Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 37-43
37
Ứng dụng mô hình MIKE FLOOD tính toán ngập lụt hệ thống
sông Nhuệ - Đáy trên địa bàn thành phố Hà Nội
Đặng Đình Đức, Trần Ngọc Anh, Nguyễn Ý Như*, Nguyễn Thanh Sơn
Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN,
334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam
Nhận ngày 29 tháng 4 năm 2011
Tóm tắt. Trong những năm gần đây, biến đổi các hiện tượng cực đoan gây tổn thất lớn về người
và của ở nhiều địa phương cũng như nhiều lĩnh vực hoạt động kinh tế - xã hội. Do đó vấn đề quản
lý lũ đã trở thành trọng điểm quốc gia. Chình vì thế việc xây dựng bản đồ ngập lụt trở thành một
bài toán hết sức cần thiết cung cấp cơ sở cho công tác quản lý lũ. Đối với bài toán đặt ra, nghiên
cứu đã sử dụng MIKE FLOOD làm công cụ mô phỏng ngập lụt hệ thống sông Nhuệ - Đáy trên địa
bàn thành phố Hà Nội. Trong đó, mô hình NAM được sử dụng để xây dựng chuỗi số liệu dòng
chảy từ mưa làm điều kiện biên cho mô hình MIKE FLOOD. Bộ thông số mô hình kết nối 1-2
chiều được hiệu chỉnh và kiểm định cho hai trận lũ lớn năm 1984 và 2008 tại trạm Phủ Lý, kết hợp
với các tài liệu đo đạc diện ngập lụt của trận lũ lịch sử 2008. Kết quả cho thấy mô hình mô phỏng
với độ chính xác tương đối cao thể hiện khả năng ứng dụng của mô hình trong công tác xây dựng
bản đồ ngập lụt, bản đồ tổn thương cũng như cảnh báo nguy cơ úng lụt cho khu vực Thành phố Hà
Nội. Bài báo được hoàn thành với sự hỗ trợ của đề tài nhóm A, Đại học Quốc gia Hà Nội,
QGTĐ.10-06
Từ khóa: MIKE FLOOD, bản đồ ngập lụt, hệ thống sông Nhuệ - Đáy.
1. Mở đầu
Diễn biến phức tạp của biến đổi khí hậu
toàn cầu kéo theo sự bất thường của mưa lớn, lũ
lụt ... Là một lưu vực có vị trí chiến lược trong
phát triển kinh tế - xã hội và an ninh quốc
phòng của cả nước, hơn nữa lưu vực Nhuệ Đáy
lại thường xuyên chịu tác động của ngập lụt khi
có mưa lớn. Do đó việc mô phỏng bức tranh
ngập lụt được đặt ra cấp thiết hơn bao giờ hết.
Chính vì vậy nghiên cứu thực hiện xây dựng
bức tranh ngập lụt chi tiết cho khu vực theo các
_______
Tác giả liên hệ. ĐT: 0987761757.
E-mail: ynhu.nyn@gmail.com
kịch bản khác nhau sử dụng mô hình MIKE
FLOOD, phục vụ quy hoạch, cảnh báo, dự báo
diện ngập lụt phục vụ công tác ứng phó nhanh,
cũng như ước tính thiệt hại do thiên tai.
MIKE FLOOD là mô hình thuỷ động lực
học dòng chảy kết nối 1&2 chiều, có khả năng
mô phỏng mực nước và dòng chảy trên sông,
cửa sông, vịnh và ven biển, cũng như mô phỏng
dòng không ổn định hai chiều ngang trên đồng
bằng ngập lũ. Nó kết hợp ưu điểm của mô hình
1 chiều cho mạng lưới sông (thời gian mô
phỏng ngắn) lẫn lợi thế của mô hình 2 chiều
(mô phỏng chính xác diện ngập lụt và trường
vận tốc trên bề mặt đồng bằng ngập lũ), đồng
Đ.Đ. Đức và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 37-43
38
thời tương thích với các cấu trúc GIS thông
dụng. Do đó MIKE FLOOD có được nhiều sự
quan tâm của các nhà nghiên cứu cũng như có
nhiều ứng dụng trong thực tiễn ở Việt Nam và
trên thế giới [1,3]
2. Giới thiệu vùng nghiên cứu
Lưu vực sông Nhuệ-Đáy nằm ở hữu ngạn
sông Hồng trong phạm vi từ 200 đến 21020' vĩ
độ Bắc và từ 1050 đến 106030' kinh độ Đông,
với tổng diện tích tự nhiên là 7665 km2 (hình 1),
vùng nghiên cứu là Thành phố Hà Nội với diện
tích 3344,6 km2, gồm 9 quận, 18 huyện, 2 thành
phố; dân số: 6.451.909 người (2009).
