Luận Văn Thạc Sĩ: Xây Dựng Bản Đồ Nguy Cơ Lũ Hạ Lưu Đập Dầu Bẩn, Tỉnh Khánh Hòa, Việt Nam

• Tác giả: Nguyen Manh Kien
• Người hướng dẫn: Assoc. Prof. Nghiem Tien Lam
• Trường học: Thuy Loi University & University of Liège
• Chuyên ngành: Hydrology and Water Resources Management
• Đề tài: Constructing the Flood Hazard Map for Downstream of Da Ban Reservoir, Khanh Hoa Province, Vietnam
• Loại tài liệu: Master thesis
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

• DECLARATION
• ACKNOWLEDGEMENT
• 1. CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 1.1. Problem statement
• 1.2. The meaning of flood map
• 1.3. Literature review
• 1.4. Objectives and methods
• 1.5. Structure of thesis
• 2. CHAPTER 2: SOCIAL AND NATURAL CONDITIONS OF THE STUDY AREA
• 2.1. Natural condition of study area
• 2.1.1. Geographical location of study area
• 2.2. Socio-economic conditions
• 2.3. Climatic and hydrographical conditions
• 2.4. Flood risk in downstream of Da Ban reservoir
• 3. CHAPTER 3: THEORETICAL BASIC FOR FLOOD MAPPING
• 3.1. Background of flood mapping
• 3.2. Objectives of this tool
• 3.3. Flood mapping process
• 3.4. Products of flood hazard map
• 3.5. General about the hydraulic problems in river network
• 3.5.1. ID steady Flow
• 3.5.2. ID unsteady Flow
• 3.5.3. 2D unsteady flow hydrodynamics
• 3.6. General about the hydraulic model
• 3.7. HEC-RAS two-dimensional flow modeling capabilities for calculation case of this study
• 3.8. Basic steps to modeling
• 4. CHAPTER 4: CONSTRUCTING THE FLOOD MAP OF STUDY AREA
• 4.1. Topography data
• 4.2. Landuse data
• 4.3. Hydrologic data
• 4.3.1. DEM data
• 4.3.2. Cross-sectional data of Da Ban river
• 4.3.3. Land cover data
• 4.4. HEC-RAS modeling application for flood simulation and calculation
• 4.4.1. Selection and construction of model domain
• 4.4.2. Developing a terrain model for use in 2D modeling and results in mapping
• 4.4.3. Development of a 2D model
• 4.4.4. Creating a spatially varied Manning's roughness layer
• 4.4.5. Boundary conditions
• 4.4.6. Initial conditions
• 4.4.7. Dambreak analysis
• 4.4.8. Running the unsteady flow model
• 4.4.9. Viewing 2D output using RAS Mapper
• 4.5. Validation numerical model with analytical solution
• 4.5.1. Analytical Solution by Ritter
• 4.5.2. Modeling the 2D Dam-Break wave
• 4.5.3. Comparing the model results and the analytical solution by Ritter (1892)
• 4.6. Considering the factors affect the model results
• 4.6.3. Choosing position on model for analyzing results
• 4.6.4. Sensitivity testing results
• 4.6.5. Conclusion
• 4.7. Constructing flood hazard map by ArcGIS
• CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES

I. Giới thiệu

Luận văn tập trung vào việc xây dựng bản đồ nguy cơ lũ cho khu vực hạ lưu đập Dầu Bẩn, Khánh Hòa, Việt Nam. Vấn đề chính được đặt ra là sự phân bố không đồng đều của lượng nước theo mùa, dẫn đến nguy cơ lũ lụt cao trong mùa mưa. Việc xây dựng các hồ chứa đã mang lại hiệu quả kinh tế nhưng cũng tiềm ẩn rủi ro lớn cho khu vực hạ lưu, đặc biệt khi xảy ra lũ lớn hoặc vỡ đập. Bản đồ nguy cơ lũ là công cụ quan trọng giúp dự đoán khu vực ngập lụt, hỗ trợ quản lý hồ chứa và lập kế hoạch di dời dân cư.

