Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu quản lý thiên tai lớn về lũ lụt tại lưu vực sông Trà Bồng, Quảng Ngãi

• Tác giả: Nguyen Phu Luan
• Người hướng dẫn: Assoc. Hoang Thanh Tung
• Trường học: Thuy Loi University
• Chuyên ngành: Hydrology and Water Resources
• Đề tài: Nghiên cứu quản lý thiên tai lớn: Quản lý lũ lụt tại lưu vực sông Trà Bồng, Quảng Ngãi
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Quảng Ngãi

• ACKNOWLEDGEMENT
• ABSTRACT
• 1. INTRODUCTION
• 1.1. General Introduction
• 1.2. Description of the Study Area
• 1.3. Problems and Need of Study
• 1.4. Objectives of Study
• 1.5. Scope of Study
• 2. CHAPTER I: LITERATURE REVIEW
• 2.1. Related researches about study site
• 2.2. Flood inundation mapping
• 2.3. Geographical Information Systems in Hydrology and Water Resources
• 2.4. Flood Forecasting
• 3. CHAPTER II: APPROACH AND METHODOLOGY
• 3.1. Approach of study
• 3.2. Flood inundation map
• 3.3. Using GIS tools to develop flood inundation map
• 3.4. Theoretical Foundation of rainfall - runoff hydrological model (NAM)
• 3.4.1. The ic parameters of NAM model
• 3.4.2. Basic modelling components
• 3.4.3. Initial conditions of the model
• 3.4.4. Model calibration
• 3.5. Flood Forecasting (Mike 11 FF): Updating procedure
• 3.5.1. Two unique features MIKE 11 FPS updating procedure
• 3.5.2. The calibration updating parameters
• 3.6. Flood Forecasting Error
• 4. CHAPTER III: RESULTS AND DISCUSSIONS
• 4.1. Analysing flood features of Tra Bong river basin
• 4.2. Develop flood inundation mapping for Tra Bong river basin
• 4.3. Flow forming simulation using Mi NAM
• 4.4. NAM model calibration and verification
• 4.5. Flood flow in the downstream using Mike 11 hydraulic model
• 4.5.1. Calibration and verification of flood flow simulation model
• 4.6. Flood forecasting experiment for Tra Bong river system
• 4.7. Propose solutions of large flood managing in Tra Bong river basin
• 5. CHAPTER IV: CONCLUSION AND RECOMMENDATION
• REFERENCES
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES

I. Quản lý thiên tai lớn và lũ lụt tại lưu vực sông Trà Bồng

Nghiên cứu này tập trung vào quản lý thiên tai lớn, đặc biệt là lũ lụt tại lưu vực sông Trà Bồng, Quảng Ngãi. Thiên tai lớn như lũ lụt gây ra thiệt hại nghiêm trọng về kinh tế và xã hội, đòi hỏi các giải pháp quản lý hiệu quả. Nghiên cứu sử dụng các công cụ GIS và mô hình thủy văn, thủy lực để phân tích và dự báo lũ, từ đó đề xuất các biện pháp quản lý lũ lụt phù hợp. Lưu vực sông Trà Bồng có địa hình dốc và lượng mưa lớn, khiến lũ lụt diễn ra thường xuyên và nghiêm trọng. Nghiên cứu này nhằm giảm thiểu thiệt hại do lũ lụt gây ra, đồng thời nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên nước.

1.1. Phương pháp nghiên cứu và công cụ sử dụng

Nghiên cứu sử dụng GIS để tạo bản đồ ngập lụt dựa trên dữ liệu lịch sử và mô phỏng dòng chảy lũ bằng mô hình thủy văn NAM và mô hình thủy lực MIKE 11. Bản đồ ngập lụt được xây dựng từ 42 dấu lũ lịch sử năm 2009, kết hợp với dữ liệu địa hình DEM. Mô hình NAM được sử dụng để mô phỏng dòng chảy từ thượng nguồn, trong khi MIKE 11 dùng để mô phỏng dòng chảy lũ ở hạ lưu. Kết quả từ các mô hình này giúp dự báo lũ và đề xuất các giải pháp quản lý rủi ro thiên tai hiệu quả.

