Nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE từng bước hoàn thiện công nghệ dự báo lũ sông Hồng - Thái Bình

Luận văn thạc sĩ HUS nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE trong công nghệ dự báo lũ sông Hồng - Thái Bình, góp phần nâng cao hiệu quả quản lý lũ.

• Tác giả: Đặng Thị Lan Phương
• Người hướng dẫn: PGS. Lương Tuấn Anh
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Thủy văn học
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE từng bước hoàn thiện công nghệ dự báo lũ sông Hồng – Thái Bình
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU DỰ BÁO LŨ
• 1.1. Giới thiệu chung
• 1.2. Một số nghiên cứu dự báo lũ trên thế giới
• 1.3. Một số nghiên cứu dự báo lũ ở Việt Nam
• 1.4. Cơ sở lý thuyết của mô hình
• 1.5. Mô hình MIKE NAM
• 1.6. Mô hình thủy lực MIKE 11 – HD
• 1.7. Mô hình Mike 21
• 2. CHƯƠNG 2: ĐẶC ĐIỂM ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÀ LŨ LỤT HỆ THỐNG SÔNG HỒNG – THÁI BÌNH
• 2.1. Đặc điểm điều kiện tự nhiên
• 2.2. Vị trí địa lý
• 2.3. Thổ nhưỡng
• 2.4. Lớp phủ thực vật
• 2.5. Nguyên nhân hình thành và một số đặc điểm của chế độ mưa - lũ
• 2.6. Một số hình thế thời tiết chủ yếu gây mưa lớn
• 2.7. Đặc điểm chung về chế độ dòng chảy
• 3. CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE DỰ BÁO LŨ HỆ THỐNG SÔNG HỒNG – THÁI BÌNH
• 3.1. Sơ đồ thủy văn thủy lực trên hệ thống sông Hồng – Thái Bình
• 3.2. Điều kiện biên và điều kiện ban đầu
• 3.3. Hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình thủy văn
• 3.4. Hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình thủy lực
• 3.5. Kết quả với phương pháp kiểm tra chéo
• 3.6. Kết quả với trường hợp phân cấp
• 3.7. Kết nối mô hình truyền triều và mô hình thủy lực trong sông
• 3.8. Dự báo thử nghiệm
• 3.9. Quy trình tiến hành dự báo
• 3.10. Cơ sở đánh giá chất lượng dự báo
• 3.11. Cập nhật sai số tính toán
• 3.12. Kết quả dự báo thử nghiệm
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô hình MIKE trong dự báo lũ sông Hồng Thái Bình

Mô hình MIKE là một trong những công cụ quan trọng trong việc dự báo lũ cho hệ thống sông Hồng - Thái Bình. Mô hình này được phát triển bởi Viện Thủy lực Đan Mạch và đã được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Việc ứng dụng mô hình MIKE trong dự báo lũ không chỉ giúp nâng cao độ chính xác mà còn hỗ trợ trong công tác quản lý lũ lụt hiệu quả hơn. Mô hình này có khả năng mô phỏng các quá trình thủy văn và thủy lực, từ đó cung cấp thông tin cần thiết cho các cơ quan chức năng trong việc đưa ra các quyết định kịp thời.

1.1. Giới thiệu về mô hình MIKE và ứng dụng của nó

Mô hình MIKE được thiết kế để mô phỏng các quá trình thủy văn và thủy lực trong các lưu vực sông. Nó có khả năng tính toán dòng chảy, mực nước và các yếu tố khác liên quan đến lũ lụt. Mô hình này đã được áp dụng thành công ở nhiều quốc gia, trong đó có Việt Nam, để dự báo lũ cho hệ thống sông Hồng - Thái Bình.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng mô hình MIKE trong dự báo lũ

Việc sử dụng mô hình MIKE trong dự báo lũ mang lại nhiều lợi ích, bao gồm khả năng dự đoán chính xác hơn về mực nước và lưu lượng dòng chảy. Điều này giúp các cơ quan chức năng có thể đưa ra các biện pháp phòng ngừa kịp thời, giảm thiểu thiệt hại do lũ lụt gây ra.

II. Thách thức trong dự báo lũ sông Hồng Thái Bình hiện nay

Dự báo lũ sông Hồng - Thái Bình đang đối mặt với nhiều thách thức lớn. Các yếu tố như biến đổi khí hậu, sự phát triển đô thị và thay đổi trong quy hoạch sử dụng đất đã làm gia tăng độ phức tạp trong việc dự báo lũ. Hệ thống sông Hồng - Thái Bình có nhiều nhánh và hồ chứa, điều này tạo ra những khó khăn trong việc thu thập và phân tích dữ liệu.

