CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN KHU VỰC NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan các nghiên cứu về đánh giá, mô phỏng ngập lụt 1. Nguyên cứu trên thế giới Thế giới thường xuyên phải đối diện với các thảm họa về lũ lụt, việc nghiên cứu các giải pháp phòng lũ lụt được đặc biệt quan tâm. Các giải pháp bao gồm giải pháp công trình (hồ chứa, đê điều, cải tạo lòng sông.) và phi công trình (xây dựng bản đồ nguy cơ ngập lụt, tính toán, mô phỏng ngập lụt và vận hành các phương án phòng tránh lũ lụt và di dân khi cần thiết.
Trải qua nhiều thời kỳ phát triển, cùng với sự lớn mạnh không ngừng của công nghệ thông tin, hiện nay, rất nhiều mô hình thủy văn, thủy lực đã được xây dựng và áp dụng cho dự báo hồ chứa, dự báo lũ cho hệ thống sông, phục vụ cho công tác quy hoạch phòng lũ, một số mô hình được áp dụng trong công tác giảng dạy, nghiên cứu và phục vụ cho nhu cầu của từng địa phương: Mô hình SOGREAH đã được áp dụng thành công trong công tác khai thác, tính toán dòng chảy tràn trong hệ thống kênh rạch và các ô trũng, mô hình MEKSAL được xây dựng vào năm 1974 để tính toán sự phân bố dòng chảy mùa cạn và xâm nhập mặn trong vùng hạ lưu các sông; Mô hình VRSAP đã được áp dụng cho việc tính toán dòng chảy lũ và dòng chảy mùa cạn cho vùng đồng bằng. Các mô hình tính toán mưa dòng chảy như mô hình HEC, mô hình SWAT, mô hình WFLOW, mô hình MIKE NAM.; Các mô hình tính toán thủy lực 1 chiều như mô hình MIKE 11, mô hình HEC-RAS, mô hình SOBECK,… mô hình 2 chiều như mô hình MIKE 21,… các mô hình đều được phát triển và nâng cấp để tăng khả năng tính toán cũng như chính xác từ mô hình. - Đối với mô hình thủy văn: Mô hình toán SSARR (Streamflow synthetic and Reseroir Regulation) của Cục Công binh Mỹ được khai thác sử dụng từ năm 1958 cho việc lập kế hoạch, 5 thiết kế và thực hiện các dự án kiểm soát nước tại lưu vực sông Colombia. Mô hình được Trung tâm thời tiết quốc gia (Schermerhor và cộng sự, 1968) phát triển để phù hợp cho việc dự đoán hoạt động của sông.
[4] Mô hình TANK: là mô hình tổng hợp dòng chảy từ mưa trên lưu vực, ra đời năm 1956 tại trung tâm quốc gia phòng chống lũ lụt Nhật, tác giả là M. Từ đó dến nay mô hình được hoàn thiện dần và ứng dụng rộng rãi nhiều nơi trên thế giới. Mô hình TANK được tổ chức Khí tượng thế giới (WMO) đánh giá là khá đa dạng, nhưng thành tựu cơ bản nhất đạt được là khôi phục và bổ sung số liệu. Mô hình đơn giản, có ý nghĩa vật lý trực quan, thích hợp với các sông suối vừa và nhỏ.[12] Mô hình HEC-HMS: là bộ mô hình toán thủy văn được dùng để tính dòng chảy từ số liệu đo mưa trên lưu vực, HEC là sản phẩm của tổ chức các Kỹ sư Thủy văn Quân đội Hoa Kỳ.
Hầu hết các phương pháp tính diễn toán dòng chảy lũ trong HEC – HMS dựa trên phương trình liên tục và các quan hệ lưu lượng – lượng trữ. Mô hình NAM là một công cụ kỹ thuật đã được kiểm chứng có khả năng ứng dụng tốt tại nhiều nơi trên thế giới. Đặc biệt là khả năng liên kết với mô hình thủy lực họ MIKE, đây chính là thế mạnh để kết hợp mô hình thủy văn – thủy lực trong việc giải quyết bài toán xây dựng bản đồ ngập lụt mưa. Năm 2014, JICA (WUP–JICA) đã sử dụng mô hình Mike NAM và Mike 11 để tính toán dòng chảy cho vùng đồng bằng ngập lũ Campuchia từ hạ lưu Kratie đến biên giới ViệtNam.
