Luận văn thạc sĩ về mô hình Mike Flood và đánh giá ngập lụt hạ lưu sông Ba

• Tác giả: Đan
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Hữu Khải
• Trường học: Đại học Thủy lợi
• Chuyên ngành: Thủy văn Tài nguyên nước
• Đề tài: Nghiên Cứu Mô Hình Mike Flood Đánh Giá Ngập Lụt Hạ Lưu Sông Ba
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÀ XÃ HỘI KHU VỰC NGHIÊN CỨU
• 1.1. Đặc điểm địa lý tự nhiên
• 1.2. Đặc điểm khí tượng - khí hậu
• 1.3. Đặc điểm thủy văn
• 1.4. Đặc điểm tình hình dân sinh kinh tế
• 2. CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN MÔ HÌNH TOÁN
• 2.1. Tổng quan các mô hình thủy văn thủy lực đang sử dụng hiện nay
• 2.2. Lựa chọn mô hình tính toán
• 2.3. Giới thiệu mô hình thủy lực MIKE-FLOOD
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH THỦY LỰC HẠ LƯU SÔNG BA
• 3.1. Sơ đồ phạm vi nghiên cứu. Cơ sở dữ liệu
• 3.2. Các bước triển khai mô hình
• 3.2.1. Thiết lập mô hình 1 chiều MIKE 11
• 3.2.2. Thiết lập biên trên cho mô hình MIKE 11
• 3.2.3. Kết nối mô hình NAM với MIKE 11
• 3.2.4. Thiết lập mô hình hai chiều MIKE 21
• 3.2.5. Thiết lập mô hình MIKE-FLOOD
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THỦY LỰC HẠ LƯU SÔNG BA
• 4.1. Hiệu chỉnh mô hình
• 4.2. Kiểm định mô hình
• 4.3. Đánh giá tình hình ngập lụt hạ lưu sông Ba
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu chung về mô hình Mike Flood

Mô hình Mike Flood là một trong những công cụ quan trọng trong việc đánh giá ngập lụt. Mô hình này cho phép mô phỏng và dự đoán tình hình ngập lụt tại các khu vực hạ lưu như sông Ba. Qua việc áp dụng mô hình này, tác giả đã có thể phân tích và đưa ra những dự báo chính xác về mức độ ngập lụt, từ đó hỗ trợ cho công tác quản lý ngập lụt hiệu quả hơn. Mô hình Mike Flood kết hợp giữa mô hình thủy văn và thủy lực, cho phép phân tích các yếu tố tác động đến tình hình ngập lụt, từ đó đề xuất các biện pháp phòng chống ngập lụt phù hợp.

1.1. Cơ sở lý thuyết của mô hình Mike Flood

Cơ sở lý thuyết của mô hình Mike Flood dựa trên các nguyên lý thủy động lực học. Mô hình này cho phép mô phỏng các quá trình biến đổi khí hậu và tác động của chúng đến tình hình ngập lụt. Việc áp dụng mô hình này đã cho thấy khả năng dự đoán chính xác về mức độ ngập lụt trong khu vực hạ lưu sông Ba, từ đó giúp các cơ quan chức năng có thể đưa ra các biện pháp ứng phó kịp thời.

II. Phân tích tình hình ngập lụt hạ lưu sông Ba

Tình hình ngập lụt ở hạ lưu sông Ba diễn ra thường xuyên và nghiêm trọng, đặc biệt trong mùa mưa. Các trận lũ lớn đã gây ra thiệt hại nặng nề về người và tài sản. Nghiên cứu cho thấy rằng, nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng này là do lượng mưa lớn kết hợp với sự phát triển đô thị và khai thác tài nguyên nước không hợp lý. Thống kê cho thấy, thiệt hại do ngập lụt ngày càng gia tăng, với các trận lũ lịch sử như năm 1993 đã gây thiệt hại lên tới 400 tỷ đồng. Điều này cho thấy sự cần thiết phải có các biện pháp quản lý ngập lụt hiệu quả hơn.

2.1. Nguyên nhân gây ngập lụt

Nguyên nhân chính gây ra ngập lụt ở hạ lưu sông Ba bao gồm lượng mưa lớn, sự thay đổi của dòng chảy và các hoạt động khai thác tài nguyên. Các yếu tố này không chỉ làm gia tăng nguy cơ ngập lụt mà còn ảnh hưởng đến chất lượng môi trường. Việc nghiên cứu và phân tích các nguyên nhân này là rất quan trọng để đề xuất các giải pháp phòng chống ngập lụt hiệu quả.

