CHƯƠNG I TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM ĐẶC ĐIỂM MƯA, LŨ TRÊN LƯU VỰC SÔNG CẢ 1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới Thế giới thường xuyên phải đối diện với các thảm họa về lũ lụt, điển hình như Ấn Độ, Srilanca, Hoa Kỳ,. Ngày nay với tác động của biến đổi khí hậu thì các thảm họa về lũ lụt ngày một khốc liệt, dưới đây là một số hình ảnh nói nên tính khốc liệt của lũ lụt ở một số nơi trên thế giới: Hình 1.1: Nước nhấn chìm nhiều ô tô trong trận lũ lụt ở thành phố Greenley, bang Colorado, Mỹ ngày 14/9/2013. Ảnh: Reuters 4 Hình 1.2: Các tòa nhà ngập chìm trong biển nước tại Srinagar-Ấn Độ ngày 11/9/2014, nguồn TheAtlantic Vì vậy việc nghiên cứu các giải pháp phòng tránh lũ, lụt được các nước trên thế giới đã và đang được đặc biệt quan tâm, hiện nay có nhiều hướng tiếp cận khác nhau và một trong số đó là giải pháp kết hợp giữa giải pháp công trình và phi công trình. Các giải pháp công trình thường được sử dụng như hồ chứa, đê điều, cải tạo lòng sông.
trong khi các giải pháp phi công trình có thể là xây dựng bản đồ nguy cơ ngập lụt, quy hoạch trồng rừng và bảo vệ rừng, xây dựng và vận hành các phương án phòng tránh lũ lụt và di dân khi cần thiết,. Trong đó, để di dân được sớm và chính xác thì việc có thông tin dự báo chính xác, cảnh báo lũ lụt và khu vực ngập lụt chính xác là vô cùng quan trọng, ở đây việc xây dựng bản đồ ngập lụt là một trong những nội dung quan trọng của việc phòng tránh lũ lụt. Hiện nay trên thế giới có ba phương pháp thường được ứng dụng dể xây dựng bản đồ ngập lụt, đó là: - Phương pháp truyền thống: xây dựng bản đồ ngập lụt dựa vào điều tra thủy văn và địa hình. - Xây dựng bản đồ ngập lụt dựa vào điều tra các trận lũ lớn thực tế đã xảy ra.
- Xây dựng bản đồ ngập lụt dựa vào việc mô phỏng các mô hình thủy văn, thủy lực. 5 Mỗi phương pháp trên đây đều có các ưu nhược điểm riêng trong việc xây dựng và ước lượng diện tích ngập lụt. Bản đồ ngập lụt xây dựng theo phươg pháp truyền thống chỉ tái hiện lại hiện trạng ngập lụt, chưa mang tính dự báo nhưng nó vẫn mang ý nghĩa to lớn về nhiều mặt trong công tác chỉ huy phòng chống lũ lụt cung như làm cơ sở để đánh giá, so sánh các nghiên cứu tiếp theo. Tuy vậy phương pháp này tốn công, mất nhiều thời gian, không đáp ứng được nhu cầu thự tế và có những vị trí mà người nghiên cứu không thể đo đạc được hoặc không thu thập được số liệu đo đạc.
Việc xây dựng bản đồ ngập lụt dựa vào số liệu điều tra, thu thập từ nhiều trận lũ đã xảy ra là đáng tin cậy nhất, tuy nhiên dữ liệu và thông tin điều tra cho các trận lũ lớn là đáng tin cậy nhất, tuy nhiên dữ liệu và thông tin điều tra cho các trận lũ lớn là rất ít lại không có tính dự báo trong tương lai, do vậy hạn chế nhiều ưu điểm và tính ứng dụng của bản đồ ngập lụt trong thực tế. Sử dụng công cụ mô phỏng, mô hình hóa bằng các mô hình thủy văn, thủy lực là rất cần thiết và có hiệu quả hơn rất nhiều và cũng là cách tiếp cận hiện đại và đang được ứng dụng rộng rãi trên thế giới trong thời gian gần đây, cùng với đó là sự kết hợp các lợi thế của phương pháp truyền thống. Mặt khác, với sự phát triển của máy tính và các hệ thống thông tin, cơ sở dữ liệu, ngày càng có nhiều ứng dụng phát triển dựa trên nền hệ thông tin địa lý (GIS), mà xây dựng bản đồ ngập lụt là một trong những ứng dụng quan trọng, mang lại nhiều lợi ích thiết thực trong thực tiễn công tác phòng chống lụt bão và giảm nhẹ thiên tai. Hiện nay trên thế giới có một số mô hình điển hình để tính toán ngập lụt như sau: - Mô hình HEC-HMS: là mô hình mưa dòng chảy của Trung tâm Thủy văn kỹ thuật quân đội Hoa Kỳ được phát triển từ mô hình HEC-1, mô hình có những cải tiến đáng kể cả về kỹ thuật tính toán và khoa học thủy văn thích hợp với các lưu vực sông vừa và nhỏ.