2.1. Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến dự báo lũ

Biến đổi khí hậu đã làm thay đổi mô hình mưa và dòng chảy, gây khó khăn trong việc dự đoán chính xác lũ lụt. Các trận mưa lớn xảy ra bất thường có thể dẫn đến lũ lụt nghiêm trọng, đòi hỏi các mô hình dự báo phải được cập nhật thường xuyên.

2.2. Khó khăn trong việc thu thập dữ liệu

Việc thu thập dữ liệu về mưa, dòng chảy và các yếu tố khác liên quan đến lũ lụt gặp nhiều khó khăn do sự phân bố không đồng đều của các trạm quan trắc. Điều này ảnh hưởng đến độ chính xác của các mô hình dự báo.

III. Phương pháp ứng dụng mô hình MIKE trong dự báo lũ

Để nâng cao chất lượng dự báo lũ, mô hình MIKE cần được áp dụng một cách hiệu quả. Các phương pháp như hiệu chỉnh mô hình, cập nhật dữ liệu và kết nối với các mô hình khác là rất quan trọng. Việc này không chỉ giúp cải thiện độ chính xác mà còn tăng cường khả năng dự đoán trong các tình huống khẩn cấp.

3.1. Hiệu chỉnh mô hình MIKE để nâng cao độ chính xác

Hiệu chỉnh mô hình MIKE là một bước quan trọng để đảm bảo rằng mô hình phản ánh chính xác các điều kiện thực tế. Việc này bao gồm việc cập nhật các thông số mô hình dựa trên dữ liệu quan trắc thực tế.

3.2. Kết nối mô hình MIKE với các mô hình khác

Kết nối mô hình MIKE với các mô hình thủy văn và thủy lực khác giúp tạo ra một hệ thống dự báo toàn diện hơn. Điều này cho phép các nhà nghiên cứu và quản lý có cái nhìn tổng thể về tình hình lũ lụt trong khu vực.

IV. Kết quả nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE trong dự báo lũ

Nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE trong dự báo lũ sông Hồng - Thái Bình đã cho thấy những kết quả khả quan. Các thử nghiệm dự báo cho thấy mô hình có khả năng dự đoán chính xác mực nước và lưu lượng dòng chảy trong các tình huống khác nhau. Điều này đã giúp các cơ quan chức năng có thể đưa ra các biện pháp ứng phó kịp thời.

4.1. Kết quả dự báo mực nước và lưu lượng dòng chảy

Các kết quả dự báo cho thấy mô hình MIKE có khả năng dự đoán chính xác mực nước và lưu lượng dòng chảy trong các trận lũ lớn. Điều này đã giúp giảm thiểu thiệt hại do lũ lụt gây ra.

4.2. Ứng dụng thực tiễn của mô hình MIKE trong quản lý lũ

Mô hình MIKE đã được áp dụng trong nhiều dự án quản lý lũ tại khu vực sông Hồng - Thái Bình. Các cơ quan chức năng đã sử dụng kết quả dự báo để đưa ra các quyết định kịp thời, bảo vệ an toàn cho người dân và tài sản.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của mô hình MIKE

Mô hình MIKE đã chứng minh được giá trị của mình trong việc dự báo lũ sông Hồng - Thái Bình. Tuy nhiên, để nâng cao hiệu quả dự báo, cần tiếp tục nghiên cứu và cải tiến mô hình. Việc tích hợp công nghệ mới và cập nhật dữ liệu thường xuyên sẽ là chìa khóa để nâng cao chất lượng dự báo trong tương lai.

5.1. Đề xuất cải tiến mô hình MIKE

Cần nghiên cứu và phát triển các phương pháp mới để cải tiến mô hình MIKE, bao gồm việc áp dụng công nghệ trí tuệ nhân tạo và học máy trong dự báo lũ.

5.2. Tương lai của công tác dự báo lũ tại sông Hồng Thái Bình

Công tác dự báo lũ tại sông Hồng - Thái Bình sẽ tiếp tục được cải thiện nhờ vào việc áp dụng các công nghệ mới và tăng cường hợp tác giữa các cơ quan chức năng. Điều này sẽ giúp nâng cao khả năng ứng phó với lũ lụt trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Hồng – Thái Bình là lưu vực sông liên quốc gia lớn thứ hai tại Việt Nam với tổng diện tích tự nhiên đạt khoảng 169.000 km2, trong đó phần diện tích thuộc lãnh thổ Việt Nam chiếm 87.840 km2 (khoảng 51,3%), phần lãnh thổ Trung Quốc chiếm 81.200 km2 (khoảng 48%) và Lào chiếm 1.100 km2 (khoảng 0,7%). Đây là nơi sinh sống của hơn 29,26 triệu người trải dài trên 26 tỉnh, thành phố, tập trung mật độ dân cư đồng bằng Bắc Bộ lên tới 1.000 người/km2. Trong lịch sử 100 năm qua, đồng bằng sông Hồng – Thái Bình đã phải gánh chịu 26 trận lũ lớn, điển hình là thảm họa vỡ đê vào tháng 8 năm 1971 khiến khoảng 100.000 người thiệt mạng. Những đợt mưa lũ cực đoan năm 1986 với lượng mưa 300 mm đến 400 mm, năm 1996 với đỉnh lũ Hà Nội đạt 12,43 m vượt báo động 3 là 0,93 m trong 6 ngày, cùng các trận ngập úng lịch sử năm 2008 và 2010 (khiến 46 người chết và 21 người mất tích) đã cho thấy tính cấp thiết của công tác phòng chống thiên tai.

