Luận văn: Xây dựng bản đồ ngập lụt Hà Nội và hệ thống cảnh báo cho lưu vực Kim Ngưu

Tài liệu luận văn ứng dụng mô hình thủy văn xây dựng bản đồ ngập lụt Hà Nội và hệ thống cảnh báo ngập lụt thời gian thực cho lưu vực sông Kim Ngưu.

• Tác giả: Đinh Thị Hương Thơm
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Quang Hưng
• Trường học: Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Thủy văn học
• Đề tài: Ứng Dụng Mô Hình Thủy Văn Đô Thị Xây Dựng Bản Đồ Ngập Lụt Thành Phố Hà Nội Và Hệ Thống Dự Báo Ngập Lụt Thời Gian Thực Cho Lưu Vực Kim Ngưu
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Bản đồ Ngập lụt Hà Nội

Bản đồ ngập lụt Hà Nội là công cụ quan trọng trong quản lý rủi ro thiên tai cho thành phố. Được xây dựng dựa trên ứng dụng mô hình thủy văn đô thị hiện đại, bản đồ này cung cấp thông tin chi tiết về các khu vực có nguy cơ ngập lụt cao tại 8 quận nội thành. Nghiên cứu này được tiến hành bởi các chuyên gia thủy văn từ Đại học Quốc gia Hà Nội, sử dụng mô hình MIKE URBAN để mô phỏng các tình huống mưa lớn. Bản đồ ngập lụt giúp các cơ quan quản lý thành phố dự báo, cảnh báo và ứng phó với các sự kiện ngập úng, bảo vệ tính mạng và tài sản của người dân Hà Nội.

1.1. Tầm quan trọng của Bản đồ Ngập lụt

Bản đồ ngập lụt là nền tảng thiết yếu cho công tác quản lý rủi ro ngập lụt tại Hà Nội. Nó giúp xác định các điểm ngập lụt trọng điểm, các khu vực dân cư tổn thương cao, và các tuyến đường giao thông chịu ảnh hưởng. Thông qua bản đồ này, chính quyền thành phố có thể lập kế hoạch sơ tán, cảnh báo sớm, và phòng chống hiệu quả. Đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu, tầm quan trọng của công cụ này ngày càng tăng.

1.2. Phương pháp xây dựng Bản đồ

Quá trình xây dựng bản đồ ngập lụt Hà Nội sử dụng mô hình thủy văn đô thị tiên tiến kết hợp phân tích địa hình, số liệu mưa, và hệ thống thoát nước hiện có. Mô hình MIKE URBAN được áp dụng để tính toán dòng chảy trong hệ thống cống, kênh mương và các vùng trũng. Dữ liệu được hiệu chỉnh dựa trên các sự kiện ngập lụt thực tế năm 2012 và 2013.

II. Hệ thống Cảnh báo Ngập lụt Thời gian Thực

Hệ thống cảnh báo ngập lụt thời gian thực là giải pháp công nghệ tiên tiến được phát triển cho lưu vực sông Kim Ngưu tại Hà Nội. Hệ thống này tích hợp mô hình MIKE OPERATIONS để theo dõi và dự báo ngập lụt với độ chính xác cao. Bộ hệ thống bao gồm 5 trạm đo mực nước tự động, các cảm biến mưa, và trung tâm xử lý dữ liệu. Thông qua cảnh báo thời gian thực, các cơ quan chức năng có thể phát hành cảnh báo ngập lụt kịp thời, cho phép dân cư sơ tán trước khi ngập lụt xảy ra, giảm thiểu tổn thất và bảo vệ an toàn công cộng.

2.1. Cấu trúc Hệ thống Cảnh báo

Hệ thống cảnh báo ngập lụt thời gian thực bao gồm ba thành phần chính: thiết bị đo đạc, mô hình dự báo, và nền tảng phát hành cảnh báo. 5 trạm đo tự động được lắp đặt chiến lược ở lưu vực Kim Ngưu để thu thập dữ liệu mực nước và lượng mưa liên tục. Dữ liệu này được truyền tải thời gian thực đến trung tâm xử lý, nơi mô hình MIKE mô phỏng tình huống ngập lụt có thể xảy ra.

2.2. Cơ chế Dự báo và Cảnh báo

Cơ chế dự báo dựa trên mô hình thủy văn được hiệu chỉnh kỹ lưỡng từ các sự kiện mưa lớn trước đây. Khi mực nước sông Kim Ngưu tăng hoặc dự báo mưa lớn được phát hành, hệ thống tự động tính toán các kịch bản ngập lụt. Cảnh báo được gửi đến các cơ quan chức năng và dân cư qua các kênh thông tin khác nhau, cung cấp thông tin về thời gian, khu vực và mức độ ngập lụt dự kiến.

