CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO LŨ VÀ LƯU VỰC NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về các phương pháp dự báo lũ 1.1 Tổng quan về các phương pháp dự báo lũ trên thế giới Trên thế giới, công nghệ dự báo lũ trên sông đã được phát triển từ rất lâu với các phương pháp dự báo ngày càng được hoàn thiện, nhất là khi công nghệ tin học và tốc độ xử lý thông tin của máy tính đã đạt được những thành tựu to lớn với các thế hệ máy tính mới liên tiếp xuất hiện. Các phương pháp dự báo lũ trên các lưu vực sông trên thế giới (Hình 1.1) có thể phân ra hai loại như sau: a) Phương pháp thống kê - Phương pháp phân tích tương quan Phân tích tương quan là một phương pháp giản đơn để dự báo dòng chảy trên sông với nội dung chính là xây dựng mối quan hệ đa biến giữa yếu tố dòng chảy cần dự báo với các nhân tố khí hậu hoặc ngay các yếu tố dòng chảy với nhau. - Phương pháp xác suất thống kê Cơ sở của phương pháp xác suất thống kê dựa trên đặc tính chất ngẫu nhiên của các đại lượng dòng chảy. Mức độ xảy ra về mặt định lượng của chúng theo không gian và thời gian tuân theo các quy luật ngẫu nhiên.
Cho nên khi áp dụng phương pháp thống kê người ta có thể xác định được mối quan hệ, sự xuất hiện cũng như tần suất xuất hiện của dòng chảy về định lượng theo không gian và thời gian qua các tham số thống kê cơ bản. Đó là việc xác định khả năng xảy ra trong tương lai của các giá trị đó với một tần suất nào đó. Bên cạnh ưu điểm dễ sử dụng, để có thể áp dụng được các mô hình thống kê, hệ số phân tích của phương trình tương quan yêu cầu phải cao và chuỗi số liệu xây dựng phương trình phân tích tương quan phải đủ dài. Các phương pháp dự báo lũ b) Phương pháp mô hình toán Mô hình toán thủy văn là mô hình hóa hệ thống thủy văn dưới dạng toán học.
Mối liên hệ định lượng giữa các đặc trưng của dòng chảy và các yếu tố hình thành dòng chảy được mô tả bằng một hệ phương trình liên kết giữa các biến vào, ra của hệ thống. Các biến này có thể là hàm của thời gian và không gian và cũng có thể là các biến ngẫu nhiên được mô tả bằng các phân bố xác suất. Từ những năm 1990, các mô hình thời tiết số trị đã được nghiên cứu và hoàn thiện phát. Trong những năm đầu của thế kỷ XXI, các mô hình NWP được nghiên cứu và phát triển trở thành các mô hình dự báo khí hậu toàn cầu.
Các kết quả này được ứng dụng tạo đầu vào cho các mô hình thủy văn, nâng cao thời gian dự kiến dự báo lũ. Cuối những năm 1970 một công nghệ mới ra đời và phát triển mạnh từ cuối năm 1990. Công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý GIS mang lại 4 sức mạnh mới trong việc thu thập, phân tích, đánh giá cũng như dự báo, cảnh báo lũ lớn và hạn hán trên lãnh thổ. Hệ thống ra đa, vệ tinh đã và đang thực sự thay đổi phương thức thu nhận thông tin trong công tác phòng chống bão - lũ.
