Áp dụng công cụ tích hợp phục vụ xây dựng bản đồ ngập lụt lưu vực sông Kỳ Cùng, tỉnh Lạng Sơn

16-01-2019

Lũ lụt trên các lưu vực sông thường gây ra những hậu quả và thiệt hại nặng nề về người cũng như kinh tế, đặc biệt trong tình hình biến đổi khí hậu như hiện nay, sự gia tăng về cường độ và tần suất lũ đòi hỏi phải có những biện pháp giảm nguy cơ và thiệt hại do lũ gây ra đồng thời phải có các công cụ để phục vụ cho công tác dự báo, đề xuất giải pháp bền vững dài hạn. Trong bài báo này, công cụ tích hợp sử dụng công nghệ GIS, ...

Tóm tắt

Lũ lụt trên các lưu vực sông thường gây ra những hậu quả và thiệt hại nặng nề về người cũng như kinh tế, đặc biệt trong tình hình biến đổi khí hậu như hiện nay, sự gia tăng về cường độ và tần suất lũ đòi hỏi phải có những biện pháp giảm nguy cơ và thiệt hại do lũ gây ra đồng thời phải có các công cụ để phục vụ cho công tác dự báo, đề xuất giải pháp bền vững dài hạn. Trong bài báo này, công cụ tích hợp sử dụng công nghệ GIS, mô hình mưa dòng chảy, và mô hình thủy động lực một và hai chiều kết hợp cho phép mô phỏng quá trình ngập lụt do lũ đã được áp dụng cho lưu vực sông Kỳ Cùng, tỉnh Lạng Sơn. Trước tiên, mô hình mưa – dòng chảy được sử dụng để khôi phục chuỗi dòng chảy lũ cũng như tạo chuỗi số liệu đầu vào cho mô hình thủy đông lực. Sau đó, các thông số của mô hình thủy động lực được hiệu chỉnh bằng cách sử dụng số liệu thực đo của mực nước và lưu lượng của trận lũ năm 2014 tại trạm thủy văn Lạng Sơn, kết hợp với tài liệu điều tra vết lũ tại 87 điểm dọc sông. Mô hình thủy động lực tiếp tục được kiểm định thông qua sử dụng số liệu mực nước và lưu lượng của trận lũ năm 1986. Bốn tiêu chí sai số khác nhau được tính toán để đánh giá định lượng sự phù hợp giữa kết quả tính toán từ mô hình so với số liệu thực đo cho cả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình, trước khi mô hình thủy động lực được áp dụng để mô phỏng các kịch bản lũ lịch sử trên lưu vực. Cuối cùng, các kết quả tính toán phân bố dòng chảy theo không gian và thời gian từ mô hình thủy động lực được kết hợp với công cụ GIS, để xây dựng các bản đồ ngập lụt cho các kịch bản lũ khác nhau.

Từ khoá: sông Kỳ Cùng, Lũ lụt, Bản đồ ngập lụt, mô hình toán, GIS.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa của khu vực Đông Nam Á, Việt Nam được đánh giá là một trong những khu vực có nguy cơ phải đối mặt với nhiều loại hình thiên tai khốc liệt của khu vực cũng như châu Á. Trong các loại thiên tai nói chung và thiên tai liên quan đến thời tiết và biến đổi khí hậu ở Việt Nam, bão và lũ là nhiều nhất, thường xuyên nhất và nguy hiểm nhất. Theo ước tính, mỗi năm nước ta phải chịu từ 6 đến 7 cơn bão, trong khi đó từ năm 1990 đến 2010 đã có 74 trận lũ. Với hầu hết dân số sống ở các lưu vực sông, vùng trũng và các khu vực ven biển, ước tính hơn 70% dân số phải hứng chịu các rủi ro từ thiên tai cũng như các thiệt hại lớn và đáng kể về người, về kinh tế và môi trường do thiên tai liên quan đến thời tiết và biến đổi khí hậu gây ra trên khắp đất nước. Từ năm 1990 đến 2011, trung bình hàng năm Việt Nam phải chịu tổn thất (i) 441 sinh mạng do thiên tai gây ra và (ii) khoảng 1,9 tỷ đô la Mỹ tương đương 1,3% GDP [1] . Việc phải gánh chịu thường xuyên thiên tai như vậy là một trở ngại cho đất nước phát triển, đặc biệt trong hoàn cảnh biến đổi khí hậu đang thay đổi và làm gia tăng các rủi ro thiên tai ở nước ta cũng như gia tăng các nguy cơ đối với các vấn đề phát triển và an toàn [1, 2].

Trước những thập niên 80, quản lý thiên tai nói chung và lũ lụt nói riêng chủ yếu dựa vào các công trình phòng thủ và kiểm soát như đê, đập. Tuy nhiên, các kết quả điều tra khảo sát cho thấy thiệt hại lũ lụt tiếp tục tăng bất chấp các khoản đầu tư đáng kể bằng các biện pháp công trình kiểm soát. Do đó, cách tiếp cận tổng hợp bao gồm kết hợp một loạt các biện pháp công trình và phi công trình đã được quan tâm và sử dụng rộng rãi gần đây để có (i) một tầm nhìn tổng hợp các rủi ro từ thiên tai, lũ lụt cũng như (ii) phương thức quản lý phù hợp. Cùng với sự bùng nổ của công nghệ thông tin đã có rất nhiều phần mềm khác nhau đã và đang được phát triển, cho phép mô phỏng và ước tính các thay đổi của các hiện tượng tự nhiên như dòng chảy và lũ lụt dưới tác động của biến đổi khí hậu. Bên cạnh đó, công nghệ viễn thám GIS (Mapinfo, ArcView, Arc GIS, Google Map) cũng đã và đang được sử dụng nhiều hơn trong công tác phòng chống lũ lụt. Quản lý lũ tổng hợp là sự kết hợp các biện pháp công trình, phi công trình, công nghệ thông tin, và viễn thám vào quản lý lũ lụt. Phương thức quản lý này đã mang lại những hiệu quả lớn trong (i) kiểm soát và quản lý lũ lụt, (ii) phòng chống giảm nhẹ thiên tai do lũ lụt gây ra và (iii) hỗ trợ tốt cho công tác ra quyết định, và được cho là cách tiếp cận tốt nhất để giảm thiệt hại lũ lụt và mất mát về người cũng như môi trường [3].