III. Ứng dụng Mô hình MIKE URBAN trong Mô phỏng Ngập lụt

Mô hình MIKE URBAN là công cụ mô phỏng hệ thống thoát nước đô thị tiên tiến được áp dụng thành công tại Hà Nội. Mô hình này có khả năng mô phỏng dòng chảy trong hệ thống cống, kênh mương, và vùng trũng với độ chính xác cao. Việc ứng dụng mô hình MIKE URBAN cho phép các kỹ sư mô phỏng các tình huống mưa khác nhau và đánh giá hiệu quả của các giải pháp quản lý ngập lụt. Thông qua các trắc dọc tuyến đường và so sánh với dữ liệu thực đo, mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định để đảm bảo tính chính xác, hỗ trợ quyết định của chính quyền trong việc nâng cấp hạ tầng thoát nước.

3.1. Quá trình Thiết lập Mô hình

Thiết lập mô hình MIKE URBAN bắt đầu bằng việc nhập dữ liệu về hệ thống cống, kênh mương, và địa hình khu vực nội thành Hà Nội. Các nodes (nút) được đặt tại các giao điểm cống, nơi có pump station, hoặc điểm xả nước. Links (liên kết) thể hiện các tuyến cống với thông số kỹ thuật chi tiết. Dữ liệu địa hình được xử lý bằng GIS để xác định các lưu vực con và điểm tập nước.

3.2. Hiệu chỉnh và Kiểm định Mô hình

Mô hình được hiệu chỉnh bằng cách so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu ngập lụt thực tế từ các sự kiện mưa năm 2012 và 2013. Độ sâu ngập tính toán được so sánh với thực đo tại các vị trí khác nhau. Quá trình kiểm định giúp điều chỉnh các thông số mô hình như hệ số nhớt, độ nhám cống, để nâng cao độ chính xác dự báo.

IV. Dữ liệu và Kết quả Từ Bản đồ Ngập lụt Hà Nội

Bản đồ ngập lụt được xây dựng cho 8 quận nội thành Hà Nội dựa trên các kịch bản mưa từ những sự kiện lịch sử. Các bản đồ ngập lụt năm 2012 và năm 2013 thể hiện chi tiết các vùng ngập, độ sâu ngập, và thời gian úng ngập ở từng khu vực. Các quận như Ba Đình, Hoàn Kiếm, Đống Đa và Hai Bà Trưng được xác định là có rủi ro ngập lụt cao. Bản đồ cung cấp các thông tin quý giá giúp chính quyền lập kế hoạch phòng chống ngập lụt, nâng cấp hạ tầng, và tổ chức sơ tán khi cần thiết. Kết quả này là nền tảng cho việc phát triển hệ thống cảnh báo và quản lý rủi ro tổng thể.

4.1. Các Sự kiện Mưa Lịch sử và Ảnh hưởng

Từ năm 2001 đến 2013, Hà Nội trải qua nhiều trận mưa lớn gây ngập lụt nặng. Trận mưa ngày 17-18/8/2012 được chọn làm kịch bản chính để xây dựng bản đồ, với độ sâu ngập lớn nhất tới 2-3 mét ở một số tuyến đường. Sự kiện mưa năm 2013 cũng được mô phỏng để kiểm định độ chính xác mô hình. Các hình ảnh ghi chép những hệ quả ngập lụt cho thấy tác động lớn đến giao thông, dân sinh và kinh tế thành phố.

4.2. Bản đồ Ngập lụt Chi tiết và Ứng dụng Thực tiễn

Bản đồ ngập lụt được biểu diễn bằng hình ảnh số với các màu sắc khác nhau thể hiện mức độ ngập: từ vùng ngập nhẹ (0.5-1m) đến ngập nặng (>2m). Các trắc dọc tuyến đường như Phạm Ngọc Thạch cung cấp thông tin thẳng đứng chi tiết về độ cao nước dự kiến. Các cơ quan chức năng sử dụng bản đồ này để xác định tuyến sơ tán, khu vực bảo vệ, và ưu tiên nâng cấp hạ tầng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan. - Chương 2: Lý thuyết mô hình. - Chương 3: Ứng dụng mô hình thủy văn đô thị xây dựng bản đồ ngập lụt thành phố Hà Nội và hệ thống dự báo thời gian thực cho lưu vực Kim Ngưu. 4 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.

