình MIKE kết hợp với HEC - RAS và HEC - GeoRAS để mô phỏng lũ và xây dựng bản đồ ngập lụt, đánh giá khả năng phòng lũ của các công trình phòng lũ trên lƣu vực sông Lam.