1.1. Vấn đề nghiên cứu

Việt Nam có mạng lưới sông ngòi dày đặc nhưng lượng nước phân bố không đều theo mùa. Các hồ chứa được xây dựng để điều tiết dòng chảy, nhưng nhiều hồ được thiết kế theo tiêu chuẩn cũ, không đáp ứng yêu cầu hiện tại. Sự suy thoái rừng đầu nguồn làm tăng tính phức tạp của lũ lụt. Dự án VWRAP đã hỗ trợ nâng cấp hệ thống thủy lợi, trong đó có đập Dầu Bẩn.

1.2. Ý nghĩa của bản đồ nguy cơ lũ

Bản đồ nguy cơ lũ là công cụ trực quan giúp dự đoán khu vực ngập lụt, độ sâu nước và vận tốc dòng chảy. Nó hỗ trợ quản lý đất đai, lập kế hoạch phòng chống lũ và thiết kế các công trình thủy lợi. Bản đồ này cung cấp thông tin quan trọng cho việc ra quyết định trong tình huống khẩn cấp.

II. Điều kiện tự nhiên và xã hội khu vực nghiên cứu

Khu vực nghiên cứu nằm ở huyện Ninh Hòa, tỉnh Khánh Hòa, với sông Dầu Bẩn là một nhánh chính của sông Ninh Hòa. Khu vực này có địa hình dốc, thảm thực vật thấp và đất dễ bị xói mòn. Điều kiện khí hậu và thủy văn của khu vực cũng được phân tích chi tiết, bao gồm lượng mưa, tốc độ gió và bốc hơi nước.

2.1. Điều kiện tự nhiên

Sông Dầu Bẩn bắt nguồn từ dãy Trường Sơn, có chiều dài 37 km và diện tích lưu vực 358 km². Địa hình dốc và thảm thực vật thấp làm giảm khả năng giữ nước. Đất chủ yếu là đất đỏ vàng, dễ bị xói mòn, đặc biệt ở những khu vực rừng bị phá để canh tác.

2.2. Điều kiện khí hậu và thủy văn

Khu vực có khí hậu nhiệt đới gió mùa, lượng mưa phân bố không đều. Tốc độ gió tối đa và lượng bốc hơi nước cũng được ghi nhận. Các yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến dòng chảy và nguy cơ lũ lụt trong khu vực.

III. Cơ sở lý thuyết xây dựng bản đồ nguy cơ lũ

Chương này trình bày các lý thuyết cơ bản về xây dựng bản đồ nguy cơ lũ, bao gồm quy trình lập bản đồ và các sản phẩm của nó. Các mô hình thủy lực như HEC-RAS được sử dụng để mô phỏng dòng chảy và xác định khu vực ngập lụt. Mô hình 2D của HEC-RAS mang lại nhiều lợi thế trong việc mô phỏng dòng chảy trên sông và đồng bằng ngập lụt.

3.1. Quy trình lập bản đồ nguy cơ lũ

Quy trình bao gồm thu thập dữ liệu địa hình, thủy văn và sử dụng mô hình thủy lực để mô phỏng dòng chảy. Các sản phẩm của bản đồ nguy cơ lũ bao gồm khu vực ngập lụt, độ sâu nước và vận tốc dòng chảy.

3.2. Mô hình thủy lực HEC RAS

HEC-RAS là mô hình thủy lực phổ biến được sử dụng để mô phỏng dòng chảy và lập bản đồ nguy cơ lũ. Mô hình 2D của HEC-RAS cho phép mô phỏng chính xác dòng chảy trên sông và đồng bằng ngập lụt, đặc biệt hữu ích cho khu vực hạ lưu đập Dầu Bẩn.

IV. Xây dựng bản đồ nguy cơ lũ khu vực nghiên cứu

Chương này mô tả chi tiết quá trình xây dựng bản đồ nguy cơ lũ cho khu vực hạ lưu đập Dầu Bẩn. Các dữ liệu địa hình, thủy văn và sử dụng đất được thu thập và xử lý. Mô hình HEC-RAS được áp dụng để mô phỏng các kịch bản lũ khác nhau, bao gồm lũ từ thượng nguồn và vỡ đập. Kết quả mô phỏng được sử dụng để xây dựng bản đồ nguy cơ lũ bằng phần mềm ArcGIS.

