Luận văn: Ứng dụng MIKE 11-GIS dự báo lũ lụt lưu vực sông Lại Giang

Luận văn ứng dụng mô hình MIKE 11 GIS dự báo lũ, xây dựng bản đồ cảnh báo ngập lụt chi tiết cho lưu vực sông Lại Giang, tỉnh Bình Định.

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Tuyến
• Người hướng dẫn: TS. Đặng Thanh Mai
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Thủy văn học
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE 11 – GIS dự báo lũ và cảnh báo ngập lụt cho lưu vực sông Lại Giang tỉnh Bình Định
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ Khoa học
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về Mô hình MIKE 11 GIS và ứng dụng dự báo lũ sông Lại Giang

Mô hình MIKE 11 GIS là một công cụ tiên tiến được phát triển bởi Đại học Quốc gia Hà Nội, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên nhằm dự báo lũ và cảnh báo ngập lụt cho lưu vực sông Lại Giang, tỉnh Bình Định. Mô hình này kết hợp thủy lực 1 chiều với hệ thống thông tin địa lý (GIS) để mô phỏng các quá trình dòng chảy phức tạp trong sông. Nghiên cứu được thực hiện dựa trên tài liệu khí tượng thủy văn chi tiết và dữ liệu địa hình của lưu vực. Dự báo lũ sử dụng mô hình này cung cấp thông tin quan trọng về mực nước, lưu lượng đỉnh lũ và diện tích ngập lụt, giúp các cơ quan chức năng chủ động ứng phó với thiên tai.

1.1. Khái niệm và cơ sở lý thuyết mô hình MIKE 11

Mô hình MIKE 11 sử dụng phương trình Saint-Venant để mô phỏng dòng chảy 1 chiều trong sông. Mô hình này áp dụng sơ đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott để giải quyết các phương trình động lực học nước. Cơ sở lý thuyết cho phép tính toán chính xác mực nước, vận tốc dòng chảy và các yếu tố thủy lực khác. Mô hình có khả năng xử lý các điều kiện biên phức tạp và mô phỏng hiệu quả các quá trình lũ trong sông.

1.2. Ứng dụng MIKE 11 GIS cho lưu vực sông Lại Giang

Ứng dụng MIKE 11 GIS cho sông Lại Giang bao gồm quá trình thiết lập mạng thủy lực, chuẩn bị tài liệu địa hình và kết nối dữ liệu biên. Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định dựa trên dữ liệu lịch sử, đảm bảo độ chính xác trong dự báo lũ và cảnh báo ngập lụt. Kết quả kiểm định cho thấy mô hình có hiệu suất cao trong việc mô phỏng các sự kiện lũ thực tế tại lưu vực.

II. Quá trình thiết lập và hiệu chỉnh Mô hình MIKE NAM cho dự báo lũ

Trước khi áp dụng mô hình MIKE 11 GIS, cần thiết lập mô hình MIKE NAM để tính toán dòng chảy bề mặt từ lượng mưa. MIKE NAM là mô hình vùi ở các trạm khí tượng và thủy văn trong lưu vực sông Lại Giang. Mô hình này bao gồm các bộ thông số được hiệu chỉnh dựa trên dữ liệu quan trắc từ các trạm lưu vực. Hiệu chỉnh MIKE NAM sử dụng dữ liệu mưa và lưu lượng từ những năm lịch sử để xác định các thông số tối ưu. Quá trình kiểm định mô hình đảm bảo độ tin cậy trong việc chuyển đổi từ dữ liệu mưa sang dòng chảy, tạo cơ sở vững chắc cho dự báo lũ chính xác.

2.1. Cấu trúc và thành phần của mô hình MIKE NAM

Mô hình MIKE NAM sử dụng cấu trúc thẳng đứng để tính toán quá trình dòng chảy từ mưa. Mô hình này chia lưu vực thành các vùng đồng nhất dựa trên đặc tính địa hình, mặt đệm và các yếu tố khác. Các thông số vùi bao gồm độ ẩm đất, hệ số dòng chảy mặt và hệ số thấm của đất được xác định thông qua hiệu chỉnh. Cấu trúc này cho phép MIKE NAM mô phỏng chính xác quá trình chuyển đổi mưa thành dòng chảy.

