Luận Văn Thạc Sĩ: Ứng Dụng Mô Hình MIKE 11 Để Dự Báo Lũ Hệ Thống Sông Đáy - Hoàng Long

Luận văn thạc sĩ HUS ứng dụng mô hình Mike 11 trong dự báo lũ hệ thống sông Đáy - Hoàng Long, cung cấp giải pháp hiệu quả cho quản lý lũ.

• Tác giả: Tống Ngọc Công
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Ngọc Anh
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Thủy văn học
• Đề tài: Ứng Dụng Mô Hình Mike11 Phục Vụ Dự Báo Lũ Hệ Thống Sông Đáy – Hoàng Long
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Tính cấp thiết của đề tài luận văn
• 0.2. Mục tiêu của luận văn
• 0.3. Phương pháp nghiên cứu
• 0.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 0.5. Cấu trúc luận văn
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ DỰ BÁO LŨ VÀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU
• 1.1. Giới thiệu chung về dự báo lũ
• 1.2. Một số nghiên cứu mô phỏng và dự báo lũ trên thế giới
• 1.3. Một số nghiên cứu dự báo lũ ở Việt Nam
• 1.4. Giới thiệu về dự báo lũ tại Đài KTTV tỉnh Hà Nam, Đài KTTV tỉnh Ninh Bình
• 1.5. Giới thiệu chung về khu vực nghiên cứu
• 1.5.1. Đặc điểm địa lý tự nhiên
• 1.5.2. Đặc điểm kinh tế xã hội
• 2. CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU MÔ HÌNH MIKE11
• 2.1. Giới thiệu mô hình NAM
• 2.2. Cơ sở lý thuyết của mô hình thủy lực trong MIKE11
• 2.3. Phương pháp đánh giá sai số
• 3. CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE11 PHỤC VỤ DỰ BÁO LŨ HỆ THỐNG SÔNG ĐÁY – HOÀNG LONG
• 3.1. Cơ sở dữ liệu
• 3.2. Thiết lập mô hình MIKE11
• 3.3. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình
• 3.4. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE-NAM
• 3.5. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình MIKE11
• 3.6. Ứng dụng mô hình MIKE11 đã xây dựng vào dự báo thử nghiệm
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Ứng Dụng Mô Hình MIKE 11 Trong Dự Báo Lũ

Mô hình MIKE 11 là một trong những công cụ mạnh mẽ trong việc dự báo lũ cho các hệ thống sông. Đặc biệt, mô hình này đã được áp dụng thành công trong nhiều nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam. Việc ứng dụng mô hình này không chỉ giúp nâng cao độ chính xác trong dự báo mà còn hỗ trợ công tác quản lý lũ hiệu quả hơn. Mô hình MIKE 11 cho phép mô phỏng dòng chảy, phân tích lũ và cảnh báo ngập lụt, từ đó giúp các cơ quan chức năng có những biện pháp ứng phó kịp thời.

1.1. Mô Hình MIKE 11 Là Gì

Mô hình MIKE 11 là một phần mềm mô phỏng thủy lực, được phát triển bởi Viện Thủy lực Đan Mạch. Mô hình này cho phép tính toán và dự báo dòng chảy trong các hệ thống sông, từ đó hỗ trợ trong việc quản lý lũ và ngập lụt. MIKE 11 sử dụng các phương pháp số học tiên tiến để mô phỏng các quá trình thủy văn phức tạp.

1.2. Lợi Ích Của Việc Ứng Dụng Mô Hình MIKE 11

Việc ứng dụng mô hình MIKE 11 mang lại nhiều lợi ích cho công tác dự báo lũ. Đầu tiên, mô hình này giúp nâng cao độ chính xác trong việc dự báo mực nước lũ. Thứ hai, nó cho phép phân tích các kịch bản khác nhau về lũ, từ đó giúp các cơ quan chức năng có những biện pháp ứng phó kịp thời. Cuối cùng, mô hình còn hỗ trợ trong việc quy hoạch tài nguyên nước và quản lý rủi ro thiên tai.

II. Thách Thức Trong Dự Báo Lũ Hệ Thống Sông Đáy Hoàng Long

Hệ thống sông Đáy - Hoàng Long thường xuyên phải đối mặt với nhiều thách thức trong công tác dự báo lũ. Các yếu tố như biến đổi khí hậu, sự phát triển đô thị và thay đổi trong sử dụng đất đều ảnh hưởng đến dòng chảy và mực nước. Những thách thức này đòi hỏi các phương pháp dự báo phải được cải tiến và cập nhật thường xuyên.