Tổng quan về khu vực nghiên cứu 1. Điều kiện tự nhiên Hà Nội nằm ở đồng bằng Bắc bộ có vị trí từ 20°53' đến 21°23' vĩ độ Bắc và 105°44' đến 106°02' kinh độ Đông, tiếp giáp với các tỉnh: Thái Nguyên, Vĩnh Phúc ở phía bắc; phía nam giáp Hà Nam và Hoà Bình; phía đông giáp các tỉnh Bắc Giang, Bắc Ninh và Hưng Yên; phía tây giáp tỉnh Hoà Bình và Phú Thọ. Hà Nội nằm ở phía hữu ngạn sông Đà và hai bên sông Hồng, vị trí và địa thế thuận lợi cho một trung tâm chính trị, kinh tế, vǎn hoá, khoa học và đầu mối giao thông quan trọng của Việt Nam. a) Toàn bộ khu vực Hà Nội b) Khu vực 8 quận nội thành Hà Nội Hình 1: Vị trí khu vực Hà Nội 5 1.

Đặc điểm địa hình Đại bộ phận diện tích Hà Nội nằm trong vùng đồng bằng châu thổ sông Hồng với độ cao khu vực nội thành từ 3 đến 10m so với mặt biển. Còn lại chỉ có khu vực đồi núi ở phía bắc và phía Tây Bắc của huyện Sóc Sơn thuộc rìa phía nam của dãy núi Tam Đảo có độ cao từ 20m đến trên 400m với đỉnh Chân Chim cao nhất là 462m. Địa hình của Hà Nội thấp dần từ bắc xuống nam và từ tây sang đông. Điều này được phản ánh rõ nét qua hướng dòng chảy tự nhiên của các dòng sông chính thuộc địa phận Hà Nội.

Dạng địa hình chủ yếu của Hà Nội là đồng bằng được bồi đắp bởi các dòng sông với các bãi bồi hiện đại, bãi bồi cao và các bậc thềm. Xen giữa các bãi bồi hiện đại và các bãi bồi cao còn có các vùng trũng với các hồ, đầm (dấu vết của các lòng sông cổ). Riêng các bậc thềm chỉ có ở phần lớn huyện Sóc Sơn và ở phía bắc huyện Đông Anh, nơi có địa thế cao trong địa hình của Hà Nội. Ngoài ra, Hà Nội còn có các dạng địa hình núi và đồi xâm thực tập trung ở khu vực đồi núi Sóc Sơn với diện tích không lớn lắm.

Đặc điểm địa chất Khu vực Hà Nội, bị lấp đầy bởi các thành tạo trẻ gắn kết yếu và bở rời, bao gồm cát kết, bột kết, sét bột kết, sét kết, cuội kết tuổi Neogen. Chúng có bề dày đến vài ba trăm mét và nằm không chỉnh hợp lên trên các thành tạo cổ hơn đã gắn kết hoàn toàn. Phần trên của các thành tạo Neogen là cuội kết, cát kết, bột kết, sét bột kết, sét kết với xi măng gắn kết là sét, vì thế chúng rất dễ trở nên rời rạc khi rơi vào trạng thái không tải trọng và mất nước. Phủ lên trên các thành tạo Neogen là các thành tạo Đệ tứ.

Chúng bao gồm cuội, tảng, sỏi, cát hạt thô ở phần dưới và chuyển dần sang cát hạt vừa, hạt mịn ở phần giữa và cát hạt mịn, cát pha, sét pha, sét, bùn cát, bùn sét, bùn hữu cơ và đất lấp ở phần trên.Tổng bề dày tầng đất gắn kết yếu và bở rời lên đến 500-600 m. Riêng bề dày của tầng đất bở rời lên đến 80-100 m theo xu hướng tăng dần từ phía bắc 60-65 m (Đông Anh) lên đến 70-75 m (Ngô Sĩ Liên, Thành Công) và đạt 80-90 m ở phía nam (Hạ Đình, Pháp Vân). 6 Tính đa dạng và phức tạp của cột địa tầng cũng tăng dần từ phía bắc xuống phía nam. Tại Sóc Sơn, Đông Anh, các loại bùn và đất sét yếu vắng mặt trong cột địa tầng.

