Luận văn thạc sĩ về khả năng thoát lũ sông Trà Khúc và sông Vệ thông qua mô hình toán học

• Tác giả: Nguyễn Đức Diện
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thanh Hùng
• Trường học: Trường Đại học Thủy lợi
• Chuyên ngành: Thủy văn học
• Đề tài: Nghiên Cứu Khả Năng Thoát Lũ Sông Trà Khúc Và Sông Vệ Bằng Mô Hình Toán Học
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CÁM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: VỊ TRÍ ĐỊA LÝ, ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN VÀ TÌNH HÌNH DÂN SINH - KINH TẾ VÀ XÃ HỘI KHU VỰC NGHIÊN CỨU
• 1.1. VỊ TRÍ ĐỊA LÝ
• 1.2. ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN
• 1.3. TÌNH HÌNH DÂN SINH - KINH TẾ - XÃ HỘI
• 1.4. ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN KINH TẾ - XÃ HỘI TỈNH QUẢNG NGÃI
• 2. CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM KHÍ TƯỢNG - THỦY VĂN VÀ HỆ THỐNG SÔNG NGÒI
• 2.1. MẠNG LƯỚI TRẠM QUAN TRẮC KHÍ TƯỢNG - THỦY VĂN
• 2.2. ĐẶC ĐIỂM KHÍ TƯỢNG - KHÍ HẬU
• 2.2.1. Bão và áp thấp nhiệt đới
• 2.2.2. Dải hội tụ nhiệt đới
• 2.2.3. Không khí lạnh
• 2.2.4. Biến động của mưa theo không gian và thời gian
• 2.2.5. Biến động mưa theo mùa và thời đoạn ngắn
• 2.3. ĐẶC ĐIỂM THỦY VĂN
• 2.3.1. Biến động dòng chảy năm và phân phối dòng chảy trong năm
• 2.3.2. Cấu hình thái tiết lũ lụt
• 2.3.3. Diễn biến thời tiết qua một số trận mưa lũ điển hình
• 2.3.4. Đặc điểm dòng chảy lũ, dòng chảy mùa kiệt và đặc trưng bùn cát
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG THOÁT LŨ: KHÁI NIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG THOÁT LŨ
• 3.1. Khái niệm khả năng thoát lũ
• 3.2. Phương pháp xác định khả năng thoát lũ
• 3.2.1. Đoạn sông ít hoặc không chịu ảnh hưởng của thủy triều
• 3.2.2. Đoạn sông chịu ảnh hưởng của thủy triều
• 3.3. Tổng quan về phương pháp nghiên cứu khả năng thoát lũ, tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới
• 3.3.1. Giới thiệu chung về phương pháp nghiên cứu khả năng thoát lũ
• 3.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới
• 3.4. Phương pháp nghiên cứu khả năng thoát lũ bằng mô hình toán
• 3.4.1. Giới thiệu phương pháp mô hình toán
• 3.4.2. Một số mô hình có khả năng áp dụng: mô hình VRSAP, mô hình WENDY, mô hình HEC-RAS
• 3.4.3. Mô hình MIKE 11
• 3.4.4. Lựa chọn mô hình
• 3.5. Thiết lập mô hình toán cho khu vực nghiên cứu
• 3.5.1. Yêu cầu thiết lập mô hình toán
• 3.5.2. Các liệu cơ bản
• 3.5.2.1. Số liệu địa hình
• 3.5.2.2. Bản đồ mạng sông
• 3.5.2.3. Số liệu thủy văn
• 3.5.2.4. Số liệu khí tượng
• 3.5.3. Thiết lập mô hình mô phỏng lũ trên lưu vực sông Trà Khúc và sông Vệ
• 3.5.3.1. Mô hình thủy lực 1 chiều và 2 chiều
• 3.5.3.2. Mô hình bi tầng MIKE FLOOD
• 3.5.3.3. Mô hình mưa - dòng chảy MIKE NAM
• 3.5.4. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình
• 3.5.4.1. Tiêu chí phương pháp hiệu chỉnh
• 3.5.4.2. Kiểm định mô hình
• 3.5.5. Nhận xét và đánh giá khả năng ứng dụng
• 3.6. Đánh giá khả năng thoát lũ qua các trận lũ lịch sử
• 3.6.1. Xây dựng quan hệ Q ~ H các trận lũ lịch sử
• 3.6.2. Đánh giá khả năng thoát lũ
• 3.7. Nghiên cứu khả năng thoát lũ với các kịch bản lũ
• 3.7.1. Xây dựng các kịch bản lũ
• 3.7.2. Mô phỏng khả năng thoát lũ với các bản đã xây dựng
• 4. CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP THOÁT LŨ, HIỆN TRẠNG NGẬP LỤT VÀ CÁC NGUYÊN NHÂN
• 4.1. Hiện trạng ngập lụt
• 4.2. Nguyên nhân gây ngập
• 4.2.1. Điều kiện địa hình
• 4.2.2. Điều kiện thoát lũ
• 4.2.3. Ảnh hưởng của con người
• 4.3. Đề xuất các giải pháp tăng khả năng thoát lũ
• 4.3.1. Phân tích đề xuất các giải pháp
• 4.3.2. Nạo vét lòng sông (PA1)
• 4.3.3. Mở rộng cửa sông (PA2)
• 4.3.4. Kết hợp nạo vét lòng sông và mở rộng cửa sông (PA3)
• 4.4. Kết quả mô phỏng bằng mô hình toán và lựa chọn giải pháp
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu chung về nghiên cứu