4.1. Thu thập và xử lý dữ liệu

Dữ liệu địa hình, thủy văn và sử dụng đất được thu thập từ các nguồn khác nhau. Dữ liệu DEM được sử dụng để xây dựng mô hình địa hình, trong khi dữ liệu thủy văn được sử dụng để mô phỏng dòng chảy.

4.2. Mô phỏng và xây dựng bản đồ

Mô hình HEC-RAS được sử dụng để mô phỏng các kịch bản lũ khác nhau. Kết quả mô phỏng được tích hợp với phần mềm ArcGIS để xây dựng bản đồ nguy cơ lũ, bao gồm khu vực ngập lụt, độ sâu nước và vận tốc dòng chảy.

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam là quốc gia có nguồn tài nguyên nước phong phú với mạng lưới sông ngòi dày đặc, tuy nhiên lượng nước phân bố không đều theo mùa. Lượng nước mùa mưa lớn hơn nhiều so với mùa khô, gây ra nguy cơ lũ lụt nghiêm trọng. Đặc biệt, các hồ chứa thủy điện và thủy lợi được xây dựng nhằm điều tiết dòng chảy, giảm thiểu tác động của lũ, cung cấp nước cho nông nghiệp và phát điện. Tuy nhiên, nhiều hồ chứa được thiết kế theo tiêu chuẩn cũ, không phù hợp với điều kiện hiện tại, đồng thời sự suy thoái rừng đầu nguồn làm cho mô hình lũ trở nên phức tạp và khó dự đoán hơn.

Luận văn tập trung xây dựng bản đồ nguy cơ lũ lụt cho khu vực hạ lưu hồ chứa Đa Ban, tỉnh Khánh Hòa, nhằm mục tiêu dự báo vùng ngập lụt, độ sâu nước và vận tốc dòng chảy trong các kịch bản lũ thượng nguồn và sự cố vỡ đập. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khu vực hạ lưu hồ Đa Ban, với dữ liệu thu thập từ năm 2006 đến 2016, sử dụng mô hình thủy lực HEC-RAS kết hợp GIS để mô phỏng và lập bản đồ. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ quản lý hồ chứa, lập kế hoạch di dời dân cư và ứng phó khẩn cấp, góp phần giảm thiểu thiệt hại do lũ gây ra.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình thủy lực hiện đại để mô phỏng dòng chảy và lũ lụt, bao gồm:

• Lý thuyết dòng chảy không ổn định 1D và 2D: Sử dụng phương trình Saint-Venant cho dòng chảy không ổn định một chiều và hai chiều, mô tả sự biến đổi của mực nước và vận tốc theo thời gian và không gian.
• Mô hình thủy lực HEC-RAS: Phần mềm do Bộ Quân sự Hoa Kỳ phát triển, có khả năng mô phỏng dòng chảy 1D và 2D, bao gồm các tính năng phân tích vỡ đập, mô phỏng dòng chảy siêu tới và dưới tới, kết hợp với GIS để lập bản đồ lũ.
• Khái niệm chính: Bản đồ nguy cơ lũ (flood hazard map), độ sâu nước, vận tốc dòng chảy, lưu lượng thiết kế, hệ số Manning (độ nhám đáy sông), mô hình địa hình số (DEM), và các kịch bản lũ với tần suất khác nhau.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu thủy văn, địa hình, sử dụng đất và các thông số kỹ thuật của hồ chứa Đa Ban được thu thập từ các trạm khí tượng thủy văn và khảo sát thực địa. Cỡ mẫu dữ liệu thủy văn kéo dài từ năm 1976 đến 2001, với các trạm chính như Da Ban, Dong Trang, Ninh Hoa.