Mục tiêu của nghiên cứu này là (i) áp dụng công cụ tích hợp cho phép mô phỏng ngập lụt hạ du lưu vực sông Kỳ Cùng và (ii) tính toán và xây dựng bản đồ ngập lụt tương ứng với các kịch bản lũ khác nhau dựa trên công cụ tích hợp đã được phát triển, nhằm mục đích phục vụ công tác hỗ trợ ra quyết định. Các trận lũ điển hình hay lịch sử xảy ra trên lưu vực được xem xét phân tích một cách chi tiết để xây xây dựng các kịch bản lũ khác nhau. Các bản đồ thể hiện mức độ ngập, diện tích ngập, hạ tầng dân cư bị ảnh hưởng tương ứng với các kịch bản cũng sẽ được trình bày và thể hiện chi tiết.

2.GIỚI THIỆU VỀ LƯU VỰC SÔNG KỲ CÙNG

Sông Kỳ Cùng là con sông chính ở tỉnh Lạng Sơn, thuộc vùng Đông Bắc Việt Nam, có tọa độ địa lý từ 21019'00" đến 22027'30" vĩ độ Bắc và từ 106006'07" đến 107021'45" kinh độ Đông (Hình 1). Sông bắt nguồn từ vùng núi Bắc Xa (huyện Đình Lập, tỉnh Lạng Sơn) chảy qua thành phố Lạng Sơn, thị trấn Văn Lãng, thị trấn Thất Khê rồi tới Bi Nhi, từ đây sông vượt biên giới để hợp lưu với sông Bằng Giang (Trung Quốc). Đây là con sông duy nhất ở miền Bắc chảy theo hướng Đông Nam-Tây Bắc sang Trung Quốc. Đoạn sông chảy trên đất Việt Nam dài khoảng 243 km, diện tích lưu vực là 6.660 km², mật độ lưới sông trung bình là 0,88 km/km2, với 78 phụ lưu (hay còn gọi là sông nhánh) các cấp. Trong số các phụ lưu, ba phụ lưu chính của sông Kỳ Cùng là sông Ba Thín (hợp lưu ở thượng lưu thị trấn Lộc Bình), sông Bắc Giang và sông Bắc Khê (cả hai sông này đều hợp lưu gần Thất Khê).

Hình 1. Bản đồ lưu vực sông Kỳ Cùng, hệ thống mạng lưới trạm khí tượng thủy văn và vị trí các vết lũ điều tra dùng trong nghiên cứu

Lưu vực sông Kỳ Cùng có địa hình phức tạp bao gồm vùng núi cao, vùng đá vôi, núi thấp và đồi. Hình thế chung của địa hình là độ cao giảm dần từ Tây Bắc xuống Đông Nam, trong khi đó sông Kỳ Cùng chảy giữa máng trũng Lộc Bình - Thất Khê có hướng đi ngược lại (từ Đông Nam lên Tây Bắc). Độ cao trung bình dưới 600 m chiếm 89,5% diện tích của lưu vực, từ 600-800 m chiếm 8,77%, từ 800-1540 m chiếm 1,73%. Độ cao trung bình lưu vực 386 m (so với mực nước biển). Thượng lưu sông có độ dốc lớn thác ghềnh nhiều và liên tục, lưu vực hẹp trung bình chỉ rộng từ 10 đến 20 km. Độ dốc đáy sông phía thượng nguồn là 70‰ khi đến Thành phố Lạng Sơn giảm xuống còn 13‰. Nhìn chung các phụ lưu của sông Kỳ Cùng ngắn, độ dốc lớn, khả năng tập trung lũ nhanh.

Dòng chảy lũ trong sông chủ yếu do các hoạt động của các hình thế thời tiết gây mưa lớn trên diện rộng gây ra như bão, áp thấp nhiệt đới. Ngoài ra, các yếu tố địa hình và mặt đệm cũng dẫn đến sự tập trung dòng chảy lũ nhanh trên các sông suối. Theo số liệu quan trắc các trận lũ lớn, thời kỳ 1958-2015 đã có 9 trận lũ lớn gây ngập lụt nghiêm trọng xảy ra trên lưu vực, với tần suất trung bình 5 năm/1 lần. Đặc biệt những năm gần đây trên lưu vực sông Kỳ Cùng thuộc phạm vi hành chính tỉnh Lạng Sơn đã phải hứng chịu liên tục các trận lũ lớn và ngập lụt vào các năm 2008, 2013 và hai trận ngập lụt kinh hoàng vào tháng 7 và tháng 9 năm 2014.