Kết quả đã chỉ ra được các tỷ lệ phân bố dòng chảy trong sông cũng như trên các khu vực ngập lũ của đồng bằng châu thổ Mê Công ở địa phận Campuchia. [21] Trong dự án nghiên cứu về quả lý tài nguyên thích ứng với BĐKH vùng cao nguyên Đông Nam Trung Quốc, mô hình MIKE SHE được trường ĐH Lâm 6 nghiệp Bắc Kinh sử dụng để mô phỏng dòng chảy trên vùng cao nguyên, làm cơ sở để đề xuất chiến lược sử dụng đất và tài nguyên nước thích ứng với BĐKH. - Đối với mô hình thủy lực Mô hình DUFLOW: là mô hình thuỷ lực một chiều dùng để tính toán dòng chảy không ổn định trong hệ thống sông, được xây dựng bởi tổ chức Rijkwaterstat, IHE-Delft, Deft University of Technology, Stowa và Agricultural University of Wageningen (Hà Lan). Mô hình Duflow đã được sử dụng để mô phỏng quá trình truyền chất trong nghiên cứu quản lý môi trường rừng từ đầu nguồn đến vùng đồng bằng ven biển phía Đông Bắc bang Caroline – Mỹ.
[27] Mô hình SOGREAH: Mô hình SOGREAH do các chuyên gia thủy lực hãng SOGREAH – Pháp lập năm 1967 theo đơn đặt hàng của UNESCO để nghiên cứu truyền lũ trên châu thổ sông MêKông. Mô hình ISIS: Mô hình ISIS do công ty Halcrow và Viện Nghiên Cứu Thủy Lực Wallingford xây dựng, sử dụng chương trình thủy động lực học dòng chảy một chiều mô phỏng dòng chảy không ổn định trong hệ thống sông kênh và ô đồng. Mô hình HEC-RAS: là sản phẩm của tổ chức các Kỹ sư Thủy văn Quân đội Hoa Kỳ. Mô hình HEC – RAS đã được sử dụng để mô phỏng dòng chảy từ hồ McConaughy và trên hệ thống sông Paltte nhằm đề xuất giải pháp cải thiện môi trường sống cho loài chim di cư.[14] Mô hình MIKE: MIKE là một họ phần mềm gồm nhiều mô đun khác nhau, từ việc tính toán cân bằng nước (MIKE BASIN), mưa - dòng chảy (MIKE NAM), dòng một chiều (MIKE 11), hai chiều lưới thẳng (MIKE 21), hai chiều lưới cong (MIKE 21 C),lưới bất kỳ (MIKE 21 FM) và ba chiều (MIKE 3); mô hình kết hợp một và hai chiều MIKE FLOOD.Kamel – 7 trường Đại học công nghệ Slovak – Slovakia đã sử dụng mô hình MIKE 11 để mô phỏng dòng chảy trên Euphrates ở Irag.
[22] Hiện nay, MIKE là bộ phần mềm được sử dụng rộng rãi với khả năng bao trùm tất cả các vấn đề về quản lý khai thác tài nguyên nước. Đặc biệt khả năng kết nối giữa các mô hình họ MIKE từ mô hình mưa dòng chảy – mô phỏng thủy lực 1 chiều trong sông – kết nối với mô phỏng 2 chiều trong vùng bãi ngập lũ tạo ra các kịch bản trực quan và chính xác quá trình lũ trong sông và ngập lụt nội đồng. Nghiên cứu tại Việt Nam Hiện nay, Việt Nam đang sử dụng các mô hình thủy văn, thủy lực mang tính kế thừa các nghiên cứu quốc tế. Mô hình được xây dựng dựa trên các nguyên lý về vật lý và công thức toán học.
