Chương 1 – TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU LŨ LỤT 1. Tình hình ngập lụt sông Ba 1. Tình hình ngập lụt sông Ba Trên lưu vực sông Ba, lũ lớn hàng năm luôn là mối đe dọa đối với dân cư và kinh tế xã hội của một số khu vực. Hai khu vực thường bị tác động và thiệt hại đó là: - Khu vực trung lưu sông Ba từ thung lũng Cheo Reo tới Phú Túc; - Khu vực đồng bằng hạ du sông Ba nằm trên địa phận hành chính của 6 huyện thuộc tỉnh Phú Yên là: Sơn Hoà, sông Hinh, Phú Hòa, Tây Hòa, Đông Hòa và thành phố Tuy Hoà.
Tuy nhiên, trong hai khu vực nêu trên, lũ lụt và thiệt hại do lũ trên vùng đồng bằng hạ du sông Ba thường xuyên xảy ra và đây là khu vực được yêu cầu xây dựng bản đồ vùng ngập. Do tác động của biến đổi khí hậu, thay đổi địa hình, việc xây dựng các công trình giao thông, công trình thủy, quá trình đô thị hóa… đã làm ảnh hưởng đến dòng chảy và khả năng tiêu thoát lũ ở hạ du là nguyên nhân làm tăng thêm ngập lũ ở hạ du Sông Ba. Ở cuối lưu vực sông Ba, chủ yếu trên địa bàn tỉnh Phú Yên, có địa hình thấp và mưa lớn từ biển vào, nên ngập lụt xảy ra thường xuyên hơn so với phần thượng nguồn. Khu vực trung tâm thành phố Tuy Hòa có thể bị ngập úng 0,3-0,5 m từ 5 đến 10 ngày bởi nước lũ của sông Ba Theo số liệu điều tra trong những năm gần đây lũ lụt và tình hình ngập úng vùng hạ lưu sông Ba thường xuyên xảy ra hàng năm ngày càng trở nên nghiêm trọng hơn.
Thí dụ mưa lũ đã gây nên tình trạng ngập úng trên diện rông trong khu vực liên tục trong các năm 1981, 1986, 1988, 1992, 1993, 1996, 1999, 2005, 2007, 2009, 2013, 2016 gây nhiều thiệt hại. Trong khu vực thành phố Tuy Hòa mỗi năm một vài lần khi có lũ lớn ngoài sông nước sông Đà Rằng tràn vào gây ngập úng 0,3 - 0,5 m tại khu vực Trung tâm từ 5 đến 10 ngày. Năm 2004, thành phố Tuy Hòa đã xây dựng tuyến kè Bạch Đằng, theo thiết kế có thể ngăn lũ lớn trên sông Ba với tần suất lũ 5% không tràn vào khu vực bên trong thành phố. Tuyến đê đã hạn chế được lũ lớn ngoài sông Đà Rằng tràn vào bên trong thành phố, hạn chế được một phần tình trạng ngập úng và cần cập nhật vào mô hình tính ngập lụt.
Thiệt hại do ngập lụt Mỗi năm khi mùa mưa bão về, lũ đã gây ngập lụt, thiệt hại khá lớn về người và tài sản trên lưu vực. Mưa lũ gây chết người, nhà cửa bị ngập, bị sập, các công trình hạ tầng cơ sở như trường học, bệnh viện bị hư hỏng, đường sá cầu cống, công trình thuỷ lợi bị sạt lở, bị vỡ và bồi lấp. Diện tích đất trồng trọt bị ngập lâu ngày làm cho lúa, hoa màu và các loại cây trồng khác bị thất thu. Lũ tháng 10/1993 là lũ lớn nhất đã từng xảy ra trên lưu vực sông Ba từ năm 1976 tới nay.
Theo báo cáo thiệt hại do lũ gây ra của các huyện Tây Hòa, Đông Hòa, Phú 5 Hòa và thành phố Tuy Hòa, đã làm 72 người chết, 4 người mất tích, 464 người bị thương, 10.902 ngôi nhà bị sập đổ hoàn toàn trôi đi mất, 138 kho tàng, trụ sở cơ quan, 264 trường học bị sụp đổ hoàn toàn, gần 20.000 ha diện tích cây trồng các loại bị ngập và hư hại. Gia súc gia cầm bị chết trôi khoảng 370 nghìn con. Ngoài ra các thiệt hại về giao thông, thuỷ lợi cũng rất lớn, tới 105 cầu cống bị sập trôi, các tuyến đường giao thông bị sạt lở và ngập tới hàng trăm km. Ước tính tổng thiệt hại của trận lũ này lên tới 394 tỷ đồng.
