phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo nội dung luận văn đƣợc bố cục thành 3 chƣơng: Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP DỰ BÁO LŨ Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ MÔ HÌNH ỨNG DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU Chƣơng 3: XÂY DỰNG PHƢƠNG ÁN DỰ BÁO LŨ CHO LƢU VỰC SÔNG HOÀNG LONG 3 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƢƠNG PHÁP DỰ BÁO LŨ 1.1 Tổng quan về các phƣơng pháp dự báo lũ 1.1 Tổng quan về nghiên cứu dự báo lũ trên thế giới Nhiều năm nay công tác dự báo mƣa và các yếu tố khí tƣợng của các trung tâm dự báo khí tƣợng lớn trên thế giới nhƣ Mỹ, Nhật, Đức, Pháp, Hàn Quốc. đã sử dụng nhiều công nghệ tự động phân tích và hiển thị các bản đồ thời tiết trong nghiệp vụ. Mỹ sử dụng hệ phân tích và hiển thị bản đồ thời tiết AWIPS và NAWIPS; Đức và Pháp sử dụng hệ SYNERGY; Úc sử dụng hệ AIFS,. Các hệ thống đều có đủ các chức năng quan trọng nhƣ: phân tích, hiển thị và tích hợp các loại số liệu khác nhau nhƣ số liệu quan trắc bề mặt, cao không, pilot, ship, ảnh mây vệ tinh, kết quả của các mô hình dự báo số trị,.
đồng thời cũng cho phép tạo các kịch bản dự báo thời tiết theo những hình thế gây mƣa khác nhau. Các hệ thống này đáp ứng rất tốt các yêu cầu nghiệp vụ tại các trung tâm khí tƣợng nói trên và đều có thể ứng dụng cho các trung tâm khí tƣợng khác với những nghiên cứu để điều chỉnh, bổ sung các chức năng theo yêu cầu của nghiệp vụ dự báo thời tiết của từng quốc gia. Tại Nhật, cơ quan Khí tƣợng Nhật Bản đang vận hành một hệ thống đồng hóa số liệu bốn chiều quy mô vừa là Meso 4D-Var. Với hệ thống này, nhiều loại quan trắc đƣợc đồng hóa cho các mô hình số.
Meso 4D-Var đồng hóa số liệu quan trắc từ thám không vô tuyến, các trạm khí tƣợng bề mặt, tàu thuyền, phao, máy bay, thiết bị đo mặt cắt gió, vệ tinh, radar cho mô hình dự báo quy mô vừa. Việc có một hệ thống các loại quan trắc dày đặc và hệ thống tích hợp, phân tích dữ liệu quan trắc cho mô hình số đã nâng cao đáng kể chất lƣợng dự báo của các mô hình số, đặc biệt là dự báo lƣợng mƣa. Hiện nay sự phát triển công nghệ thông tin cùng với những kết quả to lớn trong nghiên cứu tìm tòi bản chất vật lý các quá trình trong khí quyển đã tạo điều kiện cho các mô hình dự báo số ngày càng chính xác và kịp thời, dần thay thế phƣơng pháp dự báo truyền thống. Trong tác nghiệp ngày nay các nƣớc tiên tiến đều sử dụng các mô hình dự báo số trong công tác dự báo thời tiết.
Nhật đang vận hành nghiệp vụ 3 mô hình chính là mô hình phổ toàn cầu (GMS), mô hình phổ khu vực (RSM), mô hình quy mô vừa (MSM), mô hình dự báo bão (TYM); Hàn Quốc vận hành nghiệp vụ các mô hình có chức năng tƣơng tự là Mô hình dự báo toàn 4 cầu (GDAPS), Mô hình dự báo khu vực (GDAPS), Mô hình dự báo độ phân giải cao (HLAM) và Mô hình bão (DBAR). Tóm lại các trung tâm dự báo trên đã đƣa ra nhiều mô hình dự báo số phục vụ cho công tác dự báo nhất là về dự báo lƣợng mƣa tƣơng đối chính xác, cho từng vùng khác nhau trên thế giới. Qua đó giúp cho các trung tâm KTTV của các nƣớc đang phát triển tiếp cận, sử dụng trong việc cảnh báo, dự báo lũ, lụt. Dự báo lũ có vai trò quyết định trong công tác phòng chống lũ và ngập lụt ở các nƣớc, đây đƣợc xem nhƣ biện pháp phi công trình quan trọng nhất phục vụ phòng tránh thiên tai do lũ.