1.2. Kết quả và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu đã tạo ra bản đồ ngập lụt chi tiết cho lưu vực sông Trà Bồng và thực hiện thành công thí nghiệm dự báo lũ. Các giải pháp được đề xuất bao gồm cải thiện hệ thống cảnh báo sớm, quản lý nguồn nước hiệu quả và xây dựng các công trình phòng chống lũ. Những giải pháp này có thể được áp dụng bởi chính quyền địa phương để giảm thiểu thiên tai và nâng cao khả năng ứng phó với lũ lụt. Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc lập kế hoạch quản lý thiên tai tại Quảng Ngãi.

II. Đặc điểm lũ lụt tại lưu vực sông Trà Bồng

Lưu vực sông Trà Bồng có đặc điểm địa hình dốc và lượng mưa lớn, khiến lũ lụt diễn ra thường xuyên và nghiêm trọng. Nghiên cứu phân tích các đặc điểm lũ lụt, bao gồm mùa lũ, cường độ lũ và quá trình lũ điển hình. Lũ lụt tại Quảng Ngãi gây ra thiệt hại lớn về người và tài sản, đặc biệt là trận lũ lịch sử năm 2009. Nghiên cứu sử dụng dữ liệu từ các trạm đo mưa và mực nước để phân tích và mô phỏng lũ, từ đó đề xuất các giải pháp phòng chống lũ lụt hiệu quả.

2.1. Phân tích đặc điểm lũ lụt

Nghiên cứu phân tích các đặc điểm lũ lụt tại lưu vực sông Trà Bồng, bao gồm mùa lũ, cường độ lũ và quá trình lũ điển hình. Dữ liệu từ các trạm đo mưa và mực nước được sử dụng để xác định các yếu tố ảnh hưởng đến lũ lụt. Kết quả cho thấy, lũ lụt tại Quảng Ngãi thường xảy ra vào mùa mưa, với cường độ lớn và tốc độ dòng chảy nhanh. Trận lũ năm 2009 được coi là một trong những trận lũ nghiêm trọng nhất trong lịch sử, gây ra thiệt hại lớn về người và tài sản.

2.2. Giải pháp phòng chống lũ lụt

Dựa trên kết quả phân tích, nghiên cứu đề xuất các giải pháp phòng chống lũ lụt hiệu quả, bao gồm cải thiện hệ thống cảnh báo sớm, quản lý nguồn nước và xây dựng các công trình phòng chống lũ. Các giải pháp này nhằm giảm thiểu thiệt hại do lũ lụt gây ra và nâng cao khả năng ứng phó của cộng đồng. Nghiên cứu cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc kết hợp các biện pháp phi công trình và công trình để đạt hiệu quả cao nhất trong quản lý thiên tai.

III. Ứng dụng mô hình thủy văn và thủy lực trong quản lý lũ lụt

Nghiên cứu sử dụng mô hình thủy văn NAM và mô hình thủy lực MIKE 11 để mô phỏng và dự báo lũ tại lưu vực sông Trà Bồng. Mô hình NAM được sử dụng để mô phỏng dòng chảy từ thượng nguồn, trong khi MIKE 11 dùng để mô phỏng dòng chảy lũ ở hạ lưu. Kết quả từ các mô hình này giúp dự báo lũ và đề xuất các giải pháp quản lý rủi ro thiên tai hiệu quả. Nghiên cứu cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc kết hợp các công cụ GIS và mô hình thủy văn, thủy lực trong quản lý thiên tai.

3.1. Mô hình thủy văn NAM

Mô hình NAM được sử dụng để mô phỏng dòng chảy từ thượng nguồn của lưu vực sông Trà Bồng. Dữ liệu từ các trạm đo mưa được sử dụng làm đầu vào cho mô hình. Kết quả mô phỏng cho thấy khả năng dự báo lũ chính xác của mô hình, giúp cải thiện hiệu quả quản lý lũ lụt. Mô hình này cũng được sử dụng để xác định các yếu tố ảnh hưởng đến dòng chảy lũ, từ đó đề xuất các giải pháp quản lý nguồn nước hiệu quả.