Ở vùng Gia Lâm, chúng xuất hiện ở độ sâu từ 6 đến 12 m, nhưng phân bố không rộng rãi. Trong khi đó ở phía nam Sông Hồng, các loại đất yếu như sét dẻo chảy, bùn cát, bùn sét, bùn hữu cơ phân bố rộng rãi ở độ sâu từ 6 đến 22 m (Ngô Sĩ Liên, Thành Công, Hạ Đình, Pháp Vân). Các tính chất địa kỹ thuật của các thành tạo bở rời ở khu vực Hà Nội cũng thay đổi theo hướng bắc-nam. Ở các vùng Sóc Sơn, Đông Anh lớp sét nằm ngay dưới lớp đất lấp, đất trồng bề dày chỉ giới hạn trong khoảng 2-3 m.

Dưới lớp sét là lớp cát chứa nước Holocen. Lớp sét có độ ẩm tự nhiên W = 29-30%, giới hạn dẻo Wd = 29-30%, giới hạn chảy Wch = 39-44%, hệ số rỗng e < 1, góc ma sát có giá trị 14-15o, trong khi đó càng xuống phía nam, bề dày lớp sét tăng, nhưng hàm lượng hạt sét giảm và có xu hướng chuyển dần sang sét pha hoặc là một tập các lớp mỏng sét pha, cát pha chứa tàn tích thực vật. Dưới lớp sét là lớp bùn cát, bùn sét, bùn hữu cơ. Những tính chất cơ bản của lớp sét ở trung tâm và phía nam thấp hơn so với phía bắc, độ ẩm tự nhiên W = 35-40%, giới hạn dẻo Wd = 29-35%, giới hạn chảy Wch = 45-55%, hệ số rỗng e > 1, góc ma sát trong có giá trị 5-10 o, lực dính kết thấp C = 0,13-0,25 kg/cm2.

Nhìn chung, lớp sét nằm dưới lớp đất trồng hoặc đất lấp ở vùng phía bắc thành phố có tính xây dựng cao hơn so với chính lớp sét đó ở phía nam thành phố. Đặc điểm khí hậu a) Lượng mưa Khu vực Hà Nội có lượng mưa khá lớn, trung bình năm khoảng 1671 mm (trạm Láng) đến 2025mm (trạm Ba Vì). Lượng mưa năm lớn nhất đo được tại trạm Láng là 2625 mm, tại Ba Vì là 2904 mm và tại Sơn Tây là 2867 mm. Lượng mưa năm nhỏ nhất đo được tại trạm Láng là 962 mm, tại Ba Vì là 1325mm, tại Sơn Tây là 1115 mm.

7 Bảng 1: Đặc trưng lượng mưa nhiều năm (1971 - 2014) ( Đơn vị: mm) Đặc Trạm I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Năm trƣng TB 19,1 26,3 48,2 87,0 191,6 245,9 288,3 312,1 248,2 132,6 53,4 18,7 1671 Láng Max 121,9 95 259,5 268,3 550,7 614,4 884,1 809,9 841,1 637,6 614,4 103,7 2625 Min 0 1,4 2,1 10,3 28,9 23,9 61 37,8 6,2 0 0 0 962 TB 26,4 34,1 54,6 103,0 274,0 305,3 355,9 341,8 238,4 209,0 62,9 19,5 2025 Ba Vì Max 93,4 226 191,3 242,7 594,8 559,8 807 636,3 605,1 551,1 387 105,1 2904 Min 3,2 3,7 7 17,1 89,3 76,9 93 25,3 78,3 9,4 0 0 1325 TB 20,1 24,6 43,0 98,7 225,2 277,3 322,0 307,2 241,2 163,3 57,1 19,4 1799 Sơn Tây Max 88,3 87,7 164,9 282 516,5 532,8 940,6 730,3 611 483,6 418,1 114,7 2876 Min 0 3,3 5,1 13,3 65,8 74,1 106,6 46 18 0 0 0 1115 b) Bốc hơi Bảng 2: Đặc trưng bốc hơi nhiều năm (1971 - 2014) (Đơn vị: mm) Trạm Đặc trƣng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Năm TB 70,3 58,7 56,5 64,9 95,8 97,1 98,5 83,7 86,1 95,7 88,6 83,6 979,6 Láng Max 107,5 89,7 83,1 88,0 127,5 148,6 126,3 142,6 135,2 156,2 144,6 115,4 1126,7 Min 29,0 16,1 20,0 27,5 39,0 44,7 45,0 31,8 41,0 42,0 31,1 29,8 489,0 TB 57,3 53,8 60,6 68,0 91,7 96,7 94,6 77,5 77,3 81,0 74,9 71,6 905,0 Ba Vì Max 84,8 82,2 97,3 97,2 144,8 152,3 143,7 112,7 104,0 135,4 120,8 107,0 1104,5 Min 26,6 31,9 41,5 48,0 60,2 61,5 58,4 47,3 51,5 48,5 45,9 45,7 681,7 TB 54,0 48,6 51,6 56,3 76,3 78,2 80,6 65,6 65,1 70,9 66,2 62,4 775,8 Sơn Tây Max 105,0 74,9 74,9 79,1 111,8 114,5 128,4 86,3 87,3 105,5 115,4 90,7 962,1 Min 24,1 26,2 35,9 38,2 37,1 50,9 39,2 41,3 42,9 31,4 39,8 45,3 591,4 8 Lượng bốc hơi trung bình năm ở trạm Láng đo được là 979,6 mm, ở Ba Vì là 905 mm, ở Sơn Tây là 775,8 mm. Các tháng có lượng bốc hơi lớn nhất trong năm là các tháng trong mùa hè và đầu mùa đông (V-XII), lượng bốc hơi trung bình tháng ở trạm Láng từ 83,6 – 98,5mm, tại Ba Vì là 71,6 – 96,7mm. Các tháng có lượng bốc hơi ít nhất là tháng I - IV, lượng bốc hơi trung bình tháng tại trạm Láng từ 56,5 - 70,3 mm và tại Ba Vì từ 53,8 - 68,0 mm. Các tháng có lượng bốc hơi lớn nhất là VI- VII, lượng bốc hơi trung bình tháng từ 97 - 99 mm.