III. Đánh giá tác động của ngập lụt

Tác động của ngập lụt đến đời sống và kinh tế xã hội ở hạ lưu sông Ba là rất nghiêm trọng. Các trận lũ không chỉ gây thiệt hại về tài sản mà còn ảnh hưởng đến sức khỏe và an toàn của người dân. Nghiên cứu chỉ ra rằng, các biện pháp ứng phó hiện tại chưa đủ hiệu quả để giảm thiểu thiệt hại. Do đó, việc đánh giá và phân tích tác động của ngập lụt là cần thiết để tìm ra các giải pháp hợp lý nhằm giảm nhẹ thiệt hại.

3.1. Tác động đến môi trường

Ngập lụt gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường, bao gồm ô nhiễm nguồn nước và sự suy giảm chất lượng đất. Việc nghiên cứu tác động của ngập lụt đến môi trường sẽ giúp đưa ra các biện pháp bảo vệ và phục hồi môi trường hiệu quả hơn.

IV. Giải pháp phòng chống ngập lụt

Để giảm thiểu thiệt hại do ngập lụt, cần có các giải pháp đồng bộ và hiệu quả. Các biện pháp này bao gồm cải thiện hệ thống thoát nước, tăng cường công tác quy hoạch sử dụng đất và nâng cao nhận thức của cộng đồng về phòng chống ngập lụt. Ngoài ra, việc áp dụng mô hình Mike Flood trong dự báo và quản lý ngập lụt sẽ là một trong những giải pháp quan trọng giúp nâng cao hiệu quả công tác phòng chống ngập lụt.

4.1. Quy hoạch sử dụng đất

Quy hoạch sử dụng đất hợp lý là một trong những giải pháp quan trọng để giảm thiểu nguy cơ ngập lụt. Việc quy hoạch các khu vực nhạy cảm với lũ lụt sẽ giúp hạn chế thiệt hại và bảo vệ tài sản của người dân. Cần có các chính sách cụ thể để thực hiện quy hoạch này một cách hiệu quả.

Tổng quan nghiên cứu

Lũ lụt luôn là mối đe dọa nghiêm trọng đối với vùng hạ lưu sông Ba, một trong những lưu vực sông lớn tại miền Trung Việt Nam với diện tích khoảng 14.132 km², trải dài trên địa bàn ba tỉnh Gia Lai, Đắk Lắk và Phú Yên. Theo thống kê, các trận lũ lớn như năm 1993 đã gây thiệt hại nặng nề với gần 400 tỷ đồng, làm 72 người chết, hơn 26.000 ngôi nhà bị hư hỏng và hàng chục nghìn ha đất nông nghiệp bị ngập sâu. Mức độ thiệt hại có xu hướng gia tăng qua các năm, đòi hỏi công tác phòng chống lũ phải được nâng cao hiệu quả.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là ứng dụng mô hình thủy lực MIKE FLOOD kết hợp mô hình một chiều MIKE 11 và mô hình hai chiều MIKE 21 để tính toán, dự báo lũ và đánh giá mức độ ngập lụt tại vùng hạ lưu sông Ba, tỉnh Phú Yên. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào lưu vực hạ lưu sông Ba, với dữ liệu thu thập từ các trạm thủy văn như Củng Sơn, Sông Hinh và Phú Lâm trong giai đoạn từ năm 1976 đến 2002. Nghiên cứu nhằm cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng các phương án phòng chống lũ hiệu quả, góp phần giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản, đồng thời hỗ trợ phát triển kinh tế - xã hội bền vững trong khu vực.

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 văn - thủy lực hiện đại để mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy và ngập lụt. Hai mô hình chính được sử dụng là:

• Mô hình thủy văn NAM: Mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy trên lưu vực bằng cách mô tả các thành phần trữ lượng nước như trữ lượng tuyết, nước mặt, nước ngầm. NAM là mô đun mưa - dòng chảy của hệ thống MIKE 11, có khả năng xử lý lưu vực phức tạp với nhiều nhánh sông.

• Mô hình thủy lực MIKE FLOOD: Kết hợp mô hình một chiều MIKE 11 và mô hình hai chiều MIKE 21 để mô phỏng dòng chảy và ngập lụt trên hệ thống sông và vùng đồng bằng. MIKE 11 giải quyết bài toán dòng chảy một chiều trên mạng lưới sông, kênh với các công trình thủy lợi, đập, cống; MIKE 21 mô phỏng dòng chảy hai chiều trên vùng ngập, đồng ruộng với độ phân giải cao.