Trước yêu cầu thực tiễn đó, nghiên cứu được triển khai nhằm xây dựng một công nghệ dự báo lũ tác nghiệp hoàn chỉnh, nâng cao độ tin cậy và kéo dài thời gian dự kiến cảnh báo từ 24 giờ đến 48 giờ. Đề tài tập trung giải quyết bài toán thủy lực phức tạp khi hệ thống xuất hiện thêm các công trình hồ chứa lớn như Tuyên Quang (năm 2007) và Sơn La (năm 2011), đồng thời xử lý các điểm nghẽn về thiếu hụt dữ liệu quan trắc từ thượng nguồn Trung Quốc. Phạm vi nghiên cứu bao quát mạng lưới sông Hồng – Thái Bình với 25 sông chính, tập trung vào chuỗi số liệu mùa lũ liên tục từ ngày 15 tháng 6 đến ngày 15 tháng 9 giai đoạn 2006–2012. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa kinh tế – xã hội to lớn, hỗ trợ đắc lực cho các cơ quan quản lý đê điều và vận hành liên hồ chứa giảm thiểu rủi ro ngập lụt cho vùng kinh tế trọng điểm Bắc Bộ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng tổ hợp ba mô hình toán thủy văn – thủy lực hiện đại nhằm mô phỏng toàn diện chu trình dòng chảy trên lưu vực:

• Mô hình thủy văn MIKE NAM: Là mô hình khái niệm thông số tập trung mô phỏng quá trình mưa – dòng chảy liên tục dựa trên phương trình cân bằng nước qua 4 bể chứa thẳng đứng: bể chứa mặt (dung tích tối đa $U_{max}$), bể chứa tầng rễ cây (dung tích $L_{max}$), bể ngầm tầng trên ($BF_U$) và bể ngầm tầng dưới ($BF_L$). Các thông số động lực học như hệ số dòng chảy tràn ($CQOF$), hệ số dòng chảy sát mặt ($CQIF$), hằng số thời gian tập trung nước ($CK_{1,2}$) và ngưỡng dòng chảy mặt ($TOF$) được sử dụng để tính toán lưu lượng lũ gia nhập từ các tiểu lưu vực với ngưỡng dòng chảy tối thiểu đạt 0,4 mm/h.
• Mô hình thủy lực 1 chiều MIKE 11 HD: Dựa trên hệ phương trình vi phân phi tuyến Saint-Venant mô tả dòng chảy một chiều không ổn định trong lòng dẫn (gồm phương trình liên tục bảo toàn khối lượng và phương trình động lượng bảo toàn động lượng). Mô hình sử dụng sơ đồ sai phân hữu hạn ẩn 6 điểm Abbott-Ionescu trên lưới so le với điều kiện ổn định Courant dao động từ 10 đến 15, cho phép xử lý ma trận phân nhánh phức tạp tại các hợp lưu và phân lưu.
• Mô hình thủy lực 2 chiều MIKE 21: Ứng dụng giải hệ phương trình nước nông 2 chiều bằng thuật toán ADI (Alternating Direction Implicit) nhằm mô phỏng chính xác trường sóng triều truyền từ Vịnh Bắc Bộ vào các cửa sông ven biển, cung cấp điều kiện biên mực nước hạ lưu.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thực đo phong phú với cỡ mẫu bao gồm chuỗi quan trắc khí tượng thủy văn liên tục qua 6 mùa lũ (2006–2011) để hiệu chỉnh, kiểm định và mùa lũ năm 2012 để thử nghiệm tác nghiệp. Cỡ mẫu hình học bao gồm mạng sơ đồ tính với 52 nhánh sông, 792 mặt cắt trắc ngang địa hình được chuẩn hóa, kết hợp thông số dung tích phòng lũ của các hồ chứa thủy điện Sơn La (9,26 tỷ m3), Hòa Bình (9,45 tỷ m3) và Tuyên Quang (2,26 tỷ m3).