Cùng sự phát triển các ngôn ngữ lập trình và việc ra đời các siêu máy tính, kết hợp với các số liệu KTTV đáng tin cậy từ thông tin có đƣợc trong công nghệ viễn thám để mô phỏng quá trình dòng chảy lũ trên các lƣu vực sông, nên phƣơng pháp dự báo trong thủy văn đã có sự thay đổi, phát triển mạnh thông qua mô hình số hóa dự báo các quá trình thủy văn. Từ đó trên thế giới đã có nhiều phần mềm đƣợc xây dựng để đáp ứng yêu cầu tính toán dự báo thủy văn trên các lƣu vực sông từ thƣợng lƣu về hạ lƣu. Các phần mềm này đã giải quyết đƣợc các bài toán dự báo lũ từ mƣa, tính toán truyền lũ trong sông, điều tiết hồ chứa, ngập lụt… Hƣớng xây dựng trong các hệ thống cảnh báo, dự báo lũ, lụt dựa trên tổ hợp dự báo mƣa đã đƣợc thực hiện trong nhiều hệ thống dự báo nghiệp vụ. Trong cách tiếp cận này dự báo tổ hợp dòng chảy đã đƣợc thực hiện dựa trên các dự báo tổ hợp mƣa số trị (NWP) kết hợp với đồng bộ hóa dữ liệu, từ đó đƣa ra kết quả dự báo, cảnh báo lũ đáp ứng theo yêu cầu đặt ra của công tác dự báo.
Những năm gần đây nghiên cứu dự báo lũ thƣờng tập trung vào việc sử dụng các mô hình thủy văn, thủy lực. Việc áp dụng các mô hình này vào dự báo thủy văn tỏ ra có nhiều ƣu điểm vƣợt trội có độ chính xác cao. Sau đây là một số mô hình đƣợc các trung tâm KTTV lớn phát triển đƣợc ứng dụng rộng rãi trên thế giới: Hoa Kỳ: Bộ phận dự báo thuỷ văn thuộc Cơ quan Thời tiết Hoa kỳ sử dụng để tính toán dòng chảy từ mƣa: Mô hình SSARR là mô hình mô phỏng quá trình hình thành dòng chảy mặt, sát mặt, ngầm và quá trình tập trung nƣớc trên lƣu vực khi sử dụng thông tin về mƣa trung bình thời đoạn, quan hệ ẩm kỳ trƣớc với hệ số dòng chảy, quan hệ dòng chảy ngầm, chỉ số thấm và các thông tin khác trên lƣu vực. Mô hình HEC – RAS là mô hình do trung tâm thủy văn công trình – Đoàn công 5 binh Hoa Kỳ phát triển phân tích thủy văn thủy lực cho hệ thông sông.
Mô hình có thể áp dụng cho sông đơn hoặc cả một hệ thống sông phức tạp, có cả nhập lƣu giữa dòng. Mô hình SWAT đƣợc xây dựng bởi trung tâm phục vụ nghiên cứu nông nghiệp thuộc Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ và Trung tâm nghiên cứu nông nghiệp thuộc Đại học Texas A&M vào đầu những năm 1990 với mục đích dự báo những ảnh hƣởng của thực hành quản lý sử dụng đất đến nƣớc, sự bồi lắng và lƣợng hóa chất sinh ra từ hoạt động nông nghiệp trên những lƣu vực rộng lớn và phức tạp trong khoảng thời gian dài. Một trong những module chính của mô hình này là mô phỏng dòng chảy từ mƣa và các đặc trƣng vật lý trên lƣu vực. Canada: Mô hình WATFLOOD đƣợc ứng dụng mô phỏng thủy văn thời gian ngắn để dự báo lũ hoặc mô phỏng thời đoạn dài để tính toán nguồn nƣớc lƣu vực.