Hình 2. Một số hình ảnh người dân cung cấp vết lũ tháng 7/2014: a) tại trạm thủy văn Lạng Sơn, b) tại một số vị trí thuộc thành phố Lạng Sơn, c) tại một số vị trí thuộc thị trấn Na Sầm và d) tại một số vị trí thuộc Thị trấn Thất Khê, e) nước sông Kỳ Cùng tại thành phố Lạng Sơn

Ví dụ, trận lũ tháng 7 năm 2014 đã gây ngập lụt nghiêm trọng và lớn nhất trong lịch sử cho tỉnh Lạng Sơn và một số vùng lân cận. Mực nước tại Lạng Sơn vượt báo động III (mới) là 89 cm. Toàn bộ thị trấn Thất Khê và 6 xã (Đại Đồng, Đề Thám, Hùng Sơn, Kháng Chiến, Quốc Việt, Hùng Việt) của huyện Tràng Định bị ngập sâu trong nước. Một nửa thành phố Lạng Sơn chìm trong biển nước, nhiều khu vực bị cô lập do đường giao thông không đi lại được, nhiều đoạn trên các tuyến đường quốc lộ 1B, 4A, 4B, các tuyến đường tỉnh, huyện nội thị cũng bị ngập (Hình 2). Mưa lũ đã khiến 4 người chết, hai người mất tích, trên 8.500 ngôi nhà bị ngập nước (trong đó khoảng 700 ngôi nhà bị hư hỏng nặng và sập đổ hoàn toàn), 112 trụ sở các cơ quan, trường học, bệnh viện, trạm y tế xã bị ngập, hư hỏng, 5.600 ha lúa chuẩn bị thu hoạch bị ngập (trong đó mất trắng 2.300 ha). Ngoài ra nhiều công trình thủy lợi, cấp nước bị hư hỏng, cột điện cao thể bị gẫy đổ. Ước tính thiệt hại về vật chất do ngập lụt gây ra khoảng 460 tỷ đồng. Do đó giải quyết hậu quả thiệt hại và rủi ro do ngập lụt gây ra trên lưu vực không chỉ là vấn đề về kinh tế, con người mà còn là vấn đề quản lý thiên tai, quản lý tài nguyên môi trường và phát triển rộng lớn hơn.

3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Hình 3. Sơ đồ tính toán dùng trong nghiên cứu

Để xây dựng bản đồ ngập lụt do lũ gây ra trên lưu vực sông Kỳ Cùng, chúng tôi đã kết hợp công cụ GIS và bộ phần mềm MIKE. Hình 3thể hiện sơ đồ tính toán dùng trong nghiên cứu. Mô hình mưa - dòng chảy (MIKE-NAM) được áp dụng để tính toán dòng chảy lũ từ tài liệu mưa tại các trạm mưa và khí tượng trên lưu vực. Mô hình thủy động lực một chiều (MIKE 11) được sử dụng để diễn toán lũ trên sông chính Kỳ Cùng và các sông nhánh chính từ thượng lưu đến hạ lưu đồng thời cũng là biên đầu vào cho mô hình thủy động lực hai chiều (MIKE 21). Mô hình thủy động lực hai chiều (MIKE 21) được sử dụng để mô phỏng chế độ thủy động lực ở các bãi tràn, các khu trữ/xả nước tạm thời dọc sông (Hình 4).

Hình 4. Sơ đồ thể hiện mô hình thủy động lực học một và hai chiều kết hợp, mô hình mưa – dòng chảy trên lưu vực nghiên cứu

Mô hình mưa – dòng chảy (MIKE NAM) sử dụng hệ thống các bể chứa tuyến tính (như bể chứa tuyết, bể chứa nước mặt, bể chứa tầng dưới và bể chứa nước ngầm) để diễn toán dòng chảy từ mưa. Các thông số cơ bản và quá trình xác định giá trị thích hợp của các thông số này cho lưu vực nghiên cứu được trình bày trong phần Phụ lục 1. Số liệu đầu ra của mô hình mưa – dòng chảy chính là số liệu đầu vào của mô hình thủy động lực học một và hai chiều kết hợp (MIKE 11 và MIKE 21). Mô hình MIKE 11 và MIKE 21 giải hệ phương trình Saint-Venant để xác định trường vận tốc dòng chảy và độ sâu dòng chảy trên hệ thống sông. Thông số chính của mô hình thủy động lực là hệ số nhám n thể hiện độ nhám và ma sát của đáy sông. Trong nghiên cứu này, ngoài việc sử dụng mô hình mưa – dòng chảy tạo chuỗi số liệu đầu vào cho mô hình thủy động lực, mục tiêu của chúng tôi chủ yếu tập trung vào xây dựng các bản đồ ngập lụt dựa trên kết quả mô phỏng tính toán thủy động lực và GIS, do dó giá trị của hệ số nhám n trong mô hình thủy động lực sẽ được xác định một cách cẩn thận bằng cách sử dụng số liệu đo đạc và điều tra vết lũ tại các vị trí khác nhau. Kết quả hiệu chỉnh thông số mô hình thủy động lực cũng như kiểm định mô hình được trình bày cụ thể trong các phần tiếp theo.

4. KẾT QUẢ HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰC

4.1. Tiêu chí đánh giá sai số

Để đánh giá định lượng kết quả tính toán mô phỏng từ mô hình thủy động lực so với tài liệu thực đo, bốn tiêu chí đánh giá sai số: sai số quân phương (RMSE), sai số trung bình (MAE), hệ số Nash-Sutcliffe (NS) và hệ số tương quan (r) được sử dụng trong nghiên cứu này. Sai số tương quan và sai số trung bình là những sai số có thứ nguyên và những sai số này có thể cung cấp những thông tin hữu ích cho việc so sánh. Trong khi, hệ số NS và hệ số tương quan r là các tiêu chí sai số không thứ nguyên, dùng để xem xét sự thay đổi, biến thiên theo thời gian của đại lượng quan tâm so với chuỗi số liệu và tài liệu thực đo. RMSE, MAE, hệ số NS và hệ số tương quan r được tính lần lượt theo các công thức sau:

(1)

(2)

(3)

(4)

 

Trong đó and lần lượt là giá trị thực đo và tính toán của đại lượng quan tâm (như mực nước, lưu lượng) tại số thứ tự thứ j trong chuỗi số liệu, and lần lượt là các giá trị trung bình thực đo và tính toán, N là chiều dài của chuỗi số liệu (tổng số điểm đo đạc trong chuỗi số liệu thực đo).