2.1. Biến Đổi Khí Hậu Và Tác Động Đến Dự Báo Lũ

Biến đổi khí hậu đã làm gia tăng tần suất và cường độ của các hiện tượng thời tiết cực đoan, dẫn đến những thay đổi lớn trong dòng chảy của các sông. Điều này gây khó khăn cho việc dự báo lũ, đặc biệt là trong các tình huống bất thường.

2.2. Sự Phát Triển Đô Thị Và Ảnh Hưởng Đến Dòng Chảy

Sự phát triển đô thị xung quanh hệ thống sông Đáy - Hoàng Long đã làm thay đổi cấu trúc dòng chảy tự nhiên. Việc xây dựng các công trình hạ tầng có thể làm tăng nguy cơ ngập lụt, do đó cần có các phương pháp dự báo phù hợp để ứng phó với những thay đổi này.

III. Phương Pháp Ứng Dụng Mô Hình MIKE 11 Trong Dự Báo Lũ

Để ứng dụng mô hình MIKE 11 trong dự báo lũ, cần thực hiện một số bước quan trọng. Đầu tiên là thu thập dữ liệu đầu vào, bao gồm số liệu khí tượng, thủy văn và các thông tin liên quan khác. Sau đó, thiết lập mô hình và tiến hành hiệu chỉnh để đảm bảo độ chính xác cao nhất.

3.1. Thu Thập Dữ Liệu Đầu Vào

Việc thu thập dữ liệu là bước đầu tiên và quan trọng trong quá trình ứng dụng mô hình MIKE 11. Dữ liệu cần thiết bao gồm thông tin về lượng mưa, nhiệt độ, độ ẩm và các thông số thủy văn khác. Những dữ liệu này sẽ được sử dụng để mô phỏng dòng chảy và dự báo lũ.

3.2. Thiết Lập Mô Hình MIKE 11

Sau khi thu thập dữ liệu, bước tiếp theo là thiết lập mô hình MIKE 11. Điều này bao gồm việc xác định các thông số mô hình, thiết lập mạng lưới sông và các mặt cắt ngang. Quá trình này cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo mô hình phản ánh chính xác thực tế.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Ứng Dụng Mô Hình MIKE 11

Kết quả từ việc ứng dụng mô hình MIKE 11 cho thấy độ chính xác cao trong việc dự báo lũ tại hệ thống sông Đáy - Hoàng Long. Các thử nghiệm cho thấy mô hình có khả năng dự báo mực nước lũ với sai số cho phép, từ đó giúp các cơ quan chức năng có những biện pháp ứng phó kịp thời.

4.1. Đánh Giá Độ Chính Xác Của Mô Hình

Kết quả đánh giá cho thấy mô hình MIKE 11 có độ chính xác cao trong việc dự báo mực nước lũ. Các số liệu thực đo được so sánh với kết quả dự báo cho thấy sai số nằm trong giới hạn cho phép, điều này chứng tỏ tính khả thi của mô hình trong thực tiễn.

4.2. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Kết Quả Nghiên Cứu

Kết quả nghiên cứu không chỉ có giá trị trong việc dự báo lũ mà còn hỗ trợ trong công tác quy hoạch tài nguyên nước và quản lý rủi ro thiên tai. Các cơ quan chức năng có thể sử dụng kết quả này để xây dựng các phương án ứng phó hiệu quả hơn.

V. Kết Luận Về Ứng Dụng Mô Hình MIKE 11 Trong Dự Báo Lũ

Mô hình MIKE 11 đã chứng minh được giá trị của mình trong việc dự báo lũ cho hệ thống sông Đáy - Hoàng Long. Việc ứng dụng mô hình này không chỉ giúp nâng cao độ chính xác trong dự báo mà còn hỗ trợ công tác quản lý lũ hiệu quả hơn. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu và cải tiến để đáp ứng tốt hơn với các thách thức trong tương lai.

5.1. Tương Lai Của Mô Hình MIKE 11 Trong Dự Báo Lũ

Trong tương lai, mô hình MIKE 11 có thể được cải tiến và phát triển thêm để đáp ứng tốt hơn với các yêu cầu dự báo lũ. Việc tích hợp công nghệ mới và dữ liệu lớn sẽ giúp nâng cao độ chính xác và khả năng dự báo của mô hình.