Mô hình có khả năng kết nối với lƣợng mƣa phân bố quan trắc từ trạm radar thời tiết hoặc sản phẩm của mô hình số trị. Đan Mạch: Bộ Mô hình MIKE đƣợc Viện thuỷ lực Đan Mạch phát triển xây dựng phần mềm dự báo lũ, gồm: Mô hình NAM tính toán và dự báo dòng chảy từ mƣa; Mô hình MIKE 11 là mô hình 1 chiều tính toán thủy lực, dự báo dòng chảy trong sông và cảnh báo ngập lụt; Mô hình MIKE SHE mô phỏng nhiều thành phần tham gia vào quá trình hình thành dòng chảy trên lƣu vực. Các phép tính của mô hình đƣợc chạy trên lƣới ô vuông với các dữ liệu đầu vào gồm bản đồ DEM, lớp phủ, địa chất, chỉ số thực vật, mƣa phân bố. Cộng hòa Pháp: Mô hình MARINE đƣợc ứng dụng tính toán lũ quét thời gian thực từ dự án PACTES (cảnh báo nguy cơ lũ quét theo không gian) tại Pháp với sự hỗ trợ ban đầu của Bộ nghiên cứu Pháp và Cơ quan vũ trụ Pháp để tính toán trận lũ quét xảy ra năm 1999 tại vùng phía Nam.
Trên thế giới, MARINE đƣợc đánh giá cao và đƣợc khai thác sử dụng tính toán lũ quét ở nhiều nƣớc nhƣ Pháp, Hà Lan, Brasil. Vƣơng quốc Bỉ: Mô hình WETSPA (Water and Energy Transfer between Soil, Plant and Atmosphere) đƣợc phát triển tại phòng nghiên cứu Thuỷ văn Thủy lực, khoa khoa học ứng dụng đại học tự do Brusels. Mô hình quan niệm một hệ thống thủy văn lƣu vực là tổ hợp của các quá trình khí quyển, hấp thu thực vật, vùng rễ cây, vùng chuyển nƣớc và vùng bão hoà. Mỗi một ô lại đƣợc chia thành các phần có lớp phủ và phần không thấm.
6 Nhật Bản: Mô hình IFAS (Integrate Flood Analysis System) là một phần mềm tích hợp hệ thống phân tích lũ, cốt lõi của phần mềm là mô hình thủy văn thông số phân bố tham số mô phỏng dòng chảy sƣờn dốc thông qua các lƣới DEM do tác động của lớp phủ thực vật, lớp đất của bề mặt lƣu vực và cho phép mô phỏng các thành phần dòng chảy mặt, sát mặt và dòng ngầm. Mô hình TANK ra đời năm 1956 tại trung tâm quốc gia phòng chống lũ lụt Nhật. Mô hình này áp dụng trong dự báo lũ và khôi phục chuỗi số liệu dòng chảy từ tài liệu mƣa và bốc hơi theo các điều kiện biên, điều kiện ban đầu [7].2 Tổng quan về nghiên cứu dự báo lũ ở Việt Nam Trung tâm Dự báo KTTV Trung ƣơng (TTDBTƢ) đã ứng dụng nhiều công nghệ, kỹ thuật mới với mục đích hiện đại hoá công tác thu thập, xử lý phân tích số liệu và điền bản đồ thời tiết rất hiệu quả cho công tác phục vụ dự báo mƣa và các yếu tố khí tƣợng. Cung cấp các dạng thông tin, số liệu cho các đơn vị trong ngành KTTV cũng nhƣ các đối tác trong và ngoài nƣớc.
Hiện nay, tại trung tâm ứng dụng một số công nghệ tiên tiến có thể tích hợp nhiều loại dữ liệu một cách tự động, các loại dữ liệu lại có thể lồng ghép trên cùng một bản đồ nền để tiện so sánh, phân tích, đánh giá là rất cần thiết và phù hợp với xu thế phát triển chung trong khu vực và trên thế giới đáp ứng yêu cầu phục vụ nhanh khi xảy ra các tình huống khẩn cấp. Hệ tƣơng tác hỗ trợ dự báo viên NAWIPS đƣợc tiếp nhận và nghiên cứu ứng dụng tại TTDBTƢ trong khuôn khổ của đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ “Ứng dụng phần mềm NAWIPS để xây dựng công nghệ phân tích và hiển thị bản đồ thời tiết trên máy tính” từ năm 2006 – 2008 [6].