4.2. Hiệu chỉnh thông số mô hình

Trận lũ tháng 7 năm 2014 đã được sử dụng để hiệu chỉnh thông số (hệ số nhám n) của mô hình thủy lực một và hai chiều kết hợp. Các hằng số khác nhau trong khoảng 0,012 – 0,075 đã được thử sai để ước lượng giá trị thích hợp của hệ số nhám. Bốn tiêu chí đánh giá sai số trình bày ở mục 4.1 cũng đã được sử dụng để đánh giá định lượng sự phù hợp giữa giá trị tính toán và thực đo. Dựa trên các tiêu chí đánh giá sai số đó, hệ số nhám n = 0,017-0,049 (cho mô hình MIKE 11) và n = 0,04-0,067 (cho mô hình MIKE 21) được xác định là các giá trị thích hợp nhất trong quá trình hiệu chỉnh thông số mô hình thủy lực một và hai chiều kết hợp. Hình 5thể hiện kết quả so sánh giữa giá trị tính toán (tương ứng với các giá trị hệ số nhám trên) và thực đo cho lưu lượng và mực nước tại trạm thủy văn Lạng Sơn.

Hình 5. Kết quả tính toán và thực đo tại trạm thủy văn Lạng Sơn, cho hiệu chỉnh thông số mô hình: a) lưu lượng và b) mực nước

Có thể thấy rằng kết quả tính toán từ mô hình thủy động lực một và hai chiều kết hợp phù hợp với các giá trị thực đo như đã thể hiện trên Hình 5. Sự kết hợp của mô hình MIKE 11 và MIKE 21 cho phép mô phỏng không chỉ đường quá trình lũ (hay hình dạng lũ) mà còn cả về đỉnh lũ và mực nước lũ lớn nhất. Sai số quân phương và sai số trung bình của lưu lượng lần lượt là 380 và 320 m3/s (khoảng 14% giá trị lưu lượng đỉnh lũ thực đo tại trạm) trong khi hệ số tương quan và hệ số NS của lưu lượng lần lượt là 0,94 và 0,84. Sai số quân phương, sai số trung bình, hệ số tương quan và hệ số NS của mực nước lần lượt là 1,63 m, 1,35 m, 0,92 và 0,80.

Hình 6thể hiện kết quả vết lũ điều tra và tính toán mô phỏng từ mô hình tại 87 điểm phân bố rải rác từ Bản Lải (thượng nguồn) tới Bắc Khê(hạ du của sông Kỳ Cùng). Có thể nhận thấy rằng kết quả tính toán mô phỏng cao trình vết lũ từ mô hình thủy lực một và hai chiều kết hợp có tương quan chặt chẽ với các giá trị điều tra và mô hình cho kết quả tính toán tương đối tốt so với tài liệu điều tra. Hệ số tương quan giữa vết lũ điều tra và tính toán là 0,96. Chênh lệch giữa mực nước tính toán và điều tra từ 87 vết lũ lớn nhất là 0,60 m trong khi chênh lệch nhỏ nhất chỉ khoảng 0,01 m (Hình 7). Đồng thời, chênh lệch giữa mực nước tính toán và điều tra từ vết lũ chủ yếu nằm trong khoảng từ -0,30 đến 0,30 m, thể hiện rằng kết quả hiệu chỉnh mô hình thủy lực cho các vết lũ dọc sông tương đối phù hợp.

Hình 6. Kết quả tính toán và điều tra vết lũ dọc theo sông (từ Km 0 đến Km 160), trong đó Hobs và Hcal lần lượt là cao trình vết lũ điều tra và tính toán (lấy theo tọa độ vết lũ VN2000)

 

Hình 7. Chênh lệch mực nước lũ tính toán và điều tra tại 87 vị trí dọc sông cho hiệu chỉnh thông số mô hình, trong đó L là khoảng cách tính từ đầu sông, Hobs và Hcal lần lượt là cao trình vết lũ điều tra và tính toán

Mô hình kết hợp MIKE 11 và MIKE 21 cho phép mô phỏng lại quá trình lũ thực đo tương đối tốt, tuy nhiên sai số giữa lưu lượng lũ cũng như mực nước lũ tính toán và thực đo vẫn còn tồn tại. Ví dụ kết quả tính toán thiên lớn cả về chân và đỉnh lũ. Điều này có thể giải thích bởi một số lý do sau. Thứ nhất, lưu lượng đầu vào của mô hình thủy lực tại biên trên sử dụng kết quả mô phỏng dòng chảy từ mô hình mưa – dòng chảy MIKE – NAM. Do đó kết quả tính toán dòng chảy từ mô hình mưa dòng chảy có thể vẫn còn một số tồn tại và chưa thể hiện chính xác tuyệt đối dòng chảy lũ xảy ra trên thực tế. Thứ hai, để đơn giản và thuận tiện cho việc sử dụng mô hình, chúng tôi đã sử dụng một hằng số nhám n để mô phỏng cho cả chân và đỉnh lũ. Việc sử dụng hệ số nhám như thế có thể chưa thật sự chính xác bởi vì khi lũ lên hoặc xuống thì diện tích ngập sẽ mở rộng hoặc thu hẹp dần trên các diện tích bề mặt lân cận dọc sông mà các diện tích này có hệ số nhám và sức cản hoàn toàn khác nhau. Thứ ba, trận lũ lớn tháng 7 năm 2014 đã gây ngập lụt nghiêm trọng và rộng trên lưu vực sông Kỳ Cùng, tuy nhiên quá trình ngập của (i) các khu giữa cũng như (ii) nhiều diện tích có địa hình thay đổi phức tạp có thể trữ nước tạm thời trên hệ thống sông đã không được xem xét trong tính toán mô phỏng. Do đó đây cũng có thể là một trong các lý do cho kết quả tính toán thiên lớn và chênh lệch giữa tính toán và thực đo.