5.2. Đề Xuất Các Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo

Cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện các phương pháp dự báo lũ, đặc biệt là trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Việc áp dụng các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và học máy có thể mở ra những hướng đi mới trong công tác dự báo lũ.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hệ thống sông Đáy – Hoàng Long là mạng lưới thủy văn trọng yếu thuộc vùng hạ lưu châu thổ sông Hồng, bao phủ diện tích tự nhiên 7.665 km² của sông Đáy và 1.515 km² của sông Hoàng Long. Khu vực này là nơi sinh sống và phát triển kinh tế của hơn 10 triệu dân cư trên địa bàn 5 tỉnh, thành phố gồm Hà Nội, Hà Nam, Ninh Bình, Nam Định và Hòa Bình. Dưới tác động mạnh mẽ của biến đổi khí hậu, các hiện tượng thời tiết cực đoan và thiên tai lũ lụt trong lưu vực diễn biến ngày càng phức tạp. Điển hình trong đợt mưa lũ lịch sử tháng 10 năm 2017, lượng mưa tích lũy tại Phủ Lý đạt 356,4 mm, khiến mực nước sông Đáy dâng cao tới 4,93 m (vượt báo động 3 là 0,83 m), đe dọa nghiêm trọng hệ thống đê điều và đời sống dân sinh.

Trước đây, công tác nghiệp vụ tại Đài Khí tượng Thủy văn tỉnh Hà Nam và Đài Khí tượng Thủy văn tỉnh Ninh Bình chủ yếu dựa trên các phương pháp thống kê tương quan và xu thế mực nước đơn biến. Các phương án này bộc lộ nhược điểm lớn khi chỉ áp dụng tốt trong điều kiện lũ lên xuống đều, mức bảo đảm dự báo chỉ dao động từ 62% đến 75%, không thể hiện được tính đột biến khi có sự kết hợp của tổ hợp thời tiết bất thường, lũ thượng nguồn và triều cường.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là ứng dụng chuỗi mô hình số trị MIKE11 (kết hợp mô-đun thủy văn NAM và mô-đun thủy lực HD) để mô phỏng chính xác dòng chảy lũ, xây dựng phương án dự báo nghiệp vụ mực nước lũ tại hai trạm trọng điểm Phủ Lý (sông Đáy) và Gián Khẩu (sông Hoàng Long) với thời gian dự kiến từ 12 đến 24 giờ. Nghiên cứu thực hiện trên phạm vi toàn bộ lưu vực với chiều dài dòng chính hơn 250 km, khai thác chuỗi số liệu quan trắc 50 năm (1961 - 2010) và dữ liệu các trận lũ lớn giai đoạn 2000 - 2018. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn to lớn, trực tiếp phục vụ phân cấp dự báo theo Quyết định số 392/QĐ-KTTVQG và Quyết định số 46/2014/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ, nâng mức bảo đảm dự báo đạt trên 80%, góp phần giảm thiểu rủi ro thiên tai và bảo vệ an toàn kinh tế - xã hội địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng tổ hợp hai mô hình cốt lõi do Viện Thủy lực Đan Mạch phát triển: mô hình mưa – dòng chảy MIKE-NAM và mô hình thủy động lực một chiều MIKE11 HD.

Mô hình NAM là dạng mô hình thủy văn thông số tập trung, mô tả chu trình nước trong tự nhiên thông qua hệ thống 5 bể chứa thẳng đứng liên hoàn:

• Bể chứa tuyết tan (được bỏ qua do đặc thù khí hậu nhiệt đới Việt Nam).
• Bể chứa bề mặt với lượng trữ ẩm cực đại Umax (dao động từ 10 mm đến 25 mm), kiểm soát dòng chảy tràn và lượng nước chặn giữ của thảm phủ thực vật.
• Bể chứa tầng rễ cây với giới hạn ẩm Lmax (dao động từ 100 mm đến 300 mm), quyết định lượng bốc thoát hơi nước thực tế Ea và lượng nước ngấm xuống tầng sâu.
• Hai bể chứa nước ngầm tầng trên và tầng dưới hoạt động như các hồ chứa tuyến tính, điều tiết dòng chảy ngầm và duy trì dòng chảy kiệt.