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1. Các nghiên cứu ở nước ngoài Trái đất hiện nay đang ở trong thời kỳ biến đổi khí hậu, những trận lũ lớn xuất hiện ngày càng nhiều (Ấn Độ, Trung Quốc, Philippin, Nhật Bản, Mỹ,.) đã gây thiệt hại nghiêm trọng về người và của. Thiên tai lũ lụt đang có xu thế gia tăng cả về tần suất lẫn cường độ. Nhiều nhà khoa học, nhiều tổ chức quốc tế đã tập trung nghiên cứu nhằm tìm ra các giải pháp phòng chống và phòng tránh hữu hiệu giảm thiệt hại do lũ lụt gây ra.
Đối với các nước phát triển các nghiên cứu về lũ lụt thường gắn với quản lý tài nguyên, môi trường theo lưu vực sông. Đối với các nước đang phát triển việc dự báo, cảnh báo lũ lụt còn gặp nhiều khó khăn, các nghiên cứu này chủ yếu phục vụ cho công tác phòng tránh, giảm nhẹ thiên tai. Hiện nay đã có rất nhiều nghiên cứu về điều tiết vận hành hồ chứa, nhằm cắt lũ, chống ngập cho hạ du. Bước đầu là các phương pháp tính toán điều tiết hồ chứa, chủ yếu dựa vào phương trình cân bằng nước.
Ở Liên Xô cũ việc nghiên cứu này được nhiều nhà khoa học quan tâm như Kritski-Menkel, Xvanhidze, Pleskov, Gugly, Potapov, Matiski, Ratkovich; họ đã nghiên cứu các phương pháp điều tiết cho các mục đích khác nhau. Phương trình cân bằng nước có thể được áp dụng cho bất kỳ thời khoảng tính toán nào. Tổng quan một số mô hình thủy văn, thủy lực tính toán ngập lụt trên thế giới: Mô hình thủy văn - Mô hình Ltank: do PGS.TS Nguyễn Văn Lai đề xuất năm 1986 và ThS Nghiêm Tiến Lâm chuyển về giao diện máy vi tính trên ngôn ngữ VisualBasic, là một phiên bản cải tiến từ mô hình Tank gốc của tác giả Sugawara (1956). Mô hình toán mưa rào dòng chảy dựa trên quá trình trao đổi lượng ẩm giữa các tầng mặt, ngầm lưu vực, và bốc hơi ứng dụng tốt cho lưu vực vừa và nhỏ.
- 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 dạng mô hình tính toán thủy văn được dùng để tính dòng chảy từ số liệu đo mưa trên lưu vực. Trong đó các thành phần mô tả lưu vực sông gồm các công trình thủy lợi, các nhánh sông. Kết quả của Hec-HMS được biểu diễn 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. 6 - Mô hình NAM: được xây dựng 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 thủy lực - 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 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 gây ngập vùng đồng bằng, khi mực nước trong sông hạ thấp nước sẽ chảy lại vào trong sông. - Họ mô hình MIKE: do Viện thủy lực Đan mạch (DHI) xây dựng được tích hợp rất nhiều các 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".
MIKE11 có một số ưu điểm nổi trội so với các mô hình khác 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 MIKE 21, mô hình dòng chảy nước dưới đất, dòng chảy tràn bề mặt và dòng bốc thoát hơi thảm phủ (MIKE-SHE) (iii) Tính toán chuyển tải chất khuếch tán (iv) Vận hành công trình (v) Tính toán quá trình phú dưỡng Hệ phương trình sử dụng trong mô hình là hệ phương trình Saint-Venant không gian một chiều, với mục đích tìm quy luật diễn biến của mực nước và lưu lượng dọc theo chiều dài sông hoặc kênh dẫn và theo thời gian. Mô hình MIKE 11 đã được ứng dụng tính toán rộng rãi tại Việt Nam và trên phạm vi toàn thế giới. Tuy nhiên, MIKE 11 lại không có khả năng mô phỏng tràn bãi nên trong các bài toán ngập lụt MIKE 11 chưa mô phỏng một cách đầy đủ quá trình nước dâng từ sông tràn bãi vào ruộng và ngược lại. Để cải thiện vấn đề này bộ mô hình MIKE có thêm mô hình thủy lực hai chiều MIKE 21 và bộ kết nối MIKE-Flood.
+ MIKE 21: 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 MIKE21 HD là mô hình thủy động lực học mô phỏng mực nước và dòng chảy 7 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. MIKE 21 HD có thể mô hình hóa dòng chảy tràn với nhiều điều kiện được tính đến, bao gồm: (i) Ngập và tiêu nước cho vùng tràn (ii) Tràn bờ (iii) Dòng qua công trình thủy lợi (iv) Thủy triều (v) Nước dâng do mưa bão.
Phương trình mô phỏng bao gồm phương trình liên tục kết hợp với phương trình động lượng mô tả sự biến đổi của mực nước và lưu lượng. Lưới tính toán sử dụng trong mô hình là lưới hình chữ nhật.