Sông Đáy bắt nguồn từ sông Hồng thông
qua hệ thống phân chứa lũ Vân Cốc, Phúc Thọ
chảy qua Hà Nội, Hà Nam, Ninh Bình và Nam
Định trước khi đổ ra biển Đông tại cửa Đáy.
Sông Nhuệ cũng lấy nước từ sông Hồng
qua cống Liên Mạc ở Từ Liêm, Hà Nội chảy
qua các tỉnh Hà Nội và Hà Tây rồi đổ vào sông
Đáy tại Phủ Lý, tỉnh Hà Nam.
Nằm trên vùng châu thổ sông Hồng, lưu
vực sông Nhuệ - Đáy nằm trải dài theo phương
vĩ tuyến từ Hà Nội đến Nam Định. Địa hình lưu
vực có sự phân hoá tương phản thể hiện rõ nét
theo hướng Tây-Đông và hướng Bắc-Nam.
Phía Tây và Tây Nam là địa hình đồi núi
chiếm khoảng 40% diện tích, thấp dần từ Đông
Bắc xuống Tây Nam ra biển và từ Tây sang
Đông. Phần lớn là các dãy núi thấp, độ cao
trung bình 400-600m, đan xen có một vài khối
núi có độ cao trên 1000m như Ba Vì (1296m),
Đồi Thơi (1198m), Viên Nam (1031m)
Diện tích vùng đồng bằng chiếm khoảng
60% lãnh thổ, địa hình khá bằng phẳng có độ
cao < 20 m và thấp dần từ Tây sang Đông, từ
Tây Bắc xuống Đông Nam, bị chia cắt bởi hệ
thống sông và kênh mương chằng chịt. Vùng
đồng bằng có thể được chia thành 4 khu vực có
đặc điểm khác nhau: Vùng đồng bằng phía Bắc,
Vùng đồng bằng trung tâm, Vùng đồng bằng
phía Nam, Vùng đồng bằng thung lũng.
Thượng lưu sông uốn khúc, hẹp và dốc,
nhiều ghềnh, nước chảy xiết, là nguy cơ tạo nên
các hiện tượng xói lở, lũ quét...Trung lưu và hạ
lưu được mở rộng, dòng sông chảy chậm, khả
năng thoát nước kém dẫn đến tình trạng ngập lũ
mỗi khi xuất hiện mưa lớn.
Hình 1. Sơ đồ lưu vực hệ thống sông Nhuệ - Đáy
và vùng nghiên cứu.
Khu vực nghiên cứu chủ yếu là đồng bằng
được bồi đắp bởi các dòng sông với các bãi bồi
đại, cao và bậc thềm, xen giữa là các vùng trũng
với các hồ, đầm..., với độ cao trung bình từ 5 –
20m thấp dần từ Bắc xuống Nam, Tây sang
Đông, độ nghiêng không lớn nên khi có lượng
nước lớn bất thường dễ xảy ra ngập úng.