Mô hình thủy lực MIKE11 HD vận hành dựa trên hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng phi tuyến Saint-Venant gồm phương trình liên tục và phương trình bảo toàn động lượng một chiều:

• Phương trình liên tục: Đạo hàm riêng của lưu lượng Q theo không gian x cộng với đạo hàm riêng của diện tích mặt cắt ướt A theo thời gian t bằng lưu lượng gia nhập khu giữa q.
• Phương trình động lượng: Mô tả sự cân bằng giữa gia tốc dòng chảy, độ dốc mặt nước, trọng lực và lực ma sát đáy được biểu diễn qua hệ số nhám Manning n hoặc hệ số Chezy C.
• Sơ đồ sai phân 6 điểm ẩn Abbott-Ionescu: Phương pháp số giải hệ phương trình Saint-Venant trên lưới điểm xen kẽ giữa lưu lượng (Q) và mực nước (h), bảo đảm tính ổn định và hội tụ cao đối với dòng chảy không ổn định.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn cơ sở dữ liệu quan trắc khí tượng thủy văn được thu thập đồng bộ trên chuỗi thời gian 50 năm (1961 - 2010) từ 12 trạm khí tượng tiêu biểu (Láng, Hà Đông, Hòa Bình, Kim Bôi, Chi Nê, Nho Quan, Ninh Bình, Hà Nam...) và 8 trạm thủy văn chính (Ba Thá, Phủ Lý, Hưng Thi, Bến Đế, Gián Khẩu, Ninh Bình, Như Tân, Nam Định). Dữ liệu hình học lòng dẫn bao gồm 52 nhánh sông chính với hệ thống hàng trăm mặt cắt ngang được cập nhật chi tiết.

Phương pháp chọn mẫu phi xác suất có chủ đích được áp dụng để lựa chọn các trận lũ lịch sử điển hình có biên độ lớn và hình thế thời tiết phức tạp: các trận lũ năm 2000 và 2017 được sử dụng cho giai đoạn hiệu chỉnh mô hình; các trận lũ năm 2001, 2003 và 2010 dùng cho giai đoạn kiểm định; đợt lũ tháng 7 năm 2018 (với chuỗi 20 ngày dự báo liên tục) dùng để thử nghiệm nghiệp vụ.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích số trị MIKE11 thay vì các mô hình thống kê truyền thống xuất phát từ đặc điểm thủy lực phức tạp của lưu vực: dòng chảy chịu sự tác động đồng thời của lũ rừng ngang thượng lưu Hòa Bình, dòng phân lũ từ sông Hồng qua sông Đào Nam Định với lưu lượng chuyển tải hàng năm khoảng 20 tỷ m³ nước, và hiện tượng triều dềnh từ vịnh Bắc Bộ truyền sâu vào nội địa từ 50 km đến 150 km. Chỉ có mô hình thủy động lực một chiều Saint-Venant mới có thể tái hiện chính xác các tương tác thủy lực phi tuyến và hiện tượng nước dâng này.

Timeline nghiên cứu được triển khai chặt chẽ qua các bước: tiền xử lý số liệu mưa bình quân theo 12 tiểu lưu vực, hiệu chỉnh tự động và thủ công bộ thông số NAM, thiết lập sơ đồ mạng lưới thủy lực, kiểm tra độ nhạy của hệ số nhám và đánh giá sai số theo quy chuẩn ngành khí tượng thủy văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình nghiên cứu và mô phỏng thực nghiệm đã đem lại các phát hiện khoa học mang tính đột phá:

Thứ nhất, mô hình MIKE-NAM đạt độ chính xác rất cao trong việc chuyển đổi mưa thành dòng chảy tại các trạm biên trên. Kết quả hiệu chỉnh với các trận lũ năm 2000 và 2017 cho hệ số Nash-Sutcliffe (NASH) đạt từ 0,82 đến 0,89 tại trạm Ba Thá (sông Đáy) và trạm Hưng Thi (sông Hoàng Long). Trong giai đoạn kiểm định với các trận lũ năm 2001 và 2010, hệ số NASH duy trì ổn định từ 0,78 đến 0,85. Sai số tổng lượng dòng chảy lũ luôn dưới 8,5%, và sai số lưu lượng đỉnh lũ dao động trong ngưỡng 5% đến 11%.

Thứ hai, mô hình thủy lực MIKE11 HD mô phỏng chính xác biên độ và đường quá trình mực nước lũ tại hai vị trí trọng yếu Phủ Lý và Gián Khẩu. Trong trận lũ lịch sử tháng 10 năm 2017, mực nước đỉnh thực đo tại Phủ Lý đạt 4,93 m, giá trị mô phỏng đạt 4,99 m, sai số tuyệt đối chỉ 6 cm (tương đương sai số tương đối 1,2%), hệ số tương quan Nash đạt 0,91 tại Phủ Lý và 0,88 tại Gián Khẩu. Trong giai đoạn kiểm định các năm 2003 và 2010, sai số đỉnh lũ luôn nhỏ hơn 12 cm, sai số thời gian xuất hiện đỉnh lũ chênh lệch không quá 1 đến 2 giờ.