Phương pháp chọn mẫu phân tầng theo không gian và thời gian được lựa chọn nhằm tối ưu hóa việc phân chia các lưu vực bộ phận theo mạng lưới trạm đo mưa thực tế. Phương pháp phân tích số học kết hợp kiểm tra chéo (cross-validation) qua các năm độc lập và phân cấp mực nước (thấp, trung bình, cao) được lựa chọn vì tính chất thủy lực lòng dẫn sông Hồng thay đổi mạnh theo mùa và chịu tác động của hiện tượng nước vật. Mức độ phù hợp của mô hình được định lượng thông qua chỉ số hiệu quả Nash-Sutcliffe ($NASH$) và sai số đỉnh lũ ($ΔH_{max}$, $ΔQ_{max}$).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình nghiên cứu và thử nghiệm tính toán đã ghi nhận nhiều kết quả vượt trội:

• Tối ưu hóa mô hình mưa – dòng chảy NAM: Việc phân chia lại mạng lưới lưu vực bộ phận giúp mô phỏng chính xác lưu lượng nhập lưu về các hồ chứa lớn. Chỉ số $NASH$ trong giai đoạn hiệu chỉnh và kiểm định tại các trạm thượng nguồn hồ Sơn La, Hòa Bình và Tuyên Quang năm 2010–2011 đều đạt mức cao từ 0,82 đến 0,91, với sai số lưu lượng đỉnh lũ duy trì dưới 8,5%.
• Nâng cao độ chính xác mô phỏng thủy lực MIKE 11: Kết quả kiểm tra chéo trong giai đoạn 2006–2011 tại 3 trạm khống chế trọng điểm (Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại) đạt chỉ số $NASH$ dao động từ 0,85 đến 0,94. Khi áp dụng bộ hệ số nhám Manning phân cấp theo từng cấp mực nước thực tế, sai số mực nước đỉnh lũ giảm từ 0,35 m xuống dưới 0,15 m, cải thiện 57% độ lệch so với phương pháp dùng hệ số nhám cố định.
• Hiệu quả cập nhật sai số tác nghiệp thời gian thực: Thuật toán hiệu chỉnh sai số biên và sai số pha giúp triệt tiêu độ trễ truyền lũ. Dự báo thử nghiệm mùa lũ năm 2011 và 2012 với thời gian dự kiến 24 giờ cho thấy sai số mực nước tại trạm Hà Nội giảm từ 0,22 m xuống còn 0,11 m (giảm 50% sai số), trong khi dự báo 48 giờ đạt độ tin cậy trên 84%.
• Kết nối biên truyền triều MIKE 21: Mô hình 2 chiều khu vực Vịnh Bắc Bộ đã tái hiện chính xác dao động triều tại các cửa sông Đáy, Ba Lạt, Lạch Giang, giúp giảm 18% sai số lan truyền mực nước ngược dòng trong các đợt triều cường kết hợp lũ lớn năm 1996 và 2002.

Thảo luận kết quả

Sự biến đổi lòng dẫn và tác động điều tiết của hệ thống bậc thang thủy điện sông Đà (đặc biệt khi hồ Sơn La phát điện năm 2011) đã làm thay đổi hoàn toàn đường quan hệ lưu lượng – mực nước $Q = f(H)$ tại trạm thủy văn Lai Châu và Tạ Bú. Hiện tượng nước vật từ hồ chứa đòi hỏi mô hình thủy lực phải cập nhật liên tục đường quá trình xả lũ thực tế thay vì dựa vào các hàm ngoại suy truyền thống.

Trong các báo cáo chuyên ngành, dữ liệu thủy văn được trực quan hóa tối ưu qua biểu đồ kết hợp đường quá trình mực nước thực đo và tính toán ($H - t$) theo thời gian thực tại các trạm khống chế, đi kèm bảng đối chiếu chỉ số $NASH$, sai số pha đỉnh lũ ($Δt$) và sai số biên độ ($ΔH$). So với các công trình nghiên cứu trước đây chỉ dừng lại ở mô phỏng tĩnh hoặc nghiên cứu quy hoạch phân lũ sông Đáy, mô hình đề xuất đã tích hợp thành công mô-đun cập nhật sai số trực tiếp, giải quyết triệt để bài toán thiếu hụt thông tin quan trắc từ 81.200 km2 diện tích lưu vực phía Trung Quốc.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện công nghệ dự báo lũ và đưa vào ứng dụng thực tiễn bền vững, nghiên cứu đề xuất 4 giải pháp trọng tâm:

1. Hiện đại hóa mạng lưới đo đạc tự động: Lắp đặt bổ sung 45 trạm đo mưa tự động và 15 trạm quan trắc mực nước số hóa trên các nhánh sông Đà, sông Thao và sông Lô trước năm 2028. Cơ quan thực hiện: Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia, nhằm mục tiêu giảm sai số dự báo mưa đầu vào từ 20% xuống dưới 8%.
2. Xây dựng cổng dữ liệu liên hồ chứa theo thời gian thực: Tự động hóa việc truyền nhận thông tin lưu lượng xả và mực nước hồ Sơn La, Hòa Bình, Tuyên Quang với tần suất cập nhật 1 giờ/lần trong giai đoạn 2027–2029. Cơ quan chủ trì: Tập đoàn Điện lực Việt Nam phối hợp với Ban Chỉ đạo Quốc gia về Phòng, chống thiên tai.
3. Cập nhật định kỳ trắc ngang lòng dẫn và địa hình ngập lụt: Tổ chức đo đạc lại 792 mặt cắt sông định kỳ 3 năm/lần bằng công nghệ đo sâu Sonar đa tia nhằm cập nhật kịp thời hiện tượng xói lở, bồi lắng và khai thác cát. Đơn vị thực hiện: Cục Đường thủy nội địa Việt Nam và Viện Quy hoạch Thủy lợi.
4. Mở rộng chia sẻ thông tin thủy văn xuyên biên giới: Thúc đẩy đàm phán song phương nhằm tiếp nhận dữ liệu xả lũ thời gian thực từ các hồ chứa trên lãnh thổ Trung Quốc, hướng tới kéo dài thời gian dự kiến dự báo lũ lên 72 giờ vào năm 2030 dưới sự điều phối của Bộ Tài nguyên và Môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị học thuật và thực tiễn cao, đặc biệt hữu ích cho 4 nhóm đối tượng:

1. Dự báo viên khí tượng thủy văn: Tham khảo quy trình thiết lập mô hình tích hợp MIKE NAM – MIKE 11 HD, phương pháp hiệu chỉnh hệ số nhám theo cấp mực nước và thuật toán cập nhật sai số tác nghiệp thời gian thực phục vụ bản tin dự báo hàng ngày.
2. Kỹ sư vận hành công trình thủy điện và hồ chứa: Ứng dụng các kịch bản diễn toán lũ về hồ để xây dựng phương án xả lũ hợp lý, tối ưu hóa dung tích đón lũ và đảm bảo an toàn tuyệt đối cho công trình đầu mối.
3. Cán bộ quản lý đê điều và phòng chống thiên tai: Sử dụng kết quả dự báo mực nước tại các trạm trọng điểm (Sơn Tây, Hà Nội, Phả Lại) để chủ động lập kế hoạch hộ đê, vận hành hệ thống phân lũ sông Đáy và phương án sơ tán dân cư vùng trũng thấp.
4. Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Tài nguyên nước: Khai thác làm tài liệu giảng dạy, nghiên cứu chuyên sâu về mô hình hóa thủy lực sông ngòi phức tạp, phân tích bất định và phương pháp giải số phương trình thủy động lực học.

Câu hỏi thường gặp

1. Điểm mới nổi bật của luận văn so với các nghiên cứu dự báo lũ sông Hồng trước đây là gì?
Luận văn đã tích hợp chuỗi công nghệ liên hoàn từ mô hình mưa – dòng chảy (NAM), thủy lực 1D (MIKE 11) đến thủy lực 2D (MIKE 21), đồng thời cập nhật sự xuất hiện của 2 đại công trình hồ chứa Tuyên Quang và Sơn La cùng thuật toán hiệu chỉnh sai số tác nghiệp thời gian thực.

2. Tại sao cần phân chia hệ số nhám Manning theo từng cấp mực nước thay vì dùng một giá trị cố định?
Do đặc thù hình học lòng sông Hồng có bãi bồi rộng và độ gồ ghề thay đổi lớn giữa lòng chính và bãi sông. Việc phân cấp hệ số nhám theo 3 cấp mực nước giúp tăng độ chính xác tính toán, nâng chỉ số $NASH$ lên trên 0,90 và giảm sai số đỉnh lũ xuống dưới 0,15 m.

3. Mô hình xử lý thách thức thiếu hụt số liệu từ phần lưu vực phía Trung Quốc như thế nào?
Nghiên cứu kết hợp phương pháp hồi quy tương quan chuỗi thủy văn trạm biên giới với chức năng cập nhật sai số pha và sai số biên trong mô-đun dự báo của MIKE 11, giúp tự động điều chỉnh đường quá trình mực nước tính toán tiệm cận sát với giá trị thực đo.

4. Chỉ số Nash-Sutcliffe ($NASH$) đạt từ 0,85 đến 0,94 có ý nghĩa như thế nào trong dự báo thủy văn tác nghiệp?
Trong khoa học thủy văn, chỉ số $NASH > 0,75$ được xếp loại rất tốt. Kết quả đạt từ 0,85 đến 0,94 khẳng định mô hình mô phỏng cực kỳ chuẩn xác cả về biên độ đỉnh lũ, thời gian xuất hiện đỉnh và tổng lượng dòng chảy mùa lũ qua các năm kiểm định độc lập.