Đ.Đ. Đức và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 37-43
39
3. Giới thiệu mô hình MIKE FLOOD
Dòng chảy trong vùng ngập lũ là dòng chảy
2 chiều theo phương ngang, vừa có dòng chảy
tập trung trong các mạng lưới sông suối vừa có
dòng chảy tràn trên bề mặt, do vậy nếu sử dụng
mô hình 2 chiều để mô phỏng quá trình này thì
yêu cầu lưới tính khá chi tiết để mô tả đủ chính
xác ảnh hưởng của dòng chảy tập trung trong
các kênh, rãnh. Mặt khác, dòng chảy tràn trên
bề mặt chỉ xuất hiện khi có mực nước trong
sông cao hơn cao trình bờ (hoặc đê), vì thế để
giảm thời gian và khối lượng tính toán có thể
kết hợp các ưu điểm của cả mô hình 1 và 2
chiều bằng cách kích hoạt mô đun tính toán 2
chiều khi xuất hiện dòng chảy tràn. Mô hình
MIKE FLOOD thực hiện các kết nối giữa mô
hình MIKE 11 (tính toán thủy lực mạng sông 1
chiều) với mô hình MIKE 21 (mô phỏng dòng
chảy nước nông 2 chiều theo phương ngang)
bằng 4 loại kết nối: a) kết nối tiêu chuẩn: sử
dụng khi một nhánh sông một chiều đổ trực tiếp
vào vùng ngập 2 chiều; b) kết nối bên: sử dụng
khi một nhánh sông nằm kề vùng ngập, và khi
mực nước trong sông cao hơn cao trình bờ thì
sẽ kết nối với ô lưới tương ứng của mô hình 2
chiều; c) kết nối công trình (ẩn): sử dụng các
dạng liên kết qua công trình; và d) kết nối khô
(zero flow link): là kết nối không cho dòng
chảy tràn qua [1, 4-6].
Mô hình MIKE FLOOD được phát triển bởi
Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) thực chất là
phần mềm liên kết giữa mô hình MIKE 11 và
MIKE 21 đã được xây dựng trước đó. Bộ mô
hình này có thể tích hợp nhiều mô đun khác
nhau, nhưng trong khuôn khổ nghiên cứu này
chỉ sử dụng mô đun RR (mô hình mưa-dòng
chảy NAM) để tạo dòng chảy biên đầu vào cho
mô hình thủy lực mạng sông (HD) kết hợp với
mô hình thủy lực 2 chiều MIKE 21 [1, 4-6].
4. Ứng dụng MIKE FLOOD tính toán ngập
lụt lưu vực Nhuệ - Đáy trên địa bàn Thành
Phố Hà Nội
4.1. Xây dựng cơ sở dữ liệu
- Dữ liệu địa hình: Bản đồ số độ cao khu
vực nghiên cứu được xây dựng với độ phân giải
30x30m từ bản đồ địa hình tỷ lệ 1: 25.000 kết
hợp với một số các số liệu cao độ bổ sung thu
thập từ các nguồn khác nhau [4]. Các mặt cắt
ngang sông cho khu vực nghiên cứu đã thu thập
gồm: 39 mặt cắt trên sông Đáy, 26 mặt cắt trên
sông Nhuệ, 20 mặt cắt trên sông Tích và 12 mặt
cắt trên sông Hoàng Long.
- Dữ liệu khí tượng thuỷ văn: bao gồm số
liệu mưa ngày, mưa giờ tại Láng, Hà Đông, Ba
Thá, Sơn Tây, Hưng Thi, Phủ Lý các năm 1984
và 2008; mực nước giờ tại các trạm: Phủ Lý,
Ninh Bình các năm 1984 và 2008; số liệu trích
lũ lưu lượng tại trạm Ba Thá năm 1972, 1978.
Trên toàn bộ vùng nghiên cứu hiện nay không
có trạm đo lưu lượng, do vậy để làm cơ sở cho
việc hiệu chỉnh và kiểm định mô hình mưa-
dòng chảy (NAM), số liệu lưu lượng trạm Ba
Thá năm 1972 và 1978 được sử dụng.
4.2. Thiết lập mô hình MIKE FLOOD cho hệ
thống sông Nhuệ - Đáy
- Xây dựng mạng lưới thuỷ lực một chiều
Mạng lưới thủy văn khu vực nghiên cứu
được mô tả bằng sơ đồ thủy lực bao gồm sông
chính là sông Đáy với chiều dài 182 km, 39
mặt cắt, biên trên là trạm thủy văn Đập Đáy,
biên dưới là trạm thủy văn Ninh Bình, sông
Nhuệ với chiều dài 74 km với 26 mặt cắt, biên
trên lấy tại vị trí cống Liên Mạc, đổ vào dòng
chính sông Đáy tại ngã ba Phủ Lý. Ngoài ra,
mạng thủy lực còn bao gồm một số sông như
sông Tích, sông Hoàng Long (hình 2).
Đ.Đ. Đức và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 37-43
40
Hình 2. Sơ đồ thủy lực hệ thống sông Nhuệ - Đáy.
