Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 1-8
1
Xây dựng bản đồ ngập lụt hạ lưu các sông Bến Hải và
Thạch Hãn, tỉnh Quảng Trị
Trần Ngọc Anh*
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. Bài báo giới thiệu kết quả xây dựng bản đồ ngập lụt hạ lưu các hệ thống sông Bến Hải và
Thạch Hãn, tỉnh Quảng Trị từ các kết quả mô phỏng bằng mô hình thủy lực kết nối 1-2 chiều
MIKE FLOOD. Mô hình 1 chiều được xây dựng cho mạng lưới sông kênh Bến Hải và Thạch Hãn
có tính đến trao đổi nước thông qua sông Cánh Hòm (giữa Bến Hải và Thạch Hãn) và sông Vĩnh
Định (với sông Ô Lâu) ở khu vực hạ lưu; miền tính toán 2 chiều bao trùm toàn bộ các đồng bằng
ngập lũ và vùng cát ven biển. Bộ mô hình kết nối 1-2 chiều được hiệu chỉnh và kiểm định với các
trận lũ lịch sử năm 2005 và 1999. Bản đồ ngập lụt ứng với các trận lũ lịch sử này được xây dựng
với các yếu tố mực nước đỉnh lũ và độ sâu ngập lụt lớn nhất, và là cơ sở để xây dựng các sê-ri bản
đồ ngập lụt ứng với các kịch bản ở các bước tiếp theo phục vụ công tác ứng phó với thiên tai ở cấp
địa phương.
Từ khóa: bản đồ ngập lụt, MIKE FLOOD, sông Bến Hải, sông Thạch Hãn.
1. Mở đầu
Bản đồ ngập lụt là công cụ hữu hiệu trong
công tác ứng phó chủ động với lũ lụt ở cả trong
giai đoạn chuẩn bị và quy hoạch phòng chống
thiên tai cũng như trong giai đoạn ứng phó khẩn
cấp. Vai trò này lại càng trở nên quan trọng đặc
biệt ở các đồng bằng ven biển các tỉnh miền
Trung, do hệ thống sông ngòi ở đây thường
ngắn và dốc, thời gian tập trung nước nhanh
nên hầu hết các mô hình tính toán phức tạp về
quy mô và mức độ ngập lụt không cung cấp
thông tin đủ nhanh phục vụ cho công tác di dời
dân khi lũ về. Trong trường hợp đó, việc sử
dụng các bản đồ ngập lụt xây dựng sẵn với các
kịch bản sẽ giúp cho các nhà chức trách địa
_______
ĐT: 84-4-38584943.
E-mail: anhtn@vnu.edu.vn
phương chủ động lựa chọn phương án ứng phó
khi có các thông tin dự báo, cảnh báo nhanh về
tình hình lũ lụt ở hạ lưu.
Có nhiều phương pháp xây dựng bản đồ
ngập lụt [1] như: sử dụng các tài liệu khảo sát
vết lũ, sử dụng các tài liệu khảo sát về địa hình
và các phương pháp GIS [2], sử dụng các sê-ri
ảnh viễn thám và vệ tinh, sử dụng các mô hình
thủy động lực... Ba phương pháp đầu tiên tuy
có lợi thế về khối lượng tính toán ít, nhưng lại
chỉ mô tả các trận lũ cụ thể với chú trọng đến
quy mô và phạm vi ngập lụt mà không cung cấp
các thông tin đến vận tốc dòng lũ cũng như khó
khăn trong việc xây dựng các kịch bản và dự
báo trong tương lai. Sử dụng các công cụ mô
hình thủy động lực hiện nay là phương pháp
đang được sử dụng rộng rãi [3-7] do tính ưu
T.N. Anh / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 1-8
2
việt về khả năng mô tả chính xác quá trình lũ
theo thời gian, phân bố theo không gian của các
yếu tố động lực và đặc biệt cho phép tính toán
dự báo, mô phỏng theo các kịch bản thay đổi
trên bề mặt lưu vực hoặc đánh giá tác động của
các hoạt động kinh tế xã hội đến tình hình ngập
lụt trong khu vực nghiên cứu.