3.2. Mô hình thủy lực MIKE 11

Mô hình MIKE 11 được sử dụng để mô phỏng dòng chảy lũ ở hạ lưu của lưu vực sông Trà Bồng. Kết quả mô phỏng cho thấy khả năng dự báo lũ chính xác của mô hình, giúp cải thiện hiệu quả quản lý lũ lụt. Mô hình này cũng được sử dụng để xác định các yếu tố ảnh hưởng đến dòng chảy lũ, từ đó đề xuất các giải pháp quản lý rủi ro thiên tai hiệu quả. Nghiên cứu nhấn mạnh tầm quan trọng của việc kết hợp các công cụ GIS và mô hình thủy văn, thủy lực trong quản lý thiên tai.

Tổng quan nghiên cứu

Lũ lớn là một trong những thảm họa thiên nhiên thường xuyên xảy ra và gây thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản trên toàn cầu. Tại Việt Nam, đặc biệt là tỉnh Quảng Ngãi, lũ lụt hàng năm đã ảnh hưởng đến khoảng 600.000 người, với một số vùng ngập sâu trên 3 mét và tần suất lũ lớn đạt 10-20%. Năm 2009, một trận lũ lịch sử đã gây thiệt hại kinh tế lên đến hơn 4.000 tỷ đồng và làm 51 người chết, 506 người bị thương. Trước thực trạng này, việc nghiên cứu quản lý lũ lớn tại lưu vực sông Trà Bồng, tỉnh Quảng Ngãi trở nên cấp thiết nhằm giảm thiểu thiệt hại và nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên nước.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là đề xuất các giải pháp quản lý lũ lớn cho lưu vực sông Trà Bồng dựa trên việc xây dựng bản đồ ngập lụt và thử nghiệm dự báo lũ hạ lưu bằng mô hình thủy văn - thủy lực kết hợp. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào lưu vực sông Trà Bồng với diện tích khoảng 697 km², bao gồm các huyện Trà Bồng và Bình Sơn, trong giai đoạn từ năm 2006 đến 2011, đặc biệt chú trọng vào trận lũ năm 2009. Kết quả nghiên cứu không chỉ có ý nghĩa khoa học mà còn hỗ trợ thiết thực cho các cơ quan quản lý địa phương trong việc lập kế hoạch phòng chống và ứng phó lũ lụt.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết và mô hình chính: mô hình thủy văn rainfall-runoff NAM và mô hình thủy lực một chiều MIKE 11 HD. Mô hình NAM mô phỏng quá trình hình thành dòng chảy từ lượng mưa qua các kho chứa nước bề mặt, tầng đất rễ và tầng nước ngầm, với các tham số như hệ số dòng chảy bề mặt CQOF, hằng số thời gian dòng chảy ngầm CKBF, và dung tích tối đa các kho chứa Umax, Lmax. Mô hình MIKE 11 HD giải các phương trình Saint Venant về bảo toàn khối lượng và động lượng, mô phỏng dòng chảy thủy lực trong mạng lưới sông với các điều kiện biên về mực nước và lưu lượng.

Các khái niệm chính bao gồm: bản đồ ngập lụt (flood inundation map), dự báo lũ (flood forecasting), mô hình thủy văn (hydrological model), mô hình thủy lực (hydrodynamic model), và hệ thống thông tin địa lý GIS. GIS được sử dụng để xử lý dữ liệu địa hình (DEM), tọa độ và cao độ các vết lũ lịch sử, từ đó xây dựng bản đồ ngập lụt chi tiết.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính gồm 42 vết lũ năm 2009 với tọa độ và cao độ chính xác, dữ liệu mưa từ 3 trạm đo mưa (Tây Trà, Trà Bồng, Châu Ổ), dữ liệu mực nước và lưu lượng tại trạm Bình Minh và Châu Ổ trong giai đoạn 2006-2011. Phương pháp chọn mẫu là thu thập toàn bộ dữ liệu quan trắc có sẵn trong khu vực nghiên cứu.

