CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan các nghiên cứu đánh giá, dự báo ngập lụt đô thị trên thế giới Việc lặp lại các hiện tượng thủy văn trong phòng thí nghiệm có thể thực hiện bằng các mô hình vật lý song chi phí cho xây dựng mô hình vậy lý rất tốn kém. Các mô hình vật lý thường chỉ phù hợp với không gian không quá lớn; khi không gian mở rộng hơn tới hệ thống một vài hồ chứa, một vài trạm bơm hoặc một hệ thống thủy nông,… thì chi phí cho một mô hình vật lý tăng lên rất nhiều.
Ví dụ khi nghiên cứu hiện tượng nước lũ tràn qua đồng bằng sông Cửu Long, diện tích ngập lụt lên tới 5 vạn km2, chiều dài dòng sông chính tới 433 km, chiều rộng từ 400 m đến 2000 m, chiều sâu ngập nước có nơi tới 45 m nhưng có nơi chỉ không tới 0. Rõ ràng không thể xây dựng một mô hình vật lý cho không gian lớn như vậy. Xuất phát từ những khó khăn đó thì cách lựa chọn phù hợp nhất là dùng mô hình toán. Hiện nay mô hình toán thủy văn đang phát triển rất nhanh chóng vì có những ưu điểm sau: + Phạm vi ứng dụng rộng rãi, đa dạng với rất nhiều loại mô hình.
Mô hình toán rất phù hợp với không gian nghiên cứu rộng lớn như quy hoạch thoát lũ cho lưu vực sông, điều chỉnh hệ thống công trình thủy lợi, quản lý khai thác nguồn nước lưu vực sông,… + Ứng dụng mô hình toán trong thủy văn giá thành rẻ hơn và cho kết quả nhanh hơn mô hình vật lý. + Việc thay đổi phương án trong mô hình toán thực hiện rất nhanh. Chính vì thế, trên thế giới có rất nhiều các nghiên cứu đánh giá, dự báo ngập lụt bằng việc áp dụng mô hình toán, điển hình có thể kể đến các nghiên cứu sau: ➢ Hydraulic Flood Modelling using MIKE FLOOD Software: an Application to Chennai City (Mô hình hóa lũ lụt bằng phần mềm MIKE FLOOD: ứng dụng cho thành phố Chennai).Vidyapriya và Tiến sĩ M. Ramalingam - Học giả nghiên cứu - Viện trưởng Viện Viễn thám, Đại học Anna, Chennai-25).
Tóm tắt nghiên cứu: Ngập lụt ở các đô thị là một vấn đề không thể tránh khỏi đối với nhiều thành phố ở châu Á. Tại Ấn Độ, thành phố Chennai gặp phải vấn đề nghiêm trọng liên quan đến ngập lụt đô thị. Tình hình được nêu rõ vào ngày 3 tháng 12 năm 2005 khi 6 các cư dân trải qua nước sâu từ mắt cá chân đến đầu gối trên đường phố. Các hoạt động thường ngày tại các khu vực của thành phố gần như tê liệt và ùn tắc giao thông nặng nề do nước đọng trên đường phố.
Việc lập mô hình dòng chảy vùng ngập lũ được đặt lên hàng đầu trong nghiên cứu, tuy nhiên chúng hiện đang bị hạn chế bởi dữ liệu địa hình không chính xác cho các khu vực đô thị. Với sự trợ giúp của dữ liệu ALTM, có thể thiết lập các biện pháp giảm thiểu lũ lụt nghiên cứu này đã phát triển một phương pháp luận để mô phỏng toàn diện các quá trình ngập lụt bằng cách sử dụng các mô hình thủy động lực học 1D. Bằng cách cho phép giải quyết đồng thời các quá trình lượng mưa và dòng chảy, thoát nước đô thị và lũ lụt, phương pháp này có thể được sử dụng để ước tính rủi ro ngập lụt tiềm ẩn của bất kỳ hệ thống thoát nước được thiết kế nào. Mô hình được phát triển sau đó đã được trình diễn trên Chennai 2005 trong các điều kiện của các cơn bão thiết kế 5 năm, 10 năm, 25 năm và 50 năm.