Mô hình thủy lực 1 chiều cho hệ thống sông
Bến Hải, Thạch Hãn và Ô Lâu đã được Vũ Đức
Long và cộng sự [8] thiết lập đã bao gồm cả
sông Cánh Hòm và Vĩnh Định kết nối trực tiếp
các hệ thống sông nói trên. Mô hình 1 chiều
được hiệu chỉnh và kiểm định với các trận lũ
vừa và nhỏ các năm 2004 và 2009 khi mực
nước lũ trong sông chưa vượt quá bờ khống chế
để tràn vào đồng bằng ngập lũ. Mô hình này sau
đó đã được sử dụng để xây dựng công nghệ dự
báo nhanh và chuyển giao cho địa phương.
Mặc dầu vậy, cũng như hầu hết các hệ
thống sông miền Trung khác, cao trình đê tại
khu vực tỉnh Quảng Trị rất thấp, chủ yếu nhằm
mục đích ngăn lũ sớm nên trong mùa lũ chính
vụ nước lũ tràn vào nội đồng, và dòng chảy
hoàn toàn mang tính chất hai chiều. Khi đó, mô
phỏng sử dụng mô hình một chiều không có
khả năng tính toán chính xác diện tích cũng như
độ sâu ngập lụt. Để đảm bảo cân bằng vật chất,
các kỹ thuật đưa vào ô trữ (storage-cell) có thể
được sử dụng như trong mô hình VRSAP [9]
hoặc kết hợp với các công cụ GIS như trong
Mike 11 GIS [7,10]. Tuy nhiên, các kỹ thuật
trên đây vẫn hạn chế trong trong việc mô tả các
diễn biến theo không gian của các yếu tố thủy
động lực do đó cần thiết phải có các tính toán 2
chiều.
Mike Flood là một bộ mô hình thủy lực cho
phép kết nối 1-2 chiều để tận dụng hiệu quả tính
toán của mô hình 1 chiều cũng như khả năng
mô phỏng 2 chiều trên đồng bằng ngập lũ
[11,12]. Và trong khuôn khổ nghiên cứu này đã
kế thừa mô hình 1 chiều cho mạng sông (với bộ
thông số đã hiệu chỉnh và kiểm định)[8], xây
dựng miền tính 2 chiều ở khu vực hạ lưu và kết
nối trực tiếp với mô hình 1 chiều nói trên. Mô
hình sau khi kết nối được hiệu chỉnh và kiểm
định với 2 trận lũ lịch sử trên khu vực là trận lũ
năm 2005 và 1999.
Cơ sở dữ liệu GIS cho khu vực hạ lưu Bến
Hải và Thạch Hãn được xây dựng từ các bản đồ
nền và kết hợp với các kết quả tính toán để xây
dựng bản đồ ngập lụt khu vực nghiên cứu tương
ứng với 2 trận lũ lịch sử. Cơ sở dữ liệu này
cùng với bộ mô hình đã xây dựng là cơ sở khoa
học cho các nghiên cứu tiếp theo phục vụ xây
dựng bộ bản đồ ngập lụt theo các kịch bản đáp
ứng nhu cầu thực tiễn ứng phó với thiên tai ở
địa phương.
2. Giới thiệu vùng nghiên cứu
Hệ thống sông Thạch Hãn và Bến Hải là hai
hệ thống sông lớn nhất tỉnh Quảng Trị với diện
tích lưu vực tương ứng là 2.660km2 và 809km2,
chiếm ~73% diện tích toàn tỉnh. Phần lớn các
khu dân cư và kinh tế tập trung, các khu hành
chính của tỉnh đều nằm hạ lưu các hệ thống
sông và thường xuyên chịu uy hiếp của lũ lụt
[8]. Sông Thạch Hãn bắt nguồn từ khu vực núi
cao thuộc huyện Đakrong, giáp ranh với tỉnh
Thừa Thiên - Huế, chảy ra biển qua Cửa Việt và
có các nhập lưu chính là Sông Hiếu, Rào Quán.