Hình 8. Kết quả tính toán và thực đo tại trạm thủy văn Lạng Sơn, cho kiểm định mô hình: a) lưu lượng và b) mực nước

Hình 8 thể hiện kết quả tính toán và thực đo tại trạm thủy văn Lạng Sơn (Hình 1) cho trận lũ lịch sử tháng 7 năm 1986, dùng cho kiểm định mô hình thủy lực một và hai chiều kết hợp MIKE FLOOD. Giá trị độ nhám xác định được trong quá trình hiệu chỉnh thông số mô hình có độ tin cậy cao. Kết quả mô hình tái hiện tương đối tốt đường quá trình lũ lịch sử, bao gồm cả chân và đỉnh lũ. Sai số quân phương và sai số trung bình của lưu lượng lần lượt là 370 và 280 m3/s (< 8,5% lưu lượng đỉnh lũ đo đạc được tại trạm), trong khi hệ số tương quan và hệ số NS của lưu lượng lần lượt là 0,94 và 0,97. Giá trị của sai số quân phương và sai số trung bình của mực nước lần lượt là 1,60 và 1,02 m, còn hệ số tương quan và hệ số NS lần lượt là 0,82 và 0,94. Chênh lệch lớn nhất giữa mực nước lũ lớn nhất tính toán và thực đo là 0,30 m trong khi giá trị này cho lưu lượng đỉnh lũ là 200 m3/s (bằng khoảng 4% lưu lượng đỉnh lũ đo đạc tại trạm).

Chênh lệch mực nước lũ tính toán và điều tra tại 87 vị trí dọc sông được thể hiện trên Hình 9. Tượng tự như kết quả hiệu chỉnh các thông số mô hình, chênh lệch mực nước lũ tính toán và điều tra tại các vị trí chủ yếu dao động trong khoảng -0,30 đến 0,30 m. Chênh lệch mực nước lũ tính toán và điều tra tại các vị trí ở thượng nguồn thường nhỏ, trong khi giá trị chênh lệch mực nước lũ thì lớn hơn ở các vị trí hạ du. Đặc biệt, tại một số vị trí điều tra (ví dụ Km 90 hoặc Km 135), chênh lệch mực nước lũ điều tra và tính toán khoảng 0,75 m. Điều này có thể lý giải do quá trình điều tiết và nhập lưu của các bãi chảy tràn dọc sông cũng như các khu trữ/xả nước tạm thời trên lưu vực.

Hình 9. Chênh lệch mực nước lũ tính toán và điều tra tại 87 vị trí dọc sông cho kiểm định mô hình, trong đó L là khoảng cách tính từ đầu sông, Hobs và Hcal lần lượt là cao trình vết lũ điều tra và tính toán

Sự lệch pha về đỉnh lũ và mực nước lũ lớn nhất tính toán (Hình 8) so với thực đo có thể do một số nguyên nhân sau. Thứ nhất, trận lũ tháng 7 năm 1986 là trận lũ lớn lịch sử gây ngập rất lớn cho thành phố Lạng Sơn cũng như các diện tích khác của lưu vực sông Kỳ Cùng, lưu lượng tại thời điểm lũ xảy ra thì không được đo đạc mà chỉ được khôi phục lại sau này. Đường quá trình lũ phục hồi chính là đường quá trình lũ thực đo trong nghiên cứu này. Do đó, đường quá trình lũ thực đo có thể vẫn còn tiềm ẩn một số sai khác nhất định do các nguyên nhân khác nhau trong quá trình khôi phục như bỏ qua lượng nhập lưu của các bãi hay diện tích chảy tràn nhỏ. Thứ hai, có thể là do sự khác biệt về tình trạng sử dụng đất, địa hình khi xảy ra trận lũ lịch sử tháng 7 năm 1986 và địa hình dùng trong mô hình thủy động lực. Trong nghiên cứu này, số liệu địa hình dạng XYZ từ bình đồ với tỷ lệ 1/10.000 và 1/5.000 thu thập tháng 1 năm 2015 đã được sử dụng. Thứ ba, dòng chảy vòng hay dòng chảy thứ cấp trong sông đã không được xem xét trong quá trình tính toán do không có thông tin cũng như để cho việc hiệu chỉnh các thông số mô hình đơn giản. Việc bỏ qua dòng chảy vòng cũng có thể là một trong các nguyên nhân dẫn đến sự khác biệt khi so sánh giữa giá trị tính toán và thực đo.

5. MÔ PHỎNG NGẬP LỤT CHO CÁC KỊCH BẢN LŨ LỊCH SỬ VÀ THẢO LUẬN

5.1.Trận lũ lịch sử năm 1986

Kết quả mô phỏng ngập cho trận lũ lịch sử tháng 7 năm 1986 được thể hiện trên Hình 10và Hình 11. Có thể nhận thấy rằng sự kết hợp giữa mô hình thủy động lực MIKE 11 và MIKE 21 đã mô phỏng tốt quá trình ngập tại các bãi và các diện tích khác nhau dọc theo sông Kỳ Cùng (Hình 10a và Hình 11a), với độ sâu ngập trung bình từ 1,0 – 3,0 m. Diện tích ngập trên toàn lưu vực ước tính là 2918,66 ha. Đặc biệt là khu vực thành phố Lạng Sơn (Hình 10b-f) và khu vực hạ du Thất Khê (Hình 11b-f), đây là các điểm ngập nghiêm trọng nhất trên lưu vực và tại các khu vực này độ sâu ngập có thể lên đến 10 m.