Phương pháp phân tích sử dụng mô hình thủy lực HEC-RAS phiên bản mới nhất, kết hợp với phần mềm GIS (ArcGIS) để xử lý dữ liệu địa hình và lập bản đồ. Mô hình được xây dựng theo quy trình:

1. Xây dựng mô hình địa hình số (DEM) với độ phân giải 30m x 30m.
2. Tạo lưới tính toán 2D không cấu trúc cho khu vực nghiên cứu.
3. Thiết lập các điều kiện biên, điều kiện ban đầu và thông số Manning cho từng loại bề mặt dựa trên dữ liệu sử dụng đất.
4. Mô phỏng các kịch bản lũ với tần suất 0,5% và 0,1%, bao gồm cả kịch bản vỡ đập.
5. Kiểm định mô hình bằng giải pháp phân tích Ritter và thử nghiệm độ nhạy với các tham số mô hình.
6. Lập bản đồ nguy cơ lũ dựa trên kết quả mô phỏng.

Thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng 6 tháng, tập trung vào việc thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, chạy mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Phạm vi ngập lụt và độ sâu nước: Kịch bản lũ với tần suất 0,1% cho thấy vùng ngập lụt hạ lưu hồ Đa Ban có diện tích khoảng 8.5 km², với độ sâu nước trung bình từ 0,5 đến 3,2 m, trong khi kịch bản lũ 0,5% có diện tích ngập nhỏ hơn khoảng 6.7 km².
2. Vận tốc dòng chảy: Vận tốc dòng chảy trong vùng ngập dao động từ 0,3 đến 1,5 m/s, tăng cao tại các khu vực hẹp và gần các công trình thủy lợi, đặc biệt trong kịch bản vỡ đập, vận tốc có thể lên tới 2,5 m/s, gây nguy hiểm cho dân cư và công trình.
3. Ảnh hưởng của vỡ đập: Mô phỏng vỡ đập cho thấy sự gia tăng đột ngột mực nước và vận tốc dòng chảy, làm mở rộng vùng ngập và tăng nguy cơ thiệt hại về người và tài sản.
4. Độ nhạy mô hình: Thử nghiệm độ nhạy với các tham số như kích thước lưới tính toán, hệ số Manning và thời gian bước tính cho thấy mô hình ổn định và kết quả không biến động quá 5%, đảm bảo độ tin cậy của bản đồ nguy cơ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên liên quan đến đặc điểm địa hình dốc, lưu vực nhỏ và sự điều tiết của hồ chứa Đa Ban. So với các nghiên cứu tương tự tại các lưu vực khác ở Việt Nam, kết quả phù hợp với xu hướng vùng ngập mở rộng khi tần suất lũ tăng và khi xảy ra sự cố vỡ đập. Việc sử dụng mô hình 2D trong HEC-RAS giúp mô phỏng chính xác hơn dòng chảy trên vùng lũ, đặc biệt là các khu vực có địa hình phức tạp và sử dụng đất đa dạng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ hydrograph thể hiện lưu lượng dòng chảy theo thời gian, bản đồ phân bố độ sâu nước và vận tốc dòng chảy dưới dạng lớp phủ GIS, giúp trực quan hóa vùng nguy cơ và hỗ trợ ra quyết định.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Cải thiện hệ thống cảnh báo lũ: Xây dựng hệ thống cảnh báo sớm dựa trên bản đồ nguy cơ lũ và mô hình thủy lực, nhằm giảm thiểu thiệt hại cho người dân trong vòng 3 năm tới, do Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn tỉnh Khánh Hòa chủ trì.
2. Quản lý và vận hành hồ chứa an toàn: Áp dụng các quy trình vận hành hồ chứa theo tiêu chuẩn mới, đặc biệt trong các tình huống lũ lớn và sự cố vỡ đập, nhằm giảm thiểu rủi ro cho vùng hạ lưu, thực hiện trong 2 năm, do Ban Quản lý dự án thủy lợi Đa Ban đảm nhiệm.
3. Lập kế hoạch di dời dân cư vùng nguy hiểm: Dựa trên bản đồ nguy cơ lũ, xây dựng kế hoạch di dời và hỗ trợ tái định cư cho các hộ dân sống trong vùng ngập sâu và có vận tốc dòng chảy cao, ưu tiên thực hiện trong 5 năm, phối hợp giữa chính quyền địa phương và các tổ chức xã hội.
4. Nâng cao nhận thức cộng đồng: Tổ chức các chương trình đào tạo, tập huấn về phòng chống lũ lụt và ứng phó sự cố vỡ đập cho người dân và cán bộ địa phương, nhằm tăng cường khả năng tự bảo vệ và giảm thiểu thiệt hại, triển khai liên tục hàng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Cơ quan quản lý thủy lợi và phòng chống thiên tai: Sử dụng kết quả để xây dựng kế hoạch vận hành hồ chứa, cảnh báo lũ và ứng phó sự cố vỡ đập.
2. Chính quyền địa phương và các tổ chức xã hội: Hỗ trợ lập kế hoạch di dời dân cư, phát triển các chương trình đào tạo nâng cao nhận thức cộng đồng.
3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành thủy lợi, môi trường: Tham khảo phương pháp mô hình thủy lực 2D kết hợp GIS trong nghiên cứu lũ lụt và quản lý rủi ro thiên tai.
4. Nhà đầu tư và doanh nghiệp phát triển hạ tầng: Đánh giá rủi ro lũ lụt trong quy hoạch xây dựng, đảm bảo an toàn công trình và giảm thiểu thiệt hại kinh tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Bản đồ nguy cơ lũ là gì và có vai trò gì?
   Bản đồ nguy cơ lũ thể hiện vùng ngập, độ sâu nước và vận tốc dòng chảy trong các kịch bản lũ khác nhau, giúp các nhà quản lý và người dân hiểu rõ mức độ rủi ro để đưa ra quyết định phòng tránh và ứng phó kịp thời.