Phương pháp ứng dụng phân tích các ảnh viễn thám đã giúp cho việc giám sát trước các đợt lũ lớn và đặc biệt lớn ảnh hưởng nghiêm trọng và nguy cơ hạn hán trước một thời gian dài trên diện rộng không giới hạn các biên giới quốc gia. Một số công nghệ dự báo lũ trên thế giới: 1-Tại Nhật Bản: Sử dụng số liệu mưa bề mặt cùng các số liệu ước lượng mưa từ vệ tinh để cảnh báo khả năng hay xác suất xảy ra lũ trên các sông lớn toàn cầu (IFNet) khi lượng mưa đã rơi vượt ngưỡng giới hạn mưa hiệu quả sinh lũ được xác định trước cho từng lưu vực. Hệ thống này chưa tính tới điều kiện mặt đệm lưu vực, ảnh hưởng của địa hình, tình trạng ẩm, hiện trạng lũ của lưu vực nên độ chính xác không cao, chỉ có tính cảnh báo xác suất có khả năng xảy ra lũ trên lưu vực sông lớn. 2-Tại Vương quốc Anh: Hệ thống cảnh báo tiên tiến phục vụ dự báo lũ nghiệp vụ phát triển và sử dụng nghiệp vụ tại Văn phòng thời tiết Anh cảnh báo lũ cho vực sông Thames.
Số liệu đầu vào vận hành các mô hình toán thủy văn là các dữ liệu mưa từ mô hình số trị, ước lượng mưa vệ tinh. 3-Tại Cộng hòa Pháp: Hệ thống cảnh báo lũ sớm ở Pháp dựa vào việc ứng dụng mô hình thủy văn thông số phân bố MARINE kết nối dự báo mưa cực ngắn và sản phẩm dự báo mưa số trị. 4-Tại Hoa Kỳ Hoa Kỳ là quốc gia phát triển nhất thế giới về khí tượng thủy văn, các thông tin dự báo về tài nguyên nước, cảnh báo hạn hán tại các lưu vực sông trên toàn quốc được cập nhật thường xuyên và đưa lên các website của Trung tâm Dự báo Khí tượng Quốc Gia, thuộc Cục Quản lý khí quyển và Đại Dương Hoa 5 Kỳ (NOAA). Toàn Hoa Kỳ có 13 trung tâm dự báo thủy văn thuộc các bang dựa vào các đường biên lưu vực, trong đó cơ quan trung ương phụ trách chung là trung tâm khí tượng quốc gia.2 Tổng quan về các phương pháp dự báo lũ tại Việt Nam Lũ là một trong các loại thiên tai nguy hiểm có sức tàn phá lớn, gây ảnh hưởng và thiệt hại lớn đến cuộc sống của người dân cũng như các hoạt động xã hội khác.
Lũ trên các sông suối miền núi diễn ra nhanh, thời gian truyền lũ và hình thành lũ trên các lưu vực sông chỉ kéo dài trong khoảng 6-18 giờ. Công tác dự báo lũ đóng vai trò quan trọng nhằm cung cấp các thông tin kịp thời về khả năng xuất hiện mực nước lũ, thời gian xuất hiện đỉnh lũ,… nhằm giúp cho cơ quan quản lý phòng chống thiên tai hiệu quả. Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương và các Đài KTTV khu vực có trách nhiệm thực hiện các bản tin dự báo, cảnh báo lũ. Các phương pháp dự báo lũ đã và đang được sử dụng trên các hệ thống sông tại Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương có thể kể đến như: a) Phương pháp phân tích thống kê Bản chất của phương pháp phân tích thống kê là sử dụng các phương trình hồi quy tuyến tính và các biểu đồ quan hệ để thiết lập mối quan hệ giữa yếu tố dự báo với các yếu tố khác, điển hình là sử dụng các phương trình hồi quy và phương pháp mực nước tương ứng.
Phương pháp này được chia ra các nhóm sau: 1- Phương pháp phân tích tương tự Đó là phương pháp dựa trên sự phân biệt hình thế thời tiết tương tự nguyên nhân gây lũ để phân tích, cảnh báo lũ. Chọn những hình thế thời tiết tương tự về đặc trưng các hệ thống thời tiết đã dự báo như vị trí đổ bộ của bão, cấp gió, không khí lạnh và các nhiễu động khác, về thời gian xuất hiện, chế độ ẩm, nhiệt. Dựa vào những hình thế thời tiết tương tự dự báo đỉnh lũ theo năm tương tự. 2- Phương pháp lập tương quan giữa đỉnh lũ và mưa 6 Đó là phương pháp dựa trên việc xây dựng các quan hệ giữa tổng lượng mưa lưu vực với đỉnh lũ hoặc biên độ lũ tại vị trí cảnh báo, có xét đến các nhân tố ảnh hưởng như thời gian mưa, cường độ mưa, mực nước chân lũ, tổng lượng lũ tuyến trên, lượng gia nhập khu giữa.