Là một dạng mô hình toán thủy văn được dùng để tính dòng chảy từ số liệu mưa trên lưu vực. Trong đó các thành phần mô tả lưu vực sông gồm các công trình thủy lợi, các nhánh sông. 6 Kết quả của HEC-HMS được diễn tả dưới dạng sơ đồ, biểu bảng tường minh rất thuận tiện cho người sử dụng. Ngoài ra, chương trình có thể liên kết với cơ sở dữ liệu dạng DSS của mô hình thủy lực HEC-RAS.
- Mô hình NAM: được xây dựng năm 1982 tại khoa thủy văn viện kỹ thuật thủy động lực và thủy lực thuộc đại học kỹ thuật Đan Mạch. Mô hình dựa trên nguyên tắc các bể chứa theo chiều thẳng đứng và hồ chứa tuyến tính. Mô hình tính quá trình mưa – dòng chảy theo cách tính liên tục hàm lượng ẩm trong năm bể chứa riêng biệt tương tác lẫn nhau. Các mô hình thủy văn trên đây cho kết quả là các quá trình dòng chảy tại các điểm khống chế (cửa ra lưu vực) vì vậy tự thân chúng đứng độc lập chưa đủ khả năng để đưa ra các thông tin về diện tích và mức độ ngập lụt mà phải kết hợp với một số các công cụ khác như GIS, hoặc là biên cho các mô hình thủy động lực 1-2 chiều khác.
- Mô hình WENDY: do Viện thủy lực Hà Lan xây dựng cho phép tính thủy lực dòng chảy hở, xói lan truyền, truyền tải phù sa và xâm nhập mặn. - Mô hình HEC-RAS: do Trung tâm Thủy văn kỹ thuật quân đội Hoa Kỳ xây dựng được áp dụng để tính toán thủy lực cho hệ thống sông. Phiên bản mới nhất hiện nay đã được bổ sung thêm modul tính vận chuyển bùn cát và tải khuếch tán. Mô hình HEC-RAS được xây dựng để tính toán dòng chảy trong hệ thống sông có sự tương tác 2 chiều giữa dòng chảy trong sông và dòng chảy vùng đồng bằng lũ.
Khi mực nước trong sông dâng cao, nước sẽ tràn qua bãi ngập vùng đồng bằng, khi mực nước trong sông hạ thấp nước sẽ chảy lại vào sông. - Họ mô hình MIKE: do Viện thủy lực Đan Mạch xây dựng được tích hợp rất nhiều công cụ mạnh, có thể giải quyết các bài toán cơ bản trong lĩnh vực tài nguyên nước. Tuy nhiên đây là mô hình thương mại, phí bản quyền rất cao nên không phải cơ quan nào cũng có điều kiện sử dụng. + MIKE 11: là mô hình một chiều trên kênh hở, bãi ven sông, vùng ngập lũ, trên sông kênh có kết hợp mô phỏng các ô ruộng mà kết quả thủy lực trong các ô ruộng là giả 2 chiều.