Việc kiểm định mô hình được thực hiện bằng cách sử dụng mực nước lũ quan trắc được thông qua khảo sát thực địa bằng bảng câu hỏi). Bình luận, đánh giá nghiên cứu: Nhóm tác giả đã sử dụng mô hình Mike Flood để tiến hành mô phỏng hiện trạng ngập lụt tại Thành phố Chennai, Ấn Độ. Do cơ sở dữ liệu địa hình bị hạn chế nên nhóm tác giả đã sử dụng mô hình Mike Flood kết hợp với cơ sở dữ liệu viễn thám ALTM (Airborne Laser Terrain Mapping) để số hóa và mô phỏng lại hiện trạng một cách chi tiết và tiến hành mô phỏng. Đây cũng là một trong những điểm mạnh của mô hình Mike Flood so với các mô hình khác là có thể sử dụng kết hợp, linh động với các cơ sở dữ liệu hiện đại như viễn thám (LIDAR, ALTM), CAD… ➢ Flood modeling for risk evaluation – a MIKE FLOOD vs.
SOBEK 1D2D benchmark study (Mô hình mô phỏng đánh giá rủi ro do ngập lụt – so sánh ưu nhược điểm giữa mô hình MIKE FLOOD và SOBEK 1D2D). Vanderkimpen – nghiên cứu thủy lực vùng Flanders, chính quyền Flemish, Antwerp, Belgium Soresma, Antwerp, Belgium; E. Melger Deltares/Delft Hydraulics, Delft, Netherlands; P. Peeters - nghiên cứu thủy lực vùng Flanders, chính quyền Flemish, Antwerp, Belgium).
Tóm tắt nghiên cứu: Rủi ro lũ lụt đối với một phần của đồng bằng ven biển Bỉ được đánh giá bằng hai gói mô hình lũ lụt tương tự: MIKE FLOOD và SOBEK 1D2D. Các 7 mô hình con và quy trình có sẵn trong cả hai gói được khớp càng chặt chẽ càng tốt. Sau đó, tác động của gói phần mềm đối với thủy lực, thiệt hại do lũ lụt và nguy cơ lũ lụt đã được xác định. Kết quả từ cả hai gói đều tốt.
Một số khác biệt xảy ra, nhưng có thể dễ dàng giải thích những khác biệt này là kết quả của những khác biệt nhỏ không thể tránh khỏi trong các khái niệm và cách thực hiện. Độ không đảm bảo liên quan đến việc lựa chọn một trong hai gói phần mềm là không đáng kể so với các nguồn độ không đảm bảo khác). Bình luận, đánh giá nghiên cứu: Nhóm tác giả đã sử dụng mô hình Mike Flood và Sobek để cùng mô phỏng ngập lụt tại khu vực đồng bằng ven biển Bỉ. Kết quả mô phỏng giữa 2 mô hình đều cho ra kết quả tốt.
Tuy nhiên mô hình Mike Flood có thể linh động sử dụng kết hợp với nhiều loại cơ sở dữ liệu đầu vào và thiết lập được các module riêng biệt. Đây cũng là những ưu điểm của Mike Flood mà các mô hình khác chưa làm được. Tổng quan các nghiên cứu đánh giá, dự báo ngập lụt đô thị trong nước Ở Việt Nam, việc ứng dụng phương pháp mô hình toán vào nghiên cứu, tính toán trong thủy văn có thể xem như được bắt đầu từ cuối những năm 60, qua việc Ủy ban sông Mêkông ứng dụng các mô hình như SSARR của Mỹ, mô hình DELTA của Pháp và mô hình toán triều của Hà Lan vào tính toán, dự báo dòng chảy sông Mêkông. Ngày nay, ngoài các mô hình trên, một số mô hình nổi bật phải kể đến như bộ mô hình MIKE của DHI, SAL của Việt Nam (GS.TS Nguyễn Tất Đắc), FLO-2D của Mỹ, SOBAEK của Hà Lan, TANK của Nhật… đang được nhiều quốc gia, tổ chức và cơ quan ứng dụng.
