Luận văn thạc sĩ về dự báo lũ và cảnh báo ngập lụt trên sông Ngàn Sâu

• Tác giả: Phan Thị Toàn
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Thanh Tú
• Trường học: Trường Đại học Thủy lợi
• Chuyên ngành: Thủy văn và Tài nguyên nước
• Đề tài: Dự báo lũ và cảnh báo ngập lụt trên sông Ngàn Sâu từ hồ chứa
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Vinh

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CÁM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LƯU VỰC NGHIÊN CỨU DỰ BÁO LŨ VÀ ĐẶC ĐIỂM LƯU VỰC NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tổng quan các nghiên cứu trên thế giới
• 1.2. Tổng quan các nghiên cứu trong nước
• 1.3. Tổng quan về khu vực nghiên cứu
• 1.4. Tình hình ngập lụt và vận hành hồ chứa trên lưu vực
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN
• 2.1. Phân tích và lựa chọn phương pháp tính toán
• 2.2. Giới thiệu các mô hình ứng dụng
• 2.2.1. Mô hình MIKE-FLOOD
• 2.3. Phương pháp đường lũ đơn vị
• 3. CHƯƠNG 3: DIỄN TOÁN LŨ VÀ DỰ BÁO NGẬP LỤT HẠ LƯU SÔNG NGÀN SÂU
• 3.1. Sơ đồ khối tiếp cận bài toán
• 3.2. Ứng dụng mô hình vận hành hồ chứa TỈL
• 3.2.1. Thiết lập mô hình MIKE-NAM
• 3.2.2. Thiết lập mô hình MIKE-11
• 3.2.3. Thiết lập mô hình MIK
• 3.2.4. Thiết lập mô hình MIKE-FLOOD
• 3.2.5. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình
• 3.3. Mô hình thủy văn MIKE-NAM
• 3.4. Mô hình thủy lực MIKE-21
• 3.5. Mô phỏng ngập lụt các trận lũ điển hình
• 3.5.1. Mô phỏng ngập lụt năm 2010
• 3.5.2. Mô phỏng ngập lụt năm 2016
• 3.5.3. Mô phỏng ngập lụt năm 2018
• 3.6. Xây dựng đường quan hệ mực nước tại Hòa Duyệt và vùng ngập
• 3.6.1. Xây dựng đường quan hệ mực nước tại Hòa Duyệt và diện tích ngập
• 3.6.2. Xây dựng đường quan hệ mực nước tại Hòa Duyệt và một số xã thường xuyên ngập
• 3.6.3. Lựa chọn cách dự báo ngập lụt hạ du sông Ngàn Sâu
• 3.7. Thử nghiệm dự báo năm 2019
• 3.7.1. Cách 1: Chạy bộ mô hình Mike
• 3.7.2. Cách 2: Sử dụng đường quan hệ Hòa Duyệt ngập lưu vực và quan hệ Hòa Duyệt biến đổi
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tính cấp thiết của đề tài

Đề tài "Dự báo lũ và cảnh báo ngập lụt trên sông Ngàn Sâu từ hồ chứa" có tính cấp thiết cao trong bối cảnh biến đổi khí hậu và sự gia tăng tần suất lũ lụt. Các nghiên cứu cho thấy rằng biến đổi khí hậu làm gia tăng lượng mưa, dẫn đến nguy cơ lũ lụt ngày càng lớn. Hồ chứa thủy lợi, đặc biệt là các hồ chứa lớn, đóng vai trò quan trọng trong việc điều tiết lũ và hạn chế thiệt hại cho vùng hạ du. Việc nghiên cứu và phát triển các mô hình dự báo lũ sẽ cung cấp cơ sở dữ liệu cần thiết cho các cơ quan quản lý, từ đó nâng cao khả năng ứng phó với thiên tai. Tác giả đã chỉ ra rằng các hồ chứa như Hồ Hô có ảnh hưởng lớn đến tình hình ngập lụt ở hạ du sông Ngàn Sâu. "Việc vận hành hồ chứa trong mùa mưa có ảnh hưởng trực tiếp đến ngập lụt vùng hạ du", nhấn mạnh tầm quan trọng của việc nghiên cứu này trong việc bảo vệ an toàn cho cộng đồng và phát triển bền vững.

II. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài bao gồm việc tính toán điều tiết lũ qua các hồ chứa lớn và thiết lập mô hình mô phỏng ngập lụt cho vùng hạ du sông Ngàn Sâu. Đề tài không chỉ dừng lại ở việc mô phỏng mà còn hướng tới việc xây dựng đường quan hệ giữa mực nước và diện tích ngập, từ đó thử nghiệm dự báo ngập lụt cho năm 2019. Mục tiêu này có ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện khả năng dự báo và cảnh báo ngập lụt, giúp các cơ quan chức năng có thể đưa ra các quyết định kịp thời và chính xác hơn. "Thử nghiệm dự báo ngập lụt sẽ cung cấp cái nhìn rõ ràng về ảnh hưởng của hồ chứa đến tình hình ngập lụt", từ đó tạo cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo và các giải pháp ứng phó hiệu quả hơn.

III. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận văn là hệ thống hồ chứa và chế độ dòng chảy lũ tại hạ du sông Ngàn Sâu. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các hồ chứa thủy điện và thủy lợi trong khu vực, cũng như ảnh hưởng của chúng đến tình hình lũ lụt. Nghiên cứu sẽ sử dụng các phương pháp thống kê và mô hình toán học để phân tích dữ liệu, nhằm đánh giá tác động của hồ chứa đến dòng chảy và ngập lụt. "Việc đánh giá này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của hồ chứa mà còn hỗ trợ trong việc xây dựng các chính sách quản lý tài nguyên nước hiệu quả", góp phần nâng cao khả năng ứng phó với thiên tai trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng nghiêm trọng.

IV. Phương pháp nghiên cứu

Đề tài sử dụng các phương pháp nghiên cứu đa dạng, bao gồm phương pháp xử lý số liệu, thu thập thống kê và mô hình toán. Cụ thể, nghiên cứu sẽ tiến hành thu thập dữ liệu liên quan đến khí tượng, thủy văn và địa hình của khu vực nghiên cứu. Sau đó, các mô hình toán sẽ được ứng dụng để mô phỏng tình hình lũ và ngập lụt. "Phương pháp kế thừa cũng được áp dụng để đảm bảo tính khoa học và thực tiễn của nghiên cứu", từ đó rút ra kinh nghiệm và cải tiến các mô hình dự báo. Việc áp dụng các phương pháp này sẽ giúp nâng cao độ chính xác của các dự báo và cảnh báo, từ đó bảo vệ an toàn cho cộng đồng.

V. Tổng quan nghiên cứu

Chương 1 của luận văn cung cấp cái nhìn tổng quan về các nghiên cứu liên quan đến dự báo lũ và đặc điểm lưu vực nghiên cứu. Các nghiên cứu trên thế giới cho thấy tầm quan trọng của việc vận hành hồ chứa trong việc quản lý lũ lụt. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng các mô hình toán học và công nghệ hiện đại có thể cải thiện đáng kể khả năng dự báo lũ. "Các nghiên cứu trong nước cũng khẳng định tác động của hồ chứa đến chế độ lũ và ngập lụt hạ du", nhấn mạnh rằng việc đánh giá ảnh hưởng của hồ chứa là cần thiết trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Từ đó, đề tài sẽ tập trung vào việc xây dựng các mô hình dự báo lũ phù hợp với điều kiện cụ thể của sông Ngàn Sâu.

VI. Kết luận và kiến nghị

Kết luận của đề tài nhấn mạnh tầm quan trọng của việc dự báo lũ và cảnh báo ngập lụt trong việc bảo vệ an toàn cho cộng đồng và phát triển bền vững. Đề tài đề xuất các kiến nghị nhằm cải thiện hệ thống dự báo và cảnh báo, bao gồm việc nâng cấp cơ sở hạ tầng, đào tạo nhân lực và áp dụng công nghệ mới. "Việc xây dựng các mô hình dự báo chính xác sẽ giúp các cơ quan chức năng có thể đưa ra quyết định kịp thời và hiệu quả", từ đó giảm thiểu thiệt hại do lũ lụt gây ra. Những kiến nghị này không chỉ có giá trị trong việc ứng phó với thiên tai mà còn góp phần vào công tác quản lý tài nguyên nước bền vững trong tương lai.

Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Ngàn Sâu, với diện tích khoảng 2.060 km², là một trong những lưu vực sông quan trọng tại khu vực Bắc Trung Bộ, Việt Nam. Đây là vùng chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của biến đổi khí hậu, địa hình phức tạp và hệ thống hồ chứa thủy điện, thủy lợi phát triển, dẫn đến nguy cơ ngập lụt cao và phức tạp. Theo thống kê, các trận lũ lớn như năm 1978, 1988, 2002, 2010 và 2013 đã gây thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản tại vùng hạ lưu sông Ngàn Sâu. Việc vận hành các hồ chứa như Hồ Hô, Ngàn Trươi, Đá Hàn có ảnh hưởng trực tiếp đến chế độ lũ và ngập lụt, đặc biệt là trong mùa mưa lũ.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng mô hình dự báo ngập lụt hạ lưu sông Ngàn Sâu khi có ảnh hưởng của hồ chứa, bao gồm: tính toán điều tiết đồng thời các hồ chứa lớn trên lưu vực; thiết lập mô hình mô phỏng ngập lụt vùng hạ lưu; tính toán mức độ ngập lụt và xây dựng các đường quan hệ mực nước - diện tích ngập tại các vị trí trọng điểm; thử nghiệm dự báo ngập lụt năm 2019. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống hồ chứa và đặc trưng dòng chảy lũ, ngập lụt vùng hạ lưu sông Ngàn Sâu trong giai đoạn từ năm 2010 đến 2019. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả công tác dự báo, cảnh báo và quản lý rủi ro thiên tai tại khu vực, góp phần giảm thiểu thiệt hại do ngập lụt gây ra.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng các lý thuyết và mô hình thủy văn, thủy lực hiện đại để mô phỏng và dự báo ngập lụt, bao gồm:

• Mô hình thủy văn NAM (Nedbør-Afstrømnings-Model): Mô hình toán học mô phỏng quá trình dòng chảy từ lượng mưa, bao gồm các bể chứa mặt, bể chứa tầng rễ và tầng ngầm, phản ánh quá trình thấm, bốc hơi và dòng chảy mặt. Các thông số quan trọng như hệ số dòng chảy mặt (CQOF), hệ số dòng chảy sát mặt (CQIE), và các ngưỡng dòng chảy được hiệu chỉnh phù hợp với đặc điểm lưu vực.

• Mô hình thủy lực một chiều MIKE-11: Giải hệ phương trình Saint-Venant một chiều để mô phỏng dòng chảy trong mạng lưới sông, kênh và hồ chứa. Phương pháp sai phân hữu hạn 6 điểm ân Abbott được sử dụng để rời rạc hóa hệ phương trình, đảm bảo tính ổn định và chính xác của mô hình.

• Mô hình thủy lực hai chiều MIKE-21: Mô phỏng dòng chảy và biến động mực nước trên mặt bằng hai chiều, sử dụng lưới phần tử hữu hạn phi cấu trúc (Flexible Mesh) để mô tả địa hình phức tạp vùng bãi ngập và đồng bằng ven sông.

• Mô hình tích hợp MIKE-FLOOD: Kết hợp mô hình MIKE-11 và MIKE-21 để mô phỏng đồng thời dòng chảy trong kênh và dòng chảy tràn trên bãi, cho phép mô phỏng ngập lụt chính xác hơn trong vùng hạ lưu.

• Phương pháp đường lũ đơn vị tam giác và phương pháp diễn toán Muskingum: Sử dụng để tính toán dòng chảy lũ và truyền lũ trong các đoạn sông, hỗ trợ hiệu chỉnh và tối ưu hóa mô hình.

Các khái niệm chính bao gồm: điều tiết hồ chứa, mực nước lũ, diện tích ngập, dòng chảy tràn, mô hình thủy văn-thủy lực, và dự báo ngập lụt.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu được thu thập từ các trạm khí tượng thủy văn trên lưu vực sông Ngàn Sâu, bao gồm 6 trạm thủy văn và 2 trạm khí tượng với số liệu quan trắc liên tục từ năm 1957 đến 2019. Dữ liệu bao gồm lượng mưa, mực nước, lưu lượng, địa hình, và thông tin vận hành hồ chứa.

Phương pháp nghiên cứu chính là mô hình toán thủy văn-thủy lực kết hợp với xử lý số liệu thực đo. Cụ thể:

• Thu thập và xử lý số liệu khí tượng thủy văn, địa hình, hồ chứa.

• Thiết lập mô hình thủy văn NAM để tính toán dòng chảy từ lượng mưa.

• Thiết lập mô hình thủy lực MIKE-11 mô phỏng dòng chảy trong sông và vận hành hồ chứa.

• Thiết lập mô hình MIKE-21 mô phỏng dòng chảy tràn và ngập lụt trên vùng bãi.

• Kết hợp mô hình MIKE-FLOOD để mô phỏng toàn diện quá trình ngập lụt.

• Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình dựa trên các trận lũ điển hình năm 2010, 2016, 2018 với sai số lưu lượng dưới 10%.

• Xây dựng đường quan hệ mực nước tại trạm Hòa Duyệt với diện tích và độ sâu ngập tại các xã thường xuyên bị ngập.

• Thử nghiệm dự báo ngập lụt năm 2019 bằng hai phương pháp: chạy mô hình MIKE và sử dụng đường quan hệ mực nước - diện tích ngập.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2017 đến 2019, với các giai đoạn thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, hiệu chỉnh, kiểm định và thử nghiệm dự báo.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của hồ chứa đến dòng chảy lũ: Việc vận hành hồ chứa Hồ Hô có ảnh hưởng lớn đến quá trình hình thành lũ hạ lưu sông Ngàn Sâu. Lượng xả từ hồ này chiếm tỷ trọng đáng kể trong lưu lượng lũ tại trạm Hòa Duyệt, làm thay đổi đỉnh lũ và thời gian xuất hiện lũ. So với kịch bản không có hồ chứa, đỉnh lũ có thể giảm khoảng 15-20%, đồng thời thời gian xuất hiện lũ bị trì hoãn.

2. Hiệu quả mô hình mô phỏng: Mô hình tích hợp MIKE-NAM, MIKE-11 và MIKE-21 đã được hiệu chỉnh và kiểm định với các trận lũ năm 2010, 2016 và 2018, cho kết quả lưu lượng và mực nước sai số trung bình dưới 10%, đảm bảo độ tin cậy cao trong dự báo ngập lụt.

3. Đường quan hệ mực nước - diện tích ngập: Xây dựng thành công các đường quan hệ tại trạm Hòa Duyệt, cho thấy khi mực nước đạt 7m, diện tích ngập khoảng 50 km², tăng lên 75 km² khi mực nước đạt 8m. Độ sâu ngập lớn nhất tại các xã như Hương Khê, Gia Phổ dao động từ 0,5 đến 2m tùy theo mực nước.

4. Thử nghiệm dự báo ngập lụt năm 2019: Phương pháp dự báo kết hợp mô hình MIKE và đường quan hệ mực nước - diện tích ngập cho kết quả dự báo kịp thời, chính xác với sai số dự báo mực nước dưới 8%, giúp cảnh báo sớm và hiệu quả cho công tác phòng chống lũ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các phát hiện trên là do sự phối hợp vận hành hồ chứa và đặc điểm địa hình dốc, phức tạp của lưu vực sông Ngàn Sâu. Hồ chứa điều tiết làm giảm đỉnh lũ nhưng cũng có thể gây ngập lụt kéo dài do xả nước không đồng bộ. Kết quả mô hình phù hợp với các nghiên cứu trong nước và quốc tế về vận hành hồ chứa và dự báo lũ, như nghiên cứu vận hành hồ Hòa Bình, hồ Sơn La và các hệ thống hồ chứa đa mục tiêu tại Đài Loan.

Việc xây dựng đường quan hệ mực nước - diện tích ngập giúp rút ngắn thời gian dự báo, giảm phụ thuộc vào mô hình phức tạp, phù hợp với điều kiện dữ liệu và công nghệ hiện tại. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường quan hệ mực nước - diện tích ngập và bảng tổng hợp sai số dự báo, giúp trực quan hóa hiệu quả mô hình.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao, hỗ trợ công tác dự báo, cảnh báo ngập lụt, góp phần giảm thiểu thiệt hại do thiên tai tại khu vực Bắc Trung Bộ.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường phối hợp vận hành hồ chứa: Đề xuất xây dựng quy trình vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Ngàn Sâu nhằm tối ưu hóa điều tiết lũ, giảm đỉnh lũ và hạn chế ngập lụt kéo dài. Thời gian thực hiện trong 1-2 năm, chủ thể thực hiện là Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn phối hợp với các đơn vị quản lý hồ chứa.

2. Ứng dụng mô hình dự báo tích hợp: Khuyến nghị sử dụng bộ mô hình MIKE-FLOOD kết hợp đường quan hệ mực nước - diện tích ngập để dự báo ngập lụt nhanh và chính xác hơn. Thời gian triển khai trong 6 tháng, chủ thể là Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Bắc Trung Bộ.

3. Nâng cấp hệ thống quan trắc và truyền tin: Cải thiện hệ thống trạm quan trắc, tự động hóa thu thập và truyền dữ liệu để giảm thời gian xử lý, nâng cao chất lượng dữ liệu đầu vào cho mô hình. Thời gian thực hiện 1 năm, chủ thể là Trung tâm Quan trắc và Dự báo KTTV.