Sông Bến Hải bắt nguồn từ sườn đông dãy
Trường sơn, nhận nước từ nhập lưu lớn nhất là
Sa Lung và đổ ra biển tại Cửa Tùng. Tuy chỉ có
một phần diện tích nằm trên địa bàn tỉnh Quảng
Trị nhưng sông Ô Lâu lại có vai trò hết sức
quan trọng trong mùa lũ do nó không chỉ thu
nước từ lưu vực thượng nguồn nằm bên tỉnh
Thừa Thiên Huế mà còn nhận nước từ sông
Thạch Hãn qua sông Vĩnh Định và là nguyên
nhân gây ngập lụt cho khu vực đồng bằng Triệu
Phong, Hải Lăng, tỉnh Quảng Trị. Đóng vai trò
T.N. Anh / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 1-8
3
chuyển nước giữa sông Bến Hải và Thạch Hãn
là sông Cánh Hòm dài 21,5km (hình 1).
Hình 1. Sơ đồ mạng lưới sông ngòi khu vực nghiên cứu.
3. Giới thiệu mô hình MIKE FLOOD
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. 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 [11,12]: 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.
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.
Giới thiệu và mô tả chi tiết về mô hình MIKE
FLOOD và các khả năng ứng dụng của nó có
thể dễ dàng tìm thấy trong các tài liệu và nghiên
cứu gần đây [8,13,14].
4. Ứng dụng MIKE FLOOD tính toán ngập
lụt hạ lưu lưu vực các sông Bến Hải và
Thạch Hãn
4.1. Cơ sở dữ liệu
- Dữ liệu địa hình: Bản đồ mô hình số độ
cao khu vực nghiên cứu được xây dựng với độ
phân giải 20x20 m từ bản đồ địa chính cơ sở tỷ
lệ 1:10.000 công bố năm 2007. Các mặt cắt
ngang sông cho khu vực nghiên cứu kế thừa từ
nghiên cứu của Vũ Đức Long và cộng sự [8].
- Dữ liệu khí tượng thuỷ văn đã thu thập: số
liệu mưa 6-giờ tại Đông Hà, Gia Vòng và Khe
Sanh các năm 1999 và 2005; số liệu lưu lượng
và mực nước giờ tại trạm Gia Vòng, mực nước
giờ tại các trạm Đông Hà, Thạch Hãn và Cửa
Việt các năm 1999 và 2005;
4.2. Thiết lập miền tính 2 chiều
Giới hạn vùng ngập ở hạ lưu được xác định
trên cơ sở bản đồ địa hình kết hợp với một số
các tài liệu khảo sát trận lũ lịch sử 1999 [2]
nhằm đảm bảo bao trùm toàn bộ vùng ngập lụt
tối đa (hình 2). Bản đồ DEM khu vực nghiên
cứu với độ phân giải 20x20m 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 về mạng lưới đường sắt, các
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 30–150 m. D
40.000 m2, góc nhỏ nhất 20o toàn bộ vùng ngập
lụt chia 41.762 21.294
3).
T.N. Anh / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 1-8
4
- Tiến hành kết nối (Coupling) trong MIKE
FLOOD
và chạy thông với miền
tính trong MIKE mạng
sông 1 chiều [8] với miền tính 2 chiều ở trên
trong MIKE FLOOD.
Hình 2. Giới hạn miền tính toán 2 chiều
trong MIKE 21.
Hình 3. Minh họa cách chia lưới mô tả chi tiết hệ thống
công trình trên bề mặt đồng bằng ngập lũ.