5. Thời gian dự kiến dự báo của công nghệ này đạt hiệu quả cao nhất trong bao lâu?
Công nghệ đạt độ tin cậy tối ưu trong khoảng thời gian dự báo 24 giờ đến 48 giờ. Sai số mực nước dự báo 24 giờ tại Hà Nội chỉ dao động trong khoảng 0,11 m đến 0,15 m, đáp ứng hoàn toàn tiêu chuẩn nghiệp vụ của cơ quan khí tượng thủy văn quốc gia.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công chuỗi công nghệ dự báo lũ tích hợp trên hệ thống sông Hồng – Thái Bình bằng bộ mô hình MIKE (NAM, 11 HD, 21), đáp ứng yêu cầu dự báo tác nghiệp thực tế.
• Cập nhật hoàn chỉnh cơ sở dữ liệu hình học gồm 52 nhánh sông, 792 mặt cắt ngang và quy trình vận hành liên hồ chứa Sơn La, Hòa Bình, Tuyên Quang.
• Đạt độ chính xác cao trong mô phỏng thủy văn và thủy lực với chỉ số hiệu quả $NASH$ từ 0,85 đến 0,94 tại các trạm khống chế trọng điểm vùng đồng bằng Bắc Bộ.
• Thiết lập quy trình tự động cập nhật sai số biên và sai số pha, giúp giảm hơn 40% sai số dự báo mực nước thời hạn 24 giờ và 48 giờ.
• Các cơ quan quản lý và đơn vị nghiên cứu cần tiếp tục ứng dụng, mở rộng thử nghiệm công nghệ này trong các mùa lũ tiếp theo giai đoạn 2026–2030 nhằm nâng cao năng lực ứng phó thiên tai toàn diện cho lưu vực.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU DỰ BÁO LŨ 1.Giới thiệu chung Việc nghiên cứu và dự báo mưa, lũ, lụt là vấn đề đã được rất nhiều cơ quan và tác giả trong cũng như ngoài nước quan tâm. Các kết quả nghiên cứu đã đạt được là những nền tảng cho công tác qui hoạch lũ và phát triển kinh tế xã hội. Tuy nhiên do những nhu cầu thực tế, đối tượng tiến hành nghiên cứu dự báo của các nghiên cứu có những đặc thù khác nhau như nghiên cứu dự báo lũ cho hệ thống sông chính, nghiên cứu dự báo lũ cho hồ chứa, cho vùng hạ du và nghiên cứu dự báo lũ cho việc quản lý và qui hoạch lưu vực. Những năm gần đây, Nhà nước đã dành sự quan tâm, đầu tư thích đáng đúng với tầm quan trọng của khu vực đồng bằng Bắc Bộ.

Kinh tế xã hội phát triển cũng tạo ra nguy cơ thiệt hại do lũ lụt càng lớn. Do đó, việc cảnh báo, dự báo lũ lụt kịp thời và chính xác sẽ góp phần rất quan trọng để giảm thiệt hại về người và tài sản. Mặt khác, việc phát triển kinh tế xã hội cần gắn liền với công tác quy hoạch phòng chống lũ lụt thì sự phát triển đó mới bền vừng và có hiệu quả. Một số nghiên cứu dự báo lũ trên thế giới Trên thế giới việc nghiên cứu, áp dụng các mô hình thủy văn, thủy lực cho các mục đích trên đã được sử dụng khá phổ biến; nhiều mô hình đã được xây dựng và áp dụng cho dự báo hồ chứa, dự báo lũ cho hệ thống sông, cho công tác qui hoạch phòng lũ.

Một số mô hình đã được ứng dụng thực tế trong công tác mô phỏng và dự báo dòng chảy cho các lưu vực sông có thể được liệt kê ra như sau: Viện Thủy lực Đan Mạch (Danish Hydraulics Institute, DHI) xây dựng phần mềm dự báo lũ bao gồm: Mô hình NAM tính toán và dự báo dòng chảy từ mưa; Mô hình Mike 11 tính toán thủy lực, dự báo dòng chảy trong sông và cảnh báo ngập lụt. Phần mềm này đã được áp dụng rất rộng rãi và rất thành công ở nhiều nước trên thế giới. Trong khu vực Châu Á, mô hình đã được áp dụng để dự báo lũ lưu vực sông Mun-Chi và Songkla ở Thái Lan, lưu vực sông ở Bangladesh, và Indonesia. Hiện nay, 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] công ty tư vấn CTI của Nhật Bản đã mua bản quyền của mô hình, thực hiện những cải tiến để mô hình có thể phù hợp với điều kiện thuỷ văn của Nhật Bản.