2.2. Quy trình hiệu chỉnh và kiểm định MIKE NAM

Hiệu chỉnh MIKE NAM thực hiện bằng cách so sánh lưu lượng tính toán với lưu lượng quan trắc tại các trạm. Các thông số mô hình được điều chỉnh để tối thiểu hóa sai số. Kiểm định mô hình sử dụng dữ liệu từ những năm khác nhau để đánh giá khả năng dự báo. Kết quả kiểm định tốt đảm bảo mô hình sẵn sàng cung cấp dữ liệu đầu vào chính xác cho MIKE 11 GIS trong dự báo lũ.

III. Chuẩn bị dữ liệu và xây dựng mạng thủy lực cho sông Lại Giang

Xây dựng mạng thủy lực 1 chiều là bước quan trọng trong ứng dụng mô hình MIKE 11 GIS cho sông Lại Giang. Quá trình này bắt đầu với chuẩn bị tài liệu địa hình chi tiết, bao gồm lấy các mặt cắt ngang sông tại nhiều vị trí dọc theo lưu vực. Dữ liệu địa hình được nhập vào mô hình để xác định hình dạng kênh sông và các đặc điểm vật lý khác. Mạng lưới sông suối được số hóa và tích hợp vào hệ thống GIS. Kết nối dữ liệu biên, bao gồm lưu lượng từ dòng chảy trên game và mực nước dưới trạm quan trắc, được thiết lập để tạo điều kiện biên phù hợp cho mô hình.

3.1. Thu thập và xử lý tài liệu địa hình

Tài liệu địa hình được thu thập thông qua đo đạc thực địa và từ các bản đồ địa hình hiện có. Các mặt cắt ngang sông được đo chính xác tại các vị trí trọng yếu dọc theo lưu vực sông Lại Giang. Dữ liệu độ cao được nhập vào mô hình MIKE 11 để xác định mặt đất và kênh dòng chảy. Quá trình xử lý dữ liệu đảm bảo tính nhất quán và độ chính xác cao, tạo nền tảng vững chắc cho các tính toán thủy lực sau đó.

3.2. Thiết lập mạng lưới tính toán và điều kiện biên

Mạng lưới tính toán 1 chiều được xây dựng bằng cách nối các mặt cắt ngang lại theo chiều dòng chảy. Các điều kiện biên phía thượng lưu sử dụng lưu lượng dòng chảy từ MIKE NAM, còn phía hạ lưu sử dụng mực nước hoặc đường cong lũ lưu. Hệ thống GIS kết nối các dữ liệu này với mô hình thủy lực, cho phép dự báo lũ và cảnh báo ngập lụt chính xác cho toàn bộ lưu vực sông Lại Giang.

IV. Ứng dụng dự báo lũ và cảnh báo ngập lụt từ Mô hình MIKE 11 GIS

Dự báo lũ sử dụng mô hình MIKE 11 GIS cho sông Lại Giang dựa trên dữ liệu mưa dự báo từ mô hình số trị ECMWF. Quy trình dự báo bao gồm nhập dữ liệu mưa vào MIKE NAM để tính toán dòng chảy, sau đó đưa lưu lượng này vào MIKE 11 để tính toán mực nước và ngập lụt dọc theo sông. Kết quả dự báo cung cấp thông tin về mực nước cao nhất, lưu lượng đỉnh lũ và diện tích ngập lụt. Cảnh báo ngập lụt được cấp dựa trên các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng dự báo. Các dự báo thử nghiệm cho thấy mô hình có khả năng dự báo tốt, hỗ trợ hiệu quả công tác ứng phó thiên tai.

4.1. Quy trình dự báo lũ bằng Mô hình MIKE 11 GIS

Quy trình dự báo bắt đầu bằng việc nhập dữ liệu mưa dự báo từ các mô hình số trị ECMWF vào MIKE NAM. Mô hình MIKE NAM tính toán dòng chảy bề mặt tại các điểm vào của lưu vực. Lưu lượng này được đưa vào MIKE 11 GIS để tính toán mực nước dọc theo sông. Kết quả mô hình cung cấp các giá trị thủy lực chi tiết, hỗ trợ đưa ra cảnh báo ngập lụt kịp thời cho các khu vực chịu ảnh hưởng.