Một số mô hình đã được đưa về Việt Nam để phát triển và kế thừa như mô hình VSARP, TANK, WFLOW, MIKE,… Có rất nhiều mô hình đã và đang được sử dụng để mô phỏng chế độ thủy lực hệ thống sông ngòi. Mỗi mô hình đều có thế mạnh, hoặc là về lý thuyết thủy lực và toán học, hoặc là về áp dụng trong thực tiễn, hoặc là có những tiện ích về phân tích kết quả. - Đối với mô hình thủy văn Mô hình toán SSARR của Cục Công binh Mỹ được khai thác sử dụng sớm nhất ở nước ta, từ năm 1968, đầu tiên trong lĩnh vực thuỷ văn công trình và sau đó là trong việc cảnh báo, dự báo lũ ở đồng bằng châu thổ sông Cửu Long. Mô hình SSARR cũng được triển khai áp dụng để dự báo lũ cho hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình ở đồng bằng Bắc Bộ cho kết quả khả quan.[4] Mô hình TANK: là mô hình mưa dòng chảy thông số tập trung, khá đa dạng, được sử dụng rộng rãi trên thế giới và trong nghiệp vụ dự báo tại hầu hết các cơ quan dự báo ở Việt Nam.
Mô hình Tank được ứng dụng ở Việt Nam từ cuối những năm 1980. Mô hình tương đối đơn giản, có ý nghĩa vật lý trực quan, 8 thích hợp cho lưu vực sông suối vừa và nhỏ. Thử nghiệm mô hình Tank và Sóng động học một chiều để dự báo thủy văn hạn vừa trên lưu vực sông Ba được đánh giá là cơ sở để cải thiện chất lượng dự báo thời hạn vừa, các mô hình sau khi cải tiến, tích hợp đã ứng dụng thử nghiệm cho lưu vực sông Ba đến trạm thủy văn Củng Sơn. [12] Mô hình NAM: là một công cụ kỹ thuật đã được kiểm chứng có khả năng ứng dụng tốt tại nhiều nơi trên thế giới, góp phần giải quyết bài toán xây dựng bản đồ ngập lụt mưa.
Mô hình được áp dụng tương đối nhiều trong nghiên cứu tính toán, dự báo ở các đơn vị phía Nam như Viện Khoa học thủy lợi miền Nam, Viện Quy hoạch thủy lợi miền Nam, Đài khí tượng thủy văn Nam Bộ… - Đối với mô hình thủy lực Năm 2004, trong dự án “Thủy lợi đồng bằng sông Hồng giai đoạn 2 – phần B“ sử dụng phần mềm Duflow để nghiên cứu hiệu quả của hai trạm bơm tiêu Phấn Động và Triều Dương, phục vụ lộ trình nâng cấp hiệu quả tiêu cho lưu vực hai trạm bơm trên [26]. Duflow cũng được sử dụng trong nghiên cứu thủy động lực học và ổn định các cửa sông thuộc hệ đầm phá Tam Giang- Hai Cầu do tác giả Nghiêm Tiến Lam, H.Van der Wegen thực hiện. [27] Mô hình HYDROGIS: Mô hình HYDROGIS được TS Nguyễn Hữu Nhân phát triển từ năm 1995 cho mô phỏng dòng chảy trong sông kênh và truyền tải chất. Mô hình có hệ thông tin địa lý (GIS) hỗ trợ.
[15] Mô hình HYDROGIS đã được áp dụng để nghiên cứ chế độ thủy lực sông Cái trên mô hình toán. [16] Mô hình HEC-RAS: Trong những năm 2000-2003, trong sự án “Hỗ trợ thủy lợi Việt Nam – VWRAP“ do WB tài trợ, các nhà tư vấn quốc tế đã sử dụng HEC-RAS để mô phỏng dòng chảy trên hệ thống kênh tưới của các hệ thống thủy lợi Dầu Tiếng, Đá Bàn, Phú Ninh, Kẻ Gỗ, Yên Lập, Cầu Sơn – Cấm Sơn để nâng cấp hệ thôgns tưới trong khuôn khổ dự án. [14] 9 Từ năm 2000, với sự giúp đỡ của tổ chức ACIAR – Australia, phần mềm IMSOP được Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam phát triển và ứng dụng để quản lý tưới ở các hệ thống thủy nông Nam sông Mã, Phú Yên. Mô hình KOD: Mô hình KOD của GS- TSKH Nguyễn Ân Niên ra đời đầu năm 1974 sử dụng hệ phương trình Sant-Venant trong tính toán dòng chảy và giải bằng sơ đồ hiện với phương pháp sai phân 4 điểm Preismann.
Đến năm 1980 tác giả đã phát triển sơ đồ 2D. Năm 2005, sơ đồ này đã được hoàn thiện thêm.