  

    

  

Hình 10. Kết quả mô phỏng ngập lụt cho trận lũ lịch sử 24/7/1986: a) toàn lưu vực và khu vực thành phố Lạng Sơn tại thời điểm: b) đỉnh lũ, c) sau đỉnh lũ 6h, d) sau đỉnh lũ 12h, e) sau đỉnh lũ 18h và f) sau đỉnh lũ 24h

Tại khu vực thành phố Lạng Sơn, diện tích ngập ước tính cho lũ lịch sử 1986 là 1106,5 ha. Đồng thời kết quả mô phỏng từ mô hình thể hiện rõ sự thay đổi độ sâu ngập theo thời gian (Hình 10b-f). Tại thời điểm đỉnh lũ (tại trạm thủy văn Lạng Sơn) tương ứng với 18:30:00 ngày 23-07-1986 và sau đỉnh lũ 6 giờ gần như toàn bộ bãi bồi dọc theo sông và khu vực thành phố đều ngập trong nước, với độ sâu ngập phổ biến từ 0,5 đến 4,0 m thay đổi tùy từng vị trí và địa điểm cụ thể. Thậm chí có những vị trí độ sâu ngập lên đến 7,5 m. Kết quả tính toán cũng thể hiện diện tích ngập tại thời điểm sau đỉnh lũ 6 giờ thì lớn so với thời điểm xảy ra đỉnh lũ. Điều này được lý giải bởi quá trình và thời gian tập trung dòng chảy từ thượng nguồn và các khu giữa vào sông chính. Tuy nhiên, diện tích ngập đã giảm đáng kể sau đỉnh lũ 24 giờ, với độ sâu ngập trung bình nhỏ hơn 1,5 m. Tại khu vực Thất Khê (Hình 1), diện tích ngập và độ sâu ngập tại các thời điểm khác nhau thì không có sự khác biệt nhiều (Hình 11b-f). Nguyên nhân là do Thất Khê thuộc khu vực đồng bằng thấp nằm ở hạ du của sông Kỳ Cùng.

 

  

  

Hình 11. Kết quả mô phỏng ngập lụt cho trận lũ lịch sử 24/7/1986: a) toàn lưu vực và khu vực Thất Khê tại thời điểm: b) đỉnh lũ, c) sau đỉnh lũ 6h, d) sau đỉnh lũ 12h, e) sau đỉnh lũ 18h và f) sau đỉnh lũ 24h

5.2. Trận lũ lịch sử năm 2014

Hình 12và Hình 13thể hiện kết quả mô phỏng ngập lụt trên lưu vực sông Kỳ Cùng cũng như khu vực thành phố Lạng Sơn và Thất Khê tại các thời điểm khác nhau của trận lũ lịch sử tháng 7 năm 2014. Tương tự như trận lũ lịch sử tháng 7 năm 1986, mô hình cũng mô phỏng tốt quá trình ngập tại các thời điểm khác nhau. Diện tích ngập toàn lưu vực ước tính là 1040,47 ha. Độ sâu ngập trung bình thay đổi từ 0 đến 2 m cho khu vực thành phố Lạng Sơn (Hình 12b-f) và từ 0 đến 3,5 m cho khu vực Thất Khê, huyện Tràng Định (Hình 13b-f). So với lũ lịch sử tháng 7 năm 1986 thì trận lũ tháng 7 năm 2014 có diện tích ngập và độ sâu ngập nhỏ hơn bởi vì trận lũ tháng 7 năm 2014 (Hđỉnhlũ =257,39 m tương ứng với lưu lượng đỉnh lũ là Qđỉnhlũ = 2640 m3/s) nhỏ hơn nhiều so với trận lũ tháng 7 năm 1986 (Hđỉnhlũ = 259,73 m tương ứng với lưu lượng đỉnh lũ là Qđỉnhlũ = 4520 m3/s). Diện tích ngập khu vực thành phố Lạng Sơn ước tính là 265,2 ha.

Mô hình thủy động lực một và hai chiều kết hợp cho phép mô phỏng quá trình ngập trên toàn lưu vực sông Kỳ Cùng nói chung và các khu vực hạ lưu ven sông nơi tập trung dân cư và hạ tầng phát triểnnói riêng. Tuy nhiên, bên cạnh các kết quả đã đạt được thì vẫn còn một số tồn tại. Thứ nhất, việc sử dụng mô hình MIKE 11 cho sông Kỳ Cùng và các dòng nhánh (đã giúp giảm được thời gian tính toán từ mô hình) chỉ cho các kết quả trung bình của dòng chảy (vận tốc, độ sâu dòng chảy) mà không cho phép xem xét sự thay đổi của trường vận tốc cũng như phân bố dòng chảy trong các mặt cắt sông. Đây chính là lý do vì sao độ sâu ngập trên dòng chính sông Kỳ Cùng và các sông nhánh không được xác định từ Hình 10đến Hình 13. Thứ hai, dòng chảy lũ thường có tốc độ và lưu lượng dòng chảy lớn gây xói lở bờ và đáy sông cũng như thay đổi hình thái lòng sông. Ảnh hưởng của việc thay đổi hình thái lòng sông đến các tính toán thủy động lực đã không được xem xét. Thứ ba, quá trình so sánh giữa giá trị tính toán và thực đo được thực hiện tại trạm thủy văn Lạng Sơn cho hiệu chỉnh bộ thông số của mô hình cũng như kiểm định mô hình. Do đó để tăng tính chính xác của kết quả mô phỏng, tài liệu đo đạc tại các vị trí khác trên lưu vực cũng nên được bổ sung và thu thập phục vụ cho nghiên cứu liên quan trong tương lai.