Các khái niệm chính bao gồm: hệ phương trình Saint-Venant cho dòng chảy không ổn định, đường đơn vị tổng hợp để mô phỏng tập trung nước, và các thông số thủy lực như lưu lượng, mực nước, vận tốc dòng chảy.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính gồm: số liệu thủy văn (lưu lượng, mực nước) từ 15 trạm đo đạc trong lưu vực, tài liệu địa hình số (DEM) với độ phân giải 40m x 40m, dữ liệu khí tượng (lượng mưa, tốc độ gió, nhiệt độ) từ các trạm trong khu vực nghiên cứu. Dữ liệu được thu thập trong khoảng thời gian từ năm 1976 đến 2002, tập trung vào các trận lũ lớn như năm 1993, 1988, 1986.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình thủy lực MIKE FLOOD dựa trên số liệu thực đo tại các trạm Củng Sơn, Phú Lâm.
• Mô phỏng dòng chảy và ngập lụt trong các trận lũ điển hình, đánh giá mức độ ngập lụt theo thời gian và không gian.
• So sánh kết quả mô phỏng với các nghiên cứu trước đây và số liệu thực tế để đánh giá độ tin cậy.
• Thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, bao gồm thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, hiệu chỉnh, kiểm định và phân tích kết quả.

Cỡ mẫu dữ liệu thủy văn là toàn bộ số liệu quan trắc tại các trạm trong lưu vực, phương pháp chọn mẫu là sử dụng toàn bộ dữ liệu có sẵn để đảm bảo tính đại diện và độ chính xác cao.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu chỉnh mô hình đạt độ chính xác cao: Kết quả hiệu chỉnh mô hình NAM và MIKE FLOOD cho thấy sai số giữa mực nước tính toán và thực đo tại trạm Phú Lâm trong các trận lũ lớn như 10/1993 và 11/1988 chỉ dao động trong khoảng 5-10%, chứng tỏ mô hình có khả năng mô phỏng chính xác quá trình dòng chảy và ngập lụt.

2. Mức độ ngập lụt sâu và diện rộng trong các trận lũ lớn: Trận lũ tháng 10/1993 gây ngập sâu từ 2 đến 3 mét trên diện tích hơn 20.000 ha vùng đồng bằng hạ lưu sông Ba, với thời gian ngập kéo dài từ 15/9 đến 15/12 hàng năm. Mức độ ngập lụt năm 1993 cao hơn 50% so với các trận lũ trước đó như năm 1988 và 1986.

3. Hiệu quả cắt giảm lũ của các hồ chứa còn hạn chế: Hai hồ chứa đa mục tiêu Ayun hạ và Sông Hinh chỉ có khả năng cắt giảm khoảng 15-20% tổng lượng lũ 7 ngày lớn nhất tại trạm Củng Sơn, chưa đủ để giảm thiểu thiệt hại ngập lụt cho vùng hạ lưu.

4. Đặc điểm dòng chảy và lũ lên nhanh, rút nhanh: Do địa hình dốc và mạng lưới sông ngòi phức tạp, thời gian lũ trên lưu vực thường chỉ kéo dài 3-5 ngày, với lưu lượng đỉnh chiếm 30-35% tổng lượng lũ trong một trận. Điều này gây khó khăn cho công tác dự báo và phòng chống lũ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân mức độ ngập lụt nghiêm trọng là do sự kết hợp của lượng mưa lớn trong mùa mưa, địa hình dốc, và hệ thống công trình phòng chống lũ chưa hoàn thiện. So với các nghiên cứu trước đây, việc ứng dụng mô hình MIKE FLOOD đã nâng cao độ chính xác trong mô phỏng ngập lụt, đặc biệt là khả năng mô phỏng chi tiết vùng ngập trên đồng bằng.

Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua các biểu đồ lưu lượng và mực nước tại các trạm, bản đồ phân bố mức độ ngập lụt theo thời gian, giúp trực quan hóa diễn biến lũ và hỗ trợ ra quyết định. Việc đánh giá hiệu quả các công trình hồ chứa cũng cho thấy cần thiết phải xây dựng thêm các công trình điều tiết lũ để giảm thiểu thiệt hại.

Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp công cụ dự báo và đánh giá ngập lụt chính xác, làm cơ sở khoa học cho quy hoạch phòng chống lũ, góp phần bảo vệ tính mạng và tài sản người dân vùng hạ lưu sông Ba.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Xây dựng và hoàn thiện hệ thống hồ chứa đa mục tiêu nhằm tăng khả năng cắt giảm lũ, giảm thiểu diện tích ngập lụt và thiệt hại về người và tài sản. Chủ thể thực hiện là các cơ quan quản lý thủy lợi và đầu tư công, với kế hoạch triển khai trong vòng 5-7 năm.

2. Phát triển hệ thống cảnh báo sớm và dự báo lũ chính xác dựa trên mô hình MIKE FLOOD đã hiệu chỉnh, nhằm nâng cao khả năng ứng phó kịp thời với các trận lũ lên nhanh, rút nhanh. Cơ quan khí tượng thủy văn phối hợp với địa phương triển khai trong 2-3 năm tới.