4.2. Đánh giá kết quả dự báo và cảnh báo ngập lụt

Kết quả dự báo được đánh giá dựa trên tiêu chuẩn chất lượng dự báo, bao gồm so sánh mực nước dự báo với mực nước quan trắc thực tế. Sai số cho phép được xác định để xếp loại chất lượng từng lần dự báo. Cảnh báo ngập lụt xác định các khu vực và mức độ ngập lụt tiềm tàng. Diện tích ngập và độ sâu ngập được tính toán từ kết quả MIKE 11, cung cấp thông tin chi tiết cho công tác ứng phó sự cố lũ lụt ở lưu vực sông Lại Giang.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN NGỌC TUYẾN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE 11 – GIS DỰ BÁO LŨ VÀ CẢNH BÁO NGẬP LỤT CHO LƢU VỰC SÔNG LẠI GIANG TỈNH BÌNH ĐỊNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN NGỌC TUYẾN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE 11 – GIS DỰ BÁO LŨ VÀ CẢNH BÁO NGẬP LỤT CHO LƢU VỰC SÔNG LẠI GIANG TỈNH BÌNH ĐỊNH Chuyên ngành: Thủy văn học Mã số: 60440224 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS. ĐẶNG THANH MAI PGS. TRẦN NGỌC ANH Hà Nội – 2016 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành đến hai thầy cô hướng dẫn TS. Đặng Thanh Mai và PGS.Trần Ngọc Anh đã chỉ bảo và hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này.

Tôi xin cảm ơn các thầy cô và cán bộ trong khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học đã tận tình giảng dạy kiến thức, giúp đỡ, tạo điều kiện về thời gian, cơ sở vật chất trong suốt thời gian học tập tại nhà trường. Tôi xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Đồng Bằng Bắc Bộ nơi tôi đang công tác đã tạo điều kiện về mặt thời gian. Các đồng nghiệp Phòng Quản lý mạng lưới trạm và Dự báo đã chia sẻ công việc để bản thân có điều kiện hoàn thành khóa học. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè, những người luôn bên cạnh tạo mọi điều kiện tốt nhất và động viên giúp đỡ trong suốt quá trình học tập.

Do thời gian và kinh nghiệm hạn chế nên luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, vì vậy tôi rất mong sự góp ý của các thầy cô và các bạn để luận văn được hoàn thiện hơn. Học Viên Nguyễn Ngọc Tuyến MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN. 4 DANH MỤC CÁC BẢNG.7 DANH MỤC CÁC HÌNH.10 CHƢƠNG 1: ĐẶC ĐIỂM ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÀ LŨ LỤT LƢU VỰC SÔNG LẠI GIANG. Đặc điểm chung lƣu vực sông Lại Giang.

Điều kiện địa hình và mặt đệm[2]. Mặt đệm và thổ nhƣỡng. Mạng lƣới khí tƣợng thủy văn.1 Mạng lƣới sông suối. Mạng lƣới trạm quan trắc khí tƣợng thủy văn.

Nguyên nhân hình thành và một số đặc điểm của chế độ mƣa – lũ[2]. Bão và áp thấp nhiệt đới. Đặc điểm mƣa và hình thế thời tiết gây mƣa.Đặc điểm chung về chế độ dòng chảy lũ.23 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÁC MÔ HÌNH VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU DỰ BÁO LŨ. Tình hình nghiên cứu về mô hình thủy văn, thủy lực ở trên thế giới và Việt Nam[1].

Một số nghiên cứu dự báo lũ trên thế giới. Một số nghiên cứu dự báo lũ ở Việt Nam. Một số phƣơng pháp dự báo lũ đang đƣợc áp dụng trên lƣu vực sông Lại Giang. Lựa chọn mô hình.

Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE NAM[4]. Cơ sở lý thuyết mô hình MIKE 11 – GIS[4].33 CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE – GIS DỰ BÁO LŨ VÀ CẢNH BÁO NGẬP LỤT LƢU VỰC SÔNG LẠI GIANG. Tài liệu khí tƣợng thủy văn. Ứng dụng mô hình Mike NAM cho lƣu vực sông Lại Giang.

Thiết lập mô hình Mike NAM. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình. Ứng dụng mô hình thủy lực Mike 11 – GIS tính toán thủy lực lƣu vực sông Lại Giang. Chuẩn bị tài liệu địa hình.

Xây dựng mạng thủy lực 1 chiều trong sông. Kết nối các dữ liệu biên cho mô hình thủy lực một chiều và thiết lập mô hình MIKE GIS. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE 11 – GIS. Hiệu chỉnh MIKE 11.

Kiểm định MIKE 11. Kết quả kiểm định của mô hình MIKE 11 – GIS.Ứng dụng bộ mô hình Mike 11 – GIS dự báo lũ và cảnh báo ngập lụt lƣu vực sông Lại Giang. Cơ sở khoa học đánh giá phƣơng án dự báo. Xây dựng quy trình tiến hành dự báo.