 

  

  

Hình 12. Kết quả mô phỏng ngập lụt cho trận lũ lịch sử 20/7/2014: a) toàn lưu vực, khu vực thành phố Lạng Sơn tại thời điểm: b) đỉnh lũ, c) sau đỉnh lũ 6h, d) sau đỉnh lũ 12h, e) sau đỉnh lũ 18h và f) sau đỉnh lũ 24h

  

  

Hình 13. Kết quả mô phỏng ngập lụt cho trận lũ lịch sử 20/7/2014: a) toàn lưu vực và khu vực Thất Khê tại thời điểm: b) đỉnh lũ, c) sau đỉnh lũ 6h, d) sau đỉnh lũ 12h, e) sau đỉnh lũ 18h và f) sau đỉnh lũ 24h

6. KẾT LUẬN

Trong bài báo này, bộ phần mềm MIKE và công cụ GIS đã được sử dụng để xây dựng bản đồ ngập lụt do lũ gây ra trên lưu vực sông Kỳ Cùng, tỉnh Lạng Sơn. Dựa trên các kết quả đã trình bày, một số kết luận chính của nghiên cứu có thể liệt kê như sau:

·      Mô hình mưa - dòng chảy đã được áp dụng thành công trên lưu vực nghiên cứu để khôi phục dòng chảy lũ trên lưu vực cũng như tạo các chuỗi số liệu đầu vào cho mô hình thủy động lực. Giá trị lớn nhất của sai số quân phương và sai số trung bình của lưu lượng là 590 m3/s (tương đương 13% lưu lượng đỉnh lũ đo đạc tại trạm ) trong khi hệ số tương quan r và hệ số NS thì lớn hơn 0,85.

·      Các thông số của mô hình thủy động lực đã được hiệu chỉnh, sau đó mô hình được kiểm định cẩn thận bằng cách sử dụng các số liệu thực đo và tài liệu điều tra vết lũ tại 87 điểm dọc sông từ Bản Lải đến Thất Khê. Sai số quân phương và sai số trung bình của lưu lượng nhỏ hơn 15% lưu lượng đỉnh lũ tại trạm trong khi hệ số tương quan r và hệ số NS lớn hơn 0,80.

·      Sự kết hợp giữa mô hình thủy động lực một và hai chiều đã cho phép mô phỏng và tái hiện lại quá trình phức tạp của dòng chảy lũ theo cả không gian và thời gian trên lưu vực nghiên cứu.

·      Các bản đồ ngập lụt tương ứng với các kịch bản lũ lịch sử đã được xây dựng và thể hiện một cách chi tiết đặc biệt là khu vực hành chính thành phố Lạng Sơn và khu vực Thất Khê – huyện Tràng Định. Kết quả mô phỏng từ mô hình ước tính diện tích ngập của thành phố Lạng Sơn cho trận lũ lịch sử 1986 và 2014 lần lượt là 1106,5 havà 265,2 ha, với thời gian ngập từ 1 đến 24 giờ, trong khi đó tại Thất Khê là 1106,51 ha (1986) và 620,0 ha (2014), với thời gian ngập trên diện rộng lớn hơn 24 giờ.

·      Công cụ tích hợp sử dụng mô hình mưa – dòng chảy, mô hình thủy động lực, và công nghệ GIS đã được xây dựng và áp dụng thành công cho lưu vực sông Kỳ Cùng và hoàn toàn có thể cung cấp các thông tin hữu ích (i) cho việc xây dựng các kế hoạch quản lý lũ tổng hợp trên lưu vực, (ii) xây dựng các tiêu chí cảnh báo lũ tại các điểm ngập nghiêm trọng cũng như (ii) trợ giúp cho việc ra quyết định khi có lũ lụt xảy ra.

Do lưu lượng và tốc độ dòng chảy lớn, dòng chảy lũ thường gây sạt lở bờ và đáy sông cũng như mang theo nhiều bùn cát và làm thay đổi chất lượng nước. Vấn đề bùn cát và chất lượng nước do lũ gây ra trên lưu vực nghiên cứu sẽ được xem xét trong các nghiên cứu tiếp theo.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]  Tài liệu kỹ thuật: quản lý rủi ro thiên tai và thích ứng với biến đổi khí hậu, Tổng Cục Thủy Lợi, 2012

[2]  Hồ sơ Kỹ thuật, Kế hoạch quản lý lũ tổng hợp lưu vực sông Kỳ Cùng, tỉnh Lạng Sơn, Viện Thủy điện và năng lượng tái tạo- Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, 2016

[3]  Hoàng Thị Minh Nguyệt (). "Nghiên cứu cơ sở khoa học và đề xuất giải pháp tiêu úng thoát lũ sông Phan- Cà Lồ", Luận Án Tiến sĩ.

[4]  User Guides MIKE by DHI 2014.

PHỤ LỤC 1: HIỆU CHỈNH VÀ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH MƯA – DÒNG CHẢY

Toàn lưu vực sông Kỳ Cùng được chia thành 18 lưu vực con như thể hiện chi tiết trên Hình 4để tính toán quá trình dòng chảy trên dòng chính cũng như trên các phụ lưu. Mô hình mưa - dòng chảy MIKE-NAM được áp dụng trong nghiên cứu này. Các thông tin mô tả chi tiết về mô hình mưa – dòng chảy MIKE-NAM, hệ thống các bể chứa và cấu trúc của mô hình có thể tham khảo trong các tài liệu hướng dẫn sử dụng mô hình [4] cũng như các tài liệu liên quan khác. Các thông số chính của mô hình mưa dòng chảy được thống kê trong Bảng 1. Các thông số của mô hình mưa – dòng chảy MIKE-NAM được xác định theo phương pháp thử và sai, để xác định sự phù hợp nhất giữa giá trị tính toán và thực đo dựa trên bốn chỉ tiêu sai số khác nhau. Giá trị cuối cùng của các thông số cơ bản của mô hình mưa – dòng chảy MIKE-NAM được liệt kê trong Bảng 1.

Hình 14thể hiện quá trình lưu lượng nước tính toán và thực đo tại trạm thủy văn Lạng Sơn cho quá trình hiệu chỉnh bộ thông số của mô hình mưa – dòng chảy MIKE-NAM. Chú ý rằng kết quả tính toán tương ứng với các giá trị phù hợp nhất của bộ thông số được liệt kê trong Bảng 1. Có thể nhận thấy rằng mô hình mưa – dòng chảy MIKE-NAM đã tái hiện rất tốt đường quá trình lũ và tổng lượng lũ lũy tích thực đo tại trạm thủy văn Lạng Sơn. Sai số RMSE and MAE của lưu lượng lần lượt là 250 và 190 m3/s (< 9,5% lưu lượng đỉnh lũ đo đạc tại trạm), trong khi hệ số NS và hệ số tương quan r lần lượt là 0,93 và 0,96.