3. Xây dựng hành lang thoát lũ kết hợp với các công trình điều tiết lũ thượng lưu để tạo điều kiện thoát nước nhanh, hạn chế ngập úng kéo dài. Chủ thể là các đơn vị quy hoạch và quản lý tài nguyên nước, thực hiện trong 5 năm.

4. Tuyên truyền nâng cao nhận thức và hướng dẫn người dân sống chung với lũ, đặc biệt trong vùng hạ lưu sông Ba, nhằm giảm thiểu thiệt hại do lũ gây ra. Các tổ chức chính quyền địa phương và ban chỉ huy phòng chống thiên tai chịu trách nhiệm, triển khai liên tục hàng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách thủy lợi, phòng chống thiên tai: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng các kế hoạch, quy hoạch phòng chống lũ hiệu quả, đảm bảo an toàn cho vùng hạ lưu sông Ba.

2. Các nhà nghiên cứu và chuyên gia thủy văn, thủy lực: Tham khảo phương pháp ứng dụng mô hình MIKE FLOOD kết hợp dữ liệu thực tế để phát triển các nghiên cứu tiếp theo về mô phỏng lũ và ngập lụt.

3. Cơ quan khí tượng thủy văn và dự báo thiên tai: Áp dụng mô hình và kết quả hiệu chỉnh để nâng cao độ chính xác trong dự báo lũ, cảnh báo sớm cho người dân và các ngành kinh tế.

4. Các tổ chức phát triển kinh tế - xã hội và cộng đồng dân cư vùng hạ lưu sông Ba: Hiểu rõ đặc điểm ngập lụt và các giải pháp phòng chống để chủ động ứng phó, giảm thiểu thiệt hại và phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình MIKE FLOOD có ưu điểm gì so với các mô hình khác?
   MIKE FLOOD kết hợp mô hình một chiều và hai chiều, cho phép mô phỏng chi tiết dòng chảy trên sông và vùng ngập lụt trên đồng bằng, nâng cao độ chính xác trong dự báo ngập lụt so với mô hình chỉ một chiều hoặc hai chiều riêng lẻ.

2. Dữ liệu nào được sử dụng để hiệu chỉnh mô hình?
   Dữ liệu thủy văn gồm lưu lượng và mực nước tại các trạm Củng Sơn, Phú Lâm, Sông Hinh trong giai đoạn 1976-2002, đặc biệt tập trung vào các trận lũ lớn như năm 1993, được sử dụng để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình.

3. Tại sao vùng hạ lưu sông Ba thường bị ngập lụt nghiêm trọng?
   Do địa hình dốc, mạng lưới sông ngòi phức tạp, lượng mưa lớn trong mùa mưa và hệ thống công trình phòng chống lũ chưa hoàn thiện, dẫn đến lũ lên nhanh, rút nhanh và diện tích ngập rộng.

4. Hiệu quả của các hồ chứa hiện tại trong việc cắt giảm lũ ra sao?
   Hai hồ chứa Ayun hạ và Sông Hinh chỉ cắt giảm được khoảng 15-20% tổng lượng lũ lớn nhất, chưa đủ để giảm thiểu thiệt hại ngập lụt cho vùng hạ lưu, cần xây dựng thêm các công trình điều tiết.

5. Làm thế nào để người dân vùng hạ lưu sông Ba có thể giảm thiểu thiệt hại do lũ?
   Thông qua tuyên truyền nâng cao nhận thức, hướng dẫn kỹ năng ứng phó với lũ, xây dựng kế hoạch sơ tán và bảo vệ tài sản, đồng thời phối hợp với các cơ quan chức năng trong công tác phòng chống thiên tai.

Kết luận

• Ứng dụng mô hình MIKE FLOOD kết hợp mô hình một chiều và hai chiều đã mô phỏng chính xác quá trình dòng chảy và ngập lụt tại vùng hạ lưu sông Ba.
• Trận lũ tháng 10/1993 là trận lũ lịch sử với mức độ ngập sâu và diện rộng, gây thiệt hại lớn về người và tài sản.
• Các hồ chứa hiện có chỉ cắt giảm được một phần nhỏ lưu lượng lũ, chưa đủ để bảo vệ toàn diện vùng hạ lưu.
• Cần xây dựng hệ thống hồ chứa đa mục tiêu, phát triển hệ thống cảnh báo sớm và quy hoạch hành lang thoát lũ để giảm thiểu thiệt hại.
• Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học quan trọng cho công tác quy hoạch, quản lý và phòng chống lũ tại lưu vực sông Ba trong giai đoạn tiếp theo.

Hành động tiếp theo: Triển khai các giải pháp đề xuất, cập nhật mô hình với dữ liệu mới, mở rộng nghiên cứu sang các lưu vực lân cận để nâng cao hiệu quả phòng chống thiên tai khu vực miền Trung.