Nhược điểm của phương pháp là thời gian dự kiến ngắn, thường chỉ 6 đến 12 giờ. 3- Phương pháp dự báo mực nước (lưu lượng) tương ứng Phương pháp này dựa vào bản chất quá trình truyền lũ ở đoạn sông. Trong kỹ thuật tác nghiệp thường sử dụng quan hệ dạng đồ giải giữa mực nước trạm trên và mực nước trạm dưới tương ứng với thời gian truyền lũ từ trạm trên về trạm dưới, đôi khi xét tới tác động của gia nhập khu giữa và lượng trữ của đoạn sông đến mực nước lũ của trạm dưới. b) Phương pháp mô hình toán Từ năm 1980, các mô hình toán thủy văn như mưa rào dòng chảy, mô hình thủy lực được ứng dụng nhiều trong bài toán dự báo.
Ban đầu, các mô hình này được sử dụng dự báo hạn ngắn sau đó phát triển dần thành các mô hình dự báo hạn vừa 5-10 ngày với đầu vào là các trường mưa dự báo định lượng từ các mô hình thời tiết số trị cho phép kéo dài thời gian dự kiến và cung cấp các thông tin dự báo chi tiết theo các bước thời gian yêu cầu. Có nhiều mô hình được ứng dụng nhưng chủ yếu là các mô hình tiêu biểu như: mô hình thủy văn thông số tập trung như TANK (Nhật Bản), NAM (Đan Mạch) được ứng dụng từ sớm trên các lưu vực sông, mô hình FIRR tính toán mưa rào dòng chảy dựa trên hàm tích phân Duhamel, các mô hình thủy văn thông số phân bố MARINE (Pháp), WETSPA (Bỉ) và các mô hình thủy lực tiên tiến như HECRAS, bộ mô hình MIKE 11. Hiện nay, các mô hình TANK, NAM, MIKE11.là các mô hình đang được Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương sử dụng để dự báo lũ cho hầu hết các lưu vực sông trên toàn quốc. 7 Tại Đài KTTV khu vực Tây Bắc, các điểm dự báo thuộc khu vực Tây Bắc hầu hết đều ở vị trí thượng nguồn các sông hoặc trên các sông nhỏ với địa hình dốc, dòng chảy tập trung nhanh mỗi khi mưa lớn xuất hiện, cường suất lũ lên rất nhanh.
Tuy nhiên, các mô hình toán chưa được ứng dụng nhiều trong dự báo, cảnh báo lũ. Các phương án dự báo lũ chủ yếu được thực hiện theo các phương pháp truyền thống sử dụng các biểu đồ phân tích tương quan mưa và đỉnh lũ kết hợp với kinh nghiệm dự báo Bảng 1.1 Các phương pháp dự báo lũ tại các Đài KTTV khu vực Tây Bắc Lưu vực TT Tỉnh sông Vị trí trạm Phương pháp dự báo 1 Lai Châu Đà Mường Tè Tương quan mực nước và mưa 2 Điện Biên Đà Mường Lay Tương quan mực nước và mưa 3 Sơn La Đà Tạ Bú Tương quan mực nước và mưa 4 Sơn La Đà Xã Là Tương quan mực nước và mưa 5 Sơn La Nậm Pàn Hát Lót Tương quan mực nước và mưa 6 Hòa Bình Đà Hòa bình Tương quan mực nước và mưa 1.3 Tổng quan các mô hình toán thủy văn ứng dụng dự báo lũ Mô hình toán thủy văn được phân loại là dựa trên cơ sở xem xét sự phân bố của các biến vào, biến ra của hệ thống trong trường không gian và thời gian.