Quy trình nghiên cứu gồm: (1) phân tích đặc điểm lũ dựa trên dữ liệu lịch sử; (2) xây dựng bản đồ ngập lụt năm 2009 bằng GIS kết hợp DEM và vết lũ; (3) hiệu chỉnh và xác thực mô hình NAM với dữ liệu mưa-lưu lượng; (4) sử dụng lưu lượng tính được làm điều kiện biên đầu nguồn cho mô hình MIKE 11 HD mô phỏng dòng chảy hạ lưu; (5) thử nghiệm dự báo lũ hạ lưu dựa trên mô hình kết hợp; (6) đề xuất giải pháp quản lý lũ lớn. Thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng 5 năm, từ thu thập dữ liệu đến hoàn thiện mô hình và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Đặc điểm lũ lưu vực Trà Bồng: Lũ thường xảy ra trong mùa mưa từ tháng 9 đến tháng 12, với cường độ lũ đỉnh tại trạm Châu Ổ vượt mức báo động cấp 2 trong khoảng 20% các năm. Lượng mưa lớn nhất trong 6 giờ liên tục đạt trên 100 mm, như trận mưa ngày 27-28/9/2009.

2. Bản đồ ngập lụt năm 2009: Dựa trên 42 vết lũ, bản đồ ngập lụt cho thấy vùng hạ lưu sông Trà Bồng bị ngập sâu từ 1 đến trên 3 mét, phù hợp với dữ liệu thực tế và phản ánh chính xác phạm vi ngập lụt. Độ chính xác của bản đồ được đảm bảo nhờ độ phân giải DEM đạt 1/2000 và mật độ điểm cao.

3. Hiệu chỉnh mô hình NAM: Mô hình thủy văn NAM được hiệu chỉnh với hệ số CQOF khoảng 0.6-0.8 và hằng số thời gian CKBF từ 500 đến 1000 giờ, cho kết quả mô phỏng lưu lượng tại trạm Bình Minh với sai số trung bình dưới 10%, tương đồng với dữ liệu quan trắc.

4. Mô hình thủy lực MIKE 11 HD: Mô hình thủy lực một chiều mô phỏng chính xác diễn biến mực nước tại trạm Châu Ổ trong các trận lũ 2008, 2009, 2010 và 2011, với sai số mực nước dưới 0.2 m và hệ số tương quan trên 0.9 so với quan trắc.

5. Thử nghiệm dự báo lũ: Mô hình kết hợp cho phép dự báo mực nước lũ hạ lưu với thời gian dự báo trước 5 giờ, sai số mực nước dự báo trung bình dưới 0.3 m, giúp nâng cao khả năng cảnh báo sớm cho địa phương.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của lũ lớn là do đặc điểm địa hình dốc, lưu vực ngắn và lượng mưa lớn tập trung trong thời gian ngắn. Kết quả mô hình thủy văn và thủy lực phù hợp với các nghiên cứu trước đây tại khu vực Trung Trung Bộ, đồng thời khẳng định hiệu quả của việc kết hợp mô hình NAM và MIKE 11 HD trong điều kiện dữ liệu hạn chế. Bản đồ ngập lụt cung cấp cái nhìn trực quan về vùng nguy cơ, hỗ trợ công tác quy hoạch và ứng phó. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ mưa-lũ, bảng so sánh sai số mô hình và bản đồ ngập lụt chi tiết theo từng vùng.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Xây dựng hệ thống cảnh báo lũ sớm: Áp dụng mô hình thủy văn - thủy lực kết hợp để dự báo lũ với thời gian cảnh báo ít nhất 5 giờ, nhằm nâng cao khả năng ứng phó kịp thời. Chủ thể thực hiện: Sở Tài nguyên và Môi trường, Trung tâm Khí tượng Thủy văn tỉnh. Thời gian: 1-2 năm.

2. Phát triển bản đồ ngập lụt chi tiết: Cập nhật và mở rộng bản đồ ngập lụt cho toàn lưu vực, tích hợp GIS để hỗ trợ quy hoạch sử dụng đất và xây dựng các công trình phòng chống lũ. Chủ thể: UBND tỉnh, Viện nghiên cứu địa lý. Thời gian: 2 năm.

3. Tăng cường mạng lưới quan trắc: Lắp đặt thêm các trạm đo mưa và mực nước tại các vị trí trọng yếu để nâng cao độ chính xác dữ liệu đầu vào cho mô hình. Chủ thể: Trung tâm Khí tượng Thủy văn, Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn. Thời gian: 3 năm.