Dự báo thử nghiệm.72 Số liệu mƣa đƣợc khai thác từ mô hình số trị ECMWF:. Kết quả dự báo thử nghiệm.73 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.77 TÀI LIỆU THAM KHẢO.80 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1: Bảng thống kê các trạm khí tƣợng thủy văn lƣu vực sông Lại Giang.16 Bảng 2: Số cơn bão và áp thấp nhiệt đới trung bình đổ bộ trực tiếp và ảnh hƣởng trực tiếp tới Bình Định.18 Bảng 3: Một số đặc trƣng mƣa năm[2].18 Bảng 4: Lƣợng mƣa năm ứng với các tần suất[2].19 Bảng 5: Tần suất xuất hiện lƣợng mƣa tháng trên 100mm[2].22 Bảng 6: Phân bố lƣợng mƣa trong các mùa[2].23 Bảng 7: Mực nƣớc cao nhất các trạm[2].23 Bảng 8: Tần suất tính toán mực nƣớc cao nhất năm các trạm (cm)[2].24 Bảng 9: Đặc trƣng cƣờng suất, biên độ lũ các trạm[2].24 Bảng 10: Lƣu lƣợng lớn nhất các trạm[2].25 Bảng 11: Tần suất lƣu lƣợng đỉnh lũ, môdun đỉnh lũ[2]. Đánh giá kết quả hiệu chỉnh.45 Bảng 13: Bộ thông số của mô hình.45 Bảng 14: Đánh giá kết quả kiểm định.48 Bảng 15: Bảng tính diện tích ngập.66 Bảng 16: Bảng tính độ sâu ngập.67 Bảng 20: Tiêu chuẩn xếp loại chất lƣợng của phƣơng án dự báo.70 Bảng 17: Tiêu chuẩn đánh giá chất lƣợng của từng lần dự báo.70 Bảng 18: Bảng sai số cho phép tại vị trí trạm Bồng Sơn.71 Bảng 19: Bảng kết quả dự báo.74 Bảng 20: Bảng tính diện tích ngập thử nghiệm.75 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1: Bản đồ lƣu vực sông Lại Giang.12 Hình 2: Bản đồ địa hình lƣu vực sông Lại Giang.14 Hình 3: Bản đồ lƣu mạng lƣới trạm khí tƣợng thủy văn lƣu vực sông Lại Giang. 17 Hình 4: Bản đồ phân bố lƣợng mƣa năm tỉnh Bình Định[2].21 Hình 5: Cấu trúc thẳng đứng của mô hình NAM.32 Hình 6: Sơ đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott.35 Hình 7: Sơ đồ sai phân 6 điểm ẩn Abbott trong mặt phẳng x t.36 Hình 8: Các lƣu vực bộ phận trên hệ thống sông Lại Giang.42 Hình 9: Sơ đồ phân bố các trạm mƣa.43 Hình 10: Sơ đồ quá trình hiệu chỉnh bộ thông số mô hình.44 Hình 11: Đƣờng quá trình lƣu lƣợng tính toán và thực đo tại trạm An Hòa mùa lũ năm 2007.