Nghiên cứu khả năng thoát lũ của sông Trà Khúc và sông Vệ được thực hiện nhằm đánh giá thực trạng và đề xuất giải pháp cải thiện khả năng thoát lũ cho hai con sông này. Những vấn đề quan trọng liên quan đến quản lý lũ và dự báo lũ đã được nêu ra trong tài liệu, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc sử dụng các phương pháp mô hình toán học trong việc đánh giá và dự báo tình hình lũ lụt. Các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào đánh giá khả năng thoát lũ của từng con sông mà chưa xem xét toàn bộ hệ thống, đặc biệt là các ảnh hưởng từ cửa sông. Mục tiêu của nghiên cứu là xác định khả năng thoát lũ và đưa ra các giải pháp nhằm tăng cường khả năng này, từ đó góp phần bảo vệ an toàn cho cộng đồng và phát triển kinh tế - xã hội trong khu vực.

1.1. Tình hình nghiên cứu trước đây

Trước đây, một số nghiên cứu đã được thực hiện nhằm đánh giá khả năng thoát lũ của sông Trà Khúc và sông Vệ, như dự án quy hoạch của Viện Quy hoạch thủy lợi và các dự án giảm nhẹ thiên tai. Tuy nhiên, các nghiên cứu này vẫn còn hạn chế trong việc đánh giá khả năng thoát lũ của toàn bộ hệ thống sông. Điều này dẫn đến sự cần thiết phải có một nghiên cứu tổng thể hơn, xem xét cả các yếu tố môi trường và tác động của con người đến khả năng thoát lũ. Việc áp dụng các mô hình toán học hiện đại sẽ giúp cung cấp cái nhìn chính xác hơn về khả năng thoát lũ của khu vực này.

II. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện thông qua việc sử dụng các phương pháp mô hình toán học kết hợp với các phương pháp điều tra thực địa và phân tích thống kê. Phương pháp mô hình toán học được sử dụng để mô phỏng tình hình thoát lũ trong các kịch bản khác nhau, từ đó đánh giá khả năng thoát lũ của sông Trà Khúc và sông Vệ. Các mô hình như HEC-RAS, MIKE 11 và MIKE FLOOD đã được áp dụng để tính toán lưu lượng và mực nước trong các tình huống lũ lụt khác nhau. Kết quả từ các mô hình sẽ được so sánh với dữ liệu thực tế để kiểm định tính chính xác và hiệu quả của mô hình, từ đó đưa ra các giải pháp khả thi nhằm cải thiện khả năng thoát lũ.

2.1. Thiết lập mô hình toán học

Quá trình thiết lập mô hình toán học bao gồm việc thu thập và xử lý dữ liệu địa hình, khí tượng và thủy văn. Các thông số như độ dốc, mật độ lưới sông và các yếu tố môi trường khác sẽ được đưa vào mô hình để đảm bảo tính chính xác. Việc hiệu chỉnh và kiểm định mô hình sẽ được thực hiện thông qua việc so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực tế từ các trận lũ lịch sử. Điều này không chỉ giúp đánh giá khả năng thoát lũ mà còn cung cấp thông tin quan trọng cho việc quy hoạch và quản lý lũ trong tương lai.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng thoát lũ của sông Trà Khúc và sông Vệ còn nhiều hạn chế, đặc biệt trong các trận lũ lớn. Các yếu tố như biến đổi khí hậu, sự phát triển đô thị và các hoạt động canh tác đã ảnh hưởng đến khả năng thoát lũ của hai con sông này. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc cải thiện khả năng thoát lũ cần phải thực hiện các biện pháp như nạo vét lòng sông, mở rộng cửa sông và quy hoạch các khu vực ngập lụt. Những giải pháp này không chỉ giúp cải thiện khả năng thoát lũ mà còn bảo vệ an toàn cho cộng đồng và phát triển bền vững cho khu vực.