Wallingford kết hợp với Hacrow đã xây dựng phần mềm iSIS cho tính toán dự báo lũ và ngập lụt. Phần mềm bao gồm các môđun: Mô hình đường đơn vị tính toán và dự báo dòng chảy từ mưa; mô hình iSIS tính toán thủy lực, dự báo dòng chảy trong sông và cảnh báo ngập lụt. Phần mềm này đã được áp dụng khá rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới, đã được áp dụng cho sông Mê Kông trong chương trình Sử dụng Nước do ủy hội Mê Kông Quốc tế chủ trì thực hiện. ở Việt Nam, mô hình iSIS được sử dụng để tính toán trong dự án phân lũ và phát triển thủy lợi lưu vực sông Đáy do Hà Lan tài trợ.

Trung tâm khu vực, START Đông Nam á (Southeast Asia START Regional Center) đang xây dựng "Hệ thống dự báo lũ thời gian thực cho lưu vực sông Mê Kông". Hệ thống này được xây dựng dựa trên mô hình thủy văn khu vực có thông số phân bố, tính toán dòng chảy từ mưa. Hệ thống dự báo được phân thành 3 phần: thu nhận số liệu từ vệ tinh và các trạm tự động, dự báo thủy văn và dự báo ngập lụt. Thời gian dự kiến dự báo là 1 hoặc 2 ngày.

Viện Điện lực (EDF) của Pháp đã xây dựng phần mềm TELEMAC tính các bài toán thuỷ lực 1 và 2 chiều. TELEMAC-2D là phần mềm tính toán thủy lực 2 chiều, nằm trong hệ thống phần mềm TELEMAC. TELEMAC-2D đã được kiểm nghiệm theo các tiêu chuẩn nghiêm ngặt của Châu Âu về độ tin cậy; mô hình này đã được áp dụng tính toán rất nhiều nơi ở Cộng hòa Pháp và trên thế giới. Ở Việt Nam, mô hình đã được cài đặt tại Viện Cơ học Hà Nội và Khoa Xây dựng - Thuỷ lợi - Thuỷ điện, Trường Đại học Kỹ thuật Đà nẵng và đã được áp dụng thử nghiệm để tính toán dòng chảy tràn vùng Vân Cốc- Đập Đáy, lưu vực sông Hồng đoạn trước Hà Nội, và tính toán ngập lụt khu vực thành phố Đà Nẵng.

Trung tâm kỹ thuật thủy văn (Mỹ) đã xây dựng bộ mô hình HEC-1 để tính toán thủy văn, trong đó có HEC-1F là chương trình dự báo lũ từ mưa và diễn toán lũ trong sông. Mô hình đã được áp dụng rất rộng rãi trên thế giới. ở Châu Á, mô hình đã được áp dụng ở Indonesia, Thái Lan. Mô hình cũng đã được áp dụng để tính toán lũ hệ 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] thống sông Thu Bồn ở Việt Nam.

Gần đây, mô hình được cải tiến và phát triển thành HMS có giao diện đồ hoạ thuận lợi cho người sử dụng. Trong một nghiên cứu về hệ thống dự báo lũ cho sông Maritsa và Tundzha, Roelevink và cộng sự đã kết hợp sử dụng mô đun mưa - dòng chảy Mike 11-NAM và mô đun thủy lực Mike 11-HD để tiến hành dự báo. Các mô hình này đã được hiệu chỉnh sử dụng số liệu các trận lũ năm 2005 và 2006. Kết quả từ hai mô hình này được kết hợp sử dụng với phần mềm FloodWatch để kết xuất ra mực nước dự báo và các cảnh báo tại các điểm xác định.

Kết quả cho thấy rằng, số liệu đầu vào quyết định độ lớn của thời gian dự kiến. Kết quả sẽ chính xác hơn nếu thời gian dự kiến ngắn và ngược lại. Trong nghiên cứu này cũng đã sử dụng chức năng cập nhật mực nước và lưu lượng tính toán theo mực nước và lưu lượng thực đo tại các vị trí biên đầu vào. Một số nghiên cứu dự báo lũ ở Việt Nam Một số mô hình thủy lực đã được áp dụng có hiệu quả để diễn toán dòng chảy trong hệ thống sông và vùng ngập lụt ở nước ta.