4. Xây dựng bản đồ ngập lụt chi tiết: Sử dụng kết quả mô hình để xây dựng bản đồ ngập lụt theo các kịch bản mực nước khác nhau, phục vụ công tác quy hoạch, phòng chống thiên tai và hỗ trợ cộng đồng. Thời gian thực hiện 1 năm, chủ thể là các cơ quan quản lý địa phương và viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Cơ quan quản lý thiên tai và khí tượng thủy văn: Sử dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả dự báo, cảnh báo ngập lụt, cải thiện quy trình vận hành hồ chứa và giảm thiểu thiệt hại thiên tai.

2. Các nhà quy hoạch và quản lý tài nguyên nước: Áp dụng mô hình và bản đồ ngập lụt để thiết kế các giải pháp phòng chống lũ, quy hoạch phát triển bền vững vùng hạ lưu sông Ngàn Sâu.

3. Các nhà nghiên cứu và học viên ngành thủy văn, tài nguyên nước: Tham khảo phương pháp mô hình toán thủy văn-thủy lực tích hợp, kỹ thuật hiệu chỉnh mô hình và ứng dụng thực tiễn trong dự báo ngập lụt.

4. Cộng đồng dân cư và tổ chức phi chính phủ: Sử dụng thông tin dự báo và bản đồ ngập lụt để nâng cao nhận thức, chuẩn bị ứng phó kịp thời với các sự kiện ngập lụt, giảm thiểu rủi ro thiên tai.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình MIKE-FLOOD có ưu điểm gì so với các mô hình khác?
   Mô hình MIKE-FLOOD kết hợp mô hình thủy lực một chiều và hai chiều, cho phép mô phỏng đồng thời dòng chảy trong kênh và dòng chảy tràn trên bãi, giúp dự báo ngập lụt chính xác hơn, đặc biệt ở vùng địa hình phức tạp.

2. Làm thế nào để hiệu chỉnh mô hình thủy văn-thủy lực?
   Hiệu chỉnh dựa trên so sánh kết quả mô phỏng với số liệu thực đo lưu lượng và mực nước các trận lũ điển hình, điều chỉnh các thông số mô hình như hệ số dòng chảy, thời gian tập trung nước để giảm sai số dưới 10%.

3. Tại sao cần xây dựng đường quan hệ mực nước - diện tích ngập?
   Đường quan hệ này giúp dự báo nhanh diện tích ngập dựa trên mực nước quan trắc, rút ngắn thời gian tính toán mô hình phức tạp, hỗ trợ cảnh báo sớm và ra quyết định kịp thời.

4. Ảnh hưởng của hồ chứa đến ngập lụt như thế nào?
   Hồ chứa điều tiết làm giảm đỉnh lũ và trì hoãn thời gian xuất hiện lũ, nhưng nếu vận hành không hợp lý có thể gây ngập kéo dài hoặc tăng nguy cơ ngập lụt ở vùng hạ lưu.

5. Làm sao để nâng cao chất lượng dự báo ngập lụt?
   Cần nâng cấp hệ thống quan trắc tự động, cải thiện truyền tin dữ liệu nhanh chóng, áp dụng mô hình tích hợp hiện đại và xây dựng quy trình vận hành hồ chứa đồng bộ, phối hợp liên ngành.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình dự báo ngập lụt hạ lưu sông Ngàn Sâu tích hợp ảnh hưởng của hồ chứa, với sai số dự báo mực nước dưới 10%.
• Phân tích chi tiết ảnh hưởng của hồ chứa Hồ Hô và các hồ khác đến chế độ lũ và ngập lụt vùng hạ lưu.
• Xây dựng đường quan hệ mực nước - diện tích ngập và độ sâu ngập tại các xã trọng điểm, hỗ trợ dự báo nhanh và chính xác.
• Đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả vận hành hồ chứa, ứng dụng mô hình dự báo và nâng cấp hệ thống quan trắc.
• Kế hoạch tiếp theo là triển khai áp dụng mô hình vào công tác dự báo thực tế, phối hợp với các cơ quan liên quan để hoàn thiện quy trình vận hành hồ chứa và cảnh báo ngập lụt.

Hành động ngay hôm nay để nâng cao khả năng dự báo và giảm thiểu thiệt hại do ngập lụt tại lưu vực sông Ngàn Sâu!