Thứ ba, nghiên cứu xác lập được bộ thông số nhám Manning n thực nghiệm tối ưu cho hệ thống sông: lòng sông chính có hệ số nhám dao động từ 0,028 đến 0,035; bãi tràn ngập lũ có hệ số nhám từ 0,040 đến 0,055. Đồng thời, thời gian truyền lũ trung bình từ Hưng Thi về Bến Đế được định lượng chính xác là 17,5 giờ và từ Ba Thá về Phủ Lý là 10,1 giờ.

Thứ tư, kết quả dự báo thử nghiệm trong đợt lũ từ ngày 16/7/2018 đến 04/8/2018 (20 lần phát bản tin dự báo liên tục với bước thời gian 12 - 24 giờ) cho thấy mức bảo đảm dự báo đỉnh lũ đạt 85,0% tại trạm Phủ Lý và 80,0% tại trạm Gián Khẩu. Mức độ tin cậy này vượt trội hoàn toàn so với mức 62% của phương pháp ngoại suy xu thế cũ.

Thảo luận kết quả

Các kết quả mô phỏng được thể hiện trực quan thông qua hệ thống biểu đồ so sánh đường quá trình mực nước thực đo và tính toán theo bước thời gian từng giờ, cùng các bảng tổng hợp chỉ số thống kê sai số (NASH, sai số mực nước đỉnh Delta H, sai số thời gian Delta T). Việc trình bày dữ liệu dạng đồ thị đường kép giúp các dự báo viên theo dõi trực tiếp thời điểm lũ lên nhanh (cường suất lũ lớn nhất đạt 21 cm/giờ tại Bến Đế và 14 cm/giờ tại Phủ Lý), qua đó nhận diện rõ ràng thời điểm xuất hiện đỉnh lũ để kịp thời cảnh báo.

Nguyên nhân chính dẫn đến sai số cục bộ ở một số thời đoạn là do sự phân bố mưa không đồng đều giữa các tiểu lưu vực vùng núi và hiện tượng bồi lắng, cản trở thoát lũ do hoạt động bồi lấp lòng sông ở vùng hạ lưu. So sánh với các nghiên cứu trước đây trên lưu vực sông Hồng – Thái Bình (từng sử dụng 792 mặt cắt), mô hình ứng dụng cho hệ thống Đáy – Hoàng Long đã giải quyết xuất sắc bài toán biên triều vịnh Bắc Bộ (với biên độ dao động từ 120 cm đến 300 cm), hạn chế triệt để tính chủ quan của dự báo viên và nâng cao chất lượng bản tin cảnh báo sớm thêm từ 6 đến 12 giờ.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm phát huy tối đa giá trị thực tiễn của đề tài, 4 nhóm giải pháp trọng tâm được kiến nghị thực hiện:

1. Tích hợp chuẩn hóa mô hình MIKE11 vào quy trình tác nghiệp thường trực: Tổng cục Khí tượng Thủy văn chỉ đạo Đài Khí tượng Thủy văn khu vực đồng bằng Bắc Bộ cùng hai Đài KTTV tỉnh Hà Nam và Ninh Bình đưa bộ công cụ MIKE11 vào vận hành chính thức trong giai đoạn 2024 - 2026, phấn đấu duy trì tỷ lệ dự báo đạt chuẩn nghiệp vụ trên 85% và bảo đảm thời gian dự kiến phát tin trước 24 giờ.
2. Tăng cường mật độ mạng lưới quan trắc mưa tự động: Ủy ban nhân dân các tỉnh Hà Nam, Ninh Bình, Hòa Bình phối hợp cùng Bộ Tài nguyên và Môi trường phê duyệt lắp đặt bổ sung 25 trạm đo mưa tự động tại các khu vực sườn đón gió và thượng nguồn sông Bôi, sông Tích trong giai đoạn 2025 - 2027, nhằm giảm sai số tính toán mưa bình quân lưu vực xuống dưới 5%.
3. Định kỳ đo đạc và cập nhật biến động địa hình lòng dẫn: Chi cục Thủy lợi và Quản lý Đê điều các địa phương tổ chức đo đạc lại toàn bộ 52 tuyến mặt cắt ngang sông Đáy và sông Hoàng Long với tần suất 3 năm một lần (bắt đầu từ quý IV/2024 đến năm 2027), giúp cập nhật kịp thời hiện tượng xói lở, bồi lắng và tái hiệu chỉnh hệ số nhám n trong mô hình thủy lực.
4. Xây dựng hệ thống hỗ trợ ra quyết định và cảnh báo ngập lụt tự động: Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Hà Nam và Ninh Bình phối hợp các đơn vị công nghệ xây dựng nền tảng WebGIS cảnh báo ngập lụt thời gian thực giai đoạn 2025 - 2028, tự động chuyển tải thông tin cảnh báo ngập lụt tới hơn 500.000 người dân vùng trũng thấp trong vòng 15 phút sau khi mô hình hoàn tất tính toán.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thiết thực cho 4 nhóm đối tượng:

1. Dự báo viên tại các Đài Khí tượng Thủy văn khu vực và cấp tỉnh: Nắm vững quy trình thiết lập, hiệu chỉnh thông số mô hình NAM và MIKE11 HD để ứng dụng trực tiếp vào công tác ban hành bản tin dự báo lũ hàng ngày, nâng cao độ chính xác tại các vị trí xung yếu Phủ Lý và Gián Khẩu.
2. Cán bộ quản lý đê điều và Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai cấp tỉnh, huyện: Sử dụng các kịch bản mô phỏng ngập lụt và mốc thời gian truyền lũ (10,1 giờ từ Ba Thá về Phủ Lý; 17,5 giờ từ Hưng Thi về Bến Đế) để chủ động lập phương án hộ đê, vận hành cống phân lũ Lạc Khoái và sơ tán dân cư an toàn.
3. Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Thủy văn, Tài nguyên nước, Biến đổi khí hậu: Tiếp cận tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp số, kỹ thuật giải hệ phương trình Saint-Venant bằng sơ đồ ẩn Abbott-Ionescu và kinh nghiệm xử lý biên thủy triều phức tạp trên lưu vực đồng bằng.
4. Các tổ chức tư vấn quy hoạch hạ tầng xây dựng, giao thông và nông nghiệp: Khai thác chuỗi số liệu mực nước đỉnh lũ lịch sử (mức 4,93 m tại Phủ Lý) để tính toán khẩu độ thoát nước cầu cống, xác định cao trình đê bao và thiết kế các công trình tiêu thoát nước trên diện tích 9.180 km² thuộc lưu vực.

Câu hỏi thường gặp

Mô hình MIKE11 mang lại ưu thế gì vượt trội so với các phương pháp thống kê truyền thống? Phương pháp thống kê cũ chỉ đạt mức bảo đảm từ 62% đến 75% và phụ thuộc vào cảm tính khi lũ lên xuống bất thường. Ngược lại, MIKE11 giải toán thủy động lực học Saint-Venant kết hợp mô hình mưa NAM, mô phỏng chuẩn xác các kịch bản lũ cực đoan và tương tác lũ - triều với độ chính xác trên 85%, mở rộng thời gian dự báo đến 24 giờ.

Thời gian truyền lũ trên hệ thống sông Đáy – Hoàng Long mất bao lâu? Theo số liệu quan trắc thực nghiệm, thời gian truyền lũ trung bình từ trạm Hưng Thi về Bến Đế trên sông Hoàng Long là 17,5 giờ (dao động từ 6 đến 42 giờ tùy cường độ mưa). Trên sông Đáy, thời gian truyền sóng lũ từ trạm Ba Thá về Phủ Lý trung bình đạt khoảng 10,1 giờ.

Mô hình xử lý tác động của thủy triều vịnh Bắc Bộ tại cửa sông như thế nào? Chế độ thủy triều tại cửa Đáy là nhật triều không thuần nhất với biên độ từ 120 cm đến 300 cm, truyền sâu 50 - 100 km trong mùa lũ. MIKE11 sử dụng chuỗi mực nước thực đo tại trạm hải văn làm điều kiện biên dưới, giúp tái hiện chính xác hiện tượng nước dềnh cản lũ và biến dạng sóng lũ.

Bộ thông số mô hình mưa – dòng chảy NAM được hiệu chỉnh ra sao? Các thông số bề mặt và nước ngầm (Umax, Lmax, CQOF, CKIF, CK1,2) được xác định thông qua phương pháp hiệu chỉnh tự động kết hợp thử sai dựa trên chuỗi số liệu mưa và dòng chảy thực đo các trận lũ 2000, 2017, đạt chỉ số Nash-Sutcliffe từ 0,78 đến 0,89 tại Ba Thá và Hưng Thi.

Kết quả dự báo thử nghiệm thực tế trong mùa lũ đạt độ tin cậy như thế nào? Trong đợt thử nghiệm tháng 7 năm 2018 với 20 đợt phát bản tin liên tục, sai số mực nước đỉnh lũ tại Phủ Lý và Gián Khẩu đều nằm trong phạm vi cho phép dưới 15 - 20 cm. Tỷ lệ dự báo đạt tiêu chuẩn nghiệp vụ đạt 85,0% tại Phủ Lý và 80,0% tại Gián Khẩu, đáp ứng quy chuẩn kỹ thuật quốc gia.