MIKE 11 có một số ưu điểm nổi trội so với các mô hình khác 7 như: (i) liên kết với GIS, (ii) kết nối với các mô hình thành phần khác của bộ MIKE, ví dụ như mô hình mưa rào – dòng chảy NAM, mô hình thủy động lực học 2 chiều MIKE21, mô hình dòng chảy nước dưới đất, dòng chảy tràn bề mặt và dòng bốc thoát hơi thảm phủ , (iii) tính toán chuyển tải chất khuyếch tán, (iv) vận hành công trình, (v) tính toán quá trình phú dưỡng. + MIKE 21&MIKE FOOL: Là mô hình thủy động lực học dòng chảy 2 chiều trên vùng ngập lũ đã được ứng dụng tính toán rộng rãi tại Việt Nam và trên phạm vi toàn thế giới. Mô hình MIKE 21 HD là mô hình thủy động lực học mô phỏng mực nước và dòng chảy trên sông, vùng cửa sông, vịnh và ven biển. Mô hình mô phỏng dòng chảy không ổn định hai chiều ngang đối với một lớp dòng chảy.
- Bộ mô hình MIKE11 và MIKE-GIS của viện thủy lực Đan Mạch sử dụng để xây dựng bản đồ ngập lụt cho vùng hạ lưu sông. MIKE11-GIS là bộ công cụ mạnh trong trình bày và biểu diễn về mặt không gian và thích hợp công nghệ mô hình bãi ngập và sông của MIKE11 cùng với khả năng phân tích không gian của hệ thống tin địa lý trên môi trường ArcGIS 9. - Mô hình MIKE SHE: Mô hình toán vật lý thông số phân bổ mô phỏng hệ thống tổng hợp dòng chảy mặt – dòng chảy ngầm lưu vực sông. Được ứng rộng rãi trên thế giới.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam Nước ta nhiều đồi núi, địa hình, điều kiện khí tượng, khí hậu, thuỷ văn diễn biến phức tạp.
Cùng với sự ấm lên của khí hậu toàn cầu các hiện tượng thời tiết bất thường như hạn hán, lũ lụt ngày càng gia tăng và mức độ gây tổn hại ngày càng lớn. Vì vậy việc nghiên cứu xây dựng bản đồ ngập lụt để cảnh báo trước, từ đó có các biện pháp phòng tránh và ứng cứu kịp thời. Các phương pháp được sử dụng phổ biến để xây dựng bản đồ ngập lụt ở nước ta hiện nay cũng giống như trên thế giới, đó là: - Phương pháp truyền thống: xây dựng bản đồ ngập lụt dựa vào điều tra thủy văn và địa hình. - Xây dựng bản đồ ngập lụt dựa vào điều tra các trận lũ lớn thực tế đã xảy ra.
8 - Xây dựng bản đồ ngập lụt dựa vào việc mô phỏng các mô hình thủy văn, thủy lực: Hec-Ras, Mike 11. Ngoài ra, hiện này công nghệ Viễn thám sẽ giúp quan sát trên trên khu vực rộng lớn, đặc biệt là lưu vực sông, quan sát rõ nước tại lưu vực đó sẽ chảy khu vực sông nào. Từ đó xây dựng các bản đồ ngập lụt, vùng ngập nước, ngập mặn do nước biển dâng.3 Giới thiệu đặc điểm địa lý tự nhiên lưu vực nghiên cứu 1.1 Vị trí địa lí Sông Cả là một trong 9 hệ thống sông lớn của nước ta. Sông bắt nguồn từ nước bạn Lào, chảy qua hầu hết địa phận tỉnh Nghệ An, phần này được gọi là sông Cả.
Đến hạ lưu vùng Nam Đàn sông tiếp nhận phụ lưu sông La từ Hà Tĩnh chảy sang. Từ ngã ba này ra tới biển sông được gọi là sông Lam. Lưu vực sông Cả nằm ở vùng Bắc Trung bộ, có toạ độ địa lý từ 18015' đến 20010'30'' vĩ độ Bắc; 103045'20'' đến 105015'20'' kinh độ Đông. Điểm đầu của lưu vực nằm ở toạ độ 20010'30'' độ vĩ Bắc; 103045'20'' kinh độ Đông.
Cửa ra của lưu vực nằm ở toạ độ 18045’27” độ vĩ Bắc; 105046’40” kinh độ Đông.