3.1. Đề xuất giải pháp

Dựa trên kết quả nghiên cứu, một số giải pháp đã được đề xuất nhằm tăng cường khả năng thoát lũ cho sông Trà Khúc và sông Vệ. Các giải pháp bao gồm nạo vét lòng sông để tăng khả năng lưu thông nước, mở rộng cửa sông nhằm giảm áp lực trong những trận lũ lớn, và xây dựng các công trình thủy lợi để kiểm soát dòng chảy. Ngoài ra, việc nâng cao nhận thức cộng đồng về quản lý lũ và phát triển bền vững cũng cần được chú trọng để đảm bảo hiệu quả của các giải pháp đã đề xuất.

Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Trà Khúc và sông Vệ thuộc tỉnh Quảng Ngãi, khu vực có địa hình núi lấn sát biển với diện tích tự nhiên chiếm khoảng 3/4 là núi và 1/4 là đồng bằng ven biển. Hệ thống sông suối phát triển theo hình nan quạt, với độ dốc lớn ở thượng nguồn và giảm dần ở vùng đồng bằng, gây khó khăn trong việc tiêu thoát lũ, đặc biệt tại các vùng cửa sông. Quảng Ngãi là tỉnh ven biển thường xuyên chịu ảnh hưởng của bão và áp thấp nhiệt đới, gây mưa lớn và lũ lụt nghiêm trọng. Hai con sông Trà Khúc và Vệ là trọng điểm do tập trung dân cư đông đúc, nhiều thị trấn, thị xã và thành phố, nên vấn đề thoát lũ được quan tâm đặc biệt.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá khả năng thoát lũ thực tế của lưu vực sông Trà Khúc và sông Vệ bằng phương pháp mô hình toán thủy văn - thủy lực, xây dựng các kịch bản lũ nhằm đề xuất giải pháp tăng cường khả năng thoát lũ. Phạm vi nghiên cứu tập trung trên địa bàn tỉnh Quảng Ngãi, với dữ liệu thu thập từ các trạm khí tượng - thủy văn trong giai đoạn từ 1976 đến 2008. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc quy hoạch, xây dựng các biện pháp phòng chống lũ lụt hiệu quả, góp phần bảo vệ an sinh xã hội và phát triển kinh tế địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình thủy văn - thủy lực hiện đại, bao gồm:

• Lý thuyết dòng chảy sông ngòi: Phân tích đặc điểm dòng chảy, biến động lưu lượng và mực nước lũ, ảnh hưởng của địa hình và khí hậu đến quá trình thoát lũ.
• Mô hình toán thủy văn - thủy lực: Sử dụng mô hình MIKE 11 và MIKE FLOOD để mô phỏng dòng chảy một chiều và hai chiều, tính toán mực nước, lưu lượng và vùng ngập lụt.
• Khái niệm khả năng thoát lũ: Đánh giá dựa trên mối quan hệ giữa lưu lượng lũ và mực nước tại các trạm thủy văn, xác định khả năng tiêu thoát lũ của lưu vực dưới các kịch bản khác nhau.
• Khái niệm kịch bản lũ thiết kế: Xây dựng các kịch bản lũ với tần suất xuất hiện 1%, 5%, 10% để đánh giá mức độ rủi ro và hiệu quả các giải pháp thoát lũ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu khí tượng, thủy văn từ 12 trạm quan trắc trong khu vực và vùng lân cận, thu thập trong giai đoạn 1976-2008. Cỡ mẫu dữ liệu lớn, đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy cao.

Phương pháp phân tích gồm:

• Điều tra thực địa: Thu thập số liệu địa hình, đặc điểm tự nhiên, hiện trạng sử dụng đất và hệ thống sông ngòi.
• Phân tích thống kê: Xử lý số liệu mưa, dòng chảy, mực nước để xác định đặc điểm biến động, tần suất lũ và các thông số thiết kế.
• Mô hình toán thủy văn - thủy lực: Thiết lập mô hình MIKE 11 và MIKE FLOOD, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình dựa trên số liệu thực đo tại các trạm Sơn Giang (sông Trà Khúc) và An Chỉ (sông Vệ).
• Xây dựng kịch bản lũ: Mô phỏng các tình huống lũ khác nhau, bao gồm các trường hợp cửa sông bị bồi lấp hoặc trở thành đường thoát duy nhất.
• Phân tích chuyên gia: Đánh giá kết quả mô phỏng, đề xuất giải pháp tăng cường khả năng thoát lũ phù hợp với điều kiện thực tế.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ năm 2009 đến 2011, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Khả năng thoát lũ hiện trạng: Lưu lượng lũ lớn nhất tại trạm Sơn Giang trên sông Trà Khúc đạt 18.400 m³/s (năm 1986), tại trạm An Chỉ trên sông Vệ đạt 4.290 m³/s (năm 1987). Mực nước lũ tại các trạm này vượt báo động cấp III từ 1,6 đến 2,8 m, cho thấy khả năng thoát lũ hiện tại đang bị hạn chế, đặc biệt trong các trận lũ lịch sử.

2. Biến động dòng chảy và mưa: Lượng mưa năm tại vùng núi cao như Ba Tơ, Sơn Hà đạt từ 3.200 đến 4.000 mm, trong khi vùng đồng bằng ven biển chỉ khoảng 1.100 - 2.200 mm. Mưa tập trung chủ yếu vào mùa mưa từ tháng 9 đến tháng 12, chiếm 70-80% tổng lượng mưa năm. Lượng dòng chảy mùa lũ chiếm 65-75% tổng lượng dòng chảy năm, với biến động lưu lượng lũ lớn, năm nhiều nước có thể gấp 10 lần năm ít nước.

3. Ảnh hưởng của địa hình và thủy triều: Địa hình dốc ở thượng nguồn tạo dòng chảy nhanh, trong khi vùng đồng bằng có độ dốc nhỏ làm giảm khả năng tiêu thoát lũ. Hạ lưu các sông chịu ảnh hưởng thủy triều mạnh, đặc biệt khi lũ kết hợp với đỉnh triều cao gây ngập úng nghiêm trọng.

4. Hiệu quả các kịch bản mô phỏng: Mô hình toán cho thấy việc nạo vét lòng sông, mở rộng cửa sông và kết hợp cả hai giải pháp có thể giảm diện tích ngập lụt từ 20% đến 40% tùy theo kịch bản lũ thiết kế. Phương án kết hợp nạo vét và mở rộng cửa sông được đánh giá là hiệu quả nhất trong việc tăng khả năng thoát lũ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của khả năng thoát lũ hạn chế là do sự bồi lấp cửa sông, giảm tiết diện dòng chảy và ảnh hưởng của thủy triều. So với các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung đánh giá riêng từng sông, nghiên cứu này đã kết hợp mô hình toán thủy văn - thủy lực toàn lưu vực, bao gồm cả vùng cửa sông, giúp đánh giá toàn diện hơn.

Kết quả mô phỏng phù hợp với số liệu thực đo, thể hiện qua biểu đồ mực nước thực đo và tính toán tại các trạm Sơn Giang và An Chỉ, với sai số nhỏ và hệ số NASH cao. Điều này khẳng định tính chính xác của mô hình trong việc dự báo mực nước và lưu lượng lũ.

Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp cơ sở khoa học để quy hoạch và xây dựng các công trình thủy lợi, đồng thời đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm giảm thiểu thiệt hại do lũ lụt, góp phần phát triển kinh tế - xã hội bền vững cho tỉnh Quảng Ngãi.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Nạo vét lòng sông: Thực hiện nạo vét các đoạn sông bị bồi lấp, đặc biệt tại vùng cửa sông Trà Khúc và sông Vệ nhằm tăng tiết diện dòng chảy, giảm mực nước lũ. Mục tiêu giảm diện tích ngập lụt ít nhất 20% trong vòng 3 năm. Chủ thể thực hiện: Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn tỉnh Quảng Ngãi phối hợp với các đơn vị thi công.

2. Mở rộng cửa sông: Xây dựng các công trình mở rộng cửa sông, cải tạo cửa sông bị bồi tụ nhằm tăng khả năng thoát lũ và giảm ảnh hưởng thủy triều. Thời gian thực hiện dự kiến 5 năm, ưu tiên các cửa sông trọng điểm. Chủ thể: Ban Quản lý dự án đầu tư xây dựng tỉnh và các nhà thầu chuyên ngành.

3. Kết hợp nạo vét và mở rộng cửa sông: Áp dụng đồng thời hai giải pháp trên để tối ưu hóa khả năng thoát lũ, giảm diện tích ngập lụt từ 30-40%. Thực hiện theo kế hoạch 5 năm, có đánh giá hiệu quả định kỳ. Chủ thể: UBND tỉnh Quảng Ngãi chỉ đạo, phối hợp các sở ngành liên quan.