c) Nhiệt độ Nhiệt độ trung bình năm ở Láng là 23,6 oC, ở Ba Vì là 23,3 oC, song với cơ chế hoàn lưu gió mùa đã tạo ra sự phân hoá rõ rệt theo hai mùa: - Mùa hè từ tháng V-X có nhiệt độ trung bình tháng tại Láng từ 24,8 oC đến 29,0oC và tại Ba Vì từ 24,4oC đến 28,6oC. Nhiệt độ cao nhất tuyệt đối tại Hà Nội là 40,4oC và tại Ba Vì là 42,0oC. - Mùa đông từ tháng XI đến tháng IV năm sau có nhiêt độ trung bình tháng tại Láng từ 16,6 C đến 23,8oC và tại Ba Vì từ 16,1 C đến 20,8oC. Nhiệt độ thấp nhất tuyệt đối tại Láng là 2,7oC và tại Ba Vì là 2,8oC.

Bảng 3: Đặc trưng nhiệt độ nhiều năm (1971 - 2014) (Đơn vị: C) Trạm Đặc trƣng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Năm TB 16,6 17,2 20,0 23,8 27,3 28,9 29,0 28,4 27,4 24,8 21,5 18,2 23,6 Láng Max 26,6 24,6 26,5 30,4 34,7 36,3 35,2 34,4 32,8 30,9 28,3 26,5 29,1 Min 10,1 10,3 14,4 19,0 22,3 24,5 24,8 24,6 23,2 18,8 14,9 10,9 19,7 TB 16,1 17,2 20,0 23,8 27,0 28,6 28,6 28,2 27,0 24,4 20,8 17,5 23,3 Ba Vì Max 22,6 24,3 26,7 30,5 33,3 34,6 34,9 34,6 33,4 30,4 27,6 24,4 28,8 Min 10,5 11,6 14,4 18,8 22,6 24,6 24,6 24,3 23,1 19,1 15,1 10,1 19,9 TB 16,3 17,3 20,1 23,8 27,0 28,7 28,8 28,3 27,2 24,7 21,3 17,9 23,5 Sơn Tây Max 22,9 24,4 26,6 30,3 33,6 34,5 35,3 34,8 33,2 32,5 28,2 26,4 29,0 Min 10,7 10,4 15,2 18,9 22,8 24,8 24,9 24,4 23,2 19,8 15,7 11,3 20,2 9 d) Độ ẩm Độ ẩm không khí trung bình năm tại Hà Nội là 83% và tại Ba Vì là 84%. Thời kỳ cuối mùa hè đến đầu mùa Đông (XI-XII) là thời kỳ tương đối khô, độ ẩm trung bình tháng tại Hà Nội chỉ 80% và tại Ba Vì chỉ 81%. Thời kỳ từ tháng III-IV do thời tiết ẩm ướt, có mưa phùn nên độ ẩm trung bình tháng đạt cao nhất trong năm đạt 87% tại Hà Nội và Ba Vì, biên độ độ ẩm trong ngày chỉ từ 20-30%. Các tháng giữa mùa mưa độ ẩm tương đối lớn, trung bình từ 83-84% tại Hà Nội và Ba Vì.