Để kiểm định lại mô hình mưa – dòng chảy MIKE-NAM, các số liệu khí tượng thủy văn (mưa, dòng chảy lũ) tương ứng với trận lũ tháng 7 năm 1986 đã được sử dụng. Giá trị phù hợp của bộ thông số mô hình mưa – dòng chảy MIKE-NAM xác định trong quá trình hiệu chỉnh mô hình cũng được áp dụng. Hình 15thể hiện kết quả kiểm định mô hình MIKE-NAM cho trận lũ tháng 7 năm 1986. Tương tự như kết quả hiệu chỉnh mô hình, Sai số quân phương, sai số trung bình, hệ số NSvà hệ số tương quan r lần lượt là 590 m3/s, 360 m3/s (tương ứng khoảng 13% lưu lượng đỉnh lũ đo đạc tại trạm), 0.85, và 0.93. Các kết quả này xác nhận lại rằng giá trị của các thông số mô hình mưa – dòng chảy MIKE-NAM có thể được sử dụng để khôi phục và kéo dài chuỗi số liệu dòng chảy từ mưa trên lưu vực nghiên cứu.

Bảng 1. Các thông số cơ bản trong mô hình mưa – dòng chảy

Thông số

Giá trị hiệu chỉnh và kiểm định

Mô tả

Giá trị

Lmax

??

Lượng nước tối đa trong bể chứa tầng rễ cây, nó cũng có thể gọi là lượng ẩm tối đa của tầng rễ cây để thực vật có thể hút để thoát hơi nước.

 

Umax

??

Lượng nước tối đa trong bể chứa mặt. Lượng trữ này có thể gọi là lượng nước để điền trũng, rơi trên mặt thực vật và chứa trong vài cm bề mặt đất.

 

CQOF

??

Hệ số dòng chảy mặt. CQOF quyết định sự phân phối của mưa hiệu quả cho dòng chảy ngầm và thấm.

0 ¸1

TOF

??

Giá trị ngưỡng của dòng chảy mặt. Dòng chảy mặt chỉ hình thành khi lượng ẩm tương đối của đất ở tầng rễ cây lớn hơn TOF.

0 ¸1

TIF

??

Giá trị ngưỡng của dòng chảy sát mặt. Dòng chảy sát mặt chỉ hình thành khi chỉ số ẩm tương đối của tầng rễ cây lớn hơn TIF.

0 ¸1

TG

??

Giá trị ngưỡng của lượng nước bổ sung cho dòng chảy ngầm. Lượng nước bổ sung cho bể chứa ngầm chỉ được hình thành khi chỉ số ẩm tương đối của tầng rễ cây lớn hơn TG.

0 ¸1

CKIF

??

Hằng số thời gian của dòng chảy sát mặt. CKIF cùng với Umaxquyết định dòng chảy sát mặt. Nó chi phối thông số diễn toán dòng chảy sát mặt CKIF ≥ CK12.

 

CK12

??

Hằng số thời gian cho diễn toán dòng chảy mặt và sát mặt. Dòng chảy mặt và dòng chảy sát mặt được diễn toán theo các bể chứa tuyến tính theo chuỗi với cùng một hằng số thời gian CK12.

 

CKBF

??

Hằng số thời gian dòng chảy ngầm. Dòng chảy ngầm từ bể chứa ngầm được tạo ra sử dụng mô hình bể chứa tuyến tính với hằng số thời gian CKBF.

 

 

Hình 14. Kết quả tính toán và thực đo lưu lượng tại trạm thủy văn Lạng Sơn cho hiệu chỉnh mô hình MIKE-NAME

 

Hình 15. Kết quả tính toán và thực đo lưu lượng tại trạm thủy văn Lạng Sơn cho kiểm định mô hình MIKE-NAME

Đỗ Anh Đức1, Phạm Văn Chiến2,*

1 Viện Thủy điện và năng lượng tái tạo, Viện Khoa học Thủy lợi Việt nam

2 Khoa Thủy văn và tài nguyên nước, Trường Đại học Thủy Lợi

* Corresponding author: Pchientvct_tv@tlu.edu.vn

Tạp chí khoa học và công nghệ Thủy lợi

Tin Liên Quan
Đánh giá ảnh hưởng của các khu đô thị mới đến vấn đề thoát lũ hạ lưu hệ thống sông Kone - Hà Thanh
24/01/2019

Sự phát triển của các khu đô thị có ảnh hưởng rất lớn đến vấn đề thoát lũ tại các hệ thống sông. Tuy nhiên, tại Việt Nam, vấn đề này chưa được nghiên ...

Áp dụng công cụ tích hợp phục vụ xây dựng bản đồ ngập lụt lưu vực sông Kỳ Cùng, tỉnh Lạng Sơn
16/01/2019

Lũ lụt trên các lưu vực sông thường gây ra những hậu quả và thiệt hại nặng nề về người cũng như kinh tế, đặc biệt trong tình hình biến đổi khí hậ ...

Giải pháp khống chế ứng suất nhiệt của bê tông đầm lăn - Trường hợp áp dụng cho Đập Thủy điện Trung Sơn
10/01/2019

Với kết quả nghiên cứu giải pháp khống chế ứng suất nhiệt cho từng khu vực điển hình ở Việt Nam, bài báo đã tiến hành tính toán áp dụng cho đập BTĐL t ...

VĂN BẢN

VIDEO CLIP

SẢN PHẨM MỚI

THỐNG KÊ TRUY CẬP

  • Đang online

    28883
  • Hôm nay

    28883
  • Hôm qua

    28825
  • Tuần này

    57708
  • Tháng này

    597171
Tất cả: 2102380