Kết luận

• Xây dựng thành công chuỗi mô hình số trị tích hợp MIKE-NAM và MIKE11 HD mô phỏng toàn diện chế độ dòng chảy lũ trên lưu vực sông Đáy – Hoàng Long rộng 9.180 km².
• Chuẩn hóa bộ thông số thủy lực với hệ số nhám Manning n từ 0,028 đến 0,055 và các thông số ẩm đất cho 12 tiểu lưu vực, đạt hệ số tương quan Nash-Sutcliffe trên 0,85.
• Thiết lập hoàn chỉnh phương án dự báo nghiệp vụ mực nước lũ tại trạm Phủ Lý và trạm Gián Khẩu với thời gian dự kiến từ 12 đến 24 giờ, nâng mức bảo đảm dự báo lên 80% - 85%.
• Cung cấp luận cứ khoa học chuẩn xác phục vụ công tác phân cấp trách nhiệm dự báo theo Quyết định số 392/QĐ-KTTVQG và Quyết định số 46/2014/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ.
• Đề ra lộ trình cụ thể giai đoạn 2024 - 2026 nhằm tự động hóa quy trình dự báo thời gian thực, kết hợp bổ sung 25 trạm đo mưa tự động để tối ưu hóa hiệu quả phòng tránh thiên tai.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là đã làm chủ công nghệ mô hình hóa hiện đại, giải quyết triệt để bài toán dự báo lũ tại các sông đồng bằng chịu ảnh hưởng triều và phân lũ phức tạp. Các cơ quan quản lý và nhà nghiên cứu hãy ứng dụng ngay kết quả nghiên cứu này vào công tác quản trị rủi ro thiên tai để kiến tạo một tương lai an toàn, phát triển bền vững cho lưu vực sông Đáy – Hoàng Long.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ DỰ BÁO LŨ VÀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 1. Giới thiệu chung về dự báo lũ 1. Một số nghiên cứu mô phỏng và dự báo lũ trên thế giới [5] 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 MIKE11 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 Songkhla ở Thái Lan, lưu vực sông ở Bangladesh, và Indonesia. 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 còn 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) đã 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. 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 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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 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 MIKE11-NAM và mô đun thủy lực MIKE11-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. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Trong những năm gần đây, một trong những mô hình được ứng dụng nhiều trong công tác dự báo lũ ở Việt Nam là mô hình MIKE11, có thể kể đến một số nghiên cứu được áp dụng như: - Bùi Văn Chanh và Trần Ngọc Anh trong nghiên cứu về: Tích hợp bộ mô hình dự báo thuỷ văn lưu vực sông Trà Khúc [1]. Nguyên cứu đã sử dụng kiểu tích hợp kết nối để tích hợp mộ hình MARINE, MIKE 11 và công cụ triều của MIKE 21.

Trong đó mô hình MARINE tính toán dòng chảy trên sườn dốc lưu vực làm đầu vào biên trên và gia nhập khu giữa cho mô hình MIKE 11, MIKE 21 Toolbox tính toán mực nước triều cho biên dưới của mô hình MIKE 11, cuối cùng sử dụng mô hình MIKE 11 để diễn toán dòng chảy trong sông và dự báo mực nước tại trạm thuỷ văn Giang Sơn và Trà Khúc. - Đề tài cấp Bộ, năm 2011 “Xây dựng công nghệ tính toán dự báo lũ lớn hệ thống sông Hồng – Thái Bình” do PGS. Đã xây dựng công nghệ hoàn chỉnh cho tính toán dự báo lũ tác nghiệp cho toàn hệ thống sông Hồng - Thái Bình trong đó mô hình MIKE 11 được nghiên cứu áp dụng để tính toán dự báo lũ lớn cho hệ thống sông Hồng-Thái Bình với 25 sông chính và chia thành 52 nhánh sông bao gồm 792 mặt cắt. - Nghiên cứu ứng dụng mô hình MIKE từng bước hoàn thiện công nghệ dự báo lũ sông Hồng – Thái Bình [5] của Đặng Thị Lan Phương, đã giải quyết được những vấn đề tồn tại trước đây trong công tác dự báo lũ sông Hồng – Thái Bình như dòng chảy khu giữa tính toán có độ chính xác chưa cao, mang tính chưa được cập nhật thêm các hồ thủy điện mới xây, dữ liệu mặt cắt sông từ các hồ chứa ngược lên thượng lưu không có.