0
1
2
3
4
5
10/3/2005 10/6/2005 10/9/2005 10/12/2005 10/15/2005
Thời gian(h)
H(m)
Thực đo
Tính toán
Thạch Hãn
Thời gian (h)
H(m)
Thực đo
Tính toán
Đông Hà
Hình 4. Quá trình mực nước tính toán và thực đo trận lũ 10/2005.
0
2
4
6
8
1 6 11 16 21 26 31 36
STT
Z(m)
Z khao sat
Z tinh toan
Đường quá trình mực nước tính toán và khảo sát
R2 = 0.9121
2
4
5
7
8
2 3 4 5 6 7 8
Z tí nh to án(m)
Z khảo sát(m)
Hình 5. So sánh vết lũ tính toán và thực đo trên lưu vực sông Bến Hải với trận lũ tháng 10/2005.
T.N. Anh / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 1-8
5
So sánh độ sâu ngập tính toán và kết quả điều
tra vết lũ
-1
0
1
2
3
4
1 4 7 10 13 16 19
Số điểm khảo sát
Độ sâu ngập (m)
Thực đo
Tính toán
Đường tương quan độ sâu ngập tính toán và khảo sát
R2 = 0.9185
0
1
2
3
4
0 1 1 2 2 3 3 4
Khảo sát (m)
Tính toán (m)
Hình 7. Biều đồ so sánh độ sâu ngập tính toán và kết quả điều tra vết lũ năm 1999.
4.3. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình
Mô hình 1 chiều được kế thừa toàn bộ từ
nghiên cứu trước đây [8], nên trong khuôn khổ
nghiên cứu này chỉ hiệu chỉnh và kiểm định mô
hình sau khi kết nối 1-2 chiều cho các trận lũ
lớn gây ngập lụt trên diện rộng. Dựa trên các
đánh giá và số liệu đã thu thập, trận lũ từ 06 đến
09/10/2005 đã được lựa chọn để hiệu chỉnh và
trận lũ từ 1 đến 10/11 năm 1999 được lựa chọn
để kiểm định mô hình.
Kết quả so sánh mực nước tính toán và thực
đo tại trạm Thạch Hãn (R2=98.7%) và Đông Hà
(R2=90%) biểu diễn trên hình 4 với chỉ tiêu
Nash đạt loại tốt (trên 90%). Trong khi so sánh
số liệu vết lũ giữa tính toán và thực đo trên hình
5 cho thấy mô hình đã mô phỏng tương đối tốt
mực nước lũ với hệ số tương quan đạt 0.91.
Trên cơ sở đó, mạng thủy lực, bộ thông số mô
hình được sử dụng kiểm định với trận lũ năm
1999.
Sử dụng mô hình với bộ thông số đã hiệu
chỉnh ở trên, kết quả tính toán mực nước tại
trạm Thạch Hãn (R2=92.7%) và Đông Hà
(R2=95%) được so sánh với số liệu quan trắc
như trên hình 6. Dễ nhận thấy kết quả mô
phỏng tương đối phù hợp với thực đo, đặc biệt
là giá trị đỉnh lũ. Thời gian xuất hiện đỉnh lũ có
sai khác, tuy nhiên mục đích của mô hình kết
nối 1-2 chiều là xây dựng bản đồ ngập lụt ứng
với đỉnh lũ nên sai số về thời gian như trên có
thể được bỏ qua. Chỉ tiêu đánh giá sự phù hợp
giữa tính toán và thực đo Nash đạt loại tốt (trên
90%). So sánh với các kết quả điều tra vết lũ cũng
cho thấy kết quả tương đối phù hợp (hình 7).
-2
0
2
4
6
8
10/29/1999 11/3/1999 11/8/1999 11/13/1999 11/18/1999
Thời gian (h)
H(m)
Thực đo
Tính toán
Thạch Hãn
0
1
2
3
4
5
10/31/1999 11/3/1999 11/6/1999 11/9/1999
Thời gian(h)
H(m)
Thực đo
Tính toán
Đông Hà
Hình 6. Quá trình mực nước tính toán và thực đo trận lũ 11/1999.