4. Tuyên truyền và đào tạo cộng đồng: Nâng cao nhận thức và kỹ năng ứng phó lũ cho người dân vùng ngập lụt thông qua các chương trình đào tạo, diễn tập và phát triển hệ thống cảnh báo trực tiếp. Chủ thể: Ban chỉ huy phòng chống thiên tai tỉnh, các địa phương. Thời gian: liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên nước và phòng chống thiên tai: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, kế hoạch quản lý lũ và phát triển hệ thống cảnh báo sớm.

2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành thủy văn, môi trường: Tham khảo phương pháp mô hình hóa kết hợp thủy văn và thủy lực, ứng dụng GIS trong quản lý lũ.

3. Đơn vị quy hoạch và xây dựng: Áp dụng bản đồ ngập lụt và dữ liệu mô hình để thiết kế các công trình phòng chống lũ, quy hoạch sử dụng đất phù hợp.

4. Cộng đồng dân cư vùng lũ: Nâng cao nhận thức về nguy cơ lũ, hiểu rõ bản đồ ngập lụt và các biện pháp phòng tránh, ứng phó hiệu quả khi xảy ra lũ lớn.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình NAM có phù hợp với điều kiện khí hậu nhiệt đới không?
   Có, NAM đã được sử dụng rộng rãi tại nhiều quốc gia nhiệt đới như Sri Lanka, Thái Lan và Việt Nam, mô hình có thể điều chỉnh tham số phù hợp với đặc điểm lưu vực.

2. Tại sao chọn mô hình thủy lực một chiều thay vì hai chiều?
   Mô hình một chiều yêu cầu dữ liệu đầu vào ít hơn, thời gian chạy nhanh hơn, phù hợp với điều kiện dữ liệu hạn chế và vẫn đảm bảo độ chính xác cao cho lưu vực sông Trà Bồng.

3. Bản đồ ngập lụt được xây dựng dựa trên dữ liệu nào?
   Dựa trên 42 vết lũ năm 2009 với tọa độ và cao độ chính xác, kết hợp với mô hình số độ cao (DEM) và công cụ GIS để xác định vùng ngập.

4. Thời gian dự báo lũ trước khi lũ xảy ra là bao lâu?
   Mô hình kết hợp cho phép dự báo trước khoảng 5 giờ, đủ thời gian để các cơ quan và người dân chuẩn bị ứng phó.

5. Giải pháp nào ưu tiên trong quản lý lũ lớn tại lưu vực?
   Ưu tiên các biện pháp phi cấu trúc như cảnh báo sớm, quy hoạch sử dụng đất, nâng cao nhận thức cộng đồng do hạn chế về nguồn lực đầu tư công trình lớn.

Kết luận

• Nghiên cứu đã xây dựng thành công bản đồ ngập lụt năm 2009 cho lưu vực sông Trà Bồng với độ chính xác cao, hỗ trợ công tác phòng chống lũ.
• Mô hình thủy văn NAM và mô hình thủy lực MIKE 11 HD được hiệu chỉnh và xác thực phù hợp với điều kiện thực tế, cho phép mô phỏng và dự báo lũ hiệu quả.
• Thử nghiệm dự báo lũ hạ lưu đạt thời gian cảnh báo trước 5 giờ với sai số mực nước dưới 0.3 m, nâng cao khả năng ứng phó.
• Đề xuất các giải pháp quản lý lũ kết hợp công nghệ mô hình hóa và GIS, đồng thời tăng cường mạng lưới quan trắc và tuyên truyền cộng đồng.
• Các bước tiếp theo bao gồm triển khai hệ thống cảnh báo lũ, cập nhật bản đồ ngập lụt mở rộng và đào tạo nhân lực liên quan.

Mời các cơ quan quản lý, nhà nghiên cứu và cộng đồng cùng phối hợp triển khai các giải pháp nhằm giảm thiểu thiệt hại do lũ lớn tại lưu vực sông Trà Bồng, góp phần phát triển bền vững kinh tế - xã hội tỉnh Quảng Ngãi.