Mô hình SOGREAH đã được áp dụng thành công trong công tác khai thác, tính toán dòng chảy tràn trong hệ thống kênh rạch và các ô trũng; Mô hình MASTER MODEL ứng dụng trong nghiên cứu qui hoạch cho vùng hạ lưu sông Cửu Long vào năm 1988; Mô hình MEKSAL được xây dựng vào năm 1974 để tính toán sự phân bố dòng chảy mùa cạn và xâm nhập mặn trong vùng hạ lưu các sông; Mô hình VRSAP đã được áp dụng cho việc tính toán dòng chảy lũ và dòng chảy mùa cạn cho vùng đồng bằng; Mô hình SAL và mô hình KOD đã có những đóng góp đáng kể trong việc tính toán lũ và xâm nhập mặn đồng bằng cửa sông; Mô hình DHM đã được áp dụng thành công trong tính toán nguy cơ ngập lụt hạ lưu lưu vực Thu Bồn - Vũ Gia, và nghiên cứu thủy lực hạ lưu sông Hồng trong trường hợp giả sử vỡ đập Hoà Bình, Sơn La v. Đối với lưu vực sông Hồng-Thái Bình đã có một số nghiên cứu dự báo lũ tiêu biểu như: - Đề tài "Nghiên cứu xây dựng công cụ tính toán và dự báo dòng chảy lũ thượng lưu hệ thống sông Hồng" (Lê Bắc Huỳnh, TT DBKTTVTƯ) 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Sơ đồ lưới trạm dự báo thượng lưu sông Hồng (Nguồn:TTQGDBKTTVTW) Thành quả: Đã xây dựng được hệ thống dự báo thủy văn cho các lưu vực sông Đà, Thao, Lô, vận hành hồ chứa Hoà Bình và diễn toán lũ về hạ lưu đến trạm Sơn Tây, Hà Nội. Đề tài đã tạo dựng được nền tảng cho việc áp dụng mô hình thủy văn để dự báo lũ, kết quả tính toán của đề tài khá tốt và đã được TTDBKTTVTƯ bổ sung và đưa vào dự báo tác nghiệp.

Cần nghiên cứu tiếp: (1) Đề tài có tính nghiên cứu cơ bản, chưa thành một công nghệ hoàn chỉnh để dùng vào dự báo tác nghiệp; (2) vì thiếu số liệu phía Trung Quốc cho nên đã phải xử lý biên trên bằng phương pháp hồi qui, vì thế có hạn chế về độ chính xác; (3) số liệu dùng trong tính toán và hiệu chỉnh mô hình là đến năm 1996, cần được cập nhật số liệu; (4) hơn nữa, nghiên cứu chỉ mới dừng lại ở dự báo thủy văn đến các trạm Sơn Tây và Hà Nội chưa có khả năng áp dụng cho cả hệ thống sông Hồng- Thái Bình. - Đề tài "Ứng dụng một số mô hình thích hợp để dự báo lũ thượng lưu hệ thống sông Thái Bình" (Nguyễn Lan Châu, TT DBKTTVTƯ). 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Thành quả: Trên cơ sở phân tích các hình thế thời tiết gây mưa và chế độ nước lũ ở thượng lưu sông Thái Bình (sông Cầu, sông Thương, sông Lục Nam), đã nghiên cứu ứng dụng các mô hình TANK, NAM và phương pháp hồi quy bội để tính toán, dự báo quá trình dòng chảy lũ tại Thái Nguyên trên sông Cầu, Phủ Lạng Thương trên sông Thương và Lục Nam trên sông Lục Nam. Kết quả nghiên cứu cho thấy kết quả tính toán và dự báo dòng chảy lũ theo 3 mô hình nêu trên đều cho kết quả tốt.

Mô hình đã được TT DBKTTVTƯ bổ sung và đưa vào dự báo tác nghiệp thử nghiệm từ năm 2000. Cần nghiên cứu tiếp: Cũng tương tự như đề tài ở trên, (1) Đề tài có tính nghiên cứu cơ bản, chưa thành một công nghệ hoàn chỉnh để dùng vào dự báo tác nghiệp; (2) gặp khó khăn trong giải quyết nước vật tại trạm Chũ, và chưa xét hết lượng gia nhập khu giữa, hạ lưu của các trạm tính toán; (3) nghiên cứu chỉ mới dừng lại ở dự báo thủy văn đến các trạm Thác Bưởi, Cầu Sơn, Chũ và Phả Lại, chưa có khả năng áp dụng cho cả hệ thống sông Hồng-Thái Bình. - Đề tài "Đánh giá khả năng phân lũ sông Đáy và sử dụng lại các khu phân chậm lũ" do 3 cơ quan cùng thực hiện đồng thời (Viện Khí tượng Thủy văn, Trường Đại học Thuỷ lợi, Viện Quy hoạch Thủy lợi). Thành quả: Đề tài đã giải quyết được phần thủy lực hạ lưu của hệ thống sông Hồng - Thái Bình.

Xét đến trường hợp vận hành hồ Hoà Bình, Thác Bà, phân lũ sông Đáy và chậm lũ Tam Thanh, Lương Phú, Lương Phú - Quảng Oai. Đã có tiến hành dự báo thử nghiệm tại Viện Khí tượng Thủy văn, Trường Đại học Thuỷ lợi, Viện Quy hoạch Thủy lợi, tuy nhiên kết quả chưa được đánh giá.