- Xây dựng mạng thủy lực hai chiều
Giới hạn vùng ngập ở hạ lưu được xác định
trên cơ sở bản đồ địa hình kết hợp với một số
tài liệu khảo sát các trận lũ lịch sử nhằm đảm
bảo bao trùm toàn bộ vùng ngập lụt tối đa. Bản
đồ DEM khu vực nghiên cứu với độ phân giải
30 x 30m đã xây dựng ở trên được sử dụng làm
nền địa hình cho mô hình MIKE 21. Nền địa
hình này đã có kết hợp với các tài liệu mạng
lưới đường sắt, đường quốc lộ và tỉnh lộ trong
khu vực. Khu vực nghiên cứu được rời rạc hóa
theo lưới phần tử hữu hạn (FEM) với khoảng
cách các ô lưới là từ 200 – 1000 m. Vớ
1.000.000 m2, góc
nhỏ nhất 30o toàn bộ vùng ngập lụt chia
27.846 6.678 3).
- Kết nối (Coupling) trong MIKE FLOOD
và
tính toán trong MIKE 11 và MIKE 21,
chúng trong MIKE FLOOD với
trong 1.
4.3. Hiệu chỉnh, kiểm định MIKE FLOOD
Để tính toán, mô phỏng quá trình dòng chảy
lũ trên lưu vực bằng mô hình thủy văn, thủy lực
cần thực hiện các bước hiệu chỉnh và kiểm định
bộ thông số cho mô hình tính toán. Do biên đầu
vào của mô hình MIKE FLOOD phải tính gián
tiếp từ mưa bằng mô hình NAM, do vậy trước
hết phải kiểm định và hiệu chỉnh mô hình NAM
- Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình NAM
Dựa trên tình hình tài liệu đo đạc lưu lượng
tại trạm Ba Thá trận lũ năm 1972 và 1978, hai
trận lũ có số liệu lưu lượng thực đo này được
lựa chọn để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình.
Cụ thể:Trận lũ 23/07/1972 đến 20/09/1972 sử
dụng cho hiệu chỉnh. Trận lũ từ 28/8/1978 đến
19/10/1978 sử dụng cho kiểm định
Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định NAM tại
Ba Thá được thể hiện trong các hình 4 và 5. Chỉ
số Nash được sử dụng như hàm mục tiêu trong
nghiên cứu, kết quả hiệu chỉnh là 84.6% và
kiểm định là 73,4% đều đạt loại khá và đảm
bảo yêu cầu cho các bước tính toán tiếp theo.
- Đánh giá kết quả tính diện ngập lụt trận lũ
2008
Nhằm mục tiêu đánh giá khả năng tính toán
diện ngập lụt bằng mô hình kết nối đã xây
dựng, kết quả tính toán được xuất ra dưới dạng
file ASCII, và xử lý bằng phần mềm ArcGis 9.3
nhằm xây dựng vùng ngập lụt với độ sâu ngập
khác nhau thành các lớp thông tin (layer) trên
GIS. Từ đó kết hợp lớp ranh giới hành chính có
sẵn, xác định diện ngập ứng các mức ngập sâu
cho toàn vùng. Số liệu tính toán được so sánh
với ảnh vệ tinh được chụp ngày 7/11/2011. Tuy
không bắt được thời gian xuất hiện đỉnh lũ,
nhưng phần nào cũng phản ánh được diện ngập
tính toán phù hợp với thực tế. Bản đồ diện tích
ngập lụt tương ứng với trận lũ 2008 đã được
xây dựng với tỷ lệ 1/25.000 và được minh họa
trong hình 9.
Đ.Đ. Đức và nnk. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 37-43
41
Tên sông
Môđun Coupling
Đáy
HD
Bên
Nhuệ
HD
Bên
Tích
HD
Bên
Hoàng Long
HD
Bên
Hình 3. Sơ đồ lưới phần tử hữu hạn dùng trong mô hình 2 chiều.
Hình 4. Kết quả hiệu chỉnh mô hình NAM.
Hình 5. Kết quả kiểm định mô hình NAM.
Hình 6. Kết quả hiệu chỉnh mô hình MIKE FLOOD
tại Phủ Lý (1984).
Hình 7. Kết quả kiểm định mô hình MIKE FLOOD
tại Hà Đông (2008).