➢ Ứng dụng mô hình MIKE FLOOD tính toán ngập lụt hệ thống sông Nhật Lệ tỉnh Quảng Bình. [8] Tác giả: Hoàng Thái Bình (1), Trần Ngọc Anh (2), Đặng Đình Khá (2) - (1) Viện Địa lý, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam,18 Hoàng Quốc Việt, Hà Nội, Việt Nam, (2) Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam. Tóm tắt: bài báo giới thiệu một số kết quả tính toán ngập lụt hệ thống sông Nhật Lệ tỉnh Quảng Bình sử dụng mô hình MIKE FLOOD. Các tài liệu lưu lượng đầu vào được mô phỏng từ mưa bằng mô hình NAM.
Bộ thông số mô hình kết nối 1-2 chiều được hiệu chỉnh và kiểm định bằng tài liệu thực đo mực nước hai trận lũ lớn năm 1999 và 2000 tại 8 trạm Lệ Thủy nằm giữa khu vực nghiên cứu kết hợp với các tài liệu đo đạc diện ngập lụt của trận lũ lịch sử 1999. Kết quả tính toán bằng mô hình tương đối phù hợp với thực đo chứng tỏ khả năng ứng dụng của mô hình trong công tác xây dựng bản đồ ngập lụt và cảnh báo thiên tai lũ lụt cho khu vực hạ lưu. Bình luận, đánh giá nghiên cứu: Nhóm tác giả sử dụng kết hợp giữa các bộ mô hình như NAM, Mike 11, Mike 21 kết hợp vào Mike Flood. Tuy không phục vụ cho nghiên cứu ngập lụt đô thị, nhưng cho thấy tính đa dụng của mô hình Mike Flood khi kết hợp với các module riêng rẻ, phục vụ cụ thể cho các mục đích nghiên cứu khác nhau.
➢ Ứng dụng phần mềm Mike Flood phục vụ cho việc đánh giá, dự báo ngập lụt tại thành phố Hồ Chí Minh. cụ thể: lưu vực Bắc Tàu Hủ. [9] Tác giả: Nguyễn Ngọc Khải – Công ty TNHH Một thành viên Thoát nước đô thị Tp. Hồ Chí Minh.
Tóm tắt: Đánh giá và phân tích được khá đầy đủ thực trạng và nguyên nhân gây ngập lụt tại TP. HCM nói chung và lưu vực Bắc Tàu Hủ nói riêng bằng việc dùng phần mềm Mike Flood kết hợp Mike Urban để mô phỏng. Trong đó bao gồm cả các nguyên nhân chủ quan và khách quan như dân số tăng nhanh, quá trình đô thị hoá, công tác quy hoạch còn yếu, địa hình tự nhiên thấp, điều kiện thời tiết ngày càng bất lợi khi tần suất các trận mưa lớn nhiều hơn và triều cường mỗi năm lại dâng cao hơn, hệ thống thoát nước đô thị đã xuống cấp và không đủ khả năng tải nước, nêu lên được một cách tổng quan điều kiện tự nhiên (địa hình, khí tượng, thuỷ văn,…) và kinh tế - văn hoá - xã hội (dân số, thương mại, cơ sở hạ tầng, văn hoá) của lưu vực Bắc Tàu Hủ, từ đó thể hiện rõ hơn bản chất của khu vực nghiên cứu. Bình luận, đánh giá nghiên cứu: Đây là nghiên cứu sử dụng mô hình Mike Flood tương tự như nghiên cứu luận văn này.
Kết hợp các mô hình Mike Urban, Mike 11, Mike 21, Mike Zero cùng các cơ sở dữ liệu hiện trạng hệ thống thoát nước và viễn thám để mô phỏng và đánh giá khả năng tiêu thoát của hệ thống thoát nước đô thị hiện hữu với nhiều kịch bản khác nhau. ➢ Ứng dụng MIKE FLOOD xây dựng bản đồ nguy cơ ngập lụt và hệ thống cảnh báo sớm úng ngập cho lưu vực sông Kim Ngưu và tám quận nội thành Hà Nội. [10] Tác giả: Nguyễn Kiên Dũng, Quách Thị Thanh Tuyết - Trung tâm Ứng dụng Công nghệ và Bồi dưỡng Nghiệp vụ Khí tượng Thủy văn và Môi trường. 9 Tóm tắt: Trong những năm gần đây, quá trình đô thị hóa trên địa bàn thủ đô Hà Nội đã diễn ra rất mạnh mẽ nhưng hệ thống tiêu thoát nước chưa được cải tạo và xây dựng tương xứng.