Ngoài ra nghiên cứu đã hiệu chỉnh và kiểm định tham số mô hình thuỷ văn, thuỷ lực bằng phương pháp dò tìm tham số theo hai trường hợp là không phân cấp và phân cấp mực nước, đồng thời nghiên cứu đã kết nối mô hình thủy lực trong sông và mô hình truyền triều. Từ đó tiến hành dự báo thử nghiệm cho mùa lũ năm 2012 tại các vị trí dự báo hàng năm, kết quả cho thấy mức đảm bảo dự báo đều đạt trên 80%. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Như vậy, việc sử dụng mô hình MIKE11 để dự báo lũ tuy có một số khó khăn và hạn chế nhất định nhưng đã được ứng dụng khá rộng rãi, linh hoạt, có độ chính xác chấp nhận được khi kết hợp với việc dự báo mưa có chất lượng tốt, vì thế có thể được sử dụng cho việc xây dựng các phương án dự báo ở các hệ thống sông có mạng lưới phức tạp. Giới thiệu về dự báo lũ tại Đài KTTV tỉnh Hà Nam, Đài KTTV tỉnh Ninh Bình.

Chức năng, nhiệm vụ, quyền hạn và cơ cấu tổ chức Tại Quyết định số 246/QĐ-TCKTTV ngày 22/5/2018 của Tổng cục KTTV Quy định chức năng, nhiệm vụ, quyền hạn và cơ cấu tổ chức của Đài KTTV tỉnh Hà Nam và Quyết định số 241/QĐ-TCKTTV ngày 22/5/2018 của Tổng cục KTTV Quy định chức năng nhiệm vụ, quyền hạn và cơ cấu tổ chức của Đài KTTV tỉnh Ninh Bình. Theo đó, Đài KTTV tỉnh Hà Nam, Đài KTTV tỉnh Ninh Bình là đơn vị trực thuộc Đài KTTV khu vực đồng bằng Bắc Bộ, Tổng cục KTTV thực hiện chức năng quan trắc, điều tra, khảo sát KTTV, môi trường và quan trắc định vị sét; dự báo, cảnh báo KTTV thông tin dữ liệu KTTV trong phạm vi tỉnh, thực hiện các hoạt động KTTV theo quy định của pháp luật. Về nhiệm vụ: Trong rất nhiều các nhiệm vụ được Tổng cục KTTV giao cho Đài KTTV tỉnh Hà Nam và Đài KTTV tỉnh Ninh Bình thì một trong những nhiệm vụ quan trọng đó là công tác dự báo, cảnh báo KTTV. Theo phân cấp trách nhiệm ban hành bản tin dự báo, cảnh báo hiện tượng KTTV nguy hiểm tại quyết định số 392/QĐ-KTTVQG ngày 28/9/2017 của Trung tâm KTTV quốc gia (nay là Tổng cục KTTV) Quy định về phân cấp trách nhiệm ban hành bản tin dự báo, cảnh báo hiện tượng KTTV nguy hiểm đối với các đơn vị trong hệ thống dự báo, cảnh báo KTTV quốc gia thuộc phạm vi quản lý của Trung tâm KTTV quốc gia.

Đài KTTV tỉnh Hà Nam có trách nhiệm dự báo lũ trên sông Đáy tại trạm thủy văn Phủ Lý, sông Hồng tại trạm Hưng Yên. Đài KTTV tỉnh Ninh Bình có trách nhiệm dự báo lũ trên sông Hoàng Long tại trạm Bến Đế, Gián Khẩu; trên sông Đáy tại trạm Ninh Bình, Như Tân. Theo Quy định số 46/2014/QĐ-TTg ngày 15/8/2014 của Thủ tướng Chính phủ Quy định về dự báo, cảnh báo và truyền tin thiên tai; các sông do các Đài KTTV khu vực và các Đài KTTV tỉnh thông báo 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] lũ, đối với sông Hoàng Long dự báo tại trạm Bến Đế, sông Đáy dự báo tại trạm Ninh Bình. Như vậy theo phân cấp trách nhiệm ban hành bản tin dự báo, cảnh báo hiện tượng KTTV nguy hiểm, vị trí dự báo lũ trên sông Hoàng Long tại Gián Khẩu, trên sông Đáy tại Như Tân là hoàn toàn mới đối với Đài KTTV tỉnh Ninh Bình.

Hiện trạng công tác dự báo tại Đài KTTV tỉnh Hà Nam, Đài KTTV tỉnh Ninh Bình.