46 Hình 12: Đƣờng quá trình lƣu lƣợng tính toán và thực đo tại trạm Ân Thạnh mùa lũ năm 2007.47 Hình 13: Đƣờng lũy tích tổng lƣợng tại trạm An Hòa mùa lũ năm 2007.47 Hình 14: Đƣờng lũy tích tổng lƣợng tại trạm Ân Thạnh mùa lũ năm 2007.48 Hình 15: Đƣờng quá trình lƣu lƣợng tính toán và thực đo tại trạm An Hòa mùa lũ năm 2008. 49 Hình 16: Đƣờng lũy tích tổng lƣợng tại trạm An Hòa mùa lũ năm 2008.49 Hình 17: Gán tọa độ cho mảnh bản đồ kí hiệu AL01.50 Hình 18: Nhập điểm độ cao dƣới dạng text trong MapInfo.51 Hình 19: Dữ liểu điểm đƣợc gán kèm thuộc tính điểm độ cao.52 Hình 20: Dữ liệu điệm độ cao đã đƣợc khoanh vùng.52 Hình 21: Bản độ địa hình lòng sông Lại Giang.53 Hình 22: Bản đồ DEM lƣu vực sông Lại Giang.54 Hình 23: Mắt cắt tại tọa độ (932,511.54 Hình 24: Dữ liệu text của mặt cắt (932,511.55 Hình 25: Sơ đồ tính toán thủy lực 1 chiều.56 Hình 26: Sơ đồ mạng sông tính toán trong mô hình MIKE 11 – HD.57 Hình 27: Tích hợp và mở rộng mặt cắt sông, xây dựng mạng thủy lực.57 Hình 28: Mặt cắt trong mô hình thủy lực 1 chiều.58 Hình 29: Ghép nối MIKE-NAM và MIKE-HD.59 Hình 30: Kết nối mô hình Mike 11 và GIS.61 Hình 31: Mực nƣớc tính toán và thực đo trạm Bồng Sơn trận lũ 11/2007.62 Hình 32: Bộ thông số của mô hình thủy lực.63 Hình 33: Mực nƣớc tính toán và thực đo trạm Bồng Sơn trận lũ 10/2008.64 Hình 34: Kết quả tính ngập lụt trận lũ năm 2007.65 Hình 35: Bản đồ ngập thử nghiệm. Tính cấp thiết của đề tài luận văn Trong những năm gần đây, với sự biến đổi bất thƣờng của khí hậu, thời tiết đã gây ra những trận lũ lớn và đặc biệt lớn làm thiệt hại về ngƣời, ảnh hƣởng nghiêm trọng đến đời sống, sản xuất của nhân dân, sự phát triển của xã hội. Cũng nhƣ nhiều lƣu vực khác, lƣu vực sông Lại Giang cũng chịu ảnh hƣởng rất nhiều từ những sự biến đổi bất thƣờng này của lũ lụt gây ra.

Để giảm thiểu những thiệt hại do lũ gây ra, một trong những biện pháp quan trọng là phải nâng cao công tác dự báo, nghĩa là sản phẩm dự báo phải có độ chính xác cao, nhanh chóng, kịp thời và thuận tiện nhằm tham mƣu, giúp cho các cấp lãnh đạo và các cơ quan ban ngành liên quan cũng nhƣ nhân dân chủ động ứng phó khi có mƣa lũ xảy ra để hạn chế thiệt hại đến mức thấp nhất. Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn của việc cần dự báo, quy hoạch phòng chống lũ trên lƣu vực sông Lại Giang, luận văn đã chọn đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng mô hình Mike 11 – GIS dự báo lũ và cảnh báo ngập lụt cho lưu vực sông Lại Giang tỉnh Bình Định” để thực hiện. Mục tiêu của luận văn Xây dựng phƣơng án dự báo lũ và cảnh báo ngập lụt cho lƣu vực sông Lại Giang trƣớc 12 – 24h, đáp ứng nhu cầu dự báo tác nghiệp; đƣa ra giải pháp kịp thời nhằm chủ động ứng phó; giảm thiểu thiệt hại do ngập lụt gây ra trong mùa mƣa - lũ.Phƣơng pháp nghiên cứu Luận văn có sử dụng các phƣơng pháp nghiên cứu sau: - Phƣơng pháp xác suất thống kê: Phục vụ thu thập, xử lý số liệu và các tài liệu liên quan, đánh giá kết quả dự báo. - Phƣơng pháp mô hình toán: Sử dụng mô hình toán thủy văn thủy lực nhƣ Mike NAM, Mike 11 GIS để mô phỏng dòng chảy lũ phục vụ dự báo và cảnh báo.

- Phƣơng pháp hệ thống thông tin địa lý: Phục vụ chuẩn hóa, xử lý các dữ liệu đầu vào( địa hình, DEM, bản đồ ngập lũ.) cho lƣu vực sông Lại Giang. - Phƣơng pháp kế thừa: Khi thực hiện luận văn có tham khảo và kế thừa các tài liệu, số liệu, kết quả, các hồ sơ báo cáo, hội thảo có liên quan đã đƣợc nghiên cứu trƣớc đây của các tác giả, cơ quan và tổ chức. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng : Dòng chảy lũ trên hệ thống sông Lại Giang - Phạm vi nghiên cứu: Lƣu vực sông Lại Giang CHƢƠNG 1: ĐẶC ĐIỂM ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÀ LŨ LỤT LƢU VỰC SÔNG LẠI GIANG 1. Đặc điểm chung lƣu vực sông Lại Giang Vị trí địa lý: Sông Lại Giang nằm trong khoảng 14030’ tới 14040’ vĩ độ bắc và 108050’ tới 108060’ kinh độ đông.

Khu vực nghiên cứu thuộc tỉnh Bình Định - một tỉnh ven biển miềm Trung của Việt Nam.