2. Tại sao chọn mô hình HEC-RAS cho nghiên cứu này?
   HEC-RAS có khả năng mô phỏng dòng chảy 1D và 2D, phù hợp với địa hình phức tạp và có tính năng phân tích vỡ đập, đồng thời tích hợp tốt với GIS để lập bản đồ, giúp mô phỏng chính xác và trực quan.

3. Dữ liệu đầu vào của mô hình được thu thập như thế nào?
   Dữ liệu bao gồm số liệu thủy văn từ các trạm đo, bản đồ địa hình số (DEM), dữ liệu sử dụng đất từ ảnh vệ tinh Landsat, và thông số kỹ thuật hồ chứa được thu thập từ các cơ quan chức năng và khảo sát thực địa.

4. Kịch bản lũ nào được mô phỏng trong nghiên cứu?
   Nghiên cứu mô phỏng các kịch bản lũ với tần suất 0,5% và 0,1%, bao gồm cả trường hợp lũ thượng nguồn và sự cố vỡ đập, nhằm đánh giá mức độ nguy hiểm và phạm vi ngập lụt.

5. Làm thế nào để cập nhật bản đồ nguy cơ lũ trong tương lai?
   Bản đồ nên được cập nhật định kỳ mỗi 10-15 năm hoặc khi có dữ liệu mới về địa hình, thủy văn hoặc thay đổi sử dụng đất, nhằm đảm bảo tính chính xác và phù hợp với điều kiện thực tế.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công bản đồ nguy cơ lũ cho khu vực hạ lưu hồ Đa Ban, sử dụng mô hình thủy lực 2D HEC-RAS kết hợp GIS.
• Kết quả mô phỏng cho thấy vùng ngập và vận tốc dòng chảy tăng theo tần suất lũ và đặc biệt nghiêm trọng khi xảy ra vỡ đập.
• Phương pháp nghiên cứu và mô hình được kiểm định độ tin cậy qua các thử nghiệm độ nhạy và so sánh với giải pháp phân tích.
• Các đề xuất về cảnh báo lũ, quản lý hồ chứa, di dời dân cư và nâng cao nhận thức cộng đồng được xây dựng dựa trên kết quả nghiên cứu.
• Tiếp theo, cần triển khai áp dụng bản đồ vào quản lý thực tế, đồng thời cập nhật dữ liệu và mô hình để nâng cao hiệu quả phòng chống lũ lụt.

Hành động ngay hôm nay: Các cơ quan quản lý và cộng đồng nên phối hợp triển khai các giải pháp đề xuất nhằm giảm thiểu rủi ro lũ lụt và bảo vệ an toàn cho người dân vùng hạ lưu hồ Đa Ban.