4. Xây dựng hệ thống cảnh báo và quản lý lũ: Phát triển hệ thống quan trắc, cảnh báo sớm lũ lụt dựa trên mô hình toán đã hiệu chỉnh, nâng cao năng lực quản lý và ứng phó thiên tai. Thời gian triển khai trong 2 năm. Chủ thể: Trung tâm Khí tượng Thủy văn tỉnh và các cơ quan phòng chống thiên tai.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách phòng chống lũ, quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội vùng lưu vực sông Trà Khúc và sông Vệ.

2. Các kỹ sư thủy lợi và chuyên gia môi trường: Áp dụng mô hình toán và các giải pháp kỹ thuật đề xuất trong thiết kế, thi công các công trình thủy lợi, cải tạo cửa sông và quản lý nguồn nước.

3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành thủy văn, thủy lợi: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, mô hình toán và phân tích dữ liệu khí tượng - thủy văn để phát triển các nghiên cứu tiếp theo.

4. Cơ quan phòng chống thiên tai và cứu hộ cứu nạn: Sử dụng thông tin về đặc điểm lũ, kịch bản lũ thiết kế để nâng cao hiệu quả công tác cảnh báo, ứng phó và giảm thiểu thiệt hại do lũ lụt.

Câu hỏi thường gặp

1. Khả năng thoát lũ của sông Trà Khúc và sông Vệ hiện nay như thế nào?
   Khả năng thoát lũ hiện tại còn hạn chế do bồi lấp cửa sông và ảnh hưởng thủy triều, mực nước lũ vượt báo động cấp III từ 1,6 đến 2,8 m trong các trận lũ lịch sử, gây ngập úng diện rộng.

2. Phương pháp mô hình toán nào được sử dụng trong nghiên cứu?
   Nghiên cứu sử dụng mô hình MIKE 11 và MIKE FLOOD để mô phỏng dòng chảy một chiều và hai chiều, hiệu chỉnh dựa trên số liệu thực đo tại các trạm thủy văn, đảm bảo độ chính xác cao.

3. Các giải pháp tăng cường khả năng thoát lũ được đề xuất là gì?
   Bao gồm nạo vét lòng sông, mở rộng cửa sông, kết hợp cả hai giải pháp và xây dựng hệ thống cảnh báo lũ sớm nhằm giảm diện tích ngập lụt và thiệt hại do lũ.

4. Tại sao địa hình và thủy triều ảnh hưởng lớn đến thoát lũ?
   Địa hình dốc tạo dòng chảy nhanh ở thượng nguồn, trong khi vùng đồng bằng có độ dốc nhỏ làm giảm tốc độ thoát lũ. Thủy triều cao kết hợp với lũ làm tăng mực nước, gây ngập úng nghiêm trọng ở hạ lưu.

5. Nghiên cứu có thể áp dụng cho các lưu vực sông khác không?
   Phương pháp mô hình toán và cách tiếp cận xây dựng kịch bản lũ có thể áp dụng cho các lưu vực sông có đặc điểm tương tự, giúp đánh giá và quản lý rủi ro lũ lụt hiệu quả.

Kết luận

• Đã đánh giá chi tiết khả năng thoát lũ của lưu vực sông Trà Khúc và sông Vệ dựa trên số liệu khí tượng - thủy văn và mô hình toán thủy lực.
• Xác định được các đặc điểm biến động mưa, dòng chảy và mực nước lũ, đồng thời phân tích ảnh hưởng của địa hình và thủy triều.
• Mô hình toán hiệu chỉnh chính xác, cho phép xây dựng các kịch bản lũ thiết kế phục vụ quy hoạch và phòng chống lũ.
• Đề xuất các giải pháp kỹ thuật gồm nạo vét lòng sông, mở rộng cửa sông và kết hợp hai giải pháp nhằm tăng khả năng thoát lũ, giảm thiểu ngập lụt.
• Khuyến nghị xây dựng hệ thống cảnh báo lũ sớm và nâng cao năng lực quản lý lũ cho địa phương trong giai đoạn 3-5 năm tới.

Hành động tiếp theo: Triển khai các giải pháp kỹ thuật ưu tiên, đồng thời phát triển hệ thống quan trắc và cảnh báo lũ để bảo vệ an toàn dân cư và phát triển bền vững lưu vực sông Trà Khúc và sông Vệ.